Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей перевозок загустевающих наливных грузов железнодорожным транспортом России 7
1.1. Физические характеристики загустевающих наливных грузов 7
1.2. Анализ состояния парка железнодорожных цистерн 13
1.3. Анализ устройств и способов разогрева вязких жидкостей вжелезнодорожных цистернах17
1.3.1. Разогрев жидкостей внутри котла 18
1.3.2. Способы разогрева жидкости через стенки котла цистерны 22
1.4. Тепловая изоляция и путевой подогрев вагонов-цистерн 25
1.5. Метод расчета скорости остывания ЗВЖ в железнодорожных цистернах и его недостатки30
1.6. Постановка задачи и методы ее решения 33
1.7. Выводы по первой главе 35
2. Совершенствование метода расчета скорости остывания жидкости в железнодорожных цистернах 36
2.1. Уравнение для определения темпа остывания ЗВЖ в цистерне 36
2.2. Охлаждение жидкостей в железнодорожных цистернах, омываемых снаружи воздушными и воздушно-водными потоками 39
2.3. Анализ влияния естественной конвекции на скорость остывания жидкости в цистерне 45
2.4. Выводы по второй главе 58
3. Экспериментальная установка для моделирования процессов остывания вязких жидкостей в железнодорожных цистернах 59
3.1. Условия гидродинамического и теплового подобия для экспериментального исследования динамики остывания ЗВЖ 59
3.2. Экспериментальная установка и вспомогательное оборудование 71
3.2.Ь. Модельный объем и средства измерений температуры 71
3.2.2. Измерение скорости циркулирующей жидкости в горизонтальном
% цилиндрическом сосуде 75
3.2.3. Установка для создания модельных потоков 77
3.3. Выводы по третьей главе 87
4. Расчет скорости остывания загустевающих вязких жидкостей в железнодорожной цистерне при подавлении естественной конвекции 88
4.1. Расчет влияния конвекции на скорость остывания ЗВЖ в цистерне 88
4.2. Остывание слабоциркулирующей ЗВЖ в железнодорожной цистерны 97
4.3. Теплоотдача через многослойную стенку котла 104
4.4. Температурные поля в затвердевшем слое ЗВЖ при обтекании цистерны потоками воздуха и ВВД 111
4.5. Выводы по четвертой главе 119
5. Подавление термогравитационной конвекции жидкости в цистерне тепловыми аккумуляторами 120
5.1. Подавление естественной конвекции ЗВЖ установкой тепловых аккумуляторов (ТА) 120
5.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 124
5.2.1. Охлаждение циркулирующей жидкости без подавления ее свободной конвекции 124
5.2.2. Охлаждение циркулирующей жидкости при подавлении ее свободной конвекции 129
5.3. Расчет температурного поля в ЗВЖ, транспортируемой в железнодорожной цистерне, снабжённой тепловыми аккумуляторами 130
5.4. Расчет на прочность котла вагона-цистерны, модифицированной тепловыми аккумуляторами 133
5.4.1. Расчетная схема котла и принятые допущения 134
5.4.2. Расчет на прочность котла 136
5.4.3. Выводы и рекомендации по результатам расчетов 142
5.5. Расчет теплоотвода через крепление тепловых аккумуляторов к стенкам котла 143
5.6. Выводы по пятой главе 147
Заключение 148
Список использованной литературы 149
- Анализ состояния парка железнодорожных цистерн
- Охлаждение жидкостей в железнодорожных цистернах, омываемых снаружи воздушными и воздушно-водными потоками
- Экспериментальная установка и вспомогательное оборудование
- Остывание слабоциркулирующей ЗВЖ в железнодорожной цистерны
Введение к работе
Перевозка загустевающих вязких жидкостей (ЗВЖ), в частности таких нефтепродуктов, как мазуты, масла, и др. в железнодорожных цистернах в холодное время года встречает большие трудности. С понижением температуры ЗВЖ приобретают большую вязкость, их слив без предварительного разогрева становится невозможным, а масса затвердевших остатков может достигать нескольких тонн.
