Разработка и исследование энергетических систем для железнодорожных перевозок скоропортящихся грузов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

разработка и исследование энергетических систем для железнодорожных перевозок скоропортящихся грузов

Специальность 05.14.01- Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Науменко Сергей Николаевич

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Минаев Борис Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Венгер Клара ПетровнаЛебедев Виталий Матвеевич

доктор технических наук

Мазурин Игорь Михайлович

доктор технических наук, профессор

Сидоров Юрий Павлович

Ведущая организация: Институт энергетических исследований РАН

Защита диссертации состоится «19» декабря 2008 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.08 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 15., ауд. 2516

Автореферат разослан «19» сентября 2008 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.005.08,

доктор технических наук, профессор ______________ Е.Ю. Логинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Жизненный уровень населения во многом определяется состоянием продовольственного товарообмена, основным звеном которого является специализированный транспорт. Именно от качества применяемых транспортных средств и высокоорганизованных технологий перевозок в них скоропортящихся грузов (СПГ), главным образом, зависит продовольственная безопасность любой страны.

Беспрецедентная дальность перевозок, недостаточная развитость сети автомобильных дорог, климатические особенности, затрудняющие использование водного транспорта, сделали железную дорогу стратегическим перевозчиком продовольственных грузов.

На железнодорожном транспорте для этих целей сформирована специальная инфраструктура, техническая база которой опирается на сеть рефрижераторных вагонных депо, эксплуатационных участков и погрузочно-разгрузочных региональных центров, а также на заводы по ремонту изотермических вагонов, пункты экипировки рефрижераторного подвижного состава и пункты технического обслуживания автономных рефрижераторных вагонов (АРВ). Непосредственно для перевозки СПГ используются сложные энергетические системы, состоящие из одиночных вагонов-термосов и многовагонных комплексов, включающих в себя служебный вагон с дизель-электростанцией и несколько теплоизолированных грузовых вагонов, оснащенных холодильно-отопительным и вентиляционным оборудованием. Работа оборудования, а также элементов регулирования и автоматики, теснейшим образом связана с процессами, происходящими в грузовом помещении (изменение температуры груза, биологическое тепловыделение, образование инея и т.д.) и тепломассообменом через ограждающие конструкции.

Сегодня железнодорожный хладотранспорт ежегодно перевозит около 13 млн. т. пищевых и скоропортящихся грузов.

Вместе с тем в настоящее время все существующие на железнодорожном рынке перевозок скоропортящихся грузов специализированные транспортные средства (СТС) морально устарели и физически изношены. Несоответствие современным рыночным условиям, в первую очередь, из-за избыточности грузовместимости, приводит к тому, что часть традиционных для железных дорог объемов перевозок СПГ переходит на малотоннажный, но более дорогой в эксплуатации автомобильный транспорт с соответствующим увеличением стоимости доставляемых населению продуктов питания.

Оценка качества используемых для перевозок скоропортящихся грузов СТС общепринятыми в мире методами, обязательными для выполнения и Российской Федерацией, в силу их продолжительности, не вписывающихся в технологические процессы ремонта вагонов, не производится. Это приводит к снижению качества доставляемых населению продовольственных грузов при одновременном повышении износа энергетического оборудования СТС.

Начиная с 1993 года, прекращена поставка специализированных вагонов на сеть железных дорог и их совершенствование.

С 2000 года в соответствии с принятыми решениями стран-участниц Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, а впоследствии и с ратификацией Российской Федерацией в 2005 году Киотского протокола, специализированные вагоны перестали соответствовать и экологическим критериям, оказывая негативное влияние на окружающую среду.

Сложившаяся ситуация на железнодорожном рынке перевозок СПГ определила необходимость исследования и разработки ускоренных методов оценки качества СТС, повышения их экологической безопасности и эффективности работы, формирования новой постановки проблемы в этой области, связанной с разработкой и созданием малотоннажных контейнерных систем и совершенствованием в связи с этим железнодорожной инфраструктуры.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование СТС для железнодорожных перевозок скоропортящихся грузов с учетом требований современной рыночной ситуации.

Задачи исследования, которые поставлены и решены в работе для достижения цели:

выполнен анализ конструктивных особенностей СТС, а также объемов и направлений перевозок в них скоропортящихся грузов по железным дорогам;

сформированы теплотехнические и экологические требования к СТС;

выполнен анализ применяющихся методов оценки теплотехнических свойств СТС, предназначенных для перевозок СПГ, и разработаны на их основе экспресс-методы;

разработаны способы повышения экологической безопасности и эффективности работы СТС с учетом современных международных требований по экологии и ресурсосбережению, а также действующей на железных дорогах системы технического обслуживания и ремонта;

разработаны основные технические положения концепции последовательного перехода на сети железных дорог к перевозкам СПГ в специализированных контейнерных комплексах;

разработаны и созданы СТС на базе крупнотоннажных изотермических и рефрижераторных контейнеров, отвечающих современной рыночной ситуации, теплотехническим и экологическим требованиям, а также условиям железнодорожной инфраструктуры;

проведен комплекс стационарных и эксплуатационных испытаний разработанных СТС, как в целом, так и отдельных узлов;

выполнена оценка технико-экономической эффективности от внедрения предложенных в работе технических и технологических решений.

Методы исследований. В диссертации применялись: методы математического и физического моделирования, общие принципы технической термодинамики и теории подобия, методы статистической обработки эмпирических данных.

Достоверность результатов сформулированных в диссертации теоретических положений, расчетов и экспериментальных данных подтверждается их совпадением, а также высокой согласованностью с общими результатами исследований, выполненных в разные годы ведущими причастными научными и производственными коллективами, такими как: ВНИИЖТ, ГосНИИВ, НИИАС, филиал ОАО «Российские железные дороги» - Рефсервис и другими организациями при стендовых испытаниях, испытаниях на экспериментальных полигонах и в условиях эксплуатации.

Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных в диссертации, заключается в том, что:

разработаны новые экспресс-методы оценки качества предназначенных для перевозок скоропортящихся грузов СТС, впервые открывающие возможность их практического применения в действующих технологиях ремонта;

разработаны технологии по снижению вредного воздействия СТС на окружающую среду и повышению эффективности их работы при перевозке скоропортящихся грузов;

концептуально сформулированы основные технические положения новой постановки проблемы перевозок скоропортящихся грузов по железным дорогам с использованием энергетических систем на базе крупнотоннажных специализированных контейнерных комплексов;

впервые разработаны, изготовлены и адаптированы на сети железных дорог перспективные конструкции СТС, отвечающие современной рыночной ситуации, теплотехническим и экологическим требованиям, а также условиям железнодорожной инфраструктуры;

исследовано влияние технических и технологических решений, использованных при совершенствовании железнодорожной инфраструктуры, а также создании СТС на базе вагонных и контейнерных энергетических систем на их финансово-экономические и инвестиционные показатели.

Практическая значимость работы состоит в том, что новые экспресс-методы оценки качества предназначенных для перевозок скоропортящихся грузов СТС дали возможность рекомендовать их вагоноремонтным предприятиям для использования в технологических процессах;

новые технические решения и технологии повышения эффективности и экологической безопасности СТС, применяющихся для перевозок скоропортящихся грузов, позволили обеспечить их бесперебойную эксплуатацию и снижение вредного воздействия на окружающую среду вплоть до окончания срока службы;

технические положения новой постановки проблемы перевозок скоропортящихся грузов по железным дорогам с использованием СТС на базе специализированных контейнерных комплексов, отвечающих современной рыночной ситуации, теплотехническим и экологическим требованиям, а также условиям железнодорожной инфраструктуры, позволила начать их промышленное освоение предприятиями ОАО «РЖД» и модернизировать элементы инфраструктуры;

разработанные и созданные перспективные конструкции специализированных контейнерных комплексов дали возможность получения новых знаний, полезных, как для использования в учебном процессе высшей школы, так и для создания в дальнейшем СТС нового поколения.

Реализация работы.

Разработанные технические решения и технологии реализованы на сети железных дорог Российской Федерации и в ряде независимых государств.

Результаты исследования использованы:

1) в руководящих документах МПС России, ОАО «РЖД» и правительства Москвы:

программа создания и испытаний опытной партии отечественных крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа 1АА (МПС России, 1999 г.);

энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г. (ОАО «РЖД», 2003 г.);

актуализация энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г. (ОАО «РЖД», 2008 г.);

целевая среднесрочная программа города Москвы «Продовольственный холод 2004-2006 гг.» (постановление правительства Москвы от 07.10.03 г. № 834-ПП).

2) в нормативно-методических документах:

технология перекачки, заправки и эксплуатации холодильного оборудования рефрижераторного подвижного состава, переведенного на оптимизированный состав хладагента С10М1 (Рефсервис МПС, 2003 г.);

3) в проектно-технологической документации:

паспорт «Поезд контейнерный 17-ти вагонный» (МПС России, 2000 г.);

система энергоснабжения 9-ти вагонного контейнерного поезда (ОАО «РЖД», 2003 г.);

система управления рефрижераторного контейнера «Квазар-2» (МПС России, 2002 г.);

теплоизолированный корпус изотермического отапливаемого контейнера типа СКР-5-40-1АА (МПС России, 2000 г.);

холодильно-отопительная установка типа РК-45 для рефрижераторного контейнера. ТУ 32 ЦВ-2483-99 (МПС России, 1999 г.);

отопительный агрегат холодильно-отопительной установки типа РК-45 для рефрижераторного контейнера. ТУ 32 ЦВ-2483-99 ДТУ (МПС России, 2000 г.);

электроснабжение крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа 1АА на станции Краснодар-Сортировочная (ОАО «Кубаньэнергопроект», 2001 г.)

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались и были одобрены:

1) на международных научно-технических семинарах: «Съвременните технологии в руския жп транспорт» (Болгария, г.София, 2007 г.), «Контейнеры и грузы» (г.С-Петербург, 2003-2005 гг.), «Современные технологии на железнодорожном транспорте России» (Польша, г.Варшава, 2004 г.), «Проблемы перехода сервисного обслуживания холодильной техники на озонобезопасные хладагенты» (г.Москва, 1998 г.).

2) на всероссийских и международных научно-технических конференциях и сессиях: «ВНИИЖТ - транспорту. Научные проблемы технического развития железнодорожного транспорта» (г.Москва, ВНИИЖТ, 2008 г.), «Объединенная научная сессия советов РАН по проблемам «Тепловые режимы машин и аппаратов», «Теплофизика и теплоэнергетика», «Химико-физические проблемы энергетики»» (г.Москва, МИИТ, 2007г.), «Экологическая безопасность и энергосбережение на транспорте» (Белоруссия, г.Гомель, БелГУТ, 2006 г.), «Инновации ОАО «РЖД»-2004» (г.Щербинка, Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, 2004 г.), «Sъиasnл problлmy v koеajovэch vozidlбch» (Словакия, г.Жилина, 2003 г.), «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала» (г.Москва, МИИТ, 2003г.), «Охрана окружающей среды на транспорте и в промышленности» (Белоруссия, г.Гомель, БелГУТ, 2001 г.), «Экономия ТЭР на железных дорогах - текущие и перспективные задачи» (г.Щербинка, Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, 2000 г.), «Проблемы безопасности на транспорте» (Белоруссия, г.Гомель, БелГУТ, 2000 г.), «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г.Москва, РГОТУПС, 2000 г.), «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (г.Ростов на Дону, ДИИТ, 1998 г.).

3) на 59-, 60- и 62-й сессиях ЕЭК ООН комитета по внутреннему транспорту (Швейцария, г.Женева, 2003, 2004, 2006 гг.), на заседаниях межведомственной комиссии по охране озонового слоя (г.Москва, Госкомэкология России, 1996-2000 гг.).

