CC BY
0Машиностроение УДК 621.646.2 Код ВАК 05.04.13 (новый код - 2.5.10) ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
А.Д.Кольга1*, В. А. Александров1, Л.Б.Сагатова2 ХФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Россия, Екатеринбург
2Казахский национальный исследовательский технический университет им.К.И.Сатпаева, Алматы, Казахстан *E-mail: kad-55@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрена роль водных ресурсов и эффективность их использования в народном хозяйстве. Представлен анализ работы элементов трубопроводной арматуры. Показано, что на сегодняшний день эффективность использования водных ресурсов в агропромышленном комплексе оставляет желать лучшего. Основное влияние на эффективность использования водных ресурсов оказывают потери воды в процессе транспортировки и низкая регулирующая способность трубопроводной арматуры. На примере широко используемых в настоящее время элементов запорно-регулирующей арматуры: вентилей и задвижек показано, что эффективность работы именно запорно-регулирующей арматуры оказывает определяющее влияние на эффективность работы всего трубопровода. Поэтому основной причиной непроизводительных расходов воды является не отношение потребителей к экономии воды, а в первую очередь, это обусловлено техническими условиями. Очевидно, что для снижения расходов воды необходима разработка новых конструкций водоразборной арматуры, которые смогут отвечать требованиям регулирующей способности.
На основании проведенных исследований авторы полагают, что одним из путей повышения эффективности работы запорно-регулирующей арматуры может стать использование конструкции вентиля с предварительным гидравлическим управлением.
Ключевые слова: водные ресурсы, биосфера, биота, трубопроводная арматура, вентили, задвижки, арматуростроение, трубопровод, запорно-регулирующая арматура, запорный элемент, золотник, гидравлическое управление.
INCREASING THE EFFICIENCY OF SHUT-OFF AND CONTROL VALVES IN WATER SUPPLY SYSTEMS OF AGRICULTURAL ENTERPRISES A.D. Kolga1*, V. A. Alexandrov1, L.B. Sagatova2 1Ural State Agrarian University, Yekaterinburg, Russia
2Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpayev, Almaty, Kazakhstan *E-mail: kad-55@yandex.ru
Abstract. The role of water resources and the efficiency of their use in the national economy are considered. An analysis of the operation of elements of pipeline fittings is presented. It is shown that today the efficiency of the use of water resources in the agro-industrial complex leaves much to be desired. The main impact on the efficiency of the use of water resources is provided by water losses during transportation and the low control ability of pipeline valves. On the example of currently widely used elements of shut-off and control valves: valves and gate valves, it is shown that the efficiency of the work of shut-off and control valves has a decisive influence on the efficiency of the entire pipeline. Therefore, the main reason for unproductive water consumption is not the attitude of consumers to save water, but first of all, this is due to technical conditions. Obviously, in order to reduce water consumption, it is necessary to develop new designs of water fittings that can meet the requirements of control capacity.
Based on the research, the authors believe that one of the ways to improve the efficiency of shut-off and control valves can be the use of a valve design with preliminary hydraulic control.
Keywords: water resources, biosphere, biota, pipeline fittings, valves, gate valves, valve building, pipeline, shut-off and control valves, locking element, spool, hydraulic control.
Введение
Эксплуатация водных ресурсов страны, которые являются одним из основных объектов природопользования в интересах сегодняшнего и будущих поколений людей, требует рациональной эксплуатации. Весь процесс эксплуатации водных ресурсов необходимо сочетать с деятельностью по их рачительному использованию.
Однако, на сегодняшний день, эффективность использования водных ресурсов в агропромышленном комплексе оставляет желать лучшего.
Всего в Российской Федерации ежегодно используется 61...62Д км3 свежей воды. На долю сельского хозяйства в структуре использования водных ресурсов приходится около 19% [1].
Роль водных ресурсов в биосфере, в том числе и в сельском хозяйстве, невозможно переоценить. Это объясняется тем, что само существование биоты построено на «мокрых» технологиях. Вся биота, по существу, представляет собой своего рода фильтры. Поскольку животный и растительный мир представляет собой гидрофильные организмы с очень высокими скоростями водообмена.
В качестве примера можно привести следующие общеизвестные цифры [1].