Актуальность проблемы перевозок загустевающих вязких нефтепродуктов (мазутов, парафинистых нефтей, крекинг-остатков и др.), для Российских железных дорог определяется тем обстоятельством, что большое число предприятий по добыче и переработке нефти находится в районах Севера и Сибири. Отсюда вытекают условия перевозок: продолжительность холодного времени года -6...8 месяцев; дальность 1200км; длительность 7,5...14 суток, при объеме перевозок до 15 млн.т. в год.
Для перевозки загустевающих вязких жидкостей (ЗВЖ) по железной дороге используют цистерны с объемом котла 50 и 60 м3 без тепловой изоляции стенок, так как разогрев продукта на пунктах слива экономически более оправдан, чем массовое изготовление и эксплуатация вагонов-термосов. Разогрев ЗВЖ представляет собой длительную, трудоемкую, энергоемкую и дорогостоящую операцию, во многом определяющую низкий оборот цистерн. Продолжительность слива в холодное время года часто превышает установленные нормы МПС (8... 10 часов), а на площадках с ограниченными энергоресурсами полный слив часто не обеспечивается, причем масса затвердевших остатков достигает нескольких тонн.
Целью работы является исследование проблем повышения эффективности перевозок ЗВЖ и выработка рекомендаций по техническим решениям выполнения этой задачи, которая подразумевает:
- сокращение времени оборота цистерн за счет снижения их простоя под сливом;
- снижение энергозатрат на разогрев ЗВЖ перед и во время слива;
- обеспечение полного слива на площадках с ограниченными энергоресурсами.
Научная новизна работы заключается в следующем: Усовершенствован метод расчета скорости остывания ЗВЖ в железнодорожных цистернах, учитывающий влияние осадков (дождя и снега), неравномерность температурного поля внутри цистерны и непостоянство коэффициентов теплопередачи на разных участках ее поверхности. Предложены новые формулы для определения средней температуры ЗВЖ и темпа ее охлаждения при транспортировании в железнодорожных цистернах.
Получены результаты расчетов и лабораторных экспериментов, характеризующие скорость остывания горячей циркулирующей ЗВЖ в неограниченном горизонтальном цилиндре с охлаждаемыми стенками для значений критериев подобия: Релея Ra=103...1010 и Прандля Рг=(0,4...8)-103, коэффициентов теплоотдачи с наружной поверхности котла а=1,7...120 Вт/м2-град и коэффициентов конвекции ЗВЖ к=1...40, показывающие, что естественная конвекция стимулирует процесс остывания транспортируемой жидкости, а ее подавление способно сохранять высокую температуру основной массы продукта в течение 20 суток и выше, при температурах воздуха до -30°С.
3. Найдены численные значения локальных и средних коэффициентов теплоотдачи воздушным и воздушно-водным потокам, обтекающим снаружи горизонтальный цилиндр и их распределение по его поверхности. Получено критериальное соотношение, определяющее зависимость критерия Нуссельта от критериев Рейнольдса и Гастерштадта, характеризующих параметры воздушно-водных потоков и их влияние на скорость остывания горячей циркулирующей жидкости в цилиндре из-за естественной конвекции.
4. Получены результаты расчетов температурных полей в цистерне, •снабженной устройством подавления естественной конвекции (тепловыми аккумуляторами).
Практическая значимость работы:
1. Теоретически и экспериментально обоснованы:
• новый подход к организации теплообменного процесса в котлах, заполненных горячими жидкими нефтепродуктами, базирующийся на снижении теплопередачи за счет подавления их естественной конвекции, что приводит к снижению скорости их остывания при перевозках;
• принцип устройства, обеспечивающего подавление естественной конвекции транспортируемой жидкости в цистерне, в результате чего достигается поставленная цель - сохранение высокой температуры продукта при перевозках и сокращение времени его слива.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в рас четно-конструкторских работах НВЦ «Вагоны», установка для модельного исследования динамики остывания циркулирующей горячей жидкости внедрена в лабораторный практикум кафедры «Физика» ПГУПС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Фундаментальные исследования в технических университетах» (г. С-Пб, ГПИ, 2000 г), «Технология энергоснабжения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (г. С-Пб, ГПИ, 2000), «Математика в ВУЗе» (ГГЛИ, г.Псков, 2001), «Третьей Российской национальной конференции по теплообмену» (МЭИ, Москва, 2002), «Актуальные проблемы защиты и безопасности». (РАРиАН, С-Пб., 2003) «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)» (ПГУПС, 2002), «Неделя науки-2002» (ПГУПС, 2002),
Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав и заключение. Материал изложен на 97 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 73 рисунка. Список использованных источников содержит 128 наименований.
