На правах рукописи

Васильев Дмитрий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЫ ДЛЯ

ВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК НА ОСНОВЕ УСТРОЙСТВ

ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ

Специальность 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2010 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедрах «Вагоны» и «Физика и экологическая теплофизика».

Научный руководитель: член-корреспондент ГАН РАО, доктор технических наук, профессор ВОЛОВ Вячеслав Теодорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ФИЛИППОВ Виктор Николаевич доктор технических наук, старший научный сотрудник НАВЦЕНЯ Владимир Юрьевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)

Защита диссертации состоится “ ” 2010 года в часов на заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарском государственном университете путей сообщения по адресу: г. Самара, ул. Свободы, 2а, корп. 5, ауд. 5216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета Д218.011.01: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, факс: (846) 262-30-76.

Ученый секретарь диссертационного совета Д218.011. кандидат технических наук, доцент В.С. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время на сети железных дорог эксплуатируется более тысяч цистерн (по данным ОАО «РЖД» 2008г.). Из них самую большую группу составляют цистерны для светлых нефтепродуктов, вторая по численности группа цистерн предназначенных для перевозки вязких грузов. Учитывая условия эксплуатации цистерн при значительных температурных колебаниях для их слива в определенные периоды года необходимо применять систему разогрева. Характерные конструкции – цистерны с парообогревательным кожухом или электронагревателем. Наряду с такими цистернами эксплуатируются и контейнер-цистерны. Для разогрева применяются стационарные комплексы с электрическими или паровыми нагревательными элементами, а также паровые пики.

В некоторых случаях применяют системы постоянной термостабилизации, что существенно влияет на надежность, долговечность и сложность конструкции. Некоторые виды продукции перевозятся в охлажденном состоянии и перед транспортировкой специально охлаждаются.

Для обеспечения нормированной температуры слива необходимо иметь либо стационарные устройства (электрический или паровой нагрев), либо термоизоляцию, либо устройства нагрева в пути.

Вопросами создания цистерн с термоизоляцией и технических средств разогрева занимались «Азовмаш» (В.К. Губенко, А.П. Никодимов, Г.К. Жилин и др.). Более подробно классификация цистерн и их устройства, включая цистерны с теплоизоляцией и системами термостабилизации, рассмотрена в публикациях кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство", МИИТ (Р.С. Глазкова, Р.Ф. Канивец, В.Н. Котуранов, К.В. Мотовилов, А.В. Смольянинов, И.Б.

Феоктистов, В.Н. Филиппов, Г.Ф. Чугунов, В.М. Бубнов).

Вязкие нефтепродукты при температуре окружающей среды -200С застывают на вторые сутки транспортировки. С целью снижения простоя цистерн при разгрузке вязких нефтепродуктов на цистерну устанавливается дополнительный элемент, который за счет потребления энергии вращения колесной пары производит нагрев перевозимого груза. В связи с этим нефтепродуктов. Из-за непостоянной скорости движения состава возможны перебои в работе предложенной системы нагрева. Для обеспечения теплового компенсировать потери тепла.

Предложено рассмотреть вопрос создания новой версии цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов, экономичной с точки зрения эксплуатации.

В работе также рассмотрены устройство нагрева стационарного типа и устройство очистки цистерн от остатков нефтепродуктов.

нефтепродуктов с термоизоляцией и источниками нагрева.

Предмет исследования: совершенствование железнодорожной цистерны для вязких нефтепродуктов, на основе разработки энергетических систем с улучшенными теплообменными характеристиками (устройства прямого нагрева, тепловая изоляция, устройство очистки).

Цель и задачи исследований.

эксплуатационных характеристик железнодорожных цистерн для вязких нефтепродуктов на основе создания устройств термостабилизации и систем технического обслуживания.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ существующих разработок и устройств термостабилизации продолжительности перевозок, а также сравнительный анализ существующих моделей термостабилизации по объемным и энергетическим характеристикам, с выявлением путей и методов достижения цели исследования.

