Обоснование достоверности модели функционально-параметрического состояния водонапорной башни системы водоснабжения объектов сельскохозяйственного назначения

Обоснование достоверности модели функционально-параметрического состояния водонапорной башни системы водоснабжения объектов сельскохозяйственного назначения

Е.М. Асманкин, д.т.н., профессор, Ю.А. Ушаков, д.т.н., профессор, М.Б. Фомин, преподаватель, Н.К. Комарова, д.с.-х.н., профессор, А.А. Аверкиев, д.с.-х.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Среди основных схем подъёма и подачи воды на объектах сельскохозяйственного назначения преобладают башенные системы водоснабжения на основе водонапорных башен. Актуальной проблемой при эксплуатации водоснабжения является нарушение работы водонапорной башни в зимний период, вызванное сбоем в цикле водопотребления, застоем воды, отказом датчиков уровня, протечками, переливами [1—3]. Выход из строя датчиков уровня вследствие обледенения и некорректной работы автоматики приводит к переполнению ёмкости башни и обмерзанию её как снаружи, так и внутри, что является недопустимым, так как наросты ледяной массы снаружи влекут за собой падение конструкции, а замерзание внутреннего объёма ведёт к разрушению целостности бака. Уменьшается вплоть до нуля её полезный объём и, если толстым слоем льда покрывается поверхность воды в ёмкости, может произойти её разрыв под давлением, развиваемым нагнетающим воду насосом.

Цель исследования — разработка концептуальной модели повышения эффективности работы сельскохозяйственных гидросооружений башенного типа при отрицательных температурах окружающего воздуха, выявление принципов, лежащих в основе конструирования сооружений, малоподверженных разрушениям образовавшимся льдом.

Материал и методы исследования. Специфика экспериментальных исследований, как лабораторных, так и производственных, предполагала подтверждение функциональной реализации технических элементов внедрённой системы в аспекте обеспечения производственного цикла дискретного водопотребления. Эксперименты проводили в Александровском районе Оренбургской области в период активного диапазона температур (-30; -5])°C при интенсивном теплообмене с окружающим воздухом водонапорной башни ВБР-15У-10, агре-гатированной с ветроустановкой «Аэргон». Методы экспериментальных исследований строились на основе математического описания аэрологических явлений, физического моделирования реализации радиогенной энергии, теории теплообменных процессов и положений гидроаэромеханики.

Результаты исследования. Как показывает практика, время работы водонапорной башни ограничено временем смыкания горизонтального

сечения на том или ином уровне (нет протока по вертикали) и всегда меньше времени полного промерзания воды в стволе башни.

Элементарный объём приращения льда (рис. 1) определяется соотношением:

dV = 2п(R - r)hd(R - r),

где Я — радиус ствола башни, м;

(Я-г) — текущая толщина ледяного нароста, м; к — высота ствола башни, м; 1 (Я-г) — дифференциал приращения толщины ледяного нароста, м.

d

R-r

Рис. 1 - Горизонтальное сечение ствола водонапорной башни

Экспериментально величину толщины ледяного нароста и её дифференциал можно выразить, используя фактор времени:

(R - r) = Yt, d(R - r) = Ydt,

где У — скорость образования льда на внутренней поверхности ствола водонапорной башни, м/с. Интегрируя левую и правую части уравнения (1), с учётом соотношений (2) получили зависимость объёма образовавшегося льда от времени:

V = nhY 2t2.

или

0 0

При интегрировании полагали, что скорость образования льда У является величиной постоянной, присущей конкретным погодным условиям. Таким образом, время намерзания льда объёмом V будет равно:

4У

? = .

Внедрение предлагаемых термоактиваторных установок позволяет довести время функциониро-

вания водонапорной башни до времени полного промерзания всего объёма, как минимум. Это обеспечивается выравниванием кривой величины нароста льда на внутренней стенке ствола башни и поставкой дополнительной геотермальной энергии и энергии от ветра.

Время работы водонапорной башни при использовании термоактиваторов для различных погодных условий (с учётом 2) увеличивается в к раз:

к = -

Функцию, описывающую форму поверхности льда в вертикальном осевом сечении ствола башни при смыкании горизонтального сечения и исключении вертикального тока воды, выразим как:

т

/(х) := с + — 0,1х

О

где ст: = 4,3, т: = 2,95, с: = -0,46 — параметры модели при скорости ветра величиной 5 м/с и температуре окружающей среды 10°С ниже 0.

где — время до момента смыкания ледяной массы в горизонтальном сечении без внедрения предлагаемых устройств, с; ? ' — время промерзания оставшейся на момент смыкания ледяной массы в горизонтальном сечении жидкой фазы, с; V' и V — объём льда и незамёрзшей воды в стволе башни на момент смыкания горизонтального сечения соответственно, м3.

