Совершенстование конструктивных параметров водонапорных башен Рожновского для повышения устойчивости к обледенению Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Совершенствование конструктивных параметров водонапорных башен Рожновского для повышения устойчивости к обледенению

В.Г. Петько, д.т.н, профессор,

А.Б. Рязанов, преподаватель, Оренбургский ГАУ

Организация надежного бесперебойного водоснабжения сельскохозяйственных потребителей является одной из наиболее важных задач сельскохозяйственного производства. Поэтому к приоритетным направлениям развития относится обеспечение потребностей населения и хозяйственного комплекса в водных ресурсах, безопасности гидротехнических сооружений и водохозяйственных систем [1].

В настоящее время широко используются водонапорные башни Рожновского. Они предназначены для регулирования расхода и напора воды в водопроводной сети, создания её запаса и выравнивания графика работы насосных станций. Применяются в системах производственного, хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения промышленных объектов, сельскохозяйственных комплексов и населённых мест.

Такие башни обеспечивают рациональный режим водоснабжения потребителей среднего и малого объёмов водопотребления, которых особенно много в сельском хозяйстве. При сильной рассредоточенности потребителей организация водоснабжения с использованием водонапорных башен является наиболее приемлемой.

Существенным недостатком башен Рожнов-ского является обледенение в зимний период внутренних стенок и всех предметов, находящихся внутри на уровне поверхности воды. Это приводит к нарушению функционирования в первую очередь датчиков уровней, а при значительных нарастаниях льда прекращает нормально функционировать и сама водонапорная ёмкость. В конечном итоге это приводит к её ме-

ханическому разрушению. Уменьшается вплоть до нуля её полезный объем, и если толстым слоем льда покрывается поверхность воды в ёмкости, может произойти её разрыв под давлением, развиваемым нагнетающим воду насосом.

Защита башни от обледенения путём её теплоизоляции, как показал опыт применения такой защиты в некоторых хозяйствах, в том числе и в Оренбургской области, малоэффективна, поскольку требует значительных дополнительных затрат, сводящих тем самым «на нет» главное преимущество башни Рожновского, — её дешевизну. Ускоряется коррозия стенок башни при попадании между ними и теплоизоляцией влаги, а также затрудняется выявление и устранение возможных протечек.

Другим способом является подогрев воды в башнях Рожновского с помощью трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов). Для этого потребуется мощность нагревателя, которая определяется в результате расчета тепловых потерь.

После образования корки льда на стенке водонапорной башни появляется двухслойная цилиндрическая стенка, через которую тепло уходит из башни. Тепловой поток в стационарном режиме через двухслойную цилиндрическую стенку рассчитывается по выражению [2]:

1

■

--- ----—

2Х л $ „и л

где Q — тепловой поток, Вт;

I — высота цилиндра, м;

— температура воды, °С;

— температура воздуха, °С;

■

+

л

авозд — коэффициент теплоотдачи от стенки

■

к воздуху, — ;

.

авозд — коэффициент теплоотдачи от воды к

■

ледяной стенке, ;

.

Хст — коэффициент теплопроводности сталь-

нои стенки,

;

Хл — коэффициент теплопроводности стенки

Т

льда,

.

dнaр — наружный диаметр стальной стенки, м; dвн — внутренний диаметр стальной стенки, м; dнaр.л — наружный диаметр стенки льда, м; dвн.л — внутренний диаметр стенки льда, м.

Расчёт по этой формуле для башни высотой опоры 12 м и вместительностью бака 25 м3 при температуре воздуха -30 °С даёт следующие значения теплопотерь (табл. 1).

1. Зависимость теплопотерь от толщины льда

же, как показывают наблюдения, водонапорные башни в основном обледеневают ночью, когда такой механизм защиты неприемлем.

В качестве наиболее целесообразного подхода к данной проблеме можно считать поиск более рационального использования тепла воды, поступающей в башню из скважины. Способ, предлагаемый А.А. Рожновским и В.Д. Смирновым, заключается в следующем (рис. 1): в водонапорной неотапливаемой башне трубчатая опора снабжена диафрагмой, выполненной в виде усеченного конуса, вершина которого обращена к баку Данная опора установлена с образованием кольцевого зазора относительно стенок, причём конец водоподводящего трубопровода расположен выше вершины усечённого конуса, а водоотводящий трубопровод расположен под ним [4].

