Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Науменко Сергей Николаевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПЕРЕВОЗОК
СКОРОПОРТЯЩИХСЯ ГРУЗОВ
Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва - 2008
Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Минаев Борис Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Венгер Клара Петровнаебедев Виталий Матвеевич
доктор технических наук
Мазурин Игорь Михайлович
доктор технических наук, профессор
Сидоров Юрий Павлович
Ведущая организация: Институт энергетических исследований РАН
Защита диссертации состоится л19 декабря 2008 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.08 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 15., ауд. 2516
Автореферат разослан л19 сентября 2008 г.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 218.005.08,
доктор технических наук, профессор ______________ Е.Ю. Логинова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Жизненный уровень населения во многом определяется состоянием продовольственного товарообмена, основным звеном которого является специализированный транспорт. Именно от качества применяемых транспортных средств и высокоорганизованных технологий перевозок в них скоропортящихся грузов (СПГ), главным образом, зависит продовольственная безопасность любой страны.
Беспрецедентная дальность перевозок, недостаточная развитость сети автомобильных дорог, климатические особенности, затрудняющие использование водного транспорта, сделали железную дорогу стратегическим перевозчиком продовольственных грузов.
На железнодорожном транспорте для этих целей сформирована специальная инфраструктура, техническая база которой опирается на сеть рефрижераторных вагонных депо, эксплуатационных участков и погрузочно-разгрузочных региональных центров, а также на заводы по ремонту изотермических вагонов, пункты экипировки рефрижераторного подвижного состава и пункты технического обслуживания автономных рефрижераторных вагонов (АРВ). Непосредственно для перевозки СПГ используются сложные энергетические системы, состоящие из одиночных вагонов-термосов и многовагонных комплексов, включающих в себя служебный вагон с дизель-электростанцией и несколько теплоизолированных грузовых вагонов, оснащенных холодильно-отопительным и вентиляционным оборудованием. Работа оборудования, а также элементов регулирования и автоматики, теснейшим образом связана с процессами, происходящими в грузовом помещении (изменение температуры груза, биологическое тепловыделение, образование инея и т.д.) и тепломассообменом через ограждающие конструкции.
Сегодня железнодорожный хладотранспорт ежегодно перевозит около 13 млн. т. пищевых и скоропортящихся грузов.
Вместе с тем в настоящее время все существующие на железнодорожном рынке перевозок скоропортящихся грузов специализированные транспортные средства (СТС) морально устарели и физически изношены. Несоответствие современным рыночным условиям, в первую очередь, из-за избыточности грузовместимости, приводит к тому, что часть традиционных для железных дорог объемов перевозок СПГ переходит на малотоннажный, но более дорогой в эксплуатации автомобильный транспорт с соответствующим увеличением стоимости доставляемых населению продуктов питания.
Оценка качества используемых для перевозок скоропортящихся грузов СТС общепринятыми в мире методами, обязательными для выполнения и Российской Федерацией, в силу их продолжительности, не вписывающихся в технологические процессы ремонта вагонов, не производится. Это приводит к снижению качества доставляемых населению продовольственных грузов при одновременном повышении износа энергетического оборудования СТС.
Начиная с 1993 года, прекращена поставка специализированных вагонов на сеть железных дорог и их совершенствование.
С 2000 года в соответствии с принятыми решениями стран-участниц Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, а впоследствии и с ратификацией Российской Федерацией в 2005 году Киотского протокола, специализированные вагоны перестали соответствовать и экологическим критериям, оказывая негативное влияние на окружающую среду.
Сложившаяся ситуация на железнодорожном рынке перевозок СПГ определила необходимость исследования и разработки ускоренных методов оценки качества СТС, повышения их экологической безопасности и эффективности работы, формирования новой постановки проблемы в этой области, связанной с разработкой и созданием малотоннажных контейнерных систем и совершенствованием в связи с этим железнодорожной инфраструктуры.
Цель диссертационной работы - разработка и исследование СТС для железнодорожных перевозок скоропортящихся грузов с учетом требований современной рыночной ситуации.
Задачи исследования, которые поставлены и решены в работе для достижения цели:
выполнен анализ конструктивных особенностей СТС, а также объемов и направлений перевозок в них скоропортящихся грузов по железным дорогам;
сформированы теплотехнические и экологические требования к СТС;
выполнен анализ применяющихся методов оценки теплотехнических свойств СТС, предназначенных для перевозок СПГ, и разработаны на их основе экспресс-методы;
разработаны способы повышения экологической безопасности и эффективности работы СТС с учетом современных международных требований по экологии и ресурсосбережению, а также действующей на железных дорогах системы технического обслуживания и ремонта;
разработаны основные технические положения концепции последовательного перехода на сети железных дорог к перевозкам СПГ в специализированных контейнерных комплексах;
разработаны и созданы СТС на базе крупнотоннажных изотермических и рефрижераторных контейнеров, отвечающих современной рыночной ситуации, теплотехническим и экологическим требованиям, а также условиям железнодорожной инфраструктуры;
проведен комплекс стационарных и эксплуатационных испытаний разработанных СТС, как в целом, так и отдельных узлов;
выполнена оценка технико-экономической эффективности от внедрения предложенных в работе технических и технологических решений.
Методы исследований. В диссертации применялись: методы математического и физического моделирования, общие принципы технической термодинамики и теории подобия, методы статистической обработки эмпирических данных.
Достоверность результатов сформулированных в диссертации теоретических положений, расчетов и экспериментальных данных подтверждается их совпадением, а также высокой согласованностью с общими результатами исследований, выполненных в разные годы ведущими причастными научными и производственными коллективами, такими как: ВНИИЖТ, ГосНИИВ, НИИАС, филиал ОАО Российские железные дороги - Рефсервис и другими организациями при стендовых испытаниях, испытаниях на экспериментальных полигонах и в условиях эксплуатации.
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных в диссертации, заключается в том, что:
разработаны новые экспресс-методы оценки качества предназначенных для перевозок скоропортящихся грузов СТС, впервые открывающие возможность их практического применения в действующих технологиях ремонта;
разработаны технологии по снижению вредного воздействия СТС на окружающую среду и повышению эффективности их работы при перевозке скоропортящихся грузов;
концептуально сформулированы основные технические положения новой постановки проблемы перевозок скоропортящихся грузов по железным дорогам с использованием энергетических систем на базе крупнотоннажных специализированных контейнерных комплексов;
впервые разработаны, изготовлены и адаптированы на сети железных дорог перспективные конструкции СТС, отвечающие современной рыночной ситуации, теплотехническим и экологическим требованиям, а также условиям железнодорожной инфраструктуры;
исследовано влияние технических и технологических решений, использованных при совершенствовании железнодорожной инфраструктуры, а также создании СТС на базе вагонных и контейнерных энергетических систем на их финансово-экономические и инвестиционные показатели.
Практическая значимость работы состоит в том, что новые экспресс-методы оценки качества предназначенных для перевозок скоропортящихся грузов СТС дали возможность рекомендовать их вагоноремонтным предприятиям для использования в технологических процессах;
новые технические решения и технологии повышения эффективности и экологической безопасности СТС, применяющихся для перевозок скоропортящихся грузов, позволили обеспечить их бесперебойную эксплуатацию и снижение вредного воздействия на окружающую среду вплоть до окончания срока службы;
технические положения новой постановки проблемы перевозок скоропортящихся грузов по железным дорогам с использованием СТС на базе специализированных контейнерных комплексов, отвечающих современной рыночной ситуации, теплотехническим и экологическим требованиям, а также условиям железнодорожной инфраструктуры, позволила начать их промышленное освоение предприятиями ОАО РЖД и модернизировать элементы инфраструктуры;
разработанные и созданные перспективные конструкции специализированных контейнерных комплексов дали возможность получения новых знаний, полезных, как для использования в учебном процессе высшей школы, так и для создания в дальнейшем СТС нового поколения.
Реализация работы.
Разработанные технические решения и технологии реализованы на сети железных дорог Российской Федерации и в ряде независимых государств.
Результаты исследования использованы:
1) в руководящих документах МПС России, ОАО РЖД и правительства Москвы:
программа создания и испытаний опытной партии отечественных крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа 1АА (МПС России, 1999 г.);
энергетическая стратегия ОАО РЖД на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г. (ОАО РЖД, 2003 г.);
актуализация энергетической стратегии ОАО РЖД на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г. (ОАО РЖД, 2008 г.);
целевая среднесрочная программа города Москвы Продовольственный холод 2004-2006 гг. (постановление правительства Москвы от 07.10.03 г. № 834-ПП).
2) в нормативно-методических документах:
технология перекачки, заправки и эксплуатации холодильного оборудования рефрижераторного подвижного состава, переведенного на оптимизированный состав хладагента С10М1 (Рефсервис МПС, 2003 г.);
3) в проектно-технологической документации:
паспорт Поезд контейнерный 17-ти вагонный (МПС России, 2000 г.);
система энергоснабжения 9-ти вагонного контейнерного поезда (ОАО РЖД, 2003 г.);
система управления рефрижераторного контейнера Квазар-2 (МПС России, 2002 г.);
теплоизолированный корпус изотермического отапливаемого контейнера типа СКР-5-40-1АА (МПС России, 2000 г.);
холодильно-отопительная установка типа РК-45 для рефрижераторного контейнера. ТУ 32 ЦВ-2483-99 (МПС России, 1999 г.);
отопительный агрегат холодильно-отопительной установки типа РК-45 для рефрижераторного контейнера. ТУ 32 ЦВ-2483-99 ДТУ (МПС России, 2000 г.);
электроснабжение крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа 1АА на станции Краснодар-Сортировочная (ОАО Кубаньэнергопроект, 2001 г.)
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались и были одобрены:
1) на международных научно-технических семинарах: Съвременните технологии в руския жп транспорт (Болгария, г.София, 2007 г.), Контейнеры и грузы (г.С-Петербург, 2003Ц2005 гг.), Современные технологии на железнодорожном транспорте России (Польша, г.Варшава, 2004 г.), Проблемы перехода сервисного обслуживания холодильной техники на озонобезопасные хладагенты (г.Москва, 1998 г.).
2) на всероссийских и международных научно-технических конференциях и сессиях: ВНИИЖТ - транспорту. Научные проблемы технического развития железнодорожного транспорта (г.Москва, ВНИИЖТ, 2008 г.), Объединенная научная сессия советов РАН по проблемам Тепловые режимы машин и аппаратов, Теплофизика и теплоэнергетика, Химико-физические проблемы энергетики (г.Москва, МИИТ, 2007г.), Экологическая безопасность и энергосбережение на транспорте (Белоруссия, г.Гомель, БеГУТ, 2006 г.), Инновации ОАО РЖД-2004 (г.Щербинка, Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, 2004 г.), Sasn problmy v koajovch vozidlch (Словакия, г.Жилина, 2003 г.), Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала (г.Москва, МИИТ, 2003г.), Охрана окружающей среды на транспорте и в промышленности (Белоруссия, г.Гомель, БеГУТ, 2001 г.), Экономия ТЭР на железных дорогах - текущие и перспективные задачи (г.Щербинка, Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, 2000 г.), Проблемы безопасности на транспорте (Белоруссия, г.Гомель, БеГУТ, 2000 г.), Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта (г.Москва, РГОТУПС, 2000 г.), Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении (г.Ростов на Дону, ДИИТ, 1998 г.).
