Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
УПСГ-к-2012-правл-4.doc
Скачиваний:
12
Добавлен:
17.11.2019
Размер:
799 Кб
Скачать
☆

5 Теплотехнический расчёт рефрижераторного вагона для гружёного рейса с плодоовощами

Третий раздел курсового проекта «Теплотехнический расчёт рефрижераторного вагона для гружёного рейса с плодоовощами» выполняется только для плодоовощей. Тип вагона, количество груза и другие исходные данные определены заданием.

В пункте «3.1 Цели и методы расчета, состав теплопоступлений» необходимо пояснить, для какой цели выполняется расчёт (проектной или эксплуатационной), и каким методом решается задача (аналитическим или графоаналитическим) [2, п. 8.1] или [4, разд. 1]. В данном курсовом проекте цель теплотехнического расчёта эксплуатационная, поскольку по результатам этого расчёта уточняется способ обслуживания груза в пути и определяется расход дизельного топлива на маршруте. Задача решается аналитическим методом, так как маршрут перевозки, по заданию, с однородными климатическими условиями.

Далее необходимо перечислить все девять видов теплопоступлений в рефрижераторный вагон при перевозке плодоовощей [2, п. 8.2] или [4, разд. 2], а именно:

– вследствие теплопередачи через ограждения кузова вагона (Qт);

– за счёт инфильтрации наружного воздуха (Qи);

– за счёт биохимической теплоты плодоовощей при дыхании (Qб);

– эквивалентные воздействию солнечной радиации (Qс);

– эквивалентные работе вентиляторов-циркуляторов (Qц);

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

– эквивалентные оттаиванию снеговой шубы (Qш);

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

– от охлаждаемого (отепляемого) кузова и оборудования вагона (Qк).

Из этих теплопоступлений складывается суммарная мощность теплового потока (Q), которая должна быть компенсирована холодильным (Q  0) или отопительным (Q  0) оборудованием.

Пункт «3.2 Расчётная температура наружного воздуха на маршруте» [2, п. 8.3] или [4, разд. 3] поясняется на примере 15.

Пример 15

Определить расчётную температура наружного воздуха на маршруте следования плодоовощей при заданной средней температуре наружного воздуха: tс = 12 °С:

,

где Х – квантиль надёжности расчёта теплопритоков, Х = 0,84 (при заданном значении Р = 0,80 [2, табл. 8.3] или [4, табл. 3.1],);  – заданное среднеквадратичное отклонение температуры наружного воздуха от её среднего значения,  = 5.

Произведение «X  » принято со знаком «+», так как перевозка осуществляется в переходный период года (сентябрь – октябрь). Следовательно: tр = 12 + 0,84  5 = 16,2 (°С).

В пункте «3.3 Характеристика и основные и параметры теплообменных процессов в гружёном рейсе» необходимо [2, п. 8.4] или [4, разд. 4]:

– описать характер теплообменных процессов в грузовом помещении рефрижераторного вагона при погрузке и перевозке плодоовощей применительно к заданию с учётом данных табл. 1 и 2 (пример 16);

– дать графическую интерпретацию теплообменных процессов с указанием режима и источника погашения теплопоступлений, способа обслуживания рефрижераторного вагона (см. прим. 16);

– определить теплотехнические характеристики груза (пример 17): условный коэффициент скважности применяемой тары (т), условный коэффициент плотности штабеля груза (ш), удельные тепловыделения плодоовощей в среднем за время охлаждения (qб1) и после охлаждения (qб2), темп теплоотдачи груза (mг);

– определить расчётные значения температурного напора (tр), максимального температурного напора (tм) и коэффициента теплопередачи (kр) через ограждения кузова вагона (пример 18);

– рассчитать основные параметры теплообменных процессов (примеры 19–20), а именно: темп охлаждения свободного воздуха в грузовом помещении (bв), темп охлаждения груза (bг), продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении (в), продолжительность охлаждения груза (г);

– определить общую продолжительность перевозки (об), сравнить её с г и сделать вывод о том, успеет охладиться груз до конца перевозки или нет (см. прим. 20).

Пример 16

Описать теплообменные процессы в грузовом помещении рефрижераторного вагона при погрузке и перевозке гранатов.

