сотрудник
сотрудник
УДК 631.171 Механизация и автоматизация сельского хозяйства
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
В статье приведен метод гидравлического расчета полиэтиленового питающего напорного трубопровода для проектируемой автоматизированной установки микродождевания рассадных культур, выращиваемых по кассетной технологии в теплицах. Метод гидравлического расчета при проектировании трубопроводных систем для орошения, позволяет определить необходимые параметры потока и потери давления, диаметр труб, если он не задан, подобрать дождеобразующие устройства и насосное оборудование. Алгоритм расчета основывается на исходных данных заданных параметров (диаметра, длины и материала трубопровода, перепада высот, расходных характеристиках и прочих параметрах), схеме системы, с указанием всех узлов на трубопроводе (арматуры, отводов, соединительных элементов и прочего), расчета потерь напора и оптимизации результатов расчета в случаи необходимости. При расчетах используются формулы Дарси-Вейсбаха для определения потерь напора на трение и скорости потока для расчета через площадь сечения трубопровода расхода воды. Результат гидравлического расчета показывает, какими должны быть питающий трубопровод и параметры напора и расхода для реализации обеспечения выполнения технологического процесса полива
трубопровод, гидравлический расчет, расход воды, напор, гидравлическое сопротивление
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. Грушин А.В., Гжибовский С.А., Коломеец А.В. Актуальность разви-тия тепличного комплекса. / Вестник мелиоративной науки. 2024. № 1.– С. 62-66.
2. СП 40-102-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов.
3. СП 66.13330.2011 Проектирование и строительство напорных сетей водоснабжения и водоотведения с применением высокопрочных труб из чу-гуна с шаровидным графитом. С изменениями № 1. Изд. официальное, М., 2015.
4. СП 399.1325800.2018 Системы водоснабжения и канализации наружные из полимерных материалов. Правила проектирования и монтажа. С изменениями № 1.
5. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1974. – 480 с.
6. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическому сопротивлению фа-сонных и прямых частей трубопроводов, ЦАГИ, 1950.
7. Френкель Н.З. Гидравлика, Госэнергоиздат, 1947.
8. Справочник по гидравлическим расчётам. Под редакцией П.Г. Кисе-лёва. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1972. – 372 с.
