CC BY
10ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В
СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
УДК 683.97:551.524.001.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА НА РАБОТУ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ
Ю. М. Дулепова
Нижегородский государственный инженерно-экономический университет
Аннотация. Энергосбережение в сельском хозяйстве является предметом обсуждения у многих ученных, которые решают стоящие перед ними задачи путем развития новых средств и технологий, призванных снижать потребление энергоресурсов. При этом важно учитывать, что целью энергосбережения является производство качественных, улучшенных продуктов сельского хозяйства с минимальными затратами на энергоносители. Для её достижения применяются различные методы и устройства. Среди них особенной популярностью пользуются установки, работа которых основана на применении нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В работе представлено исследование, касающееся возможности применения устройства для нагрева воды, предназначенной для поения, которое работает за счет теплоты, производимой крупным рогатым скотом. Для правильного и рационального использования этого источника энергии необходимо учитывать множество факторов, таких как тепловые потери через ограждающие конструкции животноводческого помещения, скорость движения воздуха внутри и снаружи, содержание в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов, температура наружного воздуха. Исследование последнего показателя даёт возможность правильно провести оценку продолжительности времени работы устройства для нагрева воды, работающего за счет использования теплоты, производимой животными.
Ключевые слова: теплота, крупный рогатый скот, энергосбережение, температура наружного воздуха, теплообменник
Введение. Применение энергосберегающих технологий в сельском хозяйстве является перспективным направлением, позволяющим существенно снизить себестоимость продукции, не ухудшая её качества. Особое внимание уделяется технологиям и
средствам, работающим от нетрадиционных, вторичных и возобновляемых источников энергии. Этой теме посвящены работы А.
A. Масловой, В. Л. Осокина и др. [1, 2, 6, 7, 8].
Использование теплоты, производимой крупным рогатым скотом, является перспективным направлением в энергосбережении, связанным с применением нетрадиционных источников энергии. Для того чтобы правильно использовать эту энергию, необходимо провести оценку ряда факторов, оказывающих влияние на тепловыделение коров и формирование микроклимата в животноводческом помещении. Их существует достаточно большое количество. Среди них такие параметры как: влажность, температура наружного воздуха, газовый состав воздуха, скорость движения воздуха, содержание в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов и т. д.
Изучению влияния температуры наружного воздуха на микроклимат в помещении для содержания коров посвящена работа И.
B. Суязова, С. В. Лукина [3].
Температура наружного воздуха - это один из факторов, который оказывает существенное влияние на формирование расчётов теплового баланса, который в свою очередь необходим для определения возможности применения устройства для нагрева воды за счёт теплоты, производимой крупным рогатым скотом.
Цель исследования. Цель исследования состоит в том, чтобы изучить температуру наружного воздуха за определенный промежуток времени на примере Нижегородского региона. Это необходимо, во-первых, для расчета теплового баланса животноводческого помещения и конструктивных параметров устройства для нагрева воды. Во-вторых, имея статистику по температуре наружного воздуха в исследуемом регионе и данные теплового баланса в помещении для содержания животных, можно установить продолжительность работы устройства для нагрева воды в течение года.
Материалы и методы.
Было подтверждено, с помощью теоретической оценки потенциала использования теплоты, производимой крупным рогатым скотом, применение устройства для нагрева воды [4, 11].
Как говорилось ранее, температура наружного воздуха влияет на температуру внутри животноводческого помещения и на производство теплоты крупным рогатым скотом, а этот показатель влияет на тепловой баланс животноводческого помещения. Поэтому важно провести ее оценку.
В качестве устройства для нагрева воды, рассматривается теплообменник [4,5], выполненный из трубы и оребренный двумя полосами для увеличения поверхности теплообмена. Материал устройства - нержавеющая пищевая сталь. Устройство предполагается
разместить рядом со световым фонарем, или в том месте, где наблюдается наибольшая температура воздуха, как правило, это верхняя часть животноводческих помещений.
Результаты и обсуждение. Для оценки влияния температуры наружного воздуха на работу устройства для нагрева воды, проводится оценка значений температуры в течение определенного периода времени. Для анализа были приняты данные о значениях максимальной и минимальной температур за каждый месяц в период с 2014-го по 2019-й год в Нижегородском регионе [9, 10]. Информация о температуре получена с метеорологической станции Нижний Новгород (Нижегородская область, Россия).
Анализ температур требуется для уточнения конструкционных особенностей устройства для нагрева воды, таких как: протяженность, ширина оребрения, диаметр трубы, а так же для уточнения продолжительности работы в году теплообменного устройства.
Предварительно необходимо рассчитать тепловой баланс животноводческого помещения для содержания крупного рогатого скота, который бы показал, в какое время возможно включение в работу устройства для нагрева воды, а в какое время его работа была бы не эффективна, т.е. то время, когда работа устройства не принесла бы никакой пользы.
