автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Теоретические основы совершенствования условий перевозок скоропортящихся грузов

ЛШНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

Кандидат технических наук МИРОНЕНКО Виктор Кимович

УДК 656.223.073.444 + 629.463.12

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСЛОВИЙ ПЕРЕВОЗОК СКОРОПОРТЯЩИХСЯ ГРУЗОВ

Специальность 05.22.08 — Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы

сигнализации, централизации и блокировки) Специальность 05.18.14 — Хранение и холодильная технология пищевых продуктов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор

М. Н. ТЕРТЕРОВ; доктор технических наук, профессор И. Г. АЛЯМОВСКИЙ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор СОТНИКОВ Евгений Александрович; доктор технических наук, профессор КУДРЯВЦЕВ Владимир Александрович; доктор технических наук, профессор ШЕВЧЕНКО Вера Валериановна.

Ведущее предприятие — Министерство путей, сообщения Российской Федерации (Управление грузовой и коммерческой работы).

Защита состоится . . . .... 1993 г.

в 13 ч 30 мин на заседании специализированного совета Д 114.03.03 при Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, С.-Петербург, Московский пр., 9, ПИИТ, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан . . . . . 1992. г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

В. Б. КУЛЬТИН

а

ОКДЛЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАКШ

Актуальность проблемы. Келезнодорсшшй транспорт, правда всого холодильные, занимает в нашей стране ведущее место в системе доставки скоропортящейся продукции, выполняя 90 % объема ее перевозок во внутреннем сообщении. Условия и правила перевозок скоропортящихся грузов (СПГ), включающие в себя температурные режимы, режимы вентилирования, способы и нормы загрузки вагонов, предельные сроки перевозки, нормы естественной убыли массы грузов, а гакка различные организационно-технические аспекты работы хладотранспорта, оказывают очевидное влияние на сохранность грузов. Вопросам совершенствования условий перевозок СПГ на транспорта всегда уделялось определенное внимание, однако в изменившихся социально-экономическихусловиях они предстают в новом ракурсе и приобретают бо'льшую острогу.

В настоящее время хладотранспорт переживает один из самых тяжелых периодов своей истории. Снижаются объемы перевозок, уровень их маршрутизации, сокращаются поставки нового изотерг.ы-чаского подвижного состава (ИПС). Изотермический парк, на 80 % состоящий из группового рефрижераторного подвикного состава (ГРПС) грузоподъемностью от 164 до 756 т, не соответствует характеру поступления на транспорт скоропортящейся продукции, предъявляемой в основном небольшими партиями. В парке отсутствуют изотермические транспортные средства небольшой грузоподъемности. ИПС недостаточно специализирован по типам и параметрам, в соответствии с особенностями различных СПГ (как это имеет ьес-то в развитых зарубежных странах). Рефрижераторные вагоны, даке новых серий, на всегда могут обеспечить требуемые оптимальные температурные режима перевозок. Дальнейиее пополнение и наращи-

вание парка КПС преимущественно за счет дорогостоящего унивар-сального рефрижераторного подвижного состава (УРПС) становится в сложившихся условиях невозможным и нецелесообразным.

Таким образом, современное положение и тенденции развития системы производства и доставки скоропортящейся продукции выдвигают в число важнейших задачу оптимизации парка ИПС - по его структуре, типам, их грузовместимости и другим параметрам.

Правила перевозок СНГ, в части температурных рею-шов, способов укладки грузов, норм их естественной убыли, содержат ряд устаревших положений, сохранившихся с тех времен, когда в пар-, хе преобладали вагоны-ледники, ж не учитывающих особенности условий перевозок в современном ИПС. Эти правила (как и система расчетов за перевозки) должны стимулировать качественную подготовку отправителями предъявляемых к перевозке СПГ, имеющую большое значение для их сохранности и повышения эффективности работы хладотранспорта.

Задача оптимизации правил перевозок требует более полного учета специфических физиологических и транспортных свойств СПГ, а также изменяющейся ситуации в системе производства и доставки скоропортящейся продукции.

Оптимизация теплоэнергетических, технико-эксплуатационных и других параметров ИПС, температурных режимов перевозки и способов размещения в нем СПГ требуют учета специфических условий хладотранспорта. Для этого необходимы глубокие исследования сложных процессов тепломассопереноса в системе "окружающая среда - транспортное средство - груз". В этой области, наряда с экспериментальными исследованиями, необходимо развитие более универсальных теоретических моделей и методов анализа процессов тепломассопереноса при холодильных перевозках.

Успеиное практическое решение сложной проблемы совершенствования условий перевозок СПГ невозможно без решения многих взаимосвязанных теоретических вопросов, рассмотренных в диссертационной работе и определяющих ее актуальность.

Нвяь лиссаптзпии состоит в разработке теоретических основ: оптимизации парка ИПС в изменяющихся условиях работа хладотранс-порта; анализа и моделирования процессов тепломассопереноса при доставке скоропортящейся продукции, а также в разработка методик решения этих задач, пригодных для практического применения. Для этого потребовалось:

выполнить анализ развития и состояния хладотранспорта в стране и за рубеяом, а также исследований в области холодильной технологии и доставки скоропортящейся продукции;

установить важнейшие технологические признаки условий перевозок СПГ и, на их основе, оптимальное число классов (типов)

й

специализированного ИПС;

обосновать применимость закономерностей систем массового обслуживания для анализа, формализации и представления работы хладотранспорта;

установить зависимости для анализа взаимовлияния показателей и характеристик хладотранспорта (оборот, грузовместимость и др.) и показателей, характеризующих предъявление продукта отправителями (средняя масса отправки, возможный срок хранения до погрузи! и др.);

разработать методики оценки и прогноза удельных приведенных расходов при доставке СПГ в зависимости от параметров специализированного ¡{ПС, изменения уровня цен и тарифов, а также структуры и партионнооти предъявляемого грузопотока;

.установить целесообразность специализации ИПС по грузовме-

старости я теплоэнергетическим параметрам;

определить достаточные уровни надежности исходных данных для теплотехнических расчетов специализированного ШС;

критически оценить возможность применения имекщихся методик расчета теплового рэжша скоропортящихся продуктов в специфических условиях железнодорокного хладотранспорта;

оценить адекватность разработанных мзтоднк моделирования процессов тепломассопереноса при холодидьикх перевозках реальным условиям и экспериментальным данным.

Методы исследования. При решения задач оптимизации парка ЖС в качестве основных использована методы теории массового об— слуышания СШО), теории вероятностей и математической статистики, как наиболее приспособленные для анализа исследуемых процессов доставки СПГ и получения необходима зависимостей. При разработка теоретических основ моделирования я анализа процессов тепломассопереноса при холодильных перевозках основными били методы теории теплопроводности, численные [катоды решения нелинейных уравнений. Для решения частных задач применялись имитационное моделирование, элементы методов гидроаэродинамики, номографии, теории погрешностей.

Научная нпвкзнп работы. В диссертации впервые: обоснована необходимость оптимизации парка ИПС по трем взаимосвязанным критериям - обеспечение требуемых технологических условий сохранности разнообразных СПГ при минимальном числа типов ИПС; обеспечение доступности и надежности транспортного обслуживания для различных категорий клиентов; обеспечение минимальных удель пах приведенных затрат (на тошю-км) при доставке СПГ с использованием разнотипного парка специализированного ШС; введет по мят/к "доступности" и "надежности" транспортного обслуживания

(ДТО и НТО) и получены зависимости для их определения; установлены аналитические зависимости между ДТО, НТО, характеристиками хладотранспорта, а также зависимости экономических показателей перевозок от указанных факторов; доказано, что для обеспечения качественного транспортного обслуживания, сохранности и рентабельности поровозок необходимо и достаточно имэть в парке четыре основных класса (типа) ИПС - рефрижераторы увеличенной и уменьшенной мощности, термосы и альтернативные типы ИПС (с немашинным охлаждением или без охлаждения); установлено, что соотношение в общем парке ИПС этих основных классов определяется "долей грузов с наиболее тяжелыми условиями транспортировки"; разработана методика определения структуры парка, состоящего из упомянутых классов ИПС в зависимости от этой "доли" и других факторов; предложена методика определения оптимальных сфер применения ИПС разных типов и грузовместимости в зависимости от структуры и партионности предъявляемого грузопотока, возможностей хранения продукции до погрузки и других факторов; введены понятяе я количественная оценка "степень коммерческого риска", позволяющие обосновать достаточные уровни надежности определения исходных данных при проектировании ИПС, специализированного по теплоэнергетическим параметрам; разработаны математическая модель, методика расчета и анализа процесса охлаждения плодоовощных, грузов, перевозимых в рефрижераторном вагоне плотным штабелем; предложены модель и расчетная, схема циркуляции воздушных потоков в грузовом помещении рефрижераторных вагонов разных конструкций и в штабеле груза, основанная на понятиях "большого" и "малого" циркуляционных контуров, "фактора затухания воздушных потоков"; разработана методика имитационного моделирования на 33,1 процессов холодильной перевозки СПГ, учитываю-

щая особенности грузов, вагонов и конкретные условия транспортировки; получены простые номограммы для определения условий теплообмена различных СПТ, перевозимых в разных типах рефрижераторных вагонов.