3) на 59-, 60- и 62-й сессиях ЕЭК ООН комитета по внутреннему транспорту (Швейцария, г.Женева, 2003, 2004, 2006 гг.), на заседаниях межведомственной комиссии по охране озонового слоя (г.Москва, Госкомэкология России, 1996Ц2000 гг.).
4) на расширенных заседаниях кафедры Теплоэнергетика железнодорожного транспорта (г.Москва, МИИТ, 2006Ц2008 гг.), на научно-технических совещаниях комплексных отделений Тяга поездов и экономия топливно-энергетических ресурсов и Вагоны и вагонное хозяйство (г.Москва, ФГУП ВНИИЖТ МПС России, 1996Ц2007 гг.) и отделения Электрификация и энергоснабжение железных дорог (г.Москва, ОАО ВНИИЖТ 2007Ц2008 гг.).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 51 печатной работе, включая 18 патентов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и предложений, списка литературы из 142 наименований и приложений. Работа изложена на 260 с., проиллюстрировано 51 рис. и 48 табл. Приложения на 200 с.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы, определены направления исследований.
В первой главе изложены современные теплотехнические и экологические требования к СТС, используемых для перевозок скоропортящихся грузов; дан анализ сложившейся на железных дорогах России структуры специализированных транспортных средств и перевозок в них СПГ; представлены конструктивные особенности СТС и их соответствие современной рыночной ситуации, теплотехническим, экологическим требованиям и условиям железнодорожной инфраструктуры; сформулированы цели и задачи исследований.
Вопросам разработки СТС и перевозок в них скоропортящихся грузов посвящены работы д.т.н.: В.М. Алексенко, Е.Т. Бартоша, Н.Н. Ибрагимова, И.М. Калниня, Б.Н. Минаева, В.К. Мироненко, М.Н. Тертерова и др.; к.т.н. О.А. Ворона, В.П. Гольцева, И.П. Екимовского, К.В. Иванова, Л.Я. Левенталя, Н.Е. Лысенко, В.И. Смыслова, В.И. Панферова, В.Н. Панферова, Н.С. Теймуразова и др.
Ключевыми теплотехническими и экологическими требованиями к СТС, предназначенным для перевозок скоропортящихся грузов сегодня являются требования, сформулированные в Соглашении о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок (СПС). В соответствии с уровнем развития специализированной транспортной техники и появляющимися на рынке новыми технологиями перевозок СПГ, изложенные в СПС требования ежегодно корректируются на заседаниях комитета по внутреннему транспорту европейской экономической комиссии при организации объединенных наций (ЕЭК ООН).
По состоянию на 2008 год, сторонами СПС, действующего с 1970 года, являются 40 стран мира, включая США и Россию. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 08.06.01 года №788-р требования СПС обязательны для выполнения при допуске специализированных транспортных средств к перевозкам скоропортящихся грузов.
Согласно СПС все специализированные транспортные средства должны проходить контроль перед сдачей их в эксплуатацию, а также периодически, не реже чем один раз в шесть лет на соответствие следующим основным критериям:
качество теплотехнических свойств кузова, характеризуемое, главным образом, величиной коэффициента теплопередачи - К (Вт/м2 К) (для допуска к перевозке пищевых продовольственных продуктов К кузовов СТС, оснащенных энергетическим оборудованием, не должен превышать значения 0,4 Вт/м2 К и быть не выше 0,7 Вт/м2 К - у кузовов СТС, не имеющих энергетического оборудования);
эффективность работы холодильно-отопительных установок (ХОУ) и обязательное наличие в них экологически безопасных хладагентов с минимальными значениями потенциалов: ODP (истощения озонового слоя относительно R11) и GWP (глобального потепления относительно СО2) (актуальность этих критериев возросла после 2000г., с момента закрытия в стране промышленных предприятий по выпуску хладона 12 (R12) в соответствии с решениями стран-участниц Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, а впоследствии и с ратификацией Российской Федерацией в 2005 году Киотского протокола).
Действовавшее в СССР государственное планирование поставок продовольственных грузов и система централизованного снабжения крупных городов и промышленных районов продуктами питания определили железнодорожную структуру СТС в пользу группового рефрижераторного подвижного состава (ГРПС) с долей 94%.
Это 5-ти вагонные рефрижераторные секции типа ЦБ и БМЗ, состоящие из вагона с дизель-электростанцией и обслуживающей бригадой, а также четырех грузовых вагонов, оснащенных ХОУ, системой воздухораздачи и элементами регулирования и автоматики, общей грузоподъемностью в зависимости от типа секции от 184 до 200 т.
После раздела в 1994 г. вагонного парка с бывшими союзными республиками доля ГРПС составила 83%, оставшаяся часть пришлась на автономные рефрижераторные вагоны (АРВ) и вагоны-термосы грузоподъемностью от 42 до 60 т.
В 90-х г.х прошлого века рыночные отношения в короткий срок изменили весовую структуру перевозок скоропортящихся грузов. Вместо отправок СПГ крупными партиями - до 200 т. - стали востребованы отправки массой около 25 тонн.
Для повышения эффективности использования парка с 1997 г. большая часть грузовых вагонов ГРПС, а также АРВ путем демонтажа ХОУ переоборудуется в одиночные вагоны для перевозки грузов в режиме термос (ИВ-термосы). Частные компании-операторы используют для этих целей также крытые вагоны, утепляемые по имеющимся технологиям. В результате в эксплуатационном парке ОАО РЖД доля ГРПС и вагонов-термосов стала составлять 36 и 64% соответственно. Структура АРВ в силу нерентабельности упразднена.
В связи с произошедшими изменениями общий объем перевозок СПГ начал стабильно увеличиваться, главным образом, за счет привлечения термосопригодных грузов: соков, пива, вина, минеральной воды, безалкогольных напитков.
Напротив, доля перевозок СПГ, требующих вентилирования, таких как фрукты, овощи, а также охлаждения или отопления - рыба, мясо при дальних перевозках, существенно уменьшилась, что можно видеть из представленных в табл. 1 данных.
| Таблица 1 Структура перевозок СПГ в специализированном подвижном составе ОАО РЖД
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
По экспертным оценкам сегодня доля СТС в железнодорожном парке достаточна для удовлетворения потребностей населения в перевозках СПГ.
В то же время следует отметить, что существующие на железных дорогах специализированные транспортные средства уже морально и физически устарели и в ближайшее время не смогут в полной мере удовлетворить эти потребности.
Средний возраст вагонов, построенных еще во времена СССР, составляет более 20 лет. В зависимости от года выпуска ежегодное их выбытие по сроку службы определяется в среднем тысячью единиц. Пополнение эксплуатационного парка новыми вагонами прекращено в 1993 году. Вагоностроительные заводы Германии и России, ранее выпускавшие специализированный подвижной состав для МПС, в настоящее время перепрофилированы. Как показали исследования, сложившаяся ситуация способна привести к практически полной утрате специализированных транспортных средств в ближайшие пять лет!
Между тем, представляется очевидным, что качество перевозимых СПГ в значительной степени определяется возможностями термоизоляции кузова и способностью холодильно-отопительных установок СТС поддерживать необходимый температурный режим. Проверка соответствия параметров ХОУ требуемым значениям выполняется регулярно в соответствии с правилами плановых ремонтов этого оборудования. Проверка же теплоизоляционных свойств кузовов вагонов, как правило, отсутствует. Из-за большой длительности (несколько суток) испытаний по определению коэффициента теплопередачи эти работы не вписываются в технологический цикл плановых ремонтов. Поэтому коэффициент К определялся выборочно даже на заводах-изготовителях специализированных вагонов. При отлаженной технологии заводского изготовления вагонов эта вынужденная мера не приводила к ощутимым отрицательным результатам. Однако, как было показано выше, существует практика использования для перевозок продовольственных грузов ИВ-термосов, переоборудованных из старых рефрижераторных вагонов, утепленных крытых вагонов и пр. В этом случае выборочное определение К не может служить приемлемым методом контроля даже при отлаженной технологии переоборудования вагонов, так как реконструкции подвергаются вагоны с различными, заведомо неизвестными теплотехническими параметрами. Это значит, что необходим контроль коэффициента К каждого переоборудованного вагона (сплошной контроль).
Положение усугубляется и тем обстоятельством, что в стране исчерпаны запасы хладона 12, являющегося базовым хладагентом в холодильно-отопительных установках ГРПС. Необходимость пополнения ХОУ указанным хладоном вынуждает собственников подвижного состава использовать для этого контрафактные продукты, нелегально поставляемые в Российскую Федерацию из стран с переходной экономикой. Применение в холодильном оборудовании ГРПС хладагентов сомнительного качества негативно отражается на его работе.
Таким образом, сегодня по железным дорогам перевозятся СПГ как в неспециализированном подвижном составе, так и в специализированном, срок службы которого подходит к концу. Находящиеся в эксплуатации вагоны не соответствуют современным экологическим требованиям, а качество изотермических свойств их кузовов не определяется, прежде всего, из-за отсутствия экспресс-методов определения коэффициента теплоперадачи.
Во второй главе дана характеристика коэффициента теплопередачи (К), как показателя при определении качества СТС в соответствии с международными соглашениями, выполнена оценка точности определения величины К по признанному в мире равновесному методу, исследованы способы определения К с помощью известных неравновесных методов, на основе которых разработаны и апробированы экспресс-методы определения коэффициента теплопередачи по процессам нагрева и остывания кузова СТС.
В соответствии с международным соглашением (СПС) под коэффициентом теплопередачи кузова СТС понимают приведенный коэффициент теплопередачи, оценивающий суммарный тепломассообмен груза и воздуха в грузовом помещении СТС с внешней средой. Тем самым, эту величину рассматривают как произведение истинного (преимущественно кондуктивного) коэффициента теплопередачи К на коэффициент инфильтрации , учитывающий увеличение теплообмена в связи с переносом тепла инфильтрирующими массами воздуха.
За основной метод определения К принимается метод внутреннего подогрева с выходом системы на равновесный тепловой режим.
Сущность этого метода состоит в следующем.
В грузовом помещении устанавливают электрические нагреватели, мощность и, следовательно, тепловыделение которых постоянно измеряют. По мере подвода тепла температура Тi в кузове СТС повышается до некоторого сравнительно стабильного (равновесного) значения. При достижении этого режима фиксируются внутренняя и наружная Те температуры воздуха и мощность Р теплового источника. Определение величины Кпр производится по формуле:
(1)
где Р - тепловая мощность, принимаемая постоянной на участке равновесного режима;
- разность температур внутри и снаружи j-го элемента ограждения;
Hj - средняя площадь поверхности j-го элемента ограждения;
- разность осредненных внутренней и наружной температур;
- среднегеометрическая площадь поверхности ограждения.
В соответствии с СПС применение равновесного метода предполагает проведение испытаний в специальных испытательных станциях, температура и влажность в которых максимально возможно стабилизируются в период опыта. Специальными устройствами поддерживается практически на постоянном уровне и мощность источников тепла. Для определения К выбираются два расчетных трехчасовых периода в начале и в конце двенадцатичасового промежутка с примерно постоянной температурой внутри кузова СТС. Величины коэффициентов теплопередачи, полученные в эти трехчасовые периоды, не должны отличаться между собой более чем на 3%.
Для определения погрешности измерений обычно используется метод общей допустимой погрешности:
= (2)
или абсолютной погрешности:
еm= (3)
где: | Н, Р и Т | - | соответственно погрешности измерения величин Н, Р и Т. |
Поскольку к настоящему времени в Российской Федерации не зарегистрировано ни одной испытательной станции для железнодорожных СТС, результаты испытаний по определению К на которой официально могли бы быть признаны странами - участницами СПС, была выполнена оценка погрешности измерений при испытании рефрижераторных вагонов вне станции, а именно на путях отапливаемого в зимнее время цеха по методике СПС.
