192. Теплотехнические расчёты изотермических вагонов и контейнеров

Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

Определение количества теплоты или мощности теплового потока, поступающего в грузовое помещение изотермического транспортного модуля (вагона, контейнера) от окружающей среды и груза, относится к теплотехническим расчётам. Такие расчёты необходимы при решении различных проектных и эксплуатационных задач хладотранспорта. К проектным задачам относят:

● определение расчётной тепловой нагрузки на проектируемое холодильно-отопительное оборудование рефрижераторных транспортных модулей;

● определение толщины теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях грузовых помещений и т.п.

Задачами эксплуатационного характера являются:

● установление предельных сроков и других условий перевозки скоропортящихся грузов в транспортных модулях;

● анализ и прогнозирование возможных причин нарушения условий перевозок грузов;

● определение фактического расхода дизельного топлива на маршруте;

● определение сфер рационального использования транспортных модулей в различных режимах эксплуатации, включая условия перевозок, не предусмотренные нормативными документами.

В зависимости от поставленной цели теплотехнический расчёт выполняют аналитическим или графоаналитическим методами. Для проектных целей используют только аналитический метод расчёта мощности теплопритоков. При этом параметры окружающей среды задаются постоянными с высокой надёжностью. Так, рефрижераторные вагоны строят в нашей стране с учётом эксплуатации при температурах наружного воздуха в летний период до 45оС и в зимний период – до минус 45оС, обеспечивая при этом температуру воздуха внутри грузового помещения соответственно летом до минус 20оС и зимой – до 14оС. Аналитический метод расчёта теплопритоков применяют также для решения общих эксплуатационных и экономических задач, когда транспортный мо- дуль перемещается в однородной климатической зоне с незначительными колебаниями температуры наружного воздуха на маршруте. В этом случае температуру наружного воздуха принимают усреднено-постоянной на протяжении всей рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью. При оценке работоспособности холодильно-отопительного оборудования в неординарных условиях, при определении расхода дизельного топлива на маршруте с разными климатическими условиями или при моделировании процессов теплообмена в грузовом помещении транспортного модуля используют графоаналитические расчёты. Суть таких расчётов заключается:

● в графическом сопоставлении фактической производительности холодильно-отопительного оборудования и мощности всех теплопоступлений внутрь изотермического транспортного модуля в зависимости от температуры наружного воздуха, времени суток, периода года, скорости движения на маршруте и др.;

● в возможности представить в наглядном виде динамику теплового баланса, а также динамику изменения температурных полей наружного воздуха, воздуха и груза внутри изотермических транспортных модулей во времени и в условиях максимально приближённых к действительности. Для этого маршрут перевозки груза разбивают на участки с однородными климатическими условиями либо на равные участки по времени следования с требуемым шагом, и на каждом участке определяют тепловой баланс. Точность графоаналитического определения теплового баланса увеличивается с сокращением величины промежутков (по времени), на которые разбивают маршрут следования груза. Во всех теплотехнических расчётах учитывают влияние случайных факторов на теплообменные процессы в системе окружающая среда – транспортный модуль – груз, например, колебание температуры наружного воздуха, направление ветра и т.п. Для учёта этих факторов при определении теплопритоков обычно применяют вероятностный подход, обеспечивающий требуемую (в зависимости от поставленной цели) надёжность расчётов. Эта надёжность учитывается соответствующими квантилями. В проектных расчётах обычно учитывают ограниченное количество случайных и даже неслучайных факторов. Поэтому для таких целей надёжность теплотехнического расчёта принимается достаточно высокая (0,98 … 0,999). Решение эксплуатационных и экономических задач требует выполнения более точных теплотехнических расчётов. Здесь надёжность имеет второстепенный смысл. Точность расчёта заключается в необходимости учёта и формализации достаточно большой группы факторов, от которых существенно зависят скорость протекания теплообменных процессов в грузовом помещении транспортного модуля и, соответственно, результаты расчёта мощности тепловых потоков.

Состав теплопоступлений в грузовое помещение вагона, контейнера

Общие теплопоступления (Qоб) подразделяют на непрерывные, которые действуют непрерывно на всём пути следования груза, периодические, воздействующие на груз при определённых условиях, и одноразовые, которые после однократного воздействия на груз больше не проявляются.

