CC BY
40
УДК 629.4.077
В. И. Моисеев1, А. В. Жебанов2
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (111УПС),
г. Санкт-Петербург, Российская Федерация;
2 Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС), г. Самара, Российская Федерация
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Аннотация. Транспортировка в вагонах-цистернах вязких наливных грузов (мазутов, парафинов, технических маслел, крекинг-остатков и др.) затруднена их застыванием, сопровождающимся резким повышением вязкости. Фактически это приводит к необходимости разогрева или частичного подогрева перевозимого нефтепродукта перед выгрузкой, проводимой обычно как слив самотеком, с целью восстановления текучести доставленного нефтегруза. Процесс выгрузки в этом случае с разогревом ведет к значительному увеличению стоимости транспортировки нефтепродуктов, в том числе и простоя вагонов-цистерн, а в целом к уменьшению оборота подвижного состава. По проведенному анализу по определению затрат на технологический процесс разогрева застывших нефтепродуктов, перевозимых железнодорожным транспортом, затрачивается порядка 600 тыс. т в год условного топлива, а простой вагонов-цистерн под выгрузкой и последующей очисткой котлов от высоковязких остатков нефтегруза превышает 1 млн вагоночасов. Актуальность вопроса снижения себестоимости железнодорожных перевозок вязких грузов обусловлена интенсивным развитием северных и восточных регионов РФ. Важными для перевозки в этих условиях факторами становятся не только отрицательная среднесуточная температура воздуха, но и большие расстояния.
Рассмотрен вопрос о снижении себестоимости перевозок вязких нефтепродуктов при низких температурах воздуха. Вязкие нефтепродукты при загустевании превращаются в реологическую жидкость, у которой нет четкой границы раздела между жидкой и твердой фазами. Применены методы перевода в стратифицированное состояние горячего мазута при его медленном охлаждении и частичном затвердевании с образованием теплоизолирующего слоя из затвердевшего мазута. Положительный эффект достигается снижением времени и затрат тепловой энергии на выгрузку доставленного нефтепродукта за счет снижения темпа его охлаждения при перевозках. Это в свою очередь достигается подавлением естественной конвекции горячего нефтепродукта на холодных стенках котла вагона-цистерны в первые несколько часов после налива в цистерну. Из сравнения экспериментальных данных и результатов расчета подобраны значения эмпирических коэффициентов уравнения для коэффициента теплоотдачи жидкого нефтепродукта. Среднеквадратическое отклонение абсолютной температуры жидкого нефтепродукта составило 8 %.
Ключевые слова: вагон-цистерна, транспортировка нефтепродукта, математическая модель, тепловой расчет, коэффициент теплоотдачи, вакуумные панели.
12 Vladimir I. Moiseev , Alexander V. Zhebanov
1 Saint-Petersburg State Transport University Imperator Alexander I (SSTU), Saint-Petersburg, the Russian Federation;
2 Samara State University of Transport (SSUT), Samara, the Russian Federation
CALCULATION OF THE THERMAL MODEL OF A WAGON-TANK FOR THE TRANSPORTATION OF PETROLEUM PRODUCTS
Abstract. Transportation in tank cars of viscous liquid cargo (fuel oil, paraffins, industrial oils, cracking residues, etc.) is difficult with their solidification, accompanied by a sharp increase in viscosity. In fact, this leads to the need to warm up or partially warm up the transported oil product before unloading, usually carried out as a gravity discharge, in order to restore the fluidity of the delivered oil cargo. The process of unloading in this case with heating leads to a significant increase in the cost of transporting petroleum products, including the downtime of tank cars, and in general, a decrease in the turnover of rolling stock. According to the analysis carried out to determine the costs of the technological process of heating frozen petroleum products transported by rail, about 600 thousand tons of conventional fuel are spent per year, and the idle time of tank cars under unloading and subsequent cleaning of boilers from high-viscosity residues of oil cargo exceeds 1 million car-hours. The urgency of the issue of reducing the cost of railway transportation of viscous cargo is due to the intensive development of the Northern and Eastern regions of the Russian Federation. Important factors for transportation in these conditions are not only the negative average daily air temperature, but also long distances.
The issue of reducing the cost of transportation of viscous petroleum products at low air temperatures is considered. Viscous petroleum products, when thickened, turn into a rheological liquid, which does not have a clear interface between the liquid and solid phases. The methods of transfer to the stratified state of hot fuel oil during its slow cooling and partial solidification with the formation of a heat-insulating layer of solidified fuel oil are applied. The positive effect is achieved by reducing the time and cost of thermal energy for unloading the delivered oil product by reducing the rate of its cooling during transportation. This, in turn, is achieved by suppressing the natural convection of the hot oil product on the cold walls of the boiler of the tank car in the first few hours after filling the tank. From the comparison of the experimental data and the calculation results, the values of the empirical coefficients of the equation for the heat transfer coefficient of liquid petroleum products are selected. The standard deviation of the absolute temperature of the liquid petroleum product was 8 %.
