Моделирование поведения котла цистерны в очаге пламени тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Головин, Виталий Владимирович

• Головин, Виталий Владимирович
• кандидат технических наук
• 0

Оглавление диссертации кандидат технических наук Головин, Виталий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. КРАТКИЙ ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЦИСТЕРН И МЕТОТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОТЁЛ ЦИСТЕРНЫ.

1.1. Конструктивные особенности котлов цистерн.

1.2. Обзор исследований напряженно-деформированного состояния котлов цистерн.

1.3. Методы исследования поведения котлов при тепловых воздействиях.

1.4. Выводы по главе.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ КОТЛА ЦИСТЕРНЫ В ОЧАГЕ ПЛАМЕНИ.

2.1. Уравнение теплопроводности.

2.2. Начальные и граничные условия.

2.3. Вариационная трактовка задачи.

2.4. Аппроксимация температурного поля.

2.5. Порядок интегрирования уравнений для отыскания коэффициентов ряда аппроксимации температуры.

2.6. Результаты расчетов с применением разработанной методики.

3. УЧЁТ СОСТОЯНИЯ ПЕРЕВОЗИМОГО ПРОДУКТА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНО

ПОЛЯ КОТЛА ЦИСТЕРНЫ ОТ ВОЗДЕСТВИЯ НАРУЖНОГО

ИСТОЧНИКА ТЕПЛА.

3.1. Принятые допущения.

3.2. Определение температуры продукта.

3.3. Определение давления продукта при нагреве.

3.3.1. Изменение объёма жидкой фазы.

3.3.2. Определение давления газовой смеси.

3.4. Определение коэффициента теплоотдачи от котла к продукту.

3.5. Алгоритм определения нестационарного поля котла с учётом состояния продукта.

3.6. Результаты расчетов с применением разработанной методики.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОБОЛОЧКИ В ОЧАГЕ ПЛАМЕНИ.

4.1. Схема опытной установки.

4.2. Методика проведения эксперимента.

4.3. Обработка результатов эксперимента.

4.4. Результаты эксперимента.

4.5. Сравнение результатов расчета и эксперимента.

4.6. Экспериментальное определение свойств защитного покрытия.

4.7. Выводы по главе.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование поведения котла цистерны в очаге пламени»

Актуальность работы.

Перевозка грузов по железным дорогам в цистернах занимает одно из важнейших мест в общем объеме перевозок. Это связано, с одной стороны в значительных потребностях различных отраслей промышленного производства в подобных грузах, а с другой стороны, с высокой экономической эффективностью применения железнодорожных цистерн.

Нефтебензиновые цистерны - наиболее широко применяющаяся разновидность цистерн в нашей стране. Они должны соответствовать требованиям безопасной эксплуатации на сети железных дорог в условиях постоянного ужесточения условий эксплуатации, необходимости обеспечения экологической безопасности. Все это побуждает конструкторов уделять повышенное внимание поведению цистерны в аварийных ситуациях и разрабатывать различные способы защиты.

Одним из наиболее опасных аварийных режимов является попадание котла цистерны в очаг действия открытого пламени (пожар), особенно при наличии в котле перевозимого груза.

Значительное локальное повышение температуры котла в очаге пламени влияет на напряженно-деформированное состояние котла в двух аспектах. Во-первых, сами температурные перепады вызывают напряжения в оболочке, а во-вторых, при нагреве существенно изменяются механические характеристики металла котла, что в условиях действия внутреннего давления приводит к дополнительным, весьма значительным деформациям и напряжениям.

Рис.2

На рис. 1 и 2 показаны фотографии последствий подобных аварийных воздействий. Из приведенных снимков можно заключить, что разрушение котла произошло как вследствие тепловых деформаций в процессе пожара, так и из-за взрыва. В результате действия на котел открытого пламени весьма вероятен пролив перевозимого продукта и угроза экологии окружающей местности.

Направления работы в этой области связаны, во-первых, с исследованием сценариев аварийных ситуаций при воздействии открытого пламени на котел цистерны. Важным этапом работы в этом направлении явились разработанные ВНИИПО совместно с МИИТом дополнения к «Нормам.» [1], содержащие сценарии аварийных ситуаций.

