Уборка снега и его утилизация являются одной из актуальнейших задач в процессе поддержания экологической обстановки в местах проживания человека.
Снег активно впитывает и накапливает загрязняющие вещества в виде аэрозолей, попадающих в него из атмосферы. В выпадающем снеге в сравнении с атмосферой концентрируются загрязняющие вещества выше в 2 или 3 раза [1].
При таянии же снежные массы активно, помимо других источников, загрязняют поверхностные воды. Доля сульфатов, попадающих при таянии в водную систему среднего водоема, может достигать до 15–25 %. В зависимости от влияния техногенных объектов и человеческого фактора микроэлементы содержатся в снежной массе в довольно широких пределах. Состав талой воды может быть различным в зависимости от источника загрязнения. Вблизи промышленных районов происходит насыщение гидрокарбонатно-кальцием или сульфатно-кальцием, гидрокарбанатно-магнием или сульфатно-магнием. В результате возникает слабощелочная реакция при возрастании содержания гидрокарбонатов кальция и магния, сильнощелочная – при интенсивном загрязнении ими. Если в выбросах преобладают кислые продукты от процессов сгорания, в частности сернистый ангидрид, то кислотность снега возрастет. Таким образом, одним из достоверных показателей при оценке загрязнения может являться показатель жесткости рН талых вод.
Первая причина, из-за которой необходимо вывозить снежные массы, возникает по в результате того, что они накапливают все химические элементы и соединения. Вторая причина – это наличие антигололедных покрытий. Третья причина, по которой требуется уборка снежных масс и ее удаление за периферию города, это затопление местности в весенние месяцы из-за интенсивного таяния.
Основываясь на вышеизложенном, не допускается утилизация снежных масс в местах проживания человека и наличия водных надземных и подземных ресурсов. Большие объемы снежных масс недопустимо оставлять в пределах проживания человека, как в крупных городах, так в мелких населенных пунктах. Накопление снега приводит не только к концентрированию техногенных отходов и отходов жизнедеятельности, но и приводит к нарушению транспортной обстановки как для пеших переходов, так и для технических средств перемещения. Интенсивное таяние концентрированных снежных масс приводит к затоплению технически и жизненно важных территорий на продолжительное время, как в городах, так и в сельской местности.
Согласно установленным нормам, механизированное удаление начинают сразу после прекращения снегопада.
Цель исследования: разработка установки для плавления снежных масс на принципе диспергации.
Материалы и методы исследования
Рассмотрены различные методы и способы переработки и утилизации снежных масс. Изучены конструкции, технические и технологические характеристики установок производства США, Канады, России за последние 10 лет. Проведен патентный анализ устройств и способов переработки и утилизации снежных масс. Проработаны различные варианты конструкторских решений и выбрана оптимальная схема.
Результаты исследования и их обсуждение
Для удаления выпавших снежных осадков и наледи применяются определенные процессы, этапы и средства как ручные, так и механизированные. Пешеходные и проезжие дороги для предотвращения возникновения наледи или снижения ее влияния могут покрываться специальными реагентами или песком. Для уборки вручную на площадках с определенным естественным и искусственным покрытием в особенности утрамбованного снега необходимо применять соответствующие орудия труда, что в итоге приводит к дополнительным физическим, финансовым и временным затратам. Собранные снежные массы транспортируются на специализированные полигоны, где складируются, либо перерабатываются [2].
Для поддержания технического и эксплуатационного состояния пешеходных и проезжих дорог, а также придомовых и приобъектных территорий разработаны соответствующие нормативные документы на проведение очистных работ. Проведение очистных работ связано с продолжительностью снегопада. При затяжном выпадении, а именно более 12 ч, работы выполняются непрерывно.
Уборка снежных масс проводится в большинстве случаев муниципальными организациями. При большом скоплении масс в частном секторе уборка основных и важных территорий может также осуществляться городским властями. Возможна подрядная организация уборки основных улиц и крупных магистралей на основе государственных контрактов с частными лицами. В частном секторе уборка должна осуществляться собственниками территорий. Для того, чтобы не быть подвергнутым административному воздействию, владельцы частных территорий должны убирать снег в течение суток после окончания снегопада.
