Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и постановка задачи исследования 8
1.1. Классификация грузов, перевозимых в железнодорожных цистернах 8
1.2. Существующие способы перевозок высоковязких и застывающих грузов и слива их из железнодорож ных цистерн 10
1.2.1. Классификация способов перевозок высоковязких и застывающих грузов в железнодорожных цистернах 10
1.2.2. Классификация способов слива высоковязких и застывающих грузов из железнодорожных цистерн 11
1.3. Существующие методы расчета температурных полей. 15
1.4. Определение остатка высоковязкого и застывающего груза в железно дорожнвгй цистерне существующими методами 19
1.5. Выводы 22
1.6. Постановка задачи исследования 24
2. Математическое моделирование процесса застывания высоковязкого мазута в железнодорожной цистерне 26
2.1. Введение 26
2.2. Основные физико-химические и теплофизические свойства мазута 26
2.3. Разработка математической модели процесса застывания мазута в цистерне с учетом влияния ее торцов 32
2.4. Выбор метода решения и расчет задачи застывания мазута в железнодорожной цистерне с учетом влияния ее торцов 39
2.5. Влияние на температурное поле в цистерне крепления котла к раме. Разработка математической модели, выбор метода решения и расчет данной задачи застывания мазута 48
2.6. Экспериментальная проверка результатов численного моделирования процесса застывания высоковязкого мазута в железнодорожной цистерне 54
2.7. Основные результаты и выводы 63
3. Теоретические основы оценки остатка высоковязкого нефтепродукта в железнодорожной цистерне и нормирования времени простоя цистерн под разгрузкой 66
3.1. Методика определения остатка высоковязкого нефтепродукта в железнодорожной цистерне по окончании разгрузки, совмещенной с разогревом, и нормирования времени простоя .цистерн 66
3.2. Комбинированный способ разгрузки железнодорожных цистерн с высоковязким мазутом 75
3.2.1. Описание комбинированного способа разгрузки 75
3.2.2. Конструкция и принцип работы устройств для подачи пара 78
3.2.3. Технология разогрева и слива мазута из цистерны 81
3.3. Выводы 83
4. Опытно-промышленная установка для разгрузки железнодорожных цистерн с высоковязким мазутом комбинированным способом 85
4.1. Описание опытно-промышленной установки 85
4.1.1. Описание пункта слива 85
4.1.2. Описание конструкции опытно -п ромьпнл енно й установки 87
4.2. Технология разгрузки цистерн с высоковязким мазутом на опытно-промышленной установке и проведение опытных сливо в 89
4.3. Энергетический расчет опытно-промышленной установки 92
4.4. Технико-экономическая эффективность работы опытно-промышленной установки 104
4.5. Выводы 110
Заключение 112
Список использованных источников 115
Приложение
- Существующие способы перевозок высоковязких и застывающих грузов и слива их из железнодорож ных цистерн
- Разработка математической модели процесса застывания мазута в цистерне с учетом влияния ее торцов
- Влияние на температурное поле в цистерне крепления котла к раме. Разработка математической модели, выбор метода решения и расчет данной задачи застывания мазута
- Комбинированный способ разгрузки железнодорожных цистерн с высоковязким мазутом
Введение к работе
Целью данной работы является разработка усовершенствованного способа разогрева и слива высоко вязкого мазута из железноюрожных цистерн. Вязкость матуза при транспортировке в железноюрожных цистернах на большие расстояния, а также в холожное время гона, значительно повышается. Слив такого мазута из железноюрожных цистерн требует предварительного разогрева. Для повышения эффективности процесса разогрева и слива необходимо снизить тепловые затраты на разогрев и сократить время разгрузки, юбившись в то же время качественного слива, то есть отсутствия остатков неелитого мазута.
Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:
1. Математическое моделирование процесса застывания высоковязкого мазута в железнодорожной цистерне с целью определения температурных полей в цистерне при застывании мазута, переменной границы застывания и определения областей с пониженной температурой, в первую очередь требующих разогрева при сливе.
2. Разработка методики определения остатка высоковязкого груза в цистерне при сливе с разогревом внутри котла и нормирования времени простоя цистерн под разгрузкой.
3. Разработка технологии разогрева и слива высоковязкого мазута с подачей теплоносителя в области с пониженной температурой, определенные путем математического моделирования.
4. Проверка разработанной технологии разогрева и слива высоковязкого мазута путем проведения экспериментальных сливов на опытно-промышленной установке и определение технико-экономической эффективности работы данной установки.
