К определению рациональной толщины термоизоляции кузова транспортного средства

Частый вопрос, возникающий во время написания технического задания на создание или модернизацию изотермических вагонов и контейнеров, - какой должна быть оптимальная толщина тепловой изоляции? С точки зрения операторов эту же проблему можно сформулировать несколько иначе, но с тем же смыслом, - какова должна быть оптимальная структура парка транспортных средств по качеству их тепловой изоляции. Давайте обсудим это.

Для лучшего понимания рекомендую предварительно ознакомиться со следующими статьями:

Я постараюсь избежать большого объёма информации и конкретных расчетных формул - все это любой может написать и сам (или может обратиться ко мне, я постараюсь помочь). Главное - понять основные зависимости и логику решения подобных задач. Ну и конечно понимать, что все представленное в данной статье - лишь один из возможных подходов к решению поставленной задачи.

Балтика

Впервые задача определения рациональной толщины термоизоляции кузова возникла передо мной в 2008 году во время работ по переоборудованию парка крытых вагонов компании Балтика в вагоны-термосы. Точнее, задач было две: определиться с предпочтительной конструкцией и основным материалом изоляции, а потом уже установить рациональную толщину.

На тот момент в компании сформировалась грамотная команда специалистов во главе со Скатиным, которые имели довольно четкие представления о том, какой должна быть логистика крупнейшей пивоваренной компании в России (до даты публикации тут фигурировала фраза о том, что пальму первенства компания удерживает до сих пор, но прям во время публикации feedly выбросил в телефон следующий заголовок - На пивном рынке России впервые за 24 года сменился лидер — «Балтика» уступила AB InBev Efes. Вот так рушатся империи).

Скатин Алексей в 2012 году

Проект переоборудования крытых вагонов в термосы Балтике был нужен не для галочки, хотя сам проект возник как результирующая трений со структурами РЖД. В компании серьезно боролись за качество перевозимой продукции собственного производства в условиях сильной рыночной конкуренции. Кроме того, серьезные нарушения в тот момент были попросту невозможны, поскольку РЖД Балтику не любили, и Скатин с Рюминым черпнули этого лиха сполна.

Рюмин Андрей и Заливина Наталья на подъездном пути завода Балтики в СПб в апреле 2015

Таким образом, Балтика была лакомым куском для проектировщиков, поскольку на тот момент была нацелена на реальную работу и реальный результат. Мы со своей стороны тоже. И насколько я знаю, ни у Скатина, ни у Рюмина к нам не было серьезных претензий.

Один из первых вопросов, возникших при написании технических требований на переоборудование вагона, был предсказуем - насколько эффективной должна быть тепловая изоляция кузова? В теории ее можно сделать любой толщины, а чем больше толщина, тем при прочих равных меньше теплопередача:

Уравнение для стационарной теплопередачи через плоскую неоднородную стенку

Нетрудно заметить, в данном уравнении знаменатель содержит два постоянных слагаемых (которые с альфами) и одно слагаемое, содержащее толщину изоляции (переменная величина). Таким образом, увеличение толщины изоляции действительно будет приводить к уменьшению теплопередачи, но зависимость будет не линейной и выглядеть будет следующим образом:

Характер изменения коэффициента теплопередачи от средней толщины изоляции

В экономических терминах данная зависимость означает следующее - эффективность вложений в толщину изоляции падает по мере ее наращивания. Можно предположить, что после определенного порога увеличение толщины изоляции теряет смысл. Но как установить значение этого порога?

Уменьшение вместимости, грузоподъёмности и прочие беды

Замедление снижения теплопередачи по  мере увеличения толщины изоляции - это полбеды. Рост толщины изоляции ведёт также к росту тары транспортного средства и уменьшению погрузочного объема. Что в свою очередь ведёт к уменьшению количества груза, загружаемого в одно транспортное средство, и, как следствие, к потребности в большем количестве транспортных единиц. В то же время уменьшается средняя площадь кузова - фактор, имеющий противоположное значение вышеперечисленным.

Характер изменения тары, грузоподъемности транспортного средства, нормы загрузки, а также средней площади кузова от средней толщины изоляции

При этом стоимость изоляции с ростом толщины также растет, возрастает ее конструкционная сложность и ухудшаются эксплуатационные характеристики (ремонты чаще и дороже).

Характер изменения стоимости изоляции от ее средней толщины

Наконец, самое интересное. Для чего нам вообще необходимо наращивать толщину изоляции? Что это даёт грузоотправителю? Ответ на этот вопрос лежит в понимании тех технологических ограничений, которые сопровождают перевозки скоропорта в режиме "термос" и с поддержанием температурного режима.

При перевозке в режиме "термос" грузоотправитель, заботящийся о качестве груза, ограничен в продолжительности перевозки (определяется через предельный срок перевозки). В целом груз в режиме "термос" можно везти дольше, если теплопередача кузова транспортного средства меньше. Однако с ростом толщины изоляции теплопередача уменьшается все более медленным темпом, в то время как норма загрузки уменьшается почти линейно. Противоборство различных параметров, включенных в расчет предельного срока перевозки и зависящих в том числе от толщины изоляции, приводит к тому, что зависимость предельного срока от толщины изоляции имеет максимум:

Характер зависимости предельного срока перевозки груза в режиме "термос" от средней толщины изоляции

При перевозке с поддержанием температурного режима (например, в рефах) увеличение толщины изоляции позволяет использовать менее производительное (и, как следствие, менее дорогое) термическое оборудование, снизить расход топлива, уменьшить выбросы парниковых газов.

