ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НАПОРА В ВОДОПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Долматов Н. П.¹, Ананьев С.С.²

¹ORCID: 0000-0002-1825-0023, Кандидат технических наук, доцент, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет», ²ORCID: 0000-0002-1825-0026, Кандидат технических наук, доцент, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НАПОРА В ВОДОПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Аннотация

В статье приведены расчеты по обоснованию потерь напора по всей длине водоподающего трубопровода включая потери напора в распределительной камеры и насоса. При расчете определялась и учитывалась длина трубопровода, характеристики низконапорного насоса, диаметр и количество струеформирующих насадков, скорость течения жидкости в распределительной камере, угол диффузора и конфузора. В процессе расчета потерь напора учитывалось количество витков водоподающего шланга на барабане, а также установлена зависимость скорости движения воды в водоподающем трубопроводе и расходу распределительной камеры от площади внутреннего сечения  трубопровода.

Ключевые слова: потери, расход, диффузор, водопровод, площадь.

Dolmatov N. P.¹, Ananyev S.S.²

¹ORCID: 0000-0002-1825-0023, PhD in Engineering, Associate Professor, Novocherkassk Engineering Institute of reclamation AK Kortunova FGBOU IN "Don State Agrarian University", ²ORCID: 0000-0002-1825-0026, PhD in Engineering, Associate Professor, Novocherkassk Engineering Institute of reclamation AK Kortunova FGBOU IN "Don State Agrarian University"

DETERMINATION OF HYDRAULIC DROP LOSS IN THE WATER-CONDUCTING ELEMENTS OF A DRIP-ROLLING DEVICE

Abstract

The article contains calculations aimed at justifying hydraulic drop losses over the entire length of the water supply pipeline, including the losses in the distribution chamber and pump. During the calculation, the length of the pipeline, the characteristics of the low-pressure pump, the diameter and number of jet-forming nozzles, the flow-rate of the liquid in the distribution chamber, the angle of the diffuser and the confuser were determined and taken into account. In the process of calculating the losses, the number of turns of the water supply hose on the drum was also taken into account, while the dependence of the water velocity in the water supply pipe and the flow-rate of the distribution chamber on the internal section of the pipeline were established.

Keywords: losses, flow-rate, diffusion cell, water supply, area.

В поливных хозяйствах зоны орошения, дренажные трубопроводы и сбросные коллекторы в сезон эксплуатации постепенно меняют свою первоначальную форму живого сечения, заиляются, а дно трубопроводов покрывается слоем наносных отложений. В связи с этим проектная пропускная способность трубопроводов уменьшается, что влечет повышение уровня грунтовых вод на орошаемых землях. Повышение уровня стояния грунтовых вод, как правило, влечет за собой поднятие из нижних слоев почвы в верхние плодородные, вредные для сельскохозяйственных культур солей. В следствии этого происходит солонцевание верхних слоев почвы и как следствие утеря плодородных земель.

Дренаж является наиболее эффективным средством борьбы с поднятием уровня грунтовых вод на орошаемых землях и реконструируемых оросительных системах. Однако многие орошаемые земли в России пока ещё не имеют дренированности, что ухудшает их мелиоративное состояние и сельскохозяйственное использование.

Фактическое использование заиленных дренажных трубопроводов не даёт желаемого эффекта. Поэтому значительное место в мелиорации занимают работы, связанные с предотвращением выхода из строя, содержанием и эксплуатацией дренажных и сбросных систем: очистка дренажных трубопроводов от наносов затрудняющих движение воды; восстановление первоначального проектного профиля трубопроводов.

В ряде научных работ рассматривалось изучение и расчет основных параметров дренопромывочных устройств, с учетом изменения эксплуатационных характеристик для повышения экономической эффективности машины в целом.

В данной работе рассмотрим зависимости некоторых эксплуатационных характеристик промывочного устройства от их технических решений, а также изменение потерь напора по длине водонапорного шланга.

Для определения параметров насосного агрегата дренопромывочного устройства, помимо расхода, необходимо определить напор, необходимый для создания соответствующей скорости в СФН распределительной камеры ДПУ (Z_дпу). Расчетная схема определения общих потерь напора в дренопромывочном устройстве показана на рисунке 1.

Напор ДПУ складывается из напора на срезе струеформирующего насадка (Z_сфн) и суммарных потерь напора в водопроводящих элементах устройства (Z_п), то есть:

  (1)

Рис. 1 - Схема к определению общих потерь напора в дренопромывочном устройстве: 1- дренопромывочная головка; 2 - водонапорный шланг; 3 - дренажная труба; 4 - барабан для водонапорного шланга; 5 - дренажный колодец; 6 - низконапорный насос; 7 - базовая машина

 

Потери напора в водопроводящих элементах дренопромывочного устройства, в свою очередь, складываются из потерь в распределительной камере ДПУ (Z_рк), в диффузоре (Z_диф), по длине водонапорного шланга (Z_ш)и в барабане (Z_бар):

   (2)

Слагаемые формул (1) и (2) можно определить по известным в гидравлике методикам [1, С. 153], [2, С. 288].

За основу, для определения потерь в СФН, принимаем схему с внешним цилиндрическим насадком, расположенным под углом к стенке. Следует отметить, что для увеличения пропускной способности насадка, его длину целесообразно принять равной не менее (4 ¸ 6)×d_o.