Анализ состояния парка железнодорожных цистерн
Перевозка ЗВЖ осуществляется в таре (бочках, небольших контейнерах-цистернах [22]) или наливом в железнодорожные цистерны. Тарная перевозка требует значительных производственных площадей и большого числа дополнительных операций, что делает ее не рентабельной для больших количеств грузов. Перевозка в цистернах требует меньшего числа операций и позволяет механизировать процессы налива и слива. Для транспортировки ЗВЖ третьей группы используют специализированные цистерны-термосы [11], для ЗВЖ первой и второй групп цистерны без тепловой изоляции стенок и дополнительного оборудования для обеспечения разгрузки [12].
Классификация цистерн для перевозки некоторых типов ЗВЖ представлена в табл. 1.5 а, 1.5б,1.5в. Из цистерн, используемых для перевозки ЗВЖ, отдельно выделим модель 15-1566, которая предназначена для транспортирования вязких нефтепродуктов, а также вагон-цистерну разработки НВЦ «Вагоны» (конструкторская документация 4450-03.00.00.000). Параметры модели 15-1566, представлены в табл. 1.5в, а цистерны, разрабатываемой НВЦ «Вагоны», в табл. 1.6. В дальнейшем они будут использованы в тепловых и механических расчетах.
Чертеж модели 15-1566 показан на рис. 1.2. Котел имеет нижний слив и оборудован УСП. Нижнюю его часть охватывает парообогревательный кожух, для разогрева продукта. Пар через штуцер на кожухе сливного прибора подается в пространство между кожухом и котлом и через два патрубка, расположенных по концам котла в нижней части кожуха, выходит наружу. Привод затвора УСП размещен в верхнем наливном люке [11].
Геометрические размеры котла, м Длина котла наружная, LH 10,944 Длина цилиндрической обечайки, Iu 9,300 Внутренний диаметр обечайки, D 3,000 Толщина листов обечайки котла - верхнего и среднего 5V, 0,010 - нижнего 5П, 0,012 Толщина обечайки люка-лаза 0,012 Днища эллиптические ГОСТ 6533 толщина стенки, 5Д 0,012 Нагрузки действующие на котел Сила тяжести (вес) цистерны брутто, QeP, МН 0,922 Грузоподъемная сила, Q , МН 0,647 Условное рабочее давление в котле (избыточное давление в котле по регулировке впускного клапана) Р„, МПа 0,15
Давление создаваемое в котле при гидравлическом испытании, МПа 0,55 Примечание: Все элементы котла запроектированы из стали 09Г2С ГОСТ 5520-79.ч
Одним из основных параметров котла, который связан с плотностью жидкости, является удельный объем: отношение объема котла к грузоподъемности вагона [29]. По численным значениям удельного объема в России, США, Англии и Германии принята трехгрупповая специализация нефтебен-зиновах вагонов - цистерн, представленная в табл. 1.7.
Вид нефтепродукта Бензины, растворители Дизельныетоплива,керосин, масла Мазуты, вязкие нефти с плотностью 0,76... 1,3 т/м3 Удельный объем, м /т 1,4 1,25 1,1
Как отмечалось выше, основным типом ЗВЖ перевозимых железнодорожным транспортом являются нефтепродукты. Основные параметры, определяющие динамику их перевозок в 90х годах представлены в табл. 1.8.
Объем перевозок (млн.т.) 1992... 1997 г. Средняядальностьперевозок,км Среднийпробег,км Среднеевремяоборота,сут. Доля в общем объеме перевозок, % общий из Крайнего Севера и Д.Востока экспортных мазут и вязкие нефти дизельныетоплива,масла,керосин бензин, растворители и др. 9,6...11,2 23,9...42,7 1256 313 7,98 34 26 40 Поставки нефтепродуктов осуществляются через терминалы стран Балтии, перевалочный комплекс станции Автово (г. Санкт-Петербург), перевалочную станцию Крабовая (г. Находка), через нефтебазу АО "Черномор-транснефть" (ст. Грушевая) и через нефтебазу г. Туапсе. В двух первых пунктах с ноября по апрель температура воздуха опускается ниже нуля.
