WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

РАКУШИНА Олеся Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНО-ИМПУЛЬСНОГО ОРОШЕНИЯ ДЛЯ МНОГОЛЕТНИХ НАСАЖДЕНИЙ

Специальность 05.20.01. – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П.

Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Кожевникова Наталья Георгиевна

Официальные оппоненты: Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, профессор, Россельхозакадемия, ученый секретарь Храбров Михаил Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ГНУ «Всероссийский научно- исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова», отдел мелиорации земель, заведующий лабораторией

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский селекционно- технологический институт садоводства и питомниководства» Россельхозакадемии

Защита состоится 28 мая 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 ФГБОУ ВПО МГАУ по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «____» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Левшин

Общая характеристика работы



Актуальность темы. Важнейшей социально-экономической задачей населения нашей страны является сбалансированное питание, составляющим которого является потребление плодов и ягод. Научно обоснованная норма потребления свежей плодово-ягодной продукции составляет 70 кг в год. В настоящее время, садоводство РФ не удовлетворяет потребности населения в плодово-ягодной продукции и не превышает 25-30% из расчета на душу населения.

Необеспеченность внутреннего рынка плодово-ягодной продукцией дает возможность заполнять его импортом, который в потребительской корзине составляет 65-70%.

В Федеральной целевой программе “Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 – 2010 годы и на период до 20года” предусмотрено мероприятие по реконструкции оросительных систем, в том числе и для многолетних насаждений.

Ирригация более 50 % территории, занимаемой многолетними насаждениями, осуществляется дождеванием. При орошении дождеванием происходит несоответствие между интенсивностью водоподачи и впитывающей способности почвы.

Для предотвращения этих последствий необходимо отдавать предпочтение водосберегающим технологиям, к которым относится:

внутрипочвенное орошение, микродождевание, аэрозольное и капельное орошение.

Главным преимуществом этих водосберегающих технологий орошения по сравнению с поверхностным орошением и дождеванием является дозирование поливных норм в соответствии с водопотреблением растений за межполивной период. Поэтому работы по созданию и совершенствованию технологии способов малообъемного орошения актуальны.

Одним из наиболее перспективных способов орошения является локально-импульсное орошение, которое является разновидностью капельного.

Совершенствование этого способа орошения позволяет повысить качество полива за счет экономии воды и как следствие обеспечить экономию денежных средств.

Цель исследований – разработка подкронового водораспределителя, обеспечивающего более направленную подачу воды в корнеобитаемую зону плодовых деревьев.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ способов орошения многолетних насаждений;

теоретически обосновать параметры водораспределителя, характеризующие капельный характер истечения воды на поверхность почвы;

экспериментально определить влияние конструктивных параметров распределителя на характер истечения воды на поверхность почвы;

разработать конструкцию подкронового водораспределителя;

оценить экономическую эффективность подкронового водораспределителя.

Научная новизна.

Получена аналитическая зависимость расхода жидкости от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения.

Практическая значимость работы заключается в разработке программ для ЭВМ “Влияние характера истечения воды по распределителю в зависимости от угла наклона и скорости истечения” (свидетельство № 2011615010) и “Определение зависимости характера истечения от угла наклона и скорости движения воды по распределителю” (свидетельство № 2011614733).

Предложено новое (на уровне изобретения № заявки 2011127936) устройство для подкронового распределения оросительной воды. Применение подкронового водораспределителя для технологии локально-импульсного орошения позволяет повысить качество полива за счет экономии оросительной воды и обеспечивает годовую экономию денежных средств более 42 тыс. руб.

Реализация результатов исследований:

- в ООО “Одоевские сады” (Тульская обл.);

- ГНУ CКЗ НИИ ГПС (г. Нальчик).

Апробация работы. Основные результаты исследований по работе докладывались на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГАУ: “Актуальные проблемы агроинженерной науки” (2005 г.), “Агротехинновации в АПК” (2006 г.), “Современные проблемы технического сервиса в АПК” (2007 г.), “Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии” (2010 г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

результаты исследований способов орошения многолетних насаждений;

конструктивно-технологическая схема подкронового водораспределителя;

аналитическая зависимость определения расхода жидкости от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения;





оптимальные конструктивные параметры подкронового водораспределителя, обеспечивающие капельный характер истечения воды на поверхность почвы.

Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 5 печатных работах, в том числе в трех журналах перечня ВАК. В настоящее время в патентном ведомстве РФ рассматривается заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, библиографии и приложений. Работа содержит 1страницу, 23 схем и рисунков, 29 таблиц, список литературы из наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, ее важное народнохозяйственное значение, раскрыта общая характеристика работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе “Состояние вопроса, цель и задачи исследования” приведены результаты анализа способов орошения многолетних насаждений и устройств распределения оросительной воды.

Результаты исследований В.И. Водяницкого, М.С. Григорова, К.В.

Губера, М. Г. Журба, В.И. Канадров, А.Н. Костякова, И.П. Кружилина, Г.В.

Ольгаренко, М.И. Ромащенко, Н. В. Скрипчинская, А.А. Терпигорьева, М.Ю.

Храброва, Ю.Г. Шейнкина, О.Е. Ясониди показали, что при использовании систем малообъемного орошения, снижение расходов воды составляет 20 – % по сравнению с дождеванием и поверхностным орошением. Величина этой экономии зависит от климатических условий, вида насаждений, типа почв, технических характеристик самой системы орошения.

Одна из существующих проблем малообъемных способов орошения – это нарушение распределения оросительной воды на поверхность почвы.

Наиболее перспективными способом орошения является локальноимпульсный способ орошения, который может осуществляться системой “МИЛОС”, разработанной в ФГНУ ВНИИ “Радуга”.

Основными достоинствами этой системы являются адресная подача воды и возможность регулировать поливную норму в требуемом диапазоне расхода в зависимости от конкретных условий (вид культуры, тип почвы и др.).

Основными недостатками системы “МИЛОС” являются:

- локализованный, в одной точке подвод оросительной воды, распределение влаги в почве не соответствует пространственному расположению и росту корней растений, что не обеспечивает равномерное распределение поливной воды в почве корнеобитаемого слоя;

- неудобство расположения водовупусков на поверхности почвы при проведении работ по уходу за почвой и растениями.

В результате проведенного анализа способов малообъемного орошения составлена классификация способов малообъемного орошения многолетних насаждений и устройств распределения воды на поверхность почвы (рис.1).

Рисунок 1 - Классификация способов орошения многолетних насаждений и устройств распределения оросительной воды Во второй главе “Теоретическое обоснование распределения воды при капельном характере истечения из отверстий распределителя на поверхность почвы” для обоснования оптимальных параметров распределения воды на поверхность почвы использованы способ анализа размерностей и теорема “пи”. Цель проведения исследования – получить аналитическую зависимость расхода воды от конструктивных параметров распределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения.

Учитывались следующие допущения:

1) изменение массы жидкости происходит непрерывно;

2) касательные напряжения на свободной поверхности объема жидкости, граничащей с газовой фазой, отсутствуют;

3) истечение происходит в атмосферу;

4) движение объема жидкости установившееся;

5) жидкость несжимаемая.

Проанализируем движение объема вязкой жидкости, который образуется в результате слияния капель, находящаяся на гладкой поверхности под углом к горизонту (рис. 2).

Рисунок 2 - Расчетная схема движения объема жидкости Рассмотрим участок 1-2 – 1’-2’. Предположим, что в результате слияния капель образовался объем жидкости А, массой. Допустим, что объем жидкости А приходит в движение под воздействием силы тяжести. Так как поверхность находится под углом к горизонту, то в процессе движения, этот объем жидкости приобретает ускорение. Также, происходит изменение массы данного объема, вследствие прилипания некоторого объема, массой к поверхности и слияния с другой, последующей каплей. Масса объема жидкости А становится равной.

Предположим, что объем жидкости, за промежуток времени, со скоростью движения переместилась на расстояние. Так как, данный объем жидкости движется с ускорением, то его скорость движения изменяется на. Движение объема жидкости по наклонной поверхности продолжается до тех пор, пока, на своем пути, он не встречает препятствие В.

