Смерзающихся насыпных грузов

3.2.1. Смерзающиеся грузы. Общие понятия. Смерзающимися грузами называются грузы однородных мелких фракций, которые при перевозке их с влажностью более безопасной в отношении смерзаемости и при температуре ниже 0°С теряют свойства сыпучести.

Отправитель должен перед предъявлением к перевозке смерзающихся грузов в холодное время года принять соответствующие профилактические меры, предупреждающие или значительно снижающие степень промораживания, и указать это в перевозочных документах. Железнодорожная станция может принять к перевозке груз без профилактики, если отправитель имеет письменное согласие грузополучателя на прием перевозимого на таких условиях груза, и возможность обеспечения его своевременной выгрузки, о чем делается отметка в перевозочных документах [1].

Смерзшийся груз представляет собой массу, в которой отдельные частицы сцементированы между собой замерзшей влагой - льдом. Чем выше влажность насыпных грузов, тем больше их сопротивление сжатию при той же температуре. Прочность смерзания груза повышается при увеличении его влажности до момента полной влагоемкости. Большинство грузов перевозятся с влажностью менее влагоемкости, с так называемой суммарной влажностью. Значение суммарной влажности изменяется в широких пределах в зависимости от рода груза, способов добычи, условий хранения до отгрузки потребителю, фракционного состава и других факторов. Так, гранитный щебень с фракциями 10-20 мм имеет суммарную важность 6-7%, а пылевидные глины – 50%.

Суммарная влажность зависит от характера связи воды с твердыми частицами груза, агрегатного ее состояния и подвижности влаги. Она может быть разделена на две категории: свободная и связанная (приграничная и внутренняя). Свободная замерзает при температуре 0°С. Приграничная влага, частично входящая в свободную, называется влагой переменного фазового состояния, и замерзает ниже 0°С, в зависимости от свойств груза в переделах от -0,1 до -3°С, эта температура и считается температурой замерзания груза. Прочно связанная внутренняя влага не замерзает и при температуре до -70⁰С, но она не влияет на прочность смерзшегося груза. Для профилактики смерзания насыпного груза достаточно удалить свободную и часть приграничной влаги, оставшаяся влага называется безопасной в отношении смерзаемости.

Подготовка смерзающихся грузов к перевозке в холодный период года может производиться на основе следующих принципов: понижение влажности, промораживание, внесение в массу груза при погрузке специальных профилактических средств.

Правила перевозок смерзающихся грузов на железнодорожном транспорте [1] регламентируют сроки проведения профилактических мероприятий в зависимости от географического расположения отправителя и получателя, а также рекомендуют профилактические средства для конкретных грузов, их массу и способы применения.

3.2.2. Подготовка к перевозке смерзающегося груза. На основании заданного преподавателем конкретного наименования груза, маршрута его перевозки и периода года студенты должны описать способы профилактики смерзаемости этого груза, средства профилактики и рассчитать необходимый расход профилактических материалов.

П р и м е р: Определить средства профилактики по предупреждению смерзаемости груза «Глина каолиновая» при перевозке в пределах Свердловской железной дороги.

Р е ш е н и е: Согласно [2] глина каолиновая перевозится в полувагонах с люками; в сухом состоянии в виде коржей, полученных в сушильных агрегатах. При отсутствии сушильных агрегатов у отправителя глина каолиновая должна перевозиться в предварительно промороженном состоянии, в виде кусков с пересыпкой между кусками сухого каолина. Сроки профилактики с 1 октября до 1 апреля.

3.2.3. Рассчитать основные показатели смерзшегося груза. Характеристика смерзшегося насыпного груза в пункте назначения и его основные показатели, влияющие на восстановление сыпучести и продолжительности этого процесса зависят от величины отрицательных температур наружного воздуха, теплофизических свойств грузов, продолжительности перевозки и проведения профилактических мероприятий перед погрузкой. Различают следующие виды смерзаемости: корковое, при величине смерзшегося слоя менее 5 см; смерзание груза с талым ядром, окруженным смерзшимся слоем различной величины более 5 см; смерзание в монолит с температурой в центре груза равной или ниже температуры замерзания. Подробные исследования процессов смерзаемости, многочисленных факторов, влияющих на интенсивность смерзаемости, профилактику и восстановление сыпучести изложены в специальной литературе [10,11].

