Влияние температуры поливной воды на гидравлические параметры полиэтиленовых трубопроводов систем капельного орошения

УДК 532.5

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛИВНОЙ ВОДЫ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ

Шугай П. Ю. - ассистент Кажаров В. М. - аспирант Микитюк А. В. - к. т. н., ассистент

Кубанский государственный аграрный университет

В статье приведен анализ расчета коэффициента гидравлического трения поливного полиэтиленового трубопровода системы капельного орошения с учетом высо -ких температур воды. Получена теоретическая формула коэффициента гидравлического трения с учетом высоких температур воды.

Для обеспечения качественного орошения культур необходимо равномерное распределение воды по площади полива.

Равномерность полива достигается с помощью гидравлического расчета систем капельного орошения (КО), которые состоят из поливных трубопроводов и капельниц-водовыпусков.

Поливные трубопроводы (ПТ) должны обеспечить равномерность полива растений, которая достигается за счет капельниц.

Основным требованием, предъявляемым к поливным трубопроводам, является создание относительно постоянного давления внутри них.

Напор в поливном трубопроводе определяется по формуле:

Н = ± НГ + НК + И,

где НГ - геометрическая высота, которая определяется разностью отметки поверхности земли, где установлена самая удаленная капельница на ПТ до места подключения к участковому трубопроводу, м;

Н к — напор воды над капельницей в "оптимальной зоне", м;

И — потери напора в поливном трубопроводе, определяются по формуле Дарси - Вейсбаха, м.

• V2

И = 1--------,

Б 2g'

где X - коэффициент гидравлического трения.

Имеются исследования [1; 2; 3; 4], в которых приводятся данные по расчету гидравлических характеристик (потерь напора, расхода, средней скорости) систем капельного орошения.

В основном ПТ и капельницы изготавливаются из черного полиэтилена, чтобы предотвратить их зарастание водорослями [1]. В поливных полиэтиленовых трубопроводах систем КО вода прогревается в дневное время до 55 °С.

Расчетные зависимости [8; 9; 10; 3] в основном не учитывают влияние окружающей среды на гидравлические характеристики полиэтиленовых трубопроводов.

Поэтому для уточнения гидравлических характеристик ПТ были проведены опыты на экспериментальной установке, с помощью описанной методики [11] исследовалось влияние температуры воды на коэффициент гидравлического трения поливных полиэтиленовых трубопроводов диаметрами 0,012; 0,016; 0,02 м.

В результате обработки опытных данных построены зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса для полиэти-

леновых трубопроводов диаметрами 0,012; 0,016; 0,02 м при повышенных температурах поливной воды (рис. 1, 2).

10000 40000 70000 100000

о при 1=20 С  при 1=55 С а при 1=40 С

при 1=20 С при 1=55 С при 1=40 С

Рисунок 1 o Зависимость коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса для полиэтиленовых трубопроводов диаметром 0,012; 0,016; 0,02 м при различных температурах воды:

1 o 1=20 °С; 2 o 1=40 °С; 3 o 1=55 °С

при 1=55 С о при 1=20 С а при 1=40 С

— при 1=55 С ------при 1=20 С — при 1=40 С

Рисунок 2 о Зависимость Lg 100 X от Lg Яе для полиэтиленовых трубопроводов диаметром 0,012; 0,016; 0,02 м при различных температурах воды: 1 о 1=20 °С; 2 о 1=40 °С; 3 о 1=55 °С

В результате обработки рисунков 1 и 2 были получены обобщенные формулы для определения коэффициента гидравлического трения X полиэтиленовых трубопроводов диаметрами 0,012; 0,016; 0,02 м при числах Рейнольдса Яе=10000-100000 при повышенных температурах поливной воды:

- при температуре 20 °С

0,5

Х= Яе0 297 ,

- при температуре 40 °С

0,427

Х= Яе °'279 ,

- при температуре 55 °С

0,544

Х= Яе 0'305 ,

где Яе — число Рейнольдса.

На рисунке 3 показана зависимость коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса в сравнении с опытными данными авторов [1; 2; 3; 4; 9; 10] и экспериментальными данными, полученными при повышенных температурах поливной воды.

Произведем сравнение полученных результатов по исследованию коэффициентов гидравлического трения в полиэтиленовых трубопроводах с опытными данными [1; 3; 4]. Опытные данные З. Р. Маланчука и А. А. Федорца [3; 4] описываются закономерностью 6 (рис. 3). Расхождения опытных данных [3; 4] от полученных экспериментальных данных представлены на рисунке 3. Кривые 1, 2, 3 проходят выше, их расхождение

составляет 20-40 %, при числах Рейнольдса от 1104 до 1 • 105, при температуре от 20-55 °С.

Опытные данные Е. В. Кузнецова [2; 9] и Ю. А. Скобельцина [9] описываются кривыми 4, 5 (рис. 3) и проходят ниже полученных опытных данных (кривые 1, 2, 3). Максимальное расхождение опытных данных авторов [2; 9] от экспериментальных составляет 20 % и 60 % соответственно.

Рисунок 3 о Зависимость коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса при различных температурах воды в полиэтиленовом трубопроводе диаметрами 0,012; 0,016; 0,02 м и сравнение опытных данных с другими авторами: 1о 1=20 °С; 2 о 1=40 °С; 3 о 1=55 °С; 4 о Формула Скобельцина; 5 о Формула Кузнецова; 6 о Формула Фе-дорца; 7 о Формула Орла и Великанова; 8 о Формула Блазиуса

На графике Х=Г(Яе) (рис. 3) дана кривая 7, полученная И. П. Орлом и Ю. Н. Великановым [1] для полиэтиленовых трубопроводов диаметрами

0,012; 0,016; 0,02 м систем КО, что совпадает с опытными данными (кривая 1) при температуре жидкости 20 °С. Однако с учетом повышенных температур поливной воды (кривые 2, 3, построенные по формулам (2), (3)) имеются расхождения с данными (кривой 7) И. П.Орла и Ю. Н. Великанова [1], максимально расхождения составляют 17 %.