Форма поверхности льда на внутренней поверхности ствола башни носит вероятностный характер. В одних и тех же погодных при проведении экспериментальных исследований условиях было зафиксировано смыкание ледяного нароста в сечениях разных уровней. Асимметрия присутствовала как в горизонтальных, так и в вертикальных сечениях. Однако ставилась цель получить точную аналитическую зависимость формы поверхности наледи. Для дальнейшей формализации была использована наиболее вероятная функция — функция распределения Вейбулла для определения объёма жидкой и твёрдой фаз. Такой подход даёт хорошее совпадение с результатами теоретических и экспериментальных исследований по объёмам нароста льда в диапазоне проводимых исследований и значительно упрощает анализ.

Адекватность модели функционально-параметрического состояния водонапорной башни подтверждалась в диапазоне ухудшения погодных условий на примере модели ВБР-15У-10 (коэффициент теплопроводности — 0,436 Вт/(мК)): 0% — температура окружающей среды — 0°С ниже нуля, скорость ветра — 0 м/с; 25% — температура окружающей среды — 10°С ниже нуля, скорость ветра — 5 м/с; 50% — температура окружающей среды — 20°С ниже нуля, скорость ветра — 10 м/с; 75% — температура окружающей среды — 30°С ниже нуля, скорость ветра — 15 м/с; 100% — температура окружающей среды — 40°С ниже нуля, скорость ветра — 20 м/с.

Объём льда в опытах определялся вычитанием объёма воды из объёма ствола башни. Ледяную фракцию выцеживали.

На рисунках 2 и 3 представлена плоская и пространственная визуализация объёма образовавшегося льда на внутренней поверхности ствола водонапорной башни (ВБР-15У-10).

Рис. 2 - Визуализация объёма образовавшегося льда на внутренней поверхности ствола водонапорной башни

Объём незамёрзшей воды в стволе башни определяли по формуле:

V :=я-| / (х)2 (х.

Анализ объёмов замёрзшей и незамёрзшей воды в разных погодных условиях (рис. 4, 5) позволил установить хорошее совпадение теоретических предположений с результатами экспериментальных исследований. Расхождение не превышает 7% (рис. 6).

Рис. 3 - Пространственная визуализация объёма образовавшегося льда на внутренней поверхности ствола водонапорной башни

х

О

е

чч\

X;

20 40 60 80 100

Рис. 4 - Объём незамёрзшей воды в стволе водонапорной башни (ВБР-15У-10) перед смыканием горизонтального сечения в зависимости от разных погодных условий

\ у

\

v\

\л.

20 40 60 8 0 1С

%

Рис. 6 - Расхождение между значениями объёмов нароста льда (момент смыкания горизонтального сечения) в стволе водонапорной башни (ВБР-15У-10), полученными теоретически и экспериментально для разных погодных условий

Время работы водонапорной башни при внедрении предлагаемых мероприятий возрастает в 1,63—2 раза в зависимости от погодных условий (рис. 7).

Увеличение времени работы водонапорной башни (ВБР-15) в критических условиях до момента перемерзания в 1,63 и 1,99 раза показало при технико-экономическом анализе прибыль 350523,39 руб., снижение годовых эксплуатационных издержек на 62631,044 руб. и амортизационных отчислений на 53040,244 руб. с учётом срока окупаемости 0,998 года.

Вывод. Проведение расчётных процедур со значениями факторов в интервале реализации режима дискретного водопотребления показало достоверность и адекватность математической интерпретации льдообразования в стволе водонапорной башни на момент смыкания, определённый теоретически

20 40 60 80 100

%

Рис. 5 - Объём льда в стволе водонапорной башни (ВБР-15У-10) при смыкании горизонтального сечения (исключении вертикального тока воды) в зависимости от погодных условий

2

1 95 1.9

1.85 1.8 1.75 1.7 1.65 1.6

20 40 60 30 100

%

Рис. 7 - Отношение времени работы башни до смыкания льда в горизонтальном сечении при внедрении мероприятий к времени работы стандартной башни до смыкания ледяного нароста в разных погодных условиях.

и зафиксированный экспериментально, а техническое управление параметрами пристеночного слоя воды увеличивает время функционирования проектируемой башни в 1,63—1,99 раза для экстремальных условий её эксплуатации.

Литература

1. Асманкин Е.М., Фомин М.Б., Рязанов А.Б. Использование низкопотенциальной энергии для предотвращения льдообразования в металлических водонапорных башнях // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. № 6. С. 27-28.

2. Асманкин Е.М. Математическая модель, функционально-параметрического состояния водонапорной башни для условий эксплуатации при отрицательных температурах окружающего воздуха / Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 3 (59). С. 72-74.

3. Асманкин Е.М. Способ повышения устойчивости водонапорной ёмкости к обледенению / Е.М. Асманкин, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин, И.Н. Дементьева // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 2 (58). С. 48-49.

Повышение эффективности машин с колёсной формулой 4x2 при движении на скользких и грязных несущих поверхностях

А.А. Калугин, к.т.н., С.В. Золотых, к.т.н., ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ

Движение колёсных машин (автомобили, зерноуборочные комбайны, колёсные тракторы и

другая мобильная колёсная техника) по опорным поверхностям с высокой несущей способностью значительно отличается от движения последних по деформируемым грунтам. Прежде всего это отличие связано не только с большими затратами