АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ ЖИДКИХ УДОБРЕНИЙ В ПОЛИВНУЮ ВОДУ
AUTOMATIC DEVICE FOR APPLICATION OF LIQUID FERTILISER TO IRRIGATION WATER

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для внесения удобрений и химических веществ с поливной водой.
Известно устройство для внесения жидких удобрений с поливной водой, включающее напорный трубопровод с расположенным в нем дросселем, емкость для жидких удобрений, мембранный насос-дозатор, соединенный всасывающим трубопроводом с емкостью для жидких удобрений и нагнетательным трубопроводом с напорным трубопроводом, кинематически связанные между собой и с мембранным насосом-дозатором, сообщающейся с рабочими полостями напорного и возвратного гидроцилиндров, распределитель, соединенный питающим трубопроводом перед дросселем и сливным трубопроводом - после дросселя (авторское свидетельство СССР №755236, кл. А01С 23/24, 1980 г.).
Недостатком данного устройство является колебание концентрации удобрений в поливной воде при изменении расхода воды в напорном трубопроводе, а также невозможность изменения концентрации удобрений в поливной воде в необходимых пределах. Вызвано это тем, что в известном устройстве не предусмотрена корректировка расходной характеристики мембранного насоса-дозатора. В результате изменения концентрации удобрений в поливной воде происходит неравномерное их распределение по площади орошаемого участка, снижающее эффективность использования жидких удобрений. Кроме того, сложная система узлов понижает чувствительность к колебанию удобрений с поливной водой, а также увеличивает величину управляющих усилий при работе конструкции.
Известно также устройство для внесения жидких удобрений с поливной водой, включающее напорный водовод с расположенным в нем дросселем, емкость для жидких удобрений, мембранный насос-дозатор, соединенный всасывающим трубопроводом с емкостью для жидких удобрений и нагнетательным трубопроводом, напорный и возвратный гидроцилиндры, кинематические связанные между собой и с мембранным насосом-дозатором, сообщающимся с рабочими полостями напорного и возвратного гидроцилиндров, распределитель, соединенный с напорным трубопроводом перед дросселем и сливным трубопроводом - после дросселя. Кроме того, на напорном трубопроводе перед дросселем установлен регулятор давления со штоком управления, а на питающем трубопроводе - регулирующий клапан с толкателем, который кинематически связан двуплечим рычагом со штоком управления регулятора давления (авторское свидетельство СССР №952139, кл. А01С 23/04, 1981).
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы из-за сложной системы узлов, что понижает чувствительность к колебанию удобрений с поливной водой. Количество поступающего раствора жидких удобрений ограничено и зависит только от числа двойных ходов поршней напорного гидроцилиндра, которые должны воспринимать значительные нагрузки. Все это связано непосредственно с напорным транспортирующим потоком, т.е. имеет место отрицательный фактор. Сложная механическая связь с регулировочным элементом  регулирующего клапана ненадежна из-за возникающих трущихся трений в узлах - возможны моменты заклинивания. Имеет место прерывистая подача стоков в трубопровод, а это показывает, что производительность насоса-дозатора низкая. Подача стоков производится специально над трубопроводом от точки ввода в трубопровод под напором, а давление воды в трубопроводе должно быть меньше, чем давление от подачи стоков. Невозможно точно осуществлять контроль за концентрацией смеси при смешивании с водой. Недостаточно используется энергия воды оросительного трубопровода при вводе удобрений, что особенно важно, т.е. требуется высоконапорный насос-дозатор в точке ввода, не учитывается характеристика напорного оросительного трубопровода и, следовательно, ограничена выдержка дозировки стоков при возможном колебании напора в сети. Другим недостатком является то, что дроссельная диафрагма в трубе вызывает большие потери напора (давления) в потоке. Кроме того, при больших расходах жидкости в самом узком сечении известного устройства возникает кавитация. Поэтому при наличии данного явления использование известного устройства не целесообразно, а это значит, что перед диафрагмой должен быть прямой участок трубы достаточной длины даже при малых расходах. На этой стадии появляется тенденция к снижению коэффициента полезного действия. После начальной стадии кавитации при дальнейшем понижении давления на входе в трубу кавитационные явления распространяются по всей длине пограничного слоя, охватывают всю область смешения потоков, а в некотором створе может быть образован кавитационный факел. В результате этого происходит общее нарушение процесса смешения. При работе в условиях значительных, например, сезонных колебаний верхнего бьефа для различных, а соответственно, и напора рабочего потока должны быть определены необходимые диаметры сменного дросселя и эффективность выполнения регулируемого устройства. Следует отметить то, что одновременно происходит выделение растворенного в воде воздуха. Пузырьки, заполняемые паровоздушной смесью, попадают в область повышенного давления. При этом происходит мгновенная конденсация заполняющего их пара, которая сопровождается резким увеличением местных давлений, точечными ударами с характерным шумом.
Таким образом, отсутствует устройство, позволяющее полную энергию потока воды переводить в кинетическую (скоростной напор), чтобы снизить резко напор и образовать зону вакуума, в которую можно вводить удобрение. Отсутствует зона восстановления определенной части потенциального (пьезометрического) напора. Все это указывает на сложность конструкции и низкую надежность при работе внесения жидких удобрений. Важным недостатком является также малая производительность установки и понижение качества смешения стоков с поливной водой, так как отсутствует в напорном трубопроводе положительное и эффективное понижение давления, куда и подаются стоки, особенно в случаях, когда напоры в трубопроводе становятся значительными даже при наличии регулятора давления. Кроме того, строительные расходы по оборудованию узлов устройства значительны и не позволяют сокращение последних. Устройство является малопроизводительным, поэтому емкость приготовления жидкого навоза расположена выше отметки напорного трубопровода, поскольку элементы конструкции его не позволяют к другим условиям работы.
