Предгорная зона востока Казахстана является одним из важнейших экономических районов Республики. Природноклиматические условия предгорий создают благоприятные возможности для развития разнообразных отраслей сельского хозяйства, в первую очередь, орошаемого земледелия и пастбищного животноводства. Однако орошение и водоснабжение большинства хозяйств затруднено из-за их расположения выше водоисточников. В таких случаях возникает необходимость применения механизированного водоподъёма с использованием насосов или иных водоподъёмников.
В условиях рыночной экономики, характеризующейся возрастающим дефицитом и стоимостью ресурсов (энергетических, водных, материальных и др.), актуальным направлением в сельском хозяйстве является внедрение ресурсосберегающих технологий и технических средств. Одним из путей решения данной задачи являются использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для водоподъёмной техники и применение ресурсосберегающих технологий орошения, таких, как капельное орошение, микродождевание, водоснабжение объектов отгонного животноводства.
Исходя из характерных особенностей предгорной зоны востока Казахстана (сложный рельеф, значительные уклоны местности, относительное безветрие, наличие большого количества открытых водотоков и др.), наиболее приемлемым НВИЭ для установок водоподъёма является энергия потока воды открытых водотоков, а из технических средств использующих этот источник энергии гидротаранная водо-подъёмная установка.
В настоящее время в Республике Казахстан отсутствует производство гидротаранных установок. Анализ применяемых в странах СНГ и дальнего зарубежья гидротаранных установок показал на сложность их узлов и трудоемкость изготовления, сказывающихся на высокой стоимости водоподъёмной техники. По этим причинам совершенствование гидротаранных водоподъёмных установок с целью упрощения их конструкции и технологических приемов изготовления, применения простых сантехнических материалов и уменьшения эксплуатационных затрат при орошении и водоснабжении является актуальной задачей.
Работа гидротарана основана на использовании явления гидравлического удара кратковременного резкого повышения давления при внезапной остановке потока жидкости в жёсткой трубе.
Гидравлический таран устройство, которое за счет гидравлического удара поднимает воду на высоту, значительно превышающую уровень источника. Вода от источника (1) самотеком подается по длинному напорному трубопроводу (2), идущему с небольшим понижением. Под действием нарастающего динамического напора воды закрывается отбойный клапан (3), расположенный на нижнем конце трубопровода, и вследствие инерции движущейся воды и ее несжимаемости давление здесь резко повышается. Кратковременного повышения давления достаточно для подъема небольшой части воды через напорный клапан (4) на высоту более 50 м. Затем отбойный клапан открывается, и все повторяется сначала.
Рис. 1. Принцип работы гидравлического тарана
Принцип работы «гидравлического тарана» насоса, использующего явление гидроудара.
Слева фаза разгона потока, справа фаза нагнетания (момент гидравлического удара).
-
- питающий резервуар (верхний уровень естественного потока);
- нагнетательная (ускорительная)
труба;
-
- отбойный (ударный) клапан;
- напорный (нагнетательный) кла-
пан;
-
- воздушный колпак;
- напорная (отводящая) труба.
H высота подъёма воды относительно уровня слива;
h уровень питающего резервуара относительно уровня слива.
Гидравлический таран действует только за счет импульса движущегося столба воды, без какого-либо двигателя.
В фазе разгона потока отбойный клапан в открытом состоянии обычно удерживается с помощью пружины, для закрытия напорного клапана при показанной на рисунке компоновке может вполне хватить разницы давлений и его собственного веса.
На рисунке показано чуть более сложное устройство оно содержит воздушный колпак (5), играющий ту же роль, что и гидроаккумуляторные баки с резиновой мембраной в современных автономных водопроводных системах. Этот колпак накапливает воду под давлением и сглаживает пульсации потока нагнетаемой воды, хотя теоретически максимальная высота подъёма при этом несколько уменьшается, поскольку в отводящую трубу (6) уже поступает не резкий импульс от гидравлического удара, возникающий при закрытии
клапана, а усреднённое давление, сглаженное «пневматическим амортизатором» воздухом в колпаке (5).
Применяется в сельском хозяйстве, для водоснабжения небольших строек и т.д.
