Комбинирование гелиотеплицы-живодноводчеких ферм с подпочвенным аккумулятором теплица Текст научной статьи по специальности «Физика»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х_

Bibliography:

1.Arhipov AP, Gomel VB Tulenty DS Insurance. Modern Course: Textbook / Ed. E.V. Kolomina. -M: Finance and Statistics, 2013. - 416 p..

2. N. Bowers, Gerber, H., Jones, D., C. Nesbitt, J. Hickman. Actuarial Mathematics. Translated from English. / Ed. VC. Malinowski. - M:. Janus-K 2001.

3. VV Kalashnikov Classic risk process. -M,: Finstatinform, 2014 - 150c.

4. Chetyrkin EM Financial Mathematics. - M:. Case 2010.

© Kutlybaeva D.M., 2017

УДК: 662.997

Хайриддинов Б.Э., Холмирзаев Н.С., Эргашев Ш.Х., Хайриддинов А Б., Д.Ж.Нурматова

КОМБИНИРОВАНИЕ ГЕЛИОТЕПЛИЦЫ-ЖИВОДНОВОДЧЕКИХ ФЕРМ С ПОДПОЧВЕННЫМ АККУМУЛЯТОРОМ ТЕПЛИЦА

Аннотация

В статье приведена расчета и результаты экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса в субстратах подпочвенного аккумулятора тепла в комбинированных гелиотеплицах животноводческих ферм. Достоверность приведенной методики подтверждена экспериментальными данными.

Ключевые слова

Аккумулятор тепла, субстрат, солнечная энергия, коэффициент теплопроводности, коэффициент диффузии, свободная энергия, уравнение теплового баланс, уравнение энергии, градиент температуры,

распределение температуры, изотермы.

В настояшее время большое предпочтение уделяется использованию нетрадиционных источников энергии, в частности, солнечной энергии в гелиотеплицах. Одним из способов использования солнечной и био-энергии для нагрева почвы в комбинированных гелиотеплицах и животноводческих фермах является помещение ряда параллельных труб с теплой водой в грунт под почвой. Нагрев почвы осушествляется циркулирующей теплой водой, а также количеством прощедшей солнечной энергии, которая поглощается растениями и элементами конструкции гелиотеплицы. Часть прошедний солнечной энергии в дневное время может аккумулироваться в основном в подпочвенном аккумуляторе тепла в субстратном слое, находящемся вокруг аккумулятора и в верхних слоях почвы. В ночное время, в облачные дни и в холодный период зимнего сезона температура воздуха и почвы в помещениях гелиотеплицы и животноводческой фермы поддерживается за счет дневной аккумулированной энергии и биогазовой пара-водяной энергии, что увеличивает скорость роста растений, а также удлиняет продолжительность периода, благоприятного для их выращивания. Начальные эксперименты показали, что высыхание почвы около труб представляет собой серьезную проблему, связанную с уменьшением эффективной проводимости почвы и уменьшением содержания влаги в почве, необходимой для роста растений [1]. Один из методов, предложенных для решения данной проблемы, состоит в том, чтобы допустить дневной нагретый внутренний воздух подпочвенного субстратного аккумулятора и в аварийных случаях истечение теплого воздух а из труб через ряд отверстий что обеспечивает субстратного слоя и нагрева почвы [2,3]. Задачи теплопереноса, связанные с системой такого типа, достаточно сложны вследствие переходного характера окружающих условий и неоднородности свойств переноса тепла в слои субстракта. Последнее обстоятельство еще более усложняется переносом влажного субстрата в грунте.

В большинстве теоретических методов решения данной задачи используются допущения об

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х_

установившихся условиях, о постоянстве эффективной теплопроводности, а также о том, что температура на поверхности известна.

