CC BY
32
УДК 629.463.32
И. Г. Киселев, В. В. Галов, С. Б. Комиссаров
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗОГРЕВА РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЕ
Дата поступления: 08.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017
Аннотация
Цель: Проверка эксплуатационных характеристик, связанных с загрузкой, транспортировкой, разогревом и разгрузкой серы, с целью подтверждения конструкторских решений, реализованных в новых моделях вагона. Методы: Применено уравнение теплового баланса для изучения процессов разогрева. Результаты: Исследованы перспективы потребления расплавленной серы промышленными предприятиями химической промышленности России и стран СНГ. Выполнен обзор существующего подвижного состава для перевозки расплавленной серы, указывающий на необходимость обновления парка вагонов-цистерн. Обозначены цели натурных испытаний подвижного состава для перевозки расплавленной серы. Описаны характеристики опытного образца вагона-цистерны модели 15-9544, разработанного управляющей компанией «РэйлТрансХолдинг». Представлена последовательность проведения функциональных испытаний вагона-цистерны модели 15-9544 с электрическими нагревателями для перевозки расплавленной серы. Изучены условия проведения функциональных испытаний вагона-цистерны. Установлены зависимости коэффициента теплопередачи изоляции котла вагона-цистерна, времени затвердевания серы, скорости ее разогрева существующей системой электрических нагревателей от внешних условий. Определены перспективы проверок указанного вида вагона-цистерны для запуска в серийное производство. Практическая значимость: На основе представленных зависимостей осуществляется теплофизический расчет вагонов-цистерн. Результаты исследований могут быть применены при проектировании новых вагонов-цистерн с улучшенными по сравнению с существующим подвижным составом характеристиками.
Ключевые слова: Вагон-цистерна, расплавленная сера, функциональные испытания.
Igor G. Kyselev, D. Sci. Eng., professor, kteploteh@pgups.ru; Vladimir V. Galov, Cand. Sci. Eng., v_galov@hotmail.com; *Sergey B. Komissarov, postgraduate student, s. b.komissarov@gmail.com (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) EXPERIMENTAL RESEARCH OF MOLTEN SULPHUR ELECTRIC HEATING IN A RAILROAD TANK CAR
Summary
Objective: To check operational characteristics connected with loading, transportation, heating and discharging of Sulphur, in order to confirm engineering solutions, realized in the new models of cars. Methods: The heat-balance equation was applied to study the heating processes. Results: The prospects molten sulfur consumption by chemical industry enterprises of Russia and the CIS countries were studied. A review of the current rolling stock built to transport molten sulfur was carried out, pointing out the necessity of technical improvement of tank-cars. The goals for field tests of a rolling stock, designed to transport molten sulfur, were set. The characteristics of a sample 15-9544 modification tank-car, designed by the managing company "RailTransHolding" were described. Experimental procedure of functional tests of a 15-9544 modification tank-car with electric heating units, designed to transport molten sulfur, was presented. The conditions for conducting functional tests of a tank-car were studied. The dependencies of heat-transfer coefficient of a tank-car boiler coating, the time of sulfur solidification, its heating rate by the current system of electric heating units from environmental conditions were established. Testing
prospects of the given model of a tank-car for commercializing were determined. Practical importance: Thermophysical calculations of tank cars are carried out on the basis of the dependencies in question. The research results may be applied in the design of new tank-cars with improved characteristics in comparison with those of the current rolling stock.
Keywords: A tank car, molten sulfur, functional tests.
В связи с развитием агропромышленного комплекса стран СНГ, в том числе России, в настоящее время продолжает расти темп потребления серы предприятиями химической промышленности, ориентированных на производство минеральных удобрений.
Увеличение потребления серы приводит к возрастанию объемов ее производства и соответственно перевозок, в том числе железнодорожным транспортом. Для перевозки расплавленной серы железнодорожным транспортом используются четырехосные вагоны-цистерны моделей 15-1480, 15-1482 (-02, -05, -06) производства ОАО «МЗТМ» (г. Мариуполь, Украина), модели 15-1256 производства АО «Рузхиммаш» (г. Рузаевка, Россия). К настоящему времени эксплуатационный парк таких вагонов-цистерн сильно изношен и требует обновления.
