СНЕГОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЙ АГРЕГАТ

Предложение относится к экономично-хозяйственному оснащению городского хозяйственного комплекса северных мегаполисов и предназначено для выполнения снегоуборочных работ в холодный период года.
Одной из важнейших задач городского хозяйства северного мегаполиса является уборка снега с городских магистралей в зимний период и последующая его ликвидация. Сильный снегопад и гололедные явления способны привести город к состоянию коллапса, когда «пробки» образуются на всех дорогах и даже специальный транспорт не в состоянии проехать к месту назначения.
Известно, что «отличие зимней уборки городских магистралей заключается в отсутствии мест для складирования снега. Современная мощная дорожная техника способна сдвинуть снег к лотковой части дороги и отбросить его на необходимое расстояние за обочину. Однако на городской магистрали сразу за лотковой частью идет тротуар для прохода пешеходов, а за ним - дома. Поэтому снег с городских магистралей необходимо вывозить, а это - процесс дорогостоящий.
Вторая особенность заключается в качестве городского снега. Формирование загрязненности снега, убираемого с дорог и тротуаров города, радикально отличается от формирования постоянного снежного покрова за городом. На первый план выступают загрязнения от противогололедных смесей и продуктов разрушения дорожных покрытий.
Поэтому, в процессе зимней уборки магистралей город сталкивается с необходимостью вывоза значительных объемов загрязненного снега. Мегаполисы РФ расположены севернее большинства городов мира аналогичного размера, в зоне континентального климата, поэтому, например, в Москве объемы вывозки снега зимой измеряются миллионами кубических метров и возникает проблема утилизации этой снежной массы. При решении этой проблемы необходимо учитывать целый ряд факторов, как экономических, экологических, так и социальных.
К экономическим факторам, в первую очередь, относится стоимость перевозки снега, практически определяющая способы его утилизации. Применительно к Москве уборка магистралей города и вывоз загрязненного снега в места его утилизации обходится в несколько миллиардов рублей за зимний сезон. Увеличение плеча перевозки снега на 10 километров по стоимости сравнимо с затратами на топливо, требующимися для плавления такого же количества снега на месте. Кроме того, перевозка снега автотранспортом приводит к дополнительной экологической нагрузке на воздушную среду города за счет загрязнения ее выхлопными газами. Поэтому целесообразно иметь сеть утилизирующих снег сооружений, относительно равномерно распределенных по территории города.
Экологические факторы, влияющие на решение проблемы утилизации вывозимого снега, заключаются в необходимости ликвидации воздействия имеющихся в снеге загрязнений на окружающую среду. Недопустимо создание на газонах сугробов из убранного с дорог снега, поскольку он загрязнен хлоридами, используемыми в качестве противогололедных реагентов, и пагубно действует на зеленые насаждения. Использование противогололедных реагентов на основе мочевины и нитратов, наносит существенный урон водным объектам города. С экологической точки зрения все элементы процесса зимней уборки магистралей города взаимосвязаны и должны рассматриваться как единая, оптимальным образом организованная система» /В.Г.Систер, В.Е.Корецкий. «Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период». Учебное пособие. Мос. Гос. Университет Инженерной Экологии. М., 2004, 159 с./.
2
3
Значительный объем снега, вывозимого с магистралей города, и высокий уровень его загрязненности ставят проблему утилизации снежной массы в один ряд с основными проблемами экологического оздоровления города. Для Москвы, при фактически убираемой площади, равной 76 млн.м, среднегодовой расчетный объем вывозимого снега составляет 36 млн.м в год, 80% обеспеченности по выпавшему снегу. В 2005 году столица потратила на его уборку 7 миллиардов 300 миллионов рублей. /http://www.mk.ru/blogs/idmk/2005/02/02/mk-daily/47328//.
В Москве программа поэтапного решения указанной проблемы базировалась на использовании индустриальных методов обработки вывозимого снега, к которым относятся:
- устройство постоянных мест складирования снега с очистными сооружениями - «сухих» снегосвалок;
- устройство снегосплавных камер на крупных коллекторах городской канализации и промывных водах ТЭЦ, обладающих значительным гидравлическим и термическим потенциалом, способным утилизировать значительное количество снежной массы;
- использование для таяния снега камер принудительного таяния (КПТ) - водяных котлов, работающих на дизтопливе или газе, при этом воду от КПТ сбрасывают в любую водоотводящую сеть, через песколовки.
