Исследование гидравлических характеристик работы гибких тонкостенных оболочек-рукавов как элементов тепломелиоративных систем

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Национальный университет водного хозяйства и природопользования

Исследование гидравлических характеристик работы гибких тонкостенных оболочек-рукавов как элементов тепломелиоративных систем

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

О.Л. Пинчук - ассистент

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. На основании экспериментальных исследований приведены гидравлические и конструктивные параметры гидротехнической системы поверхностного обогрева грунта рукавами-теплообменниками.

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

рукав теплообменник грунт сельскохозяйственный

Проблема получения ранней растениеводческой продукции, например овощей, ягод, зеленых выгоночных растений, цветов, грибов и др., в условиях умеренноконтинентального климата и недостаточных тепловых ресурсов традиционно решается созданием специальных теплично-парниковых хозяйств. Теплицы и парники относятся к сооружениям постоянного типа и для эффективной работы должны быть оснащены стационарными системами обогрева, которые в свою очередь, как правило, используют дорогостоящие виды топлива - природный газ, мазут, уголь или электроэнергию.

Последнее обстоятельство приводит к существенному удорожанию тепличной продукции и заставляет ученых и специалистов искать новые альтернативные и инновационные пути решения этой проблемы. Актуальным такой поиск является и с позиций нарастающего в мире продовольственного кризиса.

Частичное решение этой актуальной проблемы для многих стран может быть получено путем разработки и использования специальных тепломелиоративных систем, которые используют низкопотенциальные (низкотемпературные) источники тепла, такие например как сбросные теплые (теплообменные) воды промышленных и энергетических объектов или геотермальные воды [1].

Эти водные источники имеют, как правило, температуру 20…40°С, которая является оптимальной для большинства представителей растительного мира и составляют сегодня огромный невостребованный ресурс тепловой энергии.

В научное обоснование создаваемых тепломелиоративных систем заложена идея периодического перевода (ранней весной) открытого грунта в технически тепломелиорируемый грунт, а после получения урожая или достижения устойчивых и достаточных положительных температур - обратно в открытый грунт. Технически такой перевод открытого грунта в тепломелиорируемый осуществляется созданием и использованием временных гидротехнических систем обогрева грунта и дополнительной защитой локальных участков грунта временными пленочными укрытиями.

По-нашему мнению, нагревательные элементы таких временных систем обогрева грунта, которые используют низкотемпературные водные ресурсы, как объекты, должны быть максимально приближены к растениям. Средой обитания растений, как известно, является верхний слой грунта - более инерционная часть среды, и приземный слой воздуха - более динамическая часть среды. Величина этого комплексного слоя составляет реально 0,5…1,0 м.

Очевидным становится инженерное решение разместить низкотемпературную систему обогрева на границе двух сред - на поверхности грунта в пространстве, свободном от растений.

Теоретически указанное задание может быть решено распределением теплой воды тонким слоем по поверхности почвы между растениями, технически реализовано применение специальных теплообменников-рукавов из тонкостенных, гиб-ких материалов, например из специальных пленок или пластика, по которым постоянно циркулирует теплая вода.

Учитывая низкий тепловой потенциал теплоносителя - воды, транспортирующая способность системы обогрева (по воде) должна быть достаточно высокой, и одновременно оставаться пространства для развития растений и газообмена почвы с воздухом.

В приземном слое воздуха наблюдаются значительные динамические процессы конвективного теплообмена. Поэтому, для защиты среды обитания растений в холодные периоды от потерь тепла, открытый грунт с системой обогрева необходимо дополнительно оснастить защитным экраном, например временным пленочным укрытием туннельного типа.

Использование временных (сезонных) туннельных пленочных укрытий является известным, простым, эффективным и распространенным способом тепловой мелиорации грунта, который находит все большее применение в практике овощеводства и ягодничества, широко используется даже в странах с теплым климатом. Недостатком пленочного укрытия является низкая его тепломелиоративная эффективность в ночное и дневное пасмурное время.

Объединение почвенного поверхностного обогрева с защитой пленочным укрытием позволяет получить синергетический эффект от двух разных технологий тепловой мелиорации и добиться высокой эффективности от использования низкотемпературного теплоносителя в системе обогрева.

