Циркуляционное давление в ресурсосберегающей системе автопоения животных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Циркуляционное давление в ресурсосберегающей системе автопоения животных

Аннотация

В статье даны основные требования к качеству процесса автопоения КРС и влияние их соблюдения на продуктивность животных. Раскрыты принципиальные схемы систем и линий автопоения. На основании аналитических исследований рассмотрено влияние тепловых, гидравлических показателей и конструктивных параметров системы (линии) автопоения на создаваемое в них давление и обеспечение термосифонного процесса циркуляции воды.

Ключевые слова: гидравлические сопротивления, давление, линия автопоения, мощность, нагревательный блок, напор, система автопоения, скорость движения воды, сопротивление, теплопотери, термосифонная циркуляция

В соответствии с технологическими и зоотехническими требованиями системы, линии и средства автопоения должны обеспечивать надежность процесса автопоения животных, свободный доступ животных к воде, требуемое качество воды и комфортность обслуживания животных /1/. Наряду с этим рекомендуемые к производству системы и средства автопоения по сравнению с используемыми на производстве должны быть менее металлоемкие, энергоемкие и трудозатратные при обслуживании. В настоящее время на животноводческих объектах для автопоения животных используются тупиковые и кольцевые прямоточные системы (линии) автопоения, системы с промежуточной накопительной емкостью, а также кольцевые системы автопоения с использованием узла нагрева воды и напорных устройств в виде циркуляционных насосов /2/.

Циркуляционные насосы в системах автопоения предназначены для периодической циркуляции воды в системе автопоения с целью поддержания температуры воды в зоне ее отбора (автопоилках) в заданных зоотехническими требованиями пределах.

Однако использование насосного оборудования ведет к дополнительным затратам капитальных вложений. При этом конструктивные решения выпускаемых отечественной промышленностью насосов не исключает непроизводственный расход воды, что удорожает процесс автопоения. Поэтому одним из перспективных направлений является разработка систем автопоения с использованием принципа (эффекта) термосифонной циркуляции воды.

В этом случае линия автопоения с термосифонной циркуляций воды включают в себя основные элементы известных тупиковых систем автопоения (водонапорный бак, распределительный и рабочий участки трубопроводов с отводками, автопоилки) и дополняются водонагревательными устройствами и обратным трубопроводом. Характерной особенностью этих линий является наличие замкнутого контура. Конфигурация линий зависит от планировочного решения помещения, расположения технологических групп животных, выбранного принципа подачи воды к автопоилкам (напорный или безнапорный) и они могут быть одноконтурными (Рис.1) или многоконтурными (Рис.2).

Одноконтурная линия термосифонной циркуляции может быть привязана к различным планировочным решениям животноводческих помещений. Однако наиболее эффективно ее применение при однорядном размещении животных. Основным, ограничивающим фактором ее применения является протяженность транспортной магистрали /3/.

1 - бак-накопитель; 2 - поплавковое устройство; 3 - клапанное устройство; 4 - вводной трубопровод; 5 - обратный водопровод подогретой воды; 6 - водонагревательный блок; 7 - обратный трубопровод охлажденной воды; 8 - средства автопоения; 9 - распредели-тельный трубопровод; 10 - магистральный трубопровод

Рисунок 1 - Принципиальная схема одноконтурной термосифонной линии

Многоконтурная линия циркуляции воды может быть использована в животноводческих помещениях (коровниках) с многорядным расположением животных и наличии в центральной части помещения поперечного технологического прохода. При этом в зависимости от места ввода воды в помещение накопительные емкости могут располагаться как в зоне поперечного технологического прохода, так и в торцах помещения.

Термосифоный принцип циркуляции воды в рассмотренных линиях должен постоянно обеспечивать заданный температурный режим в средствах автопоения (автопоилках) за счет переноса тепла из зоны ее нагрева в зону ее отбора животными.

Этот процесс непосредственно связан с разностью давлений, создаваемых в различных точках системы. Поэтому нами аналитически рассмотрен процесс циркуляции воды за счет силового фактора (действующего давления и сопутствующих факторов в линии автопоения).

Одним из базовых элементов системы (линии автопоения) является нагревательный блок.

Температура воды в этом блоке оказывает влияние как на температуру воды, поступающей к животным, так и на циркуляционное давление в системе и, как следствие, - на циркуляционный расход воды в ней. Поскольку температурный диапазон воды для животных довольно широк (10-20^оС), то приоритетным будем считать влияние температуры воды в блоке на циркуляционное давление в линии и соответственно и количество тепла, которое должно воспроизводиться в нагревательном блоке.

а - первый циркуляционный контур; б - второй циркуляционный контур; в - третий циркуляционный контур; г - четвертый циркуляционный контур;

1 - вводный трубопровод; 2 - клапанно-поплавковое устройство; 3 - распределительный трубопровод; 4 - автопоилки; 5 - обратный трубопровод охлажденной воды; 6 - регулировочные вентили; 7 - водонагреватель; 8 - обратный водопровод подогретой воды; 9 - накопительный бак

Рисунок 2 - Многоконтурная линия циркуляции воды

Количество тепла производимое в блоке может быть определено по формуле

(1)

где q_рас - циркуляционный расход воды в системе, м³/ч (q_рас=W);

W - производительность системы;

с - теплоемкость воды, Вт/кг·^оС;

t_бл - температура воды в блоке, ^оС;

t_охл - температура охлажденной воды, ^оС;

F_бл - поверхность корпуса блока, м²;

К_бл - коэффициент теплопередачи корпуса блока, Вт/м²·^оС;

t_в - температура воздуха в животноводческом помещении, ^оС.

Циркуляционное давление воды в линии может быть определено по формуле

(2)

где Р_ц - циркуляционное давление воды в системе, Н/см²;

h_ц - высота столба воды, способствующая циркуляции воды, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

с_ох - плотность охлажденной воды, ^оС;

с_п - плотность подогретой воды, ^оС;

Р_е - потери давления на преодоление сопротивлений движению воды по длине линии, Н/см²;

Р_м - потери напора на преодоление местных сопротивлений в линии, Н/см².

Формула (2) по определению циркуляционного давления носит общий характер. Применительно к конкретной системе автопоения формула (2) должна быть раскрыта с учетом конструктивных особенностей системы (линии).

Рассмотрим расчетную схему напорной циркуляционной линии (рис. 3).

Анализ этой схемы показывает, что циркуляционное давление, создаваемое за счет столба жидкости и разности плотностей горячей и охлажденной воды, может быть представлено зависимостью

(3)

где Н₁ - высота столба охлажденной воды, м;

Н - высота столба подогретой воды, м;

- средняя плотность охлажденной воды, кг/м³.

Потери давления на преодоление сопротивлений по длине циркуляционного контура неравномерно и его необходимо определять по двум базовым участкам: участку АБ и участку БВГДЕ рисунка 4.

1 - бак; 2 - поплавковое устройство; 3 - клапанное устройство; 4 - вводный трубопровод; 5 - обратный трубопровод подогретой воды; 6 - водонагревательный блок; 7 - обратный трубопровод охлажденной воды; 8 - средства автопоения; 9 - распределительный трубопровод; 10 - магистральный трубопровод

Рисунок 3 - Расчетная схема напорной циркуляционной линии

Участок АБ представляет собой перфорированный трубопровод. Перфорация трубопровода осуществляется в зоне присоединения индивидуальных поилок, а число узлов перфорации зависит от числа обслуживаемых животных или числа установленных автопоилок. С учетом этого и предполагая, что режим движения воды в трубопроводе подогретой воды ламинарный, общие потери давления в трубопроводе могут быть определены по формуле

(4)

где л - коэффициент гидравлического сопротивления;

l_тр - дина трубопровода подогретой воды, м;

d - диаметр трубопровода подогретой воды, м;

- скорость движения воды в трубопроводе, м/с;

- коэффициент сопротивления для зоны присоединения индивидуальных поилок;

n_п - число поилок, устанавливаемых на трубопроводе подогретой воды.

Коэффициент сопротивления в зоне присоединения индивидуальных поилок может быть определен по формуле

, (5)

где В - безразмерный коэффициент, зависящий от вида сопротивления;

R - число Рейнольдса для рассматриваемого движения воды;

n - показатель степени по Ф.П.Товстолесу.

Общие потери давления на участке АБВГДЕ могут быть определены по известной формуле :

(6)

Анализ формулы (24) показывает, что потери давления зависят от скорости движения воды в системе. Поэтому для их определения принимаем требуемую скорость воды в системе. Для этого может быть использована следующая формула

, (7)

где W - теоретическая производительность линии, м³/ч;

d - диаметр циркуляционного трубопровода, м.

Диаметр циркуляционного трубопровода определяется с учетом его пропускной способности при максимальном отборе воды животными

, (8)

где Q - расход воды в пиковые периоды отбора ее животными, м³/с;

- допустимая скорость движения воды в трубопроводе (=1 м/с).

- интенсивность отбора воды животными,м³/с.

По результатам аналитических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Системы автопоения с термосифонным принципом циркуляции воды применительно к животноводческим объектам небольшой мощности (КФХ) являются перспективными по ресурсосбережению (снижение стоимости линии на комплектацию насосом; снижение стоимости электроэнергии на привод насоса; снижение непроизводственного расхода воды за счет ее подтекания в уплотняющих устройствах насоса; снижение затрат труда на обслуживание насоса);

2. При обосновании параметров линии термосифонной циркуляции воды в качестве расчетных величин необходимо принимать: высота установки водонапорного бака - ? 2,7 м; скорость циркуляции воды - 0,004 м/с; местные сопротивления в зоне присоединения индивидуальных поилок - о = 80-140, в зоне присоединения проточных индивидуальных поилок - о = 0-9;

3. При обслуживании модульной группы животных (25 коров) допустимая длина термосифонной линии должна быть - 25-27 м.

автопоение гидравлический давление циркуляция

Библиографический список

Кашеков Л.Я. Механизация водоснабжения животноводческих ферм и комплексов /Л.Я. Кашеков. - М.: Колос, 1976. - 287с.

Бородачев П.Д. Водоснабжение животноводческих ферм и комплексов/ П.Д. Бородачев, В.М. Уссаковский. - М.: Россельхозиздат,1972. -238 с.

Назаров И.В. Режимы водопотребления на фермах КРС и совершенствование технологических линий автопоения: Дисс. … канд. техн. наук. - Зерноград, 1977.

Поцелуев А.А. Ресурсосберегающие системы водообеспечения технологических процессов по обслуживанию крупного рогатого скота: Дисс. …. докт. техн. наук. - Зерноград, 2011.

Славин Р.М. Автоматизация производственных процессов животноводческих ферм/ Р.М. Славин. - М.: Машиностроение, 1965. - 394с.

Размещено на Allbest.ru