9.4.5. Изотермические вагоны
Под термином «изотермический» (греч. isos равный, одинаковый, подобный + греч. thermē жар, тепло – поддерживающих постоянную температуру) подразумевается большой класс специальных вагонов для перевозок, в первую очередь, грузов при определенной заданной температуре. Тем не менее, когда говорят об изотермических вагонах, то обычно подразумевают перевозку скоропортящейся продукции. Для ее сохранения нужно исключить микробиологическую порчу. Этого проще всего достигнуть за счет использования низких температур, при которых нет размножения микроорганизмов. Его не наблюдается, если использовать естественное охлаждение смесью водного льда с солями NaCl, МgCl2, СaCl2.
Приоритет в создании изотермических вагонов принадлежит России. Первые изотермические вагоны-ледники появились в России в 1862 году. Кузова ледников имели теплоизоляцию, а для охлаждения использовался водный лед [9.1].
Затем, позднее нашло применение охлаждением за счет отбора тепла при кипении низкотемпературных веществ. Это достигалось механическим способом в холодильниках. В 1868 году американец Уильям Дэвис (1812-1868) получил патент на железнодорожный вагон с морозильной установкой. С этого времени началось использование механического охлаждения при перевозках грузов – началась эра рефрижераторных (франц. refrigerateur охлаждать – часть холодильного устройства, где происходит испарение жидкости и получается низкая температура; так по имени лишь одной, но важной составляющей холодильную машину сначала стали называть по-новому, а затем это название перекинулось и на специальный железнодорожный подвижной состав) вагонов. В нашей стране расцвет использования механического охлаждения пришелся на середину 60-х годов ХХ века. Наряду с механическим охлаждением, на железнодорожном транспорте используются также все известные виды получения низких температур [9.10].
Изотермические вагоны (их сейчас около 6 тыс. шт.) классифицируем по следующим признакам (см. табл.9.7, рис. 9.21):
- разновидности: термосы, ледники, рефрижераторы, отапливаемые и специальные вагоны;
- термосы: с обычной и усиленной теплоизоляцией;
- ледники: классов А. В и С;
- рефрижераторы: с регулируемой (классы А. В и С) и постоянной (классы D, E и F) температурой;
- отапливаемые вагоны: категорий А и В;
- по создаваемому холодильному эффекту за счет: фазовых переходов, расширения газов и паров; эффекта Пельтье; сорбции и десорбции; магнитного охлаждения и других способов;
- составности использования: автономные вагоны, секции, поезда и контейнеры.
По международной классификации [10] , изотермические вагоны относятся к категории изотермических транспортных средств (ИТС) и представляют собой тип железнодорожного подвижного состава, предназначенный для качественной перевозки грузов при определенной температуре. Это:
- термосы 1 (табл. 9.7, рис. 9.21, 9.22) – ИТС без приборов охлаждения и отопления, у которых теплообмен груза с окружающей средой ограничивается только теплоизоляцией грузового помещения. Термосы бывают с обычной 6 (коэффициент теплопередачи ограждения около 0,6 Вт/(м2×К) и усиленной 7 (коэффициент теплопередачи ограждения менее 0,29 Вт/(м2×К) теплоизоляцией (табл.9.7).
Вагоны-термосы (греч. thermos теплый, горячий – специальный сосуд, предназначенный для хранения содержимого при постоянной температуре), как и вообще термосы поддерживают внутри состояние содержимого в определенных пределах изменения (от 15 до 40 0С) температуры за счет теплоизоляции от окружающей среды. Пределы, в которых происходит изменение температуры внутри термоса,
Рис. 9. 21. Изотермические вагоны (слева-напрво и сверху-вниз): вагоны-ледники с пристенными и потолочными «карманами» охлаждения; автономные: рефрижераторные вагон и контейнер, вагон-термос; рефрижераторные секции и поезда.
