CC BY
5
Aleksandra A. Manokhina - Doctor of Agricultural Sciences, docent, professor of the Department of agricultural machinery, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, spin-code:5377-5938, Scopus author ID:57204156373 , Researcher ID: AAX-3297-2020. Valentin V. Semin - postgraduate student, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this study were directly involved in the planning, execution and analysis of this study. All authors of this article have read and approved the submitted final version. Conflict of interest. The authors state that there is no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 23.09.2022; одобрена после рецензирования 24.11.2022; принята к публикации 14.12.2022
The article was submitted 23.09.2022; approved after reviewing 24.11.2022; accepted after publication 14.12.2022
Научная статья УДК 621.313
ёо1: 10.24412/2078-1318-2022-4-171-183
СТРУКТУРА И СОСТАВ ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЫ ОРОШЕНИЯ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПОДЪЕМОМ ВОДЫ И ПОЛИВОМ ШИРОКОЗАХВАТНЫМИ КРУГОВЫМИ ДОЖДЕВАЛЬНЫМИ машинами
Алексей Георгиевич Черных
Иркутский государственный аграрный университета им. А.А. Ежевского, пос. Молодежный, Иркутский район, Иркутская область, 664038, Россия; kandida2006@yandex.ru; https://orcid.org/ 0000-0003-3498-6579
Реферат. В статье рассмотрена схема построения закрытой оросительной системы способом дождевания с механическим подъемом воды от открытого с природным водным потоком источника, удаленного на значительное расстояние от места орошения. Наличие транспортного запаздывания на процесс движения воды от источника к месту полива вносит существенные ограничения по управлению расходом воды. Один из возможных технических способов устранения данного запаздывания между источником и дождевальной машиной заключается в установке в зоне полива водой накопительных резервуаров. Наличие в структуре системы резервуара позволяет технически изменить систему ее подачи не только к дождевальным машинам, но и в сегментированные участки по всей площади орошения. Такой способ подачи воды позволит в полевых условиях в режиме реального времени динамически управлять данным процессом. Целью данной статьи является теоретическое и практическое исследование работы предложенной структуры оросительной системы с учетом влияния различных возмущающих факторов. Для достижения цели исследования представленный в статье теоретический и практический материал направлен на решение ряда задач. Во-первых, пояснена целесообразность включения в трубопроводную систему накопительного резервуара двух центробежных насосов. Во-вторых, теоретически обосновывается необходимость дополнительного трубопровода. В-третьих, с использованием предложенной баллистической теории полета капли поясняется методика практического использования получаемых с ее помощью результатов применительно к геометрическим и энергетическим параметрам капли и дальнейшее их приведение к целевым значениям с помощью насосного и регулируемого
запорного оборудования системы. В-четвертых, в полевых условиях экспериментально исследована работа составляющих элементов и узлов системы, а также опытным путем проверена достоверность основных выкладок баллистической теории. Результаты проведенных исследований подтверждают работоспособность предложенной структуры закрытой оросительной системы для заявленных целей управления параметрами полива в заданной геометрии и климатических характеристиках в квазиустановившихся режимах работы.
Ключевые слова: закрытая система орошения, дождевальная машина, дождевальная головка, накопительный резервуар, центробежный насос, искусственный дождь, капля, почва, увлажнение
Цитирование. Черных А.Г. Структура и состав закрытой системы орошения с механическим подъемом воды и поливом широкозахватными круговыми дождевальными машинами // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2022. - № 4 (69). - С. 171-183. doi: 10.24412/2078-1318-2022-4-171-183
STRUCTURE AND COMPOSITION OF A CLOSED IRRIGATION SYSTEM WITH MECHANICAL WATER LIFTING AND IRRIGATION BY WIDE-REACH CIRCULAR
SPRINKLER MACHINES
Alexey G. Chernykh
Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Yezhevsky, Molodezhny settlement, Irkutsk district, Irkutsk Region, 664038, Russia; kandida2006@yandex.ru; https://orcid.org / 0000-0003-3498-6579
Abstract. The article considers the scheme of construction of a closed irrigation system by sprinkling with mechanical lifting of water from an open source with natural water flow, remote at a considerable distance from the place of irrigation. The presence of a transport delay during the movement of water from the source to the watering place imposes significant restrictions on the management of water flow. One of the possible technical ways to eliminate this delay between the source and the sprinkler machine is to install storage tanks in the irrigation zone. The presence of a reservoir in the structure of the system allows technically changing the system of its supply not only to sprinklers, but also to segmented areas throughout the irrigation area. This method of water supply will allow you to control dynamically this process in the field in real time. The purpose of this article is a theoretical and practical study of the proposed structure of the irrigation system, taking into account the influence of various disturbing factors. To achieve the research goal, the theoretical and practical material presented in the article is aimed at solving a number of tasks. Firstly, the expediency of including two centrifugal pumps in the pipeline system of the storage tank is explained. Secondly, the need for an additional pipeline is theoretically justified. Thirdly, using the proposed ballistic theory of the droplet flight, the methodology of practical use of the results obtained with its help is explained in relation to the geometric and energy parameters of the droplet and their further reduction to target values using pumping and regulated shut-off equipment of the system. Fourth, in the field, the operation of the components and components of the system was experimentally investigated, as well as the reliability of the basic calculations of the ballistic theory was experimentally verified. The results of the conducted studies confirm the operability of the proposed design of a closed irrigation system for the stated purposes of controlling irrigation parameters in a given geometry and climatic characteristics in quasi-stationary operating modes.
