CC BY
7
УДК 625.768.5
ВЛИЯНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ
ПЛАВЛЕНИЯ СНЕЖНОЙ МАССЫ
А.А. Серебренников, А. А. Плохов
В результате анализа опыта эксплуатации и систематизации предлагаемых патентных решений по совершенствованию снегоплавильных установок разработана новая конструкция. Основное отличие новой конструкции заключается в использовании специальных рабочих органов, вращение которых осуществляется под действием давления подаваемого теплоносителя. Подтверждена работоспособность, так как доказано, что величины силы, как результирующей суммы реакции струй, вырывающихся из форсунок, достаточно для преодоления возникающих сопротивлений. В результате исследований на двух физических моделях установлено, что интенсивность рабочего процесса предлагаемой конструкции снегоплавильной установки (со специальными рабочими органами) выше по отношению к интенсивности типовых конструкций (с верхним контуром орошения).
Ключевые слова: транспортные потоки, снежная масса, принудительное плавление, рабочий орган, интенсивность плавления.
Для большинства регионов Российской Федерации характерен длительный зимний период с наличием обильных осадков в виде снега. Его своевременная уборка требует обладания муниципальными службами техническими средствами, предназначенными для срезания, измельчения, сбора, погрузки и других операций, связанных с освобождением жизнеобеспечивающих территорий от снега и снеголедовых покрытий.
Отсутствие или ненадлежащая номенклатура технических средств, обеспечивающих реализацию требуемых мероприятий, приводит к затруднению, а иногда и к полной остановке движения транспортных потоков [1]. Эти проблемы характерны не только для России, но и для ряда стран Европы (Финляндия, Швеция, Дания и др.), Канады, отдельных штатов США [2, 3].
В необходимый перечень техники все чаще входят снегоплавильные установки (СПУ) различной производительности.
Целесообразность использования СПУ подтверждается снижением затрат на транспортные расходы. При обеспечении оптимального расположения установок расстояния от мест сбора снега до мест его утилизации значительно сокращаются. Однако, главный эффект связан не с минимизацией транспортных затрат, а с экологическим аспектом [4, 5].
Использование СПУ минимизирует названные негативные проявления. После плавления снеголедовой массы предусматривается её сброс в канализационные системы. Далее по трубопроводным инженерным коммуникациям образовавшаяся жидкая фаза поступает в городские очистные сооружения с последующим отделением вредных примесей.
В настоящее время рынок изобилует предложениями к приобретению и использованию СПУ как российского, так и зарубежного производства.
Областные центры Российской Федерации (Владивосток, Пермь, Оренбург, Самара, Тюмень и др.), имеют опыт эксплуатации мобильных или транспортабельных (перемещаемых) СПУ.
Необходимость применения средств утилизации диктуется санкциями, предъявляемыми к ненадлежащему функционированию снежных свалок. Органами Роспри-роднадзора, оценивающими уровень техногенного воздействия в части обращения с отходами, достаточно часто, на основе санитарно-эпидемиологических заключений, выдвигаются соответствующие иски [6, 7].
476
Опыт эксплуатации и задачи исследования. Оценивая затраты, связанные с очисткой от снега, предприятия, имеющие большие территории и, в то же время, обладающие свободными энергоресурсами, решают задачу утилизации собственными силами.
Например, одно из подразделений ООО «Газпром трансгаз Сургут» (управление технологического транспорта и специальной техники), расположенное в городе Тюмени, создало снегоплавильную установку на базе двухосного автоприцепа [8]. Такая необходимость экономически оправдана, поскольку на площадях этого предприятия (48000 кв. метров) скапливается объем снега, вывоз которого на общегородские места складирования даже без учета затрат на сбор и транспортировку (осуществляется собственными транспортно-технологическими и транспортными средствами) приводит к затратам до 500 тысяч рублей за сезон.