Табл. 9.7. Изотермические вагоны
пп |
Показатель классификации |
В а р и а н т ы |
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
|
Разновидности
Термосы
Ледники Рефрижераторы: - с регулируемой t 0С
- с постоянной t 0С
Холодильный эффект от
Отапливаемый вагон
Отопление
Составность использования
Основные части вагона
|
1) Термосы 2) Ледники 3) Рефрижераторы 4) Отапливаемый вагон
6) С обычной изоляцией 7) С усиленной изоляцией
8) Категория А (менее 7оС) 9) Категория В (менее -10 оС) 10) Категория С (менее -20 ОС)
11) Категория А (от 12 до 0 оС) 12) Категория В ( от 12 до -10ОС) 13) Категория С (от 12 до -20 оС)
14) Категории D (около 2 ОС) 15) Категории Е (около -10 оС) 16) Категории F (около -20 оС)
17) Фазовых 18) Расширения газов 19) Эффекта Пельтье 20)Сорбции- 21) Магниного 22) Других методов превращений и паров десорбции охлаждения
23) Категории А (при наружной температуре -10 оС) 24) Категории В (при наружной температуре -20 оС)
25) Электрическое отопление 26) Печное отопление
27) Автономные вагоны 28) Секции 29) Поезда 30) Контейнеры
31) Основные вагонные части 32) Специфические изотермические части |
Исполнение |
|
|
Примечание: ИТС – изотермическое транспортное средство |
||
Рис. 9. 22. Схематическое изображение классификационных признаков табл. 9.7.
должны соответствовать температурному диапазону хранения груза. История появления вагонов-термосов на наших железных дорогах связана с эксплуатацией автономных рефрижераторных вагонов, АРВ. По мере их использования АРВ выходили из строя по причинам, связанным, прежде всего с кражами дефицитных и дорогостоящих элементов холодильных машин из-за их недостаточной защиты вагонов от злоумышленников. Дальнейшая эксплуатация АРВ зависела от затрат на восполнение комплектности вагонов. Порой их не хватало. Для недопущений простоя таких вагонов появилось предложение об их использовании как термосов. Полученный опыт эксплуатации таких термосов послужил даже заказу в Германии партии специальных вагонов-термосов. Однако дальнейшего распространения вагоны-термосы у нас не получили.
Опыт применения термосов накоплен в мире большой: в домашнем, в сельском хозяйстве, промышленности и т.д. Так, Греция для экспортирования клубники использует термосы с предварительной заморозкой ее в «сухом льде» [9.11]. Они добились того, что без размораживания клубнику удается сохранить в течение не менее 50 дней при любой внешней температуре, т.е. предложить ее практически всему миру. Как оказалось, дальность, и длительность перевозок определяются глубиной заморозки, надежностью теплоизоляции и хорошей герметизацией термоса.
Ледники 2 (табл. 9.7, рис. 9.21, 9.22) – ИТС, в которых при помощи источников холода (за исключением холодильных машин) внутри пустого грузового помещения при наружной температуре +30 0С можно поддерживать меньшую температуру: ледники категории А, (8) – до 7 0С, категории В, (9) – до минус 10 0С и категории С, (10 табл. 8. 7) – до минус 20 0С.
Хотя этот тип подвижного состава в нашей стране не выпускается с 1965 года и не используется в настоящее время, трудно согласиться с его подобной участью. За ледники «голосуют» особые климатические условия нашей страны, бесплатный природный источник энергии – холод, неисчерпаемые его ресурсы (почти 9 месяцев в году) и умение нашего народа рационально обращаться с ним. Мы верим, что ледники в нашей стране возродятся, и благодаря ним, стоимость перевозок, а, следовательно, и стоимость перевозимых в них продуктов может быть значительно понижена. Простота конструкции, надежность «холодильной машины» и небольшая начальная стоимость будут тому надежной порукой.
Все выше сказанное относится к ледникам с льдосоляной системой охлаждения 19 (табл.9.7) , в которых за счет таяния механической смеси водного и различных солей можно понижать температуру до -21,2 оС при использовании 22,4% NaCl; до -33,6 оС при использовании 20% MgCl2 и до -55 оС, если в водном льде будет находиться 29,9% CaCl2.
На зарубежных железных дорогах используется в ледниках сухой лед – твердая углекислота. Такие ледники называют зероторами (фр. zero – нулевое очко, нуль). Внутри грузового помещения в них можно получать температуру при сублимации (возгонке) сухого льда до -78 оС, а при использовании его в смеси с серной кислотой – до -82 оС. Однако экономика использования таких ледников уже совершенно другая: технология получения сухого льда пока еще достаточно дорога и широкое использование таких вагонов, как видно, - не близкая перспектива.