Недостатками этих способов является необходимость перевозки снега по городу, на значительные расстояния, что в связи со сложной дорожной обстановкой в мегаполисах в зимнее время приводит к значительным затратам и загрязнению окружающей среды выхлопными газами автомобилей.
В настоящее время количество КПТ увеличилось в Москве с 9 до 154. С их помощью сбор и сплав снега увеличивается в 1,8 раза. Недостатком КПТ является сжигание горючего, что повышает стоимость утилизации снега, вызывает загрязнение атмосферы и уничтожает полезное химическое сырье.
Известен «Технический снегоуборочный комплекс», включающий снегоперерабатывающий агрегат, имеющий приемную горловину и реактор в виде водяного котла, полость с разнесенными по высоте перфорированными днищами, расположенными над основным, при этом между перфорированными днищами закреплены форсунки, соединенные с источниками горючего и окислителя, при этом в полости агрегата размещена система циркуляции талой воды, с забором у основного днища и подачей в верхнюю часть. /Плугин А.И., Стекольщиков М.В.и др., RU 40328, RU 2004114769/20, 19.05.2004/. Это техническое решение является наиболее близким.
Основным недостатком указанного комплекса является сжигание горючего, что повышает стоимость утилизации снега, вызывает загрязнение атмосферы и уничтожает полезное химическое сырье.
Технической задачей и положительным техническим результатом данного комплекса является:
- уменьшение затрат на очистку улиц городов от снега и льда;
- уменьшение загрязнения окружающей среды;
- отказ от использования дефицитного химического сырья.
Сущность предложения заключается в следующем:
Технологический процесс переработки льда и снега в агрегате предусматривает процесс адсорбции снежно-ледяной массы водой, за счет использования теплоты фазового перехода (внутренней энергии воды) среды «вода-лед».
Указанная задача и эффект достигаются за счет того, что снегоперерабатывающий агрегат, содержащий приемный бункер и реактор, в полости которого размещены перфорированные промежуточные днища, расположенные над основным днищем, при этом в полости реактора помещена система циркуляции воды, с забором воды у основного днища и подачей воды в верхнюю часть, а в основном днище имеется сливной патрубок с фильтрующей сеткой, при этом в агрегате, в качестве реактора используется камера-адсорбер с теплоизолирующими стенками, в одной из которых предусмотрены люки для обслуживания, размеры отверстий в промежуточных днищах уменьшаются по мере приближения к основному днищу, а на сливном патрубке установлен водомерный счетчик.
Снегоперерабатывающий агрегат предусматривает использование вспомогательной реверсивной системы циркуляции воды.
Снегоперерабатывающий агрегат оснащен в полости адсорбера датчиком уровня.
Снегоперерабатывающий агрегат имеет несколько перфорированных днищ, установленных с наклоном от 1° до 20° в сторону люков для обслуживания.
Снегоперерабатывающий агрегат предусматривает также установку адсорбера на подвижной платформе, например, автомобиле и оснащение его снегозагрузочным устройством.
Принципиальная схема реализации предложенного устройства представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена блок-схема.
Принципиальная схема реализации предложенного устройства, размещенного на автомобиле, представлена на фиг.3.
На фиг.1 представлен снегоперерабатывающий агрегат, содержащий адсорбер 1 с теплоизолированным конструктивом, включающий рабочую камеру-адсорбер 2 и накопительную камеру 3, люки для обслуживания 4, перфорированные днища 5, магистраль для подачи и организации циркуляции воды в агрегате 6, основные насосы 7, сопла 8, позволяющие орошать поверхность днищ 5 водой 9, выпускной патрубок 10, фильтрующие элементы 11, загрузочный бункер-дозатор 12, для снега 13, вспомогательные насос 14 и сопло 15, откачивающий насос 16.
На блок-схеме (фиг.2) изображен адсорбер 1, оснащенный датчиками и реле, в том числе: счетчик числа срабатываний бункера-дозатора 17, счетчики расхода воды 18 и 19, весовой датчик 20, датчик уровня воды 21, датчик температуры наружного воздуха 22, реле включения насосов 7, 14, 16; адсорбер подключен к автоматизированной системе управления (АСУП), состоящей из Микроконтроллерного блока (МБ) 25, Блока индикации и управления (БИУ) 24, Блок дискретных сигналов (БДС) 26, Блок сигналов датчиков (БСД) 27; адсорбер размещен вблизи канализационного люка, куда разрешен слив отработанной воды.
На фиг.3 представлен вариант мобильного снегоперерабатывающего агрегата, где адсорбер 1 размещен на базовом шасси автомобиля 28 и оснащен снегозагрузочным устройством, включающим блок вентиляторов 29, вихревой подборщик 30 и механическую щетку 31.
Работа снегоперерабатывающего агрегата осуществляется следующим образом. Снежно-ледяная масса 13 загружается в бункер-дозатор 12, откуда определенными дозами поступает в камеру-адсорбер 2, и попадает на перфорированные днища 5, с отверстиями различной величины, что способствует более равномерному распределению рабочего материала по объему адсорбера и увеличению реагирующей поверхности. Рабочий материал орошается водой 9, поступившей по магистрали 6, через сопла 8, циркуляция воды осуществляется посредством насосов 7. Талая вода 9 собирается в накопительной камере 3, откуда вновь поступает на орошение рабочего материала и весь цикл повторяется в течение заданного времени, в зависимости от температурных условий. Имеющийся в снегу мусор и гранитная крошка собираются на фильтрующих элементах 11, откуда сдвигаются в сторону люков 4, чему способствует подача воды через вспомогательные сопла 15 и вспомогательный насос 14. По окончании заданного времени насосы 7 отключаются и включается откачивающий насос 16, посредством которого вода по магистрали 10 направляется в люк канализации 10. Обслуживание агрегата осуществляется через люки 4, и заключается в периодической очистке перфорированных днищ 5 и фильтрующих элементов 11 от мусора и щебня, которые направляются на утилизацию. Оперативное управление процессом осуществляет АСУП, куда поступают информация от датчиков, характеризующих технологические параметры процесса через БСД 27 и реле включения насосов через БДС 26.
Информация поступает в МБ 25, где происходит обработка информации и выработка управляющих воздействий. Оператор вмешивается в процесс управления через БИУ 24. Датчик 17 позволяет контролировать загрузку рабочего материала, датчик 18 контролирует исходное количество воды в агрегате, датчик 19 позволяет определить результаты работы агрегата и определить наличие неисправностей, датчик 21 определяет скорость накопления воды, а значит состояние технологического процесса, датчик 20 позволяет контролировать «сухой вес» и тем самым накопление шлама в аппарате, датчик температуры воздуха 22, задает оптимальное время процесса. Кроме этого контролируется количество затраченной электроэнергии (условно не показано) и периодически температура исходной воды, которая меняется медленно и вводится через БИУ 24.
Идея генерации теплоты фазового перехода «вода-лед» сводится к поискам замены «процесса плавления льда в воде на «процесс адсорбции (растворения) льда в воде, и его последующей практической реализуемости.
пл
пл
пл
Известно, что плавление начинается при достижении кристаллическим веществом T. С начала плавления до его завершения температура вещества остается постоянной и равной T, несмотря на сообщение веществу теплоты. Нагреть кристалл до Т>T в обычных условиях не удается тогда, как для кристаллизации необходимо переохлаждение расплава.
При этом, в системе «вода-лед» при нормальном давлении устанавливается равновесие при температуре 273.15К (0°С). При этой температуре вода имеет фактически теплоемкость, равную теплоте кристаллизации льда.
реш
гидр
Учитываем, что Энтальпия растворения складывается из теплоты разрушения кристаллической решетки (ΔH>0) и теплоты гидратации, выделяющейся в результате взаимодействия молекул растворителя с молекулами или ионами растворяемого вещества с образованием соединений переменного состава (ΔH<0).
