ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ МОДЕЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПАНЕЛЕЙ В КОНСТРУКЦИИ БУНКЕРА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ БИТУМА

Балалаев А.Н.¹, Рожков А.В.²

¹ ORCID: 0000-0003-0839-6858, Доктор технических наук,

² ORCID: 0000-0002-2306-5339, Студент,

^1,2 Самарский университет путей сообщения, Самара, Россия

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ МОДЕЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПАНЕЛЕЙ В КОНСТРУКЦИИ БУНКЕРА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ БИТУМА

Аннотация

С использованием Solid Works составлены модели вакуумных теплоизоляционных панелей в конструкции бункера для перевозки битума, выполнены их прочностные и тепловые расчеты. Подобрана геометрия профиля вакуумной теплоизоляционной панели, обеспечивающая требуемую прочность, минимальную массу и максимальное тепловое сопротивление. Составлена модель бункера для перевозки битума, включающая вакуумные теплоизоляционные панели, определены его массовые и теплоизоляционные характеристики. Результаты исследований модели бункера показали, что при длительности перевозки битума в бункерном вагоне менее 8,5 суток при температуре окружающей среды Т_н = 233 К (-40 ⁰С) разогрев битума перед выгрузкой из бункерного вагона с вакуумными теплоизоляционными панелями не требуется, что экономит 10000 МДж тепловой энергии на один вагон.

Ключевые слова: вакуумные теплоизоляционные панели, перевозка битума, бункерный вагон, тепловое сопротивление, разогрев битума.

Balalaev A.N.¹, Rozhkov A.V.²

 ¹ ORCID: 0000-0003-0839-6858, PhD in Engineering,

² ORCID: 0000-0002-2306-5339, Student,

^1,2 Samara State Transport University, Samara, Russia

INVESTIGATION OF STRENGTH AND THERMAL INSULATION PROPERTIES OF VACUUM HEAT-INSULATING PANELS MODELS IN STRUCTURE OF BUNKER FOR BITUMEN TRANSPORTATION

Abstract

The models of vacuum heat-insulating panels in the structure of the bunker for the bitumen transportation were compiled with the use of Solid Works, their strength and thermal calculations were performed. The geometry of the profile of the vacuum heat-insulating panel was assured, providing the required strength, minimum mass, and maximum thermal resistance. A model of the bunker for transportation of bitumen including vacuum heat-insulating panels, its mass, and heat insulation characteristics are determined. The results of the investigation of the bunker model showed that for a duration of bitumen transportation in a bunker car of less than 8.5 days at an ambient temperature of T = 233 K (–40°C), bitumen preheating before unloading from a bunker car with vacuum insulating panels is not required, which saves 10,000 MJ thermal energy per wagon.

Keywords: vacuum heat-insulating panels, bitumen transportation, bunker car, thermal resistance, bitumen heating.

В настоящее время конструкция бункерных вагонов для перевозки битума содержит различные устройства для разогрева загустевшего нефтепродукта. Так, например в моделях бункерных вагонов для перевозки битума 17-794 выполнена рубашка для прогрева стенки котла водяным паром [1].

Данный способ транспортировки и высыпания битума отличается значительными затратами энергии на разогрев груза при его выгрузке.

В цистернах для перевозки мазута данная проблема решается с помощью теплоизолирующего кожуха из вакуумных теплоизоляционных панелей [2, С. 22].

Аналогичный кожух из вакуумных теплоизоляционных панелей можно использовать в конструкции бункерного вагона для перевозки битума. Устройство и способ изготовления таких панелей защищены патентами [3], [4]. Назначение кожуха из вакуумных теплоизоляционных панелей заключается в сохранении максимально высокой температуры битума в конце перевозки, чтобы сократить до минимума энергетические затраты на подогрев битума перед сливом.

Целью работы является разработка модели бункера для перевозки битума, включающей вакуумные теплоизоляционные панели, с геометрией поперечного сечения, обеспечивающей необходимую прочность и наилучшие массовые и теплоизоляционные характеристики.