Со времени изобретения тарана было разработано и осуществлено много различных конструкций таранов. Эти конструкции отличаются одна от другой в основном размерами, устройством клапанов и их взаимным расположением.
Не останавливаясь на всех существующих до сих пор характерных конструкциях, разберем только некоторые современные типы таранов, имеющие практическое значение.
Гидравлические тараны типа ТГ сконструированы двух типов: ТГ-1 и ТГ-2, из которых промышленностью выпущен таран ТГ-1.
Гидравлический таран ТГ-1 рассчитан на питательную трубу диаметром 75 мм и максимальную высоту нагнетания 80 м. Производительность тарана, по заводским данным, колеблется в пределах 0,08
0,3 л/сек.
Корпус тарана и воздушный колпак чугунные литые. Воздушный колпак имеет полезный объем 20 л. Вес машины 105 кг.
Ударный клапан собран на стальном штоке, на верхнем конце которого установлены сменные грузы для изменения веса клапана. Ход ударного клапана регулируется с помощью направляющей бронзовой муфты, ввернутой в опорный мост. После регулирования хода муфту закрепляют контргайкой.
Во время удара клапан опирается на резиновое кольцо, которое смягчает механический удар и улучшает закрытие отвер-
стия истечения.
Нагнетательный клапан собран на чугунном диске. К диску прикреплена удлиненная с одной стороны резиновая прокладка. При помощи этой удлиненной части клапан прикрепляется к корпусу тарана двумя болтами и металлической накладкой.
С = 1369 м/с
где а – скорость звука в воде, м/с; d– диаметр трубопровода, м;
= 0,01-для стальных трубопроводов; Фаза удара определяется по формуле:
t 2L
Ход нагнетательного клапана регулируется ф
при помощи болта.
c , сек. (2)
Воздух в колпак подается при помощи форсунки Чистопольского.
Если во время работы тарана колпак будет заполнен воздухом полностью, то при закрытии нагнетательного клапана воздух может попасть в зону пониженного давления и нарушить работу. Поэтому воздух должен всегда находиться выше некоторого уровня. В таране ТГ-1 для регулирования уровня воздуха в колпаке в начале нагнетательного отверстия установлен патрубок.
В нижней части корпуса имеется пробка для полного слива воды из системы в зимний период, если таран не работает.
Таран ТГ-1 прост по конструкции, удобен в эксплуатации, технологичен в производстве. Благодаря обтекаемым формам внутренних отверстий при благоприятных условиях он может обеспечить вы-
сокий к. п. д.
tф 0,0014 сек.
где С – скорость распространения ударной волны.
Площадь сечения определяется по формуле:
* d 2
4 , м2 (3)
0.00049 м2
Скорость распределения потока определяется по формуле:
Q
, м/с (4)
816.32 м/с
Определение повышенного давления для не прямого полного гидравлического удара производится по формуле:
h * 2L *0
i
t
з , Па (5)
Графическое построение фаз гидравлического удара
Исходные данные: Q = 0.4 л/сек;
L = 1 м
d = 25 мм = 0,025 м;
tз = 300 сек;
= 2.5 мм = 0,0025 м;
hs = 0,9 МПа = 900 кПа;
a = 1435 м/с;
= 0,01-для стальных трубопроводов;
= 1000 кг/м3.
Расчеты ведутся для не прямого полного гидравлического удара.
Скорость распространения ударной волны определяется по формуле:
hi 544.21 Па
Расчет гидравлического тарана Исходные данные:
Расстояние от водоприемника до места установки l1=1 м
Питательный напор Н1=1.1 м Нагнетательная геометрическая вы-
сота h1=1.3 м
Длина нагнетательного трубопровода
lнаг=1.3 м
Питательный расход Q=0.4 л/сек
- Для данного питательного расхода подбираем тип тарана. Из Таблицы 1 видно, что для питательного расхода Q=0.4
C a
1 d * Eж
Eтр
, м/с (1)
л/сек целесообразно выбрать таран диаметром 100 мм.