Согласно закону Гесса, «Тепловой эффект (энтальпия) процесса зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода его из одного состояния в другое».
Известно, что химическое равновесие может быть смещено изменением концентраций реагентов. Другими словами, равновесие можно сместить внешним воздействием, руководствуясь принципом Ле Шателье: если на равновесную систему оказывать внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону, противодействующую этому воздействию.
Учитываем, что взаимодействие «вода-лед» относится к классу гетерогенных реакций. Любые гетерогенные процессы связаны с переносом вещества, и в них можно выделить три стадии:
1) Подвод реагирующего вещества к поверхности.
2) Химическая реакция на поверхности.
3) Отвод продукта реакции от поверхности.
Первая и последняя стадия осуществляется за счет диффузии. Во многих случаях химическая реакция могла бы протекать очень быстро, если подвод реагирующего вещества к поверхности и отвод продуктов от нее тоже происходили бы достаточно быстро. Такие процессы называются диффузионно контролируемыми, т.к. скорость определяется скоростью переноса вещества (диффузией). Для ускорения таких реакций обычно используют перемешивание. Стадия, определяющая скорость протекания реакции, называется лимитирующей стадией. Для диффузионно контролируемых процессов такой стадией является перенос вещества (1-я или 3-я стадии), а кинетически контролируемые процессы лимитируются 2-й стадией. Скорость любого гетерогенного процесса возрастает при увеличении поверхности контакта фаз. В уравнении закона действия масс для гетерогенной реакции концентрация твердой фазы не учитывается.
Процесс плавления льда - явление сложное и до конца непознанное. Оно начинается не сразу и происходит не в "один прием". Упорядоченность в кристалле начинает разрушаться задолго до наступления "номинальной" температуры плавления, и то, как происходит это предплавление - в деталях до сих пор не выяснено. Экспериментальные исследования предплавления льда показали, что уже при температуре около 200К (-70°С) ориентационная упорядоченность льда начинает постепенно разрушаться. С ростом температуры разупорядоченность усиливается, так что можно сказать, что в этой области на поверхности льда находится расплавившийся квази-жидкий слой. Этот квази-жидкий слой выглядит даже более хаотичным, чем настоящая жидкость. При 240К количество связей ОН молекул льда и квази-жидкого слоя сравнивается, а при дальнейшем росте температуры превышает количество молекул льда. При 270К происходит скачкообразная перестройка молекул льда. /http://www. scientific. ru/journal/news/n240201.html.[X.Wei, P.Miranda, Y.Shen, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 1554]/.
Известно, что изменение объема воды с понижением температуры идет немонотонно. Сначала вода ведет себя, как и другие жидкости: понемногу уплотняясь, уменьшает свой объем, вплоть до 4°С. При этой температуре наступает кризис. Дальнейшее охлаждение уже не уменьшает, а постепенно увеличивает объем, что свидетельствует о структурной перестройке. Плавность резко прерывается при достижении 0°С, где кривая переходит в отвесную прямую, объем скачком возрастает почти на 10%. Вода превращается в лед.
Очевидно, при 4°С тепловые помехи в образовании ассоциатов начинают ослабевать настолько, что проявляется структурная перестройка воды в льдо-подобные каркасы («жидкий лед»). Молекулы взаимно упорядочиваются, местами складывается характерная для льда гексагональная структура.
Эти процессы в жидкой воде подготавливают полную структурную перестройку, и при переохлаждении воды ниже 0°С она наступает: вода становится льдом - кристаллическим твердым телом. Каждая молекула получает возможность соединиться водородными связями с четырьмя соседними, поэтому в фазе льда, вода образует ажурную конструкцию с «каналами» между фиксированными группами молекул воды. Таким образом ледообразование имеет по крайней мере две стадии: формирование «жидкого льда» и формирование кристаллического льда. Соответственно каждой стадии процесса соответствует свой энергетический потенциал. В работе /«Энергия фазового перехода «ВОДА - ЛЕД». Гексагональная фаза». Лазовский М.Р., Лазовская В.М. www.ntpo.com/, приведена оценка энергии фазового перехода воды из жидкого состояния в твердое, а именно в гексагональную фазу, равная 6,4 кал/г.
