CC BY
15
УДК 636.3:631.3
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИННОВАЦИОННОЙ МАШИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Ю.А. Мирзоянц, доктор технических наук
ИМЖ - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
E-mail: mirzoyans42@mail.ru
В.Е. Фириченков, кандидат технических наук
Н.А. Середа, доктор экономических наук
ФГБОУ ВО «Костромская ГСХА»
E-mail: admin@kgsxa.ru
Аннотация. Показано значение воды для жизнедеятельности живого организма, ее место и роль (способствует образованию крови, пищеварительных соков и слюны, растворяет питательные вещества, разносит их по всему телу, удаляет из организма продукты переработки, способствует поддержанию температуры тела на заданном уровне). Для расчета заявленного технологического процесса на животноводческом объекте по известным требованиям строится расчетная теоретическая модель; в числе приоритетных требований: средний и максимальный суточные расходы воды; максимальный часовой и секундный расходы воды; суточный расход насосной станции; выбор водяного насоса и потребной мощности привода насоса. Определены потери напора при подаче воды по трубопроводу, состоящие из потерь на трение по длине трубопровода и местные сопротивления; общие потери напора в трубопроводе определяются как суммарные потери напора на трение по длине и в местах сопротивления. По расчетным значениям свободного напора для подачи воды на заданную высоту в водопроводной сети и напорно-регулиру-ющих сооружениях определены: насосы, насосные станции, напорно-регулирующие сооружения, водонапорные башни и автоматизированные безбашенные водоподъемные установки, выбор и расчет количества водопойного оборудования. Предлагаемая методика расчета инновационной машинной технологии водоснабжения в животноводстве позволит хозяйствам увеличить эффективность производства продукции за счет применения информационных и коммуникационных систем и выбрать технические средства, которые позволят обеспечить целенаправленное использование ресурсов и точный контроль производственных процессов.
Ключевые слова: животноводство, гидравлика, водоисточник, технологии, системы и схемы водоснабжения, водонапорная башня, водяной насос, насосные станции, мощность.
Характеристика направления. Инновационная машинная технология водоснабжения в животноводстве - комплекс решений, направленных на устойчивое увеличение эффективности производственного процесса водообеспечения за счет применения информационных и коммуникационных систем, а также технических средств, обеспечивающих целенаправленное использование ресурсов и точный контроль производственных процессов. Предлагаемая инновационная машинная технология водоснабжения в животноводстве в дальнейшем может служить базой для реализации цифровых технологий, позволяющих дистанционно управлять не только производственным процессом водоснабжения, но и всеми процессами животно-
водческого объекта в режиме реального времени, обеспечивать непрерывный сбор, анализ и использование информации для соблюдения мер безопасности и бережного отношения к окружающей среде, что способствует уменьшению негативного влияния животноводства на экосистему [8,9].
В ИМЖ - филиале ФГБНУ ФНАЦ ВИМ проводятся научно-исследовательские изыскания совместно с ФГБОУ ВО «Костромская ГСХА», ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА» и Костанайского ГУ (Казахстан) по направлению «Эффективность автоматизированных машинных технологий в животноводстве» (на данном этапе на базе производственного процесса механизации и автоматизации водоснабжения животноводческого объекта).
Значение воды для жизнедеятельности живого организма. В организме животных вода выполняет разнообразные функции [3, 4,6,7]: участвует в образовании крови, пищеварительных соков и слюны; растворяет питательные вещества, разносит их по всему телу; необходима для переваривания и усвоения корма; удаляет из организма продукты переработки; способствует поддержанию температуры тела на заданном уровне; предохраняет организм от перегревания.
Вода является универсальным растворителем органических и неорганических веществ в организме животного, она способна образовывать растворы с твердыми, жидкими и газообразными веществами. Все жизненные процессы в живом организме протекают при активном ее участии. Известно, что только при содержании определенного количества воды в теле животного жизнедеятельность организма протекает нормально. Установлено, что без корма животные могут прожить около 30 дней, а без воды - не более 68 дней. При потере организмом 20% воды животное погибает.
