ПРОЕКТ ОБВОДНЕНИЯ ПАСТБИЩ КРЕСТЬЯНСКИХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ АПК АЛМАТИНСКОЙ ОБЛАСТИ РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНАХ ВОДОТОКОВ
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Водные ресурсы и мелиорация
ДЖУСУПОВА Ж. К.
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
ПРОЕКТ ОБВОДНЕНИЯ ПАСТБИЩ КРЕСТЬЯНСКИХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ АПК АЛМАТИНСКОЙ ОБЛАСТИ РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНАХ ВОДОТОКОВ
специальность 5В080500 - Водные ресурсы и водопользование
Алматы 2018
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Гидротехника, мелиорация и бизнес
Кафедра Водные ресурсы и мелиорация
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Тема:______________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ _______________________
Объём, стр. ______________
Количество чертежей и иллюстрационных материалов ______________
Приложения _____________
Выполнила ___________________________________ ________________ - - - - - - - - - - - - ____
(Ф. И. О.)
Допущена к защите ______________20___ г.
Заведующий кафедрой _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Руководитель _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Консультанты:
_____________________ _______________ ____________________________
(раздел) (подпись) (Ф. И. О.)
_____________________ _______________ ____________________________
(раздел) (подпись) (Ф. И. О.)
Нормоконтроль _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Рецензент _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Алматы 2018
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Гидротехника, мелиорация и бизнес
Кафедра Водные ресурсы и мелиорация
Специальность 5В080500 - Водные ресурсы и водопользование
ЗАДАНИЕ
на выполнение дипломной работы (проекта)
Студент ___________________________________ _______________________________
(Ф. И. О.)
Тема работы (проекта)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _____________________________________________________________
Утвержден приказом университета №____ от __________________20___г
Срок сдачи готовой работы (проекта)
_________________20___г
Исходные данные для работы (проекта)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _________________________
___________________________________ _______________________________
Список вопросов для разработки дипломной работы (проекта)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________
Список графических материалов (при необходимости)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ __________________________________
Рекомендуемая базовая литература
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _______________________________________________________
Консультанты по специальным разделам работы (проекта)
Раздел
Консультант
Срок
Подпись
Заведующий кафедрой ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Руководитель работы ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Принял задание на
выполнение, студент _________________ _________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
ГРАФИК
выполнения дипломной работы (проекта)
Коли
чество
Главы и список вопросов для рассмотрения
Срок предоставления руководителю
Примечания
Заведующий кафедрой ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Руководитель работы ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Принял задание на
выполнение, студент _________________ _________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
СОДЕРЖАНИЕ
Нормативные ссылки ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ...
8
Определения ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
10
Обозначения и сокращения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
12
Введение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
14
1.
Обоснование необходимости разработки проекта обводнения пастбищ с использованием гидротаранной насосной установки в соответствии с водным кодексом ... .
18
1.1 Состояние и перспективы развития механизации водоснабже - ния сельхозформирований АПК Республики Казахстан в рыночных условиях ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
18
1.2 Существующие проекты обводнения пастбищ ... ... ...
21
1.3 Обзор работ и результаты патентных исследований по насосным установкам с использованием для привода энергии движущейся воды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
21
1.4 Анализ теоретических и экспериментальных исследований по известным разработкам насосных установок с использованием кинети - ческой энергии воды...
33
1.5 Обоснование направления исследования по использованию энергии водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... .
36
2.
Выбор и обоснование конструктивно - технологической схемы насосной установки для эффективного обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств в исследуемой зоне ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
38
2.1 Определение типа и основных требований, предъявляемых к принципиальной схеме насосной установки для водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .
38
2.2 Выбор принципиальной схемы гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ...
39
3.
Обоснование методики и расчёт параметров принятой насосной установки для обводнения пастбищ типового хозяйства ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
43
3.1 Исследование гидроударного способа водоподъема из водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
43
3.2 Теоретические исследования гидроударного способа водоподъема из водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...
44
3.3 Обоснование исходных параметров гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ..
46
3.4 Обоснование основных технологических и технических параметров гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
49
3.5 Экспериментальные исследования гидротаранной насосной установке ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ...
51
4.
Технико-экономическое обоснование эффективности предложенного дипломного проекта ... ... ... ... ... ... ... ..
56
4.1 Расчет экономической эффективности гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .
56
4.2 Обоснование выбора базового насосного агрегата ... ... .
56
4.3 Исходные данные для расчёта ... ... ... ... ... ... ... ... .
57
4.4 Расчёт основных показателей базового насосного агрегата АН-2К-9-М1 ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
58
4.5 Расчёт основных показателей новой гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .
60
4.6 Показатели экономической эффективности гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... .
62
Заключение ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ...
65
Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... . ... ..
67
Приложение ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
71
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В настоящей дипломной работе использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р15.01-96. Порядок проведения патентных исследований;
ГОСТ 2405-88. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры,
напорометры, тягометры и тягонапорометры. Общие технические условия;
ГОСТ 3262-75. Стальные водогазопроводные трубы. Общие технические условия;
ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний;
ГОСТ 7502-98. Рулетки измерительные металлические. Технические условия;
ГОСТ 10362 -76. Рукава прорезиненные. Общие технические условия;
ГОСТ 10428-71. Насосы центробежные скважинные для воды с погруженным электродвигателем. Общие технические условия;
ГОСТ 15.001-73. Разработка и постановка продукции на производство. Основные показатели;
ГОСТР 15.201-2000. Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно - технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство;
ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции.
Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения;
ГОСТ 18164-72. Вода питьевая. Методы определения содержания
сухого остатка;
ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Методы определения
условий испытаний;
ГОСТ 23728-80 - ГОСТ 23730-88. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки;
ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование
эксперимента. Термины и определения;
ГОСТ 24104-2001. Весы лабораторные. Общие технические условия;
ГОСТ 24902-81. Вода хозяйственно-питьевого назначения. Общие требования к полевым методам анализа;
ГОСО РК 05.04.019 - 2008 Государственный общеобязательный стандарт образования Республики Казахстан. Высшее образование. Бакалавриат. Основные положения.
ГОСО РК 05.03.16 - 2009 Правила выполнения дипломной работы (проекта) в высших учебных заведениях. Основные положения
ОСТ 101.1 - 98. Испытания сельскохозяйственной техники, машин и
оборудования для переработки сельскохозяйственного сырья. Основные
положения;
ОСТ 1011.2-2002. Испытания сельскохозяйственной техники. Станции
насосные передвижные. Методы оценки функциональных показателей;
ОСТ 1021.1-2002. Испытания сельскохозяйственной техники. Установки водоподъёмные. Методы оценки функциональных показателей;
РТМ 44-62. Методика статистической обработки эмпирических
данных;
РД 07-07-21-86. Методические указания. Порядок проведения патентных исследований в системе Госагропрома СССР.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящей дипломной работе применяют следующие термины с соответствующими определениями.
Подача - отношение объёма подаваемой воды насосной установкой ко времени.
Напор насосной установки - избыточное давление, создаваемое насосной установкой, измеряемое в метрах водяного столба, определяется зависимостью, Нр = Ризб γ, где Ризб - избыточное давление насосной установки, Па; γ - удельный вес воды, Нм[3], Нр - напор, м. вод. ст.
Напор водотока - давление, создаваемое водотоком, измеряемое в м.
вод. ст., определяется зависимостью Hв=hn+ v[2] 2g , где hn - перепад высот верхнего уровня воды и нижнего - водоотбора водотока, м; v - скорость воды в водотоке, мс; g - ускорение свободного падения, мс[2]; Нв - напор водотока, м. вод. ст.
Напор скоростной - давление, создаваемое от скорости движения
воды, измеряемое в м. вод. ст., определяется зависимостью Нск = v[2] 2g, где v - скорость движущейся воды, мс; Нск - скоростной напор, м. вод. ст.
Напор вакуумный - давление ниже атмосферного (разряжение), создаваемое насосной установкой, измеряемое в м. вод. ст., определяется
зависимостью, Hвак=Ра-Рэγ, где Ра - давление атмосферное, Па; Рэ - давление в вакуумной системе насосной установки, Па; Нвак - вакуумный напор, м. вод. ст.
Водоток - водоисточник с движущейся жидкостью (река, канал и др.).
Мощность полезная - мощность, сообщаемая насосной установкой подаваемой воде.
Мощность затраченная - мощность, потребляемая насосной установкой.
Коэффициент полезного действия - отношение полезной мощности к мощности затраченной.
Напорно-вакуумная насосная установка - техническое средство для подъёма и подачи воды из водотоков, создающее напор и вакуум, используя для привода кинетическую энергию движущейся воды в водотоке.
Струйный аппарат (эжектор) - устройство для нагнетания (отсасывания) жидкости или воздуха, действие которого основано на увлечении нагнетаемой (отсасываемой) жидкости или воздуха за счёт использования кинетической энергии рабочей жидкости.
Гидротаран - водоподъёмное устройства, в котором давление создаётся в результате гидравлического удара путем периодического закрытия и открытия ударным клапаном движения воды в приёмном трубопроводе.
Сифон - (от греч.siphon - трубка, насос), устройство для перекачивания жидкости, использующее неразрывность её потока.
Конструкция - устройство, взаимное расположение частей, состав какого-либо строения, механизма и т.п. (например, насосной установки, эжектора, гидротарана).
Параметр - величина, характеризующая какое-либо основные свойство процесса, явления или системы, машины, устройства (например, подача, напор, коэф. сопр.).
