employee
employee
UDC 631.171
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.06.01
Russian Library and Bibliographic Classification 40
Russian Trade and Bibliographic Classification 5607
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
This article presents a hydraulic calculation method for a polyethylene supply pressure pipeline for a planned automated microsprinkler irrigation system for seedlings grown using cassette technology in greenhouses. This hydraulic calculation method for designing irrigation pipeline systems allows one to determine the required flow parameters and pressure losses, the pipe diameter (if not specified), and select rain-generating devices and pumping equipment. The calculation algorithm is based on initial data for the specified parameters (pipeline diameter, length, and material, elevation difference, flow characteristics, and other parameters), a system diagram indicating all pipeline components (fittings, bends, connectors, and others), a calculation of pressure losses, and optimization of calculation results where necessary. The calculations utilize the Darcy-Weisbach formulas for determining frictional pressure losses and flow velocity to calculate water flow using the pipeline cross-sectional area. The result of the hydraulic calculation shows what the supply pipeline and pressure and flow parameters should be to ensure the implementation of the technological irrigation process
pipeline, hydraulic calculation, water flow rate, pressure, and hydraulic resistance
Введение. Гидравлический расчёт дождевальной установки производится с целью выбора диаметра питающего трубопровода, определения скоростей и расходов в системе полива, гидравлических потерь напора по длине трубопровода и определения необходимого напора. Расчёт производится с учётом характеристик материала трубопровода, вида и количества элементов, устанавливаемых в системе трубопровода, необходимой производительности и характеристик рабочей среды.
Гидравлический расчёт трубопровода позволит правильно подобрать насосное оборудование подачи воды для полива.
Цель. Определение потерь напора воды по длине трубопровода на местные сопротивления и правильный подбор насосного оборудования системы водоподачи в соответствии с требуемыми расходами и напором в сети.
Результаты и их обсуждение.
Объектом исследования является напорный питающий трубопровод проектируемой автоматизированной установки микродождевания теплиц. Установка применяется в рассадных теплицах туннельного типа для дождевания в автоматическом режиме в движении по подвесной рельсовой системе, по которой посредством тросовой системы с мотор-редуктором перемещаются поливная тележка с дождеобразующими устройствами и тележка петлеобразователя питающего шланга [1]. Комплект применяют в тепличном хозяйстве для полива кассетной рассады, низкорослой культуры в контейнерах или зеленных культур (лук на перо и т.п.). Комплектом можно проводить подкормку растений или химобработку растений и грунта. Комплект состоит из двухрельсовой направляющей, жёстко подвешиваемой к каркасу теплицы над центральной дорожкой, двух кареток на четырёх катках (поливной и петлеобразующей, для оборота питающего трубопровода), поливная каретка оснащена поперечной балкой, на которой установлены две телескопические штанги, для изменения высоты. Внизу штанг, с двух сторон от центральной дорожки теплицы расположены открылки с двумя рядами форсунок.
Гидравлическая обвязка состоит из подводящего и питающего напорных полиэтиленовых трубопроводов с соединительными частями, а также необходимой запорной арматуры и исполняющих дождеобразующих устройств в виде форсунок. Схемы питающего и подводящего трубопроводов представлены на рисунках 1 и 2
Исходными данными заложено, что полиэтиленовый трубопровод по конструктивным требования должен иметь диаметр 40 мм, толщину стенки 3 мм и длину 100 м питающего трубопровода и 10 м подводящего. Расход одной форсунки при напоре 30 м равен 0,041 л/с. Общее количество одновременно работающих форсунок в ряду – 9. Тогда общий расход будет равен 0,041 х 9 = 0,369 л/с или 0,000369 м3/с.
Рисунок 1 – Схема питающего шланга установки
1 – подводящий трубопровод; 2 – отвод; 3, 6 – кран; 4 – патрубок; 5, 13 – тройник; 7 – ёрш; 8 – хомут; 9 – шланг; 10 – дозатрон; 11 – ёмкость; 12 – муфта; 14 – клапан; 15 – фильтр.
Рисунок 2 – Схема подводящего трубопровода установки
При диаметре полиэтиленовой трубы 40 мм и толщине стенки 3 мм внутренний диаметр имеем 34 мм. Отсюда площадь сечения трубопровода будет равна
ω = πd2 / 4 = 3,14 ∙0,0342 / 4 = 0,00090746 м2
где d - внутренний диаметр трубы, м.
Скорость потока воды в трубе V составит:
V = Q / ω, м/с
где Q – расход воды в трубопроводе, м3/с; ω – площадь внутреннего сечения трубы, м2.
V = 0,000369 / 0,00090746 = 0,738 ≈ 0,41 м/с
Определяем число Рейнольдса Re по формуле
Re = V × d / ϑ
где ϑ – кинематическая вязкость воды, м2/с.
При 20 оС кинематическая вязкость воды ϑ = 1,004-6 м2/с.
Re = 0,41 × 0,034 / 1,004-6 ≈ 13884
Определяем коэффициент гидравлического трения λ:
при 4000<Re<40 × (d/k), где k – абсолютная шероховатость трубы, мм;
находимся в зоне гидравлически гладких труб и λ определяется по формуле Блазиуса: λ = 0,3164 / (Re)0,25
λ = 0,3164 / (13884)0,25 ≈ 0,02916
Потери напора по длине трубопровода, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения определяют по формуле Дарси-Вейсбаха:
∆Н = λ × (l×v2) / (d×2g), м
где l – длина трубопровода, м; g – ускорение свободного падения – 9,81 м·с-2.
∆Н = 0,02916 × (100 × 0.742) / (0,034 × 2 × 9,81) = 2,39 м
Предварительно, в схеме системы предполагается установка фильтра тонкой очистки, второго фильтра менее тонкой очистки, клапана электромагнитного, двух шаровых кранов, манометра, а также трубопроводной арматуры: тройников – 3 шт., угольников – 8 шт., плавных отводов из труб – 6 шт.
Гидравлические потери (НП) сложатся из сумм потерь по длине и потерь на местные сопротивления, т.е. НП = ∆Н+ ∑НМ
где ∆Н – потери напора по длине трубопровода; HМ – потери напора на местные сопротивления.
Потери напора на местные сопротивления НМ вычисляются по формуле Вейсбаха
НМ = ξ × v2 / 2g, м
где ξ – коэффициент местного сопротивления для арматуры, поворотов, ответвлений и т.п.
Потери местного сопротивления на повороты на 90о НП со значением ξ = 1,1 будут равны
8НП = 8 × 1,1 × 0,742 / 2 × 9,81 = 0,245 м
Потери на тройниках Нотв с ξ = 1,5 будут равны
3Нотв = 3 × 1,5 × 0,74 / 2 × 9,81 = 0,125 м
Потери напора на шаровые краны НК с ξ = 0,15 равны
2НК = 2 × 0,15 × 0,74 / 2 × 9,81 = 0,008 м
Потери напора на клапане электромагнитном НКЭ с Кvs = 136 м/ч равны
Н = (Q /Кvs) × 10, м
где Q – расход воды, м3/ч; Кvs – пропускная способность, м3/ч; 10 – пересчёт атмосфер в метры водного столба.
НКЭ = (2,4 /136) × 10 = 0,176 м
Потери напора на изгиб трубопровода Низг при ξ = 0,5 будут равны
6Низг = 6 × 0,5 × 0,74 / 2 × 9,81 = 0,084 м
Потери напора на соединительных муфтах НС с ξ = 0,6 равны
10НС = 10 × 0,6 × 0,74 / 2 × 9,81 = 0,167 м
Потери напора на фильтре НФ с фильтрацией до 170 мкм и Кvs = 16 м3/ч будут равны
2НФ = 2 × (2,4 / 16) × 10 = 3,0 м
Высота перепада от забора воды до верхней точки подъёма НГ составляет 2,5 м.
Итоговая сумма потерь напора по длине трубопровода и местные сопротивления составляет
НП = ∆Н + ∑НМ, м
НП = 2,39 + (0,245+0,125+0,008+0,176+0,084+0,167+3+2,5) ≈ 8,7 м
При рекомендованном режиме работы форсунок при микродождевании равном 30 м и потерях напора на местные сопротивления 8,7 м, величина необходимого входного напора в начале трубопровода должна быть не менее 40 м.
Выводы и рекомендации.
1. Расчётным методом было определено, что скорость движения жидкости в трубопроводе при заданных параметрах составляет 0,41 м/с.
2. Число Рейнольдса равно 13884.
3. Коэффициент гидравлического трения λ равен 0,02916.
4. Суммарные потери напора по длине трубопровода ∆Н составляют 8,7 м.
5. При рекомендуемом напоре на форсунках в 30 м, необходимый напор на входе в систему трубопровода установки необходим не менее 40 м.
6. Расчётный метод определения потерь напора по длине трубопровода позволяет правильно подобрать насосное оборудование подачи воды для обеспечения выполнения технологического режима полива рассады в теплице.
1. Grushin A.V., Gzhibovskiy S.A., Kolomeec A.V. Aktual'nost' razvi-tiya teplichnogo kompleksa. / Vestnik meliorativnoy nauki. 2024. № 1.– S. 62-66.
2. SP 40-102-2000 Proektirovanie i montazh truboprovodov sistem vodosnabzheniya i kanalizacii iz polimernyh materialov.
3. SP 66.13330.2011 Proektirovanie i stroitel'stvo napornyh setey vodosnabzheniya i vodootvedeniya s primeneniem vysokoprochnyh trub iz chu-guna s sharovidnym grafitom. S izmeneniyami № 1. Izd. oficial'noe, M., 2015.
4. SP 399.1325800.2018 Sistemy vodosnabzheniya i kanalizacii naruzhnye iz polimernyh materialov. Pravila proektirovaniya i montazha. S izmeneniyami № 1.
5. Abramov N.N. Vodosnabzhenie. Uchebnik dlya vuzov. Izd. 2-e, pererab. i dop. M., Stroyizdat, 1974. – 480 s.
6. Idel'chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskomu soprotivleniyu fa-sonnyh i pryamyh chastey truboprovodov, CAGI, 1950.
7. Frenkel' N.Z. Gidravlika, Gosenergoizdat, 1947.
8. Spravochnik po gidravlicheskim raschetam. Pod redakciey P.G. Kise-leva. Izd. 4-e, pererab. i dop. M., «Energiya», 1972. – 372 s.
