Повышение эффективности систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного

Количество полученной дополнительно продукции за пастбищный период равно:

П = Псп + Првп, (2.2)

где Псп - продукция, полученная в результате своевременного поения животных;

Првп - продукция, полученная в результате рационального размещения водопойных пунктов на пастбищах.

Максимальный выход основной продукции можно получить в результате организации нормального и своевременного поения животных путем уменьшения поломок и неисправностей элементов системы водоснабжения и представить как функцию надежности работы системы:

Пп = f(Нсв); f(Кг), (2.3)

где Нсв - надёжность работы системы водоснабжения, включающая влияние дебита водоисточника и подъема воды;

Кг - коэффициент готовности технологического оборудования.

Следовательно, затраты на водоснабжение животных целиком переносятся на себестоимость животноводческой продукции и составляют 27-32%, оказывают существенное влияние на ее величину. Таким образом, себестоимость продукции животноводства можно уменьшить за счет снижения затрат на водоснабжение животных в пастбищных условиях, с одной стороны, а с другой стороны, они оказывают существенное влияние на биологическое звено системы.

С учетом имеющейся информации и специфики решаемой проблемы разработана логическая структурно-композиционная инвариантная схема обеспечения водоснабжения пастбищ (рис.2)

Рис. 2 – Структурно-композиционная инвариантная схема обеспечения водоснабжения пастбищ: 1-при доставке воды по трубопроводу; 2- при доставке воды мобильным средством; 3- при использовании местного водоисточника с достаточным дебитом; 4- при использовании местного водоисточника с малым дебитом

В состав БТС при различных способах водоснабжения входит совокупность различных элементов, которые являются средствами достижения результата (реализации) производственного процесса. Каждый выделенный элемент дает обобщенное представление о реальных объектах, реализующих строго определенную функцию.

Внешней средой выступает подсистема кадрового (Кп), материального (Мп), информационного (Ип) и энергетического (Эп) обеспечения системы.

На основании логического анализа рассматриваемых вариантов можно сформулировать следующее заключение: процесс водоснабжения осуществляется механизированной системой водоснабжения (МСВ), которая представляет совокупность выделенных подсистем и элементов, определяемых локальными свойствами (характеристиками), которые подлежат исследованию.

Учитывая, что любой технический элемент водоподъемного механизма в процессе синтеза представляется в виде иерархии информационных моделей, на базе наиболее распространённых схем уровней возможно, описать жизненный цикл изделия от технической функции до технического решения (рис. 3).

Рис. 3 - Блок-схема моделирования процесса водообеспечения

Таким образом, речь идёт о реальном проведении априорной оценки функциональных элементов водоподъемных механизмов по определённым критериям, что позволит в случае необходимости повторить процесс синтеза модели, избегая ошибок уже на начальном этапе поиска технического решения.

Испытание водоподъемного оборудования в производственных условиях не всегда доступно и достоверно, так как оказывает отрицательное воздействие на качество воды и через него на биологический объект – животное, снижая продуктивность, вызывая заболевания. Использование вычислительной техники представляет возможность избегать жестких производственных экспериментов и использовать вычислительные ресурсы современных ЭВМ в моделях высокой степени сложности.

Чтобы исключить при создании водоподъемного оборудования «жёсткий» производственный эксперимент, во время проведения научно-исследовательских работ использовалось математическое моделирование.

Построение математической модели процесса механизированного водоснабжения животных начинается с описания процесса подъема воды. В большинстве случаев удовлетворительные результаты дает аппроксимация этого процесса отрезками прямых.

Разобьем на периоды роста интенсивности притока воды и тогда массу поднимаемой воды определим по формуле:

, (2.4)

где mВ(t) - подъем воды, м3/с;

В, Воп - значение притока воды в период её наибольшей интенсивности и при снижении последней, м3/с;

t1,t2,t3 - периоды роста интенсивности притока воды, его максимального значения и снижения, с;

1(t)- единично-ступенчатая функция

Для построения модели достаточно рассмотреть процесс в интервале от 0 до t3.

За геометрическую модель доли водоприемной части колодца примем полусферу радиусом R, колодец представим как цилиндр диаметром dк с каналом водоподъема воды в виде цилиндрического отверстия диаметром dв Уровень Н жидкости в водосборнике изменяется от до R.

