CC BY
45
^ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.869.88-71 Б. А. Абдуллаев
ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ТЕПЛОПРИТОКИ РЕФРИЖЕРАТОРНЫХ ВАГОНОВ И КОНТЕЙНЕРОВ
Дата поступления: 05.10.2018 Решение о публикации: 23.01.2019
Аннотация
Цель: Оценка воздействия солнечной радиации на теплопритоки через ограждения кузовов рефрижераторных вагонов и контейнеров в период солнечной активности в климатических условиях Республики Узбекистан в летние месяцы. Методы: Производились аналитические расчеты величины солнечной радиации в условиях Узбекистана по формуле Кастрова-Савинова с учетом солнечной постоянной, интенсивности солнечной радиации на поверхность, перпендикулярную направлению лучей, высоты Солнца над горизонтом (измеряется только в градусах) и коэффициента прозрачности атмосферы. При движении вагона действию солнечной радиации подвергаются крыша и боковая стена, а контейнера - крыша, боковая и частично торцовая стены. Теплоприток от солнечной радиации учитывается введением условного лучистого коэффициента теплоотдачи или условной температуры наружного воздуха, отличающейся от истинной, на некоторую величину, показывающую долю в общем теплопритоке лучистой энергии. Принимая во внимание постоянное изменение солнечной радиации в течение светового дня и изменение нахождения вагона на стоянке либо при движении, вводится условная температура наружного воздуха. Наблюдения за положением Солнца и замеры температуры производились в конце июня в районе Ташкента, измерялось изменение солнечной радиации в течение светового дня. Результаты: Определено влияние солнечной радиации на наружную температуру 40-футового контейнера 1А, окрашенного в белый цвет, показана целесообразность окраски кузовов рефрижераторных вагонов, особенно крыши и боковых стен, в белый или бледно-желтый цвет для лучшего отражения солнечных лучей. Практическая значимость: Учет влияния солнечной радиации при расчетах теплового баланса рефрижераторных вагонов позволит повысить сохранность перевозимых грузов.
Ключевые слова: Скоропортящиеся грузы, контейнер, рефрижераторный вагон, рефрижераторный контейнер, теплоприток, интенсивность, солнечная радиация.
Bakhrom A. Abdullayev, postgraduate student, baxrom86@yandex.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) SOLAR RADIATION IMPACT ON HEAT GAIN OF REFRIGERATOR CARS AND CONTAINERS. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-1-18-24
Summary
Objective: To evaluate the impact of solar radiation on heat gain through the guards of refrigerator car bodies and containers in the period of solar activity in climatic conditions of the Republic of Uzbekistan in summer months. Methods: Analytical calculations of the quantity of solar radiation in climatic conditions of Uzbekistan were carried out by Kastrov-Savinov formula taking into account the solar
constant, solar intensity at the surface, orthogonal to the direction of beams, Sun angle, which is measured in degrees only as well as the transmission coefficient. The roof and side wall of a car is exposed to solar radiation during its operation, as well as the roof, side and partially end walls of the container. Heat gain from solar radiation is taken into account by introducing a conventional radiate heat-transfer coefficient or conventional temperature of outer air, which differs from true by some value, indicating a part in general radiation heat gain. Outer air conventional temperature is introduced, by taking into account constant change of solar radiation during the daylight hours and change in location of the rail car while standing or in motion. Surveillance over the Sun position and temperature calculations were carried out in the end of June in the area of Tashkent. Solar radiation variation was measured during the daylight hours. Results: The impact of solar radiation on outdoor temperature of 40foot 1A container, painted white, was determined. Suitability of coloring refrigerator cars was shown, especially the roof and side walls, in white or pale yellow for better reflection of solar beams. Practical importance: Taking into account the impact of solar radiation when making calculations of heat balance of refrigerator cars will make it possible to improve security of transported goods.
Keywords: Perishable loads, container, refrigerator car, refrigerator container, heat gain, intensity, solar radiation.
Введение
При перевозке скоропортящихся грузов (СПГ) рефрижераторный вагон или контейнер подвергается воздействию солнечной радиации, что приводит к дополнительным тепло-притокам внутрь грузового помещения [1, 2]. Эта проблема особенно актуальна для Узбекистана, так как его территория находится в зоне высокого стояния Солнца. В июне-июле высота Солнца над горизонтом доходит до 71-72°, продолжительность дня составляет 15 ч. Температура воздуха летом достигает днем 4042 °С, а ночью - 25-30 °С. Дождливых дней в июне-августе практически не бывает. Радиационный баланс в год составляет 60 ккал/см2. Именно на летние месяцы приходится пик созревания фруктов и овощей, который длится вплоть до октября. Соответственно пик перевозок СПГ также приходится на эти месяцы. В районах Казахстана, по которым пролегает железная дорога, климат также достаточно жаркий [3]. До районов России вагон в составе грузового поезда может находиться 2,5-3,5 суток, поэтому влияние солнечной радиации на вагон достаточно сильное. Однако при расчетах теплового баланса рефрижераторных вагонов учет влияния солнечной радиации производится недостаточно полно [4].
Расчет воздействия солнечной радиации на кузов вагонов
Воздействие солнечной радиации выражается в виде суммы прямого облучения и облучения окружающей атмосферой, которая рассеивает солнечные лучи [5].
Интенсивность солнечной радиации зависит от положения Солнца над горизонтом и прозрачности воздуха. В течение дня ее величина изменяется от минимальной (утром) до максимальной (днем).
При определении солнечной радиации для условий Узбекистана будем использовать формулу Кастрова-Савинова [6]
I =1360•
p sin h
1 - p(1 - sin h)
(1)
в которой 1360 - солнечная постоянная, Вт/м2; I - интенсивность солнечной радиации на поверхность, перпендикулярную направлению лучей, Вт/м2; p - коэффициент прозрачности атмосферы (p = 0,7-0,8); h - высота Солнца над горизонтом, град:
h = arcsin(sin ф • sin 5 + cos ф • cos 5 • cos у),
где ф - географическая широта, град; 8 - склонение Солнца, град; у - часовой угол, град
(у =15 т1); т1 - истинное местное время, отсчитанное от полудня, ч.
При движении вагона в составе поезда солнечному облучению подвергаются в основном крыша и боковая стена, а если это контейнеры на платформе, то частично торцевая стена.
Крыша вагона понимается как горизонтальная поверхность, тогда интенсивность на нее излучения будет равна
Iкр = I sin h,
боковая стена - как вертикальная поверхность, тогда интенсивность излучения на нее определяется по формуле
1б.ст = 1 C0S h ■ sin(ae -ис X
где ас - азимут Солнца; ис - угол (град), определяющий положение вертикальной стены вагона относительно меридиана:
^cos 5 sin уЛ
а„ = arcsin
v
cos h
У
-0,026 h
Ipr = 71 - 56e
для вертикальной поверхности (стены) - в виде
Iрв - 0,5Ipr.
Тогда полную интенсивность солнечной радиации рассчитывают по формулам на крышу:
на боковую стену вагона: 1ст = 35 +1 cos h ■ sin [ас - ус ] - 28 • e
-0,026h
Практика показывает, что интенсивность облучения атмосферы (рассеивающей радиации) незначительна и составляет 7-10 % от прямой.
Результаты расчетов солнечной радиации в зависимости от высоты Солнца к приведены в таблице.
Выражение для горизонтальной поверхности (крыши) можно записать следующим образом:
I = 71 +1 sin h - 56 • e
кр
-0,026h
Теплоприток от солнечной радиации можно учитывать введением условного лучистого коэффициента теплоотдачи а или условной температуры наружного воздуха, отличающейся от истинной, на некоторую величину, показывающую долю в общем теплопритоке лучистой энергии [7]. Действие солнечной радиации постоянно меняется в течение светового дня или от состояния вагона, который может находиться либо на стоянке, либо в движении. С утра радиация небольшая и действует в основном на боковую стену, днем с увеличением высоты Солнца над горизонтом она возрастает и действует и на боковую стену, и на крышу вагона.
Расчеты воздействия солнечной радиации
Измерения и расчеты воздействия солнечной радиации на поверхность вагонов и контейнеров показали, что интенсивность прямой солнечной радиации меняется в течение светового дня. На рис. 1 показано изменение интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха по данным приведенной таблицы.
Наблюдения проводились 27-29 июня 2018 г. в районе Ташкента, который расположен на широте 32°30'. Наибольшие значения интенсивности радиации достигаются в полдень, когда Солнце находится на высоте 71°. Интенсивность солнечной радиации с утра (7 ч) растет и достигает в полдень 1005 Вт/м2. Казалось бы, что температура воздуха должна возрастать с увеличением высоты Солнца. Но наивысшая температура воздуха наблюдается с 13 до 15 ч. Очевидно, это связано с тем, что поверхность земли прогревается с запаздыванием на 1,5-2 ч после полудня и отдает свое тепло в атмосферу.
