автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Теория и модели процессов тепломассопереноса при транспортных операциях с застывающими наливными грузами

На правд* рукописи

МОИСЕЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

ТЕОРИЯ И МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ТРАНСПОРТНЫХ ОПЕРАЦИЯХ С ЗАСТЫВАЮЩИМИ НАЛИВНЫМИ ГРУЗАМИ

Специальность: 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

6 ДЕК 2012

Санкт - Петербург 2012

005056265

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Воробьев Алексей Минаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Киселев Игорь Георгиевич -профессор кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

доктор физико-математических наук, профессор Береславский Эдуард Наумович - профессор кафедры «Прикладная математика» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации»

доктор технических наук, профессор Емельянов Владислав Николаевич - профессор кафедры «Плазмогазодинамика и теплотехника» ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова»

Ведущая организация:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военная академия материально-технического обеспечения» (ВАМТ обеспечения) им. генерала армии A.B. Хрулева, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «20» декабря 2012 г. в 1300 час. на заседании диссертационного совета Д218.008.06 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» (адрес: 190031, г.Санкт-Петербург, Московский пр.,9), ауд. 1-217

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» Автореферат разослан «15» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н. профессор ^^¡^^^Кудряшов Владимир Александрович

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В работе рассмотрены проблемы химмотологии жидких нефтепродуктов моторных и котельных топлив, легких и тяжелых технических масел, нефтебитумов н др. при их железнодорожных перевозках в холодное время года.

Названные продукты изменяют свои характеристики при охлаждении, в силу чего относятся к застывающим наливным грузам (ЗНГ). Они широко потребляются промышленностью, сельским хозяйством, транспортом и Вооруженными Силами РФ, что обуславливает большие объемы их перевозок.

Научная значимость проблемы определяется не полным развитием научно-обоснованных представлений о протекании тепломассообменньтх процессов в ЗНГ при транспортных операциях с ними. Если для конечных операций по их выгрузке и перегрузке разработаны удовлетворительные методики расчетов, основанные на эмпирических формулах, полученных из практики эксплуатации применяемого оборудования, то теории и математические модели, описывающие динамику охлаждения ЗНГ, их застывание при перевозках и восстановление текучести при выгрузке, еще далеки от завершения.

Актуальность проблемы обусловлена необходимостью снижения стоимости доставки ЗНГ в условиях холодного климата России. Проблема существует уже многие годы и в настоящее время требует новых научных и инженерно-технических решений в силу следующих обстоятельств: 1. В настоящий момент в России более 50% тяжелой колесной и гусеничной техники гражданского и военного назначения эксплуатируется на дизельных тоштивах (ДТ) различных марок, разработанных по ГОСТ 305-82 для использования, как в летнее, так и зимнее время. Но в последнее десятилетие неуклонно и быстрыми темпами сокращается выпуск зимних марок ДТ. Их доля в общем объеме производства опустилась до 10...12%, тогда как по условиям климата России она должна быть не менее 60...70%.

Летние ДТ выпускаются в достаточном количестве, но при охлаждении ниже минус 5°С, и без применения депрессорных присадок, которые все еще находятся в стадии разработки, они теряют свою кондиционность, и их перевозки в холодное время года запрещены нормативными документами.

2. Решение задач развития экономики страны, включая её промышленные предприятия, водный транспорт, строительство и ремонт автомобильных дорог, требуют роста объема железнодорожных перевозок вязких нефтепродуктов: мазутов, масел, нефтебитумов и др. Их доставка затруднена необходимостью разогрева нефтегрузов при выгрузке, который требует затрат времени, тепловой энергии и специального оборудования. После слива в цистернах остаются высоковязкие остатки, которые удаляют с дополнительными энергозатратами и образованием больших количеств отходов. Годовой простой цистерн под сливом и очисткой на железных дорогах РФ превышает 1 млн. вагоно-часов, а на разогрев нефтегрузов при сливе тратится до 600 тыс. тонн условного топлива, с ростом объема перевозок вязких ЗНГ эти цифры будут расти.

3. Разрушение объекта малоразветвленной железнодорожной сети в чрезвычайных ситуациях требует выгрузки топлив в полевых условиях и передаче их по необогреваемым полевым магистральным трубопроводам (ПМТ), выполненным по временным технологическим схемам в обход барьерного места. В зимнее время эта транспортная операция может создать большие трудности в доставке жидких топлив на предприятия, в населенные пункты, на корабли ВМФ и др., так как с охлаждением, и сопутствующим ему ростом вязкости, топлив передающая способность трубопроводов резко снижается до полной её потери. Предварительный разогрев топлив в цистернах передвижными энергетическими установками требует большого времени, трудозатрат и не решает полностью поставленных задач, если трубопровод имеет длину превышающую 500м.

Устранение или даже минимизация перечисленных трудностей при перевозках ЗНГ в холодное время года требуют знания характера протекающих теп-ломассообменных процессов при всех транспортных операциях с ними, но полные физико-математические модели этих процессов еще требуют разработки.

Становится невозможным прогнозирование состояния охлаждаемых вязких нефтегрузов при перевозках и разогреве с разжижением при выгрузке.

Решение поставленной научной проблемы связано с построением теории физических и математических моделей процессов теило-массообмена в цистернах, трубопроводах, в теоретическом обосновании необходимости установки в цистернах новых дополнительных элементов и использовании новых способов перевозок застывающих жидких нефтепродуктов, альтернативных существующим.

Целью работы является разработка научных основ, методов и средств по модернизации транспортных операций с ЗНГ в осенне-зимний период с повышением показателей их рентабельности и оперативной эффективности.

Основными показателями рентабельности являются сокращение продолжительности перевозок, снижение стоимости выгрузки и очистки цистерн, сохранение кондиционности перевозимых нефтегрузов.

Показателем оперативной эффективности является снижение времени доставки топлив с их выгрузкой в полевых условиях и передачей по ПМТ в места развертывания и временного базирования войск и сил МЧС.

Предметом исследования являются процессы тепло-массообмена при транспортпых операциях с ЗНГ: перевозке в цистернах, выгрузке, перекачке по ПМТ, очистке цистерн от остатков нефтегруза.

Объектом исследования являются нефтепродукты, проявляющие низкотемпературные свойства (НТС) при охлаждении: летние дизельные топлива, флотские и котельные мазуты, масла, нефтебитумы, а также материальные средства их доставки (цистерны, необогреваемые трубопроводы) и альтернативные применяемым в настоящее время устройствам и систе-

мам, средства разогрева нефтегруза (теплоаккумулирующие материалы и катализаторы глубокого низкотемпературного окисления углеводородов).

Методика исследования была основана на развитии теории и построении моделей процессов тепло-массообмена для существующих и новых транспортных технологий, повышающих эффективность перевозок ЗНГ при низких температурах воздуха, с применением стендового и компьютерного экспериментов.

Основой теоретических методов являлись положения математической физики, теории конвективного тепломассопереноса, гидромеханики, теории подобия и размерностей и математической статистики. Расчеты производились на ЭВМ с использованием пакетов ANSYS 5.6, Maple 9 и комплекса оригинальных программ, написанных на языке «FORTRAN» (версия CVF-6.6).

Достоверность положений и выводов теории, а также компьютерных расчетов, подтверждена сравнением их с результатами стендовых экспериментов и полученными при их обработке эмпирическими формулами.

Задачами исследования были создание теории и моделей процессов тепло-массообмена при транспортных операциях с ЗНГ и выдачей на их основе рекомендаций по реализации новых технологий перевозки, выгрузки и передачи по полевым трубопроводам. Задачи решались по двум направлениям: первое было связано с созданием теории охлаждения перевозимых нефтегрузов в цистернах, второе с разработкой расчетных методов по восстановлению их текучести при выгрузке и передаче по ПМТ.

Новизна работы отражает представленные теории и модели протекающих процессов тепло-массообмена и конструкторские предложения по модернизации технологических операций транспортирования ЗНГ.

Научная новизна работы включает предложенные автором: 1. Новую модель процесса охлаждения нефтегруза в цистерне с учетом его термогравитационной конвекции (ТГК). В качестве основной величины,

характеризующей процесс, предлагается использовать коэффициент конвекции ек, определяемый по темпу охлаждения цистерны.

2. Новый вид критериальной зависимости для внешнего коэффициента теплоотдачи, учитывающей водность набегающего потока воздуха при наличии атмосферных осадков, а также фактор смачиваемости водой наружной поверхности цистерны (или трубопровода).

3. Комплекс работ по исследованию охлаждения жидкости в цистерне с блоком тепловых аккумуляторов, предназначенных для подавления ТГК горячего нефтегруза.

4. Теорию и модели процессов теплопередачи от теплоаккумулирующего материала (ТАМ) к нефтепродукту, обтекающему тепловой аккумулятор, а также тепловых процессов в рабочем теле самих тепловых аккумуляторов при наличии в нем фазовых переходов с протяженной зоной плавления. Прикладная новизна работы включает разработку новых технологий:

• по сохранению высокой температуры основной массы (-80%) жидкого нефтегруза за счет подавления ТГК установленными в цистерне тепловыми аккумуляторам и;

• создания временной, удаляемой при выгрузке, внутренней тепловой изоляции на стенке котла из перевозимого вязкого нефтепродукта -«пористого мазутного теплоизолирующего слоя» (ГТМТС) с целью сохранения температуры нефтегруза при перевозках, снижения затрат времени и тепла при сливе и очистке цистерны, а также уменьшения загрязняющих выбросов в атмосферу;

• поддержания высокой температуры и низкой вязкости нефтепродуктов в цистернах и ПМТ путем применения гидрофобных покрытий на их внешней поверхности и использования для подогрева нефтегруза низкотемпературного (~200°С) окисления углеводородов на катализаторе;

• производства крупных (~5...6 см) «гранул» дорожного нефтебитума с защитной оболочкой, предотвращающей их слипание и имеющей высокий

коэффициент отражения солнечной радиации, для обеспечения их перевозок на платформах или в полувагонах в виде насыпного груза.

