Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 11
1.1. Агротехнические требования к воде, системам полива и подкормки растений 11
1.2. Анализ существующих систем полива, конструкции технических средств полива и подкормки растений, зачистки трубопроводов 12
1.2.1. Общая характеристика систем полива 12
1.2.2. Анализ конструкции капельниц и водовыпускных устройств.. 16
1.2.3. Технико-экономические показатели систем полива 32
1.2.4. Очистка труб от заиления 35
1.2.5. Капельное истечение жидкости из капилляров 36
1.2.6. Компоновочная схема теплицы на 1 га в ОГУ СП «Тепличное» . 40
1.3. Выводы. Цель и задачи исследования 42
2. Обоснование технологии и технического средства для под почвенного полива и подкормки растений с одновременной очисткой трубопроводов 44
2.1. Технология полива и подкормки 44
2.2. Принципиальная схема работы устройства для подпочвенного полива и подкормки растений 45
2.3. Обоснование конструктивно-режимных параметров устройства 50
2.3.1. Истечение через боковое отверстие 52
2.3.2. Продолжительность опорожнения питательной емкости.. 54
2.3.3. Пропускная способность выливных отверстий 56
2.3.4. Потери напора в системе 61
2.3.5. Вращающаяся пружина - выравниватель напора в поливной трубе 64
2.4. Энергетика и прочность рабочих органов пружинного типа... 75
2.5. Выводы 80
3. Программа и методика экспериментальных исследований 82
3.1. Программа исследований 82
3.2. Методика проведения исследований 82
3.3. Приборы, изделия, мерительные инструменты и комплектующие... 83
3.4. Порядок проведения экспериментов 84
3.5. Определение давления (напора), создаваемого вращающейся пружиной 86
3.6. Методика математической обработки опытных данных 86
4. Результаты экспериментальных исследований 90
4.1. Зависимость производительности истечения воды из выливных отверстий от длины трассы и диаметра труб, уклона трассы 90
4.2. Зависимость производительности (подачи) жидких удобрений вращающейся в трубе пружиной от частоты вращения, диаметра и шага пружины, толщины проволоки, создаваемого давления... 103
4.2.1. Зависимость производительности, осевой скорости удобрения от частоты вращения, диаметра и шага пружины 103
4.2.2. Зависимость энергозатрат от режимно - конструктивных параметров рабочего органа 107
4.2.3. Давление, создаваемое в трубе вращающейся пружиной 109
4.3. Зависимость пропускной способности выливных отверстий от их диаметра и вида общего расхода (транзитный и тупиковый).. 115
4.3.1. Общая подача (производительность) при транзитном расходе. 115
4.3.2. Расход через выливные отверстия 117
4.4. Очистка труб от заиления и выливных отверстий от закупоривания 123
4.5. Расчет пружины на прочность 129
4.6. Выводы 132
5. Производственные испытания. Эффективность исследований. 133
5.1. Результаты производственных испытаний 133
5.2. Эффективность результатов исследований 135
5.2.1. Затраты по существующей технологии 136
5.2.2. Затраты на проектируемую систему 139
Выводы 143
Общие выводы 144
Литература 146
Приложения 154
- Общая характеристика систем полива
- Пропускная способность выливных отверстий
- Зависимость производительности истечения воды из выливных отверстий от длины трассы и диаметра труб, уклона трассы
- Давление, создаваемое в трубе вращающейся пружиной
Введение к работе
Искусственное орошение на земном шаре стали применять за 3...4 тысячи лет до нашей эры в Египте, Китае, Ираке и Индии. В период с 1848 по 1882 годы орошение стали применять и в отдельных районах Поволжья.
Орошение с учетом всех агротехнических требований растений ведет в целом к удвоению урожайности сельскохозяйственных культур.
Давняя мечта ирригаторов - полностью закрытая оросительная система с высоким коэффициентом полезного действия.
Традиционные способы полива (с большим расходом воды): само-течно-поверхностный и дождевание.
Дождевание является чрезмерно энергозатратным способом, так как рабочие органы сначала водный поток превращают в капли, затем капли транспортируют к месту полива и потом распределяют капли по площади полива.
Наиболее перспективными являются с точки зрения ресурсосбережения внутрипочвенное орошение и капельный способ полива. Первые опыты капельного орошения начаты в Англии в 1940 году, достаточно широкое применение в теплицах начато в 1960...1965 годах во многих стратах мира (в том числе в СССР).