Практическая ценность исследования состоит в том, что ого результаты можно использовать для: обоснования оптимальной стратегии развития парка ИПС в зависимости от ситуации в системе производства и доставки скоропортящейся продукции; определения оптимальных гехнико-эконлуатационных и теплоэнергетических параметров ИПС, в том числе новых типов; рационального распределения их при обслуживании разных категорий отправителей; анализа и совершенствования температурно-влажностных условий транспортировки СПГ, способов и норм загрузки 1ШС, норм естест-вэнной убыли массы грузов, конструкций и параметров систем воз-духораздачи и охлаждения ИПС, а танке для совершенствования системы тарифов и расчетов за перевозки СПГ. Реализация результатов позволит улучшить качество транспортного обслуживания отправителей и потребителей скоропортящейся продукции,, повысить ее сохранность и рентабельность перевозок СПГ - за счет большего соответствия изотермического парка потребностям и возмоанос-тям клионтов хладотранспорта, улучшения темперагурно-влазшост-шх условий перевозок СПГ и экономичности ИПС.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований позволили обосновать принятые Ц.1 МПС для внедрения рекомендации по совершенствованию условий перевозок и норм убыли замороженных рыбных грузов, свежей плодоовощной продукции (в том числе тепличной), а также изменения и дополнения в Инструкции по обслуживанию перевозок СПГ и предложения по системе гибких дифференцированных тарифов при перевозках СПГ.

Разработанная математическая модоль системы "окружающая

среда - вагон - груз" и предложенные методики расчзтоз и их результаты использованы ШИИНТом при обосновании необходимой толщины и устройства теплоизоляции специализированных вагонов-овощевозов, разработке и согласовании с ЦЗ и Ш Í.IIC заявки на постройку таких вагонов.

Апробация работы. Отдельные аспекты и результаты диссертационных исследований обсуждались на сетевых и Всесоюзных научно-технических конференциях в Г.МИТе и ЕелИИКТе (1985 г.), научно-технических конференциях в УЗ.ШИТе (1987 г.), ВЗИИТо (1991 г.)., а также во ШИЖТе, ПИИТе и ХИИТе в 1992 году. Диссертационная работа в целом обсуждалась и получила одобрение на расширенном заседании кафедры "Технология и механизация грузовой работы".ПИИТа.в.октябре 1992 г.

Публикации, объем и структура диссертации. По исследуемой теме опубликовано 20 печатных работ и учебное пособив. .

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и трех приложений. Объем основной части диссертации составляет 288 с. машинописного тек- . ста, рисунков - 33 е., таблиц - 39 с. Приложения состоят из 44 с. текста, включают 2 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении характеризуется современное состояние хладо-гранспорта и условий перевозок СНГ, определены важнейшие задачи их развития с учетом изменений в социально-экономической .сфере, в связи с этим обосновывается актуальность теш диссертации, дается общая характеристика работы. . ...

Первая глава "История и анализ исследований в.области хо- -лодяльной технологии и доставки скоропортящихся продуктов" осве-

щает основные этапы развития холодильного дела и состояние холодильного транспорта в стране и за рубежом. Характеризуются достижения теории и практики в смежных областях соверпенст-вования условий холодильного хранения и холодильных перевозок скоропортящихся продуктов. Отмечается, что уже первые российские специалисты холодильного транспорта - Н.С.Комаров, Д.Н.Головина, М.Т.Зарочзнцев и другие уделяли большое внимание совершенствованию условий перевозок СНГ и связанными с этой проблемой научными исследованиями.

При совершенствовании условий перевозок СНГ необходимо учитывать, что.железнодорожный хладотранспорт является хотя и очень важным, но лишь одним из звеньев непрерывной холодильной цепи (НХЦ),.обеспечивающей сохранную доставку скоропортящихся про-, дукюв. Не менее важными звеньями НХЦ являются система и условия стационарного.холодильного хранения до и после перевозки. Поэтому проблема совершенствования условий и повышения рентабельности перевозок. СПГ, имеющих разнообразные физиологические, биохимические, и теплофизические свойства, лежит на стыке, по.меньшей мере, трех обширных областей знания: холодильной технологии пищевых продуктов (ХИТ); транспортной технологии перевозок СПГ (включая подготовку их к перевозке, связанную с.ХТП), теоретических и прикладных вопросов вагоностроения; экономим транспорта. В каждой из этих областей накоплены теоретические методы и практический опыт решения частных задач, без учета которых невозможно успешное решение глобальной задачи совершенствования условий перевозок СПГ.

Большой вклад в разработку теоретических основ анализа теп-ловлажностных процессов при холодильной.обработке и хранении пищевых продуктов внесли Д.Г.Рютов, Г.Б.Чижов, И.Г.Алямовский,

В.З.Кадан, Н.Л.Головкин, А.А.Гоголин и другие. Работы ученых и специалистов в области ХТП позволили обосновать и реализовать рекомендации по сокращению потерь продукции при холодильном хранении. Некоторые из них могут быть использованы и при совершенствовании условий поревозок СПГ, с учетом специфики железнодорожного хладотранспорта.

. Анализ специфики условий работы отечественного хладотранспорта и их влияния на сохранность СПГ позволил установить следующие неблагоприятные особенности и факторы.

При транспортировке в железнодорожном ИПС удельная интенсивность теплопоступлений в грузовое помещение (Вт/т) в несколько раз выше, чем в условиях хранения на складах.

Значительная часть грузов поступает на железнодорожный транспорт и перевозится с температурами выше оптимальных для их транспортировки и хранения. Это относится и к замороженным грузам и, в особенности - к свежим плодам и овощам, загружаемым в вагоны, как правило, без предварительного охлаждения. Погру-зочно-разгрузочные работы выполняются, как.правило, на незащищенных в термическом отношении грузовых фронтах.

Во многих случаях применяются повышенные нормы загрузки рефрижераторных вагонов свежей плодоовощной-продукцией. Увеличение высоты и плотности укладки .этих грузов, в сочетании.с не^-достаткоки систем охлаждения и циркуляции воздуха в .грузовом помещении, а также необоснованно установленные нормативные сроки охлаждения, могут приводить к нарушениям температурного режима в штабеле и увеличению потерь, продукции.. ...

Специфической особенностью железнодорожного, хладотранспорта является и наличие.значительных динамических воздействий на грузы в процессе транспортировки.

Особенности железнодорожного хладотранспорта ограничивают возможности применения практического ошта и теоретических достижений из области стационарного холодильного хранения и холодильной технологии пищевых продуктов и должны учитываться при совершенствовании условий перевозок СПГ.

Анализ научных исследований по проблеме совершенствования условий перевозок СПГ показал, что к таким исследованиям можно отнести уже первые опытные перевозки-"экспедиции", проводившиеся в России в 1913-1914 гг. В дальнейшем исследовательскую работу по этой проблема продолжили Бюро опытных перевозок НКПС (20-е - 30-а года), ЦНИИ МПС (ШИИЖТ), .вузы транспорта, НИИ отраслей, связанных с производством и потреблением скоропортящихся продуктов.

Различным аспектам совершенствования температурных режимов перевозки, способов и норм загрузки вагонов, норм естественной убыли массы грузов, предельных сроков их перевозки, параметров и конструкций ИПС, а также разработке новых его типов посвящены ■ рассмотренные в диссертации исследования А.П.Дюбко,. В.П.Гольце-ва, Е.А.Круговой, Н.Е.Лисенко, В.Н.Панферова, В.Л.Коновалова, П.Я.Коробко, Х.Л.Гафурова, И.С.Карабасова, Е.Т.Бартоша, С.А.Са-пожникова, А.В.Коковихина, С.Ф.Павлова, А.Г.Дуганова, Г.Н.Шпиле-ва, Ю.А.Евсейчева и других.

Особое и не менее важное место, чеч экспериментально-прикладные работы, занимают исследования, носящие преимущественно теоретический характер, направленные на решение наиболее крупных и сложных проблем совершенствования условий перевозок СПГ. К таким проблемам относятся: функционирование железнодорожного хладотранспорта в системе непрерывной холодильной цепи; развитие предварительного охлоздения СПГ; влияние партионности предъявля-

омого грузопотока и свойств СНГ на параметры ИПС и структуру изотермического парка; рациональные сферы применения разных типов ИПС. Исследования этого направления представлены работами А.В.Комарова, М.Н.Тертэрова, П.Г.Макаренко, М.М.Шаповаленко и других.

