Теплотехнические расчёты изотермических вагонов и контейнеров презентация

8.1 Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов
Определение количества теплоты или мощности теплового потока, поступающего в грузовое помещение вагона или контейнера от окружающей среды и груза, относится к теплотехническим расчётам. Такие расчёты необходимы при решении различных проектных и эксплуатационных задач хладотранспорта.
Задачами эксплуатационного характера являются:
● установление предельных сроков и других условий перевозки скоропортящихся грузов в вагонах и контейнерах;
● анализ и прогнозирование возможных причин нарушения условий перевозок грузов;
● определение фактического расхода дизельного топлива на маршруте;
● определение сфер рационального использования вагонов и контейнеров в различных режимах эксплуатации, включая условия перевозок, не предусмотренные нормативными документами.
К проектным задачам относят:
● определение расчётной тепловой нагрузки на проектируемое холодильно-отопительное оборудование рефрижераторных вагонов и контейнеров;
● определение толщины теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях грузовых помещений и т. п.
2

Для проектных целей используют только аналитический метод расчёта мощности теплопритоков. При этом параметры окружающей среды задаются постоянными с высокой надёжностью.
Аналитический метод расчёта теплопритоков применяют также для решения общих эксплуатационных и экономических задач, когда транспортный модуль перемещается в однородной климатической зоне с незначительными колебаниями температуры наружного воздуха на маршруте. В этом случае температуру наружного воздуха принимают усреднено-постоянной на протяжении всей рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью.
При оценке работоспособности холодильно-отопительного оборудования в неординарных условиях, при определении расхода дизельного топлива на маршруте с разными климатическими условиями или при моделировании процессов теплообмена в грузовом помещении вагона или контейнера используют графоаналитические расчёты.
Здесь учитываются суточные колебания температуры наружного воздуха, время суток, скорость движения на маршруте. Это позволяет представить в наглядном виде динамику изменения температурных полей наружного воздуха, воздуха и груза внутри грузового помещения во времени и в условиях максимально приближённых к действительности.
3
Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

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.
Во всех теплотехнических расчётах учитывают влияние случайных факторов на теплообменные процессы, например, колебание температуры наружного воздуха, направление и силу 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.
1
2
3
4
5
6
7
4
Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

В проектных расчётах обычно учитывают ограниченное количество случайных и даже 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 вагона или контейнера и, соответственно, результаты расчёта мощности тепловых потоков.
5
Этому требованию удовлетворяет рассматриваемая ниже методика теплотехнических расчётов вагонов и контейнеров.
Цели, методы и надёжность теплотехнических расчётов

Общие теплопоступления (Qоб) 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.
8.2 Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ
К непрерывным относят теплопритоки:
● вследствие теплопередачи через ограждения грузового помещения,
возникающей при разности температур наружного воздуха и воздуха внутри вагона (Qт);
● за счёт инфильтрации воздуха , т.е. при поступлении свежего воздуха внутрь грузового помещения через неплотности дверей, сливных приборов, люков и в местах прохода трубопроводов (Qи);
● от плодоовощей при дыхании, т.е. от выделения ими биохимической теплоты вследствие продолжающихся процессов жизнедеятельности (Qб).
К периодическим относят теплопритоки:
● эквивалентные воздействию солнечной радиации (Qс);
● эквивалентные работе вентиляторов-циркуляторов (Qц);
6

● от свежего воздуха, поступающего внутрь грузового помещения при вентилировании (Qв);
● эквивалентные оттаиванию снеговой шубы (инея), которая образует-ся на воздухоохладителях холодильных машин за счёт конденсации влаги, проникаемой с тёплым воздухом внутрь грузового помещения при инфильтра-ции, а также при вентилировании (Qш);
Суммарный тепловой поток получают алгебраическим сложением его компонентов, кроме Qп. Последний используется для определения разности температур груза до и после погрузки.
К одноразовым относят теплопритоки:
● от охлаждаемого груза, тары и средств пакетирования (Qг);
● от охлаждаемого или отепляемого кузова и оборудования транспортного модуля (Qк);
● от окружающей среды и груза при погрузке (Qп).
Состав теплопоступлений зависит от цели и метода расчёта, вида термической подготовки груза, а также условий перевозок (табл.1 и 2).
Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ
7

