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

4 Характеристика теплообменных процессов

вгружёном рейсе

Впроцессе загрузки вагонов и контейнеров

Перед погрузкой термически подготовленных скоропортящихся грузов грузовые помещения РТМ охлаждают или обогревают в соответствии с требованиями правил перевозок (приложение Ж). Перед погрузкой неохлаждённых грузов и грузов, не требующих поддержания температурного режима перевозки, этого делать не требуется.

Процесс загрузки вагонов и контейнеров сопровождается теплопоступлениями в грузовое помещение:

–через ограждения кузова, когда температура груза и воздуха в грузовом помещении отличаются от наружной температуры;

–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

кмоменту окончания погрузки (рисунок 4.1).

Так, при поступлении в вагон или контейнер неохлаждённого груза его начальная температура (tг.н), а также температура воздуха в грузовом помещении в начале погрузки (tв.н.п) принимаются одинаковыми и равны-

ми (см. рис. 4.1, а) температуре воздуха на грузовом фронте (tф). К концу погрузки температурные поля груза, наружного воздуха и воздуха в грузовом помещении практически не изменятся, и можно принять температуру груза после погрузки (tг.п.п) равную tг.н. Температура неохлаждённых плодоовощей к концу погрузки может повыситься на 1…2°С за счёт выделяемой биохимической теплоты (см. рис. 4.1, б).

Возможны варианты, когда температура неохлаждённых грузов при погрузке и температура воздуха на грузовом фронте различны (см. рис. 4.1, в, г). Здесь температура груза к концу погрузки может измениться, но незначительно.

При погрузке охлаждённых или замороженных грузов значения tг.н и tв.н.п могут сильно отличаться от tф, (см. рис. 4.1, д, е). Здесь температура

21

груза к концу погрузки может измениться больше, чем в предыдущих вариантах. Поэтому при длительной погрузке или ожидании прицепки транспортного модуля к вагону-электростанции необходимо определять теплопоступления внутрь грузового помещения за время погрузки с последующим выходом на температуру груза после погрузки через его энтальпию. В курсовом проекте этого делать не требуется.

Рисунок 4.1 – Динамика теплообменных процессов при погрузке скоропортящихся грузов в изотермические транспортные модули в координатах t° (температура) –, (время):

а, б, в, г, – транспортный модуль и груз термически не подготовлены к погрузке; д, е – то же, подготовлены; tг.н – начальная температура груза; tг.п.п – то же, после погрузки; tв.н.п – температура воздуха в грузовом помещении в начале погрузки; tв.п.п – то же, после погрузки; tф – температура воздуха на грузовом фронте

После загрузки и закрытия дверей рефрижераторного вагона или контейнера запускают дизель-генераторы, устанавливают требуемые режимы обслуживания груза в пути, включают холодильно-отопительное оборудо22

вание. При этом сначала начинают работать вентиляторы-циркуляторы, с помощью которых температурные поля свободного воздуха и груза во всех случаях, показанных на рисунке 4.1, выравниваются, т. е. температура сво-

бодного воздуха внутри транспортного модуля после погрузки (tв.п.п) ста-

новится 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 способа обслуживания груза в пути.

Впроцессе транспортировки груза

Впроцессе транспортировки груза возможны различные варианты протекания теплообменных процессов в грузовом помещении. Рассмотрим два из них при перевозке в рефрижераторном вагоне неохлаждённых плодоовощей.

Вариант 1. Расчётная температура наружного воздуха (tр) выше на-

значенного температурного режима перевозки (tв). В качестве примера допустим, что температура груза при погрузке (tг.н) ниже температуры воз-

духа на фронте погрузки (tф), а tф выше tр (рисунок 4.2).

Поскольку грузятся неохлаждённые плодоовощи, то по правилам пе-

ревозок предварительное охлаждение вагона не требуется. Тогда, tв.н.п = tф, а теплопритоки в вагон при погрузке минимальны. Тогда на момент вклю-

чения холодильных машин можно принять: 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 «вокруг и внутри штабеля». Нагретый от груза и стен вагона тёплый воздух направляется к испарителям холодильных машин, охлаждается и снова нагнетается в воздухораспределитель, далее процесс повторяется. За счёт работы холодильных машин происходит постепенное охлаждение циркулируемого воздуха, тары вагона и груза. Компенсируются внешние и внутренние теплопоступления. При этом интенсивность погашения теплопоступлений холодильным оборудованием различна. Очевидно, что первым всегда погашается теплоприток от вентиляторовциркуляторов. Затем компенсируются теплопритоки через ограждения кузова вагона, включая солнечную радиацию, и за счёт инфильтрации возду-

23

ха. Охлаждается кузов вагона. Одновременно, но менее интенсивно, погашаются теплопритоки от плодоовощей. Причём груз будет крайне медленно охлаждаться при плотной погрузке. Фактор интенсивности погашения теплопритоков учитывается при определении основных характеристик теплообменных процессов.

