CC BY
33
УДК 621.359.4
Эффективность применения систем частичной рециркуляции воздуха в свиноводческих помещениях
Л.Н. Андреев, канд. техн. наук; В.В. Юркин, ст. преподаватель; Е.А. Басуматорова, аспирантка ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
Производство продукции свиноводства высокого качества сопровождается повышенной концентрацией животных на комплексах, что приводит к ухудшению условий содержания, выражающемуся в ухудшении параметров воздушной среды. Повышенные концентрации пыли и газов отрицательно сказываются на здоровье животных и работников, агрессивно воздействуют на оборудование, электрические аппараты и машины, работу инженерных коммуникаций. Вред наносится не только внутри комплексов, но и за его пределами. Системы вентиляции (часть), применяемые в настоящий момент в свиноводческих помещениях, не оптимизированы и не эффективны по причине того, что не регулируется подача воздуха в помещениях, в зависимости от загазованности и запылённости внутри помещений, ограничено применение или не используется совсем теплоутилизация и другие современные методы снижения расхода энергии, отсутствуют средства очистки воздуха, что приводит к загрязнению воздушного бассейна вблизи ферм. Использование систем вентиляции в животноводческих помещениях с перераспределением воздушных потоков в режиме частичной рециркуляции вентиляционного воздуха с его одновременной высокоэффективной очисткой и обеззараживанием является одним из перспективных и эффективных способов создания оптимальных параметров воздушной среды. Представлен процесс поддержания на заданном уровне концентрации загрязнителей внутри свиноводческого помещения в режиме частичной рециркуляции воздуха, основанного на уравнении материального баланса. Дано описание алгоритма работы системы удаления загрязнителей из воздушной среды станка для содержания поросят на откорме в режиме частичной рециркуляции воздуха. Доказано, что режим частичной рециркуляции воздуха, в отличие от прямой циркуляции, обеспечивает повышение энергоэффективности систем вентиляции за счёт снижения выбросов тепловой энергии в окружающую среду.
Ключевые слова: воздушная среда, вентиляция, частичная рециркуляция, очистка воздуха, энергосбережение, вредные газы, пыль, свиноводство.
Отклонение параметров микроклимата от нормируемых значений при содержании животных, особенно в животноводческих помещениях, приводит к снижению удоев молока на 10 - 20 %, уменьшению приростов живой массы на 20 - 30 %, увеличению отхода молодняка до 5 - 40 %, снижению продуктивности птицы на 30 - 35 %, сокращению срока хозяйственного использования животных на 15 - 20 %, увеличению затрат корма и труда на единицу продукции, уменьшению продолжительности эксплуатации зданий и оборудования [1].
Воздушная среда - это сложный комплекс взаимосвязанных факторов, воздействующих на организм животного (на обмен веществ, теплообмен, газообмен, физико-химические свойства крови, температуру тела и др.). Организм животного может приспосабливаться к любым изменениям воздушной среды, но лишь до определённых пределов. Так, санитарно-гигиенические условия работы в сельском хозяйстве России отличаются тем, что часто
превышаются предельно допустимые концен-трациии (ПДК) на пары и газы до 17,8 %, а на пыль и аэрозоль - до 22,9 % [2]. Длительное воздействие на животных воздушной пыли может быть причиной заболеваний органов дыхания. Загрязнение кожи животных пылью вызывает раздражение, зуд и воспалительные процессы, нарушаются теплорегуляторные, выделительные функции кожи. Оседая на слизистую глаз, пыль способствует развитию пылевых конъюнктивитов и кератитов. Наибольшее влияние оказывает пыль на органы дыхания, что может быть причиной их заболеваний. Ущерб от заболевания выражается в виде потери продуктивности, работоспособности, иногда вынужденного убоя и гибели больных животных, а также затрат на их лечение [3]. Вместе с этим повышенные концентрации пыли и вредных газов ведут к увеличению риска возникновения профессиональных заболеваний у работников. Структура профессиональной заболеваемости работников АПК представлена в таблице 1.
1. Структура профессиональных поражений работников сельскохозяйственного производства
за последнее десятилетие XX в.
