CC BY
96
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.674.6:626.82
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ НАПОРА И РАВНОМЕРНОСТИ РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ В КАПЕЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
1 2
А.Е. Новиков ' , кандидат технических наук, докторант М.И. Ламскова 2, аспирант
1 Волгоградский государственный аграрный университет 2Волгоградский государственный технический университет
Капельные линии систем малообъёмного низконапорного орошения относятся к трубопроводам с непрерывной и равномерной раздачей жидкости с убывающим расходом по пути. Надёжность работы капельных трубопроводов оценивается потерями напора и равномерностью расхода жидкости по их длине. С учётом принятых допущений на основе теоретических и натурных исследований эксплуатационных показателей капельных линий предложена эмпирическая формула для определения потерь напора по длине на основе закона Дарси-Вейсбаха.
Ключевые слова: капельные трубопроводы, потери напора по длине, равномерность расхода по длине, надёжность, гидравлическое сопротивление, агротехнические требования.
Надёжность работы капельных линий оросительных систем во многом зависит от применяемых материалов при изготовлении элементов техники полива, их конструктивных параметров, режимов работы [4, 5]. Немало важным являются и качественные показатели вод используемых на орошение, а также технологии и средств во-доподготовки [7]. Надёжность работы капельных систем характеризуется потерями напора и равномерностью расхода по длине капельной линии.
Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений делятся на 2 группы: местные Ъм - вызываемые изменением конфигурации границ потока (например, эмиттеры, наличие ремонтных муфт в местах нарушения целостности капельной линии) и линейные Ъл - затрачиваемые на преодоление сопротивлений трения по длине трубопровода. Соответственно полные потери напора равны сумме всех потерь, т.е. Н = Нм + Нл . По данным [1, 2, 8 и др.], для ламинарного и турбулентного движений жидкости в трубопроводах круглого сечения Ил, м определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:
I V2 Н —
л d 2g
где X - коэффициент гидравлического сопротивления; g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с ; V - скорость жидкости в начале (в голове) трубопровода, м/с; I - длина трубопровода, м; ё - диаметр трубопровода, м.
При изучении потерь напора по длине капельную линию необходимо рассматривать как трубопровод с непрерывной и равномерной раздачей жидкости с убывающим расходом по пути [3, 6, 10].
В общем случае расход по трубопроводу Q состоит из путевого QnУm - раздача жидкости в т числе пунктов с расходом q, расположенных на одинаковых расстояниях
друг от друга по длине I, и транзитного Qmр - расход жидкости, транспортируемой через этот же участок I в последующие участки трубопровода Ь (рис. 1):
о — О^тр ^ О^пут-
В этом случае расход в некотором сечении ёх поливного трубопровода на расстоянии х от начала будет равен:
х
0 - (°тр + Опут ) Опут'
(1)
Рисунок 1 - Расчётная схема к определению потерь напора по длине капельной линии Из гидравлики [8, 2, 1] известно, что расход жидкости по трубопроводу Q, м3/с и Ил связаны между собой расходной характеристикой К, которая представляет собой расход жидкости через заданное сечение при гидравлическом уклоне г, равном единице:
О - ч-л- (2)
I
Тогда преобразовав выражение (2), получим:
02 - К -,
к2 I
(3)
С учётом формул (1) и (3) имеем гидравлический уклон в сечении ёх на расстоянии х от начала поливного трубопровода:
, -
[(О + о ) -Хо ]2
тр пут 1 пут
к
2
Падение напора вдоль элементарного отрезка ёх будет равно:
1 2 а- -,. ах+ о)2 - 2(0 + о) ■ Хо + ^оМ • ах. (4)
к
2 тр пут
тр пут I пут ¡2 пут
Интегрируя уравнение (4) от 0 до I и преобразовав его, получим падение напора по всей длине поливного трубопровода, т.е.:
Н
1 Г Г2 л
ГйН = — Г[(0 + 0 )2 -2(0 + 0 )• -0 +—02 ]• йг;
л ¡^2 тр пут тр пут ] пут 12 пут
К А 1 I
0 К 0
I 1 1ч
к =-т (01++-б')-
л ^2 тр ^тр^пут 3 путу
Принимая 0тр = 0, т.е. поливной трубопровод работает только на путевой расход, получим потери напора по длине капельной линии:
1 е2
Н = \_1_пуг (5)
л 3 к 2
При известных геометрических размерах условно круглого сечения поливного трубопровода - гидравлический радиус Я = й/4, м и площадь поперечного сечения £ = 0,25ж/2, м2 - через постоянную Шези С = можно определить расходную
характеристику:
К = С^Я1 = £-СЖ (6)
Принимая во внимание, что расход и скорость движения жидкости по трубопроводу взаимосвязаны 0 = V • £, то с учётом формул (5) и (6) получим:
Нл 3 1 £2з я й 2g ■ (7)
Таким образом, линейные потери напора по длине капельной линии определяются формулами (7) или Дарси-Вейсбаха, уменьшенной в три раза.
