Теплова меліорація ґрунту скидною теплою водою за допомогою гідротехнічної системи з теплообмінниками - рукавами (в умовах Західного Полісся України)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

УДК 631.6:628.3

ТЕПЛОВА МЕЛІОРАЦІЯ ГРУНТУ СКИДНОЮ

ТЕПЛОЮ ВОДОЮ ЗА ДОПОМОГОЮ ГІДРОТЕХНІЧНОЇ

СИСТЕМИ З ТЕПЛООБМІННИКАМИ - РУКАВАМИ

(в умовах Західного Полісся України)

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Романюк Іван Васильович

Рівне - 2007

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Востріков Володимир Петрович,

Національний університет водного господарства та природокористування, докторант.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Рокочинський Анатолій Миколайович,

Національний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедрою гідромеліорацій;

кандидат технічних наук, с.н.с.,

Ковальчук Володимир Павлович,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

старший науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України, м. Київ, вул. Желябова, 8/4.

Захист відбудеться "3" липня 2007 р. о 11 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в НУВГП за адресою:

33028, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НУВГП за адресою:

м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий "23" травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Востріков В.П.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

меліорація тепловий вода скидний

Актуальність теми. Лімітуюча роль температурного фактора не дозволяє гарантовано отримувати ранні і високі урожаї сільськогосподарських культур, зокрема, овочевих та ягідних, у Західному Поліссі України. Одночасно все більш проблематичним стає одержання дешевої продукції із закритого ґрунту в зв'язку з подорожчанням теплової енергії та природних видів палива.

Це обумовлює пошук інших шляхів у меліоративній науці і практиці, які можуть стати вагомим доповненням до технологій закритого ґрунту, зокрема пошук методів, способів і технологій використання нетрадиційних джерел енергії та вторинних енергетичних ресурсів, у тому числі теплових відходів промислового виробництва та енергетики для теплової меліорації ґрунтів і отримання ранньої сільськогосподарської продукції.

Підгрунтовий обігрів скидними теплими водами промисловості, атомних і теплових електростанцій, що активно досліджувався у промислово розвинутих країнах світу (США, Франції, Німеччині, Японії, Росії), а також в Україні, як альтернатива традиційним способам охолодження циркуляційних вод, виявився недостатньо ефективним як технологія теплової меліорації і не набув широкого запровадження.

Одним із перспективних способів теплової меліорації локальних ділянок ґрунту може бути поверхневий обігрів за допомогою пропускання шару теплої води по поверхні ґрунту у спеціальних теплообмінниках - рукавах, який запропоновано у Франції, проте рівень його наукового обґрунтування та досвід використання в Україні є недостатніми, що і обумовило вибір теми дисертаційних досліджень.

Актуальність досліджень для Полісся України обумовлена наявністю тут Рівненської і Хмельницької атомних електростанцій - постачальників значних об'ємів теплих скидних вод, та змінами клімату і, як наслідок, можливими локальними похолоданнями через посилення його континентальності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень є розвитком наукових робіт та досліджень, започаткованих науковою школою НУВГП з теплових меліорацій у 80-х роках ХХ століття, що виконувались відповідно до загальнодержавної програми бувшого СРСР № 0.85.01, затвердженій у 1985 році ДКНТ СРСР та завдання 10.08.01.Н „Разработать и проверить технологию использования сбросных теплых вод ТЭС, АЭС в сельском хозяйстве''.

Дисертаційна робота відповідає положенням державних цільових програм і законів України щодо енергозбереження і використання промислових відходів та виконувалась відповідно до держбюджетних тем „Розробка енергозберігаючих технологій вирощування сільськогосподарських культур та відтворення родючості ґрунтів з використанням місцевих ресурсів (держ. реєстрація № 0104V003123) та „Розробка теоретичних основ утилізації низькопотенціального тепла скидних теплих вод промислових об'єктів в сільському господарстві” (держ. реєстрація № 0107V002032), в яких автор приймав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи полягає у теоретичному та експериментальному обґрунтуванні технологічної доцільності теплової меліорації ґрунту скидною теплою водою за допомогою гідротехнічної системи з теплообмінниками - рукавами (на прикладі природно-кліматичних умов Західного Полісся України).

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі завдання:

1. Аналіз сучасних методів, способів, технологій і технічних засобів теплових меліорацій, у тому числі з використанням скидних теплих вод.

2. Теоретичне обґрунтування термічної ефективності обігріву ґрунту теплообмінниками - рукавами методами математичного моделювання процесів теплообміну в ґрунті та їх реалізацією на ЕОМ.

3. Розробка і обґрунтування конструкції теплообмінника - рукава та визначення основних технологічних параметрів його роботи.

4. Експериментальне дослідження термічної ефективності обігріву теплообмінниками - рукавами та його вплив на гідротермічний режим ґрунту, приземний шар повітря, поживний режим ґрунту, врожайність сільськогосподарських культур на прикладі суниць.

5. Розробка і обґрунтування принципової конструктивної схеми гідротехнічної системи поверхневого обігріву ґрунту теплообмінниками - рукавами та оцінка техніко-економічної ефективності її створення.

Об'єкт дослідження - процес теплової меліорації ґрунту шаром теплої води, що рухається по його поверхні у герметичних оболонках - рукавах.

Предмет дослідження - технологічні і технічні параметри процесу теплової меліорації ґрунту гідротехнічною системою з теплообмінниками - рукавами та її агроекономічна ефективність на прикладі умов Західного Полісся України.