Научная новизна
Решена двумерная нестационарная задача теплопроводности процесса застывания высоковязкого мазута в железнодорожной цистерн численным методом с учетом влияния на процесс застывания торцов цистерны и крепления котла цистерны к раме. На основе этого разработана усовершенствованная технология разогрева и слива высоковязкого мазута из железнодорожных цистерн, дающая значительный экономический эффект.
Практическая ценность работы
Экспериментальные сливы, проведенные на опытно-промышленной установке, показали ее высокую эффективность. Время разгрузки цистерн с высоковязким мазутом и соответственно тепловые затраты значительно снижаются. Ускоряется оборот цистерн. Улучшается качество слива, в результате чего максимально снижаются остатки неслитого мазута по окончании разгрузки. При этом экономится ценный нефтепродукт и не нарушается экология в зоне слива.
Реализация работы
Результаты работы использованы при создании опытно-промышленной установки разгрузки железнодорожных цистерн с высоковязким мазутом комбинированным способом и внедрены в Локомотивном депо Ленинград-Витебский.
Апробация работы
Основные результаты работы сообщались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые", посвященной 185-летию со дня основания ПГУПСа (С.-Петербург, 1994 г.) и докладывались на 52-й, 53-й, 54-й 55-й, 56-й научно-технических конференциях ПГУПСа (С.-Петербург, 1992 - 1996 г.г.).
Публикации
По теме работы опубликованы 5 статей и тезисы 14 докладов.
Объем ж структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (114 наименований) и 2 приложений, изложена на 136 страницах, содержит 31 рисунок и 4 таблицы.
Существующие способы перевозок высоковязких и застывающих грузов и слива их из железнодорож ных цистерн
Известны транспортные средства для перевозки высоковязких и застывающих грузов, в которых обеспечивается мероприятия, предотвращающие застывание груза или обеспечиващие его разогрев перед выгрузкой: цистерны со стационарными паровыми змеевиками [z\ , [з] , цистерны-термосы [2] , [4] , цистерны с па-рообогреватепьными рубашками [5] , [б] , бункерные попуваговы-самосвапы для перевозки битумов с предварительным локальным разогревом кузова [7J , [8J и др.
В последнее время предложен ряд конструкций вагонов-цистерн, позволяющих сократить время выгрузки содераимого за счет уменьшения сил сцепления между грузом и внутренней поверхностью разгрузочного устройства и стенками котла цистерны [9 J , [iOj . Но данные работы находятся в стадии внедрения.
Цистерны рассмотренных типов не получили широкого распространения ввиду их недостаточной надежности, сложности ремонта, ограниченных условий применения. Изготовление их требует повы-шенных материальных затрат, что не окупается достигаемым эффектом при сливе. Поэтому при перевозках высоковязких и застывающих грузов наиболее часто использует вагоны-цистерны обычной конструкции с последующим разогревом грузов в них на оборудо ванных пунктах с пива.
Для слива высоковязких и застывающих грузов из железнодорожных цистерн необходим подогрев грузов в цистернах. Известны многочисленные способы разогрева [її] . Разогрев может осуществляться горячими газами, в частности, выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания; горячей водой (употребляется преимущественно в стационарных сооружениях); водяным паром; с помощью устройств зпектрообогреве, в частности токами высокой частоты и др. На рис. I.I представлена классификация способов слива с подогревом грузов из железнодорожных цистерн обычной конструкции.
Способы слива с подогревом целесообразно разделить на две группы: с подогревом через стенки котла цистерны и с подогревом внутри котла цистерны.
К первой группе относятся: эпектроиндукционный подогрев [12] ; поверхностный апектроподогрев [із] ; высокочастотный нагрев, находящийся в стадии разработки [14] ; подогрев в съемных тепловых камерах, а также с помощью эластичных тепловых оболочек [ill , разогрев в стационарных тепловых камерах-тепляках [l5j ; подогрев тепловым излучением [іб] Указанные способы слива грузов требуют значительных затрат энергии. Это, в частности, связано с тем, что процесс передачи тепла от нагретой поверхности котла к грузу осуществляется в основном за счет теплопроводности грузов, а она мала. Поэтому процесс подогрева очень продолжителен и сопровож дается большими потерями теппа в окрунгасщуе среду. Ко второй группе относятся: подогрев переносными подогревателями с естественной, либо вынужденной конвекцией теппа и подогрев струями теплоносителя, которыми могут быть пэр, горячий воздух ипи однородный продукт.