Рефрижераторы (‹лат. refrigerateur охлаждать – часть холодильного устройства -испаритель, где происходит испарение жидкости и получается низкая температура) 3 (табл. 9.7, рис. 9.21, 9.22) – ИТС, в которых при помощи холодильной машины можно понижать температуру внутри пустого грузового помещения и поддерживать ее в дальнейшем на постоянном уровне при средней наружной температуре +30 оС. При этом различают рефрижераторы: с регулируемой внутренней температурой - А (+12 …0 оС), В (+12 … -10 оС), С (+12 … -20 оС) и с постоянным уровнем температуры - D (t ≤ +2 оС), E (t ≥ -10 оС), F (t ≥ -20 оС). (Отметим здесь следующую трансформацию. Как известно, в холодильной машине среди прочих есть две части: морозильник – испаритель и холодильная камера. Название первой, - «рефрижератор» постепенно перешло на обозначение всей холодильной машины).
В настоящее время относительное разнообразие рефрижераторного подвижного состава (РПС) на наших железных дорогах свелось к использованию автономных рефрижераторных вагонов (АРВ) вагоностроительного завода Дессау (ГДР-ФРГ), пятивагонных рефрижераторных секций производства Брянского машиностроительного завода (5БМЗ) и ГДР (ZB5). Они воплотили в себе наиболее перспективные и эффективные технологии в холодильном транспортном машиностроении и сохраняют неизменными характеристики подвижного состава на достаточно длинном временном промежутке.
Рис. 9.23. Схема автономного рефрижераторного вагона
Автономный рефрижераторный вагон (АРВ) относится к универсальному типу подвижного состава, предназначенному для перевозок скоропортящихся грузов между станциями с объемом погрузки-выгрузки до 3000 тонн в год на специально выделенных маршрутах без сопровождения человеком.
АРВ (рис. 9.23) оборудованы двумя энергохолодильными установками, которые размещаются в торцевых отсеках вагона.
Каждая такая установка состоит из дизель-генератора, холодильной машины с приборами отопления и системы автоматического управления ее работой. Один из дизель-генераторных агрегатов работает в постоянном режиме, другой – автоматически включается в работу по мере необходимости.
Холодильная установка блочная, съемная. Все ее элементы смонтированы на одной раме.
Кузов вагона выполнен цельнонесущим, имеет подкрепленную цельнометаллическую наружную оболочку толщиной до 2,5 мм, теплоизоляцию из пенополистирола толщиной до 300 мм и внутреннюю гигиеническую оболочку из алюминия толщиной до 2 мм. За счет вспененных материалов теплоизоляции вся конструкция кузова объединяется в одно целое, в единую трехслойную оболочку, называемую «сэндвич». Это значительно повышает несущую способность конструкции.
На боковых стенах вагона имеются шиберные двери прислонного типа.
Равномерность распределения температур по объему грузового помещения достигается специальной системой циркуляции. Для сбора и удаления конденсата из вагона в углах грузового помещения установлены спускные трубы с гидравлическими затворами; снаружи - они закрыты специальными крышками.
При перевозках грузов температура в вагоне может поддерживаться автоматически в пределах от +14 до – 20 оС при температуре наружного воздуха от минус 45 до +40 оС.
Охлаждение свежих овощей и плодов происходит в таком вагоне не более чем за 60 часов.
Пятивагонная рефрижераторная секция БМЗ, 5 БМЗ, (рис.9.24) состоит из четырех грузовых и одного служебного вагонов. Она предназначена для перевозок разнообразных скоропортящихся грузов в пределах от +12 до – 20 оС при температуре наружного воздуха от -45 до +36,6 оС между станциями с объемом погрузки-выгрузки до 8000 тонн в год.
Конструктивные особенности кузова 5БМЗ принципиально не отличаются от кузова АРВ. Основные отличия заключены в компоновке внутреннего оборудования грузового вагона.
Грузовой вагон секции 5 БМЗ имеет одно машинное отделение, в котором помещаются один над другим два компрессорно-конденсаторных агрегата и пускорегулирующая аппаратура. Испарители обеих холодильных машин выведены в грузовое помещение с одной стороны вагона и объединены в общий воздухоохладитель, над которым размещены электрические печи обогрева грузового помещения, а печи для снятия «снеговой шубы» - под ним. Температурный режим в вагоне может регулироваться автоматически и вручную дистанционно из служебного вагона.
В служебном вагоне установлено две дизель-генераторные установки мощностью по 75 кВт каждая. Они обслуживаются двумя механиками, для работы и отдыха которых выделены специальные зоны.
Рис.9.24.
Вагоны рефрижераторных секций: а
– грузовой вагон; б – вагон-дизель-электростанция;
1 – дизельное отделение;
2 – служебное отделение; 3 – салон-кухня;
4 – котельная; 5
– туалет; 6 – отделение для отдыха; 7 -
аккумуляторная
В топливных танках помещается до 7,5 тонн топлива в расчете на работу дизель-генераторных установок в течение восьми суток.
Пятивагонная рефрижераторная секция ZB 5 по схеме состава аналогична секции БМЗ. Имеет подобный ей служебный вагон (исключение: в вагоне есть вспомогательный дизель-генераторный агрегат мощностью около 15 кВт). Все грузовые вагоны по конструкции, теплотехническим характеристикам и холодильному оборудованию унифицированы с АРВ (исключение: в машинном отделении нет дизель-генераторных установок).
Регулирование температурного режима перевозки может осуществляться автоматически и вручную.
Как видно, охлаждающий эффект можно получить естественно (за счет теплообмена с окружающей средой) и искусственно (за счет использования холодильной машины) [9.10].
Колебания температуры в природных условиях создают возможность сохранения или аккумуляции естественного холода. Наиболее распространенным методом, сохраняющим естественный холод, является водный лед. Его охлаждающий эффект при плавлении составляет 335 кДж/кг.
В практических условиях для передачи холода применяют специальные устройства, работа которых осуществляется при дополнительной затрате энергии. Современная холодильная техника умеренно низких температур работает в диапазоне от близких к окружающей среде и ниже, до 273 0К. Для получения низких температур на железнодорожном транспорте используют фазовые переходы 17 (табл. 9.7) при плавлении солевых растворов в ледниках, расширение газов и паров 18 в рефрижераторах, полупроводниковый эффект Пельтье 19 в малых холодильных установках пассажирских вагонов, сорбционно-десорбционные явления 20. Магнитное охлаждение 21, эффект растворения 3Не в 4Не, кристаллизация 3Не и другие специальные методы 22 получения низких температур на железнодорожном подвижном составе пока не применяются.
Отапливаемые транспортные средства – это ИТС, в которых при помощи отопительной установки можно повышать температуру внутри пустого грузового помещения до +12 0С и выдерживать ее не менее 12 часов при минусовой окружающей температуре. В зависимости от этого, различают ИТС категории А (23) работающей при окружающей температуре до минус 10 0С и категории В (24)(табл. 9.7) - при температуре до минус 20 0С.
Отопление в изотермических вагонах нечастое явление, так как не так много продуктов, требующих при перевозках положительных температур. Поэтому большого разнообразия в использовании отопительных приборов пока не наблюдается. Чаще всего используется в энергонесущих, рефрижераторных вагонах электрическое отопление 25 (табл. 9.7), а в ледниках – местное, печное 26 или же используется биологическое от тепловыделений перевозимых продуктов. Для перевозок в температурном диапазоне от +20 до -25 0С небольших партий груза имеется возможность использовать реверсивные кондиционеры с воздушным отоплением/охлаждением.
О составности использования мы уже говорили (см. табл. 2.1). Контейнеры – рассмотрим ниже.
Изотермические вагоны имеют:
- ходовые части, которые предназначены не только для направления движения, но и для создания необходимого уровня плавности хода в кузове вагона для обеспечения сохранности грузов;
- кузов с теплоизоляцией, в котором размещается груз и обеспечивается его сохранность;
- холодильное оборудование, которое обеспечивает создание внутри кузова температуры, необходимые для перевозок грузов;
- системы отопления для создания внутри грузового помещения в требуемых случаях температуры до +12 0С;
- энергосиловое оборудование для выработки энергии, питающей приборы и оборудование вагона;
- систему циркуляции для обеспечения равномерного распределения температур в грузовом помещении (колебания не более ±1,5 0С по всему объему);
- систему вентиляции для создания воздухообмена в грузовом помещении при перевозках «живых» грузов;
- систему контроля и автоматики для обеспечения работы оборудования в автоматическом режиме.
В настоящее время в эксплуатации находится около 6 тыс. изотермических вагонов, состоящих, в основном, в составе пяти вагонных рефрижераторных секций. Если следовать международной классификации ИТС, то у нас используются рефрижераторы с регулируемым уровнем температуры категорий В и С.