Для уборки придомовой и транспортной территории от снега в Исландии используется совершенно экологически чистый способ. Для отопления дорожных покрытий и тротуаров как в городской инфраструктуре, так и в индивидуальном секторе используется геотермальная вода. Природная горячая вода перемещается по трубам, расположенными под улицами города. Таяние снега происходит моментально.
Зимой в г. Нур-Султане (Республика Казахстан) за несколько часов может выпасть месячный объем осадков. Парализуются дороги, останавливается рабочий процесс на промышленных и производственных объектах. Уборка и вывоз снега при любых погодных условиях осуществляется всего за несколько часов. Отлаженная механизированная погрузка и качественная техника обеспечивают ускоренное освобождение проезжих участков.
Климатические и территориальные условия в части наличия водных массивов требуют особого внимания к очистке площадей и утилизации снежных масс. Задержка в уборке или вовсе ее отсутствие приводит к накоплению снежных масс возникновению нежелательных последствий.
Для решения вышеуказанных проблем сегодня применяются снегоплавильные установки (машины). Впервые такие установки были применены в Канаде в 1970-е гг. в Торонто. Установки являются мобильными, могут перемещаться в места переработки с большим скоплением снежных масс. Для утилизации снежная масса превращается в жидкое состояние с помощью нагреваемой воды, предварительно очищается и затем сливается в канализацию.
Дополнительными преимуществами снегоплавильных машин являются пониженная шумность, легкий доступ к очистительным решеткам, минимальное парообразование и регулируемый дренаж. Конструкцией данных установок предусмотрено облегченное обслуживание и легко заменяющаяся система запчастей.
Снегоплавильная машина осуществляет сбор снега, его очистку и утилизацию. Принципом действия снегоплавильной техники является передача загруженному в контейнер снегу тепла с целью приведения его в состояние воды. Способы нагревания применяются различные. Процесс очистки от снега состоит из измельчения снега, отсеивания мусора, плавления снега, очистки воды с целью отсеивания песка и слива воды в канализационную систему.
В последние годы в связи с необходимостью создания и внедрения новых эффективных технологий и машин для утилизации снежных масс, образующихся при снегоочистке городских автомагистралей и территорий, к проблеме создания и организации производства снегоплавильных установок проявили интерес российские разработчики и промышленные предприятия [3].
Так на основе принципиальной схемы снеготаялки «Snow Dragon, LLC» компания «ВТК-Пром» (г. Красногорск Московской области) разработала и начала выпуск снеготаялки СПУ – 10 [3–5].
В состав установки входит: система нагрева (газовая или дизельная горелка), которая размещена в отдельной части; бункер для загрузки снежной массы; отделение для фильтрования и слива очищенной воды.
Данные снегоплавильные установки имеют конструктивный недостаток – из-за малого промежутка между нагревающими частями в виде труб к последним ограничен доступ, в результате чего под ними накапливается мусор, песок и щебень мелкой фракции, который используется для обработки асфальтовых покрытий дворов, тротуаров и магистралей при выпадении снега или образования ледяной корки. Процесс вызывает большие трудности, и в результате этого большое количество снегоплавильных установок не используется и хранится на территориях соответствующих организаций.
На основе анализа действующих в городе технологических регламентов снегоочистки городских территорий, действующих экологических нормативов, существующих конструкций снегоплавильных установок, выпускающихся ведущими мировыми производителями этой техники институтом ВНИИстройдормаш разработан ряд передвижных снегоплавильных установок, включающий в себя четыре типоразмера по их технической производительности: 20, 60, 100 и 200 м3 (и более) расплавляемого снега в час.
Помимо рассмотренных проблем существующие установки имеют такие недостатки, как большой расход топлива и выброс выхлопных газов, высокий уровень шумового загрязнения.
Для решения этих проблем, с учетом отсутствия аналогов, авторами предлагается способ [6] и конструкция установки, на которую получено положительное решение на выдачу патента. Реализация данного предложения коренным образом позволит изменить ситуацию в переработке снега и пополнении водных ресурсов. Утилизация снега будет производиться на основе принципа диспергирования снежной массы и последующего ее нагрева без использования жидкого или газообразного топлива с применением вихревых потоков. Ее применение существенно снизит энергетические затраты на переплавку до 50–70 % и исключит вредные выбросы в атмосферу. Предлагаемая конструкция комплекса будет иметь значительно меньшие шумовые характеристики за счет снижения мощности привода, что также позволит устанавливать и проводить очистные работы непосредственно в жилых массивах и в ночное время суток.
Для разработки принципиально новой конструкции установки для плавления снежных масс были определены входные и выходные параметры на основе рассмотрения процессов разрушения снежной массы (диспергации) и снегоплавления. Данные процессы описыватся показателями, факторами и величинами, которые в определенной степени влияют на качественные показатели процесса плавления.
Входные параметры – параметры снежной массы: плотность снега; пористость снежного покрова; коэффициент теплопроводности; коэффициент температуропроводности; предельное сопротивление снега сдвигу; вязкость снега; модуль упругости снега; расход снега; площадь очистки снега по одному пути; объем неуплотненного снега, подлежащего уборке с одного пути.
Выходные параметры: объем загрузки и накопления; воздухораспределительная сеть; система нагрева; диспергация; температура нагрева падающей диспергированной снежной массы.
На основе проведенных расчетов разработана конструкция действующей модели. Конструктивно модель установки состоит из следующих основных элементов: плавильной камеры 1, системы накопления и диспергирования снежной массы 2, изображенных на рис. 1.
Для накопления снежной массы с целью обеспечения непрерывной работы применяется система накопления (бункер) и диспергирования (дробильная установка). Подача горячего воздушного потока происходит от тепловой пушки 6. Пушка размещается в нижней части плавильной камеры.
Диспергатор (рис. 2) состоит из опоры 3, рамы 2, двух сит 4 и 5 с разными по размеру ячейками, двух вибраторов 6. Сита должны обеспечивать дробление снежной массы до состояния, сравнимого с размерами снежинки. Между рамой бункера и диспергатора закрепляется сито с крупной ячейкой (max 5 мм).
Диспергатор устанавливается на амортизационное устройство в виде пружин, как показано на рис. 1.
Камера плавления представляет собой набор концентрично расположенных труб 1, 3, 5 (рис. 3).
На трубах выполнены поперечные прорезы для выхода нагретого воздушного потока. Для создания давления воздушного потока трубы закрыты сверху заглушками 9–11, которые также не дают возможности попадания снежной массы в тепловую пушку. Для сбора водной массы трубы снизу закрыты кольцевыми заглушками соответствующего диаметра 6–8. Слив водной массы в технологическую емкость происходит через врезанную трубу 12.
Направление движения нагретого воздушного потока происходит с помощью раструба, установленного между камерой плавления и тепловой пушкой.
Технологический процесс подготовки установки к плавлению снежной массы осуществляются в следующей последовательности:
– диспергатор устанавливается на плавильную установку на амортизаторы;
– подключается к электросети тепловая пушка и два вибратора, после чего осуществляется их запуск;
– в бункер загружается снежная масса, которая дробится и просыпается сквозь два сита с ячейками различного размера и попадает в камеру плавления;
– проходя вдоль тепловых труб, дробленая масса нагревается горячими воздушными потоками и превращается в водную массу, которая сливается в технологическую емкость.
Для обеспечения непрерывности процесса плавления снежная масса периодически загружается в бункер. На основе проведенных исследований получен патент № 33951 KZ на изобретение «Установка для плавления снежной массы».
Рис. 1. Конструкция модели плавильной установки: 1 – плавильная камера; 2 – система накопления и диспергирования снежной массы; 3 и 5 – стопоры; 4 – амортизационное устройство; 6 – тепловая пушка
Рис. 2. Диспергатор
Рис. 3. Камера плавления
Заключение
Внедрение предложенной авторами установки утилизации снежных масс и восполнения водных ресурсов позволит улучшить экологическую обстановку как в зимний, так в весенне-осенние периоды, будет являться основой для создания организованных хранилищ и позволит концентрировать запасы воды для собственных нужд моногородов и сел. Ее применение существенно снизит эксплуатационные и энергетические затраты на переработку снежной массы до 50–70 % и исключит вредные выбросы в атмосферу.
Библиографическая ссылка
Кучин В.Н., Юрченко В.В., Калинин А.А., Никонова Т.Ю., Кибеко А.С., Иванов С.С. РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕЖНЫХ МАСС НА ПРИНЦИПЕ ДИСПЕРГАЦИИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 10-2. – С. 335-339;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12917 (дата обращения: 17.08.2024).