CC BY
34
УДК 636.084.75
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРУППОВОЙ АВТОПОИЛКИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ГРАВИТАЦИОННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОДЫ
© 2011 г. Е.А. Таран, И.В. Орищенко
Анализ групповых автопоилок с термосифонной системой циркуляции воды позволил выявить ряд конструктивных элементов, влияющих на скорость гравитационной циркуляции воды. И, как следствие, необходимость усовершенствования групповой автопоилки с термосифонной системой циркуляции воды.
Для увеличения направленности потока воды в зону водопойного стакана и увеличения скорости циркуляции предлагается усовершенствование групповой автопоилки за счет угла наклона выпускных патрубков к вертикальной оси вводного трубопровода, а также перфорирование выпускных патрубков по высоте отверстиями, расположенными под определенным углом к оси патрубка.
Этим решается задача нагрева воды и поддержания заданного температурного режима при интенсивном отборе воды животными за счет увеличения скорости циркуляции воды в зоне водопойного стакана.
Ключевые слова: групповая автопоилка, термосифонная система, циркуляционное давление, гравитационная циркуляция, зоотехнические требования, конвективные течения.
The analysis of group automatic drinking bowls with thermosiphon circulation of water has revealed a number of the constructive elements influencing for speed of water gravitational circulation and, as consequence, necessity of improvement of a group autodrinking bowl thermosiphon circulation of water.
For the best hit of water stream in the water glass zone and increases of circulation speed is offered to improve a group drinking bowl changing an slope angle of outlet branch pipes to the vertical axis of the inlet water pipeline and punching of outlet branch pipes by apertures on height, located under a certain corner to an axis of the branch pipe.
Thus the problem of water heating and maintenance of the set temperature mode during intensive selection of water by animals is solved.
Key words: group autodrinking bowl, thermosiphon circulation, circulatory pressure, gravitational circulation, zootechnical requirements, convective flows.
Самое раннее исследование конвективных течений, возникающих в слое жидкости при нагреве снизу, было проведено Бенаром, который рассмотрел слой с твердой нижней границей и свободной поверхностью на верхней границе.
Этот процесс хорошо наблюдается в случае ячеистой структуры течения, состоящей из ячеек гексагональной формы (рис. 1) [1].
Неограниченные свободноконвектив-ные контуры, в которых жидкость нагревается снизу, а охлаждается сверху, часто встречаются в атмосферных и океанических течениях.
На основе процесса течения нагретой жидкости в ячейке предложена термосифонная система с гравитационной циркуляцией воды в групповой автопоилке.
Термосифонная циркуляция представляет собой полностью или частично замкнутую систему, заполненную жидкостью, которая циркулирует в ней под действием сил термической конвекции.
Проведенный анализ конструктивных элементов групповой автопоилки с гравитационной циркуляцией воды выявил ряд недостатков, таких как: недостаточная скорость циркуляции воды в групповой автопоилки и, как следствие, неравномерный подогрев при интенсивном отборе воды животными.
Зона нагредо
Рис. 1. Ячейки Бенара для случая естественной конвекции в горизонтальном слое жидкости
Функциональная схема процесса гравитационной циркуляции воды в групповой автопоилке представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Функциональная схема гравитационной циркуляции воды в автопоилке
Процесс гравитационной циркуляции ильную чашу при открытом положении воды протекает следующим образом: вода клапанно-поплавкового механизма. По ме-по вводному трубопроводу поступает в по- ре заполнения поильной чаши водой до за-
50
данного уровня, поступление воды полностью прекращается за счет срабатывания клапанно-поплавкового механизма.
Холодная вода через обратный трубопровод поступает в нагревательный блок, далее подогретая вода по прямому трубопроводу через распределительные перфорированные патрубки поступает в поильную чашу, в зону смешения, создавая в области водопойного стакана температуру воды согласно зоотехническим требова-
ниям, далее охлажденная вода по обратному трубопроводу поступает в нагревательный блок для подогрева.
Основной движущей силой процесса является циркуляционное давление, которое определяется разностью гравитационных давлений столбов охлаждённой и горячей воды, зависящих от геометрических параметров групповой автопоилки [1, 2, 3].
Давление слева от характерной точки А в нагревателе определяется по фор-
муле [4, 5, 6, 7]: рл = Рх ■ К ■ 8 + Рх ■ К ■ g + рх ■ \ ■ % + Рг ■ к4 ■ g + Ра,
где рх - плотность охлажденной воды
(при 1 < 8 оС), кг/м3; рг - плотность подогретой воды, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с; Ра - атмосферное давление.
Давление справа от этой точки А в к1; к2; к3; к4- высота столба жидкости, м; нагревателе будет:
Рп =Рх ■ К ■ 8 + Рг ■ К2 ■ 8 + Рг ■ К3 ■ 8 + Рг ■ К ■ 8 + Ра . Разность этих давлений определяет величину циркуляционного давления:
Рц = Рл - Рп = 8 (Рх 'Рг ХК + К ) .