термостабилизации построить модели устройств, позволяющих изучить процесс термостабилизации вязких нефтепродуктов в железнодорожных цистернах.

3. Разработать экспериментальные модели устройств термостабилизации механического разогрева, устройство очистки), провести экспериментальные исследования по выявлению особенностей прямого нагрева вязкой жидкости, определению эффективности их работы и подтверждению достоверности результатов моделирования.

4. Рассчитать экономический эффект от внедрения предложенных разработок, образовывающийся за счет сокращения времени простоя цистерн на выгрузке и снижения энергетических затрат, капитальные затраты на создание предложенных устройств в сравнении с существующими разработками.

Методы исследований.

Поставленные задачи решены с использованием:

методов аналитического исследования, включающих: построение математической модели, с целью выявления зависимостей изменения температуры исследуемого материала по времени;

численных методов, включающих: построение моделей на основе дифференциальных уравнений в частных производных (решаемых методом конечных элементов); применение функции Бесселя и теории подобия, для решения уравнений тепломассопереноса; обработку полученных экспериментальных данных; выявление степени соответствия предлагаемого аналитического описания работе реальных устройств; сравнение численной модели и эксперимента;

методов экспериментального исследования на моделях, с нагревом или поддержанием температуры исследуемого материала в замкнутом объеме, регистрации и обработки необходимых параметров.

Научная новизна.

1. Разработана трехмерная нестационарная модель остывания вязких нефтепродуктов в теплоизолированной оболочке с источниками теплопритоков, решающая задачу по изменению температурного поля вязких нефтепродуктов в оболочке с учетом эффекта свободной конвекции без привлечения уравнений гидродинамики, геометрии и теплофизических свойств стенок оболочки при наличии источников тепла.

2. Экспериментально, впервые, получены температурные поля для теплоизолированной железнодорожной цистерны с вязкими нефтепродуктами оборудованной теплогенераторами, на основании которых определены толщина тепловой изоляции и рациональные режимы работы теплогенераторов, необходимые для эффективной термостабилизации перевозимого груза.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ существующих разработок и устройств термостабилизации вязких нефтепродуктов в железнодорожных цистернах на основе критерия продолжительности перевозки.

термостабилизации; аналитическое трехмерное решение задачи об остывании вязких нефтепродуктов в теплоизолированной железнодорожной цистерны;

учет влияния свободной тепловой конвекции в задачах об остывании вязких нефтепродуктов в замкнутых объемах.

термостабилизации:

общей модели для системы прямого нагрева;

теплоизолированной оболочке по радиусу;

модели остывания вязких нефтепродуктов в теплоизолированной оболочке, при фиксированной угловой координате;

теплоизолированной цистерне.

4. Предложения по обеспечению термостабилизации вязких нефтепродуктов в железнодорожной цистерне и их теплотехнические параметры.

Достоверность научных положений и выводов.

Достоверность результатов подтверждается данными, полученными в ходе экспериментальных исследований автора на моделях и натурных объектах.

Практическая ценность.

1. Предложен теплогенератор прямого нагрева, позволяющий сохранить вязкие нефтепродукты в жидком состоянии при длительности перевозок свыше семи суток.

2. Экспериментально доказана эффективность термостабилизации железнодорожных цистерн с напыляемой пенополиуретановой тепловой термостабилизации для модернизации уже эксплуатируемых и вновь создаваемых железнодорожных цистерн.

3. Разработана экспериментальная модель устройства для механического разогрева железнодорожных цистерн с вязкими нефтепродуктами, позволившая повысить производительность устройства за счет применения измененной перемешивающей насадки в 4 раза.

нефтепродуктов, снижающее расход водяного пара на 35% и сокращающее время очистки в четыре раза.

Апробация работы.

