70 t级黄磷罐车加热性能分析

韩金刚，彭 燎，杨诗卫，王爱民

（南车眉山车辆有限公司 产品开发部，四川眉山620032）

70 t级黄磷罐车加热性能分析

韩金刚，彭 燎，杨诗卫，王爱民

（南车眉山车辆有限公司 产品开发部，四川眉山620032）

对70 t级黄磷罐车的加温结构进行传热分析，对加热时间进行了理论计算，并对样机进行了试验研究，验证了理论分析的正确性。

黄磷罐车；加热性能；分析；试验

黄磷在装卸作业均呈液态，在运输和存放中呈固态，故在装卸和运输与存放期间黄磷将在液、固两态之间变化。黄磷罐车卸货是利用虹吸原理实现的，固态黄磷呈现蜡状，不具有流动性，卸货时须对黄磷加热使其熔化为液态后才能进行卸货作业。根据调研，黄磷罐车卸货时液态黄磷的温度约为65℃。为满足用户对黄磷装卸的作业要求，节约成本，提高经济效益，对70 t级黄磷罐车进行加热性能分析、以确保加热效果满足用户的使用需求。

1 主要性能参数

70 t黄磷罐车主要性能参数如下：

载重/t 70（67黄磷、3水）

自重/t ≤23.8

罐体总容积/m342.6

罐体有效容积/m339.8

换长/m 1.1

自重系数≤0.34

每延米重/（t·m－1） ≤7.8

通过最小曲线半径/m 145

商业运营速度/（km·h）－1120

装卸料工作温度/℃ 60～65

装卸方式 上装上卸

限界：符合GB146.1-1983《标准轨距铁路机车车辆限界》的规定。

2 罐车加温结构

该罐车采用外加温方式，加温装置由加温套和加温管路组成。加温套由支铁、支撑板和加温套板等组焊在罐体底部的外表面，如图1所示。加温管路由加温管接头、主管、进气管和排水管等组成，与加温套进气管座连接成一体。

3 加热过程分析

70 t级黄磷罐车的加温套布置在罐体外壁，属于间壁加热方式。饱和蒸汽流入加温套后，在进气压力作用下沿罐体外壁流动，将热量传递到罐体外壁，同时蒸汽在罐壁上冷却、产生相变，凝结成水。罐体的传热过程是蒸汽对罐体的对流换热过程、罐体壁的导热过程和黄磷的对流换热过程3个分过程串联组成。由于罐体的导热系数大，黄磷的比热、导热系数均较小，为便于计算，作如下假设：

（1）罐体外壁的热量以热传导的方式扩散至罐体内壁，再传给贴近的黄磷；

（2）罐体与蒸汽之间的热交换以对流换热为主；

（3）最初加热时，黄磷呈固态，罐体与黄磷之间属于传导传热；

（4）大量热量传导至黄磷后，其温度迅速升高并熔化成液态，通过自然对流，对其周围的黄磷进行加热；

（5）罐体壁加热时间忽略不计。

4 加热时间计算

70 t级黄磷罐车满载时，黄磷质量为67 000 kg；黄磷装卸时环境温度在－10～＋38℃之间，加热介质表压为0.49 MPa的饱和蒸汽。

4.1 单位时间内罐体传热量

根据传热方程，罐体在单位时间内传导的热量为：

式中A为加温套的加热面积，m2；K为罐体的传热系数，W/m2·K；ΔT为传热温压，℃。

（1）罐体传热系数K计算

70 t级黄磷罐车罐体的最大壁厚为10 mm，罐体外壁半径的算术平均值为1 172.5 mm，因罐体壁厚远小于罐体的半径，罐体内外壁的半径相差很小，分析计算时将罐体内外壁近似成平面壁考虑。

罐体的传热系数按式（2）计算。

式中b为罐体的壁厚，m；a0为间壁内蒸汽的对流换热系数，W/m2·K；λ2为罐体的导热系数，W/m·K；a1为黄磷的对流换热系数，W/m2·K。

罐体加热时蒸汽被冷却，蒸汽产生相变凝结成水，a0按式（3）计算，a1按式（4）计算。

式中tw为0.49 MPa时饱和蒸汽的热力学温度，K；

ts为罐体的壁温，K；r为ts温度时，饱和水的汽化热，kJ/kg；ρ为ts温度时，饱和水的密度，kg/m3；μ为ts温度时，饱和水的动力黏度，kg/m·s；λ为ts温度时，饱和水的导热系数，W/m·K；d为罐体的外径，m。

式中ρ1为黄磷的密度，kg/m3；μ1为液态黄磷的动力黏度，kg/m·s；Δt为壁面与流体的温度差，℃；β为黄磷的膨胀系数，K－1；λ1为黄磷的导热系数，W/m·K；Pr为黄磷的普朗特系数，Pr＝4.65；Nu为努塞尔数；Gr为格拉晓夫数。