Достоинства внутрипочвенного полива и подкормки растений: возможность регулирования водного режима почвы непосредственно в контуре размещения активной корневой системы, минуя контакты поливной воды с поверхностью почвы. Благодаря этому представляется возможность оптимизировать в контуре размещения корневой системы водный, воздушный, питательный и тепловой режимы почвы; уменьшить расход влаги на непродуктивное испарение с поверхности почвы, ликвидиро-
7 вать условия образования почвенной корки; достичь полной механизации подвода воды к растениям.
Существующая технология полива предусматривает подачу воды сначала под высоким напором (20...40 м), и затем, соответственно, снижение напора для полива с использованием капельниц, а для исключения забивания отверстий капельниц применяются фильтры тонкой очистки и смесители удобрений при подкормке растений. Данная технология является достаточно энерго-, материаловысокозатратнои, сложные технические средства не благоприятствуют её применению при современном функционировании сельхозпроизводителей (например, в фермерских хозяйствах). В связи с этим разработка технологий и технических средств подпочвенного полива и подкормки растений с одновременной очисткой трубопроводов является актуальной и имеет важное значение для отечественного сельскохозяйственного производства. Наиболее эффективной является система полива и подкормки растений с рабочими органами в виде вращающихся в трубах с отверстиями пружин с напором не более 1 м (0,01 МПа).
Научные исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» по теме №0120.0600147 «Разработка средств механизации и энерго - ресурсосберегающих технологий производства и переработки продукции сельского хозяйства (2001...2006 г. г.)».
Объект исследования. Технологический процесс подпочвенного полива и подкормки растений в трубных системах.
Предмет исследования. Зависимости теоретических и экспериментальных параметров расхода воды для полива и подкормки растений в трубных технических средствах, включающих гибкий пружинный орган.
Цель работы. Совершенствование технологии и технических средств для подпочвенной подкормки растений с обоснованием теоретических и производственных параметров и режимов работы.
Методика исследований. Теоретические исследования базировались на основополагающих законах механики жидкостей с использованием математического аппарата, описывающих процессы перемещения жидкостей винтовой поверхностью вращающихся пружин, смешивания минеральных удобрений с поливной водой, истечения жидкости из отверстий трубопровода при постоянном и переменном давлении в системе.
Экспериментальные исследования проводились согласно разработанным методикам, с использованием существующих и изготовленных установок, теории планирования экспериментов, с обработкой результатов измерений методами математической статистики при помощи ЭВМ.
Научная новизна. Научную новизну составляют:
технология полива и подкормки растений с применением трубопроводных систем с активным гибким рабочим органом (патент на полезную модель № 58849);
полученные математические модели:
расхода воды и питательной смеси с активным рабочим органом и без него;
скорости истечения жидкости из отверстия и гидростатического давления в функции от скорости;
- режимные параметры системы: диаметр трубопровода, диаметр
отверстий, распределение отверстий по длине трубопровода, длина ко
жуха, диаметр пружины, скорость вращения рабочего органа.
Практическая ценность. Совокупность разработанной технологии и технических средств позволила решить вопрос подпочвенного полива и подкормки растений без применения высокоэнергозатратного
9 способа подачи воды к корням растений, смешивания минеральных удобрений с водой, очистки труб от заиления и отверстий от забивания вращающейся в трубе пружиной, а внедрение результатов исследований в производство обеспечило: снижение затрат энергии, материалоемкости и затрат труда.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы в ОГУ СП «Тепличное» Ульяновского района Ульяновской области, в институте «Ульяновскагропромпроект» (г. Ульяновск), подсобном хозяйстве НИИАР (г. Димитровград, Ульяновской области), учебно-опытном участке технологического института - филиала ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», в ООО «Благоустройство и озеленение города Димитровграда» (Ульяновская область). Материалы исследований используются в учебном процессе агрономического, инженерного факультетов и технологического института - филиала ФГОУ ВПО «УГСХА».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрены на научных конференциях молодых ученых, на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» и Технологического института (г. Димитровград) - филиала ФГОУ ВПО «УГСХА» (2004...2007 г. г.), юбилейной научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова» (2006 г.), расширенном заседании кафедры «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2007 г.), расширенном заседании кафедр факультета механизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» (2007 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 в изданиях по «перечню...» ВАК Ми-
10 нобразования и науки РФ, в материалах международных конференции 3, рекомендациях производству 2, а также получен патент РФ на полезную модель № 58849. Общий объём публикации составляет 3,4 п. л., из которых 1,9 п. л. принадлежит лично автору.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.
Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 41 рисунок и 21 приложение. Список использованной литературы включает 111 наименований, из них 10 на иностранных языках.
На защиту выносятся следующие научные положения:
теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы технического средства для компенсирования потери давления в трубопроводе;
математические и вероятностно-статистические модели, описывающие влияние основных конструктивных и режимных параметров на равномерность распределения воды и смесей по трубопроводу;
результаты теоретической и экспериментальной оптимизации конструктивных и режимных параметров.
Общая характеристика систем полива
Давняя мечта ирригаторов - полностью закрытая оросительная система с высоким коэффициентом полезного действия [37,75,99]. Традиционные способы полива (с большим расходом воды): - самотечно - поверхностный; - дождевание. Дождевание является чрезмерно энергозатратным, ибо, чтобы полить определенную площадь, рабочие органы вынуждены водный поток превратить в капли, транспортировать капли к месту полива и распределять капли по площади с определенной интенсивностью: I=H/t, мм/мин. Капельный способ (вода подается только к корням растений) позволяет вместе с водой подавать растворимые минеральные удобрения и микроэлементы. Первые опыты капельного орошения начаты в Англии в 1940 году, достаточно широкое применение в теплицах начато в 1960...1965 г. г. во многих странах мира (США, Австралия, Мексика, Израиль, Япония, СССР). Основные преимущества капельного орошения: - экономия воды; - снижение затрат труда; - исключение планировочных работ; - снижение энергозатрат; - облегчение борьбы с сорняками; - повышение урожайности. Недостатки капельного орошения: - необходимость фильтрации воды с целью исключения забивания капельниц; - необходимость промывки по границе контура промачиваемой зоны от солей. Согласно [54], с технической точки зрения орошение - это искусственное увлажнение почвы. Орошение обеспечивает наиболее благоприятные для произрастания растений водный, питательный, воздушный, тепловой, солевой и микробиологический режимы почв. По воздействию на почву и растения орошение бывает: - увлажнительным; - удобрительным (подача питательных веществ и ингредиентов); - утеплительным; - окислительным (речная вода, обогащенная кислородом); - влагозарядковым (запасным); - промывным (от вредных солей). Состав системы капельного орошения: водоисточник, водоподъемник, узел управления, узел контроля, магистральный и распределительный трубопроводы, поливной трубопровод с капельницами (эмиттерами). Простейшая система капельного орошения приведена на рисунке 1.1. Принципиальная схема головного узла управления и контроля существующих систем капельного орошения с фильтром и гидроподкормщиком удобрениями приведена на рисунке 1.2. Давление воды в трубопроводах 0,15...0,30 МПа (1,5...3,0 кг/см2), или напор 15...30 м. От песка вода очищается на центробежных сепараторах, а более тонкая очистка проводится с использованием сетчатых и песчано-гравийных фильтров с проходными сечениями ячеек 0,2...1,5 мм. Периодическая очистка фильтров требует дополнительных затрат труда и материалов. Рисунок 1.1 -Простейшая система капельного орошения: 1 - магистральный трубопровод; 2 - задвижка; 3 - регулятор давления; 4 - гидропод-кормщик; 5 - распределительный трубопровод; 6 - поливной трубопровод с капельницами; 7 - манометры; 8 - фильтр; 9 - капельница Г -—ЛІІт Рисунок 1.2 - Схема головного узла управления и контроля: 1 - магистральный трубопровод; 2 - автоматический водомер-гидрант; 3 - автоматический регулятор концентрации раствора удобрений; 4 - обратный клапан; фильтр; 6 - гидроподкормщик Гидроподкормщики представляют собой в основном металлические емкости объемом 50...100 л. На напорном трубопроводе гидроподкормщи-ка устанавливается вставка с диафрагмой. К вставке подключаются два гибких шланга диаметром 20...25 мм, до и после диафрагмы. Разность давлений создается местным сужением, часть воды поступает в гидроподкормщик, и в виде раствора попадает по второму шлангу в напорный трубопровод. Иногда раствор подается в напорный трубопровод инжекторами.
