CC BY
12УДК 631.223.6:662.99
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ СПОСОБОМ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА В СВИНАРНИКЕ-МАТОЧНИКЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА
Вербицкий А. П., кандидат технических наук, доцент;
Филонов Р. А., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент; Омельчук В. И., кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель; Мещеряков Я. О., магистрант; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Применение рекуперативного теплообменника позволило снизить потребление энергии для нагрева воздуха свинарника-маточника на 37 % при температурных данных переходного периода года.
Ключевые слова: свинарник, микроклимат, приточный воздух, вытяжной воздух, рекуператор тепла.
ENERGY SAVING BY HEAT RECOVERY IN A PIGGY-HATCHERY OF AN INDIVIDUAL FARM
Verbitskyi A. P., Candidate of Technical Science, Associate Professor; Filonov R. A., Candidate of Agricultural Science, Associate Professor; Omelchuk V. I., Candidate of Agricultural Science, Senior Lecturer; Meshcheryakov Ya. O., graduate student, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The use of a recuperative heat exchanger allowed to reduce the energy consumption for heating the air of the pigsty mother liquor by 37 % with the temperature data of the transition period of the year.
Key words: pig house, microclimate, fresh air, exhaust air, heat recuperator.
Введение. Современное промышленное свиноводство при высокой концентрации животных в производственных помещениях требует создания условий содержания животных, обеспечивающих полную реализацию их генетического потенциала продуктивности. Важнейшим фактором при этом большинство производителей свинины считают создание оптимального микроклимата в производственных помещениях. В помещениях необходимо поддерживать температуру воздуха в пределах оптимальных показателей:
- для свиноматок - +16...20 градусов;
- для поросят в первую неделю - +30...28 °С с дальнейшим снижением через каждую неделю на 2 градуса:
- для откормочников - +14...20 °С.
При температуре воздуха +15...23 °С отложение азота в теле вдвое выше, чем при температуре +3...8 °С. Используя этот тепловой режим, можно несколько повысить мясность туш. При низких температурах основная энергия
корма, в том числе и та часть, которая должна идти на отложение и продукцию, расходуется на образование тепла, т. е. непроизводительно.
Однако при этом надо обязательно учитывать относительную влажность воздуха и другие факторы. Влажный воздух (в отличие от сухого) более теплоемкий и обладает на 10 % большей теплопроводностью и поэтому вредно влияет на свиней при любой температуре. При низких температурах и высокой влажности животные (даже взрослые) переохлаждаются, у маток снижается молочность.
Для поддержания температуры в свинарниках, особенно в холодный период, тратятся большие денежные средства на энергоресурсы. Все вышеперечисленные аспекты актуальны при содержании свиноматок в индивидуальных и небольших фермерских хозяйствах. Доля затрат на создание оптимальных условий для сохранение поголовья молодняка может составлять существенную часть себестоимости продукции.
В данный момент актуальной темой является разработка и применение новых видов сохранения и преобразования энергии для повторного использования. Одной из таких является система утилизации тепловыделений на основе различных видов рекуператоров.
Материал и методы исследований. В приточно-вытяжных установках с утилизацией тепловыделений применяются следующие типы рекуператоров:
- пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор;
- роторный рекуператор;
- рекуператоры с промежуточным теплоносителем;
- тепловой насос;
- рекуператор с тепловыми трубами;
- рекуператор камерного типа.
Принцип работы любого рекуператора в приточно-вытяжных установках заключается в следующем. Он обеспечивает теплообмен между потоками приточного и вытяжного воздуха. Процесс теплообмена может происходить непрерывно - через стенки теплообменника, с помощью хладона или промежуточного теплоносителя. Теплообмен может быть и периодическим, как в роторном и камерном рекуператоре. В результате выбрасываемый вытяжной воздух охлаждается, нагревая тем самым свежий приточный воздух.
Технический результат - повышение эффективности теплоутилизации выбросного воздуха, экономия энергоресурсов, упрощение конструкции, монтажа и обслуживания.
На основании обзора конструкций утилизаторов теплоты, патентов утилизаторов тепловыделений и систем воздухообмена с утилизацией тепла выбран тип рекуператора для индивидуального репродуктивного хозяйства. Для проверки эффективности системы была изготовлена лабораторная установка на основе рекуператора с промежуточным теплоносителем. За счет этого уменьшаются габариты установки, и повышается эффективность теплоутилизации выбросного воздуха.
Предлагаемая конструкция состоит из рамы, в которой закреплены радиаторы, соединенные между собой замкнутой рециркуляционной системой, каналов для приточного и вытяжного воздуха. В сечении каналов приточного и вытяжного воздуха установлены два осевых вентилятора.
Данная установка была изготовлена и на ней проведены эксперименты, для дальнейшего выяснения эффективности рекуператора и экономии энергоресурсов.
Целью экспериментальных исследований является определение коэффициента эффективности рекуперации теплообменника по температуре для расчета экономической целесообразности его применения.
Конструктивно рекуперативный теплообменник (рис. 1) состоит из деревянной рамы 1, в которой находятся два заводских, трубчато-пластинчатых радиатора охлаждения 21082-15 2 и 3, которые между собой замкнуто соединены в рециркуляционную систему шлангами 4. Шланги соединены с радиаторами при помощи специальных переходников - соединителей 5. В теплообменнике также установлен водяной насос 6, который по замкнутому контуру перекачивает жидкость. Рекуператор оснащен системой воздухообмена, которая состоит из воздухопровода приточного (вход) 7 и вытяжного (выход) 8 воздуха и воздуховодов приточного (выход) 9 и вытяжного (вход) 10 воздуха, которые состоят из алюминиево-полиэфирной ленты и каркаса из высокоуглеродистой стальной проволоки (Марка TEX ALU 65-203/10). На концах воздуховодов 9 и 10 установлены тепловентиляторы 11 и 12.
Рисунок 1. Общий вид рекуператора с промежуточным теплоносителем
Рекуперативный теплообменник работает следующим образом. Через верхний переходник-соединитель заполняем его жидкостью (водой, антифризом), постепенно прогоняя жидкость по системе, чтобы полностью заполнить рекуператор без воздушных пробок. После этого мы включаем насос 6 и те-
пловентиляторы 11 и 12, которые будут выдувать и втягивать воздух. За счет воздуха, выходящего из помещения, который проходит через радиатор 2 по воздуховоду 10, нагревается жидкость и переходит в радиатор 3 за счет работы водяного насоса 6. Тем временем воздух с улицы втягивается тепловентиля-тором 12 по воздуховоду 7 и проходит через радиатор 3 и нагревается за счет нагретой жидкости с радиатора 2. Таким образом, происходит утилизация теплоты и сохранение небольшого количества теплоты для обогрева помещения при помощи использования рекуперативного теплообменника.
Для исследования микроклиматических условий применялись следующие приборы: универсальный прибор АОЗТ «ТЭРА» для измерения температуры, состоящий из 8 датчиков температуры, восьмиканального измерителя, адаптера-преобразователя интерфейса RS485 в USB/RS232 или USB/RS232 в RS485, с программным обеспечением (ПО) ЧАО «ТЭРА» Technolog Soft и Logger Soft, которое установлено на ноутбуке ASUS для записи данных с датчиков, анемометр АПР-2.
Перед началом испытаний необходимо подготовить оборудование к работе и установить измерительные приборы. В первую очередь необходимо проверить совпадение климатических условий с запланированными в методике проведения эксперимента. Во-вторых, пронумеровать термодатчики и, записывая последовательность, установить в определенном порядке датчики на лабораторную установку. Датчики должны быть изолированы от окружающей среды и других факторов, чтобы более точно передать температуру на измерительное устройство. После этого проверяется универсальный прибор АОЗТ «ТЭРА» для измерения температуры на работоспособность и проводим пробный замер температуры датчиков. Если прибор исправен, включается водяной насос и два тепловентилятора, установка работает 2-3 мин. без записи температуры. Это необходимо для того, чтобы проверить установку на наличие течи и поломок в системе воздухообмена. Далее включаем запись датчиков температуры с периодичностью 30 сек. на 1 час 5 мин. Эксперимент заканчивается выключением в следующей последовательности: вентиляторы, затем водяной насос и последним - универсальный прибор АОЗТ «ТЭРА».
А- Температура приточного боздуха (Вход! (г- Температура приточного боздуха (Выход) Л - Температура бытяжного боздуха (Вход! Л - Температура Ьытяжного боздуха (Выход! h- Температура жидкости
Рисунок 2. Схематическое расположение термодатчиков на рекуператоре с промежуточным теплоносителем
Результаты и обсуждение. На диаграмме (рис. 3) отображены обобщенные результаты экспериментальных исследований, которые предусматривают работу
лабораторной установки с параметрами: температура воздуха на улице (приточный воздух) Т1=4 оС и температура в помещении (вытяжной воздух) Т3=35 оС (что соответствует условиям опоросника в его верхней части). За счет вытяжного воздуха из помещения, который проходит сквозь радиатор теплоутилизатора, жидкость нагревается в среднем на 13,5 оС при данных параметрах. Жидкость по рециркуляционной системе передает свою теплоту второму радиатору и позволяет повысить температуру приточного воздуха на 10 оС. Характер увеличения температур жидкости и приточного воздуха плавный, без скачков. Когда плавно увеличивается температура жидкости, то и возрастает температура приточного воздуха. В начале эксперимента температура жидкости равна 12 оС, в процессе работы она нагревается за счет вытяжного воздуха до температуры 15,4 оС и практически перестает возрастать. При этом линии температура приточного воздуха (выход) и температура жидкости на диаграмме выравниваются и идут параллельно оси х. Это говорит о том, что установка работает в установившемся режиме.
Эффективность рекуперации рассчитываем по формуле (1) :
где Кг - коэффициент эффективности рекуператора по температуре; ^ - температура наружного воздуха, °С; t2 - температура приточного воздуха, оС.
t3 - температура вытяжного воздуха (т. е. воздуха в помещении), оС;
По формуле (2) рассчитаем затраты энергии на нагрев наружного воздуха (мощность воздухонагревателя):
(2)
где Ь - расход воздуха, м3/ч;
tнач - температура начальная, °С;
tmн - температура конечная, оС.
0.335 - коэффициент перевода, учитывающий массовый расход воздуха через воздухонагреватель, кг/сек, а также удельную изобарную теплоемкость воздуха Ср = 1000 кДж/кг*К.
Показатель Ь=454 м3/ч принимаем для круглого воздуховода диаметром 200 мм (как в лабораторной установке) со средней скоростью воздуха 4 м/с, так как она оптимальная при прохождении по воздуховоду.
Энергосбережение определим по формуле (3):
где - затраты энергии на нагрев или охлаждение воздуха, Вт;
К - КПД рекуператора данной конструкции;
Затраты на изготовление рекуператора порядка 12 тыс. рублей окупаются в течение одного сезона эксплуатации.
Выводы. 1. Нормативные параметры микроклимата для свинарников-маточников требуют больших затрат энергии на поддержание температуры порядка +26...30 оС в первые недели жизни поросят.
2. Существенный резерв экономии первичной энергии на нагрев воздуха заложен в рекуперации тепла вытяжного воздуха помещения.
3. Для условий небольшого свинарника-маточника индивидуального хозяйства перспективным является рекуператор с промежуточным теплоносителем из недорогих доступных комплектующих.
4. Энегоэффективность испытанного лабораторного образца для условий переходного периода года составила 37%.
Список использованных источников:
1. Виноградов В. Н., Сорокин Н. Т., Ильин И. В., Смолинский Е. А и др. «Методические рекомендации по проектированию систем отопления и вентиляции для свиноводческих ферм и комплексов», ФГНУ «Росинформа-гротех» 2009, 69 с.
2. Бухмиров В. В., Ракутина Д. В., Солнышкова Ю. С., Пророкова М. В. Тепловой расчет рекуперативного те-плообменного аппарата /ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина». - Иваново, 2013. - 124 с.
Сведения об авторах:
Вербицкий Алексей Петрович -кандидат технических наук, доцент, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: aleksey195883@mail. ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Филонов Роман Александрович -кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: roman _filonov@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Омельчук Владимир Иванович -кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: omelchukvova@ rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природополь-
References:
1. Vinogradov V. N., Sorokin N. T., Ilyin I. V., Smolinsky E. A., etc. «Methodical recommendations on the design of heating and ventilation systems for pig farms and complexes», FGNU «Rosin-formagrotech» 2009 , 69 p.
2. Bukhmirov V. V., Rakutina D. V., Solnyshkova Yu. S., Prorokova M. V. Heat calculation of the recuperative heat exchanger / FGBOU VPO «Ivanovo State Power Engineering University named after V. I. Lenin». - Ivanovo, 2013. - 124 p.
Information about the authors:
Verbitsky Alexey Petrovich - Candidate of Engineerings Sciences, Assistant professor of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: aleksey195883@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Filonov Roman Oleksandrovich - Candidate of Agricultural Sciences, Assistant Professor, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: aleksey195 883@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Omelchuk Vladimir Ivanovich-Candidate of Agricultural Sciences, Senior Lecturer, of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Uni-versity», e-mail: omelchukvova@rambler.
зования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Мещеряков Ярослав Олегович -магистрант, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: aleksey195883@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Meshcheryakov Yaroslav Olegovich -Graduate Student of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Univer-sity», e-mail: aleksey195883@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