В данной статье представлены дифференциальные уравнения, описывающие переходные процессы тепло- и массопереноса в субстратном слое. Результаты выражения этих уравнений в конечно - разностной форме и решения их численным методом [4,5] представлены для субстратом слое, содержащего систему параллельных нагреваемых труб с отверстиями (порами). Чтобы получить оптимальные глубины залегания подпочвенного аккумулятора, труб и расстояния между ними для данной почвы, сельскохозяйственной культуры и расположения участка, значения глубины залегания и расстояния между трубами изменялись в процессе вычислений. Параметрами оптимизации были увеличение влагосодержания в относительной части объема субстрата, поддерживаемого при температуре выше 280С, и среднее увеличение температуры. В предыдущих работах теплоперенос в грунтах определялся при условии постоянства коэффициента теплопроводности с использованием метода отображений для аппроксимации распределения температуры около закопанной трубы, а содержания жидкости выражаются через коэффициенты диффузии и потоки тепла и массы [6,7].

Нами используется уравнение Дарси для течения жидкости через пористую среду, (поверхностная плотность теплового потока) которое можно записать следующим образом:

=~Pwk VV (1)

где pw — теплоты перегрева жидкости; к — характеризует соотношение между теплотой испарения и свободной энергией поверхностного слоя; А^ — переток теплоты.

Пароводяной поток определялся из уравнения диффузии следующим образом:

qu=— D VpUo (2)

где, D-коэффициент диффузии, м2/с.

Уравнение непрерывности для паровой и жидкой фазы записывается, соответственно, в виде

др

E = (S — в)—^ — V D V р (3)

dt 0

-п

Р„-Г-Р* У к = (4)

Не учитывая механическую работу, а также принимая величину потенциала р малой и р0 «pi уравнение теплового баланса можно записать в виде

— — —т —

УЛ V т = (вр^1 + р^е^) — - Р„ер1к УрУТ + (5)

Чтобы найти рк как функцию температуры и влагосодержания, используем допущение о местном термодинамическом равновесии. Свободная энергия воды в грунте определяется выражением

СТе = 8¥

Допустим, что для жидкой фазы воды СТе = 0. Свободная энергии пара определяется выражением

С^р = КТ 1п Р- (6)

Р0

где Р -давление пара и Р^ - давление ненасыщенного пара в условиях субстрата трубы. Вардияшвил

[5] использовал метод суперпозиции для приближенного представления распределения температуры, обусловленного наличием большого числа труб, закопанных в грунт на постоянной глубине с одинаковыми расстояниями между ними. Кроме того, в уравнениях Вардияшвыли не учитывается конвекция в субстрат и коэффициент теплопроводности принимается постоянным; в них требуется, чтобы была задана температура на поверхности почвы, которая большинстве случаев неизвестна вследствие теплообмена с окружающей средой.

и

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х_

Большая часть исследований совместных процессов тепло- и массопереноса в субстратах связана с рассмотрением термодинамики необратимых процессов. Нерпин и Чудновский [6] получили на основе теоретической термодинамики неравновесных процессов уравнения для потока тепла и влаги в субстратах в условиях насыщения и ненасыщения и экспериментально определили феноменологические коэффициенты для этих уравнений в различных субстратах. Нерпин и Чудновский [5] продолжил эти эксперименты и получили уравнения для переноса жидкости, пара и тепла в субстратах. Эти уравнения, однако, неприменимы в случае вывода уравнения непрерывности или теплового баланса.

Хайриддинов и Садыков [7] применили более близкий к классическому подход, используя закон Дарси для потока жидкости

4e =~Pwk VP , (7)

который они преобразовали следующим образом:

qe =-DTe V T - De Vв-pji (8)

Уравнение для переноса пара аналогичным образом преобразовывалось из зависимости от градиента плотности пара в зависимость от градиентов температуры и содержания воды в жидкой фазе. Эти выражения затем подставлялись в уравнение непрерывности таборек [8], использовав выражение для течения пара-водяной смеси, а также уравнение непрерывности для паровой и жидкой фазы, чтобы получить уравнение интенсивности пароводяного образования. Корме того, было получено уравнение энергии с использованием упрощений до выражений, соответствующих установившемуся одномерному потоку:

RT ln = gW

или

rgw

PS

= exp

P

RT

(9)

Использовав уравнение состояния идеального газа при постоянной температуре на поверхности раздела между жидкостью и паром (P / р = const), приведенное выше соотношение можно записать в виде

= exp

Р

1 SSat

g¥

(10)

ВТ

Уравнения (3) - (10) представляют собой четыре выражения, из которых можно получить решения для р , Е, Т и в, если известны значения щ, k, D и X .