В рамках практических занятий определяются только основные показатели смерзшихся грузов, влияющие на выбор способов восстановления сыпучести и расчета времени разогрева или рыхления. К таким показателям относятся: глубина смерзшегося слоя, коэффициент смерзаемости, температура поверхности и прочность на сжатие.

Исходные данные для расчетов задаются номером варианта по табл. 3.1 и 3.2, а постоянные теплофизические характеристики – по табл. 3.3.

1. Глубина смерзшегося слоя h_СМ находится на основе отношения количества тепла, переданного через этот слой в атмосферу в процессе перевозки, к суммарному количеству тепла, выделенного в процессах: охлаждения талого груза, фазовых переходах из воды в лед и при дальнейшем охлаждении смерзшегося груза

где h_СМ – глубина смерзшегося слоя, м;

К – коэффициент конвективного обмена, К=1,1;

λ_СМ – коэффициент теплопроводности смерзшегося слоя, Вт/(м·⁰С);

τ – продолжительность перевозки, ч;

С_Т, С_СМ – объемная теплоемкость талого и смерзшегося груза, кДж/(м³·⁰С);

С_Ф – теплота фазовых переходов, С_Ф=335·10³ кДж/м³;

t_Н, t_З, t_К – соответственно температура груза начальная, замерзания, конечная, ⁰С (значения температур в этом выражении принимаются к расчету по модулю);

W, W_Б – суммарная и безопасная в отношении смерзаемости влажность, доли единицы;

3,6 – коэффициент пропорциональности.

Таблица 3.1

Характеристика груза

Показатели	Номер варианта
Наименование груза	песок	песок	уголь 0-6 мм	уголь 0-6 мм	руда 0-5 мм	Руда 0-5 мм
Объемная масса ρ, т/м3	1,5	1,4	0,9	0,85	1,8	2,0
Суммарная влажность W,%	15,0	10,0	10,0	15,0	12,0	10,0
Начальная температура груза tН, 0С
Прочность на сжатие талого груза σТ, МПа	0,2	0,2	0,15	0,15	0,25	0,25

Таблица 3.2

Характеристика условий перевозки и выгрузки

Показатели	Номер варианта
Продолжительность перевозки τ, ч
Конечная температура воздуха tК, 0С	-25	-20	-15	-30	-10	-15
Температура замерзания tЗ, 0С	-1	-1	-2	-2	-2	-2
Код рыхлительной машины
Код тепляка

Таблица 3.3

Теплофизические характеристики

Объемная масса, т/м3	Суммарная влажность, %	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м · 0С)	Объемная теплоемкость, кДж/(м3·0С)	Безопасная влажность, %, при температуре, tк 0С
Талого груза	Смерз-шегося груза	Талого груза	Смерз-шегося груза	-10	-20	-30
ρ	W	λт	λсм	СТ	Ссм	Wб
КАМЕННЫЙ УГОЛЬ
0,85		0,19 0,26 0,27	0,26 0,34 0,36			5,3	4,7	4,4
0,90		0,22 0,27 0,31	0,26 0,33 0,42			5,6	5,3	4,9
РУДА
1,80		0,42 0,70 1,10	0,52 0,90 1,60			1,5	1,4	1,.2
2,00		0,50 0,80 1,20	0,60 0,95 1,60			1,5	1,.4	1,3
ПЕСОК
1,40		0,93 1,28 1,46	1,.01 1,42 1,60			1,9	1,5	1,3
1,50		1,10 1,45 1,66	1,22 1,59 1,90			2,0	1,6	1,4

2. Коэффициент смерзаемости - это отношение объема смерзшегося груза к полному объему груза в вагоне, который в свою очередь зависит от объемной массы груза и вместимости вагона. Для перевозки принимаем полувагон модели 12-753 [4] с металлическими бортами; грузоподъемность этой модели Г=69т, внутренние размеры составляют: длина L=12,3 м, ширина B=2,9 м, высота борта H_Б=2,0м.

При полном использовании грузоподъемности полувагона высота груза и его объем в вагоне составят:

;

,

Рис. 3.1. Поперечный разрез полувагона с грузом

Объем талого ядра V_Т определяется с доста-точной степенью точнос-ти, на основе внутренних размеров: длины, ширины вагона и высоты груза в вагоне с уменьшением каждого размера на вели-чину 2h_СМ (см. рис. 3.1).

Коэффициент смерзаемости составляет:

,

3. Температура поверхности t_пов смерзшегося груза влияет на продол-жительность разогрева или рыхления и зависит в свою очередь от конечной температуры в пункте выгрузки и продолжительности перевозки.