Диагноз или причина Удельный вес, % (по годам)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Заболевания 92,4 97,1 95,0 96,3 98,0 97,8 98,2 98,8 98,8 98,81 98,8
В том числе
Заболевания органов дыхания 10,2 12,0 12,3 11,0 9,9 13,2 8,8 8,3 9,1 9,1 9,11
Отравления 7,6 2,9 5,0 3,7 2,0 2,2 1,8 1,2 1,2 1,19 1,18
Заболевания, вызываемые пылью, - это бронхит и пневмонит, воспаление дыхательных путей, аллергический альвеолит, астма и др.
Пыль влияет на производственные помещения: увеличивает износ машин и оборудования; ухудшает санитарное состояние производственных помещений; снижает уровень освещённости вследствие загрязнения световых проёмов, ламп и осветительной арматуры; может способствовать возникновению пожаров и взрывов [4]. Так, средний срок службы электродвигателей в сельском хозяйстве составляет 2 года, а аварийность находится на уровне 23 % [5].
В настоящее время для удаления вредностей используется механическая приточно-вытяжная вентиляция, что не оправдано с точки зрения энергосбережения, так как с вентиляционным воздухом выбрасывается тепловая энергия, на получение которой расходуются энергоресурсы.
Проанализировав энергобаланс Российской Федерации, в частности сельского хозяйства, можно сделать вывод, что сельское хозяйство преодолело кризис 2008 г. и продолжает увеличивать производственные мощности, что влечёт увеличение потребления электроэнергии [6].
Целью исследования являлось изучение возможности применения и использования системы частичной рециркуляции воздуха в помещениях для содержания поросят.
Материал, методы и результаты исследования. Рассмотрен и предложен один из вариантов повышения энергоэффективности системы вентиляции секции со станками для содержания поросят на откорме. Исследования проводились в свинокомплексе ООО «Согласие» Тюменской области. Была выбрана секция с поросятами, в которой животные должны находиться 53 дня. Были определены количество и концентрации загрязнителей, кратность воздухообмена для прямой циркуляции по каждому загрязнителю.
Установлено, что при прямой циркуляции вентиляционного воздуха кратность воздухообмена, необходимая для удаления основных загрязнителей воздушной среды (пыль, влажность, углекислый газ, сероводород, аммиак), определяется как наибольшее значение и достигает значений от 6 до 9 ч-1 в зависимости от возраста животных (кратность воздухообмена для удаления пыли соответственно на момент поступления поросят в секцию и при выходе из секции). В свою очередь, кратность воздухообмена по удалению влажности и углекислого газа составляет от 2,8 до 4,4 ч-1 (рис. 1).
Таким образом, существует потенциал по снижению прямой циркуляции воздуха до двух раз за счёт направления части вентиляционного воздуха на рециркуляцию с одновременной очисткой от пыли, сероводорода, аммиака. Т.е. для повышения энергоэффективности систем вентиляции
за счёт снижения выбросов тепловой энергии в окружающую среду, характерных для прямой циркуляции воздуха, целесообразно использовать режим частичной рециркуляции воздуха.
Описание процесса поддержания на заданном уровне концентрации загрязнителей внутри свиноводческого помещения в режиме частичной рециркуляции воздуха, основанного на уравнении материального баланса, представлено в ранее опубликованной работе [7]. Анализ полученных зависимостей показывает, что общая кратность воздухообмена N на момент посадки поросят в секцию, достигающая значения 6 ч-1, обеспечивает оптимальные параметры воздушной среды в секции при условии, что кратность прямой циркуляции составляет 2,8 ч-1, а кратность рециркуляции Л^рец составляет 3,2 ч-1. Общая кратность воздухообмена N на момент высадки поросят из секции, достигающая значения 9 ч-1, обеспечивает оптимальные параметры воздушной среды в секции при условии, что кратность прямой циркуляции составляет 4,4 ч-1, а кратность рециркуляции ^ец составляет 4,6 ч-1 (рис. 2).
Рис. 1 - Кратность воздухообмена, необходимая для удаления основных вредностей:
1 - кратность воздухообмена при прямой циркуляции вентиляционного воздуха для удаления пыли; 2 - кратность воздухообмена при прямой циркуляции вентиляционного воздуха для удаления влажности и углекислого газа
Рис. 2 - Кратность воздухообмена вентиляционного воздуха:
N - общая кратность воздухообмена; ^ец кратность рециркуляции; N1Iр - кратность прямой циркуляции
В качестве фильтрующего элемента использовался двухступенчатый мокрый электрофильтр (ДМЭФ) [8]. Напряжение на короноразрядной системе первой ступени и1ступени = 9 кВ и второй ступени и2отупени = 13 кВ. Мощность короноразрядной системы в установившемся режиме Ркр. = 350 Вт. Эффективность очистки по сероводороду составляет 67,0 ± 1 %, по аммиаку - 83,8 ± 1 %, по пыли - 99,4 ± 1 %, по микроорганизмам - 77 ± 1 %. Объёмная скорость воздуха (воздухопроизводительность) L = 4000 м3/ч; скорость воздушного потока через фильтр V = 2,2 м/с; радиус осадительного электрода, R = 350 мм2; живое сечение фильтра 5 = 0,5 м2.
В качестве вентилятора выбран вентилятор ВЦП 8 с электродвигателем АИР180S4 мощностью 22 кВт.
п
О OA 1 в 17 2$ Р, кВт
Рис. 3 - Зависимость эффективности очистки и кратности воздухообмена от потребляемой мощности
По рисунку 3 видно, что с точки зрения энергопотребления целесообразно регулировать кратность воздухообмена N (N = f (Р)), а не эффективность очистки п ДМЭФ (п = f(Р)).
Для управления системой вентиляции, работающей в режиме частичной рециркуляции, разработана система удаления загрязнителей из воздушной среды, которая позволяет поддерживать текущую концентрацию загрязнителей С в диапазоне оптимальных значений. Для разрабатываемой системы составлен алгоритм работы, который представлен на рисунках 4 и 5.
Представим описание алгоритма работы системы удаления загрязнителей из воздушной среды станка для содержания поросят на откорме.
Система с помощью датчиков (запылённости и загазованности) совершает замер текущей концентрации вредностей С в свинарнике. Затем полученные данные сравниваются с установленными значениями ПДК X3; в случае превышения ПДК система включается в режим работы «Режим MAX», система будет работать в этом режиме до тех пор, пока концентрация вредностей С не станет ниже нижней границы оптимальных значений X1, система перейдёт в режим работы «Режим MIN», при этом «Режим 1» и «Режим 2» заблокированы. В случае если ПДК не превышено, система сравнивает С,- с верхней границей оптимальных значений X2. Если граница X2 превышена, т.е. значение текущей концентрации С, находится в диапазоне от X2 до X3, система переходит в режим работы «Режим 2» и будет работать в этом режиме до тех пор, пока концентрация вредностей С не станет
Рис. 4 - Алгоритм работы системы удаления вредностей
технические науки
Рис. 5 - Границы режимов работы по концентрации вредностей
ниже нижнеи границы оптимальных значении Xi, система перейдёт в следящий режим работы «Режим MIN», при этом «Режим 1» заблокирован. Если значение текущей концентрации С находится ниже границы оптимальных значений X2, то система сравнивает С со значением нижней границы X1 оптимальных значений. В случае если X1 превышена, т.е. значение текущей концентрации С находится в диапазоне от X1 до X2, система переходит в режим работы «Ре-жим1» и будет работать в этом режиме до тех пор, пока концентрация вредностей С не станет ниже нижней границы оптимальных значений X1, система перейдёт в режим работы «Режим
MIN». Если значение текущей концентрации С находится ниже границы оптимальных значений X1, т.е. в диапазоне от 0 до X1, то система будет работать в режиме «Режим MIN» [8].
Исходя из выше сказанного, нами была разработана и запатентована система удаления загрязнителей из воздушной среды станка, позволяющая в режиме реального времени отслеживать значения конкретных параметров воздушной среды и управлять режимными характеристиками системы очистки рециркуляционного воздуха с целью поддержания параметров воздушной среды в диапазоне оптимальных значений (рис. 6).
Рис. 6 - Система удаления загрязнителей из воздушной среды:
1 - электрофильтр; 2 - привод воздушной заслонки; 3 - животноводческое помещение; 4 - электродвигатель вентилятора; 5 - блок контроллера; 6, 8, 9 -датчики воздушной среды (датчик запылённости, датчик загазованности)
Вывод. Результаты исследования свидетельствуют об эффективности и целесообразности применения системы частичной рециркуляции воздуха в животноводческих помещениях для содержания молодняка, в том числе поросят. Режим частичной рециркуляции воздуха, в отличие от прямой циркуляции, обеспечивает повышение энергоэффективности систем вентиляции за счёт снижения выбросов тепловой энергии в окружающую среду.
Литература
1. Самарин Г.Н. Энергосберегающая технология формирования микроклимата в животноводческих помещениях // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2010. № 4. С. 34 - 37.
2. Шкрабак Р.В. Профессиональная заболеваемость и травматизм работников животноводства и обоснование путей их снижения // Вестник КрасГАУ. 2008. № 3. С. 298 - 303.
3. Сенько А.В., Бобер Ю.Н. Болезни дыхательной системы / УО «Гродненский государственный аграрный университет». Гродно, 2012. С. 44.
4. Расстригин В.Н., Тихомиров Д.А. Исследование электрической вентиляционно-отопительной установки для животноводческих ферм // Техника в сельском хозяйстве. 2010. № 2. С. 3 - 6.
5. Юферев Л.Ю., Селезнева Д.М., Овсянникова Е.А. Обеззараживание и обеспыливание воздуха в помещениях на основе электрофильтра // Сельский механизатор. 2020. № 4. С. 20 - 21.
6. Федеральная служба государственной статистики. Электробаланс Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/ statistics/enterprise/industrial/#
7. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Обоснование режимных параметров систем рециркуляции вентиляционного воздуха производственных помещений АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 206 - 209.
8. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Алгоритм работы системы частичной рециркуляции вентиляционного воздуха производственных помещений АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 6 (74). С. 131 - 134.
Андреев Леонид Николаевич, кандидат технических наук, доцент Юркин Владимир Валерьевич, старший преподаватель Басуматорова Екатерина Анатольевна, аспирантка ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7
E-mail: andreev@tmn-tlt.ru; wowanow@mail.ru; katuchka85_85@mail.ru
Efficiency of using the systems of partial air recirculation in pig buildings
Andreev Leonid Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Yurkin Vladimir Valerievich, senior teacher Basumatorova Ekaterina Anatolyevna, postgraduate 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia
E-mail: andreev@tmn-tlt.ru; wowanow@mail.ru; katuchka85_85@mail.ru
The production of high quality pig products is accompanied by an increased concentration of animals at the complexes, which leads to a deterioration in the conditions of detention, which is expressed in the deterioration of the parameters of the air environment. Increased concentrations of dust and gases adversely affect the health of animals and workers, aggressively affect equipment, electrical devices and machines, the work of utilities. The harm is done not only inside the complexes, but also outside it. Ventilation systems (part) currently used in pig breeding premises are not optimized and ineffective due to the fact that the air supply in the premises is not regulated, depending on the gas content and dustiness inside the premises, the use of heat recovery is limited or not used at all, and other modern methods to reduce energy consumption, there are no means of air purification, which leads to air pollution near farms. The use of ventilation systems in livestock buildings with redistribution of air flows in the mode of partial recirculation of ventilation air with its simultaneous highly efficient cleaning and disinfection is one of the most promising and effective ways to create optimal parameters of the air environment. The process of maintaining the concentration of pollutants at a given level inside a pig-breeding room in the mode of partial air recirculation, based on the material balance equation, is presented. A description of the operation algorithm of the system for removing pollutants from the air of the pen for keeping piglets on fattening in the mode of partial air recirculation is given. It has been proven that the mode of partial air recirculation, in contrast to direct circulation, provides an increase in the energy efficiency of ventilation systems by reducing thermal energy emissions into the environment.
Key words: environment, ventilation, partial recycling, air-cleaning, energy-saving, hazardous gases, dust, pig farming.
-♦-