В грузовое помещение вагона поступают неохлаждённые гранаты при температуре tг.н = 12 °С (по заданию). Поскольку тип грузового фронта и время погрузки заданием не определены, следует принять расчётную температуру воздуха на фронте погрузки (tф) и расчётную температуру наружного воздуха (tр) одинаковыми, т. е. tф = tр = 16,2 °С (рисунок 2). По Правилам предварительное охлаждение рефрижераторных вагонов для неохлаждённых грузов не производят. Значит, температура воздуха в вагоне на момент начала погрузки будет такая же: tв.н.п = 16,2 °С.

Рисунок 2 – Динамика охлаждения воздуха и гранатов в вагоне в координатах t° (температура),  (время):

НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ – работа холодильных машин; Г – груз (в данном случае источник теплопоступлений); ОС – теплопоступления от окружающей среды; tр, tг, tв – соответственно изменение температуры наружного воздуха, груза и воздуха внутри грузового помещения вагона; в – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении; г – продолжительность охлаждения груза; об – общая продолжительность обслуживания груза в пути

В процессе погрузки температура воздуха в вагоне будет понижаться до значения, близкого к температуре гранатов (см. рис. 2). Образуется температурный напор, и появляются теплопритоки через ограждения вагона и открытую дверь. В дневное время действует солнечная радиация. Кроме того, груз выделяет биохимическую теплоту. Температура гранатов будет несколько повышаться. При желании можно вычислить температуру груза после погрузки (tг.п.п), пользуясь [4, прил. 8]. Но делать этого не нужно, приняв эту температуру равной tг.н, т. е. tг.п.п = tг.н = 12 °С.

После погрузки и закрытия дверей рефрижераторного вагона запускают дизель-генераторы, устанавливают температурный режим (tв.в = 5 °С, tв.н = 2 °С) и включают холодильное оборудование. При этом сначала начинают работать вентиляторы-циркуляторы, с помощью которых температурные поля свободного воздуха и груза выравниваются, т. е. tв.п.п = = tг.п.п = 12 °С. Через 7...10 мин после включения вентиляторов-цирку­ляторов автоматически включаются холодильные машины.

Из воздухораспределителя в грузовое помещение вагона начинает поступать холодный воздух, нагнетаемый вентиляторами-циркуляторами, и заполнять свободное пространство вокруг и внутри штабеля груза. Нагретый от груза и стен вагона тёплый воздух направляется к испарителям холодильных машин, охлаждается и снова нагнетается в воздухораспределитель. Так происходит охлаждение воздуха, тары вагона и груза.

Время первоначального охлаждения воздуха в вагоне (в) будет длиться до тех пор, пока температура не достигнет нижней границы температурного режима (tв.н = 2 °С). Холодильные машины отключают. За счёт теплопритоков от груза и окружающей среды воздух в вагоне будет нагреваться. При повышении температуры воздуха до верхней границы температурного режима (tв.в = 5 °С) вновь включают холодильные машины, и процесс повторяется. По мере охлаждения груза интервалы между выключением и включением холодильных машин 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. 2), осуществляется за время г, соответствующее длительности теплообменного режима «охлаждение груза», затем наступает режим «теплокомпенсация», который сохраняется до конца перевозки.

Пример 17

Установить теплотехнические характеристики неохлаждённых гранатов, имеющих температуру 12 °С.

В рассматриваемом примере упаковка груза отсутствует, в качестве тары принят (самостоятельно) закрытый ящик из дощатых планок и шпона с просветами между планками до 1 см. Штабель груза в вагоне сформирован плотно-вертикальным способом (см. табл. 2).

В этом случае:

– степень скважности тары т = 0,30 [4, прил. 5];

– степень плотности штабеля груза ш = 0,9 [4, прил. 6];

– удельные тепловыделения гранатов в среднем за время охлаждения с 12 °С до 3,5 °С qб1 = 64 Вт/т (интерполирование данных применительно к малине [2, табл. Г.2]);

– удельные тепловыделения гранатов в среднем после охлаждения qб2 = 29 Вт/т (данные применительно к малине [2, табл. Г.1]);

Скорость теплоотдачи груза определяют, °С/ч:

,

где числа – эмпирические коэффициенты; kш – поправочный эмпирический коэффициент, который учитывает степень плотности штабеля груза, kш = 0,75 (при ш = 0,9 [4, табл. П9.4]); kт – то же, учитывает степень скважности тары, kт = 0,96 (при т = 0,3 [4, табл. П.9.4]); Gбр – количество груза в вагоне по заданию, Gбр = 45 т брутто (груз + тара).