Состояние парка вагонов-цистерн содержится в специальной литературе. В открытых источниках [1,2,3], отмечается, что в 90-е годы доля цистерн в рабочем парке достигла 21,7%, а оборот наливных грузов составлял -18% от общего грузооборота. В настоящее время средний возраст цистерны превышает 20 лет при нормативном сроке службы 32 года. У 28,5%) парка цистерн срок службы превышает нормативный [1], имеются даже цистерны со сроком эксплуатации 40 лет и более.
Это стало причиной образования дефицита технически исправных цистерн, увеличения числа цистерн с просроченным сроком деповского ремонта, а также частоты их попадания в текущий ремонт.
После произошедшего в 1994... 1995 гг. раздела парка цистерн СССР между странами СНГ, только Россия занималась обновлением своей доли. Остальные страны СНГ и Балтии сократили свои парки более чем на 45 тыс. цистерн, и не обеспечили ремонта своих вагонных парков.
Все государства СНГ и Балтии для перевозок наливных грузов используют российские цистерны, в том числе и во внутреннем пользовании.
По итогам переписи на 16.05.1996 г. на железной дороги России эксплуатировалось 86,7 тыс. цистерн, из которых 81,8%) были собственностью России, 8,2%) Украины, 2,2% Белоруссии и 7,8% приходилось на остальные страны СНГ
Охлаждение жидкостей в железнодорожных цистернах, омываемых снаружи воздушными и воздушно-водными потоками
Еще раз вернемся к изложенному выше методу расчета скорости остывания ЗВЖ в цистерне [7]. Средний коэффициент теплоотдачи рекомендуется рассчитывать по формуле: где авн - средний коэффициент теплоотдачи от ЗВЖ к стенке цистерны, Вт/м -град; аКОНВ - средний коэффициент теплоотдачи от стенки цистерны ок-ружающей среде (воздуху), Вт/м -град; атл- коэффициент теплоотдачи излу , Л S, чением, Вт/м -град; — - полное тепловое (термическое) сопротивление /«і Я. многослойной стенки цистерны, м2трад/Вт, которую составляют термические сопротивления: 5, /Л] -стенки котла; 2/А2 -тепловой изоляции (при ее наличии); б3/Л - затвердевшего слоя ЗВЖ, где S,--толщина z -ro слоя, м; Л,-коэффициент его теплопроводности, Вт/м -град.
Значениеавц в (2.8) находят из безразмерного критерия Нуссельта: где D - диаметр цистерны, м; Я - коэффициент молекулярной теплопроводности ЗВЖ, Вт/м -град.
Критерий Нуссельта Nui находят из критериального уравнения: где Лип экспериментальные константы; Grw, Ргж - безразмерные критерии Грасгофа и Прандтля. Причем критерий Gr определяется по характерному размеру Lm области, где протекает тепловой процесс (за Lm обычно принимают диаметр цистерны D) и разности температур между жидкостью Тж и температурой стенки котла Tcr (AT = ТЖ -Тст): а критерий Прандтля имеет вид:
Кроме названных здесь фигурируют следующие величины: g=9,8 м/с2 -ускорение свободного падения; /? - коэффициент объемного теплового расширения жидкости 1/град; аж- температуропроводность ЗВЖ, м /с:
Средняя температура жидкости Тж определяется по данным экспериментов, в которых опытным путем находят темп охлаждения цистерны т, а из его значения температуру жидкости: тт Средняя температура стенки котла Тст определяется из уравнения теплового баланса:
В работе Геллера [7] показано, что: Сгж -Ргж « 10 АГ, а коэффициенты А и п в (2.10) имеют значения А= 0,135 и и = 0,33.
Коэффициент теплоотдачи аКОНв в (2.8) от поверхности цистерны окружающему воздуху определяется из критерия Нуссельта: гдеЯ„- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м- град.
