В соответствии с технологическими и зоотехническими требованиями системы, линии и средства автопоения должны обеспечивать надежность процесса автопоения животных, свободный доступ животных к воде, требуемое качество воды и комфортность обслуживания животных /1/. Наряду с этим рекомендуемые к производству системы и средства автопоения по сравнению с используемыми на производстве должны быть менее металлоемкие, энергоемкие и трудозатратные при обслуживании. В настоящее время на животноводческих объектах для автопоения животных используются тупиковые и кольцевые прямоточные системы (линии) автопоения, системы с промежуточной накопительной емкостью, а также кольцевые системы автопоения с использованием узла нагрева воды и напорных устройств в виде циркуляционных насосов /2/.

Циркуляционные насосы в системах автопоения предназначены для периодической циркуляции воды в системе автопоения с целью поддержания температуры воды в зоне ее отбора (автопоилках) в заданных зоотехническими требованиями пределах. Однако использование насосного оборудования ведет к дополнительным затратам капитальных вложений. При этом конструктивные решения выпускаемых отечественной промышленностью насосов не исключает непроизводственный расход воды, что удорожает процесс автопоения. Поэтому одним из перспективных направлений является разработка систем автопоения с использованием принципа (эффекта) термосифонной циркуляции воды.
В этом случае линия автопоения с термосифонной циркуляций воды включают в себя основные элементы известных тупиковых систем автопоения (водонапорный бак, распределительный и рабочий участки трубопроводов с отводками, автопоилки) и дополняются водонагревательными устройствами и обратным трубопроводом. Характерной особенностью этих линий является наличие замкнутого контура. Конфигурация линий зависит от планировочного решения помещения, расположения технологических групп животных, выбранного принципа подачи воды к автопоилкам (напорный или безнапорный) и они могут быть одноконтурными (Рис.1) или многоконтурными (Рис.2).
Одноконтурная линия термосифонной циркуляции может быть привязана к различным планировочным решениям животноводческих помещений. Однако наиболее эффективно ее применение при однорядном размещении животных. Основным, ограничивающим фактором ее применения является протяженность транспортной магистрали /3/. 

1 – бак-накопитель; 2 – поплавковое устройство; 3 – клапанное устройство; 4 – вводной трубопровод; 5 – обратный водопровод подогретой воды; 6 – водонагревательный блок; 7 – обратный трубопровод охлажденной воды; 8 – средства автопоения; 9 – распредели-тельный трубопровод; 10 – магистральный трубопровод

Многоконтурная линия циркуляции воды может быть использована в животноводческих помещениях (коровниках) с многорядным расположением животных и наличии в центральной части помещения поперечного технологического прохода. При этом в зависимости от места ввода воды в помещение накопительные емкости могут располагаться как в зоне поперечного технологического прохода, так и в торцах помещения.

Термосифоный принцип циркуляции воды в рассмотренных линиях должен постоянно обеспечивать заданный температурный режим в средствах автопоения (автопоилках) за счет переноса тепла из зоны ее нагрева в зону ее отбора животными. Этот процесс непосредственно связан с разностью давлений, создаваемых в различных точках системы. Поэтому нами аналитически рассмотрен процесс циркуляции воды за счет силового фактора (действующего давления и сопутствующих факторов в линии автопоения). 
Одним из базовых элементов системы (линии автопоения) является нагревательный блок.
Температура воды в этом блоке оказывает влияние как на температуру воды, поступающей к животным, так и на циркуляционное давление в системе и, как следствие, – на циркуляционный расход воды в ней. Поскольку температурный диапазон воды для животных довольно широк (10–20^оС), то приоритетным будем считать влияние температуры воды в блоке на циркуляционное давление в линии и соответственно и количество тепла, которое должно воспроизводиться в нагревательном блоке.

а – первый циркуляционный контур; б – второй циркуляционный контур; в – третий циркуляционный контур; г – четвертый циркуляционный контур; 
1 – вводный трубопровод; 2 – клапанно-поплавковое устройство; 3 – распределительный трубопровод; 4 – автопоилки; 5 – обратный трубопровод охлажденной воды; 6 – регулировочные вентили; 7 – водонагреватель; 8 – обратный водопровод подогретой воды; 9 – накопительный бак

Количество тепла производимое в блоке может быть определено по формуле

(1)

где q_рас – циркуляционный расход воды в системе, м³/ч (q_рас=W);
W – производительность системы;
с – теплоемкость воды, Вт/кг·^оС;
t_бл – температура воды в блоке, ^оС;
t_охл – температура охлажденной воды, ^оС;
F_бл – поверхность корпуса блока, м²;
К_бл – коэффициент теплопередачи корпуса блока, Вт/м²·^оС;
t_в – температура воздуха в животноводческом помещении, ^оС.

Циркуляционное давление воды в линии может быть определено по формуле

(2)

где Р_ц – циркуляционное давление воды в системе, Н/см²;
h_ц – высота столба воды, способствующая циркуляции воды, м;
g – ускорение силы тяжести, м/с²;
ρ_ох – плотность охлажденной воды, ^оС;
ρ_п – плотность подогретой воды, ^оС;
Р_е – потери давления на преодоление сопротивлений движению воды по
длине линии, Н/см²;
Р_м – потери напора на преодоление местных сопротивлений в линии, Н/см².

Формула (2) по определению циркуляционного давления носит общий характер. Применительно к конкретной системе автопоения формула (2) должна быть раскрыта с учетом конструктивных особенностей системы (линии).
Рассмотрим расчетную схему напорной циркуляционной линии (рис. 3).
Анализ этой схемы показывает, что циркуляционное давление, создаваемое за счет столба жидкости и разности плотностей горячей и охлажденной воды, может быть представлено зависимостью

(3)

где Н₁ – высота столба охлажденной воды, м;
Н – высота столба подогретой воды, м;
 – средняя плотность охлажденной воды, кг/м³.
Потери давления на преодоление сопротивлений по длине циркуляционного контура неравномерно и его необходимо определять по двум базовым участкам: участку АБ и участку БВГДЕ рисунка 4.

1 – бак; 2 – поплавковое устройство; 3 – клапанное устройство; 4 – вводный трубопровод; 5 – обратный трубопровод подогретой воды; 6 – водонагревательный блок; 7 – обратный трубопровод охлажденной воды; 8 – средства автопоения; 9 – распределительный трубопровод; 10 – магистральный трубопровод

Участок АБ представляет собой перфорированный трубопровод. Перфорация трубопровода осуществляется в зоне присоединения индивидуальных поилок, а число узлов перфорации зависит от числа обслуживаемых животных или числа установленных автопоилок. С учетом этого и предполагая, что режим движения воды в трубопроводе подогретой воды ламинарный, общие потери давления в трубопроводе могут быть определены по формуле

 (4)

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;
l_тр – дина трубопровода подогретой воды, м;
d – диаметр трубопровода подогретой воды, м;
 – скорость движения воды в трубопроводе, м/с;
 – коэффициент сопротивления для зоны присоединения индивидуальных поилок;
n_п – число поилок, устанавливаемых на трубопроводе подогретой воды.
Коэффициент сопротивления в зоне присоединения индивидуальных поилок может быть определен по формуле

, (5)

где В – безразмерный коэффициент, зависящий от вида сопротивления;
R – число Рейнольдса для рассматриваемого движения воды;
n – показатель степени по Ф.П.Товстолесу.
Общие потери давления на участке АБВГДЕ могут быть определены по известной формуле :

(6)

Анализ формулы (24) показывает, что потери давления зависят от скорости движения воды в системе. Поэтому для их определения принимаем требуемую скорость воды в системе. Для этого может быть использована следующая формула

, (7)

где W – теоретическая производительность линии, м³/ч;
d – диаметр циркуляционного трубопровода, м.

Диаметр циркуляционного трубопровода определяется с учетом его пропускной способности при максимальном отборе воды животными

, (8)

где Q – расход воды в пиковые периоды отбора ее животными, м³/с;
 – допустимая скорость движения воды в трубопроводе (=1 м/с).
 – интенсивность отбора воды животными,м³/с.
По результатам аналитических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Системы автопоения с термосифонным принципом циркуляции воды применительно к животноводческим объектам небольшой мощности (КФХ) являются перспективными по ресурсосбережению (снижение стоимости линии на комплектацию насосом; снижение стоимости электроэнергии на привод насоса; снижение непроизводственного расхода воды за счет ее подтекания в уплотняющих устройствах насоса; снижение затрат труда на обслуживание насоса);
2. При обосновании параметров линии термосифонной циркуляции воды в качестве расчетных величин необходимо принимать: высота установки водонапорного бака – ≥ 2,7 м; скорость циркуляции воды – 0,004 м/с; местные сопротивления в зоне присоединения индивидуальных поилок – ξ = 80–140, в зоне присоединения проточных индивидуальных поилок – ξ = 0–9;
3. При обслуживании модульной группы животных (25 коров) допустимая длина термосифонной линии должна быть – 25–27 м.

1. Кашеков Л.Я. Механизация водоснабжения животноводческих ферм и комплексов /Л.Я. Кашеков. – М.: Колос, 1976. – 287с.
2. Бородачев П.Д. Водоснабжение животноводческих ферм и комплексов/          П.Д. Бородачев, В.М. Уссаковский. – М.: Россельхозиздат,1972. –238 с.
3. Назаров И.В. Режимы водопотребления на фермах КРС и совершенствование технологических линий автопоения: Дисс. … канд. техн. наук. – Зерноград, 1977.
4. Поцелуев А.А. Ресурсосберегающие системы водообеспечения технологических процессов по обслуживанию крупного рогатого скота: Дисс. …. докт. техн. наук. – Зерноград, 2011.
5. Славин Р.М. Автоматизация производственных процессов животноводческих ферм/ Р.М. Славин. – М.: Машиностроение, 1965.  – 394с.

Все статьи автора «Назаров Игорь Васильевич»