Тогда  mг = (4,3  0,75  0,96) : (1 + 45) = 0,067 (°С/ч).

Пример 18

Определить расчётные значения температурного напора и коэффициента теплопередачи через ограждения кузова вагона рефрижераторной секции БМЗ.

Расчётный температурный напор через ограждения кузова вагона tр, К, определяют вычитанием среднего значения температурного режима (tв = 3,5 °С) из расчётной температуры наружного воздуха (tр = 16,2 °С), которые определены в предыдущих примерах.

Тогда  tр = 16,2 – (5+2) : 2 = 12,7 (К).

Максимальный расчётный температурный напор tм, при котором прекращается полезная работа холодильных машин, является характеристикой вагона, зависит от года его выпуска [4, табл. П9.1]. Год выпуска можно установить (условно) вычитанием заданного срока службы вагона из текущего года выполнения курсового проекта. В данном примере год выпуска секции БМЗ 2012 – 20 = 1992. Значит, tм = 70 К.

Расчётный коэффициент теплопередачи kр определяют, Вт/(м2К), по формуле:

,

где kр.п – паспортное значение расчётного коэффициента теплопередачи, kр.п = 0,32 Вт/(м2∙К) [4, прил. 1]; о – коэффициент, учитывающий изменение свойств ограждающих конструкций грузового помещения от случайных факторов, о = 1,42 (при Р = 0,8 [4, табл. П9.2] ).

Тогда kр = 0,32  1,42 = 0,45 (Вт/(м2∙К)).

Пример 19

Определить скорости охлаждения воздуха и груза в вагоне рефрижераторной секции постройки БМЗ.

Скорость охлаждения воздуха в грузовом помещении рефрижераторного вагона определяют, °С/ч, по формуле:

,

где числа – эмпирические коэффициенты; kм – эмпирический коэффициент, который учитывает влияние температурного напора и свойств изоляции вагона на скорость теплообменных процессов в грузовом помещении, kм = 2,2 (при tр = 12,7 К, tм = 70 К, kр = 0,45 Вт/(м2∙К)) с учётом интерполирования данных [4, табл. П9.1] применительно к вагону секции БМЗ выпуска после 1985 г.); kб1 – эмпирический коэффициент, учитывающий степень биохимических тепловыделений плодоовощей, kб1 = 0,96 (при qб1 = 64 Вт/т [4, табл. П9.3]); Рв – заданная грузоподъёмность вагона, Рв = = 45 т; Gбр , kш , kт – см. в примере 17.

Тогда bв = (19,3  2,2  0,96) : {[1 + (45 : 49)]5,5  0,75  0,96} = 1,56 (°С/ч).

Скорость охлаждения гранатов в грузовом помещении рефрижераторного вагона РС-4-БМЗ определяют, °С/ч, по формуле:

,

где mг, kм, kб – величины, определённые в примерах 17, 19; ограничение bг по mг связано с необходимостью регулирования температурного режима в заданных границах (внешний источник холода не должен забирать теплоту от груза с большей скоростью, чем груз может отдать, иначе произойдёт нарушение нижней границы температурного режима с нежелательным переохлаждением наружного слоя штабеля груза).

В рассматриваемом примере bг = 0,067  2,2  0,96 = 0,142 (°С/ч). С учётом ограничения по mг принимаем bг = 0,067 (°С/ч).

Пример 20

Рассчитать продолжительность охлаждения воздуха и груза в вагоне рефрижераторной секции постройки БМЗ применительно к данным и результатам из примера 19.

Продолжительность охлаждения воздуха (в) и груза – гранатов (г) в грузовом помещении вагона определяют, ч, по формулам:

в = (tв.п.п – tв.н) : bв = (12 – 2) : 1,56 = 6 (ч);

г = (tг.п.п – tв.в) : bг = (12 – 5) : 0,067 = 104 (ч).

