CC BY
36
УДК 614.94:636.4
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА В СВИНОВОДСТВЕ
В.В. Кирсанов, доктор технических наук М.Н. Фильков, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: m.filkov@mail.ru
И.Ю. Игнаткин, кандидат технических наук ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана E-mail: ignatkinivan@gmail.com
Аннотация. В среднем по году микроклимат на 20% влияет на себестоимость свинины. Обеспечение микроклимата - энергоемкая задача. Причем в зимний период воздух необходимо нагревать, а летом охлаж-дать. В статье рассмотрены результаты исследований многофункциональной энергосберегающей климатической установки, объединяющей в себе функции рекуперативного утилизатора теплоты, водо-испарительного охладителя с функцией регулирования направления вектора потока струи приточного воздуха. Установка разработана с применением метода функционально-стоимостного анализа и синтеза. Исследованы процессы «сухого», конденсационного и десублимационного теплообмена. Обоснован квазистационарный режим теплообмена в условиях образования инея, позволяющий повысить эффективность утилизации теплоты на 2-16%. Исследован процесс водоиспарительного охлаждения с орошаемыми слоями. В качестве орошаемых слоев используется поверхность теплообменника, что позволяет охлаждать приточный воздух на 15°С и обеспечивает всесезонную эксплуатацию установки. Исследованы процессы воздухораспределения в условиях неизотермических струйных течений. Разработан способ регулирования направления вектора потока струи приточного воздуха с целью обеспечения заданной дальнобойности в текущей температуре наружного воздуха. Установлен диапазон варьирования угла наклона вектора потока, составляющий 0-34° в интервале температур наружного воздуха от +10 до -30°С. Обоснованы параметры впускного и выпускного отверстий, минимизирующие обратный подсос вытяжного воздуха. Исследовано изменение тепловой мощности установки в зависимости от наружной температуры. Определена годовая экономия топливо-энергетических ресурсов за счет применения установки, которая в зависимости от региона составляет 60-90%.
Ключевые слова: вентиляция, водоиспарительное охлаждение, рекуперация, струйная вентиляция,утилизация теплоты, функционально-стоимостной анализ и синтез.
Введение. В среднем по году микроклимат на 20% влияет на себестоимость свинины. Существенный вклад в решение проблемы обеспечения микроклимата и энергосбережения в животноводстве внесли Мурусид-зе Д.Н., Самарин Г.Н., Растимешин С.А., Тихомиров Д.А., Новиков Н.Н., Гулевский В.А., Ильин И.В. и др., а также иностранные фирмы: «Hoval», «BigDutchman», «DAKS», «RIMU», «REVENTA», «HAKA», «Gemmel», «Tuffigo Rapidex» и др. Это обусловлено высокой значимостью микроклимата в решении задачи повышения продуктивности животных [1, с. 140-144; 2; 3; 4, с. 84-90; 5, с. 6468; 6, с. 30-31; 7, с. 5-10; 8]. Современная техника развивается в направлениях универ-
сальности, многофункциональности, адаптивности, модульности. Следовательно, необходимо разработать комбинированную энергосберегающую систему обеспечения микроклимата с функциями охлаждения и утилизацией теплоты для свиноводческих предприятий. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести функционально-стоимостной анализ и синтез многофункциональной энергосберегающей установки для обеспечения микроклимата в свиноводстве;
2. Обосновать параметры вытяжной струи на выходе из установки и зону влияния всасывающего проема, минимизирующие обратный подсоса удаляемого воздуха;
3. Исследовать процесс водоиспаритель-ного охлаждения;
4. Исследовать процесс воздухораспреде-ления в свинарнике;
5. Исследовать процесс теплообмена и обосновать параметры рекуперативного теплообменника;
6. Обосновать параметрический ряд установок различной производительности;
7. Провести экспериментальные исследования установки.