Следует также отметить, что хорошо налаженный доброкачественный водопой в строгом соответствии с физиологическими потребностями животных при нормальной кормообеспеченности способствует повышению удоя у коров на 25-30%, приросту живой массы нагульных животных до 7-10%, настригу шерсти до 8-10%, а также снижению себестоимости продукции на 20-30%.
Санитарные требования к качеству воды. Вода, используемая для поения животных, должна быть прозрачной, не иметь посторонних запахов и привкусов. Она не должна содержать продуктов гниения органических веществ и ядовитых химических примесей, а также патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов [3,4,6].
При выборе источников для хозяйственно-питьевого водоснабжения согласно СНиП 2.04.02-84 следует руководствоваться отраслевыми нормами технологического проектирования (ОНТП). В случае использования воды без очистки и обеззараживания качество ее должно соответствовать нормам ГОСТ
10428-79: с общей минерализацией (сухой остаток) не более 1500 мг/л, водородном показателем (рН) 6,5-9,5, с массовой долей твердых механических примесей не более 0,01%, содержанием хлорида не более 300 мг/л, сульфатов - не более 500 мг/л, сероводорода - не более 1,5 мг/л.Допустимую концентрацию в питьевой воде вредных веществ в каждом отдельном случае устанавливает Главная государственная санитарная инспекция РФ. Вода, используемая для по -ения животных на фермах и комплексах, должна иметь температуру 8-16°С.
Системы и схемы водоснабжения животноводческих объектов. Система водоснабжения - комплекс мероприятий, включающий забор воды из источников, подъем ее на высоту, очистку, хранение, подачу и потребление. Системы водоснабжения подразделяются на групповые и локальные [2,3, 4,5,6]: групповое централизованное водоснабжение нескольких объектов, часто различного направления; локальная система, как правило, обслуживает индивидуальный объект.
Схема водоснабжения - технологическая линия, связывающая в той или иной последовательности водопроводные сооружения, выполняющие функции добывания, перекачки, улучшения качества транспортирования воды к пунктам ее потребления. В животноводческих хозяйствах используют в основном три схемы источников водоснабжения: из поверхностного, подземного и самотечного водоснабжения. Первые две схемы - напорные, где уровень водоисточника находится ниже уровня потребителя и для подачи ее требуются водоподъемные устройства. При самотечной системе водоснабжения преимущественно используют родниковые источники, где вода, выходящая на поверхность под давлением, заполняет каптажные сооружения, откуда самотеком поступает в регулирующий резервуар и далее к потребителю.
Источники водоснабжения, водозаборные и очистные сооружения. Источники водоснабжения: поверхностные - реки, озера, искусственные водоемы; подземные -грунтовые и межпластовые; вода атмосфер-
ных осадков - снеговая, дождевая [2,3,4,6]. Водозаборные сооружения - забор воды из источника. Для забора воды из поверхностных (открытых) источников устанавливают береговые колодцы или простейшие водозаборы. При заборе воды из подземных (закрытых) источников устанавливают шахтные, буровые (трубчатые) и мелкотрубчатые колодцы. Подземные воды, выходящие на поверхность под давлением, собираются в капотажные колодцы [2,3,4,6].
Для очистки и обеззараживания поверхностных вод в схему водоснабжения допол-
нительно включают очистные сооружения: отстойники, фильтры, смесители, градирни, и т. д. В этом случае насосные станции первого подъема подают воду из источников на очистные сооружения, а насосные станции второго подъема - в сеть или водонапорные башни [2,3,4,6].
Механизация и автоматизация водоснабжения в животноводстве. Методика оценки экономической эффективности животноводства выполняется на базе расчета производственного процесса механизации и автоматизации водоснабжения (рис. 1).