Рисунок 4.2 – Динамика охлаждения воздуха и груза в вагоне при температурах наружного воздуха выше температурного режима перевозки в координатах t° (температура), (время):

НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ– работа холодильных машин; Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник теплопоступлений); tф, tр – расчётные температуры наружного воздуха на грузовом фронте и в гружёном рейсе, °С, tг, tв – соответственно изменение температуры, груза и воздуха внутри грузового помещения

вагона; в – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении;г – продолжительность охлаждения груза; г.р – продолжительность гружёного рейса

Первоначальное охлаждение воздуха в рефрижераторном вагоне (см. рис. 4.2) будет длиться до тех пор, пока его температура не понизится до нижней границы температурного режима (tв.н). После этого холодильные машины отключают. За счёт положительных суммарных теплопритоков

24

циркулируемый воздух в вагоне будет прогреваться. При достижении тем-

пературы воздуха верхней границы режима перевозки (tв.в) вновь включают холодильные машины, процесс повторяется.

Продолжительность первоначального охлаждения воздуха в вагоне

( в) до нижней границы температурного режима (см. рис. 4.2) называют нестационарным температурным режимом перевозки (НТРП). 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 (на время пауз) автоматически отключаются.

Охлаждение груза до верхней границы температурного режима (см.

рис. 4.2), осуществляется за время г, которое соответствует длительности теплообменного режима между воздухом и грузом «охлаждение». После охлаждения груза режим «охлаждение» переходит в режим «теплокомпенсация», который сохраняется до конца перевозки.

Вариант 2. Неохлаждённые плодоовощи грузятся и охлаждаются в пути при расчётной температуре наружного воздуха ниже требуемого режима перевозки (рисунок 4.3).

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.

К моменту закрытия дверей вагона температура воздуха в грузовом помещении станет близкой к температуре груза (см. рис. 4.1, в и рис. 4.3), и

на момент включения холодильных машин будет: tв.п.п tг.п.п tг.н.

Охлаждение воздуха и груза в вагоне будет также осуществляться с помощью холодильных машин, как и в первом случае, но значительно быстрее, так как в вагон поступает холод от окружающей среды. Если мощность холодопритоков от наружного воздуха соответствует мощности теплоотдачи груза, то работу холодильных машин может полностью выполнять окружающая среда. Если же мощность холодопритоков от наружного

25

воздуха превышает мощность теплоотдачи груза, то регулирование нижней и верхней границ температурного режима при охлаждении груза осуществляют периодическим включением электропечей.

Рисунок 4.3 – Динамика охлаждения воздуха и груза в вагоне при температурах наружного воздуха ниже

назначенного температурного режима:

НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ– работа холодильных машин; Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник теплопоступлений); tф, tр – расчётные температуры наружного воздуха на грузовом фронте и в гружёном рейсе, °С, tг, tв – соответственно изменение температуры, груза и воздуха внутри грузового помещения

вагона; в – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении;г – продолжительность охлаждения груза; г.р – продолжительность гружёного рейса

По завершении охлаждения груза наступает теплообменный режим «хладокомпенсация», который сохраняется до конца перевозки (см. рис. 4.3). При этом регулирование требуемых границ температурного режима осуществляется только периодическим включением электропечей.

26

5 Факторы, влияющие на продолжительность охлаждения грузов в рефрижераторных вагонах и контейнерах

При перевозках неохлаждённых грузов (плодоовощи) возникает необходимость охлаждения их в пути. Скорость и продолжительность охлаждения воздуха и груза в РТМ являются основными характеристиками протекания теплообменных процессов в грузовом помещении и используются в теплотехнических расчётах. Их величина варьируется в широком диапазоне в зависимости от ряда факторов, приведённых на рисунке 5.1. По взаимодействующим системам эти факторы представлены тремя группами: факторами груза, транспортного модуля, внешней среды.

Рисунок 5.1 – Факторы, влияющие на продолжительность охлаждения плодоовощей в рефрижераторных вагонах и контейнерах

Факторы груза

Количество груза в РТМ (Gбр) может варьироваться от нескольких тонн до технической нормы загрузки. С увеличением Gбр значительно возрастает продолжительность охлаждения плодоовощей.

Фактическая температура груза перед погрузкой (tг.н). Чем выше температура груза, тем дольше он охлаждается.

Степень плотности штабеля груза ( ш) является характеристикой способа укладки груза в РТМ (см. прил. Е). Чем выше степень плотности штабеля, тем дольше охлаждаются плодоовощи в вагоне, контейнере.