Методы. Результаты исследований получены на основе фундаментальных законов и положений термодинамики, молекулярно-кинетической теории, механики, аэродинамики, физического моделирования. Применены методы системного подхода, вероятностно-статистического, функционально-стоимостного анализа и синтеза. Использованы накопленные знания в области проводимых исследований.
Экспериментальная база, ход исследований. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории и на свинокомплексах Тамбовской, Саратовской, Владимирской областей, Краснодарского края, Томска и Якутска. На основе проведенного функционально-стоимостного анализа и синтеза нами разработана структурная модель универсальной климатической установки с системой регулирования вектора потока струи приточного воздуха (рис. 1). В зависимости от температуры теплообменной стенки со стороны вытяжного канала процесс происходит в «сухом», конденсационном и десублимационном режимах.
[ Универсальная многофункциональная установка
Зима
Ш
X
Теплообмен десудлимаиионный 1-
| Переходный период\
I
Х
Лето
В общем случае уравнение теплового баланса имеет вид:
Ч = Жпр ■ Рпр ■ спр ■ (*„р - О + Чп =
Жвыт ■ Рвь где Ж
пр
(/вн
/выт),
(1)
- объемный расход приточ-
^ _ _
ного и вытяжного воздуха, м /ч; рпр, рвыт -средние плотности приточного и вытяжного
3. ;г
Теплообмен сухой и конденсационный
Вадоиспарительное охлаждение
Л
Рекуперация / оттаивание
КЬазистационарныи режим
АдаптиВная рециркуляция
Вентиляция
X
Обоснование зоны обслуживания
Минимизация подсоса вытяжного воздуха
Обоснование параметрического ряда
воздуха, кг/м ; спр, - средняя теплоемкость приточного воздуха, Дж/кг/°С; ;пр, ;н - температура приточного и наружного воздуха, °С; /вн, /выт - энтальпии внутреннего воздуха и вытяжного воздуха после теплообмена, Дж/кг; чп - потери в атмосферу, Вт.
В процессе десублимации теплообменная поверхность покрывается шероховатым слоем инея. Поверхность увеличивается, а с ней и эффективность теплопередачи. С дальнейшим увеличением отложений инея шероховатость стабилизируется или снижается, уменьшается площадь пропускного сечения, ухудшается теплопередача. На рис. 2 (а, б) приведены графики изменения тепловой мощности аппарата в условиях образования инея.
Характер кривых отчетливо демонстрирует наращивание относительной тепловой мощности (рис. 2а). В течение первых десяти минут процесса инееобразования, несмотря на уменьшение пропускной способности рекуператора, тепловая мощность стабильно близка к номинальным значениям - имеет место выраженный квазистационарный режим. С ростом критерия Рейнольдса до 4,5-104 (рис. 2б) интенсивность теплопередачи возрастает на 16% от номинала.
В теплое время года система вентиляции направлена на удаление избытков теплоты. Вытяжка воздуха осуществляется оконными или крыш-ными вентиляторами. Вентиляторы универсальной установки работают на приток (рис. 3в). При необходимости охлаждения приточного воздуха теплообменник орошается водой форсунками 10 и 12, реализуется водоиспари-тельное охлаждение.
Рис. 1. Структурная модель универсальной климатической установки
р/р.
.2
! 1. МИН
0 005 о 1П 015 ОРЗ 0 33 Обв ? 4 в ■^10 1? 14 16
Г Ч
Ч
В рассматриваемом аппарате воздушные каналы представляют собой трубки прямоугольного сечения. Каналы направлены вдоль основного воздушного потока. Гаври-киным В.П. и Курановым Е.А. получена формула для определения температуры мокрого термометра.
_ -7,14+0,651
м _ 1+9, 7- 1 0 "3 I- 3, 12 ■ 1 0 "6-/2 ( )
где / - энтальпия (теплосодержание) воз-
кДж
духа, —.