Задача изобретения заключается в том, что в автоматическом устройстве для внесения жидких удобрений в поливную воду, содержащем напорный трубопровод, емкость для жидких удобрений, насос-дозатор, имеющий рабочие полости с поршнем, связанный с гидродвигателем, конец напорного подводящего трубопровода снабжен насадком, выполненным в виде камеры разрежения, внутри которой размещен блок эжектора и П-образная горизонтальная диафрагма с отверстием, при этом блок эжектора заканчивается соплом, а диафрагма закреплена на дне камеры и образует со стенкой эжектора кольцевую щель, которая обращена в сторону сопла эжектора, при этом выход сопла эжектора размещен в полости кольцевого раструба трубы смешения.
Кроме того, выходной конец сопла эжектора имеет меньший диаметр и расположен ближе к входному концу трубы смешения, а отношение длины трубы смешения к длине эжектора равно 55-56, отношение диаметра трубы смешения к диаметру сопла равно 5-6.
При этом стенки внутри эжектора выполнены выпуклыми с начальным радиусом r на входном участке, полость которого сообщена входом с напорным подводящим трубопроводом.
Камера содержит блок эжектора, питающие трубки и сопло, направленное в сторону кольцевого раструба, блок эжектора снабжен регулирующей иглой, установленной в его полости с возможностью осевого перемещения в плоскости к оси разгонной трубы посредством направляющего штока в виде винта, закрепленного к крестовинам эжектора, а другой конец штока установлен в боковой стенке поводящего напорного трубопровода.
Отношение геометрических размеров (параметров) сопла подбирается таким образом, чтобы определить параметры эжектора с камерой и кольцевого раструба разгонной трубы, входной оголовок которого охватывает снаружи сопло эжектора.
Такое автоматическое устройство обеспечивает высокопроизводительную подачу стоков в поливную воду для конкретного технологического процесса, т.е. рабочий поток в этом режиме непосредственно используется в технологическом процессе. Емкость расположена ниже отметки не более 3 м от расположения по глубине напорного трубопровода по сравнению с прототипом.
Происходит равномерная по всему сечению трубопровода и беспрерывная подача стоков растворенных удобрений одновременно в разреженную кольцевую полость камеры с эжектором с повышенными расходными характеристиками, поскольку параметры простого модульного устройства выполнены оптимально, с установленной по ширине камеры П-образной горизонтальной диафрагмы с отверстием в виде защитного экрана. В результате этого, оптимальное расположение эжектора с диафрагмой с отверстием в камере отвечает заданным условиям работы устройства в целом. Кроме того, степень выравнивания подаваемых жидких удобрений будет сказываться и на результатах их поступления в кольцевой раструб, очерченный радиусом входного оголовка трубы смешения, и надежности работы камеры. Кавитация и волновые явления в камере с жидкими удобрениями будут отсутствовать при данном размещении по ширине камеры горизонтальной камеры с отверстием в виде защитного П-образного экрана, причем отсутствует нарушение сплошности поступления жидких удобрений, поступающих из емкости через нагнетательные патрубки. Все это также устраняет кавитационные явления рабочей среды при входе в кольцевой раструб разгонной трубы смешения. Следует ожидать приемлемое распределение скоростей в разгонной смесительной трубе с оптимальной длиной трубы смешения. В конечном итоге, степень выравнивания скоростей будет сказываться только на потерях в диффузоре и, следовательно, будет мало влиять на результаты расчета.
Главные параметры эжектора - это развиваемое им давление и подача, причем зависимость между ними определяется однозначно гидравлической характеристикой системы, в которой эжектор работает. Таким образом, камера служит для расширения поступления жидких удобрений. Суженный поток, выходя из сопла, поступает в кольцевой раструб трубы смешения, который очерчен радиусом по кривой, обеспечивающей параллельноструйность жидких удобрений в выходном сечении (кривая, например, может быть выполнена по параболе третьей степени). Это вызывает малое гидравлическое сопротивление, исключаются возможности возникновения кавитации в потоке жидкости (или образование воздушных пузырьков), все это влияет на равномерность распределения скоростей по длине трубы смешения до входа в диффузор. Кроме того, это приводит к уменьшению сопротивления при подаче стоков в оросительную воду, не предъявляет жестких требований к механическому составу твердых частиц, содержащихся в жидких стоках, а также отсутствует вероятность защемления содержащихся в стоках мелких частиц и волокнистых включений между рабочими элементами устройства. Одновременно снижается энергоемкость при высотной подаче стоков в емкость насосами, уменьшается продолжительность цикла включения в работу гидрогенератора и отсутствует биение каких-либо элементов о корпус соединительной арматуры.
Работа регулирующей иглы позволяет осуществлять работу сопла как с полным сечением, так и с частично закрытым поперечным сечением сопла эжектора. Это в свою очередь ведет к изменению скорости вытекания струи из сопла для различных изменений давлений воды в подводящем напорном трубопроводе. Давление (напор) в подводящем трубопроводе зависит от рельефа (уклона) местности и расхода воды, поступающей в начале подводящего трубопровода (головного водозабора). Когда игла выдвинута, то сопло работает полным сечением, и, наоборот, когда вдвинута, то проходное сечение сопла сокращается, соответственно, уменьшается пропускаемый расход, однако эффект сжатия струи истечения из сопла изменяется, в результате этого диаметр струи меньше диаметра сопла. При этом возникают большие напоры в подводящем трубопроводе и скорости воды в разгонной трубе смешения. Поэтому жидкие удобрения с более низким энергетическим потенциалом всасываются через кольцевую входную часть камеры вокруг эжектора и через кольцевой раструб, очерченный радиусом входного оголовка трубы смешения, затем увлекаются подводящим потоком в разгонную трубу смешения и скорости их выравниваются. Таким образом, площадь выходного сечения сопла подводящего потока может изменяться.
Ввод жидких удобрений в напорный трубопровод через данное устройство производится низконапорным насосом-дозатором заданного количества беспрерывно и автоматически. В этом устройстве полная энергия потока воды переводится в кинетическую (скоростной напор), при этом напор резко снижается, и образуются зоны вакуума, в которые можно вводить жидкие удобрения. Насадка, выполненная в виде камеры разрежения, внутри которой размещен блок эжектора с установленной по ее ширине П-образной горизонтальной диафрагмой, закрепленной на высоте от дна камеры, и оптимальная длина и диаметр трубы смешения, входной конец которой имеет кольцевой раструб с радиусом кривизны, расположенный в камере и в полости которой размещен блок эжектора, заканчивающимся соплом и диффузора, соединенного с отводящей напорной трубой, позволяет восстанавливать определенную часть потенционального (пьезометрического) напора. Такое неоднократное превращение энергии потока может найти широкое применение всего устройства в целом, так как имеет простую конструкцию и высокую надежность в работе с жидкими удобрениями.
Установленная доза подачи жидких удобрений поддерживается и при колебаниях скорости потока воды в напорном трубопроводе. В предложенном устройстве расход эжектора прямо пропорционален диаметру сопла и обратно пропорционален напору на выходе. Используется полезно потенциальная энергия воды этого же трубопровода. Конструктивные параметры и технологические характеристики устройства подтверждают практическую применимость в сельском хозяйстве. Разрешенные потери напора используются для создания в эжекторе пониженного давления по сравнению с давлением на входе, при этом создавая плавный вход в полость эжектора. Величина понижения давления (напора) в трубе смешения и пропускная способность устройства зависят от диаметра сопла и давлений на входе и выходе из эжектора, наличия по ширине камеры горизонтальной диафрагмы с отверстием, а также эффективности самого эжектора. При этом необходимо учитывать, что с изменением относительного геометрического размера эжектора значение коэффициентов сопротивления будет меняться. Это вызывается двумя причинами:
численные значения коэффициента сопротивлений эжектора, размеры которого остаются постоянными при изменениях относительного размера эжектора, относятся к площади сечений потоков, меняющихся при изменении относительного размера;
с изменением значений отношения площади сопла рабочего потока к площади трубы смешения меняется в некоторой степени и конфигурация проточной части на подходе к входному кольцевому раструбу трубы смешения. Изменение коэффициента сопротивления по этой причине крайне мало, и им можно пренебречь.
Поэтому нужно предусматривать оптимальные соотношения и взаимовлияния всего устройства в целом, а также влияние на расход жидких минеральных удобрений, подаваемых в напорный трубопровод. Немаловажное значение имеет место производство регулировки и быстрой сборки-разборки с заменой изношенных деталей. Большое значение имеет работа в автоматическом режиме золотника-водораспределителя с пружинным синхронизатором-толкателем. При подаче расхода жидких удобрений в полость камеры с горизонтальной диафрагмой через отверстие не допускается вначале поступления его расширение, а происходит компактное соединение расхода жидких удобрений под горизонтальной диафрагмой и далее поступление в кольцевую полость камеры расширения. Рабочий поток из подводящего трубопровода выходит из сопла в кольцевой раструб, очерченный радиусом входного оголовка трубы смешения с большой скоростью. В результате этого во входном сечении трубы смешения снижается давление. Расход жидких удобрений с более низким энергетическим потенциалом всасывается через выходную часть камеры, а затем увлекается подводящим (рабочим) потоком в трубу смешения. В разгонной смесительной трубе и далее в диффузоре подводящий поток и эжектируемый расход жидких удобрений смешиваются, скорости их выравниваются, а давление повышается до некоторого значения, большего, чем давление эжектируемых жидких удобрений, и меньше, чем давление подводящего потока. Таким образом, разработана новая принципиальная схема введения удобрений (стоков) в поливную воду. Удлинение времени подачи жидких удобрений в камеру с эжектором, заканчивающимся водопропускным соплом, направленным в сторону входного отверстия кольцевого раструба, очерченного радиусом входного оголовка разгонной трубы смешения, повышает равномерность подачи удобрений из вакуумной кольцевой полости камеры в отводящем напорном трубопроводе.
Практическая работоспособность предлагаемого автоматического устройства введения жидких удобрений в напорный трубопровод очевидна при данных соотношениях геометрических размеров элементов устройства и, соответственно, отношении длины разгонной смесительной трубы к длине эжектора (другими словами можно сказать - отношение площади поперечного сечения сопла эжектора и площади трубы смешения). Устройство вписывается в технологию ирригационного оборудования для орошения площадей, отвечающего современным технико-экономическим, эксплуатационным и технологическим требованиям, то есть оросительная система в целом становится многоцелевой, так как надежность транспортирования на поля орошения и распределения по ним с помощью поливной техники животноводческих стоков, разбавленных с поливной водой до необходимой концентрации, обеспечивает улучшение экологической обстановки, например, вокруг животноводческих комплексов.
