Динамический ресурсосберегающий нестационарный «Фонтан с сифонами»

В статье представлено конструктивное решение для динамического ресурсосберегающего нестационарного процесса, моделируемого как «фонтан с сифонами». Работа посвящена анализу нелинейной динамики системы, характеризующейся переменными параметрами потока и наличием многократных переключений между различными режимами работы, обусловленными эффектом сифонного перелива. Представлена модель, описывающая взаимодействие динамических компонентов системы. Результаты численного моделирования и анализа показывают возможность достижения существенного снижения энергопотребления за счет оптимизации режимов работы, основанной на управлении параметрами сифонных переливов.

Ключевые слова: сифонный эффект, нестационарный фонтан, динамический фонтан, ресурсосбережение, эффективность, оптимизация.

Создание водных объектов, в том числе фонтанов, значительно повышает эстетический потенциал и комфорт условий для отдыха в городских парка. Наиболее распространенными являются стационарные статичные фонтаны, у которых отсутствует динамика очертания струй [1]. Динамические фонтаны (с изменением очертания струй) требуют сложной системы управления. Насосное оборудование является дорогим, а его эксплуатация энергозатратным. Условия Северо-Запада РФ обуславливают сезонную работу таких фонтанов и значительные затраты на зимнюю консервацию.

В данной работе рассматривается схема компактного динамического ресурсосберегающего нестационарного фонтана с использованием сифонов. Схема конструкция «фонтана с сифонами» представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема конструкции фонтана

Фонтан состоит из нескольких открытых водонепроницаемых лотков, которые могут наполняться водой. Лотки располагаются вертикально друг над другом.

Нижний лоток находиться непосредственно на поверхности площадки (пола). В емкости этого лотка установлен насос-автомат: включение происходит при достижении уровня воды максимального расчетного уровня, отключение при опорожнении лотка.

Верхний лоток оборудован распределяющим трубопроводом с отверстиями-соплами (через 7–10 см) направленными вертикально вверх. Один конец этого трубопровода закрыт, к другому подключена напорная линия от насоса, установленного в нижнем лотке. При работе насоса над соплами образуются вертикальные струи (высотой 0,1–0,3 м), падающие в емкость верхнего лотка. Верхний и нижний лоток имеют одинаковый объем.

В верхнем и средних лотках уставлены сифоны (от 5 до 15 штук в каждом лотке), выполненные из металлических или полиэтиленовых трубочек небольшого диаметра (0,5–2 см). Через эти сифоны вода поочередно перетекает из верхнего лотка в нижерасположенные средние лотки, а также в нижний лоток. Выходное сечение сифона располагается над уровнем воды в нижерасположенном лотке, что определяет расчетную схему как «истечение в атмосферу».

Расход сифона определяют по формуле:

где: — площадь поперечного сечения трубки сифона, м;

d — диаметр трубки сифона, м;

Z — перепад уровней воды между входом и выходом сифона, м;

— коэффициент расхода сифона при «истечении в атмосферу»;

Сифон состоит из трех частей: горловина (всасывающая часть, где движение воды происходит вниз), гребень (верхняя точка сифона, где вода начинает движение вниз) и сброс (отводящий участок). В нижней части сброса целесообразно устройство «водяного замка» улучшающего условия зарядки сифона (достигается как изгиб трубки). Это также позволяет придать струе воды при выходе из сифона направление вверх.

Включение и выключение сифона в работу зависит от уровня воды в лотке (УВЛ): включается после того, как УВЛ превысит отметку гребня сифона (ГС); выключается того, как УВЛ снизится ниже отметки входа в горловину сифона (ВГС).

На рисунке 2 для лотка с семью сифонами представлены примеры схем взаимного расположения ГС и ГВС, что определяет порядок включения и выключения сифонов:

Схема 1 . Расположение сифонов : уровень ГС у всех сифонов одинаков; уровень ВГС различный (самый высокий уровень сифоны № 1 и 7, сифоны № 2 и 6 — ниже, сифоны № 3 и 5 — еще ниже, сифон № 4 — самый нижний).

Последовательность работы сифонов : все сифоны включаются одновременно при превышении УВЛ уровня ГС; выключение — сифоны № 1 и № 7, затем сифоны № 2 и № 6, потом сифоны № 3 и № 5, завершает сифон № 4.

Схема 2 . Расположение сифонов ; уровень ГС понижается от № 1 до № 7; уровень ВГС уровень ГС повышается от № 1 до № 7;).

Последовательность работы сифонов : сифоны включаются поочередно от № 1 до № 7; выключение — поочередно от № 1 до № 7.

Оценим динамику работы «фонтана с сифонами» оценим на примере конструкции:

– количество лотков — 4 (верхний, нижний и два средних);

– размеры лотков — длина 1,5м; ширина 0,3м; высота 0,2м, высота между лотками 0,2м; объем 90литров.

– схема расположения и количество сифонов:

1. верхний лоток — по типу схемы 1 (рис.2.1), 15 сифонов;
2. средний лоток № 1 — по типу схемы 2 (рис.2.2), 12 сифонов;
3. средний лоток № 2 — по типу схемы 2 (рис.2.2) с «зеркальным» расположением сифонов, 10 сифонов;

– продолжительность одного цикла — ≈12мин:

1. наполнение верхнего лотка в виде 7 вертикальных струй над напорным трубопроводом с 7 соплами — ≈1мин (при производительности насоса 100л/мин);
2. переток из верхнего лотка в средний лоток № 1 в виде 15 струй — ≈2,5мин;
3. переток из среднего лотка № 1 в средний лоток № 2 в виде 12 струй — ≈3,5мин;
4. переток из среднего лотка № 2 в нижний лоток в виде 10 струй — ≈4,5мин;

Рассмотренный пример подтверждает:

– «динамичность» фонтана — за период одного цикла (12 минут) происходит изменение количества, расхода и расположения работающих струй; «динамичность» фонтана повышается при увеличении количества и диаметров сифонов;

– экономичность фонтана — потребление электроэнергии — 5 минут в 1 час.

– «нестационарность» — вес (с водой) не более 150кг, что обуславливает простоту перемещения.

Возможно сезонное использование фонтана при организации «зеленых комнат» в парках на площадках «тихого отдыха» и открытых «фуд-кортов». В условиях внутренних интерьеров применение фонтана является более простым и круглогодичным.

Оформление фонтана лианами и вьющимися растениями значительно повысит его эстетический потенциал.

Литература:

1. Е. А. Чабина, К. Н. Криулин; Элементы архитектурно-планировочной композиции городских парков: СПбПУ URL:https://elib.spbstu.ru/dl/5/tr/2022/tr22 Текст: электронный— Санкт-Петербург, 2022
2. Р. Р. Чугаев. «Гидравлика». 4-е изд., Энергоиздат, Л., 1982.