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Q - подача насосной установки, расход воды, м[3]с;
Н - напор насосной установки, водотока, скоростной и вакуумный напоры, высота водоподъёма, м. вод. ст.;
η - коэффициент полезного действия насосной установки, использования рабочего времени смены;
ν - скорость движения воды в водотоке, трубопроводах, мс;
Р - избыточное давление воды, создаваемое внутри трубопроводов, мс;
D , d - диаметр отверстий труб, круглого профиля деталей, м;
F - площадь сечения проходных отверстий, русла водотока, м[2];
γ - удельный вес воды, Нм[3];
ρ - плотность воды, кгм ;
ζ - коэффициент местных сопротивлений;
λ - коэффициент трения воды в трубопроводах;
m - масса груза, тел и т.д., кг;
L, l - длина трубопровода, м;
h- относительный напор в струйных аппаратах, уровень погружения, потери напора, длина плеч противовеса ударного клапана, м;
q - объёмный расход в струйных аппаратах, водопотребление потребителя, м[3];
t - время протекающего процесса, с;
К - объёмный модуль жидкости, Нм[2];
Е- модуль продольной упругости материала трубопровода, Нм ;
А - скорость распространения ударной волны, скорость распространения звука в жидкости, мс;
П - выработка насосной установки, м[3];
Т - годовая загрузка, ч;
Л - количество обслуживающих персонала, чел;
Э - эффект от использования насосной установки, тенге;
С - удельные отчисления на реновацию, техобслуживание и ремонт, на топливо-смазочные материалы, тенгем[3];
3 - удельные эксплуатационные затраты, тенгем ;
СНГ - Союз независимых государств;
ГСХА - Государственная сельскохозяйственная академия;
ГНУ ВИЭСХ - Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
АПК - агропромышленный комплекс;
КПД - коэффициент полезного действия;
ЦНИИКИВР - Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов;
НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки;
ЭЦВ - электропогружной центробежный водоподъёмный насос;
ТГ - таран гидравлический;
УИЖ - К 100 - гидротаран конструкции Украинского института животноводства.
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с Указом Президента РК от 28.01.98 г. № 3834 и с изменениями и дополнениями от 7.09.99 г. № 206 О мерах по реализации стратегии развития Казахстана до 2030 года, правительством РК ставится задача, в частности, внедрение ресурсосберегающих технологий, разработка эффективных энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии и снижение темпов ухудшения окружающей среды. [1]
Водоснабжение фермерских хозяйств, как и других потребителей РК, осуществляется за счет подземных вод - трубчатыми и шахтными колодцами и наземными водами - прилегающими реками, каналами, озерами и накопительными водоемами соответственно в объемах 75% и 25% [2].
Проблема механизации водоснабжения из трубчатых и шахтных колодцев в республике решена достаточно. Для этого имеются серийно выпускаемые погружные насосы, ленточные и шнуровые водоподъёмники, воздушные водоподъёмники лифтные и камерные, конструкции которых и технологические процессы ежегодно совершенствуются.
При ведении пастбищного животноводства наиболее доступным видом водообеспечения, не требующих больших затрат, являются наземные водоисточники, в большинстве из которых может быть использована кинетическая энергия движущейся воды для механизации орошения приусадебных участков, хозяйственных и бытовых нужд, а также электроснабжения фермерских хозяйств.
Однако до настоящего времени проблема механизации водоснабжения и электроснабжения фермерских хозяйств нашей республики в указанных условиях еще не решена.
В республике и странах СНГ для подачи воды из предгорных рек разрабатывались насосы типа гидравлического тарана, в которых для создания напора использовались энергия потока воды, перепад давления и эффект гидроудара. Они завершены изготовлением экспериментальных и опытных образцов, не нашедших применения [3,4]. Имеются разработки аналогичных насосных установок с приводом от энергии движущейся воды, но с активными вращающимися рабочими органами типа: роторно-пластинчатый конструкции Нижегородской ГСХА [5,6] и турболифтный ГНУ ВИЭСХ [7], однако они находятся на стадии экспериментальных образцов, причем с низким основным показателем (подача - от 0,1 до 1,0 м[3]ч), работы по их совершенствованию продолжаются.
В настоящее время для механизации фермерских хозяйств в указанных зонах Казахстана преимущественно используют традиционные центробежные насосные установки марки АН-2К-9-М1 и АНС-60Д с приводом от двигателей внутреннего сгорания 2СД-М2 мощностью 1,5 кВт (2 л.с.) и УД-2 мощностью 5,9 кВт (8 л.с.) [8,9].
Однако использование энергии рек, каналов и отводных накопительных водоемов, в т.ч. для привода насосных установок, позволило бы сельхозформированиям сберегать значительное количество дорогостоящего топлива и использовать экологически чистые технологические процессы в водоснабжении.
Проблема водоснабжения фермерских хозяйств в условиях прилегающих рек, каналов и отводных накопительных водоемов с использованием природных условий и естественных энергетических ресурсов воды в современных условиях перспективна и актуальна, имеет большое народнохозяйственное значение, решение которой рационально осуществить гидротаранной насосной установкой. Принцип подъёма воды в напорно-вакуумной насосной установке осуществляется за счёт: использования части потока воды водотока, давления от геометрического, скоростного и гидроударного напоров.
Новизна научной работы заключается в разработке гидротаранной насосной установки, работающей по энергосберегающей и экологически чистой технологии водоподъёма, с повышением основных показателей (подачи, напора и КПД) за счёт одновременного использования геометрического, скоростного и гидроударного напоров и осуществления технологического процесса водоподъёма при низких напорах водотока.
Исследования, отражённые в работе, выполнялись в КазНАУ по грантовому проекту Обоснование и разработка энергосберегающей технологии и технических средств водоподъема с использованием для привода гидроэнергии водотоков: отчет о НИР (заключительный) №гос.регистрации 0112РК00178. Руководитель Саркынов Е. - Алматы, 2014-99с. [10].
Цель работы - обоснование параметров и разработка гидротаранной насосной установки, обеспечивающей снижение эксплуатационных затрат в 3...6 раз.
Объект исследования - гидротаранная насосная установка с использованием для привода кинетической энергии воды в водотоках.
Предмет исследования - технологический и гидродинамические процессы, протекающие в насосной установке.
Задачи исследований:
1. Обоснование проекта обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств АПК Алматинской области, расположенных в зонах водотоков, в соответствии с водным Кодексом .
2. Выбор и обоснование конструктивно-технологической схемы насосной установки для эффективного обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств в исследуемой зоне.
3. Обоснование методики и расчёт параметров принятой насосной установки для. обводнения пастбищ типового хозяйства.
4. Технико - экономическое обоснование эффективности предложенного дипломного проекта.
В результате выполненной работы обоснован тип и рациональная схема гидротаранной насосной установки для подъёма воды из водотоков [11].
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования гидротаранного способа водоподъёма из водотоков, в том числе протекающие в нём процессы: технологический в напорной системе и эффект гидроудара в технологическом процессе водоподъёма. В результате установлены аналитические зависимости по определению: основных технологических параметров - напора, подачи и КПД; а также основного параметра эффекта гидроудара - гидроударного напора при работе ударного клапана. Результаты исследований явились научной основой для обоснования и расчета параметров гидротаранной насосной установки для подъёма воды из водотоков [12].
Обоснованы основные параметры и разработана конструкция гидротаранной насосной установки для фермерских и крестьянских хозяйств АПК РК [13,14].
Предложен метод теоретического анализа по совершенствованию гидротаранной насосной установки [15].
Экспериментально выбраны рациональные варианты напорной части, ударного клапана, проверены и уточнены параметры насосной установки, подтверждена достоверность выполненных теоретических исследований [10].
Конструкция гидротаранной насосной установки защищена предварительным патентом и патентом KZ на изобретение [16,17,18], подтверждая новизну и полезность.
На основании исследований разработаны экспериментальный и опытный образцы гидротаранной насосной установки, которые соответственно прошли успешно лабораторно - хозяйственные и предварительные испытания с рекомендацией проведения приёмочных ведомственных (государственных) испытаний, с целью пополнения внутреннего рынка недостающим типом насосных установок [19,20].
Прогнозируемая потребность в гидротаранных насосных установках по Республике Казахстан может составить не менее 11560 тыс. штук [14].
Применение разработанных гидротаранных насосных установок в фермерских и крестьянских хозяйствах РК, расположенных в зонах прилегающих водотоков, по сравнению с базовой насосной установкой АН -2К - 9 - М1 (с центробежным насосом и приводом от двигателя внутреннего сгорания) позволит снизить эксплуатационные затраты в 5,6 раз и получить годовой экономический эффект 319971 тыс. тенге на одну установку при сроке окупаемости 0,14 года, общий эффект по зоне - 3,698 млр. тенге.
По выполненной работе получены следующие результаты:
- новая схема гидротаранной насосной установки с использованием для привода энергии движущейся воды в водотоках;
научные основы гидротаранного способа водоподъёма из
водотоков;
основные параметры гидротаранной насосной установки для
фермерских и крестьянских хозяйств;
- созданная конструкция опытного образца гидротаранной
насосной установки, работающей по энергосберегающей и экологически
чистой технологии подъёма воды из водотоков.
1. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА ОБВОДНЕНИЯ ПАСТБИЩ КРЕСТЬЯНСКИХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ АПК АЛМАТИНСКОЙ ОБЛАСТИ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНАХ ВОДОТОКОВ, В СООТВЕТСТВИИ С ВОДНЫМ КОДЕКСОМ
1.1 Состояние и перспективы развития механизации водоснабжения сельхозформирований АПК Республики Казахстан в рыночных условиях
Исследуемый объект по обоснованию проекта обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств с использованием гидротаранной насосной установки (на примере Алматинской области) расположен в регионе Южного Казахстана. Территория Алматинской области составляет 223,9 тыс. кв. км. Алматинская область граничит со следующими регионами Казахстана: Жамбылская область на западе, Карагандинская область на северо-западе (водная граница проходит по озеру Балхаш), на северо-востоке расположена Восточно-Казахстанская область. На востоке область граничит с Китайской народной республикой, на юге с Кыргызстаном (Чуйская и Иссык-Кульская области). План землепользования Алматинской области показан на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 План землепользования Алматинской области
Природные условия Алматинской области включают 5 климатических зон - от пустынь до вечных снегов. Климат резко континентальный, средняя температура января в равнинной части от - 12,3˚ С до -15˚ С, в предгорьях - 6-8˚ С. Средняя температура июля от +16˚ С до +24+25˚ С. Годовое количество осадков на равнинах - до 300 мм, в предгорьях и горах - от 500-700 до 1000 мм в год. [21].
