Выбор рациональной толщины теплоизоляции контейнеров-термосов

Введение

Контейнеры-термосы (далее - КТ) - изотермические транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, допускающих изменение своей температуры в процессе транспортировки в широком диапазоне (не менее 8°С). Технология перевозки грузов в КТ подразумевает перевозку их в режиме «термос» за счет расходования тепловой энергии, аккумулированной грузом при термической подготовке до начала погрузки. Из этих технологических особенностей вытекает следствие: скоропортящиеся грузы (далее — СПГ) в КТ могут транспортироваться на ограниченную продолжительность перевозки (то есть на предельно-допустимый срок перевозки).

Величина предельно-допустимого срока перевозки зависит от многих параметров: теплотехнических свойств теплоизоляции КТ, нормы загрузки контейнера грузом, его теплофизических параметров (средневзвешенная с учетом тары и упаковки теплоемкость, содержание влаги в продукте, криоскопическая температура для мороженых и замороженных грузов), расчетной температуры наружного воздуха, условий погрузки и др.

Рациональная толщина теплоизоляции выбирается, исходя из обеспечения наилучших условий перевозки скоропортящихся грузов. Величина экономических затрат складывается из цены КТ, цены ремонтов, стоимости температурной подготовки груза, стоимости перевозки единицы груза и прочих факторов. Анализ этих затрат позволяет сделать вывод о том, что они изменяются незначительно с увеличением толщины теплоизоляции. Определяющим является достижение максимальной величины предельно-допустимого (предельного) срока перевозки СПГ в режиме «термос». Таким образом, рациональная толщина теплоизоляции КТ должна обеспечивать максимальную величину предельного срока перевозки скоропортящихся грузов в режиме «термос» с учетом технических, технологических и конструктивных ограничений.

Методика определения рациональной толщины теплоизоляции контейнеров-термосов

Предельный срок перевозки груза в КТ нелинейно зависит от толщины теплоизоляции. С ее увеличением вначале наблюдается резкий прирост величины предельного срока перевозки, затем рост замедляется и по достижении определенной - предельной - величины принимает отрицательные значения.

Описанный характер зависимости предельного срока перевозки груза от толщины теплоизоляции объясняется тремя основными причинами:

1. Зависимость величины коэффициента теплопередачи кузова КТ от толщины теплоизоляции носит нелинейный характер.

2. Увеличение толщины теплоизоляции приводит к уменьшению расчетной площади теплопередающей поверхности кузова КТ (суммарная величина теплопритоков в грузовое помещение уменьшается).

3. С ростом толщины теплоизоляции уменьшаются технические нор мы загрузки КТ различными грузами вследствие:

а. уменьшения грузоподъемности КТ на величину дополнительно го веса теплоизоляции;

б. уменьшения площади грузового помещения и погрузочного объема КТ.

Теоретическое нахождение предельной толщины теплоизоляции является сложной задачей ввиду большого числа переменных величин (собственно толщина теплоизоляции, коэффициент теплопередачи, грузоподъемность КТ, средняя площадь теплопередающей поверхности, норма загрузки и т.п.).

Проще и нагляднее данная задача решается графическим способом. График зависимости строится по точкам — значениям предельной продолжительности перевозки - рассчитанным согласно методике. Значения толщины теплоизоляции принимаются с малым шагом в некотором диапазоне. Последовательно определяются: общий коэффициент теплопередачи КТ, средняя площадь теплопередающей поверхности, норма загрузки и предельный срок перевозки. В качестве констант принимаются: расчетные условия перевозки (расчетные температуры и относительные влажности наружного воздуха), температуры груза при предъявлении к перевозке и предельно допустимые температуры груза в конце груженого рейса (согласно нормативной и технической документации на продукты), теплофизические параметры теплоизоляционного материала, технические параметры КТ (геометрическая форма, масса брутто, наружные размеры, конструкция теплоизоляции и др.). Для упрощения математической модели предельный срок перевозки рассчитывался без учета тепловых потерь груза за период погрузки.

Для упрощения расчетов вся номенклатура термосопригодных грузов разбита на ряд номенклатурных групп, обладающих сходными параметрами. Для каждого расчетного груза в пределах обозначенных групп установлен расчетный тип тары, характеризуемый геометрическими размерами, теплоемкостью и долей в общей массе брутто груза.

Поиск величины рациональной толщины теплоизоляции КТ производился с учетом специфических конструктивных особенностей конкретных моделей. В качестве примера в данной статье рассмотрены этапы решения поставленной задачи для КТ типоразмера 1СС, обладающего следующими конструктивными параметрами:

1. Внешние, внутренние размеры, а также масса брутто и тара контейнера до дооборудования его теплоизоляцией приняты согласно требований ГОСТ Р 50697-94, как для универсального крупнотоннажного контейнера типоразмера 1CC.

2. Материал теплоизоляции: пенополиуретан марки Изолан-14, наносимый на изолируемые внутренние поверхности грузового помещения универсального контейнера (стены, двери, крышу, пол) методом на пыления. Объемный вес - 70 кг/м³; теплопроводность - 0,030 Вт/м·К.

3. В полу контейнера для придания дополнительной прочности уложены деревянные бруски. Их суммарный вес и влияние на общий коэффициент теплопередачи кузова учитываются отдельно рассчитанными коэффициентами.