Встретив его, допустим, что происходит удар объема жидкости о поверхность препятствия, которая расположена перпендикулярно гладкой наклонной поверхности. Скорость движения объема становится равной нулю. Из-за воздействия силы взаимодействия (сцепления) молекул между твердой поверхностью и жидкостью, объем жидкости прилипает к поверхности препятствия. Воздействие силы тяжести приводит рассматриваемый объем жидкости в движение. Перемещаясь по пути, равному высоте препятствия, масса всего объема жидкости уменьшается. Оставшийся объем, пройдя путь, равный высоте препятствия, отрывается и падает на почву.

Изменение массы жидкости A, вследствие прилипания жидкости к поверхности и слияния со следующими каплями:

, (1) где - масса движущейся жидкости, кг.

Определим изменение кинетической энергии массы жидкости А, переместившейся из положения 1-2 в положение 1’-2’. Изменение кинетической энергии будет равно разности кинетических энергий объемов в этих положениях. Кинетическая энергия определяется по формуле:

кин, (2) м где – скорость жидкой массы,с.

Используя эту зависимость для объемов 1-2 и 1’-2’, получаем:

кин, (3) кин. (4) По теореме об изменении кинетической энергии, которая гласит – изменение кинетической энергии на некотором пути равна полной работе всех сил на этом пути:

кин кин , (5) – полная работа всех сил на пути.

На перемещающийся объем жидкости, с учетом допущений, действуют следующие силы: сила тяжести, сила вязкого трения, сила поверхностного натяжения, сила взаимодействия молекул.

В данном случае тяж тр п.н.. (6) Работа силы тяжести данного объема жидкости равна:

тяж тяж, (7) м где – ускорение свободного падения,.

Работа сил вязкого трения с учетом изменения массы равна:

тр тр = , (8) где µ – динамический коэффициент вязкости, Па · с;

S – площадь поверхности соприкасания жидкости и твердой поверхностью, м ;

– градиент скорости, с.

Работа силы поверхностного натяжения:

п.н. п.н., (9) Сила поверхностного натяжения:

п.н., (10) Н где – коэффициент поверхностного натяжения,м;

Силу поверхностного натяжения можно определить по зависимости:

п.н.. (11) Рисунок 3 - Представление силы поверхностного натяжения п.н. по составляющим Горизонтальная составляющая определяется (рис. 3), как:

, (12) так как, (13) то, подставляя (13) в (12), получим:

. (14) Интегрируя выражение (14), получаем:

, (15) п.н.. (16) Подставляя (16) в (9), имеем:

п.н. 2. (17) Выражения (7), (8), (17) подставим в зависимость (6):

тяж тр п.н. 2 (18) Зависимости (3), (4), (18) подставим в (5):

= 2 (19) Делая дальнейшие преобразования выражения (19), учитывая, что 1,5,, а также принимая для упрощения расчетов, что рассматриваемый объем жидкости имеет форму половины шара, окончательный вид зависимости (19):

1, (20) м м где – кинематический коэффициент вязкости, ; – расход жидкости, ; с с Н Н – коэффициент поверхностного натяжения, м; – удельный вес жидкости, м ;

м – радиус объема жидкости, м; – ускорение свободного падения, с.

Полученная зависимость (20) позволяет определить расход истечения воды от конструктивных параметров водораспределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер.

В третье главе “Экспериментальные исследования процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы и их анализ” представлены результаты экспериментальной проверки теоретических разработок по анализу процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы, приведена установка, а также перечень приборов для их проведения; приведено описание методики проведения, обработка результатов эксперимента и их анализ; дана оценка соответствия расчетно-теоретических данных процесса распределения воды на поверхность почвы.

Для реализации эксперимента и изучения исследуемого процесса был разработан лабораторный образец устройства (рис. 4), который работает следующим образом. Оросительная вода по поливному трубопроводу подводится к конструкции 2. Движение воды происходит от трубопровода до последнего ряда отверстий 4 по тупиковым водопроводящим каналам 5.

Дальнейшее движение воды происходит в направлении расположения препятствий 3. Встречая препятствие на своем пути, вода стекает по нему на почву, каплями.

