CC BY
23
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].
Известно, что несимметричную систему напряжений трёхфазной электрической сети можно
