Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследований 9
1.1 Проблемы оросительной трубопроводной сети в современных условиях 9
1.1.2 Мобильные оросительные системы и перспективы их применения 14
1.2 Особенности применения мобильного оросительного оборудования при циклическом орошении 16
1.2.1 Опыт применения мобильной оросительной техники 22
1.3 Оросительная техника и сборно-разборные трубопроводы используемые в настоящее время 33
1.4 Разъемные соединения в быстросборных трубопроводах 42
Выводы по главе 53
2. Теоретическое обоснование рациональных параметров мобильной оросительной сети 54
2.1 Выбор оптимального материала для сборно-разборной трубопроводной сети 54
2.2 Определение оптимальных параметров дождевальных установок с разборными трубопроводами 56
2.2.1 Вывод формул приведенных затрат дождевальной установки
с разборными трубопроводами 58
2.2.2 Обоснование выбора схем расположения разборных
трубопроводов 68
Выводы по главе 76
3. Программа и методика экспериментальных исследований 77
3.1 Программа испытаний, схема лабораторной установки перечень необходимого оборудования 77
3.2 Методика исследований местных сопротивлений 79
3.3 Оценка точности результатов экспериментальных наблюдений 81
4. Результаты экспериментальных данных и принцип компоновки мобильных оросительных систем 82
4.1 Результаты экспериментальных исследований 82
4.2 Применение метода анализа размерностей при нахождении коэффициента потерь 86
4.3 Обоснование выбора дождевальной техники для использования в составе мобильной оросительной системы 88
4.4 Проектирование мобильной оросительной системы на основе модульного принципа 99
4.5 Конструктивный модуль сборно-разборной трубопроводной сети 107
5. Расчет экономического эффекта 111
5.1 Основные расчетные формулы 111
5.2 Состав исходных данных 112
Общие выводы 118
Список использованных источников 119
Приложения 128
- Особенности применения мобильного оросительного оборудования при циклическом орошении
- Оросительная техника и сборно-разборные трубопроводы используемые в настоящее время
- Определение оптимальных параметров дождевальных установок с разборными трубопроводами
- Методика исследований местных сопротивлений
Введение к работе
Исследования изменений климата за период с 1881 по 2000 год показали отчетливый рост температуры в последние 2-3 десятилетия в подавляющем числе месяцев и года в целом. Анализ числа засушливых экстремальных явлений (Р 50%) показал их увеличение за последние несколько десятилетий (1951-1991 гг) по сравнению с периодом с 1891 по 1950г. В результате неблагоприятных погодных условий около 70 % потерь продукции в народном хозяйстве приходится на сельскохозяйственное производство, из них 40 % экспертами относится к потерям, которых можно избежать. Как установлено, урожайность культур на поливных землях в 3-4, а в годы острых засух в 5-10 раз выше, чем на неорошаемых. Затраты денежных средств на 1 центнер дополнительной продукции в 4-9 раз, а затраты труда 8-20 раз меньше соответствующих показателей при выращивании без орошения. [29,62]
В Российской Федерации основным способом орошения является дождевание. Дождевание по принципу воздействия на почву наиболее близко к естественному увлажнению.
Отечественный опыт использования в зонах орошаемого земледелия многоопорных широкозахватных дождевальных машин фронтального и кругового перемещения, работающих от закрытой оросительной сети, подтвердил, что в комплексе с другими мелиоративными материалами можно обеспечить гарантированное и устойчивое производство растениеводческой продукции. При этом на таких системах обеспечивается наиболее правильный режим полива и сохранение плодородия почв. Однако этот опыт их строительства и эксплуатации выявил и некоторые производственные трудноустранимые недостатки. Прежде всего, создание таких систем часто сопровождается нарушением ландшафта местности. Наличие открытых подводящих земляных каналов (с целью снижения общей стоимости) не исключает потери воды на испарение и фильтрацию, создает угрозу осолонцевания и засоления. Стационарные насосные станции с огромной массой водоподачи увеличивают финансовые и материальные затраты [30,63,64].
Экономические реформы девяностых годов прошлого века нанесли существенный урон всему орошаемому земледелию России. Площади орошения сократились с 8,5 до 2,8-2,5 млн га и составляют не более 3 % всех сельскохозяйственных угодий, хотя во многих регионах недостатка в водных ресурсах нет. Так с 1990 г. парк дождевальных машин сократился с 80217 до 23167 единиц в 2003 г. Вышли из строя или изношены до 75-80 % многие крупные насосные станции, повреждены трубопроводы закрытых систем [104].
Учитывая большой срок окупаемости крупномасштабных оросительных систем, следует считать их строительство (или даже реконструкцию) в ближайшие 10-15 лет маловероятным. Наиболее реальным может быть создание и широкое применение полустационарно-мобильных оросительных систем, способных обеспечить цикличное орошение локальных участков, расположенных вблизи водоисточников. Наиболее перспективным решением в этом направлении может стать применение оросительных комплектов, состоящих из быстроразборных трубопроводов, располагаемых на поверхности поля, передвижных насосных станций и набора различной дождевальной тех- ники[102].