Связь расхода СФН с напором имеет вид:

   (3)

откуда найдем напор    (4)

где μ₀ - коэффициент расхода струеформирующего насадка, согласно для принятой конструкции насадка составляет 0,7 ÷ 0,8.

Движение жидкости в распределительной камере ДПУ характеризуется делением потока и носит сложный характер. В первом приближении потери напора можно определить как в приточном тройнике при нулевом проходном расходе. Коэффициент сопротивления в ответвлении распределительной камеры ζ_рк  можно определить по следующей зависимости:

   (5)

где U_кв - скорость в распределительной камере ДПУ.

Скорость  в распределительной камере дренопромывочного устройства определяется по найденному расходу ДПУ и внутреннему сечению распределительной камеры

   (6)

где ω_кв - площадь поперечного сечения внутренней части распределительной камеры, составляет

   (7) где d_кв - внутренний диаметр распределительной камеры, определяемый по формуле    (8) где Δ_стен - толщина стенки корпуса распределительной камеры. С учетом формулы (5), потери напора в распределительной камере составят   (9) Потери напора в диффузоре корпуса рабочей камеры составляют   (10) Коэффициент сопротивления диффузора определяется по следующей формуле:    (11)

где k_см - коэффициент смягчения при постепенном расширении, для предельного угла безотрывного расширения потока в диффузоре (a_диф ≈ 14^о) коэффициент равен 0,3.

ζ_mp - коэффициент сопротивления трению.

Данный коэффициент определяется по следующей формуле:    (12)

Потери напора по длине шланга определяются в общем случае по формуле А. Дарси – Ю. Вейсбаха:

   (13)

где  λ - гидравлический коэффициент трения.

Коэффициент гидравлического трения для шланга можно определить как для гладких труб, например по формуле Блазиуса:

   (14)

где  Re  - число Рейнольдса, составляет   (15)

Скорость движения воды в водонапорном шланге определяется по известному расходу ДПУ и площади внутреннего сечения  шланга ω_ш:

    (16)

    (17)

Максимальные потери напора в свернутом на барабане водонапорном шланге будут иметь место на начальном этапе промывки дренажной трубы, когда шланг практически полностью по всей длине свернут в кольца на барабане. Наибольшие потери будут в нижнем ряду колец шланга, так как радиус поворота будет наименьшим. В качестве расчетной схемы примем наихудшие в комплексе условия, то есть:

• шланг полностью намотан на барабан;
• радиус колец шланга принимается равным радиусу цилиндра барабана r_бар.

В первом приближении потери напора в одной четверти кольца  (ΔZ_бар) можно определить по известным формулам гидравлики [3, С. 78], например:    (18)

где ζ₉₀ - коэффициент сопротивления плавного поворота трубы на 90^о_.

Данный коэффициент определяется по следующей формуле:

   (19)

Потери напора в свернутом на барабане шланге равны произведению количества колен на барабане на потерю напора в одном колене:

    (20)

где n_кол  - количество колен на цилиндре барабана при полной намотке шланга.

Данное количество определяется по следующей формуле:

   (21)

Подставив найденные, по выше составленным зависимостям, потери напора в формулы (1) и (2), можно определить полный напор в ДПУ, который необходимо создать насосным агрегатом в начале водонапорного шланга. По найденным значениям расхода и напора подбирается насосный агрегат [4].

Несмотря на значительное количество существующих конструкций промывочных устройств, вопросы оптимизации основных геометрических параметров, рабочего органа изучены недостаточно. В частности, следует рассмотреть отношение диаметров промывочного устройства к внутреннему диаметру очищаемого трубопровода. Так же отсутствуют расчеты по определению соотношения расходов жидкости промывочного устройства к объему воды находящейся в трубопроводе. Необходимо рассмотреть изменение расхода воды в процессе размыва наилка в полости очищаемого трубопровода в зависимости  от величины наносных отложений.

Список литературы / References

1. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй / Г. Н. Абрамович. – М.: Наука, 1984. – 750 с.
2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг, Л.Г. Лойцяновский. – М.: Наука, 1969. – 742с.
3. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: учеб. для вузов / Д.В. Штеренлихт. – М.: Энергоиздат, 1991.-351 с.
4. Долматов Н. П. Зависимость качества очистки дренажного трубопровода от параметров дренопромывочного устройства / Н. П. Долматов, А. В. Михеев // Международный научно-исследовательский журнал.-2017. -№ 03(57), - С. 119-122.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Abramovich G.N. Teoriya turbulentnykh strui [Theory of Turbulent Jets] / G.N. Abramovich. - M.: Nauka, 1984. - 750 p. [In Russian]
2. Schlichting G. Teoriya pogranichnogo sloya [Theory of Boundary Layer] / G. Schlichting, L.G. Loitsyanovsky. - M.: Nauka, 1969. - 742p. [In Russian]
3. Schterenlicht D.V. Gidravlika: ucheb. dlia vuzov [Hydraulics: Textbook for Universities] / D.V. Sterenlicht. - M.: Energoizdat, 1991.-351 p. [In Russian]
4. Dolmatov N.P. Zavisimost‘ kolichestva ochistki drenazhnogo truboprovoda ot parametrov drenopromyvochnogo ustroistva [Dependence of Quality of Drainage Pipeline Cleaning on Parameters of a Drainage Device] / N.P. Dolmatov, A.V. Mikheev // Mezhdunarodniy nauchno-issledovatelskiyzhurnal [International Research Journal]. – 2017. - No. 03 (57). - P. 119-122. [In Russian]