Коэффициент гидравлического сопротивления в формуле (7), как известно [8, 2, 1, 6, 3], зависит от режима движения жидкости или критерия Рейнольдса Яе, а также шероховатости трубопровода. При этом многие специалисты, например [10], отмечают, что капельные линии необходимо рассматривать как «гидравлически гладкий» трубопровод с установившимся турбулентным движением жидкости. При граничных условиях критерия Рейнольдса от 4000 до 105 для расчёта коэффициента гидравлического сопротивления можно использовать уравнение Блазиуса:
1=03_64 (8)
Яе0'25'
где Яе = (V -й) 1у - число Рейнольдса; V - коэффициент кинематической вязкости.
По данным Шевелёва Ф.А. [10] при определении А необходимо дополнительно ввести коэффициент ку = 1,15, который учитывает различия качества укладки поливных трубопроводов в лабораторных и производственных условиях, а также материал и качество их изготовления (наличие стыков). С учётом коэффициента ку, формул (7) и (8), а также приняв вязкость воды (0,99-1,01)10-6 м2/с соответственно при температурах 2022 °С (стандартная температура оросительной воды), получим уравнение для расчёта потерь напора по длине капельной линии:
Нл = кх-к2-1^_15-й-_'25, (9)
где к2 = 1,7 10-4.
Натурная оценка линейных потерь по длине капельного трубопровода —нат
проводилась путём последовательного суммирования [3]:
п
—Н (—1+—2+ ---+—п).
Расчёт начинают с первого или последнего участков поливного трубопровода, для чего капельную линию длиной I условно делят на п равных отрезков с длиной каждого 1п и расходом по пути qn. В этом случае принимается допущение, что на каждом п участке происходят равные потери скорости ЛУ транспортируемой жидкости. С учётом
формулы (9) и принятого допущения потери напора —п на п участке длиной 1п и расходом по пути qn будут равны:
— - к ■ к ■ I ■ (V— п.Ау)1'75 ■ а~1'25,
п 12 п у
где АУ - V — Уп, а Уп - V ■ (1 — I ^Г) - скорость потока жидкости на п участке, м/с,
причём У - скорость в начале (голове) капельной линии; или после преобразования:
— - к ■ к ■ I ■ (V—п У— )1'75 ■ а -1'25. (10)
п 12 п 1 '
Исследование потерь напора по длине капельных лент отечественного производства (с расходом 4 л/ч на п.м. или 0,4 л/ч одним эмиттером) проводились на участке с раскладкой линий на 200 и 140 м при максимальном давлении на входе 0,12 МПа. Капельные трубопроводы условно делили на 20 и 14 равных отрезков по 10 метров, в начале каждого участка монтировались расходомеры, в конце - манометры. Результаты натурных исследований (рис. 2) сравнивались с данными, рассчитанными по формуле (10).