Keywords: closed irrigation system, sprinkler machine, sprinkler head, storage tank, centrifugal pump, artificial rain, drop, soil, humidification
Citation. Chernykh, A.G., (2022), "Structure and composition of a closed irrigation system with mechanical water lifting and irrigation by wide-reach circular sprinkler machines", Izvestiya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 69, no. 4, pp. 171-183. (In Russ.) doi: 10.24412/20781318-2022-4-171-183
Введение. Спринклерный полив, как способ орошения с переменной глубиной и высокими уровнями автоматизации и управления, включен в спектр технологий точного земледелия [1]. Как правило, спринклерный полив на конечном этапе осуществляется путем управления концевыми пушками, при угловом регулировании точек запуска и остановки и последовательном расположении дождевальных головок (распылителей) в системах центрального поворота с угловыми рычагами [2]. Самоходные многоопорные широкозахватные круговые, работающие в движении дождевальные машины, спроектированы и, как правило, эксплуатируются таким образом, чтобы как можно более равномерно по полю восполнять среднее количество воды, израсходованной культурой за определенный период времени. Высокая частота поливов с помощью этих машин потенциально снижает величину изменчивости содержания воды в почве на поле. Однако стохастическая пространственная и временная изменчивость ряда взаимосвязанных факторов, таких как параметры инфильтрации почвы, глубина внутрипочвенного стока, неравномерность выпадения атмосферных осадков и т. д., может оказывать существенное влияние на рост урожая в течение вегетационного периода [3]. Следовательно, при проектировании ирригационной системы необходимо учитывать, по крайне мере, часть этой пространственной и временной изменчивости, например, предусмотреть возможность ее работы в автоматизированном режиме. В этом случае в структуре системы нужно запроектировать применение различного рода устройств, как правило, цифровых датчиков водного потенциала почвы и оптических приборов для измерения параметров частиц осадков искусственного и естественного происхождения [4]. Кроме того, на каждой спринклерной головке необходимо предусмотреть возможность их конструктивной фиксации с клапаном регулировки расхода, изменяющим в процессе работы объем подачи воды с помощью различных форм импульсной модуляции (циклическое включение-выключение оросителя) для текущей глубины полива [5]. Другой путь учета отмеченных выше факторов основан на непосредственном изменении самой системы орошения как по структуре, так и по составу [6]. При этом изменения в периферийное оборудование, связанное функционально с работой бокового «дождевального» поливного трубопровода машины, не вносятся. Изменяется состав системы, касающийся установки высокоэффективного насосного оборудования, которое в процессе работы позволит снизить ненужные потери при перекачке, а с учетом наличия системы автоматических клапанов в трубопроводах технически обеспечит компьютеризированное планирование поливом и управление ирригационной нагрузкой.
Цель и задачи исследования - для схемы посадки в месте орошения разработать структуру и состав закрытой системы орошения с механическим подъемом воды и поливом способом дождевания и доказать эффективность работы схемы для обеспечения показателей «эффективного орошения» по производительности, равномерности подачи воды и относительной скорости инфильтрации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) теоретически обосновать необходимость практического применения предложенной структуры оросительной системы для выбранного типа дождевальной техники;
2) объяснить с точки зрения алгоритма работы схемы полива ее состав и назначение имеющегося трубопроводного и насосного оборудования, включая герметичный сосуд;
3) доказать теоретически возможность работы предложенной схемы орошения для динамического управления процессом полива при любой интенсивности дождя, с одновременным учетом его энергетических характеристик;
4) выявить особенности работы насосного оборудования для предложенной схемы орошения в полевых условиях.
Материалы, методы и объекты исследований. При выращивании овощных культур планирование поливом и управление ирригационной нагрузкой требуются на всех межфазных периодах вегетации: массовых входов, вегетативного и продуктивного роста.
