Изотермические вагоны и контейнеры

5.1 Классификация и общая характеристика
изотермических вагонов

Одним из условий доставки скоропортящихся грузов является поддержание заданной температуры в грузовом помещении транспортного средства. Изотермическими транспортными средствами называют вагоны, цистерны, контейнеры и др., имеющие теплоизоляцию ограждающих конструкций (стен, крыши, пола, потолка) из теплоизоляционных материалов с низким коэффициентом теплопроводности.

Относительное постоянство температуры в грузовом помещении транспортного модуля достигается пассивными (теплоизоляцией ограждающих поверхностей) и активными (выработкой естественного или машинного холода) средствами. Использование лишь пассивных средств характерно для вагонов-термосов и контейнеров-термосов. Для перевозки скоропортящихся грузов, требующих жёсткого соблюдения температурных условий, используют активные средства – рефрижераторные вагоны и рефрижераторные контейнеры.

Изотермические вагоны классифицируют по ряду признаков.

По назначению их разделяют согласно рисунку 5.1 на универсальные вагоны, предназначенные для перевозки широкой номенклатуры скоропортящихся грузов и на специальные, созданные для перевозки отдельных видов продукции.

Универсальные и специальные изотермические вагоны по способу охлаждения делят на вагоны с машинным охлаждением (рефрижераторные); вагоны, охлаждаемые готовыми хладагентами (водным льдом, льдосоляными смесями, сухим льдом, жидким азотом) и вагоны-термосы, не имеющие приборов охлаждения и отопления. В перспективе возможно применение вагонов, охлаждаемых термоэлектрическими батареями.

Поколичеству вагонов в одной единице рефрижераторного подвижного состава (РПС) выделяют рефрижераторные секции (пяти- и трёхвагонные) и автономные рефрижераторные вагоны со служебным помещением (АРВ-Э).

Рисунок 5.1 – Классификация изотермических вагонов:

РПС – рефрижераторный подвижной состав; ВТЭО – вагоны с термоэлектрическим
охлаждением; ГХА – вагоны, охлаждаемые готовыми хладагентами; Т – вагоны-термосы;
5-с-БМЗ – пятивагонные рефрижераторные секции постройки Брянского машиностроительного завода; 5-с-Дессау – то же, завода Дессау; АРВ-Э – автономные рефрижераторные вагоны
со служебным помещением; ВОЖА – вагоны, охлаждаемые жидким азотом; ВОСЛ – то же, сухим льдом; УВ-Т – универсальные вагоны-термосы; ИВ-Т-19 м – изотермические вагоны-термосы длиной кузова 19 м; ИВ-Т-21 м – то же, 21 м; 5-с-ВИН – пятивагонная рефрижераторная секция для виноматериалов; 3-с-ЖР – трёхвагонная рефрижераторная секция для живой рыбы; АРВ‑ВИН – автономный рефрижераторный вагон для вина; ВИН – вагон для вина, охлаждаемый водным льдом; ЖРВ – вагон для живой рыбы; ВЦ‑ВИН – вагон-цистерна для вина; ЦТ- МОЛ – цистерна- термос для молока; ЦТ-МВ – цистерна-термос для минеральной воды

Изотермические вагоны строят четырёхосными габарита 1-Т по ГОСТ 9238-83, со сварным цельнометаллическим кузовом длиной 21 м, с однотипными унифицированными узлами, деталями и оборудованием. Вагоны с дизель-электростанцией и служебным помещением могут иметь меньшую длину.

В качестве системы энергоснабжения рефрижераторных вагонов применяют дизель-генераторные установки (центральные или индивидуальные). Грузовые помещения рефрижераторных вагонов оборудованы устройствами холодо- и теплоснабжения, системами принудительной вентиляции и циркуляции воздуха, приборами контроля состояния воздуха и груза. В качестве изоляционных материалов ограждающих конструкций грузовых помещений применяют мипору, полистирол, пенополиуретан и другие теплоизоляционные материалы. В пятивагонных рефрижераторных секциях все элементы холодильно-отопительных установок получают энергию от центральной дизель-электростанции.

В настоящее время для перевозки скоропортящихся грузов по железным дорогам Российской Федерации используются:

– ZB -5 постройки завода Дессау (Германия);

– 5-вагонные рефрижераторные секции типа РС-4 постройки Брянского машиностроительного завода;

– автономные рефрижераторные вагоны постройки завода Дессау со служебным помещением (АРВ-Э);

– универсальные и изотермические вагоны-термосы;

– живорыбные одиночные вагоны и рефрижераторные секции;

– цистерны-термосы для вина и молока;

– вагоны-цистерны для вина;

– крытые вагоны;

– рефрижераторные и универсальные контейнеры.

