Размораживание водонапорной башни при помощи ионного нагревателя

МУНИЦИПАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА

(МКОУ   «ДРАКИНСКАЯ СОШ»)

Размораживание водонапорной башни при помощи ионного нагревателя

                                          Выполнил: ученик 8 кл. Сериков Павел

        Руководитель: Михайлова Н.А.

        2014 год.

Введение

Однажды зимой в нашем селе Дракино возникла проблема- замерзла водонапорная башня (рис.1), из-за чего чуть было не пострадали детский садик, наша Дракинская школа, частные дома и организации, потребляющие воду из этой башни. Меня заинтересовала проблема, какие существуют способы размораживания таких башен, возникло желание попробовать предложить способ размораживания воды в башне. Я занялся изучением проблемы и получил результаты, с которыми хочу вас познакомить. Итак…

Водонапорная башня Рожновского.

Цельнометаллические необогреваемые Водонапорные башни такого типа были сконструированы еще в 1936 году инженером Рожновским А.А. ,за их создание и внедрение он был удостоен звания Лауреата Сталинской премии. С тех пор водонапорные башни системы Рожновского получили свое широкое распространение.   Сегодня, более чем через 78лет,  пейзаж России и стран Ближнего Зарубежья украшает более 400 тысяч действующих башен Рожновского и до сих пор устанавливаются новые.

Конструкция башен.

        Конструкция башен (рис.2) представляет собой вытянутую цилиндрическую форму, состоящую из бака вместительностью 15, 25, 50 м3, и цилиндрической опоры, высота которой варьируются от 9 до 25 м.

Недостатки башен.

Не смотря на то, что система водоснабжения с водонапорной башней Рожновского благодаря своим качествам является классической для малых населенных пунктов и некоторых промышленных предприятий она имеет ряд существенных недостатков, одним из которых является трудность использования в зимний период, особенно возрастающая при уменьшении водопотребления. В башнях Рожновского из-за неисправности автоматики практически постоянно наблюдаются переливы воды и замерзание ее на стенах. А замерзание переливающейся жидкости, в свою очередь, приводит к  разрушению конструкции и падению водонапорной башни.

Как же размораживают такие башни в случае замерзания? 

Если срочно, то кострами (рис.3), строительным феном. Я знаю одну автомойку, где с этого начинается рабочий день. Естественно, имеется в виду, что заморожен не весь резервуар, а вода в трубе.

В остальных случаях, к сожалению, единственным выходом является ,увы, ждать весны

Обычно при замерзании водонапорных башень их отогревают открытым огнем. Рассмотрим, что происходит при отогревании башни костром (рис.4).

Вокруг башни кладут баллоны, дрова, ящики и т. д. и разводят костер. Так как огонь горит в нижней части башни, лед оттаивает сначала там и по водопроводной системе вода уходит из нижней части башни (рис.5), а это место остается пустым. Металл в этом месте разогревается до большой температуры и деформируется. Под тяжестью верхнего слоя льда башня может упасть (рис.6). А это, в свою очередь приведет к замене башни, что обойдется в сотни тысяч рублей.

Предлагаю способ размораживания водонапорной башни при помощи ионного нагревателя.

Ионный нагреватель был создан в середине прошлого века предприятиями оборонного комплекса для нужд подводного флота СССР, в частности — для отопления отсеков подлодок с дизельными двигателями

Принцип работы ионного котла основан на прямом взаимодействии теплоносителя, занимающего пространство между анодом и катодом, с электрическим током. Прохождение электрического тока через теплоноситель вызывает хаотичное движение положительных и отрицательных ионов: первые движутся к отрицательно заряженному электроду; вторые — к заряженному положительно. Постоянное перемещение ионов в сопротивляющейся этому движению среде вызывает быстрый нагрев теплоносителя, чему особенно способствует перемена ролей у электродов — каждую секунду их полярность меняется 50 раз, т.е. каждый из электродов в течение одной секунды 25 раз будет анодом и 25 — катодом, поскольку они подключены к источнику переменного тока частотой 50 Гц. Следует отметить, что именно столь частая смена заряда у электродов не позволяет воде разложиться на кислород и водород — для электролиза необходим постоянный электроток. Таким образом, электроды, установленные в емкости ионного котла, напрямую не участвуют в нагреве воды и не нагреваются сами — за повышение температуры воды отвечают положительно и отрицательно заряженные ионы, расщепленные под воздействием электротока из молекул воды. Важным условием эффективной работы ионного котла является наличие омического сопротивления воды на уровне не более 3000 Ом при 15°С, для чего этот теплоноситель должен содержать определенное количество солей

 Отмечу все плюсы:

• высокий КПД, близкий к 100% (впрочем, любой электронагреватель имеет КПД не ниже 96%);
• крайне малые размеры при высокой мощности, по сравнению с любыми другими котлами;
• перепады напряжения в электросети не наносят вреда ионному котлу — меняется лишь его мощность, работа не прекращается;
• полностью отсутствует негативное воздействие на окружающую экологическую обстановку.

Как же применить ионный нагреватель для размораживания башни?

Теоретическое обоснование.

Известно, что вода в водонапорную башню подается при помощи электронасоса, следовательно, можно воспользоваться электроэнергией.

В нашей башне вода заливается в среднем в объеме 10 м3. Рассчитаем количество теплоты, необходимое для нагревания льда от-30 0 С до 0 0 С и  плавления  этого льда.

Ө1=с ∙m∙Δt=2100 Дж/кг 0С∙10000кг∙30 0С=63∙107 Дж

Ө2=λ∙ m=340 кДж/кг∙10000кг=340∙107 Дж

Ө= Ө1+ Ө2 =63∙107 Дж +340∙107 Дж=403∙107 Дж

График процесса (рис.7)

Рассчитаем время, которое необходимо затратить, чтобы растопить весь лед в башне. При максимальной мощности электросети 50 кВт без ущерба для других потребителей  агрегат растопит лед за время

t=403∙107 Дж/50∙103 Вт=8,06∙104 с=22,4ч.

При стоимости 1кВт∙ч 2,02 р на осуществление процесса понадобится 22,4ч∙50кВт∙ч∙2,02р= 2262 р. Если сравнить эти затраты с затратами на замену башни в несколько десятков тысяч рублей, мы видим, что выгода очевидна.

Кроме того, для восстановления функционирования башни нет необходимости растапливать весь лед сразу. Можно проделать сквозной канал сверху донизу. Для этого можно воспользоваться ионным нагревателем с преимуществами которого мы познакомились ранее (рис.8). На увеличение к.п.д.  такого элемента влияет еще то, что в качестве нагревательного элемента используется сама вода.

Конструкция устройства выполняется в виде цилиндра с закрытым куполом, что позволяет нагретой воде циркулировать между электродами и постепенно растапливая лед, устройству опускаться вниз (рис.9).

Купол можно  изготовить из диэлектрического материала ( можно пластмассовый).

Внутри находятся 3 электрода , которые подключаются к трехфазной электросети. Между этими электродами происходит хаотическое движение положительных и отрицательных ионов, которое нагревает воду.

Рассчитаем количество теплоты, необходимое для того, чтобы растопить лед и проделать тоннель.

 Диаметр тоннеля 15см, высота 10м.

Объем тоннеля

V =πd2∙ h / 4 =3,14∙(0,15м)2∙10м /4=0,18м3

Масса льда m=ρ∙v=900 кг/м3∙0,18м3=162кг

Рассчитаем количество теплоты, необходимое для нагревания льда тоннеля от-30 0 С до 0 0 С и  плавления  этого льда.

Ө1=с ∙m∙Δt=2100 Дж/кг 0С∙162кг∙30 0С=1,02∙107 Дж

Ө2=λ∙ m=340 кДж/кг∙162кг=5,5∙107 Дж

Ө= Ө1+ Ө2 =1,02∙107 Дж +5,5∙107 Дж=6,52 ∙107 Дж

Рассчитаем время, которое необходимо затратить, чтобы растопить тоннель в башне. При максимальной мощности электросети 50 кВт без ущерба для других потребителей  агрегат растопит лед за время

t=6,52∙107 Дж/50∙103 Вт=1304 с=0,36ч.

При стоимости 1кВт∙ч 2,02 р на осуществление процесса понадобится 0,36ч∙50кВт∙ч∙2,02р= 36,3 р.

При расчетах не учитывались потери на окружающую среду ( лед вокруг тоннеля) , но выгода очевидна.

Список литературы

• Пелевин В. О. Водонапорная башня, 1996.

http://gidroznatsi.narod.ru/obystroystvo_skvazin/Vodonapornaia_bashnia.htm

http://ivesc.ru/zamena_bashen_rojnovskogo

http://www.rmnt.ru/story/heating/424199.htm

http://forum.samstroy.com/index.php?topic=1962.0

Рис. 1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Рис.6

Рис.8

Рис.7

Рис.9