автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Некоторые задачи технологии и гидравлических расчетов переходных режимов систем минерального питания растений закрытых мелиоративных сооружений

? Г Б ОД / 6 И10/1 1090

На правах рукописи

Шульгина Елена Пап.ювни

НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ТЕХНОЛОГИИ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ ЗАКРЫТЫХ МЕЛИОРАТИВНЫХ СООРУЖЕНИИ

Специальность 05.2.1.07- Гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 199Х

Работа выполнена па кафедре мелиорации и гидравлики Российского государственною аграрпою заочно! о универешем

Научный руководитель - академик Международной Академии 1КОЛОГ1Ш п природопользования , Академии шрарного образования, доктор технических паук, профессор Р.Г. Сабашвили

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Войнич-Сяноженикий Т.Г.

кандидат технических наук , допет В.К.Гладков

Ведущее предприятие - ВНИИГИМ им. А.М.Костякова

Зашита диссертации состоится «30» июня 1998 года в II часов па заседании диссертационного Совета К 120.41.01 в Государственном предприяпш специализированном научном центре "ГОСЭКОМЕЛИОВОД" Дспарымеша "Мелиоводхоз" по адресу: 104005, г.Москва, ул.Бауманская, дом 43/1 , ГП СНЦ "ГОСЭКОМЕЛИОВОД".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП СНЦ "ГОСЭКОМЕЛИОВОД".

Автореферат разослан «27 » мая 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 120.41.01 кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Н.Г.Зубковл

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Получение высоких урожаев при нссезонном выращивании растений в закрытых мелиоративных сооружениях обеспечивается созданием оптимальных Л'1я их жизнедеятельности физических параметров корнсобигасмой и воздушной сред. Важное значение при этом имеет механизация ороситсльио-осушительных систем минерального питания растений ( далее - ООО МПР), исключающая неустановившееся напорное движение раствора в водоводах, которое оказывает существенное влияние на 1СХ1ЮЛ01 ичеекпе режимы, параметр!.! оборудования и его долговечность. Одновременно рсшастся один из вопросов в области охраны окружающей среды и получения экологически чистых продуктов питания.

В связи с изложенным тема диссертационном работы является актуальной.

Целью настоящей работы является: исследование неустановившихся процессов в напорных водоводах ООС МПР закрытых мелиоративных сооружений с разработкой меюдики гидравлических расчетов переходных режимов; разработка предложений по совершенствованию технологии и новых высокоэффективных технических средств гидромеханизации посекционного минерального питания растений при выращивании их в искусственных средах в закрытых мелиоративных сооружениях.

Для достижения указанной цели поста влет,I следующие задачи исследования:

- провести теоретические и экспериментальные исследования технологии и гидротехнических средств механизации минерального питания растений при выращивании их на искусственных средах в закрытых сооружениях , определить причины возникновения недопустимого повышения давления в водоводах ООС МПР ;

- провести анализ известных средств и методов защиты водоводов от гидравлического удара с целью определения наиболее эффективных мер по защите системы МПР от недопустимых повышений давления, существующих методов расчета неустановившегося движения в напорных водоводах , определить наиболее оптимальный метод, достаточно точно описывающий данное явление в ООС МПР;

- разработать методику расчета на ЭВМ неустановившегося напорного движения в водоводах ООС МПР с тупиковыми отводами, провести численные эксперименты.

Научная новизна диссертационной работы заключается в комплексном подходе к решению проблемы повышения эффективности МПР при выращивании их в искусственных средах в закрытых культивационных сооружениях. Рассмотрена механика движения

А

раствора в водоводах оросительно-осушительной системы двустороннего регулирования минерального питания, разработана методика расчета на ЭВМ неустановившегося напорного движения в водоводах ООО МПР с тупиковыми отводами. Созданы принципиально новые автоматизированная система и рабочие органы для распределения и посекционной подачи раствора ( а.с. 1293705, I52S292, 745444), обеспечивающие выполнение заданного технологического режима корневого питания и исключающие недопустимое повышение давления в системе.

Практическая ценность. Реализована на IBM математическая модель неустановившегося движения раствора в напорных водоводах гидросистемы МПР с проведением численных экспериментов, позволивших определить характер неустановившегося процесса, максимальные давления и опасные с точки зрения внезапного повышения давления участки системы; влияние на неустановившийся процесс тупикового отвода; графические зависимости величины повышения давления в магистральном водоводе ООС МПР от времени срабатывания запорного клапана и повышения величины давления в подводящем трубопроводе от времени переключения золотника дискретного детерминированного многопоточного гидрораспределителя (далее - ДДМГР) ООС МПР.

Экспериментально исследована высокоэффективная технологическая схема ООС МПР для закрытых мелиоративных сооружений, реализованная в промышленных образцах РГС-3 ГП ( а.с. № 1293705) и РГС-12ЭП, обеспечивающая предотвращение недопустимого повышения давления в ООС МПР и интенсификацию корневого питания растений.

Результаты исследований использованы в тепличных комбинатах специализированного производственного объединения СПО "Весна" (г. Москва), совхозе "Белая Дача" Московской области, в учхозе ВСХИЗО и учебном процессе РГАЗУ и других организациях со значительным технико-экономическим эффектом.

Достоверность результатов исследований обусловлена проведением экспериментальных исследований с применением современного оборудования, приборов и аппаратуры, высокоэффективного численного конечно-разностного метода расчета неустановившегося движения, проведением численньи экспериментов на IBM.