К подогреву переносными подогревателями с естественной конвекцией теппа относится подогрев паровыми змеевиковыми подогревателями [17] ; погружными электрогрелками [18] , [19] , Кроме этого предложен способ нагрева токами высокой частоты
Основным недостатком подогрева грузов при естественной конвекции является большая неравномерность прогрева, так как прогревается лишь та часть грузов, которая находится над поверхностью подогревателей. Торцовые же части цистерны получают лишь незначительную доле теппа, передаваемую от подогревателей за счет теплопроводности. Другой недостаток - большая продолжительность процесса подогрева вследствие- малой скорости теплообмена и невозможности достичь высоких коэффициентов теплоотдачи от поверхности подогревателей к грузу; мала, следовательно, и тепловая нагрузка поверхности нагревателей.
Коэффициент теплоотдачи от поверхности подогревателя к грузу повышается созданием вынужденной конвекции тепла. Она достигается двумя способами: перемещением подогреваемого груза или самого нагревателя. Перемещение подогреваемого груза может быть осуществлено мешалками, гребными винтами, насосами [2l] [22] . Для разогрева, в частности, разработаны паровой [23] и электрический [24] , [25] подогреватели, оЗеспе-чива&щие нагрев жидкости в цистерне в условиях ее вынужден ного движения, создаваемого шнековыми насосами. К недостаткам данного способа относится трудность конструктивного исполнения, сложность эксплуатацией повышенный расход энергии. К данному типу подогрева относится также виброподогрев, при котором происходит перемещение подогревателя относительно жидкости [її]. При применении виброподогреватепей не обеспечивается равномерность прогрева жидкости во всем объеме цистерны, так как торцовые ее части находятся вне зоны действия подогревателей. пив грузов из железнодорожных цистерн с подогревом внутри котпа с применением переносных подогревателей используется большей частью для вязких жидкостей. При сливе застывэсщих грузов, типа парафина, такие подогреватепи не могут быть использованы, так как возникает проблема их первоначального погружения.
Наиболее широкое применение нашел способ подогрева высоковязких и застывающих грузов струями теплоносителя, которым могут быть горячий" воздух, пар или продукт, аналогичный разогреваемому. Применение горячего воздуха в качестве теплоносителя малоэффективно вследствие низкой теплоотдачи от него грузу. Значительно более совершенным способом подогрева является способ с использованием в качестве теплоносителя горячих струй продукта, аналогичного разогреваемому.
Разработка математической модели процесса застывания мазута в цистерне с учетом влияния ее торцов
Предположим, что в начальный момент времени t0 , предшествующий началу процесса остывания мазута тепловой режим в железнодорожной цистерне близок к стационарному. Процесс остывания мазута начинается непосредственно после его налива в цистерну. Мазут по окончании налива имеет постоянную температуру по всем объему цистерны, равнус температуре налива. В материале котла устанавливается близкое к стационарному распределение температур. Температура окружающей среды не меняется со временем. При транспортировке мазута происходит охлаждение и застывание его в цистерне. Решение будем искать в двумерной постановке в криволинейной системе координат [74] .
Кроме того, предполагаем симметричность температурных полей и граничных условий относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей, проходящих по центру котпа цистерны. То есть будем рассматривать четверть котпа цистерны, ограниченную указанными плоскостями и контуром котла.
Задачу застывания мазута отнесем к классу задач Стефана со следующими допущениями. В задаче Стефана [49] , [50] рассматривается двухфазная система с продуктом, имеющим твердую и жидкую фазу с четко выраженной подвижной границей раздела, рис. 2.4. Мазуты и другие нефтепродукты со сложным фракционным составом не име&т точно определенной границы перехода из жидкого состояния в твердое, эти состояния разделяет область застывания (R2 - Ri ), рис. 2.5. Представим ату область в ви де цилиндрических поверхностей с толщиной У Г и введем равен-ство тепловых потоков между слоями где О - удельный тепловой поток.
Коэффициент теплопроводности на участке KR J ) будет изменяться по линейному закону, для расчетов примем среднее условную границу с постоянный коэффициентом теплопроводности радиусап , которую будем називать условной изменяющейся границей раздела фаз , температура в ней равна температуре застывания нефтепродуктов [72] .