Модель кожуха из вакуумных теплоизоляционных панелей, составленная в SolidWorks, представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Составные элементы кожуха из вакуумных теплоизоляционных панелей: 1 – вакуумная панель, 2 – заглушка, 3 – элемент поворота на 90⁰, 4 – элемент поворота на 76,67⁰, 5 – сферический угловой элемент

 

Кожух (см. рис. 1) состоит из следующих типов элементов: - собственно вакуумных панелей 1, заглушек 2, с помощью которых вакуумные панели герметизируются по торцам, элементов поворота на 90⁰ 3, которые соединяют вакуумные элементы между собой под прямым углом, элементов поворота на 76,67⁰ 4, которые соединяют вакуумные элементы между собой под заданным углом, сферических угловых элементов 5, которые закрывают угловые отверстия.

Вакуумные панели различаются внешними габаритными размерами и формами (прямоугольная или трапециевидная), а внутренняя структура панелей одинакова. На рис. 2 показана внутренняя структура вакуумной панели.

Рис. 2 – Вид внутренней структуры вакуумной панели

 

Как видно на рис. 2, панель толщиной 60 мм состоит из обечайки толщиной 4,5 мм и ребер жесткости толщиной 2,5 мм, которые образуют ромбические соты. По середине ребер жесткости на торцевой поверхности выполнена проточка глубиной 3 мм, которая совмещает между собой все внутренние полости. Торцевые поверхности вакуумных панелей герметизируются заглушками, представляющими собой плоские стенки. Вид заглушки показан на рис. 3.

 

Рис. 3 – Вид заглушки для герметизации вакуумных панелей

 

Для вакуумных панелей (рис. 2) и заглушек (рис. 3) предлагается использовать материал «Полиамид ПА-66», обладающий хорошими прочностными свойствами при высоких температурах, малой плотностью и низкой теплопроводностью [5]. Производство вакуумных панелей может осуществляться методом экструзии, путем продавливания нагретого до состояния размягчения полиамида через матрицу, которая придает изделию заданную форму. Размеры заготовки при этом могут иметь размеры 2000х3000х60. Для производства вакуумных панелей можно применять, например, двух шнековый экструдер для переработки композиционных материалов в профиль заданного сечения [6].

На вакуумную теплоизоляционную панель при движении вагона действуют силы инерции от массы самой панели и вес панели, кроме этого, за счет вакуума внутри панели на ее наружную поверхность действует давление, равное атмосферному. Согласно [7, С. 18], ускорение на I расчетном режиме для четырехосных грузовых вагонов, действующее на вакуумную теплоизоляционную панель также составляет 3,5g.

На рис. 4 показаны силы, приложенные к модели вакуумной теплоизоляционной панели в Solid Works Simulation.

Рис. 4 – Приложение сил тяжести и инерции к вакуумной теплоизоляционной панели

 

Как видно на рис. 4, ускорение для сил инерции установлено 3,5g = 34,335.

На рис. 5 представлены результаты расчета коэффициента запаса прочности модели вакуумной теплоизоляционной панели в исследовании Solid Works Simulation статической прочности при значении толщины ребер Sr=2,5 мм.

Рис. 5 – Эпюра коэффициента запаса прочности вакуумной теплоизоляционной панели при Sr=2,5 мм

 

Как видно на рис. 5, минимальный коэффициент запаса прочности k_d = 42, что значительно больше допустимого значения [k_d] = 2.

Кроме расчетов на статическую прочность вакуумную теплоизоляционную панель необходимо рассчитать на усталостную прочность, при этом минимально допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости, согласно [7, С. 39], рекомендуется устанавливать [k_u] = 1,9.

На рис. 6 представлены результаты расчета коэффициента запаса сопротивления усталости модели вакуумной теплоизоляционной панели в исследовании Solid Works Simulation усталостной прочности при значении толщины ребер Sr=2,5 мм.

