CC BY
129
Область данных, соответствующих оптимальной работе гидравлического клапана
О 1,0 2,0 3,0 4,0
Расход, м3/ч
“Максимально допустимая потеря напора в сливном трубопроводе _ Напор в напорном трубопроводе
“Напор в трубопроводе, обеспечивающем заполнение гидроимпульсной камеры
Рис. 2. Зона оптимальной работы гидравлического клапана
мально допустимое значение напора, определяющее заполнение пространства гидроимпульсной камеры за время, равное промежутку между импульсами повышения давления, формирующими высоконапорную струю.
Выводы
При использовании явления электрогидравлического эффекта для внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений посредством гидроимпульсных струй процесс внесения отвечает всем агротехническим требованиям и имеет явные преимущества в области возможностей дистанционного оперативного регулирования глубины и дозы внесения. Поэтому данный метод является перспективным для использования его в рамках координатного земледелия. Применение гидроимпульсного способа также позволит формировать корневую систему многолетних насаждений, осуществляя ежегодное внесение удобрений.
Список литературы
1. Терехова, А.С. Применение жидких комплексных удобрений в садах / А.С. Терехова // Химия в сельском хозяйстве. — 1986. — № 9. — С. 36.
2. Ещин, А.В. Проблемы механизации внутрипочвен-ного внесения удобрений в садах / Научно-технический прогресс в садоводстве: сборник научных докладов Второй междунар. научно-практич. конф. Ч. 1. — М.: ВСТИСП, 2003. — С. 132.
3. Наугольных, Н.А. Электрические разряды в воде / Н.А. Наугольных, Н.А. Рой. — М.: Наука, 1971. — 212 с.
4. Электрогидроимпульсное формообразование с использованием замкнутых камер / В.Н. Чачин, В.Л. Шадуя [и др.]. — М.: Наука и техника, 1985. — 184 с.
УДК 620.9:644
А.П. Левцев, доктор техн. наук, профессор
А.Н. Макеев, аспирант С.Ф. Кудашев, аспирант
ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва»
ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛО-, ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
В настоящее время потенциал традиционных систем тепло- и водоснабжения объектов сельскохозяйственного назначения практически исчерпан. В то же время, как показывает практика их эксплуатации, должной водоподготовки в данных сетях, характеризующихся большим отбором воды, не осуществляется. Сельские сети обладают повышенной зашламленностью, теплопередающие поверхности приборов работают неэффективно, а потери давления в сетях тепло- и водоснабжения превышают нормативные в 2.. .2,5 раза.
Современные системы теплоснабжения все больше насыщаются регуляторами различного типа, корректирующими насосами, которые в основном являются энергозависимыми и контролируются электроникой. Все это усложняет систему теплоснабжения, требуя эксплуатации и обслуживания квалифицированным персоналом, и в итоге снижает ее надежность.
Однако существующие системы теплоснабжения могут получить принципиально новое направление развития и повышения энергоэффективности,
77
если учесть тот факт, что коэффициент теплоотдачи движущегося потока (теплоносителя) значительно зависит от частоты пульсаций скорости его истечения. Зависимость коэффициента теплоотдачи К от относительной амплитуды колебаний скорости Ли/и0 установлена в работе [1].
Исходя из этого следует, что «простым» переводом стабильного во времени течения теплоносителя в импульсное (колебательное) можно добиться решения сразу нескольких вопросов, например процесс энергоэффективной теплоотдачи теплоносителя и процесс самоочищения теплоиспользующего оборудования будут происходить уже совместно на протяжении всего периода эксплуатации системы теплоснабжения, к тому же можно использовать генерируемый импульс количества движения теплоносителя. Поэтому можно сделать вывод, что импульсные системы теплоснабжения могут получить более широкое и целесообразное применение в силу большей энергоэффективности относительно традиционных систем.
Преобразование постоянного режима течения теплоносителя в импульсное можно осуществить:
1) при помощи электромагнитного клапана и электропривода, автоматически с заданной частотой и амплитудой перекрывающего поток движения теплоносителя, тем самым генерируя импульсы. Но возникающее в данном случае явление гидравлического удара вряд ли позволит судить о надежности системы теплоснабжения;
2) наиболее оригинальным и относительно дешевым способом, основанным на принципе работы самоподдерживающегося водоподъемного устройства, именуемого «гидравлический таран».