Циркуляционное давление зависит и от геометрических параметров нагревательного блока и высоты выпуска воды в зону смешения. Одновременно на циркуляционное давление влияет стабильность температурного режима в нагревательном блоке. Поэтому одним из направлений повышения качества процесса является повышение теплоизоляции нагревательного блока.
Так, в процессе эксплуатации поилок уровень воды в поильной чаше изменяется от максимального до минимального при отборе воды животными. Для обеспечения поступления подогретой воды в поильную чашу при минимальном её уровне целесообразно осуществлять процесс истечения воды по патрубку с перфорацией по высоте.
При циркуляции воды в гравитационной системе последняя испытывает сопротивление перемещению, и часть циркуляционного давления тратится на компенсацию сопротивления трению в трубопроводах, на преодоление местных сопротивлений и сопротивлений при перемещении частиц (слоёв) воды [8, 9, 10].
Для нормальной циркуляции воды в поилке величина циркуляционного давления должна быть больше суммы гидравлических сопротивлений.
Рц * К + Км + К,
где Кт - сопротивления трения;
Км - местные сопротивления;
К - сопротивление при перемещении частиц воды.
С учётом указанного неравенства связь между циркуляционным давлением и суммарным гидравлическим сопротивлением можно представить следующим выражением:
XКг = КЕ1 = аРц ,
где Я - удельные потери давления на преодоление сопротивлений, н/м2; I - длина трубопроводов, м; а - процентное значение потерь давления, расходуемого на преодоление сопротивлений в рассматриваемой системе.
Удельные потери давления на 1 м длины трубопровода
а-Р
К =
XI
Потери давления по длине трубопроводов определяются по известной формуле
1
К
й 2 8'
где X - коэффициент сопротивления или трения;
ё - диаметр циркуляционных трубопроводов, м;
9 - скорость циркуляции воды, м/с.
Потери давления в местных сопротивлениях:
л- = •
где £ - сумма коэффициентов местных сопротивлений на пути движения воды по расчётному контуру;
р - плотность воды, кг/м3.
Скорость циркуляции воды также зависит от создаваемого циркуляционного давления и может быть определена при известном Рц по формуле
9 =
Р
Рс
ср
где ф - коэффициент, учитывающий гидравлические потери.
Скорость циркуляции и диаметр циркуляционных трубопроводов могут быть обоснованы циркуляционным расходом воды в рассматриваемой системе на базе следующих зависимостей [10]:
9 =
ж • < р
ср
< =
40.
Ж 9 • Рср '
где Оц - циркуляционный расход в рассматриваемой системе.
Тепловые потери зависят от конструктивных особенностей поилки и теплотехнических свойств изоляционного материала её:
о„ = Е к • ^ ц „ - и ,
где кг - коэффициент теплопередачи /-конструктивного элемента;
¥г - площадь теплоотдачи /-конструктивного элемента;
1„ - температура подогретой питьевой воды по зоотребованиям, „ = 12.. .16 °С;
1н,в, - температура наружного воздуха.
Циркуляционный расход воды в поилке определяется по формуле
= ^си.
3,60„
и „) •
где Q„ - потери тепла поилкой, Вт;
с - теплоёмкость воды, с = 4,19 кДж/кг-град.;
4 - температура воды в нагревателе;
1„ - допустимая температура воды в чаше поилки.
Рассматриваемая групповая автопоилка имеет низкую направленность потока воды в зону водопойного стакана, неравномерный подогрев воды по объему и недостаточную скорость циркуляции при интенсивном отборе воды животными.
Скорость циркуляции воды зависит от создаваемого циркуляционного давления, разности температур, геометрических параметров групповой автопоилки и диаметра циркуляционного трубопровода.
При эксплуатации в холодный период года одним из недостатков известных конструкций групповых автопоилок является неравномерное обеспечение нагрева воды по объему при интенсивном ее отборе животными. В результате снижается температура воды и, как следствие, уменьшается скорость ее циркуляции.
При максимальном отборе воды животными, а именно, когда задействованы все четыре поильных окна, уровень воды в поильной чаше резко понижается, срабатывает клапанно-поплавковый механизм и холодная вода через вводной трубопровод поступает в поильную чашу. В результате этого животные потребляют холодную воду, которая не соответствует зоотехническим требованиям.
Одним из решений проблемы обеспечения животных водой, согласно зоотехническим требованиям, является оптимальный подбор параметров поильной чаши и системы термосифонной циркуляции.
Основным параметром системы по обеспечению технологического процесса поения является вместимость поильной чаши.
Система должна вмещать объем воды на поение животных, некоторый запас для притока воды в водопойный стакан и объем воды для поддержания поплавка в крайнем нижнем положении.
