70 t級(jí)黃磷罐車加熱性能分析

韓金剛，彭 燎，楊詩(shī)衛(wèi)，王愛民

（南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，四川眉山620032）

70 t級(jí)黃磷罐車加熱性能分析

韓金剛，彭 燎，楊詩(shī)衛(wèi)，王愛民

（南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，四川眉山620032）

對(duì)70 t級(jí)黃磷罐車的加溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱分析，對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行了理論計(jì)算，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

黃磷罐車；加熱性能；分析；試驗(yàn)

黃磷在裝卸作業(yè)均呈液態(tài)，在運(yùn)輸和存放中呈固態(tài)，故在裝卸和運(yùn)輸與存放期間黃磷將在液、固兩態(tài)之間變化。黃磷罐車卸貨是利用虹吸原理實(shí)現(xiàn)的，固態(tài)黃磷呈現(xiàn)蠟狀，不具有流動(dòng)性，卸貨時(shí)須對(duì)黃磷加熱使其熔化為液態(tài)后才能進(jìn)行卸貨作業(yè)。根據(jù)調(diào)研，黃磷罐車卸貨時(shí)液態(tài)黃磷的溫度約為65℃。為滿足用戶對(duì)黃磷裝卸的作業(yè)要求，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)70 t級(jí)黃磷罐車進(jìn)行加熱性能分析、以確保加熱效果滿足用戶的使用需求。

1 主要性能參數(shù)

70 t黃磷罐車主要性能參數(shù)如下：

載重/t 70（67黃磷、3水）

自重/t ≤23.8

罐體總?cè)莘e/m342.6

罐體有效容積/m339.8

換長(zhǎng)/m 1.1

自重系數(shù)≤0.34

每延米重/（t·m－1） ≤7.8

通過最小曲線半徑/m 145

商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度/（km·h）－1120

裝卸料工作溫度/℃ 60～65

裝卸方式 上裝上卸

限界：符合GB146.1-1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》的規(guī)定。

2 罐車加溫結(jié)構(gòu)

該罐車采用外加溫方式，加溫裝置由加溫套和加溫管路組成。加溫套由支鐵、支撐板和加溫套板等組焊在罐體底部的外表面，如圖1所示。加溫管路由加溫管接頭、主管、進(jìn)氣管和排水管等組成，與加溫套進(jìn)氣管座連接成一體。

3 加熱過程分析

70 t級(jí)黃磷罐車的加溫套布置在罐體外壁，屬于間壁加熱方式。飽和蒸汽流入加溫套后，在進(jìn)氣壓力作用下沿罐體外壁流動(dòng)，將熱量傳遞到罐體外壁，同時(shí)蒸汽在罐壁上冷卻、產(chǎn)生相變，凝結(jié)成水。罐體的傳熱過程是蒸汽對(duì)罐體的對(duì)流換熱過程、罐體壁的導(dǎo)熱過程和黃磷的對(duì)流換熱過程3個(gè)分過程串聯(lián)組成。由于罐體的導(dǎo)熱系數(shù)大，黃磷的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)均較小，為便于計(jì)算，作如下假設(shè)：

（1）罐體外壁的熱量以熱傳導(dǎo)的方式擴(kuò)散至罐體內(nèi)壁，再傳給貼近的黃磷；

（2）罐體與蒸汽之間的熱交換以對(duì)流換熱為主；

（3）最初加熱時(shí)，黃磷呈固態(tài)，罐體與黃磷之間屬于傳導(dǎo)傳熱；

（4）大量熱量傳導(dǎo)至黃磷后，其溫度迅速升高并熔化成液態(tài)，通過自然對(duì)流，對(duì)其周圍的黃磷進(jìn)行加熱；

（5）罐體壁加熱時(shí)間忽略不計(jì)。

4 加熱時(shí)間計(jì)算

70 t級(jí)黃磷罐車滿載時(shí)，黃磷質(zhì)量為67 000 kg；黃磷裝卸時(shí)環(huán)境溫度在－10～＋38℃之間，加熱介質(zhì)表壓為0.49 MPa的飽和蒸汽。

4.1 單位時(shí)間內(nèi)罐體傳熱量

根據(jù)傳熱方程，罐體在單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量為：

式中A為加溫套的加熱面積，m2；K為罐體的傳熱系數(shù)，W/m2·K；ΔT為傳熱溫壓，℃。

（1）罐體傳熱系數(shù)K計(jì)算

70 t級(jí)黃磷罐車罐體的最大壁厚為10 mm，罐體外壁半徑的算術(shù)平均值為1 172.5 mm，因罐體壁厚遠(yuǎn)小于罐體的半徑，罐體內(nèi)外壁的半徑相差很小，分析計(jì)算時(shí)將罐體內(nèi)外壁近似成平面壁考慮。