Принцип работы гидравлического тарана заключается в получении градиента потенциала напора потока жидкости при его взаимодействии с препятствием в коротких динамических импульсах, при которых постоянный естественный градиент напора (в пространстве), как правило, в открытом или проточном водоеме трансформируется в градиент напора во времени. А так как длительность взаимодействия потока с препятствием при этом очень маленькая (только в момент гидроудара), то возникающий наведенный (вторичный) градиент напора в импульсе достигает очень больших, по сравнению с первичным запускающим естественным градиентом напора, значений.
На рис. 1 приведена схема гидравлического тарана. В период разгона при кратковременном открытии ударного клапана 4 (вручную) в питательной трубе 6 под действи-
ем подпора создается поток воды со средним расходом Q, который сбрасывается через этот клапан. Когда силовое воздействие воды уравновесит вес ударного клапана 4, он поднимается. Быстрое закрытие ударного клапана, а следовательно внезапная остановка воды, вызывает гидравлический удар. Резкое повышение давления открывает обратный клапан 5, через который поступает некоторое количество воды со средним расходом q < Q. В рабочем периоде вода по трубопроводу 2 поступает в верхний бак 1, преодолев напор H > h. Сжатый воздух, находящийся в напорном колпаке 3, выравнивает подачу воды по трубопроводу 2. В конце второго периода давление в питательной трубе 6 под ударным клапаном становится немного меньше, поэтому обратный клапан закрывается, а ударный клапан открывается, что обеспечивает автоматическое повторение цикла. КПД гидротарана зависит от напора, и для соотношения H/h = 1 равен 0,92, а для H/h = 20 составляет 0,26.
При всей кажущейся простоте устройства и работы гидравлического тарана для прямого использования его в системе теплоснабжения он обладает весьма существенными недостатками:
• необходимость систематической подкачки в напорный колпак воздуха, поскольку по мере работы он растворяется в воде. Чем выше высота нагнетания (напор), тем больше нужно подавать воздуха, тем выше склонность к коррозии теплоиспользующего оборудования системы;
• обязательный слив рабочей жидкости из питательной трубы ниже уровня расположения самого устройств. Сливать в окружающую среду сетевую воду только ради получения импульсов количества движения теплоносителя представляется не только нерациональным, но и неразумным;
• работает только на естественных водоисточниках (озеро, река, плотина). Электро- и тур-
1
бонасосы систем теплоснабжения, в отличие от открытого водоисточника, обладают совершенно иной расходнонапорной характеристикой.
Первый недостаток гидравлического тарана устраняется установкой в напорном колпаке полого резинового демпфера [5], на практике — гидроаккумулятором промышленного изготовления, выпускаемым для насосных станций (водоподъемное устройство с напорным колпаком и гидроаккумулятором Джилекс-24г).
Последние два указанных недостатка устраняются особой запатентованной конструкцией водоподъемного устройства и позонной схемой его включения в системы тепло- и водоснабжения, где теплоноситель на выходе водоподъемного устройства разделяется на несколько потоков с различным значением напора и скорости циркуляции [5-8].
Схемы и опытные образцы подобных импульсных систем разработаны на кафедре теплоэнергетических систем Мордовского ГУ им. Н.П. Огарёва, раздельно для систем теплопотребления, присоединяемых к источнику теплоты по зависимой и независимой схемам.
Принципиальная схема импульсной системы отопления при независимом присоединении к источнику теплоты работает следующим образом (рис. 2). Систему заполняют соответствующими видами теплоносителей (высокотемпературным и низкотемпературным), затем при помощи сетевого насоса 5 осуществляют циркуляцию высокотемпературного теплоносителя от источника теплоты 1 по подающему 2 и обратному 6 трубопроводам через теплообменник 3 и самовозбуждаемый генератор гидравлического удара 4, который может быть установлен в подающий или обратный трубопровод.
При достижении определенной (заданной) скорости циркуляции высокотемпературного теплоносителя через самовозбуждаемый генератор гидравлического удара 4 его проходное сечение автоматически закрывается и возникает гидравлический удар, положительная волна распространения которого, воздействуя с одной стороны на эластичную диафрагму 9 импульсного нагнетателя 8, приводит к осуществлению пульсирующей, соответствующей периоду смены положительной волны гидравлического удара на отрицательную, организации движения низкотемпературного теплоносителя через первый 7 и второй 10 обратные клапаны относительно второй стороны эластичной диафрагмы 9.
