Повышение эффективности систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного

У ленточных водоподъемников наименьший расход энергии при высоком значении КПД.

В процессе работы ленточных водоподъемников основной и наиболее ответственной операцией является отвод поднятой воды с ленты, так как от этого зависит величина подачи водоподъемника и расход потребляемой энергии.

Объемная подача водоподъемника является основным показателем его работы и определяется по формуле:

Qv = S uср, (4.1)

где: S – площадь живого сечения слоя жидкости на ленте, м2;

uср – средняя скорость движения слоя жидкости, м/с.

Действительная величина объемной подачи водоподъемника определяется по формуле:

Qg = k Qv, (4.2)

где k – объемный КПД; учитывающий потери поднятой воды, обусловленные несовершенством конструкции.

Исходя из вышеизложенного, с учетом анализа существующих конструкций и исследований ленточных водоподъемников с целью повышения их подачи

предлагается применить усовершенствованный ленточный водоподъемник. Новизна его конструкции подтверждена российскими патентами и Республики

Казахстан.

Рис. 14 - Принципиальные схемы: а- усовершенствованный ленточный водоподъемник; б- поджимной ролик с прямыми поперечными ребрами; в- с извилистыми поперечными ребрами; г- с прямыми продольными ребрами; д- с V-образными ребрами

Ленточный водоподъемник работает следующим образом. Верхний барабан 1, вращаясь от двигателя 11 по часовой стрелке, перемещает ленту 3. При движении последней частицы воды за счет ее вязкости, образуя тонкий слой на поверхности ленты, увлекаются из водоисточника вверх внутренней и внешней поверхностями восходящей ветви подъемника. Под действием центробежной силы вода сбрасывается в водосборный лоток 8 с внутренней поверхности ленты 3 в зоне поджимного ролика 4. Вода на внешней поверхности восходящей ветви ленты частично вытесняется в поперечном и продольных направлениях на поджимном ролике 4 различными видами ребер 5. Остаток жидкости после прохода через поджимной ролик, опять располагаясь тонким слоем, сбрасывается при тех же условиях у верхнего барабана 1 в водосборный лоток 9. Из водосборных лотков 8 и 9 вода поступает в сборный резервуар или на потребление.

На основании опытов были построены кривые зависимости коэффициента трения скольжения . Оказалось, что эти зависимости носят весьма неопределенный характер в данных пределах изменений параметров; возможно, что здесь сказалась недостаточная точность опытов. Исходя, из этих соображений зависимости коэффициентов трения скольжения от этих параметров, были осреднены и построены единые кривые. По результатам этих осредненных данных составлены графики зависимости коэффициента трения скольжения от скорости скольжения (интенсивности проскальзывания ленты на ведущем барабане) ск и массы натяжного устройства m (рис. 15 и 16) и выведена эмпирическая формула, характеризующая вид этой зависимости:

= а / кск ес/m, (4.3)

где а,к,с – константы, зависящие от прилагаемой нагрузки и условий трения;

- угол обхвата; m – масса натяжного устройства, кг;

ск – скорость скольжения рабочего органа (ленты) на ведущем барабане, м/сек.

Рис. 15 - Зависимость коэффициента трения скольжения от скорости скольжения ск при угле охвата = 1800 и усилия натяжения t: 1 - 5,5кг, 2 - 9,5кг, 3 – 13,5кг, 4 – 17,5кг, 5 – 21,5кг, 6 – 25,5кг, 7 – 29,5кг, 8– 33,5кг

Рис. 16 - Зависимость коэффициента трения скольжения от скорости скольжения ск при угле охвата = 2700 и усилия натяжения t: 1 – 5,5кг, 2 – 9,5кг, 3 – 13,5кг, 4 – 17,5кг, 5 – 21,5кг, 6 – 25,5кг (снизу вверх)

С увеличением скорости скольжения ск коэффициент трения скольжения падает; при малых нагрузках t падение проявляется более интенсивно, особенно на малых скоростях скольжения. С увеличением нагрузки кривые имеют тенденцию к выпрямлению, в частности, при максимальных нагрузках они приближаются к прямым.

Снижение коэффициента трения с увеличением скорости объясняется с нашей точки зрения, сокращением продолжительности действия фрикционной связи и, соответственно, уменьшением площади касания, которая не успевает увеличиваться, пока относительная скорость скольжения равна нулю.

