CC BY
25
УДК: 631
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОЛНЕЧНО-ГЕОТЕРМАЛОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБОГРЕВА
ПОЧВЫ ТЕПЛИЦ_
Умарова Саида Уроковна
преподаватель,
Каршинский государственный университет, кафедра Физика, 128003, Республика Узбекистан, г.Карши, Хайриддинов Акмал Батирович кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель, Каршинский государственный университет, кафедра Агрохимия и почвоведения,
128003, Республика Узбекистан, г.Карши, Раупов Бекмурод Набиевич преподаватель, Каршинский государственный университет, 128003, Республика Узбекистан, г.Карши, DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2019.7.61.64
THE MATHEMATICAL MODEL OF SUN-GEOTHERMAL SYSTEM FOR INCREASE SOIL
TEMPERATURE IN GREENHOUSE
Umarova Saida Urokovna
Lecturer Department of Agro Chemistry and soil science, Karshi State University, Department of Fizika Khayriddinov Akmal Batirovich Candidate of Agricultural Sciences, Senior Lecturer Department of, Agro Chemistry and soil science. Karshi State University, Department of Agro-chemistry and soil science
128003, Republic of Uzbekistan, c.Karshi, Raupov Bekmurod Nabiyevich Lecturer Department of Agro Chemistry and soil science,
Karshi State University,
АННОТАЦИЯ.
Особенность гелио и геотермальных отопительных систем теплицы как объекта регулирования температуры воздуха заключается в том, что этот параметр в определяющей степени зависит от таких факторов, как интенсивность солнечной радиации, аккумулированной солнечной энергии в подпочвенного аккумулятора тепла и температуры геотермальные воды направление и скорость ветра, температура и влажность наружного воздуха. ANNOTATION.
The Peculiaurity of helo and geothermal heating sustems of the greenhouse as an object of air temperature regulation is that this parameter in determining degree derends on such factors? as inttnsity of solar radiation, accumulated Solar energy in the soil battery heat and temperature direction of geothermal water and wind speed, temperature and humidity of outdoor air.
Ключевые слова. Теплица, растений, микроклимат, температура почвы, воздух, аккумулятор, грунта.
Key words. Greenhouse, plant, crop, microclimate, soil temperature, air, akkumulyator, growth phase.
Введение. Многопролетные гелио теплицы, как правило, объединяют в блоки из четерёх теплиц площадью 0,6 га полуцилиндрической форме с пролетом звена 6,0 м, которые примыкают с обеих сторон к соединительному коридору и образуют в плане сооружение размером 6,0 х 50 м с минимальной высотой выступающих конструкций 2,2 м от уровня питательного слоя. В зимнее время нужный микроклимат в них обеспечивается системой трубного обогрева, включающей регистры шатрового, конькового, цокольного, надпочвенного обогрева и подпочвенным аккумулятором тепла, образующих регистры, составляет 70.. .110 м. Суммарная мощность системы обогрева такого блока 20.30 кВт. В
связи с этим автоматизация систем регулирования микроклимата, обеспечивающих значительную (до 50%) экономию теплоты и увеличение выхода продукции, представляет особый интерес. Тепло к сооружениям защищенного грунта поступает от солнечной энергии аккумулированных подпочвенного аккумулятора тепла и геотермальные воды с температурой 63 0С которые построенные оздоровительной центр Муборакского района.
Типовая схема регулирования системы обогрева блочной гелио теплицы предусматривает смешение прямой и обратной теплофикационной геотермальный воды в соотношении, определяемом
текущими теплопотерями теплиц, с помощью трехходового смесительного клапана и циркуляционного насоса (качественное регулирование). Оба этих элемента образуют устройство пропорционального регулирования, которым оборудуется каждая из гелио теплиц блока [1,2].
Особенность гелио и геотермальных отопительных систем теплицы как объекта регулирования температуры воздуха заключается в том, что этот параметр в определяющей степени зависит от таких факторов, как интенсивность солнечной радиации, аккумулированной солнечной энергии в подпочвенного аккумулятора тепла и температуры геотермальные воды направление и скорость ветра, температура и влажность наружного воздуха. На температурный режим гелио теплицы влияет также транспирация растений, температура почвы. Однако метеофакторы представляют собой основной вид возмущающих воздействий, причем статические и динамические характеристики многих из этих воздействий (особенно интенсивности солнечной радиации и скорости ветра) значительно превышают соответствующие характеристики канала регулирующего воздействия (температура геотермальные воды в системе обогрева - температура воздуха в гелио теплице), что затрудняет стабилизацию температуры воздуха в теплице. Она не должна отклоняться от агротехнические обоснованных норм на ± 1,00 С.