Результаты расчетов солнечной радиации
h, град sinh I = 1360- psinh ,Вт/м2 1 -р(1 - sin h) I = I sin h, Вт/м 2 1бк = I - 1кр, Вт/м2
10 0,173 462 79,92 382,08
20 0,342 688 235,2 452,8
30 0,5 816 408 408
40 0,643 895 575 320
50 0,766 944 723 221
60 0,866 981 849 132
70 0,939 1003 947 61
71 0,945 1005 949 56
Примечание. 1б - интенсивность излучения Солнца.
t, °C
50
45
40
35
30
25
20
15
10
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 t, ч
Рис. 1. Изменения прямой солнечной радиации (1) и температуры воздуха (2)
в течение дня (27 июня 2018 г.)
На рис. 2 показана зависимость интенсивности солнечной радиации от времени в течение дня. Интенсивность радиации составляет 1005 Вт/м2 в 12 ч ± 30 мин. Расчеты производились по формуле (1).
Максимальная радиация (рис. 2) приходится на крышу и минимальная на боковую стену, когда Солнце находится в наивысшей точке горизонта, т. е. в полдень. Температура наружного воздуха изменяется в течение дня - с утра от 20 до 40-42 °С в 15 ч и к вечеру падает до 25-30 °С. Особенно большее влияние солнечной радиации приходится на крышу. Исходя
из этого, можно сказать, что при проектировании ограждения крыши данную особенность необходимо учитывать. Такое состояние непременно сказывается на температурном режиме внутри кузова [8]. К вечеру величина радиации снижается с уменьшением высоты Солнца и теплового воздействия.
Введем условную температуру наружного воздуха. Тогда общий часовой теплоприток воздуха в вагон запишем так:
ан Он - С )Р + Р(1крРкр + 1отРст ) = _ ан Ону —tст )Р,
I, Вт/м2 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
К s
ч к 1
ч V
А р К
\
\
/ L
s T j с L
10 20 50 40 Н! 60 "О 60 ?0 40 30 20 10 к, град
Рис. 2. Изменение солнечной радиации в зависимости от высоты Солнца: I - изменение прямой солнечной радиации на поверхность, перпендикулярную направлению лучей Солнца; I - действие солнечной радиации на крышу вагона; 16 с - действие солнечной
радиации на боковую стену вагона
здесь ан - средний коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности вагона; t - средняя температура на поверхности ограждения; t - температура воздуха снаружи вагона; р -коэффициент поглощения солнечных лучей; F - полная площадь кузова; ^ с - площадь крыши и боковой стены кузова соответственно.
Из уравнения (2) получаем, что
^рад _ (1кр ' FKp + 1б.сF6.c)
а
(3)
где At = t - t - условное повышение на-
рад ну н ^
ружной температуры, эквивалентное тепловому воздействию солнечной радиации; Г и - относительные доли площадей поверхности крыши и боковой стены от общей площади кузова.
Влияние солнечной радиации на изменение наружной температуры кузова вагонов
Влияние солнечной радиации на наружную температуру кузова рефрижераторного вагона или контейнера рассмотрим на примере расчета 40-футового контейнера размерами 12 192x2438x2895 мм.
Для определения условного повышения наружной температуры Дtрaд по формуле (3) для контейнера, окрашенного в белый цвет, примем следующие исходные данные [9, 10]: р = 0,3 для нового контейнера, р = 0,75 после работы контейнера в течение 5-6 лет.
Тогда
F 29 72 F 143,53
кр
- F 35 29 F6c = = = 0,24. бс F 143,53
В результате получим, что в районе Ташкента среднее значение коэффициента теплоотдачи ан= 18 Вт/м2, I = 723 Вт/м2 по расчетным данным, I = 221 Вт/м2 при кс = 50°.
Для нового контейнера, окрашенного в белый цвет, имеем
Чад = 03 • (723 • 0,2 + 221- 0,24) = 3,2°С, 18
для проработавшего 6 лет контейнера
Д ^ад = 075 • (723 • 0,2 + 221- 0,24)=8,23 °С. 18
Изменение температуры на поверхности кузова контейнера в зависимости от состояния окрашенной поверхности составляет 5,03 °С.
Расчеты показали, что условное повышение температуры Дtрад кузова свежеокрашенных рефрижераторных вагонов или контейнеров примерно в 2,5 раза меньше, чем вагона перед ремонтом, т. е. за несколько лет эксплуатации поверхность кузова темнеет, загрязняется, особенно крыша.
Заключение
В настоящей работе установлено, что солнечная радиация оказывает большое влияние на температурный режим в кузове, и ее необходимо учитывать при расчете ограждений рефрижераторных вагонов и контейнеров.
Кузова рефрижераторных вагонов, особенно крышу и боковые стены, рекомендуется окрашивать в белый или бледно-желтый цвет для лучшего отражения солнечных лучей.
Библиографический список
1. Правила перевозок железнодорожным транспортом скоропортящихся грузов. - Приказ от 18.06.2003 г. № 37. - URL : http://doc.rzd.ru/doc/pub-Нс/ги?/Ж4Ц (дата обращения : 01.08.2018).