В результате абсолютная погрешность эксперимента составила 3,11%, а общая допустимая 1,91%, что на 0,11 и 0,21 соответственно превышают заданные СПС значения. Превышение погрешностей эксперимента по отношению к требованиям СПС, составляет десятые доли процента, что может считаться вполне приемлемым для практической оценки теплотехнических свойств СТС.
Вместе с тем, опыты по определению К равновесным методом длительны, трудоемки и связаны со значительными простоями испытуемого транспортного средства. Только непосредственно эксперимент продолжается порядка 72 часов.
В связи с этим, ранее предпринимались многочисленные попытки определения К при помощи менее длительных неравновесных методов, основанных на исключении из программы испытаний периода установившегося стационарного режима теплопередачи.
Однако до настоящего времени они не получили широкого внедрения, главным образом, из-за значительных погрешностей при проведении опытов и обработке их результатов. После выделения в 1997 году из состава МПС России специализированного предприятия Рефсервис и передачи ему федерального парка рефрижераторных вагонов и вагонов-термосов, для этого предприятия актуальность оценки теплотехнических свойств собственных вагонов уменьшилась. На первое место вышли финансовые показатели работы парка. Тем не менее, в те годы были разработаны два нестационарных метода, один из которых даже был внедрен на вагоноремонтном заводе.
На рис. 1 показаны в сопоставлении графики изменений во времени перепада температур воздуха внутри и снаружи кузова СТС при реализации вышеупомянутых методов 1 и 2. Суть первого заключается в нагреве воздуха внутри кузова СТС при помощи источника тепла, мощность которого измеряют в процессе нагрева до установления некоторого регулярного режима теплопередачи, характеризуемого постоянством изменения температур. Затем в отключении в этот момент источника тепла, регистрации перепада температур воздуха внутри и снаружи кузова СТС в процессе его естественного остывания, и в стадии режима, регулярного по темпу охлаждения, определении установившегося значения перепада температур и расчете на основании его коэффициента теплопередачи. К недостаткам метода можно отнести необходимость достижения регулярного режима теплопередачи, что соответственно приводит к достаточно большим затратам времени и энергии. Кроме того, весьма сложным является точное определение момента установления стационарного режима теплопередачи, что также затрудняет реализацию метода.
Рис. 1 Графики нагрева и охлаждения воздуха в кузове ЖЭС
Второй метод, реализованный на вагоноремонтном заводе, основан на том обстоятельстве, что процессы нагрева и остывания воздуха в кузове СТС состоят каждый из двух стадий - нерегулярного и регулярного режима, которые отличаются друг от друга характером изменения темпа нагрева (остывания).
На регулярных участках изменение темпа перепада температур происходит в соответствии с известным дифференциальным уравнением теплового баланса вида:
(4)
где: | - | темп изменения перепада температур; | |
W | - | водяной эквивалент кузова СТС |
В связи с тем, что W и КН являются физическими константами кузова, уравнение (4) в координатах - представляет собой уравнение прямой.
Вместе с тем при разработке метода было определено, что в начальный, нерегулярный период нагрева или остывания вследствие наличия тепловой инерции кузова характер изменения отклоняется от установленного уравнением (4). Это изменение происходит в соответствии с уравнением типа:
, (5)
где А и В - постоянные коэффициенты
Переход от нерегулярного режима к регулярному происходит в точке касания прямой вида (4) и кривой вида (5). Решение уравнений вида (5) для этапов нагревания и остывания совместно с уравнениями касательных к этим кривым вида (4), характеризующих стадию регулярного по темпу изменения перепада температуры режима, дало возможность исследователям после ряда преобразований получить выражение для определения коэффициента теплопередачи, в котором К является функцией параметров А и В нестационарных участков нагрева и остывания и при использовании которого не требуется достижения как регулярного, так и стационарного по темпу нагрева или остывания режимов теплопередачи.
Оценка точности определения К описанным выше методом выполнена путем сравнения величин К, полученных для одних и тех же рефрижераторных вагонов в равновесном режиме и экспресс-методом. Как показали результаты обработки опытных данных, разности значений К, полученных по равновесному и экспресс- методу не превышают максимальной погрешности +10%, установленной СПС для методов определения К путем внутреннего охлаждения, но уступают по точности методам определения К путем внутреннего обогрева (+5%).
По-существу, рассмотренные выше экспресс-методы действительно позволяют значительно сократить длительность процесса определения К, относительно продолжительности по равновесному методу, но не дают достаточной точности результатов из-за разобщенности нерегулярных и регулярных процессов.
Повышение точности получаемых результатов, а также уменьшение трудоемкости аппроксимации опытных кривых может быть достигнуто следующим образом.
Известно, что регулярным режимом процесса теплопроводности называют точное соответствие изменения температурного перепада экспоненциальной функции от температуры. Этот процесс характеризуется линейной зависимостью натурального логарифма разности температур от времени. Как показали специальные исследования, реальные процессы нагрева и охлаждения не содержат крупномасштабных участков регулярных режимов. Поэтому, сущность предлагаемого метода состоит в том, чтобы на опытных данных последовательного нагрева и охлаждения выбрать участки, наиболее близкие к регулярному режиму и совместно их использовать для определения искомого коэффициента теплопередачи.
Процесс нагрева следует осуществлять мощностью 5Е7 кВт в течение 10-12 часов, в зависимости от величины поверхности нагрева ограждения. Далее мощность снижается до 2Е3 кВт и остывание системы длится также 10-12 часов. Каждый час производятся измерения не менее 12 точек температуры внутри и снаружи транспортной системы (в соответствии с СПС) и вычисляется разность температур .
Предлагаемый метод поясняется графическим изображением. На рис. 2 представлены графики процесса нагрева и охлаждения в виде кривых экспоненциальной функции и регулярных прямых в полулогарифмических координатах ln - . Здесь: - характеристика отклонения реального процесса от регулярного; = ti-te - разность температур внутри и снаружи СТС; - отсчет времени.
Интервалы исследуемых процессов были выбраны по 4 часа, с тем, чтобы располагать опытным значением n в среднем времени интервала. Для выбора расчетных участков воспользуемся следующими значениями: среднего значения n, как полусуммы при регулярном режиме:
n = (n1 + n2), (6)
и опытного значения n при среднем времени интервала n/2.
Рис. 2 Графическое изображение сущности предлагаемого метода
Тогда:
= (n1 + n2) - n/2 = n - n/2 (7)
Для формирования уравнений регулярного режима на выбранных участках используем дифференциальное уравнение теплового баланса, принимая неизменными величину коэффициента теплопередачи К и водяного эквивалента системы W.
В процессе нагрева тепловой баланс характеризуется тем, что подведенная мощность - Рн (н - индекс нагрева) расходуется на повышение энтальпии системы и на передачу тепла окружающей среде:
Рнd=Wd + KHd; (8)
Условие линейности регулярного режима:
= (- КH) ; (9)
где = - средняя геометрическая температура интервала (i - индекс времени начала интервала нагрева).
Заменяя = dn и интегрируя, получим:
n - n = (- КH) ; (10)
Процесс остывания характеризуется тем, что значительно уменьшенная мощность нагрева и возврат тепла системой расходуются на теплопередачу окружающей среде:
Pоdо+Wdо= КHоdо (11)
Преобразуя, как и ранее, и интегрируя, имеем (j - индекс, относящийся к интервалу остывания):
nо j - n о,j+4 = (КН - ); (12)
где
=
Решая совместно интегральные уравнения регулярных режимов, получаем искомое выражение для определения коэффициента теплопередачи ().
К = ; (13)
и
, (14)
где:
Ц | отношение разности натуральных логарифмов значений температурных напоров на границах выбранного участка нагрева к аналогичной разности для участка остывания; |
Результаты расчета, представленные в табл. 2, показывают высокую точность определения К по сравнению с равновесным методом.
Таблица 2
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных
№ опыта | Значение К по равновесному методу | Значение К по предложенному методу | , % |
1 | 0,531 | 0,5299 | 0,2 |
2 | 0,423 | 0,4302 | -1,7 |
3 | 0,472 | 0,4765 | -1,0 |
4 | 0,569 | 0,5885 | -3,4 |
5 | 0,452 | 0,4701 | -4,0 |
6 | 0,562 | 0,5785 | -2,9 |
Кроме представленного экспресс-метода, также разработан метод, позволяющий еще более снизить длительность испытаний: с 24 часов до 8Е12 часов за счет упразднения процесса остывания воздуха в кузове вагона.
Упразднение процесса остывания по предлагаемому методу достигается за счет того, что найдена возможность один и тот же процесс нагрева воздуха в кузове СТС, соответствующий нагреву по вышеупомянутому экспресс-методу, дважды аппроксимировать двумя разными уравнениями типа:
, (15)
которые с точки зрения конечного результата адекватно заменяют участки нерегулярного нагрева и остывания. Совместное решение уравнений предлагаемых двух аппроксимаций нерегулярного участка нагрева и касательной вида (4) к этим кривым, соответствующей стадии регулярного режима нагрева, после некоторых преобразований позволяет получить зависимость искомого коэффициента теплопередачи К от параметров А и В уравнений, аппроксимирующих нерегулярный участок нагрева воздуха в кузове транспортного средства:
, (16)
где Ап, Вп, Ау, Ву - константы аппроксимирующих уравнений;
п, у - индексы, соответствующие полному и усеченному рядам аппроксимируемых значений времени и перепадов температур.
Таким образом, использование разработанных экспресс-методов для определения коэффициента теплопередачи СТС позволяет существенно (в разы) по сравнению с равновесным методом сократить время проведения испытаний, увеличив тем самым производительность испытательных станций.
В третьей главе представлен способ повышения экологической безопасности СТС, выполнен анализ развития производственных мощностей имеющихся на рынке холодильных агентов, научно обоснован выбор озоносберегающего аналога хладону 12 для оборудования СТС, проведено моделирование работы установок СТС на выбранном хладагенте, разработаны технологии повышения экологической безопасности и энергосбережения при эксплуатации СТС, связанные с заменой штатного хладагента и его последующим обогащением поверхностно-активными веществами, представлены результаты экспериментальных, стендовых и эксплуатационных испытаний СТС.
В соответствии с требованиями СПС эксплуатируемое на сети железных дорог рефрижераторное транспортное средство должно содержать эффективную ХОУ, выполненную в экологически безопасном варианте. Несоблюдение этого условия резко снижает конкурентоспособность СТС на рынке перевозок скоропортящихся грузов, ограничивая их перемещение, особенно, в международных транспортных коридорах.
Наиболее оптимальным и экономически оправданным техническим решением повышения экологической безопасности СТС является замена в ХОУ рефрижераторных вагонов штатного рабочего вещества озонобезопасным аналогом.
Новый хладагент должен удовлетворять современным экологическим требованиям и выпускаться в промышленных объемах предприятиями Российской Федерации. Время выхода на заданный температурный режим при его использовании в ХОУ должно быть сопоставимо со временем при работе оборудования на штатном хладоне. Технология его замены в ХОУ и порядок работы с ним в период эксплуатации рефрижераторного подвижного состава должны, по возможности, мало отличаться от штатной технологии и порядка работы с хладоном 12.
Анализ развития производственных мощностей, выпускающих хладоны в России, а также существующих зарубежных и отечественных альтернатив хладону 12, позволил выбрать в качестве аналога - смесевой хладон R22/142b, а впоследствии R22/142b/21, условно названный С10М.