罐體的傳熱系數(shù)按式（2）計(jì)算。

式中b為罐體的壁厚，m；a0為間壁內(nèi)蒸汽的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；λ2為罐體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；a1為黃磷的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K。

罐體加熱時(shí)蒸汽被冷卻，蒸汽產(chǎn)生相變凝結(jié)成水，a0按式（3）計(jì)算，a1按式（4）計(jì)算。

式中tw為0.49 MPa時(shí)飽和蒸汽的熱力學(xué)溫度，K；

ts為罐體的壁溫，K；r為ts溫度時(shí)，飽和水的汽化熱，kJ/kg；ρ為ts溫度時(shí)，飽和水的密度，kg/m3；μ為ts溫度時(shí)，飽和水的動(dòng)力黏度，kg/m·s；λ為ts溫度時(shí)，飽和水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；d為罐體的外徑，m。

式中ρ1為黃磷的密度，kg/m3；μ1為液態(tài)黃磷的動(dòng)力黏度，kg/m·s；Δt為壁面與流體的溫度差，℃；β為黃磷的膨脹系數(shù)，K－1；λ1為黃磷的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；Pr為黃磷的普朗特系數(shù)，Pr＝4.65；Nu為努塞爾數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)。

因罐體為橫圓柱，根據(jù)格拉曉夫準(zhǔn)則。將相關(guān)已知數(shù)據(jù)代入式（3）和式（4），求得a0＝2 614 W/m2·K，a1＝366 W/m2·K。

將a0，a1代入式（2），得到K＝294 W/m2·K。

（2）傳熱溫壓ΔT計(jì)算

式中Tw為罐體外壁的溫度，℃；Tn為罐體內(nèi)壁的溫度，℃。根據(jù)式（5），求出ΔT＝29℃。

將K，ΔT值代入式（1），可得單位時(shí)間內(nèi)罐體傳導(dǎo)的熱量Q＝3.25×105W＝1.17×106kJ/h＝1.95× 104kJ/min。

4.2 黃磷熔化所需熱量

在－10℃的環(huán)境溫度下（考慮最不利的情況），將罐內(nèi)固態(tài)黃磷加熱到65℃需要的總熱量為Q0，按式（6）計(jì)算。

式中Q0為黃磷（固態(tài)）從－10℃加熱到65℃吸收的總熱量，kJ；Q1為黃磷（固態(tài)）從－10℃加熱到44.1℃吸收的熱量，kJ；Q2為44.1℃時(shí)，黃磷相變（固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)）吸收的熱量，kJ；Q3為黃磷（液態(tài)）從44.1℃加熱到65℃吸收的熱量，kJ；Q4為冰從－10℃加熱到0℃吸收的熱量，kJ；Q5為0℃時(shí)，冰熔化成水吸收的熱量，kJ；Q6為水從0℃加熱到65℃吸收的熱量，kJ；C1為黃磷的比熱，kJ/kg；C3為冰的比熱，kJ/kg；C4為水的比熱，kJ/kg；m1為滿載時(shí)黃磷的質(zhì)量，kg；m2為罐體的質(zhì)量，kg；η1為黃磷的熔化潛熱，kJ/kg；Δti為溫差（i＝1～4），K。

通過式（6），可得到在－10℃的環(huán)境溫度下，黃磷加熱到65℃卸車溫度吸收的總熱量Q0為7.23×106kJ。

加熱時(shí)罐體要向周圍的空氣散失熱量，考慮到空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此在總熱量Q0計(jì)算值的基礎(chǔ)上加5%的補(bǔ)充裕量，則Q0的值為7.59×106kJ。

4.3 加熱時(shí)間

由上述分析可以得出在－10℃的環(huán)境溫度下，罐車滿載時(shí)黃磷完全熔化需要的時(shí)間為：

4.4 加熱時(shí)間對(duì)比計(jì)算

根據(jù)第4.2～4.3節(jié)的計(jì)算過程，分別取環(huán)境溫度為0℃、15℃、38℃，計(jì)算出將黃磷加熱到液態(tài)需要的時(shí)間如表1所示。

由表1可知，在－10℃～38℃的環(huán)境溫度下，采用表壓0.49 MPa的飽和蒸汽對(duì)罐車加熱，將罐內(nèi)固態(tài)黃磷全部加熱到液態(tài)，需要的最長(zhǎng)時(shí)間為6.5 h、最短時(shí)間為2.8 h，滿足用戶日常作業(yè)安排和進(jìn)度要求。而在實(shí)際操作中，加溫套外部的罐體對(duì)黃磷也有傳熱作用，黃磷的實(shí)際加熱時(shí)間將小于理論計(jì)算值，更有利于用戶裝卸作業(yè)。

