Выбор конкретной схемы

 

Основываясь на исходные данные: водоснабжение комплекса по откорму свиней на 12 тыс. голов в год, шахтный колодец и башенная водокачка выбираем схему водоснабжения, включающую в себя также насосную станцию и водопроводную сеть.

 

Рисунок 9 - Схема водоснабжения при заборе воды.

1 - шахтный колодец; 2 - насосная станция; 3 - водопроводная сеть; 4 - водонапорная башня; 5 - место потребления воды (свинарник - откормочник)

 

Технологический расчет

 

Имеем следующие исходные данные:

1. Схема водопровода

 

Рисунок 10 - Расчетная схема водопровода.

К - колодец (источник воды); НС - насосная станция (водоприемник); НР - напорно-регулирующее сооружение; П₁, П₂, П₃, П₄ - потребители, l₁,l₂ - линии всасывающего трубопровода; l₃, l₄ - линия напорного трубопровода; l₅,l₆,l₇,l₈,l₉ - линия разводящего трубопровода; Н_вс - высота всасывания геометрическая (расстояние по вертикали между уровнем воды в источнике и осью насоса); Н_н - высота нагнетания геометрическая (расстояние по вертикали от центра насоса до уровня воды в напорном резервуаре); Н_б - высота бока; Н_г - геометрическая разность нивелирных отметок земли у башни и наиболее высоко расположенной точки водопотребления.

 

2. Источник имеет дебит Д = 280 м³/ч

3. Напорно-регулирующее сооружение - башенная водокачка или резервуар с Н_б = 4,0 м

4. Геометрическая разность нивелирных отметок Н_г = 0.

5. Время работы насосной станции Т = 13 часов (работает с 6 до 19 часов).

6. Потребители:

а) П₁ - свинарник-откормочник №1

б) П₂ - свинарник - откормочник №2

в) П₃ - свинарник-откормочник №3

г) П₄ - свинарник-откормочник №4

7. Линии водопровода,

а) l₁ = H_вс = 5,5 м; l₂ = 68 м.

б) l₃ = 73 м; l₄ = Н_н.

в) l₅ = 150 м; l₆ = 135 м; l₇ = 100 м; l₈ = 110 м; l₉ = 125 м.

8. Величина свободного напора в конечной точке водоразбора Н_свн = 4,8 м.

9. Насос центробежный (привод ременный).

10. Расход воды по часам суток в процентах от суточного:

 

24-1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12	12-13	13-14	14-15	15-16	16-17	17-18	18-19	19-20	20-21	21-22	22-23	23-24
0,5	2,5	1,5	2,0	3,0	6,0	5,0	4,5	3,0	6,0	6,0	11,5	5,0	5,5	5,5	5,5	5,5	4,5	4,0	7,0	2,0	1,0	1,5	1,5

 

Содержание работы и порядок ее выполнения

 

Под системой водоснабжения понимают весь комплекс сооружений и устройств на территории хозяйства, обеспечивающих все пункты потребления доброкачественной водой в требуемых количествах.

На животноводческих фермах вода расходуется на поение животных, а также на технологические, гигиенические, хозяйственные и противопожарные нужды. Расход воды на ферме зависит от вида животных, от выполняемых работ в течение суток и от времени года.

Согласно существующим нормам потребления воды различными группами животных и удовлетворения технологических нужд различных объектов фермы, рассчитывается средний суточный расход воды на ферме (комплексе) по формуле:

 

Q_{сут. ср. =} m₁ х q₁ + m₂ х q₂ +…+ q_n х m_n, (1)

 

где Q_{сут. ср.} - средний суточный расход воды на ферме, м^3/сут.;

q_1, q_2,…_,q_{n -} среднесуточная норма потребления воды одним потребителем, м³/сут.;

m_1, m_2,…_,m_n - число потребителей, имеющих одинаковую норму потребления (голов, единиц и далее);

1, 2,…,n - число групп потребителей.

Согласно норме водопотребления принимаем:

для свиней на откорме q = 15 л/сут.

