CC BY
23
Процесс обледенения металлической водонапорной башни в системах водоснабжения объектов сельского хозяйства, выполненной по типу «бак-стойка»
и для бака
М.Б. Фомин, ст. преподаватель, В.Г. Петько, д.т.н, профессор, Л.Р. Фомина, аспирантка, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; С.А. Соловьёв, чл.-корр. РАН, д.с.-х.н, профессор, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (ГОСНИТИ)
Ранее были проанализированы условия обледенения монобаковой металлической водонапорной башни. Однако преимущественное распространение в сельском хозяйстве имеют водонапорные башни, выполненные по типу «бак —стойка», в которых бак аккумулирования воды расположен на цилиндрической полой стойке меньшего, чем бак, диаметра. Процесс обледенения внутренней поверхности такой башни протекает более сложным образом, так как перераспределение тепла приточной воды между баком и стойкой меняется с течением времени в зависимости от толщины накопленного на их стенках ледяного слоя, изменяющейся в стойке и баке асинхронно. Решению данного вопроса посвящена настоящая работа.
Материал и методы исследования. На рисунке 1 показан поперечный разрез стойки и бака водонапорной башни.
Стенка бака башни
Элементарный слой
Стенка стойки башни
п _ ■ rncJr_
^ 2nHt*JJrjK г гпОДл
\n-2-
глс
-
1
1
¡11^.
(3)
Сопротивление теплопередаче стенки стойки
от г=гх до /•=/•, равно:
1 __L
I 1
ÏHHqlc r,L
a сопротивление теплопередаче стенки бака: Я<:и = ■
(4)
-*Гш г г
-1Ä
ИгЛяКС^ц г (5)
Теплоотдача с поверхности башни в окружающую среду осуществляется в соответствии с положениями Ньютона [6], согласно которым тепловое сопротивление теплоотдающей поверхности стойки башни, К/Вт, рассчитывается по формуле:
п _ 1 _ 1 «ПС
а бака башни:
Jen ¿лггсНса *
(6)
^пв — : -
^
где £С £Б — площадь теплоотдающей поверхности соответственно стойки и бака башни, м2; а — удельная теплоотдача (по данным 7, а = 4,5+ 4У), Вт/(м2К).
Общее тепловое сопротивление от внутренней поверхности льда до окружающей среды для стойки рассчитаем как:
îm tfç\* гж 2irlfçAt
In — +
fjc Znl/çrzça
и для бака:
tffi = ftöfa) = ЯлЕ+йсВ+ЯлЕ3
lu— ■
1
.riß
Iii*
ЗИМНЯЯ "'гЛ1н Г1К S^VIEH» '
Тогда мощность теплового потока, уходящего в окружающую среду через стенки стойки, выразим как:
1
(8)
(9)
Рис. 1 - К расчёту температурного сопротивления водонапорной башни
Будем считать, что при интенсивном перемешивании воды техническими средствами, предложенными в ряде работ [2—5], и при наличии в объёме башни льда температура воды по всей высоте башни равна 0°С.
Как известно, сопротивление теплопередаче цилиндрической стенки толщиной от r0 до r находится по формуле [6]:
н (1)
Конкретно для рассматриваемого случая сопротивление слоя льда толщиной от r = гл до r=rx для стойки уравнение примет вид:
1 tncdr 1 t: rte
P\\C ~
Ас(глс)
T
2hNc** J-Д; Д ИГг>Г 'Ц luifcfipt
а через стенки бака:
А, - "" 'TIE ^
---г
_hl^Ul ■ .-. .
г,ь 2nJH|,ri6<i
, (10) . (11)
При этом мощность притока тепла, поступающего с закачиваемой из скважины водой, равна: Рь = СьрМ, (12)
где Q — поступление воды в бак, м3/с;
6в — разность температуры воды, находящейся в баке, и температуры поступающей воды, К; 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:
р + р = р
ХПС ХПБ ХВ-
Для решения вопроса о динамике нарастания льда необходимо включить в уравнение теплового баланса теплоту плавления льда. Уравнение теплоты плавления элементарного слоя льда соответственно для стойки и бака, Дж, имеет вид:
- уйтс = 9Ря2лгмНс<[1тЯс , (13) = = дрп21тгтНг4тк (14) где g — удельная теплота плавления льда, Дж/кг; <шс и <шБ — элементарный прирост массы льда по всей внутренней поверхности соответственно стойки и бака водонапорной башни, кг.