Из полученных экспериментальных данных следует (рис. 2), что математическое описание достаточно адекватно описывает потери напора в капельных трубопроводах. При раскладке линий на длину до 140 метров погрешность Л между расчётными и натурными данными несущественна, не более 3 %, при раскладке на длину свыше 140 м погрешность Л увеличивается, при этом максимум составляет порядка 16 %. Это обусловлено наличием подъёма на опытном участке.
Изучение равномерности расхода жидкости капельными трубопроводами проводилось на участке 100 м в течение часа. Лента условно делилась на участки по 25 м, в начале которых на длине одного метра под эмиттеры устанавливались мерные ёмкости в количестве 10 шт.
я
а
о
с.
ы н о
3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
11111 Зкспериментальные данные к А А
/ к Л 1 тах~ й /б к 1 О/ /о
1 А
А
♦
А ♦ \ Рагч °тны а дан ные
1
А . ♦
i 1кгп РПИМ( ?нтп/ ЪНЫР дани ые-
А / 1 1 Л тпу ~ ? с. /
Ш # / * V 5 1 X 3 а
1 к*' < X
О X < \ Расчетные данные
)
А X
1) <
X
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Длина капельной линии, м
Рисунок 2 - Результаты натурных и расчётных исследований потерь напора в капельных трубопроводах с раскладкой на 200 и 140 метров Анализ полученных данных показал, что коэффициент эффективного расхода составил 0,635 (рис. 3), что меньше норматива установленного агротехническими требованиями на 9,3 % [9].
к
Рисунок 3 - Частотный график распределения расхода жидкости через эмиттеры
На равномерность расхода повлиял тип сварки капельного трубопровода. Известно, что лента должна располагаться эмиттерами вниз, в противном случае жидкость сбегает по ленте, копируя рельеф местности. Испытуемые капельные линии, как и многие другие, отечественного производства, сварены внахлёст, причём стык расположен горизонтально. Укладка лент такого типа на поверхности почвы стыком вниз практически невозможна. Соответственно надёжная работа капельных трубопроводов, сваренных внахлёст, возможна при их укладки под 50-100 мм слой почвы.
Библиографический список
1. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости) [Текст]/ А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселёв. - М.: Изд-во «Стройиздат», 1965. - 275 с.
2. Башта, Т.М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие [Текст] / Т.М. Башта. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1971. - 672 с.
3. Капельное орошение. Справочное пособие к СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения» [Текст]. - Введ. 11.04.1986. - М.: «Союзводпроект», 1986.
- 147 с.
4. Мирцхулава, Ц.Е. О надёжности крупных каналов [Текст] / Ц.Е. Мирцхулава.
- М.: Изд-во «Колос», 1981. - 318 с.
5. Мирцхулава, Ц.Е. Надёжность гидромелиоративных сооружений [Текст]/ Ц.Е. Мирцхулава. - М.: Изд-во «Колос», 1974. - 280 с.
6. Орёл, И.П. Гидравлический расчёт поливных трубопроводов систем капельного орошения [Текст]/ И.П. Орёл, Ю.Н. Великов // Гидротехника и мелиорация. - 1978. - № 7. - С. 52-54.
7. Первичная водоочистка на закрытых оросительных системах со стальными трубами [Текст]/ П.И. Кузнецов, А.Е. Новиков, М.И. Ламскова // Водоочистка. Водо-подготовка. Водоснабжение. - 2013. - № 6 (66). - С. 44-45.
8. Справочник по гидравлическим расчётам [Текст]/ П.Г. Киселёв [и др.]; под ред. П.Г. Киселёва. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во «Энергия», 1972. - 312 с.
9. СТО АИСТ 11.1-2010. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки дождевальные. Методы оценки функциональных показателей [Текст]. - Взамен СТО АИСТ 11.1-2004, ОСТ 10 11.1-2000; введ. 15.04.2011.
10. Шевелёв, Ф.А. Таблицы для гидравлического расчёта стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб [Текст]/ Ф.А. Шевелёв. - 5-е изд. перераб. и доп. - М.: «Стройиздат», 1973 - 112 с.
E-mail: [email protected]