Разница между этими уравнениями и уравнениями Деврие состоит в том, что данные уравнения содержат градиенты плотности пара и поверхностного натяжения воды, тогда как преобразованные уравнения Деврие содержат только градиенты температуры и содержания воды. Уравнения (3) - (6) записывались в конечно-разностном виде и решались, численным методом с использований явной схемы, которая подробно описана в работах [4,9].

Конечно-разностные формы указанных уравнений, а также программа вычислений приводятся в работе [10]. Для аппроксимации граничных условий моделируемой системы были выбраны условия, использовавишеся при расчете численным методом. Вертикальные границы моделировались изолированными поверхностями, что обусловливалось симметрией задачи или же условиями экспериментов. Нагревательная и оросительная трубы на вертикальной границе моделировались заданием температуры и влагосодержания в узле, представляющим трубу. Вследствие малых ожидаемых диаметров труб не считалось необходимым построение частой расчетной сетки на участке вблизи трубы. Граничные условия на нижней горизонтальной границе при моделировании задавались как постоянные значения влагосодержания и температуры.

Типичные расстояния между узлами были 150 см при расстояниях по вертикали 35 см ниже глубины залегания труб 20 см. В лабораторных модельных экспериментах использовалось расстояние между узлами

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х_

15 см.

Было проведено сравнение результатов численных вычислений и результатов, полученных в лабораторных экспериментах. На рис.1 для примера представлены вычисленные изотермы и линии постоянного влагосодержания, полученные для одного опытного случая, соответствующего установившимся условиям. Здесь также для сравнения приведены отдельные экспериментальные точки (соответствующие значения подчернуты) взятые из работы [5]. Эксперимент проводился в субстратом грунте, заключенном в контейнер с изолированными стенками и дном при температуре воздуха 32,60С и относительной влажность 70%, причем труба у стенки располагалась на глубине 35 см. Труба поддерживалась при температуре 290С, а влагосодержание в прилегающем к ней субстрате поддерживалось на уровне 0,29 см3/см3. Показанные на рис.1 вычисленные и измеренные значения находятся в хорошем соответствии.

Для дальнейшей проверки теоретического метода было получено решение установившегося режима для конфигурации, схематически представленной на рис.2. Испарение на поверхности грунта не учитывалось, а теплопроводность принималось постоянной. Распределение температуры в эксперименте приближенно представляется решением в замкнутом виде, которое записывается следующим образом:

T = Т +

- Т

да

P

•х-

cos(ß d)sin( ß )cos(ß y)ch(ß x)

D

D

D

D

где

P = ■

ß t [2ß + sin( 2ß )]th(ß D )

cos2(ß d)sin( ß D) ßt [2ß + sin(2ß )]th(ß Dd )

а ßi - собственные значения уравнения tgß =

hD / Л

а)

ы в ч о п

и т с о н

х р

е в о п т о а н и

б

у

л

1-4

0| 4

f2| 16 20 , 24 j 2 Ш 32 36| 40

Расстояние от трубы по горизонтали, см.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х

б)

ы в ч о п

и т с о н

х р

е в о п т о а н и

б луб

Расстояние от трубы по горизонтали, см. Рисунок 1 - Сравнение вычисленных и экспериментальных распределений температуры и влагосодержания. а) - распределение температуры (цифры у правых соответствуют температурам в 0С, подчеркнуты экспериментальные значения). б) - распределение влагосодержания (цифры у правых и точек

см3

соответствуют влагосодержанию в —-, подчеркнуты экспериментальные значения)

см

Рисунок 2 - Модель решения в замкнутом виде, соответствующая случаю, показанному на рис.1 I - протекающий пароводяной поток через трубы подпочвенного аккумулятора (за исключением показанного на схеме постоянного теплового потока, обеспечивающего температуру Т0 в центре площади, через которую проходит постоянный тепловой поток); II - свободная конвекция в атмосферу при

температуре Тш.