Исторический обзор и анализ, выполненные в реферируемой главе, показывают, что в области экспериментальных исследований накоплен обширный, еще не в полной мере обобщенный теоретически материал по различным аспектам совершенствования условий перевозок СПГ. Критическое осмысление результатов теоретических исследований в области оптимизации работы хладотранспорта, структуры парка ИПС показывает, что многие безусловно ценные и справедливые в свое время предложения и рекомендации оказываются в современных условиях трудноосуществимыми, в связи с чем необходим поиск в этой области новых теоретических подходов и решений. Представляется важной, имеющей самостоятельное практическое и теоретическое значение проблема исследования процессов тепломас-сопереноса в системе "окружающая среда - транспортное средство -груз", анализ которых позволяет решать широкий круг задач, связанных с совершенствованием условий перевозок СПГ.

Вторая глава "Теоретические основы оптимизации парка изотермического подвижного состава" обосновывает, применительно к новым условиям работы хладотранспорта, необходимость изменения структуры парка ИПС, определяет теоретические предпосылки решения задач его оптимизации, дает основные положения и примеры применения методик определения: оптимальной структуры изотермического парка в изменяющихся условиях работы хладотранспорта; рациональной грузовместимости и типов подвижного состава при изменении структуры предъявляемого грузопотока; оптимальных теплоэнергетических параметров ИПС.

Критерий оптимизации в задаче определения оптимальной структуры изотермического парка - обеспечение требуемых оптимальных технологических условий сохранности продукции при использовании минимального числа типов ИПС.

Выделяются три важнейших признака, в соответствии с которыми можно классифицировать СПГ и технологию их перевозок, а именно - нуждаются или не нуждаются эти грузы: в первичном охлаждении после погрузки в вагоны; в вентилировании, т.е. обмане воздуха грузового помещения с внешней средой; в принудительной циркуляции воздуха в грузовом помещении и в толще итабеля.

Множество всех СПГ, характеризуемое этими признаками, можно иптериретировать как единичный объем в троклерном пространстве, каждому измерению которого соответствует один из признаков, как показано на рис. I. Групцу грузов, которые нуждаются и в первичном охлаждении, и в вентилировании, и в принудительной циркуляции воздуха, назовем "грузами с'наиболее тяжелыми условиями транспортировки", а их долю в общем предъявлении СПГ обозначим Дт . На практике ¿ту группу грузов составляют неохлажденные свежие плоды и овощи, а также низкотемпературные, быстрозамороженные продукты. Величина Дт отложена на каздой из сторон куба (см. рис. I). Множество (пространство) всох СПГ образовано подмножествами (подпространствами) специфических групп грузов, отличающихся требуемыми условиями перевозок, т.о. нуждающихся или не нуждающихся в обеспечении тех или иных технологических признаков. Эти подпространства обозначены на рис. I цифрами от "I" до "4".

При определении структуры разнотипного парка ИПС рассматриваются наиболее сложные условия организации работы хладотранс-порта, когда предъявление грузов различных групп (относящихся к

Условные обозначения:

Дт- доля грузов с наиболее тяжелыми условиями транспортировки

Доли в общем отправлении тех грузов, для перевозки которых целесообразно использовать: "I*- рефрижераторные вагоны увеличенной мощности; °2"~ рефрижераторные вагоны уменьшенной пощности; "3"- вагоны-термосы; " 4"- альтернативные типы вагонов

Рис. I

подмножествам "I" - "4") л дислокация ИПС лунного для каждой группы типа в местах з в период их погрузки являются случайными, нерегулируемыми событиями и процессами. При такой трактовке вероятность того, что взятый наудачу груз будет относиться, например, к группе, не требующей ни первичного охлаждения, ни вентилирования, ни принудительной циркуляции воздуха, численно равна объему подпространства "3", т.о. Л3= (1-Лт)3 . Грузы

этой группы можно перевозить в вагонах-термосах (ВТ). Вероятность того, что взятый наудачу груз относится к группе с наиболее тякелыки условиями транспортировки, численно равна объецу подпространства "I", т.е. Д4« 1*1*ДТ = Дт . Эти грузы следует перевозить только в наиболее совершенных рефрижераторных вагонах увеличенной мощности (РБ). Применяя аналогичный подход и рассматривая подпространство "2", получим, что грузы, не требующие интенсивного первичного охлаждения, предварительно охлажденные и замороженные (кроме перевозимых б РБ и ВТ) будут предъявляться с вероятностью Дг=Дт(1-Дт) . Эти грузы можно перевозить в рефрижераторных вагонах уменьшенной мощности (ВО. Остальные грузы, предъявляемые с вероятностью А 4 = = Дт(1-Дт)г, образующие подмножество-подпространство "4", можно перевозить в других, альтернативных типах вагонов (ВА) с более простыми, немашинными системами охлаждения или без охлаждения. Доли в общем парке ИПС вагонов чатырох основных классов ^ (РБ, 1=1; Ш, 1= 2; ВТ, .1= 3; ВА, 1= 4) определяются по предложенным формулам, использующим закономерности НЛО, с учетом введенного "коэффициента избыточности парка ИПС" I -го типа К£1 :

Ус=К£1А1/2К61Д1 > 1=1.....4; (I)

кЕ.-.(1+.утт^)/(1+}таг0), (2)

где коэффициент порожнего пробега универсального рефри-

жераторного подвижного состава 'УРПС).

Из приведенных выкладок и формул (I), (2) следует, что для обеспечения требуемых оптимальных условий перевозок всего множества СПГ необходимо и достаточно иметь в изотермическом парке четыре основных класса (типа) ИПС (РВ, Ш, ВТ, ВА), а доля каж-

дого типа определяется долей в общем предъявлении СПГ группы грузов с наиболее тяжелыми условиями транспортировки Дт(табл. I).

Таблица I

Доля грузов с наиболее тяжелыми условиями транспортировки. Дт о,г 0,2 0,3 0,5

Доли типов ИПС в общем РБ 0,15 0,22 0,29 0,43

парке РМ 0,14 0,19 0,22 0,25

ВТ 0,53 0,43 0,31 0,16

ВА 0,13 0,16 0,18 0,16

Коэффициент избыточности разнотипного специализированного парка по сравнению с однотипным универсальным 1,32 1,37 1,39 1,37

Эксплуатация разнотипного парка ИПС экономически оправдана лишь в том случае, если общие эксплуатационные расходы но превышают расходов на эксплуатацию однотипного парка. В качестве примера применения предложенной методики обоснования целесообразности специализации парка ИПС выполнены технико-экономические расчеты с учетом возможного прогноза темпа роста цен на топливо Ет на уровне 15 % в год ( Ет= 0,15), роста расходов на заработную плату £5П = 0,10 и темпа снижения доли грузов с наиболее тяжелыми условиями транспортировки 8Д =-0,05. Для прогноза и анализа удельных эксплуатационных расходов для [ -го типа ИПС в ] -й год эксплуатации, характеризуемых стоимостью вагоно-часа Су , предложена оценочная формула

- доля расходов на содержание штата работников хладо-транспорта в удельных эксплуатационных расходах для существующего парка УРПС;

часть расходов на топливо, материалы, энергии, ремонты и обслуживание УРПС, относимая на долю в его стоимости энергосилового и холодильного оборудования;

О^Оо- стандартная холодопроизводительность установок, соответственно для специализированного ШС I -го типа и для УРПС;

К0,К;- расчетные коэффициенты теплопередачи ограждений УРПС и специализированного ИПС 1-го типа.

Показатель отражает изменение расходов на топливо,

материалы, энергию, плановые ремонты и обслуживание, показатель ^ - изменение стоимости ИПС при изменении его параметров С?1 и по сравнению с существующими 0С и К0 . Формула (3) позволяет оценить стоимость вагоно-часа С^ в безразмерных единицах, не связанных с абсолютными донами, относительно стоимости вагоно-часа существующего УРПС для базового ( ] = 0) года С00 , когда С00 = I условная единица/вагоно-час. Расчеты выпoлнeiш при усредненных §>° =■ = 0,7 и других данных,-приведенных в табл. 2.

Табли_ца2......

Тип ИПС 1 0кВт - Вт .....у........ м -град . ^ с*. усл. единиц вагоио-час

УШС 0 18,0 . . 0,35 1,00 2,00 1,00

РБ I 21,6 0,35 1Д4 2,20 1,09

Ш 2 7,2 0,35 0,53 1,40 0,77

В? 3 0,0 0,20 0,52 .1,75 0,87

ВА 4 5,4 0,35 0,51 1,30 0,74

Общие эксплуатационные расходы ] -го года для всего разнотипного парка ИПС определяются по формуле (4), с учетом формул Ц)-(З):

Результаты расчета-прогноза эксплуатационных расходов показаны на рис. 2.

о я

Еч

S

а н о

s Д

10 9

8

7

6 5

4

3

2 I

0

Прогнозы изменения:

1 - цен на топливо;

2 - расходов на

заработную плату ;

3 - доли грузов с

наиболее тяжелыми условиями транспортировки ;

4 - эксплуатацион-

ных расходов разнотипного парка ИПС

Примечание.