К непрерывным относят теплопритоки:

● вследствие теплопередачи через ограждения кузова транспортного модуля, возникающей при разности температур наружного воздуха и воздуха внутри вагона (Qт);

● при поступлении свежего воздуха внутрь грузового помещения через неплотности дверей, сливных приборов, люков и в местах прохода трубопроводов, т.е. за счёт так называемой инфильтрации воздуха (Qи);

● от плодоовощей при дыхании, т.е. от выделения ими биохимической теплоты вследствие продолжающихся процессов жизнедеятельности (Qб).

К периодическим относят теплопритоки:

● эквивалентные воздействию солнечной радиации (Qс);

● эквивалентные работе вентиляторов-циркуляторов (Qц);

● от свежего воздуха, поступающего внутрь грузового помещения при вентилировании (Qв);

● эквивалентные оттаиванию снеговой шубы (инея), которая образуется на воздухоохладителях холодильных машин за счёт конденсации влаги, проникаемой с тёплым воздухом внутрь грузового помещения при инфильтрации, а также при вентилировании (Qш).

К одноразовым относят теплопритоки:

● от охлаждаемого груза, тары и средств пакетирования (Qг);

● от охлаждаемого или отепляемого кузова и оборудования транспортного модуля (Qк);

● от окружающей среды и груза при погрузке (Qп).

Суммарный тепловой поток получают алгебраическим сложением его компонентов, кроме Qп. Последний используется для определения разности температур груза до и после погрузки.

Состав теплопоступлений зависит от цели и метода расчёта, вида и степени термической подготовки груза, а также условий перевозок.

Определение расчётных температур окружающей среды. Расчётная температура наружного воздуха на маршруте следования транспортного модуля.

В теплотехнических расчётах, вместо средних температур, применяют так называемые расчётные температуры наружного воздуха, которые учитывают возможные отклонения от их средних значений, приводимых в справочных данных. В аналитических расчётах мощности тепловых потоков расчётную температуру наружного воздуха (tр) определяют как усреднённо-постоянную на протяжении всего маршрута или рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью, °С:

где tр.э.д и tр.э.н — соответственно расчётная экстремальная дневная (по состонию на 12 ч дня) и ночная (по состоянию на 12 ч ночи) температура наружного воздуха для рассматриваемого месяца на маршруте перевозки, определяемая по формуле, оС:

где tс.э.д — среднемесячная экстремальная дневная температура наружного воздуха для рассматриваемого месяца на маршруте перевозки, °С, принимаемая по климатическим справочникам по состоянию на 12 ч дня;

tс.э.н — то же, ночная (по состоянию на 12 ч ночи), °С;

Х — квантиль надёжности расчёта теплопри- токов (табл. 8.3). В расчётах, выполняемых для проектных целей, надёжность Р следует принимать не ниже 0,99 либо пользоваться готовыми данными расчёт- ных температур (см. табл. 8.1);

— среднеквадратическое отклонение температуры наружного воздуха от её среднего значения (нормальный закон распреде- ления случайной величины), определяемое по формуле:

где tмах.д — максимальная дневная температура наружного воздуха для рассмат- риваемого месяца на маршруте (за весь период наблюдений), °С;

tмин.н — то же, минимальная ночная, °С.

При перевозках в зимний и весенний периоды года произведение X∙ в формуле (8.2) принимают со знаком минус. Тем самым перевозку груза ставят в более жёсткие условия – летом и осенью теплее, а зимой и весной холоднее.

Если маршрут следования транспортного модуля пролегает в разных климатических зонах, то этот маршрут разбивают на участки с однородными климатическими зонами и на каждом участке определяют расчётные температуры по выше указанной схеме.

При моделировании теплообменных процессов, когда продолжительность нахождения транспортного модуля на участке менее суток, учитывают суточные колебания температуры окружающей среды (рис. 8.1). При этом расчётную температуру наружного воздуха на любое (текущее) время суток можно определить, °С:

где Т — текущее местное время, часы суток, на которое производят расчёт температуры наружного воздуха, например, 8 ч утра;

— смещение по времени суток дневных и ночных температур относительно полудня (полуночи), ч, принимаемое для континентального климата 1 … 2 ч и для мягкого климата – 3 … 5 ч.

Расчётную температуру наружного воздуха за время нахождения транспортного модуля на каком-либо i-м расчётном интервале (отрезок пути с одно- родной климатической зоной, погрузка и т.д.) следует определять как среднее значение функции (8.3) на этом интервале по времени суток по интегральному выражению, °С:

где Ткi — текущее местное время суток в конце i-го расчётного интервала, часы суток;

Тнi — то же, в начале i-го расчётного интервала, часы суток;

— продолжительность нахождения транспортного модуля в i-м расчётном интервале, ч.

