Обоснование параметров ветроводоподъемной установки для пастбищного водоснабжения

Обоснование параметров ветроводоподъемной установки для пастбищного водоснабжения

Общую задачу выбора системы водоснабжения от ветроводоподъемной установки (ВВУ) можно сформулировать логическим высказыванием «при заданных входных условиях требуется обеспечить получение необходимой выходной целевой функции — подъема воды — с наилучшими технико-экономическими показателями». При этом необходимо обеспечить соответствие между желаемым и фактическим значениями выходной величины.

Исходя из вышесказанного, система водоснабжения в общем виде оценивается выражением:

На основе анализа систем для автономного водоснабжения сельхозформирований с использованием ВВУ составлена структурная схема такой системы, которая содержит следующие элементы: условия функционирования, водоисточник, ветроводоподъемная установка, накопитель воды, система водораспределения и потребитель. ВВУ состоит из ветроколеса, мачты, привода, поршневого насоса и водопроводных труб.

Определение значения эксплуатационных затрат и производительности установки в условиях действия случайных процессов (ситуационных, сезонных, погодных) достаточно сложно и зависит от многих факторов. Для различных географических и климатических условий в регионах РК оптимальные технические параметры установок будут различны. Эксплуатационные затраты напрямую зависят от стоимости установки и определяются по методике, изложенной в [1]. Исходная информация, используемая для расчета и выбора параметров установки, должна содержать данные по климатическим, географическим и эксплуатационным условиям в конкретном хозяйстве. Поэтому на предпроектной стадии проводится сбор данных по климатическим условиям местности (ветровой потенциал, температура воздуха и атмосферное давление, промерзание грунта, снежный покров), условиям эксплуатации (сезон, период использования, водопойный режим животных), характеристикам водоисточника (тип колодца, глубина до воды, дебит, рабочий объем воды и степень ее минерализации, диаметр шахты или обсадной трубы).

В пастбищном водоснабжении среднесуточное потребление воды на одном водопункте с учетом водопотребления на нужды персонала летом, весной и осенью принимают 3; 5; 8; 10; 12; 16; 18 м³; зимой — 3; 5; 8 м³. При использовании стационарного ветроводоподъемника рассматривают комбинированный режим работы [2].

Для обоснования конструктивно-технологической схемы ВВУ, прежде всего, необходимо установить влияние типа и параметров насоса на его производительность и величину крутящего момента на валу привода в зависимости от высоты водоподъема. Как известно из теории поршневых насосов [3], мощность N_ra, потребляемая насосом и приводом, определяется по выражению.

Для обоснования рациональных параметров поршневого насоса проведены стендовые испытания со следующими параметрами: высота водоподъема H=6,6; 12; 21; 29; 41 м; диаметр поршневого насоса d=75; 99; 120 мм; ход поршня s=60… 140 мм; частота вращения привода n=10; 18,5; 23; 27; 37; 47; 56 мин^-. Стенд включает в себя рычажный привод ветроводоподъемной установки, который соединен через привод с электродвигателем. Установка монтируется над скважиной, в которой можно обеспечить разную высоту водоподъема. Для измерения значения крутящего момента на валу привода ветроколеса смонтирован тензометрический узел, подключенный к контрольно-измерительной аппаратуре. Производительность поршневого насоса контролировалась по показаниям счетчика воды, установленного на подающей трубе. Частота вращения привода изменялась частотным регулятором. Глубина погружения насоса под рабочий уровень воды во время опыта контролировалась электронными датчиками, закрепленными на водоподъемной трубе. Значения частоты вращения и крутящего момента на валу привода фиксировались самописцем.

В ходе экспериментов было проведено 324 опыта с насосом диаметром 99 мм, 160 опытов — с диаметром 75 мм, 72 опыта — с диаметром 120 мм. По полученным данным в среде Microsoft Excel созданы базы данных (БД) производительности (Q) и моментных характеристик (М) поршневых насосов с разными диаметрами (d) и ходами поршня (s) для различной высоты водоподъема (Н) и частоты вращения привода (n).

По полученным данным в БД по производительности организован автоматический расчет значений объемного КПД насоса, в БД по моментным характеристикам организован автоматический расчет требуемой мощности ветроколеса для обеспечения водоподъема, а также по двум БД организован автоматический расчет удельной производительности и удельной энергоемкости для всех опытов.

водоснабжение ветроводоподъемный производительность мощность.

Полученные зависимости используются для обоснования оптимальных параметров ВВУ при конкретных эксплуатационных условиях, таких как диаметр колодца; высота водоподъема (H=const); суточная производительность ВВУ, которая должна быть не меньше суточной потребности в воде с учетом запаса на безветренные дни.

Qсут>Qсут.потр.+Qзап.,.

где Qзап. — объем накопительного резервуара, м; среднегодовая скорость ветра.

Решение такой оптимизационной задачи сводится к поиску вариантов совокупности параметров ВВУ, обеспечивающих суточную производительность при минимальной требуемой мощности на приводе насоса в соответствии с ветровыми условиями местности.

Например, необходимо обосновать параметры ВВУ для хозяйства с суточной потребностью в воде 10 м³ при высоте водоподъема 41 м из колодца диаметром 120 мм в местности со среднегодовой скоростью ветра 4 м/с.

Для решения поставленной задачи проведен расчет параметров ветроколеса, построены совмещенные графики требуемой мощности для работы с насосами, которые при высоте водоподъема 41 м могут обеспечить требуемую суточную потребность в воде с наименьшими значениями удельной энергоемкости (рисунок).

Как видно из рисунка, работу насосов с d=75 мм, s=62 мм и s=110 мм может обеспечить ВК с диаметром 7,5 м и высотой мачты 9 и 12 м, а также ВК с диаметром 7 м и высотой мачты 12 м. При этом ВВУ с насосом d=75 мм, s=110 мм будет работать производительно, начиная со скорости ветра 2,5 м/с. Поэтому по результатам расчета хозяйству рекомендуется ВВУ со следующими параметрами: диаметр ВК — 7,5 м, высота мачты — 9 или 12 м, диаметр поршневого насоса — 75 мм, ход поршня — 110 мм.

Сеитбеков Л.С., Абдикаиров А. А., Нурпеисова Г. Б. и др. К определению эффективности применения технических средств для крестьянских хозяйств. //Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований». — Одесса, — том 4, с. 59−60.

Каплан Р.М., Яковлев А. А. Механизация водоснабжения на пастбищах. — Алма-Ата: Кайнар, -184 с.

НекрасовБ.Б. Гидравлика, насосы и гидроприводы. — М.:Машностроение, — 418 с.

Ветродвигатели / Под ред. Е. М. Фатеева. — М.: ОГИЗ им. А. А. Жданова, — 248 с.