Далее вглубь смерзшегося груза температура повышается по мере приближения к талому ядру, где она достигает значения t_З , остается в ядре постоянной, а потом понижается, приближаясь ко дну полувагона, где достигает значения, близкого к t_пов, что позволяет в условиях практического занятия считать температуру груза на дне полувагона t_ДН = t_ПОВ.

* Для справок некоторые значения функции е^-х

х	1,52	1,80	1,92	2,00	2,08	2,20
е-х	0,219	0,165	0,147	0,135	0,125	0,111

4. Прочность смерзшего груза определяет выбор типа рыхлителя и используется для определения продолжительности восстановления сыпучести. Для указанных целей используется понятия средняя прочность смерзшего груза в вагоне, σ_СР,которая составляет:

,

где σ_ПОВ, σ_ДН, σ_Т – соответственно прочность поверхностного слоя груза, прочность слоя на дне полувагона и прочность талого груза, МПа;

σ_Т - принимается по заданию (табл. 3.1).

В свою очередь σ_ПОВ, σ_ДН зависят от температуры указанных смерзшихся слоев груза, а так же от суммарной влажности, которая в результате миграции влаги вниз возрастает с увеличением глубины залегания расчетного смерзшегося слоя, поэтому σ_ПОВ< σ_ДН.

Прочность поверхностного слоя груза и слоя груза на дне полувагона находится из выражения:

,

где γ_ПОВ(ДН) – коэффициент изменения суммарной влажности принимается по графику (рис. 3.2) и составляет: γ_ПОВ = γ_MIN ; γ_ДН=γ_MAX в соответствии с родом груза.

3.2.4. Исследовать зависимость температуры и прочности смерзшихся слоев груза от глубины их залегания внутри вагона.В процессе смерзания насыпных грузов при перевозке их в холодное время года взаимодействуют три разнородных материальных объекта: насыпной груз, железнодорожный вагон, окружающая среда. Теплообмен между ними происходит в условиях, непрерывно меняющихся от воздействия солнечной радиации, вибрации движущегося вагона и других факторов.

Поверхностный слой груза, стенки вагона, а также егодно наиболее быстро изменяют свою температуру под воздействием внешних разноплановых факторов. Поэтому температура этих поверхностей наиболее близка к температуре воздуха. Внутри промерзшего слоя груза температура менее подвержена влиянию внешних факторов и распределяется, как показали исследования [10], по линейному закону в зависимости от глубины и составляет для каждого слоя i величину

.

Прочность на сжатие смерзшегося груза зависит, как указано выше, от объемной массы, температуры слоя и суммарной влажности, которая, в свою очередь, состоит из свободной, пограничной и связанной влаги. Свободная влага и часть пограничной мигрирует в зависимости от глубины Н_i≤Н_гр,достигая своего максимального значения при Н_i=Н_гр.

Прочность на сжатие слоя i определяется по формуле:

,

где γ_i – коэффициент изменения влажности слоя i в зависимости от отношения Н_i / Н_гр принимается по графику на рис. 3.2.

В данной работе предлагается студентам исследовать зависимость t_i=f(h_i) и σ_i=f(H_i). Все исходные данные принимаются по номеру заданного варианта, а основные показатели смерзшегося груза рассчитаны выше (см. пункт 3.2.3).

γi

1.2

Hi/Hгр

0.8

0.6

0.4

0.2

0.8

0.9

1.0

1.1

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента изменения суммарной влажности от величины Н_i / Н_гр.

Порядок расчета. Смерзшийся верхний слой условно разбивают на 5 уровней: поверхность груза (первый уровень), верхняя граница талого ядра (пятый уровень) и три уровня между ними с интервалом 0,25 h_СМ. Затем определяют глубину каждого уровня от поверхности h^П_i, i = 1,5. Для первого уровня h^П_i = 0, а для пятого – h^П_i = h_СМ.

Нижний смерзшийся слой также разбивается на 5уровней, причем первый уровень нижняя граница талого ядра, от которой до дна вагона глубина h^Д_i = h_СМ. Далее эта величина уменьшается с интервалом 0.25 h_СМ, и на дне h^Д_i = 0.

Величина Н_i для верхнего смерзшегося слоя равна величине h^П_i, а для нижнего смерзшегося слоя Н_i = Н_ГР – h^Д_i.

Расчеты по распределению температуры и прочности внутри груза можно проводить на ЭВМ или в режиме ручного счета по форме табл. 3.4.