При общей продолжительности рейса об = 24о = 24  9 = 216 (ч) груз успевает охладиться в пути и будет следовать в охлаждённом виде 112 ч.

В пункте «3.4 Мощность теплопоступлений в грузовое помещение вагона» определяют мощность каждого теплопритока в отдельности аналитическим методом [2, п. 8.6] или [4, разд. 6] , а потом их алгебраическую сумму в двух вариантах (таблица 4). Один вариант суммы должен соответствовать набору теплопоступлений при охлаждении груза в пути, другой – в процессе перевозки груза уже в охлаждённом состоянии. Если г  об, то колонку таблицы «Плодоовощи охлаждены» исключают. Ниже приводятся примеры расчёта мощности теплопоступлений в рефрижераторный вагон при перевозке гранатов.

Таблица 4 – Калькуляция мощности теплового потока для гружёного рейса при перевозке гранатов

Наименование показателя

При охлаждении плодоовощей

Плодоовощи

охлаждены

Общие теплопоступления, кВт/ваг.,

в том числе:

теплопередача через ограждения кузова вагона

инфильтрация наружного воздуха

теплота дыхания гранатов

солнечная радиация

работа вентиляторов-циркуляторов

вентилирование грузового помещения

снятие снеговой шубы с испарителей холодильных машин

охлаждение груза и тары

охлаждение кузова вагона

7,87

1,40

0,28

2,56

0,10

0,25

–

0,15

2,84

0,29

3,05

1,40

0,28

1,16

0,10

0,11

–

–

–

–

Пример 21

Определить мощность теплового потока вследствие теплопередачи через ограждения кузова вагона, кВт/ваг.:

,

где Fр – полная расчётная поверхность грузового помещения, Fр = 234 м2 [4, прил. 1]; tр – расчётная температура наружного воздуха на направлении перевозки, tр = 16,2 °С (см. прим. 15); tв – среднее значение температурного режима перевозки груза (см. табл. 2), tв = 2 + 5 = 3,5(°С); Fм – расчётная поверхность машинных отделений, контактирующих с грузовым помещением, Fм = 7,8 м2 [4, прил. 1]; tм – температура воздуха в машинном отделении, оС, которая выше расчётной температуры наружного воздуха на 4 °С вследствие теплоотдачи холодильными машинами, tм = 16,4 + 4 = = 20,4 (°С); kр – расчётный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций грузового помещения вагона, kр = 0,56 Вт/(м2∙К), определен в примере 18.

Тогда Qт = [234(16,2 – 3,5) + 7,8(20,2 – 3,5)] 0,45  10-3 = 1,40 (кВт/ваг.).

Пример 22

Определить мощность теплового потока от инфильтрации свежего воздуха внутрь грузового помещения вагона, кВт/ваг.:

,

где н – плотность наружного воздуха, н = 1,2 кг/м3 (при tр = 16,4 °С [4, табл. П10.1]); и – кратность инфильтрации воздуха в ограждениях грузового помещения и в вентиляционной системе, и = 0,30 ч–1 (при средней скорости движения вагона 18 км/ч и сроке службы вагона 20 лет [4, прил. 11]); Vп – полный объём грузового помещения вагона, Vп = 138 м3 [4, прил. 1]; iн – удельное теплосодержание наружного воздуха при температуре 16,4 °С и влажности 60 %, iн = 34 кДж/кг [4, табл. П10.2]); iв – удельное теплосодержание воздуха внутри грузового помещения в режиме перевозки и при относительной влажности 90 %, iв = 14 кДж/кг (см. там же).

Тогда Qи = 1,2  0,3  138  3600–1  (34 – 14) = 0,28 (кВт/ваг.).

Пример 23

Определить мощность теплового потока от плодоовощей при дыхании, кВт/ваг.