Работа выполнялась на основании задания ГК СМ СССР по науке и технике и МСХ СССР от 29.04.76 г. № 136, в рамках общесоюзной научно-технической Программы ОС.1.П.1 по теме № 19 плана НИР ВСХИЗО на 1981-85 гг., комплексной теме № 21 плана НИР ВСХИЗО на 1986-90 гг., теме №> 22 плана НИР ВСХИЗО (РГАЗУ) на 1990-95 гг.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научных конференциях ВСХИЗО и РГАЗУ (1980-95 гг.), на третьей научно-практической

конференции "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России" (Россе.илозакадемия, IW4 г.), па тематической выставке "Достижения ученых высшей шкоты в научно-иссдедовакльской работе" (г.Москва, ВДНХ, 14X7 г.) и др.

Созданные с участием автора разработки по гидромеханизации минерально] о пшания pacicninï (РГС-ЗГП. РГС-12ЭП. РГС-6ГП. КОАТ-ВСХИ'Ю н др.) предпавля-■ iiici. па чпырех международных и восьми отечественных выешвках. Автор liaiражюна одной серебряной и пятью бронзовыми медалями ВДНХ СССР.

Публикаций- Oc.iobiii.ic рсзульт:тш исследований опубликованы в шести научных сиш.ях. пяш авторских свидслсльавах на тобрекпия. в пят депонированных oimcuix, одном учебном пособии н других работах - всего свыше двадцати публикации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит in введения, 4 пав, основных выводов, списка .imcpaiypi.i 1.1 fi наименовании н приложений на 2.1 cipann-нах. Paiioia содержи! 1 У) страниц машинописною îcKcia, рисунков и laô.nm.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования. 01 мечена научная новизна и практическая ценное п. работы.

В первой главе да:1 анализ научно-технической литературы по вопросам техно.'опш и тдромеханизации минерального питания растений при выращивании их в нскусс1венных средах в закрышх мелиорашвных сооружениях: огмечеп зпачшельным вклад в развитие данного направления ученых: Р.А.Акопяна. И.И.Бронппе.ша. С.Ф.Ващепко, Г.С.Давтяна, Е.И.Ермакова, Н.Д.Келлера , В-А.Корбута, Е.Д.Коро н.юва. Ю.Н.Липова, Б.В.Латенко, Б.Л.Микая, Э.В.Мкртчяна, ВН. Пряхнна, Р.Г.Сабаитили. В.А.Чеснокова и др. Названными авторами проведены îeopeni'iccKiic и экспериментальные исследования технологических режимов работы ООС МПР. предложены методики расчетов основных параметров и конструкций гидротехнического оборудования: стеллажей, дренажных устройств, резервуаров для хранения питаюдьною раствора, насосных станций, подающих и сливных трубопроводов и каналов, ycipoiiciB Для приготовления питательного раствора, распределительных устройств различных типов: обобщены результаты использования технологии и оборудования в хозяйственных условиях тепличных комбинатов, в которых, в частности, отмечалось (Н.Д. Келлером. Р.Г.Сабашвили, Ю.НЛиповым и др.) возникновение в процессе механизации МПР неустановившихся процессов в ООС, недостаточно исследованных до настоящею времени. Задачи различного рода, связанные с возникновением переходных процессов в ООС МПР, возникали как при проектировании новых систем МПР, 1ак и при эксплуатации уже действующего оборудования. Выяснено, что резкое повышение

ь

давления наблюдалось в магистральном трубопроводе ООС МПР в период удобрительного орошения при срабатывании запорного клапана в конечной секции аеллажа 1сп:нп(м: в парораспределителе ООС в начальной стадии слива раствора из обьекта потребления через ДДМГР обратно в резервуар, в случаях преждевременно! о включения насосной станции, работающей в повгорно-кра1ковремснном режиме во взаимосвязи с электроприводом ДДМГР, и других. Неустановившийся режим движения раствора наблюдался как в напорных, так и безнапорных системах МПР. Исследования 1СХНО.ТОГИЧССКОГО процесса МПР в хозяйственных условиях на соответствие агротехническим требованиям показали, что к снижению урожайности при обеспечении заданных тсмпературно-влажпосгиых параметров приводит нарушение режима корневого питания не только из-за последствии возникновения резкого повышения давления в элементах ООС МПР, но и в результате значительной неравномерности затопления субстрата по площади стеллажа.

В данной главе проведен анализ причин возникновения недопустимого повышения давления в гидросистемах и средств по защите водоводов от гидроудара, сделан вывод о необходимости проведения дополнительных исследований переходных режимов в ООС МПР.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию неустановившегося напорного движения растора в водоводах ООС МПР. Дан анализ наиболее известных методов расчаа ииравднческого удара в напорных трубопроводах, рассмотрена механика движения растора в водоводах ООС МПР, приведены основные уравнения для расчета на ЭВМ переходных режимов в напорных водоводах ООС МПР.

Классическое решение вопроса о гидравлическом ударе в простом трубопроводе с учеюм сжичаемосш жидкости впервые было дано профессором Н.Е.Жуковским в 1X99 юлу, который, описав физическую сущность явления, вывел дифференциальеме уравнения и формулы для определения предельно возможного повышения напора и скорости распросгранения волны гидравлического удара. В дальнейшем значительный вклад в исследование неустановившегося движения жидкости и гидравлического удара внесли: Л.А.ыисви, В М.Алышев, А.А.Атавин, Л.Бержерон, Т.Г.Войнич-Сяноженцкий, К.П.Вшшсвский, И.С.Громека, И.П.Гинзбург, А.А.Гриб, В.С.Дикаревекий, И.В.Егиазаров , Н.ГЛубкова, H.A. Картвелишвиди, М.А.Мосггков, Л.Ф.Мошнин, А.Ф.Мостовский, А.А.Сурин, В.Стритер, ИА.Чарный, Д.Фокс и многие другие отечественные и зарубежные ученые. Отмечено, что для решения задач по расчету i идравтического удара в сложных системах широко применяются численные различные конечно-разностные методы, предназначенные для реализации на ЭВМ.