С учетом вышеприведенных особенностей нами разработаны, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы условия создания и использования таких комплексных систем тепловой мелиорации грунта и приземного слоя воздуха. Результаты исследований освещены во многих публикациях, а техническо-технологические решения защищены патентами Украины [2…7].

По назначению и конструктивным особенностям тепломелиоративная система (ТМС) - это технологически целостная водохозяйственная система, которая состоит из отдельных элементов, взаимодействие которых обеспечивает улучшение теплового режима почвы и приземного слоя воздуха с целью создания благоприятных условий для получения высоких и ранних урожаев сельскохозяйственных культур.

Основными инженерными элементами ТМС являются гибкие рукава-обогреватели, магистральные, распределительные, собирающие, отводящие и другие трубопроводы. В составе ТМС могут быть также открытые каналы или лотки, насосные станции, регулирующие бассейны, гидротехнические сооружения, водорегулирующее оборудование, средства автоматики. Обязательными элементами ТМС являются также специальные переносные временные укрытия с автоматическими устройствами для проветривания, а также система регулирования водного и пищевого режимов почвы.

Главным элементом ТМС являются обогреватели - гибкие тонкостенные оболочки в виде трубопроводов или широких рукавов с отверстиями для растений. Обогреватели размещают на определенном расстоянии друг от друга, как правило, между рядами растений, и объединяют для повышения эффективности и надежности работы в отдельные блок-модули, а модули в секции.

Суть технологии поверхностного обогрева сводится к тому, что теплая вода через сеть транспортирующих и распределительных трубопроводов, устройств и оборудования подается в обогревающий блок-модуль. В блок-модуле низкопотенциальный теплоноситель распределяется между гибкими оболочками, которые расположены на поверхности почвы и проходя по ним обогревают почву и приземный слой воздуха вокруг растений.

Для получения максимального эффекта гибкие тонкостенные оболочки объединяют в секции и располагают в укрытиях туннельного типа. Участок грунта, который обогревается вместе с укрытием, образует грядку-модуль шириной 0,8…1,0 м и длиной 20…25 м. Возможны и другие решения, например широкие (3…4 м) и короткие участки грунта (5…10 м), которые составляют основу более постоянного культивационного сооружения с постоянным каркасом для прозрачного ограждения, используемого на одном месте несколько сезонов.

Тепломелиорируемый поверхностным обогревом грунт в странах средней широты (Украина, Россия, Беларусь, страны Балтии и др.), как показали наши расчеты и натурные эксперименты, может использоваться уже в марте-апреле с переходом на май месяц. В это время на открытых участках без обогрева длительное время сохраняется снежный покров, а также имеют место частые понижения температуры воздуха до - 10…15°С.

Даже в таких неблагоприятных условиях под пленочным укрытием на обогреваемом грунте и в воздухе сохраняются достаточные положительные температуры для активного роста и развития растений (12…15°С при температуре воды 20°С).

С целью обоснования параметров и режимов работы ТМС интерес представляет изучение работы отдельных рукавов-оболочек как транспортирующих и обогревающих элементов, исследование режимов движения в них теплоносителя, а также определение основных напорно-расходных характеристик.

Для достижения указанной цели была создана специальная экспериментальная установка, которая позволяла прокачивать воду по рукаву-трубопроводу под небольшими напорами в режиме свободного и подтопленного истечения из рукава, изменять расход и скорость движения воды, фиксировать счетчиком объемы прокачиваемой воды, а пьезометрами измерять напоры воды в рукаве, напорной емкости, распределительных и собирающих коллекторах.

В процессе исследования работы оболочки-рукава фиксировались также изменения его геометрии, моделировалось расположение рукава на ровной поверхности и поверхности с неровностями, изменялись способы подключения рукавов к коллекторам и способы подключения коллекторов к подающему и собирающему трубопроводам.

В результате проведенных гидравлических исследований установлено, что тепломелиоративные системы можно отнести к низконапорным, практически самотечным системам. Основную часть потерь напора в системе формируют распределительные трубопроводы, фасонные части, арматура, а потери напора непосредственно в гибких тонкостенных оболочках являются очень незначительными.

С гидравлической точки зрения, это означает, что ТМС работают в режиме ламинарного течения воды в рукавах-оболочках и трубопроводах, что обусловливает зависимость коэффициента гидравлического сопротивления только от числа Рейнольдса

л = f(Re).