Результаты работы и ее отдельные положения докладывались на XXVIII Самарской областной студенческой научной конференции (г. Самара, СГАУ, 2002г.); на 7-ом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Йошкар–Ола, 2006г.); на 3-й Международной научнопрактической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара, СамГАПС, 2006г.), представлены на VIII Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Адлер, 2007г.), на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Вагоны» (г. Самара, СамГУПС, 2009г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе статей – 4, из них- 1 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ, тезисов докладов на конференциях – 2, патенты на полезную модель – 2.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 140 страниц, включая 64 рисунка, таблицы и библиографический список литературы из 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель работы, направления и методы исследований, отмечается научная новизна, а также сведения о реализации основных результатов работы.

В первой главе приведен обзор предложенных способов и устройств обеспечения выгрузки вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн.

Проведен сравнительный анализ выделенных групп устройств термостабилизации.

Разработкой устройств и способов разогрева вязких нефтепродуктов, исследованиями вопросов совершенствования грузового подвижного состава занимались специалисты МИИТ, ПГУПС, СамГУПС, УрГУПС и ряда других университетов, предприятий и производственных объединений.

Вопросы обеспечения выгрузки вязких и застывающих нефтепродуктов из железнодорожных цистерн в зимний период нашли отражения в трудах: К.И.

Арютова, А.Н. Балалаева, М.М. Болотина, Ю.П. Бороненко, В.М. Бубнова, А.И.

Быкова, В.И. Варавы, Р.С. Глазковой, В.К. Губенко, Е.П. Дудкина, Г.К.

Жилина, Р.Ф. Канивец, М.Б. Кельрих, Т.А. Комаровой, Н.Н. Копейкина, В.Н.

Котуранова, В.Ф. Лапшина, Т.В. Лисевич, К.В. Мотовилова, А.П. Никодимова, М.А. Паренюк, Г.И. Петрова, А.В. Смольянинова, И.Б. Феоктистова, В.Н.

Филиппова, Б.Д. Фишбейна, Г.Ф. Чугунова.

Показано, что наиболее распространенными являются устройства нагрева при выгрузке, позволяющие извлекать перевозимые нефтепродукты независимо от окружающей температуры и времени, которое они провели в пути. Однако такие устройства, несмотря на свою эффективность и универсальность, направлены на исправление последствий остывания нефтепродуктов, а не на устранение самой причины застывания. При перевозке нефтепродуктов в железнодорожных цистернах основная часть тепла теряется через поверхность цистерны, поэтому единственный способ поддержания нефтепродуктов в жидком состоянии – это сохранение их внутренней энергии, иными словами применение энергосберегающих технологий в виде способов и устройств сохранение тепла и нагрева в пути. Это позволит некоторое время поддерживать температурный режим перевозимых материалов. Несмотря на ограничения по времени перевозки, энергосберегающие технологии позволяют сократить время выгрузки и в целом снизить энергозатраты на перевозку нефтепродуктов.

Таким образом, установлено, что целесообразно решать проблему выгрузки застывающих и вязких нефтепродуктов комплексно с использованием всех предложенных подходов.

На основании рассмотренных материалов сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе построены нестационарные математические модели теплоизолированной цистерне, оборудованной такими теплогенераторами.

Внутренняя энергия систем прямого нагрева определяется мощностью источника и потерями теплоты в системе, изменение температуры в системе можно вычислить по формуле:

где T0 – начальная температура нефтепродукта, К; Qист – мощность источника энергии, Вт; S – площадь поверхности теплосброса, м2; c – теплоемкость, Дж/кг·К; m – масса материала, кг; k – коэффициент теплопередачи, вычисляемый по формуле, Вт/м2·К:

где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи соответствующих поверхностей, Вт/м2·К; i - теплопроводность i – го слоя стенки, Вт/м·К; i – толщина i – го слоя стенки, м.

Остывание материала описывается уравнением:

где Th - температура окружающей среды, К; – плотность материала, кг/м3;

V – объем материала, м3.

Нульмерная нестационарная модель, позволяет определить среднее изменение температуры в системах прямого нагрева и может использоваться для описания остывания вязких нефтепродуктов в железнодорожной цистерне.

Однако при рассмотрении систем с низким значением коэффициента радиусу, что в свою очередь вызывало необходимость построения более подробной одномерной нестационарной модели.