Перечисленные типы транспортных средств могут принадлежать организациям железнодорожного транспорта, юридическим или физическим лицам на правах собственности или аренды, либо находиться в хозяйственном ведении юридических или физических лиц.

Техническая характеристика изотермических вагонов основных типов (для использования в учебном процессе) приведена в приложении М.

5.2 Требования к изотермическим вагонам
и теплоизоляционным материалам

К изотермическим вагонам предъявляют общие требования:

– возможность поддержания в грузовом помещении в любое время года оптимальной для перевозимого груза постоянной по объёму грузового помещения вагона температуры воздуха с равномерностью в пределах ±1,5 °С от заданной;

– высокие теплофизические характеристики ограждающих конструкций;

– обеспечение необходимой циркуляции и вентиляции воздуха в грузовом помещении рефрижераторных вагонов;

– исключение инфильтрации воздуха через неплотности ограждений;

– возможность полной автоматизации работы оборудования и контроля температур в рефрижераторных вагонах;

– надёжность оборудования и простота его обслуживания;

– возможность движения в составе пассажирских поездов со скоростью до 120 км/ч;

– эффективное использование в процессе эксплуатации.

Проектируемые рефрижераторные вагоны должны обеспечивать:

– скорость следования до 140 км/ч;

– температуру воздуха в грузовом помещении от минус 20 до 14 °С при температуре наружного воздуха от 36 до минус 45 °С;

– охлаждение плодов и овощей в процессе перевозки от 30 до 4 °С не более чем за 60 ч;

– воздухообмен через неплотности ограждений не более 0,3 объёма грузового помещения за 1 ч.

Жёсткие требования предъявляются и к теплоизоляционным материалам ограждающих конструкций изотермических вагонов. Высококачественные теплоизоляционные материалы должны обладать:

– низкой теплопроводностью (l < 0,05 Вт/(м×К));

– малой плотностью (r < 250 кг/м³);

– слабой гигроскопичностью (при поглощении влаги возрастает теплопроводность) и паропроницаемостью;

– морозо- и огнестойкостью;

– устойчивостью против загнивания и распада;

– отсутствием запахов;

– дешевизной и др.

Одним из лучших теплоизоляторов является воздух, он отвечает всем перечисленным требованиям (l = 0,023 Вт/(м×К), r = 1,29 кг/м³). Прослойка неподвижного воздуха встречается во многих конструкциях, например, при двойном остеклении окон вагонов. Теплоизоляционные материалы стремятся делать пористыми, что понижает их плотность и теплопроводность.

По строению теплоизоляционные материалы делятся на жёсткие (плиты, щиты), гибкие (маты, листы, шнуры, жгуты), рыхлые (шарики, зёрна), волокнистые (вата), порошковые.

Теплоизоляционные материалы имеют, в основном, неорганическое происхождение:

– пенобетон (l = 0,082 Вт/(м×К), r = 280 кг/м³) – застывшая смесь цементного молока и мыльной пены;

– минеральная вата (l = 0,056 Вт/(м×К), r = 150 кг/м³) – волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов;

– стекловолокно (l = 0,05 Вт/(м×К), r = 100 кг/м³) – получают из того же материала, сто и стекло;

– пенополистирол (l = 0,05 Вт/(м×К), r = 25 кг/м³) – продукт спекания гранул бисерного полистирола;

– пенополивинилхлорид (l = 0,035 Вт/(м×К), r = 70 кг/м³);

– пенополиуретан (l = 0,025 Вт/(м×К), r = 20 кг/м³), и др.

Из органических теплоизоляционных материалов на хладотранспорте широко применяется мипора (l = 0,05 Вт/(м×К), r = 15 кг/м³) – отвердевшая вспененная масса мочевиноформальдегидной смолы.

Теплоизоляционные ограждения изотермических вагонов обычно выполняют слоистыми. Важной их характеристикой является коэффициент теплопередачи k. Его значение тем больше, чем интенсивнее теплота проникает через ограждение и отводится от внутренних и наружных поверхностей. Характерное для рефрижераторных вагонов и термосов значение k = 0,27…0,35 Вт/(м²×К). Для известных конструктивных параметров и режимных условий оно определяется по законам теплопереноса. Если же при проектировании нового вагона задаться желаемым значением k, то можно найти соответствующую толщину тепловой изоляции d_из из соотношения для суммы термических сопротивлений на пути потока теплоты:

.

Характерные значения коэффициентов теплоотдачи к поверхностям ограждения вагона (наружной и внутренней): a_н = 30, a_в = 10 Вт/(м²×К).

Толщина теплоизоляции определяется в результате технико-экономических оптимизационных расчётов. Её увеличение сокращает тепловые потери и снижает потребность в производстве холода, но при этом уменьшается полезный объём грузового помещения.

Соглашением «О международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок (СПС)» изотермические транспортные средства по коэффициенту теплопередачи ограждающих конструкций делятся на две категории:

– обычные с коэффициентом теплопередачи, не превышающем 0,7 Вт/(м²×К);

– с усиленной теплоизоляцией – с коэффициентом теплопередачи, не превышающим 0,4 Вт/(м²×К).

5.3 Пятивагонная рефрижераторная секция
постройки завода Дессау (ZB‑5)

Секции (рисунок 5.2) поставлялись с 1970 до 1993 г. Они состоят из четырёх грузовых вагонов с кузовом длиной 21 м общим объёмом грузовых помещений 400 м³ и центрального вагона с дизель-электростанцией и служебным помещением с кузовом длиной 17 м (рисунок 5.3).

Рисунок 5.2 – Пятивагонная рефрижераторная секция постройки
завода Дессау (ZВ-5) выпуска 1971 г.

Каждый из четырёх грузовых вагонов грузоподъёмностью от 42,5 до 50 т (в зависимости от года выпуска) имеет два машинных отделения и две холодильные машины (одна в каждом отделении) с двухступенчатым циклом. Одна половина центрального вагона предназначена для размещения двух основных и одной вспомогательной дизель-генераторных установок. В другой половине вагона имеются штурманское отделение с пультом управления работой холодильно-отопительного оборудования и бытовые салоны для обслуживающей бригады, показанные на рисунках 5.4 – 5.6.

Рисунок 5.3 – Структурная схема пятивагонной рефрижераторной секции
постройки завода Дессау (ZB-5):

МО – машинное отделение; ГП – грузовое помещение; ОБ – помещение для обслуживающей бригады; ДО – дизельное отделение

Основной дизель	Вспомогательный дизель

Рисунок 5.4 – Дизельное отделение служебного вагона секции ZB-5

Рабочее место в штурманском отделении	Телетермометрическая станция
Пульт управления работой холодильных машин и электропечей	Пульт управления работой дизелей

Рисунок 5.5 – Штурманское отделение служебного вагона секции ZB-5

Фрагмент кухни	Спальный салон
Санитарный узел	Бытовой салон

Рисунок 5.6 – Салоны для обслуживающей бригады секции ZB-5

Кузов вагонов имеет облегчённую сварную конструкцию. Наружная обшивка выполнена из стального листа толщиной 1,5 мм с частыми продольными гофрами, усиленная стойками из профильной стали. Внутренняя обшивка стен состоит из стальных оцинкованных листов толщиной 2 мм с вертикальными гофрами. Потолок выполнен из твёрдоволокнистых плит, а пол – из деревянных брусьев, уложенных вдоль вагона, промежутки между которыми заполнены теплоизоляцией. На брусья поперёк вагона уложены доски толщиной 45–50 мм, соединённые в шпунт. Пол покрыт листами биологически нейтральной резины, склеенной между собой и приклеенной к доскам настила.

Грузовые вагоны секции универсальные, предназначены для перевозки любых скоропортящихся и пищевых продуктов при температуре воздуха внутри грузового помещения от минус 21 до 16 °С. В грузовых вагонах секции ZB-5 в качестве теплоизоляционного материала применён полистирол. Его толщина изменяется от 150 до 250 мм. Средний коэффициент теплопередачи ограждений грузового помещения нового вагона при неработающих вентиляторах-циркуляторах составляет 0,32 Вт/(м²×К).

Металлические напольные решётки выдерживают нагрузку от колеса погрузчика 1200 кг при расстоянии между колёсами 750 мм.

В грузовых вагонах секциивоздуховодом служит так называемый ложный потолок, обеспечивающий равномерное распределение холодного или подогретого воздуха (рисунки 5.7 и 5.8, справа). В рабочем положении секции воздуховода фиксируются на балке, расположенной над потолком вдоль продольной оси вагона, с уклоном к продольным стенам.

Воздух нагнетается двумя парами вентиляторов-циркуляторов холодильно-отопительных агрегатов. При этом вагоны постройки до 1975 г. имеют продольно-поперечную верхнюю систему воздухораспределения с использованием щелей между секциями ложного потолка.