Значение Н зависит от объема воды в водосборной емкости, и для установления этой зависимости необходимо (принимая Н за неизвестную) найти корни уравнения: ,

где V – объем воды в водосборной емкости, м3.

Решив это уравнение, получим:

. (2.5)

Объем воды есть функция времени, следовательно, уровень Н(V) также есть функция времени. При водоснабжении уровень воды постоянно меняется в зависимости от объема её поступления и водоподъема. Поскольку течение воды в водоподъемном канале имеет ламинарный режим, её поднимаемый объем можно представить как функцию от Н:

, (2.6)

где VУБ (H) - объем воды, убывающий из водосборной емкости в единицу времени, м3/с;

рВК - внутреннее давление водоприемной части колодца, Па;

рВП – внутреннее давление водоподъемного канала, Па.

Таким образом, используя приведенные выражения, можно найти рекомендуемое внутреннее давление водоподъемного канала рВП. Однако параметр рВП характеризует не общее внутреннее давление водоподъемного канала внутри подъемного канала, а лишь его часть, так как воздействие, оказываемое этим давлением, обусловливает силу подъема воды из водоприемной части колодца и продвижения её по каналу. Следует также отметить, что dВ канала водоподъема - величина условная и зависит от многих физических и механических переменных.

Определить значение рВП при проектировании водоподъемных установок с регулируемым внутренним давлением водоподъемного канала можно исходя из равенства объемов воды, убывающей из водосборной емкости и поступающей в нее. При этом уровень Н остается постоянным, и его легко определить.

При проектировании водоподъемной установки с постоянным внутренним давлением водоподъемного канала необходимо использовать соотношение

VУБ =VB max, где VB max - объем воды, поступающий в водосборную емкость в единицу времени в период максимальной интенсивности притока воды.

Как указано выше, величина рВП является частью внутреннего давления водоподъемного канала. Чтобы оценить полное значение этого давления, необходимо описать некоторые стороны процесса движения воды по водоподъемному каналу. Если принять, что вода движется только в момент движения рабочего органа водоподъемника, и промежутками между этими движениями пренебречь, то, учитывая, что водоподъем в основном определяется условно-периодической работой, можно утверждать, что в интервале времени, соответствующем росту интенсивности водоподъема, вода движется с определенным ускорением а1, вектор которого направлен в сторону, противоположную движению.

Силу трения, возникающую между водой и водоканалом, Н можно определить:

, (2.7)

где - коэффициент трения;

L(t)- длина водоканала, м;

Т - его толщина, м;

dK(t)-диаметр колодца, м;

dBK- диаметр внутренней части водоподъемного канала, м.

Функция dK(t) определяет диаметр колодца при водопритоке, ее можно найти экспериментально. В интервале [t1; t2] можно считать, что вода движется равномерно, тогда:

, (2.8)

где рК – общее внутреннее давление в водоканале, Па;

SК – площадь поперечного сечения внутренней части водоканала, м2; m – масса подвесной части водоподъемника, кг;

FПВ – сила притока воды, пропорциональная рВП, Н;

FТР – сила трения возникающая между водой и водоканалом, Н.

Для упрощения расчетов можно принять, что сила трения постоянна (хотя реально, согласно уравнению 2.7, из-за увеличения длины водоканала она незначительно растет). На этом участке допустимо силу трения приравнять к ее статическому значению и исходя из этого определить внутреннее давление рК в водоканале.

Интервал [t2; t3] характеризуется движением воды с ускорением а2, тогда величина L(t) может быть описана следующим образом:

(2.9)

здесьHB - начальная скорость движения воды по водоподъемному каналу, равная:

, (2.10)

где tB - время, прошедшее с момента движения рабочего органа водоподъемника до начала действия силы трения, возникающей при движении воды по водоподъемному каналу, с;

pHB- начальное внутреннее давление в канале, Па.

Из приведенных выше уравнений найдем ускорение:

, (2.11)

где

Величины рК и FПВ могут быть как постоянными (для водоподъемников с постоянным внутренним давлением), так и зависеть от времени (для водоподъемников с регулируемым внутренним давлением). Сила FПВ пропорциональна рВП. Характер изменения величины рК можно задавать с учетом влияния этого параметра на эффективность водоснабжения животных (в границах максимального и минимального значений). Следовательно:

(2.12)

где pИВ - внутреннее давление в период интенсивного водоподъема, Па; pHB - начальное внутреннее давление в канале, Па; pM - внутреннее давление при малом водоподъеме, Па.