Keywords: wagon-tank, transportation of petroleum products, mathematical model, thermal calculation, heat transfer coefficient, vacuum panels.
При транспортировке в вагонах-цистернах вязких наливных грузов (ВНГ), таких как мазуты, парафины, технические масла, крекинг-остатки и др., происходит их застывание, сопровождающееся резким повышением вязкости. Это приводит к необходимости разогрева перевозимого нефтепродукта перед выгрузкой, проводимой обычно как слив самотеком, для восстановления текучести доставленного нефтегруза.
Разогрев большой (около 66 т) массы ВНГ, находящейся в котле только одного вагона-цистерны, представляет собой трудоемкую, длительную, энергоемкую и дорогостоящую технологическую операцию, связанную с эксплуатацией специального оборудования на сливных площадках и производственных площадях.
Операция выгрузки ВНГ, проводимая с разогревом, ведет к значительному увеличению стоимости перевозок нефтепродуктов и простоя вагонов-цистерн, а следовательно, и к уменьшению оборота подвижного состава. Всего на разогрев ВНГ, перевозимых железнодорожным транспортом РФ, затрачивается в год около 600 тыс. т условного топлива, а годовой простой вагонов-цистерн под выгрузкой ВНГ и очисткой котлов от высоковязких остатков нефтегруза превышает 1 млн вагоночасов.
Актуальность вопроса снижения себестоимости железнодорожных перевозок ВНГ обусловлена интенсивным развитием северных и восточных регионов РФ, где находится и большинство предприятий по добыче и переработке нефти. Для районов Сибири и Севера характерен продолжительный (свыше девяти месяцев в году) холодный осенне-зимний период с низкими температурами воздуха.
Важными для перевозки в этих условиях факторами становятся отрицательная среднесуточная температура воздуха, большие расстояния и низкая разветвленность железнодорожной сети РФ в названных регионах, определяющие продолжительность (около 15 суток) перевозки нефтегруза [1].
Вязкие нефтепродукты в большинстве случаев ввиду нехватки единиц специализированного подвижного состава перевозятся в универсальных вагонах-цистернах с последующим разогревом в пунктах выгрузки. В настоящее время производятся вагоны-цистерны с улучшенными техническими характеристиками, оборудованные наружным теплоизоляционным кожухом толщиной 300 мм (мод. 15-6913, 15-6900), предназначенные для транспортировки затвердевающих химических грузов, таких как, например, расплавленная сера, каменноугольный и нефтяной пек и ряд других продуктов. Однако практика эксплуатации таких вагонов показала их низкую рентабельность.
Стоимость изготовления вагонов-цистерн-термосов по сравнению с универсальными вагонами-цистернами или вагонами-цистернами, оборудованными, например, парообогрева-тельными рубашками, в два раза выше. Плановые ремонтные работы также оказались достаточно дорогостоящими. Все ВНГ, включая даже нефтебитумы, оказываются пожароопасными материалами, имеющими низкую температуру вспышки. Поэтому одним из требований, предъявляемых к теплоизолирующей оболочке котла вагона-цистерны, является низкая способность к воспламенению в открытом пламени. Ее в полной мере проявляют только асбестовое волокно и войлок стеклянный, но это экологически небезопасные материалы, имею-
щие недостаточную ремонтопригодность и высокую плотность р - 200...250 кг/м . Асбестовая теплоизолирующая оболочка толщиной 0,3 м вместе с защитным укрытием и элементами крепежа существенно увеличивает массу тары вагона-цистерны с нежелательным ростом нагрузки на оси колесных пар [2].
По этим и другим причинам парк вагонов-цистерн-термосов очень мал, его доля в общем парке вагонов-цистерн РФ не превышает 2 %, и этот парк не способен обеспечить необходимый объем перевозок вязких нефтегрузов [3, 4].
Поэтому целесообразно рассмотрение новых методов перевозки ВНГ, при которых сохраняется внутренняя теплота транспортируемых продуктов. Первый из этих, нетрадиционных подходов подразумевает рациональное использование физических свойств нефтепродуктов. Они, во-первых, позволяют значительно снизить темп охлаждения ВНГ при перевозках в вагоне-цистерне и, во-вторых, создать тепловую изоляцию на внутренней поверхности котла вагона-цистерны из самого перевозимого нефтегруза. Этими свойствами практически всех темных нефтепродуктов являются следующие:
высокий коэффициент объемного теплового расширения в = 9,4-10-4 1/°С (лишь в 3,8 раза меньший, чем у воздуха);
низкая молекулярная теплопроводность = 0,12 Вт/ м °С (лишь в 2,3 раза большая, чем у асбестового волокна).