На основе имеющихся данных о термодинамических свойствах смесевых хладонов был смоделирован процесс работы ХОУ. Полученные результаты представлены на рис. 3 в виде сравнительных характеристик удельной объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента при работе установки на смеси и R12, в зависимости от массового содержания компонентов.
Из рис. видно, что уменьшение количества хладона 21 в смеси приводит к увеличению ее объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента цикла. Вместе с тем, кривые объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента цикла имеют градиенты изменения с разным знаком, и оптимальное количество хладона 22 лежит в пределах 60 ÷ 70 масс. %.
С учетом имеющихся конструктивных ограничений по применению смесевых композиций в холодильном оборудовании ГРПС были выделены хладагенты составов 65/30/5 и 65/25/10 как наиболее оптимальные.
Однако расчетным путем можно оценить лишь базовые физико-химические и термодинамические свойства композиций, но на основании этих данных трудно прогнозировать их эксплуатационные характеристики.
а) |
б) |
Рис. 3 Отношение удельной объемной холодопроизводительности (а) и холодильного коэффициента (б) на хладоне С10М и R12 |
Для выявления особенностей работы холодильного оборудования ГРПС на выбранных композициях был выполнен комплекс стационарных и эксплуатационных испытаний. Испытания проводились на стационарных стендах рефрижераторного вагонного депо Предпортовая Октябрьской железной дороги и научно-испытательного центра ВНИИЖТ.
Целью стендовых испытаний являлась оценка сравнительной эффективности работы установок на хладоне 12 и на смесевых хладагентах, моделирование возможных процессов разгерметизации оборудования СТС при их эксплуатации по железным дорогам, а также изучение других ключевых эксплуатационных характеристик и их влияние на работу холодильной системы ГРПС.
В процессе проведения испытаний установлено критическое значение доли R21 в смеси, ограниченное 10% по массе; при его превышении машина начинает работать на влажном паре.
По результатам испытаний сделан вывод о том, что существует узкая область составов, которые могут быть рекомендованы к использованию в качестве хладагента взамен R12 в холодильном оборудовании рефрижераторных вагонов.
Для исследования вопросов, связанных с изменением состава смесевого хладагента при утечках, их влияния на технические характеристики при работе холодильной машины, а также возможностей перехода смесей R22/142b, С10М в класс горючих веществ, проводилось имитационное моделирование утечек смесевых хладагентов из различных узлов холодильной машины ГРПС. Имитация утечек проводилась как по жидкой, так и по газовой фазе в количестве до 20 % от паспортной массы заправки. В процессе испытаний было выявлено, что утечки хладагентов по жидкой фазе не оказывают влияния на перераспределение компонентов в смеси. При утечке бинарных смесей по газовой фазе, происходит значительное перераспределение компонентов, угрожающее опасностью перехода композиции в класс горючих веществ (рис. 4а), при потере массы хладагентов группы С10М по газовой фазе наблюдается незначительное перераспределение крайних составляющих R22 и R21, а содержание R142b меняется менее существенно, как это видно из рис. 4б.
а) | б) |
Рис. 4 Изменение компонентов в смеси при сбросе и дозаправках а) смесь типа R22/142b; б) смесь типа С10М | |
Полученные результаты испытаний показали, что при потере из установок до 20 % массы хладагентов группы С10М для пополнения системы хладагентом можно использовать смесь исходного состава.
Таким образом, на основании полученных результатов испытаний, смесь типа С10М состава 65/30/5, названная С10М1, была определена как оптимальная.
Результаты испытаний определили близкие к R12 значения давлений всасывания (Рвс.) и несколько превышающие - до 1,7 МПа значения давлений конденсации (Рк.), что допускается пределами прочности вагонных холодильных систем.
При работе установок ГРПС на смесевом хладагенте С10М1 для стандартных условий получены основные показатели их работы, приведенные в табл. 3.
Как видно из таблицы, работа установок ГРПС на хладагенте С10М1 более эффективна по холодопроизводительности. При работе на смеси С10М1 холодильный коэффициент установки ВР-1М в среднем на 6,6% больше, чем у машины типа ФАЛ, что объясняется наличием регенеративного теплообменника в системе.
Таблица 3
Показатели работы установок ГРПС на хладагенте С10М1
при стандартных условиях
Относительные параметры работы установки на смеси С10М1 в сравнении с R12 | Тип холодильно-отопительной установки | |
ВР-1М | ФАЛ | |
Холодопроизводительность, Qo Холодильный коэффициент, Е Давление кипения, Ро Давление конденсации, Рк | 1,09 1,06 1,00 1,20 | 1,03 0,99 0,90 1,20 |
Опытные холодильные машины, экипированные хладагентом С10М1, после проведения стационарных испытаний устанавливались на рефрижераторные вагоны и направлялись в рядовую эксплуатацию. За трехлетний период эксплуатации с общей наработкой более 11000 моточасов опытные агрегаты показали устойчивую и надежную работу.
Существовало опасение, что при длительной эксплуатации оборудования на смесях, основным компонентом которых является R22, более высокая температура газа на выходе из компрессора, по сравнению с таковой при его работе на хладоне 12, может снизить термическую стабильность масла. Это, в свою очередь, отразилось бы на ухудшении растворимости хладагента в масле, что, в конечном итоге, могло привести к загрязнению компрессора фракциями масла и к последующему его заклиниванию. Ежегодный анализ проб масла из ХОУ опытных рефрижераторных секций в процессе эксплуатации, показал удовлетворительную термическую устойчивость.
Таким образом, проведенные на сети железных дорог эксплуатационные испытания опытных установок CТС, подтвердили стабильность их работы на выбранном хладагенте.
В целом выполненные работы позволили выбрать, экспериментально исследовать и разработать технологию повышения экологической безопасности СТС на основе замены R12 более эффективным смесевым хладагентом С10М1 (65/30/5).
Вместе с тем, в соответствии с ратификацией Российской Федерацией в 2005 году Киотского протокола, работа СТС должна была стать не только экологически, но и энергоэффективной.
Результатом исследований в этом направлении явилась разработка технологии энергосбережения, основанной на обогащении применяемых в ГРПС хладагентов специальным модификатором, условно названным LE. В качестве модификатора использованы производные изобутана с различными галогенсодержащими органическими заместителями, нонаэфиры метантрикарбоновой кислоты несимметричной структуры, или смесь этих соединений в эффективном количестве.
Модификатор LE представляет собой особую группу присадок, содержащих поляризованные молекулы, которые имеют сильное химическое сродство с молекулами металла и покрывают внутренние металлические поверхности холодильной установки при движении хладагента по контуру холодильной системы мономолекулярным слоем, особенно на участках поверхности, отличающихся электронной неоднородностью. Образуемый слой не только улучшает смазку подвижных деталей компрессора, но и ликвидирует отложение масла на внутренних поверхностях испарителя, где оно частично накапливается в процессе эксплуатации ХОУ.
На рис. 5 схематично изображено поведение молекул поляризованных присадок в пристеночной зоне металлической поверхности. Растворенный в хладагенте модификатор LE при циркуляции масло-хладоновой смеси по системе бомбардирует в теплообменных аппаратах внутренние поверхности трубопроводов с осевшим на них маслом. При этом молекулы масла лотрываются, увлекаясь общим потоком масло-хладоновой смеси, и благодаря образуемому мономолекулярному слою, существенно повышается коэффициент теплоотдачи установки.
а)
б)
Рис. 5 Механизм энергосбережения
а) Слой масла на поверхности теплообменника затрудняет теплообмен
б) Молекулы присадки вытесняют молекулы масла из поверхностного слоя
Для выявления энергосберегающего эффекта изначально был проведен комплекс экспериментальных работ по использованию обогащенных модификаторами хладагентов в бытовой холодильной технике.
На первом этапе работы проведена экспериментальная оценка воздействия модификатора LE на R12 как моновещество. Эксперименты были проведены на разных марках бытовых холодильников. Установлено, что добавка в хладагент модификатора позволяет значительно уменьшить энергопотребление холодильного агрегата.
На следующем этапе работы испытывались холодильные шкафы, экипированные смесевым хладагентом марки С10М (65/20/15). Эксперименты проводились последовательно: на чистом хладагенте марки С10М и с добавлением в него модификатора. При этом обогащенный хладон получил название М1LE.
В результате были получены энергетические характеристики работы установок на хладагенте М1LE по отношению к хладону С10М.
Результаты экспериментов показали снижение энергопотребления бытовых холодильников на 6 ÷ 8% по сравнению с применением обычных хладагентов.
Было установлено, что для создания равномерного слоя модификатора LE на поверхностях теплообменников необходимо от одной до двух недель. За это время молекулы, проникая внутрь поверхности металла, вытесняют из поверхностного слоя масло и различные загрязняющие отложения. Поэтому после введения хладагентов, обогащенных модификатором LE, в уже эксплуатирующуюся систему, особенно в том случае, если она работала много лет, обнаруживалось быстрое загрязнение фильтров системы указанными отложениями.
Как показали исследования, оптимальное количество модификатора LE, введенное в экспериментальную холодильную установку, соответствует 0,05 % от массы хладагента.
Следующим этапом явилось проведение комплексных испытаний рефрижераторных вагонов.
Перед отправкой экспериментальных секций в рейс бригадам выдавались: программа испытаний, рабочие журналы, а также проводился инструктаж по их ведению. Указанные документы соответствовали программе и рабочим журналам, выдаваемым при проведении испытаний с хладагентом С10М1.
Всего в эксперименте участвовало две рефрижераторные секции типа ЦБ и БМЗ.
В течение 2 месяцев в рефрижераторном вагонном депо Подмосковная Московской железной дороги проведились стационарные испытания работы ХОУ при средней наружной температуре 32 оС. Опытные установки работали в прогнозируемом для работы на смесях типа С10М1 режиме.
Затем в течение 6 месяцев велась подконтрольная эксплуатация опытных рефрижераторных секций.
За время эксплуатации были перевезены грузы, температурный режим перевозки которых позволял проверить работу ХОУ на всех имеющихся режимах: -17 -20 оС; -9 -12 оС, 2 5 оС, 11 13 оС.
Вместе с тем, в период проведения эксплуатационных испытаний зафиксированы выходы из строя части соленоидных вентилей при их работе в режиме Оттаивание. Причем отказы были зафиксированы не только при эксплуатации ХОУ на хладонах С10М1 и M1LE, но и при их работе на R12.
В связи с этим, в течение года проведены работы по выявлению причин отказов с устранением их дальнейшего проявления.
По результатам выполненных исследований обнаружены технологические нарушения изготовления резиновых мембран, расположенных в соленоидных вентилях. Анализ причин отказов и разработка новых технических решений, а также замена штатных соленоидных вентилей современными позволили устранить отказы в процессе эксплуатации рефрижераторного подвижного состава. Разработанные технические решения защищены патентами Российской Федерации.
Начиная с 2003 г. весь рефрижераторный вагонный парк ОАО РЖД практически переведен на смесевые хладоны.
Таким образом, применение разработанных технологий повышения экологической безопасности и энергосбережения СТС значительно повысили конкурентоспособность ГРПС на рынке перевозок скоропортящихся грузов.