Наличие таких комплектов в хозяйстве позволяет оперативно решить вопрос орошения необходимого участка при значительной экономии средств на проектные и строительные работы. Появляется возможность переброски комплекта мобильной оросительной сети с одного поля на другое даже в поливной период, либо использовать на одном месте потребное число лет.
Полустационарно-мобильные оросительные системы в ряде случаев имеют преимущество перед стационарными. Применение их позволяет ускорить и упростить организацию орошения сельскохозяйственных культур, дает возможность сложный процесс строительства постоянных оросительных сооружений с дорогостоящими проектно-изыскательскими работами заменить сборкой на месте изготовленного на заводе комплекта оборудования, сократить капиталовложения в пересчете на гектар орошаемой площади. Устройство мобильных оросительных систем может осуществляться силами самих хозяйств при консультации специалистов. Кроме того, мобильная оросительная система не привязана к одному орошаемому участку и может перемещаться по орошаемым массивам в зависимости от фактической потребности в поливах.
Таким образом, целью работы является повышение эффективности существующих мобильных оросительных систем путем обоснования рациональных параметров разборных трубопроводов и применения современных методов компоновки системы.
Для выполнения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
-провести анализ состояния закрытых и мобильных трубопроводных сетей эксплуатируемых на оросительных системах;
-обосновать выбор параметров разборных трубопроводов с дождевальными установками на основании установленных зависимостей приведенных затрат;
-обосновать рациональные схемы расположения разборных трубопроводов в дождевальных установках;
-провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик полимерного трубопровода с различными соединительными узлами;
-разработать блок-схемы формирования мобильной оросительной системы на основе блочно-модульного принципа компоновки с обоснованием выбора дождевальной техники;
-дать технико-экономическую оценку мобильной оросительной системы.
Научная новизна заключается в следующем:
- обоснованы рациональные схемы расположения разборных трубопроводов с дождевальными установками и определены условия их применения;
- установлена зависимость приведенных затрат разборных трубопроводов с дождевальными установками от радиуса дождевального аппарата;
- установлены расчетные зависимости для определения коэффициента местного сопротивления при фланцевом и муфтовом соединении полиэтиленового трубопровода;
- на основании модульного принципа разработаны блок схемы компоновки мобильных оросительных систем и на основании предложенных схем выделены основные типы и типоразмеры составляющих дождевального модуля.
Основные положения, выносимые на защиту:
- зависимость приведенных затрат дождевальных установок с разборными трубопроводами от радиуса дождевального аппарата;
- рациональные схемы расположения разборных трубопроводов и условия их применения;
- уточненные расчетные зависимости для определения коэффициента местного сопротивления в полиэтиленовом трубопроводе;
- разработанные блок-схемы мобильных оросительных систем на основе блочно-модульного принципа компоновки.
Методика исследований предусматривает разработку теоретических предпосылок, их экспериментальную проверку в лабораторных полевых условиях. Теоретические исследования проводились на основе известных законов и методов математического анализа. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и частными методиками. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением ЭВМ.
Достоверность результатов подтверждается:
- большим объемом экспериментальных исследований, полученных в результате лабораторных исследований выполненных с применением апробированных современных методик;
- достаточным объемом расчетных данных и тесной корреляционной связью в полученных зависимостях и уравнениях;
- применением стандартных методов математического анализа.
Практическая значимость работы: использование полученных результатов возможно при проектировании и эксплуатации оросительной трубопроводной сети, а также в научных целях при обосновании циклического орошения и усовершенствовании конструктивных элементов трубопроводной сети. На базе экспериментальных данных и математических выкладок получены зависимости, которые могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих разборных трубопроводов.
Реализация результатов исследований:
В 2006 году в хозяйствах ООО «Агросфера» Азовского района и СПК «Горизонт» Мартыновского района Ростовской области были внедрены рекомендации по технологии применения мобильных оросительных комплексов.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях, проводимых в ФГНУ «РосНИИПМ» (Новочеркасск, 2003-2006 гг.), ФГОУ ВПО «Новочеркасской Государственной Мелиоративной Академии (Новочеркасск, 2005г.), на расширенном заседании отдела гидротехнических сооружений и гидравлики ФГНУ «РосНИИПМ» (2007 г.), а так же на межкафедральном семинаре ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (Саратов 2007 г.). По результатам исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 в перечне журналов и изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией. Общий объем публикаций составляет 1,81 печ. л., из них лично соискателя -1,4.