Методи дослідження. Формулювання пріоритетних наукових завдань базувалось на системному підході. У методологію досліджень покладена модель А.М. Рокочинського щодо доцільності меліоративних заходів та обґрунтування їх технологічно-технічного забезпечення у вигляді системи виду: “ефект - режим - технологія - конструкція”; у теоретичному обґрунтуванні використані математичні моделі ефективної теплопровідності Д.О. Куртенера і О.Ф. Чудновського; вивчення закономірностей роботи теплообмінників - рукавів та впливу обігріву на гідротермічний режим ґрунту і повітря, поживний режим ґрунту, ріст, розвиток і урожайність суниць проводилось у натурному експерименті з моделюванням температурного режиму скидної теплої води бойлером і застосуванням загальноприйнятих методів планування експерименту та обробки одержаних даних методами математичної статистики з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше в умовах поверхневого обігріву ґрунту водонаповненими рукавами експериментально встановлено закономірності формування теплового режиму ґрунту та визначені його сезонні і добові особливості;

- отримали подальшого розвитку емпіричні залежності між температурами ґрунту, приземного повітря і джерел тепла, зокрема, температурою води в рукавах та визначено їх взаємозв'язок у вигляді лінійних залежностей;

- вперше встановлені особливості перерозподілу та акумуляції вологи по профілю ґрунту під рукавом - теплообмінником та визначено характер і динаміку зміни вологозапасів у часі;

- уточнено формулювання крайової задачі стаціонарної теплопровідності в ґрунті для умов його обігріву рукавами і захисту плівковими укриттями (на підставі математичних моделей ефективної теплопровідності Д.О. Куртенера і О.Ф. Чудновського);

- визначені основні гідравлічні характеристики та параметри роботи теплообмінників - рукавів і встановлено характер залежності зміни температури води по довжині рукава у вигляді полінома другого ступеня;

- встановлено особливості впливу поверхневого обігріву рукавами на розвиток і урожай суниць з урахуванням змін у поживному режимі супіщаного дерново-підзолистого ґрунту в умовах Західного Полісся України.

Практичне значення одержаних результатів. Обґрунтована нова технологія теплової меліорації ґрунтів з використанням скидних теплих вод промислового виробництва, яка може бути рекомендована до подальшої детальної розробки і впровадження в аграрному секторі для фермерських господарств та створення енергобіологічних комплексів при промислових об'єктах та електростанціях. Розроблена і обґрунтована конструкція гідротехнічної системи подачі і розподілення води для ділянки 1 га, визначені її параметри. Для розрахунків систем обігріву рукавами можуть бути використані отримані емпіричні залежності та математичні моделі ефективної теплопровідності.

За результатами досліджень отримано патент України на корисну модель №4149 на рукав - теплообмінник.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь в аналізі літературних і фондових матеріалів, у постановці і проведенні польових, лабораторних, аналітичних досліджень, а також у проведенні математичної обробки результатів досліджень. Наукові результати, що виносяться на захист, висновки та рекомендації отримані автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Результати дисертаційної роботи були апробовані і схвалені на міжнародній науково-практичній конференції „Актуальні проблеми водного господарства та природокористування” присвяченій 80-річчю УДУВГП, м. Рівне 2002 рік; науково-практичній конференції „Водне господарство України: завдання в період реформування економіки і перспектива розвитку”, м. Київ 2003 рік; третій всеукраїнській науково-методичній конференції “Безпека життя і діяльності людини - освіта, наука, практика”, м. Рівне 2004 рік; міжнародній науково-практичній конференції “Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в Україні” присвяченій 75-річчю Інституту гідротехніки і меліорації УААН, м. Київ 2005 рік; міжнародній науково-практичній конференції “Актуальные проблемы технической эксплуатации и эффективного использования мелиоративных систем, водохозяйственных объектов и инженерного обустройства сельских территорий” присвяченій 165-річчю Білоруської сільськогосподарської академії, Білорусія, м. Горки, 2005 р; науково-практичній конференції „Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в сучасних умовах” м. Київ, 2005 рік, Держводгосп України.

У складі проекту № 01.00/50051 „Технологія утилізації низькопотенціального тепла скидних теплих вод промислових об'єктів у сільському господарстві” результати роботи подавались на Всеукраїнський конкурс інноваційних технологій 2006 року і демонструвались 6 - 8 грудня 2006 року на V Всеукраїнській виставці „Укртехнологія - 2006”. За результатами конкурсу проект визнано одним із переможців за пріоритетним напрямом „Модернізація електростанцій; нові та відновлювальні джерела енергії; новітні ресурсозберігаючі технології” (керівник проекту В.П. Востріков).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано чотири статті у фахових виданнях. Одержано деклараційний патент на корисну модель № 4149.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 250 сторінках друкованого тексту, який ілюструється 56 таблицями, 47 рисунками, 2 фото і складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 212 назв, у тому числі 30 іноземних, та додатків на 33 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Проблема розробки теплових меліорацій на базі використання скидних теплих вод” прослідковано розвиток досліджень з теплових меліорацій шляхом обігріву ґрунту теплими водами в Україні й за кордоном, обґрунтована необхідність використання скидних теплих вод промислових об'єктів для теплових меліорацій, проведено структурно-функціональний аналіз промислового підприємства на випадок створення при ньому додаткового теплоутилізуючого виробництва.

Вагомий внесок в розвиток наукових основ теплових меліорацій внесли вчені: В.В. Шабанов, Б.С. Маслов, Б.Б. Шумаков, А.М. Шульгін, Ю.М. Нікольський, Д.О. Куртенер, О.Ф. Чудновський, С.Т. Вознюк, Г.І. Афанасік, В.О. Клюєва, Є.С. Кожанов, В.П. Ковальчук та ін., а з питань використання скидних теплих вод промислового виробництва в меліорації земель: Є.Д. Корольков, М.І. Гаврилов, В.Б. Зайцев, А.А. Антонюк, І.М. Ібряєв, Л.М. Чермних, І.А. Іоффе, Є.А. Ярмолінський, П.К. Кузьмич, С.В.Ковальов, М.О. Клименко, В.П. Востріков, С.І. Веремеєнко та ін.

Питаннями розробки технологій утилізації скидного тепла промислових та енергетичних об'єктів, створення на їх основі енергобіологічних комплексів активно займались і займаються вчені і фахівці провідних країн світу, в багатьох з яких ці наукові питання розглядались і розглядаються на рівні урядових програм: США (J. Alpert , H. Lucow, D. Cook, J. Norman, L. Boersma), Франції (A. Seas, A.Grauby, А. Muller-Feuga), Німеччини (L. Reinken, J. Norbert), Росії (В.Г. Фарберов, О.І. Усков, М.В. Турбін, Ю.В. Ремізов), Білорусії (Г.І.Афанасік, М.М. Лінкевич ).

Аналіз літературних джерел засвідчив, що найбільш досліджені, в даний час, є системи трубопровідного внутрішньогрунтового обігріву, які можуть використовуватись одночасно як тепломеліоративні системи та як підгрунтові градирні для охолодження води. Проте вони виявились недостатньо ефективними для ранньовесняних періодів як засоби теплової меліорації. Їх ефективність щодо приземного шару повітря складає не більше 0,5…1,50С. Нагальним, виходячи з урядових програм енерго - та ресурсозбереження, є вдосконалення існуючих та розробка нових, більш ефективних технологій теплових меліорацій з використанням скидних теплих вод промислових об'єктів, зокрема технологій поверхневого обігріву.

На основі системного підходу до промислового підприємства показано, що використання його теплових відходів для будь-яких корисних цілей трансформує підприємство в іншу цінність, більш складну систему з новими параметрами: ціллю, входами-виходами, змістом, структурою, характером внутрішніх і зовнішніх зв'язків, тобто перетворює його із соціотехнічної у соціобіотехнічну систему - промислово-біологічний комплекс (ПБК).

В роботі на основі аналізу літературних джерел сформульовані зміст проблеми використання скидних теплих вод, шість основних пріоритетних напрямів її вирішення та пріоритетні напрямки біоресурсного наповнення утилізуючого виробництва. Одним із головних напрямків біоресурсного наповнення за потенційними можливостями визначені теплові меліорації.

У другому розділі „Мета, задачі, умови, об'єкт та методика проведення досліджень” на основі праць С.Т. Вознюка, А.Т. Кардашова, Г.І. Афанасика, В.В. Шабанова, В.О. Клюєвої, В.П. Вострікова, М.О. Клименка, С.І. Веремеєнка та інших, встановлено, що в умовах Західного Полісся України температурний режим ґрунту не завжди є оптимальним для отримання ранніх урожаїв сільськогосподарських культур, зокрема овочевих та ягідних, і потребує суттєвого поліпшення, особливо навесні. Разом з тим показано, що скидні теплі води промислових об'єктів за своїм температурним потенціалом та об'ємами є важливим тепловим ресурсом для теплової меліорації ґрунту.

Робочою гіпотезою дослідження стала гіпотеза про те, що максимальні теплові ефекти при використанні скидної теплої води можуть бути отримані при спрямуванні її безпосередньо в зону проживання рослин із застосуванням гідротехнічних засобів розподілення води.

Технологічно вказане завдання може бути вирішене методом подачі та розподілення теплої води тонким шаром по поверхні ґрунту, а технічно реалізовано застосуванням теплообмінників - рукавів із тонкостінних, міцних, гнучких матеріалів та створенням на їх основі спеціальних гідротехнічних систем. Для вирішення даного завдання виконувались теоретичні розрахунки і проводились натурні дослідження впродовж 2002-2004 років на дернових слабоопідзолених ґрунтах на землях СГПП „Холоневичівське” Ківерцівського р-ну, Волинської області.

Порівняльні дослідження проводились за трьома варіантами: поверхневий обігрів теплообмінниками - рукавами, мульчування поверхні ґрунту чорною плівкою і контроль - відкритий грунт без мульчування та штучного обігріву. Для вивчення теплового режиму в умовах захищеного ґрунту, частина ділянки що обігрівалась, закривалась додатково плівковими укриттями тунельного типу.

Система обігріву ґрунту була виконана із рукавів шириною 0,6 м, довжиною 10 м, з отворами для висадки рослин діаметрами 0,2 м, розташованих у шаховому порядку на відстані 0,3 м один від одного (рис. 2). Параметри рукава підібрані із агротехніки вирощування суниць. Рукави виготовлені із стабілізованої поліетиленової плівки.

Підігрів води, що постійно циркулювала в рукавах, здійснювався електричним бойлером, подача води регулювалась засувкою, розподіл та збір води здійснювався ємностями за допомогою насосної установки. При цьому, з метою наближення досліджень до виробничих умов, в системі обігріву підтримували режим циркуляційних вод Рівненської АЕС. Температура води в системі змінювалась від 200С до 350С.

У відповідності із задачами досліджень на дослідній ділянці проводились регулярні вимірювання температур води, ґрунту, приземного шару повітря. Велись спостереження за опадами, водним режимом ґрунту, напорами, швидкостями та витратами води в рукавах, деякими агрохімічними показниками ґрунту, розвитком та урожаєм суниці. При цьому використовувалось стандартне обладнання і загальноприйняті методики постановки експериментів та обробки даних. Отримані в результаті досліджень дані опрацьовувались методами дисперсійного, регресійного і кореляційного аналізів.

У третьому розділі „Теоретичне обґрунтування ефективності обігріву ґрунту рукавами” визначені розрахункові схеми теплообміну, уточнені математичні моделі теплообміну для відкритого грунту і грунту, додатково захищеного плівковими укриттями, проведені числові розрахунки визначення температурного поля в ґрунті і повітрі.

В основу теоретичних розрахунків були покладені моделі ефективної теплопровідності Д.О. Куртенера і О.Ф. Чудновського:

, (1)

(2)

де ле - коефіцієнт ефективної теплопровідності ґрунту; се - питома ефективна теплоємність; х, t - просторова і часова координати; fq - функція, яка характеризує розподілення джерел тепла, у нашому випадку рукави на поверхні ґрунту; Т - температура поверхні ґрунту.

Математичні моделі, що були отримані Д.О. Куртенером і О.Ф.Чудновським для випадку обігріву грунту плоскими стрічками, використані нами для випадку обігріву грунту водонаповненими рукавами. Розрахункові схеми і математичні моделі задачі розрахунку стаціонарного теплового режиму при поверхневому обігріві відкритого ґрунту теплообмінниками - рукавами набувають наступного вигляду (рис. 3):

Розрахунок стаціонарного температурного поля для відкритого грунту при визначених крайових умовах (рис. 3 а) може здійснюватись за формулою:

, (3)

де , .

Для ґрунту, захищеного укриттями, використано рівняння теплового балансу повітряного простору укриття тунельного типу Д.О. Куртенера і О.Ф.Чудновського:

dQоб + dQp - dQп - dQт - dQв - dQa = 0, (4)

де dQоб - тепловиділення системи обігріву за час dt; dQp - потік тепла сонячної радіації, який надходить в укриття тунельного типу за час dt; dQп - потік тепла в грунт за час dt; dQв + dQт - кількість тепла, яке віддається навколишньому середовищу в результаті повітрообміну і теплопередачі через захищення за час dt; dQа - потік тепла, який акумулюється в повітрі за час dt.

Розв'язок системи рівнянь стаціонарної теплопровідності виду:

(5)

може бути знайдено при виконанні крайових умов:

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

В системі рівнянь (5) - оператор дивергенції; - оператор градієнта, - одиничні вектори ортонормованого базису, що напрямлені вздовж прямокутної системи координат.

- коефіцієнти температуропровідності атмосферного повітря, повітря укриття, ґрунту відповідно.

Крайові умови (6) характеризують температуру , що підтримується постійною на поверхні теплообмінників - рукавів. Крайові умови (7), (8) характеризують потік тепла, що виникає внаслідок різниці температур між ґрунтом з температурою та атмосферним повітрям з температурою , між захисною плівкою укриття тунельного типу з температурою повітря та атмосферним повітрям з температурою відповідно. В умовах (7), (8) коефіцієнти - коефіцієнти тепловіддачі (теплообміну) між поверхнями ґрунту та атмосферним повітрям і захисною плівкою та атмосферним повітрям, - коефіцієнти теплопровідності повітря та ґрунту відповідно. Умови (9) характеризують значення температури ґрунту на глибині H. На поверхні розподілу ґрунту та повітря в укритті повинні виконуватись умови спряження (10).

Реалізація числового розв'язку різницевих схем сформульованих задач, що ґрунтується на сучасних методах, здійснювалась за допомогою інтегрованого пакету комп'ютерної математики Mat Lab 6.5.

Результати розрахунків значень температур в ґрунті та повітрі робочого простору укриттів тунельного типу при температурі води в рукаві 300С і зовнішніх температурах повітря: 50С, 00С, -50С, -100С наведені на рис. 4.

Теоретичними розрахунками встановлені достатньо високі тепломеліоративні ефекти в ґрунті і повітрі за умов обігріву водонаповненими рукавами. Для випадків, що моделюють температуру повітря від -100С до +50С і температур води в рукавах від 200С до 400С, в повітрі під укриттям створюється зона гарантованого нагріву з температурами 15...200С до висоти 20…25 см, а в ґрунті - 20...250С до глибини 40 см.

Навіть при температурах зовнішнього повітря до -100С над рукавами під укриттями зберігаються позитивні температури в повітрі. Теоретичні розрахунки засвідчили також доцільність додаткового захисту ґрунту, що обігрівається, укриттями.

У четвертому розділі „Формування гідротермічного режиму обігріваємого ґрунту в натурному експерименті” на основі експериментальних досліджень розглянуто вплив поверхневого обігріву на формування температурного та водного режимів ґрунту, зміну їх в добовому і місячному циклах, описано зв'язок між температурою ґрунту, повітря і води в теплообміннику, проведено порівняння теоретичних і експериментальних даних по температурах ґрунту.

Спостереженнями встановлено, що проведення обігріву ґрунту шляхом постійного пропускання теплої води з температурою 25...350С через мережу теплообмінників - рукавів, розміщених на його поверхні, здійснює суттєвий вплив на формування температурного режиму (рис 5).

Найбільший вплив обігріву спостерігається безпосередньо під теплообмінником у верхньому орному шарі ґрунту, тобто в зоні розташування кореневої системи рослин. Добовими спостереженнями встановлено, що підвищення температури орного шару ґрунту відбувається на 8...100С та приземного шару повітря - на 2...30С, а в умовах додаткового захисту плівковими укриттями тунельного типу відповідно на 12...140С та 6...80С.

Встановлено, що обігрів дозволяє підтримувати температуру кореневмісного шару у наближених до оптимального рівня значеннях і збільшити період активної вегетації сільськогосподарських культур на 30-35днів, а за умов додаткового захисту укриттями - на 50-60 днів. Завдяки обігріву відбувається збільшення суми активних температур ґрунту в кореневмісному шарі на 1500...20000С.

Між температурою ґрунту на глибині 0,05; 0,1 і 0,2 м, температурами атмосферного повітря і температурами води в теплообміннику встановлено тісний зв'язок у вигляді лінійних залежностей (таблиця 1).

Таблиця 1. Залежності температур грунту з обігрівом і відкритого ґрунту без обігріву (tгр) на різних глибинах від температури повітря (tпов) і води (tв) в рукавах

Грунт з обігрівом	Грунт без обігріву
Глибина, м	Залежності	R	Залежності	R
0,05	tгр = tпов + 0,14tв - 0,48	0,95	tгр = 1,05tпов + 1,03	0,96
0,1	tгр = tпов + 0,15tв- 1,76	0,95	tгр = 0,95tпов + 1,06	0,95
0,2	tгр = tпов + 0,12tв - 2,4	0,95	tгр = 0,85tпов + 0,56	0,91

Отриманими залежностями можна користуватись в практичних розрахунках для попереднього прогнозування температурного режиму ґрунту в умовах поверхневого обігріву та визначення дат переходу температур ґрунту через певні рубіжні значення (00С, 50С, 100С, 150С).

Порівняльним аналізом даних теоретичних розрахунків з експериментальними встановлено, що середнє по профілю ґрунту відхилення у визначених температурах складає: для відкритого ґрунту з обігрівом 15%, а для захищеного укриттями - 7,5%, причому теоретичні залежності дають дещо завищені значення, що пов'язано, вочевидь, з розглядом теоретичного процесу теплопередачі для стаціонарних умов.

Зміни у тепловому режимі ґрунту, що обігрівається рукавами, обумовлюють зміни у формуванні водного режиму, які проявляються, в основному, в процесах перерозподілу і накопичення вологи по ґрунтовому профілю. Визначено, що водний режим кореневмісного шару ґрунту, що обігрівається, як і у природних умовах, формується переважно під впливом метеорологічних умов, в основному опадів, а вологозапаси в активному шарі ґрунту за роки спостережень не виходили за межі оптимальних значень.

Встановлена особливість у формуванні вологозапасів по профілю ґрунту, яка полягає у тому, що безпосередньо під рукавом, до глибини 0,05 м, відбувається незначне підсушування ґрунту, проте у глибших шарах, навпаки, формується, в наслідок термовологопереносу, зона із значно більшими вологозапасами, ніж на контролі. Обігрів рукавами сприяє акумуляції, утриманню та накопиченню вологи майже у всьому метровому шарі, але найбільше в зоні 20...40 см (рис. 6).

На підставі проведеного розрахунку водного балансу визначені значення сумарного випаровування, водоспоживання і коефіцієнтів сумарного водоспоживання на ділянці з обігрівом та без обігріву. Встановлено, що в умовах обігріву рукавами зменшуються непродуктивні втрати вологи з поверхні ґрунту і збільшуються витрати води на транспірацію. Витрачання вологи на одиницю товарної продукції (коефіцієнт водоспоживання) становили на контролі 113,3 м3/т у 2003 році та 110 м3/т у 2004 році, а на обігріві відповідно - 78,9 м3/т та 87,6 м3/т.

В п'ятому розділі „Обґрунтування конструкції гідротехнічної системи з теплообмінниками - рукавами” дані рекомендації щодо вибору системи подачі і відводу води, наведені результати досліджень конструктивних елементів і режимів роботи системи обігріву, подана конструктивна схема системи поверхневого обігріву на площі 1 га, зроблений аналіз можливих конструкцій теплообмінників.

Системи поверхневого обігріву доцільно розміщувати безпосередньо біля джерел теплої води на рівних ділянках чи на ділянках з невеликим ухилом.

Конструктивно та технологічно спосіб поверхневого обігріву може бути реалізовано створенням спеціальної гідротехнічної системи поверхневого обігріву (теплогідромеліоративної системи - ТГМС), основним елементом якої є теплообмінники - рукави, що розміщують на визначеній відстані один від одного на поверхні ґрунту і об'єднують в блок-модулі. Подачу, розподіл і збір води в таких системах може бути здійснено гнучкими рукавами - трубопроводами, подібними до технології поверхневого поливу. Грунт з рукавами додатково може бути захищений спеціальними плівковими укриттями тунельного типу.

Експериментальними дослідженнями за роботою рукавів в натурних умовах встановлено, що охолодження води на 3,5...4,50С відбувається при довжині теплообмінника 10 м та середній швидкості руху води 0,15...0,2 м/с, що створюються початковим напором у горизонтальному рукаві 0,2...0,3 м. Зміна температури води (Тв ) уздовж рукава (L) може бути описана у вигляді полінома другого ступеня:

Тв = 0,02 L2 - 0,57 L + 26,94. (11)

Розроблена конструктивна схема гідротехнічної системи поверхневого обігріву для ділянки ґрунту 1 га. Гідравлічними розрахунками, виходячи із умов питомої витрати одного рукава 0,5...0,7 л/с, встановлені розрахункові витрати і напори в мережі подачі і розподілу води, в голові магістрального трубопроводу, на насосній станції, підібрані розміри трубопроводів. Визначено, що для ТГМС на площі 1 га потрібні трубопроводи - рукави діаметром до 400 мм, напір на НС 1,3 м, напір в голові магістрального трубопроводу 1,22 м, в кінці - 0,71 м, а вільний напір в розподільчому трубопроводі 0,5 м.

Проаналізоване можливе обладнання насосної станції, визначено можливість застосування пересувної НС типу СНП 500/10 В, СНП 240/30, що цілком спроможні забезпечити роботу 1 га системи обігріву (Q=200...250 л/с). Для невеликих ділянок (0,1 га) можливим є застосування переносних мотопомп.

Розроблені основні аспекти (рекомендації) влаштування системи поверхневого обігріву шляхом монтажу її з легких, гнучких рукавів - трубопроводів та рукавів - теплообмінників, що з'єднуються швидкороз'ємними муфтами із застосуванням пластмасової водорегулюючої арматури.

У шостому розділі „Агроекономічна ефективність обігріву ґрунту рукавами” показано вплив обігріву на біологічну активність ґрунту і його деякі агрохімічні властивості, ріст, розвиток, якість та урожай суниці. Приводиться розрахунок загальної економічної ефективності влаштування систем поверхневого обігріву ґрунту при промислових об'єктах.

Поверхневий обігрів ґрунту, змінюючи гідротермічний режим, опосередковано здійснює вплив на цілий комплекс інших ґрунтових процесів: поживний, мікробіологічний, газовий тощо. Встановлено підвищення виділення СО2 з поверхні ґрунту на 12...73% при його обігріві. Збільшується активність мікроорганізмів. Так, ріст целюлозолітичної активності, який визначався ступенем розкладання батисту, склав 15...25%. Проведення обігріву сприяє також деякому підвищенню вмісту легкогідролізуємого азоту. Найбільший вміст спостерігався в орному шарі (0...20 см) і склав 1,7...6,3 мг/100 г ґрунту або 14,6...47,3% у порівнянні з контролем. Постійне перебування на поверхні ґрунту рукавів - теплообмінників з водою не приводить також до значного ущільнення верхніх шарів ґрунту. Навпаки, їх наявність запобігає ущільненню ґрунту дощовими краплями.

Обігрів активізує ріст, розвиток і підвищує врожайність суниць. Висота рослин суниці на варіанті з обігрівом була більшою на 2,4...7,3 см або на 10,5...26% у порівнянні з контролем. Обігрів позитивно впливав і на формування кореневої системи суниць. Її маса збільшилась на 43,1...51,0%. Крім того, при обігріві збільшилась кількість листків, зав'язі і стиглих ягід.

Покращення температурних умов ґрунту сприяє значному підвищенню урожайності суниці при ранішому її надходженні на 22 дні в умовах відкритого грунту з обігрівом та на 38 днів при додатковому захищенні укриттями. Збільшення урожайності суниці в середньому за роки проведення досліджень склало 51%. Обігрів позитивно впливав і на якість ягід суниці, яка визначалась експертним оцінюванням. На ділянці поверхневого обігріву ґрунту і смакові властивості, і зовнішній вигляд суниці, у порівнянні з контролем, були кращі

Таблиця 2. Збір врожаю суниці на дослідній ділянці

Рік	Контроль	Мульчування чорною плівкою	Обігрів теплообмінниками - рукавами
	урожай	урожай	відхилення від контролю	урожай	відхилення від контролю
	ц/га	ц/га	НСР0,95%	%	ц/га	НСР0,95%	%
2003	56,8	61,4	±0,2	7,5	118,4	±1,9	52,0
2004	60,1	65,2	±0,13	7,8	122,5	±2,0	50,9

Про доцільність влаштування даної технології засвідчують і економічні розрахунки, що були проведені за методикою оцінки інноваційних проектів на основі дисконтової норми для умовної системи поверхневого обігріву ґрунту теплообмінниками - рукавами площею 1 га.

Створення системи поверхневого обігріву теплообмінниками - рукавами при вирощуванні суниці дозволяє за рахунок збільшення врожайності та більш раннього надходження продукції отримати річний економічний ефект в сумі 100 тис. грн. При цьому чистий дисконтовий дохід становить 80 тис. грн, а період окупності капітальних вкладень 2 роки.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі наведене нове вирішення важливої науково-прикладної задачі, що полягає в розробці нових та удосконаленні існуючих методів, способів і технологій теплових меліорацій на принципах використання теплоти скидних теплих вод промислового виробництва.

Поставлене завдання вирішено науковим обґрунтуванням технологічної доцільності процесу теплової меліорації ґрунту (для умов Західного Полісся України) поверхневим обігрівом водонаповненими теплообмінниками - рукавами та створенням на їх основі спеціальних гідротехнічних тепломеліоративних систем, чим забезпечуються максимально можливі теплові ефекти в ґрунті і приземному шарі повітря та сприятливі температурні умови для вирощування рослин.

2. Аналізом проблеми використання скидних теплих вод на принципах системного підходу показано, що за умов комплексного використання цих вод у промислово-біологічних комплексах (ПБК), пріоритетним є вирішення підпроблеми біоресурсного наповнення утилізуючого виробництва, а теплові меліорації сільськогосподарських угідь при цьому потрібно вважати одною із важливих його складових.

3. Математичним моделюванням процесів теплообміну в ґрунті для стаціонарних умов з використанням теорії ефективної теплопровідності (залежності 3-10) та числовими розрахунками на ЕОМ отримано розподіл температур в ґрунті та приземному шарі повітря для випадків відкритого ґрунту з джерелом тепла (рукавом) на поверхні ґрунту та додатковим захистом напівсферичним укриттям. Встановлені значення тепломеліоративних ефектів, які можуть досягати в середньому 12...150С в ґрунті під рукавом у кореневмісному шарі і 7...110С в повітрі над рукавом під укриттям при температурах зовнішнього повітря від +50С до -100С і температурах води в рукавах від 20 до 350С, що засвідчило високу ефективність технології поверхневого обігріву.

4. Експериментальними спостереженнями за температурою ґрунту і повітря в натурних умовах встановлено, що обігрів ґрунту рукавами, в яких циркулює тепла вода з температурою 25...350С, підвищує температуру орного шару на 8...120С, приземного шару повітря без додаткових укриттів на 2...30С удень і 3,5...4,50С уночі, а в умовах додаткового захисту плівковими укриттями на 12...160С в ґрунті та 7...110С у повітрі, що підтвердило теоретичні розрахунки.

Обігрів рукавами дозволяє період активного використання ґрунту розпочати раніше навесні на 30-35 днів для відкритого ґрунту і на 50-60 днів для захищеного укриттями ґрунту, сприяє збільшенню сум позитивних температур в орному шарі ґрунту за весняний період на 1500...20000С, що рівноцінно перенесенню ділянки ґрунту, що обігрівається, за тепловими ресурсами на 800...900 км на південь України. Між температурами ґрунту, повітря і води в рукавах встановлено тісні лінійні залежності.

5. Встановлено наявність процесів перерозподілу вологи з верхніх шарів ґрунту у глибші з подальшим використанням її у посушливі періоди. Розрахунками водного балансу активного шару ґрунту визначено зменшення витрат вологи на одиницю врожаю при поверхневому обігріві на 20...25% у порівнянні з контролем.

6. Встановлено, що прокачування води через рукав зі швидкістю 0,15...0,20м/с забезпечується початковим напором 0,2...0,3 м, а охолодження води при цьому в ньому на довжині 10 м відбувається на 3,5...4,50С. Зміну температури води в рукаві по його довжині можна записати поліномом другого ступеня.

7. Обґрунтовано можливість реалізації технології обігріву ґрунту рукавами створенням спеціальної гідротехнічної системи обігріву ґрунту, основним елементом якої є теплообмінники - рукави, що об'єднані у окремі модулі. Запропонована і розрахунками обґрунтована конструктивна схема гідротехнічної системи обігріву ґрунту для ділянки один гектар. Гідравлічними розрахунками встановлено, що потреба в теплій воді системи на площі 1 га складає 200...250 л/с і може бути забезпечена пересувними насосними станціями при напорі 1,3...1,4 м на насосній станції. Розподіл і збір використаної води може бути забезпечено комплектом тонкостінних трубопроводів - рукавів діаметрами від 100 до 400 мм, а регулювання розподілу води пластмасовою арматурою, що використовуються в системах поверхневого поливу.

8. Досліджено вплив обігріву рукавами на ґрунтові процеси, ріст, розвиток і урожайність суниць. Встановлено значну інтенсифікацію ґрунтових процесів, що виявляється у збільшенні целюлозолітичної активності в ґрунті і підвищенні вмісту легкогідролізуємого азоту. В умовах обігріву ґрунту дозрівання ягід відбувається на дві декади раніше, а при додатковому захисті плівковими укриттями - на чотири декади раніше, загальний урожай при цьому збільшується за рахунок обігріву на 51% у порівнянні з контролем.

9. Впровадження технології поверхневого обігріву ґрунту на площі 1 га як інноваційного проекту за методикою оцінки чистого дисконтованого доходу дає додатковий чистий прибуток від рослинництва 80 тис. грн., а чистий дисконтовий дохід становить 79,0 тис. грн. при вирощуванні суниць. Період окупності капітальних вкладень не перевищує 2 роки.

10. Отримані наукові і практичні результати рекомендується використовувати для створення дослідно-виробничих ділянок для практичного відпрацювання режимів роботи гідротехнічних систем поверхневого обігріву та визначення їх оптимальних конструктивних параметрів у різних умовах господарювання і різних природно-кліматичних зонах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Востріков В.П., Романюк І.В. Аналіз проблеми використання скидної теплої води з позицій системного підходу. Збірник наукових праць РДТУ. Випуск 4 (11). -Рівне. -2001. -С. 71-78. (Автором виконано формулювання мети та завдань досліджень).

2. Романюк І.В., Востріков В.П. Способи та технічні засоби обігріву ґрунту скидними теплими водами промислового виробництва. Збірник наукових праць РДТУ. Випуск 5 (18). -Рівне. -2002. -С. 124-132. (Автору належить узагальнення та аналіз ефективності способів та технічних засобів обігріву ґрунту).

3. Романюк І.В., Востріков В.П. Методологічні аспекти та результати проведення експериментальних досліджень обігріву ґрунту скидною теплою водою. Збірник наукових праць РДТУ. Випуск 4 (23). -Рівне. -2003. -С. 76-82. (Автором розроблена методика планування польових досліджень та проведена математична обробка отриманих результатів).

4. Романюк І.В., Востріков В.П. Соціальні аспекти та безпека життєдіяльності при створенні теплогідромеліоративних систем. Збірник наукових праць УДВГП. ”БЖДЛ-2004”.- Рівне, 2004. -С. 226-229. (Автором розроблена структурна модель утилізуючого виробництва та отримані результати структурно-морфологічного аналізу підприємства).

5. Пристрій для обігріву захищеного ґрунту низькопотенційним теплом. Декл. пат. на корисну модель № 4149 Україна, А 01 G 9/24/ В.П.Востріков, І.В.Романюк. - № 2004021016; Заявлено 12.02.2004; Опубл. 17.01.2005. Бюл. -№1. - 3 с. (Автором проведено порівняння з аналогом та прототипом, сформульовано принцип дії пристрою та формулу винаходу).

 АНОТАЦІЯ

Романюк І.В. Теплова меліорація ґрунту скидною теплою водою за допомогою гідротехнічної системи з теплообмінниками - рукавами (в умовах Західного Полісся України). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки). - Національний університет водного господарства та природокористування. - Рівне, 2007.

У дисертаційній роботі обґрунтовано нове вирішення актуальної науково-прикладної задачі розробки ефективних технологій теплових меліорацій для одержання ранньої сільськогосподарської продукції на принципах використання теплоти скидних теплих вод промислового виробництва. На основі проведених експериментальних та теоретичних досліджень доведена технічна доцільність, обґрунтована агроекономічна ефективність нової технології теплової меліорації грунту теплообмінниками - рукавами з постійно циркулюючою в них скидною теплою водою та встановлені основні параметри цієї технології.

Ключові слова: теплова меліорація, тепломеліоративний ефект, скидна тепла вода, гідротермічний режим, теплообмінник - рукав, тепломеліоративна гідротехнічна система.

АННОТАЦИЯ

Романюк И.В. Тепловая мелиорация почв сбросной теплой водой с помощью гидротехнической системы из теплообменников - рукавов (в условиях Западного Полесья Украины). - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 - сельскохозяйственные мелиорации (технические науки). - Национальный университет водного хозяйства и природопользования. - Ровно, 2007.

В диссертационной работе обосновано новое решение актуальной научно-прикладной задачи разработки эффективных технологий тепловых мелиораций для получения ранней сельскохозяйственной продукции на принципах использования теплоты сбросных теплых вод промышленного производства. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований доказана техническая целесообразность, обоснована агроэкономическая эффективность новой технологии тепловой мелиорации почвы теплообменниками - рукавами с постоянно циркулирующей в них сбросной теплой водою и определены основные параметры этой технологии.

В результате анализа литературных источников обоснована необходимость использования теплой сбросной воды промышленных объектов для тепловой мелиорации почвы.

На принципах системного подхода проведен структурно-функциональный анализ промышленного предприятия на случай создания при нем дополнительного теплоутилизирующего производства.

На основании изученных литературных источников установлено, что в условиях Западного Полесья Украины температурный режим не всегда является оптимальным для получения ранних и высоких урожаев сельскохозяйственных культур и требует улучшения, особенно в ранневесенние периоды. Вместе с тем, теплые сбросные воды промышленных объектов по своему температурному потенциалу и объемам позволяют использовать их для тепловой мелиорации открытого и защищенного грунта.

Для стационарных условий теплообмена предложены расчетные схемы, уточнена математическая модель теплообмена в почве, обогреваемой теплообменниками - рукавами и защищенной дополнительными пленочными укрытиями, проведены численные расчеты определения температурных полей с помощью ЭВМ, проведена оценка их адекватности экспериментальным данным.

Получены экспериментальные данные по формированию теплового и водного режимов почвы в условиях поверхностного обогрева и установлены их сезонные и суточные особенности. Получены математические зависимости между температурами почвы, атмосферного воздуха и воды в рукаве. С их помощью можно прогнозировать температурный режим почвы в условиях поверхностного обогрева и определить даты перехода температур через граничные значения (00С, 50С, 100С, 150С).

В итоге проведенных исследований за динамикой водного режима установлено, что в условиях обогрева не происходит уменьшение продуктивных запасов влаги, за исключением в самом верхнем 0…5 см слое, а наоборот имеет место накопление и более рациональное использование запасов влаги.

Определены основные гидравлические параметры работы теплообменников - рукавов и установлены закономерности изменения температурного режима воды по длине рукава в виде уравнения второй степени.

Разработана принципиальная конструктивная схема гидравлической системы подачи и распределения воды для участка 1 га, определены ее конструктивные параметры.

Оценено влияние обогрева почвы на его основные агрохимические свойства, рост, развитие и урожайность земляники. Проведена оценка экономической эффективности создания систем для поверхностного обогрева почвы при промышленных объектах.

Ключевые слова: тепловая мелиорация, тепломелиоративный эффект, сбросная теплая вода, гидротермический режим, теплообменник-рукав, тепломелиоративная гидротехническая система.

SUMMARY

Romanyk I.V. The soil thermal meliorations with waste warm waters with the help of hydrotechnical system with sleeves warm-exchangers (under the conditions of Ukraine Western Polyssya).

The thesis for gaining the degree of candidate of technical sciences in 06.01.02 speciality - agricultural ameliorations (technical sciences). - National University of Water Management and Nature Resources Use. - Rivne, 2007.

The dissertation deals with substantiation of a new way of solking the urgent scientific problem of elaboration of efficient techniques for heat meliorations in order to obtain early spring agricultural produce on the principles of industrial warm waters utilization. On the basis of experimental and theoretical research, technical expediency has been proved, agroeconomic efficiency of the suggested technique for warm soil ameliorations with the help of sleeve warm-exchangers with constantly circulating warm discharge water has been substantiated and the main parameters of this technique have been found out.

Key words: thermal amelioration, heating-melioration effect, waste (discharge) heat waters, hydrothermal regimes, warm-exchangers, the heat of hydrotechnical melioration system.

Размещено на Allbest.ru