بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
عملکرد و خصوصیات هیدرولیکی انواع قطرهچکانها در فشارها و دماهای مختلف
چکیده:
بخشی از طراحی و ارزیابی عملکرد و کارایی سیستمهای آبیاری قطرهای را بررسی مشخصههای هیدرولیکی و فنی اجزای آنها نظیر قطرهچکانها به خود اختصاص میدهد. بدین منظور در این تحقیق ١٠ نوع از قطرهچکانهای ساخت داخل و خارج کشور در ٦ فشار مختلف برای تعیین معادله دبی ـ فشار ، ضریب تغییرات ساخت (Cv) ، یکنواختی پخش آب (EU) ، ضریب یکنواختی (CU) و تغییرات دبی مورد آزمایش قرار گرفتند. پس از انجام آزمایشها، با استفاده از استاندارد انجمن
مهندسان کشاورزی آمریکا (ASAE) اقدام به طبقه بندی کیفی قطرهچکانها گردید که بر این اساس از ١٠ نوع قطرهچکان مورد ارزیابی، دو نمونه عالی، یک نمونه متوسط و هفت نمونه غیر قابل استفاده بودند. سپس با توجه به نتایج ارزیابی کیفی کلیه قطرهچکانها به لحاظ ساخت در دمای ٢٠ درجه سانتی گراد، نمونههایی که در سیستمهای قطرهای قابل استفاده بودند، برای بررسی اثرات دمای آب (٤٠ و ٦٠ درجه سانتی گراد) انتخاب شدند. نتایج نشان داد که دمای آب اثر قابل محسوسی بر عملکرد قطرهچکانهای مورد آزمایش به همراه نداشته است.
واﮊه های کلیدی: آبیاری قطرهای، قطرهچکان، ضریب تغییرات ساخت، ضریب یکنواختی، یکنواختی پخش، دمای آب.
مقدمه
آب به عنوان یکی از مهمترین عوامل تولید در کشاورزی، نقشی کلیدی در مجموعه عوامل محدود کننده تولید دارد. هر چند میانگین بارندگی در سطح کره زمین حدود ٨٠٠ میلی متر در سال است ولی نزدیک به دو سوم آن تبخیر شده و به جو برمیگردد و بیش از نیمی از آنچه باقی میماند، بدون استفاده به دریا جاری میشود. در حالی که متوسط ذخیره سالانه حهانی آب شیرین قابل تجدید برای هر نفر در سال حدود ٧٤٠٠ متر مکعب است، لیکن نحوه بهره برداری از منابع آب و خاک در وضعیت فعلی و ادامه آن چشم انداز نگران کنندهای را برای قرن اخیر مطرح نموده است. مصرف ٦٣ درصد آب شیرین دنیا در بخش کشاورزی و عدم امکان کشت دیم در بسیاری از مناطق و یا بازده بسیار اندک آن در مقایسه با کشاورزی فاریاب، به طرحهای توسعه منابع آب و آبیاری و زهکشی اهمیت ویژهای بخشیده است(٢). لیکن به رغم محدودیت منابع آب و توزیع نامناسب زمانی و مکانی آن، راندمان آبیاری در سطح دنیا و بخصوص در کشورهای در حال توسعه پایین بوده بطوری که
متوسط راندمان در سطح جهان کمتر از ٥٠ درصد و در کشور ما هم این رقم حدود ٣٧ درصد برآورد گردیده است(١و٦). پذیرش و توسعه روشها و فنون جدید آبیاری نظیر آبیاری قطرهای از جمله راههایی است که میتواند دنیا را به سمت بهرهبرداری پایدار از آب سوق دهد.
آبیاری قطرهای که از اواسط دهه ١٩٦٠ به عنوان یک تکنولوﮊی جدید معرفی و به بازار عرضه شد در صورتی میتواند راه حل مناسبی برای استفاده بهینه از منابع آب باشد که طراحی، اجرا و بهرهبرداری از این سیستم با دقت کافی انجام گیرد. انتخاب قطرهچکان در این روش آبیاری از مهمترین عوامل طراحی به شمار میرود، زیرا راندمان یک سیستم قطرهای به انتخاب قطرهچکان و معیارهای طراحی بستگی داشته و عدم توجه به مشک لات قطرهچکانها باعث کاهش یکنواختی پخش آب، افزایش مدت کار سیستم و تعویض پیوسته قطرهچکانها میگردد. لذا به منظور جلوگیری از عملکرد ضعیف این سیستم و استقبال بیشتر زارعین از آن لازم است که چگونگی عملکرد لازم و تجهیزات مورد استفاده در این روش آبیاری بطور دقیق تعیین شود تا با انتخاب بهتر از اتلاف سرمایه و انرﮊی جلوگیری به عمل آید.
