Научная статья на тему 'Способ повышения устойчивости водонапорной ёмкости к обледенению'

Способ повышения устойчивости водонапорной ёмкости к обледенению Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
205
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОДОНАПОРНАЯ БАШНЯ / ОБЛЕДЕНЕНИЕ / ТЕПЛОПОТЕРИ / ТЕПЛООБМЕН / WATER TOWER / ICING / HEAT LOSSES / HEAT EXCHANGE

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Асманкин Евгений Михайлович, Рахимжанова Ильмира Агзамовна, Дементьева Ирина Николаевна, Фомин Максим Борисович

Статья посвящена проблеме темпа обмерзания водонапорных башен в зимнее время года. Актуальность проблемы обусловлена тем, что поддержание системы сельскохозяйственного водоснабжения в работоспособном состоянии в любое время года и при любых колебаниях температурного режима является необходимой составной частью сложного цикла аграрного производства. Приведена схема компенсации теплопотерь наружной части водонапорной башни за счёт радиогенного энергопоступления. Представлен алгоритм программы по расчёту размеров подземной части ёмкости водонапорных башен с ветроэнергетической установкой, вследствие чего произведён расчёт теплового потока через цилиндрическую стенку и теплового потока от грунта к воде подземной ёмкости.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Асманкин Евгений Михайлович, Рахимжанова Ильмира Агзамовна, Дементьева Ирина Николаевна, Фомин Максим Борисович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

WAYS TO INCREASE THE RESISTANCE OF WATER TOWERS TO ICING

The article deals with the problem of the water towers icing rate in winter seasons. The urgency of the problem is conditioned by the fact that the maintenance of rural water supply system in working condition at any season of the year and at any temperature fluctuations is a necessary part of the complex cycle of agricultural production. The scheme of heat loss compensation by the outside part of the water tower at the expense of radiogenic energy supply is submitted. The program algorithm for calculation the size of the underground part of water towers with the wind-energy unit has been suggested, due to which the heat transferred through the cylindrical wall and the heat flow from the ground to the underground water tank have been calculated.

Текст научной работы на тему «Способ повышения устойчивости водонапорной ёмкости к обледенению»

Способ повышения устойчивости водонапорной ёмкости к обледенению

Е.М. Асманкин, д.т.н, профессор, И.А. Рахимжанова,

к.с.-х.н., И.Н. Дементьева, к.п.н., М.Б. Фомин, преподаватель, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Для сокращения темпа обмерзания водонапорных башен в зимнее время года предлагается использовать низкопотенциальную геотермальную энергию грунта и ветроэнергетический потенциал воздушных масс. Эффект достигается за счёт того, что ветроагрегат может быть расположен на крышке водонапорной ёмкости. С учётом геометрических параметров башни, адекватно заменяющих опору ветроэнергетической установки, и процесса ме-ханоактивации, преобразующего энергию ветра в тепловую, а также радиогенного энергопоступления от грунта к подземной водозаполненной ёмкости, являющейся составной частью водонапорной башни, компенсируются тепловые потери надземной части наружному воздуху (01 и Q2). Тем самым предотвращается или снижается скорость образования ледяной массы на внутренней поверхности буферной ёмкости (рис. 1) [1].

С учётом комбинированной специфики подвода тепла к гидронаполнителю буферной ёмкости прежде всего рассматривался вопрос замещения типового фундамента опорной колонны на адекватный по обеспечению её устойчивости резервуар подземного расположения, ниже опорного грунта. Играя роль противовеса, резервуар-накопитель совмещает в себе как функцию противопожарной ёмкости, не участвующей в разборе воды потребителям, так и функцию объёмного объекта стока радиогенного тепла и передачи тепловой энергии гидронаполнителю эксплуатируемой ёмкости.

Поскольку гипотетически можно утверждать, что наиболее целесообразно агрегатирование механизмов водонапорной башни с ветроэнергетическими установками, следует иметь в виду влияние теплофизических параметров подземной части гидросооружения на общую структурную схему теплообмена при разработке алгоритма тепло-физического анализа. Т.е. оптимизация размеров подземной части ёмкости должна проводиться на основе научно-инженерных расчётов в рамках программы математических исследований для уровня подсистемы, находящейся в параметрическом и функциональном взаимодействии и взаимовлиянии при регламентированных условиях реализации технологического процесса дискретного водопо-требления.