Для решения этой проблемы потребуется наладить серийный выпуск новых моделей подвижного состава, в связи с чем становится актуальным вопрос проверки эксплуатационных характеристик, связанных с загрузкой, транспортировкой, разогревом и разгрузкой серы, с целью подтверждения конструкторских решений, реализованных в новых моделях вагона, т. е. необходимо проведение функциональных испытаний.
Исходя из специфики перевозки жидкой серы железнодорожным транспортом, основными целями испытаний соответствующих цистерн являются экспериментальная проверка работоспособности устройств загрузки-разгрузки, систем теплоизоляции и электроразогрева, а также проверка теплотехнических параметров вагона и сопоставление с результатами проведенных конструктивных расчетов.
В 2015 г. управляющей компанией «Рэйл-ТрансХолдинг» на ОАО «Новозыбковский
машиностроительный завод» был изготовлен опытный образец вагона-цистерны модели 15-9544 (рис. 1), успешно прошедший комплекс предварительных и приемочных испытаний.
В объем экспериментальных проверок в рамках функциональных испытаний были включены:
- определение коэффициента теплопередачи изоляции котла вагона;
- оценка времени охлаждения груза в вагоне до температуры застывания;
- нахождение скорости разогрева груза, разгрузки вагона.
Для определения коэффициента теплопередачи порожний вагон должен быть размещен в крытом помещении вдали от источников теплового излучения. Внутри котла вагона необходимо установить источник теплоты. Согласно схеме (рис. 2), снаружи и внутри вагона нужно смонтировать датчики для измерения температуры.
С помощью источника теплоты воздух внутри порожнего котла нагревается до наступления установившегося теплового режима.
При этом определяется средняя температура воздуха внутри котла вагона ¿В как среднее арифметическое значений температур внутри вагона ¿В1 - ¿В8, ¿ц1 - ¿ц5 , снаружи вагона ¿Н -как среднее арифметическое значений температур на наружной поверхности вагона ¿Н1 - ¿Н16, а также мощность источника тепловыделений Q.
Коэффициент теплопередачи изоляции котла вагона-цистерны к (в Вт/м-К) определяется по формуле
к =
Q
F(tB - tH)
Рис. 1. Общий вид вагона-цистерны модели 15-9544 для перевозки расплавленной серы
Рис. 2. Схема размещения контрольных точек измерения температуры на наружной и внутренней поверхностях вагона: Н - точки наружной поверхности вагона; В - точки внутренней поверхности вагона; Ц - точки внутренней поверхности вагона в центральном сечении котла. Слева - вид сбоку, справа - вид спереди
в которой Q - мощность источника теплоты (Вт); Г - теплопередающая поверхность вагона (м 2); ¿В, ¿Н - температуры на внутренней и наружной поверхностях вагона (°С).
Общее время охлаждения груза тобщ (в с) складывается из трех составляющих:
общ
Тохл1 + Тзст + Тохл2 '
где тохл1 - время охлаждения груза до температуры застывания серы (с); тзст - время застывания груза при температуре застывания серы (с); тохл2 - время частичного охлаждения твердых слоев груза (с).
Оценку скорости разогрева груза в вагоне производят для жидкой фазы груза, когда температура груза ¿гр превышает температуру плавления серы ¿пл. Скорость разогрева груза
Ур (в °С/с) в вагоне при температуре окружающей среды t определяют по формуле
V _ ^сл ^гр
здесь (сл - температура слива груза (°С); тр -время разогрева от температуры груза t до температуры слива tCJ¡ (с).
За температуру окружающей среды t принимают среднее арифметическое значений измеренных температур воздуха в процессе разогрева груза.
Проведение функциональных испытаний является неотъемлемой частью экспериментальных проверок при постановке на производство перспективных конструкций подвижного состава для перевозки расплавленной серы. Окончательный вывод о работоспособности всех систем вагона подобной конструкции в различных климатических условиях может быть сделан после проведения подконтрольной эксплуатации образцов из установочной серии вагонов.
Библиографический список
1. Битюцкий А. А. Пути повышения эффективности грузовых вагонов, выпускаемых российскими вагоностроительными предприятиями / А. А. Битюцкий // Тяжелое машиностроение. -2008. - № 2. - С. 29-33.
2. Битюцкий А. А. Специализированные вагоны для операторских компаний / А. А. Битюцкий // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2004. - Пилотный выпуск. - С. 16-18.
