70 t級黃磷罐車加熱性能分析

韓金剛，彭 燎，楊詩衛，王愛民

（南車眉山車輛有限公司 產品開發部，四川眉山620032）

70 t級黃磷罐車加熱性能分析

韓金剛，彭 燎，楊詩衛，王愛民

（南車眉山車輛有限公司 產品開發部，四川眉山620032）

對70 t級黃磷罐車的加溫結構進行傳熱分析，對加熱時間進行了理論計算，并對樣機進行了試驗研究，驗證了理論分析的正確性。

黃磷罐車；加熱性能；分析；試驗

黃磷在裝卸作業均呈液態，在運輸和存放中呈固態，故在裝卸和運輸與存放期間黃磷將在液、固兩態之間變化。黃磷罐車卸貨是利用虹吸原理實現的，固態黃磷呈現蠟狀，不具有流動性，卸貨時須對黃磷加熱使其熔化為液態后才能進行卸貨作業。根據調研，黃磷罐車卸貨時液態黃磷的溫度約為65℃。為滿足用戶對黃磷裝卸的作業要求，節約成本，提高經濟效益，對70 t級黃磷罐車進行加熱性能分析、以確保加熱效果滿足用戶的使用需求。

1 主要性能參數

70 t黃磷罐車主要性能參數如下：

載重/t 70（67黃磷、3水）

自重/t ≤23.8

罐體總容積/m342.6

罐體有效容積/m339.8

換長/m 1.1

自重系數≤0.34

每延米重/（t·m－1） ≤7.8

通過最小曲線半徑/m 145

商業運營速度/（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《標準軌距鐵路機車車輛限界》的規定。

2 罐車加溫結構

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、進氣管和排水管等組成，與加溫套進氣管座連接成一體。

3 加熱過程分析

70 t級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，在進氣壓力作用下沿罐體外壁流動，將熱量傳遞到罐體外壁，同時蒸汽在罐壁上冷卻、產生相變，凝結成水。罐體的傳熱過程是蒸汽對罐體的對流換熱過程、罐體壁的導熱過程和黃磷的對流換熱過程3個分過程串聯組成。由于罐體的導熱系數大，黃磷的比熱、導熱系數均較小，為便于計算，作如下假設：

（1）罐體外壁的熱量以熱傳導的方式擴散至罐體內壁，再傳給貼近的黃磷；

（2）罐體與蒸汽之間的熱交換以對流換熱為主；

（3）最初加熱時，黃磷呈固態，罐體與黃磷之間屬于傳導傳熱；

（4）大量熱量傳導至黃磷后，其溫度迅速升高并熔化成液態，通過自然對流，對其周圍的黃磷進行加熱；

（5）罐體壁加熱時間忽略不計。

4 加熱時間計算

70 t級黃磷罐車滿載時，黃磷質量為67 000 kg；黃磷裝卸時環境溫度在－10～＋38℃之間，加熱介質表壓為0.49 MPa的飽和蒸汽。

4.1 單位時間內罐體傳熱量

根據傳熱方程，罐體在單位時間內傳導的熱量為：

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

（1）罐體傳熱系數K計算

70 t級黃磷罐車罐體的最大壁厚為10 mm，罐體外壁半徑的算術平均值為1 172.5 mm，因罐體壁厚遠小于罐體的半徑，罐體內外壁的半徑相差很小，分析計算時將罐體內外壁近似成平面壁考慮。

罐體的傳熱系數按式（2）計算。

式中b為罐體的壁厚，m；a0為間壁內蒸汽的對流換熱系數，W/m2·K；λ2為罐體的導熱系數，W/m·K；a1為黃磷的對流換熱系數，W/m2·K。

罐體加熱時蒸汽被冷卻，蒸汽產生相變凝結成水，a0按式（3）計算，a1按式（4）計算。

式中tw為0.49 MPa時飽和蒸汽的熱力學溫度，K；

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

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

因罐體為橫圓柱，根據格拉曉夫準則。將相關已知數據代入式（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計算