Рис. 6 – Эпюра коэффициента запаса сопротивления усталости модели вакуумной теплоизоляционной панели при Sr=2,5 мм

 

Как видно из рис. 6, значения коэффициента запаса сопротивления усталости k_u значительно превышает допустимую величину [k_u]. Поэтому значение глобальной переменной модели вакуумной теплоизоляционной панели Sr последовательно уменьшалось с шагом 0,5 мм, и все исследования повторялись.

На рис. 7 а) и б) показаны зависимость коэффициента запаса прочности k_d и зависимость коэффициента запаса сопротивления усталости k_u от толщины ребер вакуумной панели Sr.

Рис. 7 – Зависимость а) коэффициента запаса прочности и б) коэффициента запаса сопротивления усталости от толщины ребер вакуумной панели: 1 - k_d, 2 – [k_d] = 2, 3 – k_u, 4 – [k_u] = 1,9

 

Как видно из графиков рис. 7 а) и б) ограничением по толщине ребер вакуумной панели является усталостная прочность, коэффициент запаса сопротивления усталости больше допустимого значения при Sr = 1,38 мм. Данное значение обеспечит вакуумным теплоизоляционным панелям необходимую прочность, минимальную массу и максимальное значение теплового сопротивления.

Дальнейшие термические исследования вакуумной теплоизоляционной панели проводились при толщине ребер Sr = 1,38 мм.

Перевозка битума, согласно [8], производится при температуре 90…100⁰С в зависимости от марки битума. Вакуумные теплоизоляционные панели в модели бункера для перевозки битума не прилегают к стенкам бункера, а имеют между ними зазор, однако, на первом этапе термических исследований, можно считать, что температура внутренней стенки вакуумной теплоизоляционной панели равна максимальной температуре битума, то есть 100⁰С. Противоположная стенка вакуумной теплоизоляционной панели находится под воздействием окружающей среды, поэтому его температура может быть принята минимальной, то есть – 40⁰С.

Целью термических исследований вакуумной теплоизоляционной панели на первом этапе является определение коэффициента эффективной теплопроводности.

На рис. 8 представлена модель вакуумной теплоизоляционной панели в термическом исследовании Solid Works Simulation с приложением граничных температурных условий к поверхностям панели.

Рис. 8 – Модель приложения граничных температурных условий к вакуумной теплоизоляционной панели

 

Как видно на рис. 8, к верхней поверхности приложено значение температуры T_max = 373 К (100⁰С), а к нижней поверхности T_min = 233 К (-40⁰С).

Термическая модель вакуумной теплоизоляционной панели может исследоваться методом конечных элементов в SolidWorks Simulation с целью определения среднего удельного теплового потока через стенку панели.

Результаты исследования термической модели вакуумной теплоизоляционной панели представлены на рис. 9.

Рис. 9 – Результаты термического исследования вакуумной теплоизоляционной панели при Sr = 1,38 мм

 

Как видно из таблицы результатов термического исследования, приведенных на рис. 9, значение среднего удельного теплового потока через стенку панели q = 45,09 Вт/м².

По закону Фурье процесс теплопроводности описывается уравнением

   (1)

где q – удельный тепловой поток, Вт/м², λ_эфф – коэффициент эффективной теплопроводности, Вт/м, d=0,06 м – толщина вакуумной теплоизоляционной панели, T_max = 373 К (100⁰С) – температура стенки вакуумной теплоизоляционной панели, обращенной к бункеру, T_min = 233 К (-40⁰С) – температура стенки вакуумной теплоизоляционной панели, окруженной атмосферой окружающей среды.

Подставив значение среднего удельного теплового потока через стенку вакуумной теплоизоляционной панели в уравнение (1), из него можно подсчитать значение коэффициента эффективной теплопроводности. Вычисления дали значение λ_эфф = 0,0193 Вт/м. Это значение примерно в 2 раза меньше коэффициентов теплопроводности современных теплоизоляционных материалов.