13
Рис. 2. Принципиальная схема импульсной системы теплоснабжения при независимом присоединении к источнику теплоты
В момент, когда положительная волна распространения гидравлического удара израсходует свою энергию и сменит знак на противоположный, проходное сечение самовозбуждаемого генератора гидравлического удара 4 автоматически откроется и циркуляция высокотемпературного теплоносителя возобновится до тех пор, пока его скорость вновь не достигнет величины, достаточной для автоматического закрытия его проходного сечения.
С каждым последующим циклом возобновления циркуляции высокотемпературного теплоносителя эластичная диафрагма возвращается в свое первоначальное положение и при закрытом в это время обратном клапане выхода 10 производит некоторое разрежение в импульсном нагнетателе 8, благодаря чему открывается обратный клапан входа 7 и осуществляется последующая циркуляция низкотемпературного теплоносителя в системе теплопотребле-ния 12 через разводящий подающий 11 и обратный трубопровод 13.
Опытный (макетный) образец системы тепло-, водоснабжения с независимым присоединением к источнику теплоты смонтирован на кафедре теплоэнергетических систем МГУ им. Н.П. Огарёва (рис. 3).
Работоспособность опытного образца импульсной системы теплоснабжения с независимым присоединением системы теплопотребления отражена на графике (рис. 4), на котором представлен переходный режим перевода режима циркуляции теплоносителей из стационарного в импульсный. Как видно из рис. 4, система теплоснабжения довольно устойчиво работает в импульсном режиме с частотой генерации импульсов равной 1,66 Гц. В случае использования горячего водоснабжения система обладает самоограничивающей способностью по располагаемому давлению и при изменении расхода
Рис. 3. Опытный образец импульсной системы тепло-, водоснабжения с независимым присоединением системы теплопотребления к источнику теплоты:
1, 2 — подающий и обратный трубопроводы высокотемпературного теплоносителя; 3 — самовозбуждаемый генератор гидравлического удара (ударный узел); 4 — импульсный нагнетатель; 5 — водо-водяной теплообменник; 6, 7 — подающий и обратный трубопроводы низкотемпературного теплоносителя (системы теплопотребления);
8 — тепловая нагрузка; 9 — узел учета тепловой энергии
P, МПа 5 4 3 2 1 0
ишииии-
!: ■■ ¡і !: м И !: I!
— График 1
— График 2 “График 3 ■ - График 4
ОС ОС Г- Ю Ю
00 ГЧ ЧО О, 00, СЧ 40 О, 00 гч
^ ю' ю' 00~ 0©~ 0©~
t, С
Рис. 4. Изменение давления в импульсной системы тепло-, водоснабжения с независимым присоединением к источнику теплоты: пульсации давления высокотемпературного теплоносителя до (1) и после (4) самовозбуждаемого генератора гидравлического удара в тепловой сети; пульсации давления низкотемпературного теплоносителя до (2) и после (3) импульсного нагнетателя в системе теплопотребления
низкотемпературного теплоносителя (в контуре системы ГВС) частота генерации импульсов также не меняется.
Таким образом, при использовании импульсных систем тепло-, водоснабжения обеспечивается:
• снижение удельного расхода топлива источника теплоты за счет улучшенного тепло-съема на 30 % и более за счет пульсирующего режима течения теплоносителя;
• увеличение срока службы теплоиспользующего оборудования за счет реализации эффекта самоочищения пространств циркуляции теплоносителя при его пульсирующем режиме течения;
• снижение требований к качеству исходной и сетевой воды;
• уменьшение теплопередаю-
щих поверхностей теплоиспользующего оборудования за счет возрастания коэффициента теплопередачи при пульсирующем режиме в 1,3__2 раза;
• снижение материальных затрат на проектирование и монтаж системы теплоснабжения за счет снижения ее общей металлоемкости;
• отсутствие затрат на транспорт теплоносителя и тепловой энергии в системе тепло-потребления за счет использования только располагаемого напора высокотемпературного теплоносителя;
• относительная простота реализации пульсирующего режима;
• возможность создания значительного (10 атм и более) располагаемого напора, что необходимо для высотных зданий и протяженных сетей, без применения повысительных насосов.