Водоснабжение крестьянских и фермерских хозяйств и других сельскохозяйственных формирований АПК Республики Казахстан для удовлетворения хозяйственно-питьевых нужд, как и населенных пунктов, осущест - вляется за счет подземных вод - трубчатыми и шахтными колодцами и поверхностными водами - прилегающими реками, каналами, озёрами и накопи - тельными водоёмами в объёмах 75% и 25% [19].
Запасы вод к использованию по республике значительны: подземные -176,08 млн.м[3]сут, в т.ч. пресные (с минерализацией до 1гдм[3]) - 110,8 млн. м сут, поверхностные - 81,5-158,7 млн.м сут. Однако они требуют рационального их использования и поддержания водоисточников в экологически чистом состоянии.
Общая потребность в воде хозяйственно - питьевого назначения по республике составляет 5210 тыс. м[3]сут, в том числе подземными водами -2901 тыс. м[3]сут, из них около 26% (1350 тыс м[3]сут.) потребности приходится на долю сельского потребителя.
Подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения сельского потребителя.
Централизованными системами водоснабжения охвачено 45,8% или 3911 населённых пунктов, из них 15,6% подключены к групповым водопроводом (протяжённость 17 тыс. км) и 30,2% - к локальным водопроводом (протяжённость 29 тыс. км). Остальные 54,2% сельских потребителей имеют своё автономное водообеспечение за счёт организации служб по механизации водоснабжения из подземных и поверхностных водоисточников. [19]
В настоящее время по статистическим данным число сельскохозяйст - венных формирований в АПК РК составляет более 185 тысяч, преимущественно это фермерские и крестьянские хозяйства.
Для стабильного и эффективного развития сельхозформирований АПК РК необходимо их техническое оснащение перспективными и современными машинами, оборудованием и установками, в том числе по механизации сель - скохозяйственного водоснабжения, причём с использованием энергосберегающих и экологически чистых технологий.
В рыночных условиях, когда на рынке имеется большое количество водоподъёмного оборудования, сельхозпотребителю необходимо знать, что на выбор необходимого типа водоподъёмного оборудования и эффективное его использование существенное влияние оказывают природно-хозяйственные факторы (наличие экологически чистых естественных энергоисточников - ветровой, водяной и солнечной, искусственных централизованных электросетей, климат, рельеф местности, сезон использования объекта, режим водопотребления), основные параметры, имеющихся подземных или поверхностных водоисточников: дебит, статический уровень залегания вод, глубина до дна, внутренний диаметр (для скважин), минерали - зация воды, содержание в воде твёрдых частиц (песка), а также структура потребителя, определяющая потребность в воде (водопой животных, полив приусадебных участков и на другие технические нужды), необходимый расчётный напор насосной установки и резервирование воды (водонапорная башня или резервуар расчётной вместимостью).
По расчётной потребности в воде (Q, м[3]ч ), напору (Нр,м), и с учётом основных природно-хозяйственных факторов, потребитель определяет необ - ходимый тип водоподъёмного оборудования по основным его параметрам: подаче (Q, м[3]ч), напору (Нр,м), установленной мощности двигателя (N, кВт), диаметру насоса (Dh, мм) и допустимых условий применения по минерализа - ции и содержанию в воде твёрдых частиц (песка).
В Республике Казахстан около 25-30% фермерских (крестьянских) хо - зяйств и других сельхозформирований АПК по географическому положению находятся в зонах прилегающих рек, каналов и отводных накопительных во - доёмов, использование энергии движущейся воды в которых, в том числе для привода насосных установок, позволит сельхозформированиям сберегать значительное количество дорогостоящего топлива и использовать энергосбе - регающие экологически чистые технологические процессы в водоснабжении.
Запас водных ресурсов в указанных зонах АПК РК значительный [22]: 8643 водотока, имеющих постоянный или сезонный гидрогеологи - ческий режим, протяженностью 123 тыс.км, в т.ч. 5076 водотоков протяжен - ностью 75,3 тыс.км- постоянно действующие. Дебиты малых горных рек колеблются от 0,1 до 1 м[3]с и более, крупных рек, например, Или - от 137 м[3]с до 2450 м[3]с, скорость течения воды - от 1 до 5мс. Горные реки протяженностью до 25км в основном имеют потенциальную мощность до 0,25 млрд.кВт.чгод.
Реки Казахстана относятся к бассейнам Северного Ледовитого Океана и замкнутой области внутреннего стока Евразии, где система рек направляют свои воды в Каспийскую, Аральскую и Балхашскую впадины.
На территории Алматинской области имеется 496 водотоков протя - женностью 10 тыс.км. Основные реки -Или, Чарын, Чилик, Талгар, Каскелен, Чемолган, Большая и Малая Алматинка, Тургень, Аксай, Джирен-Айгир, Узун-Агач, Кара-Костек, Каргалы, Бурундай, Байсерке, Карасу, Хоргос, Бижа, Лепсы, Каратал, Усек, Баскан, Коксу, Тентек, Сарканд, Аксу, Коктал и др. Дебиты рек колеблются в широком пределе - от 2,9 до 2450 м[3]с, глубина - от 0,3 до 8 м, скорость воды 1-5мс. Движение воды в каналах в зависимости от назначения составляет - 0,8-1,5 мс, дебиты - 0,5-100 м[3]с, глубина - 0,8 - 2 м и более.
В указанных зонах Казахстана, в настоящее время для механизации водоснабжения фермерских хозяйств преимущественно используют традиционные центробежные насосные установки марки АН-2К-9-М1 и АНС-60Д (параметры: подача-5-60 м[3]ч, напор - 13-21,5 м) с приводом насоса от двигателей внутреннего сгорания соответственно 2СД-М2 мощностью 1,5 кВт (2 л.с.) и УД-2 мощностью 5,9 кВт (8 л.с), которые потребляют значи - тельное количество топлива - 0,85-2 кг в час и ухудшают экологию окру - жающей среды выбросами отработанных газов.
На внутреннем и внешних рынках сбыта альтернативных насосных ус - тановок с использованием для привода энергии движущейся воды в водотоках нет, однако разработки в этом направлении ведутся, в том числе велись РГП НПЦ механизации сельского хозяйства и Каз НАУ.
Данная работа посвящена разработке альтернативной насосной уста - новки гидротаранного типа для подъёма воды из водотоков с приводом от энергии движущейся в них воды, используя прогрессивные энергосбере - гающую и экологически чистую технологии водоподъёма, а также значи - тельно уменьшая эксплуатационные затраты по сравнению с традиционными насосными установками, которая прошла конкурсный отбор и выделен инновационный грант и включена в тематику КазНАУ для проведения прикладных исследований с использованием водоподъемной технологии, с приводом насосов от энергии воды в водотоках, в том числе для разработки гидротаранной насосной установки
1.2 Существующие проекты обводнения пастбищ
Проектными организациями Союзгипроводхоз Минводхоза СССР и Казгипроводхоз КазССР в период 70-х-80-х годов разрабатывались существующие проекты обводнения пастбищ для Казахстана [2], в последующие годы они лишь уточнялись и совершенствовались.
Каждый проект включал в себя типовой водопойный пункт, разработанный по проекту ТП 820-145, и насосную установку (водоподъемник) необходимого типоразмера, преимущественно серийного производства промышленностью или рекомендованные водоподъемники машиноиспытательными станциями в серийное производство.
Типовые проекты разрабатывались как для подъема воды из скважин, так из шахтных колодцев [2], которые широко использовались для обводнения пастбищ, в том числе в исследуемой зоне - Алматинской области.
1.3 Обзор работ и результаты патентных исследований по насосным установкам с использованием для привода энергии движущейся воды
На основании обзора работ установлено, что разработкам конструкций, теоретическим и экспериментальным исследованиям насосных установок с использованием для привода энергии движущейся воды посвящены отечественные и зарубежные работы: Кашеков Л.Я., Лихоеденко П.К., Кирилловский Ю.Л., Подвидз Л.Г.( 1955... 1970) [23,24], Альферович А.Н., Повалиев М.К. (1980... 1990) [25], Хохлов А.В., Хохлов В.А., Маджидов У.Х., Назаров Н.Т., Назаров С.Н., Филиппович Ю.Ю. (1995...2003) [26,27,28], Искандарян А.А., Мостков М.А. (1963... 1970) [29,30], Калашников А.А., Кандрин Н.Н., Жарков В.А., Шаромов С.А., Садретдинов М.С. (1995...2004) [31], Иванов Е.Г., Культяпов С.Ю., Кадылкин А.В. (2001...2004) [5,6], Яковлев А.А. (2001...2005) [10,11], Саркынов Е. 14-16, 19-20 и другие.
По данному направлению исследований разработки конструкций вы - полнялись в основном по четырём принципиальным схемами насосных уста - новок (рисунок 1.2).