Особенности применения мобильного оросительного оборудования при циклическом орошении
До 90-х годов прошлого века орошаемые земли играли все возрастающую роль в увеличении площадей интенсивных севооборотов. Вопросы поддержания и охраны природного комплекса решались формально. В результате накопилось немало проблем, таких как низкий технический уровень мелиоративных систем и объектов, подъем грунтовых вод, засоление, водная эрозия. Высокая степень освоенности орошаемых земель и чрезмерные антропогенные нагрузки привели к тому, что орошаемые земли стали, зоной имеющей наибольшую долю прогрессирующих негативных процессов. Достижение высоких и устойчивых результатов в сельскохозяйственном производстве в значительной степени зависит от сложившейся в данное время экологической ситуации, от наличия и степени рациональности использования земельных и водных ресурсов. Нео бходима защита непосредственных результатов мелиоративной деятельности от негативных последствий изменения среды и других побочных явлений, снижающих положительный эффект. Повышение эффективного использования земельных ресурсов должно проводится путем внедрения новых, оптимизированных ресурсосберегающих технологий орошения, адаптированности мелиоративных систем для агро- ландшафта.
Такому эколого-экономическому подходу, с учетом сельскохозяйственных зон, отвечает принцип циклического орошения сельскохозяйственных культур в севооборотах, когда после получения запланированного на ряд лет экономического эффекта, и одновременного ухудшения воднофизиче- ских свойств почвы, участок оставляют под богарное земледелие на срок, необходимый для восстановления уровня грунтовых вод и выноса биологическим дренажом солей, внесенных с оросительной водой [6,33,54,97]. Циклическое орошение может осуществляется как за счет стационарных оросительных систем, так и за счет полустационарно-мобильных. Основные положения оптимального использования технологий циклического орошения изложенные такими ученными как Шумаков Б.Б., Бобченко В.И., Щедрин В.Н. следующие [7,9,17,18,102]: - орошение должно производиться там, где оно экономически целесообразно и экологически безопасно; - технология циклического орошения не должна за счет искусственного орошения менять благоприятный водный и солевой режимы, особенности которых предопределили формирование конкретной почвы; - рекомендуемая площадь полива оросительной системой должна соответствовать площади орошаемого участка; - применение при орошении экологически однотипных территорий, на которых находятся овощные, кормовые, зерно-кормовые севообороты или отдельные поля крестьянских, фермерских хозяйств, арендные участки сезонных бригад. Циклическое орошение на основе мобильных оросительных систем позволит в ряде случаев избежать необходимости в устройстве дренажа, если в богарный период выращивать культуры, обладающие хорошей биологической способностью дренажа (люцерна, озимая пшеница и т.д.) [5,25,40,96]. Распространение циклического орошения с помощью мобильных оросительных систем на осолонцованные почвы создает новые технологические возможности для мелиорации солонцов и повышения продуктивности их использования. В России площади осолонцованных земель превышают 23 млн га. На землях, где доля солонцов в комплексах достигает 50 % и более, невозможно эффективное земледелие. Такие площади, в лучшем случае, используются под выгоны и выпасы, продуктивность 1 га которых обычно менее 250 к.е.[8,26,27,44]. Известные способы мелиорации солонцов основаны на замещении в почве поглощенного натрия кальцием. Однако эти способы без хотя бы разовой подачи воды на поля малоэффективны: процессы мелиорации затягиваются на несколько лет, достаточно полного замещения поглощенного натрия на кальций не достигается. С помощью мобильных оросительных систем так же можно достичь решения этой проблемы.
Эффект мелиорации солонцов на основе применяемой в богарном земледелии ярусной вспашки, биологического и других способов можно резко повысить с помощью поливов, в том числе путем использования дождевания для внесения гипса в растворе [97, 98]. При этом продолжительность процесса удаления поглощенного натрия из солонца сокращается с нескольких сезонов до нескольких недель. Циклы орошения с использованием мобильных оросительных систем существенно повысят эффективность использования удобрений, фитомелио- рации, ускоренного коренного окультуривания почв, включая технологию послойного внесения органики и мелиорантов [75,83,101,108]. Соединение орошаемого и богарного земледелия на основе применения передвижного цикличного орошения с помощью мобильного оросительного оборудования в степной зоне (на местном стоке и на базе существующих об- воднительно-оросительных каналов) позволит, например, в 2 - 3 раза повысить урожай люцерны, кукурузы, сахарной и кормовой свеклы; при соответствующем сочетании посевов этих культур последовательно во времени с неорошаемыми достаточно продуктивными озимыми зерновыми обеспечит нужное биологическое дренирование, высокий экономический эффект орошаемых земель, так же позволит эффективнее осуществлять мелиорацию солонцов, эффективнее использовать удобрения. Периодическое орошение с применением мобильных оросительных систем открывает широкие перспективы для увеличения продуктивности сельскохозяйственного производства при небольших капитальных затратах. В настоящее время применение мобильного оросительного оборудования для полива сельскохозяйственных культур целесообразно, прежде всего, в зоне неустойчивого увлажнения, где потребность в орошении возникает в течение сравнительно непродолжительного срока, и строительство стационарных оросительных систем в этих районах экономически необоснованно. Кроме этого в степной и лесостепной зонах, нечерноземной полосе, горных и предгорных районах, а также в поймах рек имеется очень много небольших участков площадью от нескольких десятков до сотни гектаров. Несмотря на небольшую площадь таких участков (25-30 га), они являются крупным резервом в развитии орошаемого земледелия и обеспечения населения продовольствием, а животноводства кормами, так как их общая площадь в целом по стране составляет несколько миллионов гектаров.
