CC BY
12
УДК 628.8663
РАСЧЕТ БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОГО
КОМПЕНСАТОРА
Ю.А.Цой И.И. Тесленко Р.А.Баишева
В докладе представлены параметры источника тепловой энергии земли, используемой в технологии температурного компенсатора.
Ключевые слова: Параметры внешней среды, теплотворная способность земли, величина заглубления.
Для определения опытным путем безопасных параметров источника естественного энергопотребления - тепла земли, на территории Ростовской области в течение года велись наблюдения за температурным состоянием грунта на различной его глубине - 1,6 м, 2,4 м, 3,2 м. На основе среднесуточных данных были построены графики (рис. 1) [1]. При проведении исследований использовались электротермометры.
Рис. 1. Графическая характеристика запасов естественной тепловой энергии земли в функциональной зависимости от параметров внешней окружающей среды, времени года и уровня заглубления: S - зона оптимальных микроклиматических параметров (в границах to min, to max ); А - зона снижения теплотворной способности земли на глубине 2,4 м; В - зона снижения теплотворной способности земли на глубине 3,2 м
Графики температурной характеристики внешней среды г (кривая 1) по временному циклу года Т сопоставлены с его влиянием на температурные изменения почвы в функциональной зависимости от степени заглубления.
Характер изменения внешней среднемесячной температуры (кривая графика температуры на территории замеров) в математическом виде представляется несколькими уравнениями. Для первого отрезка характерные точки сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Расчетная таблица по исходным данным (внешняя среда)
Т 0 1 2 4
г 0 4 8,5 16
Поскольку точка экстремума (вершина) находится выше ветвей графика, то уравнение функции имеет вид
г = а0 + а1Т - а2Т . (1)
Коэффициенты уравнения определяются формулами
а , (2)
п
У гТ пУГ2г -УТ2У г
а=УТ, а = —-У—У. (3)
1 Ут2 2 пУТТ4 -(УТ2)2
Коэффициенты уравнения определяются формулами
а ~ 2, (4)
У г - а2Т2
"0
п
а =УТ, а пУТ 2г-УТ - У г. (5)
1 "УТ2 а2" пУТ4-(УТ2)2
Числовые данные следующего участка графика рационально представлены в виде таблицы 2.
Таблица 2. Расчетная таблица по исходным данным (внешняя среда)
Т г у2 Т4 Т t Т2 г
1 2 3 4 5 6
0 4,5 0 0 0 0
1 9 1 1 9 9
5 20 25 625 100 500
11 16 121 14641 176 1936
14 5,5 196 38416 77 1078
Если п = 5
пУТ 2г = 17615; УТ2 У г" 18865;
пУТ4 = 268415; (У Т2 )2 = 117649;
а " -0,008; а = 1,052; а2 = 11,557.
Следовательно, уравнение имеет вид гВ = 11,557 + 1,052 Т - 0,008 Т 2.
Уравнение второй ветви графика в границах (15,5; 0) и (23; 0) определяется своими характерными точками, числовые данные которых представлены в таблицах 3, 4.
Таблица 3. Расчетная таблица по исходным данным (15,5; 0), (23; 0)
Т 15,5 16 17 19 22 23
г 0 -1 -3 -5,5 -4 0
Таблица 4. Расчетная таблица по исходным данным (15,5; 0), (23; 0)
Т г у-2 Т4 Т t Т2 г
1 2 3 4 5 6
15,5 0 230,25 52 900 0 0
16 -1 256 65 536 -16 -256
17 -3 289 83 521 -51 -867
19 -5,5 361 130 321 -104,5 -1985,5
22 -4 484 234 256 -88 -1936
23 0 529 279 841 0 0
п = 6
г1 = а\Т2 + а1Т + а\ ■
12 1 0 5
, пУТ 2г-УТ2 У г а\. = -У—У = -0,004;
2-1 ч
пУ
УТ4 -(УТ2)2 УТ
= УТт = -0,12
4-1
УТ2
а0ч = У г ~ а2УТ 2 =-0,8 п
Итак, уравнение имеет вид г 12 =-0,004Т2 - 0,12Т - 0,8.
