Как рассчитать перевозку жидких скоропортящихся грузов наливом в режиме "термос"

Когда говорят о скоропортящихся грузах забывают, как правило, что значительную их часть составляют жидкие пищевые продукты, перевозимые наливом. Это всевозможные концентраты для производства соков, вина и виноматериалы, жидкие фракции масел, пивное сусло, молоко и молочное сырье и др. Все эти грузы требуют поддержания определенных температурных условий, установленных в нормативных документах (ГОСТ, ТУ и др.).

Рассмотрим распространенную технологию перевозки таких продуктов, в режиме "термос", и выведем теоретическую зависимость максимальной продолжительности перевозки груза, в течение которой его температура будет находиться в заданных температурных границах, от влияющих факторов (параметров окружающей среды, кузова транспортного средства, самого груза). Иначе говоря, разберемся как рассчитать предельный срок перевозки жидких наливных грузов в режиме "термос".

Предвосхищаю вопрос - а много ли на железной дороге осталось вагонов-цистерн с термоизолированным котлом? Да, их почти не осталось. Но все, о чем пойдет речь ниже, применимо к танк-контейнерам с термоизолированным котлом, автомобильным специализированным цистернам, а также, что будет наиболее интересным, к перевозкам грузов наливом во флекси-танках. Для тех кто не знает, флекси-танк - это прочный мешок с насосом для налива груза и устройством для его слива, который размещается в стандартном 20-футовом контейнере.

Флекси-танк во дворе моего института (2005 год)
Устройство налива флекси-танка (2005 год)

Отличия между режимом "термос" для тарно-штучных грузов и перевозимых наливом

Чем вообще принципиально отличается с точки зрения условий теплообмена перевозка тарно-штучного груза в режиме "термос" и жидкого груза наливом?

Теоретический базис в обоих случаях одинаков. Мы имеем дело с нестационарным (изменяющимся во времени) процессом с рядом граничных условий, при котором груз выступает аккумулятором тепловой энергии, а темп ее расходования определяется разницей температур окружающей среды и самого груза, а также теплотехническими параметрами кузова транспортного средства (прежде всего, тем самым коэффициентом K, который требуется знать для каждого изотермического транспортного средства). Однако есть ряд принципиальных отличий, которые требуют разработки самостоятельной методики расчета предельного срока перевозки жидкого скоропортящегося груза наливом:

  1. Конвекция, или иначе теплообмен, при котором переносчиком тепла выступают непосредственно частицы среды (классические примеры конвекции - перемешивание газовых или жидких сред, имеющих различную температуру). При перевозке жидкого груза, к примеру, в бутылках (тарно-штучный груз), конвекция возможна только в пределах одной бутылки и мы ею, разумеется, пренебрегаем в масштабах штабеля. Следовательно, чтобы не допустить несоответствия части штабеля груза требуемым температурным условиям, расчет предельного срока ведётся для груза, наиболее активно участвующего в теплообмене (в нашем случае, для условной бутылки, расположенной на периферии штабеля). Но когда тот же груз перевозится наливом, все его неравномерно нагревающиеся части постоянно перемешиваются (по всему объему), что приводит к выравниванию его средней температуры. Это существеннейшее отличие теплообмена груза, перевозимого наливом в режиме "термос" от тарно-штучного.
  2. Прямой контакт груза со стенками кузова. При перевозке тарно-штучного груза обеспечиваются зазоры между штабелем груза и всеми поверхностями кузова (зачем это нужно я подробно описал тут). Для этого при проектировании транспортного средства обеспечиваются вертикальные гофры на стенах грузового помещения, а также используется специальная конструкция пола, а при их отсутствии задача решается подручными средствами (поддоны на пол, обеспечение отступов от стен в процессе укладки груза). Наличие воздушной прослойки между штабелем груза и внутренними поверхностями ограждений грузового помещения требует учета ее влияния в модели теплообмена, что существенно усложняет расчет теплообмена. При прямом контакте груза с поверхностью котла цистерны или внутренними ограждениями грузового помещения при перевозке наливом во флекси-танках позволяет пользоваться более простой моделью расчета, в которой во взаимодействии находятся только наружный воздух, стенки кузова и груз.
  3. Отсутствие транспортной и потребительской упаковки - тут все понятно.
  4. Почти полное отсутствие потерь аккумулированной грузом тепловой энергии на стадии погрузки. Это в полной мере относится к перевозкам в железнодорожных вагонах-цистернах, танк-контейнерах, автомобильных ёмкостях, где налив груза осуществляется через герметичное отверстие. Несколько не так это обстоит для перевозок во флекси-танках, где в процессе налива груз в значительной степени контактирует с окружающей средой. Однако учитывая сравнительно быстрое время налива (в сравнении со временем обычной погрузки вагона или контейнера), а также ограниченную область контакта груза и воздуха (груз при этом находится в каком-никаком мешке), тепловыми потерями груза на этапе погрузки и в случае флекси-танка также можно пренебречь.

Совсем немного теории

Указанные особенности, как уже было сказано, значительно упрощают создание модели теплообменных процессов и расчет предельного срока. Поскольку запись формул представляет определенную сложность в выбранном способе публикации статьи, я решил воспользоваться вордом, а результат представить в виде сканов:

Страница 1
Страница 2

Указанная модель довольно упрощенная. В ней, например, температура котла цистерны определяется, прямо скажем, очень грубо. Но смысл данной публикации не в ловле блох (хотя и это вещь полезная), а в демонстрации того, что все подлежит расчету и оценке. А главное, как покажем ниже, это может использоваться на практике шире, чем может показаться.

Пример расчета и практического применения

На практике грузоотправителю нужен не предельный срок перевозки груза, а знать, какие параметры транспортного средства потребовать у оператора, чтобы довезти груз с сохранением качества. А также какие параметры он сам должен соблюдать для этого (например, с какой температурой предъявить груз к погрузке).

Ниже я приведу пример расчета для перевозки виноматериалов, содержащих не менее 24 % спирта по объему, при условии, что груз массой 55 т наливается в вагон-цистерну модели 15-1542 с начальной температурой +5 гр. Цельсия. Перевозка груза осуществляется со станции Орехово-Зуево на станцию Базаиха большой скоростью с датой отгрузки 01 декабря. Определим, какую цистерну (с каким коэффициентом K) мы должны взять, чтобы обеспечить условия сохранения качества груза. Расчет я выполнил в Mathcad v15.0 (на просторах интернета можно скачать, rutracker.org + прокси Вам в помощь), ниже привожу наглядный листинг в виде картинок. А для любителей поиграться с параметрами и посмотреть что будет получаться, даю и сам файл для среды Mathcad.

Страница 1
Страница 2

Вывод

На примере показанного расчета видно, насколько важно для обеспечения качества скоропортящегося груза знать теплотехнические параметры транспортного средства. Рефрижераторов это касается, увы, не в меньшей степени (хотя, я знаю, многие ошибочно считают иначе). Кому интересно, что там с рефрижераторами - читаем тут. В общем используем карантин с пользой для саморазвития;-)