автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эффективности слива вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн

Содержание.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ особенностей перевозок загустевающих наливных грузов железнодорожным транспортом России.

1.1. Физические характеристики загустевающих наливных грузов.

1.2. Анализ состояния парка железнодорожных цистерн.

1.3. Анализ устройств и способов разогрева вязких жидкостей в железнодорожных цистернах.

1.3.1. Разогрев жидкостей внутри котла.

1.3.2. Способы разогрева жидкости через стенки котла цистерны.

1.4. Тепловая изоляция и путевой подогрев вагонов-цистерн.

1.5. Метод расчета скорости остывания ЗВЖ в железнодорожных цистернах и его недостатки.

1.6. Постановка задачи и методы ее решения.

1.7. Выводы по первой главе.

2. Совершенствование метода расчета скорости остывания жидкости в железнодорожных цистернах.

2.1. Уравнение для определения темпа остывания ЗВЖ в цистерне.

2.2. Охлаждение жидкостей в железнодорожных цистернах, омываемых снаружи воздушными и воздушно-водными потоками.

2.3. Анализ влияния естественной конвекции на скорость остывания жидкости в цистерне.

2.4. Выводы по второй главе.

3. Экспериментальная установка для моделирования процессов остывания вязких жидкостей в железнодорожных цистернах.

3.1. Условия гидродинамического и теплового подобия для экспериментального исследования динамики остывания ЗВЖ.

3.2. Экспериментальная установка и вспомогательное оборудование.

3.2.1-. Модельный объем и средства измерений температуры.

3.2.2. Измерение скорости циркулирующей жидкости в горизонтальном цилиндрическом сосуде.

3.2.3. Установка для создания модельных потоков.

3.3. Выводы по третьей главе.

4. Расчет скорости остывания загустевающих вязких жидкостей в железнодорожной цистерне при подавлении естественной конвекции.

4.1. Расчет влияния конвекции на скорость остывания ЗВЖ в цистерне.

4.2. Остывание слабоциркулирующей ЗВЖ в железнодорожной цистерне.

4.3. Теплоотдача через многослойную стенку котла.

4.4. Температурные поля в затвердевшем слое ЗВЖ при обтекании цистерны потоками воздуха и ВВД.

4.5. Выводы по четвертой главе.

5. Подавление термогравитационной конвекции жидкости в цистерне тепловыми аккумуляторами.

5.1. Подавление естественной конвекции ЗВЖ установкой тепловых аккумуляторов (ТА).

5.2. Результаты экспериментов и их обсуждение.

5.2.1. Охлаждение циркулирующей жидкости без подавления ее свободной конвекции.

5.2.2. Охлаждение циркулирующей жидкости при подавлении ее свободной конвекции.

5.3. Расчет температурного поля в ЗВЖ, транспортируемой в железнодорожной цистерне, снабжённой тепловыми аккумуляторами.

5.4. Расчет на прочность котла вагона-цистерны, модифицированной тепловыми аккумуляторами.

5.4.1. Расчетная схема котла и принятые допущения.

5.4.2. Расчет на прочность котла.

Перевозка загустевающих вязких жидкостей (ЗВЖ), в частности таких нефтепродуктов, как мазуты, масла, и др. в железнодорожных цистернах в холодное время года встречает большие трудности. С понижением температуры ЗВЖ приобретают большую вязкость, их слив без предварительного разогрева становится невозможным, а масса затвердевших остатков может достигать нескольких тонн.

Актуальность проблемы перевозок загустевающих вязких нефтепродуктов (мазутов, парафинистых нефтей, крекинг-остатков и др.), для Российских железных дорог определяется тем обстоятельством, что большое число предприятий по добыче и переработке нефти находится в районах Севера и Сибири. Отсюда вытекают условия перевозок: продолжительность холодного времени года ~6.8 месяцев; дальность ~ 1200км; длительность 7,5. 14 суток, при объеме перевозок до 15 млн.т. в год.

Для перевозки загустевающих вязких жидкостей (ЗВЖ) по железной дороге используют цистерны с объемом котла 50 и 60 м3 без тепловой изоляции стенок, так как разогрев продукта на пунктах слива экономически более оправдан, чем массовое изготовление и эксплуатация вагонов-термосов. Разогрев ЗВЖ представляет собой длительную, трудоемкую, энергоемкую и дорогостоящую операцию, во многом определяющую низкий оборот цистерн. Продолжительность слива в холодное время года часто превышает установленные нормы МПС (8. 10 часов), а на площадках с ограниченными энергоресурсами полный слив часто не обеспечивается, причем масса затвердевших остатков достигает нескольких тонн.