Практическая значимость работы заключается в доказанной возможности круглогодичного использования подвижного состава, находящегося в обороте, для доставки ЗНГ в осенне-зимний период с обеспечением:

• экономии времени, трудовых и энергоресурсов при выгрузке, снижении стоимости перевозок и увеличении оборота цистерн;

• полного слива ЗНГ в полевых условиях с последующей их передачей по полевым магистральным трубопроводам при низких температурах;

• перевозок нефтебитумов на платформах и полувагонах в качестве насыпных грузов с облегченными условиями выгрузки;

• снижения потребности в специализированном подвижном составе для перевозок ЗНГ в соответствии с условиями обстановки (в чрезвычайных ситуациях, угрожаемый период, военное время).

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в расчетно-конструкторских работах Научно-внедренческого центра (НВЦ) «Вагоны» и ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» (КБСМ). Служба коммерческой работы в сфере грузовых перевозок ОАО «РЖД» использует материалы диссертации в экономических оценках по повышению объема перевозок наливных грузов существующим подвижным составом.

Введенные методики расчета охлаждения нефтепродуктов при перевозках используются в учебном процессе ВТИ ЖДВ и ВОСО по дисциплинам: «Военные сообщения», «Специальная подготовка транспорта», «Организация грузовой и коммерческой работы. Грузоведение». На защиту выносятся теоретические разработки, рассматривающие: 1. Возникновение и развитие 11 К при охлаждении горячих жидкостей в котлах цистерн различных модификаций и способы её подавления.

2. Модели «условно неподвижной среды» для жидкости, движущейся при ТГК в горизонтальном цилиндре с охлаждаемыми стенками.

3. Вид критериальной зависимости числа Нуссельта для вынужденной конвекции внешней среды с учетом атмосферных осадков и влияния смачиваемости водой поверхности цистерны (трубопровода).

4. Два способа подавления 1ГК в цистерне: активным путем за счет создания противотоков жидкости тепловыми аккумуляторами и пассивным за счет создания внутренней тепловой изоляции стенок котла из перевозимого вязкого нефтепродукта, переведенного в состояние ПМТС.

5. Двухэтапный способ размыва застывшего продукта во всем объеме котла.

6. Способ получения дорожных нефтебитумов в виде крупных гранул с защитной оболочкой, предотвращающей их слипание при перевозках и хранении.

7. Способы разогрева транспортируемых жидких нефтепродуктов в цистернах и трубопроводах за счет низкотемпературного горения газообразных углеводородов на поверхности катализатора.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях периода 2000...2011гг: «Фундаментальные исследования в технических университетах» (С.Пб, ГПИ, 2000 г), «Технология энергоснабжения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (С.Пб, ГПИ, 2000), «Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену» (МЭИ, Москва, 2002), «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (PAP и АН, С.Пб., 2003, 2004) «Подвижной состав XXI века» (С.П6., ПГУПС, 2002), «Математика в ВУЗЕ»: (Псков 2001, Мурманск 2007, Петрозаводск 2010, Великие Луки 2011, Гатчина 2012).

По материалам диссертации автором опубликовано 58 печатных работ, из них 15 охранных документов (свидетельств на полезную модель, патентов на изобретение и свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ).

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, имеющие научную новизну и практическую значимость, получены лично автором, который выполнил теоретические исследования, руководил разработкой программного обеспечения с составлением алгоритмов решения задач тепло - и массообмена, проводил стендовые испытания и математическую обработку экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, восемь глав, заключение и приложение. Она изложена на 342 страницах машинописного текста, содержит 128 рисунков и 65 таблиц. Список использованных литературных источников включает 341 наименование.

Содержание работы

В введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель работы, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведена классификация застывающих нефтепродуктов, выделены их низкотемпературные свойства, рассмотрены транспортные проблемы их перевозок железными дорогами России.

Дан краткий анализ (с представлением рабочих формул и критериальных зависимостей) применяемых методов расчета основных технологических процессов при транспортных операциях с ЗНГ, рассматривающих охлаждение нефтепродуктов при перевозках в цистернах, их слив с разогревом, очистку цистерн и передачу жидких топлив по ПМТ.

Перечислен список авторов, которые внесли значительный вклад в развитие вопросов транспортирования и применения жидких топлив, масел и других застывающих нефтепродуктов при низких температурах воздуха.

Анализ опубликованных исследований, посвященный вопросам транспортирования ЗНГ, показал, что решение этой проблемы еще далеко от завершения и требует дальнейшего развития, как в теоретическом, так и инженерно-практическом направлениях.

Представление новых моделей процессов тепло-массообмена в транспортных технологиях, связанных с перевозками ЗНГ, основано на применении канонических уравнений математической физики и теории подобия. В главе раскрыты основные критерии и числа подобия, необходимые для построения новых моделей решаемых научных и практических задач. При изучении тепловых процессов при перевозках ЗНГ рассматривались две взаимосвязанные задачи «внешняя» и «внутренняя». Первая задача анализирует теплоотдачу с наружной поверхности цистерны в окружающее пространство, а вторая - теплоотдачу от нефтегруза к внутренней стенке котла.

При моделировании этих процессов необходимо обеспечение равенств динамических, тепловых, временных и физических критериев и чисел подобия. В данной работе основными из них являются числа и критерии подобия Рейнольдса Re, Релея Ra, Пекле Ре, Нуссельта Nu, Фурье Fo, Коссовича Ко, Био Bi, Прандтля Рг и Стантона St:

Re = и J jv = idem; Ре = иж1/аж = idem ; Ra = A 773 /vx а.ж = idem;

Fo = ажг//2 = idem ; Ко = д/СЦТ^-T) = idem; Bi = аж/Ата I = idem ; Pr = яж/Лж = idem ; Nu - al/Лж = idem ; St = «гж /Сриж = idem.

В перечисленные комплексы входят: и — скорость, м/с; а — температуропроводность, м2/с; v — кинематическая вязкость, м2/с; X — коэффициент теплопроводности, Вт/мтрад; С - удельная теплоемкость, Дж/кгград; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-град; р - коэффициент объемного теплового расширения, 1/град;^"- удельная теплота плавления, Дж/кг; т — время, с; g - ускорение свободного падения, м/с2; AT = (Тст - Tg ) - разность средней

температуры стенки котла и окружающей среды, °С; I — характерный линейный размер области, где протекает процесс, м.

Индексами обозначаются: «ж», «g», «в» - перевозимая жидкость, воздух и вода (во внешней среде), индексами «тв» и «ст» - твердое тело и стенка (цистерны или стендовой модели), индексом «та» -тепловой аккумулятор.

В главе дан краткий обзор применяемых численных методов в задачах математического моделирования гидродинамических и тепловых процессов и их вопросов программного обеспечения.

В конце главы обозначены решаемые задачи и математические модели.

Вторая глава посвящена развитию моделей «внешней» и «внутренней» задач при охлаждении ЗНГ в цистерне. Существующие методы расчета температуры нефтегруза, учитывают из факторов внешней среды лишь температуру воздуха Тг и скорость и воздушного потока и рассматривают цистерну как нагретый цилиндр с постоянным средним по поверхности котла коэффициентом конвективной теплоотдачи атт, а нефтепродукт как сплошную среду с среднеобъемной температурой Тж, уменьшающейся со временем т за счет передачи тепла молекулярной теплопроводностью.

Отличительной особенностью «внешней задачи» охлаждения ЗНГ, исследуемой в данной работе, является учет атмосферных осадков (дождя и снега), которые вместе с ветром образуют двухфазные воздушно-водные потоки (ВВП), обтекающие цистерну (наземный трубопровод).

Тепловому потоку с/т, создаваемому конвективной теплоотдачей воздуху, нагреванием и испарением осаждающейся при дожде воды, а при снегопаде ещё и нагреванием и плавлением оседающего снега, приведен в соответствие полный коэффициент теплоотдачи «V на верхней части котла:

где Т^4"1-температура верхней части стенки котла, "С.

Влияние осадков на охлаждение транспортируемого нефтепродукта рассматривалось по изменению внешнего коэффициента теплоотдачи с поверхности цистерны (трубопровода) сравнительно с обтеканием только потоком воздуха, при этом учитывался фактор смачиваемости её оседающей водой.

Равновесный краевой угол смачивания в поверхности, окрашенной штатными эмалями, имеет значения в = 45°...60°, т.е. она является «ограни-

ченно смачиваемой», на гидрофобных поверхностях, получаемых при применении специальных покрытий # = 90°...130°. При их нанесении на поверхность цистерны или трубопровода оседающая при дожде (снегопаде) вода собирается в отдельные капли и часть из них (тем большая, чем больше в) сдуваются потоком воздуха или сбрасываются силой тяжести. Большая часть поверхности остается сухой, и самые значимые по величине тепловые потоки, составляющие qs> связанные с нагреванием и испарением водяной пленки, уменьшаются в несколько раз.

Автор ввел модифицированное число Нуссельта Nus, характеризующее теплоотдачу воздушно-водному потоку от нагретого тела с ограниченно смачиваемой поверхностью:

CCyl

Nu. =-?--Q)

ABZaa+Ag(l-ZJ

содержащее Za;l - комплекс, которым учитывается уменьшение площади контакта ограниченно смачиваемой поверхности с осевшей на него водой:

Zw=(l + cos<?)/2.

Двухфазные ВВП (воздушно-жидкий при дожде и воздушно-кристаллический при снегопаде) характеризуются удельным содержанием воды в воздухе WB, кг/м3, которую часто записывают в виде безразмерной водности потока WB = W3jpg , включающей ps-плотность воздуха, кг/м3.