Для базового года принято Лт = 0,5.

2 4 6

8 10 12 14 16 Год прогноза,j

Рис. 2

Из рис. 2 видно, что при наиболее вероятных тенденциях развития, когда быстро растут цены на топливо (кривая I), медленнее - расхода на заработную плату (кривая 2) и очень медленно уменьшается доля грузов с наиболее тяжелыми условиями транспортиров™ Дт (прямая 3), следует развивать структуру парка ИПС, в котором преобладали бы более, дешевые в эксплуатации вагоны типов РМ, ВТ, ВА, ориентированные на условия перевозок СПГ соответствующих групп (см. рис. I). При такой стратегии развития парка ИПС, учитывающей указанные тенденции, общие расходы по ого эксплуатации Эj (кривая 4) растут медленнее, чем ценн на топ-

4

што, подвижной состав и расхода ка заработную плату. Значит, увеличивается рентабельность перевозок СНГ, а поскольку специализированный ИПС обеспечивает оптимальные условия транспортировки конкретных грузов, то повышается и их сохранность.

Внутри кавдого из основных классов ИПС могут выделяться транспортные средства разной грузовместимости, ориентированные на обслуживание разных категорий отправителей. В связи с ото исследован вопрос определения рациональной грузовместимости и типов ИПС при изменении структуры и партионности предъявляемого грузопотока. В качества примера рассмотрено возможноо развитие ситуации, характеризуемое тем, что в общем предъявлении СПГ будет расти доля небольших партий продукции от мелких отправителей. Различные категории отправителей характеризуются величиной среднесуточного производства (предъявления) продукции и возможной продолжительностью во хранения до отгрузки . Величина даат средний размер отправки , предъяв-

ляемой отправителем (категорией отправителей). Принято, что для всего множества отправителей скоропортящейся продукции величина (¡с может изменяться в среднем от 0,5 до 8 т/сут, а

- от 0,5 до 8 су г. Однако распределение отправителей по величинам ас и ^хр внутри множества может быть различным. Оно и характеризует структуру и партионность предъявляемого грузопотока. Принято, что в настоящее время, благодаря имеющимся условиям концентрации погрузки и хранения, это распределение таково, что средняя величина предъявляемой партии С0 -- 2-8,8 т, а в будущем, из-за существенного увеличения доли мелких отправителей с ограниченными возможностями хранения, эта величина снизится до 12,С т. Распределение разных категорий отправителей в будущем по величинам (¡с и ^р , доле категории отправите-

лей Д в общем предъявлении СНГ, среднему размеру отправки С0 для каждой категории показывает, что необходимо рассмотреть вопрос о целесообразности обслуживания разных категорий отправителей разними типами транспортных единиц (ТЕ), отличающихся также грузовместимостью СГР и стоимостью вагоно(кон-тейнеро)-часа в порожном состоянии Сп (табл. 3).

Таблица 3

Категории отправителей, 1 I 2 3 4

Л,. 0,30 0,25 0,20 0,25

<}с. ,т/сут от...до 0...1 1...3 3...6 6...10

среднее 0,5 2,0 4,5 8,0

Со; . г 1,775 7,100 15,975 28,400

Ъп,. г 3 10 20 40

Тип ТЕ КТ КР КР ВР ■

СП1, усл. ед./ч 0,135 . 0,274 0,470 1,000

Типы ТЕ, приведенные в табл. 3: КТ - контейнер-термос; КР - контейнер-рефрижератор; ВР - вагон-рефрижератор (существующего типа). Оценки стоимости вагоно(контейнеро)-часа различных ТЕ выполнены с учетом их грузовместимости и с использованием формулы (3). При этом стоимость вагоно-часа универсального ВР существующего типа принята равной одной условной единице. Стоимость часа ТЕ в груженом состоянии болыпэ, чем в порожнем. Средневзвешенная стоимость часа ТЕ определяется соотношением его стоимостей в груженом и порожнем состояниях ( кГ>1), а также времени груженого и порожнего рейсов в обороте ТЕ. Доля груженого рейса в обороте тем больше, чем чаще ТЕ используется для перевозок, т.е. чем больше обеспечиваемая ею доступность и цапояность транспортного обслуживания.

Доступность транспортного обслуживания (ДТО) предложено определять как вероятность того, что для отправителя I -й ка-

тегории, с возможным сроком хранения продукции 1хр . находящегося во взятом наудачу регионе погрузки, при случайной дислокации ИПС имеется ориентированный на этого отправителя i -ii тип ИПС. Коэффициент ДТО и¡j определяется, с учетом формулы (2), как

"уЧ1-Р|Р(1-1уй-^у)КЕ1 . (5)

где Ру - вероятность того, что при случайной дислокации подвижного состава имеется ТЕ нужного отправителю 1-го типа. Однако обслуживание отправителя (нескольких отправителей данной категории) может увеличить минимально возможное время оборота ИПС L -го типа, и поэтому обслуживание может не состояться (как ухудшающее показатели работы хла-дотранспорта);

R¡¡- вероятность того, что обслуживание не ухудшило бы

У

показатель "оборот ИПС". Но подвижного состава нужного типа может не оказаться в регионе погрузки и поэтому обслуживание raíate может не состояться.

Вероятности Ру и Ry определяются по формулам:

ftn.Ui Я1"''1

РуПсО-^) (в); V-f^l-fc) (7),

где fo - доля ТЕ 1-го типа в общем парке единиц ИПС;

, 6¡j - оборот ИПС L -го типа - минимально возможный и фактический, в том случае, когда для полного использования грузовместимости ИЛС I-го типа нужно болев одной грузовой операции (более одной отправки).

Минимально возможный оборот ИПС (при обороте УГОС 0О ) равен

Фактический оборот 0у больше минимального на величину времени, связанного с выполнением дополнительных грузовых операций несколькими отправителями или на нескольких станциях.

В зависимости ог грузовместимости Оп^ , величин (¡с; и

значения могут различаться в десятки раз (от 0,08

до 0,99). Понятие ДТО и коэффициент имеют технологиче-

ский смысл. Чем меньше Ы.^ , тем с большими технологическими трудностями (регулировка, направление под погрузку и др.) связано обеспечение данной категории отправителей необходимым им КПС, и тем менее он для этой категории доступен. Из-за этого могут возрастать порожний пробег, простой под грузовыми операциями, оборот, что, в свою очередь, снижает надежность транспортного обслуживания (НТО).

Коэффициент НТО, Гу , численно равен отношению количества заявок отправителя, принятых на обслуживание без ожидания их в очереди, к возможному максимальному числу заявок. Иначо говоря, это доля отправок, принимаешь к перевозке по факту предъявления. Предлагаемая формула для определения Г^ основана на известных закономерностях теории массового обслуживания:

г - 1 к ПI 0(080_+ .(9)

У"1 М^есс^уПхр,] и с<0ео \

где К0- коэффициент, учитывающий вариацию времени оборота 0О.

Коэффициент НТО имеет коммерческий и экономический смысл. Чем больше Гу , тем выше надежность и своевременность обеспечения отправителей погрузочными ресурсами. Больше и степень полноты извлечения из клиентов доходов от перевозок. С другой стороны, больше и доля времени нахоздения КПС в груженом состоянии, и выше удельные расходы хладотрзнспорта.

Средневзвешенную по соотношении груженого и порожнего рей-

сов стоимость часа ТЕ предложено определять по формуле

где

I ч ч *

кГу- отношение стоимости груженого часа ТЕ к порожнему.

Кгу 1 240Л1 + и 6ГР1

где Цг- средняя цена I т скоропортящейся продукции, выраженная в тех жо единицах, что и Спь ; £ - темп естественных потерь продукции, 1/суг, характеризующийся экспоненциальным ускорением во времени. Для определения удельных приведенных затрат бу , в условных единицах на тонно-км, предложена формула

где Д0 - соотношение приведонных капитальных вложений в единицу ИПС (приходящихся на кавдый час срока ее слук- ' бы) и текущих удельных (часовых) эксплуатационных расходов для УПРС; 0>%, 30— грузовместимость и среднесуточный пробег УПРС.

Вопрос о выделении специализированного (по грузовместимости) ИПС для обслуживания разных категорий отправителей должен решаться на основе сравнения удельных приведенных расходов ву , для чего я предназначена изложенная методика.

В связи с ростом цен на энергоносители и хладагенты вачшое значение приобретает задача оптимизации теплоэнергетических параметров ИПС (стандартная холодопроизводительность, коэффициент теплопередачи огравдоний). Оптимальные теплоэнергетические параметры (ТЭП) должны обеспечивать повышенную экономичность эксплуатации ИПС и достаточную надежность поддержания требуемых

температурных режимов при переменных условиях перевозок СПГ. Задача оптимизации ТЭП связана и должна решаться в комплексе с рассмотренными выше задачата оптимальной специализации парка ИПС по структуре, типам и грузовместимости.

