1 – подающий трубопровод; 2 – резервирующая ёмкость; 3 – клапанно-поплавковый механизм; 4 – распределительный трубопровод; 5 – автопоилки; 6 – обратный трубопровод; 7 – нагреватель; 8 – трубопровод подачи подогретой воды

С целью обоснования конструктивных параметров системы автопоения с термосифонной циркуляцией воды и резервирующей ёмкостью нами предлагается методика её инженерного расчёта.
Количество воды, потребляемой животными в течение суток равно

, м³, (1)

где N – число обслуживаемых животных, гол.;
q – норма потребления воды в течение суток одним животным (для дой­ных коров q=0,030…0,041 м³/1/), м³;
k_с – коэффициент суточной неравномерности водопотребления (в зависи­мости от числа обслуживаемых животных k_с=1,047…1,18 /2, 3/). 
Количество потребляемой воды животными зависит от её температуры, рациона кормления, температуры воздуха, массы животного и других факто­ров.
Максимальное количество воды потребляемое животными в течении часа равно

, м³, (2)

где k_ч – коэффициент часовой неравномерности водопотребления (в зависи­мости от числа обслуживаемых животных k_ч =3,02.. .3,32 /2/). 
Вместимость резервирующей ёмкости, необходимая для поддержания требуемой температуры в системе автопоения равна

, м³, (3)

где t_п – температура воды, потребляемой животными, °С;
t_б – температура воды в резервирующей ёмкости (t_б =25…30 °С /2, 3/), °С;
t_х – температура воды, поступающей в бак-аккумулятор из водопровода (t_х =8…10°С /2/),°С.
Расход горячей воды требуемой для нагрева воды в резервирующей
ёмкости (циркуляционный расход), равен

, м³/с, (4)

где t_г – температура воды на выходе из нагревателя (t_г =45…65 °С /2/), °С;
t_г – температура воды в обратном трубопроводе (принимается равной на 2…3 °С ниже температуры воды в распределительном трубопроводе /2, 4/), °С. 
Мощность водонагревателя можно определить по эмпирической фор­муле:

, кВт, (5)

где F_т – площадь теплоотдающей поверхности труб, м²;
τ_н – продолжительность нагрева, мин;
t_возд – температура окружающего воздуха, °С;
Зная циркуляционный расход воды в системе автопоения, мощность водонагревателя можно определить по следующей формуле

, кВт, (6)

где с – удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг^оС);k_б – коэффициент теплопередачи через стенки бака-аккумулятора (для
стального бака без теплоизоляции k_б=5,29 Вт/(м°С) /2/), Вт/(м°С); 
F_б – площадь стенок резервирующей ёмкости, м; 
k_т – коэффициент теплопередачи через стенки труб (для стальных трубk_т =9,74 Вт/(м°С) /2/), Вт/(м°С).Скорость циркуляции воды на расчётных участках трубопровода сис­темы автопоения равна

, м/с, (7)

где d_в – внутренний диаметр трубопровода на расчётном участке, м;
Уровень установки нагревателя равен

, м, (8)

где λ – коэффициент гидравлического трения (λ=64/Re, для стальных труб d_в=20 мм, λ=0,106 /2/); 
l – длина циркуляционных трубопроводов на рассчитываемом участке, м; 
 – сумма коэффициентов местных сопротивлений (с достаточной точ­ностью для практических расчётов =10,4 /2/);k – коэффициент неучтённых потерь (k=1,26 /2/);
h₂ – расстояние от дна водонагревателя до центра выходящего из нагрева­теля патрубка, м;
_о – плотность охлажденной воды, кг/м³;
_б – плотность воды в нагревателе (_б =990 кг/м³/2/), кг/м³;
_г – плотность горячей воды на выходе из нагревателя (_г =_б =990 кг/м³ /2/), кг/м³;
h₄ – расстояние от центра распределительного трубопровода до дна резерви­рующей ёмкости, м;
 – расстояние по горизонтали от выходящего из резервирующей ёмкости трубопровода до расчётного участка, м.

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.