Конструктивні параметри гідротехнічних систем поверхневого обігріву ґрунту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструктивні параметри гідротехнічних систем поверхневого обігріву ґрунту

Востріков В.П., Романюк І.В.

На основі експериментальних досліджень наведені конструктивні параметри гідротехнічної системи поверхневого обігріву ґрунту теплообмінниками - рукавами.

Constructive parameters of hydrotechnical system for surface heating of soil with sleeves warm -exchangers on the base of experimental investigation are resulted.

Технологічні процеси на багатьох промислових об'єктах, в першу чергу на ТЕС і АЕС, пов'язані з необхідністю постійного охолодження технологічного обладнання природною водою і відводу з нею надлишкового (скидного) тепла. Цей низькотемпературний тепловий ресурс в даний час викидається в навколишнє середовище градирнями або скидається у водосховища, забруднює їх і корисно не використовується.

Проте існують галузі і напрями, зокрема сільське господарство, в яких це тепло, як показує зарубіжний досвід та наші дослідження, може бути ефективно використано для обігріву ґрунту, культиваційних споруд, теплових меліорацій тощо для одержання ранньої додаткової сільськогосподарської продукції і суттєвого зменшення енергетичної залежності галузі і підприємств від природного газу, інших видів палива. Одночасно це дозволить зменшити забруднення довкілля тепловими викидами [1].

Питаннями розробки технології утилізації низькопотенціального тепла, створення на їх основі високоефективних виробництв - енергобіологічних комплексів, в першу чергу при АЕС і ТЕС, активно займаються вчені і фахівці США, Франції, Німеччини, бувшого СРСР (сьогодні Росія), в яких ці наукові питання розглядались і розглядаються на рівні урядових програм. Достатньо назвати програму „Агротерм” у Німеччині [1].

Нами набуто певного досвіду у розробці нових теплогідромеліоративних систем із спеціальних теплообмінників - рукавів, виконаних із гнучких матеріалів, які розташовуються на поверхні ґрунту, по яких постійно або періодично циркулює тепла вода.

Робочою гіпотезою дослідження стала гіпотеза про те, що максимальні теплові ефекти при використанні скидної теплої води можуть бути отримані при спрямуванні її безпосередньо в зону проживання рослин із застосуванням гідротехнічних засобів розподілення води.

Технологічно вказане завдання може бути вирішено подачею та розподіленням теплої води тонким шаром по поверхні ґрунту, а технічно реалізовано застосуванням теплообмінників - рукавів із тонкостінних, міцних, гнучких матеріалів та створенням на їх основі спеціальних гідротехнічних систем поверхневого обігріву ґрунту [2].

Створення таких систем вимагає обґрунтування їх конструктивних параметрів, режимів роботи та методик розрахунку.

При пропуску теплої води через систему поверхневого обігріву відбуваються процеси теплопередачі і розсіювання частини тепла в ґрунті та в повітрі. В результаті цього температура ґрунту та приземного шару повітря підвищується, а вода в системі обігріву охолоджується. Інтенсивність розсіювання тепла системою обігріву і ступінь охолодження води, як показали наші дослідження і дослідження інших авторів, залежить від багатьох факторів: метеорологічних умов, стану рослинного покриву, фізико-механічного складу ґрунту, водно - і теплофізичних характеристик ґрунту, швидкості руху води в теплообміннику, рівномірності розподілення води в обігріваючій мережі, значень температури вхідної води і прийнятих конструктивних особливостей системи подачі, розподілу та збору теплої води, зокрема додаткового захисту плівковими укриттями.

Слід зауважити на тому, що ступінь і ефективність охолодження води в системах поверхневого обігріву визначається характером зміни температури води по довжині теплообмінника - рукава.

Крім того, ступінь охолодження води залежить від швидкості її руху в теплообміннику - рукаві та умов теплообміну з оточуючим середовищем (ґрунтом і повітрям).

Рис. 1. Динаміка зміни температури води вздовж теплообмінника - рукава

Експериментальними дослідженнями в натурних умовах визначено, що зміну температури води в теплообміннику - рукаві (Т_в) можна описати поліномом другого ступеня, який для експериментальних умов має вигляд:

Т_в = 0,02 L² - 0,57 L + 26,94. (1)

Характер рівняння є справедливим для температури води в межах 25...30⁰С і позитивних температур повітря.

За рівнянням (1) охолодження води в теплообміннику в середньому складає на довжині 10 м:

ДТ = Т₀ - Т₁₀ = 26,94 - (0,02 · 10² - 0,57 · 10 + 26,94) = 3,7⁰С.

