CC BY
11
Использование тепловой энергии грунтовых вод для предотвращения замерзания металлических водонапорных башен
А.Б.Рязанов, к.т.н., МБ. Фомин, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Цель исследования - обосновать способ предотвращения замерзания металлических водонапорных башен путём использования тепловой энергии грунтовых вод.
Материал, методы и результаты исследования. При регулярном поступлении воды из скважины (а вместе с ней и тепловой энергии) в металлические водонапорные башни Рожновского можно предотвратить их замерзание, тем самым организовать надёжное бесперебойное водоснабжение потребителей в любое время года [1 — 4]. Однако, как было отмечено в ранее опубликованном исследовании, водоразбор всегда имеет нерегулярный характер, т. е. в нём присутствуют периоды малого водопотребления или его отсутствия [1]. Если длительность таких периодов велика, то металлические водонапорные башни будут замерзать.
Мы предлагаем усовершенствовать конструктивно-режимные параметры металлических водонапорных башен Рожновского таким образом, чтобы тепловая энергия грунтовых вод поступала к ним вне зависимости от поступления воды, т. е. от режима водопотребления.
Конструкция выглядит следующим образом. В грунтовые воды помещается рекуперативный теплообменный аппарат, с помощью которого
тепловая энергия от грунтовых вод будет передаваться теплоносителю. Он, в свою очередь, будет отдавать эту энергию воде, находящейся в водонапорной башне. Возможно брать воду из самой башни, пропускать её через теплооб-менный аппарат и уже подогретую возвращать обратно (рис. 1), а также использовать промежуточный теплоноситель (рис. 2), который будет забирать тепло от грунтовых вод через подземный теплообменник и отдавать его воде в башне через теплообменный аппарат, расположенный внутри башни.
Тепловой поток через наружную цилиндрическую стенку башни рассчитываем по следующему выражению [5]:
Q =
П ' ЧТеоды Т еозд )
1 -+ —1п
2Я -
/-'-ЦЛ 0-и
1 -+-1п-^
2Я -
(1)
а2
где Q - тепловой поток, Вт;
I- высота цилиндра, м;
Тводы - температура воды в башне, К;
Твозд - температура окружающего воздуха, К;
а1 - коэффициент теплоотдачи от стенки к воз-
Вт духу, — ;
м2 К
а - коэффициент теплоотдачи от воды к стен-
ке,
Вт ;
м2 К'
Рис. 1 - Схема расположения теплообменного аппарата Рис. 2 - Схема расположения теплообменного аппарата
в грунтовых водах
в грунтовых водах и стоике водонапорной башни
1
1
+
Хст - коэффициент теплопроводности стальной Вт
стенки,
м К
Хл - коэффициент теплопроводности стенки
Вт льда, ;
мК
<нар - наружный диаметр стальной стенки, м; dвн- внутренний диаметр стальной стенки, м; <внл - внутренний диаметр стенки льда, м. Коэффициенты теплоотдачи рассчитываем по следующим эмпирическим зависимостям [6]: а,=5,6+4-и ; (2)
1 ' возд' у '
а2 = 350 + 2ШЦ~Ы~Ы
(3)
где и , и - скорости воздуха и воды,
возд' воды r J '
Эта же энергия должна поступать в башню ежесекундно для предотвращения дальнейшего льдообразования. Следовательно, площадь стенки теплообменного аппарата, который необходимо разместить в грунтовых водах для предотвращения замерзания водонапорной башни, можно рассчитать следующим образом:
Q • (-
1
5 =-
ан.
Я„
+
1
)
Т — Т
гр воды
(4)
где Тр - температура грунтовых вод, К; Тводы - температура воды в башне, К; а - коэффициент теплоотдачи от грунтовых
вод к стенке теплообменного аппарата,
Вт ;
м2 К '
ан - коэффициент теплоотдачи от стенки теп-
_ Вт
лообменного аппарата к теплоносителю, .
м2 К
По данным уравнениям был получен график зависимости площади поверхности теплообмена, необходимой для предотвращения замерзания башни, от скорости теплоносителя в теплообмен-ном аппарате.
Расчёты проводились при следующих параметрах: объём водонапорной башни 25 м3, температура воздуха -30°С, скорость ветра 5 м/с, температура грунтовых вод 5°С, скорость грунтовых вод равна нулю. Эти значения параметров являются достаточно экстремальными, что позволяет утверждать, что при рассчитанной таким образом поверхности теплообмена в башню будет поступать достаточное количество энергии для предотвращения её замерзания в различных условиях эксплуатации [7 — 10].
График (рис. 3) и расчёты показывают:
1. Площадь поверхности теплообмена достаточно мала (порядка 1 м2), что позволяет достаточно просто разместить такой теплообменный аппарат в грунтовых водах.
2. Расчётное значение поверхности теплообмена практически не зависит от скорости теплоносителя (это обусловлено высокой теплоотдачей между
Рис. 3 - Зависимость площади поверхности теплообмена S (м2) от скорости теплоносителя и (м/с)
стенкой и жидкостью). Соответственно не потребуются большие значения энергии для обеспечения циркуляции теплоносителя.
Вывод. Предложенные изменения конструктивно-режимных параметров работы металлических водонапорных башен Рожновского позволяют организовать непрерывное поступление тепловой энергии к находящейся в них воде, тем самым исключается их замерзание при любых климатических условиях и режимах водопотребления.
Литература
1. Рязанов А. Б. Повышение эффективности функционирования водонапорной башни Рожновского при отрицательных температурах окружающего воздуха: дис. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2012. 136 с.
2. Петько В. Г., Рязанов А. Б. Совершенствование конструктивных параметров водонапорных башен Рожновского для повышения устойчивости к обледенению // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2009. № 4 (24). С. 85 - 86.
3. Петько В. Г., Рязанов А. Б. Перспективы усовершенствования водоснабжения в АПК // Состояние, перспективы экономико-технологического развития и экологически безопасного производства в АПК. Оренбург: Изд. центр ОГАУ, 2010. С. 524 - 527.
4. Пат. РФ № 2379452, МПК Е 04 Н 12/30. Водонапорная башня / В. Г. Петько, А. Б. Рязанов; опубл. 20.01.10. Бюл. № 2.
5. Брюханов О. Н., Шевченко С. Н. Тепломассообмен. М.: АСВ, 2005. 460 с.: ил.
6. Кухлинг Х. Справочник по физике: пер. с нем. Е. М. Лей-кина. 2-е изд. М.: Мир, 1985. 520 с.: ил.
7. Асманкин Е. М.. Рязанов А. Б., Фомин М. Б. Использование низкопотенциальной геотермальной энергии для предотвращения льдообразования в металлических водонапорных башнях // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. № 6.
8. Фомин М. Б. Экспериментальное исследование процесса льдообразования водонапорных ёмкостей с комбинированным подводом энергии / М. Б. Фомин, Е. М. Асманкин, И. А. Рахимжанова [и др.] // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК. Оренбург: Изд. центр ОГАУ, 2017. С. 46 - 50.
9. Петько, В. Г. Процесс обледенения металлической водонапорной башни в системах водоснабжения объектов сельского хозяйства, выполненной по типу «бак - стойка» / М. Б. Фомин, В. Г. Петько, Л. Р. Фомина [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 5(67). С. 129 - 132.
10. Asmankin Y. M., Ushakov Y. A., Fomin M. B., Fomina L. R. More efficient use of the water tower agricultural land at low ambient temperatures, V international scientific congress. Agricultural machinery 2017, 21.06 - 24.06.2017, Varna, Bulgaria. P. 149 - 151.
м
с