остывания вязких нефтепродуктов в цистерне:

где a2 = n / c· – коэффициент температуропроводности, м2/с; n – коэффициент теплопроводности, Вт/м·К; R – радиус котла цистерны, м; (r) = const – начальное распределение температуры; h вычисляется по формуле: h=n/n; n – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2·К; n – положительные корни уравнения:

воспользоваться формулой:

где Tn – начальная температура нефтепродукта, К; T0 – температура окружающей среды, К.

Модель учитывает толщину теплоизолирующего покрытия с помощью коэффициента теплоотдачи и позволяет получить данные об изменении температуры в цилиндре по радиусу в любой момент времени. Однако эта модель не учитывает длину цистерны. Для решения этой задачи было получено трехмерное аналитическое решение.

где r, z, – координаты точки в цилиндре.

Коэффициенты Akmn и BBkmn определяются по формулам:

Модель учитывает геометрию остывающего тела и определяет падение температуры в каждой точке объекта в любой момент времени.

Для рассмотрения температурного поля цистерны необходимо учесть свободную конвекцию, оказывающую значительное влияние на скорость изменения температуры в больших объемах текучего вещества. Однако использование с этой целью уравнений гидродинамики значительно усложняет получение аналитического решения. Поэтому свободную конвекцию в данном случае будем учитывать через эквивалентный коэффициент теплопроводности:

э = ·, где – теплопроводность среды, – коэффициент конвекции.

В третьей главе описаны численные решения в рамках моделей устройств нагрева и сохранения внутренней энергии вязких нефтепродуктов.

Рассмотрены численные решения для модели теплогенератора прямого нагрева, остывания нефтепродуктов в цистерне и теплоизолированной цистерны, а также построены численные модели остывания нефтепродуктов в цистерне, теплоизолированной цистерне и теплоизолированной цистерне, оборудованной теплогенераторами.

Получено численное решение нестационарной модели теплогенератора в нульмерном приближении. Начальные условия модели T0 = 261 К, начальная температура не нагретого воздуха, Q = 396 Вт, мощность теплогенератора, TH = 285 К, температура окружающей среды, Tmax = 310 К, начальная (максимальная) температура в момент времени t0 = 975 сек, k = 4 Вт/м2·К, коэффициент теплопередачи, S = 1.55 м2, площадь теплообмена, Сv = 714 Дж/кг·К, m = 5.7 кг – теплоемкость и масса газа.

нефтепродуктов в нульмерном и одномерном приближении. Начальные условия модели: радиус котла 1.5 м, длина котла 8 м, температура окружающей теплоизолятора 0.05 метра, коэффициент теплопроводности 0.025 Вт/м·К.

коэффициенты составляют 10 Вт/м2·К – без теплоизоляции и 0.48 Вт/м2·К – с нефтепродукта по радиусу: сплошная линия – изменение температуры по радиусу в цистерне без изоляции, штрих – пунктирные кривые показывают распределение температуры по радиусу в цистерне с теплоизоляционным покрытием, пунктирной и точечной линией отмечены кривые изменения температур в нульмерном приближении без теплоизоляции и с ней соответственно.

Температура в не теплоизолированной цистерне быстро выравнивается по радиусу. Абсолютная и относительная погрешность составила 4.50С и 1.5% для модели с теплоизолирующим слоем, а для модели без теплоизоляции 6.50С и 2.5%. Расхождения между 0- и 1-мерным решением в начале процесса здесь рассмотрения в уравнении теплопроводности. Однако, для описания изменения температуры в цистерне без теплоизоляции вполне достаточно и нульмерного замедления остывания возникает значительный перепад температуры между центром цилиндра и его стенками. Поэтому построение одномерной модели для теплоизолированной цистерны оправдано.

моделирования имеет бесконечную длину, и позволяет рассматривать изменение температурного поля только по радиусу. Однако, вблизи торцевых стенок котла, вследствие увеличения площади теплосброса по сравнению со средними сечениями, остывание нефтепродукта протекает интенсивнее.

