ВГСХА

Кафедра технологического и энергетического оборудования

Контрольная работа

«Расчет водоснабжения и выбор насоса Расчет водоснабжения и выбор насоса для предприятий сельского хозяйства»

Вариант 22

Киров-2010

Исходные данные

Схема водопровода (рисунок 1)

Рисунок 1 - Расчетная схема водопровода: К - колодец (источник воды); НС — насосная станция (водоподъемник); HP -напорно-регулирующее сооружение; П1, П2, П3 - потребители; ℓ1, ℓ2 - линия всасывающего трубопровода; ℓ3 - линия напорного трубопровода; ℓ5 ,ℓ6 ,ℓ7 - линия разводящего трубопровода; НВС - высота всасывания геометрическая (расстояние по вертикали между уровнем воды в источнике и осью насоса); Нб - высота бака; Нг - геометрическая разность нивелирных отметок земли у башни и наиболее высоко расположенной точки водопотреблення.

Источник имеет дебит Д=205м3/ч.

3. Напорно-регулирующее сооружение - башенная водокачка или резервуар Нб=2,8м.

4. Геометрическая разность нивелирных отметок НГ=О.

Время работы насосной станции Т=15 часов (работает с 5 до 20 часов).

Потребители:

а) П1 - кролики m1=5100 голов; утки m2=34600 голов);

б) П2 – лошади m3=620голов, жеребята m4=350 голов.

7. Линии водопровода,

а) ℓ1 =НВС=5м; ℓ2=73 м.

б) ℓ3 =49 м.

в) ℓ5=630 м; ℓ6=250 м.; ℓ7=3405м.

8. Величина свободного напора в конечной точке водоразбора Нсвн=8 м.

9. Насос центробежный (привод ременный).

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

Часы, t

24-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

9-10

10-11

11-12

12-13

13-14

14-15

15-16

16-17

17-18

18-19

19-20

20-21

21-22

22-23

23-24

Процент от суточного, б

1,5

1,0

2,5

3,0

3,0

4,0

4,0

5,0

6,5

6,0

8,0

4,0

8,0

4,0

4,0

5,5

2,5

5,0

6,0

7,0

3,5

3,5

1,0

1,5

Содержание работы и порядок ее выполнения

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

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

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

Qcyт.cp =q1m1+ q2m2+… qnmn (1)

где Qcyт.cp - средний суточный расход dоды на ферме, м3/cyт.

q1, q2, …,qn- среднесуточная норма потребления воды одним

потребителем, м3/сут;

m1,m2,...,mn - число потребителей, имеющих одинаковую норму потребления (голов, единиц и далее);

1,2,..., n - число групп потребителей.

Согласно норм водопотребления (приложение А, таблица АЛ и таблица Л.2) принимаем:

для кроликов q1=3 л/сут,

для уток q2=1,25 л/сут,

для лошадей q3=60 л/сут;

для жеребят q4= 45 л/сут;

Тогда, имея число потребителей: для кроликов m1=5100 голов;

для уток m2=34600 голов;

для лошади m3=620 голов;

для жеребят m4=350 голов;

определяем по формуле (1) средний суточный расход воды

Qcyт.cp =3*5100+1,25*34600+60*620+45*350=111500 л/сут = 111,5 м3/сут.

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

Qсут.max =Qсут.ср * К1, (2)

где Qсут.max - максимальный суточный расход, м3/сут;

К1-коэффициент суточной неравномерности; К1=1,3…1,5, принимаем К1=1,32

Тогда

Qсут.max=111,5*1,32=147,18 м3/сут,

Для определения разовой потребности в воде необходимо учитывать, что в течение суток расход воды колеблется: в дневные часы он достигает максимума, а в ночное - минимума. При расчете максимального часового расхода воды принимается коэффициент часовой неравномерности, определяемый по формуле

К2= Qч.max/ Qч.ср,

где Qч.max - максимальный суточный расход, м3/сут;

К2-коэффициент суточной неравномерности;

Qч.ср= Qсут.max/24

Qч.ср- средний часовой расход, м3/ч;

Qч.max = Qч.ср * К2

или

Qч.max = Qсут.max * К2/24 (3)

Принимаем К2=2,5

Qч.max =147,18 *2,5/24=15,33 м3/ч,

(Число 24- количество часов в сутках)

Максимальный секундный расход рассчитывается по формуле

Qс.max = Qч.max/3600, (4)

где Qс.max =15,33/3600=0,0043 м3/с.

(Число 3600- количество секунд в одном часе).

Расчет для каждого потребителя заносим в таблицу 1.

Расход воды на тушение пожара на ферме зависит от степени огнестойкости зданий и объема. В задание вода на тушение пожара не предусмотрена.

