Научная статья на тему 'Ветроэнергетическая установка для повышения устойчивости металлической водонапорной башни к обледенению'

Ветроэнергетическая установка для повышения устойчивости металлической водонапорной башни к обледенению Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
106
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОДОНАПОРНАЯ БАШНЯ / ОБЛЕДЕНЕНИЕ / ДИНАМИКА НАРАСТАНИЯ ЛЬДА / ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА / WATER-TOWER / ICING / DYNAMICS OF ICE FORMATION / WIND POWER PLANT

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Фомин Максим Борисович

В статье дано описание разработанной модели водонапорной башни повышенной устойчивости к обледенению. Подача воды осуществляется в верхнюю зону водонапорной башни, что способствует уменьшению застойных явлений. Эту же функцию выполняет и ветроагрегат. При достаточной мощности он может осуществлять и дополнительный подвод энергии, обеспечивая повышение устойчивости водонапорной башни к обледенению. Построены графики зависимостей необходимой мощности ветроагрегата от относительного радиуса обледенения башни. Рассчитана необходимая мощность ветроагрегата при относительном радиусе поверхности льда от 0,8 до 1. Доказано, что в пределах радиуса льда от 0 до 0,6 необходимая мощность ветроагрегата вполне может быть технически реализована и экономически оправдана, а при приемлемом относительном радиусе обледенения стойки водонапорной башни, равном 0,4, необходимая мощность ветроагрегата равна 8 кВт даже при отсутствии поступления воды в водонапорную башню.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Фомин Максим Борисович

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

WIND POWER PLANT FOR INCREASING THE METAL WATER-TOWER RESISTANCE TO ICING

The description of the model of a water-tower with increased resistance to icing is suggested in the article. The water supply is carried out into the upper zone of the water tower, which contributes to reduction of stagnation processes inside it. The same function is also performed by the wind power unit. If the latter is of sufficient power, it will also be able to supply additional energy for ensuring increased resistance of the water-tower to icing. The graphs of dependences of the required power of the wind unit on the relative radius of the tower icing have been plotted. The required power of the wind unit with the relative ice surface radius of 0.8 to 1 has been calculated. It is proved that within the ice radius of 0 to 0.6, the sufficient power of the wind unit can be technically realized and economically justified, while with the acceptable relative ice radius of the water tower stand being 0.4, the required capacity of the wind unit is 8 kW, even if there is no water entering the water tower.

Текст научной работы на тему «Ветроэнергетическая установка для повышения устойчивости металлической водонапорной башни к обледенению»

Рис. 2 - Зависимость параметра а от численного значения отрицательных температур на поверхности льда

в основном величиной коэффициента теплоотдачи ото льда к воздуху. Этот коэффициент заметно варьирует, что обусловлено его зависимостью от таких метеоусловий, как скорость ветра, влажность воздуха, атмосферное давление, состояние поверхности льда и т.д.

Для некоторых наиболее типичных состояний значения этого коэффициента можно найти, например, в справочнике «Таблицы физических величин» [7].

В общем случае температура воздуха ^ всегда много меньше температуры поверхности льда, т.е. ?0<< задавшись значением температуры морозного воздуха и значением коэффициента температуры от поверхности льда к воздуху, можно определить значение температуры поверхности льда t1.

В дальнейшем для решения прямой задачи — расчёт толщины слоя льда — используем формулу

(7), по которой можно определить часовую либо суточную скорость намораживания льда.

Для решения обратной задачи — расчёт длительности промораживания слоя воды назначенной

толщины h, — по формуле т = Jh можно определить

V а

число срабатываний дозатора разливаемой воды в сутки и настроить этот дозатор на нужное число срабатываний.

Литература

1. Бобков В.А. Производство и применение льда. М.: Пищевая промышленность, 1977. 230 с.

2. Бузин В.А., Зиновьев А.Т. Ледовые процессы и явления на реках и водохранилищах. Барнаул: ООО «Пять плюс», 2009. 167 с.

3. Завражнов А.И. Круглогодовое использование природного холода в условиях молочнотоварных ферм Южного Урала: рекомендации. Мичуринск: Изд-во Мичуринского ГАУ, 2016. 61 с.

4. Квашенников В.И. Энергосберегающая технология заготовки естественного льда на молочных фермах / В.И. Квашенников, А.П. Козловцев, Г.С. Коровин, В.А. Шахов // Научное обозрение. 2015. № 4. С. 17—22.

5. Козловцев А.П. Секционный аккумулятор природного холода для охлаждения молока на фермах / А.П. Козловцев, В.И. Квашенников, М.М. Константинов, С.П. Козловцева // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. Т. 1. № 4. С. 43-46.

6. Козловцев А.П. Природный холод — приоритетное направление при охлаждении молока / А.П. Козловцев, В.И. Квашенников, В.А. Шахов, А.А. Панин, Г.С. Коровин, М.И. Попова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 6 (56). С. 90—93.

7. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976, 1008 с.

8. Герасимова О.А. Обоснование энергосберегающей технологии и устройства для охлаждения молока при пастбищном содержании коров: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. СПб., 2011. 19 с.

9. Пиотрович В.В. Расчёты толщины ледяного покрова на водохранилище по метеорологическим данным. Л.: Гидро-метеоиздат, 1968. 186 с.

10. Мусин А.М. Изготовление и использование установок естественного холода для охлаждения молока: рекомендации / А.М. Мусин, Ф.Г. Марьяхин, А.И. Учеваткин, А.Я. Бойко, А.В. Марков. М.: Росагропромиздат, 1991. 28 с.

Ветроэнергетическая установка

для повышения устойчивости металлической

водонапорной башни к обледенению

М.Б. Фомин, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

В Оренбургском ГАУ разработана математическая модель процесса обледенения металлической водонапорной башни при отрицательной температуре окружающего воздуха [1]. С её помощью было показано, что при условии интенсивного перемешивания воды обледенение не достигает критической величины даже при наименьшей средней температуре окружающей среды (-40°С) и наибольшей средней скорости ветра (10 м/с), если поступление воды в башню не снижается ниже 2 м3/ч.

Материал и методы исследования. При более низком притоке воды обледенение превышает

допустимую для нормального функционирования башни величину. Именно такой приток наиболее вероятен для мелких фермерских хозяйств. В этом случае возможны два направления решения указанной проблемы. Первый из них следует из того, что перемерзает сначала стойка башни, а затем при дальнейшем ухудшении погодных условий бак водонапорной башни, поскольку он имеет больший диаметр. Следовательно, особенно в случаях расположения водонапорной башни на возвышенности, целесообразно диаметр стойки башни увеличить вплоть до диаметра бака.

Вторым направлением является использование дополнительных источников энергии для подогрева воды в ёмкости. Для этой цели целесообразно использовать альтернативные источники энергии, на-

пример ветроагрегаты различной конструкции [2]. На рисунке 1 изображена водонапорная башня, устойчивость к обледенению которой обеспечивается применением обоих указанных направлений.

Подача воды осуществляется в верхнюю зону водонапорной башни, что способствует уменьшению застойных явлений. Эту же функцию выполняет и ветроагрегат, интенсифицирующий конвективные процессы в баке водонапорной башни. Однако при достаточной мощности он может осуществлять и дополнительный подвод энергии, обеспечивая повышение устойчивости водонапорной башни к обледенению.

Рассмотрим, насколько эффективно его применение именно в плане дополнительного подвода энергии.

Как известно, мощность, развиваемая ветро-агрегатом, пропорциональна ометаемой им площади и кубу скорости ветра [3]:

Рвл 3 /2,

(1)

где | — коэффициент использования энергии ветра; р — плотность воздуха, кг/м3; 8 — ометаемая площадь, м2; V — скорость ветра, м/с. В установившемся режиме обледенения водонапорной башни эта мощность, суммируясь с мощ-

Ж

Рис. 1 - Водонапорная башня повышенной устойчивости к обледенению:

1 - бак; 2 - активатор циркуляции воды; 3 - ротор ветроагрегата

ностью поступления тепла с приточной водой РВ, покрывает мощность РП теплопотерь водонапорной башни. Следовательно, при заданной мощности поступления тепла с приточной водой РВ мощность ветроагрегата РВА, необходимая для поддержания установившегося режима при различных значениях относительного радиуса обледенения башни (гяу/г1), будет рассчитываться как

РВА — РП — РВ ■

Подставив в данное выражение значения РП и РВ, приведённые ранее [1], получим:

Р =

ГВА ~

е,

1

2лНАл

1п

1

2кНХе

- свР вОе в

1п

' ЛУ

2пг2 На

где Q — поступление воды в бак, м3/с;

6в — разность температуры воды, находящейся в баке, и температуры поступающей воды, °С; св — удельная теплоёмкость воды, Дж/кг; рв — плотность воды, кг/м3; 6вс = Тв— Тс — разность температуры воды Тв, находящейся в баке башни (при наличии льда равной нулю) и температуры окружающей среды Тс, °С;

а — удельная теплоотдача (а = 4,5 + 4V), Вт/ (м2 -°С) [4];

V — скорость ветра, м/с;

Н, г1, г2 и гЛУ — соответственно высота, внутренний и внешний радиусы бака башни и установившийся радиус поверхности льда, м; ХЛ и ХС — соответственно удельная теплопроводность льда и стенки бака башни, Вт/(м ■ °С). Результаты исследования. Данное уравнение позволяет построить графики зависимостей необходимой мощности ветроагрегата от относительного радиуса обледенения башни. На рисунке 2 представлен такой график при различных расходах воды и наиболее жёстких условиях охлаждения башни: скорости ветра V = 10 м/с и температуре окружающей среды -40°С.