Полив с точки зрения процесса, требующего управления, подвержен воздействию статических и динамических возмущающих факторов, как правило, природного характера, таких как неоднородность почвенного покрова, обусловленная ее микрорельефом, и соответствующая ему по площади неравномерность распределения тепла и давления. По этой причине использование большинства способов полива в системах орошения не позволяет обеспечить его конечную цель, связанную с равномерностью увлажнения почвы. Сказанное выше в полной мере относится к методологии использования при поливе различных типов дождевальной техники, в том числе широкозахватных круговых дождевальных машин (ШКДМ). Один из возможных путей обеспечения равномерности увлажнения при использовании ШКДМ связан с расширением ее эксплуатационных возможностей, являющихся следствием внесения изменений в структуру и перечень элементов сети. По структуре данное изменение связано с введением в систему накопительного резервуара воды. По составу элементов изменение системы связано с введением системы дополнительного разборного трубопровода. Дополнительный трубопровод из ПВХ подключается к основному напорному трубопроводу (поз. 1, рис. 1) в районе центральной башни (поз. 2, рис. 1) с помощью электромагнитного клапана с регулятором расхода. Дополнительный трубопровод крепится поверх трубопровода ШКДМ. В свою очередь, к данному трубопроводу подключаются многофункциональные разбрызгиватели фирмы Nelson D3000 с желтой стационарной распылительной пластиной (рис. 2). Расстояние между линиями разбрызгивателей составляет 1,7 м, а высота от поверхности почвы 0,4 м.
Рисунок 1. Центральная башня дождевальной Рисунок 2. Поворотный
машины фирмы T-L Irrigation company: многофункциональный разбрызгиватель
1 - напорный трубопровод; 2 - фланец присоединения фирмы Nelson серии D3000 с
дополнительного трубопровода распылительной головкой
Figure 1. The central tower of the sprinkler machine Figure 2. Rotary multifunctional sprayer
of the T-L Irrigation company: 1- pressure pipeline; of the Nelson's D3000 series with a spray
2 - flange connection of the additional pipeline head
Подводящий трубопровод от источника водоснабжения к напорному трубопроводу ШКДМ с точки зрения управления расходом перекачиваемой воды представляет собой объект
управления с запаздыванием [7]. При этом величина расхода воды в трубопроводе описывается дифференциальным уравнением вида:
Ta=-7^-= 2-TT, (2)
dQ_ Kтр • 1,85 g • g • S^ "Г"-- ^4,87 - Q --h1(t-Тт)--1--h2(t), (1)
где Q - расход воды на выходе трубопровода, м-Vc; h1 и h2 - гидростатические давления воды на концах трубопровода, м; 1тр - длина трубопровода, м; D-гр - диаметр трубопровода, м; Ктр -коэффициент потерь на трение в трубопроводе, б/р; р - плотность воды, кг/м3; Тт - постоянное запаздывание по управлению, сек ; Sтр —
площадь трубопровода, м2. Время транспортного запаздывания Тт определяется из выражения для условной постоянной времени Та:
втр •H
Qmax
где H - общий напор в подводящем трубопроводе, м; Q
max - максимальное значение расхода в
трубопроводе, м3/с.
Очевидно, что включение накопительного резервуара переносит функционально точку управляющего воздействия по величине расхода воды из съемной точки локализации, связанной с местом расположения насосного оборудования у источника водоснабжения, к группе насосов, которые входят в схему циркуляции воды в трубопроводах, в том числе напорного трубопровода ШКДМ, и связаны с накопительным резервуаром.
Расчетная схема закрытой системы орошения, приведенная на рис. 3, по структуре и составу позволяет на практике в процессе работы обеспечить заявленные в целях исследования показатели «эффективного орошения» в категории точного земледелия.
Принцип работы схемы подачи воды на границе подводящего трубопровода к накопительному резервуару (см. рис. 3) удовлетворяет следующим алгоритмическим правилам:
1. Для заданной величины Qвход в диапазоне от (0,8^1,0) Qвход. max подача воды в основной трубопровод ДМ осуществляется с помощью ЦН (поз. 3, рис. 3). Клапаны №1, №2 и №2 открыты, клапан №3 закрыт. Уравнение материального баланса имеет вид
Qвход _ Qвыход2 .
При уменьшении величины расхода в точке водозабора до Qвход! открывается клапан №2. Коэффициенты истечения клапанов m2 и m4 регулируются таким образом, чтобы на время транспортного запаздывания Тт! соблюдалось уравнение материального баланса вида
j Qвход4• Qвыход2^ ^ЦН! (3)
dt т!
Коэффициент m2 за время Тт! уменьшается от некоторого расчетного значения до нуля. Тогда по истечении времени Тт ! клапан №2 закрывается и уравнение (3) примет вид
Qвход^ Qвыход24' (4)
Необходимо отметить, что на протяжении интервала времени, равного Тт!, насос ЦГН (поз. 2, рис. 3) работает от преобразователя частоты (ПЧ), с помощью которого осуществляется регулирование величины расхода Qгцн!. По окончании процесса регулирования Qr^! = 0.
Овыход!
