струи истекающего азота, который из сосуда по трубопроводу поступаетвТО, гдеиспаряется, иподдавлениемнатекаетналопастивентилятора. Для интенсификации испарения азота часть ТО расположена вне теплоизолированного кузова.

Вотличиеотназванныхвышесистем, гдеподачаазотарегулируется в зависимости от температуры фирмой «Beast Fertilizers» (США) разработана система «Окситрол», в которой жидкий азот подается в грузовоепомещениевзависимостиотконцентрациивнемкислорода. В основе этого лежит наблюдаемая в опыте задержка старения продуктов в атмосфере с пониженным содержанием кислорода. Поэтому заменакислородаинертнымазотомприводиткболееблагоприятной дляилипродуктатакназываемой«регулируемойгазовойсреде». Оборудование системы «Окситрол» дополнительно включает датчик концентрации кислорода, автоматически регулирующий впрыск необходимого количества азота. Содержание кислорода в камере поддерживается в минимально допустимых пределах (0,5—5 %), т.к. полное отсутствие кислорода в окружающей продукт среде может вызвать нежелательную ферментацию продукта.

При всем многообразии предложенных систем ЖАСО железнодорожныхвагонов, охлаждаемыхжидкимазотом, дажевпериоднаибольшегоинтереса кэтомуспособуохлажденияв1969 г. былопостроеноне более50: изних30 былооборудованосистемой«Полярстрим».

К настоящему времени использование таких систем не вышло на стадии эксплуатации опытных образцов. По данным справочника «Janes», в парке вагонов «Интерфриго» в 1984 г. всего 26 единиц АЖВ, оборудованных системой «Полярстрим». Более широко применяется ЖАСО на автомобильном транспорте, эксплуатирующемся под наблюдением обслуживающего персонала.

6.2. Отечественные разработки ЖАСО для железнодорожного транспорта

6.2.1. Крупнотоннажный рефрижераторный контейнер с азотной системой охлаждения

Современныетребования, предъявляемыекперевозкескоропортящихся грузов, были учтены при разработке крупнотоннажного (на 20 т брутто) рефрижераторного контейнера СК-5-20А с ЖАСО

274

«Сандвич» — конструкция кузова этого контейнера включает наружную остальную (09Г2) и внутреннюю из алюминиевого сплава (АМ-6) обшивы, пространство между которыми заполнено теплоизоляционным материалом — фреонозаполненным полиуретаном марки ППУ309 толщиной90—120 мм. Дляприданияжесткостивсейконструкции между обшивками установлены малотеплопроводные рёбра жесткости из стеклопластика. Для циркуляции охлажденного воздуха между грузомистенойнавнутреннейповерхностикузовапредусмотреныспециальныевыступы, расположенные вшашечномпорядке.

Система охлаждения жидким азотом, разработанная и изготовленная НПО «Гелиймаш», рассчитана на поддержание температуры в контейнере от 0 до –18 °С при диапазоне температур окружа- ющеговоздухаот–60° до45 °С. ЖАСОконтейнеравключает: трисоединённыхмеждусобойсообщающихсясосудадляазота(по220 лкаждый), распылительный коллектор, пневматический клапан подачи азота, приборы автоматики и контроля, вентили заполнения и газосброса. Конструктивно система ЖАСО выполнена в виде агрегатного моноблока, смонтированного на специальной раме в машинном отделении.

В сосудах для азота, выполненных по типу термоса из внутреннего и наружного цилиндров, для поддержания вакуума в межцилиндровом изоляционном пространстве в качестве адсорбента используется активированный уголь, камера для которого расположена снизу днища внутреннего цилиндра.

Через горловину сосуда выводятся 4 трубопровода: «наполнение — опорожнение», «сброс», «выдача жидкого азота», «уровнемер — верх». Из нижнего днища сосуда выходит трубопровод — «уровнемер — низ»

Наружный цилиндр сосуда (кожух) выполнен сварным из алюминиевогосплаваисостоитизтрехчастей: цилиндра, верхнегоинижнего днищ. На верхнем днище расположены: мембрана, которая срабатывает при повышении давления в межцилиндровом пространстве, клапанвакуумирования— длясозданиявакуумавэтомпространстве, заполненном слоистой изоляцией из стеклоткани.