На основе законов теоретической гидравлики выведена система уравнений, описыва-

ющая движение раствора в напорном гидравлической системе МПР:

сУр,- -у â\;

Ôt 1 ÔX

dv- 1 dp- dz- Я-vv.

ôt p dx dx 2d-

где i - порядковый номер водовода. При этой напорный трубопровод, соединяющий различные элементы системы (например, парораспределитель н клапан в конечной секции теплицы) предполагался цилиндрическим и однородным по ;иине. доски очно длинным ( Li/di»l. например, длина трубопровода L = 59 м, .mavicip d = U» тш). движение жидкости полагалось одномерным; жидкость и материал стенок труб подчиняется чакону Гука, а теория гидравлического удара ограничивается классом 1ечсния барогропной жидкости. Допускаюсь также, что ah.lkociI. чало сжимаема (/) -р,,) и (<о =■ ол,}, а потери давления по шине трубопровода определяю гея исхода из i ипо!сзы квазистационзрности.

Математическая модель неустановившегося напорного движения раствора в гидросистеме МПР составлена на основе метода характеристик с использованием ромбовидной разностной ссгки с шагом h по оси х и шагом т по оси у, причем h и t связаны соотношением: h = ст. Использование метода характеристик позволило итерирование дифференциал!,aux уравнений гиперболического типа заменить интегрированием уравнений характеристик:

I^±,=T(.V„)±,„ (2, -

уравнение прямой и обратной характеристик, проходящих через точку u(.ï0. /»):

d p =±pc(x)dv+p~^- vdx (3) -

дифференциальные соотношения на характеристиках.

Параметры в сечении простого трубопровода для t -го момента времени определялись по их значениям в соседних сечениях в предыдущий момент времени (т -t) m уравнение (3) посредством замены дифференциалов конечными разностями:

8 л

Ьр

т-и+1

V . . .=0 г-1,7-1

VI,»

V , .,,=0

Здесь индекс т соответствует моменту времени, а индексу-сечению.

Параметры в узле разветвления, когда сопрягаются несколько подсистем с распределенными параметрами, определялись по их значениям в предыдущий момент времени в соседних сечениях вссх подсистем, а также из равенства давления в узле разветвления и закона сохранения массы. Система уравнений для этого случая имеет вид:

г-1/;И

V . .=0

Т-1/И-1

(5)

где/и, сечения в ветвях гидросистемы.

Решение системы уравнений (5) позволяет определить значения скорос ж и давления в узле разветвления, в каждой его ветви. Параметры в сечении с неоднородностью определяются по их значениям в предыдущий момент времени в агрегате с сосредоточенными параметрами и в соседних сечениях подсистем с распределенными параметрами, коюрис присоединены к данной неоднородности. Уравнения, определяющие влияние параметров соседних сечений вниз и вверх по потоку, имеют вид :

{ОЫю тчя

НН

(6)

НИ

Н/+1=С> <7)

О . Q. • j - условие неразрывности (Я)

40 ^'JJ-о

Дифференциальные уравнения, описывающие агрегат с сосредоточенными параметрами, представляются в конечно-разностной форме с интервалом времени Д т , совместное решение которых с уравнениями (6) и (7) позволяет определить значения давления и скорости.

На основе изложенного для расчета неустановившегося процесса в гидравлической системе МПР , включающей в себя клапаны и тупиковый отвод ( рис. 1) составлена система уравнений в конечно-разностной форме, которая имеет следующий вид:

РС-?М <1 и2

pi ~рN+1 + (1

р.=АТ-рсЦ (12)

рм =BT+pcVM (И)

где АТ= рт._х +pcVT._{AxV*H signVTM

ВТ= Prj+2 ~РС Vxi+2-РТД^Ьл Si*n VTf+2 '

р - давление; V- скорость в основной магистрали; и- скорость в тупиковом отводе; С,-коэффициент местного сопротивления (в данном случае - на потери при разделении потоков) ; с- скорость распространения волны давления; Х- коэффициент потерь на Трение по длине; Ах- шаг по дайне в конечно-разностной сетке; р-плотность жидкости; Д. d - диаметры основной магистрали и тупикового отвода.

Индексы: /- означает - /- тое сечение по длине магистрали, в котором расположен тупик; N - сечение, следующее за клапаном; т - соответствует значениям на текущем временном слое.

Используя приведенную систему уравнений определяем значение скорости н давления в тупике:

^ Ьжрехр6чао

ОТ

V.

I

I

т*3дт

т *2дТ т*дт

т

гбремя

г»3дт гЖт ыт

Яг

V«

з

8 3

2-Б

ъе а сх. о

X

ч / / N ч / / N ч / / ч

Ч /

е / \ ц С Ч о { \ в

Ч / / \ ч ? / ч ч ^ /Ь / ч

Харамеристшш

дх

\7 V? \ ^ \ /|\ /(х

41/ \|/\1/Ч1/\1/\1/ \

811

К —з

£

и Т-1 Т "М

ее^

X

к

ж

/Ш\

к к*

I.