Уравнение теплового баланса выглядит так:
I б =
бжив. (бвен. + бисп. + богр. )'
где б жив. - количество тепла, поступающего в помещение от животных, кВт-ч; бвен. - количество тепла, расходуемое на нагревание вентиляционного воздуха, кВт-ч; б исп. - количество тепла, необходимое на испарение влаги с пола, кормушек, оборудования здания, кВт-ч; богр. - количество тепла, которое теряется через ограждающие конструкции здания в наружную атмосферу, кВт-ч.
Расчет теплового баланса был произведен для стандартных значений поголовий КРС в типовых коровниках . Обобщенные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты расчёта теплового баланса для типовых _коровников вместимостью 400, 200, 100 голов_
400 голов Т, °С бжив, кВт-ч бвен., кВт-ч бисп., кВт-ч богр., кВт-ч X б, кВт-ч
30 134 -200,2 27 -75 382,2
20 187,4 -100 17 -37 307,4
10 231,3 0 10,4 0 220,9
0 231,3 114,8 10,4 37 69,1
200 30 67 -100,1 20,5 -88 234,6
голов 20 93,7 -50 12,7 -42 173
10 115,7 0 7,8 0 107,9
0 115,7 60,3 7,8 44 3,6
100 30 33,5 -50 12,2 -48 119,3
голов 20 46,8 -25 7,4 -24 88,4
10 57,8 0 4,4 0 53,4
Исходя из этих результатов, можно сказать, что устройство будет эффективно работать при температуре от 0°С и выше. А в случае, когда поголовье крупного рогатого скота не превышает 100 голов, устройство для нагрева воды будет нагревать воду исключительно при положительной температуре наружного воздуха.
Из данных таблицы 1 следует, что мощности, которую можно было бы использовать для нагрева воды, а это суммарная тепловая мощность - Ер, кВт, достаточно. Но продолжительность нагрева будет ограничено температурой наружного воздуха.
Переходим к анализу температуры наружного воздуха. Для этого были изучены данные со значениями максимальных и минимальных температур каждого месяца за период с 2014 по 2019 гг по Нижегородской области (табл. 2,3).
Таблица 2 - Максимальные и минимальные температуры наружного воздуха с 2014 по 2016 гг, °С_
Месяц 2014 2015. 2016
мин макс мин макс мин макс
Январь - 27° + 2° - 27° + 2° - 23° + 2°
Февраль - 22° + 4° - 16° + 6° - 9° + 3°
Март - 14° + 15° - 9° + 13° - 13° + 9°
Апрель - 6° + 21° - 2° + 25° - 3° + 21°
Май - 1° + 30° + 4° + 32° + 3° + 28°
Июнь + 5° + 31° + 7° + 32° + 5° + 30°
Июль + 9° + 31° + 6° + 29° + 11° + 31°
Август + 8° + 33° + 5° + 26° + 9° + 32°
Сентябрь + 1° + 23° + 5° + 27° + 2° + 21°
Октябрь - 13° + 16° - 6° + 16° - 6° + 20°
Ноябрь - 12° + 7° - 7° + 8° - 15° + 2°
Декабрь - 21° + 2° - 17° + 6° - 24° 0°
Агротехника и энергообеспечение. - 2020. - № 1 (26) 23
Таблица 3 - Максимальные и минимальные температуры
наружного воздуха с 2017 по 2019 гг, °С
Месяц 2017 2018 2019
мин макс мин макс мин макс
Январь - 32° + 1° - 18° + 3° - 23° 0°
Февраль - 23° + 3° - 21° + 1° - 15° + 1°
Март - 9° + 10° - 19° + 5° - 14° + 6°
Апрель - 5° + 25° - 5° + 20° - 6° + 19°
Май - 1° + 25° + 2° + 27° + 2° + 27°
Июнь + 3° + 25° + 2° + 29° + 4° + 27°
Июль + 8° + 33° + 12° + 33° + 6° + 25°
Август + 8° + 31° + 9° + 30° + 4° + 26°
Сентябрь + 1° + 25° + 3° + 24° - 1° + 22°
Октябрь - 4° + 17° - 7° + 20° - 5° + 18°
Ноябрь - 9° + 7° - 12° + 8° - 9° + 11°
Декабрь - 9° + 3° - 15° 0° - 12° + 2°
Анализируя таблицы 2 и 3 и учитывая данные таблицы 1 можно сделать вывод, что работа устройства будет эффективна во все дни с мая по сентябрь включительно. Под эффективностью работы устройства для нагрева воды понимается его способность нагревать воду за счет теплоты животных, не оказывая негативного влияния на температуру в животноводческом помещении. В остальные месяцы работа устройства возможна лишь при значениях температуры наружного воздуха достигаемых положительных значений.
-40 -30 -20 -10 0 10 20
2019 2018 2017 2016 2015 2014
Рисунок 1 - Диаграмма распределения минимальных температур за период с 2014 по 2019 гг
На диаграмме распределения минимальных температур рис.1 (для построения принималось, что указанные температуры являются наихудшими условиями для работы нагревателя), видно, что устройство для нагрева воды будет работать 5 месяцев в году, с мая по сентябрь.