4) на расширенных заседаниях кафедры «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта» (г.Москва, МИИТ, 2006-2008 гг.), на научно-технических совещаниях комплексных отделений «Тяга поездов и экономия топливно-энергетических ресурсов» и «Вагоны и вагонное хозяйство» (г.Москва, ФГУП ВНИИЖТ МПС России, 1996-2007 гг.) и отделения «Электрификация и энергоснабжение железных дорог» (г.Москва, ОАО «ВНИИЖТ» 2007-2008 гг.).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 51 печатной работе, включая 18 патентов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и предложений, списка литературы из 142 наименований и приложений. Работа изложена на 260 с., проиллюстрировано 51 рис. и 48 табл. Приложения на 200 с.

перевозка холодильный теплотехнический железнодорожный

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы, определены направления исследований.

В первой главе изложены современные теплотехнические и экологические требования к СТС, используемых для перевозок скоропортящихся грузов; дан анализ сложившейся на железных дорогах России структуры специализированных транспортных средств и перевозок в них СПГ; представлены конструктивные особенности СТС и их соответствие современной рыночной ситуации, теплотехническим, экологическим требованиям и условиям железнодорожной инфраструктуры; сформулированы цели и задачи исследований.

Вопросам разработки СТС и перевозок в них скоропортящихся грузов посвящены работы д.т.н.: В.М. Алексенко, Е.Т. Бартоша, Н.Н. Ибрагимова, И.М. Калниня, Б.Н. Минаева, В.К. Мироненко, М.Н. Тертерова и др.; к.т.н. О.А. Ворона, В.П. Гольцева, И.П. Екимовского, К.В. Иванова, Л.Я. Левенталя, Н.Е. Лысенко, В.И. Смыслова, В.И. Панферова, В.Н. Панферова, Н.С. Теймуразова и др.

Ключевыми теплотехническими и экологическими требованиями к СТС, предназначенным для перевозок скоропортящихся грузов сегодня являются требования, сформулированные в «Соглашении о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок» (СПС). В соответствии с уровнем развития специализированной транспортной техники и появляющимися на рынке новыми технологиями перевозок СПГ, изложенные в СПС требования ежегодно корректируются на заседаниях комитета по внутреннему транспорту европейской экономической комиссии при организации объединенных наций (ЕЭК ООН).

По состоянию на 2008 год, сторонами СПС, действующего с 1970 года, являются 40 стран мира, включая США и Россию. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 08.06.01 года №788-р требования СПС обязательны для выполнения при допуске специализированных транспортных средств к перевозкам скоропортящихся грузов.

Согласно СПС все специализированные транспортные средства должны проходить контроль перед сдачей их в эксплуатацию, а также периодически, не реже чем один раз в шесть лет на соответствие следующим основным критериям:

качество теплотехнических свойств кузова, характеризуемое, главным образом, величиной коэффициента теплопередачи - К (Вт/м2 · К) (для допуска к перевозке пищевых продовольственных продуктов К кузовов СТС, оснащенных энергетическим оборудованием, не должен превышать значения 0,4 Вт/м2 · К и быть не выше 0,7 Вт/м2 · К - у кузовов СТС, не имеющих энергетического оборудования);

эффективность работы холодильно-отопительных установок (ХОУ) и обязательное наличие в них экологически безопасных хладагентов с минимальными значениями потенциалов: ODP (истощения озонового слоя относительно R11) и GWP (глобального потепления относительно СО2) (актуальность этих критериев возросла после 2000г., с момента закрытия в стране промышленных предприятий по выпуску хладона 12 (R12) в соответствии с решениями стран-участниц Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, а впоследствии и с ратификацией Российской Федерацией в 2005 году Киотского протокола).

Действовавшее в СССР государственное планирование поставок продовольственных грузов и система централизованного снабжения крупных городов и промышленных районов продуктами питания определили железнодорожную структуру СТС в пользу группового рефрижераторного подвижного состава (ГРПС) с долей 94%.

Это 5-ти вагонные рефрижераторные секции типа ЦБ и БМЗ, состоящие из вагона с дизель-электростанцией и обслуживающей бригадой, а также четырех грузовых вагонов, оснащенных ХОУ, системой воздухораздачи и элементами регулирования и автоматики, общей грузоподъемностью в зависимости от типа секции от 184 до 200 т.

После раздела в 1994 г. вагонного парка с бывшими союзными республиками доля ГРПС составила 83%, оставшаяся часть пришлась на автономные рефрижераторные вагоны (АРВ) и вагоны-термосы грузоподъемностью от 42 до 60 т.

В 90-х г.х прошлого века рыночные отношения в короткий срок изменили весовую структуру перевозок скоропортящихся грузов. Вместо отправок СПГ крупными партиями - до 200 т. - стали востребованы отправки массой около 25 тонн.

Для повышения эффективности использования парка с 1997 г. большая часть грузовых вагонов ГРПС, а также АРВ путем демонтажа ХОУ переоборудуется в одиночные вагоны для перевозки грузов в режиме «термос» (ИВ-термосы). Частные компании-операторы используют для этих целей также крытые вагоны, утепляемые по имеющимся технологиям. В результате в эксплуатационном парке ОАО «РЖД» доля ГРПС и вагонов-термосов стала составлять 36 и 64% соответственно. Структура АРВ в силу нерентабельности упразднена.

В связи с произошедшими изменениями общий объем перевозок СПГ начал стабильно увеличиваться, главным образом, за счет привлечения термосопригодных грузов: соков, пива, вина, минеральной воды, безалкогольных напитков.

Напротив, доля перевозок СПГ, требующих вентилирования, таких как фрукты, овощи, а также охлаждения или отопления - рыба, мясо при дальних перевозках, существенно уменьшилась, что можно видеть из представленных в табл. 1 данных.

Таблица 1

Структура перевозок СПГ в специализированном подвижном составе ОАО «РЖД»

№ п/п	Наименование груза	% в общей доле СПГ
		2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007
1	Рыба	29	22	17	11	12	8	8
2	Мясо и субпродукты	22	17	14	13	15	15	12
3	Пиво, вино, водка	16	16	19	25	26	29	45
4	Соки, напитки безалкогольные	5	15	19	20	20	19	16
5	Фрукты, овощи	12	8	7	7	6	7	4
6	Продукция маргариновая	3	2	3	3	3	5	3
7	Консервы	5	4	3	3	3	3	4
8	Кондитерские изделия	5	3	3	3	2	2	2
9	Прочие	3	13	14	15	13	12	6

По экспертным оценкам сегодня доля СТС в железнодорожном парке достаточна для удовлетворения потребностей населения в перевозках СПГ.

В то же время следует отметить, что существующие на железных дорогах специализированные транспортные средства уже морально и физически устарели и в ближайшее время не смогут в полной мере удовлетворить эти потребности.

Средний возраст вагонов, построенных еще во времена СССР, составляет более 20 лет. В зависимости от года выпуска ежегодное их выбытие по сроку службы определяется в среднем тысячью единиц. Пополнение эксплуатационного парка новыми вагонами прекращено в 1993 году. Вагоностроительные заводы Германии и России, ранее выпускавшие специализированный подвижной состав для МПС, в настоящее время перепрофилированы. Как показали исследования, сложившаяся ситуация способна привести к практически полной утрате специализированных транспортных средств в ближайшие пять лет!

Между тем, представляется очевидным, что качество перевозимых СПГ в значительной степени определяется возможностями термоизоляции кузова и способностью холодильно-отопительных установок СТС поддерживать необходимый температурный режим. Проверка соответствия параметров ХОУ требуемым значениям выполняется регулярно в соответствии с правилами плановых ремонтов этого оборудования. Проверка же теплоизоляционных свойств кузовов вагонов, как правило, отсутствует. Из-за большой длительности (несколько суток) испытаний по определению коэффициента теплопередачи эти работы не вписываются в технологический цикл плановых ремонтов. Поэтому коэффициент К определялся выборочно даже на заводах-изготовителях специализированных вагонов. При отлаженной технологии заводского изготовления вагонов эта вынужденная мера не приводила к ощутимым отрицательным результатам. Однако, как было показано выше, существует практика использования для перевозок продовольственных грузов ИВ-термосов, переоборудованных из старых рефрижераторных вагонов, утепленных крытых вагонов и пр. В этом случае выборочное определение К не может служить приемлемым методом контроля даже при отлаженной технологии переоборудования вагонов, так как реконструкции подвергаются вагоны с различными, заведомо неизвестными теплотехническими параметрами. Это значит, что необходим контроль коэффициента К каждого переоборудованного вагона (сплошной контроль).

Положение усугубляется и тем обстоятельством, что в стране исчерпаны запасы хладона 12, являющегося базовым хладагентом в холодильно-отопительных установках ГРПС. Необходимость пополнения ХОУ указанным хладоном вынуждает собственников подвижного состава использовать для этого контрафактные продукты, нелегально поставляемые в Российскую Федерацию из стран с «переходной» экономикой. Применение в холодильном оборудовании ГРПС хладагентов сомнительного качества негативно отражается на его работе.

Таким образом, сегодня по железным дорогам перевозятся СПГ как в неспециализированном подвижном составе, так и в специализированном, срок службы которого подходит к концу. Находящиеся в эксплуатации вагоны не соответствуют современным экологическим требованиям, а качество изотермических свойств их кузовов не определяется, прежде всего, из-за отсутствия экспресс-методов определения коэффициента теплоперадачи.

Во второй главе дана характеристика коэффициента теплопередачи (К), как показателя при определении качества СТС в соответствии с международными соглашениями, выполнена оценка точности определения величины К по признанному в мире равновесному методу, исследованы способы определения К с помощью известных неравновесных методов, на основе которых разработаны и апробированы экспресс-методы определения коэффициента теплопередачи по процессам нагрева и остывания кузова СТС.

В соответствии с международным соглашением (СПС) под коэффициентом теплопередачи кузова СТС понимают приведенный коэффициент теплопередачи, оценивающий суммарный тепломассообмен груза и воздуха в грузовом помещении СТС с внешней средой. Тем самым, эту величину рассматривают как произведение истинного (преимущественно кондуктивного) коэффициента теплопередачи К на коэффициент инфильтрации в, учитывающий увеличение теплообмена в связи с переносом тепла инфильтрирующими массами воздуха.

За основной метод определения К принимается метод внутреннего подогрева с выходом системы на равновесный тепловой режим.

Сущность этого метода состоит в следующем.

В грузовом помещении устанавливают электрические нагреватели, мощность и, следовательно, тепловыделение которых постоянно измеряют. По мере подвода тепла температура Тi в кузове СТС повышается до некоторого сравнительно стабильного (равновесного) значения. При достижении этого режима фиксируются внутренняя и наружная Те температуры воздуха и мощность Р теплового источника. Определение величины Кпр производится по формуле:

(1)

где Р - тепловая мощность, принимаемая постоянной на участке равновесного режима;

- разность температур внутри и снаружи j-го элемента ограждения;

Hj - средняя площадь поверхности j-го элемента ограждения;

- разность осредненных внутренней и наружной температур;

- среднегеометрическая площадь поверхности ограждения.

В соответствии с СПС применение равновесного метода предполагает проведение испытаний в специальных испытательных станциях, температура и влажность в которых максимально возможно стабилизируются в период опыта. Специальными устройствами поддерживается практически на постоянном уровне и мощность источников тепла. Для определения К выбираются два расчетных трехчасовых периода в начале и в конце двенадцатичасового промежутка с примерно постоянной температурой внутри кузова СТС. Величины коэффициентов теплопередачи, полученные в эти трехчасовые периоды, не должны отличаться между собой более чем на ±3%.

Для определения погрешности измерений обычно используется метод общей допустимой погрешности:

е = ± (2)

или абсолютной погрешности:

еm= (3)

где: ДН, ДР и ДТ - соответственно погрешности измерения величин Н, Р и Т.

