CC BY
86
УДК 621.577:639.311
М. Ф. Руденко, С. В. Шипулин, Ю. В. Шипулина, Л. П. Третъяк, Н. Ю. Подхватилина
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В РЫ1БОВОДНЫ1Х КОМПЛЕКСАХ
Введение
В связи с уменьшением промысловых запасов ценнейших пород рыб важной народнохозяйственной задачей становится искусственное воспроизводство запасов и выращивание прудовой товарной рыбы.
На созревание икры, выклев и развитие молоди в существенной степени влияют качество и температура воды в инкубационном цехе. Система подготовки воды - один из наиболее энергоемких объектов в рыбоводных хозяйствах. Для подогрева воды используют пар котельных, работающих на твердом топливе, или ТЭНы, для ее охлаждения - холодильные машины.
Альтернативным источником энергии, который позволит снизить энергоемкость системы подготовки воды, может быть тепловой насос.
Впервые системы подготовки воды с использованием теплового насоса были предложены в [1-3] и успешно внедрены в инкубационных цехах и прудах на заводах по выращиванию осетровых и белорыбицы, в комплексном хозяйстве марикультуры при выращивании рассады морской капусты и молоди лососевых рыб, при товарном выращивании карповых, в том числе растительноядных (сазан, карась, толстолобик и белый амур).
В Астраханском государственном техническом университете создаются теплонасосные системы применительно к рыбоводным хозяйствам Астраханской области, специализирующимся на выращивании молоди осетровых рыб и белорыбицы, а также прудовой товарной рыбы. В Астраханской области в связи с обилием энергии солнечной радиации в системе подготовки воды могут быть использованы тепловые насосы типа «воздух - вода» и «вода - вода» [4].
Разработана теплонасосная система для замкнутого цикла воспроизводства рыбной молоди белорыбицы. Для создания нормальных условий ее развития при двухлетнем выращивании вода с помощью теплового насоса подогревается до 20-25 °С и охлаждается до 2-4 °С.
Интерес представляет также разведение тиляпии и гигантской пресноводной креветки. Ти-ляпия активно развивается при температуре 30-35 °С и хорошо приживается в мало проточных, бедных кислородом бассейнах, причем за один сезон достигает товарных размеров. Активную биологическую жизнь рыб в искусственных бассейнах удается поддерживать с марта - мая до сентября - ноября с помощью теплового насоса типа «воздух - вода».
Особый интерес представляет подогрев воды непосредственно в прудах и водоемах, где рыбная молодь может развиваться в естественных природных условиях. Обогреть весь инкубационный, выростной или нагульный пруд в настоящее время сложно и неэкономично. Однако для обогрева локального участка пруда имеются экономически обоснованные технические возможности.
В условиях обилия энергии солнечной радиации весьма перспективно комбинированное использование теплового насоса и парникового эффекта для постоянного поддерживания оптимальной температуры воды в интервале 20-25 °С [5]. Парниковый эффект достигается, если поверхность пруда покрыть полиэтиленовой прозрачной пленкой или часть пруда экранировать специальным устройством.
Такая экспериментальная теплонасосная система была испытана на Волжском экспериментальном рыбоводном заводе в Астраханской области с 15 марта по 15 июля при локальном подогреве воды в начале и охлаждении в конце.
Тепловой насос типа «вода - вода» выполнен на базе компрессорно-конденсаторного агрегата МАК6/1-11, смонтированного на передвижном шасси. На нем установлены водяной испаритель, отделитель жидкости, теплообменник, вспомогательная арматура и контрольноизмерительные приборы. Тепловой насос закрыт металлическим защитным кожухом. Работает тепловой насос в автоматическом режиме «пуск-стоп» от датчика температуры. Устройства для содержания и выращивания водных организмов представляют собой металлические каркасы, обтянутые прозрачной полиэтиленовой пленкой сверху и частично с боков, имеют теплоизоля-
цию. Устройства имеют положительную плавучесть благодаря пробковым поплавкам и удерживаются в фиксированном положении якорями. Глубина рабочего объема составляет более 1 000 мм, диаметр окружности - 8 000 мм. Часть полиэтиленовой конструкции находится над поверхностью воды, создавая экранированный воздушный участок в форме колпака. Для нагрева воздушный колпак устройства изготовлен прозрачным, для охлаждения - полупрозрачным с зеркальным отражением. Внутрь устройства через распылитель подавалась вода, подогреваемая или охлаждаемая (в зависимости от назначения) с помощью теплового насоса.