Кількість тепла, що витрачається системою обігріву визначається даними спостережень за температурою води на початку і в кінці теплообмінника - рукава і витратою води. Розрахунок можна проводити за формулою:

(2)

де: q - тепловіддача з одиниці площі теплообмінника; Q - витрата води в теплообміннику, г/с; с - теплоємність води (4,18 Вт/с ⁰С·г); t_н - температура води на початку теплообмінника, ⁰С; t_к - температура води в кінці теплообмінника, ⁰С; F - площа теплообмінника, м².

Експериментальними дослідженнями встановлено, що швидкість води в теплообмінниках - рукавах, при довжині 10 м, становила 0,15...0,20 м/с, напір на теплообміннику - рукаві, як видно із рис. 2, становив H = 0,2...0,3 м. Рух води в рукавах за таких умов розглядається як ламінарний, подібний до руху води на поверхні ґрунту по борознах та смугах при поверхневому поливі.

гідротехнічний поверхневий обігрів ґрунт

Рис. 2. Схема до визначення напору на теплообміннику - рукаві

1 - ємність; 2 - теплообмінник - рукав.

В залежності від прийнятих схем технічного водопостачання на підприємстві пропонується використовувати декілька схем подачі теплої води:

а) прямоточна із забором води з річки і скидом її після використання нижче за течією;

б) оборотна - тепла вода забирається із скидного каналу або трубопроводу і після використання повертається у водосховищем або в градирню;

в) змішана - тепла вода після використання в системі обігріву ґрунту частково повертається у природне джерело, а частково повторно направляється в систему охолодження технологічного обладнання.

При розробці принципових схем і конструкцій гідротехнічних поверхневих систем обігріву ґрунту необхідно виходити із того, що це системи спеціального призначення які можуть виконувати одночасно функції охолодження скидної теплої води промислових об'єктів та регулювання температурного режиму локальних ділянок ґрунту. Тому системи поверхневого обігріву ґрунту повинні задовольняти, на нашу думку, наступним основним вимогам:

- забезпечувати охолодження води з поверненням її на підприємство;

- підтримувати в кореневмісному шарі ґрунту температури умови для швидкого росту і розвитку рослин;

- бути надійними в роботі і мати можливість автоматизації водорозподілу;

- мати мінімальні затрати на будівництво і експлуатацію;

- забезпечувати збереження вологозапасів в ґрунті;

- не забруднювати навколишнє середовище.

В конструктивному відношенні системи поверхневого обігріву являють собою мережу теплообмінників - рукавів різних конструкцій, розміщених на визначеній відстані один від одного на поверхні ґрунту, об'єднаних, для підвищення надійності при їх експлуатації, в окремі блок-модулі (рис. 3).

Обігріваючий блок-модуль - це система визначеної кількості теплообмінників - рукавів та арматури, що забезпечують автоматизовану роботу (підвід і скид води) із заданим режимом (витратою, швидкістю, температурою води на вході і виході блок-модуля).

За результатами досліджень С.В. Ковальова, О.І. Ольховика та інших [3] на підгрунтових системах обігріву, з метою рівномірного розподілу води між теплообмінниками - рукавами, довжину розподільчого та збірного трубопроводів блок-модуля рекомендовано приймати в межах 10...20 м. В системі, яка розробляється нами, довжину розподільчого і збірного трубопроводів для одного блок-модуля прийняли 10 м. Тоді розміри одного блок-модуля будуть знаходитись в межах 10 х 20 м, тобто співвідношення довжини до ширини блок-модуля приблизно 2: 1. Збільшення ширини та довжини блок-модулів дає можливість зменшити капітальні затрати за рахунок скорочення регулюючої арматури та вимірювальних приладів.

Конструктивна схема гідротехнічної системи поверхневого обігріву для ділянки ґрунту 1 га, що пропонується нами, наведена на рис. 3.

За розробленою схемою система поверхневого обігріву включає в себе насосну станцію 2 для забору і подачі теплої води, магістральний трубопровід 3, який подає воду до теплообмінників - рукавів 10, розподільчі 4 і збірні 5 трубопроводи, які об'єднують теплообмінники - рукави у блок-модулі 8, і скидний трубопровід 7 для відводу води у водосховище-охолоджувач чи градирні з метою доохолодження.

Витрата і швидкість води в теплообмінниках - рукавах може змінюватись маніпулюванням запірною водорегулюючою арматурою, яка влаштовується в регулюючих вузлах 6, що встановлюються на вході та виході кожного із блок-модулів.