Поскольку к настоящему времени в Российской Федерации не зарегистрировано ни одной испытательной станции для железнодорожных СТС, результаты испытаний по определению К на которой официально могли бы быть признаны странами - участницами СПС, была выполнена оценка погрешности измерений при испытании рефрижераторных вагонов вне станции, а именно на путях отапливаемого в зимнее время цеха по методике СПС.

В результате абсолютная погрешность эксперимента составила 3,11%, а общая допустимая 1,91%, что на 0,11 и 0,21 соответственно превышают заданные СПС значения. Превышение погрешностей эксперимента по отношению к требованиям СПС, составляет десятые доли процента, что может считаться вполне приемлемым для практической оценки теплотехнических свойств СТС.

Вместе с тем, опыты по определению К равновесным методом длительны, трудоемки и связаны со значительными простоями испытуемого транспортного средства. Только непосредственно эксперимент продолжается порядка 72 часов.

В связи с этим, ранее предпринимались многочисленные попытки определения К при помощи менее длительных неравновесных методов, основанных на исключении из программы испытаний периода установившегося стационарного режима теплопередачи.

Однако до настоящего времени они не получили широкого внедрения, главным образом, из-за значительных погрешностей при проведении опытов и обработке их результатов. После выделения в 1997 году из состава МПС России специализированного предприятия «Рефсервис» и передачи ему федерального парка рефрижераторных вагонов и вагонов-термосов, для этого предприятия актуальность оценки теплотехнических свойств собственных вагонов уменьшилась. На первое место вышли финансовые показатели работы парка. Тем не менее, в те годы были разработаны два нестационарных метода, один из которых даже был внедрен на вагоноремонтном заводе.

На рис. 1 показаны в сопоставлении графики изменений во времени ф перепада температур воздуха внутри и снаружи кузова СТС при реализации вышеупомянутых методов 1 и 2. Суть первого заключается в нагреве воздуха внутри кузова СТС при помощи источника тепла, мощность которого измеряют в процессе нагрева до установления некоторого регулярного режима теплопередачи, характеризуемого постоянством изменения температур. Затем в отключении в этот момент источника тепла, регистрации перепада температур воздуха внутри и снаружи кузова СТС в процессе его естественного остывания, и в стадии режима, регулярного по темпу охлаждения, определении установившегося значения перепада температур и расчете на основании его коэффициента теплопередачи. К недостаткам метода можно отнести необходимость достижения регулярного режима теплопередачи, что соответственно приводит к достаточно большим затратам времени и энергии. Кроме того, весьма сложным является точное определение момента установления стационарного режима теплопередачи, что также затрудняет реализацию метода.



Рис. 1 Графики нагрева и охлаждения воздуха в кузове ЖЭС

Второй метод, реализованный на вагоноремонтном заводе, основан на том обстоятельстве, что процессы нагрева и остывания воздуха в кузове СТС состоят каждый из двух стадий - нерегулярного и регулярного режима, которые отличаются друг от друга характером изменения темпа нагрева (остывания).

На регулярных участках изменение темпа перепада температур происходит в соответствии с известным дифференциальным уравнением теплового баланса вида:

(4)

где: - темп изменения перепада температур;

W - водяной эквивалент кузова СТС

В связи с тем, что W и КН являются физическими константами кузова, уравнение (4) в координатах - представляет собой уравнение прямой.

Вместе с тем при разработке метода было определено, что в начальный, нерегулярный период нагрева или остывания вследствие наличия тепловой инерции кузова характер изменения отклоняется от установленного уравнением (4). Это изменение происходит в соответствии с уравнением типа:

, (5)

где А и В - постоянные коэффициенты

Переход от нерегулярного режима к регулярному происходит в точке касания прямой вида (4) и кривой вида (5). Решение уравнений вида (5) для этапов нагревания и остывания совместно с уравнениями касательных к этим кривым вида (4), характеризующих стадию регулярного по темпу изменения перепада температуры режима, дало возможность исследователям после ряда преобразований получить выражение для определения коэффициента теплопередачи, в котором К является функцией параметров А и В нестационарных участков нагрева и остывания и при использовании которого не требуется достижения как регулярного, так и стационарного по темпу нагрева или остывания режимов теплопередачи.

Оценка точности определения К описанным выше методом выполнена путем сравнения величин К, полученных для одних и тех же рефрижераторных вагонов в равновесном режиме и экспресс-методом. Как показали результаты обработки опытных данных, разности значений К, полученных по равновесному и экспресс- методу не превышают максимальной погрешности +10%, установленной СПС для методов определения К путем внутреннего охлаждения, но уступают по точности методам определения К путем внутреннего обогрева (+5%).

По-существу, рассмотренные выше экспресс-методы действительно позволяют значительно сократить длительность процесса определения К, относительно продолжительности по равновесному методу, но не дают достаточной точности результатов из-за разобщенности нерегулярных и регулярных процессов.

Повышение точности получаемых результатов, а также уменьшение трудоемкости аппроксимации опытных кривых может быть достигнуто следующим образом.

Известно, что регулярным режимом процесса теплопроводности называют точное соответствие изменения температурного перепада экспоненциальной функции от температуры. Этот процесс характеризуется линейной зависимостью натурального логарифма разности температур от времени. Как показали специальные исследования, реальные процессы нагрева и охлаждения не содержат крупномасштабных участков регулярных режимов. Поэтому, сущность предлагаемого метода состоит в том, чтобы на опытных данных последовательного нагрева и охлаждения выбрать участки, наиболее близкие к регулярному режиму и совместно их использовать для определения искомого коэффициента теплопередачи.

Процесс нагрева следует осуществлять мощностью 5…7 кВт в течение 10-12 часов, в зависимости от величины поверхности нагрева ограждения. Далее мощность снижается до 2…3 кВт и остывание системы длится также 10-12 часов. Каждый час производятся измерения не менее 12 точек температуры внутри и снаружи транспортной системы (в соответствии с СПС) и вычисляется разность температур .