Объемы естественной тепловой энергии внешней среды определяются площадью, ограниченной ветвью параболы и осью абсцисс, через интегральное выражение
15 11,557+1,0127-0,008Т12 23 0
= | йт | /(+| йт |/(г\)сЬ\ . (6)
0 0 15,5 -0,004Т[2-0,127 -0,8
Характер изменения линии графика, отображающей температурный режим почвы на глубине 1,6 м (рис. 1), определяется из новых координатных точек и расчетной таблицы 5.
Таблица 5. Расчетная таблица по исходным данным (1,6 м)
Т г у-2 Т4 Т г Т2 г
1 2 3 4 5 6
4 11 16 156 44 176
4,5 12 20,25 400 54 234
5 12,5 25 625 62,5 312,5
6 14,2 36 1296 85,2 511,2
7 15,2 49 2401 106,4 744,8
9 17 81 6561 153 1377
11,5 16 132,25 17424 184 2116
12,5 15 156,25 24336 187,5 2343,25
п£Т 2г = 62594; £Т2 £г = 58285,4;
и-
£Т4 = 426392; (£т2 )2 = 265998,06;
62594 - 58285,4 4308,6
а, =--— =--— = 0,03 ;
2 426392 - 265998,06 160393,94
876,6 .
а =-= 1,67 ;
1 515,75
112,9 - 0,03 • 515,75 97,4 __
а, =—----'—= = 12,17.
8 8
Уравнение второй линии имеет вид г2-4 = 12,17 + 1,67 Т - 0,03 Т 2.
Теплотворная способность почвы на глубине 1,6 м определяется из урав-
нения
24
е2-4 = \ ат | /(г. (7)
'2-4
0 12,17+1,67Т-0,03Т2
Для графика температурной характеристики почвы на глубине 2,4 м (рис. 1) расчетные координаты представлены таблицей 6.
Таблица 6. Расчетная таблица по исходным данным (2,4 м)
0
Т г у2 Т4 Т г Т2 г
1 2 3 4 5 6
7 13 49 2401 91 637
8 14 64 4096 112 896
10 15 100 10000 150 1500
11 15,5 121 14641 170,5 1857,5
12 15 144 20736 180 2160
13 14 169 28561 182 2366
Если п = 6
пУТ 2г = 74805; УТ2 У г = 55965,5;
пУТ4 = 871968; (УТ2 )2 = 418609;
а2 = 0,04; ах = 1,37; а0 = 10,1.
Уравнение имеет вид
г = 10,1 + 1,37 Т - 0,04 Т2 .
Таким образом, запасы тепловой энергии почвы на глубине 2,4 м определяются из выражения
23 10,1+1.377-0,0472
02,4 =| йТ |/(I. (8)
00
Графическая зависимость температурного режима почвы на глубине 3,2 м (график 4) приближается к прямолинейной зависимости. Уравнение ее рассчитываем по отрезкам. Первая часть определяется по характерным точкам (5; 10) и (9; 13).
г - г, _ Т - Т .
г - г т - Т '
2 11 2
г -10 Т - 5
13 -10 9 - 5'
4(г -10) = 3(Т - 5); 4 г - 40 = 3 Т- 15; 4 г = 3 Т + 25;
г = - 5 Т +121.
4 4 Уравнение представляется как
г = 0,7 Т + 6,2.
Уравнение того же графика на втором интервале изменения определяют точки (11; 16) и (17; 12) г -16 Т -11
-=-; 6г - 96 = 4Т = 44;
12 -16 17 -11
2^ 70
6г = -4Т +140; г = -Т + —.
3 3
Запасы тепловой энергии почвы на глубине 3,2 м равны
10 0,77+6,2 23 0
00 =| й7 | /(I)& + | Л | /()&. (9)
0 0 11 2 70
—7 +--
33
С ростом заглубления теплотворная способность почвы, а точнее, ее параметры стабилизируются. В частности, на отрезке с координатами (11; 16) и (21; 8) они приобретают следующее значение
г _ 16 т -11
-=-; 10г -160 = -8Т + 88;
8 -16 21 -11
45 124
10г = -8Т + 248; г =--Т +-.