در زمینه ارزیابی سیستمهای آبیاری قطرهای و بررسی عملکرد و کارایی اجزاﺀ مختلف آنها تحقیقات گوناگونی صورت پذیرفته است. عطایی (١٣٧٦) شش سیستم آبیاری قطره ای را برای تعیین مشکلات آنها و ارائه راهکارهایی به منظور بهبود راندمان آبیاری، در سطح استان اصفهان مورد ارزیابی قرار داد . این سیستمها شامل قطرهچکانهای با دبی متغیر، تنظیم کننده فشار و داخل خط (نوع بلند مسیر) بودند که یکنواختی پخش آب در قطرهچکانهای فوق به ترتیب ٥٢، ٦٠ و ٧١ درصد بود، در حالی که متوسط راندمان واقعی کاربرد آب در ربع پایین (AELQ) برای مزارع مورد مطالعه ٣٧ درصد تعیین گردید. صدرقاین (١٣٧٦) نیز مشخصههای هیدرولیکی لولههای پلی اتیلن، اتصالات و قطرهچکانها را بررسی نمود. در این تحقیق ضرایب هیدرولیکی x) و (Kd در رابطه دبی ـ فشار و ضریب تغییرات ساخت (Cv) برای ١٢ نوع قطرهچکان در سه فشار تعیین گردیده و نتایج حاصله بیانگر آن است که از قطرهچکانهای مورد آزمایش حدود ٨ درصد عالی، ٢٥ درصد متوسط ، ١٧ درصد ضعیف و بقیه غیر قابل قبول میباشند، بر اساس نظر وو (١٩٩٥) یک سیستم خردآبیاری زمانی بطور مناسب طراحی گردیده که قادر باشد تقریباﹰ در همه حال با ضریب یکنواختی بیشتر از ٩٠ درصد یا با ضریب تغییرات (Cv) کمتر از ١٠ درصد کار کند.
کاپرا و اسیکالان (١٩٩٨) ٢١ سیستم قطرهای را که در ١٧ سیستم، ١٠ نوع قطرهچکان و در سایر سبستمها چهار نوع میکروجت استفاده شده بود، مورد ارزیابی قرار دادند. در این مطالعه به منظور تعیین خصوصیات و مشخصههای مهم قطرهچکانها و میکروجتها از هر نوع ٢٤ عدد مورد آزمایش قرار گرفت که دبی اسمی (qn) قطرهچکانها از ٤ تا ١٦ لیتر در ساعت و در میکروجتها از ٦٨ تا ١٦١ لیتر در ساعت متغیر بوده، در حالی که مقدار ضریب تغییرات ساخت (Cv) در محدوده یک تا ٣١ درصد به دست آمده است. ارزیابی هیدرولیکی لوله های نواری منفذدار (drip tape) دارای قطره چکانهای بلند مسیر به فواصل ٣/٠ متر بر روی آن توسط فریزونه و همکاران (١٩٩٨) نشان داد ضریب تغییرات ساخت بطور متوسط برابر ٩٧/١ درصد بوده است. همچنین با افزایش فشار کاربری، قطر داخلی لوله نواری فراختر گردیده ولی مقدار افت فشار کاهش یافت.
سهرابی و همکاران (١٩٩٩ ) خصوصیات فنی و هیدرولیکی انواع قطرهچکانهای ساخت داخل و خارج کشور شامل قطرهچکانهای بلند مسیر، تنظیم کننده فشار و روزنهای ساده را در محدوده فشار کاری ٥ تا ٢٠ متر برای ٦ فشار مختلف مورد بررسی قرار دادند. پس از انجام آزمایشهای لا زم معادله دبی ـ فشار برای هر نمونه قطره چکان تعیین گردیده و قطرهچکانها بر اساس استاندارد انجمن مهندسان کشاورزی امریکا (ASAE) طبقه بندی شدند. نتایج نشان داد از ٩ نمونه قطرهچکان مورد ارزیابی، سه نمونه عالی، یک نمونه در حد خوب، یک نمونه ضعیف، یک نمونه در حد ضعیف تا غیر قابل قبول و سه نمونه غیر قابل قبول بودند. ردریگویز سینوباس و همکاران (١٩٩٩) تغییرات دبی در ٦ نوع قطرهچکان را در محدوده ٢٠ تا ٤٠ درجه سانتی گراد مورد بررسی قرار دادند. در مجموع تغییرات دبی با دما برای قطرهچکانهای مارپیچ پلکانی و تنظیم کننده فشار چندان محسوس نبوده، لیکن دبی خروجی برای قطرهچکانهای بلند مسیر مارپیچی و گردابی با ازدیاد دما به ترتیب افزایش و کاهش یافته است.
الی ویرا و همکاران (٢٠٠٠) مشخصه های هیدرولیکی لوله های نواری منفذدار با دبی ٣/٢ لیتر در ساعت را مورد بررسی قرار دادند که قطرهچکانهایی با فواصل ٣/٠ متر در طی فرایند تولید بر روی لوله نصب گردیده بودند. این لوله های نواری در چندین فشار مختلف برای تعیین معادله دبی ـ فشار و ضریب تغییرات ساخت مورد آزمایش قرار گرفتند. اثرات دمای آب نیز
بر روی دبی قطرهچکان ارزیابی گردید. نتایج نشان داد رﮊیم جریان در قطره چکانها آشفته بوده و متوسط ضریب تغییرات ساخت معادل ٤٩/١ درصد می باشد. همچنین با افزایش دمای آب از ٣٠ به ٦٠ درجه سانتی گراد، دبی قطرهچکان فقط ٧٥/١ درصد کاهش یافت.
مصطفی زاده و کهنوجی (٢٠٠٢) به منظور بررسی اثرات دمای آب آبیاری بر روی دبی قطرهچکانها و تعیین معادله دبی ـ فشار و ضریب تغییرات ساخت (Cv) ، یک سیستم آبیاری قطره ای را در یک گلخانه طراحی نمودند. در این آزمایش چهار نوع قطرهچکان ایرانی با کاربرد گسترده در سیستمهای آبیاری قطره ای شامل قطرهچکان بلند مسیر داخل خط، قطرهچکان تفنگی (gun) ، قطره چکان تنظیم کننده فشار و لوله دو محفظه ای (double-chamber) مورد مطالعه قرار گرفت . هر یک از قطرهچکانهای مذکور در ١٤ دمای مختلف آب از ١١ تا ٥/٤٣ درجه سانتی گراد ارزیابی گردیدند. نتایج نشان داد در کلیه قطرهچکانها به جز نوع تنظیم کننده فشار، دبی قطرهچکان با دمای آب به صورت خطی افزایش می یابد ولی در قطرهچکان تنظیم کننده فشار دبی با افزایش دمای آب، به صورت خطی کاهش یافت. مقادیر یکنواختی پخش مطلق و ضریب یکنواختی کریستیان سن نیز متأثر از تغییرات دبی قطرهچکان گردید. بر اساس نتایج به دست آمده، اثر دمای آب بر ضریب تغییرات ساخت در قطره چکانهای مورد آزمایش متفاوت بوده، بگونه ای که مقدار این ضریب در دمای حدود ٢٠ درجه سانتی گراد یرای لوله دو محفظه ای، قطرهچکان بلند مسیر، قطرهچکان تفنگی و تنظیم کننده فشار به ترتیب معادل ٥ ، ٧ ، ١٣ و ٢٢ درصد تعیین گردید. بطور کلی حساسیت به تغییرات فشار و دمای آب به ترتیب از قطرهچکان تفنگی به لوله دو محفظه ای و قطرهچکان بلند مسیر کاهش یافت.
مواد و روش
در ابتدا پس از شناسایی کارخانجات سازنده قطرهچکان در داخل و خارج کشور، ٥٠ تا ١٠٠ عدد از هر نوع قطرهچکان تهیه گردید تا از میان آنها، ٢٥ عدد بطور تصادفی برای انجام آزمایشها انتخاب شوند. در مجموع از ١٠ نوع قطرهچکان جمعآوری شده ٦ نوع داخل مسیر و ٤ نوع خارج از مسیر میباشد که سه نوع از آنها (I, H, D) در خارج از کشور و بقیه نیز در داخل کشور تولید شدهاند (جدول ١). برای انجام هر آزمایش، ابتدا قطرهچکانها به فواصل ٢٠ سانتیمتر از یکدیگر بر روی یک خط لوله پلی اتیلن به قطره ١٦ میلیمتر و طول ٥ متر نصب شدند. سپس خط لوله مورد نظر بر روی پنج پایه فلزی به ارتفاع ٣٥ سانتیمتر قرار گرفته و به یک مخزن استوانهای شکل وصل گردید. از آنجایی که در این آزمایش از آب شبکه آبرسانی شهری استفاده شد، لذا برای جلوگیری از تغییرات احتمالی فشار ابتدا آب به مقدار کافی در استوانه فلزی ذخیره گردید تا برای انجام هر آزمایش مورد استفاده قرار گیرد.
پس از این مرحله با تنظیم فشار بر روی عدد مورد نظر در فشار سنج و اطمینان حاصل نمودن از ثابت شدن آن، اقدام به اندازه گیری حجم آب تخلیه شده از هر قطرهچکان گردید. بدین صورت که با شروع آزمایش ظروفی با گنجایش یک لیتر بطور همزمان در محل ریزش آب از هر قطره چکان برای جمعآوری آب تخلیه شده از قطرهچکانها قرار میگرفت. مدت زمان هر آزمایش که برابر ٥ دقیقه بود نیز توسط یک کرنومتر (با دقت ٠١/٠ ثانیه) در نظر گرفته میشد. سپس به وسیله استوانههای مدرج ١٠٠ ، ٢٥٠ ، ٥٠٠ و ١٠٠٠ میلی لیتری میزان حجم آب تخلیه شده از هر قطرهچکان تعیین گردید. همچنین توسط یک فشار سنج تعبیه شده در انتهای مسیر جریان، افت اصطکاک در طول لوله کنترل شده تا مقدار آن در محدوده مجاز (٢٠% فشار کاربری) باشد. لازم به ذکر است که مراحل فوق برای تمام قطرهچکانها در فشارهای ٥/٢، ٥ ، ٥/٧ ، ١٠ ، ١٥ و ٢٠ متر آب و دمای ٢٠ درجه سانتی گراد صورت پذیرفت که دمای آب به وسیله یک دماسنج جیوهای (با دقت یک درجه سانتی گراد) در مدت انجام هر آزمایش کنترل و ثبت میگردید. پس از خاتمه اندازهگیریها و ارزیابی کیفی قطره چکانها به لحاظ ساخت و طبقهبندی آنها بر اساس استاندارد انجمن مهندسان کشاورزی امریکا (ASAE)، قطرهچکانهایی که در سیستمهای قطرهای قابل استفاده بودند جهت بررسی اثرات دمای آب بر عملکرد آنها انتخاب شدند. در این مرحله تمام آزمایشها در دمای ٤٠ و ٦٠ درجه سانتی گراد و در چهار فشار ٥ ، ٥/٧ ، ١٠ و ١٥ متر ص ورت گرفت. بدین منظور ابتدا آب در استوانه فلزی تحت حرارت قرار میگرفت تا به دمای مورد نظر برسد. سپس مشابه حالت قبل در مدت ٥ دقیقه مبادرت به اندازهگیری حجم آب خروجی از هر قطرهچکان برای تعیین پارامترهای کیفی مورد بررسی گردید.
جدول(١) : خصوصیات انواع قطرهچکانهای مورد آزمایش
دمای آب نیز در طی مدت هر آزمایش به دقت کنترل و اندازهگیری شده است. در نهایت بر اساس اندازهگیریهای صورت گرفته، خصوصیات کیفی هر قطرهچکان مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
مهمترین ویژگی هر قطرهچکان رابطه بین تغییرات دبی و فشار در آن است. این رابطه در قطرهچکانها با معادله زیر نشان داده میشود(٥):
که q دبی قطرهچکان (لیتر در ساعت)، Kd ضریب ثابت قطرهچکان، H فشار کاربری سیستم (متر) و x نمای فشار میباشد. مقدار x میزان حساسیت شدت جریان قطرهچکان به تغییرات فشار و رﮊیم جریان را نشان میدهد و مقدار آن معمولاﹰ در محدوده ص فر و یک قرار میگیرد. هر چه مقدار x کوچکتر باشد، دبی خروجی کمتر تحت تأثیر فشار قرار گرفته و در نتیجه قطرهچکان از نظر کاربری ارجحیت دارد. برای تعیین ضرایب Kd و x میتوان میزان دبی را در دو فشار مختلف اندازهگیری کرد
و سپس با استفاده از معادله رگرسیون خطی بر روی لگاریتم دبی و فشار این مقادیر را مشخص نمود: log(q1 / q2)
پس از محاسبه x ، با قرار دادن آن در معادله (١) مقدار Kd به دست میآید.
ضریب تغییرات ساخت
تفاوتهای اندک در ساخت قطرهچکانها موجب تغییرات زیادی در مقدار دبی خروجی قطرهچکان میشود که این مسأله بر توزیع یکنواخت آب آبیاری اثر منفی خواهد داشت. نحوه طراحی فنی و هیدرولیکی قطرهچکان، کیفیت قالبهای به کار گرفته شده، نوع مواد اولیه مصرفی، روش قالبریزی قطعات قطرهچکانها و میزان دقت اعمال شده در مراحل تولید از مهمترین عوامل مؤثر در کیفیت ساخت یک قطرهچکان میباشند. از آنجایی که معمولاﹰ در یک فشار ثابت، دبی خروجی از قطرهچکانهای ساخت
یک کارخانه با یکدیگر تفاوت دارند، برای بیان این ویژگی از ضریب تغییرات ساخت (Cv) استفاده گردیده که مقدار آن را میتوان از رابطه زیر محاسبه نمود(٥):
که sd انحراف از معیار دبیهای اندازهگیری شده، qa متوسط دبی قطرهچکانها و qi دبی اندازهگیری شده در قطرهچکان i از n قطرهچکان مورد آزمایش بر حسب لیتر در ساعت میباشد. در حال حاضر از طبقهبندی انجمن مهندسان کشاورزی آمریکا (ASAE) به عنوان استاندارد استفاده میشود(جدول ٢).
یکنواختی پخش
در یک سیستم آبیاری قطرهای لازم است ضرایب یکنواختی سیستم مشخص گردد تا بتوان بر اساس آن رابطه بین عمق خالص و ناخالص آبیاری را در منطقه ریشه گیاه به دست آورد. از آنجایی که یکنواختی پخش آب یکی از دو جزﺀ مؤثر بر راندمان آبیاری است، لذا از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد:
که در آنEU یکنواختی پخش (درصد) و q`n متوسط دبی قطرهچکان در چارک پایین است(٥).
ضریب یکنواختی
یکنواختی توزیع آب در مزرعه از نظر کمی با ضریب یکنواختی مشخص میشود. دامنه تغییرات دبی قطرهچکان نیز از ضریب یکنواختی که ابتدا برای یکنواختی پخش آب در آبپاشهای آبیاری بارانی به کار رفته است، به دست میآید (ضریب یکنواختی کریستیان سن):
که n تعداد قطرهچکان مورد آزمایش میباشد(٥).
یکی دیگر از روشهای بررسی تغییرات دبی در قطرهچکانها مقایسه حداکثر و حداقل دبی در قطرهچکان میباشد که از آن میتوان به عنوان معیار انتخاب قطرهچکان استفاده نمود(٥):
qmax و qmin به ترتیب حداکثر و حداقل دبی در قطرهچکانها میباشند.
با استفاده از روابط مذکور، نتایج حاصله از آزمایش تحلیل گردیده و عملکرد هیدرولیکی قطرهچکانها مورد ارزیابی قرار گرفت.
جدول(٢) : طبقهبندی کیفی قطرهچکانهای نقطهای بر اساس استاندارد انجمن مهندسان کشاورزی آمریکا
نتایج و بحث
در ابتدا دبی هر قطرهچکان در فشارهای مختلف مشخص گردید که با توجه به آن میزان دبی متوسط در هر فشار با سطح اعتماد ٩٥% محاسبه شده است (جداول ٣ تا ٥). سپس با توجه به مقادیر دبی در فشارهای مختلف معادله توانی رگرسیون به صورت q=Kd.Hx برای تعیین میزان Kd و x در کلیه قطرهچکانها به دست آمد. شایان ذکر است که این معادله برای دمای ٢٠ درجه سانتی گراد در محدوده فشار کاربری ٥/٢ تا ٢٠ و برای دماهای ٤٠ و ٦٠ درجه سانتی گراد در محدوده فشار ٥ تا ١٥ متر تعیین گردیده است. در کلیه معادلات، فشار بر حسب متر و دبی خروجی قطره چکان نیز بر حسب لیتر در ساعت منظور شده که نتایج حاصل از این رگرسیون غیر خطی (منحنی) متغیرها در جداول ٦ تا ٨ ارائه گردیده است. بطوری که مشاهده میشود در دمای ٢٠ درجه سانتی گراد ضریب همبستگی (r) برای کلیه قطرهچکانها در سطح ١% و برای دماهای ٤٠ و ٦٠ درجه سانتی گراد، این ضریب در اکثر قطرهچکانها در سطح ٥% معنیدار شده است.
همچنین مقادیر ضریب تغییرات ساخت (Cv) ، یکنواختی پخش آب (EU)، ضریب یکنواختی (CU) و تغییرات دبی (qvar) برای کلیه قطرهچکانها در فشارهای مختلف و برای هر دما تعیین گردید. سپس میزان متوسط هر یک از ضرایب فوق در فشارهای مورد آزمایش برای دمای مربوطه محاسبه و به عنوان مقدار نهایی برای هر قطرهچکان در نظر گرفته شد. پس از این مرحله بر اساس استاندارد ASAE اقدام به طبقه بندی کلیه قطرهچکانها از نظر کیفی گردید که نتایج حاصله در جدول ٩ برای دمای ٢٠ درجه سانتی گراد نشان داده شده است.
بطوری که ملاحظه میشود ضریب تغییرات ساخت (Cv) در قطرهچکانها از ٣ درصد برای قطرهچکان نوع D (با درجه کیفی عالی) تا ٩/٤٠ درصد در قطرهچکان F (با درجه کیفی غیر قابل استفاده) متغیر است، بصورتی که در ٧٠ درصد قطرهچکانهای مورد آزمایش این مقدار حتی از ١٥ درصد (آخرین حد مجاز ( Cv فراتر رفته است. میزان یکنواختی پخش آب (EU) و ضریب یکنواختی (CU) به ترتیب در محدوده ٩/٥٣ تا ٩٧ درصد و ١/٧١ تا ٢/٩٨ درصد میباشد که قطرهچکان نوع D بیشترین مقدار و قطرهچکانهای J و A کمترین مقدار را به خود اختصاص دادهاند. میزان تغییرات دبی (qvar) نیز از ٨/١٣ تا ٣/٩٠ درصد متغیر است که قطرهچکانهای D و J به ترتیب حداقل و حداکثر مقدار را دارا هستند.
بطور کلی در دمای ٢٠ درجه سانتی گراد از نظر کیفی ٢٠ درصد قطرهچکانها عالی، ١٠ درصد متوسط و ٧٠ درصد نیز غیر قابل استفاده میباشند. با توجه به این نتایج ضروری است که کنترل و نظارت بیشتری در نوع و کیفیت مواد اولیه مصرفی برای ساخت انواع قطرهچکانهای مورد استفاده در سیستمهای آبیاری قطرهای به عمل آید و روش قالب ریزی قطعات و اجزاﺀ مختلف قطرهچکانها بهبود یابد. تحقیقات سولومان نیز حاکی از آن است یک عامل مهم و موثر بر یکنواختی دبی خروجی قطرهچکانها، تغییرات ساخت در بین قطرهچکانهاست که نحوه طراحی هیدرولیکی قطرهچکان و همچنین میزان دقت اعمال شده در طی مراحل تولید از جمله عوامل موثر بر مقدار تغییرات ساخت در قطرهچکانها میباشند(١٤).