Рис. 1. Схема механизированного водоснабжения: 1 - источник воды; 2 - водозаборное сооружение; 3 - насосная станция первого подъема воды; 4 - очистное сооружение; 5 - резервуар чистой воды; 6 - насосная станция второго подъема воды; 7 - водонапорная башня; 8 - внутренний водопровод; 9 - водораздаточное
устройство; 10 - внешний водопровод
Для расчета заявленного технологического процесса на животноводческом объекте принимаются исходные данные; в числе приоритетных [2,3,4,6,7]: средний и максимальный суточные расходы воды, м3/сут; максимальный часовой и секундный расходы воды, м3/ч (м3/с); суточный расход насосной станции, м3/сут; выбор водяного насоса и потребная мощность привода насоса, Вт; гидравлический расчет водопроводной сети; водонапорные башни и резервуары; выбор и расчет емкости бака 'б ('р), м3, и высоты Нб (Нр), м; выбор и расчет водопойного оборудования.
Среднесуточный расход воды, м3/сут, на ферме определяется [3,4,6,7]:
&р.сут. = 0,001 Чгщ , (1)
где qi - среднесуточная норма потребления воды одним животным, л; щ - количество животных в данной половозрастной груп-
пе, гол.; т - количество половозрастных групп.
Расчет производят на стойловый период из условия 6 л/гол. для взрослого поголовья и 3 л/гол. для молодняка [3,4,6,7]. В группу молодняка входят ярочки и баранчики текущего года рождения, остальное поголовье входит в группу взрослых.
Максимальный суточный расход воды, м3/сут, определяется:
Фмакс.сут. сут. ^сут. , (2)
где асут. - коэффициент суточной неравномерности; асут=1,3.
Максимальный часовой расход, м3/ч, определяется:
Q
макс.час
_ ^макс.сут.
= 24
а,
час
(3)
где ачас. - коэффици-ент часовой неравномерности; на фермах с автопоением ачас. = 22,5, без автопоения - ачас. = 4,0.
Секундный расход воды, м/с, определя-
ется:
Чс =
3600
(4)
Суточный расход насосной станции (подача), м3/сут, определяется:
Qнa, = ^^ , (5)
где I - продолжительность работы насоса или станции в сутки, ч.
Продолжительность работы насосной станции выбирают в соответствии с дебитом водоисточника. При этом производительность насоса должна быть больше или равна @макс. час., но не должна превышать дебита водоисточника [1,3,4,7].
Выбор насоса является одним из определяющих факторов, от которого в значительной степени будут зависеть как технологические параметры, так и эксплуатационные режимы работы всей линии водоснабжения исследуемого животноводческого объекта. Основным критерием выбора водяного насоса является подъем заданного количества воды из водоисточника и перемещение ее по трубопроводам к месту потребления.
При выборе конкретного типа насоса руководствуются следующими группами критериев [1,3,4,6]: технологические и конструктивные; характер перекачиваемой среды; основные расчетные параметры.
Технологические и конструктивные требования. Выбор насоса может диктоваться какими-либо строгими требованиями по ряду конструктивных или технологических параметров. Центробежные насосы, в отличие от поршневых, могут обеспечивать равномерную подачу перекачиваемой среды, в то время как для выполнения условий равномерности на поршневом насосе приходится значительно усложнять его конструкцию, располагая на коленчатом вале несколько поршней, совершающих возвратно-поступательные движения с определенным отставанием друг от друга. В то же время подача перекачиваемой среды дискретными порциями заданного объема также может являться технологическим требованием. Примером определяющих конструктивных требований может служить использование погружных
насосов в тех случаях, когда необходимо расположить насос ниже уровня перекачиваемой жидкости [1,2,4,6].
Характер перекачиваемой среды. Характеристики перекачиваемой среды часто становятся определяющим фактором в выборе насосного оборудования. Различные типы насосов подходят для перекачки самых разнообразных сред, отличающихся по вязкости, токсичности, абразивности и множеству других параметров. Так, винтовые насосы способны перекачивать вязкие среды с различными включениями, не повреждая структуру среды. Коррозионные свойства перекачиваемой среды определяют материальное исполнение выбираемого насоса, а токсичность - уровень его герметизации [1,3-6,10].
Основные расчетные параметры. Предпочтение отдается тому типу насосов, который наиболее применим при конкретных значениях основных расчетных параметров (производительность, напор и потребляемая мощность). Отмечается, что насосные станции с высокой производительностью (расходом) строят с двумя равноценными насосными агрегатами, один из которых является резервным [1,2,3,4,6,7].