Арматура, смонтированная на сосудах, включает: два угловых вентиля: один для наполнения и опорожнения сосуда, второй — для сброса паров азота; предохранительный клапан — для сброса

275

паров азота при повышении давления в сосуде сверх допустимого (0,25 МПа); регулятора давления — один для поддержания постоянного избыточного давления в сосуде, другой — для поддержания постоянного избыточного давления в системе; трехходовой вентиль, служащий для включения уровнемера при замерах количества жидкости и отключении его при транспортировке.

Длясозданиядавлениявсосудеимеетсяиспаритель, расположенный под сосудом. Работает давление в системе (0,78 1,57) 105 Па. Ориентировочно потери азота при стационарном хранении в результате испарения составляет 2 % в сутки.

Клапан подачи азота (рис. 6.3) имеет чувствительный элемент — мембрану, привареннуюкверхнейинижнейкрышкам, механизмрегулирования подачи хладагента, состоящий из седла и клапана, соединенного штоком с мембраной. Для подсоединения к сосуду входного и выходного трубопроводов имеются специальные фланцы. Принцип действияэтогоклапанаподачи основан на открытии или закрытииподачиазотазасчётдействиядавленияпаровазота, подаваемых в надмембранное пространство через специальныйимпульсныйтрубопровод.

Система ЖACO заканчивается разбрызгивателем, который представляет собой трубопровод, состоящий из двух секций (по 2 м каждая). В трубопроводах под углом 10° кгоризонтальной плоско-

276

Вразбрызгиватель азот подается через исполнительное устройство, которое управляется регулятором температуры (РТПШ) иотключается при достижении заданной температуры.

Вработу при закрытых грузовых дверях система включается пневмотумблером и кнопкой, которая управляет подачей газообразного азота в пневмосистему. При открытых дверях контейнера работа исполнительного устройства автоматически блокируется.

Заполнение сосудов жидким азотом производится через специальный штуцер и вентиль.

6.2.2. Система охлаждения в АЖВ

СистемаохлаждениявАЖВсостоитизсистемыохлаждениягаза (АСО) и из системы раздачи этого газа — азотовоздушной смеси.

Система охлаждения газа (АСО) и ее оборудование. В качестве ох-

лаждающего агента применяется сжиженный азот (ГОСТ 9293-74), полученныйизатмосферноговоздухаспособомглубинногоохлаждения. Принцип охлаждения газа в вагоне основан на испарении жидкого азота, подаваемого в грузовое помещение, и нагреве этого газа от температуры испарения, (– 196 °С) до температуры, установленнойвсоответствиисрежимомперевозкигруза. Сцельюобеспеченияравномерногораспределениятемпературыгазавгрузовом помещении в АСО предусмотрено специальное устройство (высоконапорныйэжектор), котороесмешиваетиспарившийсяазотсциркулирующим в вагоне газом (воздухом).

АСО — система расходного типа, рассчитанная на подачу в грузовое помещение жидкого азота до 300 кг/ч при температу-

ре 86 К ( –187 °С).

Комплект криогенной системы АСО (рис. 6.5) состоит из двух одинаковых установок, расположенных по одному в каждом машинномотделениииработающихнезависимодруготдруга. Вкаждую установку входит следующее оборудование:

блокрасположенных в2 этажа цистерн 3 криогенных транспор-

тных ЦТК-1/0.25. ГОСТ 17518-79Е;

шкаф арматурный — 1 шт; теплообменник 5—1 шт; эжектор 4—1 шт.

277

Управление работ АСО осуществляется с помощью приборов РТПИ по сигналам: двух пневматических термопреобразователей, установленных непосредственно в грузовом помещении. Температура газа этих термопреобразователей фиксируется самописцем ТКС-16/5. Энергосилового оборудования АЖВ не имеет; энергоисточником для всех систем вагона служит энергия сжиженного газа, содержащегося в криогенных цистернах.

Основные характеристики цистерны транспортной криогенной ЦТК – 1/0, 25

Оборудование АСО обеспечивает:

хранение жидкого азота и регулируемую его подачу в грузовое помещение;

охлаждениегаза,циркулирующеговгрузовомпомещенииприохлажденииитермостатировании(поддержаниитемпературногорежима);

напор (перепад давления), обеспечивающий циркуляцию газа в грузовом помещении;

подпитку системы пневмоавтоматики газообразным азотом; блокировкуподачижидкогоазотавгрузовоепомещениеприот-

крытых погрузочных дверях (аварийные отключения).