В результате основное внимание исследователей перемещается на второе направление исследований - разработку способов защиты и предотвращения катастрофических последствий аварийных воздействий. Способ защиты путем установки соответствующей сливо-наливной арматуры можно считать достаточно глубоко проработанным.

Один из наиболее эффективных способов защиты котла от подобных воздействий состоит в нанесении огнезащитного покрытия на поверхность котла. Главная задача подобного покрытия - в случае возникновения пожара дать время формированиям противопожарной обороны на развертывание и применение средств пожаротушения. Предотвращение разрушения оболочки в течение гарантированного интервала времени достигается за счет изменения свойств покрытия при повышении температуры и ограничения теплового потока к котлу.

Причем следует отметить, что данная проблема исследована мало. В этом направлении необходимо, с одной стороны, иметь возможность определения расчетным путем температурного поля котла при действии открытого пламени для оценки прочности несущей оболочки котла в зоне действия открытого пламени. С другой стороны, требуется методика для учета и выбора параметров огнезащитного покрытия при пожаре.

Цель и задачи работы.

Главной целью настоящей диссертационной работы является моделирование нестационарного температурного поля котла нефтебензиновой цистерны в очаге пламени с возможностью учета огнезащитного покрытия.

Для реализации цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

- разработка математической модели нестационарного температурного поля котла цистерны;

- разработка математической модели поведения перевозимого груза в котле цистерны при действии на котле внешнего теплового потока;

- компьютерное моделирование тепловых процессов, происходящих при воздействии открытого пламени на котёл цистерны, с использованием разработанной математической модели;

- оценка эффективности способа защиты котла цистерны при помощи нанесения наружного огнезащитного покрытия;

-экспериментальное исследование специально сконструированных образцов с применением огнезащитного слоя.

Научная новизна.

Разработана математическая модель, алгоритм и программа определения температурных полей при действии открытого пламени на котёл цистерны. В математической модели использованы двойные тригонометрические ряды для аппроксимации температурного поля котла, а также учитывается поведение груза при нагреве котла.

Теоретически и экспериментально исследована эффективность огнезащитного покрытия СГК-2 для защиты котлов цистерн от пожара.

Практическая ценность.

Предложенные средства моделирования позволяют на стадии проектирования цистерн определять температурное поле котла от аварийных тепловых воздействиях и разрабатывать средства защиты котлов.

С помощью разработанных средств теоретически определено температурное поле котла нефтебензиновой цистерны при действии открытого пламени.

Подтверждена высокая эффективность способа защиты котлов цистерн от действия открытого пламени путем нанесения огнезащитного покрытия.

Общее содержание работы.

Объектом исследования в данной работе является котёл цистерны. Краткий обзор особенностей конструкции и существующих методов расчёта котлов цистерн по литературным источникам приведён в главе 1.

В главе 2 рассматривается поведение котла цистерны при действии открытого пламени. Излагается разработанная методика определения температурного поля, которое является исходным для вычисления напряженно-деформированного состояния.

Глава 3 посвящена разработке методики учёта состояния перевозимого груза при определении нестационарного температурного поля котла цистерны.

В главе 4 описывается методика и приводятся результаты экспериментального исследования поведения модели оболочки в очаге пламени. Исследование проводилось с целью проверки достоверности разработанной методики, а также оценки эффективности способа защиты котла цистерны при помощи нанесения наружного огнезащитного покрытия.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Головин, Виталий Владимирович

Выводы по диссертации

1. Применение тригонометрических рядов для аппроксимации температурного поля позволяет для рассматриваемого класса оболочечных конструкций существенно упростить расчетные зависимости и сделать алгоритм и программу определения температурного поля котла цистерны более эффективными.

2. При определении поведения котла в очаге пламени необходимо учитывать влияние состояния жидкого груза с точки зрения повышения температуры и давления. Предложена методика определения температурного поля котла цистерны с учетом состояния перевозимого груза.

