CC BY
103
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 626.8:631.347
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТЕРЬ НАПОРА В МОБИЛЬНОМ ПОЛИВНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
А. А. Пахомов, кандидат технических наук, профессор Н.А. Колобанова, кандидат технических наук, доцент Д. А. Суслин, аспирант
Волгоградский государственный аграрный университет
Приведены результаты гидравлических исследований потерь напора в предлагаемой конструкции мобильного поливного трубопровода. Дано обоснование его применения при реконструкции открытых оросительных систем. Результаты исследований могут быть использованы в мелиоративных проектах.
Ключевые слова: орошение, оросительные системы, поливные трубопроводы, гидравлические исследования, потери напора.
За последние 15 лет в мире общая площадь орошаемых земель увеличилась на 20,6 % и на сегодняшний день составляет около 270 млн га, которые кормят половину населения Земли [1]. Одним из ведущих способов орошения остается поверхностный полив.
В последнее десятилетие в Волгоградской области площади поверхностного орошения существенно сократились. До 2009 года площадь полива по бороздам и полосам составляла 33 тыс. га, в 2012 г. - 5,56 тыс. га, на сегодняшний день - около 3,1 тыс. га.
Сокращение площадей поверхностного полива происходит по ряду причин: высоких трудозатрат на проведение полива; значительного расходования оросительной воды; низкого уровня механизации и отсутствия средств автоматизации водоподачи. Однако этот способ орошения имеет важное достоинство. Для его реализации можно использовать низконапорные поливные трубопроводы.
На открытых оросительных системах Волгоградского Заволжья существующие водовыпускные сооружения имеют гидравлический перепад до 2,0 м, который можно использовать для подачи оросительной воды в поливные трубопроводы.
Поливные трубопроводы относят к наиболее эффективным средствам поверхностного полива. Применяют их как на закрытых, так и открытых оросительных системах, а использование средств гидроавтоматики существенно повысит их эффективность и экономичность. Вследствие чего возникает интерес к разработке оросительных систем с низконапорными поливными трубопроводами, не требующих высоких напоров [5].
Нами предлагается мобильный поливной трубопровод, основными конструктивными элементами которого являются центральный бак с гидрорегулятором уровня, поливные звенья, состоящие из труб с водовыпускными отверстиями. Каждое поливное звено имеет систему управления поливом, включающую гидравлический таймер времени полива [6].
Целью наших исследований является разработка и обоснование технических и гидравлических параметров предлагаемой конструкции поливного трубопровода для создания низконапорной оросительной системы с поверхностным способом полива. К задачам исследований относится изучение величины гидравлических потерь напора в поливном трубопроводе.
188
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений делятся на местные hM - вызываемые изменением конфигурации границ потока, и по длине hL - затрачиваемые на преодоление сопротивления по длине трубопровода.
При изучении потерь напора по длине поливного трубопровода, следует учитывать, что происходит непрерывная раздача жидкости по пути с убыванием расхода.
В случае непрерывной раздачи жидкости по длине трубопровода, потери напора определяют по формуле [2]:
h
П ~
1.2. L. YL
3 d 2 g ’
(1)
где X - коэффициент гидравлического сопротивления, L - длина участка поливного трубопровода, d - диаметр, V - скорость течения жидкости, g - ускорение свободного падения.
Коэффициент гидравлического сопротивления X зависит от режима течения жидкости или критерия Рейнольдса, а также от шероховатости поверхности стенок трубопровода.
В разных точках поперечного сечения потока скорость жидкости неодинакова. Вследствие действия между слоями сил трения, слои будут двигаться с неодинаковыми скоростями. Центральный цилиндрический слой у оси трубы имеет максимальную скорость, но, по мере удаления от оси, скорость элементарных кольцевых слоев будет уменьшаться. Непосредственно у стенки скорость жидкости снижается настолько, что движение переходит в ламинарный режим.
Расход в поливной трубопровод при а1 = 0,6 м будет равен:
J 25
Q = q6 — = 0,0016-----= 0,067м3/с , (2)
a 0,6
где Q - расход воды, поступающий в поливной трубопровод; qis - расход воды в борозду; L -длина поливного трубопровода; а - расстояние между водовыпускными отверстиями.
Аналогично вычислен расход в поливной трубопровод при а2 = 0,9 м, равный Q=0,044 м3/с.
Если высота выступов шероховатости меньше, чем толщина ламинарной пленки (А <5), то в этом случае шероховатость стенок не влияет на характер движения и соответственно потери напора не зависят от шероховатости, а стенки называются гидравлически гладкими.
Толщина ламинарной пленки равна:
5 = 30 • —= 30----------0,2 . = 0,00002 м, (3)
Re-V 2 437113 0,043
где d - внутренний диаметр натурного трубопровода, м; Re - число Рейнольдса; X - коэффициент сопротивления трению по длине трубопровода.
Число Рейнольдса будет равно:
v • d 2,12 • 0,2
Re =-----=-----------
v 0,97 -10 6
437113,
(4)
где v - скорость течения жидкости в трубопроводе, м/с; v - кинематическая вязкость среды, м2/с.
189
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
При полученном числе Рейнольдса (Re=437113) мы наблюдаем устойчивый турбулентный режим течения жидкости, так как Re >10000.
Коэффициент гидравлического трения при 4000 < Re < 3*10-6 определяем по формуле Конакова П.К.:
1 -- (5)
Х = -
= 0,043.
(1,88 • lgRe-1,52)
Средняя скорость потока при расходе Q=0,067 м3/с и диаметре трубопровода 200 мм, определяется по формуле:
4Q
V = .
ср %• d2
(6)
После преобразования получим формулу для определения потерь напора в тру-
бопроводе длиной L=25 м, расходе Q=0,067 м3/с, при непрерывной раздаче расхода:
hn =
V2 • L
ср
24 • R • g • (1,8 • lgRe-1,52)2
= 0,31 м,
(7)
где R - гидравлический радиус, Уср - средняя скорость течения потока.
Аналогичным образом были определены потери напора в трубопроводе при расходе Q=0,044 м3/с и длине L=20 м.
Расчетные величины потерь напора на натурном трубопроводе при пропуске максимального и минимального расходов воды приведены на рисунке 1.
Для проверки точности расчета дополнительно выполнен расчет по участкам при равномерной раздаче расхода q=1,6 л/с (для средних суглинков, при уклонах поверхности земли i=0,002...0,003 принимают расход воды в борозду q(5=2,0... 1,5 л/с [4]) через водовыпускные отверстия, расположенные через a=0,6 м по таблицам Шевелева [7]. Суммарные потери напора по длине трубопровода составили 0,3 м. По результатам расчета построен график зависимости величины напора от расхода (рисунок 2) при равномерной раздаче жидкости по длине трубопровода (точки на графике соответствуют расстоянию между водовыпускными отверстиями a=0,6 м, длина трубопровода L=25 м).
190
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 2 - Расчетные величины потерь напора на натурном трубопроводе при пропуске максимального и минимального расходов воды
Для подтверждения теоретических результатов были выполнены экспериментальные исследования. При разработке экспериментальной установки руководствовались теорией гидродинамического подобия, когда удовлетворяются условия геометрического, кинематического и динамического подобия.
При моделировании трубопровода с самонапорным движением воды основными силами являются силы гравитации. Поэтому моделирование проводилось с учетом критерия подобия Фруда [3].
Геометрический масштаб моделирования принят равным 1 : 4.
Расход воды при данном масштабе в расчете на максимальный расход натурного трубопровода 67 л/с будет равен:
Qu =J4=2,1 л/с> (8)
где QM - расход воды на модели; QH - расход в натуральных условиях; X - геометрический масштаб моделирования.
Для определения параметров и режимов работы экспериментальной установки в соответствии с теорией гидравлического подобия предусматривали следующие рабочие параметры: максимальный напор H=0,3 м; диаметр водовыпускных отверстий do=0,008 м; диаметр трубопровода d=0,05 м.
Схема движения воды в трубопроводе приведена на рис. 3.