3. Галов В. В. Функциональные испытания перспективного вагона-цистерны для перевозки расплавленной серы модели 15-9544 / В. В. Галов, С. Б. Комиссаров, Р. В. Граборов, Р. И. Шейченко, М. А. Чубань // Вкник НТУ «ХП1». Сер. Машино-знавство та САПР. - Харгав : НТУ «ХП1». - 2016. -№ 39 (1211). - С. 50-55.
4. Киселев И. Г. Перспективы модернизации системы электронагрева вязких грузов при сливе из
железнодорожных цистерн / И. Г. Киселев, В. В. Га-лов, С. Б. Комиссаров // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2016. - Т. 13, вып. 1. -С. 25-30.
5. Киселев И. Г. Совершенствование системы электронагрева вязких грузов при сливе из железнодорожных цистерн / И. Г. Киселев, В. В. Галов, С. Б. Комиссаров // VIII Междунар. симпозиум «Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» : тез. докл. - СПб. : ПГУПС, 2015. - С. 15.
6. Киселев И. Г. Перспективные вагоны-цистерны для перевозки загустевающих грузов / И. Г. Киселев, В. В. Галов, С. Б. Комиссаров // Труды Междунар. науч.-практич. конференции «Тран-спорт-2013», апрель 2013 г. : в 4 ч. Ч. 2. Технические науки. - Ростов н/Д. : Ростов. гос. ун-т путей сообщения, 2013. - С. 173-175.
7. Кузьмич Л. Д. Вагоны (проектирование, устройство и методы испытаний) / Л. Д. Кузьмич. -М. : Машиностроение, 1978. - 376 с.
8. Битюцкий А. А. Методика определения объема ремонта котлов при восстановлении ресурса вагонов-цистерн для перевозки жидкого пека / А. А. Битюцкий, К. И. Рыжов // Совершенствование методов испытаний и диагностики грузовых вагонов : сб. науч. трудов. Вып. 2 / под ред. А. А. Битюц-кого ; Инженерный центр вагоностроения. - СПб. : ОМ-Пресс, 2007. - С. 90-100.
9. Моисеев В. И. Модели процесса охлаждения цистерны с горячими нефтепродуктами при их перевозках в осенне-зимний период / В. И. Моисеев // Бюл. результатов науч. исследований. - 2012. -Вып. 2. - С. 98-110.
10. Морчиладзе И. Г. Железнодорожные цистерны / И. Г. Морчиладзе, А. П. Никодимов, М. М. Соколов, А. В. Третьяков. - М. : ИБС-Холдинг, 2006. -516 с.
11. Расчет процессов разогрева вязких грузов в железнодорожных цистернах с применением электронагревателей : метод. указания / Федеральное агентство ж.-д. транспорта, ФГБОУ ВО ПГУПС, кафедра «Теплотехника и теплосиловые установки» ; сост. : И. Г. Киселев, В. В. Галов, С. Б. Комиссаров. -СПб. : ПГУПС, 2015. - 14 с.
12. Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов : справ. пособие / сост. Р. С. Глаз-кова, Р. Ф. Канивец, В. Н. Котуранов, К. В. Мотови-лов, А. В. Смольянинов, И. Б. Феоктистов, В. Н. Филиппов, Г. Ф. Чугунов, В. М. Бубнов. - М. : МПС РФ, Изд-во стандартов, 1993. - № 889. - 119 с.