Её определяют дважды: при охлаждении гранатов от tг.н до tв (Qб1) и после охлаждения (Qб2):

; ,

где qб1 – удельные тепловыделения плодоовощей при их охлаждении, qб1 = = 64 Вт/т (см. прим. 17); qб2 – то же, в режиме «теплокомпенсация», когда груз охладился, qб2 = 29 Вт/т (см. прим. 17); Gгр – масса перевозимого груза, Gгр = 40 т нетто (по заданию).

Тогда:

qб1 = 64  40  10–3 = 2,56 (кВт/ваг.); qб2 = 29  40  10–3 = 1,16 (кВт/ваг.).

Пример 24

Определить мощность теплового потока от воздействия солнечной радиации, кВт/ваг.:

,

где Fб.с – поверхность боковых стен вагона, Fб.с = 61 м2 [4, прил. 1]; Fк – то же, крыши, Fк = 67 м2 (см. там же); tэ.р – эквивалентная температура рассеянной радиации, соответствующая разности температур на поверхности вагона при наличии и отсутствии солнечной радиации на условно заданной широте местности 56 град с. ш. в переходный период, tэ.р = 1 К [4, табл. П12.1]; tэ.в – то же, прямой радиации на вертикальные поверхности (см. там же), tэ.в = 4,3 К; tэ.г – то же, прямой радиации на горизонтальные поверхности (см. там же), tэ.г = 10,5 К; c – заданная вероятность солнечных дней в году, c = 0,25, доли единицы; c – продолжительность воздействия солнечной радиации, c = 11 ч/сут [4, табл. П12.2].

Тогда Qс = [234  1 + (61  4,3 + 67  10,5) 0,25] 0,45  11  24–1  10–3 = = 0,10 (кВт).

Пример 25

Определить мощность теплового потока, эквивалентного работе вентиляторов-циркуляторов, кВт/ваг.

Её определяют дважды: при охлаждении груза (Qц1) и после охлаждения (Qц2):

; ,

где Nц – суммарная мощность электродвигателей вентиляторов-цирку­ляторов, Nц = 4,4 кВт/ваг. [4, прил. 1];  – коэффициент трансформации механической энергии вентиляторов-циркуляторов внутри воздуховода в тепловую,  = 0,10; в – продолжительность охлаждения воздуха в вагоне, в =6 ч (см. прим. 20); ц1 – коэффициент рабочего времени вентиляторов-циркуляторов при охлаждении груза; ц1 = 0,55 (при tр = 12,9 °С и при tг = 0,5(tг.н + tв) = 7,8 (°С) [4, прил. 13]); ц2 – то же, после охлаждения груза, ц2 = 0,25 (при tр = 12,9 °С и при tг = 0 °С [4, прил. 13]); г – продолжительность охлаждения груза, г = 104 ч (см. прим. 20).

Тогда:

Qц1 = 4,4  0,1[6 + 0,55 (104 – 6)] : 104 = 0,25 (кВт/ваг.);

Qц2 = 4,4  0,1 0,25 = 0,11 (кВт/ваг.).

Пример 26

Определить мощность теплового потока от свежего воздуха, поступающего внутрь грузового помещения вагона при вентилировании.

Её не рассчитывают, так как вентилирование гранатов в пути не производится (см. табл. 2), но запись об этом должна быть в пояснительной записке.

Пример 27

Определить мощность теплового потока, эквивалентного оттаиванию снеговой шубы на воздухоохладителях холодильных машин, кВт/ваг.:

,

где qш – удельные теплопоступления, эквивалентные теплоте горячих паров хладагента, подаваемых в воздухоохладитель для снятия снеговой шубы, а также теплоте, погашаемой при восстановлении температурного режима перевозки, qш = 120 мДж (норматив); об – общая продолжительность перевозки, об = 216 ч (см. прим. 20), ч; nш – количество раз снятия снеговой шубы за перевозку, определяемое по формуле:

,

где {} – логическая операция округления результата деления до целого числа в меньшую сторону; nот – периодичность снятия снеговой шубы в зависимости от температуры и кратности инфильтрации наружного воздуха, температуры воздуха и груза внутри вагона, nот =6 сут (при и = = 0,3 и tр = 12,9 °С [4, прил. 14]).

Тогда nш = {216 : 24 : 6} = {1,5} = 1, а Qш = 120  1 : 3,6 : 216 = = 0,15 (кВт/ваг.). Этот тепловой поток будет учитываться один раз и только на первом участке, где охлаждается груз.