Очевидно, что при увеличении второе слагаемое в выражении (8.4) стремится к нулю. При >= 24 его можно не учитывать. Поэтому для условий однородной климатической зоны выражение (8.4) приобретает частный вид, приведённый в формуле (8.1).

Расчётная температура воздуха на грузовом фронте.

Эту температуру (tф) используют для определения теплопритоков за время погрузки вагонов и контейнеров. На открытых грузовых фронтах холодильников величину tф принимают равной расчётной температуре наружного воздуха за время погрузки (tр.п), определяемой по формуле (8.4), т.е. tф = tр.п.

При погрузке вагонов на полузакрытом грузовом фронте холодильника величину tф принимают равной расчётной температура воздуха внутри дебарка дера (tд), которая будет отличаться от tр.п

Характеристика теплообменных процессов в грузовом помещении рефрижераторных транспортных модулей

Во время погрузки в вагон или контейнер неохлаждённого груза начальная температура груза (tг.н), а также температура воздуха в грузовом помещении в начале погрузки (tв.н.п) принимаются одинаковыми (рис. 8.3, а, б) и равными температуре воздуха на грузовом фронте (tф). Возможны варианты, когда tг.н и tф различаются между собой (рис.8.3, в, г), например, при поступлении неохлаждённого груза со склада.

При погрузке в транспортный модуль охлаждённого или замороженного груза (tг.н) и (tв.н.п) могут сильно отличаться от tф, (рис. 8.3, д, е). Процесс погрузки вагонов и контейнеров (не только рефрижераторных) сопровождается теплопоступлениями в грузовое помещение:

● через ограждения кузова, если tг.н отличается от tф, а также, если вагон охлаждён или обогрет перед погрузкой;

● за счёт инфильтрации воздуха через открытый дверной проём;

● за счёт биохимической теплоты, выделяемой плодоовощами;

● за счёт рассеянной и прямой солнечной радиации, воздействующей на часть боковой поверхности и крыши транспортного модуля при его нахождении на открытом грузовом фронте.

Совместное воздействие этих теплопритоков может привести к изменению температурных полей воздуха внутри грузового помещения и груза к моменту окончания погрузки (см. рис. 8.3, б…е). При поступлении неохлаждённых грузов эти теплопритоки незначительны, их можно не учитывать и принять температуру груза после погрузки (tг.п.п) равной tг.н.

Температура охлаждённых грузов после погрузки даже с учётом ожидании прицепки транспортного модуля к вагону-электростанции может измениться по отношению к начальной, но не более чем на +-3,0°С.

После погрузки и закрытия дверей рефрижераторного вагона или контейнера запускают дизель-генераторы, устанавливают требуемый температурный режим и режим обслуживания груза в пути, включают холодильно- отопительное оборудование. При этом сначала начинают работать вентиляторы-циркуляторы, с помощью которых температурные поля свободного воздуха и груза во всех случаяхвыравниваются, т.е. температура свободного воздуха внутри транспортного модуля после погрузки (tв.п.п) становится примерно равной tг.п.п. Таким способом бригады механиков контролируют (косвенно) фактическую температуру принятого груза. Через 7...10 мин

после включения вентиляторов-циркуляторов автоматически включаются холодильные машины или электропечи в зависимости от назначенного способа обслуживания груза в пути. В процессе транспортировки возможны различные варианты протекания теплообменных процессов в грузовом помещении. Рассмотрим два из них при перевозке в рефрижераторном вагоне неохлаждённых плодоовощей. Первый случай. Расчётная температура наружного воздуха (tр) выше температурного режима перевозки (tв). В качестве примера допустим, что tг.н ниже tф, а tф выше tр.

Поскольку грузятся неохлаждённые плодоовощи, то по действующим Правилам предварительное охлаждение вагона не требуется. Значит tв.н.п = tф. и теплопритоки в вагон при погрузке минимальны. Тогда на момент включения холодильных машин будем иметь:

tв.п.п = tг.п.п = tг.н.

После включения холодильных машин из воздухораспределителя в грузовое помещение вагона начинает поступать холодный воздух, нагнетаемый вентиляторами-циркуляторами, и заполнять свободное пространство вокруг и внутри штабеля груза в соответствии с применяемой схемой циркуляции воздуха. Забирая теплоту от груза и стен вагона, тёплый воздух направляется к испарителям холодильных машин, охлаждается и снова нагнетается в воздухораспределитель. Далее всё повторяется. За счёт работы холодильных машин происходит постепенное охлаждение циркулируемого воздуха, тары вагона и груза. Компенсируются внешние и внутренние теплопоступления. Следует иметь в виду, что интенсивность погашения каждого теплопритока холодильным оборудованием различна в зависимости от условий протекания теплообменных процессов. Условно следует считать, что первым всегда погашается теплоприток от работающих вентиляторов-циркуляторов. Затем компенсируются теплопритоки через ограждения кузова вагона, включая солнечную радиацию, и за счёт инфильтрации воздуха. Охлаждается тара вагона. Одновременно с этими, но менее интенсивно, погашаются теплопритоки от дыхания плодоовощей и за счёт их термической обработки. Причём груз будет крайне медленно охлаждаться при плотной погрузке. Фактор интенсивности погашения теплопритоков учитывают при определении основных характеристик теплообменных процессов. Первоначальное охлаждение свободного воздуха в рефрижераторном вагоне будет длиться до тех пор, пока его температура не достигнет нижней границы требуемого температурного режима (tв.н). После этого холодильные машины отключают. За счёт положительных суммарных теплопритоков циркулируемый воздух в вагоне будет прогреваться. При повышении температуры воздуха до верхней границы температурного режима (tв.в) вновь включают холодильные машины. Далее процесс повторяется. Продолжительность первоначального охлаждения воздуха в вагоне до среднего значения температурного режима называют нестационарным температурным режимом перевозки (НТРП) груза. Дальнейшая циклическая работа холодильного оборудования для поддержания температурного режима между нижней и верхней границами осуществляется в стационарном температурном режиме перевозки. По мере охлаждения груза интервалы между выключением и включением холодильных машин в стационарном режиме заметно увеличиваются. При продолжительности пауз в работе холодильных машин более 9 мин вентиляторы- циркуляторы автоматически отключаются.

Охлаждение груза до значений температур, соответствующих стационарному температурному режиму осуществляется за время, которое соответствует длительности теплообменного режима охлаждение груза. Затем этот режим переходит в режим теплокомпенсация и сохраняется до конца перевозки.

Второй случай. Плодоовощи грузятся и охлаждаются в пути при расчётной температуре наружного воздуха ниже требуемого режима перевозки. При такой температуре окружающей среды плодоовощи обычно находятся на складах. Тем не менее, такая ситуация возможна, например, при погрузке тепличных культур в зимний и переходный периоды года либо резкое понижение температуры наружного воздуха перед погрузкой.

В данном примере, начальная температура груза (tг.н) при погрузке не соответствует расчётной температуре воздуха на грузовом фронте (tф). Температура воздуха в грузовом помещении вагона в начале погрузки (tв.н.п), наоборот, соответствует tф, так как для погрузки неохлаждённых плодоовощей предварительное отепление рефрижераторных вагонов не производят. В процессе погрузки температура воздуха в грузовом помещении будет повышаться и к моменту закрытия дверей вагона достигнет значений, близких к температуре груза. Тогда на момент включения холодильных машин будем иметь:

tв.п.п = tг.п.п.

Охлаждение воздуха и груза в вагоне до требуемого температурного режма перевозки в пути следования будет также осуществляться с помощью холодильных машин, как и в первом случае. Однако этот процесс будет протекать значительно быстрее, так как в вагон поступает холод от окружающей среды. При значительных отрицательных температурных напорах через ограждения кузова вагона не исключается прекращение работы холодильных машин даже, когда груз ещё полностью не охлаждён. Так, если мощность холодопритоков от наружного воздуха соответствует мощности теплоотдачи груза, то роль холодильных машин может выполнять окружающая среда. Если же мощность холодопритоков от наружного воздуха превышает мощность теплоотдачи груза в режиме его охлаждения, то регулирование нижней и верхней границ температурного режима в рефрижераторных вагонах осуществляют периодическим включением электропечей. По завершении охлаждения груза режим охлаждение переходит в режим хладокомпенсация, который сохраняется до конца перевозки. При этом регулирование требуемых границ температурного режима перевозки уже осуществляется только периодическим включением электропечей.

Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в изотермические вагоны и контейнеры для проектных целей

Расчёт выполняют для экстремальных режимов эксплуатации проектируемых транспортных модулей, предусмотренных, в киловаттах на грузовую единицу (вагон или контейнер). Мощность теплового потока вследствие теплопередачи через ограждения кузова проектируемого транспортного модуля, кВт/ед.:

где Кр — расчётный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций грузового помещения транспортного модуля, определяемый по формуле (8.7), Вт/(м2∙К);

Fр — расчётная поверхность ограждений грузового помещения, определяемая как средняя геометрическая величина между внутренней и наружной поверхностями проектируемого транспортного модуля (см. прил. Н), м2;

tр — расчётная температура наружного воздуха в экстремальных условиях обращения проектируемого транспортного модуля (см. табл. 8.1), °С;

tв — рас- чётный температурный режим перевозки груза (см. табл. 8.1), °С.

Мощность теплового потока от инфильтрации свежего воздуха в грузовое помещение проектируемого транспортного модуля, кВт/ед.:

где 0,3 — допускаемая проектная кратность инфильтрации воздуха через не- плотности в ограждениях грузового помещения и в вентиляционной системе, ч-1; — плотность наружного воздуха в экстремальных условиях перевозок (табл. У.1), кг/м3;

Vп — полный объём грузового помещения проектируемого транспортного модуля (см. прил. Н), м3;

iн — удельное теплосодержание наружного воздуха в экстремальных условиях перевозок (табл. У.2), кДж/кг;

iв — удельное теплосодержание воздуха внутри грузового помещения в режиме перевозки при относительной влажности 95 % (см. там же), кДж/кг.

Мощность теплового потока от плодоовощей при дыхании, кВт/ед.:

где 0,8 — коэффициент, учитывающий массу плодоовощей без тары, упаковки и средств пакетирования, доли единицы;

qб — расчётная мощность удельных тепловыделений плодоовощей при температуре 25оС (в среднем принять qб = 0,4 кВт/т);

Рт.м — расчётная грузоподъёмность транспортного модуля, т;

Ки.г — коэффициент использования грузоподъёмности транспортного модуля, Ки.г.= 0,85 (в расчёте учитывают погрузку плодоовощей в деревянных ящиках плотно-вертикальным способом).

Мощность теплового потока от солнечной радиации, кВт/ед.:

где Fб.с — расчётная поверхность боковых стен транспортного модуля (см. прил. Н), м2;

Fк — то же, крыши (см. там же), м2;

∆tв — максимальное превышение температуры вертикальной поверхности вагона или контейнера, облучённой солнцем, в состоянии покоя и при безветренной погоде для летнего периода, ∆tв = 14 К;

∆tг — то же, горизонтальной поверхности, ∆tг = 32 К;

В расчёте Qс экстремальным принято воздействие на всём пути следования только прямой солнечной радиации. Превышение температур, эквивалентных воздействию солнечной радиации, можно принимать иным (приложение Ф), если проектируемые средства будут эксплуатироваться не на всей сети железных дорог, а в определённом регионе.

Мощность теплового потока, эквивалентного работе вентиляторов- циркуляторов, кВт/ед.;

где Nц — суммарная проектная мощность электродвигателей вентиляторов- циркуляторов, кВт; ζ — коэффициент трансформации механической энергии вентилятора-циркулятора внутри воздуховода в тепловую, ζ = 0,10.

Мощность теплового потока от груза и тары при охлаждении в пути следования, кВт/ед.:

г де аг и ат — коэффициенты, учитывающие соответственно массу плодоовощей и тары, доли единицы;

Сг — максимальная удельная теплоёмкость плодоовощей,

Спл = 4,18 кДж/(кг∙°С);

Cт — то же, тары, Ст=2,7 кДж/(кг∙°С);

bг — рас- чётный темп охлаждения груза, °С/ч. Его величину следует нормировать по формуле (8.11) при условиях: bг= mг, =0,9, =0,2. Мощность теплового потока от кузова и оборудования транспортного модуля при охлаждении или отеплении в пути следования, кВт/ед.:

где а — коэффициент, учитывающий неоднородность температурного поля ку- зова транспортного модуля, а = 0,5;

β — коэффициент конкордации (соответствия) темпов охлаждения кузова транспортного модуля и груза, β = 1,3;

См, Сд, Си — удельные теплоёмкости соответственно металла, дерева и изоля- ции, кДж/(кг∙°С);

Gм, Gд, Gи — проектная масса соответственно металлических, деревянных частей транспортного модуля и изоляции, кг; ῖг — продолжитель- ность охлаждения груза (см. формулу (8.13)), ч.

Для требуемого экстремального режима перевозки подсчитывают суммарную потребную мощность тепло-, холодопоступлений согласно их состав, имея при этом ввиду, что все теплопоступления действуют одновременно.