С учётом того что процессы теплообмена и таяния льда протекают достаточно медленно, 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:
= + dwnъ + + (15)
Заменив входящие в уравнение величины их значениями, получим следующее дифференциальное уравнение:
= вдф&Й = (Лк + +
+ т2п(глсНс4гяс + (16)
Мощность теплового потока, приходящаяся на 1 м2 площади внутренней поверхности льда, поступающего с приточной водой, выразим уравнением: = ^
гя(гжВе+гмН&) * (17)
а поверхностная плотность теплопотерь стойки и бака башни:
,
Рпс
(18)
Рис. 2 - Алгоритм решения дифференциального уравнения (31)
(19)
2 кг
При этом поверхностная плотность энергии, идущей на плавление льда для стойки и бака, соответственно:
rfw^ = gpndrnc- (20)
dw.iu = . (21)
Тогда для единицы площади внутренней поверхности льда для стойки и бака:
p„dt = рпсЛ + gpndr„c; (22)
gpndrm. (23)
В развёрнутом виде это примет вид: ВДвОД j. „ Flic
d г = ■
-dt =
f ПК
■ "" .^■^■ а-.; (24)
^ . (25)
Преобразовав выражения (22) и (23), получим:
<А - Pnc)ii£ - 8А*&яс : О'п = йМо» I
и поделим первое уравнение на второе:
Рв-РпС
(26)
(27)
(28)
Откуда:
rir^E = rirj
/к;
PiJnb
(29)
(30)
(31)
Рш~Р ПС
Подставим в уравнение (16):
= (Лк + + + ЗРлМгкНс +
Тогда получим:
ЛС Я А, 2п(г,псНс+ глсНе^ПЬ) • Ри'РПС
Далее определяется <!гш по выражению (29).
Решение дифференциального уравнения осуществим также графоаналитическим способом, заменив в нём дифференциалы переменных величин гЛС, гЛБ и ? достаточно малыми приращениями этих величин. При этом будем считать, что на отрезке времени At гЛС, гЛБ и Q будут оставаться постоянными. Алгоритм решения уравнения представлен на рисунке 2.
Результаты исследования. В качестве примера приведена графическая интерпретация результатов решения данного дифференциального уравнения для водонапорной башни ВБР-15-У-10 для различных условий эксплуатации. Башня имеет следующие технические данные: полезный объём
1,4 2 1,2
£ а о,б v 5
В £ 0,2
" Ш
/
гЛ0Б1,2м
— Ц>ЁЛРС=О.4М
----ГЛ0Б=1лЛ
ГЛ0С=0,3 м
- — гЛОБ=0.&м
■ гЛОС-0,2 м
10
12
К]>
ПОД с ннчйля атснет:!, гутки
■ |ЛОБ-О,&м
гЛОС -ОД м
Рис. 3 - Зависимость радиусов внутренних поверхностей льда в баке и стойке башни от времени обледенения при Т =-30°С; У = 10 м/с; 0 = 4 м3/ч и различных начальных значениях этих радиусов
Рис. 4 - Зависимость радиусов внутренних поверхностей льда в баке и стойке башни от времени обледенения при Т =-30°С; У = 10 м/с; гЛ0Б= 1,21 м; гЛ0С=0,44 м и различных значениях 0 = (2; 4; 8; 15) м3/ч
1.Д 1.} 1
ob 0.6 0.4
ал
о
г 4 б е ю
НЯЧЯ "1 лiTnifirii, (Т.-Г>.|1
II
— — гпБ 3
— ■ тлСЗ
----гцЫ
-— * гл£4
.......fn6tj
--™С6
---сдБ 10
— -ffiCIO
Рис. 5 - Зависимость радиусов внутренних поверхностей льда в баке и стойке башни от времени обледенения при У = 10 м/с; гЛ0Б=0,9 м; гЛ0С=0,2 м; 0 = (3; 4; 6; 10) м3/час; Т =-40°С
башни — 15 м3; полный объём — 22 м3; диаметр бака Дб=2г1б=2,5 м; диаметр опоры (стойки) — ДС=2г1С=0,96 м; высота стойки — НС=10 м; высота бака — НБ = 3 м.
