CC BY
99
Проблематика транспортных систем 115
Библиографический список
1. Берне Ф., Кордонье Ж. Водоочистка. - М.: Химия, 1997. - 288 с.
2. Васильев И.А., Нечаев А.Ф., Персинен А.А. Радиационная технология: потенциал использования пиковолновой энергии для охраны здоровья и защиты окружающей среды. -СПб.: СПбГТИ «ИК Синтез», 2000. - 242 с.
3. Application of electron beam to treatment of wastewater from papermill / H. S. Shin, Y. R. Kim, D. S. Han, I. E. Makarov, A. V. Ponomarev, A. K. Pikaev // Radiation Physics and Chemistry. - 2002. - Vol. 65. Iss. 4-5, 539-547.
4. Gehringer P., Eschweiler H. The dose rate effect with radiation processing of water - an interpretative approach // Radiation Physics and Chemistry. - 2002. - Vol. 65. - Iss. 4-5, 379-386.
УДК 629.423.31:621.314.6883
Е. К. Галанов, Е. К. Яковенко, М. К. Филатов, Ю. А. Кытин
ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ- И ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЛИВА ТЯЖЁЛЫХ НЕФТЕЙ
Предложен способ прогревания тяжёлых нефтей, повышающий эффективность их слива из железнодорожных цистерн. Способ заключается в нагревании массы нефти с помощью СВЧ- или ИК-излучения, что обеспечивает значительную экономию тепловой энергии, необходимой для нагревания тяжёлых нефтей в холодное время года. Проведен расчёт температурных полей пристенного слоя нефти на заключительной стадии слива нефти из цистерны.
теплообмен, инфракрасное излучение, высокочастотное излучение, тяжёлые нефти, слив нефтей.
Введение
Слив тяжёлых нефтепродуктов (различных сортов мазута, гудрона, полугудрона, автолов; компрессорного, авиационного масла) из железнодорожных цистерн с объёмом котла 50 и 60 м производится путём нагревания этих продуктов (при температуре окружающего воздуха ниже 0°С). Парафинистые нефтепродукты подогревают обычно на 10°С (и более) выше температуры их застывания. Для нефтей температура застывания зависит от содержания в них твёрдых углеводородов и смолистых веществ. Открытый самотёчный слив жидких грузов из цистерн происходит через сливные приборы.
Слив тяжёлых нефтей в холодное время года осуществляется в течение примерно 10 часов (даже при разогреве) и представляет собой трудоёмкую и энергоёмкую операцию. Существует несколько способов разогрева нефтей в цистерне: с помощью пара, который подаётся через верхний колпак; путём прогревания нижней части оболочки цистерны. При всех этих способах нагревания
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/2
116
Проблематика транспортных систем
нефтей часть тепла расходуется на нагревание стальной оболочки цистерны (массой 7-8 т) и теплообмен с окружающей средой.
1 Затраты тепловой энергии при сливе тяжёлых нефтей в холодное время года
При десятичасовой продолжительности слива нефти, температуре окружающей среды минус 20°С и температуре оболочки цистерны +30°С потери тепла за счёт теплового излучения и теплопроводности воздуха составляют 3035% от энергии, затрачиваемой на нагревание нефти (при прогреваемой массе нефти m = 30 т и изменении её температуры на АТ = 50°С расходы тепловой энергии составляют 3-106 кДж = 0,83-103 кВт). При рассматриваемых условиях слива из общих потерь энергии около 66% приходится на тепловое излучение цистерны, около 6% - потери, обусловленные теплообменом цистерны с окружающим воздухом, около 28% - потери тепла на нагревание стальной оболочки цистерны.
Существенное сокращение тепловой энергии возможно, если нагревать нефть таким образом, чтобы металлическая оболочка цистерны имела температуру окружающего воздуха в течение большей части времени, требуемого для слива нефти из цистерны.
Таким способом может быть нагрев нефти с помощью СВЧ-излучения, вводимого в центральную часть цистерны, или с помощью инфракрасного (ИК) излучения нагретого (до температуры 150-200°С ) металлического излучателя, расположенного в центральной части цистерны.