г
Длительность и интенсивность потребления воды животными зависит от возраста животных, температуры наружного воздуха и является случайной величи-
ной. Интенсивность водопотребления составляет для КРС 0,1 л/с, для мелкого рогатого скота - 0,025 л/с.
Рис. 3. Групповая автопоилка
Рис. 4. Вводный трубопровод с наклонным патрубком
Так как потребление воды животными происходит в заданном числе локальных поильных мест, то гравитационная циркуляционная система должна быть многоконтурной с равными технико-эксплутационными показателями.
Предлагаемое устройство позволяет снизить заболеваемость животных, повысить их продуктивность (рис. 3, 4). В связи с этим для увеличения направленности потока воды в зону водопойного стакана и увеличения скорости циркуляции нами предлагается усовершенствовать групповую автопоилку за счет угла наклона выпускного патрубка ф (3°...10°) к вертикальной оси вводного трубопровода, которые по высоте перфорированы отверстиями, расположенными под углом а (40° .60°) к оси патрубка в поильной чаши.
Этим решается задача нагрева воды и поддержания заданного температурного режима при интенсивном отборе воды животными за счет увеличения скорости циркуляции воды в зоне водопойного стакана.
Литература 1. Свободно конвективные течения, тепло- и массообмен. Т. 2 / Б. Гебхард, Й. Джалурия, Р. Махаджан, Б. Саммакия. -Москва: Мир, 1992. - 528 с.
2. Себиси, Т. Конвективный теплообмен: физические основы и вычислительные методы / Т. Себиси, П. Брэдшоу; пер. с англ. - Москва: Мир, 1987. - 590 с.
3. Свободно конвективные течения, тепло- и массообмен. Т. 1 / Б. Гебхард, Й. Джалурия, Р. Махаджан, Б. Саммакия. -Москва: Мир, 1991. - 678 с.
4. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - Москва-Ленинград: МАШГИЗ, 1957. - 383 с.
5. Арнольд, Л.В. Техническая термодинамика и теплопередача / Л.В. Арнольд, Г.А. Михайловский, В.М. Селивестов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Высшая школа, 1979. - 446 с.
6. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача / В.В. Нащокин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Высшая школа, 1975. - 496 с.
7. Вукалович, М.П. Термодинамика / М.П. Вукалович, И.И. Новиков. - Москва: Машиностроение, 1972. - 670 с.
8. Авчухов, В.В. Задачник по процессам тепломассообмена / В.В. Авчухов, Б.Я. Паюсте. - Москва: Энергоатомиздат, 1986. - 141 с.
9. Воскресенский, К.Д. Сборник задач по теплопередаче / К.Д. Воскресенский. -
Москва-Ленинград: Госэнергоиздат, 1951. - 168 с.
10. Поцелуев, А.А. Обоснование параметров линии циркуляции воды в груп-
повой поилке / А.А. Поцелуев, Е.А. Таран // Совершенствование процессов и технических средств в АПК. - Зерноград, 2005. -Вып. 6. - С. 90-95.
Сведения об авторах
Таран Елена Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры безопасности технологических процессов и производств Азово-Черноморской государственной агроинже-нерной академии (г. Зерноград).
Орищенко Ирина Викторовна - аспирантка кафедры безопасности технологических процессов и производств Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)36-0-23. E-mail: Irinaoris@mail.ru.
Information about the authors
Taran Elena Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the safety of technological processes and production department Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Orishenko Irina Viktorovna - post-graduate student of the safety of technological processes and production department Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)36-0-23. E-mail: Irinaoris@mail.ru.
УДК 551.551.6:532.526
ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН НА ПОРИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2011 г. П.В. Никитин, А.А. Хащенко
Анализ тепло- и массопереноса проведен для пористой поверхности и неизотермических условий при наличии поперечного потока газов.
Опыты проводились в цилиндрических графитовых каналах. Стенки каналов нагревались токами высокой частоты до температуры 2000 К. Инертные газы аргон, азот или гелий подавались через пористую поверхность. Обтекаемая поверхность подвергалась химической эрозии в потоке воздуха.
Расчеты по формулам, выраженным в виде критериев подобия, удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов.
Ключевые слова: тепломассообмен, пористая поверхность, поток, газ, графитовые каналы, высокая частота, инертные газы, химическая эрозия.
Analysis heat and mass transfer moved for a porous surface and unisothermal terms at presence of transversal stream of gases. Carried out tests in the cylindrical graphite ducts. The walls of ducts were heated the currents of high-frequency to the temperatures of 2000 K. Inert gases: argon, nitrogen or helium was given through a porous surface. The streamlined surface was exposed to chemical erosion in a blast. Calculations in formulas, to expressed as criteria of similarity, satisfactorily comport, with results of experiments.
Key words: heat and mass transfer, porous surface, graphite channels, streams, porous surface, chemical reaction, inert gases, erosion of elements.