В ВИЭСХ Кашековым Л.Я., Лихоеденко П.К., Кирил - ловским Ю.Л., Подвидз Л.Г.(1955-2005 гг.) [4,32-36] исследованы и разработаны конструкции водоструйных установок для подачи воды из трубчатых и шахтных колодцев. Дана теория технологического процесса струйных аппаратов и методика расчета водоструйных установок, в результате было разработано шесть типоразмеров водоструйных насосных установок: ВН - 2 - 8 (подача - 3,6...1 м[3]ч, глубина подъёма воды -8...41 м, мощность - 4,5...7 кВт, КПД - 0,18-0,40);
а) - схема водоструйного насоса:
1- пакер;
2- струйный аппарат;
3- водоподъемный трубопровод;
4- обсадные трубы скважины;
5- обратный клапан;
6- всасывающий фильтр
б) - схема гидроэлеватора:
1-нагнетательный трубопровод;
2- сопло (насадка);
3 - смесительная камера;
4 - всасывающий патрубок;
5 - диффузор
в) - схема гидротарана:
1 - сосуд-колпак;
2,4 - ударный и обратный клапаны;
3,5 - питающий и нагнетательный трубопроводы;
6 - река (гидросооружение).
г) - схема сифона:
1 - нагнетательный трубопровод;
2 - рассекатель;
3 - патрубок с вентилем.
Рисунок 1.2 Существующие насосные установки с использованием кинетической энергии воды
ВН - 2Ц - 6 (подача-6,8...14,4 м[3]ч, глубина подъёма воды- 15...75 м, мощность - 7... 14 кВт, КПД - 0,20-0,44); ВН-2-Ш (подача -1...8 м[3]ч, глубина подъёма воды- 10...35 м, мощность - 0,6...2,8 кВт); ВН -1- 4 (подача - 2,5...12 м[3]ч, глубина водоподъёма - 10...35 м, мощность - 2,8...4,5 кВт, КПД - 0,25-0,38); ВН-1-3 (подача - 1...2 м[3]ч, глубина водоподъёма - 10...20 м, мощность - 0,6 кВт, КПД-0,18-0,25).
Водоструйные установки (рисунок 1.2а) состояли из струйного аппарата, подсоединенных к нему колоны водоподъемных и напорных труб, и центробежного насоса с приводным двигателем (ДВС, электродвигатель), причем перед пуском вся система заполнялась водой.
Разработкой аналогичных конструкций занимались в 1964 г другие научно-исследовательские институты и организации: в ВИСХОМ и МВТУ им. Баумана [32] разработан водоструйный водоподъёмник ВП-0,9 (подача-2,2...4,0 м[3]ч, высота водоподъёма - 10...30 м, мощность - 1,03...1,18 кВт, КПД - 0,19-0,22), который отличался сравнительно меньшей массой. В последствии доработка конструкций водоструйных установок для пастбищного водоснабжения проводилась в ГСКБ овцемаш. Установки выпускались серийно, после развала СССР выпуск приостановлен. Достоинства - простота насосной части, не имеет вращающихся частей.
Недостатки - напор и подача создаётся традиционным центробежным насосом, ограничено применение, лишь для подъёма воды из подземных во - доисточников (шахтных и трубчатых колодцев), для подъёма воды струйным насосом из водотоков необходима доработка конструкции и проведение ис - следований.
В ЦНИКИВР проводились работы по созданию водоподъёмного устройства вакуумно-струйного типа с использованием для подъёма воды на большую высоту кинетической энергии движущейся воды из водоёмов в 1980...90г.г [33]. Водоподъёмное устройство состояло из водонаполняемой ёмкости со сливным клапаном и всасывающим водоподъёмным трубопроводом с обратным клапаном и эжектора (вакуумно-струйного аппарата) с вакуумным трубопроводом, сообщающим его пассивное сопло с водонаполняемой ёмкостью, а активное сопло- с движущейся жидкостью из водоёма. В этом водоподъёмном устройстве эжектор, используя кинетическую энергию воды водоисточника, создавал вакуум в водонаполняемой ёмкости, обеспечивая технологический процесс водоподъёма.
В водоподъёмном устройстве применён известный струйный аппарат (см. рисунок 1.2б), разработанный в ВИЭСХ [3], состоящий из подводящего патрубка с активным соплом, всасывающего патрубка с пассивным соплом, смесительной камеры с диффузором, которые взаимосвязаны и соосно установлены между собой, активное сопло подводящего патрубка размещено внутри пассивного сопла, примыкающего к смесительной камере. Основное назначение струйного аппарата - перекачивание и подъём жидкостей преимущественно в струйных насосах, используя для этого кинетическую энергию подаваемой под напором жидкости через активное сопло подводя - щего патрубка.
Достоинства -- использование для подъёма и перекачивания воды кине - тической энергии движущейся воды самого водоисточника.
Недостатки -- низкая эффективность использования струйного аппара - та, особенно при малом напоре движущейся воды, в результате обеспечива - ется малый вакуумный напор и низкая вакуумирующая способность.
В НПП Водоподъёмник (Узбекистан) [34] проведены исследовательские работы по совершенствованию струйных насосов в 1995...2003 г.г, в результате разработана конструкция струйного аппарата с саморегулирующимся проходным сечением отверстия активного сопла, который позволяет автоматически поддерживать вакуумирующие способности струйного насоса при уменьшении в процессе работы напора подающей рабочей жидкости в активное сопло струйного аппарата.
Саморегулирующийся струйный аппарат состоит из подающего и всасывающего патрубков с активным и пассивным соплами и смесительной камеры, внутри активного сопла соосно установлена конусная игла, соединённая через толкатель с подвижной осью, на которой установлен поршень, подпружиненный относительно днища цилиндра и перемещаемый в цилиндре от действия разности сил сжатия пружины и давления рабочей жидкости. При перемещении поршня, перемещается в осевом направлении игла в сопле, изменяя её проходное сечение.
Достоинства - достигнута стабилизация КПД насосной установки и ва - куумирующая способность струйного аппарата.
Недостатки - низкая эффективность струйного аппарата при малых напорах рабочей воды.
В Украинском государственном университете водного хозяйства и природопользования [35] проведены исследовательские работы по разработ - ке автоматизированных насосных установок с использованием вакуумных насосов, в том числе выполнялись экспериментальные работы при оснаще - нии насосных установок вместо вакуум-насосов струйными аппаратами (эжекторами) с тремя сменными соплами диаметром 20;25 и 30 мм и камерой
смешения диаметром 50 мм и длиной 300 мм, результаты которых положи - тельны.
Достоинства - упрощен технологический процесс вакуумирования с использованием струйных аппаратов в качестве вакуум-насосов и повышена надёжность вакуумной системы.
Недостатки - уменьшена величина максимального вакуума в системе и вакуумирующая способность.
В Ереванском политехническом институте в 1963...70 г.г (ЕрПИ) про - ведены исследования и разработаны конструкции гидротаранных насосных установок [36] (см. рисунок 1.2в и рисунок 1.3а) трех типоразмеров ЕрПИ -100 (подача - до 10,8 м[3]ч, напор-до 150 м, диаметр ударного клапана - 100 мм, перепад высот - 1 - 50 м); ЕрПИ-150 (подача - до 25 м[3]ч, напор до 100 м, диаметр ударного клапана - 150 мм, перепад высот - 1-30 м); ЕрПИ - 250
а) Гидротаран ЕрПИ:1- питательная труба; 2-ударный клапан; 3-нагнетательный клапан; 4-трубка для пополнения воздуха; 5- воздушный колпак; 6- штырь
б) Гидротаран КазНИИВХ: 1- корпус; 2- воздушный колпак; 3- ударный клапан; 4- обратный клапан; 5- направляющие качения
Рисунок 1.3 Конструкции гидравлических таранов
Гидротаранная насосная установка относится к типу установок, в которых для создания напора и подачи используется кинетическая энергия движущейся воды. Принцип работы основан на создании в водоподъёмной системе гидроудара от периодического закрытия и открытия ударного клапана в питательном трубопроводе, от которого в нём циклически повышается давление и вода через обратный клапан нагнетается в ёмкость воздушного колпака и по нагнетательному трубопроводу подаётся потребителю.
Гидротаранная установка включала питательный трубопровод длиной 10-14 м, нагнетательные трубы и гидротаран, состоящий из корпуса - трубы, ударного и нагнетательного клапанов и воздушного колпака, кроме того ус - тановка требовала при эксплуатации гидротехнического сооружения в виде накопительной ёмкости и установочной площадки с перепадом высот водо - заборного трубопровода и сливного патрубка от 1,0 м и более.
В сельскохозяйственном водоснабжении, кроме типоразмера ЕрПИ были разработаны и серийно изготовлялись еще три типоразмера: ТГ-1 (по - дача- 6 м[3]ч, напор - до 100 м, диаметры труб: напорной - 38 мм, питатель - ной - 75 мм, объем колпака - 20 дм[3], масса - 106кг);ТГ-2 (подача - 2,7-19 м[3]ч, напор- до 100 м, диаметры труб: напорной - 25-50 мм, питательной -50-100 мм, объем колпака - 13,5-16 дм[3], масса - 127-204кг); УИЖ-К100 (по - дача - 0,4-12 м[3]ч, напор - до 100 м, диаметры труб: напорной - 50 мм, пита - тельной - 127 мм, объем колпака - 18 дм[3], масса - 242кг, перепад высот - от 1 м до 50 м).
Достоинства - простота конструкции гидротарана и использование для привода кинетической энергии самого водоисточника.
Недостатки - большая длина питательного трубопровода, требует до - полнительных гидротехнических сооружений.
В 1995...2004 г.г. в КазНИИВХ (Казахстан) [31] проводились работы по совершенствованию гидротаранных насосных установок, в результате ко - торых создано два варианта, которые отличались конструктивным исполнением гидротарана, исследования в основном были направлены на улучшение конструкции ударного и обратного клапанов.
Гидравлический таран (рисунок 1.3б) состоит из корпуса с ударным и нагнетательным клапанами и воздушного колпака с водоподающим трубо - проводом. Ударный клапан расположен на выходном патрубке корпуса, со - стоящем из тарельчатого клапана со штоком и регулировочной гайкой, крышки - седла, на которой установлены направляющие качения в виде роли - ков, внутри которых перемещается шток с тарельчатым клапаном, а нагнета - тельный клапан выполнен в виде неподвижно установленной самоуплот - няющейся манжеты в ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Водные ресурсы и мелиорация
ДЖУСУПОВА Ж. К.