Список литературы
1. Галицейский, Б.М. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках / Б.М. Галицейский, Ю.А. Рыжов, Е.В. Якуш. — М.: Машиностроение, 1977. — 256 с.
2. Чистопольский, С.Д. Гидравлические тараны / С.Д. Чистопольский. — М.—Л.: ОНТИ, 1936. — 148 с.
80
3. Овсепян, В.М. Гидравлический таран и таранные установки / В.М. Овсепян. — М.:Машиностроение, 1968. — 124 с.
4. Ростовцевъ, В.Н. Утилизація малыхъ паденій воды для целей осушенія и орошенія земель / В.Н. Ростовцевъ. — Петроградъ, 1916. — 50 с.
5. Пат. 82798 РФ, МПК F04F7/02. Таран гидравлический / А.Н. Макеев, А.П. Левцев. — № 2008150029; заявл. 17.12.2008; опубл. 10.05.2009. Бюл. № 13.
6. Пат. 86841 РФ, МПК А0Ш25/00. Ударный узел для газогидравлического устройства / А.П. Левцев, А.Н. Макеев. — № 2009116882; заявл. 04.05.2009; опубл. 20.09.2009. Бюл. № 26.
7. Пат. 87501 РФ, МПК F24D11/00. Автономная система отопления для здания автономного пользования / А.П. Лев-
цев, А.Н. Макеев, А.А. Лазарев. — № 2009113871; заявл. 13.04.2009; опубл. 10.10.2009. Бюл. № 27.
8. Пат. 88104 РФ, МПК F24D 3/02. Система отопления (варианты) / А.Н. Макеев, А.П. Левцев, А.А. Лазарев. — № 2009126711; заявл. 13.07.2009; опубл. 27.10.2009. Бюл. № 30.
УДК 631.348.46
В.В. Кузнецов, канд. техн. наук, доцент А.В. Кузнецов, программист Е.В. Кузнецов, инженер
ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СВОЙСТВ ОПРЫСКИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА
Современные опрыскивающие агрегаты — это сложные динамические системы с нестационарными и нелинейными внутренними связями [1]. В первом приближении следует отметить основные нестационарности и нелинейности характеристик агрегатов, влияющие на качество их работы.
1. Диапазон изменения массы опрыскивателей по мере расходования рабочей жидкости может почти в 2 раза превышать их собственную массу без жидкости. Например, у опрыскивателя UF 1801 немецкой фирмы Amazone собственная масса составляет 1090 кг, а объем емкостей — 1980 л.
Проведенные в Брянской ГСХА исследования экспериментального прицепного штангового опрыскивателя шириной захвата 15 м подтвердили существенное влияние его массы на равномерность распределения жидкости по ширине захвата. Влияние массы экспериментального штангового опрыскивателя на величину коэффициента вариации распределения жидкости по ширине захвата при движении на различных скоростях по рельефу поля со всходами озимой пшеницы представлено на рис. 1.
Из рис. 1 следует, что уменьшение массы опрыскивателя в процессе работы с 2100 до 650 кг, при прочих равных условиях, вызывает изменение коэффициента вариации распределения жидкости по ширине захвата с 5,8 до 8,0 %. При этом влияние является нелинейным и существуют экстремумы.
2. Изменение положения приведенного центра масс агрегата относительно связанной с ним системы координат при расходовании рабочей жидкости имеет нелинейный характер во времени и формализуется аналитически сложными зависимостями, учитывающими конструктивные особенности емкости и самого агрегата.
Полученные авторами в работе [2] зависимости для емкости, приведенной на рис. 2, имеют вид (1)
и (2). По формуле (1) для любого заданного значения у можно найти величину ординаты центра тяжести жидкости в емкости и с ее учетом рассчи-
Рис. 1. Влияние массы экспериментального штангового опрыскивателя на величину коэффициента вариации распределения жидкости по ширине захвата:
va — скорость движения агрегата по заданному рельефу; Ма — масса агрегата с различным уровнем жидкости в емкости; ^ — коэффициент вариации распределения жидкости по ширине захвата 15 м
Рис. 2. Расчетная схема емкости опрыскивающего агрегата с жидкостью