Поливные трубопроводы - последнее звено капельной оросительной системы. Из-за потерь напора и увеличения неравномерности полива длина поливных труб не превышает 60...150 м, при этом трубы должны быть непрозрачными (из-за опасности засорения капельниц водорослями), и диаметры труб из полиэтилена и ПВХ могут быть в пределах 12...32 мм. В существующих системах поливные трубопроводы располагают над поверхностью почвы около корней растений (рисунок 1.3), имеются на практике и ряд других подходов к компоновке системы полива с капельницами. Рисунок 1.3 - Схемы расположения поливных трубопроводов с капельницами: 1 - одиночный трубопровод; 2 - двойной трубопровод; 3 - одиночный поливной трубопровод, капельницы с несколькими выходами, снабженные тонкими распределительными трубками; 4 - одиночный зигзагообразный трубопровод; 5 - одиночный трубопровод с капельницами на гибком отводе (так называемый «свиной хвостик»)
Пропускная способность выливных отверстий
Выливные отверстия (по аналогии с существующими системами -капельницы) расположены по обеим сторонам поливного трубопровода по всей его длине L в количестве п штук. Согласно общих положений гидромеханики, пропускная способность отверстия - расход - определяется из выражения: Q = o)yl2gH=0,25-n:d yj2gH, где со - площадь поперечного сечения отверстия; d0 - диаметр отверстия. Количество вылитого единичным отверстием раствора определяется из уравнения: - = Г/л = 100/160 = 0,625 л. где V - объем емкости с питательной жидкостью, л; п - количество отверстий (160). Расход при do= 0,5 мм {]л = 0,8; Н = 1 м) составит: 4? 5= 2,5л I v(0,00069 л/с), соответственно, продолжительность полива: п5 = 7;/ 7? 5 =0,625/0,00069 = 900 с (15 мин). Расход при d0 = 1 мм (к = 0,8; Я = 1 м) составит q.,Q =9,93 л/ч (0,00276 л/с). Соответственно, продолжительность полива составит: = ЧІІЧ)Л = 0,625/0,00276 = 227 с (3,8 мин). Расход при d0= 1,5 мм: q} 5 = 22,5л/ч (0,00625 л/с), соответственно, продолжительность полива: Д5 _ „ і „1,5 _ Л aiz /г\ ЛЛЛОО _ і лл л fi «#»тЛ Расход при do = 2 мм: qf =40 л/ч (0,011 л/с), соответственно, продолжительность полива: #=?//?? =57 с (0,95 мин). Расход при Й?О= 2,5 мм: yf 5 =62,5 л/ч (0,0165 л/с), соответственно, продолжительность полива: /;Р=38 с (0,63 мин). Данные расходов сведены в таблицу 2.1 и приведены на рисунке 2.7. Таблица 2.1 - Расход жидкости через выливные отверстия и про должительность полива при Н= 1 м, /и = 0,8 (рисунок 2.7) Рисунок 2.7 - Теоретическая зависимость расхода q и продолжительности полива t„ от диаметра вьшивного отверстия do при р = 1000 кг/м , р = 0,8, Я = 1 м
Суммарный расход воды для 160 отверстий в трубе составит, соот ветственно: -=160- =0,11 ліс; q}=0,44 ліс; q}5=\ ліс; qf =1,76 ліс; qf 5=2,64 ліс, при общем возможном расходе питательной емкости (уравнение 2.4): - при /и = 0,6: Q4o= 3,36 л/с; Q25= 1,32 л/с. - при // = 0,8 (с насадкой - трубой): 040= 5,06 л/с, Q25= 1,95 л/с. Непрерывный режим полива обеспечивается (160 отверстий) при диаметре Dk= 40 мм с диаметрами выливных отверстий 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 мм и более, при диаметре трубы Dk = 25 мм отверстиями диаметром в 0,5; 1,0; 1,5 мм при /и = 0,6; и до do = 2,0 мм при ц = 0,8 (труба - насадка). Анализ зависимостей (рисунок 2.7) показывает, что площадь полива в 40 м (одна линия, согласно размеров типовых теплиц) со 160 отверстия-ми в трубе (4 отверстия на 1 м - афотехтребования) с общим расходом жидкостей 2,5 л/м обеспечивается выливными отверстиями 0,5...2,0 мм с продолжительностью полива 0,95...0,15 мин. Из условия неразрывности потока определяется скорость истечения из отверстия емкости (рисунок 2.6): 3 = Q/o), 4 9 9 где Q - расход, м /с; со = 0,25 71 d0 - площадь отверстия, м . Соответственно, при Dk = 40 мм, отверстие с ц = 0,6: 3 =0,74 м/с, при Dk =25 мм, отверстие с fi = 0,6: 3 =0,75 м/с. Соответственно, при Dk = 40 мм, отверстие с fi - 0,8 (насадка): # = 1,11 м/с, при Dk = 25 мм, отверстие с ц = 0,8: # = 1,105 м/с. Соответственно, при do=\ мм: 3 = 1 м/с. Скорости истечения из других выливных отверстий с диаметрами 0,5; 1,5; 2,0 мм идентичны скорости истечения при d0= 1 мм. Значения коэффициентов истечения р, є, /и круглого малого отверстия зависят от формы его кромок, условий подтока жидкости к отверстию и числа Рейнольдса, определяемого, как: Re = (d0 H)/v, где v - кинематическая вязкость жидкости.
Зависимость коэффициентов истечения от Re для малого круглого отверстия с острой кромкой дана в обработке А. Д. Альтшуля. Значения ju в функции Re приведены ниже: Re 1,5-104 2,5-104 5-Ю4 Ю5 2,5-Ю5 5-Ю5 106 М 0,638 0,623 0,610 0,603 0,597 0,594 0,593 При Re 105 число Рейнольдса практически не влияет на коэффициенты истечения (квадратичная зона истечения), и для расчетов можно пользоваться следующими их средними значениями: р = 0,97; є = 0,62; /л = 0,60. При этом неравномерность скоростей в сжатом сечении струи весьма невелика и можно принимать а 1, Тогда р »1/ /1 + , откуда в среднем для круглого отверстия с острой кромкой 0,06. Для малых отверстий других форм при больших Re значения коэффициента расхода можно принимать равными р - 0,60. Расход по длине трубы через отверстия вычисляется по формуле и представлен на рисунке 2.8: а4к т ) (2-8) 4 у 36DI где Я - располагаемый напор трубопровода; Q0 - расход трубопровода; Dk - внутренний диаметр трубопровода; d0 - диаметр отверстий; Я -коэффициент сопротивления трения; Qi - расход в /-ом отверстии; /, - расположение і -ого отверстия по длине трубы; // - коэффициент расхода. Программа для вычисления расхода по длине трубы через отверстия имеет следующий вид: Q-= for і є 0..M l 4 Q h 36-D51 (2.9) 4-Ю Qi 2-Ю Рисунок 2.8 - Зависимость расхода отверстия от длины кожуха 2.3.4. Потери напора в системе При значительных потерях напора в трубах следует ожидать и неравномерный расход питательной смеси (воды) выливными отверстиями, которые должны быть достаточно одинаковыми. В разделе 2.3.3 установлено, для нашего случая, что скорость движения находится в пределах 3 = 0,74...1,11 м/с. От скорости жидкости зависит режим движения, соответственно, потери на трение в трубе. Режим движения определяется числом Рейнольдса, которое определяется общеизвестным в гидравлике уравнением: Re=3Dk/v, где 3 - скорость движения, см/с; D = 4 - диаметр трубы, см; v = 0,01 см /с - кинематическая вязкость воды (при температуре поливной воды по агротехническим требованиям t = 20С). Тогда: Re = 3 Dk /v = 100-5/0,01 = 50000, что превышает ReK = 2320, следовательно, режим движения в трубе первоначально будет турбулентным. Однако турбулентный режим сохранится в течение не всего процесса полива растений, а лишь за тот промежуток времени, пока вода (или питательная смесь) не преодолеет расстояние, равное длине линии полива {L = 40 м). Тогда продолжительность турбулентного режима определится из уравнения; = /,/,9 = 40/1,0 = 40 с, в то время как продолжительность полива (t„) составляет, соответственно, 9000...57 с, при диаметрах выливных (расходных отверстий do) 0,5...2,0 мм, в частности, при d0= 0,5 мм, t„= 900 с; do = 1,0 мм, tn= 227 с, do = 1,5 мм, /„=100 с; do = 2,0 мм, tn= 57 с. Данные показатели позволяют констатировать, что турбулентный режим следует учитывать при d0= 1,5 и 2,0 мм. При диаметре, например, выливного отверстия do = 1 мм поливная система будет функционировать в течении tc = tnm= 227 - 40 = 187 с полностью заполненной трубой объемом воды VK= 19,62 л (раздел 2.3), тогда расход воды в системе составит:
Зависимость производительности истечения воды из выливных отверстий от длины трассы и диаметра труб, уклона трассы
Принцип работы и устройство экспериментальной установки приведены в разделе 3. Трубы для полива и подкормки растений были выбраны с учетом предполагаемых и существующих агротехнических требований с внутренними диаметрами 40 и 25 мм, материал трубы - полиэтилен. Длина трубы L = 40 м, высота жидкости (вода или питательная смесь) в емкости Н= 1 м (Приложение 1). Вариант 1. В трубе отсутствует пружина. Уклон / = 0,00775. Вместимость емкости G = 100 литров. Слив осуществляется при переменном напоре (сливается из емкости). Установлено, что продолжительность преодоления водой расстояния в 40 м при диаметре кожуха 40 мм составляет в среднем t4a - 28,6 с, осевая скорость при этом составляет $мэ = 1,398 м/с. Соответственно, при Д. = 25 мм, t2s = 30,6 с, и &мэ = 1,307 м/с, то есть, при DK = 40 мм вода имеет скорость перемещения больше, чем при DK = 25 мм, на 7%, отличается от теоретической осевой скорости (раздел 2.3.3) слива жидкости непосредственно из емкости при отверстиях с насадкой {&2Т =U1 м/с) на 18%, или ЭМЭ ЭМГ, что связано с наличием уклона / = 0,00775 {к = Ъ\ см). При истечении под переменным напором (/ = 0,00775) в конце трубы ёмкость в g = 10 л наполняется в среднем за t3 = 29,Ъ с, пропускная способность трубы при этом составляет (2 = 40 мм): гэ = 3600-g / 7э = 1230л/ч = 20,5л /мин. Уклон трассы определяли из уравнения: / = ДА/І = 0,31/40 = 0,00775, осевую скорость движения воды, соответственно, из уравнения: %) =L//40= 40/28,6 = 1,398л/с, ,925 =L//25 = 40/30,6 = 1,307JM/C. Вариант 2. Пружина в трубе (кожухе) отсутствует. Уклон і = 0,00775. Длина L = 40 м, ёмкость G = 100 л, напор Н= 1 м переменный. В трубе (кожухе) были просверлены отверстия диаметром d0 = 1,0; 1,5; 2,0; и 2,5 мм, на расстоянии L = 0 м; L = 20 м и L = 40 м. Вместимость микроёмкостей g = 200 г. Результаты измерений времени (продолжительности) наполнения микроёмкостей приведены в приложении 19, на рисунках 4.1, 4.2 и в таблицах 4.1 и 4.2. Таблица 4.1 - Зависимость продолжительности наполнения (секунды) ёмкости в 200 г от диаметра труб и выливных отверстий. Уклон / = 0,00775, напор Н= 1 м. Вода Диаметры отверстийdQ, мм 1 = 0м 1 = 20м 1 = 40м t, с Диаметры труб DK, мм 40 25 40 25 40 1,0 89,6 69,6 70,6 65,6 66,6 47,8 1,5 42,6 40,0 40,6 34,6 36,6 32,6 2,0 30,6 19,0 25,6 14,6 18,6 12,6 2,5 18,0 15,0 14,0 12,0 10,6 10,3 ИТОГО 181,8 143,6 150,8 126,8 132,4 103,3 В среднем 40,5 36,1 37,7 31,8 33,2 26,1 Значения пропускных способностей выливных отверстий в зависимости от диаметра (Dk) подводящей трубы, длины трубы (L) и диаметра отверстий (d0) приведены в таблице 4.2 и на рисунке 4.3 (/ = 0,00775). Таблица 4.2 - Зависимость производительности истечения (i = 0,00775) из отверстий в трубе от диаметров отверстий и длины пути движения do, мм 1 = 0,м L = 20, м L = 40,м ЯІ , г/с DK, мм 25 40 25 40 25 1,0 2,87 2,13 3,05 2,83 4,18 3,00 1,5 5,00 4,70 5,76 4,92 6,12 5,50 2,0 10,50 6,52 13,7 7,85 15,80 10,75 2,5 13,30 11,10 16,60 14,30 19,40 18,80 2,5:1 4,60 5,20 5,42 5,05 4,66 6,28 L, м Рисунок 4.1 - Зависимость продолжительности наполнения ёмкости G =200 г от длины трассы L и диаметра вьшивньк отверстий do (уклон / = 0,00775). Напор Н = 1 м. Диаметр трубы D = 25 мм t,c 60 50 40 - -d0 = 1,0MM z d0 — 1 мм —г ,d„ = 2.0 мм / d0 = 2,5 мм L, M Рисунок 4.2 - Зависимость продолжительности наполнения ёмкости G =200 г от длины трассы L и диаметра выливных отверстий do (уклон / = 0,00775). Напор #= 1 м. Диаметр трубы D = 40 мм (d0 = 0,5 мм; tc = 440.. .360 с) 20 -At =40 мм -x-At=25 мм L, м Рисунок 4.3 - Зависимость производительности истечения от длины трассы и диаметра вьшивных отверстий (do). Уклон /" = 0,00775. Напор Н= 1 м (переменный). Труба - кожух полиэтиленовый (Dk = 25 мм и 40 мм) Установлено, что при диаметре выливных отверстий do = 0,5 мм емкость G = 200 г наполняется в среднем за t3 = 400 с, т. е. производительность составляет: 40,5 = G0,5 / э = 200/400 = 0,5г/с = 1,8кг/ч. Анализ таблицы 4.2 и рисунка 4.3 показывает, что количество вы лившейся из отверстий жидкости увеличивается с увеличением трассы пе ремещения от 0 до 40 м (уклон і = 0,00775): Dk = 40 мм, - do = 1,0 мм от 2,87 до 4,18 г/с, в 1,45 раза - do= 1,5 мм от 5,00 до 6,12 г/с, в 1,22 раза - do- 2,0 мм от 10,50 до 15,8 г/с, в 1,50 раза - d0= 2,5 мм от 13,30 до 19,40 г/с в 1,46 раза Д = 25мм, - а?0= 1,0 мм от 2,13 до 3,00 г/с, в 1,41 раза - d0 = 1,5 мм от 4,70 до 5,50 г/с, в 1,17 раза - do= 2,0 мм от 6,25 до 10,75 г/с, в 1,72 раза - do- 2,5 мм от 11,10 до 18,80 г/с в 1,70 раза В среднем для четырех случаев (do = 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 мм) с увеличением длины трассы от 0 до 40 м расход жидкости увеличивается (уклон 0,00775) в 1,4 раза (Dk = 40 мм) и в 1,5 раза (Dk = 25 мм). Увеличение расхода на выходе из отверстия в конце трассы происходит за счет дополнительного напора в 0,31 м при первоначальном напоре в 1 м.
Давление, создаваемое в трубе вращающейся пружиной
Экспериментальные исследования для выявления картины создаваемого вращающейся пружиной давления были проведены на установках длиной L = 10,6 и 15,5 м. При варианте 1 (L = 10,6 м) использовали жидкое удобрение с плот-ностью р = 1380 кг/м и кинематической вязкостью v = 25,26-10" м /с. Рабочие пружины: -№1. D =36MM, d„ = 35 мм, S =25 мм, 3 = 4,75 мм; - №2. Dk =36 мм, dn = 25 мм, S = 25 мм, 3 = 3 мм. Результаты исследований приведены в таблице 4.6, и на рисунках 4.13, 4.14 и в приложении 21. по Таблица 4.6 - Зависимость давления (напора) от параметров рабочего органа, частоты вращения пружины и длины трубы. Напор Н0 = 0,1 м Частотавращения п, мин"1 Давление (напор), кПа 1=0,1м №1 и №2 L = 5,6 м L = 10,6 м dn=35, 3=4,75 d„=25, 5=3 dn=35, 3=4,75 dn=25, 6=3 300 9,7 11,0 10,7 12,1 11,4 400 9,7 11,8 11,1 13,2 12,1 500 9,7 12,8 12,0 14,4 13,5 600 9,7 13,8 12,5 15,9 14,5 700 9,7 14,1 13,6 18,9 16,4 1000 9,7 17,5 16,8 24,0 21,6 1100 9,7 19,3 17,1 27,1 24,1 1300 9,7 23,4 — 33,4 — 1500 9,7 28,1 — 41,1 — 1700 9,7 33,0 — 50,1 — 1900 9,7 39,0 — 63,9 — 2200 9,7 44,1 — 69,4 — Анализ таблицы 4.6 показывает, что давление (напор), создаваемое на расстоянии 0,1 м от подающей емкости для обоих вариантов пружин (№ 1 и № 2) одинаково. Увеличение частоты вращения пружины при L = 5,6 м от 300 до 2200 мин"1 (в 7,35 раза) увеличивает напор с 11 до 44,1 кПа (в 4 раза), а при увеличении п от 300 до 1100 мин"1 (в 3,78 раза) напор увеличивается от 11 до 19,3 кПа (в 1,75 раза), то есть наблюдается пропорциональность: 7,35:4 = 1,84, или 3,78:1,75 = 2,16. Для пружины №2 (d„ = 25 мм, 3 = 3 мм) увеличение частоты вращения от 300 до 1100 мин"1 ведет к увеличению напора от 10,7 до 17,1 кПа, то есть в 1,6 раза (в случае пружины №1 в 1,75 раза). Уменьшение диаметра пружины в 35/25 = 1,4 раза и диаметра проволоки в 4,75/3 = 1,58 раза ведет к уменьшению напора в трубе на 3... 11% (в среднем на 6,1%). Ill Увеличение длины перемещения жидкости (трубы) ведет к росту создаваемого пружиной давления (напора) от 12,1 до 69,4 кПа (пружина №1) L = 10,6 м, частота вращения 300...2200 мин"1, или давление растёт в 69,4/12,1 = 5,72 раза, частота вращения в 2200/300 = 7,35 раза, соответственно, для пружины №2 давление увеличивается в 24,1/11,4 = 2,12 раза, частота вращения в 1100/300 = 3,67 раза. Уменьшение диаметра пружины в 1,4 раза, диаметра проволоки в 1,58 раза ведет к уменьшению давления в трубе (L = 10,6 м) в среднем на 9,3% (6... 11,2%), а при L = 5,6 м, соответственно, в среднем на 6,3% (3... 11,3%). Если при L = 5,6 м пружина №1 создает давление (п = 300... 1100 мин"1) от 11 до 44,1 кПа, то при L = 10,6 м, соответственно, от 12,1 до 69,4 кПа. Для случая пружины №2, при L 5,6 м (w = 300... 1100 мин" ) давление увеличивается от 10,7 до 17,1 кПа, а при L = 10,6 м от 11,4 до 24,1 кПа. 300 400 500 600 700 1000 1100 1300 1500 1700 1900 2200 п. мин -і Рисунок 4.13 - Зависимость создаваемого пружиной давления (напора) от частоты вращения пружины и длины трассы. Пружина №1 (D =36 мм, d„ = 35 мм, S = 25 мм, S = 4,75 мм). Пружина №2 (Dk =36 мм, d„ = 25 мм, S = 25 мм, S - 3 мм). Плотность жидкого удобрения 1380 кг/м . Начальный напор Но = 0,1 м 112 Анализ рисунка 4.13 показывает, что при частотах вращения (n = 300...2200 мин"1) с увеличением длины трассы перемещения давление в трубе возрастает от 11 до 44,1 кПа (L = 5,6 м, пружина №1), до 12,1 ...69,4 кПа (L = 10,6 м), соответственно, при (я = 300...1100 мин"1), L = 5,6 м, (пружина №2), давление увеличивается от 10,7 до 17,1 кПа, и при L = 10,6 м от 11,6 до 24,1 кПа. уТМсЧаСТСЯ прЯмиприішрЦйОНалЬНЬЇй рисі давления а іруис чу п увеличении частоты вращения пружины и длины трассы перемещения. При варианте 2 (L = 15,5 м) использовали жидкие удобрения плот-ностью р = 1370 кг/м , с кинематической вязкостью v = 14,1-10" м /с с набором пружин: п, мин Р, кПа Рисунок 4.14 - Зависимость напора в трубе Р от я и Z, при J„ = 35, 5= 4,75 мм, плотность жидкости /7=1380 кг/см Уравнение взаимосвязи: Р = - 0,026 + 1,187 L + 4,326 L2 - 0,026 и - 1,06 -10 5 п2 + 2 I п - №1. Dj = 40 мм, Й?„ = 32 мм, S = 22 мм, 5 = 4 мм; - №2. Dk = 40 мм, d„ = 25 мм, S = 25 мм, = 3 мм; -№3. Д = 50мм, Й?„ = 42ММ, S = 43 мм, 5 = 8мм; - №4. Dk = 50 мм, dn = 32 мм, S = 22 мм, (5 = 4 мм. 113 При этом частоты вращения были приняты: 0, 190, 300, 420 и 770 мин"1 и расход жидкости измеряется в двух вариантах: - транзитный, когда выходной конец трубы не был заглушён; - тупиковый, когда выходной конец трубы был заглушён. В обоих вариантах измеряли пропускную способность выливных отверстий с диаметрами d0 = 2,5; 3,3 и 4,2 мм. Измерения проводили на расстоянии L = 0,1; 7,25 и 15,5 м от питающей емкости с напором жидкости #о = 0,1 м. Результаты определения давления показали, что при транзитном расходе в трубе давление (напор) не создается, а результаты измерения давления в конце трубы при тупиковом расходе приведены в таблице 4.7 и на рисунке