В зимний период СПУ устанавливается у автомойки и трубопроводной системой соединяется с емкостью, заполненной водой от сети горячего водоснабжения. Предприятие имеет собственную промышленную газовую котельную со значительными энергетическими ресурсами. После начала загрузки снегом включается насос, осуществляющий подачу теплоносителя через перфорированные отверстия в трубе, расположенной по периметру бункера. Перешедшая в жидкую фазу снежная масса сливается под действием сил гравитации в систему отстоя и фильтрации автомойки (рис. 1). Часть воды циркулирует и направляется по замкнутому контуру в расходную емкость для повторного использования. По мере плавления снега бункер вновь заполняется погрузчиком.
а б
Рис. 1. Снегоплавильная установка на базе автоприцепа: а — общий вид; б — элементы системы слива и циркуляции
По предварительным тепловым расчетам производительность установки такой установки должна была составить 13 кубических метров расплавленного снега в час. Фактическая производительность, которая была достигнута не превышала и половины этого значения.
По заявке предприятия перед Тюменским индустриальным университетом, как опорным ВУЗом ПАО «Газпром», была поставлена цель по созданию установки, отвечающей необходимым потребностям.
Динамика рабочего процесса. Предварительно, с целью изучения динамики процесса плавления снежной массы был проведен ряд экспериментальных исследований, основанный на наблюдениях интенсивности фазового перехода при изменениях температуры теплоносителя [9].
Результаты фиксировались за счет использования тепловизора Testo 875i. Высокая термочувствительность прибора (показатель NETD менее 50 мК) позволяла различать разницу температур двух соседних участков в 0,05°С. Наличие широкоугольной линзы (угол обзора 32°) обеспечивало возможность выполнения просмотра распределения температур на больших площадках. Кроме этого, в процессе измерений фикси-
ровались самая горячая и самая холодная точки на дисплее тепловизора, благодаря специальной функции отображения. Цифровой камерой реальная картина протекания рабочего процесса совмещалась с инфракрасными изображениями и записывалась на носитель памяти (рис. 2).
Произведенная оценка изменений температурных параметров на основе анализа накопленного банка термограмм позволила выработать рекомендацию к обеспечению возможности интенсификации протекания фазового перехода. Сущность предложения заключается в том, что необходимо и возможно добиться увеличения площади контакта снега с теплоносителем за счет непрерывного разрушения расплавляемого массива и обеспечения подачи теплоносителя в его глубину.
Примерно такие же рекомендации существуют и у зарубежных исследователей
[10].
Рис. 2. Типовой кадр фиксации рабочего процесса: а — общий вид; б — инфракрасное изображение (с термограммой)
Для оценки тенденций в направлениях совершенствования конструкций СПУ проведен патентный поиск на глубину в 10 лет по единой государственной системе автоматизированного банка данных через официальный источник [11]. Выявлено, что в период с 2010 по 2019 годы подтверждено патентное право на 68 изобретений/полезных моделей. Анализ сопоставления существа предложений по совершенствованию конструкций позволил разделить их на три основные группы. К первой, и наиболее крупной (51%), относятся предложения по совершенствованию элементов (форсунки, байпасы, контуры) системы циркуляции теплоносителя. Вторая группа, также значительная (33%), включает в себя патентные решения, основанные на установке дополнительных рабочих органов (шнеков, лопаток, лопастей). Наименьшее количество (16%) предложений входят в третью группу, и их суть сводится к использованию иных физических принципов воздействия для плавления снежной массы (электромагнитные индукторы, СВЧ-генераторы и др.).
Таким образом, вывод, сделанный на основе экспериментальных исследований, совпадает с основными направлениями совершенствования конструкций, выявленных в результате патентного поиска и анализа. Совпадение заключается в том, что интенсификация работы СПУ возможна при совершенствовании воздействия на снеголедовую массу за счет изменения системы ввода и циркуляции теплоносителя или за счет установки дополнительных активных рабочих органов.
Отличительным признаком, предложенного к реализации технического решения [12], является комбинация двух направлений интенсификации рабочего процесса в одном устройстве.
Этот результат достигается тем, что подача теплоносителя осуществляется внутрь растопляемого снежного массива специальными рабочими органами, представляющими собой полые валы, на которых установлены патрубки с форсунками распыла.
