Анализ условий обледенения водонапорной башни Рожновского в системе водоснабжения объектов АПК Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

приточно-вытяжной вентиляции и отопления 12 предназначена для автоматического поддержания требуемого микроклимата внутри контейнерной электростанции. Система пневматического пуска 13 предназначена для запуска дизельного генератора 2. Запуск осуществляется при помощи блока управления 14 в случае нехватки мощностей от возобновляемых источников электроэнергии для покрытия потребностей потребителя 10. Система топливопитания (топливный бак) 15 дизельного генератора 2 предназначена для обеспечения заданного времени работы изделия без подвоза топлива, подкачка и слив топлива осуществляются при помощи автоматической системы подкачки и слива топлива 16. Система смазки 17 и система охлаждения 18 осуществляют смазку и охлаждение в автоматическом режиме. Глушитель выхлопа газов 19 уменьшает токсичность и шумность от работы дизельного генератора. Система освещения 20 предназначена для рабочего освещения контейнерной электростанции. Система охранной сигнализации 21 предназначена для сигнализации о несанкционированном проникновении в контейнерную электростанцию. Система автоматического пожаротушения 22 предназначена для своевременной сигнализации о возникновении пожароопасной ситуации в контейнерной электростанции и автоматического или ручного включения средств пожаротушения. Все потребители, в том числе аварийное освещение 23, охранная сигнализация 21 и система автоматического пожаротушения 22, постоянно запитаны от группы аккумуляторных батарей 7. Подача напряжения от централизованной электрической сети 24 осуществляется при помощи команды узла управления 14 на автома-

тический ввод резерва (контроллер АВР ) 25. Узел радиоканала с антенной связи 26 используется для телеметрии и управления блочной электростанцией. При этом сигналы передаются от центрального пункта обработки информации и управления 27 либо в обратном направлении.

Гибридная электростанция может работать автономно либо параллельно с централизованной электрической сетью. Возможно автоматическое подключение централизованной сети к нагрузкам при помощи контроллера АВР. Гибридная электростанция имеет более широкие эксплуатационные возможности за счёт модульной конструкции, которая позволяет производить быструю замену компонентов и наращивание мощностей без отключения потребителей [4].

Вывод. Предложенные конструкции возобновляемых источников электроэнергии и технические решения по их комплексному применению позволяют существенно повысить надёжность и бесперебойность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Литература

1. Чиндяскин В.И., Соловьёв С.А., Петрова Г.В. Рекомендации и предложения по созданию устойчивых и экономически эффективных локальных систем электроснабжения сельских поселений от 100 до 500 дворов на основе комплексного использования альтернативных источников электроэнергии. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. С. 222.

2. Патент на изобретение RU № 2582386 «Ветроэнергетическая установка» / Чиндяскин В.И., Митрофанов А.А. Опубл. 27.04.2016 г.

3. Патент на изобретение RU № 2585161 «Погружная свобод-нопоточная микрогидроэлектростанция» / Чиндяскин В. И., Попова А.А., опубл. 27.05.2016.

4. Чиндяскин В.И., Гринько Д.В. Выбор оптимального решения для применения комбинированных установок на основе возобновляемых источников энергии // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. № 1 (45). С. 40-43.

Анализ условий обледенения водонапорной башни Рожновского в системе водоснабжения объектов АПК

В.Г. Петько, д.т.н., профессор, М.Б. Фомин, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Основной недостаток самой распространённой в сельской местности водонапорной башни системы Рожновского — функциональный отказ из-за намерзания льда на внутренних стенках башни в зимнее время года. При этом происходит не только уменьшение полезного объёма башни, но зачастую и её разрушение. Намерзание льда происходит, когда теплопотери через стенки башни превышают поступление тепла с водой, закачиваемой в полость башни из скважины. Ранее предложена методика расчёта толщины слоя льда на стенках башни в динамическом режиме при различных климатических и режимных параметрах [1]. Однако положенная в основу расчёта скорость увеличения

слоя льда оценивается по этой методике по косвенному критерию, что приводит к неоднозначным результатам. Поэтому представляет практический интерес уточнение данной методики и на этой основе построение зависимости толщины слоя льда от времени для различных климатических условий и различных величин протока воды через водонапорную башню.

Материал и методы исследования. На рисунке 1 показан поперечный разрез ствола башни.

При перемешивании находящейся в ней воды, которое частично осуществляется за счёт естественной конвекции и может интенсифицироваться различными техническими средствами [2—5], а также при наличии на внутренней стенке башни льда можно с достаточной степенью точности считать, что её температура по всей высоте башни

Элементарный слой

Стенка башни Лёд

Вода

где Н — высота башни, м;

г — радиус элементарного слоя, м; <г — толщина элементарного слоя, м.