Обработка данных опытов проводилась в форме установления критериальной зависимости Nuy = /(Re, WB,Prg), применяемой в теории подобия тепловых и гидромеханических процессов.

Из теории конвективного теплообмена была взята формула, описывающая теплоотдачу с фронтальной стороны цилиндра при его поперечном обтекании однофазным потоком:

Nu = l,14Re0'5 Рг0,37.

Критерий Прандтля для воздуха можно считать постоянной величиной Рг8=0,71, при этом 1,14 Рг°'" =1,003, тогда число Нуссельта, определяющее теплоотдачу потоку воздуха, оказывается равным:

№.8«11е0-5. (2)

Число Нуссельта N112 как критерий теплоотдачи ВВП вводилось как сумма двух слагаемых, характеризующих соответственно теплоотдачу воздушной и водной фазам потока: N112 = N11 е + Ь'ив. Первое слагаемое

определяется равенством (2), второе искалось в виде Ыив = СИ7/' Яе".

Коэффициент С и степени И и п были найдены при обработке данных опытов, полученных в стендовых экспериментах и использовании методов регрессионного анализа: С=71,2; Ь= 1,5; «=0,5.

Таким образом, было получено новое выражение для критерия теплоотдачи капельно-жидкому ВВП с фронтальной к набегающему потоку ограниченно смачиваемой поверхности поперечно обтекаемого цилиндра:

= (1 + 71,2-Жв1,5)-Ке0-5. (3)

Во «внутренней задаче» охлаждения горячих нефтепродуктов, учитывались ТГК и влияние на неё парообогревательного кожуха. Конвекция горячего, и еще маловязкого нефтепродукта, в цистерне характеризуется интенсивным движением масс жидкости, увеличивающим внутреннюю теплоотдачу. Оно сопровождается образованием пограничного слоя, параметры которого рассчитывались для трех вариантов. В первых двух боковая стенка котла, на которой происходит развитие ТГК, считалась вертикальной пластиной, а расположенные над ней и под ней участки - наклонными пластинами, с углом наклона относительно вертикали >'=45°. Эти варианты различались тем, что в одном из них температура стенки принималась постоянной, а в другом задавался и считался постоянным удельный тепловой поток через неё.

б) через 360 мин после налива Рис. I. Распределение скоростей движения мазута М40 при ТГК В третьем варианте стенка котла считалась цилиндрической, и на ней задавался наружный коэффициент теплоотдачи атнв = 15 Вт/м2град. На рис. 1 показаны результаты расчетов распределения скоростей по третьему варианту у мазута М40, имевшего начальную температуру Т0= +70°С, полученные с помощью пакета 5.6.

На первой стадии, движение жидкости происходит вдоль всей поверхности котла, затем, по мере охлаждения продукта, которое начинается с нижней части цистерны, оно смещается вверх, мазут переходит в стратифицированное состояние, загустевает и охлаждается уже как сплошное тело.

Расчеты показали, что пограничный слой во всех вариантах имеет малую толщину ¿/0< 0,05м, но большую скорость, в зависимости от температуры жидкости и воздуха, её максимальное значение достигало мтах ~ 0,1.. .0,26м/с.

Кривизна стенок на нижней части котла, учитываемая нижним наклонным участком на рассматриваемой модели, вызывает появление радиальной составляющей импульса единичной массы жидкости в пограничном слое. Её изменение создает силу, возбуждающую хаотичные и медленные (г/ ~ 1...5мм/с) движения жидкости в более удаленном от стенки котла слое толщиной / ~ 0,3...0,6м, (который был назван «слоем медленных токов»), Даже при таких малых скоростях жидкости, конвективный теплопере-нос в слое / в 200.. .400 раз превосходит молекулярную теплопроводность.

Описание движения жидкости в «слое медленных токов» уравнениями гидромеханики не представляется возможным в силу их хаотичности.

Поэтому была введена в рассмотрение следующая модель. Жидкость в цистерне принималась за условно неподвижную среду (псевдотвердое тело), в которой имеются три области: пограничный слой, «слой медленных токов» / и неподвижное ядро в центре цистерны.

Для жидкости были введены коэффициент эквивалентной теплопроводности Ажв (г) и коэффициент конвекции !:к(г), меняющиеся по радиусу цистерны. Коэффициентом Яэкв учитываются и конвективная и кондуктивная составляющие теплопереноса: Л>кв (г) = Лкоив (г)-\Лж. Коэффициент конвекции ек показывает, во сколько раз эквивалентная теплопроводность жидкости больше её молекулярной теплопроводности:

Безразмерная температура нефтегруза:

находилась при решении уравнения теплопроводности, в котором учитывается радиальное изменение коэффициента теплопроводности среды /жв('"):

£к(г) = Лзкв(г)/Яж ~ Лтин(г)/Лж .

В расчетах слои жидкости разбивались на тонкие прослойки толщиной ()„ для каждой из которой задавался £ы в соответствии с профилем скорости, и по ним находился средний коэффициент конвекции £ .

Дня «условно неподвижной среды» строился критерий Био ЕИ, а фактор ТГК учитывался введением коэффициента конвекции гк в число Фурье Ро.)кв:

В1 = —; Ро,„ = * " .

К с«/7«

Изменение со временем транспортирования т безразмерной средне-массовой температуры описывается формулой:

&(т) = Ле-тг. (4)

При этом показатель степени в соотношении (4) имеет вид:

т-т = 2,24■ В1 • Роэкв . (5)

Такой подход позволил использовать имеющиеся в литературе графики, устанавливающие зависимость © = ©( Ро, В!) внутри цилиндра и применять их для определения численных значений коэффициента конвекции жидкости в цистерне £к и их сравнивать с задаваемыми.

При учете конструктивных особенностей цистерны выделялось наличие парообогревательного кожуха, который образует со стенкой котла воздушную прослойку толщиной Л, = 40мм. Прослойка создает, ранее не учитываемую, тепловую изоляцию нижней части котла с большим термическим сопротивлением <5,/Л, ~ 0,17Вг/м2°С. Тогда как нижняя часть котла

экранирована кожухом, его верхняя часть обтекается потоком воздуха, и на неё выпадают осадки. При этом коэффициент теплопередачи в нижней части цистерны становится в 100... 400 раз меньшим, чем на верхней.

Т. Г . с- . N-1

1 й /'

- + — + -

«кон» \ ¿¡А у

■0,5-^

Здесь Г/ Лжск -тепловое сопротивление «слоя медленных токов», м2оС/Вт.

Преимущественное охлаждение верхних слоев нефтегруза провоцирует интенсивную ТГК уже не в слое «медленных токов», а во всем объеме котла. Конвекция вызывает быстрое охлаждение всей массы нефтегруза возможно даже более быстрое, чем в цистерне без кожуха.

В главе также рассмотрена задача о возможности снижения теплопередачи ВВП от горячего нефтепродукта в цистерне (трубопроводе). Она решается нанесением на их наружную поверхность гидрофобных покрытий.

Третья глава посвящена расчетам и компьютерному моделированию процесса охлаждения жидкости в цистерне при интенсивной ТГК и в условиях её подавления тепловыми аккумуляторами (ТА), имеющими температуру, превышающую температуру нефтегруза в слое «медленных токов». Аккумуляторы создают над собой восходящие потоки жидкости, меняя при этом всю картину ТГК. Наложение опускающихся токов охлажденной стенками котла жидкости и токов, поднимающихся над ТА создает малые по размерам вихри. Движущийся в них жидкий нефтепродукт быстро охлаждается, загустевает и, имея низкую теплопроводность, образует на стенках котла теплоизолирующую оболочку. Основная масса нефтегруза (~50...55тонн) исключенная из циркуляционного движения, охватывавшего весь объем котла, длительное время сохраняет высокую температуру.

Для нефтепродукта с начальной температурой Т0 =+70°С применялась модель условно неподвижной среды и задавались различные значения £к. Задача нахождения пространственно-временного изменения температурного поля в нефтегрузе решалась с помощью оригинальных программ, основанных на интегро-интерполяционном методе получения конечно-разностного аналога дифференциальных уравнений теплопроводности и краевых условий к ним.

В реальных условиях добиться неподвижного состояния жидкости (¿гк=1) невозможно, поэтому рассматривались условия её переведения в слабоциркулирующее состояние искусственным подавлением ТГК, за счет

установки тепловых аккумуляторов, до значений чисел Релея Ra ~ 5 105 (при которых коэффициент конвекции єк =¡4). На рис.2 показано изменение со временем радиального распределения температур в слабоциркули-рующем (ск =4) мазуте М40, при температуре воздуха 7g = -20°С.

Результаты расчетов показали, что через 170 часов транспортирования слой мазута у стенки котла толщиной ~ 5 см имеющей массу ~3,7 тонн (кривая 6) охлаждается до температуры застывания и загустевает, остальная масса нефтегруза длительное время сохраняет температуру Тж > +45°С, достаточную для слива самотеком, (кривые 1,2,3,4,5).

Проводилось также компьютерное моделирование процесса охлаждения флотского мазута Ф-5 с использованием пакета программ ANS YS 5.6.

1 - г = 0,01м; 2-г= 0.1м; 3 - г = 0,4м; 4 - г = 0,8 м; 5-г= 1,2м: 6 - г= 1,45 м; 7 - г= 1,5 м Рис. 2. Изменение радиального распределения температуры Т(г) (мазута М40) в цистерне за время его перевозки при температуре воздуха Т&= -20"С

Задавались различные температуры воздуха Т„= - 40...+10°С и значения коэффициента конвекции £к = 1.. .40, отвечающие числам Релея 11а =105.. .5-10Ч.

Результаты расчетов, представленные на рис.3, показали, что ТА способствуют подавлению конвекции не только в верхней, но и в нижней

части цистерны, переводя эту часть жидкости в устойчивое состояние

воздуха Т„= -10°С, нефтегруз в цистерне переходит в высоковязкое состояние (кривые 6,7) в слое толщиной ~ 0,12м под тепловыми аккумуляторами, и толщиной ~0,07м над ними.