В четвертой главе научно обоснованы основные технические положения концепции перехода к железнодорожным перевозкам СПГ в специализированных контейнерных комплексах, выполнен анализ соответствия железнодорожной инфраструктуры осуществлению перевозок СПГ в термоизолированных контейнерах, предложены новые технологии перевозок СПГ и перспективный типоряд контейнерных СТС, разработаны варианты исполнения специализированных контейнеров и систем энергоснабжения в составе контейнерных энергетических комплексов, а также на контейнерных площадках.
Несоответствие специализированного вагонного парка требованиям современной рыночной ситуации и, связанная с этим, острая потребность в малотоннажных транспортных средствах, способных осуществлять быструю поставку СПГ по технологии лот двери до двери привели к необходимости рассмотрения вопроса о применении для перевозок СПГ по железным дорогам специализированных контейнеров.
В Федеральной целевой программе Модернизация транспортной системы России на 2002-2010 годы, перед железнодорожным транспортом поставлена задача - Еохватить контейнерными перевозками традиционные рода грузов и существенно расширить номенклатуру грузов, перевозимых в контейнерах, за счет опасных, скоропортящихся и прочих.
В связи с этим в последние годы отдельные частные компании начали стихийно осваивать способ перевозки СПГ в крупнотоннажных рефрижераторных контейнерах (КРК) грузоподъемностью 24-30 т.
В силу того, что в нашей стране КРК никогда не производились, их приобретают за рубежом, как правило, у морских перевозчиков. Из-за относительно высокой стоимости ($ 18-25 тыс.) контейнеры покупают на вторичном рынке по относительно низким ценам ($ 3-8 тыс.), с предельными или близкими к ним сроками службы. Теплоизоляция и холодильно-отопительные установки таких КРК изношены. Не приспособленные к динамическим нагрузкам, действующим на российских железных дорогах, и к перепаду внешних температур КРК быстро выходят из строя. Тем не менее, после двух-трех поездок контейнеры себя полностью окупают, в связи с чем объемы контейнерных перевозок СПГ за последние годы увеличились. Так, в 2006 году было перевезено 235,6 тыс. т., в том числе во внутреннем сообщении 205,7 тыс. т. СПГ. В 2007 году объем перевозок СПГ составил 280 тыс. т., что на 19% выше уровня 2006 года.
Сегодня отработана только одна технология перевозок КРК - на сцепах из 10-12 фитинговых платформ с включением в состав в качестве энергоисточника для питания ХОУ дизельного вагона от рефрижераторной секции.
Следует отметить, что конструктивное несоответствие зарубежных типов КРК особенностям железнодорожной инфраструктуры ограничивает полигон их обращения. На сети железных дорог имеется около 4000 станций, открытых для работы со скоропортящимися грузами. Они оборудованы складскими помещениями, предусматривающими выполнение погрузочно-разгрузочных работ через боковые двери вагонов, и не приспособлены для работы с контейнерами, имеющими торцевые двери. Для работы с наиболее распространенными в мире 40-футовыми контейнерами на сети железных дорог имеется только 47 контейнерных площадок, из которых лишь единицы приспособлены для использования КРК. Все это приводит к сдерживанию освоения перевозок СПГ контейнерными отправками.
В связи с этим был сделан вывод, что в переходный период становления контейнерной продовольственной системы на сети железных дорог необходимо использовать помимо контейнеров стандартных конструкций и контейнеры с боковыми дверями.
В настоящее время наиболее простой и быстро внедряемой является технология перевозок СПГ в 20-футовых контейнерах-термосах (КТ), которые могут быть применимы для перевозок всех видов СПГ за исключением свежих фруктов и овощей.
Технология перевозок КРК должна базироваться на доставке контейнеров по железной дороге специально оборудованными сцепами, состоящими из электрифицированных фитинговых платформ и энерго-генерирующего вагона в сопровождении бригады механиков, выполняющих техническое обслуживание контейнеров на всем пути следования. Переходный период внедрения способа перевозок СПГ в рефрижераторных контейнерах может также характеризоваться применением в них холодильно-отопительных установок, ранее применявшихся на рефрижераторных вагонах. Это обосновано наличием большого остаточного ресурса ХОУ, имеющейся в стране хорошо развитой ремонтной базы ГРПС и отсутствием у сопровождающих сцепы бригад опыта работы с ХОУ различных иностранных производителей.
Для реализации обозначенных направлений в качестве перспективных технических решений разработаны и защищены соответствующими патентами варианты исполнения контейнеров и систем энергоснабжения: контейнер-термос с подогревом, контейнер-термос с вентилированием, универсальный контейнер-термос и пр., системы энергоснабжения от дизель-генератора, расположенного в межтележечном пространстве, от подвагонного генератора в комбинации с воздушной холодильной установкой и пр. При этом предполагалось, что не все контейнеры должны быть универсальными. Они обязаны быть унифицированы по классам, определяемым в соответствии с требованиями СПС. Два типа контейнеров из разработанного ряда перспективных моделей изготовлены и испытаны: 40-футовый контейнер, оснащенный установкой регулирования газовой среды (РГС), и 20-футовый контейнер-термос повышенной высоты типа ИКТ 26 Н5.
Контейнер с установкой регулирования газовой среды выполнен двухкамерным; одна из камер оборудована установкой РГС, изготовленной в транспортном исполнении.
Установка разделения газов предназначена для получения азотообогащенной газовой смеси заданного состава, используемой для создания и поддержания регулируемой газовой среды в камере грузового помещения рефрижераторного контейнера при перевозке СПГ массой 10-15 т.
Создание регулируемой газовой среды в контейнере позволяет повысить срок хранения и транспортировки СПГ в 2-3 раза, благодаря чему, например, свежую клубнику можно доставлять из южных регионов страны в северные без потери качества.
Принципиальная схема опытного многокамерного контейнера представлена на рис. 6.
Рис. 6 Принципиальная схема двухкамерного контейнера
I , II - грузовые камеры; 1 - испарители; 2 - боковые двери; 3 - установка РГС; 4 - компрессор
Результаты испытаний контейнера с установкой РГС в составе контейнерного сцепа показали его функциональную работоспособность. Вместе с тем, технология перевозки СПГ в условиях реальной эксплуатации в силу ряда обстоятельств отработана не была.
Контейнер-термос типа ИКТ 26 Н5 повышенной высоты выполнен на базе металлоконструкции ООО Балтконтейнер. Результаты теплотехнических испытаний опытного образца контейнера показали, что величина коэффициента теплопередачи корпуса КТ составила 0,26 Вт/м2 К. Это позволяет отнести его, согласно требованиям СПС, к изотермическим транспортным средствам с усиленной изоляцией.
При отработке технологии работы с контейнерами на сети железных дорог было установлено, что контейнерные площадки не оборудованы специальными раздаточными устройствами для питания ХОУ контейнеров при их складировании. В связи с этим был разработан и реализован на контейнерной площадке станции Краснодар-Сортировочная типовой проект терминального электроснабжения.
В настоящее время дочернее предприятие ОАО РЖД - ОАО ТрансКонтейнер, базируясь на основных направлениях разработанной концепции, начало изготавливать опытные модели 20-футовых контейнеров-термосов и осуществлять в них перевозки СПГ на железнодорожных маршрутах, где имеются контейнерные площадки. Кроме того, разработана и утверждена корпоративная программа ОАО РЖД по терминальному электроснабжению.
В пятой главе представлены результаты натурных испытаний 40-футового экспериментального образца крупнотоннажного рефрижераторного контейнера (КРК), приведены этапы разработки, создания и проведения комплекса стационарных и эксплуатационных испытаний отдельных узлов и систем опытного рефрижераторного контейнерного сцепа в целом.
В соответствии с положениями разработанной концепции изначально на Новороссийском вагоноремонтном заводе (ВРЗ) был изготовлен экспериментальный образец крупнотоннажного рефрижераторного контейнера типа 1АА. За основу взята металлоконструкция сухогрузного контейнера, выполненная на заводе Абаканвагонмаш. Конструкция отличалась от стандартной наличием двух смещенных относительно друг друга боковых дверей. Впоследствии корпус контейнера был теплоизолирован листами полистирола марки ПСБ-С толщиной 150 мм - согласно действующей в то время на заводе ремонтной технологии по восстановлению изоляции кузовов рефрижераторных вагонов. Контейнер, схематично представленный на рис. 7, оборудован отопительной и холодильно-отопительной установками, расположенными в торцах корпуса. Холодильно-отопительная установка контейнера выполнена на базе узлов от ХОУ типа ФАЛ-056, предназначенной для использования в составе грузового рефрижераторного вагона немецкой постройки. Рабочий хладагент - R12.
Рис. 7. Принципиальная схема воздухораздачи в экспериментальном КРК
1 - отопительная установка; 2 - крыша; 3 - боковые двери; 4 - напольные решетки;
5 - холодильно-отопительная установка
После выполнения комплекса стационарных и пробежных испытаний в Испытательном центре ВНИИЖТ контейнер был направлен для проведения эксплуатационных испытаний на сеть железных дорог.
В качестве источника питания оборудования контейнера использовался установленный вместе с ним в сцепе дизельно-служебный вагон от рефрижераторной секции типа БМЗ. Контроль температуры воздуха внутри КРК осуществлялся по показателям восьми температурных датчиков, расположенных в нижней и верхней зонах торцевых и средних сечений контейнера. Замеры температуры производились при помощи переносной телеметрической станции во время стоянки сцепа.
В процессе проведения эксплуатационных испытаний выполнены три опытных перевозки скоропортящихся грузов большой продолжительности. Как видно из табл. 4, общая продолжительность нахождения груза в контейнере составила при перевозке: соков - 76,5 суток; рыбы - 34 суток; яблок - 42,5 суток.
Таблица 4
Данные об опытных перевозках СПГ в экспериментальном образце КРК
№ п/п | Груз | Маршрут | Рейс | Температура, оС | ||||
Дата | Масса груза брутто, т | груза | наружного воздуха | |||||
погр. | выгр | погр. | выгр | |||||
1 | Соки | Краснодар СКВ - Мыс Астафьева ДВост | 17.12.99 - 03.03.00 | 27,16 | +15 | +12 | +15 | -1 |
2 | Рыба | Мыс Астафьева ДВост - Краснодар СКВ | 19.04.00 - 23.05.00 | 29,29 | -15 | -13 | +5 | +28 |
3 | Яблоки | Краснодар СКВ - Мыс Астафьева ДВост | 28.08.00 - 10.10.00 | 18,4 | +19 | +4 | +17 | +10 |
Среднесуточные температуры воздуха в КРК при перевозке грузов поддерживались на уровне, обеспечивающем сохранность их качества.
Особый интерес для исследования вызывала перевозка соков в зимний период, так как на Транссибирской магистрали наблюдались случаи подморозки грузов при их перевозке в рефрижераторных транспортных средствах зарубежной постройки.
Во время рейса разность минимальных и максимальных значений температур воздуха в верхней и нижней зоне грузового помещения при неработающих отопительных установках контейнера в среднем составляла 4 С. Такая разность, например, при транспортировке свежих плодов и овощей (режим перевозки +2 +5 С) может вызвать при температуре в нижней зоне +2 С температуру в верхней части штабеля +6 С, что является отклонением от режима перевозки и причиной потери качества скоропортящегося груза.
Работа одной электропечи, а особенно двух одновременно, уменьшает разность максимальных и минимальных температур воздуха в верхней и нижней зоне грузового помещения контейнера, и снижает вероятность переохлаждения груза в нижней зоне грузового помещения (рис. 8 а, б).