Рисунок 5.7 – Внутренний вид грузового вагона секции ZB-5

Выпуск секций до 1975 г	Выпуск секций после 1975 г

Рисунок 5.8 – Организация воздухораспределения в грузовом помещении вагона пятивагонной рефрижераторной секции ZB-5:

1 – секции ложного потолка; 2 – дефлектор вентиляционной системы; – вентилятор-циркулятор; 5 – воздуховод над ложным потолком; 5 – груз, 6 – напольные решётки

Вагоны постройки после 1975 г. имеют продольно-поперечную пристенную подачу воздуха, показанную на рисунке 5.8, слева, за счёт отсутствия щелей между секциями в ложном потолке. Воздух, равномерно распределяясь над ложным потолком вдоль вагона, направляется через продольные щели в вертикальные каналы между гофрами на боковых стенах вагона и штабелем груза. Холодный воздух опускается под напольные решётки, попадает внутрь штабеля (если штабель воздухопроницаемый) и, отепляясь, фильтруется через него в своём естественном направлении снизу вверх. Такая система воздухораспределения наиболее эффективна.

Для принудительной смены воздуха в грузовом помещении вагона установлены наружный забор, соединительная труба, дефлекторы с заслонками и жалюзи.

Дверь грузового вагона – одностворчатая, закреплённая на шарнирах, высота двери 2000 мм, ширина 2200 мм. Внешний вид и устройство двери грузового вагона показаны на рисунках 5.9 и 5.10.

Рисунок 5.9 – Дверь грузового вагона рефрижераторной секции ZB-5:

1 – кулачок запорный; 2 – затворный механизм; 3 – защёлка рычага; 5 – рычаг перемещения
двери; 5 – шпиндель запорный; 6 – рычаг-штурвал для освобождения и защемления рычагов; 7 – упор рычага;

	Открывают дверь рычагом-штурвалом 5. Его поворачивают влево до тех пор, пока шпиндель 5 не дойдёт до упора. В процессе поворота кулачки 1 освобождают дверь. После этого рычагами 5 выводят дверь из проёма на расстояние, достаточное для смещения её вправо, и при этом упор 7 рычага 5 вошёл в защёлку 3 и закрепил тягу в данном положении.
Рисунок 5.10 – Процесс открытия двери вагона

5.4 Пятивагонная рефрижераторная секция постройки
Брянского машиностроительного завода (БМЗ)

Пятивагонная рефрижераторная секция БМЗ выпускается с 1959 г., имеет четыре универсальных грузовых вагона грузоподъёмностью по 42…48 т (в зависимости от года выпуска) и один служебный (рисунки 5.11 и 5.12). С 1963 по 1978 г. выпускались секции типа РС-1, с 1979 по 1985 г. – РС-4, с 1986 г. – РС-5.

Вагон с дизель-электростанцией и служебным помещением имеет дизельное отделение с двумя дизелями мощностью по 75 кВт каждый, кабину управления (щитовое отделение), салон-кухню, котельное помещение, туалет-душевую, отделение для отдыха бригады и аккумуляторное отделение.

Рисунок 5.11 – Общий вид 5-вагонной рефрижераторной секции БМЗ

Рисунок 5.12 – Структурная схема пятивагонной рефрижераторной
секции БМЗ:

ГП – грузовое помещение; МО – машинное отделение; ОБ – помещение для обслуживающей бригады; ДО – дизельное отделение; ХМ-1 и ХМ-2 – холодильно-отопительные машины 1 и 2

В каждом грузовом вагоне секции имеется одно машинное отделение, в котором размещены две одноступенчатые хладоновые холодильные машины (одна над другой), которые обеспечивают температуру воздуха внутри грузового помещения от минус 21 до 16 °С.

Вагоны имеют раму облегчённой сварной конструкции с хребтовой балкой. Кузов вагонов представляет собой сварную конструкцию с несущими гофрированными стенами, подкреплёнными элементами из гнутых профилей. Наружная обшивка стен и крыши выполнена из низколегированной листовой стали толщиной 2 мм. Обшивка стен внутри состоит из листов алюминия марки АМГ-6 толщиной 2 мм с наварными вертикальными гофрами. Обшивка потолка выполнена из сверхтвёрдых древесноволокнистых плит толщиной 4 мм.

Пол грузовых вагонов состоит из брусьев, уложенных на металлический настил рамы поперёк вагона, пакетов теплоизоляционных плит, размещённых между брусьями, и настила из досок толщиной 45 мм. На настил наклеены листы биологически нейтральной резины толщиной 4 мм, которая сохраняет свои качества при температуре от минус 45 до 50 °С. В полу имеются отверстия, расположенные по диагонали, которые оборудованы гидравлическими затворами для удаления промывочной воды и конденсата.