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
ПРОЕКТ ОБВОДНЕНИЯ ПАСТБИЩ КРЕСТЬЯНСКИХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ АПК АЛМАТИНСКОЙ ОБЛАСТИ РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНАХ ВОДОТОКОВ
специальность 5В080500 - Водные ресурсы и водопользование
Алматы 2018
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Гидротехника, мелиорация и бизнес
Кафедра Водные ресурсы и мелиорация
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Тема:______________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ _______________________
Объём, стр. ______________
Количество чертежей и иллюстрационных материалов ______________
Приложения _____________
Выполнила ___________________________________ ________________ - - - - - - - - - - - - ____
(Ф. И. О.)
Допущена к защите ______________20___ г.
Заведующий кафедрой _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Руководитель _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Консультанты:
_____________________ _______________ ____________________________
(раздел) (подпись) (Ф. И. О.)
_____________________ _______________ ____________________________
(раздел) (подпись) (Ф. И. О.)
Нормоконтроль _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Рецензент _______________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Алматы 2018
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Гидротехника, мелиорация и бизнес
Кафедра Водные ресурсы и мелиорация
Специальность 5В080500 - Водные ресурсы и водопользование
ЗАДАНИЕ
на выполнение дипломной работы (проекта)
Студент ___________________________________ _______________________________
(Ф. И. О.)
Тема работы (проекта)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _____________________________________________________________
Утвержден приказом университета №____ от __________________20___г
Срок сдачи готовой работы (проекта)
_________________20___г
Исходные данные для работы (проекта)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _________________________
___________________________________ _______________________________
Список вопросов для разработки дипломной работы (проекта)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________
Список графических материалов (при необходимости)
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ __________________________________
Рекомендуемая базовая литература
___________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _______________________________________________________
Консультанты по специальным разделам работы (проекта)
Раздел
Консультант
Срок
Подпись
Заведующий кафедрой ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Руководитель работы ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Принял задание на
выполнение, студент _________________ _________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
ГРАФИК
выполнения дипломной работы (проекта)
Коли
чество
Главы и список вопросов для рассмотрения
Срок предоставления руководителю
Примечания
Заведующий кафедрой ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Руководитель работы ________________ ____________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
Принял задание на
выполнение, студент _________________ _________________________
(подпись) (Ф. И. О.)
СОДЕРЖАНИЕ
Нормативные ссылки ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ...
8
Определения ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
10
Обозначения и сокращения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
12
Введение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
14
1.
Обоснование необходимости разработки проекта обводнения пастбищ с использованием гидротаранной насосной установки в соответствии с водным кодексом ... .
18
1.1 Состояние и перспективы развития механизации водоснабже - ния сельхозформирований АПК Республики Казахстан в рыночных условиях ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
18
1.2 Существующие проекты обводнения пастбищ ... ... ...
21
1.3 Обзор работ и результаты патентных исследований по насосным установкам с использованием для привода энергии движущейся воды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
21
1.4 Анализ теоретических и экспериментальных исследований по известным разработкам насосных установок с использованием кинети - ческой энергии воды...
33
1.5 Обоснование направления исследования по использованию энергии водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... .
36
2.
Выбор и обоснование конструктивно - технологической схемы насосной установки для эффективного обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств в исследуемой зоне ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
38
2.1 Определение типа и основных требований, предъявляемых к принципиальной схеме насосной установки для водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .
38
2.2 Выбор принципиальной схемы гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ...
39
3.
Обоснование методики и расчёт параметров принятой насосной установки для обводнения пастбищ типового хозяйства ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
43
3.1 Исследование гидроударного способа водоподъема из водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
43
3.2 Теоретические исследования гидроударного способа водоподъема из водотоков ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...
44
3.3 Обоснование исходных параметров гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ..
46
3.4 Обоснование основных технологических и технических параметров гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
49
3.5 Экспериментальные исследования гидротаранной насосной установке ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ...
51
4.
Технико-экономическое обоснование эффективности предложенного дипломного проекта ... ... ... ... ... ... ... ..
56
4.1 Расчет экономической эффективности гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .
56
4.2 Обоснование выбора базового насосного агрегата ... ... .
56
4.3 Исходные данные для расчёта ... ... ... ... ... ... ... ... .
57
4.4 Расчёт основных показателей базового насосного агрегата АН-2К-9-М1 ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
58
4.5 Расчёт основных показателей новой гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .
60
4.6 Показатели экономической эффективности гидротаранной насосной установки ... ... ... ... ... ... .. ... .
62
Заключение ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ...
65
Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... . ... ..
67
Приложение ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
71
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В настоящей дипломной работе использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р15.01-96. Порядок проведения патентных исследований;
ГОСТ 2405-88. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры,
напорометры, тягометры и тягонапорометры. Общие технические условия;
ГОСТ 3262-75. Стальные водогазопроводные трубы. Общие технические условия;
ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний;
ГОСТ 7502-98. Рулетки измерительные металлические. Технические условия;
ГОСТ 10362 -76. Рукава прорезиненные. Общие технические условия;
ГОСТ 10428-71. Насосы центробежные скважинные для воды с погруженным электродвигателем. Общие технические условия;
ГОСТ 15.001-73. Разработка и постановка продукции на производство. Основные показатели;
ГОСТР 15.201-2000. Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно - технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство;
ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции.
Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения;
ГОСТ 18164-72. Вода питьевая. Методы определения содержания
сухого остатка;
ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Методы определения
условий испытаний;
ГОСТ 23728-80 - ГОСТ 23730-88. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки;
ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование
эксперимента. Термины и определения;
ГОСТ 24104-2001. Весы лабораторные. Общие технические условия;
ГОСТ 24902-81. Вода хозяйственно-питьевого назначения. Общие требования к полевым методам анализа;
ГОСО РК 05.04.019 - 2008 Государственный общеобязательный стандарт образования Республики Казахстан. Высшее образование. Бакалавриат. Основные положения.
ГОСО РК 05.03.16 - 2009 Правила выполнения дипломной работы (проекта) в высших учебных заведениях. Основные положения
ОСТ 101.1 - 98. Испытания сельскохозяйственной техники, машин и
оборудования для переработки сельскохозяйственного сырья. Основные
положения;
ОСТ 1011.2-2002. Испытания сельскохозяйственной техники. Станции
насосные передвижные. Методы оценки функциональных показателей;
ОСТ 1021.1-2002. Испытания сельскохозяйственной техники. Установки водоподъёмные. Методы оценки функциональных показателей;
РТМ 44-62. Методика статистической обработки эмпирических
данных;
РД 07-07-21-86. Методические указания. Порядок проведения патентных исследований в системе Госагропрома СССР.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящей дипломной работе применяют следующие термины с соответствующими определениями.
Подача - отношение объёма подаваемой воды насосной установкой ко времени.
Напор насосной установки - избыточное давление, создаваемое насосной установкой, измеряемое в метрах водяного столба, определяется зависимостью, Нр = Ризб γ, где Ризб - избыточное давление насосной установки, Па; γ - удельный вес воды, Нм[3], Нр - напор, м. вод. ст.
Напор водотока - давление, создаваемое водотоком, измеряемое в м.
вод. ст., определяется зависимостью Hв=hn+ v[2] 2g , где hn - перепад высот верхнего уровня воды и нижнего - водоотбора водотока, м; v - скорость воды в водотоке, мс; g - ускорение свободного падения, мс[2]; Нв - напор водотока, м. вод. ст.
Напор скоростной - давление, создаваемое от скорости движения
воды, измеряемое в м. вод. ст., определяется зависимостью Нск = v[2] 2g, где v - скорость движущейся воды, мс; Нск - скоростной напор, м. вод. ст.
Напор вакуумный - давление ниже атмосферного (разряжение), создаваемое насосной установкой, измеряемое в м. вод. ст., определяется
зависимостью, Hвак=Ра-Рэγ, где Ра - давление атмосферное, Па; Рэ - давление в вакуумной системе насосной установки, Па; Нвак - вакуумный напор, м. вод. ст.
Водоток - водоисточник с движущейся жидкостью (река, канал и др.).
Мощность полезная - мощность, сообщаемая насосной установкой подаваемой воде.
Мощность затраченная - мощность, потребляемая насосной установкой.
Коэффициент полезного действия - отношение полезной мощности к мощности затраченной.
Напорно-вакуумная насосная установка - техническое средство для подъёма и подачи воды из водотоков, создающее напор и вакуум, используя для привода кинетическую энергию движущейся воды в водотоке.
Струйный аппарат (эжектор) - устройство для нагнетания (отсасывания) жидкости или воздуха, действие которого основано на увлечении нагнетаемой (отсасываемой) жидкости или воздуха за счёт использования кинетической энергии рабочей жидкости.
Гидротаран - водоподъёмное устройства, в котором давление создаётся в результате гидравлического удара путем периодического закрытия и открытия ударным клапаном движения воды в приёмном трубопроводе.
Сифон - (от греч.siphon - трубка, насос), устройство для перекачивания жидкости, использующее неразрывность её потока.
Конструкция - устройство, взаимное расположение частей, состав какого-либо строения, механизма и т.п. (например, насосной установки, эжектора, гидротарана).
Параметр - величина, характеризующая какое-либо основные свойство процесса, явления или системы, машины, устройства (например, подача, напор, коэф. сопр.).
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Q - подача насосной установки, расход воды, м[3]с;
Н - напор насосной установки, водотока, скоростной и вакуумный напоры, высота водоподъёма, м. вод. ст.;
η - коэффициент полезного действия насосной установки, использования рабочего времени смены;
ν - скорость движения воды в водотоке, трубопроводах, мс;
Р - избыточное давление воды, создаваемое внутри трубопроводов, мс;
D , d - диаметр отверстий труб, круглого профиля деталей, м;
F - площадь сечения проходных отверстий, русла водотока, м[2];
γ - удельный вес воды, Нм[3];
ρ - плотность воды, кгм ;
ζ - коэффициент местных сопротивлений;
λ - коэффициент трения воды в трубопроводах;
m - масса груза, тел и т.д., кг;
L, l - длина трубопровода, м;
h- относительный напор в струйных аппаратах, уровень погружения, потери напора, длина плеч противовеса ударного клапана, м;
q - объёмный расход в струйных аппаратах, водопотребление потребителя, м[3];
t - время протекающего процесса, с;
К - объёмный модуль жидкости, Нм[2];
Е- модуль продольной упругости материала трубопровода, Нм ;
А - скорость распространения ударной волны, скорость распространения звука в жидкости, мс;
П - выработка насосной установки, м[3];
Т - годовая загрузка, ч;
Л - количество обслуживающих персонала, чел;
Э - эффект от использования насосной установки, тенге;
С - удельные отчисления на реновацию, техобслуживание и ремонт, на топливо-смазочные материалы, тенгем[3];
3 - удельные эксплуатационные затраты, тенгем ;
СНГ - Союз независимых государств;
ГСХА - Государственная сельскохозяйственная академия;
ГНУ ВИЭСХ - Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
АПК - агропромышленный комплекс;
КПД - коэффициент полезного действия;
ЦНИИКИВР - Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов;
НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки;
ЭЦВ - электропогружной центробежный водоподъёмный насос;
ТГ - таран гидравлический;
УИЖ - К 100 - гидротаран конструкции Украинского института животноводства.
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с Указом Президента РК от 28.01.98 г. № 3834 и с изменениями и дополнениями от 7.09.99 г. № 206 О мерах по реализации стратегии развития Казахстана до 2030 года, правительством РК ставится задача, в частности, внедрение ресурсосберегающих технологий, разработка эффективных энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии и снижение темпов ухудшения окружающей среды. [1]
Водоснабжение фермерских хозяйств, как и других потребителей РК, осуществляется за счет подземных вод - трубчатыми и шахтными колодцами и наземными водами - прилегающими реками, каналами, озерами и накопительными водоемами соответственно в объемах 75% и 25% [2].
Проблема механизации водоснабжения из трубчатых и шахтных колодцев в республике решена достаточно. Для этого имеются серийно выпускаемые погружные насосы, ленточные и шнуровые водоподъёмники, воздушные водоподъёмники лифтные и камерные, конструкции которых и технологические процессы ежегодно совершенствуются.
При ведении пастбищного животноводства наиболее доступным видом водообеспечения, не требующих больших затрат, являются наземные водоисточники, в большинстве из которых может быть использована кинетическая энергия движущейся воды для механизации орошения приусадебных участков, хозяйственных и бытовых нужд, а также электроснабжения фермерских хозяйств.
Однако до настоящего времени проблема механизации водоснабжения и электроснабжения фермерских хозяйств нашей республики в указанных условиях еще не решена.
В республике и странах СНГ для подачи воды из предгорных рек разрабатывались насосы типа гидравлического тарана, в которых для создания напора использовались энергия потока воды, перепад давления и эффект гидроудара. Они завершены изготовлением экспериментальных и опытных образцов, не нашедших применения [3,4]. Имеются разработки аналогичных насосных установок с приводом от энергии движущейся воды, но с активными вращающимися рабочими органами типа: роторно-пластинчатый конструкции Нижегородской ГСХА [5,6] и турболифтный ГНУ ВИЭСХ [7], однако они находятся на стадии экспериментальных образцов, причем с низким основным показателем (подача - от 0,1 до 1,0 м[3]ч), работы по их совершенствованию продолжаются.
В настоящее время для механизации фермерских хозяйств в указанных зонах Казахстана преимущественно используют традиционные центробежные насосные установки марки АН-2К-9-М1 и АНС-60Д с приводом от двигателей внутреннего сгорания 2СД-М2 мощностью 1,5 кВт (2 л.с.) и УД-2 мощностью 5,9 кВт (8 л.с.) [8,9].
Однако использование энергии рек, каналов и отводных накопительных водоемов, в т.ч. для привода насосных установок, позволило бы сельхозформированиям сберегать значительное количество дорогостоящего топлива и использовать экологически чистые технологические процессы в водоснабжении.
Проблема водоснабжения фермерских хозяйств в условиях прилегающих рек, каналов и отводных накопительных водоемов с использованием природных условий и естественных энергетических ресурсов воды в современных условиях перспективна и актуальна, имеет большое народнохозяйственное значение, решение которой рационально осуществить гидротаранной насосной установкой. Принцип подъёма воды в напорно-вакуумной насосной установке осуществляется за счёт: использования части потока воды водотока, давления от геометрического, скоростного и гидроударного напоров.
Новизна научной работы заключается в разработке гидротаранной насосной установки, работающей по энергосберегающей и экологически чистой технологии водоподъёма, с повышением основных показателей (подачи, напора и КПД) за счёт одновременного использования геометрического, скоростного и гидроударного напоров и осуществления технологического процесса водоподъёма при низких напорах водотока.
Исследования, отражённые в работе, выполнялись в КазНАУ по грантовому проекту Обоснование и разработка энергосберегающей технологии и технических средств водоподъема с использованием для привода гидроэнергии водотоков: отчет о НИР (заключительный) №гос.регистрации 0112РК00178. Руководитель Саркынов Е. - Алматы, 2014-99с. [10].
Цель работы - обоснование параметров и разработка гидротаранной насосной установки, обеспечивающей снижение эксплуатационных затрат в 3...6 раз.
Объект исследования - гидротаранная насосная установка с использованием для привода кинетической энергии воды в водотоках.
Предмет исследования - технологический и гидродинамические процессы, протекающие в насосной установке.
Задачи исследований:
1. Обоснование проекта обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств АПК Алматинской области, расположенных в зонах водотоков, в соответствии с водным Кодексом .
2. Выбор и обоснование конструктивно-технологической схемы насосной установки для эффективного обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств в исследуемой зоне.
3. Обоснование методики и расчёт параметров принятой насосной установки для. обводнения пастбищ типового хозяйства.
4. Технико - экономическое обоснование эффективности предложенного дипломного проекта.
В результате выполненной работы обоснован тип и рациональная схема гидротаранной насосной установки для подъёма воды из водотоков [11].
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования гидротаранного способа водоподъёма из водотоков, в том числе протекающие в нём процессы: технологический в напорной системе и эффект гидроудара в технологическом процессе водоподъёма. В результате установлены аналитические зависимости по определению: основных технологических параметров - напора, подачи и КПД; а также основного параметра эффекта гидроудара - гидроударного напора при работе ударного клапана. Результаты исследований явились научной основой для обоснования и расчета параметров гидротаранной насосной установки для подъёма воды из водотоков [12].
Обоснованы основные параметры и разработана конструкция гидротаранной насосной установки для фермерских и крестьянских хозяйств АПК РК [13,14].
Предложен метод теоретического анализа по совершенствованию гидротаранной насосной установки [15].
Экспериментально выбраны рациональные варианты напорной части, ударного клапана, проверены и уточнены параметры насосной установки, подтверждена достоверность выполненных теоретических исследований [10].
Конструкция гидротаранной насосной установки защищена предварительным патентом и патентом KZ на изобретение [16,17,18], подтверждая новизну и полезность.
На основании исследований разработаны экспериментальный и опытный образцы гидротаранной насосной установки, которые соответственно прошли успешно лабораторно - хозяйственные и предварительные испытания с рекомендацией проведения приёмочных ведомственных (государственных) испытаний, с целью пополнения внутреннего рынка недостающим типом насосных установок [19,20].
Прогнозируемая потребность в гидротаранных насосных установках по Республике Казахстан может составить не менее 11560 тыс. штук [14].
Применение разработанных гидротаранных насосных установок в фермерских и крестьянских хозяйствах РК, расположенных в зонах прилегающих водотоков, по сравнению с базовой насосной установкой АН -2К - 9 - М1 (с центробежным насосом и приводом от двигателя внутреннего сгорания) позволит снизить эксплуатационные затраты в 5,6 раз и получить годовой экономический эффект 319971 тыс. тенге на одну установку при сроке окупаемости 0,14 года, общий эффект по зоне - 3,698 млр. тенге.
По выполненной работе получены следующие результаты:
- новая схема гидротаранной насосной установки с использованием для привода энергии движущейся воды в водотоках;
научные основы гидротаранного способа водоподъёма из
водотоков;
основные параметры гидротаранной насосной установки для
фермерских и крестьянских хозяйств;
- созданная конструкция опытного образца гидротаранной
насосной установки, работающей по энергосберегающей и экологически
чистой технологии подъёма воды из водотоков.
1. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА ОБВОДНЕНИЯ ПАСТБИЩ КРЕСТЬЯНСКИХ И ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ АПК АЛМАТИНСКОЙ ОБЛАСТИ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНАХ ВОДОТОКОВ, В СООТВЕТСТВИИ С ВОДНЫМ КОДЕКСОМ
1.1 Состояние и перспективы развития механизации водоснабжения сельхозформирований АПК Республики Казахстан в рыночных условиях
Исследуемый объект по обоснованию проекта обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств с использованием гидротаранной насосной установки (на примере Алматинской области) расположен в регионе Южного Казахстана. Территория Алматинской области составляет 223,9 тыс. кв. км. Алматинская область граничит со следующими регионами Казахстана: Жамбылская область на западе, Карагандинская область на северо-западе (водная граница проходит по озеру Балхаш), на северо-востоке расположена Восточно-Казахстанская область. На востоке область граничит с Китайской народной республикой, на юге с Кыргызстаном (Чуйская и Иссык-Кульская области). План землепользования Алматинской области показан на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 План землепользования Алматинской области
Природные условия Алматинской области включают 5 климатических зон - от пустынь до вечных снегов. Климат резко континентальный, средняя температура января в равнинной части от - 12,3˚ С до -15˚ С, в предгорьях - 6-8˚ С. Средняя температура июля от +16˚ С до +24+25˚ С. Годовое количество осадков на равнинах - до 300 мм, в предгорьях и горах - от 500-700 до 1000 мм в год. [21].