1 -г = 0,01м; 2 -г= 0.1м; 3 - г = 0,4м; 4 - г = 0,8 м; 5-г = 1,2м: 6 - г = 1,45 м; 7 - г = 1,5 м Расстояние у отсчитывается от центра котла, время г согласно компьютерной распечатке измеряется в секундах. Время т=8,64-104сек =1 сутки Рис.3. Распределение температур в мазуте Ф-5, перевозимом в цистерне, с тепловыми аккумуляторами при температурах воздуха Гв=-10оС и Те= - 40°С

Всего загустевает около 10... 11 тонн нефтегруза, остальная его часть (~50 тонн) сохраняет высокую температуру (кривые 1,2,3,4,5), что позволяет сократить время и затраты энергии на разогрев при сливе.

Четвертая глава посвящена описанию комплекса стендовых работ с применением аэродинамической трубы открытого типа, помещенной в холодильную камеру и имеющей систему распыла воды для создания воздушных и воздушно-водных потоков (ВВП), имитировавших воздействие ветра и атмосферных осадков на цистерну или секцию ПМТ.

Моделирование натурных условий охлаждения ЗНГ в цистернах в стендовом эксперименте осуществлялось размерами модели цистерны (1:7 по соотношению диаметров), характеристиками модельных жидкостей, скоро-

разогревом сверху. После времени т = 40-104сек (4,5сут) при температуре

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 гхю'.сек

стями и водностью внешних потоков, обеспечивающих равенство чисел Рейнольдса и Релея (11е=1с1ет, 11а=1<1ет).

Модель цистерны, в которой изучалось ТГК горячих жидкостей, имела съемные электронагревательные элементы, имитирующие тепловые аккумуляторы, и съемную тепловую изоляцию нижней части, своим термическим сопротивлением имитирующую парообогревательный кожух.

Контрольно-измерительные приборы стендовой системы позволяли фиксировать скорость воздушного потока, его водность, распределение температур и скоростей конвекционных токов в объеме модельной емкости. Модель позволяла визуально наблюдать формирование конвективных токов.

Эксперименты проводились по двум направлениям, связанным с рассмотрением «внешней» и «внутренней» задач. Во «внешней» задаче решался вопрос определения зависимости «наружного коэффициента теплоотдачи» аЕ с поверхности цилиндров и пластин от водности и скорости ВВП.

Скорость внешнего модельного потока доходила до 30м/с, плотность орошения менялась от 12г/м2с до 300г/м2с (имитация осадков от мелкой мороси до ливня). Температура воздуха изменялась от плюс 20°С до минус 30°С.

Опыты по определению критерия теплоотдачи МиЕ проводились при пяти скоростях воздушного потока, обеспечивающих значения чисел Рейнольдса Ле = (0,3...8)-106 и нескольких дискретно задаваемых значениях водности потока IV = (18...47)-10~\ Применение методов регрессионного анализа показало, что полученная в ходе экспериментов полуэмпирическая формула (3), дает ошибку аппроксимации не превосходящую 4%.

Оценю! режимов ТГК модельных жидкостей позволили установить, что при заданных их характеристиках и габаритах модели цистерны обеспечиваются значения чисел Релея Ка=1-103...ГЮ10.

Этим числам Релея удовлетворяют условия ТГК мазутов М100 и М200 с температурой Тж= +70°С и Гж= +100°С, находящихся в 60-и тонной ци-

стерне, движущейся с среднепутевой скоростью (учитывающей простой вагонов) и -12 км/час (3,34м/с).

Таблица 1

Численные значения коэффициента конвекции по результатам расчетов, компьютерных и стендовых экспериментов. (Для мазута М100 в натурных условиях и модельной жидкости - керосина в стендовых экспериментах)

Объект Натурная цистерна Стендовая модель цистерны

Общего назначения Специализ. Общего назначения Специализ.

без ТА с ТА - без ТА с ТА -

Воздушный поток Г8=-15...-20°С; Яконв=15 Вт/м2°С расч. 29...45 16,14 45,62 7... 16 3,12 ■

эксп. - - - 12,3 2,94 27,42

Время охл. т (час) - - - 1.75 8,71 1,35

ВВП \УЪ=40-Ю"3 а£=102 Вт/м2 град расч. 49,1 19,58 55,04 26...49 7...9 -

эксп. 32,4 7,53 56,45

Время охл.т (час) - - 1,12 2,64 0,72

Коэффициенты конвекции модельных жидкостей определялись в стендовых экспериментах по результатам измерения темпа их охлаждения т при наличии и в отсутствии имитаторов ТА и имитатора парообогревательного кожуха. Результаты стендовых исследований и их обобщения на натурные объекты, полученные из соотношений (4) и (5) представлены в табл.1.

В работе использовались две вспомогательные лабораторные установки. Первая предназначалась для определения теплофизических характеристик теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) при разработках их компонентного состава, вторая - для определения коэффициентов теплоотдачи от капель жидкости, падающих в противотоке восходящего воздуха, необходимых для расчетов динамики гранулообразования нефтебитумов. В четвертой главе дано описание этих установок и полученные результаты измерений.

Пятая глава посвящена инженерно-техническим вопросам, связанным с использованием ТА в железнодорожных цистернах общего назначения при перевозках в них темных нефтепродуктов.

Основной акцент сделан на схему размещения ТА, их габариты и вес, которые могут отличаться друг от друга, для различных ТАМ.

На предложенную схему размещения ТА в цистерне разработана конструкторская документация, выполненная НВЦ «Вагоны». Результаты расчетов распределений напряжений в стенках котла при основных режимах эксплуатации цистерн, полученные с помощью конечно-элементного пакета COSMOS WORKS (версия 6.0) содержатся в «Приложении» к работе.

В главе дан перечень ТАМ, предлагаемых к использованию, их характеристики, из которых основными для подавления ТГК горячих жидкостей, являются температура и теплота плавления. Представлен обширный иллюстративный материал, связанный с установкой аккумуляторов в цистерне и опытами по изучению динамики застывания ТАМ в лабораторных условиях.

Рассмотрены модели теплопроводности ТАМ на основе смеси кристаллогидратов солей как пористой твердой среды содержащей различные количества поровой влага, включающей жидкую и газовую компоненты, среда имеет аналогии с морским льдом.

Шестая глава посвящена теоретическому исследованию процессов разжижения вязких нефтепродуктов при выгрузке из цистерн, а также затвердевания ТАМ при охлаждении тепловых аккумуляторов.

Тепловые процессы, происходящие при разжижении затвердевших вязких нефтегрузов, рассматривались с позиций решения классической задачи Стефана о движении изотермической поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Для получения её решения задавались краевые условия третьего рода при известных коэффициентах теплообмена /?H=«s/2 и йвн=ав[Д на обеих поверхностях затвердевшего слоя переменной толщины д(т). Были получены формулы, описывающие изменение со временем т распределений температур в затвердевшем слое 0(т) и изменение толщины слоя д(х).

Расчетами обеспечивалась разработка новой технологии создания тепловой изоляции цистерны из самого перевозимого нефтегруза, имеюще-

го при низкой температуре высокую вязкость. Решался вопрос о возможности размыва высоковязкого слоя на стенках котла с использованием теплоты горячего жидкого продукта, остающегося в цистерне перед сливом.

Рассматривались два варианта. По первому из них высоковязкий слой образуется на стенках цистерны, снабжённой ТА естественным путем, как результат изменения ими картины ТГК нефтегруза. Результаты компьютерных расчетов, выполненные для загустевшего слоя (¿>0= 85мм) мазута М100, при температуре воздуха Тв = -20°С показали, что его размыв без дополнительного подогрева можно осуществить за 8 часов. При более высоких температурах воздуха разжижение слоя выполнимо за меньшее время.

По второму варианту цистерна не имеет аккумуляторов, слой, приготовленный, например, из парафинистого мазута создается искусственно, перед наливом горячего нефтепродукта в цистерну, слой имеет пористую структуру, низкую теплопроводность и уменьшенную силу адгезионного взаимодействия со стенкой котла. Исходная среда получается при барботи-ровании мазута воздухом до достижения пропорций 1,5:1 с одновременным его механическим перемешиванием при температурах Гж = +20...25°С, когда вязкость продукта достаточно велика уя > 10 4.\Г/с.

Среда имеет низкую теплопроводность лд ~ 0,07...0,05Вт/м-град, она наносится слоем толщиной -80... 100 мм на внутреннюю поверхность котла, (преимущественно на его днища), и охлаждается до затвердевания, превращаясь в «пористый мазутный теплоизолирующий слой» (ПМТС).

Был выполнен комплекс компьютерных расчётов, определяющих:

• время затвердевания ПМТС на стенке котла при его нанесении;

• распределение температур в нем при наливе в котел горячего нефтепродукта;

• охлаждение нефтегруза при его перевозках в цистерне с ПМТС;

• распределение температур в ПМТС на стадии его размыва при сливе.

Расчеты показали, что при наливе горячего мазута в цистерну, ПМТС частично растворяется на толщину ~ 2.. .3 см, остальная же его часть остается на стенках котла, играя роль теплоизолирующей оболочки, выполняющей свое функциональное назначение в течение 7... 10 дней. Разжижение ПМТС при рециркуляционном способе разогрева и слива нефтегруза, можно выполнить всего за 30.. .40 мин.

Наконец, представлены оценки, характеризующие процесс удаления остатков ПМТС при пропарке и очистке цистерн. Показана возможность сокращения времени проведения этой транспортной операции и уменьшения количеств образующихся при ней вредных выбросов в атмосферу.

