CC BY
3ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ УДК 620.953:621.8.036.003.12
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, ПРОИЗВОДИМОЙ ЖИВОТНЫМИ
Дулепова Ю. М., Осокин В. Л.
ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет»
Аннотация. Работа состоит в том, чтобы расчетами показать и доказать существующий потенциал использования тепловой энергии, производимой животными. В основе лежит закон об энергосбережении ФЗ № 261 и Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота. Исходя из этих двух документов, было рассчитано количество теплоты, которое могут выделить разные группы животных крупного рогатого скота с различным числом поголовья, за час и за сутки. При расчете количества теплоты, выделяемого КРС за сутки учитывалось, что в ночное время производительность снижается на 20 %. При анализе теоретических расчетов было выявлено, что существует потенциал неиспользуемой теплоты, которая выделяется коровами. Причем она достаточна для использования в качестве вторичного источника энергии в тех или иных условиях (для того или иного количества поголовья). В работе предлагается использовать эту «свободную теплоту» для нагрева воды. В качестве устройства предлагается использовать продольно оребрённую трубу, которую бы можно разместить в месте, где фиксируется наибольшая температура в животноводческом помещении. Как правило, это в основном верхняя часть животноводческого помещения. Устройство предполагается разместить именно там и заполнить его водой. Теплота, которая производится животными и поднимается вверх будет нагревать воду, которую в последствии можно использовать для поения или других каких-либо технологических нужд. Приведенные расчеты наглядно показывают, что использование вторичного источника энергии, такого как теплота, выделяемая животными, имеет широкий потенциал для развития и использования в целях экономии электрической энергии, которая затрачивается на подогрев питьевой воды для КРС.
Ключевые слова: вторичные источники энергии, теплота, крупный рогатый скот, потенциал использования теплоты, нагрев воды.
Введение. Мир, который нас окружает обладает большим количеством различных видов энергии, некоторые из которых человечество использует уже очень давно: энергию рек и энергию ветра. Некоторые еще используются не в полную силу такие как энергия солнца и тепла Земли.
Вопросы об использовании альтернативных источников рассматриваются во многих научных работах [1,2], однако очень мало уделяется внимания вторичным источникам энергетических ресурсов в животноводстве. В Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы, утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. N 446, поставлена задача по ускоренному переходу к новым высокопроизводительным и ресурсосберегающих технологиям, при этом техническую и технологическую модернизацию предполагается осуществить на основе обновления парка сельскохозяйственной техники [3].
Основная часть.
Закон «Об энергосбережении» [4] говорит, что вторичные энергетические ресурсы - это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе.
Помимо основных источников вторичных энергетических ресурсов можно рассмотреть такой вид как тепловая энергия животных на примере крупного рогатого скота.
На сегодняшний день этот вид энергии малоизвестен и проработан. Поэтому целью настоящей работы является установить перспективу использования и потенциал, которым обладает данный тип вторичного источника энергии.
Согласно [5] одна корова молочного направления в среднем производит в час 795 Ватт теплоты. Если пересчитать эту цифру для поголовья 200 единиц, то за час единицы времени они произведут 159 000 Ватт или 159 кВт теплоты. За сутки будет произведено немалое количество энергии, которое будет равно 3 816 тыс. кВт. Подумать только! И весь этот потенциал почти не расходуется. Часть теплоты идет на нагрев самого помещения (в зимний период), в зависимости от состояния ограждающих конструкций может быть затрачено до 30 %.
Все остальное утилизируется системой вентиляции или теряются через ограждающие конструкции животноводческих помещений.
Произведем более подробный расчет и анализ того количества теплоты, которое должны выделить коровы различных групп. Результаты расчетов представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Результаты расчетов количества теплоты, выделяемой КРС_
Группы животных Масса животных, кг Теплота, Вт Количество общей теплоты, выделяемой за день Количество общей теплоты, выделяемой за ночь Всего за сутки 1 корова
общая свободная
Коровы лакгирующие при уровне лактации в сут.:
а) 5 л 400 614 422 11052 2947,2 13999,2
500 709 511 12762 3403,2 16165,2
600 797 574 14346 3825,6 18171,6
б) 10 л 400 643 463 11574 3086,4 14660,4
500 736 530 13248 3532,8 16780,8
600 822 592 14796 3945,6 18741,6
в) 15 л 400 716 515 12888 3436,8 16324,8
500 816 587 14688 3916,8 18604,8
600 905 651 16290 4344 20634
г) 20 л 400 779 561 14022 3739,2 17761,2
500 882 635 15876 4233,6 20109,6
600 971 699 17478 4660,8 22138,8
Д) 25 л 400 847 610 15246 4065,6 19311,6
500 953 686 17154 4574,4 21728,4
600 1042 750 18756 5001,6 23757,6
Коровы стельные (сухостойные) и нетели за 2 мес. до отела 400 607 437 10926 2913,6 13839,6
500 700 504 12600 3360 15960
600 784 565 14112 3763,2 17875,2
При расчете общего выделения теплоты днем и ночью принимаем, что день длится 18 часов, ночь 6 часов. Согласно [5] в ночное время выделение теплоты у животных должно быть принято ниже на 20 % .