Освоение малых участков обычно не требует больших капитальных вложений. Экономически наиболее выгодно орошать их с применением дождевальных и поливных машин, разборных трубопроводов, передвижных насосных станций и другого оборудования, поставляемого хозяйствам комплектно [50,69,100]. Применение быстросборного оросительного оборудования особенно эффективно в сложных геологических и гидрогеологических условиях (обильный приток грунтовых вод, наличие плывунных песков, затопление территории талыми водами и т.д.). При строительстве оросительных систем стационарного типа в этих условиях приходится преодолевать большие трудности, связанные с возведением фундаментов насосных станций и других гидротехнических сооружений. В настоящее время в сложных условиях переходного периода мобильное оросительное оборудование позволит развивать в зоне неустойчивого увлажнения формы передвижного выборочного и гидроцикличного орошения с использованием местного стока, сочетая орошаемое и богарное земледелие. [32,99,103]. Для высокопродуктивного использования передвижного циклического орошения с помощью мобильного оросительного оборудования необходимо соблюдать следующие принципиальные требования, одновременно осуществляя на малоплодородных почвах дополнительные агромелиоративные мероприятия.
При недостаточном естественном увлажнении почвы целесообразно ее промачивать перед обработками, применяя передвижное дождевание для лучшего крошения, повышения эффективности действия химмелиорантов и активизации биологических процессов[13,73]. В зоне неустойчивого и недостаточного увлажнения, в первую очередь в степной ее части, сочетание технологий орошаемого и богарного земледелия открывает широкие перспективы для увеличения продуктивности сельскохозяйственного производства при небольших капитальных затратах. Мобильное, цикличное орошение в большинстве случаев не требует строительства инженерных видов дренажа, коллекторной сети и приемников дренажного стока, позволяет сохранить или улучшить экологическую обстановку в масштабе ландшафтов. Многолетний отечественный опыт орошения черноземов свидетельствует о том, что существующие способы и режимы орошения, а так же обеспечивающие их технические средства не способствуют сохранению их природного плодородия, не говоря уже о том, чтобы восстановить или повышать его. Такая картина отмечается во всех экономических районах зон неустойчивого и недостаточного увлажнения (оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные, карбонатные черноземы), в которых коэффициент увлажнения находиться в пределах 0,4-0,7.
Считается установленным, что при орошении урожайность по сравнению с богарной увеличивается вдвое. Однако, регулярные ежегодные поливы завышенными и жесткими поливными нормами, без учета фактического дефицита влажности полей, строго по графику, дают и отрицательные последствия: подъем грунтовых вод, более длительное поддержание высокой влажности почвы существенно изменяют окислительно - востановительные процессы в щелочную сторону, ухудшается кальциевый режим, плохое качество искусственного дождя снижает количество агрономически ценных почвенных агрегатов, уменьшает их водопрочность, разрушает структуру, снижает влагоемкость и ухудшает аэрацию, увеличивает распыленность почвы, приводит к появлению глыби- стости, отмечается повышение плотности гумусового горизонта, ухудшение его качественного состава и т.д. С целью коренного улучшения мелиоративной обстановки на орошаемых массивах следует основательно изменить существующий подход к проектированию, строительству и эксплуатации новых и реконструируемых оросительных систем. Надо приблизить в максимально возможной степени водно - воздушный и тепловой режимы орошаемых участков к тем соответствующим природным режимам, которые существовали на этих участках до введения
Оросительная техника и сборно-разборные трубопроводы используемые в настоящее время
Наиболее распространенным способом полива в Российской федерации является дождевание, так, например, в Ростовской области им охвачено более 85 % всех орошаемых площадей. Дождевание более эффективно, чем самотечный полив: например, при поливе дождеванием прирост урожая по сравнению с поверхностным поливом составляет примерно на 10-15 % больше, а расход оросительной воды ниже на 50-60 % [9,23,52]. К достоинствам дождевания следует отнести равномерность полива, увлажнение приземного слоя воздуха, экономию оросительной воды, возможность орошения малыми нормами. К недостаткам относится следующее: значительная металлоемкость и энергоемкость по сравнению с самотечным поливом, потребность в специальных дождевальных машинах. Оборудование для механизации орошения можно классифицировать следующим образом: дождевальные установки, дождевальные машины, стационарные насосные станции, передвижные насосные станции, стационарные трубопроводы, разборные передвижные трубопроводы. Существует большое количество различных дождевальных машин, которые по принципу своей работы, а именно достаточно высокая мобильность, малая интенсивность дождя, небольшая металлоемкость и т.д., подходят под передвижное, циклическое орошение. Рассмотрим конструкции некоторых из них.
Дождевальные шлейфы ДШ25/300 и др. Получили большое распространение благодаря таким ученым как Метельский 3. И., Бредихин Н. П. и др. Характерной особенностью дождевальных шлейфов является принцип их перемещения в процессе полива. В отличие от традиционных способов - поперек оси проводящего трубопровода, т.е. «фронтом», или по кругу - дождевальные шлейфы двигаются по направлению продольной оси проводящего трубопровода. Этот процесс механизирован и осуществляется (без разборки машины на отдельные части) с помощью трактора - буксировщика. Особенно эффективно использование дождевальных шлейфов на узких и длинных пойменных участках, где неприменима другая широкозахватная техника. Главным достоинством дождевального шлейфа является очень низкая интенсивность дождя порядка 0,04-0,02 мм/мин. К основным узлам любого дождевального шлейфа относятся проводящий трубопровод, установленный на лыжи ползунки, карусельный дождеватель, закрепляемый на стабилизаторе поперечной устойчивости и шарнирное сочленение для подсоединения водоприемных муфт к гидранту подводящей сети. Дождевальные установки с разборными трубопроводами. В мировой практике для мобильного орошения широко распространены дождевальные установки с переносными трубопроводами.
Они состоят из отдельных труб, длинной обычно 5 или 6 м, соединенных между собой быстросборными муфтами. Такие дождевальные системы применяют при орошении небольших участков, в том числе сложной конфигурации. Они характеризуются тем, что все элементы системы в процессе полива могут перемещаться с позиции на позицию. Примером такой установки является дождевальная установка КИ- 50 (КИ-5, 10, 15, 25), которая включает в себя магистральный трубопровод, два распределительных и четыре дождевальных крыла со среднеструйными дождевальными аппаратами «Роса-3» и аналогами. Трубопровод разборный из труб различного диаметра (проходных, труб-гидрантов, рабочих). от 1 до 30 л/с и предназначены для полива сельскохозяйственных культур, выращиваемых на участках малой площади, в том числе неправильной конфигурации. Они состоят из шасси с барабаном, водопроводящего полиэтиленового шланга и салазок со струйным аппаратом. Главное достоинство таких аппаратов высокая степень автоматизации. В настоящее время большую популярность, несмотря на высокую стоимость, получили зарубежные дождевальные машины барабанного типа фирм «Bauen , «Inland». В отечественном производстве существуют экспериментальные экспериментальные образцы шланговых дождевателей («Агрос 32», «Агрос 75») с достаточно высокими качественными показателями. Принцип работы данных машин следующий: дождевальная машина сосотоящая из барабана с намотанным на него полиэтиленовым трубопроводом и дождевальной штангой или «пушкой», доставляется на поле с помощью трактора, после чего штанга или «пушка» с помощью трактора транспортируется на поле на длину полиэтиленового шланга (рис. 1.3 ). Вода подается от насосной станции, рабочее давление от 1,5 до 5,0 атм. Во время работы дождевальная машина по мере полива сама сматывает шланг. Достоинства машин данного типа: обслуживание одним человеком, низкая интенсивность осадков, незначительное потребление энергии, компактность и мобильность. К недостаткам относятся высокая стоимость комплекта, затрудненный ремонт. Как видно все перечисленные машины питаются от напорной сети. Бы- стросборное трубопроводное оборудование позволит существенно расширить рамки применения подобных машин, так как вопрос транспортировки воды является существенной проблемой, особенно для хозяйств с вышедшей из строя внутрихозяйственной сетью. В таких хозяйствах трубопроводы собираются из остатков широкозахватной техники или из тяжелых металлических труб, что требует привлечения дополнительной техники (если трубы не укладывают на длительный период) а, следовательно, дополнительных затрат. В дореформенный период на вооружении мелиоративной отрасли состояли специальные комплекты, включающие передвижную насосную станцию и набор трубопроводов как транспортирующей, так и разводящей сети, длина которых обеспечивала орошение участков площадью от 25 до 150 га. С т Основные характеристики передвижных комплектов поливного оборудования приведены в таблице 1.5 [1,39,55]. всех машин, применяемых ранее в специальных оросительных комплектах, на данное время выпускается только дождевальная машина ДЦА-100МА (ДДА-100ВХ), разборные трубопроводы из перечисленных выше на данное время не выпускаются. В сложившихся условиях единственным выходом для хозяйств является приобретение старой изношенной техники.
Поэтому встает острая необходимость в разработке комплектов мобильного оборудования для других дождевальных машин, освоенных и выпускаемых как отечественной так и зарубежной промышленностью в настоящее время. На рынке присутствуют несколько организаций предлагающих разборные трубопроводы. Ниже приведем технические характеристики разборных трубопроводов выпускаемых на данное время. Специалистами ФГУП НИИССВ «Прогресс» разработан и внедряется в практику строительства разборный трубопровод диаметром 160 мм из полиэтилена низкого давления (ПНД). Трубопровод предназначен для транспортирования сточной воды, животноводческих стоков и чистой воды от насосной станции на поливной участок к дождевальным машинам ДКШ-64 («Волжанка»), ДКН-80, ДЦН-70. Рельеф местности для раскладки трубопровода не должен иметь резко выраженные неровности. При необходимости возможна укладка трубопровода в траншею. Трубопровод монтируется на поверхности земли без всякой предварительной подготовки. Секции трубопровода соединяются между собой специальными разъемными хомутами. Конструкция соединения обеспечивает быструю сборку и надежную работу комплекта при рабочем давлении до 0,6 МПа. Для присоединения комплекта к дождевальной машине используются секции трубопровода с патрубком диаметром 110 мм, имеющим металлический стандартный фланец для крепления гидранта. Расстояние между гидрантами может варьироваться в зависимости от применяемой дождевальной техники и принимается кратным 9,0 м. При использовании трубопровода в качестве транспортирующего средства (например, при перекачке стоков в полевой накопитель) секции с патрубком для гидрантов не устанавливаются. Основные технические показатели по трубопроводу (условной длиной 990 м), составу комплектующих изделий и их числу представлены соответственно в разборный трубопровод РТ-200. Используется этот трубопровод во всех зонах орошаемого земледелия и предназначен для комплектования выпускаемых заводом передвижных электрифицированных и дизельных насосных станций, дождевальных машин и установок. Трубопровод выполнен в стальном исполнении с быстроразборным соединением типа РТ-180. Диаметр трубопровода 200 мм, длина трубы 6 метров. Уплотнение соединения обеспечивается резиновой манжетой. Но в данное время на заводе происходят процессы реформирования, которые не позволяют заказчикам рассчитывать на приобретение данных разборных трубопроводов. Широкий выбор разборных трубопроводов выполненных в различных исполнениях предоставлен такими компаниями как «Садовый Инженер», «Парк Сити», но главным недостатком в предложениях этих компаний является узкий спектр диаметров (представлены в основном до 110 мм) и достаточно высокая цена [46,77].
Наличие на рынке передвижных насосных станций, как с электрическим приводом, так и на жидком топливе практически не изменилось. Ассортимент передвижных насосных станций достаточно широко представлен и подбор силового оборудования для различной дождевальной техники не составит труда. Таким образом, с учетом существующих некоторых предложений рынка приведем компоненты мобильной оросительной сети, которые можно беспрепятственно приобрести на данное время рассчитанные характеристики приведем в таблице 1.8
Определение оптимальных параметров дождевальных установок с разборными трубопроводами
М - оросительная норма, м /га. При проектировании мобильных оросительных систем рассматриваемого типа параметры 1, 2,61,62 выбираются в некоторых допустимых пределах. Определив пределы этих параметров так, чтобы приведенные затраты на 1 га орошаемой площади были минимальными, получим оптимальные параметры мобильной оросительной системы с разборными переносными трубопроводами. При выборе оптимальных параметров, при условии минимума удельных приведенных затрат, будем учитывать следующие предпосылки: 1. На каждом поливном трубопроводе одновременно работает один дождевальный аппарат, т.е. расход поливного трубопровода равен расходу одного дождевального аппарата. Выбранная схема имеет приведенную длину трубопроводов на 1 га меньше, чем схема, где на одном поливном трубопроводе работает группа дождевальных аппаратов. 2. На оросительной сети одновременно действует только один распределительный трубопровод, который рассчитывается на полный расход сети, определяемый произведением площади орошаемого участка со на расчетную ординату гидромодуля g. 3. При нахождении оптимального варианта берется самый невыгодный случай, когда расчет дождевальной системы ведется для наиболее удаленной точки системы. 4. Нормативный срок окупаемости принимаем в соответствии с расчетами 3 года (с насосной станцией). Гидравлический расчет мобильной оросительной системы складывается из расчета параметров дождевального аппарата и расчета поливных и распределительных трубопроводов [3,4,49,56,87]. Для расчета дальности полета струи воспользуемся формулой Б.М. Лебедева: где й - диаметр сопла, мм. Формула действительна при а=28 - 32 и 800 — 4000. При отноше ы нии —=2400 получается дождь пригодный для орошения большинства культур сI (имеет малую интенсивность) [41,79,80,88,89].
Полагая в формуле (2.2) =2400, получим Соотношение —=2400 представим как Н0 = Я = 24(Ш. й При расстановке дождевальных аппаратов по углам квадрата максимальное расстояние между ними равно 1,4211. Однако при скорости ветра около 3 м/с расстояние между трубопроводами и гидрантами дождевальных аппаратов сокращается и принимается[41,70,74,86]. Из уравнений (2.3) и (2.4) следует, что Потери напора по длине в полиэтиленовых трубах при напорном режиме рассчитывали по формуле Дарси-Вейсбаха 2gd где X - коэффициент гидравлического трения; 1 - длина трубопровода, м; V - средняя скорость движения воды, м/с; 2 2 Я - ускорение свободного падения, диаметр трубопровода, м. Потери напора на единицу длины трубопровода (гидравлический уклон): Для пластмассовых труб потери напора на единицу длины трубопровода вычисляются по формуле [9]: Если не учитывать разницу геодезических отметок в начале и конце распределительного трубопровода, что вполне приемлемо для орошения в равнинных районах, формула (2.9) примет вид Потери напора по длине в распределительном трубопроводе определяем по формуле (2.9). Необходимый напор насосной станции складывается из напора в голове трубопровода, потерь напора и геодезической высоты подъема жидкости (hi=0) где b - параметр орошаемого участка, м Общий вид формулы приведенных затрат. где Сэ - стоимость электроэнергии затраченной на транспортировку воды на орошение, руб/га; С, - приведенные затраты каждого элемента дождевальной системы (трубы, гидранты и т.д.). Приведенные затраты С, складываются из капиталовложений и издержек И,- за принятый срок окупаемости текущий ремонт. Если норму отчислений в процентах обозначим через Р,, то годовые издержки по каждому элементу дождевальной системы выразятся формулой — Рис.2.5. Схема применения оросительных трубопроводов 1. а На рисунке 2.5 приведена двусторонняя схема 1 с перпендикулярным расположением подводящего 2 и оросительного 3 трубопроводов. В качестве водоисточника 1 может использоваться подземный или наземный напорный трубопровод, как постоянный, так и передвижной разборный, или канал. В последнем случае для подачи воды во вспомогательный трубопровод 2 используют передвижную насосную станцию. Вода поступает в оросительный трубопровод на позиции Аь во время работы этого трубопровода подготавливают трубопровод на позиции В], а отработавший переносят по частям на позицию А2 И Т.Д. Рис.2.6. Схема применения оросительных трубопроводов На рисунке 2.6 показана схема 2 со встречным движением оросительных трубопроводов. Оросительные трубопроводы с каждой стороны перемещают по односторонней схеме в последовательности, обозначенной буквами на чертеже, в направлении друг к другу. Рис.2.7. Схема применения оросительных трубопроводов На рисунке 2.7 показана схема 3 с односторонним поливом. Порядок перемещения трубопроводов следующий. Вначале работает оросительный трубопровод на позиции Аь а второй подготавливают на линии Вь затем первый переносят на позицию кг, а второй, после окончания его работы, переносят через позицию в положение В2 и т.д. Схема 2 имеет преимущество перед схемами 1 и 3, которое заключается в том, что в начале вспомогательного трубопровода 2 ответвляется половина расхода. Когда оба оросительных трубопровода достигнут его середины, по нему должен проходить полный расход, но при этом его рабочая длина будет в 2 раза короче. В результате гидравлические потери значительно снижаются. Это позволяет выполнять вспомогательный трубопровод из труб меньшего диаметра, снизить его массу а, следовательно, и стоимость.
Рассмотрим схемы расположения с точки зрения протяженности разборных трубопроводов, необходимой для орошения площади .Г (здесь и далее площадь орошаемого массива), захватываемой установкой с одной позиции. Самой выгодной будем считать ту схему, которая дает наименьшую длину разборных трубопроводов при максимальном расстоянии между передвижными насосными станциями (или стационарными трубопроводами). 160 2, М 100 120 140 20 40 60 80 5000 10000 15000 20000 25000 30000 м Рис.2.8. График для определения области применения схем 7 и 2 Можно сделать вывод, что область расположения под кривой, является областью, где выгодно применять первую схему, а область над кривой определяет выгодность применения второй схемы. Так как нами установлено, что самыми выгодными являются схемы применения дождевальных установок 7 и 2 определим оптимальные площади орошения для этих схем расположения дождевальных установок. аг Площадь оптимального участка Т7 можно найти из следующего. Интенсивность полива для схемы 7
Методика исследований местных сопротивлений
Исследование местных сопротивлений целесообразно вести в направлении теоретических и экспериментальных исследований для уточнения существующей теории на основе более надежных опытных данных, которые получены в результате применения современных приборов и вычислительной техники. При экспериментальном исследовании местных сопротивлений для определения потерь давления в них, используют метод истечения и метод модельного трубопровода. Методом истечения пользовались Вейсбах, Шренк и другие исследователи. [48,78] Для экспериментального определения коэффициента 4 Вейсбах крепил исследуемое сопротивление на фланце напорного бака. Применяя уравнение Д. Вернули для сечений на свободной поверхности бака и на выходе из сопротивления он находил экспериментально коэффициент скорости ф и коэффициент сжатия е, и по зависимости между коэффициентами истечения определял коэффициент сопротивления. Метод истечения не может гарантировать от ошибок, поскольку сопротивление при свободном выходе из него жидкости в атмосферу не является характеристикой этого сопротивления при установке его в трубопроводе.
