Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследований ... 12
1.1 Использование возобновляемых источников энергии для привода водоподъемников 12
1.2 Использование энергии солнца для привода водяных насосов 16
1.3 Использование ветроэнергетики для привода водоподъемников 18
1.4 Использование энергии открытых водных потоков для работы водоподъемников 21
1.4.1 Гидравлические тараны 26
1.4.2 Гидравлический двигатель-насос 30
ГЛАВА 2 Теоретические предпосылки работы гидравлического двигателя-насоса 45
2.1 Интегралы Лагранжа и Д. Бернулли 45
2.2 Уравнение Д. Бернулли для потока вязкой жидкости при неустановившемся движении жидкости 48
2.3 Динамика рабочего и холостого хода гидравлического двигателя-насоса 51
2.4 Энергетический баланс в гидравлическом двигателе-насосе 58
2.5 Подача и напор гидравлического двигателя-насоса 63
2.6 Величина вакуумметрического давления в рабочей камере при холостом ходе поршня, необходимого для открытия всасывающего клапана 65
2.7 Гидродинамическое моделирование гидравлических двигателей-насосов 67
ГЛАВА 3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 71
3.1 Программа исследований 71
3.2 Экспериментальная установка 72
3.3 Работа экспериментальной установки 80
3.4 Частные методики проведения экспериментальных исследований... 82
3.5 Методика снятия индикаторной диаграммы гидравлического двигателя насоса 85
3.6 Планирование и методика проведения основных лабораторных экспериментов 89
3.7 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 92
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований ... 95
4.1 Результаты проведения поисковых экспериментов 95
4.2 Индикаторная диаграмма ГДН 99
4.3 Результаты экспериментальных исследований 103
ГЛАВА Экономическая эффективность гидравлического двигателя-насоса 120
Основные выводы 126
Литература 128q
- Использование ветроэнергетики для привода водоподъемников
- Уравнение Д. Бернулли для потока вязкой жидкости при неустановившемся движении жидкости
- Работа экспериментальной установки
- Индикаторная диаграмма ГДН
Введение к работе
Актуальность работы. Особенность энергоснабжения России, а в равной степени и Иркутской области, связана с обширной территорией, которая предопределяет значительные затраты на транспортировку нефти, угля, газа и строительство линий электропередач.
Современный уровень использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет эффективно использовать их для энергоснабжения автономных потребителей.
Наибольший интерес для АПК региона представляет использование возобновляемой энергии открытых водных потоков - малых рек, ручьев, водосбросов проточных прудов и других с использованием водяных мельниц для размола зерна, в том числе гидродвигателей для выработки механической и электрической энергии, а также работы насосов для сельскохозяйственного водоснабжения. Применение других ВИЭ (солнца, ветра и др.) ограничено из-за низкой скорости ветра, низкого уровня солнечной радиации в течение года.
Одним из трудоемких технологических процессов является водоснабжение. Большое количество воды расходуется на орошение овощных культур, лугов и пастбищ, пожаротушение.
Применение ВИЭ для привода водоподъемных устройств позволяет частично сократить или полностью исключить потребление электрической энергии, горюче-смазочных материалов и тем самым снизить энергетические затраты на производство сельскохозяйственной продукции.
Таким образом, разработка и обоснование параметров работы экологически чистого гидравлического двигателя-насоса (ГДН), работающего с использованием ВИЭ, являются актуальной задачей, направленной на совершенствование методов и средств механизации водоснабжения в сельском хозяйстве с использованием более доступных и дешевых источников энергии.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Иркутской государственной сельскохозяйственной академии «Разработка энергосберегающих технологий и средств механизации сельскохозяйственных процессов» (тема 24К, регистрационный номер 01.2.00900777).
Степень разработанности темы. Для определения цели и постановки задач исследования основой являются: ориентация развития и использования энергосберегающих средств механизации сельскохозяйственного водоснабжения; степень разработанности теории гидравлического двигателя-насоса.
Цель работы - обоснование параметров и режимов работы гидравлического двигателя-насоса для эффективного использования возобновляемой энергии водных потоков при сельскохозяйственном водоснабжении.
