CC BY
75
УДК 636 DOI 10/26897/1728-7936-2018-1-34-39
ИГНАТКИН ИВАН ЮРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент
E-mail: ignatkinivan@gmail.com
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана; 105005, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, Российская Федерация
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВОЗДУХО-ВОЗДУШНОГО РЕКУПЕРАТОРА
Рассматривается пример оптимизации параметров рекуперативного теплообменника с учетом текущих экономических условий и особенностей объекта. Задача оптимизации рассмотрена на примере секции откорма свиноводческой фермы с замкнутым циклом производства ООО «Фирма «Мортадель». Помещение предназначено для выращивания 280 голов свиней на откорме массой от 30 до 110 кг. Секция откорма оборудована тремя рекуператорами: два аппарата УТ-6000С и один УТ-3000. Суммарная производительность рекуператоров составляет приближенно 15000 м3/ч. Проведены теплотехнические и аэродинамические расчеты рекуператора с целью определения влияния площади теплообменной поверхности на коэффициент эффективности утилизации теплоты и аэродинамическое сопротивление аппарата. Расчетное гидравлическое сопротивление составило 127,4 Па (длина теплообменника 1,71 м). На основании расчетов определены потребности в тепловой энергии для рассматриваемой секции откорма и зависимость срока окупаемости и прибыли от длины теплообменника (определяющей площадь, размер). Рассчитано, что срок окупаемости рекуператоров тепла уменьшается до значения коэффициента эффективности утилизации теплоты 24,18%, а после этого значения скачкообразно увеличивается до 28,25% и далее незначительно изменяется. Это объясняется зависимостью гидравлического сопротивления от длины теплообменника. С увеличением длины рекуператора повышается его стоимость, а производительность - снижается. По критерию окупаемости целесообразно применять рекуператоры с небольшим коэффициентом утилизации теплоты и длиной около 1 м. С целью же получения максимальной прибыли подтверждена целесообразность применения рекуператоров с большей длиной теплообменника.
Ключевые слова: вентиляция, микроклимат, отопление, рекуперация теплоты, свиноводство, система микроклимата, теплообмен, теплоперенос, утилизация теплоты, энергосбережение.
Введение. Свиноводство является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов. Из них свыше 65% используется в системах отопления производственных объектов. Теплота используется в технологических процессах обеспечения микроклимата, горячего водоснабжения, тепловой обработки кормов, сушки, хранения и переработки различных видов сельскохозяйственной продукции и ряде других технологических процессов [1, 2].
Отечественное производство вентиляционного оборудования для сельского хозяйства во многом разрушено, технически отстало, поэтому в значительной мере поставляется и используется дорогостоящее зарубежное оборудование. Это связано с рядом политических и экономических факторов, которые привели к стагнации в этой сфере.
Имеется прямая связь производства продукции с энергозатратами, доля которых в её себестоимости составляет 7.. .30%, что связано с видом энергоносителя, климатической зоной, качеством теплоизоляции зданий, а также с опережающим ростом тарифов на электроэнергию и топливо в сравнении с ценами на свинину. Ощущается острая потребность в новых технологиях, сокращающих затраты тепловой и электрической энергии. Поэтому важным фактором, определяющим вектор развития энергетических систем,
является снижение себестоимости продукции за счет применения энергосберегающих технологий [3].
Одним из направлений снижения энергетических затрат в процессе обеспечения микроклимата является утилизация теплоты вытяжного воздуха. Известны различные способы реализации этой задачи, наиболее эффективным для свиноводства является применение воздухо-воздушных рекуперативных теплообменников. В таких системах теплый вытяжной воздух подогревает свежий приточный, теплообмен осуществляется через разделяющую стенку, что исключает смешивание потоков. Энергетическая эффективность применения этой системы определяется коэффициентом эффективности утилизации теплоты [4-6].
