Теория и практика разработки экологически безопасной технологии строительства дорог с использованием солнечной энергии.

Защита состоится « » 2009 года в 00 часов на заседании диссертационного Совета Д 14.13.02 при Таразском государственном университете им. М. Х Дулати по адресу: 0800012, город Тараз, пр. Толе би,60. Телефоны: 8 (7262) 432750. Веб сайт: tarsu. kz/. Е-mail: info@tarsu. kz.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М. Х Дулати по адресу: 0800012, город Тараз, пр. Толе би,60.

Автореферат разослан « » 2009 года.

Общая характеристика работы. Последние десятилетия очень остро стала задача борьбы с загрязнением окружающей среды. Уровень загрязнения атмосферы в транспортно-промышленных центрах значительно превышает нормативной базы. Это обусловлено тем, что именно в мегаполисах расположены транспортно-промышленные комплексы, выбрасывающие в атмосферу большое количество газообразных и твердых отходов производства. Стремительно растет количество транспортных средств. что сопровождается выбросом углекислого газа и других различных примесей. Все это приводит к глобальным нарушениям экологических систем.

О необходимости сохранения чистоты окружающей среды изложено в статьях 31 и 38 Конституции Республики Казахстана. Большое значение для совершенствования охраны окружающей среды имеет введенный в 2007 году Экологический Кодекс РК.

Для улучшения экологической обстановки в транспортно-промышленных мегаполисах эффективным было бы использование энергии, уменьшающей выбросы в атмосферу. Использование традиционных углеводородов или твердых топлив будет сопутствовать глобальному потеплению климата.

Одной из передовых технологий, уменьшающей загрязненность атмосферы, является использование солнечной энергии. Солнечная энергия относится к возобновляемым, экологически чистым, неисчерпаемым источникам получения энергии. С этой точки зрения технологию утилизации солнечной энергии можно отнести именно к новым передовым технологиям, сокращающим выбросы в атмосферу. Ключевой вопрос в использовании лучистой энергии Солнца разработка. оптимизация, конструирование и производство гелиотехнических установок и систем, имеющих высокую эффективность при допустимых затратах.

Потенциальные возможности энергетики, использующей непосредственно солнечную радиацию, во вем мире в целом. в Казахстане в часности, чрезвычайно велики. В связи с этим возникает необходимость разработки экологически безопасной технологии транспортного строительства с использованием солнечной энергии.

Актуальность работы. Среди проблем защиты окружающей среды актуальной является охрана воздушного бассейна транспортно-промышленных мегаполисов, так как загрязненный воздух ухудшает экологические условия. Для сохранения чистоты среды обитания требуется решать задачи ограничения выбросов действующих предприятий и оптимального размещения вновь создаваемых транспортно-промышленных объектов с учетом допустимых нагрузок на экологически значимые зоны. В настоящее время в любой стране целесообразно с экономической точки зрения использовать неисчерпаемый источник солнечной энергии, не загрязняющий окружающую среду.

Разработанная, в развитие основных стратегических документов, «Концепция государственной транспортной политики Республики Казахстан» определила главные цели опережающего развития транспортного комплекса для повышения эффективности транзитных перевозок по территории Республики Казахстан, удовлетворения имеющихся и прогнозируемых потребностей в транспортных услугах, улучшения их качества.

Это ставит перед строителями автомобильных и железных дорог задачи быстрейшей ликвидации бездорожья и приведения сети дорог в стране по ее густоте и качеству в соответствие с требованиями народного хозяйства и автомобильного транспорта. Ремонтные работы на автомобильных и железных дорогах в транспортно-промышленных мегаполисах требуют сосредоточенности большого количества дорожных и путевых машин, резко загрязняя атмосферу больших городов.

Отходы от действия транспортных средств накапливаются, загрязняя грунтовую почву. Пока не найдено эффективное экологическое решение изоляции нефтезагрязнений при отмывке поверхностей деталей подвижного состава, обезвреживании придорожной почвы от ионов тяжелых металлов.

Можно констатировать. что вопросы уменьшения загрязненности транспортно-промышленных мегаполисов за счет применения возобновляемых, экологически чистых, неисчерпаемых источников энергии при строительстве и ремонтных работах на автомобильных и железных дорогах в мегаполисах представляет собой самостоятельную, актуальную, социально-значимую, экологическую проблему.

Основная идея работы заключается в использовании солнечной энергии для: тепловой обработки асфальтобетона, экологически безопасного слива нефти из железнодорожных цистерн, обезвреживания нефтезагрязнений и ионов тяжелых металлов на железнодорожном транспорте.

Цель работы заключается в разработке и создании научно-обоснованных, экологически безопасной технологии изготовления материалов для транспортного строительства с использованием солнечной энергии.

Для достижения поставленной цели решены следующиее задачи.

- на основе системного анализа дать оценку воздействия железнодорожного и автомобильного транспорта на окружающую среду.

- разработать теоретические основы использования солнечной энергии с применением селективных пленок в экологизации транспортного строительства.

- экспериментально исследовать влияние селективных покрытий на тепловой баланс коллекторов солнечной энергии.

- разработать математическую модель теплообмена при разогреве асфальтобетона в гелиоустановке с использованием солнечной энергии.

- разработать технологию строительства автомобильных дорог с использованием солнечной энергии.

- разработать экологически безопасный способ слива нефти из железнодорожных цистерн, предварительно исследуя процесс ее нагрева с помощью солнечной энергии и индуктивного метода.

- разработать экозащитную и комплексную технологию для обезвреживания нефтезагрязнений и ионов тяжелых металлов на железнодорожном транспорте, а также утилизации твердых отходов после мойки подвижного состава железнодорожного транспорта.

- рассчитать технико-экономическую эффективность экологически безопасной технологии изготовления материалов для транспортного строительства с использованием солнечной энергии.

Методы и объекты исследования. В работе использованы теории.

- физико-химических процессов и закономерности переноса влаги в асфальтобетонах при тепловлажностной обработке.

- физико-химических процессов накопления отходов и закономерности формирования загрязнений нефтью и ионами тяжелых металлов на придорожных грунтах.

- процесса радиационного теплообмена и потребления энергоресурсов при использовании солнечной энергии на тепловую обработку аасфальтобетона и при сливе нефтепродуктов из железнодорожных цистерн.

Объектом исследования является: окружающая среда. солнечная энергия, селективные пленки, асфальтобетон. нефть, железнодорожная цистерна. отходы транспортной деятельности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

- разработаны теоретические основы использования солнечной энергии в экологизации транспортного строительства и математическая модель теплообмена при разогреве асфальтобетона в гелиоустановке.

- установлено влияние селективных покрытий на тепловой баланс коллекторов солнечной энергии и на процесс нагрева и слива нефти из цистерны с помощью солнечной энергии и индуктивного метода.

- разработана технология строительства автомобильных дорог с использованием солнечной энергии и способ тепловой обработки асфальтобетона.

- разработаны экологически безопасный способ слива нефти из железнодорожных цистерн, новая экозащитная технология для обезвреживания нефтезагрязнений и ионов тяжелых металлов на железнодорожном транспорте и комплексная технология утилизации твердых отходов после мойки подвижного состава железнодорожного транспорта.

- рассчитана технико-экономическая эффективность экологически безопасной технологии изготовления материалов для транспортного строительства с использованием солнечной энергии.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

- теоретические основы использования солнечной энергии с применением селективных пленок в экологизации транспортного строительства и математическая модель теплообмена при разогреве асфальтобетона в гелиоустановке с использованием солнечной энергии.

- результаты экспериментального исследования влияния селективных покрытий на тепловой баланс гелиоустановок и процесс нагрева и слива нефти из цистерны комбинированным методом.

- новая технология строительства автомобильных дорог и тепловая обработка асфальтобетона с использованием солнечной энергии.

- экологически безопасный способ слива нефти из железнодорожных цистерн.

- новая экозащитная технология для обезвреживания нефтезагрязнений и ионов тяжелых металлов на железнодорожном транспорте и комплексная технология утилизации твердых отходов после мойки подвижного состава железнодорожного транспорта.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в.

- установлении на основании теоретических и экспериментальных исследований параметров оптических свойств селективных поверхностей гелиоустановок, применяемых в процессе тепловой обработки асфальтомассы для стройтельства автомобильный дороги.

- разработке экологически чистого способа тепловой обработки асфальтобетона инсоляцией солнечного излучения, применяемых при строительстве автомобильных дорог.

- разработке экологически безопасного способа слива нефти из железнодорожных цистерн.

- использований результатов экспериментальных исследований процесса нагрева и слива нефти из цистерны с помощью солнечной энергии и индуктивного метода для уменьшения загрязненности окружающей среды.

- разработке и использовании новой экозащитной технологии для обезвреживания нефтезагрязнений и ионов тяжелых металлов на железнодорожном транспорте.

- разработке и использовании новой комплексной технологии утилизации твердых отходов после мойки подвижного состава железнодорожного транспорта.

Полученные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований по подогреву асфальтомассы, используемые при строительстве и ремонте автомобильных дорог, реализованы в.

- ТОО «Актас жол ??рлысы» (Алматинская область ), ТОО «Городская дорожно-ремонтная строительная организация» (г. Алматы), ТОО « ДМСУ-22 АБ . дорожно-ремонтная строительная организация» (г. Алматы), ТОО «Аркада KZ » (г. Алматы), МВП « АЛТАСС », Казахстанско-китайской совместной фирме « ТУЛУН.

- Алматинском отделении железных дорог « АО «Национальная компания «Казакстан темiр жолы», реализовано устройство комбинированного нагрева и слива нефти из цистерны с помощью солнечной энергии и индуктивного метода; новая экозащитная технология для обезвреживания нефтезагрязнений и ионов тяжелых металлов; новая комплексная технология утилизации твердых отходов после мойки подвижного состава железнодорожного транспорта.

Суммарный эколого-экономический эффект от внедрения научных результатов диссертационной работы в выше указанных организациях составил более 90 млн. тенге в год.

В ходе разработки данной работы автором получено авторское свидетельство на изобретение «Солнечный коллектор» (гос. регистрация № 2003/1634.1, № свидетельства 15863 от 01.12.2003 г) и подана заявка на инновационный патент «Способ нагрева железнодорожных цистерн с помощью солнечной энергии и индуктивного метода» от 14.01.2009 г.

Некоторые теоретические результаты и практические рекомендации диссертационной работы используются при чтении курсов учебных дисциплин магистров: «Охрана и рациональное использование окружающей среды», «Глобальные современные проблемы прикладной экологии», «Информатика и математическое моделирование природных процессов и экологической обстановки окружающей среды» по специальности 550950 прикладная экология, 030016 экология в Каз Н АУ . ЦАУ, КазАТК и КУПС и в магистерских диссертациях по этим же специальностям. Для специальности 030016 – Экология разработано и выпущено учебно-методическое пособие «Солнце – источник энергии на земле » (г. Алматы. 2008, изд. ТОО «Риск -Бизнес », объемом 10 п. л.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются.

- достаточной сходимостью между натурными исследованиями, полученными при анализе объектов исследований и с результатами теоретических исследований.

- разработанными численными алгоритмами и построенными математическими моделями, опирающимися на общеизвестные в прикладной математике и экологии методы.

- основными научными результатами диссертации, которые широко обсуждены на различных международных и республиканских научных конференциях и семинарах.

- достоверностью полученных результатов, обоснованных также путем сравнения результатов расчетов с данными натурных исследовании.

Личное участие автора состоит в получении указанных выше научных результатов и научных положений, выносимых на защиту. Все основные результаты, выводы и научная новизна, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно в течении длительного времени исследования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались и обсуждались на.

- научно-годичной конференции преподавательского состава КазПИ им. Абая (г. Алма-Ата, 1974 г. 1975 г. 1977 г.

- научной конференции преподавательского состава АЗВИ (г. Алма-Ата, 1981 г. 1984 г.

- научно-методической коференции преподавательского состава ААДИ (г. Алма-Ата, 1992 г. 1993 г. 1995 г.

- Республиканской Межвузовской научно-практической конференции, КазНТУ (г. Алма-Ата, 1996 г.

- научно-практической коференции «Инфраструктура. транспорт и связь Казахстана 2030» (г. Алматы, 1998 г.

- Международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии. Взгляд в ХХІ век». (г. Алматы, 2004 г.

- Международной научно-технической конференции «Инновация в строительстве железнодорожных сооружений» (г. Алматы, 2005 г.

- Международной научно-практической коференции « ГИС в науке, природопользовании и образовании» (г. Алматы, 2007, КазНУ им. Аль-Фараби.

- Международной коференции «Экологическая культура в эпоху глоболизации» (г. Алматы, 2007 г.

- Международной научно-практической коференции «Автомобильные дороги и транспортная техника: проблемы и перспективы развития» (г. Алматы, 2008 г.

- Международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии ХХІ века, посвященная 50 летию образования единой Казахской железной дороги» (г. Алматы, 2008 г.

- на заседании комитета «Организации содружества железных дорог» ( ОСЖД ) (г. Варшава, 2008 г.

- Международной научно-практической конференции « Информационно-инновационные технологии: интеграция науки, образования и бизнеса » (г. Алматы, конференция посвященной 75 -летию КазНТУ им. К. И.Сатпаева, 2008 г.

- Международной научно-практической коференции «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии » (г. Алматы, 2009 г. Казахстанско-Британский технический университет.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, включая 32 статьи в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК . 23 работы в сборниках международных конференции и одна монография обьемом 23 п. л. одно учебное пособие «Солнце – источник энергии на Земле» объём 10 п. л. Получено одно авторское свидетельство и подана заявка на патент.

Структура, обьем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, списка использованных источников из 162 наименований, содержит 240 страниц компьютерного текста, включая 37 таблиц, 58 рисунков и приложения.

Основное содержание работы.

Во введении приведена актуальность работы и связь данной диссертационной работы с приоритетными направлениями государственных программ экологии и энергосбережения. Сформированы цель работы и основные задачи, направленные на ее достижения, а также дана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассматривается анализ экологической обстановки территории прокладки железных и автомобильных дорог и энергетической плотности солнечной радиации на територии Республики Казахстан.

Для оценки возможного использования запасов солнечной радиации как альтернативного источника энергии рассмотрены месячные и годовые климатические показатели прямой солнечной радиации.

На равнинной территории Казахстана изменение интенсивности возможной прямой солнечной радиации в среднем для января составляет от 110 МДж/м2 до 210 МДж/м2, а в октябре от 290 МДж/м2 до 390 МДж/м2. При этом действительные суммы прямой радиации на горизонтальную поверхность не имеют столь четко выраженной широтной закономерности, резко снижаются значения притока солнечной радиации на западе республики, образуя замкнутые очаги на юге Казахстана. Многолетняя изменчивость ( ) месячных сумм прямой солнечной радиации колеблется от 10-28 МДж/м2 зимой до 44-84 МДж/м2 летом.

Анализ. проведенный автором по возможности использования солнечной энергии, позволяет сделать следующие выводы.

- сухой и засушливый климат Западного и южного Казахстана, близость к нему песков Каракума и наличие Кызылкумских и Мойынкумских песков, малочисленность осадков, отсутствие поверхностных пресноводных источников, а также отсутствие в этом регионе крупных промышленных предприятий отрицательно влияющие на состояние атмосферы позволяют использовать гелиотехнические установки.

- использование гелиотехнических установок в этом регионе диктуется не только соображениями экологического характера, но и не менее важно, экономическими. Энергонасыщенность и обеспеченность пресной водой распространяется в основном, только на площади полисов и транспортно-промышленных производств.

Автомобильный и железнодорожный транспорт сыграл огромную роль в формировании современного характера расселения людей, в распространении дальнего туризма. в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания. В то же время он вызвал и многие отрицательные явления.

- ежегодно с отработавшими газами в атмосферу поступают сотни миллионов тонн вредных веществ.

- транспорт один из главных факторов шумового загрязнения.

- дорожная сеть надземного транспорта, особенно вблизи городских агломераций, «съедает» ценные сельскохозяйственные земли.

Под влиянием вредного воздействия автомобильного и железнодорожного транспорта ухудшается здоровье людей, отравляются почвы и водоемы, страдает растительный и животный мир.

Ежегодно из пассажирских вагонов на каждый километр пути выливается до 200 м3 сточных вод, содержащих патогенные микроорганизмы, и выбрасывается до 12 т ( 33 кг в день) сухого мусора. Это приводит к загрязнению железнодорожного полотна и окружающей среды. Кроме того, очистка путей от мусора связана со значительными материальными издержками.

При мытье подвижного железнодорожного состава в почву и водоемы переходят вместе со сточными водами синтетические поверхностно-активные вещества, нефтепродукты, фенолы, шестивалентный хром, кислоты, щелочи, органические и неорганические взвешенные вещества. Содержание нефтепродуктов в сточных водах при мытье локомотивов, фенолов при мытье цистерн из-под нефти превышают предельно допустимые концентрации. Многократно превышаются ПДК шестивалентного хрома при замене охлаждающей жидкости дизелей локомотивов. Во много раз сильнее сточных вод загрязняется почва на территории и вблизи пунктов, где производится обмывка и промывка подвижного состава.

Для улучшения экологической обстановки завершается переход на эксплуатацию пассажирских поездов с электроотоплением, что сокращает загрязнение воздуха и окружающей среды продуктами сгорания твердого топлива в печах тысяч вагонов.

Во втором разделе приведены теоретические основы использования солнечной энергии с применением селективных пленок в экологизации транспортного строительства.

Селективная поверхность гелиоприемника должна быть черной в видимой области спектра, и хорошо отражать (т. е. плохо излучать) в инфракрасной. Селективная поверхность прозрачного фильтра будет хорошо отражать инфракрасное излучение и пропускать солнечное.

Селективную поглощающую поверхность характеризуют два параметра поглощательная способность и степень черноты. Аналогичными характеристиками для прозрачного электропроводящего покрытия являются эффективная поглощательная способность и эффективная степень черноты. Для сравнения эффективности теплоотражающих покрытий и селективных поглощающих покрытий приведены значения этих величин, рассчитанные для различных прозрачных электропроводящих пленок.

Автором разработана методика расчета солнечных установок с применением селективных материалов и проведены многочисленные расчеты конкретных установок с известными покрытиями при различных режимах работы. Результаты расчетов теплового баланса приемника солнечного излучения с одностекольной защитой и различной приемной селективной пленкой, когда температура окружающей среды равен 30 ?С приведены в таблице 1. Расчет соответствует условиям радиационного режима города Алматы с умеренной интенсивностью радиации 700 ккал/м2 час.

Из рассмотренных вариантов существующих селективных покрытий оптимальным для случая солнечного нагревателя является покрытие защитного стекла гексабариодом лантана. КПД такого гелионагревателя при температуре котла =100, 80, 40 °С составляет соответственно 68; 72; 79 . тогда как для простого гелиоконцентратора, покрытого обычной черной краской, эти КПД составляют 6, 25, 32.

Таблица 1 КПД (%) гелионагревателя с различной температурой нагрева.

Вид покрытий приемной поверхности котла.

Покрытие защитного слоя наносится на внутреннюю сторону стеклянной пластины, поэтому оно не подвергается воздействию температуры и влаги, особенно в тепловлажностной среде над бетоном, для обработки которого и намечается использование селективного покрытия, прозрачного в области солнечного спектра и теплоотражающего в области длинноволновой радиации, в такой степени, когда селективные покрытия наносятся на поглощающую поверхность коллектора.

В результате теплоотражающее покрытие оказывается более температуро и влагостойким и долговечным, чем селективные поглощающие покрытия, нанесенные на поверхность коллекторов солнечной энергии.

При прогреве рабочей дорожной массы солнечной энергией с использованием селективной пленки в натурных условиях необходимо знать суточные, почасовые значения суммарного потока солнечной радиации J, а также интенсивность прямой Jn и диффузной радиации Jd для данной географической широты.

После этого можно рассчитать почасовой поток солнечной радиации (в последствии суточный поток), поступающей непосредственно к поверхности рабочей массы по формуле.

где – почасовое поступление солнечной радиации, Вт/м2.

? – коэффициент пропускания солнечной радиации селективной пленкой со стеклом ? = 0,68.

? – коэффициент ослабления солнечных лучей в зависимости от угла падения, 0,97 ? 0,87.

? – степень черноты пленки.

В целях облегчения нахождения этих величин на основании математической обработки данных актинометрических наблюдений мы разработали номограмму определения суммарной, прямой радиации и высоты Солнца, от которых зависят количество поступающего тепла на гелиоприемник, для южных регионов Казахстана ( 430 с. ш ) (рисунок 1.

I-XII месяцы года; 7-19-время суток, ч; сплошная линия-суммарная солнечная радиация; пунктир-то же, прямая радиация.

Рисунок 1 Номограмма для определения высоты Солнца и количества тепла, поступающего от солнечной радиации на горизонтальную поверхность.

Номограмма представляет собой двенадцать концентрических окружностей, на которых римскими цифрами обозначены месяцы года. Левые половины окружностей относятся к периоду суток до полудня, а правые – после полудня. Из центра окружности выходят радиальные линии. указывающие значение высоты Солнца (верхнее поле номограммы) и величину часового потока солнечной радиации (нижнее поле номограммы). На номограммах для каждого часа светового времени суток нанесены линии изменения высоты Солнца и потока суммарной (сплошные линии) и прямой (пунктирные линии) солнечной радиации. Время суток на номограммах указано арабскими цифрами без учета перехода на летнее время.

Для нахождения параметров радиационного режима при расчетах с апреля по сентябрь необходимо от требуемого времени отнять один час. При нахождении почасовых параметров рационального режима диффузной и прямой солнечной радиации необходимо выбрать программу, которая по широте наиболее близка к месторасположению гелиоустановки; установить на номограмме окружность, соответствующую необходимому для расчетов месяцу; найти точку пересечения установленной окружности с линиями, соответствующим и потоку радиации и высоте Солнца для того времени суток, в которое определяют параметры радиационного режима.

По найденным значениям суммарной J и прямой Jn радиации для каждого момента времени і вычисляют диффузную Jd.

Наблюдения показывают, что распределение интенсивности солнечного излучения в течение суток и по месяцам подчиняется квадратичному закону и квадратичная модель хорошо описывает изменение потока интенсивности во времени, причем расчетные и экспериментальные данные хорошо совпадают между собой.

Зная суммарный суточный поток солнечной радиации, можно составить уравнение теплового баланса гелиоприемника в течение нагрева рабочей массы.

Здесь – тепло, поступающее от солнечной радиации.

tпр – время прогрева, ч.

– внутреннее тепловыделение рабочего тела в период прогрева.

q – удельная теплота гидратации цемента, Дж/кг.

рц – плотность битума (цемента), кг/м3.

– относительное тепловыделение ( q1 – количество выделившегося тепла к моменту измерения, кДж/кг.

qc количество тепла, выделяющегося при гидратации цемента в течение контрольного времени, при определенной температуре кДж/кг.

S площадь поверхности, м2.

T1 температура рабочего тела, град.

Тпл емпература пленки, град.

масса пленки, кг.

спл – удельная теплоемкость пленки, Дж/кг-град.

– изменение энтальпии рабочего тела в период прогрева.

ср – удельная тепломоемкость рабочего тела, Дж/кг-град.

– масса рабочего тела, кг.

?1 – скорость прогрева рабочего тела, град/ч.

изменение энтальпии формы (установки) в период прогрева.

S – площадь теплообмена установки, приведенная к 1 м2.

масса формы, кг.

– потери тепла рабочим телом через неопалубленную поверхность.

? – коэффициент теплопередачи пленки, Вт/м2·град.

– ежечасная температура рабочего тела в период прогрева, град.

– ежечасная температура окружающей среды, град.

– потери тепла через форму.

? – коэффициент теплоотдачи формы, Вт/м2·град.

ежечасная температура формы в период прогрева, град.

– расход тепла на испарение воды из рабочего тела.

Jn – интенсивность испарения влаги из поверхности рабочей массы, кг/м2·ч.

Tnp - температура поверхности нагреваемого (рабочего) тела, град.

В зависимости от решаемой проблемы из формулы (3) можно определить основные параметры рабочего тела – ежечасную температуру нагрева, максимальную температуру нагрева, температуру внутренней поверхности пленки, скорость прогрева рабочего тела.

Третий раздел посвящен математическому моделированию теплообмена при прогреве асфальтобетона с использованием солнечной энергии.

Утилизация солнечного тепла – один из самых дешевых и реальных путей к энергосбережению. Солнечная энергия присутствует практически повсюду, и ее использование не требует больших средств и времени. Расходы, затраченные на использование гелиоэнергии, окупаются за сравнительно короткое время.

Актуальным является изучение степени проникновения солнечных лучей по слоям твердеющей асфальтомассы. Решение дифференциального уравнения теплопроводности для неограниченной пластины при линейном изменении температуры поверхности и наличии разности температур по сечению тела в начальный момент времени имеет следующий вид.

где t - температура тела в точке с координатой х в момент времени в °С.

tno ? начальная температура поверхности тела в °С.

? - время нагрева в ч.

R - толщина прогрева в м.

b скорость нагрева , град/ч.

- разность температур поверхности и центра тела в начальный момент времени.

? функция, представляющая сумму бесконечного ряда.

В том случае, когда в начальный момент времени температура по сечению пластины одинакова, уравнение температурного поля принимает следующий вид.

где ? функция, представляющая сумму бесконечного ряда.

Сумму бесконечного ряда в дальнейшем ради сокращения записи будем обозначать через Ф.

При несимметричном нагреве толщина прогрева определяется из соотношения R= , где S - толщина изделия в направлении теплового потока; - коэффициент несимметричности нагрева; и q2 тепловые потоки на противоположные поверхности нагреваемого изделия.

Для расчета нагрева призм неограниченной длины и параллелепипедов, можно воспользоваться методом перемножения температурных полей.

Метод перемножения температурных полей. который иногда называют методом перемножения температурных критериев, основан на следующем свойстве дифференциального уравнения теплопроводности. Так, если имеется три функции t=f1(x,?); t= f2(y, ?) и t=f3(z, T) . удовлетворяющие дифференциальному уравнению теплопроводности, то их произведение тоже ему удовлетворяет.

Это значит. что решение задачи для призмы бесконечной длины со сторонами и параллелепипеда со сторонами сводится к произведению решений, соответственно для двух неограниченных пластин, толщина которых равна 2S и 2В . и для трех неограниченных пластин толщиной 2S, 2В и 2L.

Для упрощения расчетов, уравнения для одно-, двух и трехмерной задачи можно обобщить путем введения в уравнения одномерного поля поправочного множителя К . который носит название коэффициента формы.

Обобщенное уравнение температурного поля имеет следующий вид.

Для призм и параллелепипедов функцию Ф находят по правилам перемножения температурных полей.

При квазистационарном режиме, когда функция Ф становится настолько малой, что ее можно отбросить и тогда уравнение (8) принимает следующий вид.

Из уравнения (9) можно определить температуру поверхности тела ( x = R ), температуру в центре ( х = 0 ) и разность этих температур в момент времени ? . Температура поверхности определяется из условия, что x=R . Так как при x = R функция Ф = 0 . то.

Температура в центре ( х = 0.

Разность температур поверхности и центра.

С наступлением квазистационарного режима, в данном случае при суммой бесконечного ряда в уравнениях (10) и (11) можно пренебречь, и они соответственно принимают следующий вид.

Из приведенных уравнений следует, что при линейном изменении температуры поверхности и при неизменном значении коэффициента температуропроводности разность температур поверхности и центра достигает какого-то максимального значения ?м и при дальнейшем нагреве уже сохраняется неизменной. Эта максимальная разность температур прямо пропорциональна скорости нагрева, квадрату толщины изделия и обратно пропорциональна коэффициенту температуропроводности. Влияние формы тела определяется коэффициентом К.

В настоящее время так называемый «ямочный» ремонт асфальтобетонных покрытий выполняется в рамках текущего ремонта дорожной одежды и направлен на устранение повреждений в виде выбоин, трещин, отдельных волн, бугров и наплывов, обломов и неровностей кромок. Выполнение работ начинается весной с наступлением теплой и устойчивой погоды. Если используется горячая асфальтобетонная смесь. температура воздуха должна быть не ниже +10 °С.

Как известно, подготовительные работы на ремонтируемом месте асфальтобетонного покрытия дороги выполняются в следующей последовательности. Вначале необходимо оконтуровать границы ремонтируемого участка прямыми линиями, захватывая 3–5 см неповрежденную часть покрытия. Если выбоин несколько. и они расположены близко друг от друга, то их следует объединить в один общий контур. Для большего захвата лучше выбить неповрежденную часть и соединить их вместе, как одна ямочка.

По очерченному контуру удаляют старый асфальтобетон. Выбоину очищают и при необходимости просушивают. Дно и стенки очищенного контура подгрунтовывают жидким или разжиженным битумом (гудроном), нагретым до 60 ° С по норме 0,3 – 0,5 л/м2 . После подготовительных работ «яму» заполняют асфальтобетонной смесью с учетом коэффициента запаса на уплотнение. Если глубина «ямы» до 5 см, смесь укладывает в один слой, в случае глубины более 5 см – в два слоя. Далее следует процесс уплотнения смеси в «яме» (рисунок 2.

Рисунок 2 – К расчету потери тепла при транспортировке асфальтобетонной смеси.

Горячие асфальтобетонные смеси приготавливаются с использованием вязких битумов (в Казахстане чаще используется вязкий битум марки БНД-60/90 ) и применяется непосредственно после приготовления с температурой не ниже 120 °С. Здесь важно учесть то, что во время перевозки смеси, предназначенной для укладки дороги, она остывает. Поэтому необходимо знать время, за которое понизится температура ниже требуемого значения. Для этого представим «ванну » (емкость) объемом V . на которую с площадью ?S падает солнечная радиация интенсивностью І . При этом от боковой поверхности и дна суммарной площадью S происходят потери тепла. Обычно емкость, перевозящую смесь, изготавливают из металла толщиной l . В начальный момент времени температура вещества смеси в «ванне» равна Т2, температура окружающей среды Т1.

Определим время t . за которое смесь в ванне остынет до заданной температуры Т3 [T1T2]. При этом считаем, что коэффициенты теплоотдачи ( ?1, ?2 ) первой и второй граничных поверхностей, теплопроводности перегородки ( ? ); теплоемкости смеси ( С ), а также массу ( m ) смеси известны. За малый промежуток времени dt количество теплоты поступающей солнечной радиации равно.

где ? – угол между направлением падения солнечных лучей и перпендикуляром к поверхности ?S.

Тогда количество тепла, теряемое от открытой поверхности в окружающую среду, равно.

Для длительного поддержания высокой температуры смеси поверхность емкости покрывается селективной пленкой. Эта пленка обладает максимальной поглощательной способностью в диапазоне солнечного спектра ? = 0,3–2,5 мкм, достигающего поверхности Земли, в то же время эта поверхность должна иметь низкое поглощение и излучение в далекой инфракрасной области ? 2,5 мкм волн.

Автор на основании реальных данных получил расчетную формулу времени ?t, за которое остывает асфальтобетонная смесь до температуры Т3 при которой ее еще можно укладывать и наоборот, зная ?t можно найти оптимальную температуру укладки асфальтобетона.

Итак, выражение (16) способствует решению проблемы по контролю изменения температурного поля при укладке асфальтобетонной смеси. Преимущество предлагаемой методики расчета состоит в том, что можно рассчитывать температуру смеси как при условии ремонта, так и при строительст