Примем следующие обозначения, см, рис. 2.4 С/ _Ду Р-/ - соответственно удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и плотность жидкого мазута жидкая феза;; (\ у\2 9г. - соответственно удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и плотность застывшего мазута твердая фаза;; - условная изменяющаяся граница раздела- фаз Считывая, что наряду с цилиндрической поверхностью котла радиуса r\U, имеется торцовая эллиптическая поверхность, описы-ваемая радиусом Яс0 » т0 будем решать двумерную сопряженную задачу теплопроводности условия сопряжения условия четвертого рода; будут заключаться в равенстве тепловых потоков через поверхность раздепа ципиндрической и эллиптической частей і -I см. рис. 2,6, и равенстве температур на это поверхности,
С учетом внесенных допущений математическая модель будет пксываться следующим образом
Рассмотренные уравнения (7), (8), начальное условие (9) и граничные условия (10-17) представляет собой математическук: постановку задачи процесса застывания мазута в железнодорожной цистерне с учетом влияния ее торцов.
Решение поставленной задачи застывания с учетом влияния торцов в аналитической форме невозможно. Наиболее действенным и универсальным методом приближенного решения нелинейных задач математической физики, в том числе и многих задач теплообмена, является численное моделирование на основе конечно-разностных методов [75] . Заключается оно в замене области непрерывного изменения аргументов разностной сеткой - дискретным множеством точек (узлов). Вместо функции непрерывных аргументов вводятся функции дискретных аргументов - сеточные функции, определенные в узлах сетки. Таким образом, краевую задачу в частных производных сводят к системе разностных (алгебраических) уравнении - разностной схеме, являющейся дискретным аналогом физической модели.
В настоящее время разработано множество способов построения разностных схем [76] , [77] , [78] Выбор способа построения разностной схемы при решении конкретной научно-технической задачи, как правило, осуществляется априорно, без написания программ и выполнения сравнительных вычислений, ввиду их существенной трудоемкости [79] . Поэтому в процессе выбора важно оценить и правильно учесть особенности поставленной задачи. Особенность процесса застывания мазута с учетом влияния торцов цистерны состоит в том , что тело является составным из двух частей — жидкого и застывшего.мазута Условия сопряжения описываются уравнениями (Ш), (!6 ) Поэтому в данном случае удобно воспользоваться йнтегроинтерполяционным методом [?б] для перехода от нелинейных дифференциальных уравнений(7) (8) к разностным Методика расчета задачи застывания приведена в прил. ТІ Для проведения расчета использовались следующие величины Коэффициент теплоотдачи от котла цистерны в окружающую среду (Л определялся по методике[80] для стоящей цистерны обтекаемой поперечным потоком воздуха
Влияние на температурное поле в цистерне крепления котла к раме. Разработка математической модели, выбор метода решения и расчет данной задачи застывания мазута
При тепловом расчете процесса застывания высоковязкого мазута в железнодорожной цистерне примем во внимание то обстоятельство, что крепление котпа к раме может оказывать влияние на распределение температурных попей в цистерне [90] . Данный вывод можно сделать на основе результатов аналитических расчетов и экспериментальных исследований, проведенных для промерзающих водоводов, в частности то, что опорные конструкции таких водоводов оказывав интенсифицирующее воздействие на промерзание водоводов [60] , [бї] . Для котла железнодорожной цистерны таким местом интенсифицированной отдачи тепла может быть крепление котла к раме для предотвращения его смещения из-за продольных усилий. Крепление осуществляется при помощи металлических лап, см, рис. 2ЛЗ, соединяющих котеп с рамой [5] , [7] .
Соединение здесь - металл с металлом, поэтому существенная отдача теп-поты вполне вероятна. Крепление концевых частей котла, лежащих на деревянных брусках, прикреппенннх к шкворневым балкам рамы рассматривать не будем, так как теплоотдача здесь гораздо ниже вследствие более низкого коэффициента теплопроводности для дерева. Начальные условия аналогичны рассмотренным при решении предыдущей задачи. В дополнение к ним примем следующие допущения: - в начальный момент времени Т-о в металлических деталях котла и крепления устанавливается близкое к стационарному распределение температур; - на всех границах раздела материалов и элементов конструкции предполагается идеальный тепловой контакт. Эти допущения способствуют интенсификации остывания цистерны и, следовательно, обеспечивает некоторый запас в расчетах. решение будем выполнять в двумерной постановке в ципинд рических координатах.