Таблица 1
Состав теплопоступлений, учитываемых в проектных расчётах
8
Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ

Таблица 2
Состав теплопоступлений, учитываемых в аналитических и графоаналитических расчётах для эксплуатационных целей
9
Классификация и состав теплопоступлений в ИТМ

8.3 Определение расчётных температур окружающей среды
В теплотехнических расчётах, вместо средних температур, применяют расчётные температуры наружного воздуха, которые учитывают возможные отклонения от их средних значений, приводимых в справочных данных.
В аналитических расчётах мощности тепловых потоков расчётную температуру наружного воздуха (tр) определяют как усреднённо-постоянную на протяжении всего маршрута или рассматриваемой климатической зоны с заданной надёжностью, °С:
tр.э.д + tр.э.н
tр = —————, 2
tр.э.д (р.э.н) = tс.э.д (с.э.н) ± X⋅σ,
Расчётная температура наружного воздуха на маршруте следования транспортного модуля
10

tмах.д – tмин.н
σ = —————–
3
mx
Значения квантиля Х от надёжности Р
При моделировании теплообменных процессов, когда продолжительность нахождения транспортного модуля на участке менее суток, учитывают суточные колебания температуры окружающей среды.
Определение расчётных температур окружающей среды
11

Суточные колебания температуры наружного воздуха
Определение расчётных температур окружающей среды
12

Очевидно, что при увеличении τi второе слагаемое в выражении стремится к нулю. При τi ≥ 24 его можно не учитывать. Тогда имеем частный вид интегральной формулы:
tр = tс ± X⋅σ.
или
Определение расчётных температур окружающей среды
13

tф = tр = tс ± X⋅σ;
или
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 величину tф принимают равной расчётной температуре наружного воздуха за время погрузки, определяемой в зависимости от метода расчёта теплопоступлений:
Если известны расчётные экстремальные температуры, а также время начала и окончания погрузки, то лучше использовать при любом методе расчёта теплопритоков выше приведённую интегральную формулу.
в графоаналитическом расчёте
в аналитическом расчёте
Определение расчётных температур окружающей среды
14

При погрузке вагонов на полузакрытом грузовом фронте холодильника величину tф принимают равной расчётной температура воздуха внутри дебаркадера (tд) в зависи-мости от технологии работы холодильника (таблица).
Расчётная температура наружного воздуха в дебаркадере холодильного склада
Определение расчётных температур окружающей среды
15

8.4 Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе
При загрузке транспортных модулей
Процесс погрузки вагонов и контейнеров сопровождается теплопоступле-ниями в грузовое помещение:
● через ограждения кузова, если tг.н отличается от tф, а также, если вагон охлаждён или обогрет перед погрузкой;
● 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 измене-нию температурных полей воздуха внутри грузового помещения и груза к моменту окончания погрузки (см. рисунок). При поступлении неохлаждённых грузов эти теплопритоки незначительны, их можно не учитывать и принять температуру груза после погрузки (tг.п.п) равной tг.н. Температура охлаждённых грузов к концу погрузки может измениться по отношению к начальной, но не более чем на ±3,0 °С.
16

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
Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе
17

После загрузки и закрытия дверей рефрижераторного вагона или контейнера запускают дизель-генераторы, устанавлива-ют требуемые режимы обслуживания груза в пути, включают холодильно-отопительное оборудование. При этом сначала начинают работать вентиляторы-циркуляторы, с помощью которых температурные поля свободного воздуха и груза во всех случаях, показанных на рисунке, выравниваются, т. е. температура свободного воздуха внутри транспортного модуля после погрузки (tв.п.п) становится примерно равной tг.п.п.
Таким способом бригады механиков контролируют (косвенно) фактическую температуру принятого груза.
Через 7…10 мин автоматически включаются холодильные машины или электропечи в зависимости от способа обслуживания груза в пути.
18
Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