Выделяются две группы СПГ, отличающиеся условиям подготовки и транспортировки:

группа А - грузы, охлажденные или замороженные до погрузки, требующие в процессе перевозки только поддержания установленного температурного режима;

группа Б - грузы неохлажденные, требующие в процессе по-ревозки охлаждения до установленного режима.

Грузы группы А, в зависимости от их специфических свойств, могут перевозиться в вагонах-рефрижераторах, вагонах-термосах или в вагонах альтернативных типов. Грузы группы Б необходимо перевозить, как правило, в вагонах-рефрижераторах. Теплотехнический расчот вагонов каждого из этих типов имеет свои особенности. ТЭП вагонов, определяемые в результате такого расчета, зависят от принятых исходных данных, прежде всего - расчетного температурного напора и расчетной дальности (продолжительности) перевозок, которые в реальных условиях являютия случайными величинами .

Введем в рассмотрение величины: -Ь , "Ь , - математическое ожидание, фактическое значение и среднеквадратичное отклонение наружной температуры; = —- нормированное отклонение наружной температуры {. от ее математического ожидания t , в масштабе ; Р^ - вероятность того, что при случайных колебаниях наружной температуры она будет находиться в пределах ^¿.¿.Х.). ; Еи - вероятность того, что фактическая дальность перевозок 1_ будет больше расчетной Ь ; Ртт- надежность определения исходных данных для теплотехнического расчета.

Для грузов группы А и вагонов, в которых их поровозят, неблагоприятными следует считать условия, когда + ,

а . Для грузов группы Б неблагоприятные условия создают-

ся, когда {¡»-Ь+с^Х^ а . Случайные величины ^ и

независиш, поэтому с использованием теоремы умножения вероятностей можно определить Р-п- как вероятность того, что фактические условия эксплуатации вагона не окажутся более неблагоприятными, чем расчетные:

1 - Еь(1-Рг) - для грузов группы А; _ 1-(1-Е1)(1~Р1) - .для грузов группы Б.

Ртт =

Расчетный температурный напор определяется как

где доля к-го месяца в годовом объеме перевозок рассматриваемых грузов на данном направлении; - среднесуточная наружная температура к-го месяца на рассматриваемом направлении;

условное повышение наружной температуры, эквивалентное тепловому воздействию солнечной радиации; {р - средняя температура установленного режима перевозки

рассматриваемых грузов. В формулу (14)

входит — коэффициент, определяемый расчетным путем и характеризующий возможные отклонения наружной температуры и дальности перевозок от средних значений. Для определения предложены формулы, оснопанные на том, что колебания наружной температуры подчинены нормальному закону распределения и на выравнивании табличных значений интегральной функции этого распределения:

0,185

1,06-

Ртт4' Еи~ 1

Е, 0.185

•1,06-

Е1.

для грузов группы Л;

для грузов группы Б.

Ей

Анализ формул показывает, что расчетный температурный напор но зависит от сродной (расчетной) дальности перевозок I-л очень слабо зависит от распределения случайной величины фактической дальности перевозок, характеризуемого величиной Ей . Поэтому можно рекомендовать усредненные значения коэффициентов для расчета д£н , но зависящие от Еи (табл. 4).

Таблица 4

ртт 0,95 0,97- 0,99 0,999 Группа гот зов

1.0 1.4 2,2 3,0 А

1.3 1.7 2,4 3,0 Б

Для определения необходимого и достаточного уровня надежности Ртт предложено неравенство

Ртт> I-

240О(СО-СЛ

(16)

(1 + 0Со)11,г6гр1

В правой части (16) в числителе дроби - величина экономии эксплуатационных расходов, приходящаяся на один вагон проектируемого ¡,-го типа при себестоимости вагоно-часа С^ , меньшей С0 - себестоимости вагоно-часа наиболее дорогого универсального РПС. В знаменателе - в тех же единицах, что эксплуатационные расходы - стоимость перевозимой в вагоне продукции при ее средной цене за единицу массы Цг и грузовместимости (нетто) вагона бгр^ • Смысл неравенства (16) в том, что даже в случае стопроцентной порчи продукции из-за эксплуатации вагона

в более неблагоприятных условиях, чем расчетные, убытки должны быть меньше экономии эксплуатационных расходов. Это неравенство характеризует степень коггчярческого пипка при эксплуатации вагона с проектируемыми ТЭП и выражает экономические требования к уровню его эксплуатационной надежности.

Стоимость вагоно-часа С- зависит от ТЭП вагона (см. формулу (3), показатели ^ и ), причем его теплоизоляционные качества ( К^ ) нецелесообразно ухудшать по сравнению с существующим УРПС. Коэффициент ДТО проектируемого вагона I -го типа может быть меньше единицы. С учетом этого получим уравнение, связывающее воедино ТЭП вагона, уровень ДТО, грузовместимость, цену груза и другие факторы

Анализ результатов многовариантных расчетов показывает, что при проектировании изотермических вагонов достаточно закладывать надежность определения исходных данных для теплотехнического расчета ( Ртт) не более 0,95. Для вагонов, эксплуатируемых в относительно более благоприятных условиях, предназначенных для перевозок более дешевых, транспортабельных, термически подготовленных грузов, требуемый уровень надежности может быть още ниже - до 0,50. Относительно невысокие, но достаточно обоснованные уровни надежности Ртт позволят проектировать более дешевые в строительстве, эксплуатации и менее энергоемкие изотермические Батоны, обеспечивающио сохранность СПГ.

Методика определения оптимальных теплоэнергетических параметров ШС органично связана с изложенными выше методиками определения рациональной грузовместимости и типов ШС, оптимальной структуры парка. В комплексе эти методики составляют

(17)

основу теоретического подхода к решению актуальной задачи оптимизации изотермического парка хладотранспорта в изменяющихся условиях его работы.

Третья глава "Теоретические основы анализа и моделирования процессов твпломассоперпноса при доставке скоропортящейся продукции" обосновывает необходимость и содержит результаты исследований, без которых невозможно эффективное решение задач определения оптимальных тешаратурно-влажностних условий перевозки, рациональных способов и норм загрузки рефрижераторных вагонов, совершенствование систем воздухораспрэделения и охлаждения этих вагонов.

Тешературно-влакностные условия, в которых находятся перевозимые СПГ, зависят от множества факторов и особенностей технологии подготовки, погрузки и перевозки скоропортящейся продукции. В зависимости от этих факторов различными могут быть реальные распределения температур в масса груза и степень сохранности продукции.

Наиболее оправданным в деле совершенствования условий перевозок СПГ, изотермического подвижного состава и связанных с этими направлениями исследованиях представляется подход, сочетающий возможности и преимущества как теоретических, так и экспериментальных методов. Органическими свойствами теоретических моделей и выводов в рассматриваемой области являются их применимость и общность для сходных условий и технологий доставки СПГ. Эти ценные свойства вытекают из того, что описываемые теоретическими моделями процессы тепломассопореноса, определяющие поведение системы "окружающая среда - вагон - груз" (ОСВГ) и влияющие на сохранность СПГ, являются по своей сути детерминированными. То есть поводоние систем, состоящих из одинаковых

(аналогичных) подсистем и элементов, находящихся в одинаковых (аналогичных) условиях, будет одинаковым или похожим, со степенью расхождения, которую можно оценить известными методами. Практически это значит, например, что подтвержденные экспериментом теоретические выводы, касаащиася одного груза, могут быть обоснованно распространены на однородные с ним грузы, перевозимые в сходных условиях. Таким образом, частныо результаты приобретают более общий характер и сокращается необходимый объем экспериментальных исследований, повыиается обоснованность рекомендаций по совершенствованию условий перевозок СПГ.

Математический аппарат для решения частных задач, соответствующих различным сторонам и этапам процессов тепломассопере-носа в системе ОСВГ, достаточно хорошо разработан в теории тепломассообмена и других отраслях науки. В то ке время, как показал анализ, до сих пор не решена задача, составляющая содержание и цель данной глаш - системно объединить и использовать, с учетом специфики условий железнодорожного хладотранспорта, известные теоретичоскиэ метода для решения прикладных инженерных задач, связанных с совершенствованием условий перевозок СПГ и рефрижераторных вагонов.