Частота СВЧ-излучения (диапазона 2,5-3 ГГц) подбирается таким образом, чтобы 90-95% энергии СВЧ-излучения поглощалось в слое нефти толщиной » 1 м. Основными элементами СВЧ-нагревателя (рис. 1) являются магнетрон, волновод и блок питания. При сливе 70-80% массы нефти в цистерне остаётся пристенный слой нефти толщиной 20-30 см (первый этап слива). Благодаря тому, что СВЧ-излучение полностью отражается на границе металл-диэлектрик, в последующее время СВЧ-излучением нагревается также только нефть и лишь на конечном этапе слива за счёт теплопроводности нефти происходит нагревание стальной оболочки цистерны.
Блок питания
Магнетрон
/7 Цисцерна X w
Рис. 1. Схема нефтяной цистерны с СВЧ-нагревателем
2006/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем 117
2 Нагревание и температурное поле пристенного слоя нефти
При использовании металлического ИК-нагревателя (с площадью излучающей поверхности 20 м ) нагрев нефти осуществляется за счёт теплопроводности и конвекции нефти, контактирующей с нагревателем. Когда 60-70% нефти слито, нагревание оставшейся нефти осуществляется как за счёт теплопроводности воздуха, окружающего нагреватель, так и за счёт ИК-излучения нагревателя. Как следует из закона излучения Планка [2], при температурах 150-200°С основная энергия (94%) ИК-излучения сосредоточена в области спектра X = 1...30 мкм (X = 1...5 мкм - 7%; X = 5...10 мкм - 41%; X = 10...15 мкм
- 25%; X = 15.20 мкм - 12%; X = 20.30 мкм - 9%):
V1
2phn3d n
hn
f
\
c exp
V
kT -1
0
(1)
где V - частота электромагнитного излучения;
Т - температура нагревателя;
8 - коэффициент излучательной способности нагревателя.
На этапе нагревания остаточной (пристенной) нефти (30-40%) основная тепловая энергия, передаваемая нагревателем, определяется ИК-излучением (X = 1.30 мкм). Эта энергия на порядок превосходит величину тепловой энергии, передаваемой от нагревателя к нефти за счёт теплопроводности воздуха.
ИК-излучение от нагревателя поглощается слоем нефти. Коэффициент поглощения нефти к в ИК-диапазоне спектра X = 1.30 мкм равен 0,2-10-2 [3]. В соответствии с законом Бугера [3] при таком коэффициенте поглощения ИК-излучение поглощается в слое нефти толщиной d = 1 мм.
ИК-излучатель представляет собой стальную пластину толщиной 5 мм общей площадью 10 м (площадь излучающей поверхности 20 м ). К одной из сторон пластины приварен змеевик, прогреваемый паром. Нагреватель расположен на высоте 1,5 м от дна цистерны.
Проведем расчёт динамики нагревания остаточной (пристенной) нефти с помощью ИК-излучателя. В качестве исходных параметров взяты: пристенный слой нефти толщиной 0,16 м (m » 15 т, т. е. » 30% всей массы нефти); температура окружающей среды минус 20°С; начальное распределение температуры в слое нефти и стальной оболочке цистерны показано на рисунке 2; площадь излучающей поверхности нагревателя 20 м ; температура нагревателя 200°С (нагреватель рассматривается как абсолютно чёрное тело).
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/2
118
Проблематика транспортных систем
Рис. 2. Температура пристенного слоя нефти и стальной оболочки цистерны
При расчёте температурного поля нефти слой нефти и стальная оболочка цистерны представлены в виде системы из 10 слоёв. Уравнения теплопроводности составлены на основании закона теплопроводности Фурье [4].
CiSdipi(Ti - 70i) = Xi(T2 - Ti) t/di2 + Not;
CiSd2Pl(T2 - T02) = h(T2 - Ti)t/di2 + h(T3 - 72)/d23;
CiSdpm - Toi )
Xi(TI - Tj-i)t/dj,j-i
+ Xi(Tj+i - Tj)t/dj,j+i;
C2Sdi0p(Ti0 - T0,i0)= X(Ti0 - T9) t/di0,9,
где Ci и C2 - теплоёмкость нефти и стали;
Xi и Х2 - теплопроводность нефти и стали;
Pi и Р2 - плотность нефти и стали; t - время нагревания слоя нефти, с; dj - толщина i-го слоя;
S — площадь рассматриваемого слоя (S >> dj);
Tj = (T0j + ATj) - текущая температура слоя;
Тэ7- - начальная (t = 0) температура слоя;
N0 - мощность тепловой энергии, подводимой к слою нефти.