Для учета этих особенностей построена двухмерная нестационарная осесимметричная модель в системе расчета мультифизических процессов COMSOL, описывающая необходимые параметры и процессы, как в обычной, так и в теплоизолированной цистерне (рис. 2.).

Рис. 2. Температура нефтепродукта в поперечном сечении слева в обычной цистерне, справа в теплоизолированной цистерне на 1 – 7 сутки транспортировки при температуре окружающей среды –200С.

Как видно из расчетов двухмерной модели при перевозках на небольшие расстояния теплоизолирующее покрытие обеспечивает необходимый для слива температурный режим перевозимого продукта.

Создание подобной модели остывания вязких нефтепродуктов для теплоизолированного котла оборудованного теплогенераторами затруднительно в силу ограниченной симметричности модели по радиусу. Для учёта геометрических особенностей модели построена трёхмерная модель (рис.

3.).

Рис. 3. Изменение температуры 1 – 7 сутки, в различных точках модели В целом к концу расчетного периода температура нефтепродуктов в цистерне колеблется в пределах 5 – 10 градусов. Минимальная температура на седьмые сутки наблюдается в наиболее удаленной от теплогенератора точке С и составляет 289 К. Температура в центре котла точка В на седьмые сутки, составляет 294 К. Температура в теплогенераторе точка А – 303 К. Стенка котла цистерны точка D прогрелась до 293 К. Температура теплоизоляции в точке E составила 270 К.

Средняя температура в данной модели ниже средней температуры полученной для модели теплоизолированной цистерны без теплогенераторов.

Согласно закону Фурье: q = -·grad(T) – поток энергии, передающейся посредством только теплопроводности, пропорционален градиенту температуры. Иными словами, поддерживая большую разность температур, мы поддерживаем тепловой поток через стенки цистерны в окружающую среду.

теплогенераторов на конечном этапе перевозок. При выключенных теплогенераторах, областями значительных тепловых потерь являются торцы цистерны и сами теплогенераторы. Для обеспечения температурного режима необходимо утолщение слоя теплоизоляции в областях значительных тепловых потерь.

Проведенные расчеты показали, что для обеспечения температурного режима нефтепродуктов при перевозке на малые расстояния (срок доставки – до 7 дней) достаточно теплоизолирующего покрытия. Предлагаемый целесообразно использовать при продолжительности перевозок свыше 7 дней.

заключительном этапе перевозок.

В четвертой главе Представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных с моделями устройств: теплогенератор прямого нагрева, теплоизолированная цистерна, устройство для разогрева железнодорожных цистерн с застывшими нефтепродуктами, устройство для очистки цистерн от остатков нефтепродуктов. Изменение температуры регистрировалось с помощью прибора для измерения температуры Center 314 с термопарой TP-K01 (диапазон измерения температуры от –50 0С до 200 0С, погрешность измерений ±0.75%). Данные экспериментов записывались в цифровом виде для дальнейшей обработки на персональном компьютере с использованием пакета программ MathCAD 2001. В целом, во всех экспериментах нагрев газа теплогенератором с погрешностью до 5% описывается нестационарной нульмерной моделью.

Теплогенератор содержит корпус, выполненный в виде поддона, большей частью своей внешней поверхности охватывающего обогреваемый объект.

Теплогенератор преобразует механическую энергию привода в тепловую. Часть отдаваемого корпусом тепла идет на разогрев обогреваемого объекта. Корпус пенополиуретаном. Дополнительная теплоизоляция позволяет снизить энергоемкость теплогенератора и производить подогрев обогреваемого объекта в пути.

герметичный корпус, имеющий входное и выходное отверстия. Опыты проводились на воздухе в качестве рабочего газа при начальных температурах от –27 0C до +300 C.

Экспериментальным путем было определено, что для нормальной работы установки разогрева без перекаливания и с соблюдением правил пожарной безопасности температура газа не должна превышать 60 0C. Ограничения проведения дополнительных исследований было принято решение продолжить испытания теплогенератора в реальных условиях (рис.4).

