Full Text

Введение Несвоевременная уборка снега с крыш может привести к образованию сосулек и наледей, повышенным нагрузкам на конструкции, повреждению кровельного материала и карнизов. Сбрасывание снега при традиционном удалении лопатой повреждает выступающие элементы фасада и крыши пристроек. Рядом со зданием образуется снежный вал, который потом тоже приходится убирать. Для решения проблемы мы предлагаем пневмотранспортную установку для уборки снега с крыши [1], которая мобильна и проста в работе, позволяет убрать снег сразу в кузов автомобиля или в место удобного складирования. Пневмотранспортирование давно используется для перемещения сыпучих грузов [2], но никто не будет делать рядом со зданием систему нагнетательных трубопроводов только для того, чтобы 1-2 раза за зиму убрать снег. Целью работы было создание легко переносимой установки и пневмонагнетательных трубопроводов, которые можно быстро смонтировать в любом месте, а потом демонтировать. Обзор технологий Использовать сжатый воздух для уборки снега с крыш предлагается во многих работах. Это может быть струя воздуха от компрессора, гибким шлангом которого управляет оператор, передвигающийся по коньку [3], либо целая автоматическая система сдува снега с названием «Крыша» [4]. Мы проверили патенты [3, 4] экспериментально: компрессором мощностью 1,8 кВт и производительностью 16 м3/ч на сдувание снега толщиной 5 см с модельной крыши площадью 1,5 м2 ушло целых 4 мин 20 с (https://youtu.be/LXP_48tjuzw) [5]. Резко увеличить производительность по воздуху можно, используя вместо компрессора вентилятор, это и предлагается в работах [6-8]. Действительно, воздуходувкой Echo ES-2100 мощностью 0,51 кВт и производительностью по воздуху 540 м3/ч мы сдули снег с модельной крыши уже за 60 с (https://youtu.be/MU0wgOZlKbM). Но все равно это заведомо медленнее, чем лопатой. И самое главное - и компрессор, и воздуходувка отбрасывают снег максимум на 1,5 м. При продвижении вдоль крыши будет накапливаться снежный вал, который отбросить все труднее. Другое название воздуходувки - садовый пылесос. Она используется, в том числе, для сбора мусора и листьев, т.е. может собрать мусор (или снег) и отбросить его далеко, если к ней добавить воздуховод (пневмотранспортный трубопровод). Так появилась идея использования пневмотранспорта для уборки снега. Но в садовом пылесосе всасываемый воздух с мусором проходит через вентилятор (крыльчатку), снег может сработать как абразив, что приведет к быстрому износу лопастей. Поэтому было принято решение использовать эжекционную воронку. Разработка пневмотранспортера Первую модель пневмотранспортера мы изготовили на базе старого пылесоса «Ракета», и предназначалась она для проверки самой идеи пневмотранспортирования и первой попытки использования разборного трубопровода и трубопровода из воздухонепроницаемой ткани. Разборные секции - две сантехнические трубы (50 мм) длиной по 2 м, третью секцию склеили из полиэтиленовой пленки. Функцию эжекционной воронки выполнял тройник, часть которого на входе была перекрыта клинышком из пеноплекса для создания эффекта всасывания. Испытания, проведенные на опилках, показали, что использовать тканевые воздуховоды можно. Но производительность установки в первую очередь определяется быстротой поступления сыпучего материала в загрузочное отверстие, приходилось стучать по тройнику молотком (https://youtu.be/sxmZ7qwunX0). С помощью вибраций можно значительно ускорить движение снега вниз [9]. Прототипом для заявки на полезную модель выбрана нагнетательная пневмотранспортная установка [10] с вибраторами направленного действия. Нам вибраторы в первую очередь были нужны для лучшего ссыпания транспортируемого материала из загрузочного бункера в эжекторную камеру. Патентование пневмотранспортной установки для уборки снега с крыши [11] (рис. 1) проходило одновременно с ее изготовлением (рис. 2). Подробный отчет об испытаниях приведен в работах [12, 13]. Главные выводы: снег можно транспортировать по горизонтали на расстояние как минимум 18 м, вверх как минимум на 2 м, тканевые воздуховоды компактно сворачиваются в рулоны. При изготовлении и испытаниях установка была усовершенствована. Загрузочный бункер был изготовлен съемным, секции тканевых воздуховодов соединялись не через