Т +

т

Зд 2д Д'С

Рие.< Схема к расчету переходного режима в гидросистеме МПР с тулиховым отводом и клапанами (методом характеристик)

_1JL

-pc

w

+ ' +, p- c-

A + 2p{\-gsignKl)KT

р[У -Ssign KT) AT+BT „ X

гдеКТ

Я 2

=Рт^+2-Рс(Ут,Н+2-и>>+РиАхУт,М+2 2 (16)

В зоне расположения тройника выражения для давления и скорости имеют вид:

рг=|лг+ В7-(у) рсикЛи (17)

Vj. = - Pf) I рс Кг+, =(рг- ВТ)! р с

(18)

(19)

В качестве граничного условия на входе в трубопровод использованы следующие соотношения:

Р\ - Рг,2 =РС{У1 - Vr,2) + РЖУ1г sign VT,2

К2

Po-Pi =P~2Q+CsignVi)

р = const. Вводя для упрощения обозначение

А = р0 ~РгЛ +рсУ,л-р—АхУг*1 *1епУгЛ

получаем выражение для скорости на входе в трубопровод:

vt =

\ргсг + 2/oA(i signA)

dl+ZvcSignt)

(20)

(21)

(22),

(23)

Значение давления в »том сечении определяется из уравнения отрицательной характеристики (20).

В качестве граничного условия на конце трубопровода применяем следующее соотношение:

- уравнение для клапана .

В случае, когда клапан полностью закрыт , \'к+1=0. Давление на выходе из клапана остается постоянным и равно давлению на выходе при стационарном движении со скоростью V».

Я

Рк+> = РгХ ~РсУм +РсКх - Р^ц^Кх -ЩпКх (25)

-уравнение положительной характеристики.

Из системы уравнений (24, 25) получено выражение для скорости через клапан:

-рс±.

Р2с2

Полученные формулы позволяют определить значения давления и скоростей во всех точках гидросистемы МПР в текущий момент времени.

Третья глава посвящена вопросам реализации модели неустановившегося движения в напорных водоводах ООС МПР на IBM: приведено описание экспериментальной установки МПР, алгоритма расчета ( блок-схема представлена на рис. 2), анализ результатов численных экспериментов.

Исследовалась ООС ДР МПР с параметрами действующей установки в совхозе "Марфино" СПО "Весна" ( инвентарная площадь теплиц 1000 кв. м), включающая центробежный насос (4К-12), резервуар с питательным раствором (W=90 мЗ), дискретный гидрораспределитель, систему напорных трубопроводов (стальных, б/у), запорные поплавковые клапаны, установленные на концах трубопроводов в колодцах стеллажей, контрольно-измерительные приборы . ООС МПР обеспечивает периодическое орошение и осушение корневой системы растений, высаженных в стеллажах на заменителях почвы (субстрате), субирригациониым методом. Площадь теплицы разделена на две секции, каждая из которых состоит из трех подсекций, снабженных запорными поплавковыми клапанами. Питательный раствор насосом через ДДМГР по трубопроводу подается в _ первую секцию стеллажа. При' достижении заданного уровня питательного раствора

ОПИСАНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ

X

БЛОК 1 ВЫВОД ИСХОДНЫХ ДАННЫХ [С,М,1Т - с клавиатуры на дисплей; геометрия системы - в тексте программы)

ЕЛОК 2

ВЫЧИСЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ (DELTAL, DELTATAU, I. VO, PO)

БЛОК 3

ВЫВОД ПАРАМЕТРОВ ДОЩ ПЕЧАТИ _В ВЫХОДНОЙ ФАШ1_

БЛОК 4 ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИКЛА ПО J (цикл по длине) For J=1 to N+Z

ЕЛОК 5 ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИКЛА ПО I (цикл по времени) For 1=1 to IT

БЛОК ß

ВЫЧИСЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ И СКОРОСТЕЙ ВО ВСЕХ ЭЛЕМЕНТАХ ПРОСТР,СЕТКИ (при текущей значении времени) For J=l to N+Z If J=K+1 then KIAiAN else . If J=T then TROYNIC else If J=1 then VHOD else MAGISTRAL; END no J

ЕЛОК 7

Расчет следующего временного слоя END no I

БЛОК 8

Занесение вычисленных данных в табличной форме в выходной файл

Рис. 2 Блок-схема алгоритма расчета неустановившегося режима в гидросистеме МПР с тупиковым отводом

последовательно в каждой подсекции срабатывают поплавковые клапаны. При срабатывании клапана в последней подсекции доступ раствора через трубопровод в стеллаж прекращается. Давление в трубопроводе возрастает и электроконтактный маномерт отключает насос, подача раствора в трубопровод прекращается. Уклон сте.хлажей в сторону колодца обеспечивает транспортирование раствора с плошади стеллажа в колодец , откуда он по трубопроводу через ДДМГР поступает обратно в резервуар. Посте переключения дискретного золотника ДДМГР в следующее рабочее положение насос обеспечивает подачу раствора в следующую секцию теплицы, из предыдущей секции одновременно осуществляется слив (осушение субстрата) . При такой технологии в момент срабатывания запорного клапана в конечной подсекции стеллажа наблюдается резкое повышение давления в магистральном трубопроводе.

Численные эксперименты по исследованию неустановившегося процесса в разветвленной гидросистеме МПР проведены по разработанной программе на персональном компьютере типа IBM PS/AT с математическим сопроцессором Intel -80286 с помощью транслятора TURBO-PASCAL с использованием вышеприведенных уравнений .

Исходные данные для магистрального водовода длинной 87 метров: 1Т=.К)0 (число шагов по времени процесса); диаметр трубопровода Д=0,130 м; Ри=200 кПа; р=Ш(К1 кг/м3; с=1000 м/с; Х=0,02; £ю=5,0; £о= 4 ; диаметр тупикового отвода с1т=0,07К м; Q=(i,024 м'/с; /„=1,0 м; М=1; N=348; К=347; Т=284 ; Д/=17(М-2)=0,251 м; Ar=dl/c=2,5lx10Jc: ;=/+/./Л/; Z=4: Vо=1,808 м/с и т.д. Для магистрали длиной L=59 м следующие дополнения и изменения N=237; К=236; Т=172; ^r=3,586xlO"V при <-700 м/с;

¿1=2,511x10--^ при с =1000 с; ЛТ=5,022х10"'1 с при с=500 м/с; 8,368x10 » с при ('=300 м/с,- М=1;М=Ю.

