Тепловая эффективность обогрева грунта водонаполненными гибкими рукавами при использовании низкотемпературной воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный университет водного хозяйства и природопользования

ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБОГРЕВА ГРУНТА ВОДОНАПОЛНЕННЫМИ ГИБКИМИ РУКАВАМИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДЫ

В.А. Гурин - д-р техн. наук, проф.;

В.П. Востриков - канд. техн. наук, доцент;

И.В. Романюк - канд. техн. наук; О.Л. Пинчук

Аннотация

почва термический сельскохозяйственный мелиорация

Статья посвящена проблеме использования низкотемпературных источников тепловой энергии, например сбросных теплых вод промышленности, для сверхранней тепловой мелиорации локальных участков грунта и раннего выращивания сельскохозяйственных культур. Рассмотрено влияние поверхностного обогрева грунта водонаполненными рукавами на термический режим почвы и приземного слоя воздуха, приведены результаты экспериментальных натурных исследований.

Annotation

This article is devoted to the problem of the low-temperature source's thermal energy use for example discharge warm water for ultra early heating melioration of local district soil and raising agricultural crops. The questions of surface heating's water-filled hose influence on soil's and surface air's temperature condition are considered and experimental full-scale results of soils' surface heating are given.

Основная часть

Обеспечение населения Украины, России, стран Европы качественной и недорогой овощной и ягодной продукцией, которая поступает в достаточном количестве и как можно в более ранние сроки, является одной из важных социально-экономических проблем. В решении этой проблемы актуальной является задача научного обоснования и разработки новых технологий, а также технических средств для сверхраннего выращивания сельскохозяйственных культур в полевых условиях.

Традиционно эта задача в настоящее время решается созданием теплично-парниковых хозяйств с использованием дорогостоящих тепловых ресурсов. Во внимание, к сожалению, до сих пор не принимаются возможности тепловых мелиораций и наличие значительных по объемам тепловых ресурсов в виде низкотемпературных сбросных (теплообменных) вод промышленного происхождения, а также геотермальных вод с температурой 25…35⁰С.

Нами длительное время изучается возможность использования этого теплового ресурса для сверхранних тепловых мелиораций и гарантированного создания условий раннего выращивания ягодных и овощных культур. При этом используется разработанная технология поверхностного обогрева грунта водонаполненными рукавами, которые изготовляются из гибких, прочных, пленочных материалов [1, 2, 3].

Роль климата в формировании почвенного плодородия общеизвестна. Природные свойства почвы, а также эффективное плодородие проявляются только при наличии определенного количества влаги и определенном термическом режиме [4, 5]. Очевидно, что для сверхраннего выращивания сельскохозяйственных культур определяющим является температурный режим почвы и приземного слоя воздуха.

Каждый культурный вид растений имеет свою, строго индивидуальную термически-временную структуру цикла развития от посева до накопления урожая. Параметры этого цикла развития строго связаны с соответствующим уровнем температур в почве и воздухе. Поэтому целенаправленное управление онтогенезом растения возможно путем управления тепловым режимом микросреды его обитания.

Тепловую эффективность обогрева грунта водонаполненными гибкими рукавами изучали экспериментально в натурном модельном опыте в условиях климата Полесья Украины на супесчаных и черноземных грунтах. В качестве основной культуры-индикатора использовали клубнику сорта «Фестивальный». Грунт обогревали специально нагретой теплой водой, которая самотеком под небольшим начальным напором (10…20 см) циркулировала по рукавам-теплообменникам (см. рис. 1). Температуру воды в рукавах автоматически поддерживали в пределах 24…26⁰С в марте с последующим увеличением ее в апреле и мае до 27…30⁰С.

Рис. 1 Общий вид водонаполненного рукава с овальными отверстиями

Температуру циркулирующей в рукавах воды, почвы и воздуха измеряли точными лабораторными, метеорологическими ртутными термометрами, термометрами Савинова до глубины 20 см, вытяжными термометрами на больших глубинах, электротермометрами с цифровой индикацией показаний, аспирационными психрометрами. В опыте часть обогреваемых локальных участков с рукавами дополнительно защищали пленочными укрытиями тоннельного типа (см. рис. 1). Использовалась полиэтиленовая пленка толщиной 150 мк. Нагрев воды осуществлялся водогрейным автоматическим аппаратом, подача теплоносителя регулировалась задвижками и вентилями.