References
1. Bytuzkyi A. A. Puty povysheniya effektyvnos-ty gruzovykh vagonov, vypuskayemykh rossiysky-my vagonostroytelnymy predpriyatiyamy [The ways for efficiency improvement of freight cars produced by the Russian car production facilities]. Tyazheloye mashynostroyeniye [Heavy manufacturing], 2008, no. 2, pp. 29-33 (In Russian)
2. Bytuzkyi A. A. Spetsialyzyrovanniye vagony dlya operatorskykh kompaniy [Special-purpose cars produced for the companies of operators]. Vagony i vagonnoye khozyaistvo [Cars and rolling stock], 2004, Pilot issue, pp. 16-18. (In Russian)
3. Galov V. V., Komissarov S. B., Graborov R. V., Sheychenko R. I. & Chuban M. A. Funktsionalniye ispytaniya perspektyvnogo vagona-tsysterny dlya perevozky rasplavlennoy sery modely 15-9544 [Experimental research of a long-range tank car of 159544 modification designed to transport molten sulfur]. Vysnyk NTU "KhPI". Seriya: Mashynoznavstvo ta SAPR [Vestnik of NTU "KhPI". Series Machinostro-enia and SAPR]. Kharkov, NTU "KhPI" Publ., 2016, no. 39 (1211), pp. 50-55. (In Russian)
4. Kyselev I. G., Galov V. V. & Komissarov S. B. Perspektyvy modernizatsii systemy elektronagre-va vyazkykh gruzov pry slyve iz zheleznodorozhnykh system [Modernization prospects of vicious freight electric heating systems when dispensing rail tank cars]. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2016, vol. 13, issue 1, pp. 25-30. (In Russian)
5. Kyselev I. G., Galov V. V. & Komissarov S. B. Sovershenstvovaniye systemy elektronagreva vyaz-kykh gruzov pry slyve iz zheleznodorozhnykh tsystern [The improvement of a vicious freight electric heating system when dispensing rail tank cars]. Mezhdunaro-dnyi symposium "Elektryfykatsiya, razvitiye elektro-energetycheskoy infrastruktury i elektrycheskogo pod-
vyzhnogo sostava skorostnogo i vysokoskorostnogo zheleznodorozhnogo transporta" [International academic conference "Motorization, the development of electric power infrastructure and electric vehicles of fast and high-speed railway transport"]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2015, pp. 15. (In Russian)
6. Kyselev I. G., Galov V. V. & Komissarov S. B. Per-spektyvniye vagony- tsysterny dlya perevozky zaguste-vayushykh gruzov [Long-range tank cars designed to transport thickening consignment]. Trudy Mezhdu-narodnoy nauchno-praktycheskoy konferentsii "Trans-port-2013" [Proceedings of the International research and training conference "Transport-2013"]. In 4 parts. Rostov-on-Don, the Rostov State Transport University Publ., 2013, pp. 173-175. (In Russian)
7. Kuzmich L. D. Vagony (proyektyrovaniye, us-troystvo i metody ispytaniy) [Cars (design, organization and methods of testing)]. Moscow, Mechanical engineering Publ., 1978, 376 p. (In Russian)
8. Bytutskiy A.A. & Ryzhov K. I. Metodyka opre-deleniya obyema remonta kotlov pry vosstanovlenii resursa vagonov-tsystern dlya perevozky zhydkogo peka [The determination method of barrel repair size in case of extending operational life of tank cars built to transport liquid pitch]. Sovershenstvovaniye metodov ispytaniy i diagnostyky gruzovykh vagonov [The improvement of testing methods and diagnostics of freight cars]. Sbornyk nauchnykh trudov [Collection of research papers]; ed. by A. A. Bytutskiy. Saint Petersburg, OM-Press Publ., 2007, issue 2, pp. 90-100. (In Russian)
9. Moiseyev V. I. Modely protsessa okhlazhdeniya tsysterny s goryachymy nefteproduktamy pry ikh pe-revozkakh v osenne-zymniy period [Cooling process models of a tank-car with hot oil during its transportation in the autumn-winter period]. Bulletin of scientific research results, 2012, issue 2, pp. 98-110. (In Russian)
10. Morchyladze I. G., Nykodymov A. P., Soko-lov M. M. & Tretyakov A. V. Zheleznodorozhniye tsysterny [Railroad tank cars]. Moscow, IBS-Holding Publ., 2006, 516 p. (In Russian)
11. Kyselev I. G., Galov V. V. & Komissarov S. B. Raschet protsessov razogreva vyazkykh gruzov v zheleznodorozhnykh tsysternakh s prymeneniyem elektronagrevateley [The heating process calculation of vicious consignment in railway tank cars using elec-
trie heating units]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2015, 14 p. (In Russian)
12. Glazkova R. S., Kanyvets R. F., Koturanov V. N., Motovylov K. V., Smolyanynov A. V., Feoktystov I. B., Filippov V. N., Chugunov G. F. & Bubnov V. M. Spet-
sialyzyrovanniye tsysterny dlya perevozky opasnykh gruzov [Special purpose tank cars designed to transport dangerous goods]. Moscow, Ministry of railways RF Publ., Stds Publ. House, 1993, no. 889, 119 p. (In Russian)
КИСЕЛЕВ Игорь Георгиевич - доктор техн. наук, профессор, kteploteh@pgups.ru; ГАЛОВ Владимир Викторович - канд. техн. наук, v_galov@hotmail.com; *КОМИССАРОВ Сергей Борисович - аспирант, s. b.komissarov@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