Таблица 3.4

Форма расчета зависимостей t_i=f(h_i) и σ_i=f(H_i).

Глубина слоя iдо или от талого ядра, м	Темпе­ратура слоя i, °С	Глубина слоя i от поверхно­сти груза, м	Отно­шение Нi / Нгр	Поправоч­ный коэффи­циент	Прочность СЛОЯ i, МПа
	ti	Hi	-	γi	σi

Всего в табл. 3.4 указываются результаты 10 итераций, из которых 5 для верхней части смерзшегося слоя и 5 для нижней. По итогам расчетов строятся графики зависимости t_i=f(h_i) и σ_i=f(H_i), при этом необходимо показать, что в талом ядре температура и прочность остается постоянной.

Графики рекомендуется выполнять на схеме поперечного разреза
полувагона с грузом (рис. 3.1) величины h_i и H_i указываются по вертикальной оси с началом отсчета на поверхности. Масштаб графиков выбирается студентами, все переменные величины должны остаться в пределах полувагона.

3.2.5. Рассчитать продолжительность разогрева смерзшегося груза.Для выгрузки смерзшегося груза необходимо восстановить его сыпучесть, что достигается разогревом или дроблением (рыхлением). Выбор способа восстановления сыпучести производится на основе технико-экономических расчетов. В данной работе рассчитываются только технические показатели: продолжительность восстановления сыпучести, что необходимо для расчета простоя вагонов под выгрузкой, и расход энергии. Тип тепляка для размораживания смерзшегося груза задается кодом в соответствии с номером варианта табл. 3.2, а его характеристики принимаются по табл. 3.5.

Таблица 3.5

Расчетная температура поверхности груза (вагона).

Вид устройства	Поверхность груза (вагона)	Температура, 0С, на поверхности груза (вагона) после окончания разогрева при значении φ
0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
1. Конвективный тепляк   КПД = 12%   Qуд = 810 кВт/ваг	Люки Поверхность груза: Руда Уголь Песок Борта вагона
2. Установка ГИИ   КПД = 27%   Qуд = 1400 кВт/ваг	Люки Поверхность груза Борта вагона
3. Установка ВТИ   КПД = 15%   Qуд = 1060 кВт/ваг	Люки Поверхность груза Борта вагона

Устройства для оттаивания (тепляки) смерзшихся грузов целесообразно использовать в основном на крупных предприятиях металлургической, коксохимической промышленности и тепловых электростанциях, получающих сырье и топливо целыми маршрутами.

Разогрев в тепляках может производится: в конвективных тепляках (конвекционным способом); используя излучение и конвекцию на установках ВТИ; инфракрасным излучением от специальных газовых горелок на установках ГИИ. Температура внутри тепляка во всех случаях должна обеспечивать разогрев груза, сохранность вагона и его оборудования. Основными факторами,влияющими на процесс разогрева, являются теплофизические свойства груза, вагона и теплоносителя. Расчет времени разогрева ведется при условии, что количество тепла Q₁, полученное грузом для восстановления сыпучести, равно количеству тепла Q₂, отданному теплоносителем.

Общее количество тепла на разогрев груза включает:

- тепло, необходимое для нагревания смерзшегося груза от начальной температуры поверхности груза до температуры замерзания;

- тепло, необходимое для фазовых переходов льда в воду;

- тепло, затраченное на перегрев груза от температуры замерзания до
конечной температуры после разогрева и нагрева вагона.

Так как после окончания разогрева температуры каждой из обогреваемых поверхностей груза и вагона будут различны (в связи с различными теплофизическими свойствами), необходимо рассчитать средневзвешенную конечную температуру разогрева:

,

где , , - соответственно допускаемая конечная температура на поверхности груза, бортов (стенок) вагона и выгрузочных люков,⁰С;

S_ГР, S_Б, S_Л - соответственно площадь верхней поверхности груза, боковой поверхности груза, примыкающей к стенкам (бортам) полувагона, и нижней поверхности груза (люков), м²;

S_ОБ - суммарная площадь трех указанных выше поверхностей, м²,

S_ОБ = S_ГР + S_Б + S_Л,

Зная коэффициент смерзаемости, объем груза и его теплофизические характеристики, находим общее количество тепла, кДж, которое необходимо на разогрев одного вагона

Количество тепла, отданного теплоносителем за период разогрева τ_РАЗ (время разогрева начисляется в секундах),с учетом коэффициента полезного действия равно:

,

где Q_УД, η – соответственно удельный расход тепла на один вагон, кВт/ваг, и коэффициент полезного действия, доли единицы.