На рис. 1а изображён общий вид, на рис. 1б

— узел I на рис. 2а. По мере подъёма воды вдоль водозаполненной опоры 2 её отдельные струи отклоняются к стенкам опоры, у которых в холодное время года постепенно охлаждаются, отдавая при этом тепло на обогрев опоры, что препятствует процессу образования льда на стенках опоры. Охлаждение воды сопровождается также увеличением её объёмного веса, что приводит к опусканию охлаждённой воды вдоль стенок опо-

Эту же мощность должен выдавать ТЭН для предотвращения дальнейшего льдообразования. Как видно из таблицы, мощность сильно зависит от толщины уже образовавшегося льда. Таким образом, подогревать воду в башнях Рож-новского с помощью трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов) экономически нецелесообразно, так как количество потребляемой электрической энергии в этом случае будет неоправданно велико. Кроме того, линии электропередачи расположены преимущественно далеко от башен, и, соответственно, в этом случае необходимы дополнительные затраты для подведения электрической энергии к водонапорной башне.

Также известны способы, частично препятствующие образованию корки льда на внутренней поверхности металлических водонапорных башен. Например, М.А. Спивак предлагает использовать для этого энергию солнечного излучения, для чего требуется верхнюю часть ёмкости выполнить из светопроницаемого материала [3].

Главным недостатком такого способа можно считать то, что прогреваться будет только верхняя часть ёмкости, в то время как нижняя всё равно будет покрываться льдом.Кроме того, при диаметре бака 3 м максимальная энергия, поступающая от солнечного излучения, составляет 10,5 кВт, что наблюдается крайне редко. А так-

Рис. 1 - Способ подачи воды в водонапорную башню:

1 - бак, размещённый на водозаполненной цилиндрической опоре; 2 - водозаполненная цилиндрическая опора, утепленная в нижней части грунтовой обсыпкой; 3 - грунтовая обсыпка; 4 - водоподводящий трубопровод; 5 - водоотводящий трубопровод; 6 - диафрагма, выполненная в виде усечённого конуса; 7 - гидравлическая насадка; 8 - кольцевой зазор; 9 - ветровые опоры; 10 - решётка

2а 26

Рис. 2 - Усовершенствованный способ подачи воды (2а - расположение водоподводящего и водоотводящего трубопроводов, 2б - схема движения воды во фронтальной и горизонтальной проекциях):

1 - водоподводящий трубопровод, 2 - корпус башни, 3 - водоотводящий трубопровод

ры 2 и далее через кольцевой зазор 8 под усечённый конус 6, откуда охлаждённая вода уходит в водораспределительную сеть по водоотводящему трубопроводу 5.

Однако при этом достаточно быстро происходит перемешивание воды из скважины с водой в башне. В результате их температуры выравниваются, что слабо отражается на уменьшении толщины уже образовавшегося льда.

Нами предложен следующий способ подачи воды в металлическую водонапорную башню (рис. 2): в водоподводящей трубе конец расположен по касательной к окружности, а в водоотводящей трубе входное отверстие расположено внизу, по центру.

Конструкция работает следующим образом. Вода в башню поступает вверх по восходящей спирали, закручиваясь и омывая стенки, так как конец водоподводящего трубопровода 1 расположен по касательной к окружности башни 2. По мере уменьшения скорости потоки приближаются к центру башни, отдавая тепловую энергию стенкам башни или льду, находящемуся на стенках. После этого потоки воды двигаются вниз. Образуется как бы воронка, по краям которой находится более тёплая вода, поступившая из источника, а в центре — более холодная. Этим достигается уменьшение темпа перемешивания поступившей воды с водой в башне. Водоотводящий трубопровод 3, расположенный внизу баш-

ни, по центру, забирает из башни воду, имеющую наименьшую кинетическую энергию и температуру. При этом в самой башне остаётся более тёплая вода. Этим обеспечивается обновление воды во всём объёме башни, т.к. в башню поступает наиболее тёплая вода, а уходит наиболее холодная, следовательно, полнее используется тепловая энергия воды, поступающей в башню.

Данный способ был исследован экспериментально. Для этого в цилиндрическую ёмкость с расположенными, как описано выше, водоподводящим и водоотводящим трубопроводами помещались частицы с плотностью, примерно равной плотности воды. При включении насоса эти частицы двигались сначала по спирали вдоль стенок вверх, а затем по центру ёмкости вниз.

На данное конструктивное решение нами получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.

Литература

1. Всероссийский конгресс работников водного хозяйства [Текст] // Мелиорация и водное хозяйство. 2003. № 6.

2. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. пособие для вузов [Текст] / В.В. Нащокин. Изд. 3-е, испр. и доп. М.: Высш. школа, 1980. 469 с.: ил.

3. А.с. 876942 СССР, МКИЗ Е 04 Н 12/30. Водонапорная башня [Текст] / М.А. Спивак (СССР). №2864305/29-33; заявл. 04.01.80; опубл. 30.01.81. Бюл. № 40. 2 с.: ил.

4. А.с. 870650 СССР, МКИЗ Е 04 Н 12/30. Водонапорная неотапливаемая башня [Текст] / А.А. Рожновский, В.Д. Смирнов (СССР). - №2860697/29-33; заявл. 27.12.79; опубл. 07.10.81. Бюл. № 37. 2 с.: ил.