Анализ кривых показывает, что при относительном радиусе поверхности льда от 0,8 до 1 необходимая мощность ветроагрегата достигает неприемлемо большой величины и практически не зависит от расхода воды из водопроводной башни. В то же время в пределе радиуса льда от 0 до 0,6 необходимая мощность ветроагрегата вполне может быть технически реализована и экономически оправдана. На рисунке 3 изображены кривые её изменения в этом пределе в увеличенном масштабе.

Как видим, необходимая мощность уменьшается с увеличением расхода воды. В то же время, как было отмечено ранее, необходимый расход воды в пределах изменения относительного радиуса от 0 до 0,6 практически не зависит от диаметра бака [1]. То же самое можно отметить и для необходимой

1

г

2

+

+

2

1

250000 200000

£

™ 150000 >

£ 100000

0 х

1 50000

I

7

/

0 0 2 0 4 0 6 0 8 1,

-0мл3/ч -0,5мл3/ч

1 м"3/ч -1,5 мл3/ч -2м"3/ч

УстпновнвшнйсярпдиусЧЬД!) в относительных единицах ГлУ/Г1

Рис. 2 - Зависимость мощности ветроагрегата, необходимой для поддержания установившегося режима, от установившегося радиуса поверхности льда при Н =15 м; г1=1,25 м; г2= 1,255 м; д =(0; 0,5; 1; 1,5; 2) м3/ч

Рис. 4 - Зависимость мощности ветроагрегата, необходимой для поддержания установившегося режима, от установившегося радиуса поверхности льда в пределах относительного радиуса льда от 0 до 0,6 при Н = 15 м; г1 = 0,5 м; г2= 0,505 м; д = (0; 0,5; 1; 1,5; 2) м3/ч

мощности ветроагрегата. На рисунке 4 показаны кривые изменения необходимой мощности для бака в 2,5 раза меньшего диаметра.

Вывод. Анализ полученного графика показывает, что при приемлемом относительном радиусе обледенения стойки водонапорной башни, равном 0,4, необходимая мощность ветроагрегата равна 8 кВт даже при отсутствии поступления воды в водо-

Рис. 3 - Зависимость мощности ветроагрегата, необходимой для поддержания установившегося режима, от установившегося радиуса поверхности льда в пределах относительного радиуса льда от 0 до 0,6 при Н =15 м; г1=1,25 м; г2= 1,255 м; д = (0; 0,5; 1; 1,5; 2) м3/ч

напорную башню. Это в свою очередь позволяет, воспользовавшись уравнением (1), определить ометаемую ветротурбиной площадь:

5 = 2РВЛ /3.

Для ветротурбины с вертикальной осью вращения площадь ометаемой поверхности с учётом того, что коэффициент использования ветра этой ветротурбины равен 0,12:

5 = 2-8000/(0,12-1,29-103) = 103 м2,

а радиус при высоте 5 м равен 5,7 м, что вполне реализуемо.

Литература

1. Петько В.Г., Фомин М.Б. Анализ условий обледенения водонапорной башни Рожновского в системе водоснабжения объектов АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1 (63). С. 85—89.

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

3. Петько В.Г. Оптимизация степени загрузки ветроагрегата при различных скоростях ветра / В.Г. Петько, И.А. Рахимжано-ва, В.В. Пугачёв, А.С. Петров // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. № 4 (48). С. 76-79.

4. Кухлинг Х. Справочник по физике / пер. с нем. Е.М. Лей-кина. 2-е изд. М.: Мир, 1985. 520 с.

Устройство защиты электроприводов сельскохозяйственного назначения от асимметрии напряжения

В.Г. Петько, д.т.н., профессор, И.А. Рахимжанова, к.с.-х.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

В условиях сельскохозяйственного производства питание электроприёмников, и в частности асинхронных электродвигателей привода технологических машин и агрегатов, осуществляется от электрических сетей, обладающих повышенной протяжённостью. В связи с их низкой по этой

причине надёжностью, а также с неравномерной нагрузкой по фазам наблюдается значительная асимметрия напряжения на зажимах электродвигателей и её крайний случай — обрыв фазы. В результате выход из строя электродвигателей из-за асимметрии напряжения составляет около 30% от общего числа отказавших электродвигателей [1].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Известно, что несимметричную систему напряжений трёхфазной электрической сети можно

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.