Одна из предложенных моделей - математическая модель процесса охлаждения грузов, обладающих собственным тепловыделением, перевозимых в рефрижераторных вагонах плотным штабелем. Она предназначена для моделирования температурного поля наиболее массовых СПГ - свежих плодов и овощей. Из-за недостатка рефрижераторных вагонов в период массовой уборки эти грузы вынужденно загружают в вагоны плотным способом, без организованных воздушных зазоров, на большую высоту. Это ухудшает температурные условия перевозки (приводит к образованию температурных анома-

лий). Для устранения таких аномалий, ухудшающих сохранность груза, необходимо определить условия, при которых они образуются. Задача расчета температурного поля плотного штабеля овощей в условиях длительного холодильного хранения теоретически решена И.Г.Алямовским. Однако анализ показал, что разработанная им методика расчета, дающая достоверные результаты в указанных условиях, не соответствует специфическим условиям перевозки в рефрижераторном вагоне. В частности, она не отражает реальный процесс самосогревания груза в центра плотного штабеля, который может происходить спустя некоторое время после первого этапа интенсивного охлаждения груза. Происходит или не происходит самосогревание грузов, обладающих собственным тепловыделением - зависит от сочетания множества факторов. Рассмотрено два крайних случая течения процесса - в первом самосогревание априорно происходит, несмотря на охлаждение штабеля; во втором самосогревание но происходит, вопреки собственным тепловыделениям груза. Логические выкладки и математические преобразования приводят к выводу, что температура в центре штабеля в процессе самосогревания Тц определяотся зависимостью

а в том случае, когда самосогревание не происходит, температура в центре штабеля равна

В формулы (18), (19) входят величины и обозначения: , - начальная температура груза и средняя температура режима перевозки (воздуха в вагона), °С;

; <1 =тГ(М) I Xе V ^г '

Ъ'ЫЧ; -; % = р о-,

Ро - критерий Фурье; п„ ЗбООЧиезу^Уо}'^

РО =-' , у— -критерии Померанцева;

т

3600 -т—— коэффициент температуропроводности ытабе-Сш][и о.

ля, иг/ч;

\а- коэффициент теплопроводности штабеля, Вт/(ы*К); Сш— удельная теплоемкость штабеля, Да/(кг*К);

погрузочная плотность штабеля, кг/м3; Т- текущая продолжительность перевозы!, ч; Я - характерный размер штабеля, определяемый пз выражения

где 1_ , В , Н - длина, ширина и высота штабеля, м;

qso- интенсивность тепловыделений груза при О °С, Вт/кг; тс- коэффициент интенсивности тепловыделений, 1/°С; р., А*- корень характеристического уравнения теплопроводности и начальная тепловая амплитуда;

Поскольку процесс теплообмена в центре плотного штабеля протекает в пределах между рассмотренными двумя априорными случаями (самосогревание происходит или не происходит), то в качестве температурной характеристики этого процесса принята

средняя (наиболее вероятная) температура (£*+ !:£*)/2 .

Справедливость теоретического подхода, положенного в основу рассмотренной методики, подтверждается сходимостью (в пределах -2 град) с, опытными данными результатов моделирования, которио достаточно близко отражают реальную динамику температур груза в центре плотного ытабеля (рис. 3).

10 О

о о

,®0 - данные опытных перевозок

<"\ - результаты 'моделирования

Динамика температуры груза в центре плотного штаболя (апельсины)

Значения коэффициента тогшоратуропроводностя плотного атабеяя, а =

0,0004 Мг/ч 0,0003

0,0002

72 96

Продолжительность перевозки, ч

Рис. 3

Методика можэт использоваться, без принципиальных изменений, также для моделирования среднеобъемной температуры штабеля и температуры на его поверхности, для оптимизации на этой основе способов и норм загрузки рефрижераторных вагонов, температурных условий перевозки свежих плодоовощных грузов.

Более общим для технологии перевозок СПГ и более сложным для теоретического анализа является случай, когда внутренняя структура штабеля воздухопроницаема и воздух циркулирует как внутри, так и вокруг него. Для этого случая разработана матоди-

ка моделирования теплообмена и воздухораспределешш в слойкой пространственной структура, образуемой элементами вагона, тары и скоропортящейся продукции. При этом учитываются конкретные особенности грузов, способов их укладки и рефрижераторных вагонов, а таете начальные и внешние температурные условия перевозки. Предложенная модель воздухораспределения в грузовом помещении и штабеле грузов, характерная для эксплуатируемых рефрижераторных вагонов, иллюстрируется схемой рис. 4.

При работе вэнтиляторов-циркулягоров в грузовом помещении и в штабеле развиваются взаимодействующие "циркуляционные контуры", по которым движутся воздушные потоки. В большом циркуляционном контуре (БЦК) движутся потоки, омывающие поверхности штабеля и проходящие через воздухоохладители. Малый циркуляционный контур (ЩК) порождается большим. Из-за высокой скорости потока воздуха, подаваемого сверху в каналы между боковыми стенами вагона и поверхностями штабеля над его верхней поверхностью создается разрежение воздуха (эжекционный эффект), а в каналах - избыточное давление, благодаря чему воздух частично расходуется внутрь штабеля из пристенных каналов и из-под напольных решеток. Величина результирующей скорости фильтрации ы потока МЦК внутри штабеля получается по известному правилу сложения вокторов скоростей ы8 - обусловленной входом воздуха в штабель через боковую поверхность, и и>х - через нижнюю повзрхиость:

Схема циркуляции воздуха в грузовом помещении рефрижераторного вагона

Воздухоохладитаяь

Подача воздуха вентилятэрамн-цтркуляторами

Циркуляционные контуры:

большой

- малый

Скорости:

Вк- ширина.пристенного цирку ляционного канала;

В, Н - шрзна и высота птабеля;

Н_ - высота от места ^ выхода потока воздуха до пола ■ вагона;

Ир - высота напольных решеток;

Х,у. - текущие координаты

1С V. - потока воздуха в канале на уровне верха штабеля и на расстоянии X. от верха штабеля;

uZ.Ua - входа воздуха в штабель соответственно через " боковую и нижнюю поверхности

Рис. 4

где 2 , у- - координаты центра элемента, для которого определяется температура (см. рис. 4);

- средняя длина пути, проходимого потоком ЩК по криволинейной траектории; Д5 - эффективный размер элемента (или грузового места) в направлении движения потока МЦК;

£т - воздухопроницаемость (скь_жность) тары (от О до I);

£0 - воздухопроницаемость элемента (грузового места) с учетом скважности тары £т , ее содержимого 6И и степени ее заполнения кн ( £0 = , £||£т—) ;

к„£т+

£ - коэффициент извилистости пути воздуха в штабеле;

В,Н, ВП,НП - размеры штабеля и вагона, см. рис. 4;

коэффициент местного аэродинамического сопротивления потоку ЕЦК при его повороте под прямым углом под напольную решетку ( ~ 1,2); их> иЦ > ~ скорости входа различных воздушных потоков, см. рис. 4; - фактор затухания воздушных потоков. В рассматриваемой модели особое значение имеет введенный "фактор затухания воздушных потоков" |0 , [(с/м)2] . Этот фактор, увязывающий скорости всех потоков, определяется строго аналитически в зависимости от геометрии штабеля, характеристик груза, тары и вагона, на основа уравнения баланса количеств воздуха, входящих в штабель и выходящих из него. В силу симметричности задачи для поперечного сечения штабеля уравнение в интегральной форме (для единичной длины штабеля) имеет вид:

объемы воздуха в единицу времени: н в/г в/г уг

\иЫх + = № + ■ (22)

0 0 0 0

ЕХ0ДЯЩ8Г0 ШХ0ДЯЩ9Г0

В результате интегрирования получаем уравнение баланса, нелинейное относительно :

-^Ч-е^-Нть'^» -

-«.«?{-н-Д'-^Вл}) - о .

в которое входят коэффициенты, зависящие только от параметров груза, тары, штабеля и вагона:

а, = Вксг0 ; аг= Е0ао2 -У-; а} = ^ 1г0 ; а4 = Е0<г0г^п >

Скорость входа воздуха в вертикальный пристенный канал на уровне верха штабеля <т0 зависит только от производительности и особенностей системы воздухораздачн конкретных типов рефрижераторных вагонов, и определяется с учетом этих особенностей. Эта скорость ( О*0 ) определяет такие используемые в формулах (20) и (22) скорости входа воздуха через боковую ( и* ) и нижнюю ( и; ) поверхности штабеля:

и^В^Л^^Л^} ; (24)

После того как определены, с учетом особенностей конкретного вагона, груза и способа его укладки, величины скорости и фактора затухания (численными методами из уравнения 23), мотао определить для любого элемента штабеля локальную скорость фильтрации воздуха, коэффициент теплоотдачи его поверхности и,

известными методами теории тештпроводности, текущую температуру элемента.

Методика имитационного моделирования процессов тепломас-сопераноса в грузовом помещении и штабеле груза, работы холодильных машин рефрижераторных вагонов реализуется программой расчетов GLOBAL. PAS , ориентированной на ПЭВМ. Эта программа без принципиальных изменений может использоваться для моделирования холодильных перевозок всех основных СПГ, для чего предусмотрены модификации методики, учитывающие особонности разных грузов и вагонов. Адекватность положенной в основу методики математической модели реальным процессам подтверждается сравнением результатов моделирования с данными опытных перевозок различных грузов. Относительная погрешность модели, оцениваемая по удельному снижению температуры груза, приходящемуся на киловатт-часы,(мегадноули)- затраченного для этого холода, не превышает -7,6 а средние отклонения температур груза не превышают ¿1,5 град и находятся в пределах допустимой погрешности, присущей методам расчета (¿30 %). Примечательно, что такую сходимость дает сложная математическая модель, включающая десятки факторов, определяют;« условия перевозок СПГ.

