Конструктивные элементы групповой автопоилки, влияющие на скорость гравитационной циркуляции воды

Самое раннее исследование конвективных течений, возникающих в слое жидкости при нагреве снизу, было проведено Бенаром, который рассмотрел слой с твердой нижней границей и свободной поверхностью на верхней границе.

Этот процесс хорошо наблюдается в случае ячеистой структуры течения, состоящей из ячеек гексагональной формы (рис. 1) [1].

Неограниченные свободноконвективные контуры, в которых жидкость нагревается снизу, а охлаждается сверху, часто встречаются в атмосферных и океанических течениях.

На основе процесса течения нагретой жидкости в ячейке предложена термосифонная система с гравитационной циркуляцией воды в групповой автопоилке.

Термосифонная циркуляция представляет собой полностью или частично замкнутую систему, заполненную жидкостью, которая циркулирует в ней под действием сил термической конвекции.

Проведенный анализ конструктивных элементов групповой автопоилки с гравитационной циркуляцией воды выявил ряд недостатков, таких как: недостаточная скорость циркуляции воды в групповой автопоилки и, как следствие, неравномерный подогрев при интенсивном отборе воды животными.

Рис. 1. Ячейки Бенара для случая естественной конвекции в горизонтальном слое жидкости

Функциональная схема процесса гравитационной циркуляции воды в групповой автопоилке представлена на рисунке 2.

P а

Рис. 2. Функциональная схема гравитационной циркуляции воды в автопоилке

Процесс гравитационной циркуляции воды протекает следующим образом: вода по вводному трубопроводу поступает в по- ильную чашу при открытом положении клапанно-поплавкового механизма. По мере заполнения поильной чаши водой до за-50

данного уровня, поступление воды полностью прекращается за счет срабатывания клапанно-поплавкового механизма.

Холодная вода через обратный трубопровод поступает в нагревательный блок, далее подогретая вода по прямому трубопроводу через распределительные перфорированные патрубки поступает в поильную чашу, в зону смешения, создавая в области водопойного стакана температуру воды согласно зоотехническим требова- ниям, далее охлажденная вода по обратному трубопроводу поступает в нагревательный блок для подогрева.

Основной движущей силой процесса является циркуляционное давление, которое определяется разностью гравитационных давлений столбов охлаждённой и горячей воды, зависящих от геометрических параметров групповой автопоилки [1, 2, 3].

Давление слева от характерной точки А в нагревателе определяется по формуле [4, 5, 6, 7]:

Рл = Рх * hl * g + Рх * h 2 ' g + Рх * h3 * g + Рг * h4 ' g + Pa , где ρx – плотность охлажденной воды (при t ≤ 8 оС), кг/м3;

ρ г – плотность подогретой воды, кг/м³;

h 1 ; h 2 ; h 3 ; h 4 – высота столба жидкости, м;

g – ускорение свободного падения, м/с;

Р а – атмосферное давление.

Давление справа от этой точки А в нагревателе будет:

Pn = Рх * hl * g + Рг * Һ 2 * g + Рг * Һ3 * g + Рг ‘ Һ4 * g + Pa .

Разность этих давлений определяет величину циркуляционного давления:

Рц = Рл - Рп = g (Рх - Рг )(Һ 2 + h 3 ) -

Циркуляционное давление зависит и от геометрических параметров нагревательного блока и высоты выпуска воды в зону смешения. Одновременно на циркуляционное давление влияет стабильность температурного режима в нагревательном блоке. Поэтому одним из направлений повышения качества процесса является повышение теплоизоляции нагревательного блока.

Так, в процессе эксплуатации поилок уровень воды в поильной чаше изменяется от максимального до минимального при отборе воды животными. Для обеспечения поступления подогретой воды в поильную чашу при минимальном её уровне целесообразно осуществлять процесс истечения воды по патрубку с перфорацией по высоте.

При циркуляции воды в гравитационной системе последняя испытывает сопротивление перемещению, и часть циркуляционного давления тратится на компенсацию сопротивления трению в трубопроводах, на преодоление местных сопротивлений и сопротивлений при перемещении частиц (слоёв) воды [8, 9, 10].

Для нормальной циркуляции воды в поилке величина циркуляционного давления должна быть больше суммы гидравлических сопротивлений.

Рц ^ Rm + Rm + Rc , где Rт – сопротивления трения;

R_м – местные сопротивления;

R – сопротивление при перемещении частиц воды.

С учётом указанного неравенства связь между циркуляционным давлением и суммарным гидравлическим сопротивлением можно представить следующим вы- ражением:

X Кг = R Z l = a •Рц , где R – удельные потери давления на преодоление сопротивлений, н/м2;

l – длина трубопроводов, м;

α – процентное значение потерь давле- ния, расходуемого на преодоление сопротивлений в рассматриваемой системе.

Удельные потери давления на 1 м длины трубопровода

R =

a • P

ц

X l ■

Потери давления по длине трубопроводов определяются по известной формуле

l s2

Rm =z • d' 2g • где λ – коэффициент сопротивления или

трения;

d – диаметр циркуляционных трубо-

G ц

3,6Qn c (t г - t n ) ,

проводов, м;

ϑ – скорость циркуляции воды, м/с.

Потери давления в местных сопро-

тивлениях:

Rм = ∑ξ

р-зЦ

где ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на пути движения воды по расчётному контуру;

ρ – плотность воды, кг/м³.

Скорость циркуляции воды также за-

висит от создаваемого циркуляционного

давления и может быть определена при известном Р ц по формуле

P

3 = ^ 2 g Нг , ρср

где φ – коэффициент, учитывающий гид-

равлические потери.

Скорость циркуляции и диаметр циркуляционных трубопроводов могут быть обоснованы циркуляционным расходом воды в рассматриваемой системе на базе следующих зависимостей [10]:

4 Gh

3 =     Я 2 ц    ,

П • d Рср

где Q п – потери тепла поилкой, Вт;

c – теплоёмкость воды, с = 4,19 кДж/кг∙град.;

t г – температура воды в нагревателе;

t п – допустимая температура воды в чаше поилки.

Рассматриваемая групповая автопоилка имеет низкую направленность потока воды в зону водопойного стакана, неравномерный подогрев воды по объему и недостаточную скорость циркуляции при интенсивном отборе воды животными.

Скорость циркуляции воды зависит от создаваемого циркуляционного давления, разности температур, геометрических параметров групповой автопоилки и диаметра циркуляционного трубопровода.

При эксплуатации в холодный период года одним из недостатков известных конструкций групповых автопоилок является неравномерное обеспечение нагрева воды по объему при интенсивном ее отборе животными. В результате снижается температура воды и, как следствие, уменьшается скорость ее циркуляции.

При максимальном отборе воды животными, а именно, когда задействованы

d=

4G4

ц

π ⋅ ϑ ⋅ ρср

где G ц – циркуляционный расход в рассматриваемой системе.

Тепловые потери зависят от конструктивных особенностей поилки и теплотехнических свойств изоляционного материала её:

Q = Vk -F(t-t )

п        ( J i       iV п n н в. в./ ,

где   ki – коэффициент теплопередачи i-конструктивного элемента;

F i – площадь теплоотдачи i- конст-

все четыре поильных окна, уровень воды в поильной чаше резко понижается, срабатывает клапанно-поплавковый механизм и холодная вода через вводной трубопровод поступает в поильную чашу. В результате этого животные потребляют холодную воду, которая не соответствует зоотехническим требованиям.

Одним из решений проблемы обеспечения животных водой, согласно зоотехническим требованиям, является оптимальный подбор параметров поильной чаши и системы термосифонной циркуляции.

Основным параметром системы по обеспечению технологического процесса поения является вместимость поильной

руктивного элемента;                      чаши.

tп – температура подогретой питьевой       Система должна вмещать объем воды воды по зоотребованиям, п = 12…16 ºС;      на поение животных, некоторый запас для tн.в. – температура наружного воздуха.     притока воды в водопойный стакан и объ-

Циркуляционный расход воды в по-    ем воды для поддержания поплавка в илке определяется по формуле              крайнем нижнем положении.

Длительность и интенсивность потребления воды животными зависит от возраста животных, температуры наружно- ной. Интенсивность водопотребления составляет для КРС 0,1 л/с, для мелкого рогатого скота – 0,025 л/с.

го воздуха и является случайной величи-

Рис. 3. Групповая автопоилка

Рис. 4. Вводный трубопровод с наклонным патрубком

Так как потребление воды животными происходит в заданном числе локальных поильных мест, то гравитационная циркуляционная система должна быть многоконтурной с равными технико-эксплутационными показателями.

Предлагаемое устройство позволяет снизить заболеваемость животных, повысить их продуктивность (рис. 3, 4). В связи с этим для увеличения направленности потока воды в зону водопойного стакана и увеличения скорости циркуляции нами предлагается усовершенствовать групповую автопоилку за счет угла наклона выпускного патрубка φ (3°…10°) к вертикальной оси вводного трубопровода, которые по высоте перфорированы отверстиями, расположенными под углом α ( 40°…60°) к оси патрубка в поильной чаши .

Этим решается задача нагрева воды и поддержания заданного температурного режима при интенсивном отборе воды животными за счет увеличения скорости циркуляции воды в зоне водопойного стакана.