Така конструктивна схема дозволяє досягати рівномірного розподілення теплої води по всій площі блок-модулів.

Рис. 3. Конструктивна схема системи поверхневого обігріву ґрунту теплообмінниками - рукавами на площі 1 га

1 - канал теплої води;

2 - насосна станція;

3 - магістральний трубопровід;

4 - розподільчий трубопровід;

5 - збірний трубопровід;

6 - регулюючий вузол;

7 - скидний трубопровід;

8 - блок-модулі;

9 - скиди охолодженої води;

10 - теплообмінники - рукави.

Система поверхневого обігріву є низьконапірною системою, тому повинна відповідати певним умовам, а саме: підтримувати в мережі задані напори; мати можливості роздільної роботи окремих обігріваючих блок-модулів; можливості подачі води із розподільчої мережі в обігріваючу мережу і в кінцевому результаті створювати оптимальний температурний і водно-повітряний режим середовища проживання рослин.

Система обігріву поверхневими теплообмінниками - рукавами площею 1 га буде складатися із 32 блок-модулів.

Витрата магістрального трубопроводу визначалась з розрахунку, що витрата одного теплообмінника, для створення умов рівномірного обігріву, становить q = 0,5…0,7 л/с, (за експериментальними даними), тоді максимальна витрата одного блок-модуля складе:

Q = n • q = 10 • 0,7 = 7 л/с, (3)

де: n - кількість теплообмінників в одному блок-модулі;

q - витрата одного теплообмінника, л/с

Загальна максимальна витрата теплої води для обігріву ґрунту на площі 1 га буде дорівнювати:

Q₁ = Q • n₁ = 7 • 32 = 224 л/c, (4)

n₁ - кількість блок-модулів на системі площею 1 га.

Розроблена технологія і обґрунтована конструкція гідротехнічної системи поверхневого обігріву з використанням, в якості джерел теплової енергії, скидних вод промислових і енергетичних об'єктів. Визначені основні параметри такої системи. На даний час рекомендується створювати дослідно-виробничі ділянки для повного практичного відпрацювання режимів роботи систем поверхневого обігріву та їх оптимальних конструктивних параметрів у різних природно-кліматичних зонах та при різних підприємствах.

Література

1. Каталог інноваційних технологій за результатами всеукраїнського конкурсу інноваційних технологій. За ред. В.Д. Пархоменка. - Київ. - 2006. -227 с.

2. Романюк І.В. Теплова меліорація грунту скидною теплою водою за допомогою гідротехнічної системи з теплообмінниками - рукавами. Автореф. дис... канд.. техн. наук: 06.01.02 / НУВГП. - Рівне. - 2007. - 20 с.

3. Ольховик А.И. Разработка и исследование елементов обогрева почвы теплогидромелиоративных систем. Автореф. дис...канд. техн. наук: 06.01.02 / Институт гидротехники и мелиорации. - Киев. 1989. - 16 с.

4. Романюк І.В., Востріков В.П. Теоретичне обґрунтування обігріву відкритого грунту теплообмінниками - рукавами з використанням скидних теплих вод. Зб. наук. пр. Випуск 31. - Рівне, -2007. - С. 63-70.

5. Романюк І.В., Востріков В.П. Методологічні аспекти та результати проведення експериментальних досліджень обігріву ґрунту скидною теплою водою. Зб. наук. пр. Випуск 4 (23). - Рівне. - 2003. - С. 76-82.

6. Cборник научных трудов Гидропроекта. Выпуск 116. Научное обоснование разработки энергобиологических комплексов. - Москва. - 1986 г. - 161с.

7. Использование сбросных теплых вод атомных и тепловых электростанций для орошения и других с/х нужд (материалы расширенного заседания бюро совета по проблеме 0.52.01), - М.: 1982. - 62 с.

8. Пристрій для обігріву захищеного ґрунту низькопотенційним теплом. Декл. пат. на корисну модель № 4149 Україна, А 01 G 9/24/ В.П. Востріков, І.В. Романюк. - № 2004021016; Заявлено 12.02.2004; Опубл. 17.01.2005.

9. Спосіб улаштування утепленого грунту. Пат. на корисну модель № 26715 Україна, А 01 G 9/24/ В.П. Востріков, І.В. Романюк, О.Л. Пінчук. - № u200702839; Заявлено 19.03.2007; Опубл. 10.10.2007. Бюл. - № 16. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru