Разработка системы утилизации снега

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разработка системы утилизации снега

Заиченко П.Д. 1
1МАОУ СОШ 10
Пеньшина Г.Н. 1
1МАОУ СОШ 10
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Природно-климатические условия значительной части территории России характеризуются большим количеством осадков в зимний период. Поэтому одной из важнейших задач городского хозяйства является уборка снега с городских магистралей в зимний период.

Современные транспортные нагрузки на дороги даже в сельской местности требуют постоянного ухода за дорожным полотном в зимний период. Сильный снегопад и гололедные явления способны привести город к состоянию коллапса, когда «пробки» образуются на всех дорогах и даже специальный транспорт не в состоянии проехать к месту назначения.

Отличие зимней уборки городских магистралей от уборки дорог за пределами города заключается в отсутствии мест для складирования снега. Современная мощная дорожная техника способна сдвинуть снег к лотковой части дороги и отбросить его на необходимое расстояние за обочину. Однако на городской магистрали сразу за лотковой частью идет тротуар для прохода пешеходов, а за ним – дома. Поэтому снег с городских магистралей необходимо вывозить, а это – процесс дорогостоящий.

Уборка городских улиц и вывоз загрязненного снега в места его утилизации обходится в Гайском городском округе в 2930 470,04 рублей за зимний сезон. Увеличение перевозки снега на 10 километров по стоимости сравнимо с затратами на топливо, требующимися для плавления такого же количества снега. Кроме того, перевозка снега автотранспортом приводит к дополнительной экологической нагрузке на воздушную среду города за счет загрязнения ее выхлопными газами. Поэтому целесообразно иметь стационарную снегоплавильную установку. При решении этой проблемы необходимо учитывать целый ряд факторов, как экономических, так и экологических.

Цель проекта: создание прототипа стационарной снегоплавильной установки.

Согласно цели проекта были сформулированы следующие задачи:

Оценить возможности служб ЖКХ по уборке снега;

Изучить существующие конструкции снегоплавильных установок;

Разработать собственную конструкцию и создать эскизы модели;

Собрать прототип стационарной снегоплавильной машины;

Провести испытание механических и электрических узлов прототипа;

Произвести экономические расчеты прототипа;

Оценить качество изготовленного прототипа и сделать выводы.

Методы исследования: описательные (наблюдение, обобщение), эксперимент, анализ полученных данных, математические расчеты.

Объект исследования: утилизация снега.

Предмет исследования: снегоплавильная установка.

Теоретическая значимость: обоснование необходимости использования снегоплавильных установок.

Прикладная ценность полученных результатов: экономический расчет эффективности использования снегоплавильных установок, созданная собственная модель снегоплавильной установки.

Глава 1. Обоснование применения снегоплавильных установок

1.1 Причины утилизации снега

Уборка и утилизация снега являются важными задачами в жизни любого поселения. Чем больше площадь города и количество его жителей, тем больше проблем от наледи и сугробов на улицах [1].

Снег с территории города необходимо утилизировать по ряду причин:

снег и лед могут привести к человеческим травмам и дорожно-транспортным происшествиям;

весной талая вода может подтопить подвалы и цокольные этажи зданий, вследствие чего может произойти частичное разрушение домов;

накопившийся на кровле зданий снег может обрушиться на пешеходов или городской транспорт;

снег хорошо впитывает в себя химические загрязнения, отходы промышленных предприятий [2];

при таянии снега накопленные им вредные вещества попадают в почву, отравляя ее и грунтовые воды.

Вывоз снега на специальные снегосборочные пункты, на которых он складируется в течение зимы, требует больших денежных затрат, а также необходимы теплые погодные условия, чтобы накопленный снег начал таять [3–6].

