CC BY
26
УДК 631.223.6:628.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ, РАССЕИВАЕМОЙ ОГРАЖДЕНИЯМИ, В СИСТЕМАХ МИКРОКЛИМАТА СВИНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ
Н.Н. Новиков, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства
E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Энергозатраты при производстве свинины составляют около 26,5% в себестоимости, что в 2-15 раз выше, чем при производстве другой сельскохозяйственной продукции. Учитывая, что на обеспечение микроклимата в свиноводстве расходуется 40-90% всей энергии, а доля энергетической составляющей в себестоимости имеет тенденцию к росту, обосновывается актуальность работ, направленных на повышение энергоэффективности систем микроклимата. Предложено утилизировать теплоту, рассеиваемую ограждениями животноводческих помещений, для предварительного подогрева поступающего в помещение вентиляционного воздуха. На базе уравнения баланса энергии составлена математическая модель процесса теплообмена плоскопараллельного воздушного потока с ограничивающими его плоскими стенками, имеющими разную степень нагрева. Даны результаты физического моделирования рассматриваемых процессов, а также результаты расчетов, полученных с помощью математической модели. Установлено, что результаты натурных измерений и расчетных значений величин различаются не более чем на 10%. Показано, что предлагаемый способ утилизации позволит 70-80% теплоты ограждений вернуть обратно в помещение и за счет этого в холодное время года уменьшить на 30-40% мощность отопительных установок. Преимущества предлагаемого решения: исключение конденсатообразования, за-пыления, упрощение конструкций, повышение надежности, долговечности, невысокие требования к обслуживанию. Отмечено, что использование теплоты, рассеиваемой ограждениями свинарников, для предварительного подогрева вентиляционного воздуха на фермах при их реконструкции может окупиться в течение двух отопительных сезонов, а возможный объем реализации предлагаемого решения - несколько тысяч объектов.
Ключевые слова: микроклимат, энергоэффективность, свиноводство.
Введение. В свиноводстве, как известно [1], энергоемкость продукции составляет в настоящее время около 220 кг у.т./ц, в то время как при производстве молока, говядины, яиц, зерновых этот показатель равняется соответственно 23, 100, 38, 14 кг у.т./ц - в разы ниже. Доля энергозатрат в себестоимости продукции свиноводства составляет в настоящее время 26,5%. Диспаритет цен на энергоносители и сельскохозяйственную продукцию, вызвавший в последние годы общее повышение доли энергетической составляющей в 2-2,5 раза, дает основание для прогноза дальнейшего роста этой доли. Энергозатраты на обеспечение микроклимата в свинарниках также весьма существенны (табл. 1) [2]. Поэтому исследования в области совершенствования систем микроклимата свинарников в направлении повышения их энергоэффективности являются актуальными.
Таблица 1. Распределение энергозатрат по энергоемким процессам в свиноводстве
Процессы Доля энергозатрат, %
электроэнергия топливо
Теплоснабжение и обеспечение микроклимата 40-65 60-90
Приготовление и раздача кормов 12-28 5-35
Уборка и подготовка навоза к использованию 8-15 2-3
Постановка задачи исследования. Рассмотрим тепловой баланс типового свинарника-откормочника на 1300 голов в холодное время года при наружной температуре -26°С. Расчеты показывают, что для создания в таком свинарнике нормативного микроклимата (температура воздуха +18°С, относительная влажность 52%, загазованность не более 2,5 л/м ) необходимо обеспечить воздухообмен в нем на уровне 28 тыс. м3/ч,
подогреть наружный воздух до +11°С, затрачивая на нагрев почти 350 кВт. При этих условиях общие поступления теплоты в помещение составят около 700 кВт (350 кВт от животных, 350 кВт - подогрев). Расходная часть теплоты будет включать: 400 кВт - с уходящим воздухом, 250 кВт - потери теплоты ограждениями, 50 кВт - прочие потери теплоты.
В течение длительного времени как в РФ, так и за рубежом, проводились исследования и создавалась техника, обеспечивающая утилизацию теплоты уходящего воздуха [3]. В настоящее время у нас в стране такие тепло-утилизаторы производятся для различных отраслей промышленности, ЖКХ, а за рубежом - также и для животноводства. По литературным данным коэффициент рекуперации теплоты у них составляет 0,4-0,6. Применительно к рассматриваемому свинарнику экономия мощности на подогрев холодного воздуха за счет утилизации теплоты удаляемого воздуха составит 160-240 кВт, т.е. в потенциале позволит уменьшить греющую мощность в 2-3 раза.