бандажи, а замками-молниями. Мы отказались от питателя в пользу эжекторной камеры. При изготовлении воздуховодов из ткани остается припуск на шов, поэтому возникла идея разместить в нем люверсы для подвешивания воздуховодов к тросу. Эти усовершенствования были запатентованы [1] (рис. 3). Испытания выявили основной недостаток второй установки - недостаточная производительность, обусловленная малой мощностью (210 Вт) и недостаточным максимальным давлением (520 Па) вентилятора WNK 250/1. Рис. 1. Пневмотранспортная установка для уборки снега с крыши [11] Fig. 1. Pneumatic transport installation for snow removal from the roof [11] Рис. 2. «Реальная» пневмотранспортная установка для уборки снега с крыши Fig. 2. «Real» pneumatic transport installation for snow removal from the roof Рис. 3. Пневмотранспортная установка для уборки снега с крыши [1] Fig. 3. Pneumatic transport installation for snow removal from the roof [1] Для третьей модели мобильного пневмотранспортера (рис. 4) мы использовали центробежный вентилятор FS-2101/SP 220D мощностью 750 Вт, производительностью до 1600 м3 воздуха в час, с максимальным давлением 1600 Па. Диаметр перехода с выходного патрубка вентилятора 160 мм, это позволило изготовить эжекторную камеру из пластикового канализационного двухраструбного тройника с внешним диаметром 160 мм (внутренний 150 мм), а не 110 мм - как у предыдущей установки. Увеличив диаметр входного отверстия загрузочного бункера в 1,5 раза, мы увеличили площадь в 2,25 раза. Тройник установлен на площадке с четырьмя пружинами, под которой прикреплен вибратор (электродвигатель с грузом-дебалансом, частота 2700 об./мин). Секции нагнетательного воздуховода (см. рис. 2) были изготовлены из плащевой мембраны Fitto. Но «плащевка» - материал дорогой, поэтому было принято решение попробовать в качестве материала воздуховодов парниковую полиэтиленовую пленку толщиной 240 мкм, которая в 20 раз дешевле плащевой ткани. Самым простым и надежным способом соединения полиэтилена является сварка [14]. Сварку краев воздуховодов производили разогретым утюгом через бумагу и на бумаге. Было изготовлено 4 секции по 10 м и 3 секции по 3 м. Прикрепить замки молнии к пленке трудно, поэтому секции воздуховодов соединялись через бандажи: один конец крепился к трубе из оцинковки Æ160 мм и длиной 70 мм сантехническим скотчем, конец другого надевался сверху и стягивался хомутом (рис. 5). Рис. 4. Мобильный пневмотранспортер ПТМ-3 Fig. 4. Mobile pneumatic transporter PTM-3 Рис. 5. Бандаж Fig. 5. Bandage Рассчитать эжекционную воронку по стандартной методике, предложенной в работе [15], не представлялось возможным, так как в формулы входит коэффициент сопротивления трения, который для воздуховодов из полиэтиленовой пленки не известен - таких воздуховодов никто не делал. Кроме того, при сварке полиэтилен садится на шве и воздуховод получается не прямым, а дугообразным, с морщинами у шва. Поэтому было решено воспользоваться методикой расчета эжекционной воронки (рис. 6) для транспортировки опила [16], а исходные данные для расчета - суммарные потери давления в системе ΣΔр от воронки до конечной точки разгрузки - определить экспериментально. Рис. 6. Схема к расчету эжекционной воронки Fig. 6. Diagram for ejection funnel calculation Рис. 7. Эжекторная камера для определения потерь в воздуховоде Fig. 6. Ejector chamber for determination of duct losses В двухраструбный тройник был вставлен конфузор со 150 до 100 мм, заканчивающийся посередине загрузочного отверстия (рис. 7). Сначала анемометром Testo 410-1 измерили скорость воздуха на выходе и скорость всасывания над загрузочным отверстием при различных длинах воздуховода. Причем скорость на выходе измеряли с края воздуховода и на его середине. Скорость на середине всегда была на 4-5 м/с больше, на графике приведена средняя скорость (рис. 8). По скорости можно определить реальный расход воздуха в сечении Б: QБ = V ∙ S = V ∙ πR2 = 16 ∙ 3,14 ∙ 0,082 = 0,32 м3/с, или 1150 м3/ч. Далее водяным манометром с помощью щупа (трубка Æ4 мм длиной 80 мм) через отверстия в бандажах измерили давление с края и посередине воздуховода. Давление у стенок примерно на 50 Па больше. На графике (рис. 9) дано среднее давление. Расчет эжекционной воронки Давление на нулевой отметке в расчет брать нельзя - оно измерялось на расстоянии всего лишь 0,16 м от конфузора. Рядом с конфузором, на его середине, отрицательное давление (разряжение) 400-500 Па. На 30 м воздуховода падение давления около 500 Па, т.е. полное давление в сечении Б-Б НБ = ΣΔр = 500 Па. Взяв плотность воздуха при -10 °С ρ = 1,342 кг/м3, получим скорость воздуха в сечении Б-Б Вывод: скорость в сечении Б-Б больше скорости в воздуховоде в 28/16 = 1,75 раза, значит, диаметр сечения Б-Б меньше в раза. Ближайший стандартный Æ125 мм. Рис. 8. График зависимости скорости на выходе () и скорости всасывания () от длины l воздуховода Fig. 8. Graph of dependence of outlet speed () and suction speed () on length l of air duct Рис. 9. График зависимости давления р по длине l воздуховода Fig. 9. Graph of pressure p by length l of air duct Рис. 10. Эжекторная камера в рабочей установке Fig. 10. Ejector chamber in operating unit Задавшись максимальным коэффициентом подсоса воздуха через воронку K = 1,15 и коэффициентом полезного действия воронки h = 0,7, определяем полное давление в сечении А-А: Тогда скорость в сечении А-А . При расходе 0,32 м3/с площадь сечения А-А должна быть 91 см2, а его диаметр (диаметр конфузора) - 106 мм. После проведенных расчетов мы добавили в тройник камеру смешения диаметром 125 мм (рис. 10). После этого скорость всасывания выросла в 2,5-3 раза. Измеренная производительность установки составила 9 м3/ч, коэффициент смешения 9/1150 » 1/130. Результаты испытаний ПТМ-3 (пневмотранспортер мобильный - модель 3) Испытания установки проводились в январе-феврале 2021 г. В первую очередь проверили возможность транспортировки по горизонтали. Максимальная дальность 40 м. При дальнейшем увеличении длины воздуховода пропадает эффект всасывания воздуха из горловины загрузочного бункера и снег начинает «фонтанировать». Опил транспортируется так же успешно, как снег. По видео определили примерную скорость движения снега и опила - около 10 м/с. Измеренная анемометром скорость воздуха на выходе сорокаметрового воздуховода без транспортировки снега - 13,4 м/с с краю, 18,5 м/с в середине воздуховода. Для транспортировки с крыши в припуске на шов (месте сварки) одной из десятиметровых секций через 1 м были установлены люверсы, за которые секцию подвесили к тросу (рис. 11). Было обнаружено, что при уклоне 1:4 (»14°) снег по полиэтиленовому воздуховоду скатывается и при выключенном вентиляторе, т.е. длина воздуховода может быть бесконечной. Для проверки возможности использования пневмотранспортера в качестве погрузчика использовали две трехметровые сантехнические трубы с внутренним Æ150 мм, установленные примерно под 45° (рис. 12). Снег и опил с деревянными включениями (кубики от 25 до 40 мм) летят на высоту более 4 м. Рис. 11. Транспортирование с крыши Fig. 11. Transportation from the roof Рис. 12. Пневмотранспортер-погрузчик Fig. 12. Pneumatic transporter-loader Производительность пневмотранспортера мы измеряли ведрами 6 раз с воздуховодом длиной 20 м. Пять ведер снега по 21 л «улетали» за время от 40 до 44 с, это 9 м3/ч. Попробовали использовать другой вибратор с грузом-дебалансом большей массы (325 г), заметного изменения производительности не заметили. Краткий видеоотчет об испытаниях представлен в YouTube «Мобильный пневмотранспортер» (https://www.youtube.com/watch? v=QaLEw2if1To). Выводы 1. Главное преимущество нашего пневмотранспортера перед снегоуборщиками - электропривод вентилятора. Это позволяет хранить установку в подсобных помещениях жилого дома, не нарушая пожарную безопасность. 2. Масса установки в сборе с воздуховодами не превышает 30 кг, это позволяет вручную поднять ее на любую крышу. 3. При мощности двигателя, в 4-10 раз меньшей, чем у снегоуборщика, дальность уборки больше в 4 раза, высота - в 2 раза. 4. Транспортные трубопроводы могут быть изготовлены из полиэтиленовой пленки. По сравнению с воздуховодами из оцинкованной стали это в 15-20 раз дешевле. Для хранения воздуховоды компактно сворачиваются в рулон.

About the authors

V. A Muratova

Perm National Research Polytechnic University

V. V Funtyaeva

Perm National Research Polytechnic University

O. M Zverev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 823

PDF (Russian) - 234

Refbacks

• There are currently no refbacks.