Кроме этого будем предполагать, что распределение температур и граничные условия симметричны от-носитепьно вертикальной оси. Обозначения аналогичны рассмотренным в предыдущей задаче, см. рис. 2.14. С учетом внесенных допущений математическая модель описывается следующим образом Перейдем к описанию краевых условий. Начальные условия; в начальный момент времени "to , соответствующий окончание налива мазута в цистерну, температура внутри котла Рассмотрим граничные условия. Примем во внимание следующие факторы. В месте крепления котоа к раме предполагается идеальный тепловой контакт; материал контактирующих элементов - металл; крепежные папы соединяется с массивной металлической рамой цистерны, принимающей в пути следования цистерны температуру окружающей среды. Тогда поставим граничное условие первого рода где чС и -р.., см. рис. 2.14 - ограничивающие углы в вертикапь-ной плоскости, под которыми расположено крепление котпэ; П - температура окружающей среды. По всей остальной поверхности котпа имеет место теплообмен с окружающей средой и граничное условие третьего рода
Комбинированный способ разгрузки железнодорожных цистерн с высоковязким мазутом
На пунктах спива цистерн применяется технология слива мазута с предварительным подогревом, в процессе которого его вязкость снижается до вепичины, необходимой для квчественного спива, В связи с тем, что мазуты допускает некоторое обводнение, в настоящее время наибольшее распространение получил так называемый разогрев открытым (острым) паром, как наиболее аффективный и простой. Пар при атом разогреве вводится непосредственно в толщу мазута в цистерне, где он, конденсируясь, передает теппо непосредственно мазуту.
Применяемые в настоящее время технологии разогрева и слива мазута из железнодорожных цистерн заключает в себе ряд существенных недостатков. Это - повышенные теппопотери вследствие длительной разгрузки цистерн, высокая трудоемкость сливных работ, наличие остатков неслитого мазута, который имел высокую начальную вязкость.
В связи с атим разработан усовершенствованный способ слива мазута из железнодорожных цистерн [iui] , [l02] , [ЮЗ] . Спив ведется одновременно с разогревом мазута. В качестве теплоносителя, так как мазуты допускает некоторое обводнение, предусмотрено использовать открытый (острый) пар, что дает наибольший аффект при разогреве.
Лнепйз температурных попей в цистерне при застывании мазута показывает, что наибольших тепловых затрат при разогреве требуют торцовые обпасти, как области с пониженной температурой и наиболее удаленные от сливного прибора цистерны, а также обпасти в нишей части цистерны, в частности, в районе сливного прибора, где крепление котпа интенсифицирует отвод тепла от нефтепродукта. В связи с этим решено использовать два устройства для подачи пара - через верхнее горповину цистерны при помощи штанг в торцовые обпасти, и через патрубок спйвного прибора с использованием специальных насадков в обпасти нижней части цистерны, прилегающие к сливному прибору, ііри атом создастся три зоны разогрева в цистерне.
В отдельных случаях, при невысоной начальной вязкости мазута, возможно использовать подачу пара только через сливной патрубок для снижения трудоемкости и повышения безопасности труда сливщиков. Но в общем случае подачи пара только через сливной патрубок недостаточно, так как при атом мед-пенно идет разогрев в торцовых областях цистерны, что увеличивает время слива ш может привести к образование остатка.
Для ускорения разогрева в торцовых областях цистерны предназначено устройство для подачи пара через горловину цистерны [104] . Это устройство (см. рис. 3.4) состоит из двух штанг 8, выдвигаемых к торцам цистерны. Штанги не имеют боковой перфорации, что повышает интенсивность разогрева высоковязкого слоя непосредственно в торцах. Верхние концы штанг прикрепляется к крестовине 9 и соединяются с паропроводом II.
Устройство для подачи пара через патрубок сливного прибора 12 цистерны [104] ІкпЕчает в себя установку нижнего слива стандартной конструкции, представляющую собой шарнирно-соединенный трубопровод 2, один конец которого соединен со спивной магистралью 4, а другой имеет присоединительную головку 3. Внутри шарнирно-соединенного трубопровода соосно рас положена напорная труба 5, соединенная с паровой магистралью 10. Напорная труба подведена к гидромонитору, находящемуся в присоединительной головке и выполненному в виде телескопического трубопровода 6 с насадком 7 для подачи пера внутрь кот-па I цистерны. Телескопический трубопровод , см. рис. 3.5, имеет три выдвижных трубчатых звена 2 и одно неподвижное опорное звено I, скрепленное с корпусом и имеющее боновое входное отверстие. В нерабочем попожении звенья гидромонитора находятся друг в друге, и все вместе в корпусе головки. При подаче пара под его давлением гидромонитор переходит в рабочее положение, при котором звенья тепескопического трубопровода раздвигается и несадок вводится внутрь котла. Пар, выходящий из насадка, интенсивно воздействует на застывший мазут в цистерне, передавая ему тепловую энергию. Подачу пара в цистерну на разогрев регулирует вентилями 13, 14 (рис. 3.4).
