CC BY
76
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
2. Козлова Н.П., Валге А.М., Скуратов В.Б. и др. Методические рекомендации по расчету режимов работы отопительновентиляционных систем животноводческих ферм и комплексов. -Л.1987.- 53с.
3. Козлова Н.П., Валге А.М., Скуратов В.Б. Обоснование режимов работы отопительно-вентиляционного оборудования ферм. //Техника в сельском хозяйстве. - 1988, - №6.- С.34-36.
4. G.L.Hahn, A.Nygaard, E. Siemensen. Towards establishing rational criteria for selection and design of livestock environments. Paper NO 83-4517, for presentation at the 1983 Winter Meeting American Society of Agricultural Engineers.
5. Устройство для вентиляции животноводческого помещения / Н.В.Максимов, Н.П. Козлова: Патент РФ №2207471, заявлено 18.06.2001; зарегистрирован 27.06.2003.
Получено 24.05.2004.
УДК 631.22:628.8-52
Н.В.МАКСИМОВ, канд. техн. наук
СИСТЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ
Показана необходимость совершенствования систем естественной вентиляции животноводческих помещений с целью улучшения параметров микроклимата путем обеспечения подогрева приточного воздуха утилизируемой теплотой скрытой составляющей теплоты внутреннего воздуха с одновременной его осушкой и очисткой.
Для реализации поставленной цели предложена конструкция системы естественной вентиляции. Описаны результаты исследований экспериментального образца разработанной системы вентиляции. Приведены основные теплотехнические характеристики системы, показывающие ее достаточно высокую теплотехническую эффективность: коэффициент теплопередачи “К” составляет около 6 Вт/м.град., степень осушки воздуха в пределах 25%, степень нагрева воздуха ДЕ - 10°С. Новизна разработки защищена патентом Российской Федерации №44816 “Система естественной вентиляции”.
172
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
В последнее время все большую актуальность приобретают энергосберегающие технологии содержания сельскохозяйственных животных. Одной из наиболее энергоемких технологий в животноводстве является технология обеспечения заданных параметров воздушной среды внутри животноводческих помещений. В животноводческих помещениях параметры воздушной среды обеспечиваются принудительной или естественной вентиляцией. В принудительной системе вентиляции расчетные объемы приточного воздуха подаются вентиляторами с электроприводами, необходимая температура приточного воздуха обеспечивается средствами нагрева подаваемого воздуха. Такие системы используют около 75% установленных энергетических мощностей животноводческих помещений.
Для систем естественной вентиляции не требуются внешние энергоресурсы, но такие системы не в состоянии обеспечить заданные «Отраслевыми нормами технологического проектирования» (ОНТП) параметры воздушной среды внутри животноводческих помещений, особенно в холодный период года.
Высокий расход энергоресурсов при применении принудительной вентиляции и низкая эффективность систем естественной вентиляции вынуждает разрабатывать более эффективные технологии обеспечения требуемых параметров воздушной среды внутри животноводческих помещений без использования внешних источников теплоснабжения. Известно, что сельскохозяйственные животные выделяют теплоту в явном и скрытом виде, а также пары воды [1].
Нами была поставлена задача разработки системы естественной вентиляции с подогревом приточного воздуха биологической теплотой, выделяемой животными с одновременной осушкой внутреннего воздуха животноводческого помещения. Решить эту задачу можно с применением шахтной системы естественной вентиляции помещения с новым способом подачи наружного воздуха с помощью теплообменника осушителя внутреннего воздуха, как показано на рис. 1.
Разрабатываемая система естественной вентиляции помещения 1 со стенами 2, потолком 3, кровлей 4 и чердаком 5 (см. рис.1) содержит вытяжную шахту 6 с регулирующим клапаном, воздухозаборную шахту 7 приточного воздуха, расположенную на чердаке 5, канал 8 для приточного воздуха, который образуется внутренней поверхностью потолка 3 и коробом 9 из теплопроводного материала. Ниже короба 9 расположен короб 10 циркуляции внутреннего воздуха помещения.
