Проектування технологічної лінії водопостачання

Та напування (2 год.)

Мета роботи: Засвоїти методику проектування технологічної лінії водопостачання та напування тварин чи птиці на тваринницькому підприємстві

1 Загальні відомості

Воду в тваринництві використовують для напування тварини та птиці, догляду за ними, приготування кормів, підтримання чистоти в приміщеннях, миття посуду, опалення, протипожежних потреб тощо. Основний споживач води на тваринницьких підприємствах – тварини та птиця, тому якість води регламентують за законом України «Про Загально державну програму «Питна вода України» на 2006 - 2020 роки» № 2455 – ІV від 03.03.2005 р. або ж ГОСТ 2874 – 73 «Вода питьевая».

Згідно цих документів якість води регламентують:

- у фізичному відношенні вона повинна бути чистою, прозорою, без кольору та запаху, мати гарний смак і температуру 7…12 °С;

- у хімічному відношенні вода повинна мати допустиму кількість мінеральних солей та органічних речовин, задовольняти за жорсткістю та кислотністю;

- у біологічному відношення воду характеризують кількістю шкідливих мікроорганізмів.

Якість води і її придатність до використання визначають аналізом у спеціальних лабораторіях. Висновок про її придатність дають органи санітарної інспекції, в разі її невідповідності вони ж назначають спосіб її обробки.

Система водопостачання і напування тваринницького підприємства – це технологічна лінія, яка зв’язує в певній послідовності об’єкти, призначені для добування, перекачки, покращення якості, і транспортування води до пунктів споживання. В загальному випадку включає в себе джерело води, водозабірну споруду, насосну станцію, очисні і водонапірні споруди, зовнішні і внутрішні водопровідні мережі, споживача (автонапувалки, водозабірні крани тощо).

Проектування технологічної лінії водопостачання та напування зводиться до:

- розрахунку витрати води тваринницьким підприємством;

- визначення параметрів водопровідної мережі (діаметри трубопроводу, гідравлічна характеристика);

- за цими даними вибрати необхідне водопідіймальне та водонапірне обладнання, а також типи засобів напування і їх кількість.

Вихідні даними до проектування є: вид тварин (птиці); спосіб їх утримання; m_i - поголів'я тварин (птиці) і – ї вікової та фізіологічної групи відповідно до структури стада на підприємстві, гол.; g_і – середньодобова норма споживання води твариною (птицею) і – ї вікової та фізіологічної групи л/гол.; джерело води і його характеристика; генеральний план ферми (розд.7); розрахункова схема системи водопостачання об’єктів ферми (рисунок 1); план приміщень, які підлягають забезпеченню водою тощо.

 

2 Витрати води тваринницьким підприємством

 

На основі середньодобових норм споживання g_і і кількості споживачів m_i на фермі визначають добову потребу води:

 

(1)

 

де п – кількість і-х груп споживачів з однаковими нормами водоспоживання.

Споживання води на фермі розподіляється дуже нерівномірно як протягом року, так і протягом доби. З урахуванням цього максимальна добова потреба води Q_{доб.мах} для ферми становить:

 

(2)

 

а величина максимального споживання води за годину:

 

(3)

 

де α_д, α_г – коефіцієнти нерівномірності добового та годин­ного

споживання води, відповідно α_д = 1,3; α_г = 2-2,5.

3 Розрахунок водопровідної мережі

 

Основними параметрами водопровідної мережі є величина діаметру трубопроводів d _тр на різних її ділянках та гідравлічна характеристика мережі, основним показником якої є повний тиск Ну системі водопостачання.

 

3.1 Розрахунок діаметрів трубопроводів

Для зручності виконання розрахунків водопровідну ме­режу на плані ділять на окремі ділянки відповідно до пунктів розбирання води (рис. 1). Початкові і кінцеві точки (вузли) ділянок позначають номерами, встановлюють їх довжину.

Розрахунок водопровідної мережі починають з найвіддаленіших від насоса та водонапірної споруди ділянок і вузлів. За необхідною секундною подачею води на і-й ділянці водопроводу

 

л/с, (4)

 

визначають діаметр труб на цій ділянці

 

мм, (5)

 

де Q_ci – розрахункова подача води на даній і-й ділянці, л/с;

v – швидкість води в мережі з таблиці 1 (для зовнішньої мережі з

діаметром труб до 300 мм приймають v = 0,4-1,25м/с, для

внутрішніх трубопроводів v = 1-1,75 м/с).

За розрахованими значеннями діаметрів трубопроводу на різних ділянках мережі приймаємо до встановлення найближчі більші стандартні діаметри труб (таблиця 1).