С целью оценки эффективности подхода к подобным техническим решениям разработаны различные математические модели процесса охлаждения ВНГ [5, 6].
Задача по снижению температуры перевозимого нефтепродукта в вагоне-цистерне, не имеющем внутри источника теплоты, математически выражается уравнением нестационарной теплопроводности Фурье - Кирхгофа, которое следует рассматривать в цилиндрических координатах. Распределение температур в загустевшей массе, которая начинает расти слоем, образующимся на стенке котла, имеющим большой (-1,5 м) радиус кривизны, можно рассматривать из того же уравнения, но записанного в декартовых координатах. Как в первом, так и во втором случае тепловая задача рассматривается как одномерная:
1 дt(г, г) 1 д ( t(г, г)
а
дг
г дг
дг
(1)
1 дt(х,г) _ д t(х,г) а
(2)
дг дх2
8 2
где а = 7*10" м /с - температуропроводность нефтепродукта, ее можно считать постоянной и для жидкой, и для загустевшей фракций ВНГ.
Уравнение (1) рассматривалось как для начальных, так и для граничных условий:
1г=0
а) условия на оси котла вагона-цистерны:
0 дt дг
= 0;
г=0
б) условия на поверхности котла вагона-цистерны:
~ек *Лж
д. дг
г =Я
= к Jt -1
^ ст 8/ 1г =Я
(3)
(4)
(5)
Здесь к^ - коэффициент теплопередачи окружающей среде через поверхность стенки котла вагона-цистерны, Вт/ м °С; ек - коэффициент конвекции жидкого нефтепродукта, который при наливе в котел вагона-цистерны имеет высокую температуру и малую вязкость.
В этих условиях на режим охлаждения котла вагона-цистерны в значительной степени влияет естественная конвекция на его холодных стенках. Вводится понятие эквивалентной
t
0
№ 1(45) 2021
теплопроводности жидкости, заполняющей сосуд, которой учитывается конвективный теп-лоперенос. Отношение эквивалентной теплопроводности движущейся жидкости к ее молекулярной теплопроводности и будет коэффициентом конвекции ек.
В приближенных расчетах эту величину находят из критериального уравнения [13]:
eK = 0,18 Ra0Д5, (6)
где Rа — критерий Рэлея - безразмерный комплекс, образуемый следующими величинами:
в - коэффициент объемного теплового расширения жидкости 1/град; g - ускорение свобод-2 2 ного падения м/с ; v - коэффициент кинематической вязкости жидкости м/с; а - коэффициент температуропроводности жидкости м2/с; l - характерный линейный размер сосуда, заполненного жидкостью, м; At - характерный перепад температур, град.,
l3
Ra = gfiAt-.
v- a (7)
В рассматриваемой задаче охлаждения ВНГ при перевозках за l можно принять диаметр котла вагона-цистерны, а за характерный перепад температур в массе нефтепродукта - их разницу в верхней и нижней частях котла вагона-цистерны. Эта величина зависит от температуры окружающей среды и должна определяться после обобщения натурных экспериментов. Имеющийся у авторов материал позволяет оценить ее как величину, находящуюся в интервале At = 4,5 - 6 °С.
При расчете по формуле (7) используем для таких ВНГ, как мазуты М40 и М100, значения чисел Рэлея в
области Rа = 31010 - 1011. При этом коэффициент конвекции ек составляет ~ 70, т. е. эквивалентная теплопроводность ВНГ Яэкв ~ 8,5 Вт/м град. Даже некоторые металлы (ртуть, свинец) имеют не очень близкие, но все-таки одного порядка значения молекулярной теплопроводности. Большой коэффициент конвекции ек ~ 70 характерен для пристеночной области нефтепродукта в вагоне-цистерне.
Наибольшая скорость циркуляционного движения ВНГ наблюдается в пограничном слое, примыкающем к «вертикальному участку» стенки котла, длиной l около 1,5 м, где она достигает u ~ 0,23 м/с. Затем, по мере удаления от стенки, она снижается до нуля на расстоянии около 0,4 м. Далее, ближе к оси котла, наблюдается «неподвижное ядро» жидкости, а за ним - восходящие токи. Последние замыкают ток течения горячей жидкости, происходящий при ее естественной конвекции на холодных стенках котла вагона-цистерны.