55
Площадь между 4 и 3 линиями потери тепловой энергии почвы (зона «В») рассчитывается соответственно двойным интегралом
- 2т+—
24 з з 24 2 70 4 124
6(3X4) =\ат | /(№ ={(--т+7-+-т- . (10)
13 --г+124 13 3 3 5 5 у 7
5 5
Уравнение 2-го графика на втором интервале определяется характерными
точками (13; 14) и (17; 9)
г -14 Т -13 „ ^ ^ ^
4г - 56 = -5Т + 65;
9 -14 17 -13
4г = -5Т +121; г = -5Т + — .
4 4
Снижение теплотворной способности почвы и функциональной зависимости от степени заглубления с 1,6 м до 2,4 м (зона «А») определяется двойным интегралом
- 4т+12-4
24 5 + 5 , 24 4 124 5 121
&2Х3) =1 ст | /(№ ={(--т+—+-т-—)ё1. (11)
13 ^ 121 13 5 5 4 4
--т +--
44
Общие потери теплотворной способности почвы в зависимости от степени заглубления от 1,6 м до 3,2 м определяются из уравнения
2 70 4 124
24 - 2т + 70 24 -/+-Г
6(2)(4) = |сг | /(г)сИ + | № |/(г)сИ. (12)
4 124 13 5 121
—т+— -тт+^г
5 5 4 4
Теплотворная способность почвы на глубине 4,5 м (рис. 1) определяется из расчётных данных, представленных в таблице 7.
Таблица 7. Расчетная таблица по исходным данным (4,5 м)
Т г у2 Т4 Т г Т2 г
1 2 3 4 5 6
0 3 0 0 0 0
2 7,2 4 16 14,4 28,8
6 10 36 1176 60 28,8
10 11 100 10000 110 1100
16 10 267 65586 160 2560
17 10,5 289 83526 178 30345
20 7.% 400 16000 350 3238,5
23 6,5 529 29841 149,5 3438,5
Уравнение температурной характеристики почвы на глубине 4,5 м определяется следующими расчетами
У t -аУТ2 а0 = У-1У-= 228,43;
N
у tT
a = ^^ = 0,63;
1 Ут^2
_n(yr 2t )-уг2 у t _1
12t
—/ у у = 0,098:
ъ2
пут4 -(ут2)2
г = 0,63 Т + 0,098 Т + 228,43.
Таким образом, запасы тепловой энергии почвы на глубине 4,5 м определяются двойным интегралом
24 0,63Т2+0,098Т +228,43
е4,5 = / ат / /. (13)
00
Оценка результатов графической характеристики и математического анализа теплотворной способности почвы, величины заглубления и температуры внешней среды показывает, что все эти параметры связаны определенной закономерностью. В частности, с ростом заглубления воздействие внешних факторов на почву снижается. На основании полученных аналитических и практических данных можно отметить, что температурный компенсатор имеет круглый год стабильные температуры, изменяющиеся в пределах +5 оС ... +12 оС, которые способствуют обеспечению безопасных параметров микроклимата в животноводческом помещении (в пределах зоотехнических норм). Летом приточный воздух, попадая в подпольную часть здания, охлаждается, а зимой подогревается.
Литература:
1. Тесленко, И.И. Ресурсосберегающие технологии в молочном животноводстве: Монография / И.И.Тесленко. - М.: Изд. РГПУ, 2002.
Цой Юрий Алексеевич, член-корреспондент Россельхозакадемии, заведующий отделом
Тесленко Иван Иванович, доктор технических наук, зав. отделом
Баишева Равза Анвяровна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
Тел.(8499)171-19-20
E-mail: viesh@dol.ru
The report presents the source parameters of thermal energy of the earth, used in the technology useable temperature compensator.
Keywords: parameters of the environment, calorific value of the land, the amount of penetration.