Пример 28

Определить мощность теплового потока от груза и тары при охлаждении, кВт/ваг.:

,

где Сг – теплоёмкость груза (гранатов, взята применительно к малине), Сг = 3,5 кДж/(кг∙°С) [4, прил. 3], кДж/(кг∙°С); Cт – теплоёмкость тары (ящика деревянного), Cт = 2,5 кДж/(кг∙°С) [4, прил. 3]; Gг – масса груза (по заданию), Gг = 40 000 кг; Gт – масса тары (по заданию), Gт = 5000 кг; bг – скорость охлаждения груза, bг = 0,067 °С/ч (см. прим. 19), °С/ч.

Тогда Qг = (3,5  40 000 + 2,5  5000)0,067  3600–1 = 2,84 (кВт/ваг.).

Пример 29

Определить мощность теплового потока от кузова и оборудования вагона при охлаждении в пути следования, кВт/ваг.:

,

где 3,7 – коэффициент, заменяющий сложные вычисления;  – коэффициент, учитывающий неоднородность температурного поля кузова вагона,  = 0,5;  – коэффициент соответствия скоростей охлаждения кузова вагона и груза,  = 1,3.

Тогда Qк = 3,7  0,5  1,3  12,7 : 104 = 0,29 (кВт/ваг.).

В пункте «3.5 Показатели работы дизель-генератор­ного и холодильно-отопительного оборудования» рассчитывают [2, п. 8.7] или [4, разд. 7]:

– коэффициент рабочего времени холодильных машин (х) или печей (п) с выводом о том, справляется это оборудование с отводом теплопритоков или нет;

– расход дизельного топлива с выводом о необходимости или отсутствии дополнительной экипировки РПС в пути.

В зависимости от режима работы холодильно-отопительного оборудования устанавливают соответствующий режим работы дизель-генераторов.

При перевозках грузов с охлаждением в рефрижераторных секциях и АРВ-Э в нестационарном температурном режиме могут работать один или два дизеля. Так, при х(п)  0,5 обычно работают два дизеля, в остальных случаях, включая пример 30, – один дизель. В стационарном температурном режиме с охлаждением или отоплением работает всегда один дизель.

Пример 30

Определить коэффициенты рабочего времени холодильных машин применительно к данным таблицы 4.

Суммарная мощность теплового потока до охлаждения гранатов (Qоб1) и после их охлаждения (Qоб2) – положительная. Значит определяется коэффициент рабочего времени работы холодильного оборудования при охлаждении груза (х1) и после охлаждения (х2):

,

где tр – расчётный тепловой напор через ограждения кузова вагона, tр = 12,9 К (см. прим. 18); tм – максимальный температурный напор через ограждения кузова вагона, при котором прекращается полезная работа холодильных машин, tм = 70 К (см. прим. 18); Qх – паспортная мощность холодильных машин, Qх = 29 кВт [4, прил. 1].

Тогда х1 = 7,87 : [(1 – 12,7 : 70)29] = 0,33; х2 = 3,05 : [(1 – 12,7 : 70)29] = = 0,13.

Пример 31

Определить фактический расход дизельного топлива на маршруте по результатам расчётов в примерах 20 и 30:

,

где 1,1 – коэффициент, учитывающий разогрев дизеля перед запуском; g – удельный расход дизельного топлива, g = 22 кг/ч [4, прил. 1]; в – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении вагона, в = 6 ч (см. прим. 20); г – продолжительность охлаждения груза, г = 104 ч (см. прим. 20); nд1 – количество работающих дизелей при охлаж­дении груза, nд1 = 1; об – общая продолжительность рейса, об = 216 ч (см. прим. 20).

Тогда Gф = 1,1  22[6  1 + 0,34 (104 – 6) + 0,13 (216 – 104)] = 1280,2 (кг).

Запас дизельного топлива в баках служебного вагона секции Gзап составляет 7400 – 1440 = 5960 (кг) [4, прил. 1], что намного больше фактического расхода. Значит, дополнительная экипировка рефрижераторной секции в пути не требуется.