3. Значение коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности котла цистерны существенно влияет на температурное поле. Это делает возможным защиту котлов цистернам от воздействия открытого пламени путем нанесения защитного покрытия.

4. На основе разработанной методики расчетным путем исследовано переменное во времени температурное поле котла нефтебензиновой цистерны.

5. Максимальное значение температуры в котле цистерны составило 610°С. Влияние повышения температуры на механические свойства котла цистерны необходимо учитывать при определении его напряженно-деформированного состояния.

6. Достоверность предложенной методики расчета подтверждена результатами экспериментального исследования температурного поля модели оболочки в очаге пламени.

7. Экспериментальным путем получен закон изменения во времени температуры оболочки при действии открытого пламени на котёл цистерны. Исследован характер распределения температур в точках, по-разному удаленных от центра очага пламени.

8. Оценено влияние защиты с применением покрытия СГК-2 на уровень температур оболочки и время достижения уровня наибольших температур. Выявлена высокая эффективность рассмотренного способа защиты.

9. Экспериментальным путем получена зависимость для определения коэффициента теплоотдачи при наличии огнезащитного покрытия котла.

10. Предложенная методика расчетного определения температурного поля может использоваться на этапе проектирования цистерн при определении НДС котлов цистерн при аварийном действии открытого пламени, а также для выбора зон и толщин огнезащитного покрытия, наносимого на котлы цистерн. Применение методики позволяет исключить проведение дорогостоящих экспериментов на натурных образцах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Головин, Виталий Владимирович, 0 год

1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). Изменения и дополнения. М.: Изд-во ГосНИИВ - ВНИИЖТ, 2000. - 26 с.

2. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР (альбом). М.: Транспорт, 1982. -111 с.

3. Железнодорожная цистерна / А.с. 287090 СССР, МКИЗ В 61С 9/50; МИИТ (СССР); Заявл. 20.09.70 // Открытия. Изобретения. 1970. - №35. -83 с.

4. Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов: Справочное пособие. М.: Издательство стандартов, 1993. - 215 с.

5. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1966. - 275 с.f 6. Котуранов В.Н. Уточнённый расчёт напряжений в цилиндрических частях котлов // Вагоны / Под ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1980.-С. 367-378.

6. Болотин М.М. Исследование напряжённого состояния котлов цистерн с учётом основных конструктивных особенностей их оболочек и узлов: Автореф. Дисс. канд. техн. наук: 05.182 / МИИТ. М., 1971. - 23 с.

7. Анализ напряжённого состояния и других качеств восьмиосной цистерны: Отчёт о НИР / МИИТ; Руководитель Л.А. Шадур. М., 1964. - Ч.И. -136 с. - Отв. Исполн. В.Н. Котуранов.

8. Анализ напряжённого состояния и других качеств восьмиосной цистерны: Отчёт о НИР / МИИТ, ЦНИИ МПС, ВНИИВ; Руководитель Л.А.

9. Шадур. М., 1965.- 4.V. -143 с. - Отв. исполн. О.Г. Бойчевский, Н.В. Доj родницына, В.Н. Котуранов, М.Л. Каменомост, Г.М. Чернявский.

10. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966.-635 с.

11. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек.- М.: Судпромгиз,1962.-344с.

12. Черных К.Ф. Линейная теория оболочек. 4.I. Общая теория оболочек. Л.: Изд-во ЛГУ, 1962.- 274 с.

13. Лурье А.И. Статика тонкостенных упругих оболочек. М.: Гостехиз-дат, 1947.- 252 с.

14. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976.-512 с.

15. Кан С.Н. Строительная механика оболочек. М.: Машиностроение, 1966.-508 с.

16. Котуранов В.Н., Пашарин С.И. Исследование напряжений в котлах железнодорожных цистерн с учётом ступенчатого изменения толщины их оболочек // Сб. Науч. тр. / МИИТ.-1971.- Вып. 368: Колебания и прочность большегрузных вагонов. С. 128-142.

17. Шадур Л.А., Котуранов В.Н. Применение моментной теории оболочек для расчёта котла цистерны. Разд. 107. Гл. XII // Вагоны / Под ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1973. - С. 374-383.