На рисунке 3 представлены результаты расчёта температуры пристенного слоя нефти и стальной оболочки цистерны, полученные на основании системы уравнений теплопроводности.
2006/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
119
Из рисунке 3, а видно, что за время 100-200 с температура приповерхностного слоя нефти толщиной 1-2 мм повышается на 10-20°С. Полагая, что при Т = 30°С нефть становится жидкой и стекает со стенок цистерны, необходимо вести расчёты распределения температуры при постоянном уменьшении толщины пристенного слоя нефти. При начальной толщине слоя нефти 16 см за время 40 мин на стенках цистерны остаётся слой нефти толщиной 1 см. Только после этого прогревания происходит существенное (примерно на 0,5°С) изменение температуры слоя нефти толщиной 2 мм, прилегающего к стальной оболочке цистерны, и температуры стальной оболочки (рис. 3, б). Последующий расчёт температуры слоя нефти (d = 1 см) и стальной и оболочки (d = 1 см) показывает, что по истечении 12 минут нагревания на поверхности стальной оболочки остаётся слой нефти толщиной 0,2 см. Масса этого слоя в цистерне равна ~ 200 кг. Последующее прогревание в течение 10 мин позволяет перевести и этот тонкий слой нефти в жидкое состояние.
а)
б)
Рис. 3. Изменение толщины пристенного слоя нефти при нагревании (а); температура стальной оболочки цистерны при нагревании пристенного слоя нефти (б) Важно, что интервал времени от момента, когда начинает существенно прогреваться стальная оболочка, до момента времени полного слива нефти не превышает 30 мин. Только в течение этого времени происходит потеря энергии за счёт ИК-излучения стальной оболочки в атмосферу и теплопроводности воздуха, прилегающего к оболочке. При таком способе нагрева нефти существенно сокращаются потери тепловой энергии (с 30% до ~ 10%) в сравнении с существующим способом нагревания тяжёлых нефтепродуктов.
Заключение
Показано, что при использовании СВЧ- или ИК-метода прогревания тяжёлых нефтей потери тепловой энергии, обусловленные тепловым излучением стальной оболочки цистерны и теплопроводностью прилегающего воздуха, в зимнее время года сокращаются с 30% до 10 %.
Библиографический список
1. Гриневич Г.Н. Комплексная механизация и автоматизация погрузочноразгрузочных работ на железнодорожном транспорте. - М.: Машгиз, 1981.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/2
120
Проблематика транспортных систем
2. Левитин И.Б. Инфракрасная техника. - Л.: Энергия, 1973.
3. Золотарёв В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. - Л.: Химия, 1984.
4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977.
УДК 624.042.7
В. В. Кондратов, А. И. Орешкин, А. М. Уздин
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПРОКЛАДНОГО СЛОЯ НА ДИНАМИКУ МОСТОВОГО ПОЛОТНА
Рассмотрено влияние жесткости прокладного слоя на динамические эффекты в элементах верхнего строения пути, в частности безбалластного мостового полотна (БМП). Показано, что снижение жесткости подрельсового основания или прокладного слоя БМП приводит к снижению динамических нагрузок, вызванных неровностями рельсового пути и дефектами колесных пар. Однако при этом происходит расстройство рельсовых скреплений и устройства соединения плит БМП с продольными или главными балками. В связи с этим снижение жесткости элементов ВСП следует ограничивать и искать новые технические решения рассмотренных узлов соединения.
верхнее строение пути, коэффициент динамичности, безбалластное мостовое полотно, податливость.
Введение
Для снижения динамических эффектов взаимодействия пути и подвижного состава традиционно стремятся к снижению жесткости пути за счет использования упругих подрельсовых подкладок и упругих подкладок под шпалы или балластную призму [1], [2]. Такого рода решения обеспечивают снижение динамических нагрузок на путь, однако при этом возникают некоторые негативные эффекты, рассмотренные ниже.
1 Положительное влияние повышения податливости пути на динамику ВСП
Снижение динамических нагрузок на путь при повышении его податливости происходит за счет трех эффектов.
Во-первых, происходит уменьшение резонансной частоты верхнего строения пути (ВСП). Само по себе это снижение не приводит к уменьшению максимума значения коэффициента динамичности ц. Величина ц зависит от затухания в системе, m 1/g, где g - коэффициент неупругого сопротивления по первой форме колебаний ВСП. Как показывают исследования НИИ мостов и
2006/2
Proceedings of Petersburg Transport University