В процессе транспортировки груза
Первый случай. Расчётная температура наружного воздуха (tр) выше температурного режима перевозки (tв). В качестве примера допустим, что tг.н ниже tф, а tф выше tр
НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ – работа холодильных машин; Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник теплопоступлений); tр, tг, tв – соответственно изменение температуры наружного воздуха, груза и воздуха внутри грузового помещения вагона; τв – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении; τг – продолжительность охлаждения груза; τг.р –продолжительность гружёного рейса
19
Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

Второй случай. Плодоовощи грузятся и охлаждаются в пути при расчётной температуре наружного воздуха ниже требуемого режима перевозки
НТРП – нестационарный температурный режим перевозки; ХМ – работа холодильных машин; Г – груз (источник теплопоступлений); ОС – окружающая среда (источник холодопритока); ЭП – работа электропечей; tр, tг, tв – соответственно изменение температуры наружного воздуха, груза и воздуха внутри вагона; τв – продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении; τг – продолжительность охлаждения груза; τоб – общая продолжительность обслуживания груза в пути
20
Характеристика теплообменных процессов в гружёном рейсе

8.5 Факторы, влияющие на продолжительность охлаждения грузов
в рефрижераторных вагонах и контейнерах
При перевозках неохлаждённых плодоовощей 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 факторов, приведённых на рисунке.
21

Степень влияния этих факторов на скорость протекания теплообменных процессов до настоящего времени была мало изучена.
Поэтому при определении мощности теплового потока от плодоовощей при охлаждении в пути значение τг принимали равным 60 ч согласно инструкциям по эксплуатации 5-вагонных рефрижераторных секций и автономных рефрижераторных вагонов, разработанным полвека назад.
Результаты контрольно-опыт-ных перевозок скоропортящихся грузов, проведённых учёными ПГУПС-ЛИИЖТа в период с 1983 по 1994 гг. на пятивагонных рефрижераторных секциях разных типов, показали, что на самом деле величина τг может при опре-делённых условиях существенно (в несколько раз) отличаться от указанного нормативного значения.
Факторы, влияющие на продолжительность охлаждения грузов
в рефрижераторных вагонах и контейнерах
22

8.6. Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях Основными характеристиками теплообменных процессов в грузовом помещении транспортного модуля, используемыми в теплотехнических расчётах, являются:
– скорость первоначального охлаждения свободного воздуха в грузовом помещении транспортного модуля (bв), °С/ч;
– скорость теплоотдачи груза (mг), °С/ч;
– скорость охлаждения груза (bг), °С/ч;
– продолжительность первоначального охлаждения воздуха в грузовом помещении (τв), ч;
– продолжительность охлаждения груза (τг), ч.
Многофакторный анализ и обобщение результатов контрольно-опытных перевозок позволили впервые формализовать рассмотренные в п. 8.5 факторы груза, РТМ и окружающей среды с помощью эмпирических выражений и коэффициентов.
23

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; kбох – то же, учитывающий влияние биохимической теплоты плодоовощей при охлаждении; kш – то же, учитывающий влияние степени плотности штабеля груза; kт – то же, учитывающий влияние степени скважности тары; Gбр – количество груза в РТМ, т брутто; Рт.м – грузоподъёмность РТМ.
kм = f (kp, Δtм, Δtр)
qбох = f (q0,χг,tг.н, tг.к,)
kб = f (qбох );
kш = f (ρш);
kт =f (ρт);
kp = f (μо) = kp.п μо;
Δtм = f (Тип ТМ, τэ)
Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях
24