Мощность привода водяного насоса, Вт, определяется:
Qнaс:p•н•к3•g
Р =
(6)
3600-^н •Лп
где Qнас. - объемный расход воды (подача насоса), м3/ч; р - плотность воды, 1000 кг/м3; Н - полный напор насоса, м.
Полный напор насоса Н при подаче воды от уровня зеркала на высоту водонапорной башни НВБ складывается из статического напора и напора на преодоление сопротивлений в гидравлической сети (потери напора в сети линейные и местные). В первом приближении принимается Н = 2НВБ.
Соотношение единиц: 1 кгс/см2 = 1 атм = 10 м водяного столба ~ 0,1МПа (0,1 Н/мм2) = 100 кПа; Кз - коэффициент запаса мощности, учитывающий перегрузки во время работы насоса, Кз = 1,1-2,0; д - ускорение свободного падения, д=9,81 м/с2; цн - КПД насоса согласно технической характеристике: центробежные пн=0,4-0,6, вихревые пн=0,25-
0,55; ц„ - КПД передачи от двигателя к насосу. При расположении рабочего колеса на валу электродвигателя щ„=1, при соединении валов через муфту п„=0,98. По известному характеру перекачиваемой жидкости, величине производительности, напору и потребляемой мощности выбирают с учетом рабочих характеристик тип и марку насоса.
Гидравлический расчет водопроводной сети. Гидравлический расчет водопроводной сети позволяет определить диаметр трубы каждого из участков водопроводной сети по расчетному расходу цр/ на /-м участке и потери напора на преодоление сопротивлений в трубах при пропуске по ним расчетного количества воды [1,4,5,6,10]
Диаметр трубы каждого из участков водопроводной сети Д м, определяют по расчетному секундному расходу воды и скорости движения воды в трубе:
D= №
'n-V
(7)
где qc- максимальный секундный расход воды, м3/с; V - скорость движения воды в трубе, м/с.
Из формулы (7) следует, что диаметр трубы зависит не только от расхода, но и от скорости движения воды в трубе. На основе технико-экономических расчетов и эксплуатации водопроводных сетей выявлено, что оптимальная скорость движения воды находится в пределах 0,4-1,25 м/с [1,4,5,6,10]. В таблице указаны параметры внутренних диаметров в зависимости от числа обслуживаемых водоразборных точек (потребителей).
Таблица. Диаметры труб внутренней водопроводной сети в зависимости от числа
Число водоразбоных точек 1-3 4-10 11-20 21-40 41-60 61-80
Внутренний диаметр трубы, мм 15 20 25 32 40 50
Потери напора на преодоление трения. Потери напора при подаче воды по трубопроводу включают потери на трение И по длине трубопровода и местные сопротивления Им (задвижки, краны, отводы и т.п.) [1,46,10]. Потери напора на трение И, м, по дли-
не в трубах круглого сечения определяются через скорость движения воды в трубе V:
V2 Ь
Кг = 1---, (8)
1 2% В' у '
или через максимальный секундный расход воды цс:
* ' (9)
ht = 0,08271-^ • qc2 ,
где И - потери напора на трение по длине трубопровода, м; Я - коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от материала труб, степени шероховатости их стенок и диаметра (для приближенных расчетов принимается значение 1=0,03): V- скорость движения воды в трубах, м/с; Ь - длина трубопровода, м; Б - диаметр трубопровода, м; цс - максимальный секундный расход воды, м3/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2.
Потери напора в местных сопротивлениях Им, м определяются:
hM = ^ (v2)/2g,
(10)
где - безразмерный коэффициент местного сопротивления; V - скорость движения воды за местным сопротивлением, м/с.