Достоверность разработанных модолей основана на .том, что в них системно объединены к использованы строгие, надежные теоретические мь^'одн расчета к анализа процоссов тепломассопере-носа и адекватно отражены их реальные условия, что и было целью исследований, изложенных в реферируемой главе.

Четвертая глава - "Практические приложения результатов теоретических и экспериментальных исследований и их экономическая эффективность". Тьоретаческив исследования, прежде всего освещенные в третьей глава, основаны на большом экспериментальном

материала, полученном в ходе опытных перевозок различных СНГ в разных типах вагонов, выполнявшихся ЛИ-ЕТом-ПШТом в 19331992 гг. Особое внимание уделялось опытным перевозкам плодоовощных гх1узов, наиболее сложных в технологическом отношении.

Измерения температур в ходе опытных перевозок показали, что наилучшие температурные условия в штабеле обеспечиваются з рефрижераторных вагонах завода Дессау постройки после 1975 г. (с направленной подачей охлаждающего воздуха сверху в пристенные каналы), а наихудшие - в вагонах Брянского машиностроительного завода постройки до 1985 г. с верхней рассредоточенной подачей воздуха.

Обобщение экспериментальных данных и результатов моделирования показывает, что даже в болев совершенных вагонах завода Дессау постройки после 1975 г. температура'в самом холодном мосте штабеля (у воздухоохладителей) в зависимости от условий охлаждения может быть на 1...5 град ниже средней температуры воздуха в вагоне (табл. 5, данные в толе таблицы), что связано с опасностью переохлаждения и понижения качества груза.

Таблица 5

Высота штабеля, Продолжительность непрерывной работы холодильных машин, ч

2 4 6 8 10 1?.

2,0 2,2 0 1,0 1,0 3,0 2,5 3,5 3,5 4,0 4,5 4,5 5,0 5,0

С учетом этих данных рекомендованы изменения и дополнения з Инструкцию по обслуживанию перевозок СПГ, позволяющие лб'зспечить оптимальный режим охлаждения и сохранность плодоовощных грузов. С этой же целью рекомендовано оборудовать рефрижера-

торные вагоны двумя датчиками для измерения температуры груза, усилив их конструкцию по сравнению с теми, что применялись в прошлом в ИПС постройки завода Дессау.

Результата моделирования, подтвержденные опытными данными, позволили оценить эффективность систем охлаждения и возду-хораздачи различных рефрижераторных вагонов. Предложен показатель "энергоемкость охлаждения груза" - отношение расхода холода за время охлаждения к величине снижения температуры груза в самом теплом месте штабеля за то же время. Оценки показывают, что наименее энергоемкий процесс охлаждения обеспечивается в вагонах с направленной подачей воздуха в пристенные циркуляцио-онные каналы. Причем с увеличением загрузки вагонов, имеющих такую систему воздухораздачи, энергоемкость охлаждения снижается, а кроме того, обеспечиваются более благоприятные температурные условия в штабеле груза. Поэтому новые рефрижераторные вагоны увеличенной вместимости и грузоподъемности целесообразно оборудовать именно такими системами и уделять большее внимание совершенствованию этих систем, а не наращиванию производительности холодильных установок.

Исследован важный и недостаточно изученный до сих пор вопрос о влиянии условий перевозок СПГ на наработку холодильного оборудования и расход топлива рефрижераторным подвижным составом. Установлено, что наибольшее влияние на эти показатели оказывает начальная температура груза (оцениваемая избыточной начальной температурой Т0 по сравнению с температурой режима перевозки), т.е. качество термической подготовки груза отправителем. Например, при увеличении Т0 различных плодоовощных грузов с 5 до 20 град наработка и расход топлива могут возрастать (в зависимости также и от других условий) в 1,6...3,3 раза. В

меньшей степени оказывают влияние на расход топлива загрузка вагона, наружная температура и интенсивность собственных тепловыделений груза. Разработана методика прогнозирования наработки холодильных установок и расхода топлива в груженом рейсе, используемая в дальнейшем при оценке себестоимости перевозок СПГ в зависимости от перечисленных и других факторов.

На себестоимость и рентабельность перевозок СПГ оказывает влияние и величина потерь продукции при транспортировке. Эти потери нормируются Правилами перевозок, однако анализ показывает, что установленные нормы естественной убыли массы грузов недостаточно обоснованы. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют утверждать, что эти нормы должны быть дифференцированными, учитывать важнейшие факторы, влияющие на естественную убыль массы СПГ: род продукции, ее физиологические свойства, термическая подготовка, упаковка; тип вагона, наличие или отсутствие системы охлаждения, ее особенности; климатические условия перевозки и др. Разработаны дифференцированные нормы естественной убыли массы апельсинов, бананов, замороженных рыбных грузов, учитывающие условия их перевозки и позволяющие уменьшить материальную ответственность железных дорог при весовых недостачах.

На основе теоретических и экспериментальных исследований моделирования холодильных перевозок разработана методика оценки себестоимости перевозок СПГ в РПС и определения уровня тарифов в зависимости от условий доставки. Себестоимость перевозок СПГ является величиной переменной, зависящей в первую очередь от условий подготовки продукции отправителем. Так, расчеты подтверждают, что предъявление отправителем к перевозке свежей плодоовощной пр оду ищи без предварительного охлаждения существенно увеличивает эксплуатационные расходы хладотранспорта. Эти доиол-

нительше расходы могут составлять 8...45 % постоянных расходов, не зависящих от рода и подготовки груза (расходы на заработную плату, плановые ремонты, амортизацию ИПС и др.). В особо неблагоприятных условиях дополнительные расходы могут даже превышать постоянные в 1,1...1,3 раза. Предварительное охлаждение 'позволило бы сократить общие эксплуатационные расходы хладотранс-пэрто в зависимости от различных условий на 7...43 % и повысить рентабельность перевозок в 2...3 раза.

Предложена система гибких дифференцированных тарифов на перевозку свежих плодоовощных грузов, учитывающая условия их подготовки и транспортировки. Применяемые в этой системе тарифные коэффициенты могут увеличивать тариф до 140 % или уменьшать до 75 % от базового - в зависимости от температуры предъявляемой продукции, дальности перевозки и загрузки вагона. При этом обаспечивается требуемая рентабельность перевозок СПГ и стимулируется качественная подготовка отправителями продукции, а значит, повышается ее сохранность при доставке. Ожидаемый экономический эффект от применения прэдлоквнной системы тарифов только при перэвозках в РПС свеких плодоовощей, отгружаемых железными дорогами Россия, составляет нз менее 200 млн. руб. в год по уровню цен и базовых тарифов лета 1992 г. (примерно 5 млн. руб. в год в ценах 1990 г.).

0БЩ1Е ШВОДЫ

В диссертации разработаны теоретические методы решения задач, которые представляются наиболее актуальными при современном состоянии хладотрансдорга и изменившихся условиях его работы (оптимизация структуры изотермического парка с учетом особенностей предъявления и доставки скоропортящейся продукции, оптимизации условий перевозки и параметров подвижного состава с уче-

том специфических свойств грузов и особенностей процессов тепломассопереноса при их доставка, повышение рентабельности хладотранспорта и сохранности грузов).

Результата анализа и исследований, выполненных в диссертационной работо, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Эксплуатируемый изотермический парк большой грузовместимости не соответствует характеру поступления на транспорт скоропортящейся продукции, предъявляемой, как правило, небольшим! партиями, причем эта тенденция с ростом числа мелких производителей будет усиливаться, а возможности концентрации погрузки - сокращаться.

2. Изотермический вагонный парк (рефрижераторы, термосы, незначительное количество ледников и цистерн) недостаточно специализирован с учетом разнообразных физиологических и транспортных свойств скоропортящихся грузов (СНГ), а также потребностей

а возможностей различных категорий грузоотправителей.

3. Пополнение парка изотермического подвижного состава (ИПС) в основном за счет универсальных рефрижераторных вагонов, как это делалось в прошлом, в настоящее время практически невозможно, а в будущем принципиально нецелесообразно с экономической и эксплуатационно-коммерческой точек зрения. Обновление парка ИПС должно осуществляться с' учетом придания ему в будущем оптимальной структуры - с рациональной степенью специализации, оптимальным соотношением в парке разных типов ШС, оптимальными технико-эксплуатационными, теплоэнергетическими и экономическими параметрами этих типов.