2
и плавления снега; 2 — активные рабочие органы; 3 — полые валы; 4 — патрубки;
5 — форсунки; 6 — ротационные соединения; 7 — система трубопроводов;
8 — теплообменник; 9 — теплоэлектронагреватель; 10 — перелив; 11 — насос;
12 — отвод; 13 - слив; 14 - вентиль
В предложенном устройстве вращение активных рабочих органов осуществляется за счет реакции струй, вытекающих из патрубков (применение принципа «Сегне-рового колеса»). Таким образом, используется давление, создаваемое в циркуляционной системе, и отсутствует необходимость в дополнительных системах привода движения этих рабочих органов.
Проверка работоспособности предложенного технического решения и оценка, протекающего в нем рабочего процесса, осуществлялись на физических моделях.
Исследование рабочего процесса на физических моделях. Для проведения первого этапа исследований была создана физическая модель с константой геометрического подобия (Су = 15) по отношению к планируемому производственному варианту СПУ. Емкость загрузочного бункера составила ~ 0,5 куб. метра (0,8 м. х 0,8 м. х 0,8 м.).
Для возможности наблюдения за динамикой процесса плавления снежной массы передняя стенка бункера была изготовлена из органического стекла. Создаваемое насосом давление циркулирующей воды (теплоносителя), фиксировалось манометром и регулировалось вентилем, устанавливаемым на байпасной линии трубопроводной системы.
До заполнения емкости снегом было определено рабочее давление, необходимое для преодоления сопротивления, возникающего в ротационном соединении перед началом вращения рабочего органа. Его величина составила около 0,15 МПа (1,5 атм.).
В соответствии с проведенными ранее обоснованиями [13] средняя плотность загружаемого снега составила 600 кг/м3 (± 7%). Начальная температура воды, подаваемой на циркуляцию, поддерживалась постоянной - 30 0С (± 5%).
Конструкция физической модели предусматривала возможность измерения количества снега, остающегося в бункере в зависимости от продолжительности работы и, тем самым, оценки интенсивности процесса плавления.
С этой целью на внутренних боковых стенках емкости через каждые 10 сантиметров были изготовлены из приваренных уголков направляющие. После остановки подачи теплоносителя прозрачная передняя стенка снималась. В пазы направляющих вставлялся заранее подготовленный по необходимым размерам лист из органического стекла и производился срез - отделение слоя снега с последующей его выборкой и взвешиванием. Фиксация количества снега, находящегося в каждом срезанном слое (от перефирии к центру массива) позволяла оценить интенсивность плавления по глубине. Отношение общей остающейся массы к количеству изначально загруженного снега показывало поэтапную интенсивность фазового перехода. Помимо этого, производилась фотофиксация характера изменения формы и объема снежного массива, находящегося в зоне воздействия форсунок рабочего органа (рис. 3).
Рис. 4. Общие виды процедуры замеров: а — послойные срезы; б — фиксация характера воздействия на массив
Проведенная серия экспериментов доказала работоспособность предлагаемой конструкции. Рабочий орган начинал вращение практически сразу после преодоления начального момента сопротивления в ротационном соединении, разрезая снежный массив на слои.
Также произведено сопоставление времени плавления снега при заполнении емкости теплоносителем в статичном режиме (наливом, без подачи в рабочий орган) со временем плавления при подаче теплоносителя через активный рабочий орган (при различном давлении). В результате подтверждено увеличение интенсивности протекания процесса, под которым понимается снижение времени перехода снежной массы в жидкое состояние.
Для количественной оценки изменения интенсивности рабочего процесса предлагаемой конструкции СПУ (со специальными рабочими органами) в сравнении с традиционными видами подачи теплоносителя через верхний контур орошения, была изготовлена вторая физическая модель с константой геометрического подобия (Су = 3) по отношению к планируемому производственному варианту СПУ (рис. 5). Емкость загрузочного бункера составила ~ 2,5 куб. метра (1,2 м. х 2,0 м. х 1,0 м.).
Произведено сравнение протекания рабочего процесса в трех вариантах возможной эксплуатации: подача теплоносителя через верхний контур системы орошения, подача теплоносителя через рабочий орган, комбинированный способ подачи теплоносителя.