В части воздействия климатических факторов внешней среды при эксплуатациикомплекткриогенногооборудованияАСОсоответствует климатическому исполнению У, категории 2 по ГОСТ 15150-69.

Оборудование, входящее в комплект АСО, должно нормально работать в следующих условиях:

послепребываниявзонеотрицательныхтемпературдоминус60 °С; при относительной влажности окружающего воздуха 98 %; на

высоте над уровнем моря до 1200 м;

при ударах с ускорением 6g в горизонтальной плоскости в направлении движения подвижного состава;

при ударных нагрузках одиночного действия с ускорением до 8g.

278

Система охлаждения и раздачи азотовоздушной смеси работает следующим образом.

ЖидкийазотизнижнейёмкостиА1 (рис. 6.4) самотекомпоступаетвиспарительИ1, гдеиспаряетсяиэтимсоздаетизбыточноедавление в контуре наддува верхней емкости А2. Это давление поддерживаетсяназаданномуровнеспомощьюрегуляторадавленияРД1 (после превышения заданного давления РД1 прекращает подачу жидкого азота в испаритель И1, тем самым давление в контуре наддува автоматически поддерживается в заданных пределах). Для подачи азота в систему распределения азота (СРА1, СРА2) в систему пневмоавтоматики открывают специальные вентили ВН3 и ВН5.

Если температура в грузовом помещении, измеряемая датчиком температуры пневматического регулятора температуры РТПШ(РТ1), оказываетсявышезаданнойустановкинаприбореРТ1, то исполнительный механизм РП1 открыт и жидкий азот поступает

Рис. 6.4. Схема эжекторной жидкоазотной системы охлаждения (АСО) груза в вагоне АЖВ

279

через распределительный трубопровод в теплообменник Т1 (в противном случае РП1 закрыт и подачи азота нет). В теплообменнике Т1 жидкий азот испаряется и его пары нагреваются от криогенной температуры испарения –195 °С до температуры примерно – 87 °С. В результате высоконапорная струя этих паров азота поступает в соплоэжектора Э1 исбольшойскоростью выходитизсужающейся (конфузорной) части эжектора. Вследствие больших скоростей течения газа в конфузоре создается сильное разряжение, из-за чего происходит интенсивное подсасывание (эжекция) газовой среды из грузового помещения. В.результате происходит интенсивное смещение и теплообмен холодных паров азота и «теплого» эжектируемого газа. Указанная смесь через расширяющуюся часть эжектора (диффузор) выходит в виде высоконапорной струи. Эта струя продувается вдоль секций теплообменника Т1. В результате охлаждающий газ, потеряв часть энергии и нагреваясь, через щели в ложном потолке проникает в пространство между боковыми стенами и грузом. Опускаясь вниз (из-за более высокой плотности), этот газ поступает под напольные решётки и через их продольные каналы подсасывается эжектором в область между торцевой перегородкой грузового помещения и щитом. Циркулирующая таким образом азотвоздушная смесь отбирает тепло от груза, охлаждая его, и компенсирует теплопритоки через ограждения кузова. Количество получаемогохолодаопределяетсяразностьюэнтальпийжидкогоигазообразного азота (≈ 400 кДж/кг = 0,111 кВт ч/кг).

Если температура газовой смеси на выходе грузового помещения оказывается выше заданного (установкой на регуляторе температуры РТ2) уровня, то клапан исполнительного механизма РП2 открыт и жидкий азот через специальную форсунку поступает в конфузор эжектора Э1. Эта дополнительная подача азота способствует более интенсивному охлаждению газовой среды, циркулирующей в вагоне. Для увеличения подачи жидкого азота через форсунку до максимального значения (что необходимо в начале захолаживания груза) используется ручное открытие специального вентиля ВН6. Процесс охлаждения длится до тех пор, пока исполнительный механизм РП1 не отключит подачу жидкого азота из емкостей А1 и А2.

Принципработыпневмоавтоматики. Подачауправляющегогаза

(газообразногоазота) изобеихемкостейазотногообеспеченияпро-

280

изводится через общий коллектор при помощи ручного вентиля ВН5. Коллектор подводит питающий газообразный азот к регуляторам температуры РТ1 и РТ2, а также к пневмотумблером ПТ1, ПТ2 и к пневмокнопкам ВК1, ВК2 системы аварийной блокировки дверей. При положении тумблеров «открыто» азот через специальное включающее реле подается на вход терморегулятора РТ, подготовив его к работе.