Локальная температура воды в устройстве для нагрева была на 8-10 °С выше, чем температура в остальной части пруда. В солнечную погоду она была выше за счет теплоты от парникового эффекта. Доля этой теплоты в общем тепловом балансе составляла 4-7 % в дневное время. Площадь колпака составляла около 50 м2 исходя из максимальной производительности теплового насоса при оптимальных параметрах его работы в начале апреля (режим нагрева).
В процессе эксплуатации устройства измеряли температуру воздуха и воды на разной глубине подключенными к потенциометру ПП-40 хромель-копелевыми термопарами, укрепленными на деревянных стержнях (стойках), которые установили в устройстве и вне его на значительном расстоянии.
Локальная температура воды в устройстве для охлаждения была на 6-8 °С ниже, чем температура в остальной части пруда. Площадь колпака составляла около 20 м2 исходя из максимальной производительности теплового насоса при оптимальных параметрах его работы в начале июня (режим охлаждения).
Графики распределения температуры воздуха и воды по усредненным значениям температуры в 6 и 12 часов апрельского (режим нагрева) и июньского (режим охлаждения) солнечного дня приведены на рис. 1.
Рис. 1. Распределение температуры воды и воздуха: а - естественное (без использования теплонасосной системы подогрева воды); б - под закрытым колпаком без подогрева воды тепловым насосом; в - при использовании открытого колпака и подогреве воды тепловым насосом; г - под закрытым колпаком при подогреве воды тепловым насосом;
1, 2 - усредненная температура соответственно в 6 и 12 часов
Среднесуточная температура воды в пруду в середине апреля была около 10 °С. Среднесуточные колебания температуры воздуха над открытой поверхностью пруда в апреле составляли 10-15 °С, а поверхностного слоя воды в пруду - 2-3 °С.
В устройстве с изолированным верхом при отключенном тепловом насосе среднесуточные колебания температуры воздуха достигали 50 °С. Парниковый эффект проявлялся только днем при солнечном освещении. При этом в устройстве слой воды в 2-3 см от поверхности прогревался на 2-3 °С больше, чем вся остальная вода.
При работе теплового насоса в режиме нагрева среднесуточные колебания воздуха составляли 50-60 °С, равномерный градиент температуры воды поддерживался в оптимальных пределах - 23-25 °С. Расход электроэнергии, потребляемой тепловым насосом, был меньше, чем при использовании в открытом водоеме. Это объясняется не только парниковым эффектом в солнечное дневное время, но и меньшими потерями теплоты с поверхности воды в изолированном устройстве ночью.
Аналогичные результаты получены в устройствах для охлаждения локальных участков водоема летом в июне.
Испытания показали, что с помощью теплового насоса в специальных устройствах для содержания и выращивания водных организмов можно создавать объемы с оптимальной температурой воды независимо от колебаний температуры окружающей среды. В таких объемах увеличивается скорость развития рыбной молоди, а также естественной кормовой базы - организмов фито- и зоопланктона в ранневесенний период, возможно содержание ценных биологических организмов до поздней осени. В летний период охлаждаемая вода позволит обеспечить благоприятное содержание в водоемах хладолюбивых пород рыб.
Определить эффективность теплонасосных систем с переменными температурными параметрами в предполагаемые периоды работы можно по среднестатистическим данным изменения температуры окружающей среды, накопленным гидрометеорологическими станциями для данного района в течение ряда лет.
По среднестатистическим значениям температуры окружающей среды в Астраханской области в апреле - мае за последние четыре года были рассчитаны коэффициенты преобразования испытанного теплового насоса типа «вода - вода». При расчетах температуры воздуха взяты усредненные значения в 6 и 12 часов дня, а воды - среднесуточные значения.
По этим расчетным данным построены графики изменения коэффициента преобразования энергии теплового насоса в режимах нагрева и охлаждения (рис. 2), которые показали хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений и подтвердили возможность определять эффективность теплонасосных систем по среднестатистическим данным изменения температуры окружающей среды в предполагаемый период работы.
1 15 1 15 1 15 1
Март Апрель Май
Рис. 2. Изменение коэффициента преобразования є теплового насоса типа «воздух-вода»:
1 - идеальный теоретический; 2 - действительный цикл; точки - значения, полученные по экспериментальным данным
Из графических зависимостей видно: чем теплее погода месяца, тем выше коэффициент эффективности работы теплового насоса в режиме нагрева. Его средние значения в каждом месяце разные. Среднестатистический коэффициент преобразования энергии за весь срок работы теплового насоса в режиме нагрева равен примерно 4, а в режимах охлаждения - 1,8. Следова-
тельно, такова и энергетическая эффективность преобразования разработанной теплонасосной системы. Анализ ее эксплуатационных показателей и рабочих характеристик использованного теплового насоса показал следующее: в тепловом насосе предпочтительнее применять герметичный компрессор, чтобы полнее использовать в цикле теплоту, выделяемую встроенным электродвигателем; стенки устройства, находящиеся в воде, необходимо усиленно изолировать для уменьшения теплопотерь; выступающая над водой часть изолированного устройства может быть невысокой, т. к. парниковый эффект от изолированного объема воздуха практически не зависит; в режимах охлаждения необходимо совершенствовать изолирующее устройство.
Заключение
Последующие разработки подобных теплонасосных систем позволили добавить в оборудование установки гелиоэнергетические аккумуляторы тепловой энергии, биогенераторы для подогрева воды, ветрогенераторы и фотоэлементы с электроаккумуляторами для получения в подобных системах автономного действия электрической энергии, гелиоэнергетических термотрансформаторов для охлаждения и получения искусственного льда; логический блок управления и регулирования всеми технологическими системами [5].
Разработанная система подогрева и охлаждения воды на базе теплового насоса уже в настоящее время может дать значительный экономический эффект от воспроизводства рыбной молоди, особенно дефицитных ценных пород.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курганский Г. Н. Использование тепловых насосов для термоподготовки воды в комплексном хозяйстве марикультуры // Холодильная техника. - 1984. - № 8. - С. 4-8.
2. Руденко М. Ф. Теплонасосные системы для рыбных хозяйств // Холодильная техника. - 1990. - № 1. - С. 43-46.
3. Руденко М.Ф., Дубов В.Е., Антипов А.Г. Сафонов Д. А. Гелиоэнергетические установки для получения тепла и холода в рыбных хозяйствах // Рыбное хозяйство. - 2004. - № 6. - С. 19.
4. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат, 1982. - 128 с.
5. Патент РФ 80543. Установка для термоподготовки воды в водоемах автономного действия / Руденко М. Ф., Шипулин С. В., Чивиленко Ю. В. и др.; 27.05.2008.
Статья поступила в редакцию 15.04.2009
USE OF HEAT PUMPS IN FISH-BREEDING COMPLEX
M. F. Rudenko, S. V. Shipulin, Yu. V. Shipulina,
L. P. Tretiak, N. Yu. Podkhvatilina
System of preparation of water is one of the most power-intensive objects in aquaculture. The heat pump can be an alternative energy source, by means of which in special devices for the keeping and cultivation of water organisms it is possible to create volumes with optimum temperature of water irrespective of fluctuations of ambient temperatures. There the natural forage reserve and growth rate of young fish in early-spring and last-autumn periods increases. In summer the water cooled by heat pumps provides favorable conditions for psy-chrophilic fishes. Modern constructions of heat pump systems include solar power accumulators of thermal energy, biogenerators for water heating, wind farm and photoelectric cells for generation of electric energy in isolated systems. The system of heating and cooling of water on the basis of the heat pump, worked out in Astrakhan state technical university, can give considerable economic benefit at reproduction of hydrocoles.
Key words: heat pump, solar power accumulator of thermal energy, biogenerator, wind farm, photoelectric cell.