4. Массообмен воздуха в КТ рассматриваемой конструкции также учтен коэффициентом, согласно требованиям Российского морского регистра судоходства для изотермических контейнеров.

Для примера исследуется перевозка скоропортящихся грузов в летний период года для общесетевых расчетных климатических условий.

Общий коэффициент теплопередачи кузова (далее - коэффициент К) определяется по следующему выражению:

где К - значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м²-К);

β- коэффициент, характеризующий увеличение теплового потока в результате воздухообмена через неплотности ограждающих конструкций КТ.

Для изолируемых поверхностей КТ - плоских многослойных стенок - коэффициент теплопередачи определяется по следующей формуле (2):

где α_вн и α_н - коэффициенты теплоотдачи соответственно от воздуха в КТ к внутренней поверхности грузового помещения и от наружной обшивки КТ к окружающему воздуху или наоборот, Вт/(м·К);

n - общее число тешгопроводящих слоев в направлении теплового потока;

δ_i — толщина i-ro слоя, м;

λ_i - коэффициент теплопроводности i-ro слоя, Вт/(м·К).

где n_дв - количество дверных проемов в контейнере.

На рис. 1 приведен график зависимости общего коэффициента теплопередачи исследуемого КТ от толщины теплоизоляции.

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопередачи кузова КТ от толщины теплоизоляции для описываемого примера

В качестве расчетной теплопередающей поверхности КТ принята среднегеометрическая площадь его внутренней и наружной поверхностей, определяемая по следующей формуле:

где F_нар - площадь наружной поверхности корпуса КТ, м²;

F_внутр - площадь внутренней поверхности грузового помещения (учитывается толщина теплоизоляции), м².

На рис. 2 приведена зависимость изменения площади расчетной теплопередающей поверхности F_сргеом от средней толщины теплоизоляции для исследуемого КТ. Из графика видно, что зависимость близка к линейной.

Собственный вес теплоизоляции определен, исходя из толщины напыления пенополиуретана (считаем, что по всей толщине его плотность одинакова), внутренних размеров грузового помещения и плотности материалов, из которых состоит конструкция теплоизоляционных ограждений.

Нормы загрузки тарных грузов определяются, исходя из погрузочных размеров контейнера и наружных размеров грузовых мест. Число грузовых мест, которое может быть уложено в контейнере по длине, ширине и высоте, определяется делением погрузочных размеров КТ на расчетные размеры грузовых мест. При этом рациональная укладка грузовых мест определяется с учетом разработанных схем размещения тарных грузов в КТ уплотненным способом (плотным штабелем). Общее количество ящиков и коробок, загружаемых в контейнер, определяется умножением количества грузовых мест, укладываемых по длине, ширине и высоте КТ.

Рис. 2. Зависимость изменения площади теплопередающей поверхности от толщины теплоизоляции для описываемого примера

Грузы, высота погрузки которых не установлена Правилами, укладываются (независимо от вида тары и времени года) на такую высоту, чтобы между верхним рядом груза и крышей контейнера оставался промежуток около 100..200 мм для естественной циркуляции воздуха с целью выравнивания температуры в грузовом помещении, и при этом не превышалась максимальная грузоподъемность КТ.

На рис. 3 изображена зависимость изменения норм загрузки КТ типоразмера 1СС различными грузами от толщины теплоизоляции. Из графиков видно, что с увеличением толщины теплоизоляции загрузка изменяется скачками в зависимости от кратности погрузочных размеров КТ и габаритов грузовых мест; в случае полного использования грузоподъемности загрузка КТ уменьшается незначительно по линейной зависимости вследствие увеличения тары и уменьшения грузоподъемности КТ.

Для определения предельной толщины теплоизоляции автором статьи разработан специальный алгоритм, реализованный в среде математического моделирования MATLab. График зависимости предельного срока перевозки различных грузов от толщины теплоизоляции для КТ типоразмера 1СС, теплоизоляция которого выполнена из пенополиуретана, нанесенного на внутреннюю поверхность стенок методом напыления, для летних условий транспортировки грузов, приведен на рис. 4.

Аппроксимация (сглаживание) полученных значений предельных сроков перевозки для основных скоропортящихся грузов в зависимости от толщины теплоизоляции произведена полиномом 2-го порядка, позволяющим выявить экстремумы этой зависимости (см. рис. 5). Маркерами обозначены предельные значения толщины теплоизоляции.

Заключение

Аналогичные исследования КТ, у которых применялись иные теплоизоляционные материалы и методы их монтажа (теплоизоляция из панелей типа «сэндвич», из плит пенополистирола) не выявили существенного изменения характера исследуемой зависимости предельного срока перевозки грузов от толщины теплоизоляции.

Анализ полученных графиков позволяет сделать следующий вывод: для сложившейся в настоящее время структуры грузопотоков и расчетных общесетевых климатических условий целесообразно стремиться к большему значению толщины теплоизоляции при проектировании новых КТ, предназначаемых для эксплуатации на всей сети железных дорог России. Конкретно для исследуемых КТ рациональной считается теплоизоляция толщиной 150—200 мм.

Рис.3

Рис.4

Рис.5