Критерий НуссельтаNu2 [7,8] находится из уравнения: где Re - безразмерный критерий Рейнольдса определяемый по скорости и, м/с воздушного потока, обдувающего цистерну в пути и кинематической вязкости воздуха vg ,м2 при температуре Tg ,С. Однако в методе Геллера [7 ] не учитываются ряд тепловых процессов, как на наружной поверхности котла так и внутри него. Рассмотрим эти процессы.
Известно, что в холодное время года (осень - зима - весна), когда транспортирование ЗВЖ в железнодорожных цистернах встречает наибольшие трудности, повсеместно по всей территории России выпадают осадки в виде дождя и снега. Длительность выпадения осадков может достигать нескольких суток. При наличии осадков (дождя, тумана, снега) наружную стенку цистерны, обтекает двухфазный поток, в котором в воздухе (газовая фаза) диспергирована вода в виде капель или кристаллов льда (жидкая или твердая фаза соответственно). В дальнейшем эта система будет обозначаться аббревиатурой ВВД - воздушно - водный дисперсоид.
В ходе выполнения настоящей работы была проведена оценочная систематизация ситуаций охлаждения ЗВЖ в ж.д. цистернах. Исходя из нее, планировалась как методика эксперимента, так и параметры установки.
Если воздушный поток определяется только температурой воздуха Tg,C и его скоростью и, м/с, то поток ВВД еще рядом параметров, называемых «метеорологическими» [72]. Ими являются водность потока жидкостная WB, а также «кристаллическая» W„ соответственно определяющие содержание воды в виде капель или кристаллов льда в единице объема воздуха, кг/м3, температура воды ГЖ,С, функция спектра распределения капель по размерам f(/K), из которой вычисляется средний размер 2rK.
Обобщение научных данных [72,76,77,78,79,80,81,83,84] позволяет установить, что по водности, дисперсности и температуре натурные ВВД делятся на две группы с довольно резко очерченными границами.
Первую группу (обозначим ВВД-1) образуют потоки, отвечающие интервалу температур ГЕ=0...-20С (капельно-жидкая вода существует при температурах доходящих до Гё= -20С, при диаметрах 2т =100мк и до 7,g=-10C при диаметрах 2 =1000мк) [88]. Эти потоки характеризуются малой жидкостной водностью и высокой дисперсностью ( в 0,5Т0"3кг/м3, 27к (\00...300)мк). Содержание кристаллов льда и снега может быть значительным Wn (5...20) -10"3 кг/м3. При температурах ниже Tg= -20С вода в воздухе находиться в твердом состоянии (снег).
Рассматривая эти метеорологические параметры, отметим, что при температурах воздуха 7 =0...-10С возможно интенсивное охлаждение стенок котла цистерны, обусловленное осаждением на них воды и мокрого снега. Охлаждение может быть даже более быстрым, чем в сухом воздухе при низких температурах 7 =-20...-30С.
Вторую группу (обозначим ВВД-2) образуют потоки, отвечающие положительным температурам воздуха rg=0...+10C. Водность потоков, обу-словленная каплями дождя, достигает FFB (3...50)-10" , кг/м , средний размер капель 2?к (500...4000)мк (при более высоких температурах скорость остывания ЗВЖ в цистернах можно считать малой).
При таких характеристиках ВВД-2 на поверхности цистерны образуется пленка воды, движущаяся в ламинарном - волновом или турбулентном режимах. Интенсивный теплосъем с нагретой поверхности, вызывается, как нагреванием, так и испарением воды. Таким образом, даже при положительных температурах воздуха, возможно быстрое охлаждение транспортируемых .жидких грузов.
Экспериментальная установка и вспомогательное оборудование
Модель представляла собой цилиндрический сосуд 1, диаметром af=0,42 м и длиной /=0,4 м, объемом V = 55-Ю 3 м3, имеющий два торцевых фланца 2. К этим фланцам крепились смотровые окна, выполненные в два слоя: стекло 3 (внутреннее окно) и органическое стекло 4 (наружное окно), отделенные друг от друга воздушным зазором 5. Внутреннее окно 3 устанавливалось для тепловой защиты внешнего окна 4. (т.к. в органическом стекле при нагревании возможны механические напряжения и деформации). Внешнее окно 4 установлено для защиты внутреннего окна от возможных ударов.