Q
вход
/ Q^hW
- Автоматический клапан
Рисунок 3. Фрагмент схемы закрытой оросительной системы с герметичным сосудом и динамическими лопастными насосами: 1 - накопительный резервуар (НР); 2 - центробежный
герметичный насос (ЦГН); 3 - центробежный насос (ЦН); Q вход — расход воды от источника водоснабжения (л/сек); QBb^i - расход воды в дополнительном трубопроводе дождевальной машины (л/сек); Qвыход2 - расход воды в основном трубопроводе дождевальной машины (л/сек); Оцн - расход воды в ЦН (л/сек); Огцн - расходы воды в ЦГН (л/сек); mi^ m4 - коэффициент истечения клапана (б/р) Figure 3. Diagram fragment of a closed irrigation system with a sealed tank and dynamic paddle pumps: 1 - storage tank (HP); 2 - centrifugal sealed pump (CGN); 3 - centrifugal pump (CN); Qinput - water flow from a water supply source (l/sec); Qoutput i - flow water in the additional pipeline of the sprinkler machine (l/sec); Qoutput 2 - water flow in the main pipeline of the sprinkler machine (l/sec); Qcn - water flow in the CN (l/sec); Qcgn - water flow in the CGN (l/sec); m1^m4 - the flow rate of the valve (b/r)
2. Если величина расхода QbxoaW соответствует диапазону от (0,4^0,8) Q вход. max, то ПОДача ВОДЫ в основной трубопровод ДМ осуществляется с помощью ЦН (поз. 3, рис. 3) и ГЦН (поз. 2, рис. 3). Динамическое уравнение материального баланса за время Тт W определяется выражением
_ Q _ Q — о
dt.
(5)
За счет гидростатического напора, создаваемого массой воды в НР (поз. 1, рис. 3), насос ГЦН (поз. 2, рис. 3) с величиной расхода Огцн^ работает в обращенном турбинном режиме, при котором вырабатываемая им электроэнергия может аккумулироваться в виде автономного источника энергии требуемого класса напряжения [8]. Величина расхода Оцн^ насоса ЦН (поз. 1, рис. 3) регулируется с помощью ПЧ. В процессе регулирования клапаны №1, №2 и №4 открыты, клапан №3 закрыт. Цель регулирования определяется двумя уравнениями: Огцн^ =
0 и ^^вход^^ 0выход2^.
3. При включении в работу дополнительного трубопровода в правые части уравнений (3) и (5) добавится вычитаемое вида Qвыходl, а сами уравнения будут определяться тождеством
dQ
вход
dt.
Qвход Q
выход1
Q
выход2
Q
ГЦН
(6)
В начальный момент времени все четыре клапана находятся в открытом состоянии. В дальнейшем их конечное состояние вытекает из целей регулирования для диапазонов изменения Qвход, но по окончании процесса клапан №2 закрыт. По аналогии с п. 1 и п. 2 цель регулирования определяется двумя уравнениями: Q^h = 0 и ^^вход ^^вы1ход1 + Qвыход2.
Совместная эксплуатация ШКДМ фирмы T-L Irrigation company и клапанов регулирования расхода в трубопроводах обеспечивает в случае необходимости возможность автоматического управления поливом с использованием соответствующих контроллеров. Наличие контроллера позволяет учитывать и существенно минимизировать потери воды на сток, глубокую фильтрацию и ветровой дрейф, а также потери на испарение. При этом потери
на испарение и дрейф являются основным источником потерь в системах дождевальной техники. Для ШКДМ с точкой отсчета относительно верхней части центральной поворотной трубы данные потери варьируются от 2-5% для распыления на низкой высоте и 15-20% для распыления на средней высоте. Поэтому оценка дрейфа ветра и потерь на орошении при организации самого процесса полива очень важна с точки зрения достижения заданных показателей в категории «эффективного орошения».
Применение аппарата математической физики к явлениям массопереноса и теплопередачи в сочетании с теорией баллистики капель позволяет учесть влияние ветра на пройденное расстояние и, в конечном счете, время полета капли, а также оценить текущую энергию капли, от величины которой зависит скорость инфильтрации и переувлажнения почвы.
Кинетическая энергия аэрозольных капель на единицу массы на основе отношения диаметра сопла к напору определяется выражением
Екин = ко+кг + "М1етра (7)
Нкз
сопла ,
где Eкин - кинетическая энергия, кДж/кг; D
сопла — диаметр сопла, мм; Hсопла — напор сопла, м; Vветра - скорость ветра, м/с; Ъ, k2 и kз - константы регрессии [9].
Уравнение (7), приведенное к единице орошаемой площади, будет иметь вид:
^ ^^ ^ Р(0форс.'^орош.'рН2О
Е(0кин._
D2
k - сопла + V1,5
k ^ 'ветра ^сопла
S
•-Ьрош.
(8)
где БОЭкш - кинетическая энергия капли на единицу площади, кДж/кг; Sорош - площадь орошения, м2; tорош - время орошения, с; Q(t)форс - производительность форсунки, м3/с; pн2O -плотность воды, кг/м3.
В свою очередь, кинетическая энергия капли Eкин на единицу площади пропорциональна ее скоростному напору, или квадрату результирующей скорости, т. е.
Е»)кин= ^-а;<1)|расч.. (9)
где v(t)I расч- расчетная скорость падения капли, м/с; d - глубина полива, м.
Учитывая тождественность выражений (8) и (9), выведем расчетное значение скорости
капли:
V(t)£.
,расч.
k - - ' Q(t)форс.• ■"орош.
1,5
S
(10)
1 ,1 сопла IV1.5
^о к уветра V Нсо пла J "орош.
Выражение (9) тождественно выражению вида
2
где E(t)кин - кинетическая энергия капли, кг/с; R - норма объема полива для заданной культуры, м3/га; T - время орошения ШКДМ, с.
В этом случае величину скорости движения капли воды в воздухе целесообразно вычислять с учетом переменной массы самой капли, а именно
н .а-з№
v -v
"^(Орасч. = "о 'в ^ 4 т0 , (12)
где mo - начальная масса капли, г; vl - скорость испарения капли в воздухе, г/с; vo - начальная скорость капли на выходе дождевального аппарата, см/с; й - сила трения капли о воздух, дин. Диаметр капли определяется выражением
¿капли =300Л51л5ктауи • 2,94--1 , (13)
"капли -\/"струи у а*Н2° л1 13,64^ 1,88/ГТ
у Mi2° -у Мюзд. • у] струи
где dкапли диаметр капли, мм; dструи диаметр струи (равен диаметру отверстия перфорации щелевой форсунки спринклера), мм; = 0,001 динамическая вязкость воды, Пас; <?щ0 =
0,05 коэффициент поверхностного натяжения воды, Дж/м2; 0=1000 плотность воды, кг/м3;
Ржщ =1 плотность воздуха, кг/м3; ^^ул - скорость струи воды на выходе спринклера, м/с. Относительная скорость инфильтрации может быть определена выражением [10]:
Ir= 1- О^ЗЗ^Ч^расч1'271^-0'353 'S 0237, (14)
где Ir - скорость инфильтрации для голой почвы по отношению к защищенной почве, десятичная дробь; dso - объемный медианный размер капли, мм; у^Брасч - расчетная скорость средней объемной капли, м/с; Sa- содержание песка в почве, %; Si- содержание ила в почве, %.
Рассмотрим работу схемы (см. рис. 3) для режима полива, требующего уменьшения скорости капли. Положим, что по условиям полива не нужно подключение дополнительного трубопровода. Тогда, с учетом обозначений, принятых на рис. 3, разность давлений на концах основного трубопровода ШКДМ может быть определена решением уравнения вида
10°°-Q(t)BbIxo^ _ Артруб.
" 71 ~ Ктруб., (15)
JL ^труб. 6 гтруб.'*"н20
где /труб. - длина главного трубопровода ШКДМ, м; Ятруб- радиус трубопровода, м; Артруб, -разность давлений на концах трубопровода, м; Q - динамическая вязкость воды, Па-с.
В свою очередь, перепад давления АртруБ при длине отверстия перфорации спринклера, равного диаметру струи dciryH, соответствует скоростному напору, т. е.
v(t)i -рь0
АРтруб.=-— (16)
Выражение (14) с учетом выражения (15) для скорости v(t)i примет вид
v(tW
^'-^труб/А^с
(17)
Поскольку цель регулирования заключается в соблюдении равенства уО)б = уО)б расч,, с учетом (10) и (16) получим
- (18)
Q(4 - труб.'H2
выход2 6000 •d L
^руб.ЯнР f, , О^Опл^ 1,5 ^
к0+к-1 • — ^ уветра
труб. ^H2°
H3
опла
S
°орош.
Для квазиустановившегося режима работы схемы уравнение (4), определяющее уравнение материального баланса на входе основного трубопровода ШКДМ, примет вид:
0вход(крш1 ) = 0 (крош1 ) ЦН + 0 (крош1 ) №4 = 0 (1юрош1 ) выход2 , (19)
где 1орош1 - текущее время орошения, с; 0(1орош0№4 - расход воды через регулирующий клапан №4, м/с; 0(1орош1)выход2 — расход воды в основном трубопроводе ШКДМ, м3/с; 0 (1«рош1 )цн — расход воды в ЦН, м3/с.
Для регулирующего клапана №4 величина расхода равна
0 О^рош! ) №4 = ку - ТаР, (20)
где Ар — перепад давления на клапане №4, бар; ку — объемный расход клапана №4, м3/с.
Учитывая, что расход ЦН регулируется со стороны частотно-регулируемого приводного двигателя (асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором), величину 00«рош1 )цн определим выражением
О (крош 1 ) цн -147,15• л- • (л-Б2 - 5 • ъ) •Ь • Б2-ю(1орош1 ) цн , (21)
где ш (1орош1)цн — угловая скорость вращения ЦН для момента времени 1«рошь об/мин; Б2 -диаметр рабочего колеса насоса по внешней окружности лопаток, м; 5 - толщина лопаток, м; ъ - число лопаток; Ь - ширина лопаток на выходе, м.
Выражение (18) с учетом выражений (17), (19) и (20) примет вид
O
6000' d' L
труб. 'Ai,O
( D
ko+kid Но
сопла I ■л Я,5
^ уветра
Q(tорошi )форс. ^ орош i.
-Ърош.
=ку • Тар + 147,15-к-1- (л• Б2 - 5 • ъ) • Ь • Б2 • ш(1орош о ЦН . (22)
В соответствии с выражением (21) требуемую по условиям полива величину О (^рош 1) выход2 можно обеспечить изменением величины ку, а также путем регулирования скорости
ш(1юрош0 ЦН.
Результаты исследований. Полевой эксперимент по планированию полива с использованием насосного оборудования проводился на пахотных землях, предназначенных для выращивания овощных культур в КФХ «ИП Кичигина Л.П.», Иркутская область, Усолье-Сибирское, село Мальта.
В качестве источника водоснабжения использовался природный водоток с естественным течением по руслу (река Белая). Водозаборное поверхностное устройство изображено на рис. 4. В состав водозаборного устройства (ВУ) входят два асинхронных двигателя с короткозамкнутым ротором ТИП АИР355Ь4 У3 (поз. 1, рис. 4) с номинальными данными: Ином=380 В, 1ном=495 А, Рном=250 кВт, КПД=95%, еовф-0,87, Пном=1490 об/мин. Кроме того, в состав (ВУ) входят два ступенчатых насоса типа ЦНС 300-180 (поз. 2, рис. 4) производства ООО «Ясногорская горно-насосная компания». Технические характеристики насоса: подача - 39,0 м3/ч, мощность - 250 кВт, напор - 180 м, частота вращения - 1475 об/мин, а также три металлических водовода (поз. 3, рис. 4) диаметром ёвод. = 250 мм.
2
1
3
Рисунок 4. Водозаборное поверхностное устройство: 1-асинхронный двигатель;
2-ступенчатый насос; 3 - водовод Figure 4. Water intake surface device: 1- asynchronous motor; 2- stage pump; 3 - water conduit
Количество водоводов определяется общим количеством дождевальных машин, использующихся в хозяйстве: ШКДМ фирмы T-L Irrigation company в количестве 5 шт.; шланговые барабанные дождевальные машины (ШБДМ) типа «Харвест» 500/110 в количестве 8 шт.
Длина трубопровода до места расположения наименее удаленной от точки забора воды ШКДМ составляет 2,4 км. Для установленного типа насоса время транспортного запаздывания в диапазоне изменения частоты его вращения 1:2 составляет 815 с. Количество опор ШКДМ равно 14, общая длина 550 метров, минимальное время совершения полного оборота в процессе полива равно 24 часа.
С использованием НК и дополнительного трубопровода были экспериментально исследованы в условиях слабого ветра особенности работы многофункциональных разбрызгивателей фирмы Nelson D3000, которые крепились по линии существующего разбрызгивателя на расстоянии 51 метр от центральной поворотной башни ШКДМ. В процессе эксперимента клапаны №i и №з открыты, клапаны №2 и №4 закрыты. Необходимое по условиям эксперимента давление в дополнительном трубопроводе в месте расположения сменных форсунок обеспечивалось за счет гидростатического давления в НК. В точке локации сменных спринклеров была установлена мобильная метеорологическая станция для измерения температуры и влажности воздуха, а также скорости и направления ветра. Все метеорологические переменные измерялись каждые десять секунд, а средние значения устанавливались с помощью регистратора данных каждые шестьдесят секунд. Осредненные значения метеоданных позволили оценить точность предложенного физико-математического подхода с точки зрения определения энергетических, динамических и весовых величин и параметров капли. Технические характеристики оросителей и экспериментальные данные для давления воды на входе спринклера 0,7 атм. приведены в табл. 1, соответственно для давления 1,0 атм. - в табл. 2.
Таблица 1. Сводная таблица данных эксперимента для первого опыта Table 1. Summary table of experimental data for the first experiment
Тип форсунки цвет/подложка Диаметр сопла, мм Скорость ветра, м/с Расход воды, л/мин Дальность струи, м Диаметр капли, мм Скорость капли, м/с Масса капли, г
12 золото/золото 2,38 0,9-5,2 2,99 6,3 1,1 7,2 0,026
19 серый/бирюзовый 3,77 1,3-4,7 7,45 7,5 1,1 6,9 0,026
26 белый/белый 5,16 2,2-6,1 14,0 8,1 1,2 7,5 0,03
34 зеленый/зеленый 6,75 1,7-5,6 24,11 8,2 1,0 7,4 0,024
Примечание: при проведении экспериментов число опытов для каждого типа форсунки при заданной величине давления равнялось 5, среднее время одного эксперимента составило 1,7 ч, температура воздуха 23,2°С.
Таблица 2. Сводная таблица данных эксперимента для второго опыта Table 2. Summary table of experimental data for the second experiment
Тип форсунки цвет/подложка Диаметр сопла, мм Скорость ветра, м/с Расход воды, л/мин Дальность струи, м Диаметр капли, мм Скорость капли, м/с Масса капли, г
12 золото/золото 2,38 1,7-8,3 2,99 6,1 1,0 7,4 0,024
19 серый/бирюзовый 3,77 4,1-7,3 7,45 7,9 1,0 7,7 0,024
26 белый/белый 5,16 1,5-9,3 14,0 9,0 1,1 8,0 0,026
34 зеленый/зеленый 6,75 2,5-6,3 24,11 8,6 1,1 8,3 0,026
Проведенные эксперименты с использованием НК и дополнительного трубопровода ШКДМ применительно к разбрызгивателям с вращающейся пластиной низкого давления в широком диапазоне метеорологических условий, размеров сопел и рабочих давлений позволили оценить точность предложенной баллистической модели полета капли (11%). Потери энергии разбрызгивателей в наибольшей степени определяются текущими метеорологическими условиями (варьировались от 17 до 53%) и в меньшей степени зависят от типа форсунки. Распределение капель по размерам и равномерности на единицу орошаемой поверхности достаточно точно воспроизводит схему подачи воды к разбрызгивателям (8%).
В целом полевые эксперименты позволяют улучшить процесс калибровки спринклеров по размерам сопла и группе давлений с учетом местных климатических условий и ветровой нагрузки на подготовительном этапе работы системы орошения путем варьирования факторов прямого влияния на показатели «эффективного орошения».
Выводы. Предложенный вариант схемы орошения закрытого типа отличается от родственных по назначению систем орошения в применении в месте полива накопительной емкости для воды с искусственным напором и регулируемым уровнем, а также группы насосного оборудования, обеспечивающего подачу воды к широкозахватной дождевальной машине с набором водопроводящих трубопроводов различного функционального назначения. Использование накопительной емкости позволяет исключить влияние времени транспортного запаздывания на движение воды в подающем трубопроводе и, как следствие, повысить управляемость системы орошения в режимах, требующих «быстрого» изменения норм полива. Введение дополнительного трубопровода с подключенными в осевом направлении с основным трубопроводом дождевальной машины разбрызгивателями, распыляющими воду на низкой высоте, обеспечивает возможность динамического управления процессом полива для требуемых параметров интенсивности дождя и его энергетических характеристик. Алгоритм функционирования системы дает возможность повысить техническую эффективность работы водоотводящих сетей и насосного оборудования за счет перевода центробежного насоса накопительного резервуара в обращенный турбинный режим работы. Как следствие, перевод герметичного центробежного насоса в генераторный режим работы обеспечивает практическую возможность получения в системе автономного источника напряжения требуемого класса напряжения.
Список источников литературы
1. Труфляк, Е. В. Основные элементы системы точного земледелия / Е. В. Труфляк. - Краснодар: КубГАУ, 2016. - 39 с.
2. Tang, P. Improving Water Distribution Uniformity by Optimizing the Structural Size of the Drive Spoon Blades for a Vertical Impact Sprinkler / P. Tang, C. Chen, H. Li // Sustainability. - 2020. - Vol. 12 (18): 7574.
3. Неверов, А.А. Вероятностный прогноз урожайности сельскохозяйственных культур и погодных условий вегетационного периода 2019 года для степной зоны Оренбургского Приуралья / А.А. Неверов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2019. - № 3 (77). - С. 36-39.
4. Пряхина, С.И. Методы и приборы гидрометеорологических измерений / С.И. Пряхина, С.В. Морозова, Н.В. Семенова, Н.В. Короткова // Методы и приборы гидрометеорологических измерений: учебно-методическое пособие. - Саратов: ИЦ «Наука», 2016. - 178 с.
5. Черноволов, В.А. Математическое моделирование процессов распределения жидкостей в агротехнологиях: монография / В.А. Черноволов, Л.В. Кравченко. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2016. - 208 с.
6. Черных, А.Г. Использование насосного оборудования в закрытой оросительной системе с разделительной камерой и накопительным резервуаром в обращенном режиме работы / А.Г. Черных // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2021.— № 4 (65). — С. 112-123.
7. Зотов, В.А. Методика аналитического расчета реакций систем с транспортным запаздыванием / В.А. Зотов // Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ». - 2016. - № 4(47). - С. 149152.
8. Черных, А.Г. Модернизация структуры и способа создания искусственного напора воды в закрытой оросительной системе с дождевальной машиной и герметичным центробежным насосом / А.Г. Черных // Научные разработки и инновации в решении стратегических задач агропромышленного комплекса: материалы Международной научно-практической конференции, г. Ижевск, 15-18 февраля 2022. В 2 т. - Ижевск: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 2022. - С. 108-115
9. Experimental and simulation investigation on the kinetic energy dissipation rate of a fixed Spray-plate sprinkler / Zhang Y., Sun B., Fang H., Zhu D., Yang L. and Li Z. // Journal of Water. - 2018. - Vol. 10. - P. 1-13 (1365). - URL: https://doi.org/10.3390/w10101365 (accessed 30 September 2018).
10. The soil moisture velocity equation / F.L. Ogden, M.B. Allen, W.Lai, J. Zhu, C.C. Douglas, M. Seo, and K.A. Talbot // Journal of Advances in Modeling of the Earth system. - 2017. - Vol. 9. - pp. 14731487. - URL: https://doi.org/10.1002/2017MS000931 (accessed 23 May 2017).
References
1. Truflyak, E. V. (2016), Osnovnye elementy sistemy tochnogo zemledeliya [The main elements of the precision farming system], Krasnodar, KubGAU, 39 p. (In Russian)
2. Tang, P., Chen, C. and Li, H. (2020), Improving Water Distribution Uniformity by Optimizing the Structural Size of the Drive Spoon Blades for a Vertical Impact Sprinkler, Sustainability, vol. 12 (18), 7574.
3. Neverov, A.A. (2019), Probabilistic forecast of crop yields and weather conditions of the growing season 2019 for the steppe zone of the Orenburg Urals, Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, no. 3 (77), pp. 36-39. (In Russian)
4. Pryakhina, S.I., Morozova, S.V., Semenova, N.V., Korotkova, N.V. (2016), Metody i pribory gidrometeorologicheskih izmerenij [Methods and instruments of hydrometeorological measurements], Educational and methodological manual "Methods and instruments of hydrometeorological measurements', Saratov, IC "Nauka", 178 p. (In Russian)
5. Chernovolov, V.A., Kravchenko, L.V. (2016), Matematicheskoe modelirovanie processov raspredeleniya zhidkostej v agrotekhnologiyah: monografiya [Mathematical modeling of fluid distribution processes in agrotechnologies: monograph], Zernograd, Azov-Black Sea Engineering Institute of the Donskoy GAU, 208 p. (In Russian)
6. Chernykh, A.G. (2021), Use of pumping equipment in a closed irrigation system with a separation chamber and a storage tank in reverse operation mode, Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, no. 4 (65), pp.112-123. (In Russian)
7. Zotov, V.A. (2016), Metodika analiticheskogo rascheta reakcij sistem s transportnym zapazdyvaniem [Methodology of analytical calculation of reactions of systems with transport delay], Collection of scientific papers of the State Educational Institution of the LNR "DonGTU", no. 4(47), pp.149-152. (In Russian)
8. Chernykh, A.G. (2022), Modernizaciya struktury i sposoba sozdaniya iskusstvennogo napora vody v zakrytoj orositel'noj sisteme s dozhdeval'noj mashinoj i germetichnym centrobezhnym nasosom [Modernization of the structure and method of creating artificial water pressure in a closed irrigation system with a sprinkler machine and a sealed centrifugal pump], Scientific developments and innovations in solving strategic tasks of the agro-industrial complex, materials of the International Scientific and Practical Conference, In 2 vol., Izhevsk, February 15-18, 2022, Izhevsk State Agricultural Academy, pp. 108-115. (In Russian)
9. Zhang, Y., Sun, B., Fang, H., Zhu, D., Yang, L. and Li, Z. (2018), Experimental and simulation investigation on the kinetic energy dissipation rate of a fixed Spray-plate sprinkler, Journal of Water, vol. 10, pp. 1-13 (1365), available: https://doi.org/10.3390/w10101365 (accessed 30 September 2018).
10. Ogden, F.L., Allen M.B., Lai W., Zhu J., Douglas C.C., Seo M., and Talbot, K.A. (2017), The soil moisture velocity equation, Journal of Advances in Modeling of the Earth system, vol. 9, pp. 14731487, available: https://doi.org/10.1002/2017MS000931 (accessed 23 May 2017).
Сведения об авторе
Черных Алексей Георгиевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского», spin-код: 6696-6126.
Information about the author
Alexey G. Chernykh - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Yezhevsky", spin-код: 6696-6126.
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Автор настоящей статьи ознакомился и одобрил окончательный вариант.
Author's contribution. The author of this research paper were directly involved in the planning, execution and analysis of this study. The author of this article has read and approved the submitted final version.
Статья поступила в редакцию 25.10.2022; одобрена после рецензирования 06.12.2022; принята к публикации 14.12.2022
The article was submitted 25.10.2022; approved after reviewing 06.12.2022; accepted after publication 14.12.2022