Результаты, выводы, рекомендации. На основании изучения динамики рабочего процесса СПУ типовой конструкции с подачей теплоносителя через верхний контур орошения доказана его низкая интенсивность из-за небольшой площади контакта теплоносителя со снегом.
Предложена новая конструкция СПУ со специальными рабочими органами, обеспечивающими подачу теплоносителя из глубины снежного массива.
Подтверждена работоспособность новой конструкции СПУ, в которой вращение рабочих органов осуществляется под действием давления подаваемого теплоносителя. Доказано, что величины силы, как результирующей суммы реакции струй, вырывающихся из форсунок, достаточно для преодоления возникающих сопротивлений. Таким образом, не требуется специальных систем привода рабочих органов, которые предлагаются в ряде конструкторских решений, выявленных в результате проведенного патентного поиска и анализа.
Рис. 5. Общие виды рабочего процесса: а — подача теплоносителя через активный рабочий орган; б — подача теплоносителя через верхний контур орошения
В результате исследований на двух физических моделях установлено, что интенсивность рабочего процесса предлагаемой конструкции СПУ (со специальными рабочими органами) на 25...30 % выше по отношению к интенсивности типовых конструкций (с верхним контуром орошения).
Установлено, что в первоначальный период работы (после заполнения бункера) целесообразен комбинированный способ подачи теплоносителя. Однако по истечении 15-20 минут работы верхний контур орошения необходимо отключать, так как его воздействие с определенного момента интенсивность не увеличивает и, следовательно, приводит к неоправданным энергозатратам.
Результаты исследований доложены на заседании научно-технического совета предприятия, на котором принято решение об изготовлении опытно-промышленного образца снегоплавильной установки.
Список литературы
1. Васильев А.П., Ушаков В.В. Анализ современного зарубежного опыта зимнего содержания дорог и разработка предложений по его использованию в условиях России. Москва: «Информавтодор», 2003. 60 с.
2. Keranen P.F. Optimization of winter maintenance in the Minneapolis. St. Paul Metropolitan area using performance targets // XI International Winter Road Congress, Sapporo, Japan, Sapporo, 28-31 January (2002). P. 26 - 30.
3. Deng H.C., Ma W.X., Jing B.D. Technology of removing snow and ice on roads and its developing trend // Construction Machinery and Equipment, 2005. V. 12. P. 47-50.
4. Хайдаршина Э.Т. Исследование загрязнения снежного покрова г. Уфы // Уральская горная школа - регионам // Сборник докладов международной научно-практической конференции. 2016. С. 500-502.
481
5. Тарасов О.Ю., Крапивина Н.Ю. [и др.]. Городские снежные свалки как источник загрязнения поверхностных вод // Георесурсы. 2011. № 2. С. 31-33.
6. Прокуратура оштрафовала муниципальное предприятие за незаконные свалки снега в Перми. [Электронный ресурс] URL: https://www.business-class.su/ news/ 2015/12/13/prokuratura-oshtrafovala-municipalnoe-predpriyatie-za-nezakonnye-svalki-snega-v-permi (дата обращения: 25.02.2020).
7. За снежную свалку тюменскую мэрию наказали на 12 миллионов рублей. Чиновники оспорят это решение. [Электронный ресурс] URL: https://72.ru/text/ gorod/68980597/ (дата обращения: 25.02.2020).
8. Серебренников А.А., Плохов А.А., Панов В.И. Повышение интенсивности рабочего процесса снеготаятельных установок // Наземные транспортно-технологиче-ские комплексы и средства: материалы международной научно-технической конференции. 2017. С. 283-288.
9. Серебренников А. А., Плохов А. А. Динамика процесса тепловой утилизации снега в зависимости от основных факторов // Экологические системы и приборы. 2019. № 7. С. 3-11.
10. Scharsching H. Results of a field test of seven different commercial ice warning systems // Third International Symposium on Snow Removal and Ice Control Technology. Transportation Research Board, Minneapolis, Minnesota USA, 1992. P. 14 - 18.
11. Федеральный институт промышленной собственности: [Электронный ресурс] URL: www.fips.ru (дата обращения 12.02.2020).