Разнонаправленный и в значительной степени нелинейный характер изменения совокупности параметров, позволяет предположить, что в некоторой точке аргумента (толщина изоляции) целевая функция затрат достигнет минимума. Если это так, тогда мы имеем классическую оптимизационную задачу.

Метод

Разберем метод решения подобной задачи.

Имеем математическую модель тепловой изоляции кузова транспортного средства, в качестве параметра которой выступает средняя толщина. Часто бывает удобно пользоваться не абсолютным значением толщины, а ее приращением к минимальному значению, устанавливаемому в соответствии с особенностями конструкции изоляции в различных элементах кузова. В частности, именно так и делалось по Балтике, а сама математическая модель была разработана в системах проектирования Matlab и AutoCAD.

На базе разработанной математической модели для конкретного значения параметра толщины изоляции производится расчет следующих величин:
- коэффициент теплопередачи (в соответствии со СНиП II-3-79) с учётом выявленных при проектированим мостиков холода;
- количество, размер и вес элементов конструкции изоляции;
- площадь средней поверхности кузова.

Далее можем рассчитать ряд производных величин:
- дополнительную массу тары транспортного средства и изменение его максимальной грузоподъёмности;
- изменение погрузочной площади пола и погрузочного объема кузова;
- изменение стоимости изоляции (в качестве стоимостей элементов конструкции изоляции могут использоваться рыночные цены или соответствующие им индексы цен). Несколько сложнее со стоимостью рабочего времени - но грубо его можно принять в некоей пропорции от стоимости элементов конструкции изоляции (безусловно, достаточное вольное упрощение).

Далее зададимся расчётными параметрами перевозимого груза, определив их как средневзвешенные величины в долях от объема перевозок (на любом производстве и у любого оператора эти данные в том или ином виде имеются).

Зная расчетные параметры груза определим следующие величины:
- норму загрузки транспортного средства расчетным грузом;
- потребный парк транспортных средств;
- технологические ограничения (предельный срок перевозки в режиме "термос" и др. в зависимости от типа и варианта использования проектируемого транспортного средства).

При формировании целевой функции затрат будем учитывать следующие расходы:
1) Совокупную стоимость создания парка транспортных средств для перевозок заданного объема груза, куда помимо затрат на материалы, термическое оборудование и работу необходимо также включить затраты на потребное увеличение парка или привлечение дополнительного парка у сторонних операторов (аренда). Данную величину затрат необходимо отнести к сроку окупаемости проекта.
2) Эксплуатационные расходы, включая такие специфические как термическая подготовка груза (в том числе при ступенчатой доставке груза, когда не хватает предельного срока перевозки в режиме "термос"), стоимость топлива, ремонты кузова и термического оборудования, привлеченный парк транспортных средств для осваивания планируемой географии перевозок при срабатывании технологических ограничителей).

Разумеется, это не полный перечень затрат, но достаточный, чтобы понять логику. Также не вызывают сомнения трудности, с которыми придется столкнуться при поисках стоимостей по измерителям. Однако в каком-то приближении данная задача всегда имеет решение.

Реализация

Итак, для Балтики была разработана примерно такая нехитрая методичка:

На основании тщательно разработанной математической модели настроить кучу зависимостей типа тех, что я привел в данной статье, не составило труда.

Далее встал вопрос какие стоимости принимать для технико-экономических расчетов? Я прекрасно понимал, что любую из стоимостей (кроме стоимостей материалов) в чистом виде не возьмёшь. Эти стоимости являются сложными, то есть включают в себя кучу более мелких стоимостей. И так надо двигаться вплоть до элементарных показателей, которые можно уже взять непосредственно.

Балтике было написано письмо-запрос с просьбой предоставить стоимости по тем элементарным кирпичикам, до которых я смог докопаться самостоятельно. В ответ мы получили предсказуемое письмо, в котором все финансово-экономические расчеты компания бралась произвести самостоятельно на основе нашей методики, аргументируя это решение тайной финансовой и операционной деятельности.

Не буду врать, не в курсе, что считали специалисты Балтики (хотя, учитывая квалификацию и здоровые амбиции того золотого состава менеджмента компании, допускаю, что считали реально и обоснованно). В итоге мы получили письмо, в котором компания на основании проделанных расчетов выбирала определенную толщину изоляции по выбранной технологии. Страница истории была закрыта, но чувство некоторой неудовлетворённости результатом не покидает меня до сих пор...

Заключение

Несмотря на интересную, как мне кажется, постановку задачи, довести ее до конца хоть в каком-то качестве удалось лишь однажды. Живой интерес со стороны других производителей (или операторов) к решению данной задачи я наблюдал очень редко, довести интерес до конкретных задач не довелось больше ни разу.

Чаще всего мышление современных отечественных конструкторов устроено таким образом, чтобы взять зарубежный образец техники и попытаться создать его более или менее удачную копию на частично отечественной элементной базе и экономя на всем, включая рабочую силу и науку. Доводы про разницу условий (от климатических до эксплуатационных) работают только как общие слова на совещаниях, но на практике попросту игнорируются... Что ж, будем надеяться, что подобные задачи когда-нибудь снова будут вызваны к жизни. Видимо, это будет уже совсем другая жизнь.