- Поскольку подводящая труба короткая, то не нужно устанавливать уравнительный воздушный колпак.
l 9 * H
l
N d (6)
c (1 c ) ,сек (12)
где N – оптимальное число ударов в минуту;
Н – расчетный питательный напор
1 0.077
1.51(1 7.64)
сек
для установки, определяется по формуле:
H h hw
(7)
а установившийся расход:
Qc c л/сек (13)
где hw– потери напора в подводящей части трубопровода, м
- Подбираем диаметр подводящей трубы d=25 мм, принимая гидравлические потери на длине 100 м меньше 1 м. При этом возможно использовать разные трубы,
Qc 0.8 л/сек
- Для определения потерь в нагнетательном трубопроводе сначала найдем производительность q:
q Q H
поскольку рабочее давление составляет ~1 h1
(14)
м.вод.ст.
4) Определяем потери напора в подводящей части при Q=0.4 л/сек, d=25 мм и lпод=1 м, hl=1,3
где η – энергетический к.п.д. Принимаем η=0,8
q 0.8* 0.1.01 0.24
h 9 0.09
1.3
л/сек
w 100
м. (8)
- Подберем для нагнетательной ли-
- Расчетный питательный напор для установки равен:
H Hl hw , м (9)
Н = 1.1 0.09 = 1.01 м
-
- Принимая, что диаметр питательной трубы равен диаметру тарана, определим суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений.
нии диаметр труб d=15 мм. Тогда
hw 0.036 м (15)
- Расчетный нагнетательный напор
hравен:
h h1 hw м (16)
h 1.336 м
- Определим скорость распространения волны, принимая толщину стенки
c 0.5 6.5 0.031
1
0.025
7.64
(10)
трубы д=2,5 мм:
1425
1 d * K
E
где коэффициент сопротивления входа, принимаем =0,5
Для тарельчатых клапанов при нормальном открытии принимаем =6.5
коэффициент сопротивления
трению.
7) Установившаяся скорость в питательной трубе:
, м/сек (17)
где d внутренний диаметр трубопровода, мм
– толщина стенок трубопровода
К – объемный модуль упругости жидкости, принимаем К=1
Е – модуль упругости материала сте-
c
C
, м/сек (11)
1.51
2gH
1 C
2*9.81*1.01
1 7.64
м/сек
нок трубопровода, Е=100
1424 м/сек
12) Далее определяем отношение динамического и питательного напоров, принимая в первом приближении k=0.8:
характерный параметр ф:
hд 0.77
H
(18)
Следовательно,
k ln1
(22)
hд 0,77 * H , м (19)
1 1 k 2
hд 0,77 *1,01 0,777 м
h * t k
6 u
(23)
c
13). Далее определяем волновое измерение скорости
H 3
u ghд
t ln(1 K )
м/сек (20)
где (24)
u 0.0053 м/сек
И вычисляем отношения:
H 0.756
k3 3k
(1 0.7k 2 )t
(25)
h (21)
T *
(26)
u 0.0035
c
2
h K H 2
u 2
2
0.000012
где
K 2 1 0.7K
(27)
c
- Поскольку установка работает при данном питательном расходе, то, задаваясь различными значениями коэффици-
N 60
T
(28)
ента k определим соответствующие значения Q1, q, Q и построим характеристики работы установки.
Результаты вычислений записываем в таблицу.
Таблица 1. Значения расчетных величин
|
k |
|
  |
|
T |
|
q |
Q |
|
N |
|
0.1 |
0.01 |
0.0099 |
0,298 |
0.068 |
0.009 |
0.026 |
0.035 |
0.971 |
882 |
|
0.2 |
0.041 |
0.0399 |
0.565 |
0.121 |
0.020 |
0.056 |
0.076 |
0.973 |
495 |
|
0.3 |
0.094 |
0.089 |
0.864 |
0.169 |
0.034 |
0.082 |
0.116 |
0.931 |
355 |
|
0.4 |
0.173 |
0.159 |
1.195 |
0.208 |
0.051 |
0.106 |
0.157 |
0.892 |
288 |
|
0.5 |
0.287 |
0.249 |
1.575 |
0.240 |
0.073 |
0.126 |
0.199 |
0.840 |
250 |
|
0.6 |
0.447 |
0.359 |
2.027 |
0.268 |
0.102 |
0.141 |
0.243 |
0.767 |
223 |
|
0.7 |
0.673 |
0.489 |
2.588 |
0.296 |
0.140 |
0.151 |
0.291 |
0.686 |
202 |
|
0.8 |
1.022 |
0.639 |
3.330 |
0.329 |
0.191 |
0.153 |
0.344 |
0.589 |
182 |
|
0.9 |
1.661 |
0.809 |
4.461 |
0.382 |
0.267 |
0.145 |
0.412 |
0.470 |
157 |
|
0.95 |
2.333 |
0.902 |
5.569 |
0.445 |
0.322 |
0.130 |
0.452 |
0.379 |
134 |
- На основании имеющегося питательного расхода Q=0.4 л/сек и построенных характеристик установки (рисунок 8) находим:
q = 0,13 л/сек;
N = 134 ударов/мин.