Крепление конструкции осуществлялось фланцевыми металлическими кольцами 6. Между фланцами 2, окнами 3 и 4 и кольцами 6 помещались резиновые прокладки 7.
Многослойная тепловая изоляция на торцах модели (органическое стекло - воздушный зазор-стекло) делала малыми потоки тепла через торцы, что позволяло рассматривать охлаждение модельной жидкости, используя геометрию неограниченного цилиндра.
Налив жидкости осуществлялся через отверстие 8, слив - через патрубок 9, снабженный запорным вентилем. На верхней части модели размещался фланец 10, в котором крепились выводы термодатчиков.
Для визуализации циркуляционного движения модельных жидкостей к ним перед наливом в сосуд 1 водились добавки (гуммигут, тальк). Циркуляционное движение жидкостей наблюдать как визуально, с помощью миниатюрной кинокамеры, соединенной с персональным компьютером, так и с помощью термоанемометра, описанного ниже. На мониторе можно было наблюдать, циркуляционное движение, как в динамики, так и делать отдельные снимки. Для визуального наблюдения использовался источник света 11, освещавший весь рабочий объем сосуда 1. Регистрация циркуляционных движений жидкости при наблюдении «на просвет» позволяла использовать только прозрачные жидкости. Для получения количественных характеристик о толщине do движущегося слоя к смотровому окну крепилась прозрачная измерительная шкала.
Температурные поля в движущейся жидкости регистрировались установкой на специальном штативе, выполненном из органического стекла спаев измерительных дифференциальных хромель-копелевых термопар, вторые спаи которых помещались в сосуд, заполненный смесью воды и льда. Термопары подсоединялись к переключателю, выход которого соединялся с усилителем постоянного тока собранного на интегральной микросхеме К1019ЕМ1 [104]. Схема усилителя представлена на рис 3.8.
Сигнал с усилителя поступал на комбинированный цифровой прибор Щ4311. Применение термопар для регистрации температурных полей, несмотря на малую величину выходного сигнала, оказалось более удобным, чем полупроводниковых микротермодатчиков (термисторы С1-19) из-за непостоянства характеристик последних.
Рабочие спаи термопар (в количестве 12 штук) крепились вдоль периметра цилиндрического сосуда 1 на равных расстояниях от внутренней стенки сосуда (1см, 2см или Зсм). Использование одного усилителя и одного регистрирующего прибора снижало погрешность проводимых измерений и позволяло использовать метод сравнения.
Регистрируемые температурные перепады между спаями термопар составляли 0,3...0,5С, погрешность измерения температуры составляла ±0,04С, относительная погрешность измерений не превосходила 8±13%. Штатив, на котором крепились рабочие спаи термопар, искажал поле скоростей циркулирующей жидкости, вызывая ее торможение. Этот фактор обуславливал систематическую погрешность измерений. Сравнение показаний термопар, установленных на штативе, с показаниями контрольной термопары, спай которой находился на удалении от штатива, показали, что вклад этой систематической ошибки в общую погрешность измерения не превышал 2...3%. Таким образом, максимальная относительная погрешность измерений не превосходила 15%, что типично для теплофизических экспериментов с жидкими средами.
Кроме локальных измерений температуры циркулирующей в сосуде 1 жидкости производилось измерение температуры стенки сосуда, необходимой для расчета безразмерной температуры 0. Для этого использовались два термометра сопротивления, выполненные из медной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной на наружную поверхность сосуда.