Предлагаемый метод поясняется графическим изображением. На рис. 2 представлены графики процесса нагрева и охлаждения в виде кривых экспоненциальной функции и регулярных прямых в полулогарифмических координатах ln - ф. Здесь: Д - характеристика отклонения реального процесса от регулярного; = ti-te - разность температур внутри и снаружи СТС; ф - отсчет времени.

Интервалы исследуемых процессов были выбраны по 4 часа, с тем, чтобы располагать опытным значением ?n в среднем времени интервала. Для выбора расчетных участков воспользуемся следующими значениями: среднего значения ?n, как полусуммы при регулярном режиме:

?n = (?n1 + ?n2), (6)

и опытного значения ?n при среднем времени интервала ?nф/2.

Рис. 2 Графическое изображение сущности предлагаемого метода

Тогда:

Д= (?n1 + ?n2) - ?nф/2 = ?n - ?nф/2 (7)

Для формирования уравнений регулярного режима на выбранных участках используем дифференциальное уравнение теплового баланса, принимая неизменными величину коэффициента теплопередачи К и водяного эквивалента системы W.

В процессе нагрева тепловой баланс характеризуется тем, что подведенная мощность - Рн (н - индекс нагрева) расходуется на повышение энтальпии системы и на передачу тепла окружающей среде:

Рнdф=Wdи + KHиdф; (8)

Условие линейности регулярного режима:

= (- КH) ; (9)

где =- средняя геометрическая температура интервала (i - индекс времени начала интервала нагрева).

Заменяя = d?nи и интегрируя, получим:

?n и- ?n и = (- КH) ; (10)

Процесс остывания характеризуется тем, что значительно уменьшенная мощность нагрева и возврат тепла системой расходуются на теплопередачу окружающей среде:

Pоdфо+Wdио= КHиоdфо (11)

Преобразуя, как и ранее, и интегрируя, имеем (j - индекс, относящийся к интервалу остывания):

?nио j - ?n ио,j+4 = (КН - ); (12)

где

=

Решая совместно интегральные уравнения регулярных режимов, получаем искомое выражение для определения коэффициента теплопередачи ().

К = ; (13)

и

, (14)

где:

- отношение разности натуральных логарифмов значений температурных напоров и на границах выбранного участка нагрева к аналогичной разности для участка остывания;

Результаты расчета, представленные в табл. 2, показывают высокую точность определения К по сравнению с равновесным методом.

Таблица 2

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных

№ опыта	Значение К по равновесному методу	Значение К по предложенному методу	д, %
1	0,531	0,5299	0,2
2	0,423	0,4302	-1,7
3	0,472	0,4765	-1,0
4	0,569	0,5885	-3,4
5	0,452	0,4701	-4,0
6	0,562	0,5785	-2,9

Кроме представленного экспресс-метода, также разработан метод, позволяющий еще более снизить длительность испытаний: с 24 часов до 8…12 часов за счет упразднения процесса остывания воздуха в кузове вагона.

Упразднение процесса остывания по предлагаемому методу достигается за счет того, что найдена возможность один и тот же процесс нагрева воздуха в кузове СТС, соответствующий нагреву по вышеупомянутому экспресс-методу, дважды аппроксимировать двумя разными уравнениями типа:

, (15)

которые с точки зрения конечного результата адекватно заменяют участки нерегулярного нагрева и остывания. Совместное решение уравнений предлагаемых двух аппроксимаций нерегулярного участка нагрева и касательной вида (4) к этим кривым, соответствующей стадии регулярного режима нагрева, после некоторых преобразований позволяет получить зависимость искомого коэффициента теплопередачи К от параметров А и В уравнений, аппроксимирующих нерегулярный участок нагрева воздуха в кузове транспортного средства:

, (16)

где Ап, Вп, Ау, Ву - константы аппроксимирующих уравнений;

п, у - индексы, соответствующие полному и усеченному рядам аппроксимируемых значений времени и перепадов температур.

Таким образом, использование разработанных экспресс-методов для определения коэффициента теплопередачи СТС позволяет существенно (в разы) по сравнению с равновесным методом сократить время проведения испытаний, увеличив тем самым производительность испытательных станций.

В третьей главе представлен способ повышения экологической безопасности СТС, выполнен анализ развития производственных мощностей имеющихся на рынке холодильных агентов, научно обоснован выбор озоносберегающего аналога хладону 12 для оборудования СТС, проведено моделирование работы установок СТС на выбранном хладагенте, разработаны технологии повышения экологической безопасности и энергосбережения при эксплуатации СТС, связанные с заменой штатного хладагента и его последующим обогащением поверхностно-активными веществами, представлены результаты экспериментальных, стендовых и эксплуатационных испытаний СТС.

В соответствии с требованиями СПС эксплуатируемое на сети железных дорог рефрижераторное транспортное средство должно содержать эффективную ХОУ, выполненную в экологически безопасном варианте. Несоблюдение этого условия резко снижает конкурентоспособность СТС на рынке перевозок скоропортящихся грузов, ограничивая их перемещение, особенно, в международных транспортных коридорах.

Наиболее оптимальным и экономически оправданным техническим решением повышения экологической безопасности СТС является замена в ХОУ рефрижераторных вагонов штатного рабочего вещества озонобезопасным аналогом.

Новый хладагент должен удовлетворять современным экологическим требованиям и выпускаться в промышленных объемах предприятиями Российской Федерации. Время выхода на заданный температурный режим при его использовании в ХОУ должно быть сопоставимо со временем при работе оборудования на штатном хладоне. Технология его замены в ХОУ и порядок работы с ним в период эксплуатации рефрижераторного подвижного состава должны, по возможности, мало отличаться от штатной технологии и порядка работы с хладоном 12.

Анализ развития производственных мощностей, выпускающих хладоны в России, а также существующих зарубежных и отечественных альтернатив хладону 12, позволил выбрать в качестве аналога - смесевой хладон R22/142b, а впоследствии R22/142b/21, условно названный С10М.

