XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Торфяной термоконтроллер

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Куркина П.С. 1Антонов Д.И. 1Большаков А.В. 1Созонов Р.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

690 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире проблема предотвращения возгораний в торфяных штабелях становится всё более актуальной. Торфяные пожары приводят к деградации и уничтожению торфяных почв, ухудшают экологические условия и создают проблемы для населения. В данном исследовании мы предлагаем инновационное решение — торфяной термоконтроллер, который поможет предотвратить возгорание торфяных штабелей.

Цель нашей работы — разработать торфяной термоконтроллер, способный контролировать температуру и влажность торфа, предотвращая таким образом возгорание. Для достижения этой цели мы ставим перед собой следующие задачи:

Исследовать торф,  как полезное ископаемое и его свойства.

Изучить влияние температуры и влажности на торф и его поведение при возгорании.

Проанализировать существующие методы и технологии предотвращения возгорания торфяных штабелей.

Изучить свойства нитинола и его применение в производстве термоконтроллеров.

Разработать идею создания торфяного термоконтроллера и определить его основные компоненты.

Создать 2D и 3D схемы разработанного устройства для визуализации и анализа его работы.

Создать макет торфяного термоконтроллера для проверки его работоспособности и эффективности.

Глава 1. Торф

1. 1. Торф – полезное ископаемое

Торф — это сложный полидисперсный многокомпонентный материал, содержащий органические и минеральные компоненты. Он образуется в результате разложения растительных остатков в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. Торф залегает на поверхности земли или на небольшой глубине под минеральными отложениями.

Торф образуется в болотистой местности, где растения отмирают и опускаются на дно болота. Там они подвергаются биохимическим процессам и превращаются в органическое бесструктурное вещество — торф. Современные торфяные залежи сформировались за 10–12 тысяч лет. Торф используется в сельском хозяйстве, строительстве, энергетике и других отраслях промышленности.

Торф состоит из растительных остатков, гумуса и минеральных компонентов. В ботаническом составе торфа присутствуют древесина, кора и корни деревьев, различные части травянистых растений, а также гипновые и сфагновые мхи. По степени разложения растительного материала торф делится на слаборазложившийся, среднеразложившийся и сильноразложившийся. Торф используется в сельском хозяйстве, энергетике, медицине, биохимии и строительстве. (Рисунок 1.1.2, Приложения)

1. 2. Влияние температуры и влажности на торф

Влияние температуры на торф: самонагревание и самовозгорание- это свойство торфа к повышению собственной температуры, что зачастую осуществляется вовремя длительного хранения на торфоразработках в результате химических, биологических и физических явлений, а также при взаимодействии с кислородом, для противодействия этому процессу стоит повышать температуру торфа до 60-65% [1]

Если температура внутри штабеля поднимется выше 70°, то не исключена возможность самовозгорания штабеля (Рисунок 1.2.1, Приложение)

Влияние влажности на торф: нагревание торфа происходит верхних слоях штабеля, если влажность этих слоев будет меньше 20%, то он может возгореться от любых внешних факторов. Влажность- это свойство торфа, свежедобытый торф отличается содержанием воды в 80-95%, однако при высушивание легко теряет воду; если температура торфа падает до 35% то он больше не способен к поглощению воды, допустимая для перевозки влажность от 40% до 65% (рисунок 1.2.2, Приложение )

1.3 Способы предотвращения возгорания торфяных штабелей

1.Установка специальных датчиков, чтобы своевременно обнаруживать возникновение пожаров и принимать меры по их тушению.Для установки специальных датчиков, чтобы своевременно обнаруживать возникновение пожаров и принимать меры по тушению торфа, необходимо использовать систему поддержки принятия решений. Она включает в себя датчики температуры и влажности, которые устанавливаются по периметру болота. Оптоволоконный кабель прокладывается на глубине 1 метр и оборачивается термостойким кремнезёмом для защиты от теплового воздействия торфяного пожара. Датчики подключаются к кабелю на фиксированных расстояниях и устанавливаются в грунт исследуемого участка в шахматном порядке. Соединительный шкаф устанавливается на одном из участков болота для обеспечения устойчивой сотовой связи и отображения условных обозначений на карте с указанием GPS-координат.(Рисунок 1.3.1,Приложения) [2]

2.Сокращение сроков хранения.Чтобы предотвратить возгорание торфа, необходимо сократить сроки его хранения. Для  этого следует повысить влажность торфа до 60–65 %. Это поможет снизить склонность торфа к самонагреванию и самовозгоранию. (Рисунок 1.3.2,Приложения)

3.Охлаждение торфа путём периодического послойного перемещения в штабеле.