В результате численных экспериментов определен характер неустановившегося движения в магистральном водоводе и тупиковом отводе ООС МПР и их взаимное влияние на переходный режим ( в качестве примера приведены рис. 3, 4) при различных значениях скорости распространения волны давления (с = 1000 м/с ... 300 м/с) и двух значениях времени срабатывания клапана ( M = I - мгновенное срабатывание и M - 10). Анализ полученных кривых показывает, что в результате срабатывания запорного клапана в конечной секции вегетационного стеллажа возникает положительный гидравлический удар, начинающийся с волны повышения давления, в 11,1 раза превышающего давление установившегося режима в системе МПР. Резкое повышение давления в магистральном водоводе (L=59 м) приводит к повышению давления в тупиковом отводе в 18,03 раза ( до значения р=32,2 xI0J кПа при с= 1000 м/с) через 1,76 х 10"г с (на временном шаге 1=70). Обратное влияние волны давления, возникшей в

г

Рис. 3 Характер изменения величины давления в магистральном трубопроводе и тупиковом отводе (Рм« и Рк.1) при М= I и с = 1000 м/с

20

16

10

О 20 40 60 ВО 100 120 14-0 160 180 200 220 2-40 260 2В0 300

Рис. 4 Характер изменения величины давления в магисгралыюм трубопроводе и тупиковом отводе (Ры« и Рк» О при М= 10 и с = 500 м/с

тупиковом отводе, на величину давления в магистральном водоводе наблюдается через 1,53 х 10 г с (на временном шаге 1= 131) и заключается в понижении давления со значения 19,84 х 10г кПа до значения р=14,39 х 102 кПа с последующей фазой увеличения ударного давления до значения р=23,6 х 102 кПа (в 1,19 раз). Колебательный процесс с чередованием повышений и понижений давления исследован в течение периода Т= 7,53 х Ю"2 с неустановившегося процесса. Характер его при различных значениях величины "с" является одинаковым.

При уменьшении скорости распространения волны давления со значения с=1000 м/с до значения с= 300 м/с величина ударного давления в магистрали и тупиковом отводе уменьшается соответственно в 2,48 раза и в 2,99 раза.

Получены графическая зависимость величины повышения давления в трубопроводе на участке «Насос - ДДМГР» от времени переключения дискретного золотника ДДМГР с рассмотрением наиболее опасного случая - мгновенное перекрытие входного канала и зависимость величины повышения давления в магистральном водоводе на участке « Насос- ДДМГР - запорный клапан» от времени срабатывания запорного клапана в конечной секции (рис. 5, 6 ), позволяющие определить" оптимальный режим их работы с точки зрения опасного повышения давления.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований различных технологических режимов распределения и посекционной подачи питательного раствора по магистральным трубопроводам к объектам потребления и созданию новых гидромеха-низировнных и автоматизированных ООС ДР МПР и рабочих органов к ним, технологическое и конструктивное выполнение которых исключает возникновение резкого повышения давления в системе МПР; приведено описание стенда и экспериментальной установки , методики проведения исследований по отработке технологических режимов и параметров оборудования, сведения по результатам хозяйственного апробирования опытных образцов.

На специальном стенде - имитаторе автоматизированной системы МПР, разработанном и изготовленном на кафедре мелиорации и гидравлики РГАЗУ ( рис. 7) осуществлено физическое моделирование технологического процесса, проверка на функцийнирование и отработка рабочих параметров ДДМГР двух типов : дискового типа с электроприводом РГС-12 ЭП и ДДМГР плунжерного типа с гидроприводом двух модификаций РГС-6 ГП и РГС -3 ГП ( с параметрами моделей /н / /м = 10). Исследовано два режима^ первый режим - принудительное транспортирование раствора из гиаробака насосом через ДДМГР , двухпозиционный гидрораспределитель и дроссель в нагрузочные емкости до момента срабатывания запорного клапана -

рх 10 , Па 32,4

24,3

10 15 20 25 30 хх 10 . с

Рис. 5 Зависимость величины давления в подающем трубопроводе ООС МПР от времени поворота дискретного золотника в ДДМГР

р/рм, о.с.

0.75

0.5

0.25

ц = 1Ы с

1 1 1 1

10

15 20 25 30 т/^, О.С.

I

Рис.6 Зависимость величины повышения Давления в магистральном водоводе ООС МПР от времени срабатывания запорного (слалана в стеллаже

обратное транспортирование раствора из нагрузочной емкости через ДДМГР в гидробак самотеком; второй режим - принудительная подача раствора в нагрузочную емкость по схеме первого режима до срабатывания запорного клапана , а затем принудительное транспортирование раствора из нагрузочной емхости насосом через ДДМГР двухпозиционный клапан в следующую нагрузочную емкость , минуя гидробак. Сокращение продолжительности рабочего цикла последовательной подачи раствора в гидроемкости составило 30%.

В конструкции ДДМГР с гидроприводом РГС-6 ГП (рис.8) механизм, обеспечивающий возвратно-поступательное движении плунжера с одновременным его вращением вокруг оси на заданный угол <р= 2я/п ( здесь п - число отводящих отверстий в корпусе распределителя) располагался внутри корпуса и во время работы ДДМГР находился в постоянном соприкосновении с агрессивной средой (питательным раствором). Во втором варианте ДДМГР (РГС-ЗГП) все элементы узла преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное вынесены из зоны действия агрессивной среды' и снабжены контактами нижнего и верхнего положения штока ДДМГР. С участием автора данной работы разработана конструкция ДДМГР, на основе которой предложены технологическая схема и схема автоматического управления ООС МПР, что подтверждается авторским свидетельством на изобретение а.с. № 1293705 (рис. 9,10). Система включает ДДМГР, который выполнен в виде корпуса с цилиндрической камерой, соединенной в верхней части с входным патрубком, в нижней части - со сливным патрубком , а в средней части - с выходными патрубками, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси камеры. Внутри камеры на штоке установлен плунжер (золотник), имеющий две полости, одна из которых соединена с верхней частью камеры и обращена к боковой поверхности камеры, а другая - с нижней частью камеры и также обращена к боковой поверхности камеры. На свободной концевой части штока, расположенной вне корпуса, закреплен ролик - фиксатор, контактирующий с закрепленным на корпусе копиром пути ( втулкой рабочего хода и втулкой возврата), обеспечивающим возможность перемещения штока вдоль оси камеры и вращение вокруг нее. На копире пути установлены контакты нижнего и верхнего положения штока. Система снабжена блоком управления, в котором размещены реле пуска, реле включения насоса, реле датчиков уровня раствора, установленных в стеллажах с растениями. Контакты верхнего положения штока ДДМГР соединены между собой параллельно и последовательно с контактами реле пуска, с контактами реле датчиков и обмоткой управления реле включения насоса, один из контактов которого подключен параллельно к контактам верхнего положения штока, а контакты нижнего положения штока последовательно соединены с контактами соответствующих датчиков уровня и с обмотками реле датчиков. Один из контактов нижнего положения штока

Рис. 7 Схема стенда дня испытания дискретных детерминированных многопоточных гидрорасгтределителей и моделиронани* технологических процессов

1, 29 - гидробаки; 2,32 - насосы с приводами 3,33; 4,36 - всасывающие гидролинии; 5, 25, 34 - напорные гидр о линии; 6,7 - испытуемые гидрораспределигели соответственно РГС-3 ГП и РГС 12 ЭП с приводом 8 и входом 35; 9-18 - нагрузочные емкости; 19 - запорные клапаны; 20,22,24- блоки управления; 21-программный блок; 24,31 - ¿вухпозиционные трехходовые гидрораспределители; 25 - гидролинии; 26 - эталонный ДЦМГР с приводом 27; 28 - нагрузочные дроссели; 30 - двухпозиционный клапан; 37 - сливная гидролиния; 38,39 - электроконтакгные манометры; 40,42 - ротаметры; 43, 44 - вакуумметры.

Рис. 1 ОГехнологическая схема ООС МПР "РГС-3 ГП": 1 - гидрораспределитель; 2 - автоматический пульт управления; 3 - резервуар; 4 - насос; 5 - система трубопроводов; 6 - датчики уровня

I сМ

Ля?

Рис. 8 Первый вариант конструкции распределителя с гидроприводом: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - входной патрубок; 4 - выходные патрубки; 5 - цилиндрический плунжер-переключатель; 6 -пружина возврата; 7 - цилиндрический кулачок; 8 - пазы; 9 - толкатель.

Рис.9 Конструкция ДДМГР по а.с.№ 1293705 : 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - входной патрубок; 4- выходные патрубки; 5 - плунжер: 6 - окно подачи плунжера: 7 - перепускное отверстие; 8 -вал; 9 - цилиндр с прорезями: 10 - нижняя втулка (втулка рабочего хода); 11 - втулка верхняя (втулка возврата); 12 - пазы: 13 - ролик-фиксатор; 14 - ползун; 15 - пальцы; 16 - ролики; 17 - винтовые прорези; 18 -пружина; 19, 20 - сигнализаторы; 21 - шайба; 22 - канавка: 23 - втулка механизма раскручивание; 24 -щарнгп; 25 - про-дольные прорези.

последовательно соединен с контактом кнопки "Пуск". Контакты нижнего и верхнею положения штока расположены на втулках копира пути в плоскостях, параллельных осям симметрии выпускных патрубков распределителя. Контакты верхнего положения по отношению к контактам нижнего положения штока ДДМГР находятся на расстоянии, равном рабочему ходу И плунжера. Каждый контакт нижнего положения штока соответствует одному из выпускных отверстий в корпусе ДДМГР и ориентирован перпендикулярно оси его симметрии. Контакты верхнего положения штока смещены относительно контактов нижнего положения в сторону против часовой стрелки на угол ср/2, где ф - угол между соседними выпускными патрубками.

Предложенная конструкция ДДМГР, обеспечивающая его взаимосвязь с элементами управления и контроля технологическим процессом МПР, позволила осушеавип. опережающее воздействие датчиков уровня конечных секций на блок подачи раствора и отключение нагнетательного устройства до перекрытия запорным клапаном гидролинии объекта потребления (стеллажа с растениями).

Натурные образцы указанного оборудования и технологические режимы работы элемент ов системы исследовались на экспериментальной установке , смонтированной в кабинете гидравлики РГАЗУ , включающей насосную станцию из двух насосов марки 1,5 К-Ь и одного насоса марки 4КМ-12, железобетонный резервуар (\?/=5 мЗ), ДДМГР типа РГС -3 ГП, систему стальных трубопроводов: всасывающий трубопровод (/ вс = 1м, (1вс - 110 мм), трубопровод нагнетания от насоса до Д ЦМГР (/ наг = 4 м, с!наг= 80 мм), магистральный трубопровод от ДДМГР до колодца с поплавковым клапаном (/.«= 20 м, с1м = 80 мм), сливная магистраль (/ ел = 5 м, <1ся = 100 мм), обеспечивающая возврат перекачиваемой жидкости через ДДМГР обратно в резервуар, запорно-регулирую-щая арматура , контрольно-измерительные приборы. После экспериментальных исследований в лабора+ории оборудование было апробировано в учебном хозяйстве ВСХИЗО в условиях открытого грунта, а затем ООС МПР "РГС-ЗГП" была включена в систему минерального питания автономной теплицы № 63 атощадыо 1000 кв.м. гидропонного блока совхоза «Марфино» СПО «Весна» со следующими параметрами : масса- 40 кг, потребляемая мощность - не более 13 кВт, давление - не более 2,5 кг/см-, диаметр патрубков - 80 мм, габаритные размеры 100 хЗОО мм, количество объектов потребления -3 . Использование системы позволило улучшить режим корневого питания, исключив случаи преждевременного включения насоса и возникновения резкого повышения давления в системе, повысить производительность ООС МПР на 13,4° о, что подтверждено соответствующими актами.

В разделе приведены сведения по разработке и внедрению ООС МПР РГС-12ЭП, РГС -8ЭП, РГС -6 ГП, АСУ-12 ИПС, гидротехнических средств для посекционной подачи и

распределения питательного раствора по а.с № № 1525292, 745444 , созданных с участием автора,и др.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ научно-технической информации показал, что в закрытых мелиоративных сооружениях недостаточно исследованы оросителыю-осушительные системы минерального питания растений (ООС МПР) , наблюдаются случаи возникновения, неустановившегося движения в напорных водоводах, которые приводят к нарушению технологических режимов работы оборудования, к снижению урожайности.

2. На основе численного конечно-разностного метода и квазистационарного подхода разработана методика расчета на ЭВМ неустановившегося напорного движения в водоводах оросительно-осуцштелыюй системы МПР с тупиковым отводом.

З.В результате численного эксперимента получены кривые изменения давления при переходном режиме в магистральном трубопроводе и в тупиковом отводе ООС МПР и определено их взаимное влияние на характер неустановившегося процесса при различных значениях скорости распространения волны гидравлического удара (с = 1000 м/с -:-300 м/с) и двух значениях времени срабатывания запорного клапана М = 1 и М = 10.

4.Установлено, что в результате срабатывания запорного клапана в конечной секции вегетационного стеллажа возникает положительный гидравлический удар, начинающийся с волны повышения давления, в 11,1 раза превышающего давление установившегося режима в системе МПР.

5. Выяснено, что резкое повышение давления в магистральном водоводе (Ь=59 м) приводит к повышению давления в тупиковом отводе в 18,03 раза ( до значения р=32.2 х 102 кПа при с= 1 ООО м/с) через 1,76 х 102 с. Обратное влияние волны давления, возникшей в тупиковом отводе, на величину давления в магистральном водоводе наблюдается через 1,53 х 102 с и заключается в понижении давления со значения 19,84 х 10г кПа до значения р=14,39 X 102 кПа с последующей фазой увеличения ударного давления до значения р=23,6х 102кПа (в 1,19раз).

6. При уменьшении скорости распространения волны давления со значения с= 1000 м/с до значения с= 300 м/с величина ударного давления в магистрали и тупикдвом отводе уменьшается соответственно в 2,48 раза и в 2,99 раза.

* За участие в создании и внедрении в с.х. производство новой техники автор награждена серебряной медалью ( пост. ГК ВДНХ СССР № 387-н, 1980 г.) и пятью бронзовыми медалями (пост. ГК ВДНХ СССР№ 417-н, 1977 г.,№ 537-н, 1978 г., № 326-н, 1981 г., №701-н, 1984 г.,№ 822-н, 1987 г.).

7. Получены |рафические зависимое!и величины повышения давления в трубопроводе на участке "Насос-ДДМГР" от времени переключения дискретного золотника ДДМГР и величины повышения давления в магистральном трубопроводе от времени срабатывания запорного клапана, позволяющие определить оптимальный режим их работ!,I с точки зрения безопасного повышения давления.

R. Разработана конструкция ДДМГР, в которой давление жидкости, развиваемое насосом, использовано для перемещения регулирующего распределительного органа (плунжера) и его точной фиксации угла поворота посредством механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, обеспечивающая взаимосвязь ДДМГР с элементами управления и контроля технологическим процессом МПР.

Разработаны па основе предложенной конструкции ДДМГР высокоэффективная технологическая схема и схема автоматического управления ООС МПР , подтвержденные авторским свидетельством на изобретение № 1293705, позволившие осуществи и, опережающее воздействие датчиков уровня конечных секций на блок подачи раствора и отключение нагнетательного устройства до перекрытия запорным клапаном гндролинии объекта потребления; улучшить режим корневого питания растений , условия эксплуатации и обслуживания оборудования, повысить производительность ООС МПР на 13.4%.

9. Разработаны принципиально новые конструкции рабочих органов ОСС МПР для распределения и последовательной подачи раствора , подтвержденные авторскими свидетельствами на изобретения № Ns 1525292, 745444 .

Разработан и апробирован в хозяйственных условиях с участием автора ряд модификаций высокоэффективных установок для МПР(РГС-8ЭП, РГС-12ЭП, РГС-6 ГП, АСУ-12 ИПС и др.), отмеченные медалями ВДНХ СССР».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сабашвили Р.Г., Клейменова Е.П.' Автоматизация минерального питания растений при выращивании их в защищенном грунте на промышленной основе //Труды ВСХИЗО.-М., 1977,- Вып. 144,- С.51-55.

2. A.c. № 568796 (СССР) Система для регулирования температуры и влажности воздуха в оранжерее. Сабашвили Р.Г., Клейменова Е.П. и др. Опубликовано в Б.И. № 30, 1977.

3. A.c. № 596920 (СССР) Регулятор давления. Сабашвили Р.Г., Клейменова Е.П. и др. Опубл. в Б.И. № 9, 1978.

4. A.c. № 745444 (СССР) Распределитель питательного раствора. Сабашвили Р.Г., Селиванов В.И., Клейменова Е.П. Опубл. в Б.И. № 25, 1980.

5. Сабашвили Р.Г., Клейменова Е.П. Усовершенствование гидравлического распределителя для регулирования корневого питания растений/ГГруды ВСХИЗО.-М., 19КЗ,- С.43-51.

6. Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П., Марченков В.В. Исследование явлений гидравлического удара в гидроэлектроавтоматизированной системе минерального питания растений /Создать высокоэффективные машины и оборудование для комплексной автоматизации и механизации процессов в культивационных сооружениях'. Отчет о НИР (заключит.) Госагропром СССР/ВСХИЗО. Рук.Сабашвили Р.Г.-Тема № 19 ВНТИЦентр, № TPS 1073781, инв. № 02S60082041.-M., 1986.-е.! 2-19.

7. Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П.. Марченков В.В. Исследование средств и способов зашиты водоводов от гидравлического удара/Там же, с.27-48.

8. Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П., Марченков В.В. Исследование средств и способов защиты водоводов от гидравлического удара /Там же, с.27-48.

9. Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П., Марченков В.В. Совершенствование рабочего органа автоматизированной установки для выращивания культур на промышленной основе с внедрением в производство/Там же, с.71-95.

Ш.Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П. Создание модели стенда для снятия рабочих характеристик гидротранспортной установки/Там же, с.96-106.

1 КСабашвкли Р.Г., Шульгина Е.П. Создание экспериментальной насосной сгачции/Там же, с. 107-119.

12.A.C. № 1293705 (СССР) Устройство для распределения питательного раствора между емкостями для выращивания растений. Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П. Опубл. в БИ №К, 1987 г.

13.Контрольно-измерительные приборы для гидравлических величин: Учебное пособие/ Р.Г.Сабашвили, С.К.Переверзев, Е.П.Шульгина и др. Под ред. Р.Г.Сабашвили.-М., 1987.-84 с.

Н.Сабашвили Р.Г., Шульгина Е.П. и др. Анализ новых технических средств гидромеханизации и электрификации при возделывании культур в защищенном грунте на промышленной основе/Разработать и внедрить новые технические средства гидромеханизации и электрификации для возделывания культур в защищенном грунте на промышленной основе. Патентная проработка по теме исследований: Отчет о НИР (проме-жут.уГосагропром СССР-ВСХИЗО; Рук.Р.Г.Сабашвили.-Тема № 21, ВНТИЦещр № ГР01860049962, инв. .№02870021575,- М„ 1987,- с. 11,15-78.

15-Шулы ина Е.П. Исследование переходною процесса в электроприводах ашомашшро-ванной сис|смы подачи н распрсдс и'ппя nniaicji.iioiо рас.л Bopa/zTaipaooi а п. и п«чтишь 1-2 опытых образца новых ic\iшчсских усipoiic в злекipoi ндромех.ннн.шнп. Двюма i тированной ciici смы по.ичи и распрсдс./с/шя тише ii.uoi о рас тора. р.н пыли i едя ли (кос i п. внбраюра ,ыя опыления рас iciuiii. Начаи. разрабо1ку i идрспольсм-ннка: Oí чс| о НИР (прочежуi .)/Госа1 ропроч СССР-ВСХ1 ПО: Рук Р Г.Гасмпшнлп-Тсма .V 21 ВНТИЦсшр>ГР1)1ХШМ7653; пив. М'02Ш043017.-М.. |ЧК7..г. 33-4*.

Ui.CaôaiiiBH.iii Р.Г.. lily.D.I mía Е.П. н др. Разработка и исследование авюмашзированноп ci ici смы подачи п распределения пша ic.ii.iioi о рае|вора//Там же, с.4У-(»5.

17. А.с. .V.' 1525242 Распрсдс nil ель независимом полами. С'абапшилп Р. Г.. Марчснк'он В. В.. IXly.ii.iпна Е.П. Опубл. в Б.II. .V 44, I4W.

(К.Шулмипа Е.П. Нсуааповпвшссся двнжснпс ninaie.il. ною pací вора в напорном ip\-бопроводс cl le I с-м M минеральною тнания раеюшш/ Вссросс cc.il.хт.шы заочн. обучения.- М.. 1443,- 4 С.-Лсп. в BH11I1T31IAI ропромс 25.1)5.43 - М- 34 ВС-УЗ Дсп

11Ш1улы пна Е.П. О переходных i ндрав.шческих процессах в cucicsie минеральною шпания paciciimV/C о. маупырудов: BC'XI НО-Афопромышлсиному кочллсксу.-М.. 14У4.-С. 151-152.

2(1.Саба111вили Р.Г.. ............ Е.П., Лаврсп м.ева Н.М. Сюпд-имшаюр для оценки Парамонов раепы laeMoii аидкосш// С'б.пау'шдрудов: BCXIt iO-Ai ропромышлеипому комплексу.-М. 1ЧУ4 . -С 153-154.

* Клейменов Е.И.-фачи шяавюра иасшятеи paóoiu до pcuicipamm брака.