Снаружи сосуд 1 обдувался потоком холодного воздуха или орошался водой распыливаемой форсунками с одновременным обдувом воздухом. Характеристики модельных ВВД представлены ниже в табл.3.2 и табл.3.3
Остывание слабоциркулирующей ЗВЖ в железнодорожной цистерны
Результаты тепловых расчетов представлены на рис.4.6...4.14. Кривые на рис.4.6 и 4.7 показывают, что при одинаковых начальной температуре Го=+70С и температуре воздуха Гн= - 40С скорость остывания слабоциркулирующей (к=4) и не циркулирующей (ек=1) жидкостей оказывается различной [124]. Из рис. 4.6 видно, что у не циркулирующей жидкости за 32 часа нахождения цистерны при столь низкой температуре воздуха до температуры, затвердевания охладился слой ЗВЖ толщиной 5ТВ=0,14 м, а на расстояниях 1,18 м от оси цистерны жидкость остыла всего на 4С. Температура более близких к оси цистерны областей практически не изменилась. У слабо 97 циркулирующей жидкости, как видно из рис. 4.7, до температуры затвердевания охладился тот же слой 5тв=0,12м, но температура всей массы жидкости уменьшилась на 18С. Такое охлаждение уже требует длительного подогрева нефтепродукта перед его сливом. Как отмечалось ранее, в реальных условиях коэффициент конвекции ек имеет значительно большую величину и, следовательно, остывание жидкости будет еще большим.
Т,"С На рис.4.8...4.10 представлены температурные поля в циркулирующем жидком нефтепродукте (гк=4) в условиях длительного транспортирования, при разных температурах атмосферного воздуха (от +20С до - 40С), при постоянном коэффициенте теплоотдачи с наружной поверхности, цистерны с однослойным корпусом, ан=40Вт/(м -К). Начальная температура Г0=+63С -постоянная. Расстояние от оси цистерны фигурирует в качестве параметра.
Из представленных графиков видно, что температурное поле в центральных областях цистерны (кривые 1,2,3,4 и 5) слабо зависит от температуры окружающего воздуха и времени транспортирования.
Даже при очень низкой температуре воздуха (Tg= - 40С) основная масса жидкости имеет температуру, достаточно высокую (большую +40С), чтобы был возможен слив продукта самотеком после 576 часов (24-х суток) транспортирования. Примечательна кривая 6 на всех графиках. Она определяет температуру продукта на расстоянии 0,05м от стенки котла. Когда значение этой температуры достигнет температуры затвердевания Тт, можно считать, что на стенке котла образовался загустевший слой ЗВЖ. Как видно из табл. 1.3, у мазутов М40 верхнее значение Тм =+25С. На рис.4.11 представлена зависимость достижения этой характерной температуры от времени транспортирования т и температуры воздуха Tg. Видно, что при rg=-10C это время составляет 150 часов (6 суток транспортирования), при Гё=-20С составляет 120 часов (5 суток транспортирования).
Следовательно, если естественная конвекция выражена слабо (єк=4), то жидкость охлаждается достаточно медленно. Из табл. 1.7 следует, что среднее время Гв оборота цистерн по Российской Федерации составляет 7,8 суток (187 часов). Определим время нахождения маршрута на пункте слива 8 часов (по нормативам зимнего времени). Половина оставшегося срока (90 часов) можно принять за среднее время транспортирования загустевших неф-тегрузов.
Как следует из рис.4.106 за это время на стенках образуется загустевший слой толщиной 5ТВ 0,05 м только если температура воздуха будет очень низкой 7g =-40С. При температурах воздуха выше Tg = -20С толщина затвердевшего слоя должна быть существенно меньше. Этот неожиданный результат резко отличается от того, что наблюдается в практике железнодорожных перевозок вязких наливных грузов (см., например, табл. 1.4). Он наглядно показывает, какую большую роль в динамике остывания ЗВЖ играет ее естественная конвекция. Естественная конвекция сильно интенсифицирует охлаждение жидкости и ее подавление до уровня, характеризуемого значением к=4 позволит сохранить высокую текучесть нефтепродукта практически во всем объеме цистерны (за исключением тонкого пристеночного слоя) в течение длительного времени транспортирования. Вместе с тем при очень низких температурах воздуха Tg= 40С необходимы и дополнительные мероприятия, такие как, тепловая изоляция стенок котла. При этом возникает вопрос, какую роль на скорость остывания слабоциркулирующей ЗВЖ оказывает слой теплоизоляции, слой затвердевшего продукта, а также воздушный зазор между стенкой и парообогревательным кожухом, который имеется на модели юз 15-1566 (рис. 1.2). Изучение этого вопроса обуславливает необходимость рассмотрения теплопередачи через многослойную стенку