Тогда сопротивление теплопередаче слоя толщиной от г0 до г находится по формуле:

1 «г ёг 1 , г

Пт =-[ — =-1п—. (2)

1 2Н *г=г<> г 2Н г0

Конкретно для рассматриваемого случая сопротивление слоя льда толщиной от г = гл до г = г1 выражение (2) примет вид:

1 /г1 ёг 1

■Ш тг -к г- Т-п-Н

Птл = -= ^т" 1п(3)

2кНХ л гл г 2кНХ л гЛ

Рис. 1 - К расчёту температурного сопротивления водонапорной башни

равна 0°С. Так как температура вне башни в зимнее время года отрицательная, то передача тепла происходит в направлении от центра башни в окружающее пространство. Передача осуществляется через лёд и стенку башни теплопроводностью и с внешней поверхности стенки башни теплоотдачей. Теплопроводность осуществляется в соответствии с законом Фурье, согласно которому

Р = ХГ (Т1-Т2)/ 5 = 9/(5 / ХГ) [6],

где Р — мощность теплового потока, проходящего через плоскую стенку, перпендикулярную направлению движения потока, Вт; Г — площадь поверхности стенки, м2; 9 — температурное напряжение (по аналогии с законом Ома для электрической цепи) 9 = Т1 —Т2, °С;

Т1— Т2 — разность температур поверхностей стенки, °С;

5 / ХГ = Кт — по аналогии с законом Ома для электрической цепи сопротивление передаче тепла, °С/Вт;

5 — расстояние между гранями пластины, м; Х — удельная теплопроводность, численно равная мощности теплового потока проходящего через плоскую стенку площадью 1 м2 толщиной 1 метр при разности температур между противоположными её гранями 1°С, Вт/(м • °С).

Удельная теплопроводность зависит от материала стенки и температуры. Другое её название — коэффициент теплопроводности, более распространённое в технической литературе, однако не совсем соответствующее её физической сущности.

Для рассматриваемой водонапорной башни представляет интерес сопротивление при передаче тепла через однородную цилиндрическую стенку (рис. 1). Если толщина стенки бесконечно мала, сопротивление её также имеет бесконечно малую величину и может быть определено так же, как и для плоской стенки, по формуле:

а для сопротивления теплопередаче стенки башни от г = г1 до г=г2:

птс = -

1 /г2 ёг 1 2Н с г ~ 2Н с'

1п г..

(4)

Теплоотдача с поверхности башни в окружающую среду осуществляется в соответствии с положениями Ньютона, согласно которым

Р = аГ(Тп- Тс) = 9пс / (1/аГ) [6],

где Р — мощность теплового потока излучаемого теплоотдающей поверхностью, Вт; ТП— Тс= 9ПС — разность температур тепло-отдающей поверхности и окружающей среды, °С;

Г — площадь теплоотдающей поверхности, м2; 1/аГ = ^ТП — сопротивление теплоотдаче, °С/Вт; а — удельная теплоотдача, численно равная мощности теплового потока, отдаваемого (поглощаемого) поверхностью площадью 1 м2 в окружающую среду при разности температур между поверхностью и окружающей средой один градус, Вт/(м2-°С).

По данным Х. Кухлинга [7], а = 4,5 + 4К, где V — скорость обдувающего поверхность воздуха, м/с.

Конкретно выражение теплового сопротивления теплоотдающей поверхности башни примет вид:

п =.!_=

-"-тп — _ —

1

5"а 2пг2 На

(5)

Общее тепловое сопротивление от внутренней поверхности льда до окружающей среды рассчитывается по формуле:

п = /(гЛ ) = ПТЛ + ПТС + ПТП =

1

1 1 г1 1 г2

-1п — +-1п — + -

2пНХ л гЛ 2пНХ с г1

2пНг2а

(6)

Тогда мощность теплового потока, уходящего в окружающую среду, равно:

Пт =

е

ВС

П(гл)

еВС

сИ =

<1В.Т = <г/ХГ = с1г/2шНХ,

(1)

1п + .

1

1п'2

2кНк л гЛ 2кНХ с г 2пг2 На

1

1

где 9ВС= ТВ — ТС — разность температуры воды ТВ, находящейся в баке башни (при наличии льда равной нулю), и температуры окружающей среды (воздуха) ТС, °С.

При этом мощность притока тепла, поступающего с закачиваемой из скважины водой, определяется выражением:

Рв = СвРвббв, (8)

где 0 — поступление воды в бак, м3/с;

6В — разность температуры воды, находящейся в баке, и температуры поступающей воды, °С; СВ — удельная теплоёмкость воды, Дж/кг; рВ — плотность воды, кг/м3.