Методы исследований. Опыт эксплуатации комплектного оборудования солнечно геотермальной воды обогрев с подпочвенным аккумулятором тепла для автоматизации блочных теплиц свидетельствует о том, что алгоритмы функционирования систем регулирования температурного режима теплиц должны быть пересмотрены с учетом названных факторов. Очевидно, в этих условиях единственным методом прогнозирования результатов процесса стабилизации температурного режима теплиц будет математическое моделирование.
Результаты исследований. Структурная схема гелио-геотермального обогрева теплицы как объекта регулирования температуры воздуха показана на рисунке. Канал «тепловая мощность, выделяемая в объеме теплицы - температура воздуха в
ней» (Q ^ вп) - общий для воздействий любых
видов, изменяющих тепловой баланс сооружения. И если его динамика достаточно подробно описана на основании уравнения теплового баланса для сооружений защищенного грунта [3,4], то динамические характеристики каналов «температура теплоносителя-мощность солнечно-геотермальной воды обогрева с подпочвенным аккумулятором тепла системы обогрева» (в ^ Q), «расход теплоносителя - мощность предложенной трубной системы обогрева» (Q ^ вв) требуют более тщательного изучения.
Структурная схема солнечно-геотермальной воды обогрева с подпочвенным аккумулятором тепла теплицы как объекта регулирования: ^р) ^ р), в -передаточные функции каналов соответ-
ственно «температура теплоноситель - мощность - температура воздуха в теплице»; вх - температура теплоносителя на входе в систему обогрева те плицы; р - тепловыделения в объеме теплицы; в - расход теплоносителя; ^ - внешние возмущения; вв - температура воздуха в теплице
Мощность солнечно-геотермальной воды обогрева с подпочвенным аккумулятором тепла системы обогрева можно изменять, управляя температурой или (и) скоростью воды в трубах и подпочвенного аккумулятора тепла (качественное, количественное и смешанное регулирование)
Уравнения теплообмена, определяющие динамику однотрубного теплообменника от стенки к окружающему воздуху, имеют вид [3]:
-СОйв = (а/£%в -вс)йх (1)
СсГсрсйхдвс /д( = (а1/1 /ф-вс)йх-(а2/2 /фс-вв)йх (2)
Бж кг где С-теплоемкость теплоносителя, -; G-расход теплоносителя, — ; ( — коэффициент
кг • град с
теплоотдачи от жидкости к внутренней стенке подпочвенной трубы,
Вт
м2 • град
; / — площадь поверх-
ности внутренней стенки трубы, приходящаяся на 1 м длины, m2; I — длина трубы, m; в — температура теплоносителя в произвольной точке трубы, К; в2 — температура теплоносителя на выходе из теплооб-
менника, К; вс — температура стенки теплообменника, К; Сс-теплоемкость материала трубы,
Бж кг • град
¥с — площадь сечения трубы, m2, рс — плотность материала трубы, кг / м3; а2 — коэффициент тепло-
отдачи внешней стенки трубы воздуху,
Вт
м2 • град
; /2 — площадь поверхности внешней стенки трубы,
приходящаяся на 1 м длины, м2 вв — температура окружающего воздуха, К.