На фиг.1 представлено автоматическое устройство для введения жидких удобрений в поливную воду, общий вид; на фиг.2 - автоматическое устройство для введения жидких удобрений в поливную воду, вариант размещения одностороннего действия насоса-дозатора, общий вид; на фиг.3 - схема устройства регулирующей иглы, установленной в полости эжектора; на фиг.4 - схема устройства пружинного синхронизатора-толкателя, вид в плане; на фиг.5 - то же, разрез; на фиг.6 - шток золотника-водораспределителя; на фиг.7 - корпус золотника-водораспределителя; на фиг.8 - сечение по A-A на фиг.7; на фиг.9 - схема работы золотника - правое положение штока; на фиг.10 - то же, левое положение штока; на фиг.11 - расчетная схема эжекторного узла; на фиг.12 - зависимость расхода эжектора устройства системы разбавления стоков оросительной водой.
Автоматическое устройство содержит емкость 1 для жидких удобрений или других химикатов, установленную ниже напорного трубопровода, разделенного на подводящий 2 и отводящий 3 трубопроводы. Конец напорного подводящего трубопровода 2 снабжен насадком, выполненным в виде камеры разрежения 4, соединенной с трактом разгонной смесительной трубы 5 через кольцевой раструб 9, очерченный радиусом входного оголовка трубы 5. Входной оголовок смесительной трубы 5 расположен в камере разрежения 4. В полости 6 камеры разрежения 4 размещен блок эжектора 7, входной участок которого выполнен с начальным радиусом r, и заканчивается соплом 8. Выходное отверстие сопла 8 размещено в зоне входного отверстия кольцевого раструба 9 тракта разгонной смесительной трубы 5. При этом кромки трубы 5 смешения выполнены в виде кольцевого раструба 9 и расположенного с внешней стороны стенок сопла 8 эжектора 7. Сопло 8 эжектора 7 и кольцевая полость 6 камеры 4 направлены минимальными и проходными сечениями в сторону ближе к входному отверстию кольцевого раструба 9 трубы 5 смешения. Конец тракта разгонной смесительной трубы 5 соответственно соединен с отводящим напорным трубопроводом 3 с диффузор 11. Стенки внутри эжектора 7 выполнены выпуклыми с начальным радиусом «r» на входном участке, полость 10 которого сообщена входом с напорным подводящим 2 трубопроводом.
Над дном камеры 4 установлена по ее ширине П-образная горизонтальная диафрагма 12 с отверстием 13, разделяющим ее на верхнюю безнапорную 14 полость и нижнюю нагнетаемую 15 закрытую полость, с питающими трубками 16, 17 с обратными клапанами 18, 19, присоединенными к нагнетательному цилиндру 20 (всасывающему) двухстороннего действия. Рабочие полости 21 цилиндра 20 с всасывающими трубопроводами 22, 23 с обратными клапанами 24, 25 присоединены к емкости 1. Камера 4 разрежения связана сливной линией 26 с вентилями 27 и 28 с обратным клапаном 29. При этом между стенкой эжектора 7, под которым установлена по ширине камеры горизонтальная диафрагма 12 с отверстием 13 в виде защитной П-образной горизонтальной диафрагмы (экрана), образуется кольцевая щель 31, обращенная в сторону сопла 8, раструба 9 оголовка разгонной трубы 5.
По варианту (фиг.3) предусматривается дополнительно регулирующая игла 32, установленная в полости эжектора 7 с возможностью осевого перемещения соосно-ориентированной открытым концом к соплу 8 и к загнутым кромка раструба 9, очерченного радиусом оголовка разгонной трубы 5, при этом игла 32 выполнена в виде запорного элемента и перемещается посредством направляющего штока 33 в виде винта, закрепленного к крестовинам 34 эжектора 7, а другой конец штока 33 установлен в боковой стенке подводящего трубопровода 2.
Пружинный синхронизатор-толкатель состоит из двух блоков - пружинного толкателя (фиг.2 и 3) и золотника-водораспределителя (фиг.4, 5 и 6).
Пружинный синхронизатор-толкатель снабжен неподвижным каркасом 35, дополнительным каркас-рамкой 36, кинематически связанной с подвижной осью 37, направляющей 38 двух опорных осей 39 и 40 с отверстиями 41. Подпружиненный ограничитель хода подвижной оси 37 с кронштейнами 42 каркас-рамки 35 содержит штоки 43, один конец которых свободно входит в одно из отверстий 41 опорных осей 39 и 40 и свободно входит в каркас-рамку 35, в одно из отверстий 41, а другой конец штока 43 упирается в кронштейны 42 направляющей 38 оси 37. Между опорными осями 39 и 40 и кронштейнами 42 в направляющих 38 оси 37 установлены пружины 44.
Подвижная ось 37 каркас-рамки 35 присоединена посредством штока 43 с подвижной серьгой 46 с продольной прорезью 47 и с регулировочным винтом 48 к передвижному штоку 49 золотника-водораспределителя 50, состоящего из регулируемых отверстий 51. Золотник 52 связан напорными линиями трубок 53 и 54 с общей линией трубки 55 с напорным подводящим трубопроводом 2 с вентилем 56 (краном).
Размещение в корпусе подвижной каркас-рамки 35 оси 36 обеспечивает возможность отклонения штоков 43 от нейтрального неустойчивого равновесия в пределах от 3 до 7 градусов. Подвижная ось 37 взаимодействует симметрично установленным штоком 43 с подвижной серьгой 46 с продольным пазом 47 с регулировочным винтом 48. Серьга 46 имеет свободную прорезь 47 и соединена штоком 49 с осью штока 52 золотникового-водораспределителя 50 (гидрораспределителя).