При этом известно, что эффективность утилизации теплоты зависит от множества факторов: температурного напора, площади теплообменной поверхности, схемы организации воздушных потоков, режима течения флюидов, теплопроводности материала теплообменника и многих других. Некоторые из них определяются погодными условиями и требованиями для содержания животных, и повлиять на них практически невозможно, изменение других влечет за собой шлейф негативных последствий, третьи малозначительны. Изменение этих факторов - всегда компромисс и связано с решением технических противоречий [7].
В свою очередь, свиноводу важна не столько техническая характеристика оборудования, сколько прибыль, которая зависит от экономии, капитальных и эксплуатационных затрат.
В сложившейся экономической и политической ситуации нестабильное положение рубля приводит к значительным колебаниям цен на комплектующие с импортными компонентами. Следовательно, наиболее значимым и удобным для варьирования фактором является площадь теплообменной поверхности за счет ее сильного влияния на эффективность и стоимость аппарата.
Цель исследования - оптимизация срока окупаемости воздухо-воздушного рекуперативного теплообменника с учетом текущих экономических условий и особенностей объекта.
Материал и методы. Объектом исследования явилось устройство для утилизации теплоты - рекуператор; предмет исследования - зависимость экономической эффективности рекуператора от длины теплообменника. В качестве методов исследований использован эксперимент и теорети-
ческие изыскания с применением эмпирических данных.
Экспериментальные исследования проводились поверенными термоанемометрами с функцией влагомера TESTO 425 в соответствии с «СТО АИСТ 31.2-2007 Испытания сельхозтехники. Комплекты оборудования для создания микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях. Методы оценки функциональных показателей».
Результаты и обсуждение. Рассмотрим решение поставленной задачи на примере секции откорма свиноводческой фермы с замкнутым циклом производства ООО «Фирма «Мортадель». Помещение предназначено для выращивания 280 голов свиней на откорме массой от 30 до 110 кг (рис. 1).
Секция откорма оборудована тремя рекуператорами. Два аппарата УТ-6000С обеспечивают общеобменную вентиляцию, и один рекуператор УТ-3000 осуществляет вытяжку воздуха из подпольного пространства, снижая поступление вредных веществ из навозного канала (H2S, NH3, СО2, Н2О) в помещение для содержания животных [8].
¿Температурный датчик №1 Теплогенератор-1 Температурный датчик №2^ ¿Рекуператор УТ -6000 С Рис. 1. Схема размещения контрольных точек в опытной секции откорма с рекуперацией теплоты
Суммарная производительность рекуператоров составляет приближенно 15000 м3/ч и обеспечивает необходимый воздухообмен вплоть до переходного периода из расчета 0,5 м3/кг живой массы. В зимний период при температуре ниже -15°С рекуператоры УТ-6000С работают поочередно, чередуя режим рекуперации и оттаивания, что снижает их производительность в два раза [9].
Для нахождения оптимальной площади тепло-обменной поверхности необходимо провести теплотехнические и аэродинамические расчеты рекуператора с целью определения влияния площади те-плообменной поверхности на коэффициент эффективности утилизации теплоты и аэродинамическое сопротивление (производительность) аппарата.
Площадью поверхности теплообмена в рамках имеющегося конструктива наиболее удобно варьировать, изменяя длину теплообменника, так как размеры поперечного сечения связаны с характеристиками вентиляторов и поддона [10].
Увеличение длины рекуператора Ь; (рис. 2) предполагает пропорциональное увеличение гидрав-
лического сопротивления, что необходимо учитывать в расчете.
Рис. 2. Фрагмент теплообменника: 1 - лист сотового поликарбоната; 2 - дистанционная вставка
Согласно упрощенной теоретической модели зависимость коэффициента утилизации теплоты от длины рекуператора носит линейный харак-
тер, что отражено на рисунке 3. Расчет произведен для теплообменников длиной в диапазоне от 0,1 до 2,5 м, с шагом 0,1 м.
Рис. 3. Зависимость коэффициента эффективности утилизации теплоты от длины теплообменника
Для оценки влияния изменения гидравлического сопротивления примем следующее допущение: система стабилизируется на сопротивлении, соответствующем стандартному рекуператору (УТ-6000С), -127,4 Па (длина теплообменника 1,71 м).