Применение теплоутилизаторов уходящего воздуха на отечественных фермах выявило ряд проблем, основными из которых являются запыление теплообменных поверхностей, обмерзание при температурах наружного воздуха ниже -15°С, интенсивная коррозия, повышенные требования к уровню техобслуживания, высокая стоимость.
В настоящем исследовании делается попытка получить количественную энергетическую оценку выигрыша от утилизации другой значительной составляющей потерь теплоты, а именно той, которая рассеивается в окружающее пространство ограждениями.
Для предварительной оценки эффективности рассмотрим составляющие потерь теплоты ограждениями (табл. 2).
Анализируя данные таблицы, можно заключить, что, улавливая теплоту, уходящую через перекрытие и наружные стены, при высоком коэффициенте рекуперации можно экономить до 60% теплоты, рассеиваемой ограждениями (в рассматриваемом примере до 150 кВт), что также может позволить зна-
чительно, почти вдвое, снизить мощность нагрева вентиляционного воздуха. При утилизации теплоты, рассеиваемой ограждениями, происходит нагрев холодного воздуха, а не охлаждение теплого, как при утилизации теплоты уходящего воздуха, что исключает конденсатообразование и, следовательно, обмерзание.
Таблица 2. Распределение потерь теплоты ограждениями свинарников в холодное время года
Наименование элемента ограждения Доля потерь, %
Перекрытие 42,6
Наружные стены 24,8
Окна 13,9
Пол 10,1
Фасады 4,6
Ворота 4,0
Итого: 100,0
Теплообменные каналы работают с более чистым атмосферным воздухом, в результате чего запыление их незначительно. Конструктивные решения, реализующие рассматриваемый подход, существенно проще, надежней, долговечней, легче в эксплуатации и не требуют специальной квалификации обслуживающего персонала.
Приведем одну из возможных схем реализации утилизации теплоты, с помощью которой наружные стены помещения оборудуются воздушным теплоизолированным каналом щелевого типа, обеспечивающим поступление атмосферного вентиляционного воздуха в контакте с наружными стенами [4]. Этот канал сообщается с чердачным пространством, образованным перфорированным потолком. Под потолком устанавливаются дельта-трубки отопления, подогревающие поступающий в помещение вентиляционный воздух до расчетной температуры. Побуждение воздухообмена осуществляется вытяжными шахтами с вентиляторами по системе отрицательного давления.
Примерные параметры микроклимата для упомянутого выше свинарника-откормочника на 1300 голов в этом случае могут быть такие: наружный воздух с температурой —26°С проходит в контакте с наружными стенами, ассимилирует проходящую через
них теплоту, температура его повышается на 6°С (ассимиляция уходящей теплоты 53 кВт) до —20°С. Затем он поступает в чердачное пространство, где еще подогревается на 10°С (ассимиляция 95 кВт) до — 10°С. Далее проходит через перфорированный потолок в помещение, подогревается еще дельта-трубками на 21°С (активный нагрев 200 кВт) до температуры +11°С и поступает в зону с животными. Ниже дается уточненный аналитический расчет приведенной выше схемы.
Методология. Рассмотрим процессы теплообмена движущегося воздушного потока в канале, ограниченного двумя плоскими поверхностями, имеющими разную температуру. Пусть линейный размер канала в направлении оси у достаточно мал, а воздушный поток стационарный, симметричный. В этих условиях на поверхностях воздушного потока, параллельных оси х, теплообмен отсутствует. Примем следующие предположения:
- поток воздуха в канале ламинарный, скорость его не более 1 м/с;
- направление потока воздуха совпадает с направлением оси г трехмерных осей координат х, у, г (рис. 1);
- поверхности греющей стенки и экрана, образующие воздушный канал, изотермические;
- энергозатраты на перемещение воздуха в канале незначительны;
- температура воздуха в канале Цг) - линейная функция;
- соотношения между линейными размерами канала: 5<<В, 5<<Н;
- температурное поле в потоке воздуха по оси х однородно;
- учитывается только конвективная составляющая тепловых потоков.
Пусть в воздушном канале в направлении оси г (рис. 1) движется воздух со скоростью V, причем при г = 0 (на входе в канал) его давление, температура, относительная влажность, энтальпия равны соответственно Р = Рн, £ = £н, V = фн, I = ¿н, а при г = гу (т.е. на выходе канала) его параметры становятся Р = Ру, ? = ^у, ^ = фу, / = /у, причем Рн > Ру , и > Ц.
При перемещении в направлении оси г на воздух воздействует конвективный тепловой поток, исходящий от равномерно нагретой поверхности.
Мощность теплового потока от нагретой поверхности, передаваемая воздуху
(1)
Р^) = ад^ - 12) ,
где к1 - известный коэффициент теплоотдачи нагретой поверхности, - ее площадь, 4 - температура воздуха в точке с координатой г, 0< z
Рис. 1. Схема модели для исследования процесса конвективного теплообмена воздушного потока с двумя плоскими поверхностями, имеющими разную температуру:
4, фв - температура и относительная влажность воздуха у греющей поверхности; 4, фн - температура и относительная влажность воздуха за экраном; 4, фн, 4 - температура, относительная влажность, энтальпия воздуха на входе в канал; фу, ¡у - температура, относительная влажность, энтальпия воздуха на выходе и канала; О - расход воздуха в канале длиной Ь, зазором 5, высотой Н
Вторая стенка канала, внутри которого движется воздух, представляет собой также плоскую поверхность - экран. Она образована теплоотражающей пленкой ИЗОСПАН FB, удерживаемой на жесткой конструкции. Снаружи экрана параметры воздуха Рн, ¿н, фн, /н такие же, как и на входе в канал. При движении воздуха в канале происходит теплообмен с поверхностями, имеющими разную температуру.
Мощность теплового потока от подогретого воздуха к экрану будем вычислять аналогично (1) по формуле:
р2(2) = - (2) где к2 - коэффициент теплоотдачи экрана, который подлежит вычислению расчетным или определению экспериментальным путем, £н - площадь его поверхности. Принимая во внимание принятое предположение о линейности функции температуры воздуха в канале от линейной координаты г: t(z)=а+вz и обозначив Ьр = ^у + ^)/2 , (3)
получим, что в установившемся режиме движения воздуха по каналу значения мощности, сообщаемой ему от нагретой поверхности, и мощности, уходящей через экран, будут вычисляться соответственно
Р1 = klSв(tв - tср) , (4)
Р2 = к28н(^р - tн) . (5)
Основываясь на законе сохранения энергии (в рассматриваемом случае - мощности) и учитывая то обстоятельство, что поступающая энергия от нагретой поверхности, во-первых, воспринимается потоком проходящего воздуха и, во-вторых, рассеивается в окружающее пространство через экран, получим уравнение сохранения в виде:
0(1ср - ¡н) = Р1 - Р2 , (6)
где G - воздухообмен, ¡ср - ¡н - изменение энтальпии воздуха в канале.
Учитывая, что влагосодержание воздуха ё при его перемещении в канале не изменяется (ё=сои^),
С (¡ср - 1н)= Ссв(^р - tн) , (7)
где св - удельная теплоемкость воздуха. Выполнив преобразования, получим, что температура воздуха на выходе из канала
tу = (2к1 ^в tв - (к1 & - k2Sн - Gсв) ко ,(8)
где ко = к^в + к28н + Gсв (9)
Теоретический коэффициент полезного действия рассматриваемой системы
П= Ссв(ир - ^/(к^в - tср)) (10)
и tср вычисляются по формуле (3).
Проверка адекватности расчетной схемы (1)-(10) выполнялась на специально созданной для этого модели. Она представляла собой закрытый короб из фанеры с пенопластом. Линейные размеры короба 2325х1075х
1040 мм. На него сверху надевался другой короб без дна. Зазор между наружными стенками внутреннего короба и внутренними стенками наружного составлял 17 мм.
Во внутреннем коробе на верхней стенке была сделана перфорация для прохода воздуха во внутреннее пространство, а также установлены трубчатые воздухонагреватели ТЭНы и воздуховоды с вентилятором, работающим на вытяжку. Наружный воздух под разрежением от вентилятора проходил в пространстве между стенками коробов, через перфорацию - во внутренний короб, затем удалялся.
В экспериментах полагалось, что энергия ТЭНов закрытого короба модели Рн расходовалась на нагрев поступающего воздуха Рв и теплопотери ограждений Рогр:
Рн _ Рв + Рогр-
В свою очередь, теплопотери ограждений Рогр разделялись на возвращаемую составляющую, ассимилируемую вентиляционным воздухом Расс, и рассеиваемую в окружающее пространство через экран Рух: Рогр=
Расс+ Рух-
Экспериментальные значения КПД ассимиляции вычислялись по формуле
п= Расс/ Рогр-
При вычислении значений Расс в опытах использовались результаты измерений ty и формулы (3)-(5)
Измерялись мощность ТЭНов, воздухообмен, температура и относительная влажность воздуха: наружного, поступающего во внутренний короб, во внутреннем коробе.
Условия измерений: ¿1=0,9260 Вт/(м2К), ¿2=2,1800 Вт/(м2К), ¿=н=10,7 м2, Св=0,2789 Вт/(кгК); 27 кг/ч<а<69 кг/ч; 10°С<4< 18'°С; 22°С<в<56°С. Скорость воздушного потока в канале 0,05<v <0,14 м/с, длительность контакта воздуха с теплообменными поверхностями 10-30 с.
Наиболее типичные результаты измерений параметров, полученных на физической модели, а также путем расчетов для сходных условий, представлены в таблицах 3, 4.
В таблицах 3, 4 приведены данные, полученные при различных сочетаниях значений ^ ^ (4- tн), Рн-, G.
Таблица 3. Результаты измерений режимов
Таблица 4. Результаты расчетов режимов физической модели по формулам (1)-(10), в которых параметры соответствовали модели, а режимы (значения ¿н, *в, G) заданы по результатам
Относительное расхождение измеренных и рассчитанных значений величин, в основном, составляет несколько процентов. Поэтому можно полагать, что формулы (1)-(10) адэкватно описывают энергетическую составляющую рассматриваемого процесса с погрешностью около 10%. Была исследована также зависимость энергоэффективности рассматриваемого процесса от других факторов, в частности скорости движения воздуха и время контакта его с теплообменными поверхностями т. Установлено, что КПД утилизации теплоты, исходящей от греющей поверхности, увеличивается с возрастанием скорости движения воздуха и уменьшением перепада температур At=tв-tн. Получены экспериментальные сглаженные аналитические зависимости п=п(Д^т). При Дt=20°С п=0,000324т2-0,0263т+0,726, при Дt=40°С п=0,000274т2-0,0222т+0,651. В приведенных формулах размерность т - секунда. Последние формулы хорошо согласуются с формулами (1)-(10) и позволяют выполнить расчеты размеров теплообменных поверхностей и зазора между ними. Так, в опыте №4 при Дt=tв-tн=49,5-12,1=37,4 °С КПД определен
значением п=0,44. По формуле для Дt=40°С этому КПД соответствует т=11с. Средняя температура воздуха между греющей поверхностью и экраном 4р=(^+^у2=(12,1+26,5)/2= =19,3 °С, удельный вес воздуха при этой температуре уср =1,225 кг/м3. Ширина греющей поверхности и экрана составляли в опытах В=6,868м, высота Н=1,577м, воздухообмен -69,3кг/ч. Этих данных достаточно, чтобы определить зазор между греющей поверхностью и экраном по формуле: ¿=вт/(3600НВуср)=69,3П/(3600^ 1,577-6,868-• 1,225)=0,016 м или 16 мм, что и соответствовало конструкции модели.
Выполнив исследование зависимости КПД утилизации теплоты п, рассеиваемой ограждениями свинарников, с использованием формулы (10) в области значений скоростей движения воздуха у наружных стен около 1 м/с при наружных температурах воздуха -20...-26°С, температуре внутри +18°С, можно установить, что п = 0,7-0,8. Этот факт свидетельствует о том, что значительную долю теплоты, рассеиваемой ограждениями, можно вернуть обратно в помещение в виде предварительно подогретого вентиляционного воздуха. Таким образом, данное решение может рассматриваться как один из возможных путей снижения энергозатрат на микроклитат свинарников.
Область применения результатов исследования. В настоящее время на свиноводческих фермах страны только свинарников-откормочников, подобных рассмотренному выше, имеется несколько тысяч. Они, как правило, построены в 70-80-е годы прошлого века, в настоящее время в большинстве своем требуют реконструкции.
Внедрение предлагаемой энергоэффективной системы микроклимата в свинарнике-откормочнике потребует дополнительных затрат, как показывают предварительные расчеты около 500 тыс. руб., а окупить их можно в течение двух отопительных сезонов.
физической модели с теплообменным каналом
№ Температура, °С Воздухо- Мощность КПД п,
опы- tв 4 обмен ТЭН Рн , о.е.
та в, кг/ч Вт
1 37,8 20,0 28,2 23,2 195,5 0,20
2 33,3 16,0 23,6 26,2 221,1 0,29
3 40,0 15,8 23,6 65,8 564,8 0,41
4 49,5 12,1 26,5 69,3 794,6 0,44
измерений в соответствующих опытах
№ опыта Температура воздуха на выходе из канала 4 Мощность ТЭН Рн КПД
Относительное Относительное Относительное
°С расхождение с измеренными Ду, % Вт расхождение с измеренными ДРн, % О.е. расхождение с измеренными Дп, %
1 28,9 2,4 219,1 12 0,22 10,0
2 24,5 3,8 225,3 1,8 0,24 17,2
3 25,1 6,3 552,9 2,1 0,44 7,3
4 26,2 1,1 887,8 11,7 0,45 2,2
Выводы. Утилизация теплоты, рассеиваемой в окружающее пространство ограждениями свинарников, предполагающая работу с более чистым атмосферным воздухом и предусматривающая его предварительный подогрев, позволяет избежать явлений конденсации и запыления теплообменных поверхностей, отрицательно влияющих на все показатели эффективности при работе с удаляемым воздухом.
Одномерное моделирование процессов при исследовании распространения теплоты в потоке воздуха приводит к выводу о монотонном возрастании коэффициента использования теплоты, рассеиваемой ограждениями, от скорости воздушного потока у поверхности ограждения. Последний вывод подлежит уточнению при решении рассматриваемой задачи в двумерной области с осями координат параллельно и перпендикулярно скорости потока. Использование теплоты, уходящей в окружающее пространство через ограждения, совмещается с другими способами и решениями, повышающими энергоэффективность систем микроклимата.
Литература:
1. Стребков Д.С., Тихомиров А.В. Инновационные направления развития систем и средств энергосбережения объектов животноводства // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2G15. №2(18). С. 81-89.
2. Агеев А.М. Пути повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в свиноводстве: автореф. дис. к. э. н. М., 2004.
3. Мишуров Н.П., Кузьмина Т.Н. Энергосберегающее оборудование для обеспечения микроклимата в животноводческих помещениях: научный аналитический обзор. M., 2GG4.
4. Пат. 2537868 РФ. Система вентиляции животноводческого помещения I Новиков Н.Н. Заяв. 05.04.13
Literatura:
1. Strebkov D.S., Tihomirov A.V. Innovacionnye naprav-leniya razvitiya sistem i sredstv ehnergosberezheniya ob"-ektov zhivotnovodstva II Vestnik Vserossijskogo nauch-no-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovod-stva. 2015. №2(18). S. 81-89.
2. Ageev A.M. Puti povysheniya ehffektivnosti ispol'zova-niya toplivno-ehnergeticheskih resursov v svinovodstve: avtoref. dis. k. eh. n. M., 2GG4.
3. Mishurov N.P., Kuz'mina T.N. EHnergosberegayush-chee oborudovanie dlya obespecheniya mikroklimata v zhivotnovodcheskih pomeshcheniyah: nauchnyj analiti-cheskij obzor. M., 2GG4.
4. Pat. 2537868 RF. Sistema ventilyacii zhivotnovodche-skogo pomeshcheniya I Novikov N.N. Zayav. G5.G4.13
THE HEAT DISSIPATED BY FENCES IN PIG FARMS MICROCLIMATE SYSTEMS' USING N.N. Novikov, candidate of technical sciences, leading research worker FGBNY All-Russian research institute of animal husbandry mechanization
Abstract. Energy consumptions in pork production account for about 26,5% in costs, that is in 2-15 times higher than in the other agricultural products' production. Given that climate control in pig production consumes 40-90% of the total energy and the energy component's share in the cost tends to increase, this works' actuality directed on microclimate systems efficiency's increasing is jus-tificated. It is proposed to utilize this dissipated by animal boxes' fences heat, to preheat ventilation air's entering in the room. On the energy balance equation's basis is created the heat exchange plane-parallel air stream's mathematical model with its limited flat walls at heating process's different degree. The results of the examined processes' physical modeling are given, as well as the calculations' results obtained by mathematical model's using. It is established that the field measurements and calculated values' results differ no more than in 10%. It is shown that the proposed method of utilizing let allows 70-80% of heat's fences to return back to the room and due to reduce in the cold season in 30-40% of the heating system's power capacity. The proposed solution advantages are: condensate formation, dust excluding, design simplifying, reliability, durability improving, and low maintenance's requirements. It is noted that the dissipated by pig fencing heat using for ventilation air preheating on farms during their renovation could be recoupment within two heating seasons, and the possible volume proposed solution of realization are a few thousand's objects. Keywords: microclimate, energy efficiency, pig breeding.