В протяженных водопроводных сетях потери в местных сопротивлениях составляют 5-10% к потерям напора на трение по длине трубопровода. Общие потери напора в трубопроводе Иобщ, м, определяются как суммарные потери напора на трение по длине и в местах сопротивления:
Ь0бщ = И + Им . (11)
Свободный напор Нсв, м, создается для подачи воды на заданную высоту в водопроводной сети насосами, насосными станциями, напорно-регулирующими сооружениями - водонапорными башнями и автоматизированными безбашенными водоподъемными установками [1,4,5,6,10]. Для определения свободного напора принимают самый отдаленный и высокорасположенный пункт потребления воды, называемой «диктующей точкой». Величина свободного напора на заданную высоту Нсв:
Нсв = Нг + Ысв +И, (12)
где Нг - геометрическая высота расположения «диктующей точки», м; Исв - свободный напор, который необходимо обеспечить у водозаборных приборов, м; И - потери на-
пора в трубопроводе от точки присоединения его к внешней водопроводной сети до точки присоединения водоразборных приборов, м.
Для водоразборных приборов на животноводческих фермах свободные напоры Нсв, создаваемые водонапорной башней, должны быть не менее 4-5 м.
Водонапорные башни и резервуары. В системе водоснабжения животноводческих объектов применяются напорно-регулирую-щие сооружения, предназначенные для создания необходимого напора в разводящей магистрали, подачи воды в сеть и создания запаса воды на время отключения насосной станции. Для этих целей используются два типа напорно-регулирующих сооружений: водонапорная башня и пневматический котел (безбашенная водокачка). В первом случае доставка воды до потребителя осуществляется за счет поднятия водонапорного бака на требуемую высоту, во втором - за счет давления сжатого воздуха, заполняющего пространство выше уровня воды в герметически закрытом котле [4,5,6].
Расчет емкости бака и высоты водонапорной башни [4,5,6]. Общая емкость бака водонапорной башни Жобщ., м3, определяется: Гобщ. = Жр + Ж + Ж, (13)
где Жр - рабочая или регулируемая емкость, м3; Жз - емкость для хранения требуемого запаса воды, м ; Жм - «мертвая емкость», м3, определяется:
Жм = Жм.в. + Жм.н., (14)
где Жмв. и Жмн. - верхняя и нижняя «мертвые емкости», м3.
Расчет емкости водонапорной башни позволяет определить минимально необходимые величины регулирующей емкости и емкости для создания и хранения запаса воды на хозяйственно-питьевые нужды и для противопожарных целей [4,6].
Расчет высоты водонапорной башни [4, 5,6]. Высота водонапорной башни Нб, м, определяется:
Нб = Нсв. + И - (гб - Гд), (15)
где Нсв. - свободный напор в «диктующей точке», м; И - потери напора на участке сети, расположенной по пути движения воды от
башни до «диктующей точки», м; z6 и zд -отметки поверхности земли в месте расположения башни и «диктующей точки», м.
По известной высоте водонапорной башни свободный напор Нсвг, м, в любой точке водопроводной сети определяют:
Нсв, = Нб - И, + (Z6 - Zi), (16)
где h, - потери напора на участках сети, расположенных на пути подачи воды от башни до точки г, м; zi - отметка поверхности земли в точке ,, м.
Выбор и расчет водопойного оборудования для животноводческого объекта. Для поения животных рекомендуют использовать групповые поилки, количество которых и, шт, определяется [2,6,7]:
Ш;
п = ^ (17)
где mj - количество животных в половозрастной группе, голов; z - количество животных, обслуживаемых одной поилкой, голов.
Заключение. Предлагаемая методика расчета инновационной машинной технологии водоснабжения в животноводстве позволит хозяйствам увеличить эффективность производства продукции за счет применения информационных и коммуникационных систем и выбрать такие технические средства, которые позволят обеспечить целенаправленное использование ресурсов и точный контроль выполняемых операций по заданному производственному процессу.
Литература:
1. Гидравлика, водоснабжение и канализация / Кали-цун В.И. и др. М., 1980. 359 с.
2. Лабораторный практикум по механизации и технологии животноводства / Вагин Б.И. и др. Великие Луки, 2003.
3. Механизация и электрификация животноводства / Карташов Л.П. и др. М.: Агропромиздат, 1987. 480 с.
4. Кошеков Л Я. Механизация водоснабжения животноводческих ферм и пастбищ. М., 1976. 288 с.
5. Курганов A.M. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения. Л., 1986. 440 с.
6. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. Л., 1985.
7. Машины и оборудование в животноводстве / Мир-зоянц Ю.А. и др. М.: ИНФРА-М, 2018. 438 с.
8. Мирзоянц Ю.А., Середа Н.А. Обоснование эффективности совершенствования технологии и средств механизации при производстве продукции животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2017. № 1. С. 107-113.
9. Методика определения экономической эффективности создания и применения инновационной техники и машинных технологий выполнения процессов продукции животноводства / Морозов Н. и др. М., 2019.
10. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М., 1984. 640 с.
Literatura:
1. Gidravlika, vodosnabzhenie i kanalizaciya / Kalicun V.I. i dr. M., 1980. 359 s.
2. Laboratornyj praktikum po mekhanizacii i tekhnologii zhivotnovodstva / Vagin B.I. i dr. Velikie Luki, 2003.
3. Mekhanizaciya i elektrifikaciya zhivotnovodstva / Kar-tashov L.P. i dr. M.: Agropromizdat, 1987. 480 s.
4. Koshekov L YA. Mekhanizaciya vodosnabzheniya zhi-votnovodcheskih ferm i pastbishch. M., 1976. 288 s.
5. Kurganov A.M. Gidravlicheskie raschety sistem vodosnabzheniya i vodootvedeniya. L., 1986. 440 s.
6. Mel'nikov S.V. Tekhnologicheskoe oborudovanie zhi-votnovodcheskih ferm i kompleksov. L., 1985.
7. Mashiny i oborudovanie v zhivotnovodstve / Mirzoy-anc YU.A. i dr. M.: INFRA-M, 2018. 438 s.
8. Mirzoyanc YU.A., Sereda N.A. Obosnovanie effektiv-nosti sovershenstvovaniya tekhnologii i sredstv mekhanizacii pri proizvodstve produkcii zhivotnovodstva // Vest-nik VNIIMZH. 2017. № 1. S. 107-113.
9. Metodika opredeleniya ekonomicheskoj effektivnosti sozdaniya i primeneniya innovacionnoj tekhniki i mashin-nyh tekhnologij vypolneniya processov produkcii zhivot-novodstva / Morozov N. i dr. M., 2019.
10. SHterenliht D.V. Gidravlika. M., 1984. 640 s.
THE METHOD OF LIVESTOCK WATER SUPPLY INNOVATIVE MACHINE TECHNOLOGY'S CALCULATION Y.A. Mirzoyanz, doctor of technical sciences IMJ-filial of FGBNY FNAC VIM V.E. Firichenkov, candidate of technical sciences N.A. Sereda, doctor of economical sciences FGBOU «Kostroma GSHA»
Abstract. This article shows the water importance for living organism's vital activity, its place and role (it contributes to the blood, digestive juices and saliva formation, nutrients desolation, it throughout the body carry, body extracted products removing, and body temperature at a given level maintaining). To calculate the declared technological process on an animal-water supply facility, a calculated theoretical model at a required regalement according to known requirements, with the requirements' priority are built: average and maximum daily water consumption; maximum hourly and seasonal water consumption; pumping station's daily consumption; water pump selecting and the pump drive's required power. The water pressure losses at pipeline's supply, consisting of friction losses along the length of the pipeline and local resistance; the total head losses in the pipeline as the total pressure losses due to length's friction and their places' resistance are defined and determined. According to the calculated values of the water supply free head for a given height in the water supply network and pressure-regulating structures, as the following are determined: pumps, pumping stations, pressure-regulating structures, water towers and automated towless water lifting installations, watering equipment's selecting and the number of calculation. The proposed method of livestock water supply innovative machine technology calculating will allows farms the producing efficiency through the information and communication systems using to increase and technical means that will ensure the resources' targeted using and producing processes' accurate control to choose.
Keywords: livestock, hydraulics, water source, water supply's technologies, systems and schemes, water presser tower, water pump, pumping stations, power.