Тепловые процессы при разогреве и охлаждении ТАМ на основе кристаллогидратов солей отличаются тем, что фазовые превращения в них происходят не на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, а в некоторой области застывания между ними, имеющей объем К„ м3, длину А/, м, и ограниченную поверхностями площадью 5ТВ и 5"ж, м2. В ней и происходит поглощение (выделение) теплоты фазового перехода, характеризуемое объемной плотностью тепловыделения

Рассматривалось уравнение теплопроводности:

дТ _ д2Т а, дт~° дх2+ рС'

в котором величина Qr(x) выражалась через функцию Дх), характеризующую распределение твердой фазы. Функция считалась равной нулю в области жидкой фазы, имеющей постоянное значение, отвечающее состоянию эвтектики в затвердевшей области и меняющейся по линейному закону в области застывания.

Для оценки качества ТАМ были выполнены расчеты распределения плотности теплового потока по радиусу аккумулятора при различных значениях критерия Био В ¿та и числа Коссовича Ко и сделан практический вывод о целесообразности использования аккумуляторов, тепловой режим

в которых характеризуется малыми значениями критерия Био (В1ТА=0,1...1), т.к. они позволяют получать большую плотность теплового потока в течение почти всего времени затвердевания ТАМ.

В главе представлены результаты работ по созданию композитного состава ТАМ с теплопроводностью, обеспечивающей указанные значения критерия Био, на основе компонентов, входящих в солевую смесь по составу: СН3С00Ыа-ЗП20+№2820у5Н20+СаС12+глицерин +Н20, имеющую высокую удельную теплоту плавления (¿=3020 кДж/кг).

Седьмая глава посвящена рекомендациям к применению трех научно обоснованных моделей новых транспортно-технологических процессов с ЗНГ, при низких температур воздуха. Первая связана с выгрузкой вязких топлив, вторая с выгрузкой и передачей по ПМТ маловязких флотских мазутов, третья с перевозкой высоковязких нефтебитумов. Все три модели направлены на обеспечение унификации средств доставки ЗНГ на объекты общепромышленного и военного назначения:

• первая модель связана с разработкой цистерны, снабженной устройством двухступенчатого разогрева и размыва, застывших до высоковязкого состояния тяжелых машинных масел, на базе унифицированной цистерны общего назначения, путем монтажа в ней линейных нагревательных элементов. Система обеспечивает совершенствование циркуляционного способа разогрева ЗНГ, основным недостатком которого являются трудности, связанные с размывом застывшего продукта на днищах котла. На первом этапе устройство обеспечивает образование нескольких каналов в застывшей массе продукта нагревателями, проходящими вдоль стен цистерны, включая днища, к сливному патрубку. На втором этапе производится размыв этих каналов прокачкой через них горячего масла одновременно в центре, на торцах и в нижней части котла, что обеспечивает ускорение выгрузки.

При построении математической модели, описывающей тепловые процессы в данной технологии, рассматривалась задача Стефана в цилиндриче-

ских координатах при граничных условиях первого рода на первой стадии работы устройства и граничных условиях третьего рода на второй стадии. Получены формулы, описывающие распределение температур в размываемой среде, а также скорость перемещения фронта размыва.

С использованием пакета «Maple 9» было выполнено компьютерное моделирование изучаемых процессов, расчет роста со временем радиуса размываемого канала при различных режимах размыва. Полученные данные показывают, что размыв масла одновременно в центре котла, в нижней его части и у торцов позволяет осуществить выгрузку продукта в течение 2...2,5 часов. При этом разогрев масла трубами, по которым прокачивается пар с температурой 120°С, происходит в течение 20 минут, когда в загустевшем массиве образуются каналы с кольцевым зазором S ~ 50мм, их размыв продолжается 1,5...2 часа. За это время радиусы каналов достигают 0,5 м, что превышает обычно наблюдаемую толщину слоя затвердевшего продукта.

Устройство может быть установлено на всех типах цистерн, отличается простотой и низкой стоимостью изготовления, дает очень малый прирост массы тары (-150 кг) и уменьшение вместимости котла (-0,012 м3). С его применением цистерны общего назначения могут быть переоборудованы для перевозки вязких жидкостей, что снижает потребность в специализированном подвижном составе при его дефиците по условиям обстановки; • вторая модель связана с разработкой новой системы разогрева вязких нефтегрузов в цистерне, а также маловязких жидких топлив (флотских мазутов) в необогреваемых полевых магистральных трубопроводах (ПМТ), осуществляющих их передачу на объекты по временной схеме при низких температурах воздуха. Система основана на использовании эффекта низкотемпературного (150.. .200°С) горения газообразных углеводородов на катализаторе.

Систему можно применять как на неспециализированных цистернах, так и на цистернах с парообогревательным кожухом. В первом случае она дополняется устройством теплопередачи, изготовленном по схеме «тепло-

вой трубы», во втором под кожухом цистерны монтируются маты, изготовленные, например, из асбеста, на волокна которого нанесены частицы катализатора. Теплотехнические и гидравлические расчеты показали эффективность и экономичность использования системы каталитического разогрева. Кроме того, образующийся в процессе горения газ не содержит кислорода воздуха и не поддерживает горения, что позволяет применять его в качестве газа наддува для создания в цистерне избыточного давления, с целью ускорения и повышения пожарной безопасности сливных работ.

Оценка работы каталитического нагревателя для ПМТ при низких температурах воздуха показала, что его установка на каждую четвертую секцию трубопровода позволяет передавать жидкие топлива практически с сохранением исходной высокой температуры и низкой вязкости, при которой осуществлялась их выгрузка. При этом ПМТ можно использовать для передачи загустевающих маловязких жидкостей не только в летнее, но и в зимнее время. Это является решением важной задачи обеспечения оперативной эффективности доставки жидких топлив в пункты маневренного базирования кораблей ВМФ в угрожаемый период и в военное время, а также силам МЧС в соответствии с их деятельностью по условиям обстановки;

• третья модель связана с разработкой нового способа перевозок дорожных нефтебитумов. Он заключается в том, что нефтебитум приготовляется в виде крупных «гранул» диаметром 5...6 сантиметров с защитной оболочкой, предотвращающей их слипание друг с другом и со стенками вагона при перевозках и хранении. Дорожный нефтебитум предлагается перевозить не в специализированном подвижном составе, а в полувагонах или платформах, как насыпной груз, без подогрева при выгрузке. Этим снижается стоимость перевозок из-за сокращения порожнего пробега, потерь времени и затрат энергии при выгрузке.

В ходе разработки данной модели был выполнен расчёт устройства, обеспечивающего производство крупных «гранул» нефтебитума с защит-

ной оболочкой в непрерывном режиме с высокой производительностью, низкой материалоемкостью и малыми затратами энергии.

Восьмая глава посвящена оценкам достигаемых экономических и оперативных эффектов от внедрения предлагаемых новых транспортных технологий. Экономический эффект от внедрения цистерн с тепловыми аккумуляторами, цистерн с устройствами двухэтапного размыва застывшего вязкого продукта, а также способа использования ПМТС выражается в уменьшении времени, тепловой энергии и трудозатрат на транспортные операции, следствием чего является увеличение оборота цистерн и снижение стоимости перевозок ЗНГ в холодное время года.

Оперативная эффективность оценивается для условий угрожаемого периода, военного времени и чрезвычайных ситуаций. Она достигается сокращением времени выгрузки маловязких топлив в пунктах маневренного базирования войсковых соединений, где применяются сравнительно маломощные передвижные установки разогрева продукта, унификацией подвижного состава привлекаемого к перевозке ЗНГ в зимнее время. Эти мероприятия обеспечивают увеличение пропускной способности станций выгрузки и перегрузки топлив на автомобильный транспорт и плавсредства, например, во временных перегрузочных районах.

Выполненные расчеты показали, что достигаемое сокращение времени выгрузки котельных мазутов снижает время оборота одного наливного поезда (маршрута) на 3,75 суток при дальности перевозки /7=1500км. При этом если за шесть холодных месяцев в году по существующему базовому варианту маршрут совершает 16 оборотов, то по новому варианту (цистерны с тепловыми аккумуляторами) он будет совершать 23 оборота. Разница в доставке топлив потребителю составит =18580 тонн. При существующих тарифах на перевозки 5ПГ= 0,07руб/т и на тепловую энергию 0,0002руб/кДж полугодовой экономический эффект, получаемый на один наливной поезд превышает Э£~2млн.руб.

Аналогичные расчеты, связанные с предлагаемым новым способом доставки дорожных нефтебитумов в виде крупных «гранул» с защитной оболочкой, перевозимых насыпом на платформах и в полувагонах показали годовой экономический эффект Э2 ~ 40,25млн.руб на один наливной поезд по существующему варианту перевозок.

Итоговое содержание работы включает:

1. Две теоретические разработки, предложенные автором, для «внешней» и «внутренней» задач при описании теплообменных процессов между ЗНГ в цистерне и окружающей средой. Для «внешней» задачи представлены формулы, характеризующие теплообмен нагретого тела с ограниченно смачиваемой поверхностью и воздушно-водного потока обтекающего его. «Внутренняя» задача позволяет объяснить нестационарный процесс ТГК в замкнутом сосуде, используя законы регулярного охлаждения нагретых тел.

2. Семь новых математических моделей для определения изменения во времени параметров, характеризующих состояние ЗНГ, как на стадии охлаждения и застывания при перевозках (температура продукта, скорость конвекционных токов в нем), так и при их выгрузке и очистке цистерн (движение фронта размыва затвердевшего нефтегруза). Все математические модели были заложены в основу компьютерных расчетов, а центральные из них подтверждены стендовыми испытаниями и могут быть рекомендованы к внедрению для оптимизации транспортных операций ЗНГ.

3. Две принципиально новые конструкторские разработки для котла цистерны (тепловые аккумуляторы и система двухэтапного размыва).