4. При решении теоретических задач оптимизации парка ИПС

в новых условиях (сокращение возможностей централизованного регулирования вагонопотоков, концентрации погрузки, усиленно влия-

шш неравномерности и случайности транспортных процессов) работу хладотранспорта, имеющего в парке разные типы ИПС, можно рассматривать и формализовать как параллельное функционирование систем массового обслуживания. Число таких систем равно числу типов специализированного ИПС, а для определения их характеристик предложены аналитические зависимости.

'5. Необходимое и достаточное число типов специализированных ИПС для перевозки СПГ можно определить исходя из трех основных технологических признаков условий их транспортировки, а именно - нуждаются или не нуждаются эти грузы: в первичном охлаждении после погрузки; в вентилировании, т.е. в обмене воздуха грузового помещения с внешней средой; в принудительной циркуляции Еоздуха в грузовом помещении и в толще штабеля.

6. Для обеспечения требуемых оптимальных условий транспортировки СПГ и снижения общих эксплуатационных расходов хладотранспорта необходимо и достаточно иметь в его парке четыре основных класса (типа) ИПС: рефрижераторы увеличенной мощности (холодопроизводательности) - РБ; рефрижераторы уменьшенной мощности (РМ); взгоны-термосы (ВТ); другие, альтернативные типы вагонов (ЗА - вагоны-овощевозы, вагоны, охлаждаемые эвтектическими смесями, жидкими газами и др.). В диссертации предложена методика для определения рационального соотношения в общем парке этих классов ИПС. Внутри каждого класса при необходимости возможна его специализация по грузовместимости.

7. В ближайшей пэрспоктиво необходимо ориентироваться на структуру парка ИПС, в которой было бы: РБ - примерно 25 %,

НЛ - 20 %, ВТ - 35 %, ВА - 20 %. При наиболее благоприятном развитии в области предварительного охлаждения грузов в парке ИПС монет быть до 60 % ВТ и не более 25 % РБ.

0. На величину удельных приведенных расходов хлздотранс-порга (на тонно-км) и его рентабельность при доставке СПГ влияют показатели "доступность" и "надэкность" транспортного обслуживания отправителей (ДТО и НТО), которые качественно и количественно определены в диссертации. В свою очередь, уровни ДТО и НТО определяются как факторами внешними по отношению к хладотракспорту (среднесуточное отправление продукции отправителем в рассматриваемый сезон, наличие у него складских емкостей для хранения и возможный его срок), ток и собственными показателями хладотранспорта (оборот, порожний пробег и др.). Для определения удельных привадаидах расходов предложена методика, учитывающая изменение цен, затрат, а также технико-эксплуатационные и теплоэнергетические параметры ИПС.

9. Технико-экономические расчеты по критерию удельных приведенных расходов показывают, что при рассмотренных условиях целесообразно иметь в парке трехтонные контейнеры-термосы для обслуживания производителей-отправителей с предъявлением продукции до I т/сут и возможностями ее хранения до 6 су т. Для более крупных отправителей целесообразно иметь также десятитонные, при условии кооперации отправитэлей - и 20-тонные рефрижераторные контейнеры. Отправителей со среднесуточным предъявлением продукции свыше 4,5 т наиболее целесообразно обслуживать одиночными изотермическими вагонами. Групповой рефрижераторный подвижной состав (ЕПС) может использоваться при наличии возможностей концентрации погрузки в нужных размерах.

10. При проектировании вагонов, специализированных по топ-лоэ'.шргетичсским параметрам (холодопроизводитольность и теплоизоляция), предназначенных для перевозки СПГ с наиболее тяжелыми условиями транспортировки в наиболее тяжелых климатических

условиях (рефрижераторы увеличенной мощности), достаточно закладывать надежность (доверительную вероятность) определения исходных данных для теплотехнического расчота на уровно 0,95. Для вагонов уменьшенной мощности, эксплуатируемых в более легких условиях, предназначенных для перевозок термически подготовленных грузов, требуемый уровень надежности может быть еще ниже - до 0,50. При обосновании уровня надежности необходимо использовать введенный в диссертации показатель "степень коммерческого риска". Невысокие, но достаточно обоснованные уровни надежности позволят проектировать более экономичные и обеспечивающие сохранность грузов изотермические вагоны.

11. Взаимосвязанные задачи обеспечения оптимальных темпе-ратурно-влажностных условий перевозки СПГ и совершенствования параметров ИПС требуют исследования процессов тепломассоперано-са в системе "окружающая среда - вагон - груз" не только экспериментальными методами, но и создания достаточно универсальных теоретических моделей этих процессов. В диссертации разработаны такие модели, позволяющие адекватно отображать, с помощью имитационного моделирования на ЭВМ, и анализировать реальные процессы холодильных перевозок СПГ.

12. Результаты моделирования холодильных перевозок СПГ, подтверждаемые опытными данвкмп, показывают, что наиболее эффективной и ь^репектиБНол для новых поколений рефрижераторных вагонов является система воздухораепределэния с направленной подачей воздуха в пристенные каналы (особенно в условиях увеличения загрузки вагонов). Совершенствование систем воздухо-распределанил должно быть одним из приоритетных направлений улучшения температурно-влакностных условий транспортировки СПГ.

13. Фактическая себестоимость перевозок СПГ в значительной мера определяется переменными расхода-ди на топливо, расхо-

дома, связанными с потерями массы и качества продукции, которые зависят, прежде всего, от ое подготовки отправителем. Моделирование холодильных перевозок позволяет оценить, как влияют условия подготовки и транспортировки продукции на рентабельность ее перевозок, и с учетом этого формировать обоснованные тарифы.

14. Система тарифов при перевозках СПГ должна быть гибкой, дифференцированной и учитывать, прежде всего, качество термической подготовки грузов отправителями, стимулировать развитие предварительного охлаждения грузов. Такая система тарифов для свежих плодоовощных грузов, перевозимых в РПС, предложена в диссортации. Ожидаемый экономический эффект от применения этой системы на дорогах России составляет не мзнео 5 млн. руб. в год в ценах 1990 г. (200 млн. руб. в год в ценах лета 1992 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Способы увеличения статической нагрузки изотермических вагонов при перевозке плодоовощей/М.Ы.Тертеров, В.В.Ефимов, В.К.Мироненко//Тр. институтов инженеров ж.-д. тр-та. - МИИТ.

- Шп. 767. - И., 1985. - С. 13-18.

2. Исследование изменения качества апельсинов при перевозке в рефрижераторном подвижном составе/В.К.Мироненко, В.В.Бра-мов//Тр. институтов инженеров ж.-д. тр-та. - МИИТ. - Вып.767. -1.1., 1935. - С. 95-100.

3. Прогрессивные способы перевозки цитрусовыхД1.Н.Терте-ров, 3.В.гримов, В.К.Мироненко/Аелезнодороаный транспорт. -1985. - Уе 10. - С. 39-40.

4. Совершенствование условий перевозок цитрусовых плодов в рефрижераторном подвижном составо/М.Н.Терторов, В.К.Миролен-ко//Холодильная техника. - 1985. - И 12. - С. 17-20.

5. Мироненко В.К. Технологические особенности доставки импортных плодоовощей в пакетах/Донтейнеризация и пакетизация на промышленном транспорте предприятий и в сфере обслуживания: Тез. доклада. - Ленингр. дом научно-техн. пропаганды. - Л., 1585. - С. 37-38.

6. Миронэнко Б.К. Эффективные способы.погрузки импортных плодоовощей в рефрижераторных вагонах: Тез. дол. Всесоюз. науч. конф.//Пути совершенствования перевозочного процесса и управления транспортом. - Гомель, 1985. - С. 331-333.

7. Основные результаты опытных перевозок цитрусовых в рефрижераторных вагонах/М.Н.Тертеров, В.В.Ефимов, В.К.Мироненко// Пути совершенствования перевозочного процесса и управления транспортом. - Гомель, 1985. - С. 195-196.

8. Мироненко В.К. Исследование возможности перевозок предварительно охлажденных цитрусовых в крытых вагонах:.Тез. докл. научко-техн. конф. УЭМИИТа. - Свердловск, 1987. - С. 41-42.

9. Миронэнко В.К..Методика опытных перевозок импортных плодоовощей:Мэжвуз. сб. науч. тр., ШИТ. - Вып. 791. -М., 1988. - С. 73-74.

10. Миронэнко В.К. Исследование температурного поля плотного штабеля груза в рефрижераторном вагоне/Долодильная техника.

- 1990. - )Ь 9. - С. 27-31.

11. Миронэнко В.К. Совершенствование нормирования потерь массы плодов и овощей.при перевозках в рефрижераторных вагонах //Холодильная техника. - 1990. - № 10. - С. 36-38.

12..Проблемы развития железнодорожного холодильного транс-порта/М.Н.Тертеров, В.К.Мироненко/Долодильная техника. - 1990.

- И II. - С. 2-7.

13. Нужен ли вагон-овощевоз?/В.Д.Ткачев, М.Н.Тертеров, В.К. ¡/лронэнко/А^елвзнодорокный транспорт. - 1990. - й II. - С. 21-22.