Пока существует естественная конвекция, холодная стенка котла омывается горячим движущимся жидким нефтепродуктом и тот быстро охлаждается во всем объеме котла вагона-цистерны. Конвективный теплоперенос в десятки раз превышает перенос теплоты молекулярной теплопроводностью.
Для решения задачи охлаждения ВНГ в котле вагона-цистерны использовался метод конечных элементов, а именно пакет программного обеспечения ANSYSR 18.2. Результаты тепловых расчетов были получены с применением конечно-разностного аналога дифференциальных уравнений теплопроводности и краевых условий к ним, реализованных в программе для ЭВМ, написанной на языке FORTRAN в стандарте 77 (оболочка FPS-1.0).
Начальная температура (температура налива) нефтепродукта принималась в диапазоне to = + 70... + 100 °С, температура окружающей среды (воздуха) - в диапазоне tg = - 20... - 40 °С; стенка котла вагона-цистерны однослойная, стальная. Нефтепродукт считался неподвижной средой (ек = 1) или в состоянии движения в ползущем режиме течения (ек = 4).
Ползущий режим течения отвечает слабому конвективному движению, им можно моделировать смешанную естественно-вынужденную конвекцию. Первая возникает на холодных стенках котла вагона-цистерны, вторая связана с колебаниями движущегося вагона, вызывающими образование волн на поверхности перевозимого нефтепродукта.
На рисунке 1 показано распределение температур в массе мазута М100, перевозимого в нефтебензиновом вагоне-цистерне общего назначения без тепловой изоляции стенок котла, при температуре воздуха ^ = - 20 °С, начальная температура мазута низкая - ^ = + 50 °С.
Видно, что через 18 ч охладился слой мазута, прилегающий к стенкам котла вагона-цистерны (выделено синим и голубым цветами). При отрицательных температурах этот слой можно рассматривать как теплоизолирующую оболочку внутреннего объема котла. Около 85 % нефтепродукта сохраняет высокую температуру, близкую к нормативной для обеспечения слива самотеком (выделено красным, бежевым, желтым и зеленым цветами).
10.9551 -4.25684 1:3.991.9 25.1397 39.838
-11.606 3.0923 17.7906 32.4808 97.1071
Рисунок 1 - Распределение температур по сечению котла вагона-цистерны без теплоизолирующей оболочки (мазут М40 в стратифицированном состоянии, температура воздуха ^ = - 20 0С, начальная температура нефтепродукта ^ = +50 0С, время охлаждения 18 ч)
Подразумевалось, что неподвижное или слабо циркулирующее состояние горячего нефтепродукта задается на стадии его налива в горячем виде в котел вагона-цистерны.
Нефтепродукт принудительно переводится в гидродинамически устойчивое стратифицированное состояние, при котором его плотность в верхней части котла существенно (на 5 - 10 %) ниже, чем в нижней его части.
Это состояние сравнительно легко обеспечить, создав вертикальный градиент температур, направленный снизу вверх. На более горячие слои жидкости в верхней части котла вагона-цистерны не будет действовать сила Архимеда, являющаяся причиной естественной конвекции. Конвективный теплоперенос в массе нефтепродукта сойдет на нет, и он будет охлаждаться только за счет молекулярной теплопроводности, которая как отмечалось выше, очень мала.
На рисунке 2 показано расчетное изменение со временем температуры мазута М40, находящегося в стратифицированном состоянии в зоне сливного прибора вагона-цистерны без наружной теплоизолирующей оболочки стенок котла. Видно, что через 42 ч (150000 с) температура мазута осталась достаточно высокой для обеспечения возможности выгрузки самотеком.
м:02!5) м^ттия Транссиба 89
с К)5
На рисунке 3, а, б показано распределение температур в перевозимом мазуте по радиусу котла вагона-цистерны, которое рассчитывалось для очень низких температур окружающей среды ^ = - 40 °С. Начальная температура мазута t = +70 °С, горизонтальной пунктирной линией отмечен интервал температур, при которых мазуты М40 и М100 переходят в высоковязкое состояние.
Расчетные линии 1...14 отвечают различным значениям времени охлаждения. Линия 1 характеризует распределение температур по оси котла через 12 ч охлаждения, линия 2 - через 24 ч и т. д. Линия 14 характеризует распределение температур через 7 суток охлаждения. На рисунке 3, а представлено распределение температур в неподвижном продукте (модель квазитвердого тела), а на рисунке 3, б - распределение температур в слабо циркулирующем первоначально стратифицированном продукте при коэффициенте конвекции £к = 4.
Из приведенных на рисунке 3 кривых можно сделать вывод о том, что начальная стратификация горячего мазута обеспечивает его медленное охлаждение и частичное затвердевание с образованием теплоизолирующего слоя из затвердевшего мазута. Толщина затвердевшего слоя - около 10 см, основная же масса нефтегруза сохраняет высокую температуру и достаточную текучесть.