Рис. 4. Прогрев воздуха в емкости в случае работы основной системы обогрева с использованием теплогенератора (1) и без него (2) Данное устройство было использовано для обогрева емкости объемом 3200 л, при установленной системе обогрева с жидким теплоносителем, и использовалось в качестве предварительного нагревателя воздуха. Применение теплогенератора позволяет прогреть воздух до прогрева основной системы обогрева с жидким теплоносителем. В случае, представленном на рис. 4., начальная температура воздуха составляла -17.30С.

На рис. 4. показано изменение температуры воздуха в емкости в случае работы основной системы обогрева с теплогенератором и без него. Хорошо видно, что колебания температуры в случае работы теплогенератора выше, что свидетельствует о необходимости установки дополнительных приспособлений для гашения колебаний. Между тем, применение теплогенератора даже столь малой мощности позволяет повысить интенсивность нагрева, при температурах окружающей среды порядка -200C, в 3 раза.

перспективности разработки и использования на железнодорожном транспорте систем прямого нагрева в качестве дополнительных ресурсосберегающих устройств.

Ожидаемый экономический эффект (за зимний период) от сокращения времени простоя 50 цистерн на пункте выгрузки при использовании теплоизолированной цистерны с теплогенераторами составит 1800000 руб.

Предложен подход к модернизации железнодорожных цистерн на основе современных теплоизоляционных материалов. Проведен эксперимент по изучению возможности теплоизоляции. Замерялась температура воды остывающей в теплоизолированной емкости при комнатной температуре.

Металлическая емкость (L = 0,135, R = 0,075) покрыта теплоизолирующем слоем толщиной 0,05 м и заполнена водой при температуре 91 0С. Внутри емкости расположен датчик измерения температуры TP-K01. Емкость герметично закрыта. Температура окружающей среды 20,6 0С.

На рис. 5. представлены результаты эксперимента T1 в сравнении с данными, полученными аналитическим путем T2. На графике видно, что экспериментальными данными.

В целом, исходя из полученных данных, можно заключить, что для обеспечения температурного режима нефтепродуктов при перевозке на малые расстояния достаточно теплоизолирующего покрытия. А, учитывая, что в последнее время получили широкое распространение цистерны с паровой рубашкой, можно говорить и об экономии пара в случае необходимости разогрева цистерны.

Рис. 5. Изменение температуры в теплоизолированной емкости Ожидаемый экономический эффект на пункте выгрузки за год (зимний период) до 4912220 руб. Кроме того, стоимость новой термос–цистерны порядка 2600 тыс. руб., в то время как стоимость покрытия одной находящейся в эксплуатации цистерны стоимостью 1300 тыс. руб. теплоизоляционным слоем составит 75,5 тыс. руб.

Таким образом, при нанесении покрытия получаем цистерну стоимостью 1375,5 тыс. руб. с теми же теплоизоляционными характеристиками, что и модифицированной цистерны возрастает на 5-10%, а затраты на перевозку, выгрузку и простой вагонов значительно снижаются.

нефтепродуктов при выгрузке из железнодорожных цистерн рис. 6. Устройство преобразует механическую энергию привода во внутреннюю энергию нефтепродуктов.

Проведен ряд экспериментов по прямому нагреву синтетического масла.

В экспериментах используются: электрический двигатель мощностью 150 Вт, две пластмассовые емкости объемом 300 и 500 мл. Емкость объемом 300 мл закреплена внутри емкости 500 мл с помощью пенопластовых шин. Внешняя емкость заполнена маслом, таким образом, обеспечивается масляная изоляция внутреннего сосуда от термического воздействия внешней среды. Сосуд с меньшим объемом является рабочим и содержит 300 г нагреваемого масла. Вал двигателя оснащен перемешивающим механизмом, выполненным в виде шнека. Также используется модифицированный перемешивающий механизм представляющий собой пластину, закрепленную на оси шнека.