На рисунке 3 изображены графики зависимостей радиусов внутренних поверхностей льда в баке (гЛБ) и стойке (гЛС) при различных начальных значениях этих радиусов (гЛ0Б и гЛ0С) от времени с момента наблюдения.
Как видно, различные начальные значения льда не влияют на величины установившихся значений радиусов обледенения. В стойке радиус обледенения устанавливается значительно быстрее (примерно за 3 сут.), чем в баке (за 6 сут.).
На рисунке 4 показаны кривые зависимости радиусов обледенения от времени при различном среднесуточном поступлении воды в бак водонапорной башни. В начальный момент лёд на стенках
бака и стойки отсутствует (гЛ0С=r1(
Б Г1Б)-
На рисунке 5 приведены зависимости радиусов обледенения бака и стойки от времени обледенения при различных значениях Q, но в началь-
ный момент наблюдения стенки бака и стойки покрыты льдом.
Выводы. С уменьшением притока воды в башню радиусы обледенения стойки и бака уменьшаются, т.е. происходит накопление льда тем в большей степени, чем меньше приток воды. Установившийся режим наступает также за время от 0,5 до 3—4 суток. И только при Q=2 м3/ч переходный режим растягивается до 10 и более суток. Во всех представленных случаях при изменении одного из факторов наблюдается переход установившегося радиуса обледенения на новый в заданных условиях эксплуатации уровень, соответствующий уровню воздействия этого фактора на интенсивность обледенения. При этом происходит или увеличение слоя льда, если установившееся его значение больше начального, или в противном случае — уменьшение.
По разработанной методике могут быть получены кривые зависимостей радиусов обледенения от времени при любых конструкционных, климатических и эксплуатационных факторах, характеризующих конкретные условия использования водонапорной башни.
Литература
1. Петько В.Г., Фомин М.Б. Анализ условий обледенения водонапорной башни Рожновского в системе водоснабжения объектов АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (62). С. 85—89.
2. Петько В.Г., Рязанов А.Б. Незамерзающая водонапорная башня // Сельский механизатор. 2008. № 2. С. 32.
3. Петько В.Г., Рязанов А.Б., Фомин А.Б. Водонапорная башня с ветроколесом // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 2. С. 32.
4. Водонапорная башня. Пат. 2379452 / Петько В.Г., Рязанов А.Б.; Заяв. и патентообл. ФГОУ ВПО ОГАУ; опубл. 20.01.2010.
5. Водонапорная башня. Пат. 2454565 / Петько В.Г., Рязанов А.Б.; Заяв. и патентообл. ФГОУ ВПО ОГАУ; опубл. 27.03.2012; Бюл. № 9.
6. Егорушкин В.Е. и др. Основы теплотехники и теплоснабжения 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.
Перспективы развития систем очистки вентиляционного воздуха на основе мокрых электрофильтров
Л.Н. Андреев, к.т.н., А.В. Козлов, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
В связи с переводом животноводства на промышленную основу возник ряд проблем, связанных с высокой плотностью посадки животных на ограниченном пространстве. Это прежде всего высокие энергозатраты на создание оптимального микроклимата, рост риска распространения инфекций, передаваемых аэрогенным путём, повышение экологической нагрузки на окружающую среду и ухудшение условий труда обслуживающего персонала.
Одним из важнейших параметров микроклимата животноводческих помещений является
концентрация аэрозольных (пылевых) частиц, микроорганизмов и вредных газов (аммиак, сероводород, углекислый газ), которые являются продуктами жизнедеятельности животных и в больших количествах генерируются в воздушную среду помещения [1, 2].
Результаты многочисленных исследований свидетельствуют, что хозяйства, где содержат животных в помещениях с воздухом, загрязнённым аммиаком, сероводородом, углекислым газом, понесут значительные потери от снижения производительности животных, повышения уровня смертности, а также перерасходов кормов на единицу продукции.