При а2 = COnst с учетом ( = /(С) уравнения (1), (2) могут быт полностью линеаризованы:
д0 / дх + а,д0 / дг = — а2 (0 — 0 с) — а3О;
(3)
ь0 д0 с / дг = ъх(® — 0 с) — ъ2 (&с — 0 ь) + ъъо
(4)
т
Где а =-; m-масса теплоносителя, приходящаяся на 1 м длины теплообменника, кг; G0- началь-
Оп
ное значение расхода теплоносителя;
а2 =
а/1 . (со0);
аз =
/1
{СО, у
(0 с — 0)о
( да, У д0'
\д°о у
дх
0 V У0
величина, определяющая степень
зависимости коэффициента теплоотдачи от расхода в пределах его малых изменений относительно началь-— безразмерная величина, характеризующая начальную тепловую мощность труб-
гдёл
ного значения;
у 0
ного теплообменника, значение которой зависит от базовой температуры, принятой при расчете процесса теплообмена[4,5]. Если за базовую принять среднюю температуру в теплообменнике, то
д0 V", "7/1
; Ъ0 = Сстс'; mc- масса материала трубы, приходящаяся на 1 м длины
У о
теплообенника, кг;
(01 +0 2 )
В, =а/г; В2 = а2/2; В3 = /(в — вс
ю
Исключив вс, объединим (3) и (4) в уравнение, представив его в форме
д0
дх
+ А(р) 0 = А2(р)О + Аз(р)0
н
(5)
где х -координата, соответствующая направлению движения теплоносителя;
А1 (Р) = а1Р + а2 — а2Ъ1 /(Ъ0Р +Ъ1+Ъ2 );
p-оператор Лапласа;
А2 (Р) = —аз + а2Ъ3 /(Ъ0Р +Ъ1+Ъ2 ); А3 (Р) = а2Ъ2 /(Ъ0Р + Ъ1 + Ъ2 )
0
0
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 4 (61), 2019_63
Из (5) получим передаточные функции теплообменника: температура жидкости на входе в теплообменник, расход теплоносителя-температура жидкости в любой точке теплообменника:
Ж 010 (р) = е ~А{ р) х (6)
Ж00 (р) = [Л(Р0/Л(р)](1 - е "4( Р)Х) (7)
Мощность, развиваемая теплообменником на участке трубы длиной йх (с учетом изменения температуры жидкости вдоль трубного регистра)
[дО (х, г) / д+ [дО(х, г) / дх^х = жКт [0 (х, г) - 0В (г)] (8)
или, разделив правую и левую части (8) на dx, получим
[дО (х, г) / дг й = жКт [0 (х, г) - 0В (г)] (9)
где КТ -коэффициент теплопередачи от воды от воды к воздуху, Вт /(м ■ град) . Запишем (9) в форме
йО(х, р)/ йх = жКТ [0(х, г) - 0В (р)]
Мощность, развиваемая трубным теплообменником длиной £ ,
=1
" г~(х, р)-
О(Р) = \жКт [0( х, р)-0 в (р)й
'в'
х=0
Отсюда с учетом (6) и (7) получаем уравнения, определяющие изменение мощности по длине трубы при возмущении температурой воды на входе:
О 01 (р) = жКт ]|ер)х 01(р) - 0 в (р)]йх (10)
х=0
при возмущении расходом воды
QG (р) = жКт | {АМ [1 - е(р)х к(Р) - 0н (р}^ (11)
х=0
Проинтегрировав (10), (11), имеем
Q 01 (р) = жКт-^- [1 - е -А1( р) 0 (р) - жКт!0 в (р)
А (р)
QG (р) = А2(р1{ЖКТ1 - лК —1--[1 - е-А( р)1 ]}0( р) - жКт\0в (р)
Q 4(р) [ т Ах(р) 1 (р) т в(р)
Отсюда передаточные функции, определяющие динамику изменения мощности трубного теплообменника,
Ж 0^ (р) = жКт^— [1 - е - А1( р)1 ] Т А^ (р)1 ]
Ж™ (р) = жКтА2(р) [жКт1 - Ж01Q (р)]
Или с учетом
где
е-А1(р)1 = е-[а11+т(к1+1)]ре-а21+ы /(т р +1)
т = Ь0 /(Ь + Ь2); к = а2Ь1 /(Ь1 + Ь2)
Ж (р) = К!(р) +К 2 (! - е -Кбр_^_) (12)
К3 р2 + К4 р + К5 К8 р +1
Ж^ (р) = К9( 'V (К11 - Ж01Q (р)) (13)
К 3 р + К 4 р + К 5
где
К =лКть0; К2 =лКт (Ь + Ь2); К = аЬг + аЬ + а2К; К = а2Ьъ;
Кб = ах1 + Ь0 /(Ь + Ь)[а2Ь^/(Ь + Ь — К = ехр{/[— а2 + аЬ /(ь + ь2]}; к = Ь /(Ь + Ь);
К9 = —а3Ь0; К10 = а2Ь3 — а3Ьх — а$Ь2; Кп = жКт/
Коэффициент функций (12), (13) рассчитывали на ЭВМ для определения зависимости динамики теплообмена от конструктивных параметров трубного теплообменника. Для обобщенной оценки динамики также с помощью ЭВМ разработан алгоритм, позволяющий найти постоянные времени и коэффициенты
усиления трубного теплообменника по каналам в ^ Q, С ^ в
При расчете получено примерное равенство постоянных времени по обоим каналам. Очевидно, это объясняется тем, что параметр при малых изменениях в и С определяется конструкцией трубного теплообменника и теплотехническими параметрами теплоносителя.