5 204} 409 КН} ЭТО ЮОЭ
Ы МО 500 100 МО -
Время охлаждении нефтепродукта
Рисунок 2 - Охлаждение со временем мазута М40 в нижней части котла вагона-цистерны (начальная температура мазута ^ = +100 °С, температура воздуха tg = - 20° С); на оси абсцисс обозначено время охлаждения т, с, на оси ординат - температура мазута ^ °С
Неподвижный нефтегруз ек =1
Ползущее течение нефтегруза ек = 4
Рисунок 3 - Изменение распределения температур мазута по радиусу котла вагона-цистерны со временем охлаждения в интервале 0 < т < 32 ч: а - неподвижный нефтегруз; б - слабо циркулирующий нефтегруз (исходная температура Т0 = +70 °С, температура воздуха -40 °С)
Теоретические основы теплового расчета вязкой жидкости в сосуде при понижении ее среднемассовой температуры до порога температуры ее загустевания-затвердевания изложены в монографии [7], их принято описывать с позиций классической задачи Стефана [8].
Но для ВНГ этот подход является очень упрощенным. Вязкие нефтепродукты при загус-тевании превращаются в реологическую жидкость, у которой нет четкой границы раздела между жидкой и твердой фазами. В ее отсутствие нельзя указать и местоположение источников теплоты фазового перехода. Математическая модель процесса охлаждения перевозимого нефтегруза в вагоне-цистерне используется только в «нулевом приближении», где ВНГ условно рассматривается как неподвижная среда.
В источнике [9] изменение температуры ВНГ со временем т описывается формулой, предложенной советским ученым Шуховым:
T — T
-L sm J- h
Гнач — ГГ
sm h
= exp
М с g
(8)
где Tsm - среднемассовая температура нефтегруза в жидкой фазе, К; Tsmaa4 - начальное значение среднемассовой температуры нефтегруза в жидкой фазе, К; Th - температура воздуха
окружающей среды, К; к - коэффициент теплопередачи, принимаемый постоянным по вре-2 2 мени, Вт/(м •К); F - площадь теплопередающей поверхности котла вагона-цистерны, м ;
Mg, cg - масса и удельная теплоемкость нефтегруза в жидкой фазе, кг, Дж/(кг-К).
При определении среднемассовой температуры ВНГ с помощью выражения (8) можно получить результат, носящий только оценочный характер. Прежде всего в равенстве (8) остается неизвестным коэффициент теплопередачи к. Он изменяется и вдоль поверхности котла, и по мере изменения скорости ветра, и с изменением воздействия таких внешних факторов, как солнечная радиация и атмосферные осадки. В условиях солнечной радиации верхняя часть котла вагона-цистерны получает достаточно мощный приток теплоты, а в условиях атмосферных осадков она, наоборот, охлаждается значительно быстрее, чем нижняя часть котла.
Во-вторых, остается неизвестным и распределение коэффициента теплоотдачи от циркулирующего к стенкам котла нефтепродукта.
Построение двумерной модели процесса остывания жидкого нефтепродукта в железнодорожной цистерне с переменной границей затвердевания предпринято в статье [10], однако использование данной математической модели в инженерных расчетах затруднительно ввиду сложности алгоритма расчета.
В работе [11] рассмотрен вариант упрощенного описания расчета процесса охлаждения мазута при транспортировке в вагоне-цистерне в условиях отрицательных температур воздуха. Описываемый вариант решает вопрос построения математической модели охлаждения жидкого нефтегруза в котле вагона-цистерны с использованием полуэмпирического уравнения для изменяющегося со временем коэффициента теплоотдачи. Выбирались из лучшей вариабельности итогов эксперимента и расчета эмпирические коэффициенты:
аg(г) = аg •0,7 •
/ л
Г на"
sm.
V T gg J
1 —
(T Л
T gk
T
sm
(9)
1—
Гт \
Г на sm
T
-L g V Th J
где - коэффициент теплоотдачи жидкой фракции ВНГ в пристеночной зоне котла вагона-цистерны при среднемассовой температуре нефтегруза Тт > Т^, Вт/(м2-К); Т^4 - температура нефтепродукта в жидкой фазе при наливе в котле вагона-цистерны, К; ^ - температура окружающей среды.
Коэффициент теплоотдачи нефтегруза в жидкой фазе в пристеночной зоне котла вагона-цистерны в диапазоне температур Тцт от Т^4 до вычисляется для условий свободной конвекции согласно рекомендациям работы [12].