Для определения параметров подземной ёмкости водонапорной башни, исключающих обледенение наружной части, необходимо рассмотреть тепловые процессы, протекающие в надземной и подземной частях водонапорной башни. Анализируя тепловые потоки от грунта к подземной ёмкости, можно сделать вывод, что теплопоступление через верхнюю стенку подземной ёмкости не происходит, так как сверху от неё располагается грунт, охлаждаемый атмосферным воздухом, в то время как в самой ёмкости находится вода, поступающая из скважины. Тем самым температура грунта, находящегося выше подземной ёмкости, будет всегда в интервале от температуры воздуха до температуры воды, поэтому он не сможет постоянно отдавать тепло воде, а будет выполнять следующие функции: теплоизолятора, снижающего теплопотери воды в подземной ёмкости вследствие теплообмена с

02

Рис. 1 - Схема компенсации теплопотерь наружной части водонапорной башни за счёт радиогенного энергопоступления

35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 -5,00 -10,00 -15,00 -20,00

И грунт А воздух (день) ♦ воздух (ночь)

1—-

1 1

6 7 месяц

10 11 12

Рис. 2 - Алгоритм программы по расчёту размеров подземной части ёмкости водонапорных башен с ветроэнергетической установкой

наружным воздухом, и аккумулятора тепловой энергии. При поступлении воды из скважины с температурой большей, чем температура грунта, грунт будет нагреваться и аккумулировать тепло. При охлаждении воды ниже температуры грунта будет происходить обратный процесс — грунт будет отдавать накопленное тепло воде.

Таким образом, теплопоступление от грунта к воде в подземной ёмкости будут осуществляться через боковые стенки и основание. Соответственно при определении типоразмеров подземной ёмкости необходимо рассчитывать площадь поверхности теплообмена только по нижней и боковым стенкам (рис. 2).

К характерным особенностям теплового режима систем сбора тепла грунта [2] как объекта проектирования также следует отнести и так называемую информативную неопределённость математических моделей, описывающих подобные процессы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора) и чрезвычайную сложность их аппроксимации (рис. 3).

Рис. 3 - Запаздывание минимальных температур грунта относительно времени наступления минимальных температур наружного воздуха с геоландшафтной спецификой территориального расположения города Оренбурга

Поэтому при создании опытного образца расчёт типоразмеров буферной ёмкости производился на минимально возможные температуры грунта, что позволило учитывать температурный фактор в динамике его снижения при эксплуатации водонапорных башен с подземным резервуаром. Следовательно, при алгоритмировании методики для оптимизации конструкционно-режимных параметров термоактиватора актуализируется вопрос терморезервирования и термостабилизации грунтов в местах их контакта с теплообменником, который представляет собой подземную часть водонапорной башни. Использование ветроагрегата для привода лопастного термоактиватора позволяет интенсифицировать тепловые потоки из-за увеличения скорости перемешивания воды в подземном резервуаре [3]. Таким образом, зимой вода в водонапорной башне получает тепловую энергию от грунта, а летом будет превалировать сток тепла грунту от воды. Подобный теплообмен способствует аннулированию тепловой энергии в грунте, делая возможным использование для агрегатирования с буферными ёмкостями менее мощных и более компактных ветрогенераторных установок.

Литература

1. Асманкин Е.М., Фомин М.Б., Рязанов А.Б. Использование низкопотенциальной энергии для предотвращения льдообразования в металлических водонапорных башнях // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. № 6. С. 7-28.

2. Фомин М.Б., Кузнецов Е.А., Нигматов Э.А. К вопросу применения грунтовых тепловых насосов в Оренбургской области // Современные материалы, техника и технология: матер. 4-й Междунар. науч.-практич. конф. (25-26 декабря 2014 г.). Курск, 2014. С. 453-457.

3. Петько В.Г., Рязанов А.Б., Фомин М.Б. Водонапорная башня с ветроколесом // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 2. С. 32.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.