кг-К
Процесс водоиспарительного охлаждения изоэнтальпийный:
(г+сп ■ гн) <гн
/ = сГ
1000
(4)
б
Рис. 2. Изменение относительной тепловой мощности во времени: а, б - при Яеср = 2,2404 и 4,5^104 соответственно; 1 - относительное измерение тепловой мощности рекуператора в модели воспринимающей иней исключительно как источник термического и аэродинамического сопротивления; 2 - учитывает реальный характер влияния процесса образования инея на теплопередачу
Процесс ограничивается экспозицией, относительной влажностью воздуха на выходе из аппарата и параметрами наружного воздуха. В пограничном слое, вблизи охлаждающей поверхности относительная влажность равна 100%. Температура стенки аппарата равна температуре мокрого термометра и для рассматриваемых условий неизменна (рис. 4). Процесс тепломассообмена характеризуется равенством отведенной теплоты, от приточного воздуха и теплоты парообразования, истраченной на испарение влаги с поверхности аппарата.
<7охл^ 5 ■ а ■ ( ^ - tм), (2)
где а - средний по поверхности теплооб-
Вт
мена коэффициент теплоотдачи, 5 -
площадь поверхности теплообмена, м ; - соответственно температура наружного воздуха и поверхности теплообмена (мокрого термометра), °С.
где - удельная массовая теплоемкость
сухого воздуха (1,006), —-
В установившемся процессе тепловой поток равен:
_ Мр-(^пр - Дн)-(г + Сп ■ ^м)
^и™ _ 3 60 0 ■ 1 03 (5)
где - производительность охладителя, ^ _
м /ч; р - средняя плотность охлаждаемого воздуха, кг/м ; йп р - влагосодержание воздуха на выходе из охладителя, г/кг с. в.; -влагосодержание наружного воздуха, г/кг с. в.; сп - удельная массовая теплоемкость сухого пара (1,8068), ; 3600 - кол-во секунд
в часу; 1 0 3 - кол-во миллиметров в метре.
Влагосодержание воздуха определяется по формуле:
. _ _„ ф 5 5 16, 89(-----)
й = 0, 7 7 — е (2 5 3 (2 7 3+()) 100
(6)
где - относительная влажность воздуха, %; - основание натурального логарифма (2,72); t - температура воздуха, °С.
Очевидно, что водоиспарительное охлаждение возможно только при соблюдении условия: .
Глубина охлаждения приточного воздуха ограничена энергией фазового перехода:
<7охл-Ю3
При цохл < цш Если цохл >
^пр 0, 2 8 ■МАр £ _ ^псп-ю3 пр 0, 2 8 ■МАр
(7)
Согласно многочисленным исследованиям характер распределения полей температуры и концентрации определяется наличием струйных течений.
а
а б в
Рис. 3. Универсальная установка обеспечения микроклимата: а - режим промывки, рекуперации; б - режим оттаивания; в - режим охлаждения; 1 - впускное окно; 2 - впускной воздуховод; 3 - теплообменник; 4 - вытяжной вентилятор; 5 - поддон; 6 - сливной патрубок; 7 - приточный вентилятор; 8 - рециркуляционный проем; 9 - рециркуляционная заслонка; 10 - трубопровод с форсунками; 11 - выпускной
воздуховод; 12 - трубопровод с форсунками
Причем важен не только сам факт наличия струй, но их свойства и характер взаимодействия. В зимний период года струя приточного воздуха поступает в помещение с температурой ниже, чем в помещении, по мере ее раскрытия она снижает скорость своего движения и «тонет» под действием гравитации, что неблагоприятно сказывается на дальнобойности установки (рис. 4).
Утт ~ Нв НСТ у I = f (х, А г) А г = f (х, Д t , V, т, п) а = arctg^
(8)
Рис. 4. Схема к обоснованию угла коррекции вектора приточной струи
Целесообразно компенсировать это явление изменением направления вектора потока струи приточного воздуха. Описанное выше можно записать в математической форме:
где Lтах - дальнобойность струи, м; НСТ -высота станка, м; Нв - расстояние от оси выпускного отверстия до пола, м; Аг - критерий Архимеда; х - абсцисса, м; Дt - разница температур, °С; V - скорость струи, м/с; т,п - аэродинамический и тепловой коэффициенты.
Результаты расчетов представлены в виде графика (рис. 5), отражающего изменение траектории струи в зависимости от температуры наружного воздуха и удаленности от нулевого сечения. Из графика следует, что теоретический диапазон варьирования угла наклона жалюзи составляет 0-34°. Полностью исключить попадание отработанного воздуха в приточный практически невозможно. Следовательно, необходимо обосновать параметры выпускного и всасывающего отверстия, минимизирующие подсос отработанного воздуха при заданном расходе (рис. 6).
Рис. 5. Теоретические углы на коррекции вектора потока
Жф — ^Knaxi
(9)
^т т = 0 , 2 м / с ; , ^ Я = /(5, Л, £) — ш / п где - расстояние между приточным и выбросным проемами, м; - высота приточного проема, м; - скорость на периферии всасывающего факела, м/с.
Отработанный воздух удаляется вертикально вверх, это реализуется за счет сообщенного выбросной струе импульса. С точки зрения эффективности утилизации теплоты следует соблюдать баланс производительно-
стей, при этом сообщая струе выбросного воздуха максимальную скорость. Для увеличения скорости струи выбросного воздуха необходимо использовать сопло. Если сопротивление сопла будет равно разнице полных сопротивлений приточного и вытяжного каналов, мы решим задачу устранения дисбаланса производительностей приточной и вытяжной систем при условии максимизации скорости выбросной струи. Геометрические параметры сопла должны обеспечивать минимальное сопротивление потоку (рис. 7).
D2
Di 1 к
ч
§
А Ь
-С;
А
Рис. 6. Эпюры скоростей всасывающего и выбросного факелов
Расположив выбросное сопло вне зоны влияния всасывающего факела, мы минимизируем подсос отработанного воздуха. При заданной производительности системы зона влияния всасывающего факела будет конечной и зависящей от геометрических параметров всасывающего проема.
Рис. 7. Схема к расчету параметров всасывающего проема
Обобщая рассуждения, запишем: Жф — ^Кпах'
Vmin = 0,2 м/с; Я = /(5, Л, С) — тi п ;
Р ■ V42
(10)
^ р в ыт ^ р п р ( Ссо п "1" Св ых2) ' 2 ' ^выт /( ' Ссо п< Св ых2 ■ ■ ■ ) — т ■
Построим зависимость зоны влияния всасывающего факела от скорости на входе во впускной проем. При условии постоянства расхода эта характеристика зависит только от площади впускного окна. Вход воздуха осуществляется по всей ширине теплообменника. Высота впускного проема h - варьируемая величина.
Результаты расчетов свидетельствуют том, что при расстоянии между впускным и выпускным окнами более 1 м влияние всасывающего факела несущественно. На расстоянии 0,5 м соотношение сторон всасывающего проема перестает оказывать суще-
ственное влияние. Следовательно, размеры и форму проема следует назначать, исходя из гидравлического сопротивления и габаритных размеров. Результаты расчетов скорости стока от расстояния до впускного проема приведены на рисунке 8.
4
0 -4 -8 -12-16-20-24-28-32-36-40
°С
24)000 Г* vBr-ч
J 1500Û \ \
Экономия 91,0 % lfllMO \ ч. \
\
Рис. 8. Зависимость скорости стока от расстояния до впускного отверстия
Согласно приведенным данным для установки производительностью 6000 м3/ч размер проема следует принимать 0,4±0,1 м. Такой диапазон обеспечивает удовлетворительные размеры для обслуживания при приемлемых потерях (10±5 Па). Обеспечение максимальной скорости выхода струи при заданном значении потерь возможно достичь при использовании насадка. График изменения тепловой мощности установки в зависимости от наружной температуры приведен на рисунке 9. Графики годового энергопотребления приведены на рисунке 10.
кВт 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0
_ _ Мощность теплообмена
Рис. 9. Зависимость тепловой мощности рекуператора от наружной температуры
я -л -и -ю j ; .j : • -V
—— ЭчертчитгреОслпим с pet iciua '■>' —1—ЭиергтатреЭькиле fie: рек. тепла кВтч '"'"**
Рис. 10. Годовые затраты тепловой энергии на отопление
Выводы. В результате исследования процесса теплообмена в полимерном рекуперативном воздухо-воздушном теплообменнике выявлено влияние инея на аэродинамическую и тепловую проводимость вытяжного канала. Так, в диапазоне Re 2,2-104 ... 4,5-104 отмечается прирост тепловой мощности 2-16%.
Исследованы параметры функционирования установки в режиме водоиспарительного охлаждения с учетом геометрических, аэродинамических и энергетических показателей. Получены зависимости, позволяющие определить температуру и относительную влажность на выходе из установки при известных параметрах наружного воздуха.
Установлена зависимость дальнобойности струи приточного воздуха установки от температуры и угла наклона вектора потока. С целью обеспечения постоянства зоны обслуживания установлен диапазон варьирования угла наклона вектора потока составляет 0-34° в интервале температур наружного воздуха от +10 до -30°С. Определены параметры выпускного насадка, обеспечивающие максимальную скорость струи вытяжного воздуха, в рамках потерь давления, компенсируемых естественной тягой. Оптимальный угол сужения насадка составляет 45°. При потерях давления 5±1 Па скорость струи на выходе из насадка составляет 2,5-3,0 м/с.
Литература:
1. Гулевский В.А. Моделирование теплообмена в пластинчатых теплообменниках // Вестник Воронежского ГАУ. 2012. №2.
2. Механизация и автоматизация животноводства / Кирсанов В.В. и др. М., 2004. 398 с.
3. Механизация и технология животноводства / Кирсанов В.В. и др. М., 2013. 585 с.
4. О некоторых аспектах моделирования работы пластинчатых теплообменников // Известия ВУЗов. 2011. №12. С. 84-90.
5. Гулевский В.А. Применение теплообменников (рекуператоров) для нормализации микроклимата животноводческих помещений // Известия ВУЗов. 2013. №9.
6. Влияние параметров микроклимата на продуктивность свиней // Эффективное жив-во. 2011. №5. С. 30.
7. Игнаткин И.Ю., Казанцев С.П. Рекуператор теплоты для свиноводческого комплекса // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2013. №4. С. 17.
8. Архипцев А.В., Игнаткин И.Ю. Автоматизированная система микроклимата с утилизацией теплоты вытяжного воздуха // Вестник НГИЭИ. 2016. №4. С. 5.
9. Казанцев С.П. Система микроклимата в свиноводстве с применением охладителей новой конструкции // Механизация и электрификация с. х. 2014. №5.
10. Тихомиров Д.А. Энергосберегающие электрические системы и технические средства теплообеспече-ния основных технологических процессов в животноводстве: дис. д. т. н. М., 2015.
11. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Математическая модель рекуперации теплоты в условиях образования инея // Вестник НГИЭИ. 2016. №6. С. 68-77.
12. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Математическая модель водоиспарительного охлаждения в системах вентиляции // Вестник МГАУ. 2017. №1. С. 14-20.
13. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Струйная модель притока вентиляционного воздуха из теплоутилизационной установки // Вестник МГАУ. 2018. №2. С. 28.
Literatura:
1. Gulevskij V.A. Modelirovanie teploobmena v plastin-chatyh teploobmennikah // Vestnik Voronezhskogo GAU. 2012. №2.
2. Mekhanizaciya i avtomatizaciya zhivotnovodstva / Kirsanov V.V. i dr. M., 2004. 398 s.
3. Mekhanizaciya i tekhnologiya zhivotnovodstva / Kirsanov V.V. i dr. M., 2013. 585 s.
4. O nekotoryh aspektah modelirovaniya raboty plastin-chatyh teploobmennikov // Izvestiya VUZov. 2011. №12.
5. Gulevskij V.A. Primenenie teploobmennikov (rekupe-ratorov) dlya normalizacii mikroklimata zhivotnovodche-skih pomeshchenij // Izvestiya VUZov. 2013. №9.
6. Vliyanie parametrov mikroklimata na produktivnost' svinej // EHffektivnoe zhiv-vo. 2011. №5. S. 30.
7. Ignatkin I.YU., Kazancev S.P. Rekuperator teploty dlya svinovodcheskogo kompleksa // Mekhanizaciya i ehlektri-fikaciya sel'skogo hozyajstva. 2013. №4. S. 17.
8. Arhipcev A.V., Ignatkin I.YU. Avtomatizirovannaya sistema mikroklimata s utilizaciej teploty vytyazhnogo vozduha // Vestnik NGIEHI. 2016. №4. S. 5.
9. Kazancev S.P. Sistema mikroklimata v svinovodstve s primeneniem ohladitelej novoj konstrukcii // Mekhaniza-ciya i ehlektrifikaciya s. h. 2014. №5.
10. Tihomirov D.A. EHnergosberegayushchie ehletriche-skie sistemy i tekhnicheskie sredstva teploobespecheniya osnovnyh tekhnologicheskih processov v zhivotnovodst-ve: dis. d. t. n. M., 2015.
11. Kirsanov V.V., Ignatkin I.YU. Matematicheskaya model' rekuperacii teploty v usloviyah obrazovaniya ineya // Vestnik NGIEHI. 2016. №6. S. 68-77.
12. Kirsanov V.V., Ignatkin I.YU. Matematicheskaya model' vodoisparitel'nogo ohlazhdeniya v sistemah ventilya-cii // Vestnik MGAU. 2017. №1. S. 14-20.
13. Kirsanov V.V., Ignatkin I.YU. Strujnaya model' prito-ka ventilyacionnogo vozduha iz teploutilizacionnoj usta-novki // Vestnik MGAU. 2018. №2. S. 34.
MULTI-FUNCTIONAL ENERGY-SAVING CLIMATIC INSTALLATION IN PIG BREEDING V.V. Kirsanov, doctor of technical sciences M.N. Fil'kov, candidate of technical sciences FGBNY FNAC VIM
I.Y. Ignatkin, candidate of technical sciences FGBOU VO MGTU after Bauman
Abstract. On average, the microclimate affects the cost price of pork in 20%. Microclimate providing is energy- intensive task. And, the air must be heated in winter, and cooled in summer. The article discusses the results of studies of multifunctional energy-saving climate system that combines the functions of a recuperative heat exchanger, a water-vaporizing cooler with the function of controlling the flow vector of air stream supply direction. The facility has been developed with the analysis and synthesis value method using. The processes of "dry", condensation and desublimation heat exchange are investigated. The heat exchange quasi-stationary regime in the frost formation conditions, allows to increase the heat utilization efficiency in 2-16% is justified. The water-evaporative cooling process with irrigated layers is investigated. The surface of the heat exchanger is used as irrigated layers, that allows to cool intake air in 15°C and ensures installation's all-season operation. The air distribution processes conditions under non-isothermal jet flows are investigated. The vector of air stream flow direction supply controlling method in order to ensure a given range at the current outdoor temperature was developed. The flow vector inclination angle variation range is set as to be 0-34° at outdoor temperatures range from +10 till -30°C. The inlet and outlet openings parameters, minimizing the of exhaust air return inflow are justified. The unit thermal capacity change depending on the outdoor temperature has been investigated. The fuel and energy resources' annual saving by using the install a-tion, that depending on the region, that is 60-90% was determined.
Keywords: ventilation, water evaporation cooling, recuperation, jet ventilation, heat's utilization, functional-and-cost analysis and synthesis.