Количество воды, затрачиваемое, в переводе на 1 кг выращиваемых пищевых культур, составляет: вишня - 3000 л, рис — 2400 л, кукуруза и пшеница — 1000 л, виноград — 590 л, картофель — 200 л, лук — 130 л.
В животноводстве воды потребляется конечно же меньше, чем в растениеводстве, но тем не менее объемы потребления весьма значительны. Причем, увеличение потребления воды ведет к повышению практически всех показателей в животноводстве. Например, на 1 л молока коровы необходимо затратить от 2,3 до 3,2 л воды.
Вместе с тем, водные ресурсы нашей страны, да и всей планеты в целом быстро истощаются. В соответствии с прогнозами стоимость пресной воды в ближайшие десятилетия может приравняться к стоимости важнейших энергетических ресурсов, таких, как нефть и газ [3,4]. Поэтому задача эффективного использования имеющихся источников воды в настоящее время стоит достаточно остро.
Объект и методика
В современном потреблении воды в сельском хозяйством, также, как и во всех остальных отраслях промышленности, характерным является то, что значительные потери воды определяются множеством факторов. Причем эти потери приводят не только к повышенному расходу воды, но они приводят также к перегрузкам всех сетей водоснабжения. Для исключения потерь воды необходима разработка и повсеместное внедрение технологий, позволяющих исключить потери воды и обеспечить рациональное и эффективное ее использование.
Все устройства, предназначенные для регулирования и управления движением потоков воды в трубопроводах, называют трубопроводной арматурой. Эта арматура является неотъемлемой частью любой трубопроводной системы. Обслуживание арматуры требует больших затрат, которые могут достигать 10-20% от всех капитальных вложений и эксплуатационных затрат [3]. Как показывает опыт эксплуатации существующих трубопроводов, самым ненадёжным элементом является запорно-регулирующая арматура. Отказы регулирующей арматуры на порядок превышают количество отказов любого другого оборудования [4]. Поэтому такие требования, как: прочность, надёжность, долговечность и низкая стоимость являются обязательными при выборе и при конструировании регулирующей арматуры.
В настоящее время широко представлена так называемая промышленная трубопроводная арматура, которая используется практически во всех отраслях народного хозяйства. Как показывает практика, эта трубопроводная арматура не отвечает современным требованиям водосбережения.
По назначению всю арматуру можно разделить на четыре класса: запорно-регулирующая, предохранительная, контрольная и разная. Из всех четырех классов арматура первого класса составляет большинство. Поэтому эффективность работы именно запорно-регулирующей арматуры оказывает определяющее влияние на эффективность работы всего трубопровода.
Основными параметрами, оказывающими влияние на эффективность работы и конструкцию трубопроводной арматуры, являются диаметр трубопровода и рабочее давление [5].
По принципу основного действия (перекрытия потока) современную запорно-регулирующую арматуру разделяют на две категории: клапаны (вентили) (рис. 1) и задвижки (рис. 2).
В вентилях перекрытие потока происходит путем перемещения запорного элемента (диска) вдоль оси движения потока, а в задвижках, путем перемещения запорного элемента (задвижки) - поперек.
Рисунок 1 - Схема работы вентиля
Рисунок 2 - Схема работы задвижки
В соответствии с рассмотренной выше классификацией в технике применяется большое количество конструктивных решений арматуры, которые иногда отличаются друг от друга очень незначительными особенностями, поэтому все их рассматривать нецелесообразно, остановимся на конструкциях, наиболее часто применяемых на практике - вентилях.
В арматуростроении вентилем считают устройство для регулирования потока в трубопроводе с помощью диска. Поступательное движение диска вдоль оси потока осуществляется с помощью шпинделя, установленного перпендикулярно плоскости седла.
Использование поступательного движения шпинделя конструктивно упрощает перемещения диска (тарелки) клапана, но требует значительных усилий для управления. Кроме того, усложняется фиксация диска в требуемом положении.
Эти недостатки значительно сужают сферу использования вентилей. Несмотря на широкое использование, в настоящее время вентили наиболее широко используются только на трубопроводах малого диаметра. При диаметрах трубопроводов более 50 мм они начинают уступать свое место задвижкам. А при диаметрах трубопровода 200-250 мм, вентили практически не применяются, поскольку при больших диаметрах диск (тарелка) вентиля воспринимает на себя очень большие усилия. Эти усилия передаются на шпиндель, и при достижении определенной величины этого усилия вентиль становится трудноуправляемым.
Вместе с тем, важнейшим положительным качеством вентилей является относительно небольшие размеры и масса, которые определяются малым ходом тарелки, для полного открытия вентиля. Например, полное открытие трубопровода обеспечивается поднятием тарелки только на 0,25 диаметра отверстия в седле (диаметра трубопровода). Для полного открытия трубопровода задвижкой необходимо задвижку поднять на всю высоту диаметра трубопровода, т.е. в 4 раза большую.
Именно этим и объясняется стремление конструкторов к совершенствованию существующих
конструкций вентилей. На этом пути многое уже сделано для повышения эффективности работы
вентилей. Например, для устранения вышеназванных недостатков вентилей и для снижения 63
необходимого усилия открывания вентилей большого проходного сечения они снабжаются внутренними (рис. 3, а) и внешними (рис. 3, б) обводами, которые по возможности выравнивают давление по обе стороны тарелки [3].
Внутренний обвод создается с помощью вспомогательного клапана, устанавливаемого на тарелке вентиля. При подъеме шпинделя сначала открывается вспомогательный клапан, а тарелка остается прижатой к седлу. После того, как давление за вентилем выравняется с давлением перед вентилем до нужной величины, производят подъем тарелки и открывают основной проход. Наружный обвод создается дополнительным вентилем, соединяющим обе полости главного вентиля. Выравнивание давления осуществляется открытием вспомогательного вентиля. Однако, несмотря на некоторое снижение нагрузки, такое конструктивное решение ведет к усложнению всей конструкции, увеличению габаритов, массы и соответственно, надежности работы всего вентиля.
Рисунок 3 - Обводы вентилей: а - внутренний; б - наружный.
Кроме этого, большим недостатком существующих вентилей является их низкая регулирующая способность, поскольку неточность изготовления составных деталей не позволяет обеспечить достаточно точную соосность всех элементов и, соответственно, герметичность перекрытия потока. Более того, при больших давлениях и проходных сечениях из-за значительного увеличения размеров и массы вентиля он становится трудноуправляем.
Правда, развитие нано- и химических технологий несколько расширяет возможности конструкторов-проектировщиков в этой области.
Но многочисленные исследования российских ученых показывают, что низкая регулирующая способность водоразборной арматуры при повышенных давлениях, как правило, приводит к весьма существенному увеличению расхода воды. Поэтому основной причиной непроизводительных расходов воды является не отношение потребителей к экономии воды, а в первую очередь, это обусловлено техническими условиями. 64
Очевидно, что для снижения расходов воды необходима разработка новых конструкций водоразборной арматуры, которые смогут отвечать требованиям регулирующей способности.
Результаты исследований На основании проведенных исследований авторы полагают, что одним из путей повышения эффективности работы запорно-регулирующей арматуры может стать использование конструкции вентиля с предварительным гидравлическим управлением.
Задача, решаемая в работе, заключается в повышении регулирующей способности, упрощении конструкции, уменьшении габаритов и массы запорно-регулирующего вентиля за счет управления гидравлически уравновешенным запорным элементом.
Технический результат достигается тем, что запорный элемент вентиля, выполненный в виде подвижного золотника, с дросселирующим отверстием, перемещается в цилиндрической расточке корпуса, в верхней части которой имеется, перекрываемый вспомогательным клапаном, канал, соединяющий пространство над запорным элементом с выходным отверстием клапана, а замыкающая часть золотника выполнена конической, герметично перекрывающей входное и выходное отверстия клапана (рис. 4).
Рисунок 4 - Трубопроводный вентиль непрямого управления
Трубопроводный вентиль с гидравлическим управлением содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями для подвода и отвода жидкости, седло с уплотняемой поверхностью 4, запорный элемент 5 с пружиной 6 и дросселирующим отверстием 7, перемещающийся в цилиндрической расточке 8 корпуса вентиля 1. В верхней части корпуса 1 выполнен перекрываемый клапаном 9 канал 10, соединяющий пространство над запорным элементом 5 с выходным отверстием 3 вентиля.
Работает такой клапан следующим образом. В исходном положении перемещаемая жидкость
поступает через входное отверстие 2 и, проходя через дросселирующее отверстие 7 в запорном элементе
5, заполняет пространство над запорным элементом. Поскольку давление жидкости над и под запорным
элементом 5 равны, запорный элемент 5 гидравлически уравновешен и под действием относительно
небольшого усилия пружины 6 своей конической поверхностью плотно прижимается к седлу 4,
герметично перекрывая входное 2 и выходное 3 отверстия вентиля. 65
При открытии вспомогательного клапана 9, жидкость, находящаяся над запорным элементом 5, по каналу 10 движется к выходному отверстию 3. В результате движения жидкости давление над запорным элементом 5 уменьшается, и возникает перепад давлений на верхней и нижней поверхностях запорного элемента 5. Под действием разности давлений запорный элемент 5 перемещается в цилиндрической расточке 8 сжимает пружину 6 и открывает вентиль. Расход жидкости через трубопроводный вентиль определяется величиной хода запорного элемента 5, который, в свою очередь, зависит от величины перепада давлений и жесткости пружины 6. Сама же величина перепада давлений на верхней и нижней поверхностях запорного элемента 5 зависит от величины открытия канала 10 вспомогательным вентилем 9.
При полном перекрытии канала вспомогательным вентилем запорный элемент гидравлически уравновешивается и под действием усилия пружины возвращается в исходное положение, герметично перекрывая входное и выходное отверстия. Причем, за счет наличия дросселирующего отверстия, закрытие трубопроводного вентиля происходит плавно, исключая возможность возникновения гидравлического удара в сети.
Необходимо отметить также, что поскольку сечение канала 10 многократно меньше сечения трубопровода, то усилие открытия/закрытия вспомогательного клапана и его габариты будут минимальными, независимо от размеров трубопровода.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
В заключение можно отметить, что предлагаемая разработка полностью соответствует современным требованиям к водосбережению и позволяет в определенной степени решить такие проблемы существующей трубопроводной арматуры, как снижение габаритных размеров, массы, усилия управления и повысить точность и эффективность управления.
Библиографический список
1. Жарницкая Н.Ф. Современное состояние и оценка эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве//Известия высших учебных заведений. Серия: Экономика, финансы и управление производством. 2012. № 3 (13) С. 92-100.
2. Водный кадастр. Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество. Справочное ежегодное издание, Санкт-Петербург, Изд-во ООО «РИАЛ», 2020. 153с.
3. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: Расчет трубопроводной арматуры. Изд. 5-е. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 480 с.
4. Кольцов В.П., Попова Е.С., Герасимова Е.О. Трубопроводная арматура нового поколения// Вестник ИрГТУ, 2011. № 9. С. 27-35.
5. Кольцов В.П., Чупин В.Р. Торовые технологии в трубопроводной арматуре // Торовые технологии: матер. докладов Междунар. науч.-практ. конф. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. С. 88-91.
6. Свинцов А. П., Мукарзель С. А., Рысьев Д. А. Расходные характеристики водоразборной арматуры//Сантехника. Водоснабжение и инженерные системы. 2005. №6. С. 62-68.
References
1. Zharnitskaya N.F. Current state and assessment of the efficiency of water resources use in agriculture//Izvestia of higher educational institutions. Series: Economics, finance and production management. 2012. No. 3 (13) S. 92-100.
2. Water cadastre. Resources of surface and ground waters, their use and quality. Reference annual publication, St. Petersburg, Publishing House of RIAL LLC, 2020. 153p.
3. Gurevich D.F. Calculation and design of pipeline fittings: Calculation of pipeline fittings. Ed. 5th. M.: LKI Publishing House, 2008. 480 p.
4. Koltsov V.P., Popova E.S., Gerasimova E.O. New generation pipeline fittings // Bulletin of ISTU, 2011. No. 9. P. 27-35.
5. Koltsov V.P., Chupin V.R. Torovye tekhnologii v piping fittings // Torovye tekhnologii: mater. reports of the International scientific-practical. conf. Irkutsk: Izd-vo ISTU, 2004. S. 88-91.
6. Svintsov A. P., Mukarzel S. A., Rysyev D. A. Consumable characteristics of water fittings // Sanitary engineering. Water supply and engineering systems. 2005. No. 6. pp. 62-68.