- Для определения полезного объема воздушного колпака сначала находим продолжительность периода разгона:
ln(1 k )
t 0.289 сек
Учитывая нижнюю глухую часть 0,1+0,10=0.2 м, получим полную высоту h=0.33 м.
- Определяем объем воздушного колпака тарана
W 15qt , л (30)
W 0.563л
t *
1 k
, сек (29)
Рис. 2. График характеристик работы гидравлического тарана.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, направленных на изучение работы гидротаранной водоподъёмной установки для ресурсосберегающих технологий орошения и водоснабжения в предгорной зоне, можно сформулировать следующие основные выводы.
Природно-хозяйственные особенности предгорной зоны Казахстана благоприятны для развития различных отраслей сельского хозяйства (овощеводство, плодоводство, животноводство и др.). Однако сложность рельефа, большие уклоны местности, неудобная конфигурация и мелкоконтурность земельных участков, близкое залегание галечника, маломощные почвы, ирригационная эрозия затрудняют орошение и водоснабжение в этой зоне. Для эрозионно-опасных условий предгорий предпочтительными способами орошения являются ресурсосберегающие технологии капельного орошения и микродождевания. Для энергообеспечения данных технологий орошения и систем водоснабжения хозяйств перспективным является использование НВИЭ, из которых наиболее приемлемым для предгорной зоны Казахстана является энергия потока воды открытых водотоков. Из существующих технических средств водоподъёма с использованием энергии потока воды наиболее предпочтительными являются гидротаранные установки.
В результате теоретического исследования работы гидротаранной установки была получена формула расчёта КПД гидротаранной установки с учётом потерь напоров в питательной трубе и нагнетательном трубопроводе. КПД гидротаранной установки равен отношению полезной работы к затраченной. Полезная работа прямо пропорциональна произведению производительности гидротарана на динамическую высоту нагнетания воды. Затраченная работа равна произведению общего расхода на питательный напор с учётом потерь напора; Лабораторные исследования гидротаранной водоподъёмных установоки позволили установить оптимальные технические и конструктивные параметры, технико-эксплуатационные показатели при питательном напоре 1-2 м, нагнетательном напоре 1-2 м и длине питательной трубы 12 м, выяснить влияние питательного и нагнетательного напоров и производительности на КПД гидротаранной установки. Производительность гидротаранов составляет 0,012 – 0,4 л/с. Применение гидротаранных установок в системах водоснабжения возможно при условии устройства водонапорной башни, позволяющей обеспечить необходимый напор и резервный запас воды в часы максимального водопотребления;
Внедрение гидротаранной водоподъёмной установки для ресурсосберегающих технологий орошения и системы водоснабжения в предгорной зоне Казахстана позволит применять эффективные технологии полива (капельное орошение и микродождевание), обеспечить водоснабжение хозяйств, уменьшить в 2-3 раза эксплуатационные затраты при водоподъёме по сравнению с традиционными способами подъёма воды и повысить эффективность сельскохозяйственного производства.
ЛИТЕРАТУРА
- 1. Керимбекова А.С., Калашников А.А., Мирдадаев М.С. Теоретический расчёт гидравлического тарана. // Сб. научных трудов ДГП НИИВХ / Научные исследования в области мелиорации и водного хозяйства. – Тараз: ИЦ «Аква», 2005. – С. 48-51.