На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:
-
выполнить анализ состояния вопроса использования возобновляемых источников энергии для работы водоподъемников;
-
обосновать теоретические предпосылки моделирования процесса работы гидравлического двигателя-насоса;
-
разработать экспериментальную модель гидравлического двигателя- насоса;
-
определить оптимальные режимы работы ГДН и разработать математические модели подачи, энергетического КПД, времени рабочего и холостого хода в зависимости от питающего напора и хода поршня;
-
оценить экономическую эффективность работы гидравлического двигателя-насоса.
Объектом исследования является рабочий процесс гидравлического двигателя-насоса.
Предмет исследования - взаимосвязи показателей рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса с его конструктивными параметрами и режимами работы.
Научная новизна исследований:
-
обоснована эффективность использования подъемной силы Архимеда для работы гидравлического двигателя-насоса;
-
математические модели взаимосвязей основных показателей с параметрами и режимами работы гидравлического двигателя-насоса.
Практическая значимость и реализация работы:
-
методика расчета конструктивных параметров гидравлического двигателя-насоса;
-
экспериментальная модель гидравлического двигателя-насоса, используемая в учебном процессе и научно-исследовательской работе кафедры технического обеспечения АПК ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия» при изучении дисциплины «Гидравлика».
Методы исследований: достижение поставленной цели осуществлялось теоретическими и экспериментальными исследованиями, направленными на установление взаимосвязей показателей рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса с его конструктивно-режимными параметрами. Теоретические исследования включали изучение рабочего процесса с применением методов классической механики. В экспериментальных исследованиях были использованы методы планирования эксперимента. Результаты исследований обрабатывались с применением известных методов математической статистики и современных пакетов прикладных программ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
разработанная конструкция гидравлического двигателя-насоса;
-
результаты теоретических исследований рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса;
-
методика и результаты экспериментальных исследований рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса.
Достоверность результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями, адекватностью полученных математических моделей.
Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на конференции молодых ученых ИрГСХА «Инновационные технологии в АПК» (Иркутск, 2010); международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне «Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в АПК» (Иркутск, 2010); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2010); научно-практических семинарах ИрГСХА «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 2010-2011); научно-практической конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока «Научные достижения производству» ИрГСХА (Иркутск, 2011); международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, 2012); II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ (Красноярск, 2012); международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2013).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы из списка ВАК.
Внедрение. Результаты исследований приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Иркутской области. Результаты научной разработки используются в учебном процессе на кафедре технического обеспечения АПК Иркутской ГСХА.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 47 рисунков, список литературы из 125 наименований, в том числе 6 на иностранном языке, 5 приложений.
Использование ветроэнергетики для привода водоподъемников
Первые попытки людей осознано упорядочить водоснабжение в цивилизованных поселениях относятся к пятому тысячелетию до н.э.
В древних культурных сельскохозяйственно-развитых странах, например, в Египте, Вавилоне и Китае, которые имели большие территории с резко выраженным сухим климатом, орошение площадей, используемых для сельского хозяйства, было первостепенным жизненным вопросом. Первые большие общины людей в населенных пунктах и городах, неизбежно сталкивались с проблемой питьевого водоснабжения и потребностью в водоснабжении вообще. Доказательством этого важного этапа развития человеческого общества могут служить известные акведуки (водопроводы) в Сицилии (450 лет до н.э.), первый (примерно 144 года до н.э.), а так же первый (около 160 лет до н.э.) напорный водопровод (2 МПа) за Пергамоном [32, 50, 120]. Если в начале решались проблемы каптажных источников и безнапорного подвода воды потребителям, то затем — проблемы преодоления разности высот. Начиная с этого момента, то есть с первого пуска водоподъемного механизма, можно говорить о начале эры развития насосов.
Водоподъемное колесо - древнейший известный нам водоподъемный механизм. Величина напора этого устройства составляла Ъ-А м, максимальная подача 8-10 м3/ч [38, 121]. А так называемые цепные насосы (бесконечные цепочки с прикрепленными ковшами) использовались до 1700 до н.э. В это время в Каире уже был колодец глубиной 91,5 м, из которого добывалась питьевая вода при помощи цепного насоса.
Первыми гидравлическими двигателями, работавшими с применением возобновляемого источника энергии открытых водных потоков является водяное колесо. Их применение известно за 1000 лет до н.э. в Индии. На Руси, начиная с XIII века, известно применение водяных мельниц с применением водяных колес нижнего боя, средненаливных и верхненаливных. Известно верхненаливное колесо диаметром 19 м, изготовленное русским гидротехником К.Д. Фроловым [38].
Для получения плавного, непрерывного потока воды получил применение винт Архимеда (около 1000 лет до н.э.). Такие насосы в настоящее время применяются для нужд водоснабжения, полива и орошения с.-х. культур с приводом от ветродвигателя. Наклонно расположенный вал с винтовой нарезкой вращается в полуоткрытом лотке и обеспечивает высоту подъема жидкости от 2 до 5 м. На рисунке 1.1 представлена схема такой установки.
С древнейших времен человек использовал энергию ветра. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае.
В Египте (около г. Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных еще в I—II веке до н.э. Несколько позднее, по-видимому в VIII—IX вв., ветряные мельницы появились на Руси и Европе. Начиная с XIII в., ветродвигатели получили широкое распространение в Голландии, Дании и Англии для подъема воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. До 1917 г. в крестьянских хозяйствах России насчитывалось около 250 тыс. ветряных мельниц с общей мощностью около 1 млн. кВт, которые ежегодно перемалывали половину урожая. Первичными источниками возобновляемой энергии (ВИЭ) является энергия солнца, геотермальное тепло ядра Земли, гравитационная энергия Луны и других планет солнечной системы. Солнечная энергия в результате естественного преобразования в атмосфере и у поверхности земли образует возобновляемую энергию рек, ветра, биомассы, океана и морей, а также перепада температур поверхности Земли, атмосферы и водных акваторий [84, 96, 118].
Структура естественного и технического преобразования ВИЭ представлена на рисунке 1.2 [69]. В отличие от ограниченного запаса традиционных ископаемых энергоносителей (уголь, нефть, газ, торф, уран) ресурсы ВИЭ практически неисчерпаемы и составляют более 6 млрд. лет. По мере истощения запасов ископаемых энергоносителей цивилизация должна перейти на ВИЭ в сочетании с экологически безопасной и 100 %-ной гарантией надежности атомную энергетику.
В 1998 г. объем использования ВИЭ в России оценивался в 19 % от производства всех энергоресурсов в стране. Основной удельный вес в этом показателе приходится на крупные гидроэлектростанции, работающие в составе энергосистемы. Особенность электрификации России связана с обширной территорией страны, которая предопределяет значительные затраты финансовых средств на транспортировку ископаемых ресурсов (нефти, угля, газа), а также затраты на строительство высоковольтных линий электропередач, в результате полезно используемая потребителем энергия для ряда отдаленных регионов России составляет 20-25 % от первичной энергии.
Современный уровень энергетических технологий ВИЭ позволяет на первом этапе эффективно использовать ВИЭ для энергоснабжения автономных потребителей, а также использования их непосредственно для привода зерновых мельниц, водоподъемников и др. При этом исключаются транспортные расходы на доставку топлива и необходимость строительства линий электропередач.
География распределения ВИЭ на территории России удачно дополняет топливно-энергетический баланс страны. Удаленные сельские районы могут быть обеспечены за счет комплексного использования местных возобновляемых энергоресурсов [6, 35, 55, 57, 63, 89, 97, 99, 100, 108, 110].
Известны работы по возможности вовлечения природных ресурсов в топливо-энергетический баланс Иркутской обл. [35]. Авторы считают, что по используемым и готовым к использованию запасам углеводородного топлива, имеющимся мощностям ГЭС и ТЭС Иркутская область является энергоизбыточной. Но отдельные районы и части их территорий существенно отличаются по местным масштабам наличия и использования электрической энергии. В такой ситуации для условий Иркутской области целесообразно планирование использования ВИЭ для энергоснабжения конкретных потребителей, для которых возможность и эффективность такого решения очевидна. Использование нетрадиционной энергетики не может оказать решающего влияния на энергобаланс региона, однако при разумном использовании может оказать заметную помощь в энергообеспечении районов со слабой топливной базой, плохими транспортными условиями и при отсутствии развитых электрических сетей [35].
Уравнение Д. Бернулли для потока вязкой жидкости при неустановившемся движении жидкости
При работе гидравлического двигателя-насоса наполнение цилиндра (рабочий ход) и его опорожнение (холостой ход) происходит при неустановившемся движении. Наиболее близким к нему по характеру процессов являются судоходные шлюзы, служащие для обеспечения перехода судов из одного бьефа в другой. Их заполнение и опорожнение происходит при переменном напоре. Гидравлический расчет сводится к определению времени шлюзования, режима движения в водопроводный системах при наполнении и опорожнении камер и изучении характера волновых движений в камерах шлюза. Установлено, что основным уравнением шлюзования является уравнение Лагранжа [11]: где dp=f(x, у, z) - полный дифференциал давления, Па Сумма членов в скобках уравнения (2.3) также является полным дифференциалом некоторой силовой функции П= f (х, у, z), частные производные которой по координатам х, у, z составляют:
Если для некоторой точки, находящейся на поверхности или внутри жидкости, известны давление р0 и потенциальная функция /7о, то согласно выражению (2.7) можно записать: Ро=рП0+С. (2.8) Из равенств (2.7) и (2.8) находим: р = р0+р(П-П0). (2.9) Пользуясь уравнением (2.9) можно определить давление (гидростатическое) в различных точках при известных значениях потенциальной функции. В случае, когда в жидкости действуют только силы тяжести, то есть х = О, у = 0 из уравнения (2.9) получим P = Po+Pgz- (2-Ю) где z - координата высоты погружения точки в жидкости, принимаемой как z = h, м. Тогда уравнение (2.10) примет вид P = Po+Pgh. (2.11) Уравнение (2.11) часто называют как основное уравнение гидростатики, когда действуют только силы тяжести.
Из преобразований уравнений Громеко-Лямба для поступательного, деформационного и вращательного (вихревого) движения частицы жидкости при Из уравнения (2.12) путем анализа можно установить область применения дифференциального уравнения потенциального движения невязкой жидкости или уравнения Д. Бернулли. Для этого достаточно рассматривать условия обращения в нуль правой части уравнения (2.12), представленной детерминантом. Как известно, детерминант правой части уравнения (2.12) может обращаться в нуль при следующих условиях:
Первое условие определяет отсутствие в потоке вихрей и, следовательно, наличие безвихревого, то есть потенциального движения. Второе условие известно как уравнение линии тока, а третье - как уравнение вихревой линии. Следовательно, уравнения потенциального движения применимы к отдельным линиям тока и вихревым линиям в любых движениях. Четвертое характеризует винтовое движение жидкости. Следовательно, уравнение Д. Бернулли может быть распространено и на особый вид движения жидкости, в котором вихревые линии совпадают с линиями тока (вихревое движение). При потенциальном движении, когда детерминант в уравнении (2.12) обращается в нуль, его можно записать: интеграл которого примет вид представленного в уравнении (2.1).
Интеграл уравнения (2.13) в виде уравнения (2.1) называется именем его автора Лагранжа и относится к общему случаю неустановившегося движения жидкости.
Так как объемы цилиндра и плотинного сооружения несоизмеримо малы по сравнению с. В этом случае вместо члена объемом камер шлюзов, то потенциалы скоростей, характеризующих вихревые компоненты движения, могут быть опущены и уравнение (2.13) после интегрирования приводится к виду -П 1. При неустановившемся движении в связи с отсутствием необходимых данных, потерю напора hi вычисляют по формулам установившегося движения. 2. Когда движение жидкости во времени изменяется достаточно медленно (это наблюдается и при работе ГДН), член ht уравнения Д. Бернулли оказывается незначительным и им можно пренебрегатьht в уравнение (2.15) вводят полную потерю напора hw, причем местные потери напора, так же как и потери по длине, вычисляют по обычным формулам, относящимся к установившемуся движению.
Известно критическое число Рейнольдса для трубопровода круглого сечения ReKpHT=2320. Если Re ReKpHT - режим движения ламинарный, при Re ReKpilT - турбулентный.
Попытки создания новых эмпирических формул для определения коэффициента к не прекращаются, несмотря на большие успехи теории. Предложено несколько сотен формул для различных жидкостей и скоростей течения, для труб разных диаметров из различных материалов и т.д. [4, 93, 94, 103].
Теоретическое исследование равномерных турбулентных потоков было начато лишь во второй половине XIX в., когда в результате работ О. Рейнольдса, Д. И. Менделеева, Н. П. Петрова, Сен-Венана и Буссинеска были установлены важнейшие для исследований турбулентного трения положения: существование различных режимов движения с отличными законами сопротивления, наличие гладкого и шероховатого трения.
Первые системные исследования по выявлению зависимости Л = f(Re,A/d) были проведены в 1933 г. И. Никурадзе в гладких трубах и трубах с искусственной шероховатостью. Для определения коэффициента гидравлического трения Я получили применение следующие зависимости [5, 7,9, 11,32,68, 102, 112, 114]:
Рабочий ход гидравлического двигателя-насоса представляет собой вертикальное движение поршня вверх под действием силы Архимеда, возникающей под поршнем при заполнении водой кольцевого зазора S между цилиндром и поршнем по высоте hn (см. рисунок 2.1). Дальнейший ход поршня на величину его хода S сопровождается наполнением цилиндра. То есть энергия воды, поступающая от напорного резервуара под напором Н, обеспечивает и поддерживает силу Архимеда РА и скорость движения поршня при его перемещении на величину S.
Работа экспериментальной установки
Все приборы и оборудование, используемые при проведении лабораторных исследований по классу точности и погрешности измерения соответствовали указанным в соответствующих паспортах величинам и настраивались согласно приложенным к ним инструкциям.
Для определения массы подвижных частей ГДН использовались лабораторные технические весы ВЛТК-500 (4), с допустимой погрешностью ± 50 мг (см. рисунок 3.5).
Измерение геометрических параметров ГДН производили с помощью штангенциркуля ШЦ-1 с погрешностью измерений ± 0,1 мм и линейки с погрешностью измерений ±0,5 мм. Подъемную силу Архимеда, действующую на поршень определяли по формуле (/.4j; адаптированной для нашего случая: где Wt - объем каждой детали подвижной части ГДН погружаемой в воду, м3
Для измерения времени в частных опытах: определение коэффициента расхода системы, определения зависимости расхода от угла поворота регулирующего клапана, определении паразитного объема опытной установки использовался секундомер Интеграл ЧС-01.
Для определения количества воды, поступившей в ГДН, использовали водомер скоростной многоструйный с вертикальной крыльчаткой УВК-50 (см. рис.3.6). Водомер относится к суммирующим, указывающим приборам. По принципу действия УВК-50 является многоструйным тахометрическим счетчиком с крыльчатым преобразователем [17, 36, 77, 92]. Цена деления шкалы счетчика указателя 0,001 м3.
Перед проведением экспериментов произведено тарирование водомера с использованием объемного способа (см. рисунок 3.7). средний расход, измеренный с помощью водомера; 2, 3- верхняя и нижняя границы доверительного интервала при определении расхода объемным способом, при доверительной вероятности 95 %.
Рисунок 3.7 - График тарирования водомера объемным способом. Из графика следует, что средний расход, измеренный с помощью водомера, лежит в оолаети доверительного интервала при определении расхода ооъемным методом, являющегося одним из самых точных. В ведении поправочного коэффициента нет необходимости. Следовательно, при измерении расхода и объема воды, поступившей в і дн, оудем пользоваться крыльчатым водомером, относительная ошибка измерений которого, при совершении 10 циклов работы ГДН не превышает 5 % от измеряемого объема.
Известно, что непосредственное измерение объема или веса воды вытекающей в измерительную емкость за определенное время, самый надежный и точный метод измерения расхода [77, 79, 92]. Поэтому для измерения объема перекачанной ГДН жидкости принят мерный сосуд объемом 4,5 л, не превышающим объем жидкости перекачиваемой за опыт. В основании сосуда имеются регулируемые по высоте ножки, которые позволяют выровнять сосуд горизонтально и вертикально в пространстве. Для выпуска воды из сосуда и ее перекрытия к сосуду использован шаровой кран. По шлангу от шарового крана вода поступает в сливной сосуд. После установки сосуда по уровню строительному УС5-3 1200 мм, он был прота-рирован с шагом 0,01 л с помощью мерной колбы объемом їли погрешностью измерений ±10 мл.
Методика снятия индикаторной диаграммы гидравлического двигателя насоса Для определения ряда показателей, характеризующих рабочий процесс изготовленной нами опытной модели гидравлического двигателя-насоса (ГДН), мы использовали индикаторную диаграмму.
Индикаторная диаграмма (см. рисунок 3.7) представляет собой запись давления в рабочей камере насоса в зависимости от времени протекания процесса. Она позволяет наиболее полно судить о рабочем процессе насоса и является основным средством анализа при разработке и испытании новых насосов [18, 67, 104]. Давление записывается при помощи датчика давления 22, присоединенного к полости рабочей камеры 43 гибким шлангом 59 (см. рис. 3.3).
В качестве датчика использовался датчик давления-разрежения 415-ДИВ 8348 фирмы «Пьезоэлектрик» (см. рисунок 3.8), с верхним пределом измерении ии Kiia, ьылодным ішналим 4-20 мА, с пределом допускаемой основной погрешности от диапазона измерения равной у = 0,25%. От датчика давления-разрежения аналоговый измерительный сигнал поступаем на вход аналого-цифровою преооразоваїеля і/шді; типа ьоо: фирмы «L-card» [124] (см. рисунок 3.9).
АЦП с заданной дискретностью преобразует входные аналоговые сигналы (напряжение) с заданной дискретностью и посредством процедуры квантования преобразовывает их в цифровые коды. Дискретность измерения входных сигналов задается на программном уровне. Цифровые коды преобразуются программой «Power Graph» ПК в числовые значения, представляемые в виде массива цифр. Результаты измерений, полученные с помощью АЦП, записываются в файл и далее, на программном уровне, обрабатываются в требуемом виде. В качестве ПК использовался Pentium II - 200MHz, имеющий материнскую плату с разъемом типа ISA, для подключения АЦП типа L-305.
АЦП L-305 имеет следующие технические характеристики: количество каналов - 16 дифференциальных или 32 с общей «землей»; разрядность 12 бит; максимальная частота преобразования 300 kHz; время преобразования 1,7 мкс; максимальный входной сигнал ±5,12 В [124].
Индикаторная диаграмма позволяет нам определять время протекания отдельных процессов (см. рис. 3.7). Общее время закрытия впускного клапана с учетом времени заполнения кольцевого зазора между поршнем и цилиндром tpx\ определяет участок а-Ь. Сюда входит время на переключение впускного крана и время заполнения кольцевого зазора. Участок Ь-с соответствует времени рабочего хода tpx2.
Время переходного процесса (ы определяет участок c-d. Сюда входит время на переключение выпускного крана и время опорожнения кольцевого зазора. Открытие всасывающего клапана рабочей камеры 51 (см. рис. 3.3) сопровождается образованием в ней вакуумметрического давления - участок d—а , который определяет время холостого хода txx2 Полученные из индикаторной диаграммы значения времени, затрачиваемого на осуществление отдельных процессов работы насоса, позволяет установить уравнение баланса времени [46]:
Главной составляющей при планировании экстремального эксперимента является выбор параметров оптимизации определяющих процесс. Так же данные параметры должны соответствовать поставленной цели исследований и допускать их количественную оценку. Согласно цели исследований нами выбраны в качестве параметров оптимизации - подача ГДН и энергетический КПД. Данные параметры допускают количественную и качественную оценку, что соответствует рекомендуемым критериям, предъявляемым к параметрам оптимизации.
Индикаторная диаграмма ГДН
Поверхность времени опорожнения подпоршневого пространства представлена на рисунке 4.14.
Данная поверхность имеет линейный характер с повышением с увеличением хода поршня. Ход поршня оказывает сложное влияние на данный процесс. Во-первых, от величины хода поршня зависит изначальный напор, при котором будет происходить опорожнение цилиндра ГДН. Во-вторых, от него будет зависеть объем воды, которому будет необходимо вытечь, до завершения холостого хода.
В результате проведенных исследований, можно сделать следующие выводы: в процессе экспериментов установлена работоспособность ГДН с использованием подъемной силы Архимеда; Определены критические значения скорости движения поршня vn.Kp = 0,051-0,053 м/с, времени рабочего хода tpxiKp= 3,00-3,02 с, средней подачи ГДН =0,23-0,25 мЗ/ч. установлена рабочая область опытной модели ГДН; получена индикаторная диаграмма ГДН; установлены коэффициенты полезного действия гидродвигателя //«)= 0,81; насоса цг— 0,94; получены математические модели зависимости подачи, энергетического КПД, времени рабочего и холостого хода от высоты (напора) питающего резервуара и хода поршня.
По результатам экспериментов, при использовании теории подобия (п. 2.7), при масштабе моделирования равном пяти, нами был спроектирован гидравлический двигатель-насос, основные характеристики которого представлены в таблице 5.1 [71].
Для сравнения с предлагаемым ГДН нами выбран аналогичный по своим техническим характеристикам погружной насос Acua4 35М испанской фирмы «ESPA» с производительностью 3,9 мЗ/ч при напоре 7 м, и потребляемой энергией 0,6 кВт-ч. Розничная цена насоса 13898 руб.
Расчет экономической эффективности проводился по общепринятой методике адаптированной к объекту исследования [8, 15, 34]. При сравнительной экономической оценке на начальном этапе нужно подсчитать величину необходимых капитальных вложений и текущих затрат на эксплуатацию внедряемого оборудования.
Необходимые дополнительные исходные данные для определения эксплуатационных затрат представлены в таблице 5.2.
Расчет капитальных вложений на приобретение материалов составил 14076 руб. Сметно-финансовый расчет размера капиталовложений представлен в приложении В.
Для расчета единовременных затрат на оплату труда за изготовление ГДН и строительство плотины с основанием под ГДН необходимо знать затраты труда по отдельным видам работ. Исходя из трудоемкости изготовления и размера часовой ставки, тарифный фонд оплаты труда составил Гф=2480 руб.
Расчет заработной платы работникам за изготовление ГДН и строительство плотины был произведен по известной методике [106], результаты которого представлены в таблице 5.3.
Годовая норма амортизационных отчислений определяется с учетом срока полезного использования основных средств, в течение которого они используются по назначению [57, 115]. Примем линейный способ амортизации, норма отчислений для которого определится как: a, =(l/n,)-100, (5.5) где п; - срок полезного использования /-го объекта, выраженный в годах. С учетом (5.5) амортизационные отчисления составят: Лов=КВЛ -(1/«я) = 13898- (1/5,69) = 2442 руб. А,» =КИп-(1/пп) =32582- (1/20)= 1629руб. Затраты на текущий ремонт включают в себя затраты на запасные части и ремонтные материалы, необходимые для проведения технического обслуживания. где Z, — годовая норма отчислений на текущий ремонт по /-м основным фондам. Годовую норму отчислений на текущий ремонт принимают равной 40 % от годовой нормы амортизационных отчислений. Следовательно, можем сказать, что затраты на текущий ремонт составят 40 % от амортизационных отчислений:
Срок окупаемости капиталовложений, лет. Тк 6,57 Проведенный экономический расчет показал, что при использовании данной конструкции ГДН является экономически эффективным. Удельные эксплуатационные расходы на подачу 1 м3 воды при использовании ГДН в сравнении с базовым вариантом меньше в два раза, а годовая экономия эксплуатационных затрат составила 4959 руб., при стоимости 1 кВт-ч равной 1,36 руб. Срок окупаемости капиталовложений составил 6,57 лет. Основную часть экономии эксплуатационных затрат составляет экономия электроэнергии.
Похожие диссертации на Обоснование параметров и режимов функционирования гидравлического двигателя-насоса для сельскохозяйственного водоснабжения
