Расчет гидротранспорта высоковязких сельскохозяйственных материалов

Расчет гидротранспортной установки включает следующие разделы:

а) технологический расчет системы гидротранспорта;

б) гидравлический расчет установки;

в) выбор напорного и вспомогательного оборудования.

Технологический расчет системы гидротранспорта

Технологический расчет системы гидротранспорта заключается в определении пропускной способности (производительности) гидротранспортной установки, которая зависит от производственного процесса и вида сельскохозяйственного материала.

При раздаче кормов на животноводческих фермах должно выполняться основное условие — подача корма животным в соответствии с зоотехническими требованиям. Исходя из этого условия, расчетная пропускная способность (расчетный расход) Q гидротранспортной установки вычисляется по формуле:

, (7.6)

где q — необходимое количество корма (норма кормления) на одну голову (определяется зоотехническими условиями в зависимости от рациона, вида и возрастной группы тавотных);

k — количество животных на ферме;

n — кратность кормления животных;

t — продолжительность разовой дачи корма;

ρ — плотность кормосмеси.

При уборке навоза основным условием является удаление из помещения фермы суточного выхода навоза от животных в установленные нормативные сроки.

В этом случае расчетная пропускная способность гидротранспортной установки определяется также по формуле (7.6), в которой обозначено:

q — суточная норма жидкого (с учетом разбавления водой) навоза но одну голову (зависит от вида животных, типа рациона и подстилки);

n — кратность удаления навоза в сутки;

t — продолжительность разового удаления навоза;

ρ — плотность жидкого навоза.

Гидравлический расчет установок гидротранспорта

Задачей гидравлического расчета гидротранспортной установки является определение диаметра трубопроводов и напора, или давления, обеспечивающего заданный расход гидросмеси.

Диаметр трубопровода для транспортирования гидросмеси находится из общеизвестного уравнения неразрывности потока:

Q = υS, (7.7)

где υ — средняя скорость транспортирования;

S — площадь поперечного сечения потока.

Средняя скорость транспортирования определяется технико-экономическими расчетами. В первом приближении можно назначать среднюю скорость в пределах υ_к < υ < 2 м/с, υ_к = 0,6–0,8 м/с — скорость самоочищения труб для условий гидротранспортирования высоковязких сельскохозяйственных материалов.

По найденному значению площади выбирается ближайший стандартный диаметр трубопровода, уточняется скорость движения гидросмеси и делается проверка выполнения условия υ > υ_к.

Вычисляется обобщенный критерий Рейнольдса и определяется режим движения гидросмеси:

, (7.8)

где — критерий Рейнольдса;

d — диаметр трубопровода;

ν = μ/ρ — кинематический коэффициент вязкости гидросмеси.

Режим движения структурных гидросмесей зависит не только от критерия Рейнольдса Re, но и от реологических параметров гидросмеси, что и учитывается обобщенным критерием Re^*.

Если Rе^* < 1 500–5 000 то, диаметр трубопровода и средняя скорость движения гидросмеси выбрана правильно, так как в этом случае имеет место шведовской, бингамовский или переходной режимы движения.

Если Rе >1 500–5 000, то режим движения гидросмеси турбулентный и в трубопроводе будут иметь место чрезмерно большие потери давления. Поэтому необходимо увеличить диаметр трубопровода и уменьшить скорость гидросмеси в трубопроводе.

Турбулентный режим допускается применять только для гидротранспорта навоза, имеющего повышенную влажность (свыше 95 %). При такой высокой влажности движение гидросмеси определяется теми же закономерностями, как и для чистой воды.

Динамический коэффициент вязкости μ и предельное напряжение сдвига τ₀ выбирается из таблицы 7.5 в зависимости от типа гидросмеси и ее влажности.

Вычисляются потери давления от гидравлических сопротивлений

, (7.9)

где λ — коэффициент гидравлического трения, определяемый для структурного режима по формуле Пуазейля;

l — длина трубопровода;

1,1 — коэффициент, учитывающий местные потери давления.

. (7.10)

Определяется давление, которое необходимо создать в начале трубопровода, чтобы обеспечить заданную производительность гидротранспортной установки (потребное давление гидротранспортной установки):

, (7.11)

где — соответственно отметки центров тяжести начального и конечного сечений трубопровода (рисунок 7.3, 7.4).

Выбор напорного и вспомогательного оборудования

Системой машин для комплексной механизации производственных процессов на животноводческих фермах и комплексах предусматривается подача вязких сельскохозяйственных материалов по трубам двумя способами: гидравлическим и пневматическим. Поэтому подбор напорного оборудования гидротранспортной установки начинается с выбора способа трубопроводного транспорта.

При пневматическом способе материалы транспортируются с помощью сжатого воздуха. Наиболее широкое применение этот способ нашел при подаче по трубам кормовых смесей на свиноводческих фермах и комплексах, а также для перекачки жидкого навоза к месту хранения или на поля.

Типовая схема пневматической установки для транспортирования жидких кормовых смесей на свиноводческих фермах по трубам приведена на рисунок 7.3. В смесителе приготавливается кормосмесь соответствующего зоотехническим условиям состава — влажность 70–75 %. Из смесителя готовая смесь самотеком поступает в продувочный котел (объемом 5 м³). После заполнения продувочного котла открывается задвижка на кормопроводе и закрывается на входе в котел. Из ресивера воздух под давлением поступает в продувочный котел и вытесняет смесь по кормопроводу в бункер-накопитель. Компрессор поддерживает давление в ресивере до 2 МПа. Давление в ресивере р_р пневматической установки определяется из условия:

р_р = (1,1–1,2) р_г.у, (7.12)

где р_г.у — давление, которое необходимо создать в начале трубопровода.

При гидравлическом способе материалы транспортируются с помощью насосов.

Данный способ транспортирования по сравнению с пневматическим имеет более простую по устройству, а следовательно, более дешевую установку, которая легко может быть полностью автоматизирована.

Сравнительно малые размеры насоса позволяют устанавливать его в небольших помещениях.

Недостатком транспортирования жидкотекучих кормов с помощью насоса является то, что трубы после раздачи остаются заполненными кормом и при периодической промывке кормопроводов происходит потеря корма. Поэтому применение насосной раздачи считается экономичным и рациональным на свинооткормочных фермах с поголовьем до 12 тыс., так как при этом условии масса корма, остающегося в трубах, сравнительно невелика.

При гидравлическом способе раздачи кормов (рисунок 7.4) основным звеном гидротранспортной установки является насос. Поэтому от правильности выбора насоса зависит надежность и экономичность работы системы в целом.

Гидросмеси, как указывалось выше, по своим физико-механическим свойствам резко отличаются от однородных жидкостей. Они имеют высокий динамический коэффициент вязкости до 10 Н · с/м² и включают механические частицы размером до 15 мм. Вследствие этого многие насосы не могут перекачивать такие гидросмеси. Из всего многообразия типов и видов насосов можно рекомендовать центробежные, одновинтовые и поршневые.

Из центробежных насосов находят применение фекальные насосы типа НФ или грунтовые тина ГР и ГРУ, которые могут перекачивать сельскохозяйственные материалы влажностью не ниже 80 % и развивать давление до 0,5 МПа (рисунок 7.5; 7.6).

Наиболее перспективными насосами являются одновинтовые типа IB, которые способны подавать кормосмеси с более низкой влажностью (не менее 70 %), при этом развивают давление до 1,5 МПа (рисунок 7.7; 7.8).

С учетом вышеизложенного насос подбирается в зависимости от вида и свойств гидросмеси таким образом, чтобы его рабочие расход и давление были равны или несколько превышали расчетные расход и потребное давление гидротранспортной установки, а КПД был близок к максимальному.

Для этого на графике, где приведены рабочие характеристики насосов, из которых делается выбор, наносится расчетная точка характеристики гидротранспортной установки (она соответствует расчетным расходу и потребному давлению). Выбирается насос, главная рабочая характеристика которого лежит выше расчетной точки, но ближе, чем характеристики других насосов. При этом коэффициент полезного действия насоса должен быть достаточно высоким. В оптимальном случае расчетная точка совместится с главной рабочей характеристикой насоса при наибольшем КПД.

Если у нескольких насосов окажутся близкими рабочие параметры, то окончательный выбор насоса делается с помощью технико-экономического расчета. Выбирается вариант, который дает наименьшие суммарные (капитальные и эксплуатационные) издержки на транспортирование гидросмеси.

Затем строятся рабочие характеристики выбранного насоса. Для этого с помощью графиков, приведенных в справочной литературе, определяются значения давления, развиваемого насосом, и КПД при четырех расходах: Q₁ — наименьший расход, указанный на графике; Q₂ = (Q₁ + Q)/2, где Q — расчетный расход гидротранспортной установки (Q₂ округляется до ближайшего значения, совпадающего с координатной сеткой графика); Q₃ = Q и Q₄ — наибольшее значение расхода, имеющееся на графике.

По данным на миллиметровой бумаге строятся рабочие характеристики насоса. При построении графиков необходимо соблюдать правила их построения и ГОСТ на масштабы.

Рабочие параметры насоса определяются по рабочей точке, которая представляет собой точку пересечения главной рабочей характеристики насоса р = f (Q) с характеристикой гидротранспортной установки р_г.у = f (Q).

При построении характеристики гидротранспортной установки используются те же расходы, которые были приняты для рабочих характеристик насоса.

Для указанных расходов (кроме расчетного) по формуле (7.7) вычисляется средняя скорость движения гидросмеси.

По формулам (7.8) и (7.9) рассчитываются потери давления в трубопроводе.

Для принятых расходов определяется по формуле (7.11) потребное давление насосной установки. Полученные результаты желательно занести в таблицу. В таблицу записываются вычисленные ранее параметры расчетной точки характеристики гидротранспортной установки.

На графике, где показана главная рабочая характеристика насоса, в том же масштабе наносятся точки, соответствующие полученным значениям расхода и давления, а также расчетная точка.

Эти точки соединяются плавной линией, которая называется характеристикой гидротранспортной установки и представляет собой графическое изображение системы уравнений (7.7)–(7.11), то есть зависимость потребного давления гидротранспортной установки от расхода.

Находится рабочая точка насоса (на графике обозначается буквой А), которая, как указывалось выше, представляет собой точку пересечения главной рабочей характеристики насоса с характеристикой гидротранспортной установки, и по ней определяются рабочие параметра насоса: Q_А, давление р_А, коэффициент полезного действия η_А.

Мощность, потребляемая насосом, вычисляется по формуле:

, (7.13)

в которой при подстановке в качестве р, Q, η используются соответствующие рабочие параметры насоса.