2. Ефимов В. В. Условия подготовки и перевозки скоропортящихся грузов : учеб. пособие / В. В. Ефимов. - СПб. : ПГУПС, 2003. - 124 с.
3. Панферов В. Н. Справочник-пособие по перевозке скоропортящихся грузов / В. Н. Панферов ; под ред. В. Н. Панферова. - М. : РОО «Техинформ», 2007. - 308 с.
4. Чурков Н. А. Холодильные перевозки и содержание изотермического подвижного состава / Н. А. Чурков. - М. : Желдориздат, 2006. - 310 с.
5. Китаев Б. Н. Тепловое воздействие солнечной радиации на вагоны / Б. Н. Китаев. - М. : Трансжел-дориздат, 1962. - 32 с.
6. Бартош Е. Т. Энергетика изотермического подвижного состава / Е. Т. Бартош. - М. : Транспорт, 1976. - 304 с.
7. Лобасова М. С. Тепломассообмен : курс лекций / М. С. Лобасова, К. А. Финников, Т. П. Милодо-ва и др. - Красноярск : ИПК СФУ, 2009. - 295 с.
8. Алямовский И. Г. К расчету физиологического тепла, выделяемого при охлаждении плодов и овощей / И. Г. Алямовский // Холодильная техника. -1969. - № 8. - С. 22-23.
9. Корнилов Э. В. Рефрижераторный контейнер : учеб. пособие / Э. В. Корнилов, П. В. Бойко, В. Н. Белый, Э. И. Голофастов. - Л. : Морской транспорт, 2008. - 152 с.
10. Ефимов В. В. Теплотехнический расчет рефрижераторных транспортных модулей : Методические указания / В. В. Ефимов. - СПб. : ПГУПС, 2003. - 64 с.
References
1. Pravila perevozok zheleznodorozhnym transportom skoroportyashchikhsya gruzov [Railroad transportation rules of perishable loads]. Regulation dated 18.06.2003 no. 37. URL: http://doc.rzd.ru/doc/pub-lic/ru?/N44U, (accessed: 01.08.2018). (In Russian)
2. Efimov V. V. Usloviya podgotovky i perevozky skoroportyashchikhsya gruzov [Arrangement and transportation conditions of perishable loads]. Ucheb-noye posobiye [Tutorial]. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., 2003, 124 p. (In Russian)
3. Panferov V. N. Spravochnik-posobiye po perevoz-ke skoroportyashchikhsya gruzov [A reference book on perishable traffic]. Ed. by V. N. Panferov. Moscow, ROO "Tekhinform" Publ., 2007, 308 p. (In Russian)
4. Churkov N. A. Kholodilniye perevozky i soder-zhaniye izotermicheskogo podvizhnogo sostava [Refrigerated hauling and maintenance of refrigerated rolling stock maintenance]. Moscow, Zheldorizdat Publ., 2006, 310 p. (In Russian)
5. Kitayev B. N. Teplovoye vozdeistviye solnechnoy radiatsii na vagony [Thermal effect of solar radiation on railroad cars]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1962, 32 p. (In Russian)
6. Bartosh E. T. Energetika izotermicheskogo podvizhnogo sostava [The refrigerated rolling stock: energy profile]. Moscow, Transport Publ., 1976, 304 p. (In Russian)
7. Lobasova M. S., Finnikov K. A., Milovidova K.A. et al. Teplomassoobmen [Heat and mass exchange]. Course of lectures. Krasnoyarsk, IPK SFU (Publishing and Printing Complex Siberian Federal University) Publ., 2009, 295 p. (In Russian)
8. Alyamovskiy I. G. K raschetu fiziologicheskogo tepla, vydelyayemogo pry okhlazhdenii plodov i ovosh-chey [On calculations of physiological heat evolved by fruit and vegetables under cooling]. Kholodilnaya tekhnika [Refrigeration engineering], 1969, no. 8, pp. 22-23. (In Russian)
9. Kornilov E. V., Boiko P. V., Beliy V. N. & Golo-fastov E. I. Refrizheratorniy konteiner [Refrigerator container]. Uchebnoye posobie [Tutorial]. Leningrad, Morskoy transport [Naval operations] Publ., 2008, 152 p. (In Russian)
10. Efimov V. V. Teplotekhnicheskiy raschet refri-zheratornykh transportnykh moduley [Heat engineering calculations for refrigerated transport modules]. Me-todicheskie ukazaniya [Guidelines]. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., 2003, 64 p. (In Russian)
АБДУЛЛАЕВ Бахром Актамович - аспирант, baxrom86@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
