Использование тепловой энергии грунтовых вод для предотвращения замерзания металлических водонапорных башен

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 -

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 ;

1 ' возд' у '

а2 = 350 + 2ШЦ~Ы~Ы

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

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

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