На основе имеющихся данных о термодинамических свойствах смесевых хладонов был смоделирован процесс работы ХОУ. Полученные результаты представлены на рис. 3 в виде сравнительных характеристик удельной объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента при работе установки на смеси и R12, в зависимости от массового содержания компонентов.

Из рис. видно, что уменьшение количества хладона 21 в смеси приводит к увеличению ее объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента цикла. Вместе с тем, кривые объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента цикла имеют градиенты изменения с разным знаком, и оптимальное количество хладона 22 лежит в пределах 60 70 масс. %.

С учетом имеющихся конструктивных ограничений по применению смесевых композиций в холодильном оборудовании ГРПС были выделены хладагенты составов 65/30/5 и 65/25/10 как наиболее оптимальные.

Однако расчетным путем можно оценить лишь базовые физико-химические и термодинамические свойства композиций, но на основании этих данных трудно прогнозировать их эксплуатационные характеристики.

а)

б)

Рис. 3 Отношение удельной объемной холодопроизводительности (а) и холодильного коэффициента (б) на хладоне С10М и R12

Для выявления особенностей работы холодильного оборудования ГРПС на выбранных композициях был выполнен комплекс стационарных и эксплуатационных испытаний. Испытания проводились на стационарных стендах рефрижераторного вагонного депо «Предпортовая» Октябрьской железной дороги и научно-испытательного центра ВНИИЖТ.

Целью стендовых испытаний являлась оценка сравнительной эффективности работы установок на хладоне 12 и на смесевых хладагентах, моделирование возможных процессов разгерметизации оборудования СТС при их эксплуатации по железным дорогам, а также изучение других ключевых эксплуатационных характеристик и их влияние на работу холодильной системы ГРПС.

В процессе проведения испытаний установлено критическое значение доли R21 в смеси, ограниченное 10% по массе; при его превышении машина начинает работать на влажном паре.

По результатам испытаний сделан вывод о том, что существует узкая область составов, которые могут быть рекомендованы к использованию в качестве хладагента взамен R12 в холодильном оборудовании рефрижераторных вагонов.

Для исследования вопросов, связанных с изменением состава смесевого хладагента при утечках, их влияния на технические характеристики при работе холодильной машины, а также возможностей перехода смесей R22/142b, С10М в класс горючих веществ, проводилось имитационное моделирование утечек смесевых хладагентов из различных узлов холодильной машины ГРПС. Имитация утечек проводилась как по жидкой, так и по газовой фазе в количестве до 20 % от паспортной массы заправки. В процессе испытаний было выявлено, что утечки хладагентов по жидкой фазе не оказывают влияния на перераспределение компонентов в смеси. При утечке бинарных смесей по газовой фазе, происходит значительное перераспределение компонентов, угрожающее опасностью перехода композиции в класс горючих веществ (рис. 4а), при потере массы хладагентов группы С10М по газовой фазе наблюдается незначительное перераспределение крайних составляющих R22 и R21, а содержание R142b меняется менее существенно, как это видно из рис. 4б.

а) б)

Рис. 4 Изменение компонентов в смеси при сбросе и дозаправках а) смесь типа R22/142b; б) смесь типа С10М

Полученные результаты испытаний показали, что при потере из установок до 20 % массы хладагентов группы С10М для пополнения системы хладагентом можно использовать смесь исходного состава.

Таким образом, на основании полученных результатов испытаний, смесь типа С10М состава 65/30/5, названная С10М1, была определена как оптимальная.

Результаты испытаний определили близкие к R12 значения давлений всасывания (Рвс.) и несколько превышающие - до 1,7 МПа значения давлений конденсации (Рк.), что допускается пределами прочности вагонных холодильных систем.

При работе установок ГРПС на смесевом хладагенте С10М1 для стандартных условий получены основные показатели их работы, приведенные в табл. 3.

Как видно из таблицы, работа установок ГРПС на хладагенте С10М1 более эффективна по холодопроизводительности. При работе на смеси С10М1 холодильный коэффициент установки ВР-1М в среднем на 6,6% больше, чем у машины типа ФАЛ, что объясняется наличием регенеративного теплообменника в системе.

Таблица 3

Показатели работы установок ГРПС на хладагенте С10М1 при стандартных условиях

Относительные параметры работы установки на смеси С10М1 в сравнении с R12	Тип холодильно-отопительной установки
	ВР-1М	ФАЛ
Холодопроизводительность, Qo Холодильный коэффициент, Е Давление кипения, Ро Давление конденсации, Рк	1,09 1,06 1,00 1,20	1,03 0,99 0,90 1,20

Опытные холодильные машины, экипированные хладагентом С10М1, после проведения стационарных испытаний устанавливались на рефрижераторные вагоны и направлялись в рядовую эксплуатацию. За трехлетний период эксплуатации с общей наработкой более 11000 моточасов опытные агрегаты показали устойчивую и надежную работу.

Существовало опасение, что при длительной эксплуатации оборудования на смесях, основным компонентом которых является R22, более высокая температура газа на выходе из компрессора, по сравнению с таковой при его работе на хладоне 12, может снизить термическую стабильность масла. Это, в свою очередь, отразилось бы на ухудшении растворимости хладагента в масле, что, в конечном итоге, могло привести к загрязнению компрессора фракциями масла и к последующему его заклиниванию. Ежегодный анализ проб масла из ХОУ опытных рефрижераторных секций в процессе эксплуатации, показал удовлетворительную термическую устойчивость.

Таким образом, проведенные на сети железных дорог эксплуатационные испытания опытных установок CТС, подтвердили стабильность их работы на выбранном хладагенте.

В целом выполненные работы позволили выбрать, экспериментально исследовать и разработать технологию повышения экологической безопасности СТС на основе замены R12 более эффективным смесевым хладагентом С10М1 (65/30/5).