Целью работы является исследование проблем повышения эффективности перевозок ЗВЖ и выработка рекомендаций по техническим решениям выполнения этой задачи, которая подразумевает:

- сокращение времени оборота цистерн за счет снижения их простоя под сливом;

- снижение энергозатрат на разогрев ЗВЖ перед и во время слива;

- обеспечение полного слива на площадках с ограниченными энергоресурсами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствован метод расчета скорости остывания ЗВЖ в железнодорожных цистернах, учитывающий влияние осадков (дождя и снега), неравномерность температурного поля внутри цистерны и непостоянство коэффициентов теплопередачи на разных участках ее поверхности. Предложены новые формулы для определения средней температуры ЗВЖ и темпа ее охлаждения при транспортировании в железнодорожных цистернах.

2. Получены результаты расчетов и лабораторных экспериментов, характеризующие скорость остывания горячей циркулирующей ЗВЖ в неограниченном горизонтальном цилиндре с охлаждаемыми стенками для значений критериев подобия: Релея Ra=103.1010 и Прандля Рг=(0,4.8)-103, коэффициентов теплоотдачи с наружной поверхности котла а£=1,7. 120 Вт/м2-град и коэффициентов конвекции ЗВЖ ек=1.40, показывающие, что естественная конвекция стимулирует процесс остывания транспортируемой жидкости, а ее подавление способно сохранять высокую температуру основной массы продукта в течение 20 суток и выше, при температурах воздуха до -30°С.

3. Найдены численные значения локальных и средних коэффициентов теплоотдачи воздушным и воздушно-водным потокам, обтекающим снаружи горизонтальный цилиндр и их распределение по его поверхности. Получено критериальное соотношение, определяющее зависимость критерия Нуссельта от критериев Рейнольдса и Гастерштадта, характеризующих параметры воздушно-водных потоков и их влияние на скорость остывания горячей циркулирующей жидкости в цилиндре из-за естественной конвекции.

4. Получены результаты расчетов температурных полей в цистерне, •снабженной устройством подавления естественной конвекции (тепловыми аккумуляторами).

Практическая значимость работы:

1. Теоретически и экспериментально обоснованы:

• новый подход к организации теплообменного процесса в котлах, заполненных горячими жидкими нефтепродуктами, базирующийся на снижении теплопередачи за счет подавления их естественной конвекции, что приводит к снижению скорости их остывания при перевозках;

• принцип устройства, обеспечивающего подавление естественной конвекции транспортируемой жидкости в цистерне, в результате чего достигается поставленная цель - сохранение высокой температуры продукта при перевозках и сокращение времени его слива.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в расчетно-конструкторских работах НВЦ «Вагоны», установка для модельного исследования динамики остывания циркулирующей горячей жидкости внедрена в лабораторный практикум кафедры «Физика» ПГУПС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Фундаментальные исследования в технических университетах» (г. С-Пб, ГПИ, 2000 г), «Технология энергоснабжения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (г. С-Пб, ГПИ, 2000), «Математика в ВУЗе» (ППИ, г.Псков, 2001), «Третьей Российской национальной конференции по теплообмену» (МЭИ, Москва, 2002), «Актуальные проблемы защиты и безопасности». (РАРиАН, С.-Пб., 2003) «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)» (ПГУПС, 2002), «Неделя науки-2002» (ПГУПС, 2002),

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав и заключение. Материал изложен на 97 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 73 рисунка. Список использованных источников содержит 128 наименований.

5.6. Выводы по пятой главе

1. Проведенные экспериментальные и расчетные работы показали, что подавление естественной конвекции ЗВЖ в ж.д. цистерне можно осуществить установкой внутри котла блока тепловых аккумуляторов. При этом увеличение массы тары составляет 2500 т, объем 1,42 м3, обеспечение времени разогрева и слива ЗВЖ в пределах ~2 часов при температуре воздуха -20°С (против 8 часов по нормам МПС для существующего парка цистерн). В качестве теплоаккумулирующего материала выбран парафин.

2. Осевая нагрузка остается в допустимых приделах - 23,3 тонны на ось.

3. Предложена конструкция установки тепловых аккумуляторов внутри кола.