Изменение длины теплообменника сказывается только на расходе воздуха. Исходя из описанного условия, расходная характеристика аппарата в зависимости от его длины примет вид, изображенный на рисунке 4.
Я & о — 11000,0
к &
^ с 10000,0
*
& 9000,0
ь ^
у **> 18 8000,0
5
н 5 7000,0
Ч О
¡а ¡5 6000,0
О а
Й 5000,0
4000,0
0,5
1,5
2 2,5
Длина теплообменника, м
Рис. 4. Зависимость производительности рекуператора от длины теплообменника
0
На основании полученных данных проведем расчеты потребности в тепловой энергии для рассматриваемой секции откорма, оборудованной рекуператорами, варьируя длиной теплообменника, а следовательно, производительностью и эффективностью утилизации теплоты (рис. 5).
Критериями оптимальности примем минимальный срок окупаемости и максимальную прибыль.
Срок окупаемости рекуператоров определим по формуле
Т = З / Э
кап' ^год'
где Т - срок окупаемости, лет; Зкап - капитальные затраты на приобретение рекуператоров, руб.; Эгод - годовая экономия на дополнительное отопление, руб.
З = З + З + З + З + З + З + З + Н,
кап м тр пр д уп вн зар >
где Зм - затраты на материал, руб.; Зтр - транспортные затраты, руб.; Зпр - производственные затраты, руб.; Зд - дополнительные затраты, руб.; Зуп - затраты на упаковку, руб.; Звн - внепроизводственные затраты, руб.; Ззар - зарплата, руб.; Н - налоги, руб.
Годовую экономию можно определить по формуле
Эгод = 3600 • Сгаз • (06е3. рек. + / ^а,
где 0без. рек. - энергопотребление за год без рекуперации, кВтч; 0рек - энергопотребление за год с рекуперацией, кВтч; Сгаз - тариф на 1 м3 природного газа, руб.; - теплотворная способность природного газа, кДж/м3.
Рис. 5. Энергопотребление для секции откорма
Построим график срока окупаемости в зависимости от коэффициента эффективности утилизации теплоты (рис. 6). В расчете учтено изменение производительности рекуператоров в зависимости от длины теплообменника. Из графика следует, что срок окупаемости рекуператоров уменьшается до значения 24,18%. Это связано с монотонным увеличени-
ем экономии энергии и небольшими капитальными затратами, так как для обеспечения необходимого воздухообмена требуется всего 2. По мере увеличения длины рекуператора гидравлическое сопротивление растет и на отметке 28,25% наблюдается скачок, так как для обеспечения необходимого воздухообмена требуется на 1 рекуператор больше.
от
Рис. 6. Зависимость срока окупаемости системы коэффициента эффективности утилизации теплоты
По критерию окупаемости можно сделать вывод, что целесообразно применять рекуператоры с небольшим коэффициентом утилизации теплоты и длиной около 1 м.
Прибыль за 10 лет от применения рекуператоров определим по формуле
П = (Эгод • п - Зкап) / 1000,
где п - количество лет, 1000 - переводной коэффициент из руб. в тыс. руб.
По полученным данным построим график прибыли в зависимости от коэффициента утилизации теплоты (рис. 7).
Максимальную прибыль за 10 лет можно получить от рекуператоров с большим коэффициентом утилизации теплоты, т. е. с большей длиной теплообменника. Следовательно, можно сделать вывод, что с целью достижения максимальной прибыли целесообразно применять рекуператоры с большей длиной теплообменника.
Рис. 7. Зависимость экономии от коэффициента утилизации теплоты
Выводы
1. С увеличением площади теплообменной поверхности увеличивается эффективность утилизации теплоты.