а) | б) |
Рис. 8 Распределение разности максимальных и минимальных температур воздуха в КРК при работе одной электропечи (а) и при одновременной работе двух электропечей (б) | |
При неработающем оборудовании вероятность достижения разности температур по грузовому помещению 3,8 С составляет 60 %, а при включении электропечи она снижается до 20 %, как это видно из рис. 9.
а) | б) |
Рис. 9 Вероятность разности температур воздуха в КРК при неработающих электропечах (а) и при работе электропечи (б) | |
В то же время из-за низких теплотехнических качеств ограждения корпуса КРК, значение коэффициента теплопередачи которого составляло величину 0,6 Вт/м2 ⋅ К, имел место высокий темп:
понижения температуры воздуха при неработающих электропечах
(в среднем 0,531 оС/час) при перевозке соков зимой;
повышения температуры воздуха при неработающей холодильной установке (в среднем 0,423 оС/час) при перевозке замороженной рыбы летом.
Как следствие этого, во избежание слишком частого включения-выключения ХОУ, допускались большие диапазоны изменения температуры воздуха за нерабочие периоды установок, достигающие 20 оС при перевозке соков и 8,4 оС при перевозке замороженной рыбы. При перевозке яблок максимальная за сутки разность между температурой воздуха в отдельных точках по всему объему КРК составила 5,7 оС в среднем за время перевозки, а в зоне погрузочных дверей - 3,2 оС.
Холодильно-отопительное оборудование контейнера работало надежно.
По результатам испытаний был сделан вывод о том, что экспериментальный образец КРК пригоден для перевозок СПГ во все периоды года, а систему нижней раздачи термообработанного воздуха в КРК можно считать удовлетворительной.
К недостаткам конструкции КРК были отнесены высокая величина коэффициента теплопередачи ограждения корпуса и использование в холодильно-отопительной установке КРК озоноопасного хладагента - R12.
Для устранения выявленных недостатков под руководством и при непосредственном участии автора была изготовлена опытная партия крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа СКР-5-40-1АА в рамках создания на Новороссийском ВРЗ рефрижераторного контейнерного сцепа. Теплотехнические характеристики опытной партии контейнеров смоделированы в программной среде MatLab при помощи разработанного алгоритма, представленного на рис. 10.
Рис. 10 Алгоритм расчета теплотехнических характеристик корпуса КРК
В качестве исходных данных для расчета взяты размеры стандартного 40-футового контейнера, характеристики пенополиуретановой изоляции и холодильно-отопительной установки экспериментального контейнера.
Исследования зависимости коэффициента теплопередачи корпуса КРК от толщины теплоизоляции выполнялись для условий расчетного температурного напора 60 оС. Полученная зависимость представлена на рис. 11. Расчет показывает, что значение К равное 0,4 (Вт / м2 ⋅ К), характеризующее контейнер как транспортное средство с усиленной изоляцией, может быть достигнуто при толщине теплоизоляции не менее 72 мм.
Результаты сравнительных испытаний двух контрольных образцов крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров показали, что применение для изоляции ограждений контейнера блоков ПСБ-С вместо напыляемой изоляции марки Изолан приводит к снижению теплотехнических характеристик ограждений корпуса контейнера. | |
Рис. 11 Расчетная зависимость коэффициента теплопередачи от толщины изоляционного слоя |
К основным особенностям конструкции КРК можно отнести следующее.
Все ограждения контейнеров (кроме двух) изолированы пенополиуретановой изоляцией типа Изолан с плотностью 40 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 0,029 Вт/(м К) способом послойного напыления. В боковых стенах, торцевой заглушке и крыше толщина изоляции составляет 90 мм без учета гофр, в полу 120 мм.
В двух контейнерах для изоляции крыши в качестве эксперимента использованы плиты типа ПСБ-С, которые применялись при изготовлении рефрижераторных вагонов и экспериментального образца КРК.
Холодильно-отопительная установка, названная РК-45, размещается в торцевой стенке контейнера. На контейнере может быть установлена одна или две ХОУ. При установке одной ХОУ вторая заменяется специальной торцевой теплоизолированной заглушкой. В случае установки двух заглушек теплоизолированный корпус контейнера может быть использован в качестве контейнера-термоса.
Результаты теплотехнических испытаний показали, что теплопередача для опытного образца № 1 контейнера, изготовленного с отступлениями от конструкторской документации в части теплоизоляции крыши, составила 42,5 Вт/К. При этом, средний коэффициент теплопередачи этого контейнера оказался равным 0,36 Вт/(м2 ⋅ К). Теплопередача для опытного образца № 2 контейнера, соответствующего конструкторской документации, составила 37,5 Вт/К, а величина среднего коэффициента теплопередачи оказалась равной - 0,32 Вт/(м2 К).
Проведенные на двух образцах испытания на воздухонепроницаемость показали, что по этому параметру опытные контейнеры полностью отвечают требованиям правил изготовления и технической документации. Величина воздухонепроницаемости составила 15 м3/ч.
Уменьшение величины коэффициента теплопередачи в контейнерах опытной партии, по сравнению с экспериментальным образцом - в 1,9 раза - позволило улучшить неравномерность температурных полей по объему контейнера. Как показали результаты исследовательских испытаний, в каждый момент времени без включенного холодильно-отопительного оборудования максимальная разность температур в объеме грузового помещения не превышала 3 оС.
Таким образом, изготовленная опытная партия рефрижераторных контейнеров имеет право быть отнесенной к типу контейнеров с усиленной теплоизоляцией, для которых теплопередача и коэффициент теплопередачи составляют соответственно 48 Вт/К и 0,4 Вт/(м2 оК).
В холодильно-отопительных установках опытной партии КРК был заменен хладон 12 на выбранные хладоны марки С10М1 и М1LE.
Результаты проведенных сравнительных испытаний работы ХОУ на указанных хладагентах подтвердили преимущество смесевых композиций. На рис. 12 представлена динамика снижения температуры воздуха в грузовом помещении контейнера при охлаждении до минимальной температуры.
Как видно из рисунка, охлаждение грузового помещения крупнотоннажного рефрижераторного контейнера при работе установки на новых хладагентах выше, чем при охлаждении машиной, работающей на R12. При этом более высокая динамика охлаждения, в среднем на 8%, характеризующаяся величиной Δt, наблюдалась при использовании хладагента М1LE по сравнению с хладагентом С10М1. | |
Рис. 12 Динамика охлаждения рефрижераторного контейнера установкой РК-45; D - опережение по времени достижения -12 оС и -20 оС при работе на смесях |
Эффективность работы ХОУ была подтверждена поддержанием температуры воздуха в контейнере на уровне -19,2 оС при заданной наружной температуре 38 оС. При этом колебания температуры воздуха внутри контейнера при автоматическом режиме работы ХОУ не превышали 1 оС, неравномерность температур воздуха по внутреннему объему составляла 1,4 оС.
Полученные значения показывают, что теплотехнические свойства корпусов опытной партии КРК значительно превышают аналогичные показатели у экспериментального образца рефрижераторного контейнера.
Для управления холодильно-отопительной установкой КРК был разработан многофункциональный микропроцессорный контроллер типа Квазар, созданный на новой элементной базе и обладающий повышенными функциональными возможностями автоматизации, в том числе способностью управлять двумя ХОУ.
Функциональные испытания микропроцессорной системы управления ХОУ типа Квазар, проведенные на четырех установках, показали, что разработанная система обеспечивает управление ХОУ в автоматическом, полуавтоматическом и прямом режиме.
Из представленных на рис. 13 фрагментов режимов перевозки скоропортящихся грузов, видно, что разработанная система способна с большой точностью поддерживать в автоматическом режиме заданный температурный диапазон перевозки.
а) | б) | |
Рис. 13 Фрагменты режимов перевозки скоропортящихся грузов а) бананов: +11 +14 оС; б) мясокопченостей: +0 -3 оС | ||
Используемые для формирования сцепа платформы типа 13-3103 с двух сторон дополнительно были оборудованы переходными площадками, подножками и ограждающими поручнями. Работы выполнены для обеспечения безопасности механиков, обслуживающих холодильное оборудование контейнеров, установленных на платформы сцепа.
Разработанная конструкция электрической магистрали платформ обладала рядом особенностей, которые ранее не применялись. К ним следует отнести:
1. Прокладка магистрали произведена по наружной поверхности рамы платформы, симметрично хребтовой балке. Магистраль проложена в металлических прямоугольных трубах на уровне - ниже фитинговых опор платформы. Такое размещение обеспечивает безопасную установку контейнера над трубами магистрали.
Расположение магистрали на поверхности платформы имеет следующие преимущества:
на порядок снижается трудоемкость монтажа магистрали;
упрощается техническое обслуживание;
ремонт и замена проводов магистрали производятся без снятия контейнера с платформы и установки платформы на домкраты.
2. Два электрических шкафа подключения холодильных машин контейнеров к магистрали установлены диагонально на продольных балках рамы платформы, а электрические ящики межвагонных соединений магистрали расположены симметрично хребтовой балке - на буферных балках платформы, по два с каждой стороны. Такое размещение устройств магистрали, дает возможность одновременно питать, например, два 20-футовых контейнера и производить перестановку платформ при маневрах, без нарушения схемы сцепа.
3. Применение двухсторонней схемы прокладки магистрали позволило обеспечить схемное резервирование электроснабжения контейнеров в случае выхода из строя одного из участков сцепной магистрали.
Электрическая схема магистрали платформы также имеет свои особенности. Для обеспечения эксплуатационной надежности магистрали она оборудована входными и выходными автоматическими выключателями номинальным током 250А - для защиты от токов короткого замыкания в силовой цепи. При соединении платформ в состав сцепа, все платформенные участки сцепной магистрали соединяются между собой через входные и выходные автоматические выключатели последовательно, обеспечивая защитное отключение каждой последующей платформы.
Наряду с этим, электрическая схема магистрали платформы позволяет реализовывать следующие функции управления и защиты:
дистанционное включение и отключение питания контейнера от силовой магистрали;
окальное включение и отключение питания контейнера от силовой магистрали;
дистанционный контроль нагрева букс платформы;
дистанционный контроль обрыва заземления платформы;
дистанционный контроль полнофазного режима работы магистрали.
Наличие таких платформ позволяет формировать сцеп с центральным диспетчерским управлением. Электропитание платформ в сцепе осуществляется от служебно-дизельного вагона, который располагается в середине состава.
Выполненные стационарные и эксплуатационные испытания на маршруте Краснодар-Щербинка с пробегом более 1500 км показали функциональную пригодность и надежность работы электрических магистралей платформ сцепа.
Для дистанционного управления и контроля температурных режимов и оборудования КРК, была разработана автоматизированная система управления, получившая название Диспетчер. Она расположена в служебно-дизельном вагоне и состоит из консоли оператора в виде специализированного компьютера, модема связи с информационно-измерительной сетью (ИИС), организованной по силовой магистрали фитинговых платформ сцепа, и комплекта программных средств.
Система Диспетчер решает следующие задачи:
регистрация КРК в составе контейнерного сцепа и/или удаления из него;
управление работой холодильно-отопительных установок (ХОУ);
информационно - справочное обеспечение;
техническая помощь обслуживающему сцеп персоналу;
психологическая разгрузка механиков-операторов.