12 1(45) 2021
т
5
3
0,33
, (10)
где Ая - коэффициент теплопроводности нефтегруза (мазута), Вт/(м-К); Rk - радиус котла ва-
3 2
гона-цистерны, м; рЕ - плотность нефтегруза (мазута), кг/м ; g = 9,8 м/с - ускорение свободного падения; вt - коэффициент температурного расширения нефтегруза (мазута), 1/К; сЕ - теплоемкость нефтегруза (мазута), Дж/К; ^ - температура стенки котла вагона-цистерны, К; ¡g - коэффициент динамической вязкости нефтегруза (мазута), Н-с/м2.
При определении температуры у пристеночной области котла вагона-цистерны ^ она примерно приравнивалась к полусумме температуры воздуха ^ и среднемассовой температуры нефтегруза Т,т.
Результаты расчетов можно увидеть на рисунке 4, а и б в виде кривых 1 - 3. По описанной методике в зависимости от исходной температуры нефтегруза рассчитывается средне-массовая температура транспортируемого в вагоне-цистерне мазута. Результаты расчетов [9] показаны для двух интервалов времени транспортировки - пять и восемь суток.
Расчеты проводились для мазута марки М40, у которого температура застывания находится в интервале от +25 °С (начальная стадия застывания-затвердевания) до +10 °С (конечная стадии - полное затвердевание), транспортируемого в четырехосном вагоне-цистерне.
аг =0,184 ■
Л,
2 Як
Р2£р<с\гк-Г, Л.М
ИГ g
1,о- Т нач т = 313 К (40 °С ); 1,о Т нач = 313 К (40 °С );
2, Т нач = 323 К (50 °С ); 2,п Т нач = 323 К (50 °С );
З.о- Т нач т = 353К (80 °С ) 3, о Т нач = 353 К (80 °С )
а б
Рисунок 4 - Сравнение полученных расчетных итогов и опытных данных работы: а - расчет при Т = 263 К (-10 °С); б - расчет при Т = 253 К (-200 °С)
Исходя из данных, показанных на рисунке 4, можно сказать, что результаты расчетов близки к данным экспериментов, при этом среднеквадратическое отклонение абсолютной температуры нефтегруза в жидком состоянии составляет 8 %.
На основе изложенного можно сделать выводы.
Перспективы развития железнодорожной транспортной системы в целом и, в частности, повышение рентабельности перевозок вязких наливных грузов направлены на сокращение среднего времени оборота подвижного состава (вагонов-цистерн). В это время входит и простой вагонов под сливом, проводимым с разогревом нефтегруза для восстановления его текучести. Предложенные варианты тепловых расчетов способствуют решению этого направ-
ления путем сокращения времени, затрачиваемого на операции разгрузочного цикла. Была показана возможность резкого снижения темпа охлаждения нефтепродукта за счет перевода его в стратифицированное состояние при наливе в котел вагона-цистерны.
Для второго варианта предложена математическая модель застывания транспортируемого жидкого нефтепродукта. Модель основана на полуэмпирическом уравнении для коэффициента теплоотдачи нефтепродукта в жидком состоянии, эмпирические коэффициенты приведены из лучшей вариабельности итогов расчета и данных эксперимента, среднеквадрати-ческое отклонение абсолютной температуры жидкого нефтепродукта составило 8 %.
Список литературы
1. Жебанов, А. В. Сохранение теплофизических свойств перевозимых в вагонах-цистернах нефтепродуктов при переводе их в стратифицированное состояние / А. В. Жебанов, В. И. Моисеев. - Текст : непосредственный // Наука и образование транспорту. - 2017. -№ 1. - С. 27 - 29.
2. Жебанов, А. В. Полный цикл работы цистерны с теплоизоляцией: от нанесения покрытия до утилизации / А. В. Жебанов. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. -2011. - № 1(28). - С. 51 - 54.
3. Патент № 129188 Российская Федерация, МПК F16L59/06, B82Y99/00. Теплоизоляционное изделие : № 2012155384/06 : заявлено 19.12.2012 : опубликовано 20.06.2013 / Балалаев А. Н., Мокшанов А. С. - 5 с. - Текст : непосредственный.
4. Патент № 182602 Российская Федерация, МПК B65D 88/00. Цистерна для перевозки вязких продуктов : № 2018104341: заявлено 05.02.2018 : опубликовано 23.08.2018 / Балалаев А. Н., Паренюк М. А., Жебанов А. В., Ананников И. О. - 8 с. - Текст : непосредственный.
5. Жебанов, А. В. Пути снижения теплопотерь вязких нефтегрузов при транспортировке железнодорожным транспортом / А. В. Жебанов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2016. - № 3 (27). - С. 31 - 38.