а) б) Рисунок 4 – Лабораторный образец подкронового распределителя:

а) 1 – подводящий трубопровод; 2 – корпус распределителя; 3 – препятствия (стенки); б) 4 – водовыпускные отверстия; 5 – тупиковые водопроводящие каналы.

По плану многофакторного эксперимента (таблица 1), на стенде были проведены испытания и установлены оптимальные значения параметров подкронового распределителя. Получена математическая модель процесса распределения воды при капельном характере истечения из отверстий водораспределителя. Адекватность математической модели оценивалась по F – критерию Фишера. Оценка воспроизводимости выполнялась по G – критерию Кохрена при 95% уровне доверительной вероятности.

Таблица 1 -Условия планирования эксперимента Кодо- Уровни варьирования Натур. Интервал Фактор и вое натуральные обозна- варьироед. изм. обозна- верх- ниж- нулечение вания чеие ний ний вой Диаметр отверстия, Х1 х1 0,5 1,5 0,5 мм Шаг препятствия Х х2 2 8 4 мм Угол наклона Х3 х3 2 10 6 распределителя, ° По результатам обработки экспериментальных исследований получена математическая модель процесса распределения воды при капельном характере истечения:

- с факторами в закодированном виде:

1,368 0,2 0,012 0,257 0,121 0,254 0,096 0,3 0,119 0,03 (21) - с факторами в натуральном виде 3,043 3,306d 0,28L 0,39 0,121dL 0,254d 0,024L 1,2d 0,029L 0,0075, (22) мл где y (Q) – расход воды, (d) – диаметра отверстий, мм; (L) – расстояния с между препятствиями, мм; () – угол наклона распределителя,.

На основании опытных данных и уравнения регрессии разработаны компьютерные программы для определения оптимальных параметров “Влияние характера истечения воды по распределителю в зависимости от угла наклона и скорости истечения” (свидетельство № 2011615010) и “Определение зависимости характера истечения от угла наклона и скорости движения воды по распределителю” (свидетельство № 2011614733).

С помощью программы “Matchad 14” были построены поверхности отклика (рис. 5 - 7).

Рисунок 5 - Поверхность отклика изменения расхода жидкости y в зависимости от диаметра отверстий ) и изменения расстояния (шага) между стенками Рисунок 6 - Поверхность отклика изменения расхода жидкости y в зависимости от изменения расстояния (шага) между стенками и изменения угла наклона водораспределителя к горизонту Рисунок 7 - Поверхность отклика изменения расхода жидкости y в зависимости от изменения диаметра отверстий ) и изменения угла наклона водораспределителя к горизонту Анализ опытных данных и поверхностей отклика показал:

- из выбранных факторов на расход истечения воды на поверхность почвы влияют: диаметр выходных отверстий d, угол наклона водораспределителя к горизонту, а также расстояние (шаг) L между стенками;

- при увеличении угла наклона распределителя к горизонту, равномерность процесса распределения оросительной воды на поверхность почвы нарушается;

- при углах наклона водораспределителя к горизонту 6° 10°, в зависимости от диаметра водовыпускных отверстий наблюдались капельный, струйный и ливневый характеры истечения;

- при диаметре водовыпускных отверстий 2 мм, капельный характер истечения отсутсвует.

Распределение оросительной воды на поверхность почвы из водовыпускных отверстий имеет на 77 – 83 % капельный характер, как наиболее благоприятный для почвы и растений, наблюдается при угле наклона водораспределителя к горизонту = 8°, при диаметре отверстий d = 1 мм, расстоянии между стенками L = 6 мм.

Экспериментальным путем установлена высота препятствий (стенок) h = 10 мм.

Для подтверждения соответствия теоретической и экспериментальной зависимостей между обозначенными параметрами были идентифицированы экспериментальная и теоретическая зависимости от конструктивных параметров, характеризующих капельный характер истечения (рис. 8 -10).

Рисунок 8 – Зависимость расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, обеспечивающих капельный характер истечения (d = 0,мм) Рисунок 9 – Зависимость расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, обеспечивающих капельный характер истечения (d = мм) Рисунок 10 – Зависимости расхода от конструктивных параметров водораспределителя, обеспечивающих капельный характер истечения (d = 1,мм) Сравнение расчетных и табличных значений критериев Фишера показало, что при доверительной вероятности 95%, теоретическая зависимость для определения расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения, адекватно отражает действительный процесс распределения жидкости при капельном характере истечения.

Опытная проверка проводилась на фрагментах модернизированной системы “МИЛОС” (рис. 11). Вода подается непрерывно (расход 0,4 л/c) в накопительную емкость 1 и при ее накоплении через импульсное распределяющее устройство 2 автоматически подается в один из приемных стояков 3, из него в разводящий трубопровод 4, далее вода поступает в поливной трубопровод 5, уложенный вдоль ряда насаждений. К поливному трубопроводу присоединяется подающий трубопровод, через который вода подводится к подкроновому водораспределителю 6.

Рисунок 11 – Модернизированная система “МИЛОС”: 1 – накопительная емкость; 2 – импульсное распределяющее устройство; 3 – приемные стояки;

4 – разводящие трубопроводы; 5 – поливные трубопроводы; 6 – подкроновые водораспределители В четвертой главе “Экономическая эффективность использования подкронового распределителя поливной воды” приводится экономический расчет, показывающий, что экономический эффект от использования подкронового распределителя оросительной воды составит более 42 тыс. руб.

Общие выводы 1. Анализ способов малообъемного орошения показал, что экономия оросительной воды составляет 40 – 60 % по сравнению с дождеванием и поверхностным орошением. Энергоемкость систем капельного орошения не превышает 10% энергетических затрат на дождевание. Адресную локальность увлажнения обеспечивает модуль импульсно-капельного орошения.

2. В результате проведения теоретических исследований получены аналитическая и графические зависимости расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя: диаметра водовыпусных отверстий, угла наклона водораспределителя к горизонту, расстояния между препятствиями (стенками), обеспечивающих капельный характер.

3. С целью равномерной подачи воды каплями в зону активной части корневой системы разработана конструкция подкронового водораспределителя. Предложенное устройство отвечает агротехническим требованиям, обеспечивает капельный характер истечения воды, как наиболее благоприятный для почвы и растений.

Использование водораспределителя обеспечивает экономию оросительной воды до 32%, снижение себестоимости мероприятий в 1,раза.

4. Результаты экспериментов показали, что распределение оросительной воды на поверхность почвы из водовыпускных отверстий распределителя имеет на 77 – 83 % капельный характер, как наиболее благоприятный для почвы и растений. Он наблюдается при угле наклона водораспределителя к горизонту 8°, при диаметре отверстий 1 мм, расстоянии между стенками 6 мм, высотой препятствий (стенок) 10 мм. Сравнение расчетных и табличных значений критериев Фишера показало, что при доверительной вероятности 95%, теоретическая зависимость для определения расхода воды от конструктивных параметров водораспределителя, при котором будет наблюдаться капельный характер истечения, адекватно отражает действительный процесс.

5. Экономический эффект от применения усовершенствованной технологии импульсно-локального орошения составил более 42 тыс.руб.  Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Ракушина, О.В. Исследование процесса равномерного распределения оросительной воды на поверхность почвы и его анализ [Текст] / О.В.

Ракушина, Н.Г. Кожевникова// Международный технико-экономический журнал - 2011. - № 3, - С. 103 – 106.

2. Ракушина, О.В. Определение диапазона угла наклона подкронового распределителя воды для его рационального применения [Текст] / О.В.

Ракушина// Международный технико-экономический журнал - 2011 - № 5. - С. 101 – 103.

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614733. Определение зависимости характера истечения от угла наклона и скорости движения воды по распределителю/ С.А.

Твердохлебов, А.А. Цымбал, Н.Г. Кожевникова, О.В. Ракушина; регистр.

16.06.2011.

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615010. Влияние характера истечения воды по распределителю в зависимости от угла наклона и скорости истечения/ С.А. Твердохлебов, А.А. Цымбал, Н.Г. Кожевникова, О.В. Ракушина; регистр. 24.06.2011.

5. Ракушина, О.В. Технология орошения садов [Текст] / О.В. Ракушина// Сельский механизатор - 2012. - № 2. - С. 16 – 17.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.