Исходя из таблицы 1 были высчитаны значения выделенной теплоты крупным рогатым скотом для количества трех распространённых типов поголовья: 100 голов, 200 голов, 400 голов.
Таблица 2 - Результаты расчетов выделенной теплоты поголовьем различного количества за сутки_
Группы животных Масса животных, кг Общее количество теплоты, которое выделит за сутки (Вт)
1 голова 100 голов 200 голов 400 голо!
Коровы лактирующие при уровне лактации в сут.:
а) 5 л 400 13999,2 1399920 2799840 5599680
500 16165,2 1616520 3233040 6466080
600 18171,6 1817160 3634320 7268640
б) 10 л 400 14660,4 1466040 2932080 5864160
500 16780,8 1678080 3356160 6712320
600 18741,6 1874160 3748320 7496640
в) 15 л 400 16324,8 1632480 3264960 6529920
500 18604,8 1860480 3720960 7441920
600 20634 2063400 4126800 8253600
г) 20 л 400 17761,2 1776120 3552240 7104480
500 20109,6 2010960 4021920 8043840
600 22138,8 2213880 4427760 8855520
Д) 25 л 400 19311,6 1931160 3862320 7724640
500 21728,4 2172840 4345680 8691360
600 23757,6 2375760 4751520 9503040
Коровы стельные (сухостойные) и нетели за 2 мес. до отела 400 13839,6 1383960 2767920 5535840
500 15960 1596000 3192000 6384000
600 17875,2 1787520 3575040 7150080
Проанализировав таблицы 1, 2 можно сделать вывод, что для каждой группы животных различной численностью существует достаточно большой потенциал нерастраченной теплоты.
При подсчете количества теплоты, которую можно свободно использовать, нужно не забывать и учитывать потери через ограждающие конструкции животноводческих помещений, а также то, что произведенная КРС теплота частично расходуется на обогрев их самих.
Потери через ограждающие конструкции рассчитываются для каждого типа помещения индивидуально, в зависимости от его конструктивных особенностей, от температур внутренней и наружной, в зависимости от тепло- и влаговыделения животными. Обычно они не превышают 20 %, остальная часть теплоты и влаги утилизируются естественным путем (через естественную вентиляцию) или
принудительно, с помощью оборудования для регулирования тепловлажностного режима и микроклимата в животноводческих помещениях.
Принимаем, что потенциал нерастраченной теплоты составляет 80% от общего количества теплоты, которое производится животными. Показатель не маленький для всех групп животных, который можно использовать.
Известно, что теплота поднимается вверх, и концентрируется в верхней части животноводческого помещения. Именно в этом месте можно использовать эту теплоту, для того чтобы нагреть воду, предназначенную для поения или каких-либо других технологических нужд. Чтобы это осуществить, необходимо создание нового устройства - водонагревателя. Его предлагается выполнить в виде продольно оребренной двумя пластинами трубы, которая будет располагаться в месте наивысшей температуры, как показано на рисунке 1 [6,7].
Рисунок 1 - Пример расположения нагревательного устройства
Способность нагреть воду в таком устройстве теплотой, производимой животными, подтверждается расчетами, приведенными в таблицах 2 и 3.
Из таблицы 3 видно, что теплота, производимая в час КРС, варьируется от 61,4 кВт до 313,6 кВт. Получается, что мы имеет источник теплоты достаточно большой мощности для того чтобы нагреть воду в рассматриваемом теплообменнике до необходимой температуры. В зависимости от размеров устройства (для каждого помещения он может быть разным) на 1 метр теплообменника будет воздействовать не меньше 1 кВт тепловой энергии.