Слід зауважити, що з на­ближенням до водонапірної споруди та насоса зростає транзитна подача води на ділянці до наступних об'єктів водоспоживання, що спричи­няє відповідне збільшення діа­метра трубопроводу.

Орієнтовні (без розрахунків) діаметри водо­провідних мереж за розрахун­ковою подачею води можна приймати, користуючись таб­л. 1.

 

Таблиця 1

Рекомендовані діаметри труб та швидкість води

 

Подача води Qci, л/с	0,75…1	1,5…2	2…4	4…8	8…12	12…20	20…30
Діаметри труб dтр, мм
Швидкість руху води v, м/с	0,3…0,4	0,4…0,5	0,5…0,6	0,6…0,7	0,7…0,8	0,8…1,0	1,0…1,2

 

 

 

Рис. 1. Розрахункова схема ту­пикової системи водопостачання (Б – водонапірна споруда; Н – насосна станція)

 

3.2 Повний тиск у системі водопостачання

 

Для вибору водопідіймального обладнання, а також во­донапірної споруди велике значення має гідравлічна харак­теристика мережі, з якою функціонують наведені елементи системи водопостачання. Однією з основних характеристик є повний тиск у системі водопостачання. Його величина складається з геометричної висоти підйому води та сумарних втрат тиску на подолання опору у всмоктувальному і нагнітальному тру­бопроводах:

 

(6)

 

де Н_г – відстань по вертикалі від місця забирання (нижній рівень води в

джерелі) до верхнього рівня води у башті, м вод. ст.

(геометричний напір, кПа);

h – сумарні втрати напору, м вод. ст. (кПа).

Геометрична висота подачі при незмінних рівнях засмок­тування та нагнітання води залишається постійною і не залежить від продуктивності насоса. Відповідно до рис. 2. вона становить:

 

(7)

 

де Н_вс – висота всмоктування, м вод. ст. (кПа);

Н_наг– висота нагнітання, м вод. ст, (кПа).

Втрати тиску h – це сума втрат на подолання тертя вздовж трубопроводу h_т та місцевих опорів h_м:

 

(8)

 

Втрати напору на подолання тертя в трубопроводі круг­лого перерізу залежать від діаметру і довжини L, а також від швидкості руху v води в ньому:

(9)

де λ – коефіцієнт гідравлічного опору. Для чавунних та стальних

труб λ = 0,02, для азбестоцементних λ = 0,025;

g– прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с².

 

 

Рис. 2. Схема визначення розрахункового напору насоса

 

Втрати напору в місцевих опорах для трубопроводів знач­ної протяжності можна не розраховувати. Достатньо збільшити втрати напору на подолання тертя в трубопроводі на 3 - 5 % для зовнішніх та на 5 - 10 % для внутрішніх водопровідних мереж.

При розрахунку коротких трубопроводів (наприклад, всмок­тувальна лінія насоса) необхідно визначити втрати в місцевих опорах відповідно до конкретної монтажної схеми водопро­відної мережі. При цьому:

 

(10)

 

де ∑ε – сума коефіцієнтів місцевих опорів (таблиця 2).

3 Вибір водопідіймального обладнання

Таке завдання вирішують у випадку самостійного забору води з джерел водопостачання, при заборі води з магістрального водопроводу водопідіймального обладнання не вибирають.

При виборі водопідіймального обладнання (за звичай – насоси) вра­ховують фактори, що характеризують особливості експлуа­тації систем водопостачання сільськогосподарського призна­чення: вид (поверхневе, підземне), глибину залягання і дебіт джерела води, тип та розміри водозабірних пристроїв, можливості енергозабез­печення та автоматизації,

 

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів місцевих опорів

 

Вид місцевого опору	Коефіцієнт ε
Засувка повністю відкрита	0,1
Засувка напіввідкрита	2,0
Вентиль	3…5
Кран	5..7
Трійник	1,5
Різкий поворот труби під кутом, близьким до 90	1,25…1,5
Плавний закруглений поворот (коліно) на 90	0,5
Вихід труби в місткість великого розміру	1,0
Зворотний клапан	5…10
Приймальний клапан	1…3

 

якість води і характер водоспо­живання. Основне завдання вибору насоса – це забезпе­чення у системі водопостачання необхідних подачі води та тиску. При значних об'ємах подачі води досить важливим є коефіцієнт корисної дії (ККД) насоса, оскільки від цього залежать експлуатаційні витрати. Для установок низької продук­тивності з невеликими витратами енергії ККД менш суттєвий.