При включении КРК в силовую магистраль сцепа, Диспетчер идентифицирует имеющиеся в его составе контейнеры по индивидуальному номеру блока микропроцессорного управления (БМУ) типа Квазар-2, которым оборудован каждый из контейнеров. Отсутствие контейнера фиксируется в очереди незарегистрированных контейнеров. Диспетчер производит постоянный контроль над температурными режимами всех подключенных КРК и выводит цифровое значение температуры воздуха в грузовом помещении контейнера на Экран мнемосхемы контейнерного сцепа. Более подробную информацию о параметрах работы оборудования любого из зарегистрированных КРК можно получить при открытии Экрана мнемосхемы ХОУ РК-45, как это видно из рис. 14.
| Рис. 14 Экран мнемосхемы ХОУ РК-45 | Обязательной является процедура удаления КРК из контейнерного сцепа при передаче его на контейнерный терминал или собственнику. При этом Диспетчер выдает отчет о режимах хранения груза и состоянии оборудования в период транспортировки контейнера по маршруту следования. Данный отчет может быть представлен на специальном бланке в дополнение к транспортным сопроводительным документам. |
Результаты функциональных испытаний показали, что работа системы соответствует предъявленным к ней требованиям, выгодно отличается от имеющихся систем дистанционного контроля новыми возможностями, способными в значительной степени повысить эффективность перевозок скоропортящихся грузов.
Эксплуатационные испытания опытного рефрижераторного контейнерного сцепа были проведены на полигоне Краснодар - Москва - Краснодар.
В процессе проведения испытаний проверялась работоспособность холодильно-отопительных установок контейнеров и надежность работы оборудования сцепа, определялись температурные условия проведения испытаний, термические, барометрические и энергетические характеристики работы установок.
Результаты испытаний показали, что разность температур на входе в испаритель (температура испарения) и в компрессор (температура всасывания), характеризующая величину перегрева хладона в испарителе, является достаточной для обеспечения работы компрессоров без аварийного режима влажного хода.
Температуры хладона на входе и выходе из конденсаторов соответствовали температурам воздуха, поступающего на конденсаторы и давлениям конденсации, что указывает на отсутствие в системах холодильных установок контейнеров технологических остатков воздуха.
Разность температур воздуха на входе и выходе из конденсатора свидетельствует о нормальном течении процесса конденсации и переохлаждении хладона. Рабочие давления в холодильных установках, зафиксированные в процессе испытаний, соответствовали режимам нормальной работы.
Отказов в работе агрегатов в процессе проведения цикла испытаний не отмечено.
В целом, при проведении испытаний энергетическое оборудование показало надежную и безотказную работу.
Для работы с КРК на терминальных площадках ОАО РЖД был разработан и реализован на ст. Краснодар-Сортировочная проект по электроснабжению площадки.
Таким образом, результаты проведенных эксплуатационных испытаний экспериментального образца КРК, находящегося в сцепе с дизельно-служебным вагоном типа БМЗ, и опытной партии контейнеров - перевозимых специализированным 9-ти вагонным контейнерным сцепом с питанием от дизельно-служебного вагона позволили за пятилетний период апробировать технологию работы с рефрижераторными контейнерами в рядовых условиях эксплуатации с учетом разработанных и реализованных предложений по модернизации элементов инфраструктуры ОАО РЖД.
В шестой главе исследовано влияние технических решений, принятых при эксплуатации и создании вагонных и контейнерных СТС на их финансово-экономические и инвестиционные показатели.
В соответствии с предложенными в работе экспресс-методами определения коэффициента теплопередачи кузова специализированного транспортного средства, продолжительность проведения теплотехнических испытаний по сравнению с равновесным методом может быть сокращена на 67Е89%. При стоимости испытаний в специализированных испытательных станциях порядка 110атыс. руб., ожидаемый экономический эффект при испытании одного специализированного транспортного средства может составить до 53, 4 тыс. руб., или в расчете на эксплуатационный вагонный парк порядка 930 млн. руб.
Показано, что годовая экономия только материальных средств при переводе эксплуатационного парка ГРПС, в соответствии с разработанной технологией повышения экологической безопасности, на хладагент С10М1 составит около 40,0 млн. руб. При этом в расчете на одну 5-ти вагонную рефрижераторную секцию: для вагонов типа ЦБ она равна 27,0 тыс. руб., а для вагонов типа БМЗ - 55,5 тыс. руб.
Использование технологии энергосбережения в оборудовании вагонных СТС позволит сэкономить для эксплуатационного парка ГРПС дополнительно около 7,5 млн. руб. В случае использования указанной технологии в оборудовании мирового парка рефрижераторных контейнеров, составляющих более 500 тыс. единиц, ожидаемая экономия дизельного топлива составит свыше 33 тыс. тонн.
В соответствии с результатами расчетов срок окупаемости вложений в организацию производства термоконтейнерных энергетических комплексов составляет не более 3-х лет.
В конкурентном секторе контейнерных перевозок СПГ широко распространенные на автомобильном транспорте седельные автопоезда-контейнеровозы способны перевозить один 20-футовый контейнер полной допустимой массой 26 тонн и высотой 2438 мм. В то же время, использование менее распространенных двухзвенных автопоездов-контейнеровозов допускает перевозку двух 20-футовых контейнеров полной допустимой массой 40 тонн и высотой 2591 мм. Эта технологическая схема перевозки наиболее приемлема для грузовладельцев и рассмотрена в качестве конкурентоспособной железнодорожной отправке фитинговой платформы длиной 13 или 18 м, на которой размещены два 20-футовых термоизолированных контейнера (TEU). Вместе с тем, стоимость перевозки двух контейнеров по железной дороге на расстояние 1500 км ниже автомобильной в 3,4 раза - с применением платформ общего парка и практически в 4 раза - при использовании платформ собственных, или арендованных. Кроме того, ограничения по грузоподъемности позволяют перевозить, при прочих равных условиях, дополнительно от 4 до 4,9 т груза объемом 8,22 м3 в расчете на один контейнер.
Применение для перевозки СПГ рефрижераторных контейнерных сцепов в коридорах: Транссибирская магистраль - МТК № 9 - Западная Европа; Страны азиатско-тихоокеанского региона (АТР) - МТК № 2 - Западная Европа и др. с учетом апробированных на сети демонстрационных пробегов ускоренных контейнерных поездов со скоростью 1000 км/сутки делает их альтернативными морским контейнерным маршрутам с общим дедвейтом контейнерного судна до 3000 TEU. В этом случае перевозка судовой партии крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров, составляющей около 2%, может быть обеспечена одним рефрижераторным контейнерным поездом постоянного формирования в два раза быстрее, чем при перевозке морем. При этом соответственно снижаются расходы потребляемой энергии и уменьшаются вредные выбросы в атмосферу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- На основе выполненного анализа рынка перевозок скоропортящихся грузов, состояния и конструктивных особенностей действующих на этом рынке специализированных транспортных средств, представляющих собой сложные энергетические системы, сформулированы теплотехнические и экологические требования к ним с целью разработки комплекса технических и технологических решений, использование которых позволило сохранить существующие и создать перспективные энергетические системы для железнодорожных перевозок пищевых продуктов.
- Разработаны экспресс-методы оценки качества теплоизоляционных свойств кузовов специализированных транспортных средств, исключающие продолжительные и трудоемкие процедуры проведения соответствующих испытаний. Применение на вагоноремонтных предприятиях экспресс-методов сделало возможным сократить время проведения испытаний в 3Е5 раз и, благодаря обеспечению сплошного контроля теплоизоляционных свойств, оптимизировать эксплуатационные режимы работы энергетического оборудования специализированных транспортных средств в процессе перевозок скоропортящихся грузов.
- Разработаны технические решения, позволяющие повысить экологическую безопасность и эффективность эксплуатационной работы энергетического оборудования (дизель-генераторные и холодильно-отопительные установки, системы вентиляции и пр.) специализированных транспортных средств путем замены экологически опасного хладагента R12 озонобезопасным аналогом с учетом его термодинамических характеристик. В соответствии с разработанной технологией реализованные технические решения (на 70% парка рефрижераторного подвижного состава ОАО Российские железные дороги) позволили не только уменьшить выбросы парниковых газов при эксплуатации специализированных транспортных средств, но и за счет их перевода в класс экологически чистых, существенно расширить полигоны обращения рефрижераторных вагонов, особенно в международных транспортных коридорах, вплоть до окончания регламентированного срока службы.
- Разработана и внедрена технология использования специального модификатора, защищающего металлические поверхности теплообмена элементов холодильно-отопительной системы рефрижераторного подвижного состава от загрязнений, что привело к увеличению коэффициентов теплопередачи для этих поверхностей, уменьшению на 6Е8% затрат топлива при эксплуатации дизель-генераторных установок и, соответственно, снижению вредных выбросов в окружающую среду.
- Разработаны основные технические положения концепции развития железнодорожных перевозок скоропортящихся грузов в теплоизолированных контейнерных комплексах (термоконтейнерах), в том числе:
предложены новые технологии организации перевозок скоропортящихся грузов в контейнерах-термосах и крупнотоннажных рефрижераторных контейнерах (КРК) в рамках реализации Федеральной целевой программы Модернизация транспортной системы России на 2002Е2010 гг.;
разработан перспективный типоряд энергетических контейнерных систем с учетом особенностей железнодорожной инфраструктуры и требований эксплуатации (энергооснащенный вагонный сцеп, термоконтейнеры с боковым расположением дверей, схемы автономного энергоснабжения термоконтейнеров, электрораздаточные колонки на контейнерных площадках грузовых станций и т.п.);
- Разработана, создана и испытана конструкция специализированного контейнерного комплекса, состоящая из:
вагона дизель-электростанции, оборудованного системой мониторинга температурных режимов в грузовых помещениях термоконтейнеров;
электрифицированных фитинговых платформ;
крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа СКР-5-1АА.
Результаты комплексных испытаний показали, что:
система мониторинга обеспечивает непрерывный контроль параметров температурных режимов внутри грузовых помещений термоконтейнеров при перевозке скоропортящихся грузов;
системы силовых и управляющих электрических цепей работоспособны и соответствуют разработанным техническим требованиям;
корпусы КРК, коэффициенты теплопередачи которых не превышают величины 0,32 Вт/м2 К отвечают требованиям международных соглашений по перевозкам скоропортящихся пищевых продуктов в специальных транспортных средствах;
по параметру воздухонепроницаемости, составившей величину 15 м3/ч, контейнеры полностью соответствуют техническим требованиям стандартов на изготовление корпусов термоизолированных транспортных средств.
- Разработаны, созданы и испытаны перспективные конструкции контейнера-термоса увеличенного объема типа ИКТ 26Н5, а также крупнотоннажного многокамерного рефрижераторного контейнера типа СКР-5-1АА, одна из камер которого оснащена модернизированным блоком регулирования газовой среды.
Результаты испытаний показали, что:
корпус контейнера-термоса типа ИКТ 26Н5, коэффициент теплопередачи которого составил величину 0,26 Вт/м2 К, соответствует требованиям по изготовлению транспортных средств с усиленной изоляцией;
блок регулирования газовой среды, установленный в грузовом помещении крупнотоннажного многокамерного рефрижераторного контейнера типа СКР-5-1АА, функционально работоспособен.
- Опытные образцы специализированного термоконтейнерного комплекса апробированы в процессе эксплуатации на сети железных дорог России. Конструкция контейнера-термоса типа ИКТ 26Н5 принята за основу при организации промышленного производства 20-футовых термоконтейнеров на предприятиях ОАО Российские железные дороги.
- Срок окупаемости вложений в организацию производства термоконтейнерных энергетических комплексов, как показали расчеты, составляет не более 3-х лет.