При увеличении скорости рабочего органа количество подаваемой воды увеличивается, но при этом возникает гидродинамическая подъемная сила, вызывающая всплывание (подъем) скользящей ленты и уменьшение контактной поверхности с ведущим барабаном.

Экспериментальные исследования по определению величины скорости ленты и коэффициента относительного скольжения в зависимости от частоты вращения ведущего барабана проводились на экспериментальной установке.

Исследованиями установлено, что в серийном водоподъемнике с увеличением частоты вращения ведущего барабана от 3,75 до 7,91 с-1 действительная скорость ленты по сравнению с теоретической понижается и максимальной разницы в 1,08 раза достигает при n = 7,91 с-1. При этом коэффициент относительного скольжения увеличивается в 2,4 раза и при n = 7,91 с-1 значение = 7,72%.

Анализ экспериментальной кривой 1 (рис. 17) показывает, что в серийном водоподъемнике действительная скорость ленты достигает своего критического значения = 6,11 м/с при частоте вращения ведущего барабана n = 7,91 с-1.

Рис. 17 - Зависимости скорости ленты и коэффициента относительного скольжения ленты от угловой скорости ведущего барабана при Нд = 4 м и Нр = 0,5 м: 1,2- скорость ленты серийного и предлагаемого водоподъемника; 3,4 - Коэффициент относительного скольжения ленты заводского исполнения и предлагаемого водоподъемников;__•__ расчетный;__*__ экспериментальный

При дальнейшем увеличении частоты вращения ведущего барабана наблюдается резкое снижение действительной скорости ленты. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения барабана вода с внутренней поверхности ленты начинает затягиваться между лентой и футеровкой барабана, обуславливая неупругое скольжение ленты. В дальнейшем под действием центробежной силы инерции эта вода при изменении направления движения оказывает давление от центра барабана на ленту, что в итоге приводит к буксованию барабана, следовательно, и к резкому снижению действительной скорости ленты. Кривая 2 (рис. 17) показывает, что в предлагаемом водоподъемнике, действительная скорость ленты увеличивается с увеличением частоты вращения ведущего барабана, причем величина действительной скорости ленты меньше теоретической и при n = 9,025 с-1 разница составляет в 1,04 раза. Это свидетельствует о том, что поджимной ролик улучшает условия трения между лентой и футеровкой. Снижение скорости ленты при увеличении частоты вращения ведущего барабана выше n = 9,5 с-1 объясняется ухудшением связи между лентой и барабаном, вследствие незначительного скольжения ленты.

Экспериментальными исследованиями установлено, что в предлагаемом водоподъемнике с увеличением частоты вращения ведущего барабана от 3,75 до 9,025 с-1 коэффициент относительного скольжения увеличивается в 1,8 раза и при n = 9,025 с-1, значение = 4,15%.

Производительность ленточного водоподъемника определялась на различных скоростных режимах усовершенствованного ленточного водоподъемника. Опыты проводились при различных частотах вращения ведущего барабана для следующих конструктивных схем: теоретическая, заводская, с поджимным роликом с продольными прямыми ребрами, с поджимным роликом с продольными извилистыми ребрами, с поджимным роликом с поперечными прямыми ребрами, с поджимным роликом с V-образными ребрами. По опытным данным построен общий график кривых зависимостей производительности водоподъемника от скорости ленты для различных конструктивных схем ленточного водоподъемника.

Из приведенных графиков следует, что наибольшая производительность свойственна варианту 6 (Рис. 18), следовательно, за основу надо принять конструктивную схему ленточного водоподъемника, с предложенным поджимным роликом - V-образными ребрами.

Рис. 18 - Зависимость производительности водоподъемника от скорости ленты: 1–теоретическая конструктивная схема, 2-серийная, 3–с поджимным роликом с продольными прямыми ребрами, 4–с поджимным роликом с продольными извилистыми ребрами, 5–с поджимным роликом с поперечными ребрами, 6–с поджимным роликом с V-образными ребрами

После реализации плана многофакторного эксперимента и статистической обработки опытных данных получена математическая модель процесса подъема воды ленточным водоподъемником.

В кодированном виде математическая модель имеет вид:

у = 29,46 + 2,13Х1– 5,68Х2– 5,66Х3+ 5,01Х1Х2+ 8,30Х1Х3– 8,9Х2Х3– 3,84Х22 + 7,13Х32.(4.4)

Поверхности отклика математической модели процесса подъема воды ленточным водоподъемником исследованы с помощью двумерных сечений, в результате чего изучены ее свойства и получены рациональные интервалы значений конструктивных параметров ленточного водоподъемника.

Представленные двумерные сечения поверхности отклика обеспечивают достоверное представление о зависимости производительности водоподъемника от скорости вращения ленты от конструктивных параметров ленточного водоподъемника, о способах и путях снижения проскальзывания рабочего органа по ведущему барабану.

Выявленные интервалы рациональных значений конструктивных параметров ленточного водоподъемника повышенной производительности использованы при настройке водоподъемника в проведении производственных испытаний.

Результаты сравнительных испытаний усовершенствованного ленточного водоподъемника с базовым ВЛМ-100А свидетельствует о том, что за счет установки поджимного ролика с V-образными ребрами производительность увеличилась до 42 %.

На рис. 19, 20, 21, представлены поверхности отклика и графики двумерных сечений функций отклика.

а) б)

Рис. 19- а) поверхность отклика характеризующая Кб в зависимости от Х1 и Х2; б) график двумерного сечения функции отклика (Y) в координатах: масса балласта на ведомом натяжном барабане (m), скорость ленты

()

Рис. 20- а) поверхность отклика характеризующая Кб в зависимости от Х2 и Х3; б) график двумерного сечения функции отклика (Y) в координатах: масса балласта на ведомом натяжном барабане (m), расстояние поджимного ролика по горизонтали (l)

а) б)

Рис. 21- а) поверхность отклика характеризующая Кб в зависимости от Х1 и Х3; б) график двумерного сечения функции отклика (Y) в координатах: скорость ленты (), расстояние поджимного ролика по горизонтали (l).

Анализ результатов энергетической оценки работы водоподъемника показывает, что удельная энергоемкость в 1,3 раза меньше, а коэффициент полезного действия на 11,5 % больше, чем у базового ленточного водоподъемника ВЛМ-100А.

С целью определения оптимального режима работы предлагаемых водоподъемников на основе опытных данных были построены их рабочие характеристики.

На основе анализа можно заключить, что рациональный режим работы для предлагаемого водоподъемника следует считать при скоростях движения ленты находящихся в пределах 4,5-8,5 м/с, так как при этих скоростях движения ленты, коэффициент полезного действия имеет наибольшие значения.

Рис. 22 - Рабочие характеристики предлагаемых ленточных водоподъемников: 1 – потребляемая мощность; 2 – коэффициент полезного действия; 3 – подача.

Оптимальная скорость движения ленты = 7,75 м/с, что соответствует максимальному к п д. водоподъемника.

В пятой главе «Обоснование параметров насосно-силового оборудования для малодебитных шахтных колодцев» установлено, что с технической и экономической точек зрения для различных зон пастбищ нельзя рекомендовать единую схему механизированного водоподъема, необходимо выбирать оптимальные схемы для каждого конкретного района с учетом их особенностей.

Выполненные научно-исследовательские работы показали, что на пастбищах целесообразно использовать следующие схемы механизированного водоподъема (рис. 23): 1 - стационарные водоподъемные установки с приводом от стационарных, индивидуальных энергетических средств. В этом случае стационарный водоподъемник или насос приводятся в действие с помощью механического, электрического и пневматического приводов; 2 - стационарные насосные установки с приводом от передвижной энергоустановки; 3 - передвижные водоподъемные агрегаты, установленные на транспортных средствах повышенной проходимости.

Рис. 23 - Варианты схем механизированного водоподъема

Эти схемы следует рассматривать как принципиально возможные для применения в условиях пастбищ. Однако следует рассмотреть перспективы их использования, исходя из современного уровня развития техники и экономических предпосылок.

Критерии выбора параметров установки – приведенные затраты Зпр, поскольку они учитывают комплекс технических и экономических показателей водоподъемных агрегатов. Поэтому приведенные затраты можно принять критерием выбора насосно-силового оборудования для условий пастбищ. Оптимальным считается тот агрегат, приведенные затраты которого имеют минимальную величину, то есть:

, (5.1)

где З - суммарные эксплуатационные затраты;

н - нормативный коэффициент эффективности, равный 0,15.

Для обеспечения бесперебойного снабжения потребителей водой необходима высокая надежность водоподъемной установки, а также наличие в системе механизированного водоснабжения резервирующих устройств, гарантирующих заданную обеспеченность животных водой, в том числе и при выходе из строя отдельных элементов системы водоснабжения.

В пастбищном водоснабжении резервирование систем можно осуществлять в основном с помощью наземных резервуаров для запаса воды, запасных комплектов оборудования и комбинированной водоподъемной установки, работающей от ветродвигателя и теплового двигателя в одной агрегатной схеме (рис.24.). В каждом конкретном случае для выбора способа резервирования СМВ проводятся сравнительные расчеты.

Рис. 24 - Варианты резервирования систем механизированного водоснабжения

В схеме 1 механизированного водоподъема – стационарный водоподъемник с приводом от индивидуального теплового двигателя резервирование можно осуществлять с помощью наземного резервуара и резервного оборудования, предназначающихся для группы водопойных пунктов.

В случае использования комбинированной водоподъемной установки (схема 2) прослеживается возможность многовариантного резервирования СМВ – наземный резервуар, тепловой двигатель и резервное оборудование.

При использовании передвижной энергетической установки (схема 3) на группе водоисточников также можно произвести запас воды в наземном резервуаре на каждом водопойном пункте. При выходе из строя электрической части передвижной энергоустановки можно использовать в качестве водоподъемной лебедки емкость (рис25). Для критического момента имеется резервная установка.

Рис. 25 - Зависимость объема наземного резервуара от степени обеспеченности потребителей водой, Vс=2,9 м/с, Wм=8,4 м3, q1=6,5 м3/сут, q2=13 м3/сут, q3=19,5 м3/сут; 1,2,4 - q1, q2, q3 при В1=0,25q; 3,5,6 - q1, q2, q3 при В2=0,5q

Учитывая дальность расположения водопойных пунктов, зооветеринарные требования к поению овец в условиях пастбищ и малодебитность водоисточников, объем наземного резервуара определяется:

Wн = (2…4)( Wм + qi ti + Vi) + Wнзт, (5.2)

где Wнзт – необходимый объем наземного резервуара по зооветеринарным требованиям, объем которого не ниже суточного водопотребления на данном водопойном пункте, м3.

Характер кривых Wн = f(Об) и Wн = f(t0) показывает, что их можно выразить показательной функцией типа:

Wн = а + вехОб (5.3)

Wн = а + вехto (5.4)

Для аналитического описания кривых Wн = f(В) были взяты различные типы функций. Наибольшей адекватностью может быть представлена показательная функция вида:

Wн = а(в)В. (5.5)

Коэффициенты а, в, х определяются хозяйственными, ветровыми, гидрогеологическими и другими условиями. Формулы (5.3, 5.4, 5.5) на всем диапазоне изменения аргумента характеризуются погрешностью по объему Wн, не

превышающей 10%, что приемлемо для практических расчетов(рис.26).

Рис. 26 - Зависимость емкости наземного резервуара от интенсивности ветра; q1=6,5 м3/сут, q2=13 м3/сут; 1,3 – q2, q1 при Об1=75%; 2,4 – q2, q1 при Об2=85%

Вариантные расчеты для определения схемы резервирования системы механизированного водоснабжения рассматривают резервирование воды в наземном резервуаре; работу водоподъемника от теплового двигателя в одной агрегатной схеме с ветродвигателем; резервную установку для группы водопойных пунктов и подъем воды с помощью емкости с использованием передвижной энергетической установки.

Расчеты показали, что для нормального обеспечения потребителей водой: по схеме 1 резервирование СМВ необходимо осуществлять наземным резервуаром, объем которого равен 3- 4 – суточному водопотреблению - Wн = 3Вс; по схеме 2 необходимо иметь наземный резервуар, равный 2 – суточному водопотреблению - Wн = 2Вс; по схеме 3 необходимо иметь наземный резервуар объемом, равным 4 –суточному водопотреблению - Wн = 4Вс.

Эффективный выбор схемы резервирования СМВ позволяет увеличить обеспеченность потребителей водой, поэтому затраты на резервирование СМВ окупаются в течение 1-1,5 лет.

В шестой главе «Оценка технико-экономической эффективности систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства» отмечено, что для разработки рекомендаций по широкому внедрению того или иного варианта в отгонное животноводство необходимо определить технико-экономические показатели, учитывающие влияние различных факторов пастбищного содержания животных, с учетом которых разработана методика технико-экономических расчетов.