Таким образом, при равной толщине тепловое сопротивление вакуумной теплоизоляционной панели в два раза больше теплового сопротивления современных теплоизоляционных материалов.

Как отмечалось в [9, С. 333], наличие теплоизоляции на кузове вагона для перевозки высоковязких углеводородов позволяет сохранять высокую температуру груза в конце перевозки, что снижает затраты энергии на разогрев груза перед выгрузкой.

Для расчета среднемассовой температуры груза в [9, С. 344] предложена следующая формула

   (2)

где Т_г – среднемассовая температура груза, К; Т_н – температура окружающей среды, К; Т_г^нач – начальная температура груза, К; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); F – площадь теплообмена, м²; М_г – масса груза, кг; с_г – теплоемкость груза, Дж/(кг К); τ – время транспортировки, с.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле [9, С. 315]

    (3)

где α_н – коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности теплоизолирующего кожуха, Вт/(м² К); δ_i, – толщина i-того слоя стенки вагона, м; λ_i – коэффициент теплопроводности i-того слоя стенки вагона, Вт/(м К); α_н – коэффициент теплоотдачи груза внутри кузова, Вт/(м² К).

Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности кузова вагона, зависящий от средней скорости движения поезда, вычисляют по формуле [10, С. 82]

   (4)

где V – скорость движения вагона, км/ч.

При скорости движения грузового вагона V = 70 км/ч вычисления по формуле (4) позволяют получить a_н = 67 Вт/(м² К).

Значение коэффициента теплоотдачи жидкого битума внутри бункера можно определить из критериального уравнения подобия для свободной конвекции жидкости вблизи стенки [9, С. 349]

   (5)

где N_u – критерий Нуссельта, определяется как N_u = α_г×H/λ_г; H – высота стенки кузова, м; λ_г – коэффициент теплопроводности груза, Вт/(м К); P_r – критерий Прандтля, определяется как P_r = μ_г×с_г/λ_г; μ_г- динамическая вязкость груза, м²/с; G_r – критерий Грасгофа, определяется как G_r = g β_t ΔT (ρ_г)² H³/(μ_г)²; g = 9,8 м/с² – ускорение свободного падения; β_t – коэффициент температурного расширения жидкого груза, г/град; ΔT – разность температур стенки кузова и груза, можно приближенно принять ΔT = Т_г – Т_н, К; ρ_г – плотность груза, ρ_г = 1000…1400 кг/м³.

Расчет по формулам (2) – (5) проводился для модели вагона 17-494 без теплоизоляции и нового проектируемого вагона с толщиной теплоизоляции 0,06 м и эффективным коэффициентом теплопроводности 0,0193 Вт/(м К). Результаты расчета температуры битума в зависимости от длительности перевозки в бункерном вагоне при температуре окружающей среды Т_н = 233 К (-40⁰С) представлены на рис. 10.

Рис. 10 – Зависимости температуры битума от длительности перевозки бункерным вагоном: 1 – модель вагона 17-494; 2 – модель бункерного вагона с вакуумными теплоизоляционными панелями

 

Как видно на рис. 10, разность температуры битума при перевозке в модели вагона 17-494 и в бункерном вагоне с вакуумными теплоизоляционными панелями может достигать более 100 К.

Затраты энергии на разогрев битума перед выгрузкой можно рассчитать по формуле

    (6) где Т_к – минимально допустимая температура выгрузки, для битума Т_к = 343 К (70 ⁰С). Результаты расчета количества энергии для разогрева битума в одном бункере перед выгрузкой в зависимости от длительности перевозки при температуре атмосферного воздуха Т_н = 233 К (-40 ⁰С) представлены на рис. 11.

Рис. 11 – Зависимости количества энергии для разогрева битума перед выгрузкой от длительности перевозки: 1 – модель вагона 17-494; 2 – модель бункерного вагона с вакуумными теплоизоляционными панелями

 

Как видно из рис. 11, при длительности перевозки менее 8,5 суток при температуре окружающей среды Т_н = 233 К (-40 ⁰С) разогрев битума перед выгрузкой из бункерного вагона с вакуумными теплоизоляционными панелями не требуется, что экономит 2500 МДж тепловой энергии на один бункер.

Исследования модели вакуумной теплоизоляционной панели методом конечных элементов в Solid Works Simulation позволили подобрать по условию статической прочности минимальную толщину ребер вакуумной панели, она составила 1,38 мм.

Исследования термической модели вакуумной теплоизоляционной панели методом конечных элементов в Solid Works Simulation позволили рассчитать значение коэффициента эффективной теплопроводности вакуумной панели оптимального профиля, которое составило λ_эфф = 0,0193 Вт/м. Это значение примерно в 2 раза меньше коэффициентов теплопроводности современных теплоизоляционных материалов.

Расчеты количества энергии на разогрев битума в одном бункере проектируемого вагона перед выгрузкой показали: при длительности перевозки менее 8,5 суток при температуре окружающей среды Т_н = 233 К (-40 ⁰С) разогрев битума перед выгрузкой из бункерного вагона с вакуумными теплоизоляционными панелями не требуется, что экономит 10000 МДж тепловой энергии на один вагон, имеющий четыре бункера.

Список литературы / References

1. Вагон для перевозки битума модель 17-494 [Электронный ресурс] URL: https://vagon.by/model/17-494 (дата обращения 13.04.2018).
2. Балалаев А. Н. Исследование твердотельной модели котла цистерны с кожухом из вакуумных теплоизоляционных панелей / А.Н Балалаев, А.В. Жебанов, М.А. Паренюк и др. // Вестник транспорта Поволжья. – 2017. – № 3. – С. 21-31.
3. Пат. 2571834 Российская Федерация, МПК7 B61D17/18, B60P3/20, F16L59/065, E04B1/80. Вакуумное теплоизоляционное изделие (варианты) / Балалаев А. Н., Мокшанов А. С., Попов Д. А.; заявитель и патентообладатель Самарский университет путей сообщения. – № 2013157470/11; заявл. 24.12.2013; опубл. 20.12.15; Бюл. №35. – 10 с.
4. Пат. 2553629 Российская Федерация, МПК7 F16L59/065. Способ изготовления вакуумного теплоизоляционного изделия / Балалаев А. Н., Мокшанов А. С., Попов Д. А.; заявитель и патентообладатель Самарский университет путей сообщения. – № 2013153611/06; заявл. 03.12.2013; опубл. 20.06.15; Бюл. №17. – 8 с.
5. PA 66 - Полиамид 66 (Polyamide 66). [Электронный ресурс] / APC Group. Высокотехнологичные инженерные пластики и изделия из них. - URL: http://apc-group.ru/plastiki/pa-poliamid.html#pa6 (дата обращения 13.04.2018)
6. Двух шнековый экструдер. Технические характеристики. [Электронный ресурс] / Новые технологии для современного бизнеса. – URL: http://strplastik.ru/katalog_tovarov/dvЕkstrudery/_novye_tekhnologii_dlya_sovremennogo_biznesa/ (дата обращения 19.04.2018)
7. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). Утверждены Министерством путей сообщения Российской Федерации, Комитетом Российской Федерации по машиностроению 22.02.1996. – М.: ГосНИИВ – ВНИИЖТ, 1996. – 86 с.
8. Перевозка битума и других вязких нефтесодержащих веществ на железнодорожном транспорте. [Электронный ресурс] / Газэнергохим. – URL: http://www.gazenergohim.ru/articles/40/ (дата обращения 13.04.2018)
9. Фишбейн Б.Д. Железнодорожная климатология: монография / Б.Д. Фишбейн, А.Н. Балалаев, А.А. Бондаренко и др.; под общ. ред. Б.Д. Фишбейна. – Самара: СамГУПС, 2007. – 508 с.