5 試驗(yàn)研究

由于黃磷為危險(xiǎn)物品，故在試驗(yàn)時(shí)用水代替黃磷作為加熱介質(zhì)。由于加熱介質(zhì)不同，故不能直接測(cè)試加熱時(shí)間，在試驗(yàn)中采用測(cè)試罐體單位時(shí)間的傳熱量以間接測(cè)試加熱時(shí)間，若測(cè)試出的罐體單位時(shí)間的傳熱量大于4.1節(jié)的計(jì)算值Q，即可得出70 t級(jí)黃磷罐車加熱時(shí)間將滿足用戶要求，反之亦然。

5.1 試驗(yàn)方法

在室溫狀態(tài)下將約42.6 m3的水裝入罐體，采用飽和水蒸汽通過加溫裝置對(duì)罐體加熱，每隔一定時(shí)間測(cè)量一次1位端洗罐孔處、人孔處和2位端洗罐孔處的水溫。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

加溫試驗(yàn)的加熱時(shí)間共進(jìn)行140 min，約間隔15 min測(cè)量一次1位洗罐孔處、人孔處和2位洗罐孔處的水溫，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，在140 min的加溫過程中罐體內(nèi)水溫升高平均值為38.3℃，根據(jù)本文第4節(jié)的相關(guān)計(jì)算公式可得試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)罐體內(nèi)的水所吸收的總熱量Q總為6.82×106kJ，罐體單位時(shí)間的傳熱量為4.84×104kJ/min＞1.95×104kJ/min（理論計(jì)算值）。試驗(yàn)結(jié)果表明，70 t級(jí)黃磷罐車加溫裝置的加熱性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析對(duì)比

如上所述，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果存在差異，產(chǎn)生差異的主要原因有：

（1）理論分析時(shí)，為便于計(jì)算，對(duì)黃磷加熱過程的傳熱形式及傳熱順序進(jìn)行了假設(shè)，這與黃磷的實(shí)際加熱狀態(tài)存在差異。

（2）試驗(yàn)時(shí)，由于黃磷屬危險(xiǎn)物品，不宜于用作試驗(yàn)研究，故采用水替代，而水與黃磷在物理性質(zhì)和導(dǎo)熱性能本身就存在差異。

因此，要使理論分析與試驗(yàn)更為接近，須分析黃磷運(yùn)輸過程中的實(shí)際加熱狀態(tài)，采用更為先進(jìn)的熱傳導(dǎo)學(xué)理論盡量模擬黃磷加熱時(shí)的狀態(tài)，進(jìn)行深入的研究。

6 結(jié) 論

本文利用傳熱學(xué)的相關(guān)理論對(duì)70 t級(jí)黃磷罐車的加熱性能進(jìn)行了理論分析、計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，經(jīng)上述分析，可得出如下結(jié)論：

（1）通過理論分析、計(jì)算，70 t級(jí)黃磷罐車在－10℃～38℃的環(huán)境溫度下，采用表壓0.49 MPa的飽和蒸汽對(duì)罐車加熱，當(dāng)將黃磷加熱到規(guī)定溫度時(shí)需要的最長(zhǎng)加熱時(shí)間為6.5 h、最短加熱時(shí)間為2.8 h，滿足用戶日常作業(yè)安排和進(jìn)度要求。

（2）試驗(yàn)時(shí)罐體單位時(shí)間的傳熱量4.84×104kJ/min大于理論計(jì)算值1.95×104kJ/min，試驗(yàn)結(jié)果表明，70 t型黃磷罐車加溫裝置的加熱性能良好、達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）由于水與黃磷的屬性的差異，其導(dǎo)熱系數(shù)也不同，通過水代替黃磷進(jìn)行加熱試驗(yàn)的結(jié)果僅供參考，黃磷裝卸時(shí)罐車的加熱性能還需進(jìn)一步分析研究。

［1］ 嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程.第3版［M］.北京.中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］ 楊詩(shī)衛(wèi).70 t級(jí)黃磷罐車的研制［J］.鐵道車輛，2008，46（04）：15-17.

［3］ 楊詩(shī)衛(wèi).70 t級(jí)黃磷罐車研究［D］.成都：成都西南交通大學(xué)，2013.

［4］ 俞佐平.傳熱學(xué)（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，1984.

［5］ 沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學(xué)（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，1983.

［6］ 李慶華.材料力學(xué)（第2版）［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，1994.

［7］ 王光欽，丁桂保，劉長(zhǎng)虹，楊 杰.彈性力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

Analysis of Heating Performance for 70 t Phosphorous Tank Wagon

HAN Jingang，PENG Liao，YANG Shiwei，WANG Aimin
（R＆D Department，CSR Meishan Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

The paper analyzes the heat conduction performance of 70 t phosphorous tank wagon，calculates the heating time theoretically，and carries out the prototype test which can verify the correction of theoretical analysis.

phosphorous tank wagon；heat performance；analysis；test

U272.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.27

1008－7842（2014）06－0105－03

5—）男，工程師（

2014－04－26）