Это решение аналогично решению уравнения Кендрика и Хейвенса [10] за исключением того, что сюда включена конвекция на поверхности. На рис.3 представлены результаты, полученные с помощью этого приближенного решения в замкнутом виде для конфигурации, подобной той, которая использовалось в лабораторных экспериментах. Кривые на рис. 3 находятся в хорошем соответствии.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х

О

I

I

Расстояние от трубы по горизонтали, см. Рисунок 3 - Изотермы для решения в замкнутом виде при постоянной теплопроводности и пренебрежимо малом испарении на поверхности почвы.

После обоснования пределов применимости данного метода были проведены вычисления для получения профилей распределения температуры и содержания воды при различных расстояниях между трубами на различных глубинах их залегания для зимних (январь) условий.. Программа С++ и Delphi перегонялась для 31 шага по времени причем каждый шаг соответствовал 2 часовому промажутку сутки. Поэтому результаты представляли собой температуру и влагосодержание после месячной работы системы подогрева почвы.

Очевидно, что для селькохозяйственных культур с корневой системой, углубляющейся до 50 см, расположение обогревающих труб на глубине 40 см создает лучшие условия, чем расположение этих труб на глубине 60 см.

Поскольку стоимость монтажа системы почвенного обогрева почвы значительно повышается с увеличением глубины, можно рекомендовать установку труб такой системы на наименьшей глубине, допускаемой условиями обработки почвы субстратного слоя гелиотеплицы и животноговодческой фермы.. Как и ожидалось, эффективность прогрева увеличивается с уменьшением расстояния между трубами. Поскольку эффективность тепло- массаобменных процессов увеличивается с уменьшением расстояния между трубами, а стоимость системы обратно пропорционально этому расстоянию, необходимо оптимизировать выбор наивыгоднейшего шага. Список использованной литературы:

1. Алла^улов П.Э, Хайриддинов Б.Э, Ким В.Д. " Нетрадиционная теплоэнергетика". Т.: Фан, 2009г., 182с.

2. Кирюшатов А.И " Использавание нетрадиционных возбновлящихся источников энергии в сельскохозяйственном производстве ". М.: Агроиздат, 1999, 153с.

3. Богословский В.Н. Энергия окружающей среды и строительное проектирование. М.: Стройиздат, 1988,

4. Даффи Дж.А., Бекман У.А. "Тепловые процессы с использованием солнечной энергии" Из-во: "Мир", М, 1977, 387 с.

5. Вардияшвили А.Б.Теплообмен и гидродинамика в комбинированных сольнечных теплицах с субстратом и аккумулированием тепла. Т. «Фан» 1990 с 193.

135с.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 01-2/2017 ISSN 2410-700Х_

6. Нерлин С.В., Чудновский А.Ф., "Энерго и массообмен в системе растение-почва-воздух". Л.: Гидрометеоиздат ,1975, 352 с.

7. Хайриддинов Б.Э., Садыков Т.А. "Комбинированные гелиотеплицы-сушилки" Т.: "Фан," 1992, 182 с.

8. Дж. Таборек "Проектирование теплообменников"-Теплообмен-Достижения. Проблемы. Перспективы избранные трубы 6-й международной конференции по теплообмену М.: Мир 1981. с. 265-302.

9. Ши Д. "Численные методы в задачах теплообмена". Из-во "Мир," 1988, 524 с.

10.Kendricks J.H., Havens J.A. "Heat Budget of a Subsurface Water Pipe Soil Warming System" Woter Research Center, University of Arkansas,1991

© Хайриддинов Б.Э., Холмирзаев Н.С., Эргашев Ш.Х., Хайриддинов А Б., Д.Ж.Нурматова, 2017