12. Патент 189774 Российская Федерация. МПК Е01Н 5/10. Установка для плавления снега: № 2019100267. Заявл. 09.01.2019. Опубл. 03.06.2019 / Серебренников А.А., Мерданов Ш.М., Шаруха А.В., Плохов А.А. // Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тюменский индустриальный университет» (ТИУ).
13. Serebrennikov A.A., Plokhov A.A. Impact of physical and mechanical characteristics of snow on the melting process intensity // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Volume 272, 2. Section one. [Электронный ресурс] URL: https:// iop-science.iop.org/article/10.1088/1755-1315/272/2/022131 (дата обращения: 10.02.2020).
Серебренников Анатолий Александрович, д-р техн. наук, профессор, sereb_a_a@mail. ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Плохов Андрей Александрович, аспирант, plokhov_a_a@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
INFLUENCE OF A SPECIAL WORKING BODY ON THE INTENSITY OF MELTING OF
SNOW MASS
A.A. Serebrennikov, A.A. Plokhov
As a result of the analysis of the operating experience and the systematization of the proposed patent solutions for the improvement of snow-melting installations, a new design has been developed. The main difference of the new design is the use of special working bodies, the rotation of which is carried out under the influence of the pressure of the supplied coolant. The operability has been confirmed, since it has been proven that the magnitude of the force, as the resultant sum of the reaction of the jets escaping from the nozzles, is sufficient to overcome the arising resistances. As a result of studies on two physical models, it was found that the intensity of the working process of the proposed design of the snow-melting installation (with special working bodies) is higher in relation to the intensity of typical structures (with the upper irrigation circuit).
Key words: traffic flows, snow mass, forced melting, working body, melting intensity.
482
Serebrennikov Anatoly Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, sereb_a_a@mail. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Plokhov Andrey Alexandrovich, postgraduate, plokhov a aamail.ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
УДК 621.86.067
РАСХОДОМЕРЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
А.М. Сасов
Рассмотрены достоинства, разработанных автором оригинальных расходомеров сыпучих материалов, работающих в составе автоматических вибрационных бункерных загрузочных устройствах. В конструкции расходомеров используются преобразователи амплитуды колебаний бункера в электрический сигнал на основе магнитоэлектрических датчиков, фотоприемников, датчиков амплитудной и, частотной модуляции. Расходомеры обеспечивает высокую точность измерения скорости выдачи сыпучих материалов.
Ключевые слова: вибрация, бункер, загрузочное устройство, модуляция, ВЧ трансформатор, фоторезистор, источник света, автоматизация.
В связи с широким диапазоном областей применения вибрации разработано множество вариантов конструкций генераторов вибрации и исполнительных машин на их основе. Среди них большую группу представляют конструкции вибрационных загрузочных устройств (ВБЗУ), осуществляющих подачу сыпучих материалов и заготовок в зону их обработки на технологическом оборудовании или на сборочные операции.
Теоретические принципы транспортирования объектов перемещения в ВБЗУ, достаточно полно описаны в работе «Автоматическая загрузка технологических машин» [1]. Там же приведены методики расчетов всех узлов и основных конструкционных элементов всей обширной гаммы вибрационных транспортных устройств, используемых для перемещения и ориентации в пространстве различных заготовок и деталей.
К некоторым разновидностям ВБЗУ, работающих с сыпучими материалами, предъявляются повышенные требования к точности измерения скорости выдачи материала. Одна из проблем обусловлена малой скоростью расхода порошка. В зависимости от марки материала, она выбирается в диапазоне, от 5,8*10"3 г/сек, до 27*10"3 г/сек. Такие ВБЗУ применяют в вакуумных технологических процессах изготовления датчиков физических величин, используемых в экспериментальной физике, тонкопленочных элементов радиотехнических, электронных устройств и других прецизионных технологиях.
Расходомер сыпучих материалов является ключевым элементом системы автоматического управления вибрационным бункерным загрузочным устройством. В работе [2] описан расходомер с магнитоэлектрическим преобразователем амплитуды колебаний бункера в электрический сигнал. На его основе разработана система автоматического управления ВБЗУ, которая с успехом может использоваться с рассматриваемыми ниже конструкциями расходомеров.
483