4. Три принципиально новых технологии для перевозок нефтегруза:

• использование ПМТС, как временной легко удаляемой при размыве и очистке цистерн тепловой изоляции котла;

• применение каталитических нагревателей для разогрева ЗНГ при выгрузке и передаче по трубопроводам, выполненным по временной схеме;

• получение нефтебитумов в виде крупных гранул с защитной оболочкой для их перевозок открытым подвижным составом.

Основные положения диссертационной работы, опубликованные в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Моисеев В.И. Каталитический разогрев застывающих нефтепродуктов в ци-

стернах с тепловой трубой. Известия Российской Академии ракетных и артиллерийских наук (РА РАН) т.4(70), 2011. - С.80-84.

2. Моисеев В.И. Модели охлаждения цистерны с горячими нефтегрузами при их перевозках в холодный осенне-зимний период. «Бюллетень результатов научных исследований» ПГУПС, Вып.2. С.Пб.2012г. -С.98-110.

3. Долбенков В.Г., Воробьев A.M., Моисеев В.И. Новая энергосберегающая технология железнодорожных перевозок нефтепродуктов как фактор повышения экономической эффективности. «Инновации» №2, (136),СПб.: 2010 г. -С.15-18.

4. Воробьев A.M., Долбенков В.Г., Моисеев В.И. Новый метод разогрева цистерн и полевых магистральных трубопроводов при их эксплуатации в условиях низких температур. Изв. РА РАН №4 (70),С.Пб,2011 -С.39-44.

5. Моисеев В.И.Технология ускоренной выгрузки и очистки цистерн с вязкими нефтепродуктами. Изв. ПГУПС, вып.2, С.Пб.2011 -С.118-125.

6. Моисеев В.И., Федоров И.В.Тепловые расчеты устройства ускоренного слива вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн. Научно-технические ведомости С.Пб. ГТУ №3(41), С.Пб. 2005, -С. 142-160.

7. Моисеев В.И. Общий метод «энтальпия — температура» в задачах теплопроводности. Научно-технические ведомости СПб ГТУ №4(42), 2005. -С.17-22 .

8. Моисеев В.И. Энергосберегающие технологии выгрузки вязких нефтепродуктов и очистки цистерн при низких температурах воздуха. «Изв.РАРАН» Спец. вып. №5 (71-С), С.Пб.,2011,-С.87-90.

9. Моисеев В.И., Денисов Г.И. Временная тепловая изоляция из высоковязкого нефтегруза, находящегося в состоянии дисперсоида. Восьмой сборник академии: Актуальные проблемы обеспечения войсковых Сил в транспортном отношении. СПб.: «ВАТТ», 2009. -С. 115-123.

Ю.Моисеев В.И., Денисов Г.И. Подавление естественной конвекции, как способ сохранения текучести горячих вязких жидкостей при перевозках.

Восьмой сборник академии: Актуальные проблемы обеспечения войсковых Сил в транспортном отношении. С.Пб.: «ВАТТ», 2009., -С.124-133.

П.Моисеев В.И., Денисов Г.И. Производство и перевозка нефтебитумов в виде крупных гранул в защитной оболочке. Восьмой сборник академии: Актуальные проблемы обеспечения войсковых Сил в транспортном отношении. СПб.: «ВАТТ», 2009. -С. 34-146.

12.Моисеев В.И., Кудрин A.A. Применение каталитического горения углеводородов при сливе топлив и горючего из цистерн. СПб.: «Научно-технический сборник ВТУ ЖДВ» №17. 2009. -С. 28-34.

1 З.Моисеев В.И., Кудрин A.A. Ускорение и повышение безопасности слива горючего и жидких топлив в полевых условиях. С.Пб.: «Научно-технический вестник ВТУ ЖДВ» №17,2009. -С.21-26.

14.Моисеев В.И. Модель эквивалентной теплопроводности жидкости, циркулирующей в цистерне при термогравитационной конвекции. «Известия ПГУПС» вып. 1 С.Пб.: 2011. -С. 210-218.

15.Воробьев А.М., Долбенков В.Г., Моисеев В.И. Термогравитационная конвекция горячих нефтепродуктов в цистернах с парообогревательным кожухом. «Изв.РАРАН» Спец. вып. №5 (71-С),С.Пб.,2011. -С.76-82.

16.Моисеев В.И., Воробьев AM. Динамика остывания парафинов в тепловых аккумуляторах транспортных цистерн. Изв. РА РАН 4(45). 2005. -С. 36-40.

17.Моисеев В.И., Воробьев А.М. Дисперсоид как тепловая изоляция стенок емкости для хранения и транспортирования загустевающих органических жидкостей. Изв. РА РАН 4(45),2005. -С. 40-43.

Основные положения диссертационной работы, опубликованные в изданиях, не входящих в перечень, рекомендованный ВАК Министерства

образования и науки Российской Федерации:

18.Моисеев В.И. Циркуляционное движение горячего нефтепродукта в цистерне. Материалы международной научно-методической конференции «Математика в ВУЗЕ». С.Пб.: «ПГУПС», 2007. - С. 134-138 с.

19.Моисеев В.И. и др. Цистерна для транспортировки загустевающих жидкостей. М.:Патент на изобретение.№2195420.- Бюл.№36, 27.12.2002.

20.Моисеев В.И и др. Цистерна для транспортировки загустевающих жидкостей: М.: Полезная модель №16359.- Бюл.№36 2000.

21.Литвиненко А.Н., Моисеев В.И. Разработка технологий и установок для гранулирования высоковязких нефтепродуктов при низких температурах. Вестник У л .ГПУ вып.7, Ульяновск: 2011. - С. 117-124.

22.Моисеев В.И. и др. Цистерна для транспортировки нефтепродуктов. Патент №2189916,- Бюл. №27 от 27.09.2002.

23.Моисеев В.И. и др. Температурные поля в цилиндрической транспортной емкости с продольными линейными нагревателями. Тр. Шестой Всерос-

сийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» С.-Пб.: НПО Спец. материалов. 2003. -С.263-265.

24.Моисеев В.И., Комарова Т.А. Динамика остывания парафинов в железнодорожных цистернах с тепловыми аккумуляторами. Известия ПГУПС. Вып.2(4).С.Пб:.2005. -С.9-15.

25.Моисеев В.И., и др. Цистерна для вязких нефтепродуктов. Патент на полезную модель №55751 от 12.05.2006.

26.Моисеев В.И. и др. Вагон-цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов. Патент на изобретение №2223878,- Бюл. №5 от 20.02.2004.

27.Моисеев В.И и др. Устройство для образования гранул мазута с ледяной оболочкой. Патент на изобретение №2200692.- Бюл. №8 от 20.03.2003.

28.Назинцев Ю.Л., Моисеев В.И., Дмитраш Ж.А.Теплофизические свойства морского льда. -Л.: Изд-во ЛГУ.: 1988. —С.257 .

29.Воробьев А.М, Моисеев В.И. Дисперсоид как тепловая изоляция стенок транспортной емкости для вязких нефтепродуктов. Ж. «Вопросы оборонной техники» вып.1-4.М.: 2006.-С. 114-117.

30.Воробьев A.M., Моисеев В.И. Динамика остывания теплоаккумулирую-щих материалов в цилиндрических тепловых аккумуляторах. Ж. «Вопросы оборонной техники» вып. 1-4.М., 2006. —С.117-121.

31.Моисеев В.И., Комарова O.A., Комарова Т.А. Цистерна для транспортировки загустевающих нефтепродуктов. Свидетельство на полезную модель № 16119 Бюл. № 34 10.12.2000.

32.Моисеев В.И., Комарова O.A., Комарова Т.А. Цистерна для загустевающих нефтепродуктов. Патентна изобр. № 2174926 Бюл. № 29 20.10.2001.

33.Моисеев В.И., Комарова Т.А. Модернизация универсальных цистерн для транспортировки загустевающих нефтепродуктов. Сб. научных статей «Подвижной состав XXI века». С.-Пб., ПГУПС, 2003. -С. 107-115.

34.Литвиненко А.Н., Моисеев В.И. Совершенствование конструкции железнодорожных цистерн для транспортирования высоковязких нефтепродуктов. Химмотология горючего и технические средства нефтепродуктообеспече-ния. Научно-технический сборник. Ульяновск: 2009. -С.371-382.

35.Литвиненко A.M., Моисеев В.И. Временная тепловая изоляция железнодорожных цистерн для транспортирования высоковязких нефтепродуктов. Химмотология горючего и технические средства нефтепродуктообеспече-ния. Научно-технический сборник. Ульяновск: 2009.-С. 383-390.

36.Литвиненко A.M., Моисеев В.И. Сохранение текучести высоковязких нефтепродуктов при железнодорожных перевозках в условиях низких температур. Химмотология горючего и технические средства нефтепродуктообеспечения. Научно-технический сборник. Ульяновск: 2009. -С. 391-400.

37.Литвиненко А.Н., Моисеев В.И. Разработка способов и средств гранулирования высоковязких нефтепродуктов при низких температурах. Химмотология горючего и технические средства нефтепродуктообеспечения. Научно-технический сборник. Ульяновск: 2009. -С. 401-413.

38.Моисеев В.И. Охлаждение горячих нефтепродуктов в цистернах с парообо-гревательным кожухом. «Математика в вузе» Тр.ХХП Международной, научно-практической конференции. С.П6.: ПГУПС. 2010. -С.128-132.

39.Моисеев В.И. Естественная конвекция горячих нефтепродуктов при перевозках в условиях низких температур.«Математика в вузе» Тр.ХХП Международной научно-практической конференции. СПб.: ПГУПС. 2010. -С. 132-136 .

40.Шевченко В.И., Пеньков М.М., Моисеев В.И. Влияние температурного режима .... Депонирование 22.04.08, инв. №А29779. Серия А. Выпуск №2(99) -М.: «ЦВНИ МО РФ», 2008. -8с.

41.Моисеев В.И., Воробьев A.M., Мокан Д.О. Теплоотдача воздушно-водному потоку ... . Депонирование 21.11.07, инв.№А29530. Серия А. Выпуск №4(97) -М.: «ЦВНИ МО РФ», 2007. -6с.

42.Моисеев В.И., Воробьев A.M. Цистерна с поглотителем тепловой энергии ... . Депонирование 22.04.08, инв.№А29781. Серия А. Выпуск №2(99) -М.: «ЦВНИ МО РФ», 2008. -5с.

43.Моисеев В.И., Воробьев A.M., Комарова Т.А. Динамика разжижения за стывшей вязкой жидкости в отсутствие фазовых переходов при вынужденной конвекции на ее свободной поверхности. - М.: «МЭИ». Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену 2125 октября, Том 7, 2002. -С.78-81.

44.Моисеев В.И. и др. Расчет температурных полей и динамики разжижения затвердевшего слоя вязкой жидкости в приближении задачи Стефана. - М.: «МЭИ». Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену 21-25 октября, Том 7, 2002. -С.74-77.

45.Моисеев В.И. и др. Цистерна с тепловой трубой для транспортировки загустевающей жидкости. Свидетельство на полезную модель № 17165 Бюл. №8 20.03.2001.

46.Моисеев В.И. и др. Цистерна для вязких нефтепродуктов. Патент на изобретение № 2184690 Бюл.№ 19 от 10.07.2002 г.

47.Моисеев В.И., Воробьев A.M. Подавление естественной конвекции как способ сохранения текучести загустевающих вязких жидкостей при перевозках.: С.П6. Изв. РА РАН. Вып.2(41).2004.-С.70-71.

48.Моисеев В.И., Воробьев A.M. Влияние атмосферных осадков на динамику остывания жидкостей с переменной вязкостью и застывающих нефтепродуктов в железнодорожных цистернах: С.Пб: Изв. РА РАН. Вып.2(41).2004. -С.72-74.

49.Моисеев В.И., Воробьев A.M. Динамика разжижения загустевающих вязких жидкостей линейными тепловыми источниками.- Труды Седьмой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». С.Пб.: НПО Спец.материалов, 2004. -С.162-166.

50.Моисеев В.И., Воробьев А.М. Повышение эффективности и безопасности железнодорожных перевозок вязких нефтепродуктов в холодное

время года Труды Седьмой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». Вооружение и военная техника. С.-Пб.:НПО спец.материалов, 2004. -С.167-169.

51 .Моисеев В.И., Воробьев A.M. Комбинированный способ разогрева загустевающих вязких жидкостей. Труды Седьмой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». С.-Пб.: НПО спец.материалов, 2004. -С.169-170.

52.Моисеев В.И. и др. Способ перевозки вязких нефтепродуктов в транспортных емкостях. Патент на изобр. № 2224960 Бюл.№ 30 от 27.10.2003.

53.Моисеев В.И. Модель процесса охлаждения вязких нефтепродуктов при их перевозках в условиях низких температур. «Математика в вузе» Труды международной научно-практической конференции. С.Пб.: ПГУПС. 2011.-С. 150-154.

54.Моисеев В.И. Применение каталитического горения углеводородов для разогрева нефтепродуктопроводов, эксплуатируемых в зимних условиях. «Проблемы математической и естественнонаучной подготовки в инженерном образовании». Тр. Международной научно-методической конференции. С.Пб. ПГУПС, 2011. -С.71-78.

55.Моисеев В.И. Вопросы перекачки нефтепродуктов по полевым магистральным трубопроводам в зимнее время. «Математика в вузе и в школе». Тр. Международной научно-методической конференции. С.Пб. ПГУПС, 2012. -С.166-169.

56.Программа для расчета распределения температур в темных нефтепродуктах при их выгрузке из ж.д.цистерны в зимних условиях. Свидетельство о государственной регистрации №2012616057 от 3.07.2012.

57.Программа расчета температурных полей в цистерне с вязкими нефтепродуктами. Свидетельство о государственной регистрации №2012618249 от 12.09.2012.

58.Программа расчета скорости движения границы расплава вязких нефте-грузов, разогреваемых перед сливом в железнодорожной цистерне. Свидетельство о государственной регистрации №2012618250 от 12.09.2012.

Подписано к печати 14.09.2012г. Печ.л2,1

Печать —ризография. Зак.873 Бумага для множит.апп. Формат60х84 1/16

Тираж 100 экз.

ПГУПС 190031, г. С-Петербург, Московский пр.,9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

ТЕОРИЯ И МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛ0МАСС01 ТРАНСПОРТНЫХ ОПЕРАЦИЯХ С ЗАСТЫВА НАЛИВНЫМИ ГРУЗАМИ

Специальность: 05.13.18- «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

05201350365

МОИСЕЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

На пр

Научный консультант: Член корр. РА РАН, д.т.н. профессор А.М.Воробьев

Санкт - Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание...................................................................................2

Введение.......................................................................................6

ГЛАВА 1. Процессы тепломассопереноса при транспортных

операциях с застывающими жидкими нефтепродуктами....................12

1.1. Низкотемпературные свойства жидких нефтепродуктов и проблемы их железнодорожных перевозок в осенне-зимний период... 12

1.2. Подвижной состав для вязких наливных грузов и средства их разогрева при выгрузке. Современное состояние вопроса.................24

1.3. Применяемые методы расчета транспортных операций с наливными грузами при железнодорожных перевозках....................................37

1.4. Применение уравнений математической физики для описания процессов охлаждения и разогрева застывающих нефтепродуктов......... 52

1.5. Физическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов. Основные критерии подобия.........................................56

1.6. Численные методы в задачах математического моделирования процессов тепломассопереноса и их программное обеспечение.......... 67

1.7. Постановка задач и вводимые математические модели...................73

1.8. • Выводы................................................................................78

ГЛАВА 2. Развитие представлений об охлаждении жидких нефтепродуктов при их транспортировании в условиях низких температур............80

2.1. Влияние атмосферных осадков на внешнюю теплоотдачу с поверхности цистерны (трубопровода).........................................80

2.2. Метод расчета среднеобъемной температуры нефтегруза в цистерне при неравномерном внешнем теплосъеме с её поверхности..............91

2.3. Влияние фактора смачиваемости поверхности цистерны (трубопровода) на внешнюю теплоотдачу при осадках........................95

2.4. Термогравитационная конвекция жидкости в замкнутом объеме......... 101

2.5. Пограничный слой в жидком нефтепродукте при термогравитационной конвекции.............................................113

2.6. Применение модели «условно-неподвижной среды» в описании процесса охлаждения нефтепродукта в цистерне........................ 133

2.7. Выводы..............................................................................149

Глава 3. Модели процессов тепломассопереноса в нефтепродуктах при их перевозках в цистернах................................................... 152

3.1. Влияния термогравитационной конвекции на скорость охлаждения горячих жидких нефтегрузов.................................................152

3.2. Компьютерное моделирование охлаждения циркулирующего нефтепродукта при различных значениях коэффициента

конвекции (прогнозируемый эксперимент)..................................163

3.3. Математическая модель процесса охлаждения нефтегруза в железнодорожной цистерне с тепловыми аккумуляторами...........169

3.4. Модель охлаждения слабоциркулирующего жидкого нефтепродукта в цистерне с многослойной стенкой котла............179

3.5. Выводы...........................................................................186

ГЛАВА 4. Стендовые эксперименты, результаты наблюдений

и их обработки............................................................188

4.1. Моделирование условий теплообмена цистерны

с нефтепродуктом и окружающей среды..................................188

4.2. Экспериментальное оборудование и его характеристики............192

4.2.1. Стенд для имитации внешних условий охлаждения ЗНГ.............192

4.2.2. Модельная емкостъ...........................................................195

4.2.3. Модельные жидкости.........................................................201

(

4.2.4. Установка для измерения теплофизических характеристик

4.2.5. теплоаккумулирующих материалов...........................................203

4.2.5. Вспомогательная установка для изучения процессов получения

крупных гранул нефтебитума с защитной оболочкой................207

4.3. Результаты исследований динамики охлаждения модельных жидкостей в стендовых условиях............................................209

4.3.1. Охлаждение горячих жидкостей в цилиндрических сосудах при

обтекании их воздуишо-водными потоками («внешняя задача»).. 209

4.3.2. Влияние смачиваемости поверхности нагретого тела

на теплоотдачу внешнему воздушно-водному потоку................214

4.3.3. Исследование циркуляционного движения э/сидкости при естественной конвекции в модели цистерны..............................223

4.3.4 Охлаждение модельных жидкостей при подавлении их естественной

конвекции имитаторами тепловых аккумуляторов ...................229

4.4. Выводы...........................................................................239

ГЛАВА 5. Тепловые аккумуляторы для железнодорожной цистерны ..242

5.1. Конструктивные характеристики тепловых аккумуляторов-

и свойства теплоаккумулирующих материалов (ТАМ)...............242

5.1.1. Тепловой аккумулятор с углеводородными ТАМ...........................249

5.1.2. Тепловой аккумулятор с ТАМ на основе солевой смеси Локка.......250

5.2. Внутренний теплоперенос в теплоаккумулирующих материалах. Результаты экспериментов...................................................253

5.3 Физические модели теплопроводности ТАМ

на основе солей кристаллогидратов и их смесей.............................264

5.4 Выводы............................................................................270

ГЛАВА 6. Теория и модели тепловых процессов при затвердевании и плавлении вязких нефтепродуктов и теплоаккумулирующих материалов....................................................................................272

6.1. Модель размыва загустевшей фракции нефтегруза при его

вынужденной конвекции в приближении задачи Стефана............273

6.2. Модели регенерационных тепловых процессов в теплоаккумулирующих материалах...........................................287