6. Исследование твердотельной модели котла цистерны с кожухом из вакуумных теплоизоляционных панелей / А. Н. Балалаев, А. В. Жебанов, М. А. Паренюк, М. А. Спирюгова. -Текст : непосредственный // Вестник транспорта Поволжья. - 2017. - № 3 (63). - С. 21 - 31.
7. Балалаев, А. Н. Моделирование газодинамических аппаратов и теплотехнических процессов железнодорожного транспорта : монография / А. Н. Балалаев. - Самара : Самарская гос. академия путей сообщения, 2004. - 192 с. - Текст : непосредственный.
8. Гудмен, Т. Применение интегральных методов в нелинейных задачах нестационарного теплообмена / Т. Гудмен. - Текст : непосредственный // Проблемы теплообмена : сборник статей. - Пер. с англ. под ред. П. Л. Кириллова. - Москва : Атомиздат, 1967. - С. 41 - 96.
9. Железнодорожная климатология / под ред. проф. Б. Д. Фишбейна. - Самара : Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2007. - 508 с. - Текст : непосредственный.
10. Балалаев, А. Н. Уточненный расчет охлаждения мазута при перевозке железнодорожными цистернами в зимнее время / А. Н. Балалаев, А. С. Летов. - Текст : непосредственный // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса : материалы всерос. науч.-практ. конф. - Самара : Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2009. - С. 61 - 64.
11. Балалаев, А. Н. Упрощенный метод расчета охлаждения мазута при перевозке железнодорожными цистернами в зимнее время / А. Н. Балалаев, А. С. Летов. - Текст: непосредственный // Вестник РГУПСа. - 2009. - № 3. - С. 10 - 15.
12. Карминский, В. Д. Техническая термодинамика и теплопередача : курс лекций / В. Д. Карминский. - Москва : Маршрут, 2005. - 224 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Zhebanov A. V., Moiseev V. I. Preservation of thermophysical properties of petroleum products transported in tank cars when transferring them to a stratified state [Sokhranenie teplofizi-
cheskikh svoistv perevozimykh v vagonakh-tsisternakh nefteproduktov pri perevode ikh v strati-fitsirovannoe sostoianie]. Nauka i obrazovanie transportu - Science and Education of transport, 2017, no. 1, pp. 27 - 29.
2. Zhebanov A. V. The full cycle of operation of a tank with thermal insulation: from coating to disposal [Polnyi tsikl raboty tsisterny s teploizoliatsiei: ot naneseniia pokrytiia do utilizatsii]. Transport Urala - Transport of the Urals, 2011, no. 1 (28), pp. 51 - 54.
3. Balalaev A. N., Mokshanov A. S. PatentRU129188, 20.06.2013.
4. Balalaev A. N., Pareniuk M. A., Zhebanov A. V., Anannikov I. O. Patent RU 182602, 23.08.2018.
5. Zhebanov A. V. Ways to reduce heat loss of viscous oil and gas cargoes during transportation by rail [Puti snizheniia teplopoter' viazkikh neftegruzov pri transportirovke zheleznodorozh-nym transportom]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2016, no. 3 (27), pp. 31 - 38.
6. Balalaev A. N., Zhebanov A. V., Parenyuk M. A., Spiryugova M. A. Research of a solidstate model of a tank boiler with a casing made of vacuum heat-insulating panels [Issledovanie tverdotel'noi modeli kotla tsisterny s kozhukhom iz vakuumnykh teplo-izoliatsionnykh panelei]. Vestnik transporta Povolzh'ia - Bulletin of Transport of the Volga Region, 2017, no. 3 (63), pp. 21 - 31.
7. Balalaev A. N. Modelirovanie gazodinamicheskikh apparatov i teplotekhnicheskikh protsessov zheleznodorozhnogo transporta: monografiia (Modeling of gas-dynamic apparatuses and heat-engineering processes of railway transport: monograph). Samara: Samara State Transport University Publ., 2004, 192 p.
8. Gudmen T. Application of integral methods in nonlinear problems of non-stationary heat transfer [Primenenie integral'nykh metodov v nelineinykh zadachakh nestatsionarnogo teploo-bmena]. Problemy teploobmena - Problems of heat transfer. Moscow: Atomizdat Publ, 1967, pp. 143 - 177.
9. Fishbein B. D., Bondarenko A. A. et al. Zheleznodorozhnaia klimatologiia (Railway climatology). Samara : Samara State Transport University Publ., 2007, 508 p.