2. В рассматриваемых условиях срок окупаемости рекуператоров тепла уменьшается до значения коэффициента эффективности утилизации теплоты 24,18%, а после этого значение скачкообразно увеличивается и далее незначительно изменяется. Это связано с тем, что гидравлическое сопротивление пропорционально длине теплообменника, с ростом длины рекуператора повышается его стоимость, а производительность - снижается.
3. Максимальную прибыль за период эксплуатации дают рекуператоры с большей длиной теплообменника.
Библиографический список
1. Тихомиров Д. А. Энергосберегающие электрические системы и технические средства тепло-обеспечения основных технологических процессов в животноводстве: Дис. ... д-ра техн. наук. М., 2015.
2. Механизация и технология животноводства / В.В. Кирсанов, Д.Н. Мурусидзе, В.Ф. Некрашевич, В .В. Шевцов, Р.Ф. Филонов: Учебник. М., 2013. 585 с.
3. Гулевский В.А., Шацкий В.П., Спирина Н.Г. Применение теплообменников (рекуператоров) для нормализации микролимата животноводческих
помещений // Известия ВУЗов. Строительство. N° 9. Новосибирск, 2013. С. 64-68.
4. Гулевский В.А., Шацкий В.П. Моделирование теплообмена в пластинчатых теплообменниках // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2012. N 2. С. 140-144.
5. Игнаткин И.Ю., Казанцев С.П. Рекуператор теплоты для свиноводческого комплекса // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2013. № 4. С. 17-18.
6. Кононенко А.С., Киселев Р.В. Восстановление радиаторов // Сельский механизатор. 2004. № 6. С. 22-23.
7. Ильин И.В., Игнаткин И.Ю., Курячий М.Г., Бондарев А.М. Рекуперация теплоты в свиноводстве // Эффективное животноводство. 2015. № 9 (118). С. 40-41.
8. Игнаткин И.Ю. Оценка эффективности рекуперации теплоты в свинарнике-откормочнике ООО «Фирма Мортадель» // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2016. № 1 (71). С. 14-20.
9. Игнаткин И.Ю., Бондарев А.М., Курячий М.Г., Путан А.А., Архипцев А.В. Опыт внедрения системы рекуперации тепла вентиляционного воздуха в систему поддержания микроклимата в свинарнике ООО «Фирма «Мортадель» // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. № 4 (9). С. 256-261.
10. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Универсальная установка обеспечения микроклимата // Вестник НГИЭИ. 2016. № 8 (63). С. 110-116.
Статья поступила 08.09.2017
OPTIMIZING UTILIZATION EFFICIENCY OF HEAT DEVELOPED BY AIR-TO-AIR RECUPERATOR
IVAN Yu. IGNATKIN, PhD (Eng), Associate Professor
E-mail: ignatkinivan@gmail.com
Bauman Moscow State Technical University; 105005, 2nd Baumanskaya Str., 5, bld. 1, Moscow, Russian Ferderation
The paper provides an example of the optimization of parameters of a recuperative heat exchanger with account of current economic conditions and specific features of an object. The problem of optimization is exem-
plified by the fattening section of a pig-breeding farm with a closed production cycle of JSC "Firma "Mortadel". The premises are intended for keeping 280 pig heads for fattening in weight values ranging from 30 to 110 kg. The fattening section is equipped with three recuperators: two UT-6000S models and one UT-3000 model. The total capacity of the recuperators is approximately 15,000 m3/h. Thermo-technical and aerodynamic calculations of the recuperator parameters have been carried out in order to determine the effect of the heat exchange surface area on the efficiency factor of heat utilization and the aerodynamic resistance of the device. The calculated hydraulic resistance has amounted to 127.4 Pa (with a heat exchanger length of 1.71 m). Basing on the calculation results, the author determines requirements for thermal energy for the considered fattening section and the dependence of the payback period and profit on the heat exchanger length (that determines the area and the size). It has been calculated that the payback period of heat recuperators is reduced to the value of the heat recovery efficiency coefficient of 24.18%, and after reaching that value it grows rapidly to 28.25% and then slightly changes. This is explained by the dependence of the hydraulic resistance on the heat exchanger length. When the recuperator length increases, its cost increases too, while its productivity decreases. According to the recoupment criterion, it is advisable to use recuperators with a small coefficient of heat utilization and a length of about 1 m. In order to obtain maximum profit, it has been proved expedient to use recuperators with a longer length of the heat exchanger.