Начальная фаза разогрева грунта рукавом изучалась нами с 12.03.2009 года на протяжении двух недель. Измерения всех параметров проводились дважды в сутки в 7.00 и 19.00. Основные результаты измерения температуры грунта, воды и воздуха приведены в табл. 1. В качестве контрольного варианта принят необогреваемый открытый грунт в естественных условиях.

Таблица 1

Температурный режим в среде «грунт-воздух» на начальной стадии обогрева грунта водонаполненными рукавами, ⁰С в 7.00 (12.03….26.03.09 г.)

Результаты исследований и измерений показывают, что поверхностный обогрев является эффективным техническим способом тепловой мелиорации среды обитания растений, позволяет быстро и гарантировано поднять температуру и почвы, и приземного слоя воздуха при использовании пленочного укрытия. Уже на третий день работы рукава температура верхнего 20 см слоя почвы повысилась до 10…14⁰С. Одновременно, за счет теплового потока от поверхности рукава вверх, прогрелся приземный слой воздуха до 8…11⁰С.

На 4…5 день работы системы обогрева создаются благоприятные температурные условия на уровне 14…16⁰С в верхнем 20 см слое почвы и порядка 10…12⁰С в приземном воздухе, которые стабильно сохраняются даже в пасмурные и морозные дни. Обогрев рукавами, что очень важно, гарантировано поддерживает положительные температуры воздуха в ночные часы и защищает растения от заморозков.

Полученные в результате действия постоянного обогрева температуры почвы (14…16⁰С) способствуют прорастанию и развитию большинства овощных и ягодных культур, даже теплолюбивых. При этом в естественных условиях температуры грунта и воздуха остаются очень низкими, изменяясь в пределах от -2 до +3 ⁰С. Весь период наблюдений грунт в естественных условиях оставался не готовым к сельскохозяйственному использованию по причине низких температур. Необходимо отметить, что в это время наблюдались осадки в виде снега и холодного дождя. Выпавший снег оставался лежать на поверхности контрольного участка, в то время как на поверхности пленочного укрытия таял и превращался в воду

Рукав-теплообменник постоянно потреблял тепловую энергию, вследствие чего вода в рукаве охлаждалась. По результатам измерений и расчетов потребление тепловой энергии составило 700…800 Вт/с или 200…220 Вт/с на один квадратный метр обогреваемого грунта, а охлаждение воды в рукаве на 0,6…0,9 ⁰С.

Таблица 2

Температура контрольного и обогреваемого грунта в различных точках грунтового профиля, ⁰С (на 7⁰⁰ 26.03.2009 г.)

*Меньшее значение соответствует температуре грунта в отверстии рукава, большее - температуре грунта под рукавом.

Наблюдения за температурой грунта показали, что действие обогрева распространяется на достаточно значительную глубину. Так, по результатам измерений в 2009 г., температура грунта на глубине 1 м под рукавом после двух недель работы рукава поднялась до 6,4⁰С, в то время как на контрольном участке она составляла 4⁰С (табл. 2).

Очевидно, что прогрев грунта может осуществляться на глубину до 2 м и больше. При этом под рукавом создается массив нагретого грунта, который аккумулирует в себе значительные запасы тепловой энергии. Этот запас тепловой энергии гарантирует защиту верхнего корнеобитаемого слоя почвы от проникновения отрицательных температур из нижних слоев грунта.

Большое значение для оценки температурного режима обогреваемого грунта имеют особенности его формирования на протяжении вегетационного периода (март-май). По результатам наших исследований в 2004 г., проведенных на супесчаных почвах Полесья Украины, влияние поверхностного обогрева наиболее заметно в холодные периоды (март, апрель). Постоянный приток тепла от системы обогрева препятствует проникновению отрицательных температур в грунт и поддерживает температурный фон в среде обитания растений на уровне значений, приближенных к оптимальным.

Процесс теплообмена в системе «грунт-воздух» и направление тепловых потоков зависит от термоградиентных условий в грунте. Для обогреваемого грунта характерно наличие максимальных температур в зоне расположения теплообменника (на поверхности почвы), поэтому динамику внутрипочвенных градиентов и их профильный ход нужно рассматривать для значительного слоя грунта (рис. 2) [6].

Рис. 2 Профильный ход среднемесячных температур ґрунта в 2004 г.

В марте 2004 г. температуры грунта на глубине 0...20 см на контрольном участке имели еще отрицательные значения, тогда как на обогреваемом участке уже составляли 11…13⁰С. В слое 20...80 см температура контрольного грунта изменяется от -0,5..3,5⁰С, а на обогреваемом участке от 11…8⁰С.