Таблица 3 - Результаты расчетов выделенной теплоты поголовьем различного количества за час_
Группы животных Масса животных, кг Теплота, Вт в час Теплота, выделенная в час (день), поголовьем
общая 100 голов (Вт) 200 голов (Вт) 400 голов (Вт)
Коровы лактирующие при уровне лактации в сут.:
а) 5 л 400 614 61400 122800 245600
500 709 70900 141800 283600
600 797 79700 159400 318800
б) 10 л 400 643 64300 128600 257200
500 736 73600 147200 294400
600 822 82200 164400 328800
в) 15 л 400 716 71600 143200 286400
500 816 81600 163200 326400
600 905 90500 181000 362000
г) 20 л 400 779 77900 155800 311600
500 882 88200 176400 352800
600 971 97100 194200 388400
Д) 25 л 400 847 84700 169400 338800
500 953 95300 190600 381200
600 1042 104200 208400 416800
Коровы стельные (сухостойные) и нетели за 2 мес. до отела 400 607 60700 121400 242800
500 700 70000 140000 280000
600 784 78400 156800 313600
Вывод. Исходя из приведенных расчетов можно сделать вывод, что использование вторичного источника энергии, такого как теплота, выделяемая животными, имеет широкий потенциал для развития и использования в целях экономии электрической энергии, которая затрачивается на подогрев питьевой воды для КРС.
Список использованных источников:
1. Вафина, Ю. А. Энергосбережение за счет использования альтернативных источников энергии и вторичных энергоресурсов: Россия и мировой опыт // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 9. С. 265-272.
2. Бухарицин, П. И. Альтернативные источники энергии (учебно-методическое пособие по дисциплине «альтернативные
источники энергии») // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 8. С. 189.
3. Постановление Правительства РФ от 14.07.2007 N 446 (ред. от 23.04.2012) "О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 годы" // URL: http://www.consultant.ru/document/cons doc LAW 70205/ (дата обращения 04.04.17 г.)
4. Федеральный закон об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные Законодательные акты Российской Федерации № 261 от 23.11.2009 г.
5. Классификатор Государственных Стандартов. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота // URL: http://gostbank.metaltorg.ru/data/norms new/ntp/5.pdf (дата обращения 04.04.17 г.)
6. Макарова, Ю. М. Теплообменник комбинированного типа -как энергосберегающее устройство/ Ю. М. Макарова, В. Л. Осокин // Вестник НГИЭИ. 2014. № 12 (43). С. 64-69.
7. Макарова, Ю. М. Теоретические предпосылки создания нового устройства водоподготовки в помещениях содержания КРС/ Ю. М. Макарова, В. Л. Осокин // Вестник НГИЭИ. 2015. № 4 (47). С. 7276.
Дулепова Юлия Михайловна, старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация» E-mail: makjul92@mail.ru
Осокин Владимир Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация» E-mail: osokinvl @ mail. ru
ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», г. Княгинино
EVALUATION OF THE POTENTIAL OF USE OF HEAT ENERGY PRODUCED BY ANIMALS
Dulepova Yu. M., Osokin V. L. Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics
Abstract. The work consists of calculations to show and prove the existing potential use of thermal energy produced by animals. It is based on
the energy conservation law FZ No. 261 and norms of technological designing of the enterprises of cattle. Based on these two documents, the quantity of heat which can distinguish different groups of animals in cattle with different numbers of livestock, per hour and per day was calculated. To calculate the amount of heat generated of cattle per day was taken into account that at night the performance is reduced by 20 %. In the analysis of the theoretical calculations it was revealed that there is the potential of unused heat, which is released by cows. Moreover, it is sufficient for use as a secondary source of energy in certain conditions (for a given quantity of livestock). This paper proposes to use this "free heat" for heating water. As the device proposes to use a longitudinally finned tube, which can be placed in the place where the highest temperature in the housing is recorded. As a rule, it is mainly the upper part of the livestock building. It is expected to place the device there and fill it with water. The heat that is produced by animals and rises up to heat the water, can later be used for drinking or for some other technological needs. The calculations clearly show that the use of secondary energy source such as heat generated by animals, has a wide potential for development and use in order to save electric energy spent on heating drinking water for cattle.
Key words: secondary sources of energy, warmth, cattle, potential use of heat, water heating.
Dulepova Yuliya Mikhailovna, Senior Lecturer, Electrification and Automation Department E-mail: makjul92@mail.ru
Osokin Vladimir Leonidovich, Ph.D. (Technical Sciences), the senior lecturer of faculty "Electrification and automation" E-mail: osokinvl@ mail. ru
SBEI HE "Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics", Knyaginino