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

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

4.2 黃磷熔化所需熱量

在－10℃的環境溫度下（考慮最不利的情況），將罐內固態黃磷加熱到65℃需要的總熱量為Q0，按式（6）計算。

式中Q0為黃磷（固態）從－10℃加熱到65℃吸收的總熱量，kJ；Q1為黃磷（固態）從－10℃加熱到44.1℃吸收的熱量，kJ；Q2為44.1℃時，黃磷相變（固態轉化為液態）吸收的熱量，kJ；Q3為黃磷（液態）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，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為滿載時黃磷的質量，kg；m2為罐體的質量，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。

加熱時罐體要向周圍的空氣散失熱量，考慮到空氣的導熱系數較小，因此在總熱量Q0計算值的基礎上加5%的補充裕量，則Q0的值為7.59×106kJ。

4.3 加熱時間

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

4.4 加熱時間對比計算

根據第4.2～4.3節的計算過程，分別取環境溫度為0℃、15℃、38℃，計算出將黃磷加熱到液態需要的時間如表1所示。

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

5 試驗研究

由于黃磷為危險物品，故在試驗時用水代替黃磷作為加熱介質。由于加熱介質不同，故不能直接測試加熱時間，在試驗中采用測試罐體單位時間的傳熱量以間接測試加熱時間，若測試出的罐體單位時間的傳熱量大于4.1節的計算值Q，即可得出70 t級黃磷罐車加熱時間將滿足用戶要求，反之亦然。

5.1 試驗方法

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

5.2 試驗結果

加溫試驗的加熱時間共進行140 min，約間隔15 min測量一次1位洗罐孔處、人孔處和2位洗罐孔處的水溫，測量結果如表2所示。

由表2數據可知，在140 min的加溫過程中罐體內水溫升高平均值為38.3℃，根據本文第4節的相關計算公式可得試驗時間內罐體內的水所吸收的總熱量Q總為6.82×106kJ，罐體單位時間的傳熱量為4.84×104kJ/min＞1.95×104kJ/min（理論計算值）。試驗結果表明，70 t級黃磷罐車加溫裝置的加熱性能滿足設計要求。

5.3 試驗結果與理論分析對比

如上所述，試驗結果與理論分析結果存在差異，產生差異的主要原因有：

（1）理論分析時，為便于計算，對黃磷加熱過程的傳熱形式及傳熱順序進行了假設，這與黃磷的實際加熱狀態存在差異。

（2）試驗時，由于黃磷屬危險物品，不宜于用作試驗研究，故采用水替代，而水與黃磷在物理性質和導熱性能本身就存在差異。

因此，要使理論分析與試驗更為接近，須分析黃磷運輸過程中的實際加熱狀態，采用更為先進的熱傳導學理論盡量模擬黃磷加熱時的狀態，進行深入的研究。

6 結 論

本文利用傳熱學的相關理論對70 t級黃磷罐車的加熱性能進行了理論分析、計算，并對其進行了試驗研究，經上述分析，可得出如下結論：

（1）通過理論分析、計算，70 t級黃磷罐車在－10℃～38℃的環境溫度下，采用表壓0.49 MPa的飽和蒸汽對罐車加熱，當將黃磷加熱到規定溫度時需要的最長加熱時間為6.5 h、最短加熱時間為2.8 h，滿足用戶日常作業安排和進度要求。

（2）試驗時罐體單位時間的傳熱量4.84×104kJ/min大于理論計算值1.95×104kJ/min，試驗結果表明，70 t型黃磷罐車加溫裝置的加熱性能良好、達到設計要求。

（3）由于水與黃磷的屬性的差異，其導熱系數也不同，通過水代替黃磷進行加熱試驗的結果僅供參考，黃磷裝卸時罐車的加熱性能還需進一步分析研究。

［1］ 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程.第3版［M］.北京.中國鐵道出版社，2008.

［2］ 楊詩衛.70 t級黃磷罐車的研制［J］.鐵道車輛，2008，46（04）：15-17.

［3］ 楊詩衛.70 t級黃磷罐車研究［D］.成都：成都西南交通大學，2013.

［4］ 俞佐平.傳熱學（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（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，1983.

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

［7］ 王光欽，丁桂保，劉長虹，楊 杰.彈性力學［M］.北京：中國鐵道出版社，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）