Исследование теплового баланса в групповой автопоилке Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 636.084.75

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА В ГРУППОВОЙ АВТОПОИЛКЕ

© 2014 г. Е.А. Таран, И.В. Орищенко

Представлены исследования теплового баланса в групповой автопоилке. Установлено, что расположение между корпусом автопоилки и поильной чашей утеплителя с чередованием труб с вакуумом и избыточным давлением позволяет снизить теплопотери.

Ключевые слова: групповая автопоилка, тепловой баланс, теплоизоляция, теплопо-тери, теплопередача.

Research of thermal balance in a group auto-drinking bowl is submitted. The arrangement of heater with alternation of pipes with vacuum and excessive pressure between the housing of an auto-drinking bowl and a drinking vessel allows decreasing thermal losses.

Key words: group auto-drinking bowl, thermal balance, thermal insulation, thermal losses, heat transfer.

(¿5ЖИ в - количество тепла, забираемого животными при потреблении воды.

Количество тепла, передаваемое нагревательным блоком на подогрев и поддержание заданной температуры воды в нагревательном блоке, равно:

^н.бл. = Р ■ Vн, (2)

где Р - мощность нагревательного блока;

- длительность нагрева воды до заданной температуры, ч.

Эта зависимость учитывает мощность нагревательного прибора, необходимую на нагрев воды, циркулирующей в системе за определенный промежуток времени .

*сг А

Рисунок 1 - Схема групповой автопоилки экспериментального исполнения с трубчатой теплоизоляцией

Мощность нагревательного блока определим по формуле

р = р-с-<? с-( ^ , (3)

где - плотность воды, ,

с - удельная теплоемкость воды, с = 4, 1 9 кДж/к г ■ г рад;

- секундный расход воды в системе автопоения,

- начальная и конечная температура воды, °С.

Потери тепла через корпус групповой автопоилки будут равны:

^^кор Р ' ^б.ст.С^п.ч ^в) ' (4) где - наружная поверхность боковых стенок автопоилки, м;

- коэффициент теплоотдачи

Тепловой процесс, протекающий в групповой автопоилке (рисунок 1), представлен в виде уравнения теплового баланса [1, 2, 3, 4, 5, 6]:

, (1)

где - количество тепла, передавае-

мого на подогрев и поддержание заданной температуры в нагревательном блоке;

- теплопотери через боковые стенки корпуса автопоилки, Вт;

(¿5к - теплопотери через крышку автопоилки, Вт;

- теплопотери через водопойный стакан, Вт;

(¿5гр - теплопотери в грунт, Вт;

.А V

2

боковых стенок автопоилки, Вт/м-°С;

- температура воды в поильной

чаше, °С;

- температура наружного воздуха, °С;

- интервал времени, в течение которого происходят потери тепла через корпус автопоилки.

Коэффициент теплоотдачи боковых стенок автопоилки определяется по известной зависимости [7, 8]: _ 1 ^б.ст. " ¿¡". >

1 / « в нут . п о в . "" "" 1 /«наруж. п о в .

где «в нут . п о в . ,«наруж. п о в. " коэффициенты теплового восприятия и тепловой отдачи

на внутренней и наружной поверхности стенок групповой автопоилки, Вт/ ( м 2 ■ ° С ) ;

8 - толщина ограждающих стенок автопоилки, м;

Я - коэффициенты теплопроводности стенок поилки, Вт/м2°С.

В связи с тем, что теплоизолирующая перегородка имеет многослойную неравномерную структуру с воздуховодами повышенных и пониженных давлений, проведем расчет коэффициентов теплоизоляции в оптимальных точках. Так как стенка внутренней прослойки меняет свою конфигурацию, проведем расчет минимальных и максимальных точек воздуховода.

Сумму коэффициентов толщины ограждающей стенки и теплопроводности стенок в нагнетательном воздуховоде автопоилки определим по формуле

^вн. , ^наг. , ^воз. , ^наг. , '-'пар. , , ч

Т = ~х— + 1-+ 1-+ 1-+ 1-' (6)

Лвн. Лнаг. лвоз. Лнаг. Лнар.

где - толщина внутренней стенки автопоилки, м;

ного воздуховода, м;

- толщина прослойки в воздуховоде повышенного давления, м;

- толщина наружной стенки автопоилки, м;

- коэффициенты теплопроводности внутренней стенки автопоилки, Вт/м2°С;

- коэффициенты теплопроводности стенок нагнетательного воздуховода, Вт/м2-°С;

- коэффициенты теплопроводности воздуха в нагнетательных воздуховодах, Вт/м2°С;

- коэффициенты теплопроводности наружной стенки автопоилки, Вт/м2^°С.

Сумму коэффициентов толщины ограждающей стенки и теплопроводности стенок вакуумной трубки автопоилки определим по формуле

_ ^вн. ^вак. 5В. . ^вак. ^нар.