- Апробированные на сети железных дорог транспортно-контейнерные технологии позволили установить, что перевозки скоропортящихся грузов на расстояние в 1500 км (конкурентное с автомобильными перевозками) с помощью рефрижераторных контейнеров и контейнеров-термосов, размещенных на фитинговых платформах, являются примерно в 3-4 раза менее затратными по сравнению с автомобильными.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
Рекомендованных ВАКом:
1. по специальности Энергетика:
- С.Н. Науменко. Выбор теплоэнергетических систем для железнодорожного хладотранспорта// Тяжелое машиностроение. 2008. № 9., С.38-40;
- С.Н. Науменко. Энергоснабжение при перевозках крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров// НТТ - наука и техника транспорта. 2008. № 3.;
- С.Н. Науменко. Энергосбережение при проведении теплотехнических испытаний специализированных транспортных средств.// Энергосбережение и водоподготовка. 2008. № 4.;
- С.Н. Науменко. Технология энергосбережения в охлаждающих системах// Энергосбережение и водоподготовка. 2008. № 3.;
- С.Н. Науменко. Железнодорожный рефрижераторный транспорт: проблемы и перспективы// Холодильная техника. 2008. № 5. С. 14-17;
- С.Н. Науменко. Энерго-экологические аспекты при работе холодильных установок парокомпрессионного типа// Промышленная энергетика. 2008. №10;
- С.Н. Науменко, Д.О. Губарев. Перспективы использования российских крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров // Тяжелое машиностроение. 2005. №2. С. 34Е36;
- С.Н. Науменко, Д.О. Губарев. Новые типы перспективного подвижного состава для транзитных и внешнеторговых перевозок рефрижераторных контейнеров// Тяжелое машиностроение. 2004. №11. С. 13Е14.;
2. по специальности Транспорт:
- С.Н. Науменко, Н.С. Теймуразов/Актуальные проблемы развития хладотранспорта//Железнодорожный транспорт, 2008 г., № 4, стр. 103-106;
- Система управления перевозкой скоропортящихся грузов в рефрижераторных контейнерных поездах / Науменко С.Н., Минаев Б.Н., Любан Г.Б. // Вестник ВНИИЖТ № 2, 2005., С. 6-10;
- Перспективы использования энерго-и ресурсосберегающих модификаторов на железнодорожном транспорте /Науменко С.Н., Постников И.В., Мартынов Л.К. и др.// Вестник ВНИИЖТ. 2005. № 1. С. 23Е26;
- С.Н. Науменко, Н.С. Теймуразов/Перевозки скоропортящихся грузов в изотермических контейнерах//Железнодорожный транспорт, 2004 г., № 10, стр. 42-45;
- Результаты испытаний холодильно-нагревательных установок крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров/ С.Н. Науменко, Н.С. Теймуразов, Д.О. Губарев и др. // Вестник ВНИИЖТ. 2003. № 1. С. 41Е43;
- О создании первых отечественных крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров (КРК) типа 1-АА / В.И. Панферов, В.М. Богданов, С.Н. Науменко и др. // Вестник ВНИИЖТ. 2002. № 6. С. 3Е5;
- Панферов В. И., Науменко С.Н. / Экологически чистые и экономичные хладагенты // Железнодорожный транспорт, 2000 г., № 3, стр. 26 - 27;
- Панферов В.И., Науменко С.Н. / О возможности использования масла марки ХФ12-16 при переводе установок рефрижераторных вагонов на озонобезопасные хладагенты. // Вестник ВНИИЖТ, 1998, № 2, с. 45 - 47.
3. В других научно-технических изданиях:
- С.Н. Науменко/ Новые технические средства и технологии для перевозки скоропортящихся грузов: Сб. науч. тр. научно-практической конференции ОАО ВНИИЖТ/ Под ред. А.Е. Семечкина. ЦМ.: Интекст, 2008. С .72-76;
- С.Н.Науменко, Н.С.Теймуразов, А.В.Голубин / Оценка точности определения в деповских условиях коэффициента теплопередачи кузова изотермического вагона/ Сб. докладов участников объединенной научной сессии советов РАН на тему Энергосбережение и защита окружающей среды на теплоэнергетических объектах железнодорожного транспорта, промышленности и жилищно-коммунального хозяйства. М.: МИИТ, 2008. С 189-192;
- С.Н. Науменко. Развитие на мултимодалните превози в Русия/ Железопътен транспорт, 2007, № 10. С. 42Е43;
- В чем повезем скоропорт? / А. Коковихин, С. Науменко, Н. Теймуразов // РЖД - Партнер. Машины, оборудование, материалы; 2007. №1(4). С. 14-15;
- С.Н. Науменко / Термоконтейнеры / Теплоэнергетика железнодорожного транспорта: Справочно-методическое пособие/ Под общей ред. Б.Н.Минаева., р. 12.6 - М.: МИИТ, 2006. с. 296-297;
- Перевозки продовольствия - нужны действия / А. Коковихин, С. Науменко, Н. Теймуразов // РЖД - Партнер. 2006. № 2. С. 50-51;
- Dowiadczenie w stosowaniu alternatywnych czynnikw chodniczych w serwisie wyposachodniczego w Rosji/ W.S. Zlotnikow, W.I. Samojenko, A.J. Bielajew, S.N. Naumienko, J.I. Uskacz// Technika chodnicza i klimatyzacyjna, №1, 2005, 5 - 13;
- Губарев Д.О., Науменко С.Н. Выбор теплоизоляционных материалов для опытных образцов крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров типа СКР-5-40-1АА. Вопросы развития железнодорожного транспорта: Сб. науч. тр./ Под ред. А.Б. Косарева и Г.В. Гогричиани. М.: Интекст, 2004. с. 149-153;
- Науменко С.Н. Новая технология перевозок грузов с использованием изотермических контейнеров: Сб. научных трудов ВНИИЖТ по материалам н-практ. конф. Инновации ОАО РЖД-2004, 2004, С .110-113;
- Науменко С.Н./Возможности новых терморегулируемых контейнеров для российских железных дорог// Сб. трудов по материалам международной выставки-семинара Современные технологии на железнодорожном транспорте России, Варшава, 2004, С 34-39;
- Новый хладагент - новые перспективы /С. Науменко, О. Савельев, В. Крупеньков // РЖД - Партнер. 2003. № 8. С. 42-43;
- Науменко С.Н./Технические решения, использованные в конструкции опытных термоконтейнеров, адаптированных к условиям эксплуатации по Транссибу//Материалы международной н-практической конференции МИИТ, Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала, 2003, С. IVa-18 - Iva-20;
- S. Naumenko,V. Panferov, Kontrukne materilly a monosti novch elezninch termickch kontajnerov pre Rusk eleznice, Zbornk prednok XVI medzinrodnej konferencie Sasn problmy v koajovch vozidlch, Diel II, ilina 8.-10.10.2003, SLOVENSKO, 135-141;
- Панферов В.И., Науменко С.Н. Исследование параметров и выбор озоносберегающего хладагента для энерго-холодильного оборудования подвижного состава. Сб. научных трудов РГОТУПС по материалам 5 межвузовской н-т конф. Актуальные проблемы и перспективы развития ж.д. тр-та, ч. 1, 2000, с. 78-79;
- Панферов В.И., Науменко С.Н. Повышение экологической безопасности при эксплуатации подвижного состава железных дорог РФ. Тезисы докладов международной научно-практической конференции БеГУТ, Проблемы безопасности на транспорте, 2000, с. 144;
- Науменко С.Н. Использование экологически безопасных веществ в транспортных холодильных установках. Материалы научно-технической конференции Актуальные проблемы развития ж. д. транспорта и роль молодых ученых в их решении, Ростов-на-Дону.: РГУ, ноябрь 1998, с. 34 - 35.;
- Панферов В.И., Науменко С.Н., Коковихин А.В., Дуганов А.Г. Результаты испытаний холодильных машин рефрижераторных вагонов при работе на альтернативном R12 хладагенте - Межвузовский сб. научн. тр., ДИИТ, 1997, вып. 219, с. 41 - 44.;
4. В патентах на изобретение, свидетельствах и патентах на полезную модель:
- Науменко С.Н., Голиков Н.И. Способ энергосбережения в холодильном оборудовании. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка № 2007119963/06(021749), ФИПС Роспатент, М., приоритет от 30.05.07;
- Науменко С.Н., Теймуразов Н.С., Бартош Ю.Е. Способ определения коэффициента теплопередачи кузова транспортного изотермического средства. Патент на изобретение № 2319951, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 27.04.06.;
- Науменко С.Н., Теймуразов Н.С. Способ определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства. Патент на изобретение № 2269768, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 12.10.04.;
- Андрюшин В.М., Беляев А.Ю., Науменко С.Н. и др. Композиция хладагента (варианты). Патент на изобретение № 2161637, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 26.02.99.;
- Науменко С.Н., Панферов В.И., Беляев А.Ю. Композиция хладагента для железнодорожного холодильного оборудования. Патент на изобретение № 2177491, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 16.11.99.;
- Барабанов В.Г., Зотиков В.С., Науменко С.Н. и др. Композиция хладагента. Патент на изобретение № 2140431, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 21.09.98.;
- Панферов В.И., Науменко С.Н. Способ применения смеси хладагентов. Патент на изобретение № 2137056, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 28.10.97;
- Панферов В.И., Науменко С.Н., Жариков В.А. Рабочий агент для холодильной установки. Патент на изобретение № 2137055, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 31.10.97;
- Губарев Д.О., Губарев О.А., Науменко С.Н. и др. Рефрижераторный контейнер. Патент на полезную модель № 50163, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 04.08.05.;
- Бартош Е.Т., Науменко С.Н., Теймуразов Н.С. и др. Воздушная детандерная холодильно-отопительная установка. Патент на полезную модель № 488892, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 24.06.05;
- Губарева Н.Н., Губарев Д.О., Науменко С.Н. и др. Контейнер-термос. Патент на полезную модель № 44593, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 03.11.04.;
- Ворон О.А., Губарева Н.Н., Науменко С.Н. и др. Универсальный контейнер-термос. Патент на полезную модель № 45684, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 03.11.04.;
- Ворон О.А., Губарева Н.Н., Науменко С.Н. и др. Контейнер-термос с охлаждением. Патент на полезную модель № 44595, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 03.11.04.;
- Губарев Д.О., Губарев О.А., Науменко С.Н. и др. Теплоизолированный контейнер с подогревом. Свидетельство на полезную модель № 30313, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 18.12.02.;
- Губарев Д.О., Губарев О.А., Науменко С.Н. и др. Изотермический контейнер-термос. Свидетельство на полезную модель № 30314, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 26.11.02.;
- Губарев Д.О., Губарев О.А., Науменко С.Н. и др. Фитинговая платформа с терморегулируемыми транспортно-складскими модулями. Свидетельство на полезную модель № 30320, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 26.11.02.;
- Губарев Д.О., Губарев О.А., Науменко С.Н. и др. Фитинговая платформа с терморегулируемыми модулями. Свидетельство на полезную модель № 30319, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 26.11.02.;
- Губарев Д.О., Губарев О.А., Науменко С.Н. и др. Фитинговая платформа с транспортно-складскими терморегулируемыми модулями. Свидетельство на полезную модель № 30321, ФИПС Роспатент, М., приоритет от 26.11.02.
НАУМЕНКО СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПЕРЕВОЗОК
СКОРОПОРТЯЩИХСЯ ГРУЗОВ
Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Подписано в печать - Печать офсетная. Бумага для множит. апп. Тираж 100 экз. Заказ № | Усл.-печ. Л. 1,5 Формат 60Х84 1/16 |
Типография МИИТ, 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям