Введение к работе
Актуальность работы. Карбамидоформальдегидный концентрат в настоящее время получает все большее применение при производстве карба-мидоформальдегидных смол, используемых в качестве основы клеев для древесных материалов в деревообрабатывающей и мебельной промышлен-ностях. Потребность в карбамидоформальдегидном концентрате обоснована современной безотходной технологией, позволяющей получать экологически чистые смолы с экономией энергозатрат.
Отмеченный за последние два года постоянный рост производства и потребления концентрата приводит к увеличению объема его перевозок, основная доля которых в России приходится на железнодорожный транспорт. Условия транспортировки серьезно осложняют продолжительность холодного времени года, недопустимость переохлаждения или перегрева концентрата.
Концентрат является вязкой жидкостью и кристаллизуется при температуре 0С, что затрудняет его выгрузку без предварительного разогрева и увеличивает время простоя подвижного состава. Превышение верхнего предела температуры хранения плюс 30СС приводит к необратимым процессам в концентрате, связанным с изменением фазового состояния и теп-лофизических характеристик, что делает его непригодным для дальнейшего использования.
Существующий подвижной состав, состоящий из железнодорожных цистерн, переоборудованных под перевозку концентрата, является несовершенным, так как не обеспечивает требуемый температурный режим при разогреве концентрата зимой и его защиту от перегрева летом.
Возрастающий объем перевозок концентрата приводит к необходимости проведения исследований, направленных на разработку технических решений с формулировкой исходных требований к специализированной конструкции цистерн, позволяющих создать температурные условия для транспортировки и ускоренной выгрузки концентрата.
Цель работы заключается в научном обосновании и разработке исходных требований к специализированным железнодорожным цистернам для перевозки карбамидоформальдегидного концентрата и его выгрузки при минимально возможных затратах времени.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
1. Проанализирована проблема перевозки карбамидоформальдегидного концентрата железнодорожным транспортом.
Выявлены особенности транспортировки, разогрева и слива концентрата на основании обзора терминалов выгрузки и используемого подвижного состава.
Разработана методика расчета процессов теплообмена, дающая подробную картину распределения температур при разогреве концентрата в железнодорожной цистерне.
Выполнены теоретические исследования распределения температур в концентрате с обоснованием применения рациональных систем разогрева.
Проведена экспериментальная проверка адекватности разработанной математической модели.
Предложены технические решения способов разогрева с формулировкой исходных требований к специализированной конструкции цистерны для перевозки карбамидоформальдегидного концентрата и его ускоренной выгрузки.
Сделана оценка экономического эффекта от внедрения предложенных решений на перспективном подвижном составе железных дорог.
Научная новизна работы:
Разработана методика расчета процессов теплообмена, дающая подробную картину распределения температур при различных способах разогрева концентрата в железнодорожной цистерне.
Получены температурные поля, характеризующие поведение концентрата в процессе разогрева, на основании которых выявлены зоны, характеризующие температурный режим, необходимый для осуществления ускоренной выгрузки концентрата из цистерны.
Получены зависимости коэффициентов конвекции от температуры, позволяющие оценить интенсивность свободно-конвективного движения концентрата в цистерне.
Практическая ценность работы:
l.Ha основании разработанной методики созданы вычислительные алгоритмы и комплекс прикладных программ расчета, позволяющий получать температурные поля при различных способах разогрева и конфигурации источников тепловыделений.
Сформулированы исходные требования к конструкции специализированных цистерн для перевозки концентрата и ускоренной его выгрузки.
Внедрение рекомендованных технических решений на специализированных цистернах позволит получить годовой экономический эффект не менее 787 тыс. руб. на парк в 100 вагонов.
Разработанная методика может быть применима к расчету процессов разогрева других вязких грузов в железнодорожных цистернах.
Реализация. Результаты работы использованы ООО «Инженерный центр вагоностроения» и ОАО «Рузхиммаш» при разработке перспективных конструкций специализированных цистерн для перевозки концентрата на этапе предпроектных исследований, а также совершенствовании и улучшении технических характеристик систем разогрева.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
результатами численных решений, расхождение которых при реализации двух используемых методов не превышает 1,8%;
результатами экспериментальных исследований с максимальным расхождением экспериментальных и расчетных данных, не превышающим 9%.
Апробация работы. Основные положения разработанной методики и результаты исследований докладывались на международных симпозиумах по теплопередаче и возобновляемым источникам энергии HEAT TRANSFER AND RENEWABLE SOURCES OF ENERGY (Польша, г. Щецин, 2006,2008 гг.), на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2008 г.), VI международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми печатных работах. По результатам внедрения получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений, изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 40 иллюстраций. Список использованных источников насчитывает 104 наименования.