4. Произведен расчет котла на прочность с установленными тепловыми аккумуляторами по первому и третьему расчетным режимам. По результатам проведенных расчетов можно сделать вывод, что максимальные эквивалентные напряжения в котле при всех расчетных режимах возникающие в зоне кронштейна под аккумуляторами, в зоне фасонных лап и выштамповки нижнего листа, удовлетворяет требованием норм.

5. Потери тепла теплопроводностью через элементы крепления аккумуляторов к стенке котла не значительны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований по установлению влияния естественной конвекции горячих вязких нефтепродуктов на скорость их остывания при транспортировании в железнодорожных цистернах без тепловой изоляции стенок котла позволило констатировать следующее:

1. Установлена возможность сохранения высокой температуры и текучести нефтепродуктов, за счет подавления их естественной конвекции.

2. Усовершенствован метод расчета скорости остывания вязких наливных грузов в железнодорожных цистернах, который учитывает возможность выпадения осадков (дождя и снега) на поверхность котла и неравномерность температурного поля внутри него. Формула (1) в отличие от рекомендованной Геллером, учитывает все основные физические процессы, происходящие как на внешней, так и на внутренней поверхностях котла и имеет согласие с экспериментальными данными в приделах приемлемой 15% погрешности.

3. Приведенные расчетные и экспериментальные работы по изучению остывания слабоциркулирую щей жидкости при ек=4 позволили сделать выводы, что подавление естественной конвекции способно значительно, в десятки раз уменьшить скорость охлаждения нефтегруза, транспортируемого в цистерне без тепловой изоляции стенок котла. Наибольший эффект достигается при температурах воздуха выше -20°С, когда высокую температуру достаточную для слива самотеком сохраняет 93.95% массы транспортируемого продукта.

4. Предложено устройство подавления естественной конвекции на основе тепловых аккумуляторов жестко фиксированных внутри котла, которое снижает время разогрева продукта при выгрузке с нормативных 8 часов при базовом варианте существующих цистерн до 2-х часов при температурах окружающей среды до -20°С.

5. Выполненные расчеты котла на прочность показали, что при всех расчетных режимах она удовлетворяет требованиям норм.

1. Анненков А.Ц., Куприна А.Ф., Осипов А.П. "Перевозки наливных грузов:принципы оптимизации. Ж.д. транспорт, №9, 1997.-2-6с.

2. Анненков А.Ц. Оптимизация перевозок нефтеналивных грузов на ж.д. транспорте.

3. Гершвальд А.С., Мовчиков И.И., Булахов Д.И. Нефтепродукты: управление погрузочными ресурсами "Ж.д. транспорт" №11, 1999 г. -40-43с.

4. Нефтепродукты (свойства, качество, применения) справочник под ред. проф. Лосикова Б.В. -М.: "Химия", 1966. -776с.

5. Папок К.К., Рагозин Н.А. Технический словарь по топливу и маслам, -М., Гостоттехиздат, 1963.

6. Топлива и масла применяемые за рубежом. ИТЭ Инефтегаз, 1963.

7. Геллер З.И. Мазут как топливо. -М: «Недра», 1965. -495 с.

8. Белосельский Б.С. Топочные мазуты. -М.: «Энергия», 1978. -256 с.

9. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. -М.: «Энергоатомиздат», 1990. -361 с.

10. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно конвективный теплообмен: справочник. Минск «Наука и техника», 1982. -400 с.

11. И. Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов (справоч ное пособие). М.: Издательство стандартов, 1993. -214 с.

12. Губенко В.К., (и др.) Цистерны. (Устройство эксплуатация ремонт). Справочное пособие. М.: «Транспорт» 1990. -151 с.

13. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: «Энергия», 1977. -343 с.

14. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: «Энергия», 1967. -412 с.

15. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: Изд-во иностр. Лит. 1958, 568 с.

16. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача, М., «Энергия», 1969. -439 с.

17. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жид костей. М.: Физматгиз, 1963. -708 с.

18. Федынский О.С. О влиянии теплофизический свойств теплоносителей на теплоотдачу в условиях естественной конвекции. В кн.: Теплопередача и тепловое моделирование. -М: Изд-во АН СССР, 1959. -107-121 с.

19. Киселев И.Г. Способы и устройства экономии топлива на железнодорожном транспорте -JL: Изд. ЛИИЖТ. Учебное пособие, 1991. с.

20. Цедерберг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей. -М.:-Л.: Госэнер-гоиздат, 1963. -408 с.

21. Экспресс информация. Транспорт и хранение нефтепродуктов № 5, 1991. 19-23 с.

