Введение к работе
Актуальность темы. Агропромышленный комплекс России - крупнейший потребитель водных ресурсов. Более 70 % всей питьевой воды, потребляемой в сельском хозяйстве, приходится на животноводческие предприятия и фермерские хозяйства.
Как известно, потребление сельскохозяйственными животными воды, удовлетворяющей существующим нормам и требованиям, - одно из важнейших условий сохранения здорового поголовья и основа получения высокой продуктивности. Для приведения воды поверхностных и подземных источников в соответствие действующим требованиям в сельском хозяйстве применяют различные способы и технические средства обработки воды.
Среди всех способов обработки воды очистка и обеззараживание являются основными. Применяемые в настоящее время на животноводческих комплексах установки для водоподготовкп не всегда обеспечивают требуемое санитарными правилами и нормами качество воды. Кроме этого, большинство установок являются узкоспециализированными, что приводит к конструктивному усложнению технологической линии водоподготовкп животноводческих предприятий, и, как следствие, удорожанию её технического обслуживания, так как пропорционально увеличению числа ступеней очистки и обеззараживания возрастает число соединительных трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, а также количество обслуживающего персонала. В устройствах иностранного производства более низкие показатели затрат на техническое обслуживание достигаются, преимущественно, за счет применения систем автоматического управления и регулирования процессом улучшения качества воды. При этом применяемые способы очистки и обеззараживания воды, а также установки для их реализации, качественно не отличаются от аналогичных устройств российского производства.
Водная стратегия агропромышленного комплекса Российской Федерации па период до 2020 года предусматривает создание и внедрение инновационных технологий водоподготовкп, очистки водопроводных, сточных и коллекторно-дренажных вод. Реализация этой стратегии возможна благодаря разработке и внедрению в производство современных технологий очистки и обеззараживания воды и средств для их реализации.
Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина» на 2011-2015 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (государственный регистрационный номер -01201157951).
Степень разработанности темы. Несмотря на большое количество научных работ, посвященных различным аспектам очистки и обеззараживания воды в сельском хозяйстве, задача совершенствования этих технологий и технических средств для их реализации остается не решенной.
Таким образом, задача создания высокоэффективных, универсальных и экологически безопасных технических средств обработки воды, предназначенных для животноводческих комплексов и фермерских хозяйств, является актуальной, важной и имеющей существенное значение для развития страны.
Цель работы. Повышение эффективности подготовки воды сельскохозяйственных предприятий путём разработки конструкции устройства для очистки и обеззараживания воды с обоснованием его параметров и режимов работы.
Объект исследования. Технологический процесс обработки воды, включающий ее очистку и обеззараживание.
Предмет исследования. Технологические параметры процесса обработки воды (очистки и обеззараживания) и конструктивно-режимные параметры устройства для реализации этого процесса.
Научная новизна работы:
разработана математическая модель движения потока обрабатываемой воды в устройстве для очистки и обеззараживания воды.
разработаны математические модели процесса очистки воды в поле центробежных сил и фильтрования в пористой среде с учетом размеров, массы частиц загрязнения и параметров фильтрующих элементов.
получены аналитические зависимости для определения пропускной способности и потребной мощности устройства для очистки и обеззараживания воды.
обоснованы рациональные конструктивные параметры и режимы работы, разработана конструкция устройства для очистки и обеззараживания воды, новизна технических решений которого подтверждена патентами Российской Федерации на изобретения № 2465211, № 2465212, № 2443634 и полезную модель № 104546.
Теоретическая и практическая значимость. Разработанные математические модели позволяют обосновать основные конструктивные параметры и режимы работы устройств для очистки и обеззараживания воды животноводческих комплексов и фермерских хозяйств. Разработанное устройство для очистки и обеззараживания воды может применяться в составе линий водоподготовки животноводческих комплексов и ферм при централизованном водоснабжении, а также в системах поения сельскохозяйственных животных относительно небольших предприятий с автономным водоснабжением.
Использование устройства предложенной конструкции позволяет получить воду, качество которой по физико-химическим и санитарно-микробиологическим показателям удовлетворяет требованиям действующих правил и норм. При использовании устройства годовой экономический эффект составляет: в режиме очистки воды - 0,5 руб./м3, в режиме обеззараживания - 13,97 руб./м3. Прогнозируемая экономическая эффективность, приходящаяся на 1 кг прироста живой массы, составляет 4,54 рубля.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования проведены с применением методов системного анализа и синтеза, вычислительной гидродинамики (в частности, метода конечных элементов), а также основных положений теории разделения суспензий, механики жидкости, теории физической и геометрической оптики, сопротивления материалов, гидравлики и математики. Лабораторные и производственные исследования проводили в соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами, методическими указаниями и рекомендациями, а также с применением частных методик. При оценке данных, полученных в ходе экспериментов, применяли теорию ошибок и методы математической статистики. При обработке данных, полученных в ходе
полного факторного эксперимента, применяли методы математической статистики и теории ошибок. Для этого использовали программный пакет статистического анализа Statistica 6.0, программу для работы с электронными таблицами Microsoft Office Excel 2007 и пакет компьютерной алгебры Derive 6.10.
Реализация результатов исследований. Устройство для очистки и обеззараживания воды было исследовано в условиях свиноводческого предприятия с законченным производственным циклом Общество с ограниченной ответственностью «Агрофирма «Агро-Инвест» Кузоватовского района Ульяновской области. По результатам исследований было принято решение о внедрении устройства в систему поения откормочного молодняка свиней.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные научные положения диссертационной работы, доложены, обсуждены и одобрены на: III Международной научно-практической конференции "Молодежь и наука XXI века" (Ульяновская ГСХА, 2010 г.), III Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Московский ГСУ, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Агропромышленный комплекс: контуры будущего» (Курская ГСХА, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Научные исследования - основа модернизации сельскохозяйственного производства» (Тюменская ГСХА, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» (Мордовский ГУ им. Н.П. Огарева, 2011 г.), LI Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (Челябинская ГАА, 2012 г.), Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века-знания молодых» (Вятская ГСХА, 2012 г.), XI Международном научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Орловский ГАУ, 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Аграрная наука: современные проблемы и перспективы развития» (Дагестанский ГАУ им. М.М. Джамбулатова), Международной научной конференции студентов н молодых ученых (на иностранных языках) «Молодежь и наука» (Башкирский ГАУ, 2012 г.).
Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано 22 научные работы, в том числе 1 патент РФ на полезную модель и 3 патента на изобретение, 1 работа - в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 5,8 п.л., из них автору принадлежит 3,2 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 194 наименований и приложения. Основной текст изложен на 179 с, содержит 46 рисунков и 26 таблиц.