Тогда, имея число потребителей:

свинарник - откормочник № 1 m₁ = 1200 голов

свинарник - откормочник № 2 m₂ = 1200 голов

свинарник - откормочник № 3 m₃ = 1200 голов

свинарник - откормочник № 4 m₄ = 1200 голов

определяем по формуле (1) средний суточный расход воды:

 

Q_{сут. ср.} = 15 х 4800 = 72 000 л/сут = 72 м³/сут

 

Среднесуточный расход воды летом выше, чем зимой. Неравномерность суточного водопотребления выражают коэффициентом суточной неравномерности. Тогда максимальный суточный расход воды на ферме или комплексе определяется по формуле:

 

Q_{сут. max} = Q_{сут. ср. х} k_{1, (}2)

 

где Q_{сут. max} - максимальный суточный расход, м³/сут.;

k_{1 -} коэффициент суточной неравномерности, k₁ = 1,3…1,5, принимаем k₁ = 1,5

Тогда

 

Q_{сут. max}= 72 х 1,5 = 108 м³/сут.

 

Для определения часовой потребности в воде необходимо учитывать, что в течение суток расход воды колеблется: в дневные часы он достигает максимума, а в ночное - минимума. При расчете максимального часового расхода воды принимается коэффициент k₂ = 2,5 и формула:

 

Q_{ч max} = Q_{сут max} х k_2/24 (3)

 

Тогда получим

 

Q_{ч max} = 108 х 2,5/24 = 11,24 м³/ч.

 

(Число 24 - количество часов в сутках)

Максимальный секундный расход рассчитывается по формуле

 

Q_{с max} = Q_{ч max} / 3600, (4)

 

где Q_{с max} - максимальный секундный расход воды, м³/с.

(Число 3600 - количество секунд в одном часе).

Тогда

 

Q_{с max} = 11,24/3600 = 0,003 м³/с.

 

Расход воды на тушение пожара на ферме зависит от степени огнестойкости зданий и их объема. При расчетах его можно принять на фермах равным 2,5 л. Запас воды должен обеспечить тушение пожара в течение 2...3 часов.

 

Таблица 1 - Расчетные данные потребности в воде для исходной схемы водопотребления

Наименование одинаковых потребителей	Количество потребителей, mi	Суточная норма потребления воды qi, м3	Суточный расход воды Qсут. ср., м3	Максимальный суточный расход воды Qсут. max, м3	Максимальный часовой расход воды Qr. max, м3	Максимальный секундный расход воды
						Qc max, м3	Qc max, л
свинарник- откормочник П1	1200	0,015	18	27	2,81	0,00075	0,75
свинарник- откормочник П2	1200	0,015	18	27	2,81	0,00075	0,75
свинарник- Откормочник П3	1200	0,015	18	27	2,81	0,00075	0,75
свинарник- Откормочник П4	1200	0,015	18	27	2,81	0,00075	0,75
Итого	-	-	72	108	11,24	0,003	3,0

 

Для найденных Q_{ч max} и Q_{с max} рассчитывают диаметры трубопроводов разводящей сети по формуле:

 

Q _{c max} =

 

где  - площадь круга, м²; p = 3,14; d - диаметр трубы, м. Тогда d = 1,13 х  (5) где U - скорость движения воды в трубе; м/с;

 

U = 0,5 - 1,25 м/с. Принимаем U = 1 м/с.

 

Расчет диаметра труб для различных участков определяется по формуле (5) и округляется до стандартных величин.

Тогда для участка l₅ d = 1,13 х  = 0,061 м.

Принимаем d_5,6,7,8,9 = 75 мм.

Для участка l_6,7,8,9 d = 1,13 х  = 0,03051 м.

Принимаем d_6,7,8,9 = 50 мм.

 

Выбор водоподъемника

 

При выборе водоподъемника должно быть известно:

Источник воды с определенным дебитом Д, м³/ч.

Напорно-регулирующее устройство.

Максимальный часовой расход воды Q _{r max,} м³/ч.

Величина свободного напора в конечной точке водоразбора Н_свн, м

Длина трассы всех участков водопроводной сети l_j, м.

Условия для выбора насоса (водоподъемника)

1. Суточная производительность насоса должно быть равна или больше максимального суточного расхода Q_{сут. насоса}  Q_{сут. max}.