Рис.6. Устройство механического нагрева вязких нефтепродуктов: 1 – лопасти, 2 – вал, 3 – электродвигатель, 4, 5 – внешняя и внутренняя рамы, 6 –механизм подъема, 7 – замок, 8 – каретка В ходе экспериментов перемешивающий механизм опускается в рабочий сосуд и приводится в движение электрическим двигателем. Перемещение слоев масла создает межмолекулярное трение, а, следовательно, и нагрев масла.

Иными словами происходит прямое преобразование механической энергии вращения во внутреннюю энергию масла.

Проведен нагрев масла посредством перемешивающего механизма и без устройства нагрева. Начальная температура масла составляла -25.50С в обоих случаях. Результаты экспериментов представлены на рис. 7.

Рис. 7. Температура масла: T1 – нагрев предложенным устройством, T2 – нагрев без устройства, T3 – разность температур Кривая Т3 является разностью температур Т1 и Т2. На рисунке видно, что наибольшая разница между первым и вторым экспериментом наблюдается в первые 5 минут нагрева. Таким образом, можно предположить, что использование прямого нагрева наиболее эффективно в первые минуты нагрева. Учитывая механизм прямого нагрева, справедливо будет полагать, что такая эффективность нагрева обеспечивается высокой плотностью масла.

Таким образом, в ходе экспериментов выявлено, что повышение эффективности работы устройства возможно за счет увеличения переносимых масс продукта путем изменения формы и размеров перемешивающей насадки.

нефтепродуктов, состоящее из узла без насосной подачи перегретого пара и приемника стоков. Устройство монтируется на нижнем сливном отверстии при закрытой во время процедуры очистки горловине цистерны.

Проведенный эксперимент позволил выявить снижение расхода пара, вследствие закрытия горловины цистерны и сокращения времени процедуры пропарки. По технологии пропарка через горловину цистерны занимает 1 час, в нашем случае пропарка длится 15 минут. Слив конденсата во время пропарки, избыточное давление пара и простота эксплуатации устройства позволили сократить весь процесс до 40 минут. Кроме того, в предложенном устройстве совмещение процесса пропарки и слива остатков нефтепродуктов исключает их оседание на дне котла цистерны и повышает эффективности очистки.

В результате проведенных исследований были получены следующие основные выводы:

1. Проведенный сравнительный анализ позволил выработать совокупность составляющих элементов (влияние свободной конвекции, геометрия объекта и теплофизические параметры его стенок) и разработать общую модель для систем прямого нагрева, упрощенную модель остывания вязких нефтепродуктов в теплоизолированной оболочке по радиусу, модель остывания вязких нефтепродуктов в теплоизолированной оболочке, при фиксированной угловой координате, трехмерную модель остывания вязких нефтепродуктов в теплоизолированной цистерне. Достоверность моделей проверена экспериментально.

2. На основании исследований предложенных моделей выбраны параметры технических устройств термостабилизации. Для обеспечения температурного режима выгрузки нефтепродуктов, при перевозках продолжительностью до суток, достаточно теплоизолирующего покрытия толщиной 50 мм.

Использование теплогенераторов мощностью 1800 Вт в качестве устройства нагрева в пути целесообразно при длительности перевозок свыше 7 суток.

Температурный режим выгрузки в цистерне достигается при включении теплогенераоторов на заключительном этапе перевозок. Абсолютная погрешность составила 4.50С для модели теплоизолированной оболочки с нефтепродуктами без теплоизоляции. Относительная погрешность составила 1.5% для случая с теплоизоляцией и 2.5% для модели без теплоизоляции.

3. Предложенные системы могут быть использованы для повышения эффективности выгрузки и очистки железнодорожных цистерн от остатков нефтепродуктов. Устройства могут быть стационарными и использоваться в процессе перевозок. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили быстрый выход на рабочий температурный режим теплогенератора с темпом 30С/мин, достоверность результатов моделирования теплоизолированной емкости с вязкими нефтепродуктами (погрешность в пределах 5%). По результатам экспериментальных исследований стационарных систем термостабилизации установлено повышение производительности устройства механического разогрева железнодорожных цистерн за счет применения измененной перемешивающей насадки в 4 раза, подтверждена эффективность очистки котла цистерны предложенным устройством за счет создания избыточного давления в котле цистерны, выявлено снижение расхода водяного пара порядка 35% и сокращение времени очистки в четыре раза.