Таблица 1- Расчетные данные потребности в воде для схемы водопотребителя

Наименование одинаковых потребителей

Количество потребителей, mi,

Суточная норма потребления воды, qi

Суточный расход воды Qсут.ср. м3

Максимальный суточный расход воды, Qсут.max, м3

Максимальный часовой расход воды, Qч.max, м3

Максимальный секундный расход воды

Qс.max, м3

Qс.max, л

П1

кролики

утки

5100

34600

3

1,25

58,55

77,286

8,05

0,0023

2,3

П2

лошади

жеребята

620

350

60

45

52,95

69,894

7,28

0,002

2

Итого

40670

109,25

111,5

147,18

15,33

0,0043

4,3

Для найденных Qч.max и Qс.max рассчитывают диаметры трубопроводов разводящей сети по формуле

Qс.max=π*d2*U/4,

где π*d2/4-площать круга, м2;

π=3,14;

d-диаметр трубы, м;

Тогда, проведя преобразования, получим

(5)

где U - скорость движения воды в трубе, м/с;

U =0,5... 1,25 м/с.

Принимаем U =0,95 м/с.

Расчет диаметров труб для различных участков определяется по формуле (5) и округляется до стандартных величин (практически всегда в большую сторону, если скорость движения воды принята максимально возможная).

Тогда а) для участка (труба ℓ5) определяется диаметр d5;

м. Принимаем d5=75мм

б) для участка (труба ℓ6) определяется диаметр d6;

м. Принимаем d6=50мм

в) для участка (труба ℓ7) определяется диаметр d7;

8м. Принимаем d7=50мм

Выбор водоподъемника

При выборе водоподъемника должно быть известно:

1.Источник воды с определенным дебитом Д=205м3/ч.

2. Напорно-регулирующее сооружение - башенная водокачка или резервуар Нб=2,8м.

3. Максимальный часовой расход воды Qч.max =15,33 м3/ч.

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

5. Длина трассы всех участков водопроводной сети ℓ j, м.

Условия для выбора насоса (водоподъемника)

Суточная производительность насоса должна быть равна или больше максимального суточного расхода

Qсут. насоса ≥Qсут.max.

Часовая производительность насоса должна быть выбрана а зависимости от продолжительности работы водоподъемника и определяется по формуле

Q.ч насоса =Qсут.max/Т,

Т- продолжительность работы насосной станции, ч. (по исходным данным Т= 15 часов).

Тогда Q.ч насоса =147,18 /15=9,81 м3/ч.

Секундная производительность насоса определяется по формуле

Qс насоса = Q.ч насоса /3600

Тогда

Q.с насоса =9,81/3600=0,0027 м3/с или 2,7 л/с.

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

Тогда м

Принимаем диаметр трубопровода всасывающей (ℓ1 и ℓ2) и

нагнетательной (ℓ3) линии dнасоса =75мм. (При расчете скорость движения воды принята одинаковой во всасывающем и нагнетательном трубопроводах).

После определения часовой производительности насоса должно соблюдаться условие D ≥ Qч. насоса

4. Напор, создаваемый насосом, определяется по формуле

H насоса≥Нвс+Нн+Нб+∑h

где H насоса напор, создаваемый насосом, м;

Нвс - высота всасывания, м;

Нн - высота нагнетания, м;

Нб -высота бака, м;

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

∑h=∑h'+∑h'',

где ∑h'- сумма потерь напора по длине всасывающего и

нагнетательного трубопровода, м;

∑h''- местные потерн напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м.

5. Высота нагнетания водонапорного бака (резервуара) выбирается из расчета Нн≥Нсвн+∑h1±Нг, (7) где Нсвн величина свободного напора, м;

Нг - геометрическая разность нивелирных отметок, м;

∑h1- сумма потерь напора в разводящем трубопроводе, м;

∑h1=∑h'1+∑h''1,

где ∑h'1 -сумма потерь напора по длине разводящего трубопровода, м;

∑h''1-сумма местных потерь напора в разводящем трубопроводе, м.

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

h j=i* ℓ j,

где h j - потери напора на конкретном участке. м;

ℓ j - длина конкретного участка, м:

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

Данные по i выбираем из таблицы (приложение Г, таблица Г.1).

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

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

Трубопроводы

Диаметр трубопровода d,мм

Секундный расход Qc.max. Л/С

100i. м

i, м

ℓ5

75

4,3

2,65

0,0265

ℓ6

50

2,3

6,44

0,0644

ℓ7

50

2,0

5,09

0,0509

ℓ1, ℓ2, ℓ3

75

2,7

1,11

0,0111

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

Величина потерь напора определяется по формуле

h5= i5* ℓ5

и будет равна h5= 0,0265*630=16,7 м

Местные потери напора, составляющие 10% от потерь напора по длине трубопровода ℓ5 будут равны 1,67 м (10% от 0,5 м). Для всех других трубопроводов расчеты аналогичны. Далее расчетные данные для всех трубопроводов записываем без дополнительных пояснений.

Потери по длине Местные потери

h5= 0,0265*630=16,7 м 10% (от 0,5 м) равно 1,67 м

h6=0,0644*250=16,1 м 10% (от 15 м) равно 1,61 м

h7=0,0509*340=17,3 м 10% (от 13,65 м) равно 1,73 м

Тогда сумма потерь напора в трубопроводах дм:

ℓ5 будет равна h5 =16,7+1,67=18,37 м,

ℓ6 будет равна h6 =16,1+1,61=17,71м,

ℓ7 будет равна h7 =17,3+1,73=19,03м

Тогда сумма потерь напора в разводящем трубопроводе определится из выражения

∑h1=h5 +h6=18,37+17,71=36,08м.

Принимаем ∑h1=36,08м.

Далее по формуле (7) находим высоту нагнетания (водонапорного бака, резервуара).

Нн=8+36,08+0=44,08м.

Это значит, что дно резервуара должно быть на высоте 44,08 м.

Далее общая длина ℓ обш всасывающего ℓ1 ,ℓ2 и нагнетательного ℓ3 трубопроводов определяется по формуле

ℓобщ =ℓ1 +ℓ2 +ℓ3

Тогда определяем

ℓобщ =5 + 73 + 49= 127 м.

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

будут равны ℓобщ =0,0111*127=1,4 м и 10% (от 1,4) равно 0,14 м .

Тогда сумма потерь напора в трубопроводе ∑h будет равна

∑h =1,4+0,14=1,54м

Далее по формуле (6) определяем напор, который должен создавать насос

Ннасоса=5+44,08+2,8+1,54=53,42 м .

Имея расчетные данные: Ннасоса=53,42 м; Q.ч насоса =9,81 м3/ч

Q.с насоса =0,0027 м3/с или 2,7 л/с. производим энергетический расчет.

Расчетная мощность приводного двигателя к насосу определяется по формуле

где Ррасч-расчетная мощность приводного двигателя, кВт;

Р- плотность воды, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Q.с насоса – подача насоса, м3/с;

Ннасоса -полный напор насоса, м;

ηнасоса - коэффициент полезного действия насоса;

ηпередачи - коэффициент полезного действия передачи; Р =1000кг/м3; ηнасоса=0,4…0,64; ηпередачи=0,95.

Используя расчетные значения Q.с насоса , Ннасоса и принимая ηнасоса=0,4 определяем расчетную мощность

кВт

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

С учетом коэффициента запаса, мощность двигателя определится по формуле;

Рдв = Ррасч *α ,

где α - коэффициент запаса мощности; α =1,1...2,0

Принимаем α=1,3;

Рдв - мощность двигателя с учетом всевозможных перегрузок, кВт.

ТогдаPдв= 3,63*1,3 = 4,72 кВт.

С учетом всех параметров выбираем насос центробежный 3К-6

Ннасоса=54,21м; Q.ч насоса =9,81 м3/ч; Нвс=5 м; n= 2900мин-1; р=16 кВт; η=50%

Расчет потребности емкости бака (резервуара) водопорной башни

Водонапорные башни служат для создания напора в разводящей сети и для хранения: запаса, воды, необходимого для уравнения разности между подачей воды насосной станцией и расходом ее потребителями. (Иногда в резервуаре хранится пожарный запас воды). Необходимая минимальная емкость напорного бака зависит от величины суточного расхода воды хозяйством, характера расходования ее по часам суток и времени работы насосной станции.

Расход воды по часам суток может быть установлен достаточно точно с учетом коэффициентов неравномерности и с учетом распорядка дня на ферме и выражаться в виде графика, представленного на рисунке 2. (График построен по исходным данным).

По известным данным Qcyт.max графика расходования воды в течение суток и режиме работы насосной станции, необходимая емкость бака определяется:

1. Методом составления расчетной таблицы.

ИЛИ

2.Методом построения интегрального графика.

1. Метод. Метод составления расчетной таблицы

Известные исходные данные:

1. Qcyт.mаx =147,18 м3/сут. Максимальный суточный расход считаем за 100%

2. График расходов по часам суток представлен на рисунке 2. Время работы насосной станции Т=15 часов в период с 5до 20 часов.

3. Qч насоса =9,81 м3/ч.

Как составляется расчетная таблица (в расчетном примере это таблица 3)

Графа 1 в таблице 3 - это часы суток, Тсуток

Графа 2 в таблице 3 - данные часового расхода в процентах от максимального суточного расхода (от Qcyт.mаx )

Графа 3 в таблице 3 - данные подачи воды насосом в процентах от максимального суточного расхода (от Qcyт.mаx )

Графа 4 в таблице 3 - алгебраическая сумма подачи воды насосом и расход воды потребителем за каждый час в процентах от максимального суточного расхода (от Qcyт.mаx ).

Насос работает 15 часов в сутки и подает в бак весь максимальный суточный расход, который обозначен за 100%. Значит, за каждый час работы насос подает 100%: 15 = 6,66%

По данным графы 4 не трудно определить, какое количество воды должно быть в баке к началу суток для обеспечения расхода в часы с 24 до 5 часов, когда насосная станция не работает.

Q0(количество воды на начало суток)=1,5+1,0+2,5+3,0+3,0=11%

Приняв на начало суток, количество воды в баке равным 11%, определяется остаток воды к концу каждого часа путем последовательного вычитания или прибавления данных графы 4. Полученные данные заносим в графу 5.

Таблица 3 –Данные к определению емкости бака

Часы суток

Часовой расход в процентах от Qcyт.mаx

Подача воды насосной станцией в процентах от Qcyт.mаx

Алгебраическая сумма подачи и расход воды в процентах от Qcyт.mаx

Остаток воды в баке к концу каждого часа в процентах от Qcyт.mаx

1

2

3

4

5

24-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

9-10

10-11

11-12

12-13

13-14

14-15

15-16

16-17

17-18

18-19

19-20

20-21

21-22

22-23

23-24

1,5

1,0

2,5

3,0

3,0

4,0

4,0

5,0

6,5

6,0

8,0

4,0

8,0

4,0

4,0

5,5

2,5

5,0

6,0

7,0

3,5

3,5

1,0

1,5

-

-

-

-

-

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

6,66

-

-

-

-

-1,5

-1,0

-2,5

-3,0

-3,0

+2,66

+2,66

+1,66

+0,16

+0,66

-1,34

+2,66

-1,34

+2,66

+2,66

+1,16

+4,16

+1,66

+0,66

-0,34

-3,5

-3,5

-1,0

-1,5

11-1,5=9,5

9,5-1,0=8,5

8,5-2,5=6,0

6,0-3,0=3,0

3,0-3,0=0

0+2,66=2,66

2,66+2,66=5,32

5,32+1,66=6,98

6,98+0,16=7,14

7,14+0,66=7,8

7,8-1,34=6,46

6,46+2,66=9,12

9,12-1,34=7,78

7,78+2,66=10,44

10,44+2,66=13,1

13,1+1,16=14,26

14,26+4,16=18,42

18,42+1,66=20,08

20,08+0,66=20,74

20,74-0,34=20,4

20,4-3,5=16,9

16,9-3,5=13,4

13,4-1,0=12,4

12,4-1,5=10,9

Максимальная величина остатка воды в баке определяет необходимую емкость бака Wб или резервуара. В данном случае она равна 20,74% или

Wб= Qcyт.mаx * 20,74/100=147,18 *20,74/100=30,5м3

2. Метод. Метод построения интегрального графика

Определение емкости бака по методу построения интегрального графика состоит в следующем. В выбранном масштабе по оси абцисс графика (рисунок 3) откладываем часы суток, а по оси ординат -суммарные часовые расходы воды в процентах от Qcyт.mаx . Нанеся точки и соединив их, получим интегральную кривую расхода воды. Так, например, для данного расчетного примера суммарные

часовые расходы воды в процентам от Qcyт.mаx будут равны

в точке 11 к концу 1 часа....1,5%

21 к концу 2 часа....1,5 + 1,0= 2,5%

З1 к концу 3 часа..2,5 +2,5 = 5%

41 к концу 4 часа.. 5,0 - 3,0 = 8,0%

51 к концу 5 часа8,0+ 3,0 = 11,0%

231 к концу 23 часа97,5+1,0 = 98,5%

241 к концу 24 часа98,5+1,5=100,0%

Далее наносим на график суммарную линию подачи воды насосом. За каждый час работы насос подает одинаковое количество воды и в данном расчетном примере работает с 7 до 19 часов. Интегральная кривая подачи воды насосом будет прямая линия (показана на графике 3).

Тогда объем бака Wб (резервуара) определится по формуле

Wб= Qcyт.mаx * (а+в)/100,

где Wб. объем бака, м3;

(а + в) - сумма двух отрезков - наибольших (определяющих расстояние по вертикали между общими кривыми), взятых по разные стороны кривой расхода воды, %. (Число 100) - проценты.

Тогда

Wб=147,18*(11+9,5)/100=30,5м3

В том случае, когда при построении интегрального графика кривые расхода и подачи не пересекаются, в формулу подставляется значение наибольшего расстояния по вертикали между кривыми расхода и подачи.

Обычно расчетную емкость Wб увеличивают на 2...3% с целью постоянного запаса воды. В том случае, если проектируется хозяйственно-пожарный водопровод, то емкость бака увеличивается на объем дополнительного пожарного запаса воды.