27

Интенсивность (мощность) биохимической теплоты, выделяемой плодоовощами (qб) характеризует ферментальные процессы дыхания плодоовощей (см. прил. Г). Чем больше мощность дыхания плодоовощей, тем медленнее охлаждаются плодоовощи.

Степень скважности тары ( т) характеризует воздухопроницаемые свойства тары, в которую уложен груз (см. прил. Д). Воздухопроницаемая тара способствует ускорению теплообменных процессов.

Скорость теплоотдачи груза (mг) характеризует способность груза изменять свою температуру с определённой скоростью при конвективном теплообмене.

Факторы окружающей среды

Расчётная температура наружного воздуха (tр) сильно влияет на скорость охлаждения груза. Её повышение увеличивает долю мощности холодильных машин на погашение теплового потока через ограждения кузова РТМ, что приводит снижению скорости охлаждения груза.

Расчётный температурный напор ( tр) возникает при разнице в тем-

пературах наружного воздуха и воздуха внутри грузового помещения РТМ

(tр – tв). Увеличение tр снижает скорость теплообменных процессов.

Факторы РТМ

Максимальный температурный напор ( tм) является характеристикой холодильного оборудования РТМ (см. прил. А). С увеличением фактиче-

ского температурного напора ( tр) мощность холодильных машин падает.

При tр = tм полностью прекращается отвод теплоты холодильными машинами в окружающую среду, а вместе с этим процессы охлаждения.

Тип РТМ и его техническое состояние влияет на величину максималь-

ного температурного напора. В процессе эксплуатации мощность компрессора холодильной установки снижается, что отрицательно влияет на скорость теплообменных процессов.

Система распределения воздуха в грузовых помещениях характеризует конструктивные особенности циркуляционно-вентиляционной системы, от которых может зависеть продолжительность охлаждения груза.

Коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций грузового помещения (kр) характеризует мощность теплового потока через ограждения грузового помещения. Увеличение kр при положительном температурном напоре увеличивает продолжительность охлаждения плодоовощей.

28

6 Определение скорости и продолжительности охлаждения грузов в рефрижераторных вагонах и контейнерах

Основными характеристиками теплообменных процессов в грузовом помещении транспортного модуля, используемыми в теплотехнических расчётах, являются:

– скорость первоначального охлаждения свободного воздуха в грузо-

вом помещении транспортного модуля (bв), °С/ч;

–скорость теплоотдачи груза (mг), °С/ч;

–скорость охлаждения груза (bг), °С/ч;

–продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузо-

вом помещении ( в), ч;

– продолжительность охлаждения груза ( г), ч.

Ниже приводятся эмпирические формулы для определения указанных характеристик теплообменных процессов. В них впервые формализованы рассмотренные в разделе 5 факторы груза, РТМ и окружающей среды.

Скорость первоначального охлаждения свободного воздуха в

грузовом помещении РТМ, °С/ч, можно определить по формуле:

где числа – эмпирические коэффициенты; kм – поправочный эмпирический коэффициент, который учитывает влияние температурного напора и теплотехнических свойств ограждений грузового помещения РТМ на скорость протекания теплообменных процессов (формула 6.2); kб – то же, учитывающий влияние биохимической теплоты плодоовощей при охлаждении

(формула 6.4); kш – то же, учитывающий влияние степени плотности шта-

беля груза (формула 6.5); kт – то же, учитывающий влияние степени скважности тары (формула 6.6); Gбр – количество груза в РТМ, т брутто;

Рт.м – грузоподъёмность РТМ, т.

29

Величину коэффициента kм, можно принять по таблице И.1 или рассчитать по формуле:

где числа – эмпирические коэффициенты; tм – максимальный темпера-

турный напор через ограждения кузова РТМ, при котором прекращается полезная работа холодильных машин (см. прил. А); tр – расчётный тем-

пературный напор (tр – tв) через ограждения кузова РТМ, К; kр – расчёт-

ный коэффициент теплопередачи через ограждения грузового помещения,

Вт/(м2∙К):

где kр.п – паспортное значение расчётного коэффициента теплопередачи

(см. прил. А), Вт/(м2 К); о – коэффициент, учитывающий изменение теп-

лотехнических свойств ограждающих конструкций грузового помещения РТМ от случайных факторов (скорость движения, срок эксплуатации, точность и разброс значений заводских параметров изоляционных материалов, скорость ветра).

Величину о можно определить в зависимости от надёжности тепло-

технического расчёта (Р) по таблице 6.1 или по формуле:

о е(0,85Р4 ).

Таблица 6.1

Поправочный коэффициент о, учитывающий изменение свойств ограждающих конструкций грузового помещения РТМ

30