Вместе с тем, в соответствии с ратификацией Российской Федерацией в 2005 году Киотского протокола, работа СТС должна была стать не только экологически, но и энергоэффективной.

Результатом исследований в этом направлении явилась разработка технологии энергосбережения, основанной на обогащении применяемых в ГРПС хладагентов специальным модификатором, условно названным LE. В качестве модификатора использованы производные изобутана с различными галогенсодержащими органическими заместителями, нонаэфиры метантрикарбоновой кислоты несимметричной структуры, или смесь этих соединений в эффективном количестве.

Модификатор LE представляет собой особую группу присадок, содержащих поляризованные молекулы, которые имеют сильное химическое сродство с молекулами металла и покрывают внутренние металлические поверхности холодильной установки при движении хладагента по контуру холодильной системы мономолекулярным слоем, особенно на участках поверхности, отличающихся электронной неоднородностью. Образуемый слой не только улучшает смазку подвижных деталей компрессора, но и ликвидирует отложение масла на внутренних поверхностях испарителя, где оно частично накапливается в процессе эксплуатации ХОУ.

На рис. 5 схематично изображено поведение молекул поляризованных присадок в пристеночной зоне металлической поверхности. Растворенный в хладагенте модификатор LE при циркуляции масло-хладоновой смеси по системе «бомбардирует» в теплообменных аппаратах внутренние поверхности трубопроводов с осевшим на них маслом. При этом молекулы масла «отрываются», увлекаясь общим потоком масло-хладоновой смеси, и благодаря образуемому мономолекулярному слою, существенно повышается коэффициент теплоотдачи установки.

а)

б)

Рис. 5 Механизм энергосбережения

а) Слой масла на поверхности теплообменника затрудняет теплообмен

б) Молекулы присадки вытесняют молекулы масла из поверхностного слоя

Для выявления энергосберегающего эффекта изначально был проведен комплекс экспериментальных работ по использованию обогащенных модификаторами хладагентов в бытовой холодильной технике.

На первом этапе работы проведена экспериментальная оценка воздействия модификатора LE на R12 как моновещество. Эксперименты были проведены на разных марках бытовых холодильников. Установлено, что добавка в хладагент модификатора позволяет значительно уменьшить энергопотребление холодильного агрегата.

На следующем этапе работы испытывались холодильные шкафы, экипированные смесевым хладагентом марки С10М (65/20/15). Эксперименты проводились последовательно: на чистом хладагенте марки С10М и с добавлением в него модификатора. При этом обогащенный хладон получил название М1LE.

В результате были получены энергетические характеристики работы установок на хладагенте М1LE по отношению к хладону С10М.

Результаты экспериментов показали снижение энергопотребления бытовых холодильников на 6 8% по сравнению с применением обычных хладагентов.

Было установлено, что для создания равномерного слоя модификатора LE на поверхностях теплообменников необходимо от одной до двух недель. За это время молекулы, проникая внутрь поверхности металла, вытесняют из поверхностного слоя масло и различные загрязняющие отложения. Поэтому после введения хладагентов, обогащенных модификатором LE, в уже эксплуатирующуюся систему, особенно в том случае, если она работала много лет, обнаруживалось быстрое загрязнение фильтров системы указанными отложениями.

Как показали исследования, оптимальное количество модификатора LE, введенное в экспериментальную холодильную установку, соответствует 0,05 % от массы хладагента.

Следующим этапом явилось проведение комплексных испытаний рефрижераторных вагонов.

Перед отправкой экспериментальных секций в рейс бригадам выдавались: программа испытаний, рабочие журналы, а также проводился инструктаж по их ведению. Указанные документы соответствовали программе и рабочим журналам, выдаваемым при проведении испытаний с хладагентом С10М1.

Всего в эксперименте участвовало две рефрижераторные секции типа ЦБ и БМЗ.

В течение 2 месяцев в рефрижераторном вагонном депо «Подмосковная» Московской железной дороги проведились стационарные испытания работы ХОУ при средней наружной температуре 32 оС. Опытные установки работали в прогнозируемом для работы на смесях типа С10М1 режиме.

Затем в течение 6 месяцев велась подконтрольная эксплуатация опытных рефрижераторных секций.

За время эксплуатации были перевезены грузы, температурный режим перевозки которых позволял проверить работу ХОУ на всех имеющихся режимах: -17 ч -20 оС; -9 ч -12 оС, 2 ч 5 оС, 11 ч 13 оС.

Вместе с тем, в период проведения эксплуатационных испытаний зафиксированы выходы из строя части соленоидных вентилей при их работе в режиме «Оттаивание». Причем отказы были зафиксированы не только при эксплуатации ХОУ на хладонах С10М1 и M1LE, но и при их работе на R12.

В связи с этим, в течение года проведены работы по выявлению причин отказов с устранением их дальнейшего проявления.

По результатам выполненных исследований обнаружены технологические нарушения изготовления резиновых мембран, расположенных в соленоидных вентилях. Анализ причин отказов и разработка новых технических решений, а также замена штатных соленоидных вентилей современными позволили устранить отказы в процессе эксплуатации рефрижераторного подвижного состава. Разработанные технические решения защищены патентами Российской Федерации.

Начиная с 2003 г. весь рефрижераторный вагонный парк ОАО «РЖД» практически переведен на смесевые хладоны.

Таким образом, применение разработанных технологий повышения экологической безопасности и энергосбережения СТС значительно повысили конкурентоспособность ГРПС на рынке перевозок скоропортящихся грузов.

В четвертой главе научно обоснованы основные технические положения концепции перехода к железнодорожным перевозкам СПГ в специализированных контейнерных комплексах, выполнен анализ соответствия железнодорожной инфраструктуры осуществлению перевозок СПГ в термоизолированных контейнерах, предложены новые технологии перевозок СПГ и перспективный типоряд контейнерных СТС, разработаны варианты исполнения специализированных контейнеров и систем энергоснабжения в составе контейнерных энергетических комплексов, а также на контейнерных площадках.

...