май апрель март февраль январь
0 5 10 15 20 25 30 2019 2018 2017 2016 2015 2014
35
Рисунок 2 - Диаграмма распределения максимальных температур за период с 2014 по 2019 гг.
На диаграмме распределения максимальных температур, где указанные величины температур принимаются как наилучшие условия для работы нагревателя, наблюдается, что устройство для нагрева воды может работать круглый год. Однако это не совсем справедливо для рассматриваемого региона, хотя теоретически допустимо для регионов с более высокой среднегодовой температурой.
Более наглядную картину дает среднемесячная величина температуры наружного воздуха (рис. 3) (10).
-20
-10 2019
0
2018
10
2017 2016
20
2015 2014
30
Рисунок 3 - Диаграмма распределения среднемесячной температуры за период с 2014 по 2019 гг
Рассмотрев диаграмму на рисунке 3 видно, что наилучшими периодом для работы устройства для нагрева воды является период с апреля по октябрь. Именно в этот период теплообменник даст наилучший результат по экономии электрической энергии, затрачиваемой на нагрев воды, предназначенной для поения.
Заключение. В результате работы был произведен расчет теплового баланса в животноводческом помещении для содержания крупного рогатого скота и выполнен анализ минимальных, максимальных, средних значений температуры наружного воздуха в Нижегородском регионе за последние 6 лет.
Наиболее информативными оказались сведения о средней температуре наружного воздуха. Исходя из полученных данных по температуре и тепловому балансу в помещениях для содержания животных, был получен период времени, в котором устройство для
нагрева воды за счет теплоты, производимой крупным рогатым скотом, будет работать преимущественно в весенне-летние месяцы
Список использованных источников
1. Маслова А. А., Осокин В. Л. Устройство для нагрева воды за счет солнечной энергии, Патент РФ № RU 2672656 С1 опубл. 16.11.18 Бюл. №32
2. Маслова А. А., Маслов М. М. Теоретические предпосылки создания солнечного водонагревателя // Вестник НГИЭИ. 2017. № 4 (71). С. 67-75.
3. Суязова И. В., Лукин С. В. Влияние сезона года на микроклимат коровника // Молодежь и наука. 2017. № 4. С. 57-60.
4. Макарова Ю. М., Осокин В. Л. Устройство для нагрева воды, Патент РФ № RU 2684293 С1 опубл. 05.04.2019 Бюл. № 10
5. Дулепова Ю. М., Дулепов Д. Е., Жужин М. С., Александрова А. А. Математическое моделирование устройства для нагрева воды для поения крупного рогатого скота // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2019. № 11 (181). С. 155160.
6. Ахметжанов Р. А. Повышение эффективности использования солнечной и ветровой энергии для теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей: дис. ... канд. техн. наук. -Челябинск, 2005. - 159 с.
7. Виссарионов В. И., Бурмистров А. А., Дерюгина Г. В. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии: учебное пособие. М. : Издательский дом МЭИ, 2009. 144 с.
8. Коломиец Ю. Г. Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях: дис. ... канд. техн. наук. -Москва, 2009. - 174 с.
9. Ну и погода. Электронный ресурс. Заголовок с экрана. 1ШР5://Ппоу.п1процоёа.ги/%Р0%ВР%Р0%ВЕ%Р0%В3%Р0%ВЕ%Р0% В4%Р0%В0-2014. Дата обращения: 25.04.20
10. Погода и климат . Электронный ресурс. Заголовок с экрана http://www.pogodaiklimat.ra/moшtor.php?id=27459&month=1&vear=2014 ^Дата обращения: 25.04.20
11. Дулепова Ю. М. Обоснование возможности применения нового энергосберегающего устройства для нагрева воды // Вестник НГИЭИ. 2017. № 6 (73). С. 61-68
Дулепова Юлия Михайловна, старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация», makjul92@mail.ru
ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет
STUDY OF THE INFLUENCE OF OUTDOOR TEMPERATURE
AIR TO THE OPERATION OF THE WATER HEATING DEVICE
Yu. M. Dulepova
Abstract. Energy conservation in agriculture is a subject of discussion among many scientists who solve their tasks by developing new tools and technologies designed to reduce energy consumption. At the same time, it is important to keep in mind that the goal of energy saving is to produce high-quality, improved agricultural products with minimal energy costs. Various methods and devices are used to achieve this goal. Among them, installations based on the use of non-traditional and renewable energy sources are particularly popular. The paper presents a study concerning the possibility of using a device for heating water intended for drinking, which works due to the heat produced by cattle. For proper and rational use of this energy source must take into account many factors such as heat loss through the building envelope livestock facilities, the air speed inside and outside, content in the air of dust particles and microorganisms, the outside air temperature. The study of the last indicator makes it possible to correctly estimate the duration of the operation of the device for heating water, which works by using the heat produced by animals.
Keywords: heat, cattle, energy supplying, temperature of the outdoor air, heat exchanger
Dulepova Julia Mikhailovna, senior lecturer of the chair «Electrification and automation», makjul92@mail.ru GBOU VO Nizhny Novgorod state engineering and economic university,