18. Власов В.З., Мрощинский А.К. Контактные задачи по теории цилиндрических оболочек, подкрепленных продольными ребрами // Исследования по вопросам теории и проектирования тонкостенных конструкций. М.: Стройиздат, 1950.- С.76-92.

19. Котуранов В.Н., Медведев В.П. Исследование напряжённого состояния оболочек котлов железнодорожных цистерн с учётом упругости днищ // Сб. науч. тр. / МИИТ. -1971. Вып. 368: Колебания и прочность большегрузных вагонов. - С. 143-166.

20. Кан С.Н., Свердлов И.А. Расчёт самолета на прочность: Учеб. для авиац. вузов. М.: Машиностроение, 1966.- 519 с.

21. Кан С.Н. Влияние упругости шпангоутов на их прочность // Труды ВВИА им. Жуковского. 1950. - Вып. 390. - С. 55-68.foe

22. Ростовцев Г.Г. Изгиб чистого кольца // Прочность и устойчивость элементов тонкостенных конструкций / Под ред. Е.Н. Тихомирова. М.: Машиностроение, 1967. - Вып. 2. - С. 42-49.

23. Иммерман А.Г. Расчёт ортотропной круговой цилиндрической оболочки на поперечную нагрузку // Расчёт пространственных конструкций. -М.: Госстройиздат, 1955.- Вып. 3.- С.112-127.

24. Hoff N.J. Stress in a reinforced cylinder // Journal of Appl. Mech. -1949. -№3. P. 17-24.

25. Балабух Л.И., Шаповалов Л.А. Контактные задачи сопряжения без-моментных оболочек вращения с упругими кольцами // Изв. АН СССР. -1962. №4. - С. 52-67.

26. Балабух Л.И. Прочность и устойчивость шпангоутов, связанных тонкой обшивкой // Труды ЦАГИ. -1949.- Вып. 681. С. 70-81.

27. Искрицкий Д.Е. Строительная механика элементов машин. Л.: Судостроение, 1970. - 448 с.

28. Захарова А.П. Изгиб консольной цилиндрической оболочки, подкрепленной жёстким кольцом, нагруженным радиальной силой // Прочность цилиндрических оболочек / Под ред. В.М. Даревского. М.: Оборонгиз, 1959.-С. 17-36.

29. Агапов А.Ю. Напряженно-деформированное состояние котлов специализированных цистерн, имеющих конструктивные нерегулярности: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.22.07 / МИИТ. М., 1987.- 24 с.

30. Чугунов Г.Ф. Теоретическое и экспериментальное исследование напряжённого состояния котла безрамной цистерны, подкрепленного кольцевыми элементами жёсткости: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.182 / МИИТ.- М., 1971.- 22 с.

31. Котуранов В.Н. Методы исследования напряженно-деформированного состояния котлов железнодорожных цистерн: Автореф. дисс. . докт. техн. наук: 05.05.02 / МИИТ.- М., 1973.- 46 с.f07

32. Алексюткин Б.А. Исследование напряжённого состояния и выбор рациональных конструктивных схем котлов цистерн для перспективных габаритов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.05.01 / МИИТ.- М., 1977. -20 с.

33. Павленко С.Т. Экспериментально-теоретическое изучение напряжённо-деформированного состояния цилиндрической оболочки сосуда с накладками: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 01.02.03 / УрЭМИИТ. -Свердловск, 1987. 22 с.

34. Овечников М.Н. Выбор рациональных параметров оболочки и подкрепляющих элементов котла железнодорожной цистерны: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.22.07 / МИИТ. М., 1986. - 24 с.

35. Чугунов Г.Ф, Лалуев Е.А., Миклашевская Л.Н. К вопросу формирования матрицы жёсткости оболочки вращения с произвольным меридианом // Сб. науч. тр. / Тульский политехнический ин-т. 1977. - Вып.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - С. 33-47.

36. Огибалов П.М. Вопросы динамики и устойчивости оболочек. М.: Изд-во МГУ, 1963.-420 с.

37. Вольмир А.С. Нелинейная динамика пластинок и оболочек. М.: Наука, 1972.-432 с.