Таким образом, метод истечения имеет ряд существенных недостатков, так как при таком исследовании не учитываются потери, которые имеют место в потоке за местным сопротивлением, кроме того, не учитывается влияние неравномерности поля скоростей на величину потерь напора в местном сопротивлении. В.Л.Татаринов пытался усовершенствовать метод истечения, установив на выходе за местным сопротивлением трубу длиною в 3 метра и диаметром равным диаметру арматуры. Но установка местного сопротивления на напорном баке не могла не повлиять на величину коэффициента так как в величину этого коэффициента неявно входят потери на выходе из бака в исследуемое сопротивление [43,93]. Наиболее точным и обоснованным на данное время методом исследования местных сопротивлений является метод модельного трубопровода. Модель представляет собой прямой трубопровод, в центре которого смонтировано исследуемое местное сопротивление. В этом случае сначала определяют потери напора модельного трубопровода без местного сопротивления, а затем потери напора в том же трубопроводе, но с местным сопротивлением. Потери напора, вызванные местным сопротивлением, находят как разность потерь напора в обоих случаях. Метод модельного трубопровода впервые был применен для исследования местных сопротивлений в 1903 году М.В. Кирпичевым и Б.А. Бахмете- вым и в настоящее время получил большое применение [68]. Исследования проводились на трубах ПНД с фланцевым соединением внешним диаметром 90 мм, 110 мм, 160 мм и муфтовым 90 и 110 мм. Данные типы соединений трубопроводов выбраны не случайно. При проектировании мобильных трубопроводных сетей сварное соединение не рассматривалось, по причине не соответствия условию мобильности.
Фланцевое и муфтовое соединение по ценовой категории стоят в одном ряду, недостаток муфтовых соединений в том, что для диаметра свыше 110 мм муфтовые соединения выполняются в основном на заказ. С помощью насосной станции вода подается в полиэтиленовый трубопровод, по которому доставляется в резервуар. Местное сопротивление в виде стыкового узла устанавливается посередине полиэтиленового трубопровода длиной 6 метров. Насос, подключенный к узлу 1, подает под напором воду в резервуар, который крепится к узлу 3. Манометр, подключенный к участку трубопровода 1-2, измеряет давление на участке 1-2 (/?/.,) Аналогичным образом манометр измеряет давление на участке трубопровода 2-3 {кш), на которое влияет местное сопротивление. К=ки+к„ (3.2) Откуда величина потерь напора определится как разность показаний приборов Из формулы Дарси коэффициент местного сопротивления стыкового узла определится как где V - средняя скорость потока в трубопроводе которая определялась 1дз2 о как V = -— , () - определяли в соответствии с показаниями секундомера и сГ наполнением резервуара. Для оценки достоверности экспериментальных данных достаточно на основании теории ошибок определить абсолютную и относительную ошибку величины коэффициента местных сопротивлений. В выражении Принятом в основу исследований местных сопротивлений в трубах, погрешность определения зависит от точности измерения перепада давления на исследуемом участке, от точности измерения расхода и диаметра. Таким образом, коэффициент местных сопротивлений является функцией ряда независимых величин, измеряемых непосредственно при помощи приборов. Коэффициенты местного сопротивления в трубопроводе представлены в приложении А (таблица А.З). Предельная относительная ошибка при исчислении будет состоять из предельных относительных ошибок, допущенных при определении Ар, ТЛ IV. Предельная относительная ошибка величины будет иметь вид Предельная абсолютная ошибка замеров времени наполнения мерного бака оценивалась в 6,5 сек. Абсолютная ошибка по секундомеру 0,05 сек. Таким образом, точность экспериментальных наблюдений находится в пределах точности опытных измерений других исследователей (1,7- 5%),которые изучали гидравлические сопротивления в трубах [53,92]. На основании полученных данных были выведены расчетные зависимости от с1. При практических расчетах в области турбулентного режима этот коэффициент считают зависящим только от диаметра стыкуемых труб (при 50«1 300 мм).
Таким образом, для фланцевых и муфтовых соединений коэффициент местных сопротивлений можно представить в виде следующих эмпирических зависимостей: где (1 - внутренний диаметр трубопровода, мм. В результате проведенных экспериментальных исследований получены расчетные зависимости для коэффициента потерь \ в стыковых соединениях трубопроводов применительно к формуле Дарси-Вейсбаха Проведенные измерения показывают на увеличение коэффициента при муфтовом соединении ПНД трубопровода, более низкий коэффициент при фланцевом соединении говорит о качестве выполнения втулки под фланец, зазор между трубами при фланцевом соединении составляет от 1 до 2 мм, в то время как у муфтового от 3 до 5 мм. При фланцевом соединении возникают меньшие гидравлические сопротивления, чем при муфтовом. Пример. Полиэтиленовый трубопровод с1вн= 100мм транспортирует воду со скоростью 2 м/с на расстояние 500 м. Потери напора на единицу длины трубопровода (гидравлический уклон): / 2 & Для пластмассовых труб потери напора на единицу длины трубопровода вычисляются по формуле [9]: Находим потери по длине трубопровода Л/ = / / = 15л . При длине соединяемых труб 6 метров количество стыков составит п=83. Пользуясь выведенной формулой для фланцевых соединений определим коэффициент потерь =0,1. Пластмассовые трубы имеют различную длину, которая зависит от таких факторов как диаметр труб, а так же от того какую длину предлагает производитель в большинстве случаев она колеблется от 5 до 9 метров. Некоторые исследователи рекомендуют потери напора в стыках учитывать как некий процент потерь по длине трубопровода, но нам это представляется неверным, величину потерь следует определять исходя из фактического количества стыков. Таким образом, формула Дарси-Вейсбаха для разборных полиэтиленовых трубопроводов будет иметь вид