На графике Х=Г(Яе) (рис. 3) представлена кривая 8, полученная в 1913 г. Блазиусом [5] для области гидравлических гладких труб, которая совпадает с экспериментальной кривой 1, построенной при температуре 20 °С. Однако здесь не учитывается влияние высоких температур воды на полиэтиленовые трубопроводы и имеется максимальное расхождение 20 %.

Следовательно, полученные автором формулы (4), (5), (6) можно использовать для уточнения определения коэффициентов гидравлического трения в полиэтиленовых трубопроводах диаметром 0,012; 0,016; 0,02 м при температурах жидкости от 20 °С до 55 °С.

При расчете гидравлического трения в полиэтиленовых трубопроводах в литературе [5; 6; 7; 8] используется формула Блазиуса.

Нами предлагается усовершенствовать формулу Блазиуса с учетом температурного фактора, влияющего на поливные полиэтиленовые трубопроводы диаметрами 0,012; 0,016; 0,020 м.

На рисунке 4 представлен график зависимости 1 =А( £), где 1 - безразмерная величина равная отношению ОП ; здесь 10П - коэффициент

1БЛ

гидравлического трения с учетом изменения температуры жидкости от 20 °С до 55 °С, а 1БЛ - коэффициент гидравлического трения, полученный

Блазиусом. Величина £ — безразмерная, она учитывает отношение температуры жидкости, где £ — температура жидкости от 20 °С до 55 °С, а ?20 -температура жидкости, равная 20 °С.

В результате обработки графика 1 =^ г) на рисунке 4 получена эмпирическая формула для уточнения коэффициента гидравлического трения для полиэтиленового трубопровода диаметром 0,012; 0,016; 0,02 м с учетом изменения температуры жидкости от 20 °С до 55 °С:

_ _ 0.012

1 = 0,992 •

1,01

1

0,99

0,98 Н-------------------------------------------------------------------

0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7

Рисунок 4 о Зависимость безразмерной величины 1 от безразмерной величины г для полиэтиленовых трубопроводов диаметрами 0,012;

0,016; 0,02 м

А  А -  - ’""А А к А

. А / А А А 1 к

А  А 1-я2 = 0,86 1/120

где 1=1оп •

X

БЛ

г

г

20

г

Преобразуя формулу (6), получим выражение для определения X в полиэтиленовых трубопроводах диаметрами 0,012; 0,016; 0,02 м при изменении температуры жидкости от 20 °С до 55 °С:

, 0,3164

1 =---------

Re

А/

Список литературы

1. Орел, И. П. Гидравлический расчет поливных трубопроводов систем капельного орошения / И. П. Орел, Ю. Н. Великанов // Гидротехника и мелиорация. - 1978. -№ 7, С. 52-55.

2. Кузнецов, Е. В. Влияние транзитной скорости на отклонение потока при истечении

через отверстия-водовыпуски / Е. В. Кузнецов // Тр. Кубан. СХИ. - Краснодар, 1980. - Вып. 172. - С. 115-122.

3. Федорец, А. А. Гидравлические исследования поливных трубопроводов систем ка-

пельного орошения. - В кн. : Новое в техн. и технол. полива / А. А. Федорец // Сб. науч. тр. ВНПО "Радуга". - 1978. - Вып. 2. - С. 115-120.

4. Маланчук, З. Р. Экспериментальные зависимости гидравлического расчета полив-

ных трубопроводов. - В кн. : Новое в техн. и технол. полива / З. Р. Маланчук // Сб. науч. тр. ВНПО "Радуга". - 1979. - Вып. 12. - С. 184-189.

5. Ненько, Я. Т. О движении жидкости с переменной вдоль потока массой / Я. Т. Нень-

ко // Тр. Харьковского гидромет. ин-та. - Харьков, 1938. - С. 3-50.

6. Петров, Г. А. Гидравлика переменной массы / Г. А. Петров. - Харьков : Изд. Харьк.

ун-та, 1964. - 223 с.

7. Novotny, M. Techologia a hydraulika pomalej podpovrchovej zavlahy pre trvale plodiny /

M. Novotny, A. Klopcek // Vyskumneho ustavu zavlahoveho hospodarstwa. - Bra-tislave, 1981. - № 15. - С. 145-161.

8. Черноморцева, В. Н. Гидравлический расчет поливного трубопровода, оборудован-

ного капельницами / В.Н. Черноморцева // Докл. ВАСХНИЛ. - 1983. - № 2. - С. 40-41.

9. Кузнецов, Е. В. Расходные характеристики капельниц-водовыпусков / Е. В. Кузне-

цов, Ю. А. Скобельцын // Тр. Кубан. СХИ. - Краснодар, 1982. - Вып. 198. - С. 73-79.

10. Федорец, А. А.Определение коэффициента гидравлического трения полиэтиленовых трубопроводов, применяемых для капельного орошения / А. А. Федорец, С. М. .Мороз, Л. А. Конюхов. - В кн. : Гидромелиорация и гидротехническое строительство. - Львов, 1979. - Вып. 7. - С. 63-67.

11. Шугай, П. Ю. Гидротехнические мелиорации и повышение эффективности технических средств при орошении в Краснодарском крае. Лабораторная установка для исследования гидравлических характеристик трубопроводов и водовыпусков / П. Ю. Шугай // Материалы научной конференции. - Краснодар : КубГАУ, 2003. - С. 38-39.