В эксперименте проводились исследования тонкостенных оболочек рукавов в форме трубопроводов с условным диаметром (при полном напорном наполнении) 50, 80, 100 мм и длиной 30 м, изготовленных из полиэтиленовой пленки толщиной 200 микрон. Для таких оболочек нами получены экспериментальные графики функции Q=f(?h), которые показывают зависимость расходов воды в гибких трубопроводах от разницы (перепада) напоров в начале и в конце оболочки-рукава длиной 30 м (рис.).

Результаты статистического анализа экспериментальных данных приведены в таблице (см. табл.).

В результате проведенных гидравлических исследований работы тонкостенных оболочек-рукавов в форме трубопроводов нами впервые установлены их фактические напорно-расходные характеристики, которые показывают, что для пропуска значительного количества теплой воды, как теплоносителя, в системе поверхностного обогрева, достаточными являются очень незначительные начальные напоры, которые находятся в пределах до десятка сантиметров.

а) б)

d=50 мм d=80 мм d=100 мм

Экспериментальные зависимости Q = f(?h) для оболочек-рукавов в форме трубопроводов длиной 30 м.

а) свободное истечение:б) подтопленное истечение

В оболочках-рукавах длиной 30 м, которые имеют диаметр 80 мм, расходы воды, необходимые для работы одного рукава (до 1 л/с), обеспечиваются начальными напорами - до 6…7 см.

Для рукавов диаметром 100 мм, которые являются наиболее предпочтительными для ТМС, достаточными напорами для пропуска значительных расходов и объемов воды являются напоры 2 см. Такие оболочки-рукава могут работать практически в самотечном режиме. Для рукавов диаметром 50 мм уже необходимо создавать несколько большие напоры - до 10…15 см.

Таким образом, наиболее предпочтительными для ТМС, как оказалось, являются гибкие оболочки-трубопроводы диаметром 80…100 мм, способные пропускать значительные объемы воды при напорах всего 2…4 см. Было установлено также, что при малых напорах и в режиме свободного истечения воды тонкостенный рукав-трубопровод теряет свою поперечную геометрическую форму в виде круглой трубы и переходит сначала в форму овала, а потом в форму сжатого эллипса.

При уменьшении начального напора и изменении геометрии оболочки-рукава не происходит явления отрыва поверхности воды от стенок гибкого рукава-трубопровода, как в жестких трубах. Верхняя часть стенки рукава опускается вместе с водой, а рукав продолжает работать измененным сечением даже при напорах, меньших диаметра трубопровода и обеспечивать меньшие, но достаточные расходы воды за счет ее текучести и движения воды самотеком.

При подтопленном истечении под уровень воды слоем 10…15 см тонкостенный рукав-трубопровод постоянно сохраняет свою геометрическую форму в виде круглой трубы, а его пропускная способность несколько выше, чем при свободном истечении.

Таким образом, оболочки-рукава из гибких тонкостенных материалов не являются тем элементом, которые будут лимитировать пропускную способность тепломелиоративных систем. Их длина может составлять от нескольких метров до нескольких десятков метров, а достаточные напоры при этом для их роботы будут обеспечивать напоры порядка нескольких сантиметров.

В зависимости от конструктивных параметров обогревателя, микрорельефа участка, расположения и агротехники возделывания сельскохозяйственных растений, расчетный начальный рабочий напор в гибкой тонкостенной оболочке-рукаве должен составлять 0,05…0,1 м. При этом скорость воды в оболочке будет составлять 0,1…0,2 м/с.

Библиографический список

Прищеп Л.Г. Эффективная электрификация защищенного грунта. - М.: Колос, 1980. 208 с.

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

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.

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

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.

Востриков В.П., Романюк И.В., Пинчук О.Л., Вострикова Н.В. Моделирование тепловых процессов в грунте при обогреве водонаполненными рукавами. Мелиорация и водное хозяйство: межведомственный тематический научный сборник. - Киев: Аграрная наука, 2008. Вып. 96. С. 244-253.

Гурин В.А., Востриков В.П., Романюк И.В., Пинчук О.Л. Тепловая мелиорация локальных участков грунта сбросными теплыми водами промышленных и энергетических объектов. //Природообустройство: научно-практический журнал. 2009. № 2. С. 30-34.

Размещено на Allbest.ru