Проблему утилизации снега, а также отделения крупного мусора, содержащегося в нем, в больших городах можно решить с помощью установок плавления снега. Использование снеготаялок имеет существенные экологические преимущества по сравнению с вывозом снега за территорию города, а именно:

минимальные выбросы в атмосферу продуктов горения топлива по сравнению с грузовиками, вывозящими снег;

отделение крупного мусора от сбрасываемого в бункер снеготаялки снега осуществляется в самой установке, а мусор по мере накопления вывозится на мусорные полигоны;

талая вода сбрасывается в городскую канализацию, где впоследствии будет подвергаться другим процессам очистки, а не впитывается в почву;

звук, который создает установка при работе, не превышает допустимых пределов.

Впервые стационарные и передвижные установки для плавления снега стали применять в Москве на территориях усадеб богатых граждан еще в ХХ в. К 1925 г. в Москве было закончено восстановление коммунального хозяйства, разрушенного за годы Гражданской войны, вследствие чего перед органами управления города возникла проблема утилизации снежных масс, в том числе с помощью снегоплавильной техники, которая применялась городскими домоуправлениями и учреждениями в соответствии с обязательным Постановлением Президиума Московского Совета РК и КД «Об устройстве и содержании снеготаялок в Москве» [7].

1.2 Принципы работы снегоплавильных установок

Работа снеготаялки происходит в следующей последовательности: снегоплавильный бункер заполняется холодной водой, затем в него загружают снежную массу через сепараторы-дробилки, которые измельчают снег и отделяют от него крупный мусор.

Внизу бункера располагается теплогенерирующий агрегат, который с помощью горелки подает продукты сгораемого топлива в теплообменный аппарат. Стенки теплообменного аппарата нагреваются, за счет чего происходит растапливание снега, находящегося в бункере. Затем талая вода проходит через механические фильтры и сливается в канализацию [8].

По конструкции снегоплавильные установки подразделяются на одно- и двухсекционные. Их схемы представлены на рис. 1, 2 [9].

В односекционные снеготаялки снег загружается в единственную емкость, в которой происходят плавление снега и нагревание воды. С помощью системы орошения водой ускоряется плавление снега. Для защиты от предметов инородного происхождения теплообменник находится под решеткой.

Рис. 1. Односекционная снегоплавильная установка

Двухсекционные снеготаялки состоят из двух емкостей. В первой емкости происходит нагревание воды, во второй – плавление снежной массы. Из емкости нагревания вода переливается в емкость плавления, в которой происходит разбивка снега. Значительная часть образовавшейся талой воды сливается в канализацию, а оставшаяся малая часть через механический фильтр с помощью насоса снова подается в емкость нагревания воды.

Рис. 2. Двухсекционная снегоплавильная установка

1.3 Положительные и отрицательные стороны заводской снегоплавильной установки и самодельной

Заводские модели имеют следующие достоинства:

надежность;

способность перерабатывать большие объемы снега;

возможность выбрать агрегат требуемой мощности;

высокий КПД;

большой выбор систем, используется топливо разных видов;

работа в автоматическом и ручном режиме управления;

доступная стоимость отечественных снегоплавильных установок (если сравнить с зарубежными системами);

наличие системы улавливания мусора;

наличие специальных фильтров (дает возможность выливать воду, полученную при расплавлении снега, в канализацию);

ремонт и гарантийное обслуживание установок компанией-производителем.

Недостатки заводских моделей:

для частного лица стоимость аппарата неподъемная;

для погрузки снега в снегоплавильное устройство необходима спецтехника;

для работы установки требуется персонал;

при использовании стационарных систем нужны коммуникации.

Частному лицу проще сделать небольшую снегоплавильную установку для дома своими руками. У такого подхода есть несколько преимуществ:

создать установку можно из подручных материалов;

потребуются небольшие финансовые вложения;

не придется брать разрешение на эксплуатацию;

такое устройство — идеальный вариант для дачи и частного дома, когда нужно переплавить немного снега.

Но есть у самодельной снеготаялки и недостатки:

средний уровень КПД;

нельзя переработать большой объем снега;

скорость переработки ниже, чем у заводских систем;

при неправильном монтаже или установке на неровной площадке система может быть небезопасной.

Есть несколько способов самостоятельно сделать снеготаялку. Возможны следующие варианты:

C подключением к тепловому пункту здания. В плавильный бункер с водой, нагретой до 30ºС, помещают лед и снег. Масса опускается на дно, происходит перемешивание. Уровень воды поднимается, сливаясь через дренажное отверстие. На выходе вода имеет температуру около +10ºС, т.е. теплового загрязнения не происходит. Из-за того, что из установки удаляется вода, а не смесь из жидкости и льда, талую воду можно сливать в канализационный колодец. Мусор и песок будут оставаться на дне.

Электрическая установка. Она состоит из приемного бункера, в котором размещены ТЭНы, используемые для подогрева жидкости. Перед запуском установки ее заполняют теплой водой. Снег после помещения в воду начинает плавиться. Уровень воды повышается, она сливается через дренаж.

Для изготовления конструкции подходят листы нержавеющей стали толщиной 2-3 мм, из них можно сделать снегоприемный бункер. При изготовлении необходимо рассчитывать высоту бункера таким образом, чтобы было удобно забрасывать снег лопатой. В нижней части бункера размещаются ТЭНы (трубчатые электронагреватели) для электрической установки или змеевик для водяного контура с теплоносителем. Контур при этом должен быть замкнутым и передавать тепло, контактируя нижним слоем воды в бункере. Контур подключается к источнику тепла и как правило содержит циркуляционный насос. Источником тепла может быть: электронагреватель, горелка на твердом или дизельном топливе, обычная печь на дровах.

Глава 2. Разработка собственной конструкции снегоплавильной установки.

2.1. Описание принципа функционирования снегоплавильной установки

В данном проекте разработана электрическая снегоплавильная камера с извлечением крупнодисперсных примесей и плавающих тел, образующихся при таянии снега, которые при сбросе в канализационные коллекторы могут вызвать их засорение.

Снег с проезжей части городских дорог завозится автомашинами на снегосплавный пункт и выгружается в приемный бункер (камеру) через решетку, установленную в перекрытии.

Снег, сваливается в камеру, предварительно заполненную водой при температуре 30оС. Он постоянно перемешивается с талыми водами и благодаря теплообменным процессам температура постоянно поддерживается и не падает ниже 10оС. Нагрев воды и плавление снега производятся в одном резервуаре, а для ускорения процедуры материал орошается теплой жидкостью.

В то время как снежные и ледовые массы опускаются в плавильню и превращаются в воду, уровень воды в бункере поднимается. Избыточная талая вода вместе с отработанной сточной водой отводится в коллектор городской канализации. На водовыпуске талой воды из камеры устанавливается решетка.

К достоинствам предлагаемой снегоплавильной камеры относятся: автономность (не требует наличия крупных коммуникаций) и небольшой размер занимаемого участка. Возможно размещение на территории транспортных предприятий. Кроме того, достигается дополнительный экологический эффект, поскольку установка принудительного таяния практически не загрязняет окружающую среду, в отличие от автотранспорта, перевозящего снег.

2.2. Технические характеристики и чертежи установки

Технические характеристики:

Размеры (Д*В*Ш), м

1х0,75х0,5

Источник тепла

ТЭН (трубчатый электронагреватель) – 1 шт

Материал ТЭНов

Нержавеющая сталь

Объем камеры плавления, м3

0,35

Объем разовой загрузки, м3

0,3

Максимальная потребляемая мощность 

9 кВт

Производительность по снегу, м3/час

0,3

Объем сливаемой воды, л/час

110

В комплект стационарной снегоплавильной установки входит:

Плавильный отсек;

Двигатель вращающий валы;

Труба, ведущая в городскую канализацию.

Варианты загрузки снега

Существует несколько способов загрузки снега в снегоплавильное оборудование, которые можно применять в рассматриваемой установке:

При помощи фронтального погрузочного механизма (наземная конструкция).

Вручную (кровельные конструкции, а также маленькие наземные).

Рис. 3. Эскиз снегоплавильной установи

2.3. Технико-экономическое обоснование

Исходные данные:

1. Средняя толщина выпадающего снега за зимний период в городе Гае Оренбургской области по статистическим данным за последние 3 года составляет 1,45 м [17].  Из них приходится на декабрь - 29 см, на январь - 44,5 см, на февраль - 53,5 см.

2. Обычная плотность свежевыпавшего снега 100 - 150 кг/м3 . Плотность обвалованного или окученного – 200-300 кг/м3, сброшенного с крыш - 350 кг/м3 [18]. Для расчета коэффициент уплотнения свежевыпавшего снега при уборке принимаем = 3.

3. Убираемая территория составляет 10 000 м 2 (1 га).

4. Средняя стоимость вывоза снега за зимний период 2019-2020 гг. в г. Гае Оренбургской области составляет 400 рублей за 1 м3. Соответственно, средняя стоимость вывоза 10м3 снега составит ~ 4000 руб. [19].

Расчет:

На плавление 1 м3 снега плотностью 350 кг/м3 расходуется 38,2 кВт∙ч электроэнергии:

Q=mc∙Δt - количество тепла для изменения температуры снежной массы;

Q=mλ - количество тепла для плавления снежной массы;

Q=Р∙τ - количество тепла, выделяющееся в электросети;

m=Vρ - масса снега;

своды = 4200 (Дж/(кг∙оС));

сльда = 2100 (Дж/(кг∙оС));

λльда = 330 (кДж/кг);

Vснега = 0,3 м3; Δt = 30оС; ρснега= 350кг/м3, тариф стоимости электроэнергии 3,08 руб./кВт∙ч

Q1=1·350·30·2100 + 350·1·330000 = 137550000 Дж = 137550 кДж = 38,2 кВт∙ч - энергия, необходимая для нагревания и плавления 1 м3 снега.

τ=Q1/Р = 137550000 / 9000 = 15283 с ~ 4,2 ч – время, необходимое для плавления 1м3 снежной массы.

Стоимость расходуемой электроэнергии: 38,2 ∙ 3,08 = 117,6 руб.

Рассчитываем объем снега за зимний период

10 000 м2 ∙1,45 м = 14500 м3 свежевыпавшего снега.

С учетом коэффициента уплотнения снега при уборке = 3:

14500 м3 / 3 = 4833 м3 свежеубранного снега.

3. Стоимость вывоза снега контейнером 10 м3 :

4833 м3 / 10 м3 х 4000 руб. = 1933200 руб.

Т.е. общая стоимость вывоза снега за сезон составит 1 933 200 рублей.

4. Стоимость плавления снега:

4833 м3 ∙ 117,6 = 568360,8 руб.

Т.е. стоимость снегоплавления в предлагаемой установке за сезон составит примерно 568 361 рублей.

Таким образом, учитывая среднее количество выпадающего снега за зимний период в г. Гае Оренбургской области, рассчитываем разницу стоимости между вывозом и плавлением снега

Площадь территории

1,0 га

Количество убранного снега за зимний период, м3

4 833

Стоимость вывоза снега, руб.

1 933 200

Стоимость плавления снега, руб.

563 361

Экономия за сезон, руб.

1 369 839

Стоимость создание системы снегоплавления «под ключ» для уборки снега с территории в 1 га составит 800 000 руб. с учетом НДС.

Вывод: Из приведенных расчетов видно, что использование снегоплавильной установки вместо вывоза снега позволяет окупить затраты не ее установку менее чем за один сезон.

2.4. Изготовление уменьшенной копии снегоплавильной установки

С целью проверки справедливости изученных материалов была изготовлена уменьшенная копия снегоплавильной установки. Для монтажа плавильной камеры потребовались листы нержавеющей стали размером 20х30х0,5 см, мотор мощностью 30Вт, резиновый трубки, ТЭН мощностью 25Вт. Камера устанавливалась на листе размером 45х25 см.

Фото действующей установки представлено в Приложении.

Заключение

Снегоплавильное оборудование очень востребовано в разных странах с соответствующим климатом. Среди различных способов утилизации снежных масс, переработка их в талую воду в черте города с помощью снегоплавильных комплексов – наиболее оптимальное решение. Таким образом, решается вопрос не только с расчисткой дорог от заносов, но и производится комплексная очистка улиц от мусора. При обычном вывозе снега в пригород или естественном таянии твердых осадков все автомобильные выхлопы попадают в почву и насыщают ее вредными веществами. В случае со снеготаялками, жидкость с примесями попадает в водный коллектор, где проводится специализированная очистка.

В данной работе освещены следующие вопросы: 1) причины утилизации снега; 2) описаны принципы работы снегоплавильных установок; 3) произведено сравнение заводской и самодельной установок для плавления снега; 4) предложена модель собственной снегоплавильной установки; 5) технико-экономический расчет эксплуатации снегоплавильной установки.

Для оценки целесообразности применения снегоплавильных установок в городе Гае Оренбургской области был рассчитан объем снега в зимний период, проведено сравнение затрат на вывоз снега и снегоплавление.

Сравнение затрат производилось для сезонного объема снега по следующим вариантам:

1) полный вывоз всего объема снега на полигоны;

2) плавление всего объема снега в снеготаялке с электронагревателем.

С помощью расчетов установлена экономическая целесообразность применения снегоплавильных установок. Денежные затраты на утилизацию с плавлением снега в снеготаялках с электронагревателем в 3,4 раза меньше, чем затраты на вывоз полного объема снега на полигон.

Список использованной литературы

Александровская З.И., Медведев Я.В., Богачев А.Г. Чтобы город был чистым, М. Просвещение, 2017

Бакутис В.Э., Бутягин В.А,, Лунц Л.Б. Инженерное благоустройство городских территорий, М.: Дрофа, 2017

Живов М.А., Лившиц Б.А. Организация уборки городов, М., 2018

Корецкий В.Е. Моделирование процесса таяния снега в снегоплавильной камере. Вестник МГСУ, №2, 2018г., М: 2018.

Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Москва, «Высшая школа», т. 1,2. 2018.

Методы зимнего содержания дорог в Финляндии, С.П., 2017

Мирный А.Н., Скворцов Л.С., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Коммунальная экология. Энциклопедический справочник. М.: Изд. Прима-Пресс-М., 2017.

Никитин А.В. Снеготаялки, М.: Дрофа, 2016

http://fb.ru/article/234703/ustanovka-snegoplavilnaya-vidyi-printsip-rabotyi

http://sportguide.kiev.ua/articles/122-usloviya-snezhnogo-pokrov

https://homenbuild.ru/snegoplavilnaya-svoimi-rukami-snegoplavilnye-ustanovki-chertezhi-i-shemy/

https://naruservice.com/articles/udelnii-ves-snega Корецкий В.Е. Геоэкологические проблемы северных мегаполисов и крупных городов. Вестник МГСУ, №3, 2017г., М: 2017.

https://rcycle.net/sneg-i-led/snegoplavilnaya-tehnika/punkty-i-stancii#i-19

https://rcycle.net/sneg-i-led/snegoplavilnaya-tehnika/ustanovki-vidy-ustrojstvo-i-princip-raboty

https://rcycle.net/sneg-i-led/snegoplavilnaya-tehnika/ustanovki-vidy-ustrojstvo-i-princip-raboty

http://trasa.ru/region/orenburgskaya_clim.html

http://www.musorunet.ru/tablica_plotnosti _snega.php

http://www.musor-vozim.ru/price/

Приложение

Рис. 1 Вид снегоплавильной установки

Рис. 2 Вид снегоплавильной установки (фронтальная проекция)

Просмотров работы: 23