Выбрав начальные значения pИВ, pHB и pM, можно определить скорость воды в точке t1:

(2.13)

Постоянная интегрирования С1 определяется для следующих начальных условий: t=0; НВ (t)=НВ.

Далее находят среднее ускорение а1ср и перемещение S1 воды по водоподъемному каналу в интервале [0; t1]:

, (2.14)

. (2.15)

Поскольку принято, что в период максимальной интенсивности водоподъема вода движется равномерно, то её перемещение по водоподъемному каналу:

. (2.16)

Используя приведенные выражения, находим ускорение а2:

. (2.17)

В такой же последовательности находим скорость воды в точке t3 и длину её перемещения по водоподъемному каналу в период окончания работы:

, (2.18);

. (2.19)

Постоянную интегрирования С2 в этом выражении определяем для начальных условий

t=t2; 2(t)=1(t1).

Общая длина перемещения воды по водоподъемному каналу за период [0; t3]:

S = S1 + SРП + S2. (2.20)

Сформулирована задача оптимизации длины водоподъемного канала и дебита водоисточника, в которой необходимо найти значения параметров m, , Т, dВК, pНВ, рИВ, pМ при определенных ограничениях на них и допуски на эти параметры.

Результатом решения задачи является оптимальный план, компонентами которого служат определения конструктивно-режимных параметров водоподъемного оборудования, на основе чего появляется возможность создания качественно новых технических средств, обладающих максимальным соответствием зоотехническим требованиям и высокой экономической эффективностью водоснабжения животных применительно к условиям пастбищ и их особенностям.

В третьей главе «Районирование пастбищ применительно к системам механизированного водоснабжения» основные признаки пастбищ классифицированы и районированы применительно к СМВ. Приводятся технико-эксплуатационные параметры машин и оборудования СМВ, которые обеспечивают высокую эффективность использования их в условиях различных районов. Водоподъемные агрегаты, установленные без учета данных районирования, значительную часть времени не используются или не обеспечивают ожидаемый экономический эффект.

Рис. 4 - Районирование пастбищ применительно к системе механизированного

водоснабжения.

Районирование пастбищ применительно к СМВ разработано на основе классификации факторов, влияющих на параметры водоподъемно-энергетических установок, их эксплуатацию и техническое обслуживание.

Суточное водопотребление. Объем его зависит в основном от нормы водопотребления животными в сутки и поголовья скота, находящегося на водопойном пункте, и определяется по формуле:

Вс = bn / 1000 + x / 1000 м3, (3.1)

где b – норма водопотребления в сутки, л;

n– поголовье скота на водопойном пункте;

х – расход воды на хозяйственные нужды на водопойном пункте, л.

При сезонном использовании пастбищ объем воды, потребляемый поголовьем, определяется по формуле:

Всез = Тсез (bn / 1000 + x / 1000) м3, (3.2)

где Тсез – число дней в сезоне.

Суммарное водопотребление на пастбищах круглогодового использования для одного водопойного пункта рассчитывается по формуле:

Вг = 0,001 (Всезв + Всезл + Всезо + Всезз) м3, (3.3)

где индексы: в, л, о, з – времена года (весна, лето, осень, зима).

Для районирования территории пастбищ по параметрам водоисточников изучены и обобщены данные по глубине, дебиту, высоте слоя воды и объему наполнения водосборной части. В результате построена диаграмма распределения основных параметров водоисточников на пастбищах (рис. 5).

Рис. 5 - Диаграммы распределения основных параметров водоисточников на пастбищах: nк–количество водоисточников,%; Нк–глубина водоисточников, м; q-дебит водоисточников, м3/сут; hсл-высота слоя воды в водоисточниках, м; Vв-объем водоприемной части водоисточников, м3

Наряду с другими факторами эффективность работы системы механизированного водоснабжения определяет оптимальный режим работы водоподъемника и водоисточника с малым дебитом. Такой режим устанавливается в том случае, если известны технические параметры водоподъемного устройства, дебит, глубина и толщина слоя воды, объем водосборной части водоисточника. Наиболее сложную связь параметра водоисточника имеет его текущий дебит, зависящий, в первую очередь, от максимального дебита и статического уровня воды.

Текущий дебит шахтного водоисточника в первом приближении можно определить так:

, (3.4)

где R – обратное значение удельного дебита водоисточника;

Нс, Нд –соответственно статический и динамический уровень воды в источнике, м.

Если , то .

Принимая , запишем уравнение (3.4) так:

qi = qм (1 – h). (3.5)

Если приток qi рассмотреть за время , то qi = W = S H, отсюда

, (3.6)

где S – площадь водоприемной части водоисточника, м2.

Принимая, что , умножив и разделив уравнение (3.6) на величину статического уровня воды Нс, получим:

, (3.7)

где Wм = SHс– максимальное наполнение водоприемной части, м3.

При совместном решении уравнений (3.5) и (3.7) получим:

. (3.8)

При делении полученного равенства на максимальный часовой дебит водоисточника qм получим: или

Если , то .

Отношение обозначим через у, тогда:

1 – h = у. (3.9)

Дифференцируя уравнение (3.9) относительно у, имеем: dу = - dh или ,

отсюда: . Интегрируем: .

В результате решения получаем: t = -lnу + C, а после некоторых преобразований:

у = уо е-t (3.10)

Значение уо при t = 0, равно

у0 = 1 – hо. (3.11)

При совместном решении уравнения (3.9) и (3.11) получим:

1 – h = (1 – hо) е-t. (3.12)

Учитывая, что и .

После подстановки имеем: .

Умножая обе части равенства на Но, получим:

Нс – Нд = (Нс – Но) е-t или Нд = Нс – (Нс – Но) е-t.

Зная, что , получим уравнение для определения динамического уровня воды в водоисточнике:

Нд = Нс – (Нс – Но) е-t, (3.13)

где Но – минимальный уровень воды в водоисточнике, при котором водоподъемная установка уже не может работать.

С помощью уравнения (3.13) можно определить динамический уровень воды в водоисточнике для любого времени t, если известен максимальный часовой дебит qм и максимальное наполнение Wм.

На рис. 6 представлен график Нд = f (t) для различных значений Нс – статического уровня воды, из которого видно, что динамический уровень воды в водоисточнике Нд в начале наполнения водоприемной части растет интенсивно, а затем замедляется при приближении к статическому уровню Нс. График позволяет определить Нд для любого времени суток.

Если правую и левую части уравнения (3.13) умножить на S, то получим:

Нд S = Нс S – (Нс S – Но S) е – (qм / Wм) t,

где Нд S=Wд –текущее наполнение водоприемной части водоисточника,м3;

Но S = Wо – остаточный объем воды, который водоподъемник не может поднимать, м3.

Рис. 6 - Изменение динамического уровня воды в водоисточнике: для кривой 1 – Нс = 0,8 м; для кривой 2 – Нс = 1,2 м; для кривой 3 – Нс = 1,6 м; для кривой 4 – Нс = 2 м; для кривой 5 – Нс = 3 м; для кривой 6 – Нс = 6 м

Подставляя эти значения в уравнение, имеем:

Wд = Wм – (Wм – Wо) е – qм / Wм. (3.14)

Для практического использования проведены расчеты по определению Wд в зависимости от qм, Wм, t.

Совместное решение уравнений (3.5) и (3.12) дает:

qi = qм (1 – Но / Нс) е – (qм / Wм) t. (3.15)

По уравнению (3.15) можно определить текущий дебит водоисточника в зависимости от максимального часового притока воды qм, статического уровня воды в водоисточнике Нс и времени t. Для различных значений qм, Нс и t произведены расчеты, и полученные данные приведены на рис. 7.

Рис. 7- Изменение текущего дебита водоисточника:

1– qм = 0,810-4 м3/c, Нс = 0,8 м; 2 - qм = 0,810-4 м3/c, Нс = 6,0 м; 3 - qм =1,910-4 м3/c, Нс = 0,8 м; 4 - qм = 1,910-4 м3/c, Нс = 6,0 м;5 - qм = 3,510-4 м3/c, Нс = 0,8 м; 6 - qм = 3,510-4 м3/c, Нс = 6,0 м

По уравнению (3.15) определен также текущий дебит водоисточника в зависимости от h = Нд / Нс (рис. 8).

Рис. 8 - Влияние относительной толщины слоя воды на величину дебита: