Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Гидротермический режим обогреваемых автоморфных почв

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Гидротермический режим обогреваемых автоморфных почв"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНЦЕРН ПО ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОЕ СТРОИТЕЛЬСТВУ

НАУЧНО-ЛРШЗВОДСТВШГОЕ ОБЪЩНЕШЕ БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАШМ НАУЧНСНИССВДЖТЕПЬСгаЙа ИНСТИТУТ МЕЛИОРАЦИИ И ВОЛГОЮ ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи

ЛИНКЕЕИЧ НИКОЛАЯ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 631.6:628.36

ЩЦРОТЕИЙИЧЕСКИЙ РЕШИ СБОГРНВАЕШХ АВТОМОРФНИХ ПОЧВ

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация и орошаемое земледелие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мчнск-1991

Работа выполнена в лаборатории использования нетрадицион-ща источников воды Центрального научно-исследовательского института комплексного использования водных ресурсов.

Научные руководители: заслуженный деятель науки БССР, доктор технических наук, профессор, академик ВАСХНИЛ |А.И.Мурашко); заслуженный мелиоратор БССР, доктор технических наук, профессор Г.И.Афанасик.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, зав. лабораторией прогнозов водного режима и водохозяйственных расчетов мелиоративных систем БелНИИМиВХ П.И.Закржевский, кандидат технических наук М.Б.Семенов.

Ведущая организация - институт "Белгипроводхоз".

Защита диссертации состоится " С " ^Ш^дЬЦ 1991 г.

в "_" часов на заседании Специализированного Совета

Д 099.03.01 при Белорусском научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства по адресу: 220040, г. Шнек, ул. М.Горького, 153.

С диссертацией моено ознакомиться в библиотеке Белорусско- . го научно-исследовательского института мелиорации и водного хозяйства.

Автореферат разослан «ЪО «ас 1991 года.

Учелый секретарь Специализированного Совета,

кандидат технических наук ЛИХАЦЕйКЧ А.П.

0Е111ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития производительных сил страны одним из главных резервов повышения эффективности общественного производства является рациональное использование природных ресурсов.

В решении этой задачи важное место отводится разработке мероприятий но охране природных объектов и повышен™ уровня их рационального использования за счет более широкого внедрения малоотходных и безотходных технологий, расширения использования очищенных сточных вод для различных нужд народного хозяйства, в том числе сбросных теплых вод энергетических объектов.

В настоящее время общее количество вода, прокачиваемой в течение года через все системы охлагздения энергоблоков ТЭС п АЭС равно 242 км3. Основным препятствием при использовании этой воды является относительно низкая температура ( 20-45°С ). Поэтому отводимое водой тепло практически не используется в народном хозяйстве страны и бесполезно сбрасывается в водотоки и водоемы, вызывая тепловой загрязнение окружающей среды. При этом теряется около 2/3 сжигаемого топлива. Только в энергетике страны это 300 млн.т условного топлива стоимостью многие миллиарды рублей.

В условиях Белоруссии температурный режим почв является не всегда оптимальным для получения высоких и ранних урожаев. Поэтому разработка способов его регулирования и создание на их основе ресурсосберегающих природоохранных энергопродовольственных комплексов является важной и актуальной задачей.

Весьма перспективным в этом отношении является обогрев почвы сетью подземных трубопроводов, проходя.через которые теплые вода обогревают почву и охлажденными возвращаются на стшщгю кля повторного использования. Однако обогрев почвы, как способ термомелиорации, в незащищенном грунте до сих пор применяется очень ограничено и требует детальна теоретических и экспериментальных исследований.

Диссертационная работа является результатом научных исследований, выполненных в 1986-1950 гг. в лаборатория использования нетрадиционных источников вода ЩИВДЭР в соответствии с планом

научно-исследовательских работ по общесоюзной программе 0.85.01. "Разработать и внедрить научно-технические мероприятия по водо-обеспечению народного хозяйства и рациональному использованию и охране водных ресурсов", утвержденной ГК1ГГ СССР постановлением Л 555 от 30 октября 1985 г. по заданию 10.08.01.II "Разработать и проверить технологию использования сбросмос теплых вод ТЗС, АЭС в сельском хозяйстве".

Целью исследований является разработка научно обосновашшх предложений по расчету мелиоративных систем с обогревом почв.

Задачи исследований заключаются в изучении:

1. Закономерностей формирования температурного поля в почве, обогреваемой сбросили теплыми водами ТЭЦ.

2. Закономерностей изменения режима влажности автоморфных почв, обогреваемых сбросными.теплыми водами ТЭЦ.

3. Закономерностей изменения температуры воды л возможности ее охлаждения в системах подпочвенного обогрева.

4. Разработке методов расчета теплового режима обогреваемых

почв.

Мет одика нс о л едоаа ний. Изучение закономерностей формирования гидрстермического режима почв базировалось на проведении полевых опытов, математическом моделировании и численном эксперименте на ЭВМ. Теоретической основой исследоьаний явились положения теории знерго- и массопореноса..

Результаты опытов обрабатывали с помощью теории ошибок измерений и дисперсионного анализа.

Объект исследований. Полевые исследования проводили на специально оборудованном опытно-производственном участке, примыкающем к территории Минской ТЗЦ-4.

Научная новизна работы заключается в:

- уточнении закономерностей формирования гидротермпчеексго режима автоморфных почв, обогреваемых сбросными теплыми подали ТЗЦ для условий Белоруссии;

- оценке возможности ^охлаждения сбросных теплых вод ТЭЦ системой подпочвенного обогрева;

- разработке математической модели расчета теплового роукма . поча, обогреваемых внутренними источниками тепла.

о

Практическая ценность. Экспериментально и расчетам;! доказана практическая целесообразность использования сбросных теплых вод ТЭЦ для обогрева автоморфных почв, заключающаяся в расширении периода выращивания сельскохозяйственных культур, повышении их урожайности и уменьшении загрязнения окружающей среди концентрированными тепловыми выбросами электростанций путем их рассеивания в почвэ.

Материалы диссертационной работы вопли а отчет о научно-исследовательской работе "Разработать и проверять технологии использования нетрадиционнее источников воды в народном хозяйстве", а также в "Рекомендации по использованию сбросных теплых вод ТЭЦ (АЭС) в сельскохозяйственном производстве", рассмотренные и одобренные Ученым Советом ЦНШБШР (протокол $ 23 от 20.11.90 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности формирования теплового режима и влажности автоморфных почв Белоруссии в естественных услозиях и при обогреве сбросным.; теплыми водами ТЭЦ.

2. Доказательства возможности охлаждения сбросных теплых вод ТЭЦ в системах потаенного обогрева.

.3. Математическая модель расчета теплоэого режима почв, обогреваемых внутренними источниками тепла, в основу которой положено двумерное уравнение теплопроводности.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и обсуждались на межвузовской научно-производственной конференции Ео- , лорусской сельскохозяйственной академии ( г. Горки, 1906 г.), республиканской научно-технической конференции ( г. Ровно, 1907 г.), научной конференции молодчх ученых и специалистов ЩЗТЛКМЗР и БелНИИМаВХ (г. Минск, 1987 г.), а тагакз на выездной коллегии Мин-атомэнерго на Курской АЭС (г. Курчатов, 1988 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано семь научи« статей.

.Структура п объем работа. Диссертация состоит пз введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка пчтературц и приложений. Сна :;злокепа на 207 страницах, включая 32 таблицы, '10 рисунков , список литературы г:; 200 гщпкзиезащтй, в т.ч. 85 гл иностранно?.; язнке и пряяошшЯ на 15 страницах.

С0ДЕБ1АЩЕ РАБОТЫ

В главе I "Анализ состояния исследований по использованию сбросных теплых вод для обогрева открытого грунта" на основании анализа отечественных п зарубежных работ показаны ресурсосберегающее и природоохранное значение использования сбросных теплых вод промышленных и энергетических предприятий, важность комплексного подхода при проведении мелиорации, прослежено развитие исследований по обогреву открытого грунта в СССР и за рубежом, раскрыто его значение как специального тепломелиоративного приема.

Начале комплексному подхода при проведении мелиорации с обязательным учетом теплового фактора было положено еще в трудах академика А.Н.Костякова. Дальнейшее развитие комплексные мелиорации получили в работах Б.Ермакова, В.В.Шабанова, Г.И.Афана-сика, Б.СЛЛаолова, Ю.Е.Никольского и др.

Изучению эффективности подпочвенного обогрева открытого грунта сбросными теплыми водами посвящены в СССР работы А.А.Ан-тонюка, И.М.Кбряева, В.Б.Зайцева, Л.Н. Черминх, Е.Д.Королькова, й. А.Иоффе, П.К.Кузьмича, С.В.Ковалева и др. Большой интерес к исследованиям по обогреву почвы низксиотенциальной водой проявлен в ГДР, США, ФРГ, Франции, Италии, Чехословакии, Польше, Бельгии и др. странах.

Анализ современного состояния проблемы утилизации сбросного низкопотещиального тепла показал, что наиболее вффектнвно оно используется на системах тепловой мелиорации сельскохозяйственных угодий, позволяющих утилизировать низкопотенцпальное тепло и получать дополнительную товарную продукцию.

Результаты исследований, проведенные б СССР и за рубежом, свидетельствуют о высоко«! объективности подпочвенного обогрева водой низкой температуря, проявляющейся в увеличении урожайности сельскохозяйственных культур, улучшении его качества, сокращении сроков созрзваш-ш, получении повторных урокаев, возможности использования систем подпочвенного обогрева для охлаздения вода в оборотных, системах. В то та время в связи с недостаточной изученностью подпочвенного обогрева, отсутствием окопериме-лталышх дашшх для различных потаенно-климатических и гидрогеологических условий СССР, а такке отсутствием научно обоснованных методов расчета мейибр&'гивкнх систем с обогревом ночь, он до ста пор в иирокой келясратовной практике не применяется.

В главе 2 "Задачи, методика и условия проведения исследований" на основании анализа температурных условий почв Белоруссии и требований к ним сельскохозяйственных культур, а также наличия запасов сбросных теплых вод энергетических объектов в этой зоне дается обоснование необходимости проведения тепловых мелиораций, направленных на повышение температуры корнеобитае-мого слоя почвы, а также утилизации частя сбросного тепла энергетических объектов; излагаются задачи исследований, методика и условия их проведения; приводится характеристика объекта исследований.

Исследования проводились на специально оборудованном опытно-производственном участке общей площадью I га, включающим в себя пять обогреваема модулей и контрольное поле. Три модуля, выполнены по схеме "батарея" и два - по схеме "змейка". Обогреваемые модули, выполненные по схеме "батарея", отличаются между собой расстоянием между трубами-обогревателями, а обогреваеше модули, выполненные по схеме "змейка" - видом труб-обогревателей (табл. I).

Таблица I.

Варианты опыта

# ва- Тип ; Вид труб I Параметры системы обо-

риан- исполнения ; грева

та

: Е ,м : Н ,м : Л ,м : Т> ,мм • • 0 0 • • • •

I. Батарея Гофрированная полиэтиленовая 1,0 0,60 90 63

2. Батарея Гофрированная полиэтиленовая 1,5 ' 0,60 90 63

3. ' Батарея Гофрированная ■ полиэтиленовая 2,0 0,60 90 63

4. Змейка Гофрированная полиэтиленовая 1,5 0,60 370 63

5. Змейка Глэдаостепная полиэтиленовая 1,5 0,60 370 63

6. Контроль - - - --

Примечание: Е - расстояние менду трубами;

Н - глубина заложения труб; I - длина труб; л - диаметр груб.

Вода на опытно-производственный участок поступает по трубопроводу, вреэанноаду перед градирней !'ч 2 в сливной циркуляционный водовод, Поэтому, подача вода на опытно-производственный участок обеспечивается с температурой, соответствующей существующему температурному режиму циркулярных вод Шнекой ТЗЦ-4. | При выборе параметров обогревательной сети (расстояния между трубами, глубины заложения, диаметра, длины и материала труб) исходили из обеспечения равномерного нах'рева корнеооитаемого слоя почвы, эффективного охлаждения воды, долговечности и непо-врзвдаемости труб при обработке полей сельскохозяйственными орудиями и машинами при наименьших капитальных вложениях на строительство.

Для этого были проведены предварительно гидравлические и теплотехнические расчеты, а также учитывался отечественный и зарубежный опыт.

В соответствии о поставленными задачами производились регулярные наблюдения за температурой и расходам;! вода в трубопроводах, температурой почвы -в различных точках почвенного профиля до глубкт 1,6 м, гешерагурой воздуха на различите высотах (0,1; 0,2; 0,5; 2,0 м), влажностью почвы, осадками.

Почва опытного участка дерново-подзолистая среднеоподзолен-ная супесчаная с содержанием гумуса в пахотном горизонте объемной массой 1,34 г/см3.. Степень насыщенности основаниями -66JS.

В главе 3 "Особенности теплового п водного режимов обогреваемой почвы" на основании экспериментальных исследований рассмотрено влияние подпочвенного обогрева на формирование температурного поля в почве, суточную п сезонную динамику ее температурного режима в зависимости от расстояния мехду источниками тепла, дан сравнительный анализ формирования режима влажности обогреваемой (в зависимости от расстояния между источникам:: тепла) и необогреваемой почд.

Наличие' в почве линейках переменных источников тепла, расположенных параллельно ее поверхности■на определенной глубине, создает двухмерное и даке х^егмерпое иоле температур, зависящих-от внешних условий и температуры сам:;:; источников тепла (рис. I).

Цодоочеснный обогрев шякопотенцкалыюй водой (17...38сС), движущейся в трубопроводах, позволяет повысить температуру во всех

В 16.00 часов

В 7.00 часов

В среднем за сутки

Рис. I. Формиро&ание температурного поля в почве в летний период в зависимости от времени суток.

1 - контроль; 2 - обогрев с расстоянием между трубами 1,0 м.

точках почвенного профиля. Зона максимальных градиентов температур сосредоточена в радиусе 10..Л5 см от трубы. Остальная часть почвенного профиля обогревается сравнительно разномерно по отдельным слоям. При этом, обогрев гючвы оказывает большее влияние на слои почвы расположенные ниже труб, чем те, которые расположены выше их и блике к поверхности почвы. Термический эффект (разность температуры почвы в определенной точке на обогреваемом и на контрольном варианте) в зависимости от расстояния между трубами в среднем за вегетационный период (1У-Х) па глубине 0,2 м составляет 3,1...5,1°С, а на глубине 1,6м - 5,1... 7,8°С. При перепаде температур воды на Еходе и выходе трубы длиной 370 м на 5. ..13°С разница в температурах почвы на глубине 0,2 м в начале и конце поля составляет в среднем 2°С. Чтобы уменьшить влияние неравномерности в нагреве активного слоя почвы на развитие растений, особенно н весенний период, перепад в температурах воды на входе и выходе секции труб необходимо целенаправленно уменьшать путем увеличения скорости движения воды в трубах;

В суточном цикле особенности формирования температурного режима обогреваемой почвы проявляются в изменении суточного теплообмена почвы с атмосферой, увеличении термического эффекта в ночные часы и уменьшении в дневные, наличии в слое 0 - 30 см .'горизонтальней циркуляции тепла.

Почвенный обогрев приводит к заметномуулучшешга температурного режима поверхности почвы. Здесь существенно снижается опасность отрицательного воздействия весенних и осенних заморозков. В среднем за вегетационный период температуры поверхности обогреваемой почвы выше на 0,6-Т.,3°0 не обогреваемой.

Основное различие в температурных режимах контрольного и обогреваемых участков проявляется в большем нагревании и прогревании последних в весенне-летний период и меньшем охлаждении в осенне-зимний период. При этом разница в температурах с глубиной увеличивается, а но мере разряжения сети обогревающих труб уменьшается. Максимальные значения термического эффекта имели место на глубине 0,2 и 0,6. м в летний период, а па глубине 1,6 м в осенний период и составили соответственно 3,5...5,4°0, 5.1... 8,9°С и 5,5...8,7°С (ряс. 2). Температура корнеобитаемого слоя ■ нзобогреяаемой потаи не поднималась в среднем за лето выше 17°С, Обогрев почвы способствовал повышению ее до 20...23°С в течение 21...55 дней (в зависимости ст расстояния мегду трубами).

f—« 4)

f о

•g

il

Ci •

, H

' Э

я

a: о

s со

<0 u

о

■X

X

Я г

Í3 S

X

^ о

ÍO -a »

N

о.

' » Ф

g •а

s

х

< д.

■л П)

О о

я

о

1« • ' п

о

M

ь>

I

t-t TÎ

Ol ►Î

(П

■

о

ч

w

о

I СЛ

о

Jvl •3

*o

а

s (а

! M И 41

ческий эффект, °С л- tn а\ -g о» «о

О

о\ —Г-

«а Т"

т

о

\

\

S

i /

\ \

1 i

/ i

Г i

► 1 i

/

о

\ /

/

ы

Т"

О -sj

Продолжительность периода -с активными температурами почвы на глубине 0,2 м увеличивается на 19...21 день весной и 25...30 дней осенью, а периода с температурой выше 15°С - с Б1 дня до 115...137 дней.

Увеличение периодов нагревания и повышение абсолютных значений температур в эти периоды приводит к увеличению суммы активных температур почвы (табл. 2).

• Таблица 2.

Суша активных температур обогреваемой и необогреваемой почвы на глубине 0,2 м за вегетационный.период (1У - X) 1990 г.,°С

Варианты

Сумма активных температур, иС

Превышение обогрева над контролем,°С -

Обогрев Е

Обогрев Е

Обогрев Е Контроль

Обогрев почвы позволяет увеличить сущу активных температур на глубине 0,2 м на 955.. Д409°С или на 49. ..72^.

Влияние обогрева почвы на температуру приземных слоев воздуха невелико. Термический аффект на высоте 0,1 м в растительном покрове составляет в среднем за сутки 0,5...0,9°С, а на высоте 0,2 и 0,5 м соответственно 0,2...0,8°С и 0,2...0,4°С. В суточном цикле влияние обогрева ьа температуру воздуха проявляется в увеличении термического эффекта в ночные часы и уменьшении в днев-.ные, особенно под растительным покровом.

Влагозаиасы обогреваемой и'необогреваемой почвы отличаются незначительно, имеют общий характер изменения и зависят от частоты и интенсивности осадков. Однако, несмотря ira общий характер изменения запасов влаги на исследуемых почвах, в их формировании имеются и некоторые различия.

В верхнем слое (0...0,2 м) обогрев способствует уменьшению запасов влаги до 12...14 мм; особенно в ранкевесенний период. В слоях 0,2...0,0 и 0,5...1,0 м,- наоборот, кабглодается цекотороз

= 1,0 м 3355 1409

= 1,5 м 3094 1148

= 2,0 м 2901 955 1946

увеличение влажности по сравнению с контрольной почвой, что вызвано постоянным термопереносом влаги из зоны примыкающей к трубе в межтрубное пространство, а также влиянием дренажа в засыпанные траншеи.

Установлено, что по мере разряжения сети обогревающих труб влагозапасы в верхнем слое (0...0,2м) почвы увеличиваются, а в никнем слое (0,5...1,0), наоборот, уменьшаются.

В главе 4 "Эффективность использования сбросных теплых вод для обогрева открытого грунта" приведены результаты наблюдений за работой системы обогрева и формированием температурного режима подаваемой и охлажденной вода в суточном и сезонном циклах; дан сравнительный анализ экспериментального и теоретического распределения температуры воды по длине гофрированного и гладкостен-ного трубопроводов; показано влияние обогрева почвы на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур; дается оценка эффективности тепловой мелиорации.

Наблюдения за температурным режимом вода показали, что в точение суток изменения ее температуры мо1ут достигать Ю°С,- при' этом максимальная температура воды наблюдается в дневное время суток, а минимальная - в ночное.

Сравнение температуры воды на выходе из системы обогрева, экспериментального участка с температурой вода после охлаждения в градирне Минской ТЭЦ-4 показало, что в течение суток они на выходе из системы обогрева были ниже на 1,1.,.5,3°С весной, 1,0...4,2°С летом и 0,1...4,4°С осенью. При этом максимальные значения имеют место днем, а минимальные - ночью. Указанный уровень охлаждения вода обеспечивался при подаче в систему обогрева 8,7...16,0 кДй/с тепла весной, 14,7...25,2 кЛя/о летом и 6,7...21,7 кДж/с осенью.

Сравнительные исследования гофрированных и гладкосгенных полиэтиленовых труб показали, что гофрированная труба является более пригодной для систем подпочвенного обогрева.

Сравнение расчетных (по И.А.Иоффе) и экспериментальных результатов показало,, что теоретические зависимости, описывающно теплообмен между труба!® и обогреваемым грунтом для стационарных условий, дают заниженные результаты. Поэтому, в существующую теорию должны быть внесены значительные изменения, учитывающие нестационарность процесса теплообмена в реальных условиях г: накопление тепла нкнелегацими горизонтами почвы, либо прл

пользовании имя расчетные значения необходимо увеличивать в 1,5...3,0 раза. При этом меньшие значения характерны для весен-не-осеннего периодов, а большие - для летнего. Кроме возможности охлаждения вода в системах обогрева почвы имеет важное зна--чение влияние его на урожайнооть сельскохозяйственных.культур.

Оптимизация температурных условий в почве способствует сокращению сроков созревания сельскохозяйственных культур на 7...14 дней, а также значительному повышений урожайности (табл 3).

Раочет общей экономической эффективности показал, что дополнительные капиталовложения только за счет получения ранних высоких урожаев окупаются в зависимости от параметров системы обогрева за 3 года. Поэтому равдо правильно рассчитать параметры систем.

Глава 5 "Математическое моделирование и расчет теплового режима обогреваемых почв" посвящена разработке методов расчета теплового режима обогреваемых почв; в ней предложен метод расчета ме&трубного расстояния в системах подпочвенного обогрева, а танке расчет температуры теплоносителя вдоль коллектора с равномерной раздачей расхода по длине.

Анализ методов расчета теплового решила почв, обогреваемых теплоносителем, движущимся в трубопроводах показал, что рекомендуемые Форхгеймером, O.E.Власовым, С.С.Кутателадзе, И.А.Иоффе, Д.Н.Локкиным, Е.П.Щгбиным, Кевдриком и Хавенсом, Шапиро и Г,¡оран, Ледъс, Гаспар и С.'на и др. методы расчета не отражают реального теплообмена в обогреваемой почве из-за нестационарного характера теплового потока, & также изменений суточного к сезонного накопления тепла в почве, в теориях стационарных процессов эти изменения не рассматриваются.

Для решения данной задачи необходимо иметь математическое описание.процесса формирования теплового ревдма почвы с учетом расположения источников тепла внутри почвы, почвенных условий, характеристик агрофигоценоза и метеорологических факторов. Модель должна отображать динамику процессов тепло- и массообмена с учетом суточной ритмики напряженности погодных условий, Б настоящее вреда известен ряд подобных формализации (К.А.Иоффе, Л.М.Альтшулер, A.A.Сандер, A.C. Бенусович, В.Малецки , Д.А.Кур-тенер; А.Ф.Чудновский), однако большинство изних -'■ аналитические г позволяет производить расчеты лишь для.наиболее простых случсез,■

Таблица 3.

Влияние, подпочвенного обогрева на урожайность сельскохозяйственных культур (1990 г.)

дультура

Урожайность по варианта!.!,: ц/га :

Конт-¡Прибавка в урожайности : нср.5 роль :от обогрева, % :

1-Е =1.0 м: Е =1,5 ы; Е =2 »0 м: ; E=i, Ом: Е =1,5.1 Е=2,0м: ц/ха

Редис (весенний сез) 164 260 203 152 7,9 71,1 33,6 27,4

Салат {Езсенштй сег) 405 ' 339 409 268 40,6 38,5 42,0 31,0

Картофель (гребневая посадка) 283 260 244 204 41,2 27,5 19,6 31,4

Картофель (обычная посадка) 273 254 243 137 46,0 35,8 29,9 27,8

Огурца 1-го срска сева 177 15-1 139 18 583,3 755,7 672,2 27,4

Огурцу 2-го срока сева •39 _ 27 17 - - - 12,1

Огурыд 3-го срока сева 26 ■ - ' - - - - - -

Редис (осенний сев) 123 95 65 45 173,3 IIIД 44,4. 25,3

Салат (осенний сез) • £4 34 31 13 332,3 Щ, 5 138,5 14,0

Уг.роп (осенний сез) 20 16 12 7 185,7 128,6 71,4 2,7

Поэтог.^у для выяснения влияния теплофизическях характеристик почвы, метеорологических факторов, характеристик агрофито-ценоза; а также конструктивных и теплотехнических параметров. внутрипочвенпых источников телла на распределение температуры в почве нами использовано имитационное моделирование указанного процесса, позволяющее путем постановки численных экспериментов более эффективно решать поставленные задачи для обогревательной системы, выполненной в виде параллельных труб, заложенных в почву на одной глубине. ,

Распространение тепла в почве описывается уравнение теплопроводности

. дгГ(Х,У,Т) 1 дгТ(Х,У,Т) _ 1 , т •>

+ Э»г "й- И

где Т - температура почвы; 'X - горизонтальная координата; у - вертикальная координата; Т - время; а. - коэффициент температуропроводности почв.

Область определения У .и X обозначим через

$ = 0<Х$ Е/г] ,

где И - расстояние от поверхности почвы до нижней границы расчетной области.; Е ' - расстояние мевду источниками тепла.

На.свободной поверхности рассматривали два возможных варианта граничных условий: .

1) задание функции, описывающей временной ход температуры поверхности почвы.

Т(Х,У,Т)\ = 4 . ( 2)

/У-0

где 4- ( X , Т) - берем из экспериментальных данных.

2) задание теплового баланса, т.е. условия равенства тепловых потоков через поверхность почвы

3!/ |¥=е>

где Л - коэффициент теплопроводности верхнего'слоя почвы; В. - радиационный баланс; ^ - коэффициент конвективного теплообмена, определяемый по формуле Г.И.Афанасика

¿ = 2,52 +2,(71? , ( 4 )

где С - скорость ветра на высоте 2 м; Т ( X , о , ТГ ) - температура почвы на поверхности (при У = 0) в момент времени 1Г ; Т» - температура воздуха; X - скрытая теплота парообразования; Е0 - скорость испарения.

На нижней границе расчетной области полагаем температурный режим известным

( 5 )

где f (X ,/С ) - берем из экспериментальных дашшх.

Аналогичное условие на цилиндрическом источнике тепла

ТП.Т)! _ --Т(Т).

( 6 )

где Т ('С) - температура источника топла в момент времени Т ; г о - радиус источника тепла.

На мектрубном расстоянии (абсцисса X = Е/2 ) условие непротекания, т.к. моделируется систематический обогрев

II

ЭХ

3 О

При X

%-г/г

О условие симметрии

дт

ЗХ

- О

(7 )

( 8 )

Задание начального распределения температуры ^ (X ,У ) формализуется записью

х>Х„

= ^ (*, У, о у

( 9 )

Задача ( I )...( 9 ) решалась численными методами, так как граничное условие 3-го рода и сложность области определения исключают возможность аналитических решений. ■

Несопоставимость характерных геометрических размеров области решения (<?.', 6 , Н ) требует использования сугубо неравномерной сетки. В такой ситуации кэ разностных методов наибо-' лее удобно использовать иоюд конечных элементов (Г,ЕС).

Разностная аппроксимация уравнения ( I ) приводит к его формальней записи

Зх

а а

ат

а'С

где Т (х , у ) - значения температуры почвы на предыдущем шаге; У).— значения температуры почвы на последующем шаге. Идеология МКЭ основана на переходе от дифференциальной задачи ( I )...(, 10 ) к интегральной:

2>

(II)

где Х> область определения; 5 - граница области с условием третьего рода.

Область определения покрывает стационарной, неравномерной (логарифмической по радиусу) сеткой (рис. 3).

/-4(17 луч

Рас. 3. Принцап построения расчетной треугольной сетки --.■■. I - верхний треугольник разбиения; 2 - нихетй треугольник разбиения четырехух'ольной ячейки.

Расчет узлов по радагусу производим по фор;дуле

ÍL.)^ . ( I?- )

где h - расстояние i -го узла сетки на j -ом луче; I- -расстояние от центра источника тепла до гранищ; области по направлению у -го луча; i = I, 2 ... К ; t - количество узлов на отрезке íj

Расчетную треугольную сетку образуем путем разбиения каждой четырехугольной ячейки ьведенной регулярной сетки на два треугольника левой диагональю.

На каждом треугольнике интегральное уравнение ( II ) аппроксимируется плоскостью

Т= аХ «ВУ + с , ( I3 )

где а , € , с - постоянные в пределах рассматриваемого треугольника.

В результате подстановки ( 13 ) в ( II ) получаем систему алгебраических уравнений, которая эффективно решается катодом исключения Гаусса, так как обладает необходимый« свойствами устойчивости. Созданная нами програила ¿H'lCEV пепогьзует модуль л/ovpsa/ , разработанный в БелК1Е1.',ЬВХ А.Л.Новиковым.

Установлено, что для решения задачи с временным иагом Т = I час и сеткой N = 20 х 30 узлов, погрешность численного решения не превосходит что соответствует 2.. .3°С и соизмеримо с ошибкой натурного эксперимента.

Апробация математического описания с условием ( 3 ) и сравнение температуры почвы с данными неноерздетвоншпе наблюдений показали, что модель адекгатпо описывает натурний эксперимент.

Численны?.« экспериментами установлена устойчивость математического прогноза по начальнш,i данншл, что также подтверждает пригодность математической модели для адекватного описания физического процесса.

Расчетные зависимости, приведенные б работах Г.Гребера, И.А.Иоффе, Кендрмка и Хавена не позволяют выразить расстояние между трубами в явном виде. Поэтому для правильного выбора мектрубного расстояния л системах подпочвенного обогрева необ-. ходшо производить расчет ряда вариантов, изменяя его таким образом, чтобы достичь оптимального соотношения между тепло-

техническими, экономическими и гидравлическими показателями и требованиями к теплу корневой системы растений. Такая методика расчета требует значительных затрат времени п квалифицированного ннженёрно-гехнического труда.

Особенности предлагаемого метода расчета межтрубного расстояния в системах подпочвенного обогрева заключаются в следующем. Расстояние между трубами должно быть таковым, чтобы обеспечивалось необходимое повышение температуры грунта, при заданных параметрах начальной и конечной температур воды, в соответствии с .требованиями растений к тепловому режиму почвы.

Ирг решении задач по определению межтрубного расстояния в системах подпочвенного обогрева расчетными периодами являются: весенний и летний. Первый - посла окончания снеготаяния -является основным, второй - проверочным. •

Тепловые расчеты на весенний период предусматривают обеспечение необходимой температуры на глубине заделки семян к планируемому началу полевых работ и вегетации растений.

Проверочные расчеты на летний период ведут из условия обеспечения оптимальной температуры в корнеобитаемом слое почвы в этот период в соответствии с требованиями растений к тепловому режиму.

На основании этого предложено расстояние между трубами (Е ) вычислять по зависимости: а) в весенний период

О Ти "IV

■Т* - тй

(Ч

■ь

( 14 )

б) в летний период

с - СцО. Т» -т,. (Л > Хтр \ ь ' Х!Г1 «Р.,-т. Л >

Т^ -- Те,

( 15 )

где 0, -удельная теплоемкость воды; С - массовый расход воды в трубопроводе; Т„ , Тч - температура воды соответственно в начале и конце трубопровода; I - длина трубопровода; т- - средняя температура на некоторой глубине У<к в почве; - средняя температура в слое почвы от поверхности до неко-

торой глубины У < к ; К. — расстояние от осп трубы ;;о поверхности грунта; Лгр - коэффициент теплопроводности грунта; оС - суммарный коэффициент теплоотдачи тпуита воздуху путем конвекции, радиации и испарения.

Уравнения ( 14 ) и ( 15 ) справедливы при У < к £ .

Путем решения уравнения теплового баланса получены аналитические зависимости для определения температуры теплоносителя вдоль коллектора с равномерной раздачей расхода по длине.

То« -1 - т»,

1>ехр[<фг;

, (Т(-Т4)ехр[-

с.

(*.и-хлг\

гТ»

( 16 )

Тг((1-«уп]| - егр

1а |{-х,

тг . .-г . г _ С п.--! I •

Тс«.,у«1 -Т* ,ри - -^-—

где

темгература теплоноон- •

теля соответственно на участке коллектора 0-1, 1-2 и Г(к-0-пО ; То - температура поверхности трубопровода в начале коллектора; т, , тг , Та - температура поверхности трубопровода соответственно в конце нулевого, первого и ( й. - I) участков коллектора; ¿ -длина коллектора; , Ят, , ..., 4Т<Я-«) -термическое сопротивление передаче типла ст труби в грунт соот-' ветствашю на участке коллектора 0-1, 1-2 и С^-О-; йо -расход воды э начальном сечении коллектора; * - расстояние от начального до рассматривав!,.ого сечения коллектора, отнеезшюе

ко всей длине коллектора I Со,

с

ч ,.

Сь-4 -

соответственно длина первого, гера.

второго и а - участков колдек-

■ 0Б11ЛЕ ШВОЩ И ПИтПОШМЯ

I. Сбросные теплые воды энергетических объектов и промкв-лешшх предприятий следует рассматривать гте как неизбежные потери или загрязнители окружающей среды, а как потечциальио большой энергоресурс, пригодный.для тср.чомелиорацип почв.

Тепловая мелиорация открытого грунта при помощи устройства ночвообогреващих систем их труб, заложенных.в почву» по котором циркулирует сбросная теплая вода является технически воз-мокпьм к эффективным мероприятием, позволяющим улучшить температурный режим почвы и охладить в ней воду для повторного использования.

2. В условиях средней полосы БССР на автоыорфных супесчаных почвах подпочвенный обогрев оказывает влияние на сезонный ход температур почвы. Воздействие обогрева на температурный режим почв проявляется в большем нагревании и прогревании в весенне-летний период и меньшем охлаждении в осенне-зимний период. Это приводит к замотноцу улучшению температурного режима поверхности почвы. Существенно .спивается опасность отрицательного воздействия весенних и осенних заморозков. Обнаружено, что обогрев в среднем

за вегетационный период (IУ - X) позволяет повысить температуру поверхности почвы на 0,6...1,3°С, а на глубине 0,2 и 1,6 м соответственно на 3,1...5,1°С и 5,1..,7,8°С в зависимости от расстояния между трубами.

Продолжительность периода с активными температурами почвы на глубине 0,2 и увеличивается на 19...21 день весной и 25...30 дней осенью, а периода с температурой выше 15°С - с 51 дня до 115...137 дней. Это приводит к увеличению суммы активных температур на 955.,Л409°С или на 49...72$ (в зависимости от расстояния между трубами).

3. Влагозапасы обогреваемой и необогреваемой почвы отличается незначительно, имеют общий характер изменения и зависят от частоты и интенсивности осадков.

•В условиях подпочвенного обогрева происходит частичный перенос влаги из зоны примыкающей к трубе в-межтрубное пространство, интенсивность которого зависит от исходной влажности почвы.

4. Система подпочвенного обогрева, состоящая из полиэтиленовых гофрированных труб диаметром 0,063 м, уложенных на глубине 0,55...0,50 м с расстоянием 1,5 м друг от друга, обеспечивает стабильное охлаждение вода как в течение суток, так и в течение теплого периода (ТУ - X) года на 7...Н°С с удельным среднесуточ1!Ым теплосъемом от. 20 до 40 Вт/м При этом, максимальное охлаждение воды наблюдается днем, а минимальное -ночью.

5. Известные теоретические зависимости, оиисыващие тепю-обмен ме:эду трубами и обогреваемым грунтом для стацкокарнда условий, дают занпкешше результаты.

Установлено, что из всего поступающего из системы обогрева тепла и внешней поверхности земли отводится веснсй и осенью 50...60$ и летом 30...40$, а в почву ниже труб - соответственно 40...50$ и 60...70$.

6. Разработана математическая модель расчета теплового ренина почв, обогреваемых.внутренними источниками тепла, проведена верификация модели.

Показано, что путем численного эксперимента можно рассчитать межтрубное расстояние и уточнить составляющие водного и теплового баланса.

7. Получены теоретические зависимости для расчета мактруб--ного расстояния в системах подпочвенного обогрева и температуры теплоносителя вдоль коллектора с равномерной раздачей расхода по длине, которые рекомендуется использовать при проектировании мелиоративных систем с обогревом почв системой труб, улокешшх ниже пахотного слоя, по которпм пропускается теплоноситель - вода.

8. Подпочвенный обогрев автоморфгаи супесчаных почв в условиях Белоруссии способствует повышению урожайности редиса на 7,9,..71,1$, салата па 38,5...42,(55, карусфеяя раннего на 19,6... 46,0,t, огурцев на 672,2...883,3$, укропа на 71,4...185,7%, сся-ращекпв сроков их созревания на 7...14 дней к получению повторных урскаек. Особенно эффективна такие звенья культурсоборота к-iic редис + огурцы, картофель ранний + редко и 017рцы + радио.

0СНСШШЕ ШБШКЛЦЕШ И0 ТЕШ ДЮСЕРТАЦИИ

1. Использование сбросных теплых вод ТЭС (ЛЗС) s сельсчад хозяйстве// Совертазиствоьанле системы управления и контроля использования и охраны вод в СССР на базе объединены« регполаль-Hirc водохозяйственных систем: Тез. докл. Всессюз. яау-шо-тпхнп-ческого совещания. Свердловск, 1987,-с. 132. (в соавторство).

2. Подпочвенный сЗогрев и орошение' сбрссшп.м теплит водами по перфорированным трубопроводам // Достижения HTií - в целпо-рацню и водное хозяйство: Тез. докл. республиканской научно-технической конференции, Часть II, Ровно, У1ШК, 1987, с. IT.

(и соавторстве).

3. Тепловые отхода при энергетических объектах и проблема их утилизации // Проблемы комплексного использования и охраны водных ресурсов Белоруссии и Украины. Материалы научной конференции молодых ученых и специалистов ЩШИШР и БелНШМпВХ. Делон, рук. 8 декабря 1987 г., № 475 (л соавторстве).

4. Вопросы расчета подпочвенного обогрева грунта циркуляционными водами ТЭС (АЭС) по перфорированным трубопроводам // Водное хозяйство и гидротехническое строительство. - Шнек, 1983. - Вып. 17. - с. 44-48 (в соавторстве).

5. Термомелкорация на базе сбросных теплых вод электростанций // Пути повышения эффективности использования водных ресурсов п условиях их нарастающего дефицита: Тез. докл. Всесоюз. конференции молодых ученых. (5-9 сентября 1988 г.). Ташкент, НПО САШИШ, 1983. с. 90 (в соавторстве).

6. Гасчет межтрубного расстояния в системах подпочвенного обох'рева // Научно-техн. информ. по мелиор. и води, хоз-пу / Минлодхоэ БССР. - Шнек, 1988, й-10 - с. 15-18,

7. Необходимость и перспективы использования сбросши: теплых вод электростанций // Гидравлико-экологические аспекты обоснования водохозяйственных мероприятий. - М.: ВНИИГиМ, 1989.-

с. 126-131.

Подписано к печати 10.06.91. Формат 00x04 1/16 Обьем 12 п.л.

Тирак 100 эт. Заказ 152

Минск, БслНШИиБХ, М.Горького, 153