Рисунок 3 - Схема движения воды в трубопроводе
191
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Измерения расходов воды на модели производились объемным методом, измерения напоров выполнялись с использованием пьезометров, установленных в точках водовыпуска, что позволяло определить напор воды на водовыпуске и, одновременно, установить потери напоров по длине трубопровода. Зависимость потерь напора от расхода по длине трубопровода в результате проведенного опыта на модельном трубопроводе приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Зависимость потерь напора от расхода
Штриховая линия показывает теоретическую кривую потерь напора, сплошная -практические данные. Таким образом, определены потери напора в трубопроводе модели. С учетом масштаба моделирования можно сказать о том, что значение потерь напора по длине натурного трубопровода требует корректировки, за счет варьирования величин диаметров водовыпускных отверстий. Так как в начале трубопровода, вследствие более высоких напоров, величина расхода будет больше, чем к концу трубопровода.
Также были проведены гидравлические исследования при последовательном закрытии водовыпусков от конца трубопровода к началу. В результате чего происходило увеличение транзитного расхода до величины 2 л/с и отмечено увеличение потерь напора в трубопроводе до h=0,13 м (рисунок 5).
Рисунок 5 - Пьезометрическая линия трубопровода при закрытых водовыпусках
192
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Полученные данные экспериментального исследования свидетельствуют о возможности применения поливного трубопровода на открытых оросительных сетях с напорами на водовыпускных сооружениях от 0,6 м и выше без необходимости применения насосных установок.
Библиографический список
1. Автоматизация водоподачи и учет воды на внутрихозяйственной оросительной системе [Текст]: монография / А.С. Овчинников, А.А. Пахомов, Н.А. Колобанова, В.Ф. Скворцов, В.В. Якубов. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - 188 с.
2. Альтшуль, А. Примеры расчетов по гидравлике [Текст] / Под ред. А.Д. Альтшуля. -М.: Стройиздат, 1977. - 255 с.
3. Гидротехнические сооружения [Текст]/ Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; под ред. Н.П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с., ил. - (Учебники и учебн. пособия для высш. с.-х. учебн. заведений)
4. Колпаков, В.В. Сельскохозяйственные мелиорации [Текст] / В.В. Колпаков, И.П. Сухарев; под ред. И.П. Сухарева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1988. - 319 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений).
5. Оросительные системы России: от поколения к поколению [Текст]: монография / В.Н. Щедрин, А.В. Колганов, С.М. Васильев, А.А. Чураев. - Новочеркасск: Геликон, 2013. -В 2 ч. - Ч. 1. - 283 с.
6. Поливной трубопровод [Текст] : патент на полезную модель №140738 /Пахомов А.А., Ходяков Е.А., Суслин Д.А., Попов П.С., Колобанова Н.А.
7. Шевелев, Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб [Текст]: справочное пособие / Ф.А. Шевелев, А.Ф. Шевелев. - М.: Издательский Дом «Бастет», 2014. - 384 с.
E-mail: kolobanova.nina@yandex.ru
УДК 631.3.001.4
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БГУ-М
О.Х. Кильчукова, старший преподаватель А.Г. Фиапшев, кандидат технических наук, доцент
Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им В.М. Кокова, г. Нальчик
Для определения эффективности использования биогазовых установок предложен энергетический метод оценки. При применении такого метода расчета внедрение модернизированной биогазовой установки, с энергетической точки зрения, считается эффективным, если уровень интенсификации процесса будет больше единицы.
Ключевые слова: биогаз, энергия, теплота, коэффициент эффективности.
Одним из важнейших путей повышения экономической эффективности сельскохозяйственного производства является сокращение ресурсоемкости производства, которое не может быть решено без всестороннего анализа факторов интенсификации производства на новой основе. Такой основой может служить энергетический анализ конечных результатов производства. Она не заменяет существующую методику определения экономической эффективности использования новой техники, а дополняет ее новым качественным содержанием, так как использование для оценки эффективности применения новой техники и технологий только стоимостных показателей не позволяет достаточно полно судить об их действительной эффективности.
В соответствии с этой методикой, решение о целесообразности создания и внедрения новой техники должно приниматься на основе комплексной их оценки: стоимостной и энергетической. Необходимость энергетической оценки обусловлена тем,
193