Скорость теплоотдачи груза (mг) и скорость охлаждения груза (bг) можно определить, °С/ч, по формулам:
Величина mг, являясь теплотехнической характеристикой груза, используется для ограничения мощности внешнего источника холода. Это связано с необходимостью регулирования температурного режима в заданных границах. Внешний источник холода не должен забирать теплоту от груза со скоростью бóльшей, чем груз может отдать, иначе произойдёт нарушение нижней границы температурного режима и нежелательное переохлаждение внешних слоёв груза. За этим следит бригада механиков или устройства автоматического регулирования этого режима. Таким образом, в формуле (6.8) формализуется процесс регулирования нижней границы температурного режима перевозки груза.
;
.
25
Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях

С помощью характеристик bв.и bг можно определить продолжительность первоначального охлаждения воздуха (τв) и груза (τг) в грузовом помещении вагона, контейнера, ч:
tв.п.п – tв.н
τв = ————;
bв
tг.п.п – tв.в
τг = ————.
bг
В курсовом проекте величины tв.п.п и tг.п.п следует принимать равными заданной температуре груза (tг.н).
τг.р = 24L / Vм .
Если расчётная продолжительность охлаждения груза (τг) превышает продолжительность гружёного рейса (τг.р), то груз на момент выдачи получателю не успеет охладиться до режимной температуры. При этом величину τг.р можно определить, ч, исходя из расстояния перевозки (L ) и норм суточного пробега (Vм) по формуле:
Для термически подготовленных скоропортящихся грузов характеристики bв, mг, bг, τв, τг определять не требуется.
26
Расчёт скорости и продолжительности охлаждения воздуха и груза в рефрижераторных транспортных модулях

8.7 Аналитический расчёт мощности теплопоступлений
в рефрижераторные вагоны и контейнеры для условий
эксплуатации в однородной климатической зоне
Расчёт выполняют в киловаттах на одну грузовую единицу (вагон, контейнер).
Мощность теплового потока вследствие теплопередачи через ограждения кузова вагона (контейнера), кВт/ед.:
Qт = [Fр(tр – tв) + Fм(tм – tв)] kр⋅10-3.
27

Мощность теплового потока от инфильтрации свежего воздуха внутрь грузового помещения транспортного модуля, кВт/ед.:
ρн⋅μи⋅Vп
Qи = ——––— (iн – iв).
3600
ρн= f(tp); μи= f(Vм, Tэ); iн = f(tp); iв = f(tв).
28
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Qб.1 = qб.ох⋅Gгр⋅10-3;
Qб.2 = qб.р⋅Gгр⋅10-3.
qб.1 = f (ВГ, tг.п.п , t в.в); qб.2 = f (ВГ, tв).
1-й участок гружёного рейса
2-й участок гружёного рейса
Мощность теплового потока от плодоовощей при дыхании, кВт/ед.:
а) груз успевает охладиться за перевозку (τг < τг.р):
29
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Qб.1 = qб.ох⋅Gгр⋅10-3;
Qб.2 - отсутствует.
1-й участок гружёного рейса
Мощность теплового потока от плодоовощей при дыхании, кВт/ед.:
б) груз не успевает охладиться за перевозку (τг > τг.р):
Груз выдан получателю
qб.ох = f (ВГ, tг.п.п , t г.к); qб.р - отсутствует.
30
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

tэ.р , tэ.в , tэ.г , τc= f (заданная широта).
Fр , Fб.с , Fк ― характеристики вагона;
Qс = [Fр⋅tэ.р + (Fб.с⋅tэ.в + Fк⋅tэ.г) μc] ×
× kр⋅τc⋅24-1∙10-3.
μc ― задана;
Мощность теплового потока от воздействия
солнечной радиации, кВт/ед.:
31
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

1-й участок гружёного рейса
2-й участок гружёного рейса
Qц1 = Nц⋅ξ [τв + υц1 (τг – τв)] τг-1;
Qц2 = Nц⋅ξ υц2.
Мощность теплового потока , эквивалентного работе вентиляторов-циркуляторов, кВт/ед.:
а) груз успевает охладиться за перевозку (τг < τг.р):
υц1(2) = f (tр , tв , tг1(2));
tг1 = (tг.н+ tв.в): 2;
tг2 = tв .
32
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