10. Balalaev A. N., Letov A. S. Refined calculation of fuel oil cooling during transportation by railway tanks in winter [Utochnennyi raschet okhlazhdeniia mazuta pri perevozke zheleznodorozh-nymi tsisternami v zimnee vremia]. Aktual'nye problemy razvitiia transportnogo kompleksa: mate-rialy vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (Actual problems of transport complex development: materials of the All-Russian scientific and practical conference). - Samara, 2009. -pp. 61 - 64.
11. Balalaev A. N., Letov A. S. Simplified method for calculating the cooling of fuel oil during transportation by railway tanks in winter [Uproshchennyi metod rascheta okhlazhdeniia mazuta pri perevozke zheleznodorozhnymi tsisternami v zimnee vremia]. Vestnik RGUPSa - Bulletin of the RSTU, 2009, no. 3, pp. 10 - 14.
12. Karminsky V. D. Tekhnicheskaia termodinamika i teploperedacha: kurs lektsii (Technical thermodynamics and heat transfer: a course of lectures). Moscow: Marshrut Publ., 2005, 224 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Моисеев Владимир Иванович
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (ПГУПС).
Московский пр., д. 9, г. Санкт-Петербург, 190031, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Математика и моделирование», ПГУПС. Тел.: +7 911-122-51-00. E-mail: moiseev_v_i@list.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Moiseev Vladimir Ivanovich
Saint-Petersburg State Transport University Imperator Alexander I (SSTU).
Moscow Ave, 9, St. Petersburg, 190031, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Mathematical simulation», SSTU. Phone: +7 911-122-51-00. E-mail: moiseev_v_i@list.ru
Жебанов Александр Владимирович
Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС).
Свободы ул., д. 2 в, г. Самара, 443066, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны», СамГУПС.
Тел.: +7 927-000-68-73.
E-mail: zhebanov@inbox.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Моисеев, В. И. Расчет тепловой модели вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов / В. И. Моисеев, А. В. Жебанов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 1 (45). - С. 85 - 95.
Zhebanov Alexander Vladimirovich
Samara State University of Transport (SSUT).
2 V Svoboda st., Samara, 443066, the Russiаn Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Wagons», SSTU.
Тел.: +7 927-000-68-73.
E-mail: zhebanov@inbox.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Moiseev V. I., Zhebanov A. V. Сalculation of the thermal model of a wagon-tank for the transportation of petroleum products. Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 1 (45), pp. 85 - 95 (In Russian).
УДК 621.333
В. Д. Шестакова, П. Ю. Иванов, В. Н. Иванов
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ
Аннотация. В настоящее время тяговый электродвигатель (ТЭД) является одним из наиболее ответственных элементов конструкции подвижного состава, поскольку от его бесперебойной работы зависят безопасность и стабильность обеспечения перевозочного процесса на сети железных дорог компании ОАО «РЖД». В данной статье приведен детальный анализ отказов ТЭД тепловозов серии 2,3ТЭ10 в/и приписного парка локомотивного депо Новая Чара Восточно-Сибирской дирекции тяги. Участок обращения тепловозов от станции Таксимо до станции Хани является одним из сложнейших не только в границах Восточно-Сибирской железной дороги, но и всей сети железных дорог страны. Анализ статистики причин отказов ТЭД тепловозов локомотивного депо Новая Чара за 2006 - 2012 гг. показал, что имеет место достаточно экстремальный режим эксплуатации и что большая часть отказов приходится на пробой изоляции якорной обмотки ТЭД. Во время исследовательской поездки на полигоне обслуживания тепловозов коллективом ученых ИрГУПСа были проведены натурные замеры скорости движения, режима ведения поезда, температуры нагрева ТЭД, учтены климатические факторы - температура окружающей среды, относительная влажность, давление и др. После исследований имеющейся информации было предложено дополнительно покрывать изоляцию лаком ФЛ-98 с целью поддержания и восстановления ее свойств в условиях локомотивного депо Зима при проведении ТР-3.
В ИрГУПСе продолжительное время ведутся работы по исследованию процесса сушки изоляции с помощью инфракрасного излучения (ИК). Эффективность данного способа доказана многочисленными экспериментальными исследованиями. По данной тематике уже проведены несколько защит кандидатских диссертаций в различных диссертационных советах. В данной статье представлена также статистика отказов эксплуатируемых ТЭД уже с дополнительной пропитанной лаком изоляцией открытых лобовых частей после внедрения мероприятий по итогам работы группы ученых ИрГУПСа. Установлено, что метод нанесения компаунда на изоляцию лобовой части обмоток электрических машин и капсулирования его с помощью энергии ИК-излучения является эффективным в борьбе с отказами ТЭД вследствие пробоя изоляции.
Ключевые слова: тяговый двигатель, надежность, тепловоз, долговечность, железная дорога, изоляция.