22. Пути совершенствования железнодорожного транспорта нефтепродуктов, сливо-наливных операций и модернизация цистерн. -М.: ВНИИО-ЭНГ, 1967. -95 с.

23. Казубов А.И. Применение цистерн-термосов для перевозки застывающих нефтепродуктов. -М.: ЦНИИТЭИМС, вып.11 , 1987. -32 с.

24. Караваев И.И. Горская Н.Ф. Механизированная обработка цистерн на промывочно-пропарочных станциях. -М.: Транспорт, 1964.

25. Голубок М.А. Подготовка цистерн под налив нефтепродуктов. -М.: Транспорт, 1960. -72 с.

26. Кузьмин С. Ермолаев А.А. Теоретические экспериментальные работы по совершенствованию и улучшению подогрева и слива топочных мазутов из железнодорожных цистерн. -JL: 1962. -116 с.

27. Бороненко Ю.П. Битюцкий А.А. Формирование требований к цистернам для переработки нефтепродуктов. Отчет НИР № С.Пб. 1995.

28. Власов А.В. Борьба с потерями при транспортировании и хранение неф тепродуктов (анализ и оценка потерь). ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1984.-52 с.

29. Типовой технологический процесс работы железнодорожных станций по наливу и сливу нефтегрузов и промывочно-пропарочных предприятий по очистке и подготовке цистерн под перевозку грузов. «Транспорт», 1982. -71с.

30. Кирюшкин К.И., Левенцов А.Н., Свиридов В.П., Шапилов А.И. Новое устройство типа ПГМП-; для подогрева и слива вязких нефтепродуктов из ж.д. цистерн. НТРС ЦНИИТ Энефтихим. Сер. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, №12, 1970. -38с.

31. Свиридов В.П., Болдов Н.Г., Трошкин Е.И. Новая конструкция электрического подогревания ж.д. цистерн - НТРС ЦНИИТ Энефтехимии. Сер.Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья -1977 №10 с 22-25

32. Дульцев В.И. Эффективный способ слива мазута из цистерны. Промышленный транспорт. №7, 1985. -25.

33. Пылаев И.П., Ленкин В.Д. Гидродинамический способ разгрузки ж.д. цистерны с застывающими грузами.- Л.: ЛИИЖТ, 1988. 16 с.

34. Калашников Н.В., Черникин В.И. Вибронагрев вязких нефтепродуктов. -М.: Гостоптехн., 1961, -8с.

35. Фонарев З.И. Эпектроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологическое оборудование. -Л.: Недра, 1984.

36. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. Новосибирск «Наука», 1982. -280с.

37. Лизунов В.А. Слив высоковязких грузов из ж.д. цистерн с обогревом тепловым излучением. -М.: Транспорт, 1968.

38. Бродов Н.Г. и др. Слив вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн. Серия: Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. НТРС ЦНИИТ Энефтехим, № 1,1982.

39. Фонарев З.И. Транспортировка вязких жидкостей с применением электроподогрева. -JL: 1973. -36 с.

40. Хижняков С.Ц. Практические расчеты тепловой изоляции промышленного оборудования трубопроводов. -М.: JL: «Энергия», 1964.

41. Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. -Л.: «Недра», 1982.

42. Абхат А. Низкотемпературные накопители энергии скрытой теплоты. Lecture Courpe on Thermal Energy Storage,Ispra ,1982, p. 33-91. Перевод КЛ 83581 (ВЦП).

43. Abhat A. Short Term Thermal Energy Storage. Revues Phys. Appl., Vol.15, 1980, p. 447-501.

44. Abhat A., Heine D., Heinisch M., Malatidis N., Neuer 0. Entwicklung modu-larer Warmeubertrager mit integriertem Latentvwarmes-peicher. .Final Report, BMFT Project No.ET 4060 A, IKE, Stuttgart, December, 1979.

45. Даффи Дж. А. Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -М.: «МИР», 1977. -420с.

46. Герасименко Л.Н., Свиридов В.П. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов: НТИС. М.: ВНИИОЭНГ, № 10, 1972. - 195-198 с.

47. Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Обеспечение температурного режима нефтепродуктов при их транспортировании и хранении: Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов: НТИС. М.: ВНИИОЭНГ, 1989. -№ 6 с.83

48. ГОСТ 19433-81. Грузы опасные. Классификация и знаки опасности.

49. Щербаков А.З. Транспорт и хранение высоковязких нефтей и нефтепро дуктов с подогревом. М.:

50. Свиридов В.П., Болдов И.Г. Установка для подогрева и слива вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1980.-5 с.

51. Губин В.Е., Кудояров Г.Ш. и др. Экономическая эффективность современных средств слива вязких нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ, 1967. -76 с. /Тем. обзор сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов/.

52. Галлямов А.К., Юкин А.Ф. и др. Использование гибких электронагревательных лент для разогрева нефтепродуктов в железнодорожных цистернах //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. НТИС. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, - № 3, 1988. -19-20с.

53. Старков М.В. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья: НТИС. М.: ЦНИИТЭнефтехим, - № 5, 1979. - 23-27с.

54. Гельман Я.Л. Новые большегрузные специализированные вагоны за рубежом. М.: Транспорт, 1972. - 56 с.

55. В.П.Гончаров Слив из железнодорожных цистерн высоковязких нефтепродуктов и других грузов с двухфазной средой II Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья: НТИС. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, №4, 1989. -26-33с.

56. Смирнов Е.К. Слив высоковязких грузов из железнодорожных цистерн, Трансжелдориздат, 1949.

57. Российские железные дороги. РЖД Партнер. Деловой журнал, №5(33), 2001.

58. Эйгенсон А.С. Химия и технология топлив и масел. 1973.

59. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. М. Госэнергоиздат, 1962.

60. Григорьев Б.А.,Расторгуев Ю.Л. и др. Плотность (удельный объем) жидких нефтей и нефтепродуктов. Грозный, 1979. -26 с.

61. Пугач В.В., Геллер В.З. Обзорная информация. Конструкции экспериментальных установок и теплофизические исследования нефтей и нефтепродуктов.

62. Модель эффективной теплопроводности для расчета свободно-конвективного теплообмена при больших числах Рэлея / Домбровский Л. А., Зайчик Л. И., Зейгарник Ю. А. // Докл. РАН— 1999.— 366, № 4. -479-482С,— Рус.

63. Тест для численных решений трехмерной задачи о естественной конвекции в кубической полости / Бессонов О. А., Брайловская В. А., Никитин С. А., Полежаев В. И. //Мат. моделир — 1999.— 11, № 12. -51-58с —Рус.

64. Свободная конвекция при нелинейной зависимости плотности от температуры: плоские задачи / Коровкин В. Н., Андриевский А. П. // Инж.-физ. ж.—2000,— 73, № 2.-381-386с,— Рус.

65. Численное моделирование ламинарной и турбулентной конвекции в двухслойной системе / Вертгейм И. И., Мызникова Б. И. // Гидродинамика,— 1998.— № 11.- 88-102с,— Рус.; рез. англ.

66. Матвеев JI.T. Основы общей метеорологии (физика атмосферы). JI.: Гидрометеоиздат, 1965. - 876 с.

67. Юшков П.П. Функции Бесселя и их приложения к задачам об охлаждени цилиндра. -Минск.: АНБСССР, -1962.-170с.

68. Свиридов Е.М. Процесс замерзания воды внутри горизонтальной трубы.-М.: Труды третьнй Российской Национальной конференции по теплообмену, 2002.-140-143с.

69. Борисенков Е.П. и др. К оценке параметров брызговых облаков. -«Тр.ААНИИ», т.317, 1975. -121-126 с.

70. Борисенков Е.П. О физическом обосновании гидрометеорологических комплексов, обуславливающих обледенение судов. В кн.: Гидрометеорологические условия обледенения судов. - JL: Репрогр. ААНИИ, 1969. - 7- 20 с.

71. Комарова Т.А., Моисеев В.И. и др. Модельное изучение процессов остывания вязких жидкостей в ж.д.цистернах. Отчет НИР №168Ф КБСМ ДСП-. С.-Пб.: 2003.-46с

72. Каменев П.Н. Отопление и вентиляция,- М. Строиздат.: 1966. -480с.

73. Чуханов З.Ф. Некоторые проблемы топлива и энергетики.-М.: Изд-во АН СССР, 1965.-328с.

74. Буянов Н.Ф. Из опыта работы среднетоннажных промысловых судов в условиях обледенения. В кн.: Теоретические и экспериментальные условий обледенения судов. - J1.: Гидрометеоиздат, 1971,- 98- 107 с.

75. Качурин Л.Г., Морачевский В.Г. Кинетика фазовых переходов воды в атмосфере. Л.: Изд-во ЛГУ им. А.А.Жданова, 1965. -144 с.

76. Белосельский Б.С., Покровский В.Н. Сернистые мазуты в энегретике. -М.: «Энергия», 1969. -328 с.83