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"

госшрствэшя КОВДНРН Qo втясвяЯстшше СГРСИТВШГГКГ

НАУЧНО-ПРШЗВОДОГВШНОЕ СБЪВДЮаИВ ШОРУСОИЙ ОРДША ТРУДСВОГО КРАСНОГО ЭДШВ91 КАУЧН0-ИСС1ВДСШТЕ5ЬСКИ2 ИНЙППУТ МВДИОРАЦИЙ и водного 10ВЯЙСШ

На правок игкспкои

линкяич пвдий ШКСЯАИИЧ

УДК 631,ßi628.36

: ГВДРДОПКДОСШЙ ШИК ' ОБОГРНВАИАОС АВТСМОРВШ ПОЧВ

Специальность: 06.01.Сй - Мелиорация и орсвавиов вбмледвмм»

А ВТО Р В.® BP АТ диосертвили на ооиаканнв утеноИ отвпчни кандидата технических наук

Uhttoit-1991

Работа выполнена а лаборатории использования нетрадиционны* лоточников води Центрального научно-исояедовательокого институт® кодалексного использования водных ресурсов.

Научные руководители:' заслуженный деятель яауки БССР, доктор технических наук, профессор, академик ВАСХНИЛ &,И.Мурашк"^; васлудашмй мелиоратор БССР, доктор технических наук, профессор Г.И.Лфанаскк. -

Официальные оппоненты: доктор технически наук, зав. да-борат орией'прогнозов водаого режима и водахозяйствепных, расчетов мелиоративных систем БелНИИШВХ П. И. Закркевский, кандидат^технических каук Н.Б.Семенов,

- Ведущая организация - институт "Белгапроводхоз".

, Зашита диссертации состоится " " 1991 г»

в " " ,. '.» чесов на заседании Специализированного Совета Д 099.03.01 при Белорусском ваучно-иссдедовательском институте мелиорации и ванного хозяйства по адресу: 220040, г. №кск ул. «.Горького, 153.

'С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Белорусского научно-исследовательского института мелиорации и водного . хозяйства. ■■■.'.'.; ".

, Автореферат разослан "30 " 0/УТЯ-^Л' 1991 года.

Учений секретарь Специализированного Совета, кандидат, технических неук

ШХАЦЕШЧ А.П.

СЕШЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

В testeнии этой задачи важное место отводится разработке мероприятий по охране природных объектов . и повышению уровня их рационального использования за счет более широкого внедрения мало-'отходных и безотходных технологий, расширения использования очищенных сточнщ; вод для различных нужд народного хозяйства» я том чазде сбросных теплых вод энергетически объектов. •

> В настоящее время общее количество воды, прокачиваемой в течение года через все системы охлаждения энергоблоков ТЭС о АЭС равно 242 кмэ* Основным препятствием при использования »той воды является относительно низкая температура ( 20-45°С ). Поэтому отводимое водой тепло практически;не используется!в народной хозяйстве страны и бесполезно сбрасывается а водотоки а водоема, вызывая тепловое загрязнение окружающей среди. При этом теряется около 2/3 сжигаемого топлива, Только в-энергетике страны ею 300 млн.т условного топлива отовмостьо ыаогие адллааряы рублей.

В условиях Белоруссии температурный режим почв является не ' всегда оптимальным для получения^высокяг и рангах урожаев. Поэтому разработка способов его регулирования и создание на их основе ресурсосберегающих природоохранных ввергшродовольствен- ' ных комплексов является важной и актуальной задачей.. .

' Весьма перспективным в втом отношении является обогрев почвы сетьр подземных трубопроводов, проходя, через которые теплые воды обогревают почву и охлажденными возвращаются на станцгю дня повторного использования. Оцнако обогрев почвы, как способ тер- ' моыелиораяии ,. в незащищенном грунте до сих■ пор поменяется очень ' ограничено и требует детальных теоретических'и експерименталь-!!нх.исследований. ".'■>'

"■ Диссертационная работа является результатом научны* исслв-. дований,' выполненных в I9S6-ISSO гг.. в .лаборатория кспользованяя нетрадиционных источников' воды ЦЖМКШР. в соответствия с слалом

ЦЕНТРАЛЬНАЯ -. МАУЧ jan БИБЛИОТЕКА ; Mo-»,, < пл..-скох?з. академии ^^ ч . . л, 7 и.-иряоааа

Ййв.^ А.~3РИМ; -

научно-исследовательских работ по общесоюзкой программа 0.85,01. "Разработать и внедрить научно-технические |лероприятия по водо-обеспеченн® народного хозяйства и рациональном/ использованию и охране водншс ресурсов", утвервденной ШГГ СССР постановлением Л 555 от 30 октября 1985 г. по заданию 10.СВ.01.Н "Разработать и ' проверить .технологаа испопьзозания сбросмшс тёплых вод ТЭС, АЭС в сельском хозяйства". ч

Целыо исследований' является разработка научно обоснованных предложений по расчету мелиоративных систем с обогревом почв.

Задачи исследований заключаются в изучении:

1. Закономерностей формирования температурного поля в почве, обогреваемой сбросным* теплыми водам!! ТЭЦ.

2. Закономерностей изменения реждма влажности аатоморфкых почв, «богреваемих сброс ниш, теплыми водам;! ТЭЦ,,

3. Закономерностей изменения температуры вода л возможности ее охлакденияв системах подпочвенного обогрева.

4. Разработке методов расчета теплового рехптда обогреваемых

80ЧВ. , . ' .

Методика исследований. Изучение закономерностей формирования гвдроуермического . режима почв базировалось на проведений полевых опытов, математическом иодепкровашш и численном эксперимен те на ЭВМ. Теоретической основой исследований явились положения .теории енерго- и ийссоперекооа.. . - '

Результаты опытов обрабатывали о помощью теории _ог];:бок измерений н дпсперсйонного анализа. V

Объект исдпецован»^. Полевые исаледованкя проведали на специально оборудованном опьтпо-производствекном участке, лрпмщевд-■ щем к территории Мшен ой ТЭЦ-4.

[1аучи{ш новизна паботы заключается в;

- уточнении закономерностей форшровагтая птдротержчсского реяиш автоморфшх почв, обогреваемых сбросными теплыми в ода:.и 1 ТЭЦ для условий Белоруссии;

' - оценке возможности .охлаядсчип сбросных теплых вод ТЭЦ системой подпочвенного обогрева}

- разработке математической модели расчета тепяового розг/ка аочэ, обогреваемых внутреинкии всточникдол тепла.'

. Практическая пенностъ.'Экспериментально и расчетами доказана практическая целесообразное!ь использования сбросных теплых вод ТЭЦ для обогрева азтоморфншс почв, эаключающачся в расширенна це-ряода выращивания сельскохозяйственных культур, псвааенпп их уро- ■ жайности и уменьшении загрязнения окружающей среды концентрированными тепловыми выбросами электростанций путем кх рассеивания в почва.

Материалы диссертационной работы всигли в отчет о едучно-и^-следовагельской работе "Разработать и проверить технологии использования нетрадиционных источников веда в народном хозяйстве", а тайке в "Рекомендация по использованию сбросных теплых вод ТЭЦ (АЭС)' в сельскохозяйственном производстве*,' рассмотренные и сдоб-, реккые Ученым Советом ЦЕВВШШР (протокол >| 23 от 20.11.90 г.),

Ос^орцые положения, внностгш? на

1. Закономерности формирования теплового режима и влагиости

■ автоморфнше пота Белоруеси и в естественных усьозиях к при обогреве сброснымп теплыми водами ТЭЦ,

2. Доказательства возможности ежлавдеякя сбросных теплых вод ■ ТЭЦ в системах почвенного обогрева.

3. Математическая модель расчета теплозого режима почв, обогреваемых внутренними источниками тепла,- в основу которой пзяоае-но двумерное уравнение теплопроводности,

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и обсуждались-на межвузовской научно-производственной конференции Бе-, лорусокой сельскохозяйственной академии ( г. Горки, 1985 г.), республиканской научно-технической конференции { г. Ровно, 1907 г.), научной конференции молодых ученых и специалистов ЦШЙЮР и ВелНШМиВХ (г. Шнек, 1987 г.), а таюкэ на выездной коллаген Млн-

атомэаерго на Курской АЭС (г. Курчатов, 1988 г.).

. * . .

Публикации. По материалам диссертационной работы спублиновано семь научных статей. -

Структура п объем га'ботн. Диссертация состоит гз введения, пяти глав, сОщгх выводов и предложений, списка счгератур» и приложения. Сна изложена ка 207 страницах, включая 32 таЗлюог, 40 ри-< сувков, сп".1сок литературы та 2СЭ патмскооакиЯ, в т.ч. 55 пдярс— странном языке и приложений на 15 страсмцах.

СОДЕРЖАНИЕ ЕАБОШ

В глава I "Анализ состояния исследований по использованию ' сбросных,теплых вод для обогрева открытого грунта" на основании анализа отечественных и зарубежных работ показали рзсурсосбере- . гашев и природоохранное значение использования сбросных теплых, вод промышленных ц энергетических предприятий, важность комплексного подхода при проведении ыелп&раций, прослекено развитие исследований до обогреву открытого грунта в ОССР и за рубежом, раскрыто его значение.как снецлального тепломедноративного приема.

Начало комплексному подходу при проведешь мел5?орацдЙ о обя-эательным учетом теплового фактора било положено еще в трудах академика А. Н. Костяков а. Далькейаее развитие комплексные нелио- ■ радии получили в работах Б,Б,1Цумаксша, В.В.Шабанова, Г.Н.Афана— скка, £.С.Маслсва, Ю.К.Никольского и др.

Изучении эффективности подпочвенного обогрева открытого грунта сбросными теплыш водами посвящ^ну в СССР работы А.А.Ан-тонюка, И.М.Кб£яева, В,Б.Зайцева, Л.Н. Чермннх, Е.Д.Королькова, И.Л.Яоф$е, П.К.Кузьшта, С.В.Ковалева и др. Большой интерес к исследованиям по обогреву почвы кизкопотенцаальной водой проявлен в ГДР, QUA, ФРГ,. Франции, Италии, Чехословакии, Польше, Сель-гаи и др.. странах. " -

Анализ современного состояния проблемы утилизации сбросного нлзкопотенциалького тепла показал, что наиболее вффектиыю оно используется ка системах тепловоз мелиорации сельскохозяйственных угодий. позволявши утилизироватьниэхопотенцпальное/ тепло и получать дополнительную тоиарнуо, продукции. -

Результаты исследований, проведенные в СССР и за рубежом, свидетельствуют о высокой эффективности подпочвенного обогрева водой низкой температуры, проявлящейс* в увеличении урожайности сельскохозяйственных культур, улучшении его качестэа, сокращенна сроков созревания, получении повторных урожаев, возможности ислодъговаккл систем подпочвенного обогрева для охлаздеиия аодц в оборотных системах. В то ке время в связи с недостаточ-ноЗ изученностью подпочвенного обогрева, отсутствием экспериментальных данных для различних по^ен^о-тишматйчвских и гидрогеологических условий СССР, а также отоутствчем научно обоснованных нетодса расчета молиорьткякнх систем с обогревом почв, он до ciix пор в уирекой неитеративной практике яй применяется.

в гладе 2 "Задачи, методика и условия проведения ясследо-' ваний" на основании анализа температурных условий почв Белоруссии и требований к ним сельскохозяйственных культур, a ranee ' наличия вапасов сбросных теплых вод онергвтпесюх объектов в этой в она дается обоснование необходимости проведения тепловых мелиорация, направленных на повышение температуры корнеоОитае-иого слоя почвы, а также утилизации части сбросного тепла энергетических объектов ¡ налагаются задачи исследований, методика и условия их проведения) приводится характеристика объекта исследований. -

Исследования проводились на специально оборудованном ошп-iio-nроивводствонном участке odmefi цлоаддьо I га* икаючагаим в себя пять обогреваемое модулей л контрольное поле. Три модуля, выполнены по схеме "батарея*1 я два - по схеме "амеВва", Обогреваешь модули, выполненные по схеме "батарея", отличаются между собов расстоянием между трубами-обогревателями, а обогреваеиш модули, выполненные по схема "змейка" - видом труб-обогревате-ле« (табл. I). •

Таблица I. .

Варианты опита

X ва- Тип ; Вид г{уб Í Параметры снотеиы обо-

риан- исполнения : грева

та :-1-■> ■ ■ i—1— : е,м : н ,м : L',u i j>

I. Батарея ГЪфрироаанвая лоливтиленовая 1*0 0,60 90 63

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

3. 'Батарея ГЬфрированная появэтиленовая 2,0 0,60 90 ¿3

4 . "" Змейка Бофркрованкая полиэтиленовая 1,5 0,60 370 63

5. Змейка Глвдкостенная -полиэтиленовая 1.6 0,60 370 63

6. . Контроль - - - -

.Примечание: Е - расстояние кеаду трубами;

Н - глубина заложения труб; Л - длина труб; ' я - диаметр труб.

Вода на опытно-проавводственний участок поступает по трубопровода, врезанному перед градирней К 2 в сливной циркуляционный водовод. Поэтому, псдача вод» на оштно-проиэводственвцй участок обеспечивается с температурой, соответствующей существующему температурному рекшду циркулярных вод Шнекой ТЭЦ-4. | При выборе параметров обогревательной сети (расстояния между трубами, глубины наложения, диаметра, длены и иатериала труб) исходили иэ обеспечения равномерного нагрева корнеобитаемого слоя почвы, аффективного охлаждения воды, долговечности и неповреждаемости труб при обработке полей сельскохозяйственными орудиями я машинами при наименьших капитальных влоиениях на строительство.

Для »того были проведены предварительно гидравлические и теп-лотеханческне расчеты, а также учитывался отечественный и эару-беккый опыт.

В соответствии о поставленными задачами производились регулярные наблюдения за температурой и расходами води в трубопроводах, температурой почвы-в различных точках почвешюго профиля до глубины 1,6 м, температурой воздуха на различных высотах (ОД; 0,2; 0,5; 2,0 м), влажность» печвы, ©садками.

Почва опытного участка дерново-подзолистая среднеоподз о па н-яая супесчаная с содержанием гумуса в пахотном горизонте 2Í, объемной массой 1,34 г/см3, Степень насыщенности основаниями -66*. •

: В главе 3 "Особенности теплового п водного режимов обогре- _ ■ ваеыой почвы" на основании экспериментальных исследований рассмотрено влияние подпочвенного обогрева на формирование температурного поля в почве, суточную и сезо£шув динаииду ее теьше-' ратурного режима в зависимости, от расстояния меьду источниками тепла, дан сравнительный анализ формирован'¡я режима влажности обогреваемой (в зависимости от расстояния не аду источникам:: тепла) и необогрепаемой почи.

Наличие а почве линеЕкшс переменных исгочшков тепла, рас- ■ полоненных параллельно ее поверхности-на определенной глу£:ше, создает двухмерное и да*;е трехмерное попе температур. зависящих от внешних условий я температурц cose ж источников renns (pite. I).

: Подоочканный обогрев киакопотенцкалы:o.'i водой (I7..,3S°C), дв:тжущейся в трубопроводах, позволяет шшкекть гешегагуру so во«

В 16.00 часов

В 7.00 часов

средне« за сутки

0Л

<м 0,6

1

Т

—а--и*

—

—«■

—и —

—«-

-й—

за

V —

N

до

/У /1

О Ы5 45

Д .1. I.

о д.1 V

О

Р а с■с т о я н и е,. и

Рис. I. ЗоршроБание температурного поля б почве в летняя период в зависимости от времени, суток. -

I - контроль; Z - обогреве расстояние» иезду трубами 1,0 м.

точках почвенного профиля- Зона максимальных градиентов температур сосредоточена в радиуса 10.,.15 см от трубы. Остальная часть почвенного профиля обогревается сравнительно разномерно по отдельным слоям. При этом, обогрев почвы оказывает большее влияние на слои почьи расположенные ниже труб, чем те, которые расположены выше их и ¿липе 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) на глубине 0,2 м составляет 3,1...б,1°С, а на глубине 1,6м - 5,1... 7,8°С. При перепаде температур води на входе и выходе труба длиной 370 м на Б..ЛЗ°С разница в температурах почвы на глубине 0,2 м в начале и конце доил составляет в среднем 2°С. Чтобы ушнь-пшгь влияние неравномерности в нагреве активного слоя почвы на развитие растеичй, особенно в весенний период, перепад в температурах вода 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 п уменьшении в дневные, наличии а слое О - 30 см ¡горизонтальной циркуляции тепла.

Почвенный обогрев приводит к заметному улучшению температурного режима поверхности почвы. Здесь существенно снижается опасность отрицательного воздействия весенних и осенив заморозков. В средней за вегетационный период температуры поверхности обогреваемой почвы выше на 0,6-Т,Д°С необогреваемой. .

Основное различие в температурных режимах контрольного л. ■ обогреваема участков проявляется в большем нагревании и прогревании последних в весенне-летний период и меньшем охлаждении в осекне-знмкгй дертод. При этом разница в температурах с глубиной увеличивается,'а по мере разряжения,сети обогревай кгх труб уменьшается. Максимальные значения тертческого зф$екга ъмела ■ место на глубине 0,2 и 0,0.« в летний период, а »¡а глубине 1,6 м в осеккий период к состаэилч соответственно 3,5...5,4°С, 5,1... 3,Э°С и 5,5..,8,7°С {рис. 2)'. Температура корне обятаетго слоя ■ лгобогреваемой потаи ье поднимаюсь в среднем за лето выше 17°С,' Обогрэв почвы способствопал повышении ее до в течение

21, ..53 дней {а зависимости ст расстояния метду трубаш). :

- Рис." 2.*.. Сезоякый ход термического эффекта от обогрева.. ■ X - расстояние между труйачи 1,0 а; 2 - 1,5 х; 3 - 2,0 к.

Продолжительность периода -с активными температурами почвы на глубине 0,2 м увеличивается на 19.,.21 день весной в 25...30 дней осенью, а периода с температурой выше 15°С- с 51 дня до П5...137 дней.

Увеличение периодов нагревания и повышение абсолютных значений температур в эти периоды проводит к увеличение суммы активных температур почвы (табл. 2}..

| Таблица 2.

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

Сумма активных тем- "Превышение обогрева ператур, иС ¡над контролем,ос -

Варианты

Обогрев е> 1,0 м 3355 1409'

Обогрев Е » 1,5 м 3094 1146

Обогрев Е s 2,0 Ы 2901 955

Контроль 1946

. Обогрев почвы позволяет увеличить сумму активных температур на глубине 0,2 м па 955...1409°С иди на 49,..72JÎ.

Влияние обогрева почвы на температуру, ггриэешлх сдоев воздуха невелико. Термический вффект 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 аффекта в ночные часы к уменьшении в днев-.ше,особенно под растительным покровом.

Влагоэапасы обогреваемой и необогреваемоЯ почвы отличаются незначительно, икепт общий характер изменения и зависят от частоты и интенсивности осадков. Однако, несмотря на общий характер изменения запасов влаги на исследуемых почвах, в их формировании . имеются и некоторое различия. ■ ' ■ ■..;* .

В верхнем слое (0...0,2 м) обогрев способствует уменьшению аапасов влага до 12. ,.14 особенно в ранкевесенниИ период. В ; слоях 0,2...'0,5 п С,5,..1,0 м,- наоборот, наблюдается некоторое ,

увеличение влажности по сравнении о контрольной почвой, что вызвано постоянным хе^мопереносш влаги пэ зона пришкеюодй я труба я межтрубное пространство, а также влиянием дренажа в засыпанные траншеи.

Установлено, что по мере разряжения сети обогревающих труб влаговапасы в верхнем слое (О,..О,2м) почвы увеличиваются, а в пожнем слое (О,Б.,.1,0), наоборот, уменьшаются.

В главе 4 ^Эффективность использования сбросных.теплых вод для обогрева открытого грунта" приведены результаты наблюдений эа работой системы обогрева и формированием температурного режима подаваемой и охяааденной вода в суточном и сезонном циклах*, дан сравнительный анализ вкоперименгального и теоретического распределения т ешературы в оды по длине гсфрироаанного я гладкоотен-ного трубопроводовI показано влияние обогрева почвы ка рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур) дается оценка эффективности тепловой мелиорации.

, Вабапдешш за температурным режимом вода показала, что в течение суток изменения ее температуры ыотут достигать 10°С, при" вгом максигллькая температура води набледается в дневное время суток, а минимальная - в ночное.

Сравнение температура веды на выходе из системы обогрева, экспериментального участка о температурой води после охлаждения в градирне ШнскойТЭЦ-4 показало, что в течение суток они на -выходе из систеш обогрева были ниже на1,1...Б,3°С весной, 1,0...4,2°С летом и 0,1.,.4,осенью. При »том максимальные значения имеет место днем, а минимальные - ночь». Указанный уровень охлаждения вода обеспечивалоя при подаче в систему обогрева 8,?..,16,0 яДд/о тепла весной, 14,7..,25,2 кЛж/о летом и : 6,7...21,7 кДж/с осенью. --

Сравнительные исследования гофрированных и гладкостеяиых полизтиленовых 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, описывавадп теплообмен метду тЕубаш и обогреваемым грунтом для стационарных условий, дают заниженные результаты. Поэтому, в суяесгаую-щуь теоркю должш быть внесены значительные изменения, учитывающие несташонарность процесса теплообмена в реальных условиях ■ п накопление тепла нпаележащим: горизонтами почвы, л^со пра

И

пользовании иш расчетные значения необходимо'увеличивать в 1,5...3,0 раза. Пря этой шньшаеэначеняя характерны дня весвн-нз-осеннвго перяодод, а большие - для летнего. Кроме возможности охлаждения воды в системах обогрева почвы имеет веяное эна-; чение влияние его ла урожайность сельскохозяйственных, культур.

Оптимизация температурных условия в почве способствует сокращении сроков созревания сельскохозяйственных культур на 7.*.14 дней, а таюсе значительному повышению урожайности (табл 3).

Расчет ойщой экономической эффективности показал, что дополнительные капиталов ложения только за счет получения ранних высоких урожаев окупаются л зависимости от параметров сястеш обогрева за 3 года. Поэтому ваш ¡о правильно рассчитать параметры систем.

¡Глава 5 "Математическое моделирование к расчет теплового режима обогреваемых почв" посвящена разработке методов расчета теплового режима обогреваемых почв; в ней дредлояеи метод рас- -чета мвктрубного расстояния в системах подцочвенного обогрева, а также расчет температура теплоносителя вдоль коллектора с равномерной раздачей расхода по длине.

'.. Анализ методов расчета теплового рекима почв, обогреваемых теплсносыелеы, двпвущимся в трубопроводах показал, что рекомендуемые Фо^кгеймером, О.Е.Власоаим, С. С. 1§татедадэе, И. А.Коффе, А.Н.Ложкиным, Е.П.ЩуОиным, Кеедриком и Хавенсом, Шапиро и Моран, Деда1», Гаопар и Слна я др. методы расчета не отражают реального теплообмена в обогреваемой почва из-за нестационарного характера тепловою потока, а также изменений суточного и сезонного на-.. копиекия тепла в почве. В теориях стационарных процессов эта из-мзнекпя не рассматриваются. :

Для решения дашюЯ задачи необходимо иметь математическое .описание.процесса формирования теплового решзш почвы с учетом, расположения источников тепла внутри кочна, лочвен!шх условий, характеристик агрофигоценоза и метеорологических факторов. Ш- ■■ дель должна отображать данампку процессов тепло- и массообмена • с учетом суточной ритмика капрютешеетч погсдеых условий, Б настоящее время известен ряд подобкш: ^юрмализаций (И.А.Иоффе, . Л.М.Альтшулер, А. А. Сандер, А.С. Еенусович, ВЛЛалещад Д.А.Кур-генер; ■А.Ф,%дновсдлЙ>, однако болцштистао из ш?с -аналитические к Позволяют производить расчеты лишь для.наиболее простше'-: случаев.

Таблица 3.

Влшше додштаеняого обогрева на урожайность сельенахсзяйствешш гультур (1930 г.)

флмура

Урогайносгъ по ц/га

вариантам,: Конт-¡Прибавка в урокайностп ; цсй„ : роль :от обогрева, % ,

д/га

£-1,0 и: Ея1,5 м: Ее2,о «:-.' : Е^.ом: Е =!,&>: Е=г,см:;

■Редяс (гесеннкй сев) Салат (вэсеньяй сег) - '; г. Картсфегь'(грескевая лосадка); Картерель (обнчная аосетка) ■ Огурца. 1-го срока сева:' . Огущц 2-го срака сева . Огтрщ'З-го срока гена ■ Редте (осеангй сев) ' Салаг (оеешЕй сев). . 7г.роп (осешшй сеэ)

164 405 ' 260 ^273 177

'26 133 : &4 20

260 339 260 254 154 27 . ** 95 ■34 16

203 .409 244 243 139 17

152 7,9

208 40,6

204 41,2

137 46,0

16 883,3

71,1 .38,5 . 27,5 35,8 755,7

33,6 42;0 19,6 29,9 672,2

65 . 45 173,3 Ш,Х 31 13 332,3 161,5 12 7 185,7 128,6

27,4

31.0 31,4 37,8 г?,4

12.1

44,4. 25,3 138,5 14,0 71,4 2,7

Поэтому для выяснения влияния теплофпзитеских характеристик почвы, метеорологических факторов, характеристик агрсфито-ценоза; а такие конструктивных л теплотехнических параметров, врутршточвенпых источников тепла на распределение температур! в почве нами использовано имитационное моделирование указанного процесса, позволяющее путем постановки численных эксперимен тов более эффективно решать поставленные задачи для обогревательной системы, выполненной а виде параллельных труб, заложен ныг в почву на одной глубине..

Распространение тепла в почве описывается уравнение теплопроводности

—*-Я » (1)

где Т - температура почвы I - горизонтальная координата

У - вертикальная координата} - время; а - коэффициент температуропроводности почв.

Область определения У и X обозначим черев

где Н - расстояние от поверхности почвы до нижней границы расчетной области; £ * - расстояние между источникам! тепла.

На. свободной поверхности рассматривали два возможных за- : рианта граничите условий: .

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

ПХ.У.Т)! = 4 . ( 2)

где X ,Т) -берем из акспервменталымх данннх. <

2) гадание теплового баланса, т.е^ условия равенства тепловых потоков через поверхность почвы '

ЗУ !»•» -

где Л - коэффициент теплопроводности верхнего* слоя почвы; В. - радиационный балансе коэффициент конвективного

теплообмена, определяемый по формуле Г.И.Афонасика ; г

: ¿ = 2.52 + 2,£7Р , ; (4)

где V - скорость ветра на высоте 2 м; Т (X . 0 . ^ ) - температура почвы на поверхности (при У » О) в момент времени *Г ; т* - температура воздуха; .1. - скрнтая теплота парообразования; Ео - скорость испарения.

На нижней границе расчетной области полагаем температурный режим известным

тех, * Х5)

где ( к . •С > - берем из экспериментальных данных.

Аналогичное условие на цилиндрическом источнике тепла

ТО/Г)\ . ___(6)

(гч.»".* + «.*

где Т (С) - температура источника тепла в момент времени Т ; • %» - радиус источника тепла.

На межтрублем расстоянии (абсцисса X » £72 ) условие непротекания, т.к. моделируется систематический обогрев

При X я О условна сиинетрин.

ат

¿л I

Задание начального распределения температуры Ч 1 (Х , У ) .формализуется запясьп *

Т**,«,^! «У (*,У, о) (?)

... Ь>у.

Задача ( I )... < 9 ) решалась численными методами, так как граничное условие 3-го рода п спорость области определена? исключают возможность аналитических решений.

Несопостявямость хара:стерных геометрических размеров об-" ласти речгеигл ( Р ,Н) требует использования сугубо кераа-жшерноЯ сеткз. В талой ситуация 1;э разпостник,методов паибо-' -лее удобно кспойьзов<лть метод конечных элементов (КС).

Разностная аппроксимация уравнения ( I ) приводит к его формальной записи ■ ■'

■ .'„¿у

и» ат а-т Л '

где Т* (х , у ) - аначекия температуры почвы на предыдущем шаге; значения температуры почва на последующем ваге. Идеология. ЖЭ основана на переходе о® дифференциальной эа-. дачи ( I ),..(. 10 ) к интегральной:

cut

где J> область определения; $ - граница области о уолот заем третьего рода* -

Область, определения сокрывает стационарной, неравномерной (логарифмической со радиусу) сеткой (рио*3).

' ,Г

ч

V4 \

■ \

V " ■ " ' Е ft It ■

* .

,?ио, 3,-Приедал построения расчетной треугольной сетки I - верхний треугольник разбиения; 2 - нижний , : треугольник разбиения четырехугольной ячейка.

Расчет узлов по радиусу производим по форифле

где Zi - расстояние i -го узла cexiyi на j -ом луче; Ej -расстояние от центра.источника тепла до границы области по направлению j -го луча; t =1, 2 ... 1< ; К - количество узлов на отрезке 1у

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

На каядом треугольнике интегральное уравнение ( II ) аппроксимируется плоскостью

■ ■ Т» ax*Su*c. , ( i3 )

где a ,£, с - постоянные в пределах рассматриваемого треугольника.

В результате подстановки ( 13 ) в ( II ) получаем систег^у алгебраически уравнений, которая эффективно решается методом исключения Гаусса, так как обладает необходимыми свойствами устойчивости. Созданная нами программа ZI Д/iC £ V использует модуль A/ovpstf , разработанный в БедЬШ.'.ЬВХ А.А.Новиковым. .

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

Апробация математического шисаштя с условием { 3 ) и сг-аа-нетсе температуры почвы с данными кепосредствонша наблюдений показали, что модель адекгатиа описывает натурный вкспергаент. ■

Численными экспериментами установлена устойчивость математического прогноза по начальным данный, что тазже подтвера-дает пригодность матр( tarn ческой модели для адекватного описа- ; пая физического процесса.

Расчетные зависимости, приведенные в работах Г.Гребера, И.А.Иоффе, Кендрика и Хавена не позволяют ВУраьнть расстояние между трубами в явнем виде. Поэтоцу для правильною выбора межтрубного расстояния в системах подпочве¡¡ного обогрева необходимо производить расчет ряда вариантов, изменяя его таким./-, образом, чтобы достичь оптимального соотношения между тепло- .

техническими, экономическими в гидравлическими показателями и требованиями к теплу корневой системы растений. Такая методика расчета требует значительных затрат времени и квалифицированного инженерно-технического труда.

Особенности предлагаемого метода расчета межтрубного рас-, стояния в системах подпочветгого обогрева заключается 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 резш!цу почвы.

При решении задач по определению тжтрубпого расстояния в сясгешх подпочвенного обогрева расчетными периодами являются: весенний и летнкй. Первый - после окончания снеготаяния -является основным, второй - проверочным. •

Тепловые расчеты на весенний период предусматривают обеспечение необходимой температуря на глубине заделюг семян к планируешь началу полевых работ и вегетация растений.

Проверочные расчеты на летний период ведут из условия обеспечения оптимальной температуры в корнеобитаемом слое почвы в этот перисд в соответствия с требованиями растений к тепловозу реяи1.5г.' '

На основании этого предложено расстояние между трубами < Е ) вычислять по зависимости:

а) в весенний период

б) в летний гериод

( 14 )

( 15 )

где 0> - удельна* теплоемкость воды; е - массовый расход вобы в трубопроводе; Т„ , Тч - температура воды ссответет-' верно в начале и конце трубопровода; I - длина трубопровода; т* - средляч температура на некоторой глубине У<к в почве; 1ч - сгедкя.4 температура в сдое почвы от поверхности до неко-

торой глубины У С Ч ; Ь. - расстояние от оси трубы до поверхности грунта; - коэффициент теплопроводности грунта; оС - суммарный коэффициент теплоотдачи гранта воэтопц путем конвекции, радиации и испарения.

Уравнения ( 14 ) и ( 15 ) справедливы арк У < к (С . .

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

Tfn ivni ; Т* «ой J

-

( 1« )

где T,t,... , - теаюратура теплопойа-

толя соответственно на участке коллектора 0-1, 1-2 и Г^-О-п-З ; т. - температура повзрхноста трубопровода в начале коллектора;

т,

Tft - температура поверхности трубопровода

соответственно в кокце нулевого, первого п ( а - I) участков коллектора; £ . - длина коллектора; Л,. , R^, , .... -

термическое сопротивление передаче т^пяа ст труоы в грунт соот-' ветствопно на участке коллектора 0-1, 1-2 и Ci^l- п.J ; -расход водо э начальном ссченсш коллектора; I — расстояние от начального до рассматриваемого сэченк.ч коллектора, отнесенное ко всей длине коллектора L (0 f X <; (); Г• . *£<,..•» -соответственно длина первого, второго и а - участков колсек- ■ тсра.

СШ1Е гглюда И ПИ20ШШШ

I. Сбросные тепшга ведн энергетических объектов и продах- : ленных предприятий сиедуат рассматриват ь не' кап неизбежные потери или загрязнители окружающей среди, а как noveтонально болькюй энерторесурс, пригодный,для торгк>мелиopeumi поча.

И

Тепловая мелиорация открытого грунта при помощи устройства ночеообогреваюсцих сзстем их труб, эалокгенлих в почву, по кото-, гик циркулирует сбросная теплая веда является технически возможном е эффективным мероприятием, позволяющим улучшить температурный режим почвы и охладить в пев воду для повторного исполь-зевакнл.

2. В условиях средней полосы БССР на автомор^мых супесчаных почвах подпочвенный обогрев оказывает влияние на сезонный ход температур почвы. Воздействие обогрева на температурный режим почв проявляется в большем нагреваичи и прогревании в весенне-летний период и меньшем охлаждении в осенне-зимний период. Это привели? к заметномуулучшении температурного режима поверхности почвы. Существенно снижается опасность отрицательного воздействия весенних и осенних заморозков. Обнаружено, что обогрев в среднем за вегетационный период (17 — X) позволяет повысить температуру поверхности почвы ка 0,6...1,3°С, а на глубине 0,2 и 1,6 м соответственно на 3,1.,.бД°С и 5,1.,.7,8°С в зависимости от расстояния между трубами.

Продолжите явность периода с активными температурами почвы на глубине 0,2 м увеличивается на 19...21 день весной и 25...30 дпей оезкыо, а периода с температурой выше 15°С - с 51 дня до И5.. .137 дней. Это приводит к увеличению сушы активных температур ка 955.. Л409сС или на 49.. .72? (в зависимости от расстояния между трубами).

З.Элагсзапасы обогреваемой и необогреваемой почвы отличается незначительно, имеет общий характер изменения и зависят от частоты и интенсивности осадков.

•В условиях подпочвенного обогрева происходит частичный перенос влаги из зоны пришкаадей 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...0,60 м с расстоянием 1,5 м друг от дигга, обеспе- . т^вает стабильное охр эвде нио воды как в течение суток, так ив ; течение теплого периода (ТУ - X) года на 7,..И°С с удельным среднесуточным теплосъемом от 20 до 40 Вт/я При втом, максимальное охлеждегте води наблюдается днем, а мивамалг-ное -ночь». '

. 5. Известные теоретические зависимости, описываваде гаплэ-обмзн между трубами и обогреваемым грунтом для ставдокарнпх ус-' ловий, дают заниженные результаты.

Установлено, что из всего поступающего из систеш обогрева тепла к внеишей поверхности земли отводится веснса и осенью^ 50...60Й и летом 30...405». а в почву пике труб - соответственно,' 40...50Я И 60,..70$.

6. Разработана математическая модель расчета теплового режима почв, обогреваемых,внутренними источниками теила, проведена верификация иоде л а. . • ;■

Показано, что путем часлеыного эксперимента можно рассчи- : тать."межтрубное расстояние и уточнить состав ляючдв водного и теплового баланса. '

7. Получены теореуичесюга зависимости для расчета шитруб-иого расстояния в системах подпочвенной) обогрева и температуры теплоносителя вдоль коллектора с равномерной раздачей расхода по длине, которые рекомендуется использовать при проекта-рованх! мелиоративнше систем с обогревом почв системой труЗ, уложенных. н:те пахотного слоя, по которнк пропускается тепло-; носитель - вода. *,

8. Подпочвенный обогрев автоморфных супесчаных почв о ус- ,-, лов^лх Белоруссии способствует повыше пню урожайности редяса на . 7,9...71.15. салата на 38,С...42,СЙ, картофеля 'раннего па 19,6,. 45,0-^, огурцов на С72,2...8£3,3^, укропа ьа 71,4...185,сся-■ращвкяо сроков ах созроаания на 7. . ,14 дней к получению повтори пых урскаеа. Особгнно эффектиини такие звенья культурооборота '.. как родне -г огурцы, картофель ранний редкой огурцы + ■ редис. '

ОСНШШЕ ПУБЛ1КЫШ ПО ТЕМЙ ДККЕРТАЦИИ

1. Использование сбросных теплых вся ГЭС (АЗС) У сельском ' хозяйстве// Совершекствованпе системы управления и контроля «с-': пользования п охраны.вод в СССР на базе объедпнениа рпшолаль-', к« водохйзяйственЁшх систем: Тез. докл. Ссесоюз. наузко-техни-' ческаго сочетания. Свердловск, 198?,-с. 132. (в соавторство). •

2. Псдпочвешшй сЗогрев и орогенпе" сбросным! тепдш.п вода-ш по б 5 р5>ори ровзшшм трубопровода)* // Достиг^ н^я 1Ш1 - в (¿е лро-рацню и вэдгюо хозяйство: Тез. докл. республиканской научно- . технической конференции, Часть Ц, Ровно, ИИЙХ, 1037, с. II..

(ц согатсрстве). ■ ' ( .

Тепловые отходы при энергетических объектах и проблема их утилизации // Проблемы комплексного использования и охраны водных ресурсов Белоруссии и Украины. Материалы научной конференции молодых ученых и специалистов ЦШШСШР и БелНИИМиВХ.. Дег.он. рук. 6 декабря I9Ö7 r.,,JS 475 (о соавторстве). • ■ ■ 4. Вопросы расчета'подпочвенного обогрева-грунта циркуляционными водами ТЭС (АЗС) но перфорированным трубопроводам //. Водное хозяйство и гвдротехпгческоа строительство. - Шнек, 1993. Был. 17. - с. 44-48 (в соавторстве). .

5, Термомедкорация на базе сбросных теплых вод электростанций // Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях их нарастающего дефицита: Тез. докл. Всесоюз. конференции молодых ученых. (5-9 сентября 1988 г.). Ташкент, НПО CAíESmi, 1989. с. 90 (а соавторстве). -

6, Гасчет межтрубного раостояния в системах подпочвенного обогрева // Паучио-техн. икформ. по мелиор. и водн. хоэ-ву / tólHBonxoa БССР. - Шнек, 1988, * 10 - с. 35-18, ' - ■

7,-Необходимость и перспективы использования сбросных теплых вод электростанций // IVдравпико-экологичеекке аспекты, обоснования всдохоаяйотвенннх мероприятий. - M.Y ВНИИПМ, 1?89.-

-о. 126-13I. "

Подписано к печати 10.06.91. Формат G0x84 I/I6 Обьем 1,2 п.л.-

Тиран 100 »га. Заиаэ 152 ,

Минск, ЕелШИиВХ, М,Горького, 153