Величины Q_УД, и η принимаются в соответствии с типом тепляка (табл. 3.5).

Следовательно, продолжительность разогрева, ч, и расход энергии, кВт, составят:

; ,

3.2.6. Рассчитать продолжительность рыхления смерзшегося груза. Выбор типа рыхлительных машин и установок производится при проектировании грузовых фронтов или при их переоснащении и зависит от климатических условий, рода груза и его прочности в смерзшемся состоянии.

Существует ряд рыхлительных машин и установок, применение которых целесообразно при прочности смерзшегося груза указанной в скобках: накладной вибратор (σ_см ≤ 1÷2 МПа), бурорыхлительная машина (σ_см = 3÷5 МПа), виброрыхлительные установки (σ_см = 5÷7 МПа), виброударные установки (σ_см = 7÷9 МПа), клиновые установки для пластичных глин и других особо прочно смерзающихся грузов (σ_см>9 МПа).

Продолжительность рыхления и затраты энергии на работу рыхлительных машин зависят от глубины и прочности смерзшегося груза. Способы последующей за рыхлением выгрузки груза (через открытые люки или через верх вагона на вагоноопрокидывателе) и дальнейшей передачи его в производство определяют необходимые размеры фракций дробления. Технология рыхления включает две основные части: вертикальная проходка рабочего органа машины и горизонтальная проходка вдоль вагона.

Расчетные формулы продолжительности рыхления и расхода энергии получаются на основе равенства механической работы, необходимой на рыхление смерзшегося груза, работе, выполненной рыхлительной машиной за период рыхления. Механическая работа, необходимая для рыхления, зависит от сопротивления смерзшегося груза сжатию, его объема, необходимых размеров фракций дробления и характеристик рыхлительных машин (табл. 3.6).

В соответствии с технологией рыхления общие затраты времени в
часах на восстановление сыпучести груза определяются как сумма продолжительности вертикальной проходки, горизонтальной проходки и затрат времени на дополнительные технологические операции.

Продолжительность вертикальной проходки:

,

где V_В - объем груза, подвергающегося дроблению при вертикальной подходке, м³;

,

l´ - длина захвата рабочего органа, м; (см. табл. 3.6)

В_Р - ширина захвата рабочего органа (равна ширине вагона), м;

Н_ГР, φ, σ_СР - соответственно высота груза в вагоне, коэффициент смерзаемости и средняя прочность смерзшегося груза (см. п. 3.2.3);

S´ - поперечное сечение рабочего органа, м²;

ξ´ - коэффициент изменения сопротивления при вертикальной проходке;

N´ - мощность двигателя при вертикальной подходке, кВт;

β´ - числовое значение фракций груза при вертикальной подходке;

3,6 - коэффициент пропорциональности.

Продолжительность горизонтальной проходки

,

где S´´, ξ´´, N´´, β´´ - величины аналогичные указанным выше. Затем определяется общая продолжительность рыхления

,

где - дополнительное время на технологические операции (перестановка рыхлителя), ч;

На основе рассчитанного времени находим затраты энергии W_эн на восстановление сыпучести, кВт/ч,

.

Таблица 3.6

Характеристики рыхлительных машин

Показатели	Рыхлительные машины и их коды
БРМ-110	ДП-6С	Вибро­ударная
Поперечное сечение рабочего органа при вертикальной подходке S´, м2	0,4	0,1	0,18
Количество циклов вертикальной проходки
Числовое значение получаемой фракции при вертикальной проходке, β', доли единицы	1/1000	1/125	1/125
Коэффициент ξ´при вертикальной проходке	2,0	1,5	3,0
Мощность рабочего органа при вертикальной проходке N', кВт	110,0	34,0	28,0
Поперечное сечение рабочего органа при дроблении груза в вагоне, S´´, м2	0,4	0,1	0,18
Числовое значение получаемой фракции при дроблении груза в вагоне, β´´ вагоне, р	1/1000	1/125	1/125
Коэффициент ξ" при дроблении груза в вагоне	1,5	0,5	0,5
Мощность рабочего органа при горизонтальной подходке в вагоне, N´´, кВт
Время на дополнительные технологические операции τтехн, ч	0,2 τГ	0,5 τГ	0,3 τГ
Длина захвата рабочего органа, l', м	2,0	2,0	2,5