Для подачі води з поверхневих джерел, проміжних ре­зервуарів, а також шахтних колодязів чи бурових свердловин при динамічному рівні води в них не глибше 6 м від поверхні землі застосовують відцентрові насоси звичайного виконання (з горизонтальним положенням вала). У тих ви­падках, коли вода в джерелі не містить абразивних домішок, витрати її відносно невеликі, а за умови експлуатації воду потрібно подавати на значну висоту, використовуючи вихрові насоси.

Для подачі води з глибини 10 м і більше застосовують водопідіймальні установки, які опускають у колодязь або свердловину: - заглибні відцентрові, водоструминні, гвинтові, повітряні ерліфти. Три останні варіанти використовують для подачі води, в складі якої є значна кількість (понад 0,01 % за масою) абразивних домішок.

Необхідну продуктивність водопідіймального обладнання визначають за максимальними витратами води на фермі:

 

(11)

 

де Т_н – тривалість роботи насоса протягом доби. Рекоменду­ють

приймати не більше Т_н = 14-16 год.

Відповідно до визначеної продуктивності, розрахункового напору (6) та характеристики джерела за технічними даними вибирають необхідний насос.

У разі необхідності збільшення подачі води або при знач­них змінах її залежно від графіка водоспоживання можна встановлювати кілька насосів, які працюють паралельно на одну мережу. При цьому враховують, що кількість насосів не призводить до пропорційного підвищення продуктивності. Це пояснюється тим, що із збільшенням подачі води втрати тиску на подолання опору також зростають і тому продуктивність сумісно працюючого насоса дещо знижується порівняно з його автономною ро­ботою із тією ж водопровідною мережею.

Якщо можливості насоса щодо створюваного ним напору недостатні для конкретних умов експлуатації, у водопровідну мережу послідовно включають кілька насосів. Для цього нагнітальний патрубок одного насоса з'єднують із всмокту­вальним патрубком наступного. У цьому разі загальний напір складається із суми напорів кожного з послідовно працюючих насосів.

Розрахункову потужність N_пр, споживану приводом водя­ного насоса, визначають за формулою:

 

(12)

 

де H – повний тиск, який потрібно створити у водопровідній

системі, кПа;

η_н – коефіцієнт корисної дії насоса;

η_т – коефіцієнт корисної дії трансмісії.

Потужність електродвигуна приймають з урахуван­ням коефіцієнта запасу. Коефіцієнт запасу беруть залежно від потужності двигуна: до 0,7 кВт – k_з = 2; 0,7-1,5 – k_з = 1,5; 1,5-3,5 k_з = 1,2; 3,5-35 – k_з = 1,15; понад 35 – k_з = 1,1.

 

4 Розрахунок і вибір водонапірної споруди

Споживання води на фермі протягом доби відбувається нерівномірно: то помітно зростає, то значно зменшується. Для узгодження роботи насосних станцій із нерівномірним режимом витрат води в системі водопостачання передбачені спеціальні водонапірні споруди. Вони створюють необхідний запас води і цим підтримують сталий режим роботи водо­розбірних пристроїв у період зупинки насоса, при усуненні аварій, гасінні пожежі тощо. Залежно від розміру тваринницького підприємства застосовують: суцільноме­талеві збірно-блокові водонапірні башти – для малих і більше ферм; безбаштові система водопостачання з пневматичними автоматизованими насосними установками.

Суцільноме­талеві збірно-блокові башти відзначаються простотою конструкції та експлуатації, надійні в роботі. Загальну місткість резервуара водонапірної башти V розраховують за формулою:

 

(13)

 

де V_р – робочий або регулювальний об'єм резервуара, м³;

V_а – об'єм аварійного запасу води, м³;

V_п –протипожежний об'єм резервуара, м³.

Регулювальна місткість бака залежить від величини мак­симальної добової потреби води, характеру її витрачання в різні години доби та режиму роботи насосної станції. Виз­начити її можна наступними способами:

1) складанням таблиці витрат води і подачі її насосами;

2) розробкою суміщеного добового графіку споживання води та подачі її насосами;

3) побудовою інтегральних кривих витрат і подачі води;

4) наближено розрахунковим шляхом залежно від середньо­добової потреби води за виразом:

 

. (14)

 

Найбільше поширення мають третій та четвертий сособи визначення.

Застосування інтегрального методу дозволяє встановити оптимальний час роботи насосної станції, який суттєво впли­ває на зменшення регулювального об'єму бака і вартості водонапірної споруди.

На інтегральному графіку (рис. 3) наведено сумарне споживання води від початку доби до кожної наступної її години, а також інтегральні

криві подачі води насосною станцією. Аналізуючи різні варіанти початку включення і тривалості роботи насоса протягом доби, вибирають найкра­щий з них. Так, відповідно до графіка споживання води при 16-годинній тривалості роботи на­сосної станції мінімальна міст­кість V_р буде при початку роботи станції – о 7-7.30 год. і становитиме:

 

(15)

 

де V_Рп, V_Рк – регулювальні запаси, що забезпечують споживання води

відповідно від початку доби до включення насосної станції,

а також після зупинки її до кінця доби, м³.

 

Рис. 3. Інтегральний графік вико­ристання (1) і варіанти подавання води в резервуар при роботі насос­ної станції протягом 16 (2) та 12 (3) год. на добу

 

У варіантах початку роботи насосної станції о 6; 5 або 4 год. цей запас повинен бути відповідно 0,23; 0,26 та 0,27 від добової витрати води.

Щоб забезпечити запас води, який виключив би мож­ливість повного спорожнення резервуара бака у пікові го­дини, вибрану регулювальну місткість необхідно збільшити на 2-3 %.

 

При автоматизованому керуванні роботою насосної станції за дотримання умови, що продуктивність насоса перевищує максимальне споживання води протягом години (Q_н > Q_{год.мах}), регулювальну місткість бака визначають за виразом:

 

(16)

де z – частота включень насоса протягом години.

У цьому разі шляхом збільшення частоти включень на­соса можна суттєво зменшити регулювальний об'єм води, за рахунок чого при тій самій загальній місткості водо­напірної споруди зростає запас води. Максимальна частота включень насосної станції становить:

 

(17)

 

і з економічних міркувань вона не повинна бути більшою за 2-3 рази.

Аварійний запас води приймають з розрахунку ви­мушеної зупинки насосної станції для усунення можливих неполадок протягом двох годин:

 

(18)

 

Для зберігання протипожежного запасу води потрібно мати досить значні місткості резервуарів, тому в сільському господарстві для цього часто використовують природні або штучні водойми, а також підземні чи наземні безнапірні резервуари, з яких воду забирають пожежними насосами. А у водонапірній башті рекомендують мати протипожеж­ний запас води V_пож ≤ 6 м³ з розрахунку на 10 хв. гасіння пожежі при витраті води 10 л/с.

Виходячи з наведених нами міркувань загальна місткість резервуару водонапірної башти з формули (13) набере вигляду

 

V = (0,15 – 0,3)Q_доб +2Q_год.max + 6, м³. (19)

 

Розрахунковий загальний об'єм резервуара водонапірної споруди округлюють до найближчого за стандартом (15, 25, 50 м³) і вибирають необхідну марку башти (БР – 15; БР –25; БР – 50).

Зауважимо, що у разі постачання тваринницького підприємства водою з магістрального водопроводу у баку водонапірної башти можна не мати регулювального запасу води, оскільки відсутня насосна станція.

Висота водонапірної башти повинна бути такою, щоб забезпечити подачу води до найвіддаленішого від неї і най­вище розміщеного пункту споживання води, який називають диктуючою точкою. До того ж, у цій точці потрібно під­тримувати достатній вільний напір. Відповідно до діючих норм і правил (СНіП) мінімальний вільний напір при од­ноповерховій забудові приміщень приймають рівним 10 м, двоповерховій – 12, при багатоповерховій на кожний поверх додають по 4 м. Тоді необхідна висота водонапірної башти становитиме:

 

(20)

 

де H_в – вільний напір найвіддаленішого і найвище розта­шованого

споживача, м;

h– загальні втрати тиску в тру­бопроводі на ділянці від башти до

диктуючої точки, м;

h_д – h_б – різниця геодезичних позначок землі у місці розмі­щення

диктуючої точки та башти, м.

Безбаштова система водопостачання з пневматичними автоматизованими насосними установками має недолік, пов'я­заний з практичною відсутністю аварійного запасу води. Необхідний регулювальний об'єм води у повітряно-водяній місткості (котлі) розраховують за формулою (16). При цьому допустима частота включень насосної станції може бути збільшена до 8-12 за годину.

Повний вміст гідропневматичного бака автоматичної безбаштової водокачки обчислюють за формулою:

 

(21)

 

де β – коефіцієнт запасу місткості бака, β = 1,1-1,3;

μ – відношення абсолютних значень мінімального тиску до мак-­

симального. Для систем з повним напором до 75 м μ = 0,75, при

напорі понад 75 м μ = 0,6.

Максимальний тиск у гідропневматичному баці, при якому вимикається насос, дорівнює:

 

(22)

 

де Р_к – тиск у котлі, при якому вмикається насосна станція.

За об'ємом гідропневматичного бака і необхідним мак­симальним тиском у ньому вибирають марку автоматичної безбаштової водокачки.

 

5 Напування тварин та птиці

Поряд із годівлею, напування є найважливішим біотехнологічним процесом, в якому тварини чи птиця безпосередньо контактують із засобами забезпечення їх водою. Робочі органи цих засобів повинні якнайкраще відповідати фізіологічним особливостям споживачів води.

Із технологічного обладнання, призначеного для ліній напування тварин та птиці, різноманітністю відзначаються напувалки. Серед них найефективнішими в технологічному відношенні є автонапувалки, тобто спеціальні автоматичні пристрої, за допомогою яких тварини та птиця можуть са­мостійно, без участі людини, споживати воду з водопровідної мережі протягом доби і в потрібній кількості.

Автоматизація напування, наприклад на фермах великої рогатої худоби, сприяє збільшенню на 10-15 % надоїв мо­лока, значно скорочує затрати праці на обслуговування тва­рин, поліпшує умови їх утримання тощо. Таким чином, автоматизація напування впливає на продуктивність та стан здоров'я й інших видів тварин, а також птиці.

Вибір засобів напування зумовлюється видом та віком тварин чи птиці, а також способом їх утримання. Інди­відуальні напувалки використовують при фіксованому утри­манні (наприклад, прив'язне, станкове, кліткове) водоспоживачів, а групові засоби – при безприв’язному та вигульному. На вигульних майданчиках рекомендують застосовувати засоби, оснащені електропідігрівником, який забезпечує функціонування на­пувалки в холодну пору року.

Необхідну кількість напувалок для ферми в цілому або в окремому приміщеннірозраховують за від­ношенням:

 

(23)

 

де т_і – кількість тварин даної групи, голів;

т_1і – кількість голів, що обслуговується однією напувалкою.

Зміст звіту

Розробити проект технологічної лінії водопостачання та напування для птахівничого підприємства згідно індивідуального завдання (увага! індивідуальне завдання з практичної роботи № 4).

Індивідуальне завдання

до практичної роботи № 8. Вид птиці – кури

 

№	Напрямок спеціалізації підприємства	Валова продукція за рік	Спосіб утримання
	Батьківське стадо курей-несучок	250тис. рем.молодняку	Клітковий
	М’ясне виробництво	1500 т м’яса	Підлоговий, глиб. підстил.
	М’ясне з закінченим циклом	2000 т м’яса	Підлоговий сітчастий
	Промислове	40 млн. яєць	Клітковий
	Промислове з закінченим циклом	60 млн. яєць	Клітковий
	Батьківське стадо бройлерів	10 млн.. курчат	Клітковий
	М’ясне виробництво	15000 т м’яса	Підлоговий, глиб. підстил.
	М’ясне з закінченим циклом	4000 т м’яса	Підлоговий сітчатий
	Промислове	20 млн. яєць	Клітковий
	Промислове з закінченим циклом	25 млн. яєць	Клітковий
	Батьківське стадо курей-несучок	100 тис. рем.молодняку	Клітковий
	М’ясне виробництво	4500 т м’яса	Підлоговий, глиб. підстил.
	М’ясне з закінченим циклом	3000 т м’яса	Підлоговий сітчатий
	Промислове	50 млн. яєць	Клітковий
	Промислове з закінченим циклом	30 млн. яєць	Клітковий
	Батьківське стадо бройлерів	10 млн.. курчат	Клітковий
	М’ясне виробництво	9000 т м’яса	Підлоговий, глиб. підстил.
	М’ясне з закінченим циклом	1000 т м’яса	Підлоговий сітчатий
	Промислове	30 млн.яєць	Клітковий
	Промислове з закінченим циклом	45 млн.яєць	Клітковий
	Батьківське стадо курей-несучок	200 тис. рем.молодняку	Самостійно
	М’ясне виробництво	15 т м’яса	Самостійно
	М’ясне з закінченим циклом	10 т м’яса	Самостійно
	Промислове	175 тис. яєць	Самостійно
	Промислове з закінченим циклом	216 тис. яєць	Самостійно
	Батьківське стадо бройлерів	20 тис.. курчат	Клітковий
	М’ясне виробництво	12000 т м’яса	Підлоговий, глиб. підстил.
	М’ясне з закінченим циклом	8000 т м’яса	Підлоговий сітчатий
	Промислове	75 млн. яєць	Клітковий
	Промислове з закінченим циклом	65 млн. яєць	Клітковий

 

 

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 9