10. Левенталь Л.Я. Энергетика рефрижераторных и пассажирских вагонов: учебное пособие / Л.Я. Левенталь, А.В. Костин. - М.: МИИТ, 1998. – 91 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vagon dlja perevozki bituma model' 17-494 [Wagon for transportation of bitumen model 17-494] [Electronic resource] URL: https://vagon.by/model/17-494 (accessed: 19.04.2018). [in Russian]
2. Balalaev A. N. Issledovanie tverdotel'noj modeli kotla cisterny s kozhuhom iz vakuumnyh teploizoljacionnyh panelej [Investigation of solid-state model of a tank boiler with a casing made of vacuum heat-insulating panels] / A.N Balalaev, A.V. Zhebanov, M.A. Parenjuk and others // Vestnik transporta Povolzh'ja [Bulletin of transport of the Volga region]. – 2017. – № 3. – P. 21-31. [in Russian]
3. Pat 2571834 Russian Federation, MPK7 B61D17/18, B60P3/20, F16L59/065, E04B1/80. Vakuumnoe teploizoljacionnoe izdelie (varianty) [Vacuum thermal insulation product (versions)] / Balalaev A. N., Mokshanov A. S., Popov D. A.; the applicant and the patentee Samara State Transport University. – № 2013157470/11; appi. 12/24/13 publ. 12/20/15 Bul. Number 35. – 10 p. [in Russian]
4. Pat 2553629 Russian Federation, MPK7 F16L59/065. Sposob izgotovlenija vakuumnogo teploizoljacionnogo izdelija [Production of vacuum heat-insulating article] / Balalaev A. N., Mokshanov A. S., Popov D. A.; the applicant and the patentee Samara State Transport University. – № 2013153611/06; appi. 12/03/13 publ. 06/20/15 Bul. Number 17. – 8 p. [in Russian]
5. PA 66 - Poliamid 66 (Polyamide 66). [PA 66-polyamide 66] [Electronic resource] / APC Group Vysokotehnologichnye inzhenernye plastiki i izdelija iz nih [APC Group. High-tech engineering plastics and their products]. – URL: http://apc-group.ru/plastiki/pa-poliamid.html#pa6 (accessed: 19.04.2018) [in Russian]
6. Dvuhshnekovyj jekstruder. Tehnicheskie harakteristiki [Twin-screw extruder. Technical characteristic] [Electronic resource] / Novye tehnologii dlja sovremennogo biznesa [New technologies for modern business]. – URL: http://strplastik.ru/katalog_tovarov/dvЕkstrudery/_novye_tekhnologii_dlya_sovremennogo_biznesa/ (accessed: 19.04.2018). [in Russian]
7. Normy dlja rascheta i proektirovanija vagonov zheleznyh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamohodnyh). [Standards for calculation and design of cars of the railroads of MPs of a track of 1520 mm (not self-propelled)]. Approved by the Ministry of Railways of the Russian Federation, the Committee of the Russian Federation on mechanical engineering 22.02.1996. – M.: GosNII – VNIIZHT, 1996. - 86 p. [in Russian]
8. Perevozka bituma i drugih vjazkih neftesoderzhashhih veshhestv na zheleznodorozhnom transporte [Transportation of bitumen and other viscous oil-containing substances by rail] [Electronic resource] / GAZENERGOHIM. – URL: http://www.gazenergohim.ru/articles/40/ (accessed: 19.04.2018). [in Russian]
9. Fishbejn B.D. Zheleznodorozhnaja klimatologija: monografija [Railway climatology: monograph] / B. D. Fishbein, A. N. Balalaev, A. A. Bondarenko and others; edited by D. B. Fishbein. – Samara: Samara State Transport University, 2007. - 508 p. [in Russian]
10. Levental' L.Ja. Jenergetika refrizheratornyh i passazhirskih vagonov: uchebnoe posobie [Energy refrigerated and passenger cars: textbook] / L. Ya. Leventhal, A. V. Kostin. – Moscow: MIIT, 1998. – 91 p. [in Russian]