Проект комплексной механизации водоснабжения свиноводческого комплекса

ВЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Биологический факультет

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ТЕМА: Проект комплексной механизации водоснабжения свиноводческого комплекса

г. Киров 2007

Обоснование темы

Вода, являясь главным источником жизни, играет большую роль в сельском хозяйстве и, в частности, в животноводстве. Потребности животноводства в воде в десятки раз превышают потребности населения.

Механизация водоснабжения сокращает затраты труда, способствует повышению продуктивности и созданию необходимых санитарно-гигиенических условий в животноводческих помещениях и соблюдению правил пожарной безопасности.

Для животноводческих предприятий требуется значительное количество доброкачественной воды: на поение скота, для приготовления кормов, очистки емкостей, оборудования и помещений и на другие цели. Животноводческие предприятия и населенные пункты, как правило, стремятся снабжать водой из одного источника. В соответствии с этим качество воды должно удовлетворять всем требованиям, которые предъявляются к воде, предназначенной для хозяйственно-питьевых нужд. Качество воды оценивают по ее физическим свойствам, а также по химическому и бактериологическому составу. Оно должно отвечать требованиям ГОСТ "Вода питьевая". Она должна быть чистой, прозрачной, иметь приятный вкус, температуру 280…285К, оптимальный химический состав примесей, не содержать патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов. Общее число бактерий в 1 мл неразбавленной воды допускается не более 100, а бактерий группы кишечной палочки в 1 л - не более 3. Кроме того, вода не должна содержать извести, магния, железистых соединений и органических веществ. Если вода жесткая, то на стенках труб водогрейных установок образуются отложения, которые уменьшают пропускную способность труб и их теплопередачу. Для смягчения воду пропускают через фильтр, хорошо поглощающий кальций и магний, или нагревают до 70…80⁰С, в результате чего кальций и магний выпадают в осадок. Для обеззараживания воды в нее добавляют чистый хлор или хлорную известь. Воду обрабатывают хлором в специальных аппаратах-хлораторах.

Заключение о пригодности воды дают органы санитарной инспекции. Если содержание вредных примесей и бактерий превышает допустимые нормы, воду подвергают обработке.

Обзор и анализ существующих способов и схем водоснабжения

При организации водоснабжения важно правильно выбрать источник воды.

Источниками водоснабжения могут служить поверхностные (открытые) и подземные (закрытые) водоемы.

Использование открытых водоемов допускается как исключение. Их делят на естественные (реки, озера, ручьи) и искусственные (пруды, каналы и др.). Поверхностные источники более доступны для водоснабжения. Однако вода этих источников часто требует очистки или обеззараживания, что значительно увеличивает ее стоимость. Особенно загрязнена вода у берегов. Поэтому место забора воды должно быть удалено от берега и по возможности расположено на большой глубине.

Как источники водоснабжения подземные воды имеют большое распространение. Как правило, они лучше поверхностных вод по качеству и широко распространены по территории нашей страны. Подземные (закрытые) источники могут быть двух видов: грунтовые и межпластовые. Воды, залегающие на глубине 40...50 м от поверхности земли (над первым водонепроницаемым слоем), называют грунтовыми. К грунтовым водам относят также подземные воды, залегающие на небольшой глубине (3...5 м от поверхности земли), которые часто называют "верховодками". Эти воды могут загрязняться просачивающимися с поверхности нечистотами. Воды, залегающие между двумя водонепроницаемыми слоями (пластами), называются межпластовыми. Межпластовые воды разделяют на безнапорные и напорные (артезианские). Напорные (артезианские) воды заполняют всю толщу водоносной породы и под давлением поднимаются в колодцах на большую высоту, а иногда и фонтанируют. Безнапорные воды залегают между двумя водонепроницаемыми слоями (пластами) породы, не полностью заполняют слой и имеют свободную поверхность.

Межпластовые воды (напорные и безнапорные) хорошо защищены от поверхностного загрязнения и обладают высокими вкусовыми качествами. Запасы межпластовых вод велики; температура их в течение года изменяется незначительно. Эти источники считаются наилучшими для водоснабжения в сельском хозяйстве.

Для забора воды из источников используют устройства, называемые водозаборными сооружениями. Для поверхностных источников воды применяют русловые и береговые водозаборные сооружения (рис.1а и 1б).

Русловые водозаборы применяют в тех случаях, когда воду берут из средней части реки, имеющей пологие берега и небольшую глубину. Береговые водозаборы применяют при достаточной глубине у берега реки и устойчивом грунте.

Рисунок 1а - Схема руслового водозабора

1 - водоприемник; 2 - самотечная линия; 3 - береговой колодец; 4 - насосная станция; z_k - отметка воды в приемном отделении; h - гидравлические потери в тракте самотечных линий при минимальном уровне воды.

Рисунок 1б - Схема берегового водозабора с насосной станцией первого подъема

1 - входные окна; 2 - береговой колодец; 3 - служебный павильон; 4 - всасывающие трубы; 5 - галерея; 6 - насосы; 7 - насосная станция первого подъема; 8 - перегородка берегового колодца; 9 - сетка; А - приемное отделение; Б - всасывающее отделение.

Для забора воды из подземных источников применяют шахтные и трубчатые колодцы.

Шахтные колодцы обычно сооружают при залегании подземных вод на глубине не более 40 м. Такой колодец (рисунок 2) представляет собой вертикальную выработку в грунте, врезающуюся в водоносный пласт, и состоит из шахты 4, водоприемной части 5 и оголовка 2. Шахту делают квадратного сечения со стороной 1…3 м или круглой диаметром 1…3 м. Для крепления стен шахты применяют дерево, камень, бетон, железобетон, кирпич. Для вентиляции колодца служит труба 1. Дебит шахтных колодцев часто определяют способом откачки.

Рисунок 2 - Схема шахтного колодца.

1 - вентиляционная труба; 2 - оголовок; 3 - глиняный замок; 4 - шахта; 5 - водоприемная часть; 6 - донный фильтр.

Трубчатые колодцы применяют для забора подземных вод, залегающих на глубине до 150 м, а иногда и глубже. Такой колодец представляет собой глубокую пробуренную скважину диаметром до 350 мм. Стенки скважины закрепляют обсадными трубами, которые предохраняют колодец от обвала и перекрывают водоносные слои, расположенные выше эксплуатируемого водоносного горизонта. Внутри колонны труб размещают водоподъемное оборудование.

Трубчатый колодец (рисунок 3) включает в себя водоприемную часть, ствол и оголовок. Водоприемную часть (фильтр) заглубляют в водоносный пласт. Она состоит из надфильтровой трубы 4, фильтрующей части 5 и отстойника 6. Труба 4 соединяет фильтр с нижней обсадной трубой 2. Место соединения уплотняют сальником 3.

Трубчатые колодцы оборудуют щелевыми, сетчатыми, гравийными или блочными фильтрами. Тип фильтра выбирают в зависимости от гранулометрического состава водоносных пород. В устойчивых каменных породах с трещинами устраивают бесфильтровые трубчатые колодцы, в которых вода из водоносного слоя поступает непосредственно в нижнюю часть ствола колодца.

Рисунок 3 - Схема трубчатого колодца.

1 - кондуктор; 2 - обсадные трубы; 3 - сальники; 4 - надфильтровая труба; 5 - фильтрующая часть; 6 - отстойник фильтра.

Насосные станции предназначены для подъема воды из водозаборного сооружения, передачи ее напорным устройствам и через них - потребителям. Насосные станции разделяются на станции первого и второго подъема. Станции первого подъема применяют в тех случаях, когда воду источника необходимо очистить.

Основные рабочие органы насосных станций - насосы и водоподъемники.

Насосами называют гидравлические машины, предназначенные для подъема, нагнетания и перемещения жидкости.

По принципу действия насосы подразделяют на следующие основные группы:

лопастные (центробежные, диагональные и осевые), в которых жидкость перемещается под действием вращающегося рабочего колеса, снабженного лопастями;

объемные (насосы вытеснения), к которым относят поршневые и роторные (винтовые, шестеренчатые, шиберные и др.);

струйные (эжекторы), в которых для подачи жидкости используется энергия другого потока жидкости.

Водоподъемники применяют следующих типов:

воздушные (эрлифты и пневматические насосы замещения), в которых для подъема воды используется сжатый воздух;

гидроударные (гидравлические тараны), в которых вода нагнетается давлением, появляющимся при гидравлическом ударе;

ленточные и шнуровые, основанные на смачивании водой непрерывно движущейся ленты (шнура).

В сельскохозяйственном водоснабжении широкое распространение получили центробежные насосы. Они просты по конструкции, надежны и удобны в эксплуатации. Центробежные насосы применяют для подачи воды из открытых источников, шахтных и трубчатых колодцев. Центробежный насос (рисунок 4) состоит из всасывающего 4 и напорного 1 патрубков и лопастного рабочего колеса 2, жестко насаженного на вал, который вращается в спиралеобразном корпусе 3. При вращении рабочего колеса вода, увлекаясь лопастями, начинает вращаться вместе с колесом и под действием центробежной силы отбрасывается от центра колеса к периферии и далее через напорный патрубок в трубопровод водопроводной сети.

Рисунок 4 - Центробежный насос.

1 - напорный патрубок; 2 - рабочее колесо; 3 - корпус; 4 - всасывающий патрубок.

Более совершенны комбинированные центробежно-вихревые насосы. Они состоят из двух рабочих колес, одно из которых такое же, как и у центробежного насоса, другое - вихревое. Колеса соединяют последовательно в одном корпусе. Центробежно-вихревые насосы - самовсасывающие, коэффициент полезного действия их выше, чем вихревых насосов. Они широко применяются на автоматизированных насосных станциях для подъема воды из открытых источников и шахтных колодцев.

Осевые (пропеллерные) насосы предназначены для подачи больших расходов при сравнительно низких напорах. Рабочее колесо имеет 2...3 лопастей (чаще 4 лопасти). Жидкость в насосе движется в осевом направлении и при сходе с лопаток приобретает вращательное движение. Выравнивание потока жидкости обеспечивается направляющим аппаратом. Лопасти могут поворачиваться относительно оси, что изменяет угол атаки.

Объемные насосы преобразуют энергию двигателя в энергию перемещаемой воды при помощи вытеснительного устройства - поршня, плунжера, винта, воздуха, зубьев шестерен и так далее, то есть принцип их действия основан на периодическом изменении объема рабочей камеры. В зависимости от вида основного рабочего органа объемные насосы называют поршневыми, плунжерными, винтовыми, диафрагменными, шестеренчатыми и так далее. Основное их назначение - подача воды из шахтных колодцев и буровых скважин.

Водоструйные установки используют для забора воды из трубчатых и шахтных колодцев. Схема водоструйной установки приведена на рисунке 5, центробежный насос 5 подает часть воды (рабочую воду) по напорной трубе 3 к соплу 9 водоструйного насоса 2. Из него с большой скоростью она попадает в смесительную камеру 8, в которой создается разрежение и вода из источника подсасывается и перемешивается с рабочей водой. Далее смешанный поток проходит через диффузор 7, где давление увеличивается (за счет уменьшения скорости потока) до величины, необходимой для подъема воды по трубе 4 на уровень, с которого может работать центробежный насос.

Совместная работа водоструйного и центробежного насосов позволяет поднимать воду из глубоких колодцев при размещении центробежного насоса на поверхности земли. Конец всасывающей трубы устанавливают ниже динамического уровня воды в колодце. Центробежный насос подбирают с такой подачей, чтобы он обеспечивал водой потребителя и питание водоструйного насоса. Водоструйные установки просты по устройству и надежны в эксплуатации, однако их коэффициент полезного действия не превышает 30…32%.

Рисунок 5 - Водоструйная установка (слева) и водоструйный насос.

1 - всасывающая труба; 2 - водоструйный насос; 3 - напорная труба; 4 - подъемная труба; 5 - центробежный насос; 6 - бак; 7 - диффузор; 8 - смесительная камера диффузора; 9 - коническая насадка (сопло); 10 - всасывающий патрубок насоса.

Воздушный водоподъемник (эрлифт) представляет собой опущенную в скважину 3 (рисунок 6) водоподъемную трубу 2, в которую с помощью форсунки 1 по трубе 6 подается сжатый воздух от компрессора. Образовавшаяся в трубе 2 воловоздушная смесь (эмульсия) поднимается к приемному баку 5 с водоотделителем 4, где воздух отделяется и уходит в атмосферу, а вода сливается по трубе в сборный резервуар, из которого насосами подается в сеть или водонапорную башню.

Относительная простота устройства, надежность в работе (так как нет движущихся деталей в скважине), возможность подъема воды из наклонных, а также глубоких скважин малого диаметра, содержащих воду с песком, - эти преимущества эрлифтов определили их применение для целей пастбищного водоснабжения из трубчатых колодцев диаметром 100...150 мм и глубиной 55...90 м.

Необходимость большого заглубления водоподъемной трубы под динамический уровень, а также низкий КПД (0,2...0,25) - основные недостатки эрлифтов.

Рисунок 6 - Схема воздушного водоподъемника (эрлифта).

1 - форсунка; 2 - водоподъемная труба; 3 - обсадная труба; 4 - водоотделитель; 5 - приемный бак; 6 - воздушная труба.

Ленточные (шнуровые) водоподъемники (рисунок 7) используют для сельскохозяйственного водоснабжения при подъеме воды из шахтных колодцев на пастбищах. Эти установки имеют привод от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и ветродвигателей. Действие водоподъемников основано на смачивании ленты или шнура (32 x 12 мм) из эластичного материала. Лента (шнур) охватывает ведущий и ведомый шкивы и опущена в колодец с водой. При работе вода захватывается ведущей ветвью, движущейся со скоростью 2,5...5 м/с, поднимается на поверхность, где под действием центробежных сил отрывается от ленты (шнура) и отбрасывается в накопитель. Высота подъема воды 30…50 м, подача 4...5 м³/ч; КПД 0,25...0,6, мощность привода 3...4 кВт. Водоподъемники просты по конструкции и надежны в работе. Могут быть использованы также для подъема воды из дренажных колодцев.

Рисунок 7 - Схема ленточного водоподъемника.

1 - рама; 2 - крыша; 3 - ведущий шкив; 4 - ремень; 5 - двигатель; 6 - лента; 7 - натяжной шкив; 8 - груз.

Для подачи воды на производственные и хозяйственно-питьевые нужды животноводческие хозяйства должны быть оборудованы водопроводной сетью. Различают внешнюю и внутреннюю водопроводную сеть.

Внешняя водопроводная сеть - это та часть распределительной сети, которая расположена на территории комплекса или фермы за пределами помещений. Она может быть разветвленной или кольцевой.

Разветвленная, или тупиковая сеть (рисунок 8а), состоит из отдельных линий. Вода из водонапорной башни проходит по главной магистрали с ответвлениями, которые заканчиваются тупиками. Таким образом, вода поступает к потребителю только с одной стороны. Тупиковая сеть применяется лишь на небольших фермах.

Кольцевая сеть (рисунок 8б) обеспечивает движение воды по замкнутому кругу (кольцу) и подводит ее к потребителю с двух сторон. Кольцевая водопроводная сеть длиннее, чем соответствующая тупиковая, однако у нее имеется немало преимуществ: не застаивается вода, увеличивается пропускная способность сети и другие. Поэтому кольцевую сеть применяют чаще.

Внутренняя водопроводная сеть предназначена для непосредственного распределения воды между потребителями внутри зданий. Для бесперебойной подачи воды на производственные нужды эта сеть выполняется только кольцевой. В производственных зданиях крупных комплексов эту сеть присоединяют к кольцевой сети наружного водопровода двумя вводами раздельно.

Рисунок 8 - Схема водопроводных сетей.

а - тупиковый; б - кольцевой.

Расход воды в животноводческих хозяйствах в течение суток неравномерный, и приспособить работу насосных станций к изменениям потребления воды без дополнительных промежуточных резервуаров воды очень трудно. Поэтому при устройстве водопроводных сетей необходимо предусмотреть специальные сооружения для запаса воды на непрерывное питание потребителей.

По способу получения воды из этих сооружений они бывают напорно-регулирующие и безнапорные.

Напорно-регулирующие сооружения создают в водопроводной сети напор, необходимый для распределения нужного количества воды потребителям. К ним относят водонапорные башни и пневматические котлы. Водонапорные башни создают необходимый напор за счет поднятия водонапорного бака на необходимую высоту, а в пневматических котлах - за счет давления сжатого воздуха в пространстве, свободном от воды в герметически закрытом сосуде.

Безнапорные сооружения выполняют в виде подземных резервуаров, вода из которых подается насосами в водонапорную сеть, а затем потребителю.

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.