2. Часовая производительность насоса должна быть выбрана в зависимости от продолжительности работы водоподъемника и определяется по формуле

 

Q_{ч. насоса} = ,

где Т - продолжительность работы насосной станции, ч

(по исходным данным Т = 13 часов).

 

Тогда Q _{ч. насоса} =  = 8,31 м³/ч.

 

Секундная производительность насоса определяется по формуле

 

Q _{с. насоса} = Q _{ч насоса} / 3600.

 

Тогда

 

Q _{с насоса} =  = 0,0023 м³/с = 2,3 л/с

 

3. Диаметр трубопровода для всасывающей (l₁ и l₂) и нагнетательной (l₃ и l₄) линии (условно, ввиду малого расстояния, принимаем их равными по диаметру) определяется как

 

d _насоса = 1,13 х . Тогда d _насоса = 1,13 х  = 0,054 м.

 

Принимаем диаметр трубопровода всасывающей (l₁ и l₂) и нагнетательной (l₃ и l₄) линии d _насоса = 75 мм.

После определения часовой производительности насоса должно соблюдаться условие Д  Q _{ч. насоса}

4. Напор, создаваемый насосом. Определяется по формуле

 

Н _насоса  Н_вс + Н_н + Н_б +Sh, (6)

где Н _насоса - напор, создаваемый насосом, м;

Н_вс - высота всасывания, м;

Н_н - высота нагнетания, м;

Н_б - высота бака, м;

Sh - сумма потерь напора на всасывающей и нагнетательной линиях, м;

 

Sh = Sh′+Sh″,

 

где Sh′ - сумма потерь напора по длине всасывающего и нагнетательного трубопровода, м, Sh″ - местные потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м.

Высота нагнетания водонапорного бака (резервуара) выбирается из расчета

 

Н _н  Н _свн +Sh₁ ± Н _г, (7)

 

где Н _свн - величина свободного напора, м:

Н_г - геометрическая разность нивелирных отметок, м;

Sh₁ - сумма потерь напора в разводящем трубопроводе, м;

 

Sh₁ =Sh′₁+Sh″₁

 

где Sh′₁ - сумма потерь напора по длине разводящего трубопровода, м;

Sh″₁ - сумма местных потерь напора в разводящем трубопровода, м.

Местные потери напора в сети составляют 5…10% от величины потерь на трение по длине (эти данные используются в практических расчетах), а потери напора по длине определяются по формуле

 

h _j = i ∙ l_{j (}8)

где h _j - потери напора на конкретном участке, м;

l_j - длина конкретного участка, м;

i - гидравлический уклон в метрах (потери напора на 1 м длины трубопровода).

Данные по i выбираем из таблицы.

Выбранные данные вместе с рассчитанным (принятым) диаметром трубопроводов и секундным расходом заносим в таблицу 2.

 

Таблица 2 - Значения диаметров, секундного расхода, 100 j и j для трубопроводов

Трубопроводы	Диаметр трубопровода d мм	Секундный расход Q c max л/с	100 i, м	i, м
l5	75	3	1,32	0,0132
l6	50	0,75	0,72	0,0072
l7	50	0,75	0,72	0,0072
l8	50	0,75	0,72	0,0072
l9	50	0,75	0,72	0,0072
l1, 12, l3, l4	75	2,3	0,74	0,0074

 

Тогда величина потерь напора по длине определяется по формуле (8), а местные потери напора в данном расчете принимаются 10% от потерь по длине.

 

h₅ = 0,0132 х 150 = 1,98 м и 10% равно 0, 198 м.

h₆ = 0,0072 х 135 = 0,972 м и 10% равно 0,0972 м.

h₇ = 0,0072 х 100 = 0,72 м и 10% равно 0,072 м.

h₈ = 0,0072 х 110 = 0,792 м и 10% равно 0,0792 м.

h₉ = 0,0072 х 125 = 0,9 м и 10% равно 0,09 м.

 

Тогда сумма потерь напора в трубопроводах для:

 

l₅ будет равна h₅ = 1,98 + 0, 198 = 2,18 м;

l₆ будет равна h₆ = 0,972 + 0,0972 = 1,0692 м;

l₇ будет равна h₇ = 0,72 + 0,072 = 0,792 м;

l₈ будет равна h₈ = 0,792 + 0,0792 = 0,8712 м

l₉ будет равна h₈ = 0,9 + 0,009 = 0,99 м.

 

В данном примере потери в разветвленной сети на шестом участке (l₆), где первый потребитель (П₁).

Тогда сумма потерь напора в разводящем трубопроводе определяется из выражения:

 

Sh₁ = h₅ + h₆ = 2,18 + 1,07 = 3,25 м.

 

Принимаем Sh₁ = 3,3 м. Далее по формуле (7) находим высоту нагнетания (водонапорного бака, резервуара).

 

Н_н = 4,8 + 3,3 - 0 = 8,1 м.

 

Это значит, что дно резервуара должно быть на высоте 8,1 м.

Далее общая длина l_общ. всасывающего l_1, l₂ и нагнетательного l_3, l₄ трубопроводов определяется по формуле

 

l_общ = l₁+ l₂ + l₃ + l₄.

 

Тогда

 

l_общ = 5,5 + 68 + 73 + 8,1 = 154,6 м.

 

Тогда величина потерь напора на всасывающем и нагнетательном трубопроводах по длине и местные потери определяются как:

h_{l общ} = 0,0074 х 154,6 = 1,14 м и 10% равно 0,144 м.

Тогда Sh = 1,14 + 0,114 = 1,25 м.

 

Далее по формуле определяем напор, который должен создать насос

 

Н _насоса = 5,5 + 8,1 + 4 + 1,25 = 18,85 м.

 

Имея расчетные данные: Н _насоса = 18,85 м; Q_{ч насоса} = 8,31 м³/ч; Q_{с насоса}= 2,3 л/с производим энергетический расчет.

Расчетная мощность приводного двигателя к насосу определяется по формуле

 

Р_расч. =

 

где Р_{расч. -} расчетная мощность приводного двигателя, кВт;

 - плотность воды, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Q_{с насоса} - подача насоса, м³/с; Н _насоса - полный напор насоса, м;

_насоса - коэффициент полезного действия насоса;

_{передачи} - коэффициент полезного действия передачи.

 

 = 1000 кг/м³; _насоса = 0,4…0,64; _{передачи} = 1.

 

Используя расчетные значения Q_{с насоса,} Н _насоса и принимая _насоса = 0,4 определяем расчетную мощность

 

Р_расч. =  = 1,1 кВт.

(Число 1000 в знаменателе - переводной коэффициент для получения результата в кВт).

С учетом коэффициента запаса, мощность двигателя определяется по формуле:

 

Р_дв. = Р_расч. х a,

 

где a - коэффициент запаса мощности; a = 1,1…2,0; принимаем a = 2

Р_дв - мощность двигателя с учетом всевозможных перегрузок, кВт.

 

Тогда Р_дв. = 1,1 х 2 = 2,2 кВт.

 

Далее с учетом всех параметров выбираем насос. Это центробежный насос марки 2К-6А, имеющий Q _насоса = 20 м³/ч, n = 2900 м^-1,  = 3,2 кВт

График работы оборудования и установленных мощностей

Исходные данные:

 

Таблица 3 - Техническая характеристика оборудования, установленного в технологической линии водоснабжения свинарников

Оборудование, марка	Мощность электродвигателей р, кВт
Центробежный насос 2К-6А Освещение свинарника №1 Освещение свинарника №2 Освещение свинарника №3 Освещение свинарника №4	3,2 8 8 8 8

 

Таблица 4 - Время работы основного оборудования

Оборудование, марка	Время работы оборудования (часы, минуты)
Центробежный насос 2К-6А Освещение свинарника №1 Освещение свинарника №2 Освещение свинарника №3 Освещение свинарника №4	6ч…19ч 5ч30мин…9ч; 15ч…21ч 5ч30мин…9ч; 15ч…21ч 5ч30мин…9ч; 15ч…21ч 5ч30мин…9ч; 15ч…21ч

 

Построение графика работы оборудования

Порядок построения графика следующий (рис.11):

Строят оси координат

По оси абсцисс обозначаем время суток Т_суток в часах или минутах (от 0 до 24).

Слева оси ординат в четырех столбцах обозначаем:

а) Технологические операции в примерной последовательности одна за другой.

б) Марка машины, выполняющей ту или другую технологическую операцию.

в) Время работы t машины в течение суток в часах или минутах.

г) Установленная мощность Р электродвигателей на машинах и освещение в кВт.

 

Обозначение позиций	Технологические операции	Марка машины	Общее время работы t, ч. и мин.	Мощность Р, кВт
V	Центробежный насос	2К-6А	13 часов	3,2
IV III II I	Освещение свинарника №4 Освещение свинарника №3 Освещение свинарника №2 Освещение свинарника №1	лампы лампы лампы лампы	9 часов 30 минут 9 часов 30 минут 9 часов 30 минут 9 часов 30 минут	8 8 8 8

Рисунок 11 - График работы оборудования

 

Теперь строго в масштабе параллельно осе абсцисс наносим против технологически операций линии, длина которых (в масштабе) соответствует времени работы машины, а положение их (линий) относительно оси абсцисс показывает: в какое время суток выполняется данная технологическая операция.

По графику сразу видно технологию производства, время работы машин, в какое время и последовательность их включения и выключения, сколько одновременно работает машин, какие машины и далее.

Построение графика установленных мощностей

Руководствуясь графиком работы оборудования (рис.11) и исходными данными строится график установленных мощностей оборудования (рис.12). Порядок построения графика следующий:

1. Строят оси координат.

2. По оси абсцисс обозначаем время суток Т_суток в часах или минутах (от 0 до 24).

З. По оси ординат обозначаем в мощность Р в кВт.

4. Смотрим на график оборудования (рис.11) и на исходные данные.

В 5 часа 30 минут включают освещение. Установленная мощность освещения Р_осв = 8 кВт.

 

Тогда Р_{сумм (}5ч30мин) = Р_осв. х 4 свинарника = 8 х 4 = 32 кВт

 

В 6 часов включают насос 2К-6А. Мощность 2К-6А - Р = 3,2 кВт.

 

Тогда Р_сумм (6ч) = Р_осв. + Р = 32 кВт + 3,2 кВт = 35,2 кВт.

 

В 9 часов освещение выключают.

 

Тогда Р_сумм (9ч) = Р = 3,2 кВт.

 

С 15 часов до 19 часов работает освещение и насос 2К-6А.

Тогда Р_сумм (15ч) = Р_осв. + Р = 32 кВт + 3,2 кВт = 35,2 кВт.

 

В 19 насос прекращает работу.

 

Тогда Р_сумм (19ч) = Р_осв. = 32 кВт

 

Освещение отключают в 21 час.

Энергетический расчет

Энергетический расчет проводим при условии, что все машины работают при оптимальной загрузке в указанное расчетное время.

 

Р_общ = Р_осв + Р_2К-6А, где

 

Р_общ - установленная мощность освещения и водоснабжения, кВт;

Р_осв - установленная мощность освещения, кВт;

Р_2К-6А - установленная мощность насоса 2К-6А, кВт.

 

Получаем Р_общ = 4 х 8 кВт + 3,2 кВт = 35,2 кВт.

 

Расход энергии определяется по формуле

W_i = P_i х t_i, где

W_i - расход электроэнергии i-ой машиной, кВт ·ч;

P_i - мощность двигателя i-ой машины, кВт;

t_i - время работы i-ой машины, ч.

 

Получаем: W_осв = Р_осв х t_осв; W_2К-6А = Р_2К-6А х t_2К-6А, где

 

W_осв., W_{2К-6А -} расход электроэнергии на освещение и водоснабжение, кВт∙ч;

t_осв., t_2К-6А - общее время работы освещения и насоса 2К-6А, ч.

Получаем: W_осв. = 32 кВт · 9,5 ч = 304 кВт∙ч W_2К-6А = 3,2 · 13 ч = 41,6 кВт∙ ч.

Тогда W_общ. = W_осв. + W_3К-6А

Получаем W_общ. = 304 кВт∙ ч + 41,6 кВт∙ ч = 345,6 кВт∙ ч.