г— 1 1 1 1 1 ' ^)

Лвн. Лвак. лв. Лвак. Лнар.

где - толщина стенки вакуумной тру-

бы, м

- воздух в вакуумной трубе, м;

- толщина наружной стенки автопоилки, м;

- коэффициенты теплопроводности стенок вакуумной трубы, Вт/м2°С;

- коэффициенты теплопроводности воздуха в вакуумной трубе, Вт/м2°С.

Сумму коэффициентов ограждающих стенок в точке соприкосновения (В) (см. рисунок 1) между трубами с вакуумом и избыточным давлением в групповой автопоилке определим по формуле

уг = 8^ + г + 8г + 8г + 8Н'(8)

¿—IЛ1 Лвн Ла Лст Ла Л-нар.

где - атмосферный воздух между трубами с вакуумом и избыточным давлением;

- толщина прикасающихся стенок труб с вакуумом и избыточным давлением, м

- коэффициенты теплопроводности атмосферного воздуха между трубами с вакуумом и избыточным давлением, Вт/м -°С;

- коэффициенты теплопроводности в точке соприкосновения стенок труб с вакуумом и избыточным давлением, Вт/м2^°С.

Для экспериментальной групповой автопоилки, имеющей цилиндрическую форму, трубы с вакуумом и избыточным давлением размещаем в виде змеевиков вокруг корпуса поильной чаши, что позволяет их рассматривать как неоднородную систему теплоизоляции, имеющую структуру, состоящую из многослойных прослоек с различными коэффициентами теплопроводности.

Тепловые потери через боковую стенку экспериментальной групповой автопоилки определим по формуле 2пк(гв -

1

(9)

А.-1 Я2 Кг Л-з Кз

где - высота поильной чаши, м;

- температура воды в поильной чаше ( ;

- температура воды на выгульной площадке (*:вп = — 2 1... 1 0 ° С);

Я ь Я з - коэффициенты теплопроводности внутренней и наружной стенок, Вт/м2-°С;

- коэффициент теплопроводности

- толщина стенки нагнетатель

внутренней сложной прослойки, Вт/м °С;

1 , 2 , ^ з , - внутренний и внешние радиусы прослоек, м.

^^кор. 1

Преобразованная формула будет

иметь вид:

2nh(tB - tB.n)

. Ri+0,002 1 . R-i +D,

— In —--1— In —---

X1 Яг A2 Ri+0,002

ВОЗ. +0,002 +

..+0,004

• йт, (10)

Ri +Dnm +0,002

Преобразованная формула ПК в программе МаШсаё будет иметь следующий вид:

f(D) =

2 7гЛ ■ ( tv

tvp )

Хх \ Й!

002\ / ^2

In

fR±+D+0,002

+0,002

( Й!

/ \i?i+D+0.002/

dS

кор.

(11)

Это позволит определить расчетное значение диаметра воздуховода повышенного и пониженного давления.

Потери тепла через крышку автопоилки и поверхность водопойного стакана определим по формуле

= I кг ^ (^ .ч - ¿т, (12)

где кI - коэффициенты тепловой отдачи через крышку автопоилки и поверхность водопойного стакана;

- площадь поверхности крышки автопоилки с водопойным стаканом.

Тепловые потери в грунт ¿5Гр. осуществляются через сложную стенку и зависят от колебаний воздуха внутри автопоилки, свойств грунта и могут быть определены по формуле

5,

— Тд

V с г ■ ^г ■ Р г

(15)

где - температурная амплитуда,

Гл = ( *Д - £) / 2;

- дневная температура воздуха под поилкой, ;

Коэффициент тепловой отдачи через крышку поильной чаши рассчитаем по формуле

■ 1 (13)

^кр. — 5

в.п. | ^к.п.' ^в.п ^к.п

где - толщина воздушной прослойки автопоилки, м;

- толщина материала крышки автопоилки, м;

- коэффициент теплопроводности воздушной прослойки автопоилки, Вт/(мК);

- коэффициент теплопроводности материала крышки автопоилки, Вт/(мК).

Коэффициент тепловой отдачи через водопойные стаканы

" 1 (14)

к = fVCT

^м.п

где - толщина днища водопойного стакана, м;

- коэффициент теплопроводности материала поплавка, Вт/(мК).

- ночная температура воздуха под поилкой, ° С ;

S 0 с г - площадь основания грунта под поилкой, ;

- теплоемкость грунта,

- теплопроводность грунта,

Вт/ (м ■ К) ;

р г - плотность грунта, к г / м 3.

Теплосодержание объема воды, потребляемой животными, будет равно:

^жив. — Рср. ' С ' i ' tc ' VU0T , (16) где - средняя плотность воды в системе

автопоения,

с - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг °С);

- интенсивность отбора воды животными, ;

- температура воды в системе автопоения, ;

- промежуток времени, в течение которого происходит процесс потребления воды, с.

Применение в качестве теплоизоляции боковой стенки групповой автопоилки экспериментального исполнения труб с вакуумом и избыточным давлением позволяет снизить тепловые потери, тем самым уменьшить расход электрической энергии на подогрев воды.

Тепловой баланс экспериментальной групповой автопоилки определялся как суммарные тепловые потери в зависимости от температурных параметров окружающей среды [8, 9, 10].

Исследованиями установлено, что через корпус автопоилки происходят основные потери. При определении теплового баланса одновременно проводились сравнительные исследования серийной и экспериментальной поилок.

Структурная схема моделирования в среде ПК «МВТУ» составлена с учетом уравнения теплового баланса (таблица) и представлена на рисунке 2, а необходимые данные для ее введения в программу приведены в таблице.

Рисунок 2 - Структурная схема моделирования в «МВТУ» для экспериментальной групповой автопоилки

Входные, выходные величины и содержимое блоков

Рассматриваемое тело Входные величины Содержимое блоков для вычисления Выходные величины

Нагревательный блок Т Т VI = 04нв ' (Тн - Тв) + Р)/(сн • ту) йТн

Вода т т т т АК' 1В' 1С> Ан Уг = С-^вк(Тв — ТК)-ЛВС(ТВ — ТС)-ЛНВ(ТН - Тв)/(св • гпв) II Е-?

Корпус автопоилки т т Уз = (-^4ко(Тк - Т0)+Лвк(тв - Тк)/(ск • шк) II

Водопойный стакан т т т 1о> 1с> *в = (-^со(Тс - Т0)+ЛВС(ТВ - Тс)/(сс • шс) II

Потери тепла в групповой автопоилке в стационарном режиме происходят в пря-

мой зависимости от температуры окружающего воздуха. Установлено экспериментально, что расположение между корпусом автопоилки и поильной чашей утеплителя с чередованием труб с вакуумом и избыточным давлением позволяет снизить в среднем потери тепла на 19%.

Литература

1. Таран, Е.А. Анализ классификации средств автопоения с позиции их безопасности / Е.А. Таран, И.В. Орищенко // Безопасность и экология технологических процессов и производств: материалы Всероссийской научно-практ. конференции. -п. Персиановский, 2010. - С. 94-97.

2. Таран, Е.А. Конструктивные элементы групповой автопоилки, влияющие на скорость гравитационной циркуляции воды / Е.А. Таран, И.В. Орищенко // Вестник аграрной науки Дона. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА. - 2011. - 4(16).

3. Таран, Е.А. Регрессионная модель зависимости скорости гравитационной циркуляции воды в групповой автоматической поилке / Е.А. Таран, И.В. Орищенко // Высокоэффективные технологии и технические средства в сельском хозяйстве. -Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012. -С. 217-221.

4. Ферма с низкозатратной экологически чистой технологией производства

молока: монография / Э.И. Липкович,

A.М. Бондаренко, И.Н. Краснов, А.М. Се-менихин, А.И. Удовкин, Е.Б. Сафиулина, И.А. Дробот, А.Н. Глобин, А.А. Поцелуев,

B.В. Мирошникова, А.Ю. Краснова. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. - 192 с.

5. Орищенко, И.В. Классификация систем автопоения / И.В. Орищенко // Технологии и средства повышения надежности машин в АПК: сборник научных трудов. -Вып. 7. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2011. - С. 65-68.

6. Таран, Е.А. Опасные и вредные факторы при обслуживании средств автопоения для крупного и мелкого рогатого скота / Е.А. Таран, И.В. Орищенко // Безопасность и экология технологических процессов и производств. - п. Персиановский, 2010. - С. 91-94.

7. Bordet, M.A. Abreuvoirautomatigue / M.A. Bordet // Brevet D'invention. № 1, 240, 462. - 1960.

8. Экологическое агропроизводство (животноводство, строительство, овцеводство): российско-германский ежегодник «Земледеятель». - Москва: НПО Профиз-дат, 1997. - 339 с.

9. Martin, M.N. Устройство для поения крупного рогатого скота и свиней // Патент США № 3745977. - 1971.

10. Spenser, T.H.N. Поилка // Патент Великобритания № 1. 349.205. - 1964.

Сведения об авторах Таран Елена Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде.

Орищенко Ирина Викторовна - канд. техн. наук, ассистент кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8-908-178-70-37, 8-909-442-02-66.

Information about the authors Taran Elena Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd.

Orishchenko Irina Victorovna - Candidate of Technical Sciences of the Safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd. Phone: 8-908-178-70-37, 8-909-442-02-66.