При срабатывании регуляторов температуры РТ1 и РТ2 управляющийгазоткрываетклапаныисполнительныхмеханизмовРП1 иРП2 ипроисходитподачажидкогоазотавсистемураспределенияжидкого азота. Если включен любой из предохранительных пневмотумблеров ПТ1 (илиПТ2) иоткрыталюбаяпогрузочнаядверь, т.е. сработалконцевой выключатель любой из пневмокнопок ВК1 (или ВК2), то коллекторбудетсоединенсатмосферой. Приэтомспециальноедроссельное устройство (дюза) ДР1 ограничит расход управляющего газа в системупневмоавтоматикиидавлениеснизитсядовеличины, прикоторой исполнительные механизмы РП1 и РП2 закроются и прекратят подачу жидкого азота в его распределительную систему.

Устройство, ограничивающее давление азотовоздушной среды в вагоне АЖВ. По сравнению с изотермическим вагонами машинной системы охлаждения АЖВ с азотной системой охлаждения (АСО) выгодно отличается отсутствием подвижных и трущихся конструктивных частей оборудования, что должно обеспечить большую надежность эксплуатации. Высокая отпускная цена и недостаточные объемы производства жидкого азота обусловливают поиски способа его экономного расходования на охлаждение грузов и предохранения его от утечек. При впрыске жидкого азота в грузовое помещениеАЖВ(засчётиспаренияазота) создаетсяповышенноедавление, уровень которого определяется расходом азота и степенью герметичности кузова.

В зарубежных конструкциях АЖВ для предотвращения чрезмерного повышения давления предусмотрены специальные предохранительныеклапаныгазосброса. ТаквАЖВ(рис. 6.5) этотклапанрасположен напогрузочныхдверях. ВАЖВевропейскогообъединения«Интерфриго» клапан газосброса также помещен на дверях. Конструкция клапанов основана на принципе преодоления магнитного сцепления уплотнительных элементов припревышении расчетного давления.

281

Рис. 6.5. Вагон изотермический АЖВ: 1 — тележка; 2 — автосцепка; 3 — блок цистерн; 4 — эжектор; 5 — ложный потолок; 6 — теплообменник; 7,9 — щит; 8 — дверь

282

Дляизотермическихвагоновприпроверкеихгерметичности(методомвнутреннегонаддувавоздухом) наблюдаетсязакономерность:

L = b (∆Р); b=const; n=const.

где L — расход воздуха, подаваемого в вагон для создания

внемизбыточногодавленияпосравнениюсдавлениемвневагона: Отсюда

Этостандартноеизбыточноедавление(49Па) исоответствующий этому давлению расход воздуха через ограждения кузова (м3/ч).

По данным многократных изменений на рефрижераторных вагонахпроизводствазаводовПОБМЗи«Дессау» приуплотнениисливныхотверстий среднее значения 1/n=1,54; дляболеегерметичных вагонов величина 1/n ближе к 1. Так по результатам проведенных во ВНИИЖТеиВНИИВесовместныхиспытанийпервогоопытногообразцарефрижераторноговагона«сэндвич»величина1/n равна1,67 при эксплуатационном состояниивагона, когдаLст = 31,4 м3/ч.

В соответствии с ТУ 24.05.789-88 на АЖВ предполагается обеспечить степень герметичности Lст = 30 м3/ч, что близко к указанной выше величине. Поэтому по приведенной формуле при температуре t в вагоне получим:

t = +14 °C; Р=1,225 кг/м3; G = 38,7 кг/ч; L = 31,6 м3/ч; Р= 49,5 Па; t = +14 °C; Р =1,27 кг/м3; G = 40 кг/ч; L = 31,5 м3/ч; Р = 49,4 Па; t = +14 °C; Р =1,395 кг/м3; G = 60 кг/ч; L = 43 м3/ч; Р = 82,8 Па.

Таким образом, при расходах азота на штатных режимах избыточное давление не превышает 85 Па. Однако при максимальных расходах (300 кг/ч), предусмотренных в АЖВ, расчетное давление может составить 1460 Па.

Из опыта известно, что отражающие конструкции кузова выдерживают избыточное давление примерно 120 Па; при более высоких давленияхпроисходитсмятиерезиновыхуплотненийдверногопроёма, утечки воздуха и сброс давления. Таким образом, когда расход азота состовляет 60 кг/ч, наличие клапана газосброса в вагоне необязательно. Однако для режимов захолаживания груза при макси-

283