Численный эксперимент по плану Хартли для шести факторов позволил получить следующие уравнения регрессии, связывающие статические и динамические характеристики трубного теплообменника
(коэффициенты усиления по каналам в ^ Q, С ^ в и постоянную времени Т) с его конструктивно -технологическими характеристиками:
К0в = —278 — 40С = 820 + 400Ц + 0,23/ + 0,83С/ +12,2Ц/
КСв = —1751560 + 517780 С + 34340 + 4232/ — 7627100Ц — 4290 • 104 к + 33,4 • 104 С2 + 0,67/2 ++1160 Ш — 2920 СЛ0 — 956С/ — 76,8 -104 Ск — 9,9Лв/ +13520 А вй, + 21-104 Л0к + 4530 Ц + +4,1 • 104 /к + 35,5 • 107 йхк — 10,40Л0 — 3,440/ + 62130^
Т = —20504 — 5328С +1240 +12/ +1223 • 103 к + 7300С2 — 0,202 — 0,002/2 —123 • 103 й 21 — — 2,6-108 к2 + 4,9С/ — 10,3С/ — 148gd1 — 0,030/ + 2130Ц — 58149Ц
где Ц — диаметр внутренней стенки трубы, м; Ав = в1 — в2; к-толщина стенки трубы, м. Уравнения обеспечивают 5 % -нею точность расчета при изменении параметров в пределах:
0,1 < С < 0,35 кг/с; 343 <в< 363К; 293 <Лв< 318К; 70 < / < 210м; 0,05 < Ц < 0,07 м 0,002 < к < 0,003 м
К примеру, для теплицы площадь 1 га, построенной по типовому проекту 810-74, уравнения регрессии имеют вид:
К 0вт = 22156 +1100 +1720 К0вт = —1006880 + 4780900 +10,502 + 21700 + 4869Л0 — 29200Л0 — 10,40Л0+116000 Тт = —18943 — 45,80 + 2280 + 0,2302 — 0,202 + 0,02700
В целях проверки адекватности полученных уравнений регрессии был проведен эксперимент по
определению
К ад, КСв, т для регистра подпочвенного теплового аккумулятора и геотермальной воды для чего в стенку трубы заделали 12 термопар типа ХК и регистрировали их электродвижущую силу и расход воды. Воздействие (в виде прямоугольной волны) наносили изменением температуры и расхода воды. По кривым изменения температуры в различных точках стенки регистра и
расходу теплоносителя определяли тепловую мощность, рассеиваемую регистром в различные моменты времени. Эксперимент проводился по полно факторному веерка по критерию Фишера при заданном уровне значимости (5%) подтвердила результаты математического моделирования.
Выводы
1. Разработанная математическая модель солнечно-геотермальной системы обогрева теплицы с подпочвенным аккумулятором тепла дает возмож-
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 4 (61), 2019 ность оценит динамические характеристики системы обогрева по конструктивно-технологическим параметрам.
2. Каналы регулирования мощности систем обогрева расходом и температурой теплоносителя при малых изменениях регулирующих воздействий в динамическом отношении подобны.
Список литературы
1. Ануфриев Л.Н., Кожинов И.А., Позин Г.М. Теплофизические расчеты сельскохозяйственных производственных зданий. - М: Строиздат.1974.-268 с.
2. Холикулов Ш.Т., Исмоилов Э. Фермер хужаликларида замонавий иссикхона куриш ва ундан фойдаланиш асослари. Самарканд-2010. 175 б.
3. Шевяков А.А., Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. - М.: Машиностроение. 2004. -338 с.
4. Шетов Б.Х., Бутузов В.А. Геотермальная энергетика // Энергосбережение.-2006-№4.-С. 7071
5. Геотермал энергия тизимлари. WWW. esco.co. LJa /journal/ 2005-11/ art 07-28 ht m