1-й участок гружёного рейса
Qц1 = Nц⋅ξ [τв + υц1 (τг – τв)] τг-1;
Qц2 = нет.
υц1 = f (tр , tв , tг1);
tг1 = (tг.н+ tг.к) : 2);
Мощность теплового потока , эквивалентного работе вентиляторов-циркуляторов, кВт/ед.:
б) груз не успевает охладиться за перевозку (τг > τг.р):
Груз выдан получателю
33
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

ρн= f (tp); μи= f (Vм, Tэ); iн = f (tp); iв = f (tв).
Мощность теплового потока от свежего воздуха, поступающего
в грузовое помещение при вентилировании, кВт/ед.:
34
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

τг.р = 24L / vм .
Мощность теплового потока, эквивалентного оттаиванию снеговой шубы на воздухоохладителях холодильных машин, кВт/ед.:
35
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Мощность теплового потока от груза и тары
при охлаждении, кВт/ед.:
Если температура груза в конце погрузки, соответствует требуемому температурному режиму перевозки (tв.в ≥ tг.п.п ≥ tв.н), то расчёт Qг не выполняют. Это означает, что груз предъявлен термически подготовленным, т. е. Qг = 0. Отрицательное значение Qг означает отепление груза.
36
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Мощность теплового потока от кузова и оборудования РТМ при охлаждении или отеплении в пути следования, кВт/ед.:
В теплотехнических расчётах, выполняемых для эксплуатационных целей, значения массы и теплоёмкости составных частей кузова и оборудования РТМ, находящихся в эксплуатации, обычно неизвестны, скорее их сложно подсчитать. Поэтому данный теплоприток рекомендуется определять по упрощённому выражению:
где 3,7 – аппроксимированная часть формулы; ϑ – коэффициент, учитывающий неоднородность температурного поля кузова транспортного модуля, ϑ = 0,5; φ – коэффициент конкордации (согласования) скоростей охлаждения кузова транспортного модуля и груза, φ = 1,3
37
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

Калькуляция мощности теплового потока для гружёного рейса, кВт/ед.:
38
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне

При τг.р > τг
При τг.р < τг
будут Qоб1 и Qоб2
1-й участок пути
Один участок пути
2-й участок пути
Аналитический расчёт мощности теплопоступлений в рефрижераторные вагоны
и контейнеры для условий эксплуатации в однородной климатической зоне
39
будет только Qоб1

8.8 Определение показателей использования дизель-генераторного и холодильно-отопительного оборудования
рефрижераторных вагонов и контейнеров
Коэффициент рабочего времени работы ХМ и ЭП
40

При υх1(2) ≥ 0,5 nд1 = 2.
Фактический расход дизельного топлива
При τг ≥ τг.р последнее слагаемое в квадратных скобках выражения не учитывают.
Рефрижераторные контейнеры в режиме автономного питания дизелей на железных дорогах не используют.
Определение показателей использования дизель-генераторного
и холодильно-отопительного оборудования рефрижераторных вагонов и контейнеров
41

8.9 Особенности теплотехнического расчёта вагонов-термосов
Важным условием использования вагонов-термосов и контейнеров-термосов является предельный срок перевозки в них скоропортящихся грузов. В основу любой методики определения этого срока положено классическое уравнение теплового баланса в системе «окружающая среда – транспортный модуль – груз»:
Однако это уравнение справедливо при условии, что тепловой поток от внешней среды воспринимается грузом полностью и всегда с одинаковой интенсивностью. На самом деле это — не совсем так.
42

На продолжительность отепления или охлаждения груза до предельно допустимых значений за счёт окружающей среды существенно влияет скорость теплоотдачи грузом, которая зависит главным образом от плотности штабеля.
Согласование мощностей внешнего теплового воздействия на груз и теплоотдачи груза реализуется с помощью коэффициента конкордации теплообменных процессов, величину которого можно определить по эмпирическому выражению, доли единицы:
βк = 0,36 + 0,64 (1 – ρш) 0,4
43
Особенности теплотехнического расчёта вагонов-термосов