6.3. Временная тепловая изоляция стенок цистерны из

пористого слоя отвержденного нефтепродукта...........................306

6.4. Образование и размыв теплоизолирующей оболочки из

пористого отвержденного нефтепродукта.................................316

Выводы..............................................................................327

ГЛАВА 7. МОДЕЛИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СРЕДСТВ ДОСТАВКИ ЗАСТЫВАЮЩИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОБЪЕКТЫ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО

И ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ........................................................................329

7.1. Устройство двухступенчатого разогрева высоковязкого

продукта в железнодорожной цистерне...................................329

7.2. Применение каталитического горения углеводородов в транспортных операциях с застывающими наливными грузами........................343

7.3. Производство нефтебитумов в виде гранул с

защитной оболочкой............................................................368

7.4. Выводы............................................................................390

ГЛАВА 8. Оценки экономических эффектов....................................393

8.1. Цистерна с тепловыми аккумуляторами. Цистерна с устройством

двухэтапного размыва загустевшего нефтегруза......................393

8.2. Экономический и оперативный эффекты от способа перевозки нефтебитумов в виде гранул с защитной оболочкой....................412

8.3. Выводы.............................................................................416

Заключение..............................................................................417

Применяемые аббревиатуры и пояснения к ним........................... 423

Приложение..............................................................................425

Список использованной литературы..............................................436

ВВЕДЕНИЕ

Развитие промышленности, сельского хозяйства, всех видов транспорта Российской Федерации, поддержание высокой боевой готовности её Вооруженных Сил непосредственно связано с обеспечением их жидкими нефтепродуктами (топливами, маслами, специальными жидкостями и др.) Массовые перевозки жидких нефтепродуктов на большие расстояния осуществляет железная дорога, где они относятся к категории наливных грузов.

При охлаждении нефтепродукты по различным причинам изменяют свои характеристики - у мазутов и масел, например, происходит резкий рост вязкости, у дизельных топлив летних сортов наблюдаются фазовые расслоения и др. Эти изменения обобщаются специальным термином - «низкотемпературные свойства» (НТС). Рассматривая нефтепродукты как объект транспортирования, будем называть их «застывающими наливными грузами» (ЗНГ).

Химмотология как самостоятельная наука о физико-химических свойствах нефтепродуктов и их влиянии на эксплуатационные характеристики для обеспечения оптимальных условий применения, возникла в 60-х годах прошлого века и в настоящее время интенсивно развивается. Однако вопросы, связанные с их транспортированием от производителя к потребителю при низких температурах воздуха в ней практически не рассматриваются. Между тем, в своей совокупности они представляют собой большую транспортную проблему. Она вытекает из наличия у нефтепродуктов НТС, которые в сочетании с неблагоприятными огнетехническими свойствами создают большие трудности и обуславливают высокую стоимость их перевозок в холодное время года, которое для большинства регионов России составляет 5... 6 месяцев в году, а для Северных регионов страны достигает 8... 10 месяцев.

Наличие у нефтепродуктов НТС в сочетании с неблагоприятными огнетехническими свойствами (низкие температуры вспышки и воспламенения) создают большие трудности для их перевозок в холодное время года. Так вязкие нефтегрузы (мазуты, масла, гудроны и др.) при перевозках охлаждаются

и загустевают настолько, что их выгрузка без разогрева становится невозможной, а разогрев представляет собой длительную, энергозатратную, дорогостоящую и зачастую пожароопасную операцию, обуславливающую низкий оборот подвижного состава, специального оборудования и сооружений.

Как правило, полную выгрузку нефтегруза осуществить не удается и в каждой цистерне остается до сотен килограммов его высоковязких и затвердевших остатков. Отсюда возникает необходимость периодической очистки цистерн на промывочно-пропарочных станциях (ППС). Эта операция в свою очередь является одной из самых трудоемких, энергозатратных и «экологически грязных» технологий вагонного хозяйства, создающей к тому же большие количества отходов.

Летние дизельные топлива (ДТ) по ГОСТ 305-82 при температурах ниже минус 5°С теряют свою кондиционность, часто необратимо, вплоть до необходимости изъятия из эксплуатации. Зимой их перевозка в цистернах для светлых нефтепродуктов запрещена. Но в последнее десятилетие быстрыми темпами сокращается выпуск ДТ зимних и «арктических» сортов по ГОСТ 305-82, пригодных для использования в зимнее время. Их доля в общем объеме производства ДТ опустилась до 10... 12% тогда как для нормального круглогодичного функционирования транспорта, промышленного комплекса и Вооруженных Сил России она должна быть не менее 60... 70%.

Перечисленные трудности, показанные на примере всего двух видов ЗНГ, характеризуют практическую актуальность работы. В свою очередь её научная актуальность определяется отсутствием научно обоснованных представлений о протекании тепло-и массообменных процессов при транспортных операциях с застывающими нефтепродуктами в условиях низких температур. Если для конечных операций, связанных с выгрузкой, приемом и трубопроводной передачей жидких и вязких нефтегрузов существуют достаточно многочисленные методики расчета, разработанные преимущественно на основании опыта эксплуатации сливных площадок и эстакад, то для

динамики охлаждения и застывания ЗНГ при транспортировании в цистернах, а также разжижения при сливе их практически нет. Экспериментальные исследования также очень малочисленны и не систематизированы.

Целью работы является разработка новых научно обоснованных решений по устранению или минимизации проблем, возникающих при проведении транспортных операций с застывающими наливными нефтегрузами. Она достигается построением теории и математических моделей процессов тепломассообмена при транспортировании ЗНГ, теоретическим обоснованием для применения новых технологических решений по перевозкам и трубопроводной передаче нефтепродуктов в осенне-зимний период, альтернативных существующим, с обеспечением высоких показателей рентабельности и оперативной эффективности.

Показателями рентабельности новых технических решений по перевозкам вязких ЗНГ является снижение стоимости транспортных операций, достигаемое увеличением оборота подвижного состава за счет сокращения времени выгрузки и очистки цистерн, снижения расхода тепловой энергии, уменьшения трудозатрат и потерь перевозимого продукта.

Показателями оперативной эффективности предлагаемых решений является ускорение доставки жидких топлив, масел, специальных жидкостей и дорожно-строительных материалов (нефтебитумов и др.) в места развертывания Сухопутных и Военно-Морских Сил России. Ускоренная доставка обеспечивается выгрузкой ЗНГ в полевых условиях и передачей их по временным технологическим схемам (полевым магистральным трубопроводам, использованием цистерн общего назначения и платформ - думпкаров вместо специализированного подвижного состава и др.).

Объектом исследования являются темные и светлые жидкие нефтепродукты, проявляющие НТС при охлаждении: флотские и котельные мазуты, масла и дизельные топлива летних сортов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод расчета охлаждения ЗНГ в типовых железнодорожных цистернах, учитывающий влияние атмосферных осадков, конструктивные особенности котла (парообогревательный кожух) и термогравитационную конвекцию (ТГК) нефтепродукта внутри цистерны.

2. Разработан новый метод расчета динамики разжижения вязких неф-тегрузов при их сливе и очистке цистерн. Получены новые формулы, описывающие перемещение фронта размыва и температурных полей в разжижаемом нефтепродукте.

3. Получены данные стендовых исследований охлаждения циркулирующих при термогравитационной конвекции жидкостей при значениях критерия Прандтля Рг=400... 8000 в горизонтальном цилиндре с охлаждаемыми стенками при внешних коэффициентах теплоотдачи 1... 120 Вт/м град.

На основании методов регрессионного анализа получены эмпирические формулы, обобщающие экспериментальные данные.

4. Для реализации новых технологий перевозок ЗНГ в рамках разрабатываемых физико-математических моделей были предложены:

• новая конструкция цистерны с блоком тепловых аккумуляторов регенеративного типа;

новая конструкция цистерны с системой двухэтапного разжижения загустевшего продукта одновременно на днищах, в нижней части котла и его середине, обеспечивающая сокращение выгрузки, например мазутов, в 4...5 раз по сравнению с существующими вариантами.

Практическая значимость работы заключается в доказанной возможности круглогодичного использования подвижного состава, находящегося в обороте, для перевозок ЗНГ с получением в осенне-зимний период:

• экономии времени, трудовых и энергоресурсов при выгрузке, обеспечивающих снижение стоимости перевозок и увеличение оборота цистерн;

• полного слива ЗНГ в полевых условиях с последующей их передачей по полевым магистральным трубопроводам при низких температурах;

возможности перевозок нефтебитумов на платформах и полувагонах в качестве насыпных грузов с облегченными условиями выгрузки; • снижения потребности в специализированном подвижном составе для перевозок ЗНГ в соответствии с условиями обстановки (в чрезвычайных ситуациях, угрожаемый период, военное время).

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в расчетно-конструкторских работах Научно-внедренческого центра (НВЦ) «Вагоны» (изготовлен опытный образец цистерны с тепловыми аккумуляторами на АО «ЦЛ^&АУЯ» АС Эстония). В ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» материалы диссертации использованы в договоре №1-211084. Служба коммерческой работы в сфере грузовых перевозок ОАО «РЖД» применяет их в экономических оценках о путях повышения объема перевозок наливных грузов существующим подвижным составом. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс ВТИ ЖДВ и ВОСО по дисциплинам: Военные сообщения, Специальная подготовка транспорта, Организация грузовой и коммерческой работы. Грузоведение.

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» (С-Пб, ГНИ, 2000), «Третьей Российской национальной конференции по теплообмену» (МЭИ, Москва, 2002), «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (РА РАН, С.-Пб., 2003, 2004) «Подвижной состав XXI века» (С.-Пб., ПГУПС, 2002). «XX Международные научно-методические конференции «Математика в ВУЗЕ» (Псков 2001, Мурманск, 2007, Петрозаводск, 2010, Великие Луки, 2011, Гатчина 2012г).

По материалам диссертации автором опубликовано 56 п