В установившемся состоянии, когда ни нарастания массы льда, ни его плавления не происходит, существует баланс притока тепла и его отдачи в окружающее пространство (РТ = РВ). Заменив в этом равенстве мощности тепловых потоков их значениями и произведя некоторые преобразования, получим выражение расхода поступающей воды, необходимого для поддержания данного баланса при установившемся радиусе глу внутренней цилиндрической поверхности слоя льда:

Q = / Ю =

0ВС

2 пИХ л г

1 , Г --]п — +

2пИХ с г

2пг2 Иа

(9)

СВрВ0Е

Результаты исследования. На рисунке 2 проиллюстрирована полученная зависимость 0 = /(г) для нескольких значений температуры Тс окружающей среды при:

г1 = 0,495 м; г2=0,5 м; Н = 10 м; V = 10 м/с;

9В=5°С; ХС = 47 Вт/(м ■ °С);

СВ = 4186 Дж/(кг■ °С); рВ= 1000 кг/м3.

Я й

Тс=-40 0С Тс=-30 0С Тс=-20 0С Тс=-10 0С

0,2

0,4

0,6

Рис. 2

Установившийся радиус внутренней поверхности льда гл м

Зависимость расхода воды от установившегося радиуса внутренней поверхности льда

Для решения вопроса о динамике нарастания льда необходимо включить в уравнение теплового баланса теплоту плавления льда. Формула расчёта теплоты плавления элементарного слоя льда имеет вид:

= gdm, (10)

где % — удельная теплота плавления льда, Дж/кг; <ш = рЛ2лгЛН<*Л — элементарный прирост массы льда по всей внутренней поверхности бака водонапорной башни, кг.

Процессы теплообмена и таяния льда протекают достаточно медленно, поэтому количество тепла, идущего на нагрев или выделяемого при охлаждении льда и стенок башни, значительно меньше того количества тепла, которое отдаётся поступающей в башню водой. Тогда с достаточной степенью точности можно считать, что тепло поступающей воды целиком уходит на плавление льда и покрытие теплопотерь <ц>В = <11мП + <ц>Л.

Заменив входящие в уравнение величины их значениями, получим следующее дифференциальное уравнение:

СвРв^в^ = -

9в

1 , Г 1 ,

-]п — +-]

2пИХ л гЛ 2пИХ с

dt + gр Л 2лИгЛ drЛ,

из которого следует:

2пг2а

(11)

сЛ-Л =

СвРвQeв-

6в

1

-]п ^ +

2пИХ л гЛ

1 1 г2

-]п +

2пИХ с г

1

2яг, Иа -2-dt. (12)

gР Л 2пИгЛ

Решим данное дифференциальное уравнение, определим зависимости гЛ = / (?) для изменяющегося по суточному графику 0 = / (?), представленному на рисунке 3, и для постоянного среднесуточного значения соответствующего данному графику.

-<ЭМ, мл3/ч ■Оср, мл3/ч

10 15

Время суток, ч

20

25

Анализ графиков показывает, что наиболее интенсивное снижение необходимого расхода воды для поддержания установившегося режима обледенения наблюдается уже при слое льда, составляющем около 20% радиуса бака башни.

Рис. 3 - Суточный график водопотребления при % =2 м3/ч

Решение дифференциального уравнения осуществим графоаналитическим способом, заменив в нём дифференциалы переменных величин гЛ и ?

1

1

0

0

5

Рис. 4 - Алгоритм решения дифференциального уравнения (9)

Ц=2тЛ3/ч Ц- var

10

Время от начала отсчёта, сутки

15

й к

о £

и о

о £

С й

о §

^ ^

5 с

0,6 0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

1

■Тс=-40 •Тс=-30 Тс=-20 •Тс=-10

Рис. 5 - Зависимость радиуса внутренней поверхности льда от времени при переменном (О-уат) и постоянном ^ = 2 м3/ч) среднесуточном расходе воды (ГС= -40°С; У = 10 м/с)

достаточно малыми приращениями этих величин. При этом будем считать, что на отрезке времени At гл и Q будут оставаться постоянными. Алгоритм решения уравнения представлен на рисунке 4.

В результате получим две кривые (рис. 5) изменения радиуса внутренней поверхности льда от времени: одна при неизменном расходе воды в течение суток ^ = 2 м3/ч), а другая при переменном расходе ^ — уаг), среднее значение которого также равно 2 м3/ч.