因罐体为横圆柱，根据格拉晓夫准则。将相关已知数据代入式（3）和式（4），求得a0＝2 614 W/m2·K，a1＝366 W/m2·K。

将a0，a1代入式（2），得到K＝294 W/m2·K。

（2）传热温压ΔT计算

式中Tw为罐体外壁的温度，℃；Tn为罐体内壁的温度，℃。根据式（5），求出ΔT＝29℃。

将K，ΔT值代入式（1），可得单位时间内罐体传导的热量Q＝3.25×105W＝1.17×106kJ/h＝1.95× 104kJ/min。

4.2 黄磷熔化所需热量

在－10℃的环境温度下（考虑最不利的情况），将罐内固态黄磷加热到65℃需要的总热量为Q0，按式（6）计算。

式中Q0为黄磷（固态）从－10℃加热到65℃吸收的总热量，kJ；Q1为黄磷（固态）从－10℃加热到44.1℃吸收的热量，kJ；Q2为44.1℃时，黄磷相变（固态转化为液态）吸收的热量，kJ；Q3为黄磷（液态）从44.1℃加热到65℃吸收的热量，kJ；Q4为冰从－10℃加热到0℃吸收的热量，kJ；Q5为0℃时，冰熔化成水吸收的热量，kJ；Q6为水从0℃加热到65℃吸收的热量，kJ；C1为黄磷的比热，kJ/kg；C3为冰的比热，kJ/kg；C4为水的比热，kJ/kg；m1为满载时黄磷的质量，kg；m2为罐体的质量，kg；η1为黄磷的熔化潜热，kJ/kg；Δti为温差（i＝1～4），K。

通过式（6），可得到在－10℃的环境温度下，黄磷加热到65℃卸车温度吸收的总热量Q0为7.23×106kJ。

加热时罐体要向周围的空气散失热量，考虑到空气的导热系数较小，因此在总热量Q0计算值的基础上加5%的补充裕量，则Q0的值为7.59×106kJ。

4.3 加热时间

由上述分析可以得出在－10℃的环境温度下，罐车满载时黄磷完全熔化需要的时间为：

4.4 加热时间对比计算

根据第4.2～4.3节的计算过程，分别取环境温度为0℃、15℃、38℃，计算出将黄磷加热到液态需要的时间如表1所示。

由表1可知，在－10℃～38℃的环境温度下，采用表压0.49 MPa的饱和蒸汽对罐车加热，将罐内固态黄磷全部加热到液态，需要的最长时间为6.5 h、最短时间为2.8 h，满足用户日常作业安排和进度要求。而在实际操作中，加温套外部的罐体对黄磷也有传热作用，黄磷的实际加热时间将小于理论计算值，更有利于用户装卸作业。

5 试验研究

由于黄磷为危险物品，故在试验时用水代替黄磷作为加热介质。由于加热介质不同，故不能直接测试加热时间，在试验中采用测试罐体单位时间的传热量以间接测试加热时间，若测试出的罐体单位时间的传热量大于4.1节的计算值Q，即可得出70 t级黄磷罐车加热时间将满足用户要求，反之亦然。

5.1 试验方法

在室温状态下将约42.6 m3的水装入罐体，采用饱和水蒸汽通过加温装置对罐体加热，每隔一定时间测量一次1位端洗罐孔处、人孔处和2位端洗罐孔处的水温。

5.2 试验结果

加温试验的加热时间共进行140 min，约间隔15 min测量一次1位洗罐孔处、人孔处和2位洗罐孔处的水温，测量结果如表2所示。

由表2数据可知，在140 min的加温过程中罐体内水温升高平均值为38.3℃，根据本文第4节的相关计算公式可得试验时间内罐体内的水所吸收的总热量Q总为6.82×106kJ，罐体单位时间的传热量为4.84×104kJ/min＞1.95×104kJ/min（理论计算值）。试验结果表明，70 t级黄磷罐车加温装置的加热性能满足设计要求。

5.3 试验结果与理论分析对比

如上所述，试验结果与理论分析结果存在差异，产生差异的主要原因有：

（1）理论分析时，为便于计算，对黄磷加热过程的传热形式及传热顺序进行了假设，这与黄磷的实际加热状态存在差异。

（2）试验时，由于黄磷属危险物品，不宜于用作试验研究，故采用水替代，而水与黄磷在物理性质和导热性能本身就存在差异。

因此，要使理论分析与试验更为接近，须分析黄磷运输过程中的实际加热状态，采用更为先进的热传导学理论尽量模拟黄磷加热时的状态，进行深入的研究。

6 结 论

本文利用传热学的相关理论对70 t级黄磷罐车的加热性能进行了理论分析、计算，并对其进行了试验研究，经上述分析，可得出如下结论：

（1）通过理论分析、计算，70 t级黄磷罐车在－10℃～38℃的环境温度下，采用表压0.49 MPa的饱和蒸汽对罐车加热，当将黄磷加热到规定温度时需要的最长加热时间为6.5 h、最短加热时间为2.8 h，满足用户日常作业安排和进度要求。

（2）试验时罐体单位时间的传热量4.84×104kJ/min大于理论计算值1.95×104kJ/min，试验结果表明，70 t型黄磷罐车加温装置的加热性能良好、达到设计要求。

（3）由于水与黄磷的属性的差异，其导热系数也不同，通过水代替黄磷进行加热试验的结果仅供参考，黄磷装卸时罐车的加热性能还需进一步分析研究。

［1］ 严隽耄，傅茂海.车辆工程.第3版［M］.北京.中国铁道出版社，2008.

［2］ 杨诗卫.70 t级黄磷罐车的研制［J］.铁道车辆，2008，46（04）：15-17.

［3］ 杨诗卫.70 t级黄磷罐车研究［D］.成都：成都西南交通大学，2013.

［4］ 俞佐平.传热学（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，1984.

［5］ 沈维道，郑佩芝，蒋淡安.工程热力学（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，1983.

［6］ 李庆华.材料力学（第2版）［M］.成都：西南交通大学出版社，1994.

［7］ 王光钦，丁桂保，刘长虹，杨 杰.弹性力学［M］.北京：中国铁道出版社，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，工程师（

2014－04－26）