Key words: ventilation, microclimate, heating, heat recovery, hog breeding, microclimate system, heat exchange, heat transfer, heat utilization, energy saving.
References
1. Tikhomirov D.A. Energosberegayushchiye elek-tricheskiye sistemy i tekhnicheskiye sredstva teploobe-specheniya osnovnykh tekhnologicheskikh protsessov v zhivotnovodstve [Energy-saving electrical systems and technical means of heat supply of basic technological processes in livestock breeding]: PhD (Eng) thesis. Moscow, 2015. (in Rus.)
2. Kirsanov VV., Murusidze D.N., Nekrashe-vich V.F., Shevtsov V.V., Filonov R.F. Mekhanizat-siya i tekhnologiya zhivotnovodstva [Mechanization and technology of animal husbandry]: Study mannual. Moscow, 2013. 585 p. (in Rus.)
3. Gulevskiy V.A., Shatskiy VP., Spirina N.G. Primeneniye teploobmennikov (rekuperatorov) dlya normalizatsii mikrolimata zhivotnovodcheskikh pomeshcheniy [Application of heat exchangers (recuperators) for the normalization of the microclimate of cattle-breeding premises]. Izvestiya VUZov. Stroi-tel'stvo, No. 9. Novosibirsk, 2013. Pp. 64-68. (in Rus.)
4. Gulevskiy V.A., Shatskiy V.P. Modelirovani-ye teploobmena v plastinchatykh teploobmennikakh [Modeling of heat exchange in plate-type heat exchangers]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2012, No. 2. Pp. 140-144. (in Rus.)
5. Ignatkin I. Yu., Kazantsev S.P. Rekuperator teplo-ty dlya svinovodcheskogo kompleksa [Heat recuperator for pig-breeding facilities]. Mekhanizatsiya i elektri-
fikatsiya sel'skogo khozyaystva, 2013, No. 4. Pp. 17-18. (in Rus.)
6. Kononenko A.S., Kiselev R.V. Vosstanovleniye radiatorov [Restoration of radiators]. Sel'skiy mekhani-zator, 2004, No. 6. Pp. 22-23. (in Rus.)
7. Il'in I.V., Ignatkin I. Yu., Kuryachiy M.G., Bond-arev A.M. Rekuperatsiya teploty v svinovodstve [Heat recovery in hog breeding]. Effektivnoye zhivotnovodst-vo, 2015, No. 9 (118). Pp. 40-41. (in Rus.)
8. Ignatkin I.Yu. Otsenka effektivnosti rekuperatsii teploty v svinarnike-otkormochnike OOO "Firma Mortadel'" [Evaluation of heat recovery efficiency on the pig-breeding farm of JSC "Firma "Mortadel'"]. Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University, 2016, No. 1 (71). Pp. 14-20. (in Rus.)
9. Ignatkin I. Yu., Bondarev A.M., Kuryachiy M.G., Putan A.A., Arkhiptsev A.V Opyt vnedreniya sistemy rekuperatsii tepla ventilyatsionnogo vozdukha v sis-temu podderzhaniya mikroklimata v svinarnike OOO "Firma "Mortadel'" [Experience of introducing a system of heat recuperation of ventilating air in the microclimate control system in a pigsty of LLC "Firm" Mortadel'". Innovatsii v sel'skom khozyaystve, 2014, No. 4 (9). Pp. 256-261. (in Rus.)
10. Kirsanov V.V., Ignatkin I.Yu. Universal'naya ustanovka obespecheniya mikroklimata [Universal installation of microclimate control]. Vestnik NGIEI, 2016, No. 8 (63). Pp. 110-116. (in Rus.)
The paper was received on September 8, 2017