4. Ожидаемый экономический эффект от сокращения простоя цистерн на пункте выгрузки при применении теплогенератора – до 1800 тыс. руб.

Ожидаемый экономический эффект на пункте выгрузки за год (зимний период) при использовании теплоизоляции: от сокращения энергозатрат на разогрев вязких нефтепродуктов – до 4912 тыс. руб., от сокращения потерь теплоты через стенки цистерны в окружающую среду при разогреве в цистернах с паровой рубашкой – до 645 тыс. руб. Предложенный подход позволяет модернизировать уже эксплуатируемые и вновь создаваемые железнодорожные цистерны. При этом стоимость модифицированной цистерны возрастает на 5а затраты на перевозку, выгрузку и простой вагонов значительно снижаются. Затраты на создание одного устройства очистки железнодорожных цистерн от остатков нефтепродуктов составят 5 тыс.руб. Капитальные затраты на производство устройства механического разогрева составят 65 тыс. руб., что на 48% ниже относительно средних затрат на производство существующих устройств разогрева.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1. Васильев Д.А. Численный расчет в сравнении с теорией внутренней баллистики для плазматрона [Текст] / Д.А. Васильев // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТ. – Выпуск 3. – Самара:

СамИИТ, 2001. – С.12-13.

2. Васильев Д.А. Теплогенераторы с газодинамическим нагревом прямого действия [Текст] / Д.А. Васильев, Д.Б. Волов // Обозрение прикладной и промышленной математики. – Том 13. – Выпуск 5. – М.: Издательство ТВП, 2006. – С.844-845.

нефтеналивных железнодорожных цистерн [Текст] / Д.А. Васильев, В.Т. Волов, Д.Б. Волов // Обозрение прикладной и промышленной математики. – Том 14. – Выпуск 4. – М.: Издательство ТВП, 2008. – С.841-842.

4. Волов Д.Б. Теплогенераторы прямого нагрева в качестве дополнительных ресурсосберегающих устройств на транспорте [Текст] / Д.Б. Волов, Д.А.

Васильев // Вестник СамГАПС. – Выпуск 6. – Самара: СамГАПС, 2006. – С.86Васильев Д.А. Математическая модель расчета теплопереноса в теплоизолированной железнодорожной цистерне [Текст] / Д.А. Васильев, В.Т.

Волов, Д.Б. Волов, В.Л. Шур // Вестник транспорта Поволжья. – Выпуск 3 (15).

– Самара: СамГУПС, 2008. – С.58-63.

дополнительных ресурсосберегающих устройств на транспорте [Текст] / Д.А.

Васильев, Д.Б. Волов // Материалы 3-й Международной научно практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта»

(5-6 декабря, 2006 г., г. Самара). – Самара: СамГАПС, 2006. – С.69-71.

7. Пат. №65029 Российская Федерация, МПК B65D 88/74 Устройство для разогрева железнодорожных цистерн с застывшими нефтепродуктами / Волов 2007100282/22; заявл. 09.01.2007; Опубл. 27.07.2007 Бюл. №21. – 4 с.: ил.

8. Пат. 79459 Российская Федерация, МПК B08B 9/08 Устройство для очистки цистерн от остатков нефтепродуктов / Спирюгов А.А., Спирюгова М.А., Волов Д.Б., Васильев Д.А.; заявитель и патентообладатель Самарская гос. Академия путей сообщения. – №2008129460/22; заявл. 17.07.2008; Опубл. 10.01.2009, Бюл. №1. – 4 с.: ил.

Совершенствование железнодорожной цистерны для вязких нефтепродуктов и ее эксплуатационных характеристик на основе устройств термостабилизации 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. Печ. Листов 1,5.

Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения.