авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов

-- [ Страница 2 ] --

Рис. 1. Массив искусственного фирна высотой 6,7 м, намороженный менее чем за сутки при непрерывной работе дождевателя ДДН-70 (дождеватель дальнеструйный навесной, радиус дождевания 70 м) при температуре воздуха –17оС

Известно, что при небольшой интенсивности льдообразования намораживаемый лед имеет небольшую соленость. Растущие кристаллы льда отторгают от границы кристалла различные примеси и соли. При высокой скорости намораживания соленость получаемого льда незначительно отличается или практически совпадает с соленостью исходной воды [Голубев, 1999]. Растущие ветви кристалла захватывают в большом количестве ячейки рассола. Это привело к тому, что искусственное льдообразование не нашло широко применения в опреснении соленых вод.

Поэтому, наряду со значительным (в десятки раз) повышением интенсивности льдообразования необходимо добиться создания массивов ледяного материала с небольшой минерализацией. Эту проблему решает применение ИФЛМ, намороженных методом зимнего дождевания в определенном режиме с учетом метеорологических условий (метод факельного вымораживания). При отрицательных температурах воздуха и падении с многометровой высоты на поверхности капель воды со средним диаметром 1,5 мм образуется ледяная оболочка толщиной до 0,15 мм, которая при падении разрушается и освобождает заключенный в ней незамерзший рассол. В результате в массиве искусственного фирна остается рассол в основном в виде пленочной влаги. За 1 ч из капельного факела на подстилающую поверхность выпадает более 100 млрд. капель. Из осколков ледяных оболочек капель быстро (20–70 см/ч) растет в высоту массив искусственного фирна с небольшой минерализацией.

В настоящее время разными организациями, с учетом проведенных нами исследований, разработаны инструкции, пособия, методические рекомендации, нормативные документы по применению зимнего дождевания для решения разнообразных народно-хозяйственных задач. Разработаны и защищены патентами РФ возможные способы и технологические схемы применения зимнего дождевания для опреснения минерализованных сточных вод. Однако многие теоретические и практические вопросы формирования ИФЛМ, исследование их гидротермического режима, опреснения и эффективного применения для защиты водных ресурсов от загрязнения потребовали дальнейшего развития и разработки.

Глава 2. Гидротермический режим факела искусственного дождя при формировании искусственных фирново-ледяных массивов

Для расчета льдообразования в капельном факеле существует несколько подходов. Один из них заключается в определении распределения температуры воздуха в капельном факеле из решения уравнения теплопроводности с источником тепла. Мощность источника тепла определяется из условия теплообмена между каплями воды и окружающим их воздухом. Скорость вентиляции капельного факела определяется как разность между скоростью ветра и скоростью сноса капель воды. На основании известного значения температуры воздуха на входе и выходе из факела можно рассчитать потери тепла на льдообразование. Другое решение получается из уравнения теплового баланса для всего факела в целом при условии, что тепло, выделяющееся при замерзании капель, компенсируется за счет притока холодного воздуха извне.

Различия в рассматриваемых моделях заключаются в следующем. Первая модель основана на положении о постепенном повышении температуры воздуха по длине факела: от температуры окружающего воздуха в начале до своего максимального значения в конце факела. Тогда как в основе второй модели лежит предположение о полном перемешивании воздуха в факеле и установлении определенного перепада температур между ним и окружающим воздухом.

Чтобы использовать эти модели для расчета конкретных дождевальных установок, необходимо знать средний радиус капель. Поэтому на первом этапе по этим моделям обрабатываются отдельные экспериментальные результаты в целях определения среднего радиуса капель, и затем можно сделать прогноз для разных метеорологических условий. В этом случае расчет интенсивности льдообразования (процент замерзшей воды) по обеим методикам дает близкие результаты с точностью до 10–13%. При этом расчеты по первой модели дают большие значения процента льда в факеле, чем по второй.

Первая модель используется при расчетах технических систем охлаждения с фиксированной в пространстве поверхностью теплообмена. Однако в капельном факеле его структура и положение в пространстве зависят от скорости ветра. Так, даже небольшое колебание мгновенной скорости ветра на 0,5 м/с приводит к смещению факела в пространстве на 1,5–2,0 м и изменению структуры капельного потока. При постоянной скорости ветра происходит дифференциация капельного потока по размеру капель: первыми по направлению скорости ветра располагаются крупные капли, затем капли меньшего диаметра. Такое естественное распределение и определяет температурный режим факела. Однако при снижении мгновенной скорости ветра быстро меняется структура капельного потока: капли большего диаметра в большей степени сохраняют прежнюю траекторию движения, а капли меньшего диаметра падают перед крупными или в их зоне. Поскольку наиболее интенсивный теплообмен происходит в мелкокапельной части факела, то здесь и более значительное повышение температуры воздуха, определяющее температурный режим остальной части факела. При повышении скорости ветра восстанавливается естественная структура капельного потока и затем периодически повторяется его перестройка. При этом, как уже было отмечено, установление стационарного распределения температуры воздуха происходит через определенное время.

Таким образом, пульсационный характер мгновенной скорости ветра и зависимость от него структуры и положения в пространстве капельного потока приводят к частичному перемешиванию и определенному выравниванию температуры воздуха по длине факела. Перемешиванию воздуха в факеле способствует и динамическое воздействие капельного потока. Поэтому при теплофизических расчетах капельного факела в естественных условиях предпочтительнее использовать теплобалансовую модель с перемешиванием воздуха. Ее применение не завышает значений интенсивности льдообразования. Еще одно преимущество этой модели – более удобный вид формул для расчета процесса факельного намораживания льда из соленой воды, что позволяет находить решение в квадратурах.

При зимнем дождевании происходит переохлаждение капель воды. Уменьшение интенсивности льдообразования при переохлаждении воды вызвано снижением температуры поверхности капли, уменьшением перепада температур между поверхностью капли воды и воздухом и ухудшением теплообмена. Для оценки влияния этого фактора на интенсивность факельного льдообразования рассмотрено решение нестационарного уравнения теплопроводности в сферических координатах и распределение температуры в капле воды. Сравнение потери тепла каплей воды при ее переохлаждении и без учета этого явления показало, что при температуре воздуха –20°С производительность факельного намораживания льда снижается на 5% для капель воды диаметром 1 и 2 мм при переохлаждении до –8 и –6°С соответственно. Экспериментальные исследования показали, что ледяная оболочка на большинстве капель воды появлялась в течение 1–2 с. Переохлаждение воды в этом случае составляет –1…–3°С. Полученные результаты свидетельствуют о том, что влиянием переохлаждения капель недистиллированной и неочищенной воды на замерзание искусственного дождя при диаметре капель 1–2 мм можно пренебречь.

Одним из важных параметров процесса теплообмена в капельном факеле является скорость ветра, влияющая на скорость вентиляции факела. Ее влияние на интенсивность льдообразования зависит от параметров капельного факела. При увеличении высоты факела интенсивность льдообразования возрастает, несмотря на уменьшение скорости вентиляции факела. Один из способов повышения эффективности льдообразования в капельном факеле – уменьшение размера капель, что приводит к более интенсивному теплообмену. Однако при этом убывает и скорость вентиляции факела. Поэтому при уменьшении размеров капель ниже оптимальной величины эффективность льдообразования может понизиться. Это быстрее наступает при небольших скоростях ветра. При высоте факела 20 м и скорости ветра 1–3 м/с эффективность льдообразования достигает максимума при радиусе капель порядка 0,5–0,6 мм. При увеличении скорости ветра оптимальный радиус капель, при котором отмечается наибольшая эффективность льдообразования, уменьшается. При скорости ветра 3 м/с получена одинаковая эффективность льдообразования для капель радиусом 1 и 0,25 мм, но в последнем случае затрачивается больше энергии на дождевание или сокращается расход воды, что приводит к снижению экономичности и производительности намораживания ледяного материала.

При скоростях ветра до 3–4 м/с ветер мало влияет на величину среднего радиуса капель. Более сильный ветер сказывается на распределении плотности искусственного дождя, спектре капель и высоте факела. Поскольку рост коэффициентов тепло- и массообмена при увеличении скорости ветра частично компенсируется его отрицательным воздействием на параметры капельного факела, эффективность процесса льдообразования повышается слабо. Этот факт, подтвержденный экспериментально, позволил упростить расчетные зависимости процентного содержания льда в факеле Pф1 и записать их в следующем виде:

(1)

где , ; S – ширина факела; h – высота факела, соответственно; v1 – скорость вентиляции факела; вд – плотность воды; L и Lи – теплота плавления и испарения льда; G – расход воды дождевальной установкой; cв, в – теплоемкость и плотность воздуха; Tпк –температура поверхности капли; Tв – температура воздуха; e – плотность насыщенного водяного пара; f – влажность воздуха; R – средний радиус капель; т и и – коэффициент тепло- и массообмена падающей капли.

Экспериментальные значения процента льда, образующегося в факеле, аппроксимируются зависимостью

P фэ = (3 1,2tв)(0,875+0,026vв), (2)

где tв –температура воздуха, °С; vв –скорость ветра, м/с.

Расчеты по упрощенной теоретической зависимости (1) дают несколько лучшее соответствие данным экспериментов по сравнению с зависимостью (2) и позволяют оценить влияние метеорологических условий и параметров капельного факела на интенсивность льдообразования.

Влияние скорости ветра на льдообразование более значительно для капель меньшего радиуса. Так, при росте скорости ветра от 3 до 9 м/с величина Pф1 увеличивается в 1,25 раза при R = 0,5 мм и в 1,02 раза для капель радиусом 1,5 мм соответственно, а интенсивность льдообразования для капель воды радиусом 0,75 мм растет на 10%.

Эффективность льдообразования в капельном факеле определяется не только метеорологическими условиями, но и параметрами капельного факела. К ним относятся: радиус капель, высота факела, расход воды дождевальной установкой. Варьируя значениями этих параметров, можно добиться оптимальной производительности намораживания при данных метеорологических условиях. Результаты расчетов влияния размера капель и расхода воды дождевальной установкой на рост температуры воздуха в факеле, процент льда и производительность намораживания искусственного фирна при температуре атмосферного воздуха –20°С, скорости ветра 5 м/с и высоте факела 18 м представлены на рис 2. При небольших расходах воды льдосодержание факела постоянно снижается с ростом размера капель, так как капля воды падает в воздухе с температурой, близкой к температуре атмосферного воздуха (рис. 2а). Тогда как при больших расходах воды льдосодержание факела максимально в диапазоне радиуса капель 0,6–0,8 мм. Это обусловлено тем, что при больших размерах капель воды рост скорости вентиляции факела ветром не компенсирует снижение интенсивности тепло- и массообмена. При небольших размерах капель уже рост интенсивности тепло- и массообмена не компенсируется снижением скорости вентиляции факела.

Повышение расхода воды приводит к снижению эффективности льдообразования (рис. 2б). При этом происходит рост производительности намораживания ледяного материала (рис. 2в). При расходе воды 0,512 м3/с максимум производительности намораживания ледяного материала наблюдается для капель воды радиусом 0,8 мм. При меньших расходах воды оптимальный размер капель снижается.

 Рост температуры воздуха в факеле (а); процент льда в факеле (б)-5


 Рост температуры воздуха в факеле (а); процент льда в факеле (б) интенсивность-7

Рис. 2. Рост температуры воздуха в факеле (а); процент льда в факеле (б) интенсивность намораживания (кг/с) льда (в) для капель радиусом 0,5–1 мм при расходах воды дождевальной установкой: 1 – 0,512; 2 – 0,256; 3 – 0,128; 4 – 0,064; 5 – 0,032; 6 – 0,008 м3/с

При росте высоты факела скорость сноса капель воды приближается к средней скорости ветра. В результате ухудшаются условия вентиляции факела и растет температура воздуха в факеле. В то же время в результате увеличения времени падения капли растет льдосодержание капли воды и производительность намораживания ледяного материала.

Для прогнозирования эффективности и возможности применения метода в конкретных физико-географических условиях на основе анализа климатических условий холодного периода года, приведенного в климатическом атласе СССР (1960), дана оценка потенциальных объемов намораживания ИФЛМ. С этой целью впервые построена карта возможных объемов намораживания ИФЛМ за холодный период года (при средних месячных температурах воздуха ниже –5°С) на территории России (рис. 3) и посуточно за каждый холодный месяц с применением эмпирической зависимости (2).

Расчеты показали, что производительность намораживания льда изменяется от 10–20 тыс. м3 в водном эквиваленте в южных регионах России до 500 тыс. м3 в наиболее холодных районах при работе одной дождевальной установки ДДН-70 средней производительности.

Учитывая высокую производительность метода факельного намораживания, формирование ИФЛМ в выбранной точке может производиться в течение суток. В октябре и апреле суточная производительность намораживания фирна составляет на севере Западной Сибири и Якутии 700–1000 т, а с декабря по февраль превышает 2000 т. После падения замерзающих капель на поверхность земли продолжается замерзание незамерзшей части воды за счет теплообмена с воздухом. Однако интенсивность замерзания воды при этом значительно меньше, по сравнению с капельным факелом.

 Потенциальная аккумуляция ИФЛМ методом зимнего дождевания за холодный период-8

Рис. 3. Потенциальная аккумуляция ИФЛМ методом зимнего дождевания за холодный период года (тыс. тонн)

Так, для капель радиусом 0,75 мм вклад теплообмена с основанием на суммарное льдообразование при скорости ветра 1 м/с изменяется от 0,4% при –5°С до 0,5% при –40°С. Тогда как при скорости ветра 9 м/с эта величина изменяется от 6% при –5°С до 9% при –40°С. Поэтому возможен учет дополнительного намораживания за счет поверхностного теплообмена с применением эмпирической формулы В.А. Бобкова (1977). Для этого построены карты суточного намораживания воды за счет поверхностного теплообмена с учетом, как температуры воздуха, так и скорости ветра. На них видно, что в районах с близкими отрицательными температурами воздуха, но разными скоростями ветра, производительность послойного намораживания льда может отличаться в несколько раз. Карта изолиний потенциального искусственного намораживания льда за холодный период года методом тонкослойного налива, приведенная в работе [Ходаков, 1978], построена при интенсивности намораживания 1 см воды на 1 градус отрицательной температуры воздуха, что приблизительно соответствует скорости ветра 4 м/с.

При решении таких задач, как строительство искусственных ледяных сооружений на шельфе арктических морей, опреснение воды и т.п., применяются морские, соленые поверхностные и подземные воды. При повышении солености намораживаемой воды снижается интенсивность намораживания. При более низких температурах воздуха это снижение менее значительно. Для учета этого влияния можно использовать коэффициент снижения интенсивности намораживания соленой воды (рис. 4).

 Снижение интенсивности намораживания воды соленостью: 1 – 15 г/л; 2 – 35 г/л; 3 – 60-9

Рис. 4. Снижение интенсивности намораживания воды соленостью: 1 – 15 г/л; 2 – 35 г/л; 3 – 60 г/л; 4 – 100 г/л; 5 – 150 г/л

Глава 3. Гидротермический режим искусственных фирново-ледяных массивов

Практический опыт применения ледяных бунтов, намороженных методом тонкослойного налива из соленой воды для целей опреснения, показал, что для повышения эффективности опреснения температура намороженного соленого льда должна быть не ниже –4…5оС, чтобы таяние ледяного массива началось при небольшой положительной температуре атмосферного воздуха [Апельцин, Клячко, 1968]. Это же требование, способствующее, в частности, уменьшению минерализации фирна к началу периода активного таяния, применимо и к фирновому массиву. В противном случае, в наиболее благоприятные для опреснения условия, с небольшими температурами воздуха будет происходить только нагревание массива. А опреснение будет происходить в условиях интенсивного таяния, что даст более низкий выход пресной воды.

Поэтому актуальным является исследование температурного режима минерализованной фирновой толщи под снежным покровом к началу периода ее таяния. Другой причиной изучения температурного режима фирнового массива к началу периода его таяния является оценка возможности образования ледяных прослоек в минерализованном фирне при таянии. Их появление может снизить эффект промывки массива талой водой.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.