Охлаждение торфа путём периодического послойного перемещения в штабеле осуществляется с использованием подштабельного канала и активного вентилирования штабеля атмосферным воздухом. Вентилятором создают разрежение в подштабельном канале, и подачу атмосферного воздуха осуществляют в направлении от поверхности штабеля к его основанию. Затем отводят влагу через подштабельный канал. (Рисунок 1.3.3,Приложения)

4.Уплотнение штабелей Уплотнение штабелей торфа проводится для предотвращения его самовозгорания. Высота штабелей угля не должна превышать 5 метров, длина основания — 200 метров, ширина — 30 метров. Для торфа высота штабелей не должна превышать 3 метра, длина основания — 80 метров, ширина — 15 метров. (Рисунок 1.3.4,Приложения)

5.Применение ингибиторов для торможения процесса самонагревания (Рисунок 1.3.5,Приложения)

6.Изолирование штабелей от атмосферы. Место очага загорания торфа обильно поливают водой и заполняют фрезерной крошкой.Изоляция от воздуха. На поверхность штабеля накладывают 40‑сантиметровый слой сырой фрезерной крошки влажностью не менее 70 %. Изоляция штабелей производится осенью. Трещины, обнаруженные при осмотре, забивают сырым торфом. (Рисунок 1.3.6,Приложения)

7.Изоляция штабелей полиэтиленовой пленкой мероприятие рекомендуемое для предохранения штабелей верхового торфа от саморазогревания и намокания, предназначенных на экспорт и укрупненных штабелей. Считается, что полиэтиленовая пленка существенно снижает поступление кислорода в зону активного саморазогревания и тем самым тормозит термогенные процессы. Возможно это и так, но при условии полной герметизации штабеля, что весьма проблематично в полевых условиях. (Рисунок 1.3.7,Приложения)

Глава 2. Нитинол и его свойства

Нитинол – метал,который имеет возможность менять форму при разной температуре.

Нитинол – сплав титана и никеля, обладающий высокой коррозионной и эрозионной стойкостью, а также эффектом памяти формы.

Химическая формула сплава- содержит 45 % титана и 55 % никеля. Также этот сплав называют никелидом титана. (Рисунок 2.1, Приложения)

Сплав обладает уникальным свойством, которое было открыто в 1961 году американскими учеными Уильямом Бюлером и Фредериком Вангом. Это необычное свойство называется "Памятью формы". При деформации изделий из нитинола и последующем нагревании изделие возвращается к изначальной форме. [3]

Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления (около 400 °C, то она запомнит эту форму. После остывания до комнатной температуры деталь можно деформировать, но при нагреве выше 40 °C она восстановит первоначальную форму. (Рисунок 2.2, Приложения)

Происходит это из-за того, что кристаллическая решётка нитинола - металлическая. Это значит, что её очень сложно разрушить, и она способна претерпевать большие изменения. 

Компоненты нитенола:

Их всего два это никель и титан

1 Никель — это тяжелый цветной металл. Он был открыт сравнительно недавно. Но за короткий промежуток времени стал активно использоваться человеком. Около 50% никеля идет на производство никелевых сталей, чуть больше 30% — на изготовление жаропрочных и цветных сплавов.

2. Титан получают из концентрата титансодержащих руд методами пирометаллургии или сернокислотной переработки. Концентраты из ильменитовых руд плавят в электродуговых печах. При необходимости черновой металл рафинируют.

Глава 3. Практическая часть

3.1 2D и 3D схема

Мы указали на 2D схеме этапы укладки воздуховода. Сначала укладывается основа штабеля, после устанавливается воздуховод с помощью крана, после укладывается торф сверху. (Рисунок 3.1.1, Приложения)

Также мы создали 3D модель нашего макета Blender. Blender – это  мощный и бесплатный инструмент для 3D-моделирования, визуализации и анимации. Он был разработан в Нидерландах в начале 1990-х годов и с тех пор стал одним из самых популярных инструментов в этой области. Blender имеет широкий спектр функций, включая моделирование, текстурирование, рендеринг, анимацию, симуляцию и многое другое.

Основные функции используемые в blender:

1 «Выдавливание» (Extrude) — создание новых граней путём вытягивания существующих.

2 «Масштабирование» (Scale) — изменение размера объекта или выбранных граней.

3 «Поворот» (Rotate) — вращение объекта или граней.

4 «Перемещение» (Move) — перемещение объекта или граней в пространстве.

Как мы создали нашу 3D модель макета:

1 Мы скачали готовую 3D модель трубы из интернета. . (Рисунок 3.1.2, Приложения) Отредактировали ее, изменили форму из обыной трубы в спиралевидную трубу, с помощью основных инструментов blender. (Рисунок 3.1.3, Приложения)

2 Сделали пирамиду (Рисунок 3.1.4, Приложения)

3.Объединение двух элементов (Рисунок 3.1.5, Приложения)

3.2 Создание макета

Мы разработали детализированный макет, который представляет наше решение. В нем вы можете рассмотреть этапы укладки воздуховода в торфяные штабели.

Наш проект постоянно дорабатывался.

1.По эскизу мы создали картонный макет (Рисунок 3.2.1, Приложения)

2.Мы укрепили картонную конструкцию (Рисунок 3.2.2, Приложения)

3.Мы создали кран, чтобы показать, как происходят укладка штабеля (Рисунок 3.2.3, Приложения)

4.Создали макет воздуховода, придание реалистичного вида с помощью клея и земли (Рисунок 3.2.4, Приложения)

3.3 Описание инновационного решения торфяного термоконтроллера

Расскажем подробней, как работает воздуховод. Он изготовлен из специального материала – нитинола. Нитинол – метал, который имеет возможность менять форму при разной температуре. Сейчас мы продемонстрируем как это происходит на примере нитиноловой проволоки.

Воздуховод имеет две формы. Изначально воздуховод имеет форму спиралевидной трубы, при достижении максимального разогрева торфа воздуховод начнет восстанавливать в сечении свою «служебную» форму-форму обычной трубы.

Трубчатый воздуховод , размещенный в зоне максимального разогрева торфа вдоль . Трубчатый воздуховод выполнен перфорированным из металла с термической памятью формы и имеет поперечное сечение в виде спирали. При достижении в зоне максимального разогрева торфа температуры 60-70° воздуховод начинает восстанавливать в сечении свою "служебную" форму – форму обычной трубы. Этот процесс сопровождается: увеличением площади сечения,

B результате чего разрушается сплошность торфа зоны разогрева, уплотняется и перемещается к поверхностям откосов торф этой зоны. Это обеспечивает интенсивное охлаждение зоны разогрева как внутри путем поступления по воздуховоду холодного воздуха через перфорацию и теплообмен, так и внешне засчет увеличения теплоотдачи в атмосферу через откосы вследствие уплотнения торфа зоны разогрева и приближения откосов.

Такой воздуховод изготавливается следующим образом. Из перфорированного листового нитинола при 60-70°С формуется труба с краями в накладку, при этом нитинол запоминает эту (служебную) форму. После охлаждения трубы до 15-20°С ее повторно деформируют закручиванием в спиралеобразную в сечении трубу. Теперь если такую трубу поместить в штабель торфа, то при достижении в зоне разогрева температуры 60-70°С труба в сечении вновь приобретет свою первоначальную "служебную" форму.

Устройство для предотвращения самовозгорания торфа в штабелях работает следующим образом.

После того как в штабель складировано 70-80% планируемого с технологической площадки к добыче торфа, воздуховод в исходном спиралеобразном состоянии с помощью штабелирующей машины или автокрана размещают на коньке штабеля по его длине. Для штабелей торфа низинного типа, имеющих длину до 80 м, воздуховод выполняют из двух секций, каждая из которых одним концом соединена с атмосферой.

Торф, добытый в последующих циклах уборки, отсыпается в штабель обычным способом. В результате в конце сезона добычи воздуховод окажется размещенным внутри штабеля в будущей зоне максимального разогрева торфа. При достижении в зоне максимального разогрева торфа (температуры 60-70°с) воздуховод начнет восстанавливать в сечении свою "служебную" форму - форму обычной трубы.

Заключение

1. В ходе выполнения научно-исследовательской работы была достигнута поставленная цель — разработан торфяной термоконтроллер, способный контролировать температуру и влажность торфа, предотвращая таким образом возгорание. Для этого были решены следующие задачи:

2. Исследование свойств торфа как полезного ископаемого. Изучение его состава, структуры и происхождения.

3. Изучение влияния температуры и влажности на торф и его поведение при возгорании. Определение критических значений температуры и влажности, при которых возможно возгорание.

4. Анализ существующих методов и технологий предотвращения возгорания торфяных штабелей. Изучение опыта других стран и компаний в области контроля температуры и влажности торфа.

5)Изучение свойств нитинола и его применения в производстве термоконтроллеров.

6)Разработка идеи создания торфяного термоконтроллера и определение его основных компонентов. Создание эскизов и чертежей устройства.

7) Создание 2D- и 3D-схем разработанного устройства для визуализации и анализа его работы. Моделирование взаимодействия компонентов термоконтроллера.

8) Создание макета торфяного термоконтроллера для проверки его работоспособности и эффективности. Испытания макета в лабораторных условиях.

В результате выполнения этих задач был разработан торфяной термоконтроллер, способный контролировать температуру, предотвращая его возгорание.

Список используемых источников

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%84%D0%B0

2. https://cyberleninka.ru/article/n/samorazogrevanie-frezernogo-torfa-v-shtabelyah-i-puti-ego-tormozheniya/viewer

3. https://dzen.ru/a/WwHBAHmIXqieUe8_

Приложения