В качестве теплоизоляционного материала для стен, пола и крыши вагона используется полистирол марки ПСБ толщиной до 230 мм. Теплоизоляция грузовых вагонов постройки до 1965 г. была выполнена из плит мипоры, обёрнутых гидроизоляционной плёнкой ПК-4, толщиной от 185 до 290 мм. Средний коэффициент теплопередачи кузова нового вагона при неработающих вентиляторах воздухоохладителя секции РС-1 не должен был превышать 0,32 Вт/(м²×К), а секции РС-4 – 0,30 Вт/(м²×К).

На полу вагона (рисунок 5.13) имеются 36 напольных решёток из сплава алюминия размером 1190´1179 мм с резиновыми амортизаторами на опорах. Решётки прикреплены к продольным стенам вагона шарнирами. В поднятом состоянии их удерживают специальные захваты.

Грузовые вагоны имеют одностороннюю продольно-поперечную верхнюю систему воздухораспределения. Согласно рисунку 5.14 холодный воздух от холодильных машин или тёплый воздух от электропечей подаётся в грузовое помещение через щели в коробе-воздуховоде, расположенном под потолком вдоль продольной оси вагона, двумя вентиляторами-циркуляторами. Сечение короба уменьшается в направлении от холодильно-отопительных агрегатов, чтобы обеспечить равномерное распределение воздуха по всей длине грузового помещения. Воздух выходит из короба воздуховода снизу через горизонтальные щели, омывает груз сверху вниз, проходит через неплотности штабеля и вокруг него под напольные решётки, затем поднимается между циркуляционным щитом и стенкой машинного отделения и возвращается к холодильно-отопительной установке.

Грузовое помещение	Напольные решётки

Рис. 5.13 – Внутренний вид грузового помещения вагона
рефрижераторной секции постройки БМЗ

Недостатком такой системы воздухораспределения является слабое проникновение охлаждающего воздуха внутрь штабеля, несмотря на большую мощность вентиляторов-циркуляторов. В результате интенсивно охлаждаются наружные слои груза, и возникает возможность их переохлаждения, что опасно, например, для плодоовощей.

Вентилирование грузового помещения осуществляется так же, как в вагонах рефрижераторных секций постройки завода Дессау. Однако выброс воздуха из грузового помещения вагонов нового поколения осуществляется не через дефлектор, установленный на крыше, а через отверстие в перегородке между грузовым помещением и машинным отделением, расположенное под воздухоохладителем.

Рис. 5.14 – Компоновка оборудования и организация распределения
воздуха в грузовом помещении вагона пятивагонной
рефрижераторной секции БМЗ:

1 – дефлектор вентиляционной системы; 2 – груз; 3 – воздуховод над ложным потолком;
4 – вентилятор-циркулятор верхнего холодильно-отопительного агрегата; 5 ‑‑ испаритель
холодильной машины верхнего агрегата; 6 – электропечь верхнего агрегата; 7 – холодильно-отопительные агрегаты; 8 – конденсатор верхнего агрегата; 9 ‑‑ вентилятор машинного
отделения; 10 – вентиляционная труба с заслонкой; 11 ‑‑ машинное отделение;
12 – циркуляционный щит; 13 – напольные решётки; 15 – теплоизоляция кузова вагона

Дверь вагона, показанная на рисунке 5.15, прислонного типа с резиновым уплотнением шириной 2700 мм, высотой 2200 мм. Она оснащена запорным механизмом, состоящим из правого 5 и левого 1 затворов, прикреплённых в трёх точках к каркасу и к винтовым стяжкам 6, на которых установлены рукоятка и храповик со скобой. Рукоятка закрывается крышкой 9 с кожухом 10 и затвором 8 со штырём× 7, а крышка запорно-пломбиро­вочным устройством. Для открывания двери приподнимают кожух 10, оттягивают и поворачивают фиксатор храповика на 90 градусов и рычагом, совершая возвратно-поступательные движения (вверх-вниз), выводят дверь из проёма, а затем перемещают на тележках 5 по рельсу 3 до упора 11.

Рисунок 5.15 – Дверь грузового помещения вагона рефрижераторной
секции постройки БМЗ:

1 – левый затвор двери 2 – верхнее запорно-пломбировочное устройство; 3 – рельс для движения двери; 5 – правый затвор двери; 5 – каток двери; 6 – винтовая стяжка; 7 – штырь; 8 – стяжка; 9 – крышка нижнего запорно-пломбировочного устройства; 10 – кожух; 11 – упор рельсовый

Дата добавления: 2015-08-18