Совсем другая картина наблюдается в мае месяце. Так, например, в слое грунта 0...20 см на контрольном участке температура составляет 20…21 ⁰С, а на участке обогрева - 31…34⁰С. В слое 20...80 см на контрольном участке температура грунта составляет 16…20⁰С, а на участке обогрева - 26…32⁰С.

Обогрев с помощью рукавов-теплообменников с использованием теплой воды хотя и не может создать в верхнем слое грунта оптимальные температуры сразу после запуска системы, но уже в конце марта в начале апреля способствует ее повышению на 10⁰С и более градусов, а в средине апреля - на 15 ⁰С и более (рис. 3). На контрольном же участке температура достигает 10 ⁰С в конце апреля, а 15⁰С - в средине мая.

Увеличение периодов нагревания грунта и повышения абсолютных температур в эти периоды приводит к увеличению сумм температур грунта за период вегетации (табл. 3).

Рис. 3 Ход средних декадных температур грунта (0...20 см) и температур приземного слоя воздуха (20 см) в 2004 году

Таблица 3

Суммы температур грунта больше 5, 10, 15 и 20⁰С на глубине 20 см, ⁰С

Из приведенных данных видно, что с точки зрения накопления положительных температур, вариант обогрева грунта рукавами-теплообменниками с использованием укрытий является очень эффективным тепломелиоративным приемом. Разница сумм температур грунта на глубине 20 см по сравнению с контролем составляет более 2000⁰С.

Как показали наши исследования, для обогреваемого грунта связь между его температурой (У) на глубине 5, 10, 20 см, температурой воздуха (Х) и температурой воды в теплообменнике (Z), описывается следующими эмпирическими уравнениями (для значений Z > 20⁰C):

У_0,05 = Х + 0,14 Z - 0,48; R_хуz = 0,95, (1)

У_0,1 = Х + 0,15 Z - 1,76; R_хуz = 0,95, (2)

У_0,2 = Х + 0,12 Z - 2,4; R_хуz = 0,95. (3)

Таким образом, применение поверхностного обогрева рукавами-теплообменниками существенным образом влияет на температурный режим грунта и приземного слоя воздуха. Это проявляется в изменении распределения температур по грунтовому профилю, в значительном повышении температур почвы и воздуха, в изменении теплообмена почвы с приземным слоем воздуха.

При использовании укрытий тоннельного типа обогрев грунта рукавами с температурой воды 25…30⁰С способствует созданию всех необходимых температурных условий для смещения вегетационного периода и сверхраннего начала в выращивании сельскохозяйственных культур, в среднем от одного месяца до двух в зависимости от вида культуры. Это позволяет проводить более ранний посев или посадку теплолюбивых культур и получить урожай на 30…40 дней раньше, чем в обычных условиях, а также увеличить количество растениеводческой продукции и улучшить ее качество.

Библиографический список

1. Устройство для обогрева защищенной почвы низкопотенциальным теплом. Декл. патент на полезную модель № 4149, Украина, А 01 G 9/24/ В.П.Востриков, И.В. Романюк. № 2004021016; Заявлен 12.02.2004; Опубл. 17.01.2005. Бюл.№1. 3 с.

2. Романюк И.В., Востриков В.П. Способы и технические средства обогрева почвы сбросными теплыми водами промышленного производства. Сборник научных трудов. - Ровно, Вестник РГТУ, 2002. Вып. 5 (18). С. 124-132.

3. Способ устройства утепленного грунта. Патент на полезную модель № 26715, Украина, А 01 G 9/24/ В.П. Востриков, И.В. Романюк, О.Л. Пинчук. № u200702839; Заявлено 19.03.2007; Опубл. 10.10.2007. 4 с.

4. Дмитренко В.П. Наукові засади агрометеорологічних стратегій адаптації землеробства в Україні// Наукові праці УкрНДГМІ. 2005. Вип. 254. с. 188-200.

5. Дмитренко В.П. Адаптації меліоративного землеробства до погоди і клімату// Вісник аграрної науки. 2003. № 2. С. 52-56.

6. Романюк И.В. Тепловая мелиорация почв сбросной теплой водой с помощью гидротехнической системы из теплообменников - рукавов. Автореф. дис…. канд. техн. наук: 06.01.02, НУВХП. Ровно, 2007. 20 с.

Размещено на Allbest.ru