Водоснабжение крестьянских и фермерских хозяйств и других сельскохозяйственных формирований АПК Республики Казахстан для удовлетворения хозяйственно-питьевых нужд, как и населенных пунктов, осущест - вляется за счет подземных вод - трубчатыми и шахтными колодцами и поверхностными водами - прилегающими реками, каналами, озёрами и накопи - тельными водоёмами в объёмах 75% и 25% [19].
Запасы вод к использованию по республике значительны: подземные -176,08 млн.м[3]сут, в т.ч. пресные (с минерализацией до 1гдм[3]) - 110,8 млн. м сут, поверхностные - 81,5-158,7 млн.м сут. Однако они требуют рационального их использования и поддержания водоисточников в экологически чистом состоянии.
Общая потребность в воде хозяйственно - питьевого назначения по республике составляет 5210 тыс. м[3]сут, в том числе подземными водами -2901 тыс. м[3]сут, из них около 26% (1350 тыс м[3]сут.) потребности приходится на долю сельского потребителя.
Подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения сельского потребителя.
Централизованными системами водоснабжения охвачено 45,8% или 3911 населённых пунктов, из них 15,6% подключены к групповым водопроводом (протяжённость 17 тыс. км) и 30,2% - к локальным водопроводом (протяжённость 29 тыс. км). Остальные 54,2% сельских потребителей имеют своё автономное водообеспечение за счёт организации служб по механизации водоснабжения из подземных и поверхностных водоисточников. [19]
В настоящее время по статистическим данным число сельскохозяйст - венных формирований в АПК РК составляет более 185 тысяч, преимущественно это фермерские и крестьянские хозяйства.
Для стабильного и эффективного развития сельхозформирований АПК РК необходимо их техническое оснащение перспективными и современными машинами, оборудованием и установками, в том числе по механизации сель - скохозяйственного водоснабжения, причём с использованием энергосберегающих и экологически чистых технологий.
В рыночных условиях, когда на рынке имеется большое количество водоподъёмного оборудования, сельхозпотребителю необходимо знать, что на выбор необходимого типа водоподъёмного оборудования и эффективное его использование существенное влияние оказывают природно-хозяйственные факторы (наличие экологически чистых естественных энергоисточников - ветровой, водяной и солнечной, искусственных централизованных электросетей, климат, рельеф местности, сезон использования объекта, режим водопотребления), основные параметры, имеющихся подземных или поверхностных водоисточников: дебит, статический уровень залегания вод, глубина до дна, внутренний диаметр (для скважин), минерали - зация воды, содержание в воде твёрдых частиц (песка), а также структура потребителя, определяющая потребность в воде (водопой животных, полив приусадебных участков и на другие технические нужды), необходимый расчётный напор насосной установки и резервирование воды (водонапорная башня или резервуар расчётной вместимостью).
По расчётной потребности в воде (Q, м[3]ч ), напору (Нр,м), и с учётом основных природно-хозяйственных факторов, потребитель определяет необ - ходимый тип водоподъёмного оборудования по основным его параметрам: подаче (Q, м[3]ч), напору (Нр,м), установленной мощности двигателя (N, кВт), диаметру насоса (Dh, мм) и допустимых условий применения по минерализа - ции и содержанию в воде твёрдых частиц (песка).
В Республике Казахстан около 25-30% фермерских (крестьянских) хо - зяйств и других сельхозформирований АПК по географическому положению находятся в зонах прилегающих рек, каналов и отводных накопительных во - доёмов, использование энергии движущейся воды в которых, в том числе для привода насосных установок, позволит сельхозформированиям сберегать значительное количество дорогостоящего топлива и использовать энергосбе - регающие экологически чистые технологические процессы в водоснабжении.
Запас водных ресурсов в указанных зонах АПК РК значительный [22]: 8643 водотока, имеющих постоянный или сезонный гидрогеологи - ческий режим, протяженностью 123 тыс.км, в т.ч. 5076 водотоков протяжен - ностью 75,3 тыс.км- постоянно действующие. Дебиты малых горных рек колеблются от 0,1 до 1 м[3]с и более, крупных рек, например, Или - от 137 м[3]с до 2450 м[3]с, скорость течения воды - от 1 до 5мс. Горные реки протяженностью до 25км в основном имеют потенциальную мощность до 0,25 млрд.кВт.чгод.
Реки Казахстана относятся к бассейнам Северного Ледовитого Океана и замкнутой области внутреннего стока Евразии, где система рек направляют свои воды в Каспийскую, Аральскую и Балхашскую впадины.
На территории Алматинской области имеется 496 водотоков протя - женностью 10 тыс.км. Основные реки -Или, Чарын, Чилик, Талгар, Каскелен, Чемолган, Большая и Малая Алматинка, Тургень, Аксай, Джирен-Айгир, Узун-Агач, Кара-Костек, Каргалы, Бурундай, Байсерке, Карасу, Хоргос, Бижа, Лепсы, Каратал, Усек, Баскан, Коксу, Тентек, Сарканд, Аксу, Коктал и др. Дебиты рек колеблются в широком пределе - от 2,9 до 2450 м[3]с, глубина - от 0,3 до 8 м, скорость воды 1-5мс. Движение воды в каналах в зависимости от назначения составляет - 0,8-1,5 мс, дебиты - 0,5-100 м[3]с, глубина - 0,8 - 2 м и более.
В указанных зонах Казахстана, в настоящее время для механизации водоснабжения фермерских хозяйств преимущественно используют традиционные центробежные насосные установки марки АН-2К-9-М1 и АНС-60Д (параметры: подача-5-60 м[3]ч, напор - 13-21,5 м) с приводом насоса от двигателей внутреннего сгорания соответственно 2СД-М2 мощностью 1,5 кВт (2 л.с.) и УД-2 мощностью 5,9 кВт (8 л.с), которые потребляют значи - тельное количество топлива - 0,85-2 кг в час и ухудшают экологию окру - жающей среды выбросами отработанных газов.
На внутреннем и внешних рынках сбыта альтернативных насосных ус - тановок с использованием для привода энергии движущейся воды в водотоках нет, однако разработки в этом направлении ведутся, в том числе велись РГП НПЦ механизации сельского хозяйства и Каз НАУ.
Данная работа посвящена разработке альтернативной насосной уста - новки гидротаранного типа для подъёма воды из водотоков с приводом от энергии движущейся в них воды, используя прогрессивные энергосбере - гающую и экологически чистую технологии водоподъёма, а также значи - тельно уменьшая эксплуатационные затраты по сравнению с традиционными насосными установками, которая прошла конкурсный отбор и выделен инновационный грант и включена в тематику КазНАУ для проведения прикладных исследований с использованием водоподъемной технологии, с приводом насосов от энергии воды в водотоках, в том числе для разработки гидротаранной насосной установки
1.2 Существующие проекты обводнения пастбищ
Проектными организациями Союзгипроводхоз Минводхоза СССР и Казгипроводхоз КазССР в период 70-х-80-х годов разрабатывались существующие проекты обводнения пастбищ для Казахстана [2], в последующие годы они лишь уточнялись и совершенствовались.
Каждый проект включал в себя типовой водопойный пункт, разработанный по проекту ТП 820-145, и насосную установку (водоподъемник) необходимого типоразмера, преимущественно серийного производства промышленностью или рекомендованные водоподъемники машиноиспытательными станциями в серийное производство.
Типовые проекты разрабатывались как для подъема воды из скважин, так из шахтных колодцев [2], которые широко использовались для обводнения пастбищ, в том числе в исследуемой зоне - Алматинской области.
1.3 Обзор работ и результаты патентных исследований по насосным установкам с использованием для привода энергии движущейся воды
На основании обзора работ установлено, что разработкам конструкций, теоретическим и экспериментальным исследованиям насосных установок с использованием для привода энергии движущейся воды посвящены отечественные и зарубежные работы: Кашеков Л.Я., Лихоеденко П.К., Кирилловский Ю.Л., Подвидз Л.Г.( 1955... 1970) [23,24], Альферович А.Н., Повалиев М.К. (1980... 1990) [25], Хохлов А.В., Хохлов В.А., Маджидов У.Х., Назаров Н.Т., Назаров С.Н., Филиппович Ю.Ю. (1995...2003) [26,27,28], Искандарян А.А., Мостков М.А. (1963... 1970) [29,30], Калашников А.А., Кандрин Н.Н., Жарков В.А., Шаромов С.А., Садретдинов М.С. (1995...2004) [31], Иванов Е.Г., Культяпов С.Ю., Кадылкин А.В. (2001...2004) [5,6], Яковлев А.А. (2001...2005) [10,11], Саркынов Е. 14-16, 19-20 и другие.
По данному направлению исследований разработки конструкций вы - полнялись в основном по четырём принципиальным схемами насосных уста - новок (рисунок 1.2).
В ВИЭСХ Кашековым Л.Я., Лихоеденко П.К., Кирил - ловским Ю.Л., Подвидз Л.Г.(1955-2005 гг.) [4,32-36] исследованы и разработаны конструкции водоструйных установок для подачи воды из трубчатых и шахтных колодцев. Дана теория технологического процесса струйных аппаратов и методика расчета водоструйных установок, в результате было разработано шесть типоразмеров водоструйных насосных установок: ВН - 2 - 8 (подача - 3,6...1 м[3]ч, глубина подъёма воды -8...41 м, мощность - 4,5...7 кВт, КПД - 0,18-0,40);
а) - схема водоструйного насоса:
1- пакер;
2- струйный аппарат;
3- водоподъемный трубопровод;
4- обсадные трубы скважины;
5- обратный клапан;
6- всасывающий фильтр
б) - схема гидроэлеватора:
1-нагнетательный трубопровод;
2- сопло (насадка);
3 - смесительная камера;
4 - всасывающий патрубок;
5 - диффузор
в) - схема гидротарана:
1 - сосуд-колпак;
2,4 - ударный и обратный клапаны;
3,5 - питающий и нагнетательный трубопроводы;
6 - река (гидросооружение).
г) - схема сифона:
1 - нагнетательный трубопровод;
2 - рассекатель;
3 - патрубок с вентилем.
Рисунок 1.2 Существующие насосные установки с использованием кинетической энергии воды
ВН - 2Ц - 6 (подача-6,8...14,4 м[3]ч, глубина подъёма воды- 15...75 м, мощность - 7... 14 кВт, КПД - 0,20-0,44); ВН-2-Ш (подача -1...8 м[3]ч, глубина подъёма воды- 10...35 м, мощность - 0,6...2,8 кВт); ВН -1- 4 (подача - 2,5...12 м[3]ч, глубина водоподъёма - 10...35 м, мощность - 2,8...4,5 кВт, КПД - 0,25-0,38); ВН-1-3 (подача - 1...2 м[3]ч, глубина водоподъёма - 10...20 м, мощность - 0,6 кВт, КПД-0,18-0,25).
Водоструйные установки (рисунок 1.2а) состояли из струйного аппарата, подсоединенных к нему колоны водоподъемных и напорных труб, и центробежного насоса с приводным двигателем (ДВС, электродвигатель), причем перед пуском вся система заполнялась водой.
Разработкой аналогичных конструкций занимались в 1964 г другие научно-исследовательские институты и организации: в ВИСХОМ и МВТУ им. Баумана [32] разработан водоструйный водоподъёмник ВП-0,9 (подача-2,2...4,0 м[3]ч, высота водоподъёма - 10...30 м, мощность - 1,03...1,18 кВт, КПД - 0,19-0,22), который отличался сравнительно меньшей массой. В последствии доработка конструкций водоструйных установок для пастбищного водоснабжения проводилась в ГСКБ овцемаш. Установки выпускались серийно, после развала СССР выпуск приостановлен. Достоинства - простота насосной части, не имеет вращающихся частей.
Недостатки - напор и подача создаётся традиционным центробежным насосом, ограничено применение, лишь для подъёма воды из подземных во - доисточников (шахтных и трубчатых колодцев), для подъёма воды струйным насосом из водотоков необходима доработка конструкции и проведение ис - следований.
В ЦНИКИВР проводились работы по созданию водоподъёмного устройства вакуумно-струйного типа с использованием для подъёма воды на большую высоту кинетической энергии движущейся воды из водоёмов в 1980...90г.г [33]. Водоподъёмное устройство состояло из водонаполняемой ёмкости со сливным клапаном и всасывающим водоподъёмным трубопроводом с обратным клапаном и эжектора (вакуумно-струйного аппарата) с вакуумным трубопроводом, сообщающим его пассивное сопло с водонаполняемой ёмкостью, а активное сопло- с движущейся жидкостью из водоёма. В этом водоподъёмном устройстве эжектор, используя кинетическую энергию воды водоисточника, создавал вакуум в водонаполняемой ёмкости, обеспечивая технологический процесс водоподъёма.
В водоподъёмном устройстве применён известный струйный аппарат (см. рисунок 1.2б), разработанный в ВИЭСХ [3], состоящий из подводящего патрубка с активным соплом, всасывающего патрубка с пассивным соплом, смесительной камеры с диффузором, которые взаимосвязаны и соосно установлены между собой, активное сопло подводящего патрубка размещено внутри пассивного сопла, примыкающего к смесительной камере. Основное назначение струйного аппарата - перекачивание и подъём жидкостей преимущественно в струйных насосах, используя для этого кинетическую энергию подаваемой под напором жидкости через активное сопло подводя - щего патрубка.
Достоинства -- использование для подъёма и перекачивания воды кине - тической энергии движущейся воды самого водоисточника.
Недостатки -- низкая эффективность использования струйного аппара - та, особенно при малом напоре движущейся воды, в результате обеспечива - ется малый вакуумный напор и низкая вакуумирующая способность.
В НПП Водоподъёмник (Узбекистан) [34] проведены исследовательские работы по совершенствованию струйных насосов в 1995...2003 г.г, в результате разработана конструкция струйного аппарата с саморегулирующимся проходным сечением отверстия активного сопла, который позволяет автоматически поддерживать вакуумирующие способности струйного насоса при уменьшении в процессе работы напора подающей рабочей жидкости в активное сопло струйного аппарата.
Саморегулирующийся струйный аппарат состоит из подающего и всасывающего патрубков с активным и пассивным соплами и смесительной камеры, внутри активного сопла соосно установлена конусная игла, соединённая через толкатель с подвижной осью, на которой установлен поршень, подпружиненный относительно днища цилиндра и перемещаемый в цилиндре от действия разности сил сжатия пружины и давления рабочей жидкости. При перемещении поршня, перемещается в осевом направлении игла в сопле, изменяя её проходное сечение.
Достоинства - достигнута стабилизация КПД насосной установки и ва - куумирующая способность струйного аппарата.
Недостатки - низкая эффективность струйного аппарата при малых напорах рабочей воды.
В Украинском государственном университете водного хозяйства и природопользования [35] проведены исследовательские работы по разработ - ке автоматизированных насосных установок с использованием вакуумных насосов, в том числе выполнялись экспериментальные работы при оснаще - нии насосных установок вместо вакуум-насосов струйными аппаратами (эжекторами) с тремя сменными соплами диаметром 20;25 и 30 мм и камерой
смешения диаметром 50 мм и длиной 300 мм, результаты которых положи - тельны.
Достоинства - упрощен технологический процесс вакуумирования с использованием струйных аппаратов в качестве вакуум-насосов и повышена надёжность вакуумной системы.
Недостатки - уменьшена величина максимального вакуума в системе и вакуумирующая способность.
В Ереванском политехническом институте в 1963...70 г.г (ЕрПИ) про - ведены исследования и разработаны конструкции гидротаранных насосных установок [36] (см. рисунок 1.2в и рисунок 1.3а) трех типоразмеров ЕрПИ -100 (подача - до 10,8 м[3]ч, напор-до 150 м, диаметр ударного клапана - 100 мм, перепад высот - 1 - 50 м); ЕрПИ-150 (подача - до 25 м[3]ч, напор до 100 м, диаметр ударного клапана - 150 мм, перепад высот - 1-30 м); ЕрПИ - 250
а) Гидротаран ЕрПИ:1- питательная труба; 2-ударный клапан; 3-нагнетательный клапан; 4-трубка для пополнения воздуха; 5- воздушный колпак; 6- штырь
б) Гидротаран КазНИИВХ: 1- корпус; 2- воздушный колпак; 3- ударный клапан; 4- обратный клапан; 5- направляющие качения
Рисунок 1.3 Конструкции гидравлических таранов
Гидротаранная насосная установка относится к типу установок, в которых для создания напора и подачи используется кинетическая энергия движущейся воды. Принцип работы основан на создании в водоподъёмной системе гидроудара от периодического закрытия и открытия ударного клапана в питательном трубопроводе, от которого в нём циклически повышается давление и вода через обратный клапан нагнетается в ёмкость воздушного колпака и по нагнетательному трубопроводу подаётся потребителю.
Гидротаранная установка включала питательный трубопровод длиной 10-14 м, нагнетательные трубы и гидротаран, состоящий из корпуса - трубы, ударного и нагнетательного клапанов и воздушного колпака, кроме того ус - тановка требовала при эксплуатации гидротехнического сооружения в виде накопительной ёмкости и установочной площадки с перепадом высот водо - заборного трубопровода и сливного патрубка от 1,0 м и более.
В сельскохозяйственном водоснабжении, кроме типоразмера ЕрПИ были разработаны и серийно изготовлялись еще три типоразмера: ТГ-1 (по - дача- 6 м[3]ч, напор - до 100 м, диаметры труб: напорной - 38 мм, питатель - ной - 75 мм, объем колпака - 20 дм[3], масса - 106кг);ТГ-2 (подача - 2,7-19 м[3]ч, напор- до 100 м, диаметры труб: напорной - 25-50 мм, питательной -50-100 мм, объем колпака - 13,5-16 дм[3], масса - 127-204кг); УИЖ-К100 (по - дача - 0,4-12 м[3]ч, напор - до 100 м, диаметры труб: напорной - 50 мм, пита - тельной - 127 мм, объем колпака - 18 дм[3], масса - 242кг, перепад высот - от 1 м до 50 м).
Достоинства - простота конструкции гидротарана и использование для привода кинетической энергии самого водоисточника.
Недостатки - большая длина питательного трубопровода, требует до - полнительных гидротехнических сооружений.
В 1995...2004 г.г. в КазНИИВХ (Казахстан) [31] проводились работы по совершенствованию гидротаранных насосных установок, в результате ко - торых создано два варианта, которые отличались конструктивным исполнением гидротарана, исследования в основном были направлены на улучшение конструкции ударного и обратного клапанов.
Гидравлический таран (рисунок 1.3б) состоит из корпуса с ударным и нагнетательным клапанами и воздушного колпака с водоподающим трубо - проводом. Ударный клапан расположен на выходном патрубке корпуса, со - стоящем из тарельчатого клапана со штоком и регулировочной гайкой, крышки - седла, на которой установлены направляющие качения в виде роли - ков, внутри которых перемещается шток с тарельчатым клапаном, а нагнета - тельный клапан выполнен в виде неподвижно установленной самоуплот - няющейся манжеты в ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
