Хладотранспорт / 02-Студентам Хладотранспорт и доставка-2013-2 / 02-Учебные пособия / Теп-расчет-2013-Нцвет

Введение

Определение количества теплоты или мощности теплового потока, поступающего в грузовое помещение изотермического вагона или изотермического контейнера (далее – изотермического транспортного модуля (ИТМ)) от окружающей среды и груза, относится к теплотехническим расчётам.

Такие расчёты необходимы при решении различных проектных и эксплуатационных задач хладотранспорта. Теплотехнические расчёты, выполняемые в учебных целях, позволяют закрепить знания по основным технологическим параметрам обслуживания перевозок скоропортящихся грузов. Эти расчёты помогают понять суть теплообменных процессов, про-

текающих в системе окружающая среда – транспортный модуль – груз,

анализировать и прогнозировать возможные причины нарушения условий перевозок, приводящие к порче продуктов.

Прежде, чем приступить к теплотехническим расчётам, необходимо ознакомиться с условиями перевозок рассматриваемого груза в вагонах и контейнерах [1, 2].

Используемые в расчётах поправочные коэффициенты и эмпирические выражения получены путём многофакторного анализа и обобщения кон- трольно-опытных перевозок скоропортящихся грузов, проведённых учёными ПГУПС-ЛИИЖТ на рефрижераторных секциях в период с 1983 по

1990 годы.

Основными исходными данными для теплотехнического расчёта являются:

–грузовая и теплотехническая характеристики применяемого ИТМ (приложение А);

–температурный режим перевозки груза (приложение Б);

–вид и состояние термической подготовки груза, его начальная температура;

–теплофизические характеристики груза, упаковки, тары и средств пакетирования (приложения В, Г, Д);

–способ формирования штабеля груза в ИТМ и характеристика плотности погрузки (приложение Е);

–период перевозки груза и температура наружного воздуха;

–надёжность расчёта теплопоступлений.

11

1 Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

Цели расчёта

Теплотехнические расчёты выполняют для решения проектных и эксплуатационных задач.

К проектным задачам относят:

–определение расчётной тепловой нагрузки на проектируемое холо- дильно-отопительное оборудование рефрижераторного транспортного модуля (РТМ);

–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 ИТМ;

–анализ и прогнозирование причин, приводящих к нарушению условий перевозок грузов;

–определение фактического расхода дизельного топлива на маршруте;

–определение сфер рационального использования ИТМ в различных режимах эксплуатации, включая условия перевозок, не предусмотренные нормативными документами.

Методы расчёта

В зависимости от поставленной цели теплотехнический расчёт выполняют аналитическим или графоаналитическим методом.

Для проектных целей используют только аналитический метод расчёта мощности теплопритоков. При этом параметры окружающей среды задаются постоянными с высокой надёжностью. Поэтому рефрижераторные вагоны строят с учётом эксплуатации при температурах наружного возду-

ха в летний период до +50°С и в зимний период – до минус 45°С. При этом должна обеспечиваться температура воздуха внутри грузового помещения соответственно летом до минус 20°С и зимой до +14°С.

Аналитический метод расчёта теплопритоков применяют также для решения общих эксплуатационных и экономических задач, когда ИТМ перемещается в однородной климатической зоне с незначительными колебаниями температуры наружного воздуха на маршруте. В аналитических расчётах температуру наружного воздуха принимают усредненопостоянной на протяжении всей рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью.

12

При оценке работоспособности холодильно-отопительного оборудования РТМ в неординарных условиях, при определении расхода дизельного топлива на маршруте с разными климатическими условиями или при моделировании процессов теплообмена в грузовом помещении используют графоаналитические расчёты теплопритоков. Суть таких расчётов заключается:

–в графическом сопоставлении фактической производительности хо- лодильно-отопительного оборудования и мощности всех теплопоступлений внутрь РТМ 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 ИТМ 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.

Надёжность расчёта

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. 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 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 РТМ (подробно смотреть пункт 5).

13

2 Классификация и состав теплопоступлений в изотермические транспортные модули

Общие теплопоступления 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 ИТМ, возникающей при разности температур наружного воздуха и воздуха внутри мо-

дуля (Qт);

– при поступлении свежего воздуха внутрь грузового помещения через неплотности дверей, сливных приборов, люков и в местах прохода трубо-

проводов, т. е. за счёт так называемой инфильтрации воздуха (Qи);

– от плодоовощей при дыхании, т. е. за счёт выделения ими биохими-

ческой теплоты вследствие протекания 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, которая попадает с тёплым воздухом внутрь грузового помещения при ин-

фильтрации, а также при вентилировании (Qш);

К одноразовым относят теплопритоки:

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

–от охлаждаемого или отепляемого кузова и оборудования транс-

портного модуля (Qк);

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

Суммарный тепловой поток, который должен быть компенсирован хо-

лодильным ( Q 0) или отопительным ( Q 0) оборудованием получают алгебраическим сложением его компонентов, кроме последнего теплопри-

тока. Последний теплоприток (Qп) используется для определения разности температур груза до и после погрузки.

14

Состав теплопоступлений зависит от цели и метода расчёта, вида и степени холодильной подготовки груза, а также условий перевозок (табли-

цы 2.1 и 2.2).

Таблица 2.1

Состав теплопоступлений, учитываемых в проектных расчётах

Состав теплопоступлений, учитываемых в аналитических и графоаналитических расчётах для эксплуатационных целей

15

3 Определение расчётных температур окружающей среды

Расчётная температура наружного воздуха

Втеплотехнических расчётах, вместо средних температур, применяют так называемые расчётные температуры наружного воздуха, которые учитывают возможные отклонения от их средних значений, приводимых в справочных данных.

Ваналитических расчётах мощности тепловых потоков расчётную

температуру наружного воздуха (tр) определяют, °С, как усреднённопостоянную на протяжении всего маршрута или рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью по формуле:

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

где tс.э.д – среднемесячная экстремальная дневная температура наружного воздуха для рассматриваемого месяца на маршруте перевозки, °С, прини-

маемая 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 теплопритоков (таблица 3.1). В расчётах, выполняемых для про-

ектных целей, надёжность Р следует принимать не ниже 0,99 либо пользо-

ваться готовыми данными расчётных температур (см. табл. 2.1); – сред-

неквадратичное отклонение температуры наружного воздуха от её среднего значения (нормальный закон распределения случайной величины), определяемое по формуле:

tмах.д tмин.н ,

3

16

где tмах.д – максимальная дневная температура наружного воздуха для рас-

сматриваемого месяца на маршруте (за весь период наблюдений), °С; tмин.н

– то же, минимальная ночная, °С.

При перевозках в зимний период и весеннюю часть переходного пе-

риода года произведение «X » в формуле (3.2) принимают со знаком ми-

нус. Тем самым перевозку груза ставят в более жёсткие условия – летом и осенью теплее, а зимой и весной холоднее.

Таблица 3.1

Значения квантиля (Х) от надёжности расчёта теплопритоков (Р)

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 (рисунок 3.1). При этом расчётную температуру наружного воздуха на любое (текущее) время суток, °С, можно определить по формуле:

где tр.э.д и tр.э.н – смотреть формулы (3.1) и (3.2); Т – текущее местное время, часы суток, на которое производят расчёт температуры наружного воз-

17

духа, например, 8 ч утра; см – смещение по времени суток (см. рис.3.1)

экстремума дневных и ночных температур относительно полудня (полуночи), принимаемое для континентального климата 1…2 ч и для мягкого климата – 3…5 ч. В курсовом проекте можно принять см = 2 ч.

Рисунок 3.1 – Суточные колебания температуры наружного воздуха

Расчётную температуру наружного воздуха за время нахождения транспортного модуля на каком-либо i-м расчётном интервале (отрезок пути с однородной климатической зоной, погрузка и т. д.) следует определять, °С, как среднее значение функции на этом интервале по времени суток (рисунок 3.2) по интегральному выражению:

(3.4)

sin (Tнi см)), 12

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; 18

i – продолжительность нахождения транспортного модуля в i-м расчётном интервале, ч; другие обозначения смотреть выше.

Рисунок 3.2 – Среднее значение функции (tрi) на интервале {Тнi, Ткi} в графоаналитических расчётах

Очевидно, что при увеличении i второе слагаемое в выражении (3.4)

стремится к нулю. При i 24 его можно не учитывать. Тогда выражение (3.4) приобретает частный вид, приведённый в формуле (3.1).

Если известна или задана только средняя температура наружного воз-

духа на направлении перевозки (tср), то

В курсовом проекте значения tср и заданы.

Расчётная температура наружного воздуха на фронте погрузки

Эту температуру (tф) используют для определения теплопритоков в вагон или контейнер за время их нахождения под грузовыми операциями. На открытых грузовых фронтах холодильников (рисунок 3.3, слева) величину tф принимают равной расчётной температуре наружного воздуха за время погрузки, определяемой в зависимости от метода расчёта теплопоступле-

ний, т. е. в аналитическом расчёте tф = tр (формула (3.1)) или формула

19

(3.5)), в графоаналитическом – tф = tрi (формула (3.4)). Если известны рас-

чётные экстремальные температуры, а также время начала и окончания погрузки, то лучше использовать формулу (3.4) при любом методе расчёта теплопритоков.

При погрузке вагонов на полузакрытом грузовом фронте холодильни-

ка (рисунок 3.3, справа) величину tф принимают равной расчётной темпе-

ратура воздуха внутри дебаркадера (tд) в зависимости от технологии работы холодильника (таблица 3.2).

Рисунок 3.3 – Грузовые фронты холодильного склада

Таблица3.2

Расчётная температура наружного воздуха в дебаркадере холодильного склада

20