Доказано, что лед в обычных условиях перегреть нельзя, поэтому его поверхность при 0°С не находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Разрушение кристаллической решетки льда происходит в поверхностном слое с достижением температуры плавления 0°С. Размеры образца, начиная с определенной величины, существенно не влияют на процесс. Имеется линейная зависимость между начальным размером образца и временем таяния./Кузнецов Д.М. и др. «Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в водной среде». Рос.хим. ж., 2008, t.LII, №1/.
Общим критерием равновесия двухфазной системы является равенство химических потенциалов компонентов, которое зависит от активности каждого компонента (Второе начало Термодинамики). Если добиться перманентного разрушения и аблирования (уноса) пограничного слоя, то можно представить, что условия равновесия будут сдвигаться в пользу воды, что приведет к деструкции кристаллической решетки льда, а значит и увеличению энтропии двухфазной системы, то есть к новому более устойчивому состоянию системы. В качестве инструмента аблирования применено интенсивное орошение снежно-ледяной массы водой и организованный отвод отработанной воды в накопительную емкость, с последующим зацикливанием процесса. При этом желательно соблюдать квази-изотермический режим или режим с превышением поступающего тепла по сравнению с тепловыми потерями, иначе равновесие может сдвигаться в обратную сторону, что приведет к увеличению расхода воды или прекращению процесса.
1
2
1
2
1
0
2
1
2
1
2
Пусть масса воды (исключая водяной эквивалент агрегата) равна m, масса льда - m, удельная теплоемкость воды - C, льда - С, начальная температура воды - t=4°С, конечная - t=0°С, начальная температура льда - t=-30°С, доля удельной теплоты плавления льда, направленная на «предкристаллизацию» - Q=73.5 кал/г, доля удельной теплоты плавления льда, направленная на «кристаллизацию» - Q=6.5 кал/г, приход энергии от работы насосов - Н, потери тепла агрегатом - Н. Уравнение теплового баланса имеет вид:
или, так как удельная теплоемкость льда и воды составляют 0,5 и 1,0 кал/г, соответственно;
1
2
или, так как H и Н сопоставимы по величине, то получаем выражение для теплового баланса агрегата:
а с учетом, конкретных температурных условий,
или
Выражение (5) означает, что при данных условиях (температура воздуха не ниже -30°С), 1 т воды теоретически способна абсорбировать до 3,6 т льда, не нарушая условий теплового равновесия.
Замена плавления льда, его адсорбцией, означает, что при определенных условиях, разрушение снежно-ледяных масс можно производить обычной холодной водой массово присутствующей в природе, без привлечения сторонней энергии, затрачиваемой на плавление льда, а лишь неся затраты на организацию водооборота (что меньше в десятки раз), при этом удельный расход воды составляет порядка единицы.
Кроме этого, в результате процесса изо льда образуется вода - важнейший ресурс, которая может быть использована и как хладагент.
Собственными лабораторными экспериментами установлено, что при орошении льда холодной водой с организованным отводом воды (начальная температура воды 4°С, температура среды 0°С), и с последующим зацикливанием процесса, лед растворяется (адсорбируется). Неравновесные условия в системе «вода-лед» созданы за счет принудительной циркуляции воды с помощью насоса, с последующим самотечным удалением воды в емкость-накопитель. Значение удельного расхода воды составляло от 1,5 до 0,25, и значительно зависит от различных условий (величина удельной поверхности льда, скорость циркуляции и пр.). Выход по энергии составил около 10 ед.
Так как температура воды, при нормальных условиях, всегда больше или равна 0°С, то при правильно выбранном оформлении технологического процесса происходит деструкция кристаллической решетки льда, и он абсорбируется водой. К основным параметрам процесса относятся:
- соотношение масс воды и льда;
- скорость циркуляции воды;
- конструктивное обеспечение заданных условий.
Технической задачей и положительным результатом данного устройства является снижение затрат и существенное улучшение экологии городской среды путем отказа от котлов, работающих на дефицитном углеводородном топливе.