Расчет технических характеристик оросительной установки, работающей за счет кинетической энергии течения реки на основе математического моделирования

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №3. 2023

УДК 620.92                                       

Более 80% сельскохозяйственных угодий Кыргызстана приходится на пастбища. Решение основных стратегических задач развития Киргизской Республики на ближайшую перспективу в части снижения бедности, повышения материального благосостояния населения и обеспечения продовольственной безопасности тесно связано с состоянием пастбищ, их ресурсов и сопутствующей инфраструктуры [1]. Поэтому необходимо отметить важность преобразований в пастбищном секторе, которые являются основой для перехода к устойчивому и эффективному управлению пастбищными ресурсами Кыргызстана [2].

Из-за отсутствия питьевой воды для мелкого (рогатого скота) и крупного рогатого скота (КРС) на пастбищах скот на пастбищах спускается к рекам на водопой, и из-за их скопления там растения превращаются в пыль, т. е. Происходит деградация пастбищ. Расположение пастбищ вдали от путей сообщения и электросетей показало, что пастбища нуждаются в оросительных системах, работающих независимо от электричества. Поэтому для решения этой задачи определение технических характеристик насоса высокого давления с использованием возобновляемых источников энергии (гидроэнергетики) для подъема воды на высоту является обязательным условием для продвижения данной практики [3].

Требуемую мощность электродвигателя насоса за единицу времени можно определить из следующего выражения:

_{N =} gQ _нас Н ⋅ ρ нас

η где Qнас — производительность насоса, м3/с; Н — напор насоса, м; ρ — плотность воды, кг/м3; η— коэффициент полезного действия насоса, в долях единицы (η для центробежных насосов равен 0,4 … 0,6, для вихревых — 0,25 … 0,55).

Теоретическая производительность насоса простого действия при частоте вращения вала n кривошипно-шатунного механизма определяется по следующей формуле [4]:

Q нас

Fln px где Fp — площадь поперечного сечения поршня, м2; lx — ход поршня, м; n — частота вращения вала кривошипно-шатунного механизма.

Если вместо электрического насоса рассмотреть условия использования насоса, работающего на кинетической энергии воды. Пусть длина участка реки покрывается за одну секунду L м, если течение реки наклоняется на высоту h р м и падает на высоту v м/с и имеет постоянную открытую площадь S, м². В этом случае работа речного стока и мощность воды, поступающей в любой участок реки, математически могут быть выражены следующим образом:

N_р = gQ_р h_р ρ                                      (2)

где Q p — расход потока реки, м³/с, h р — наклон течении реки, м, g — ускорение свободного падения, м/с², ρ — плотность воды, кг/м³. Если скорость течения υ, м/с и площадь поперечного сечения потока реки S м², известно тогда расход потока реки можно определить:

Q р = υ S

Учитывая уравнение (2) и (3), получим мощность речного потока:

N р = S ϑ gh р ρ

Рассмотрим ситуацию, когда нам нужно использовать кинетическую энергию речного течения, чтобы поднять воду из реки на высоту H . Если учесть, что мощность кинетической энергии речного потока за одну секунду равна мощности, затрачиваемой насосом на подъем воды из реки на высоту Н , то из уравнений 4 и 1 получаем следующее:

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №3. 2023

П

Из уравнения (5) можно определить высоту подъема работающего насоса с помощью кинетической энергии реки:

S^h n(6)

Н =

Q нас

Если учитываем разности геометрического и скоростного напоров во всасывающих и нагнетательных трубах, то высоту подъема работающего насоса с помощью кинетической энергии реки и можно определить по формуле:

Н _ P H - P B                                     (7)

Pg где РН = РНМ + РАТМ — абсолютное давление в нагнетательном патрубке насоса, Па; РНМ — манометрическое давление в нагнетательном патрубке, Па; РВ = РВМ + РАТМ — соответственно для всасывающего патрубка Па [5]. Если во всасывающем патрубке насоса вакуумметрическое давление РВВ, то РВ= Ратм - РВВ. Здесь Н полезный напор насоса, т. к. он полностью затрачивается на перекачку, т. е. на движение жидкости вне насоса.

Определить эффективности работы или коэффициент полезного действия технического устройства является одним из основных задач. Коэффициент полезного действия (КПД) насоса работающего на основе энергии течения реки находится отношение полезной мощности насоса к его мощности.

_n = N пол                                          ⁽⁸⁾

^η N р

Зная подачу насоса и высоты подъема воды, можно определить его полезную мощность следующим образом

(9) пол        нас ^{P g}

Используя формулы (4), (8) и (9) можно получить формулы для определения КПД насоса работающего на основе энергии течения реки

„ _ НО нас                                          (10)

'   S ^ h p

Основе теоретического расчета использовались следующие исходные данные [6]: p =10 3 кг/м 3 ; n =0,4^0,6; F_p =0,0314^0,1962м²; l x = 0,2^0,5м; n 60-300обгмин; h p =10-150M; g =9,81м/с²; υ=3÷6м/с; S=0,785÷3,14м².

Основные технические характеристики водяного насоса работающий на основе возобновляемого источника энергии производились с помощью программы Python. Это программа очень удобно для теоретического расчета и ввода и вывода данных. Зависимости коэффициента полезного действия и высоты подъема воды от подачи водяного насоса работающий на основе возобновляемого источника энергии приведены на Рисунках 1 и 2.

Из Рисунка 1 видно, что при значении подачи 20 л/мин наблюдается насыщения высота подъема насоса. При разных напорах течении реки можно поднять воду на высоту от 20 до 90 м.

Как показано на Рисунке 2 эффективность работы данного насоса устойчиво и при значениях подачи насоса от 10 до 40 л/мин коэффициент полезного действия равно 0,25.

Рисунок 1. Зависимость высоты подъема воды от подачи водяного насоса работающий на основе возобновляемого источника энергии

Рисунок 2. Зависимость коэффициента полезного действия от подачи водяного насоса работающий на основе возобновляемого источника энергии

В последнее время использование отдаленных пастбищ ухудшилось, так как пастбища недалеко от села используются для выпаса скота, и они сильно деградированы из-за увеличения поголовья скота сельчан. Поэтому одна из мер предотвращения уничтожения пастбищ, такая оросительная система нуждается именно в таких насосах, которые работают с возобновляемым источником энергии. Такая система орошения предотвращает уничтожение пастбищ и позволяет восстановить поврежденные пастбища путем посадки деревьев в будущем.

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №3. 2023

В заключение хотелось бы выразить огромную благодарность региональному проекту USAID по водным ресурсам и окружающей среде за техническую и финансовую поддержку моего научного исследования в рамках конкурса молодых ученых.