Эжектор 7, заканчивающийся соплом 8 в камере 4, связанной с кольцевым раструбом 9 разгонной смесительной трубы 5, имеет меньший диаметр и выполнен ближе к входному концу смесительной трубы 5, другой конец которой соединен с трубой 11 в виде диффузора с отводящим трубопроводом 3. Отношение длины разгонной смесительной трубы 5 к длине эжектора 7 равно 55-56, а отношение диаметра разгонной смесительной трубы 5 к диаметру сопла эжектора 7 равно 5-6 и привязано к гидравлическим параметрам подводящего напорного трубопровода.
Гидродвигатель состоит из силового цилиндра 57 с размещенным в его рабочей полости 58 поршнем 59 и нагнетательного цилиндра 20 с поршнем 60, соединенных между собой штоком 61. Полость 58 силового цилиндра 57 гидравлически связана трубками 62 и 63 с рабочими отверстиями 51 золотника-водораспределителя 50. Диаметры силового и нагнетательного цилиндров составляют соотношение, равное 1,8-2,0, при этом отношение диаметров силового цилиндра к отводящему трубопроводу равно 2,7-3,0, кроме того, ход поршня 60 нагнетательного цилиндра 20 принимается 1-2 диаметра силового цилиндра 59.
Автоматическое устройство для введения удобрений в поливную воду работает следующим образом.
Рабочий процесс начинается с открытия вентиля 56 (крана). Вода из подводящего напорного трубопровода 2 по трубке 55 через открытый вентиль 56 поступает в золотник-водораспределитель 50 (гидрораспределитель) и в силовой цилиндр 58 двустороннего действия (например, влево). Поршень 59 механически соединен с поршнем 60 нагнетательного цилиндра 20. При этом через всасывающий трубопровод 22 с обратным клапаном 24 происходит заполнение рабочей полости 21 цилиндра 20 раствором удобрений. Золотник-водораспределитель 50 с рабочими отверстиями 51 гидравлически соединен трубками 53 и 54 с общей трубкой 55, а шток 52 золотника-водораспределителя 50 может поочередно находиться только в одном из крайних положений (фиг.7 и фиг.8). Например, вправо, то вода из подводящего напорного трубопровода 2 через золотник 52 со штоком 61 поступает в силовой цилиндр 57 двустороннего действия. Под воздействием давления воды поршень 59 цилиндра 57 перемещается влево и, соответственно, перемещает связанные конструктивно с ним поршень 60 нагнетательного цилиндра 20 и подвижно каркас-рамку 35 синхронизатора-толкателя. Каркас-рамка 35, дойдя до соприкосновения с подвижной осью 37, перемещает ее также влево, одновременно происходит выбор свободного хода соединительной серьги 46 и сжатие пружин 44. При переходе подвижной оси 37 толкателя обеспечивается возможное отклонение от нейтрального неустойчивого равновесия в пределах от 3 до 7 градусов, равновесие нарушается, и пружины 44, разжимаясь, переводят толчком подвижную ось 37 в левое положение. Подвижная ось 37 толкает серьгу 46, свободный ход которой назначен к началу толкателя, через нее шток 49 золотника 52 переводит его в левое положение (фиг.8). Вода из подводящего напорного трубопровода 2 теперь поступает в силовой цилиндр двухстороннего действия с другой стороны, перемещая поршень в нем вправо. Поршень цилиндра 59 выталкивает отработанную воду в отстойник (фиг.7). То есть повторяются все вышеописанные операции движения вправо. Цикл завершается срабатыванием пружинного синхронизатора-толкателя и переводом штока 49 золотника-водораспределителя 52 в крайнее правое положение. Далее циклы повторяются в автоматическом режиме.
Очищенные стоки (растворы) хранятся в специальных бассейнах-хранилищах, глубина которых не превышает трех метров.
Установка камеры разрежения 4 с блоком эжектора 7, заканчивающегося соплом 8, позволяет создать необходимый напор подводящим потоком воды в эжекторе 7 с соплом 8. Увеличение скорости воды приводит к увеличению и вакуума, следовательно, можно вводить большее количество жидких удобрений при работе даже низконапорного поршневого нагнетательного насоса.
Во время работы силового цилиндра, например двухстороннего действия, раствор удобрений из емкости 1 поступает в нижнюю всасывающую полость 15 камеры разрежения 4 и соединяется в сплошной поток. Раствор удобрений перетекает из полости 15 камеры разрежения 4 через отверстие 13 П-образной горизонтальной диафрагмы 12 в кольцевую полость 14 безнапорной камеры разрежения 4, в которой размещен блок эжектора 7 с соплом 8 беспульсационного давления. Раствор жидких удобрений выходит через щель между стенками эжектора 7 и камеры разрежения 4 в сторону кольцевого раструба 9 разгонной смесительной трубы 5. Смешение скоростного потока и раствора удобрений в кольцевом раструбе 9 трубы смешения 5 сопровождается изменениями осредненного давления вдоль проточной части. По мере выравнивания эпюры скоростей потоков и уменьшения от сечения к сечению средней скорости суммарного потока происходит повышение давления, которое продолжается и в пределах диффузора 11. За диффузором 11 устанавливается наивысший уровень давления, соответствующий давлению, которое должен развивать эжектор 7, т.е. в эжекторе сначала идет преобразование потенциальной энергии подводящего напорного потока в кинетическую. Кинетическая энергия подводящего потока трубопровода 1 во время смешивания с раствором удобрений частично передается эжектируемому раствору удобрений, т.е. происходит выравнивание скоростей общего потока и преобразование кинетической энергии смешанного потоков в потенциальную энергию.
Фактически процесс течения жидкости в эжекторе представляется достаточно сложным из-за вальцов и водоворотных зон, наличие которых определяется соотношениями параметров эжектора, размещенного в камере разрежения - расход подводящего напорного потока и всасываемого раствора удобрений и, соответственно, давления, которое должен развивать эжектор.
Следует иметь в виду, что в оптимальном режиме работы эжектора, т.е. когда эжектор с определенными геометрическими размерами и привязанного к гидравлическим параметрам подводящего напорного трубопровода, будет подавать необходимый расход воды и раствора удобрений суммарного потока в отводящий трубопровод 3, водоворотные зоны практически отсутствуют и потери смешения минимальные.
В других случаях, когда в смесительной трубе 5 и в диффузоре 11 появляются вальцы, водоворотные зоны, процесс смешения резко усложняется и эжектор не может подавать заданные расходы раствора удобрений по расчету на высоту подъема, т.е. снижает к.п.д. силового цилиндра (его мощность).
Главные параметры эжектора 7, размещенного в камере разрежения 4. - это развиваемое им давление и подача, причем зависимость между ними определяется однозначно гидравлической характеристикой той системы, в которой эжектор работает.
Размещение кольцевой полости 6 в камере разрежения 4 с проходным сечением по направлению потока способствует получению зоны с низким давлением потока, что увеличивает скорость истечения раствора удобрений (захвата) из полости камеры разрежения 4 и приводит к более равномерному распределению его по всему сечению разгонной трубы смешения 5. Распределение скоростей на прямом участке трубы смешения 5 соответствует равномерному движению воды, длина участка которого составляет 10÷30d (где d - диаметр трубы). Соединенный поток стабилизируется перед соединением диффузора 11 с отводящим напорным трубопроводом 3. Раствор через кольцевую полость камеры и минимальное проходное отверстие камеры разрежения 4, ограниченное выходным концом сопла 8 эжектора 7 и размещением горизонтальной диафрагмы 12 с отверстием 13, поступает одновременно по всему сечению отводящего поливного трубопровода. Это связано с тем, что наличие зазора между концом сопла эжектора и входным отверстием разгонной смесительной трубы малой величины приводит к смешиванию удобрений по всему сечению трубы смешения 5, длина которой зависит от диаметра трубы и давлений, возникающих в узком сечении сопла 8 эжектора 7.
По варианту (фиг.3) обычно вода подводится по длинным напорным трубопроводам, которые не всегда учитывают уклон местности (рельеф). Для этого нужно создать необходимый напор в полости эжектора 7 и отвести через сопло 8 струю без уменьшения скорости по длине разгонной трубы смешения, а также снизить давление и поступление жидких удобрений с более низким энергетическим потенциалом, осуществляют всасывание через входную часть кольцевой полости камеры разрежения 4 и кольцевого раструба 9, а затем увлекается подводящим потоком в разгонную смесительную трубу 5. В конечном итоге весь поток смешивается, скорости их выравниваются, а давление повышается до большего значения, чем давление выходящего потока из сопла эжектора по длине отводящего трубопровода 3. Регулированием иглы 32, соосно ориентированной открытым концом в виде запорного элемента к соплу 8 и к загнутым кромкам (раструб 9) смесительной трубы 5, с помощью штока 33 в виде винта (возможно автоматическое регулирование, на чертеже не показано) изменяется открытие (закрытие) сопла 8, при этом появляется эффект сжатия струи. При диаметре струи меньше диаметра сопла создается больший напор в подводящем трубопроводе 2 за счет изменения положения регулирующей иглы 32. Таким образом, скорости воды на выходе из сопла 8 регулируют за счет изменения поперечного сечения сопла эжектора и изменения расхода, то есть за счет ввинчивания или вывинчивания штока 33 (например, с гайкой или с втулкой), что позволит обеспечить стабильность работы блока эжектора 7, заканчивающегося соплом 8, размещенного в кольцевой камере разрежения 4 и в полости кольцевого раструба 9 трубы смешения 5. Все это позволит устранить в трубе смешения, в диффузоре и вальцах, водоворотные зоны, резко улучшит процесс смешения, подать заданный расход воды с удобрениями потребителю.
При колебании расхода воды в подводящем напорном трубопроводе и, соответственно, напора от гидродвигателя отпадает необходимость диаметра сменных сопл, в результате чего эффективность выполнения регулирующей иглы в эжекторе очевидна.
В результате разности давлений в области, создаваемой эжектором 7, установленным на конце подводящего трубопровода 2, образуется область пониженного давления для поступления питательных растворов. Разрежение (местное понижение давления), возникающее в кольцевой полости 6 камеры разрежения 4 с П-образной горизонтальной диафрагмой 12 с отверстием 13, дополнительно дает импульс увеличению поступления питательных растворов из емкости 1, то есть увеличивает производительность устройства (узла смешения), увеличивает к.п.д. насоса. Таким образом, диаметр сопла определяет конструктивные параметры эжектора, размещенного в полости кольцевого раструба 9, и привязан к гидравлическим параметрам подводящего напорного трубопровода.
Изменением положений вентиля 56 задатчика производительности устанавливают требуемый режим работы по числу перемещений поршня силового цилиндра в единицу времени. Остановка (выключение) устройства осуществляется закрытием вентиля 56 (крана).
Возвратно-поступательное движение силового поршня 59 происходит в нагнетательном цилиндре - всасывание 20, что приводит к нагнетанию раствора в кольцевую область камеры 4 разрежения, в результате чего обеспечивается непрерывность процесса дозирования и исключаются непроизводительные перемещения поршня 60 цилиндра 20.
Вариант (на фиг.2) с применением двух силовых цилиндров одностороннего действия позволяет применять два напорно-всасывающих цилиндра одностороннего действия, что также повышает работоспособность и надежность работы всего устройства. В целом обеспечивается заданная производительность поступления раствора удобрений в нижнюю нагнетаемую полость 15 и далее в верхнюю безнапорную полость 14 камеры разрежения 4 с эжектором 7, заканчивающимся соплом 8.
Так как диаметр цилиндра 20 насоса (всасывающего) меньше диаметра силового цилиндра 57, в нем развивается большее давление пропорционально отношению диаметров, и питательные растворы под этим повышенным давлением подаются в область пониженного давления, создаваемого в полости 6 камеры разрежения 4 с эжектором 7 с соплом 8. Частота циклов работы силового цилиндра 57 влияет на движение хода поршня 59, то есть уменьшение хода поршня 59 значительно увеличивает частоту циклов, а это увеличивает нагрузку на шток 49 золотника 48 и толкателя-синхронизатора. Влияние же на поступление растворимых растворов удобрений, подаваемых в напорный трубопровод, может меняться незначительно (малозаметно).
В предложенном устройстве на его работоспособность также влияет разность напоров на входе и выходе эжектора, то есть, например, если взять напоры на входе 5 м, а на выходе 10 м, то устойчивое функционирование устройства составит при разности напоров от 5 до 10 м, надежное функционирование сохраняется при напоре 5 м.
Наличие пружинного синхронизатора-толкателя, включающего опорные оси 39 и 40 и направляющую 38 подвижной оси 37 со штоками 43 с пружинами 45, снимает вертикальные нагрузки на подвижную ось 37 с каркас-рамкой 35 и позволяет свободно перемещаться направляющей 38 до упора с подвижной серьгой 46 и возвращаться в крайнее нерабочее положение. Таким образом, обеспечивается плавность их хода и повышается надежность работы. Запас потенциальной энергии пружинам обеспечивается через концы штоков 43 с пружинами 44, замкнутых между опорными осями 39 и 40 с отверстиями для установки их с упорами в кронштейнах 42 в направляющей 38 подвижной оси 37. Кроме того, параметры пружин 44 (жесткость, длина) подобраны таким образом, что к моменту соприкосновения конца подвижной оси 37 к штоку 49 подвижной серьги 46 и сообщения толчка (импульса), движения, происходит переход подвижной оси 37 толкателя-синхронизатора с возможностью отклонения штоков от нейтрального неустойчивого равновесия в пределах от 3 до 7 градусов, то есть равновесие нарушается и пружины 45, разжимаясь, переводят толчком подвижную ось 37, например, в левое положение.
Разгонная смесительная труба 5 сообщается с отводящим трубопроводом 3 через диффузор 11, что позволяет по длине удерживать заданное разрежение в месте движения воды выходными отверстиями камеры разрежения и сопла эжектора. Кроме того, отсутствует отрыв струйного движения воды от стенок при входе в отводящий трубопровод 3, что также повышает надежность работы и отсутствие гидроудара. При этом восстанавливается определенная часть потенциального (пьезометрического) напора. Производительность поршневого насоса увеличивается из-за сокращения потерь напора на преодоление усилий подъема жидких удобрений из емкости 1, установленной ниже напорного трубопровода с оросительной водой. Расход удобрений контролируют по расходомеру 30 (счетчику стока), установленному на нагнетательной трубке, соединенной с нагнетательным насосом 20 поршня 60.
Автоматическое устройство для введения удобрений в поливную воду представляет собой одну из разновидностей метода решения более общей задачи - практическая целесообразность таких устройств, а именно создание специфических гидравлических условий организации подачи растворимых удобрений и смешивание их с поливной водой с доставкой на поля орошения и внесения их в почву с улучшением экологической обстановки.
Необходимость разработки устройства для введения удобрений в поливную воду проявляется следующим образом.
В рабочем технологическом режиме устройство обеспечивает подачу удобрения в напорный мелиоративный трубопровод. Этот режим характеризует основную закономерность - определение площади сопла эжектора (на фиг.9):
с
2
где ω - площадь сопла эжектора, м;
1
3
Q - расход, м/с;
µ - коэффициент расхода сопла, принимаем равным 0,9;
2
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с;
o
H - напор, м.
Диаметр сопла эжектора:
1
1
2
2
3
Задаются исходные данные напор «H» и расход «Q» воды в подводящем трубопроводе, а также напор «H» и расход «Q» в отводящем трубопроводе. Максимальный расход подаваемых удобрений, например, 0,025 м/с.
1
По вышеприведенным исходным параметрам уточняется значение напора на входе устройства и внесение удобрений «H»:
где
φ - коэффициент скорости истечения из сопла, равный 0,93;
λ - необходимая степень разбавления удобрений оросительной водой;
m - отношение диаметра разгонной трубы смешения к диаметру сопла и зависит оно от «λ».
Коэффициент «К» равен:
диф
где ξ - коэффициент потерь напора в диффузоре (0,08…0,15).
o
Определяется необходимый напор у сопла «H» из формулы (3)
o
o
При необходимости корректировки «H» производится изменение диаметра разгонной трубы смешивания и по формулам (6, 7, 8) уточняется «H».
Исходя из полученного значения сопла эжектора, определяются другие конструктивные параметры эжектора: длина сопла, длина разгонной смесительной трубы, длина диффузора и, соответственно, геометрические параметры горизонтальной диафрагмы с отверстием, расположенной ниже корпуса на дне камеры. Длина диффузора определяется по формуле:
тр.
где Д - диаметр отводящего мелиоративного трубопровода, м;
β - угол конусности диффузора;
т.с.
l - длина трубы смешения.
С учетом указанных выше условий отношение диаметров силового и нагнетательного цилиндров можно принимать в диапазоне от 1,8 до 2,0. Ход поршня насоса подачи удобрений принимается 1-2 диаметра силового цилиндра. Продолжительность цикла устройства подкачки оптимальная в пределах от 2,0 до 2,5 секунд и зависит от диаметра нагнетательного цилиндра, хода поршня и расхода подаваемых в ороситель удобрений. Они связаны соотношением:
м.у.
2
где Q - расход жидких удобрений, см/с;
н.ц.
d - диаметр нагнетательного цилиндра, см;
х.п.
l - ход поршня нагнетательного, см;
ц.
T - продолжительность цикла, с.
Отношение диаметров силового цилиндра к диаметру отводящего трубопровода равно 2,7-3,0.
Скорость перемещения штока гидроцилиндра зависит от направления подачи жидкости, и скорость перемещения штока можно найти из выражения:
ц
o
где Д - внутренний диаметр гидроцилиндра, η - объемный к.п.д.
Отсюда отношение скоростей движения штока в указанных направлениях зависит от соотношения диаметров гидроцилиндра. Усилие, развиваемое гидроцилиндром при подаче жидкости в поршневую полость, определяется:
Создание движения в противоположном направлении и работа поршня связаны с конструированием золотника-водораспределителя 50 (гидрораспределитель), работа которого изображена на фиг.8 и 9.
Следует отметить, что ход поршня гидроцилиндра связан с конструкцией золотника-водораспределителя, что исключает удар поршня о крышки в гидроцилиндрах, в противном случае потребуются специальные дополнительные демпфирующие устройства.
Гидроцилиндры одностороннего действия (фиг.2), как и двустороннего действия, способны также развивать на выталкивание жидкости, но при соответствующих диаметров цилиндров - меньшего и большего.
Что касается золотникового гидрораспределителя, то он имеет ряд преимуществ перед другими типами: разгруженность золотника от усилий, создаваемых давлением рабочей жидкости, простота осуществления многопозиционности золотника, малая чувствительность к загрязнению жидкости, простота в изготовлении, надежность действия.
Расчет проходных сечений золотниковых гидрораспределителей производится по формуле:
щ
где F - площадь проходного сечения щели золотника; q - периметр щели; h - величина открытия щели; Q - расход через щель; V - допустимая скорость движения жидкости через щель.
Лабораторные исследования автоматического устройства для двух диаметров сопла эжектора, приведенные в виде графика на фиг.11, показали возможность функционирования устройства, обеспечивающего подкачку жидких осветленных стоков в напорный трубопровод, используя потенциальную энергию воды этого же трубопровода, и позволили уточнить расчетные соотношения конструктивных параметров и технические характеристики устройства. Все это позволяет сократить строительные расходы для производства.
Таким образом, конструктивные отношения параметров устройства позволяют сделать его работоспособным и надежным для эксплуатации в автоматическом режиме работы. В свою очередь это позволяет создать контроль за процессами подачи удобрений и их смешения с поливной водой в режиме планового задания, исключает субъективный фактор при определении у потребителя дополнительных погрешностей конструирования данного устройства в условиях эксплуатации.
При использовании варианта (фиг.3) данная конструкция обеспечивает стабильный расход и напор за счет увеличения сопротивления. То есть увеличение местных потерь, что исключает также пульсации на входе в раструб 9 трубы смешения 5, снижает трудозатраты при расчетах и правильного подбора размеров для обеспечения хорошей ее работы. Сюда можно также отнести значение наличия размещения по ширине над дном камеры разрежения 4, П-образной горизонтальной диафрагмы с отверстием, формы сопла, расстояние от сопла до трубы смешения, форму приемной кольцевой камеры, форму кольцевого раструба входа оголовка разгонной смесительной трубы и другие геометрические размеры. Все это служит средством допустимого увеличения всасывания жидких удобрений из емкости 1 с помощью гидродвигателя, и повышения к.п.д. Это также позволяет учитывать максимальное сокращение давления при поступлении жидких удобрений в кольцевую полость камеры разрежения 4, а оптимальное конструирование трубы смешения потоков имеет большое значение при определении ее длины для данных конкретных условий, что оказывает существенное влияние на завершение процесса смешения потоков. Работа же диффузора непосредственно связана с работой трубы смешения, то есть степенью неравномерности эпюры скоростей при входе в диффузор и т.д. Оптимальный режим работы эжектора, т.е., когда эжектор с определенными размерами, будет подавать необходимый расход воды суммарного потока с присоединением жидких удобрений; водоворотные зоны практически отсутствуют и потери смешения минимальны. Все это в целом связано с созданием гидродвигателя.
Применение изобретения позволяет значительно упростить конструкцию устройства, повысить надежность его работы, так как обеспечивается плавная установка регулирования поступления расхода удобрений в поливную воду с меньшим тяговым усилием гидродвигателя, соответственно, стабилизируется расход поливочной воды в мелиоративном трубопроводе.
Положительный эффект от применения предлагаемого устройства очень существенен для внесения удобрений и химических веществ с поливной водой, так как не требуется электроэнергии, а это отсутствие коммуникационных силовых и контрольных кабелей на мелиоративной системе.
Совместная работа гидродвигателя и блока эжектора с устройствами в камере указывает границу значений объемного расхода всасываемых жидких удобрений подводящим напорным потоком с учетом высоты подъема на необходимую отметку жидких удобрений из емкости 1, соответственно, максимальный коэффициент полезного действия в данных условиях работы является оптимальным.
Эффективность устройства обеспечивается за счет улучшения компоновки распределительной арматуры, а значит, обеспечивается равномерность вносимых с поливной водой удобрений на мелиоративной системе. Элементы устройства легко поддаются унификации и изготовлению для закрытых мелиоративных систем путем сборки из деталей, выполненных индустриально на соответствующих заводах.