38. Флюгге В. Статика и динамика оболочек. М.: Госстройиздат, 1961. -306 с.

39. Справочник по динамике сооружений / Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича. М.: Стройиздат, 1972.- 512 с.1. Ов

40. Филиппов А.П. Колебания деформированных систем. М.: Машиностроение, 1970. - 734 с.

41. Courant R. Variable methods for the solution of problems of equilibrium and vibration. Bull. Amer. Math. Soc., 1943. - Vol. 49, №1. - P.47-64.

42. Морзинова Т. Г. Колебания оболочек котлов цистерн с учётом их конструктивных особенностей: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.05.01 / МИИТ.-М., 1983.-24 с.

43. Осипов Т.А. Исследование динамических характеристик котлов большегрузных цистерн и напряжённого состояния их подкрепленных конструкций: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.182 / МИИТ. М., 1968.- 23 с.

44. Корниенко Н.А. Динамическая нагруженность котлов железнодорожных цистерн при импульсных воздействиях: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.22.07 / МИИТ. М., 1994. - 22 с.

45. Антоненко Э.В. Напряжённое состояние цилиндрических оболочек с упругими шпангоутами // Изв. вузов. Сер. Авиационная техника. 1964. -№3. - С. 63-74.

46. Нестационарные температурные поля в замкнутых оболочках вращения: отчет / предприятия: Руководитель работ A.M. Макаров. Отв. исполнитель М.Р. Романовский. Тема №76001; Инв. №3056. - Балашиха, 1979.-33 с.

47. Агупова Т.А. Исследование нестационарных температурных полей в элементах криогенных резервуаров в режиме заполнения их криопро-дуктом: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.04.03 / НПО "Криогенмаш". -М., 1990.-18 с.

48. Афонина В.П. Исследование нестационарных температурных полей в однопоточных теплообменных аппаратах криогенной техники: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.04.03 / НПО "Криогенмаш". М., 1993.22 с.

49. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам крио-геники. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 432 с.

50. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник. М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

51. Гейтвуд Б.Е. Температурные напряжения применительно к самолетам, снарядам, турбинам и ядерным реакторам: Пер. с англ. Диментбер-га М.Ф., Житомирского В.К., Красонтовича Ю.Ф. М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. - 349 с.

52. Чугунов Г.Ф., Азовский А.П. Определение температурного поля котла цистерны от неравномерного нагрева / Труды МИИТа "Динамика, прочность, экономика и ремонт восьмиосных вагонов". Вып. 530. М., 1976. -0,46 п.л.

53. Филиппов В.Н., Шевчук А.П. и др. Пожаровзрывобезопасность перевозок сжиженных углеводородных газов железнодорожным транспортом. / Пожаровзрывобезопасность 3'93. Балашиха-6: "Пожнаука", 1993.-С.35-39.

54. Шебеко Ю.Н., Филиппов В.Н. и др. Способы противопожарной защиты резервуаров со сжиженными углеводородными газами / Пожаровзрывобезопасность 4'99. Балашиха-6: "Пожнаука", 1999. - С. 33-42.

55. Беспалько С.В. Разработка и анализ моделей повреждающих воздействий на котлы цистерн для перевозки криогенных продуктов: Авто-реф. дисс. . докт. техн. наук: 05.22.07 / МИИТ, 2000. 47 с.

56. Комарова Т.А. Повышение эффективности слива вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.22.07, 01.04.07 / ПГУПС МПС РФ С.-П., 2003. - 22 с.

57. Михлин С.Г. Курс математической физики. М.: Наука, 1968. - 576 с.

58. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник. М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

59. Болховитинов Г.Ф., Григорьев С.Н. Тепловые машины и установки железнодорожного транспорта.-М.: Транспорт. 1976.-280 с.

60. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.-М.:Энергоиздат. 1981.-417 с.

61. Головин В.В. Теоретическое и экспериментальное исследование температурного поля оболочки при действии открытого пламени.-М.: Моск. Гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ), 2004 -12с.: ил-3, Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. В ВИНИТИ. 23.03.2004.