Вид кривых показывает, что нарастание льда до установившегося уровня происходит за время, превышающее несколько суток. При этом в среднем накопление льда при переменном в

0 5 10 15

Время от начала обледенения, сутки

Рис. 6 - Зависимость радиуса внутренней поверхности льда от времени для различных значений температуры окружающей среды при У =10 м/с, Q = 2 м3/ч, тло= 0,5 м

течение суток поступлении воды в бак водонапорной башни ^ = /(?)) происходит так же, как если бы это поступление было постоянным, равным среднесуточному поступлению ^ = Qср). Тогда для упрощения расчётов интенсивности нарастания льда и его установившегося значения по приведённому выше алгоритму величину Q, и равным образом температуру ТС и скорость окружающего воздуха V можно принять постоянными, равными среднесуточным.

Кривые зависимостей гл= /(?), рассчитанные с учётом этого допущения для стального бака водонапорной башни с указанными выше геометрическими размерами для различных среднесуточных

0

0

5

•гло=0,5 м ■гло=0,4 м гло=0,3 м ■гло=0,2 м

0

5

10

15

Время от начала обледенения, сутки

-2 мл3/ч -1,5мл3/ч 1 млз/ч -0,5млз/ч

0

5

10

15

Время от начала обледенения, сутки

Рис. 7 - Зависимость радиуса внутренней поверхности льда от времени для различных начальных значений радиуса поверхности льда при У = 10 м/с, д = 2 м3/ч, ТС = -20°С

значений, приведены на рисунках 6—8: температуры окружающего воздуха ТС (рис. 6), радиуса поверхности льда в момент отсчёта гло (рис. 7), притока воды 0 (рис. 8).

Выводы. Анализ полученных зависимостей показывает, что для принятых в качестве примера размеров водонапорной башни установившийся режим обледенения наступает в среднем за время, равное 3—4 суткам. При этом льда в установившемся режиме намерзает на стенке башни тем больше, чем ниже среднесуточная температура окружающей среды и чем ниже приток воды в бак водонапорной башни. Однако, если соблюдается принятое допущение равенства нулю температуры воды по всему объёму башни, не происходит полного пере-мерзания ствола башни даже при экстремально низкой температуре и сравнительно малом объёме водопотребления. Это является наглядным доказа-

Рис. 8 - Зависимость радиуса внутренней поверхности льда от времени для различных значений среднесуточного поступления воды при У = 10 м/с, ТС = -20°С, гло= 0,5 м

тельством целесообразности применения устройств

и способов интенсификации перемешивания воды

для выравнивания температуры по всему объёму

водонапорной башни.

Литература

1. Петько В.Г., Рязанов А.Б. Исследование динамики нарастания льда на внутренних стенках водонапорных башен // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 1. С. 31—32.

2. Петько В.Г., Рязанов А.Б. Незамерзающая водонапорная башня // Сельский механизатор. 2008. № 2. С. 32.

3. Петько В.Г., Рязанов А.Б., Фомин М.Б. Водонапорная башня с ветроколесом // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 2. С. 32.

4. Патент 2379452, Водонапорная башня / Петько В.Г., Рязанов А.Б.; Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОГАУ; опубл. 20.01.2010.

5. Патент 2454565, Водонапорная башня / Петько В.Г., Рязанов А.Б.; Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОГАУ; бюл. № 9; опубл. 27.03.2012.

6. Егорушкин В.Е. и др. Основы теплотехники и теплоснабжение сельскохозяйственных предприятий. М.: «Колос», 1972. С. 92.

7. Кухлинг Х. Справочник по физике / пер. с нем. Е.М. Лей-кина. 2-е изд. М.: Мир, 1985. 520 с.

Методика формирования группы специалистов при определении остаточной стоимости подержанных сельскохозяйственных машин

И.В. Матвейкин, к.т.н., И.В. Попов, к.т.н., А.Н. Кондрашов, к.т.н., В.А. Урбан, к.т.н., А.Н.Лисаченко, аспирант, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; П.И. Огородников, д.т.н, профессор, Оренбургский филиал ФГБУН ИЭУрО РАН

Реализация технической политики в АПК, перестройка и дальнейшее совершенствование системы технического сервиса в сельском хозяйстве непосредственно зависят от уровня научно-информационного обеспечения, повышение которого связано с использованием системных принципов анализа информации и внедрением новых информационных технологий.

В условиях рыночных отношений процедура купли-продажи подержанной техники имеет акту-

альное значение. В настоящее время существует несколько методов определения остаточной стоимости подержанных машин и механизмов. Это аналитический метод, статистический, комплексный и экспертный [1]. Все они в той или иной степени предусматривают наличие специалиста, который принимал бы окончательное решение по конкретному вопросу. Причём при использовании экспертного метода главную роль играет именно специалист. Однако, как показывает практика, наличие одного специалиста не всегда позволяет сделать правильную оценку состояния машины, в связи с чем целесообразно привлекать к этой процедуре несколько специалистов.

Таким образом, возникает проблема формирования группы, способной наиболее полно оценить