173
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
Короб 10 соединен с потолком 3 с помощью легкосъемных подвесок 11 таким образом, что между потолком 3, коробом 9 и коробом 10 остается воздушный зазор 12 для свободной циркуляции внутреннего воздуха помещения в канале 13, образованном коробами 9 и 10. Сочетание короба приточного воздуха 9 и короба циркуляции внутреннего воздуха 10 представляет собой теплообменное устройство. Между стенами 2 помещения 1 и концами коробов 9 и 10 имеется щель 14 для свободного прихода воздуха. На конце короба 9 установлен конденсатоотводчик 15. Короба 9 и 10 имеют наклон от центра к наружным стенам 2. Вытяжная шахта 6 связана непосредственно с внутренней атмосферой помещения.
174
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 1. Система естественной вентиляции
В холодный период года система работает следующим образом. Через вытяжную шахту 6 осуществляется удаление из помещения 1 загрязненного воздуха, одновременно приточный воздух из чердачного помещения 5, через воздухозаборную шахту 7 поступает в канал приточного воздуха 8. Внутренний воздух помещения 1 под воздействием естественной конвекции через воздушный зазор 12 поступает в канал 13, где омывает теплопроводную поверхность короба 9. Между потоком приточного воздуха в канале 8 и циркулирующим воздухом в канале 13 через теплообменную поверхность короба 9 происходит тепло-, массообмен. В результате внутренний воздух, омывающий теплопроводную стенку короба 9, охлаждается, из него выпадает конденсат, который поглощает содержащиеся в воздухе вредные газы и пыль. При этом плотность внутреннего воздуха, вступившего в тепло-, массообмен, увеличивается, и он опускается по каналу 12 к щели 14. Приточный воздух в канале 8 воспринимает теплоту, выделившуюся из внутреннего воздуха, нагревается и поступает к щели 14. В щели 14 соединяются два потока воздуха: наружного, подогретого и внутреннего, осушенного и очищенного от вредных газов и пыли. Таким образом, в щели 14 образуется поток смеси воздуха и, опускаясь в нижнюю зону помещения 1, смешивается с внутренним воздухом. Образовавшийся конденсат стекает по поверхностям коробов 9 и 10 в конденсатоотводчик 15.
Экспериментальные работы выполнялись с целью получения данных, характеризующих теплофизические процессы работы экспериментального образца естественной вентиляции в условиях, воспроизводящих реальные условия животноводческих помещений. Объектом исследования являлся экспериментальный образец естественной вентиляции. Для проведения исследования была создана лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 2.
Лабораторная установка размещена в помещении 1 с наружной стенкой 2, окном в наружной стенке 3, дверью 13. Проем окна 3 имеет теплоизоляцию 4. Внутри помещения 1 размещен макет теплообменника-осушителя, состоящий из канала подачи наружного воздуха 6, под которым размещен канал циркуляции внутреннего воздуха 7, представляющий собой короб корытообразного сечения. Оба канала изготовлены из листовой стали толщиной 1 мм. С одной стороны ка-
175
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
налы 6 и 7 примыкают к теплоизоляции оконного проема 3. Канал подачи наружного воздуха 6 выходит наружу через отверстие в теплоизоляции. Забор наружного воздуха производится посредством коленообразного воздуховода 5. Под свободным концом канала циркуляции внутреннего воздуха размещен сборник конденсата 8. Для имитации тепловыделений в нижней части помещения расположены электронагреватели 9, 10. Воздух в помещении увлажняется парами воды, испаряющимися из емкости 11. Общая подвижность воздуха в лабораторном помещении обеспечивается настольным вентилятором 12. Подача наружного воздуха и удаление внутреннего осуществлялась оконным вентилятором 14.
Система работает следующим образом: наружный воздух с температурой tB, °C, относительной влажностью фн, %, влагосодержанием dn, г/м3 и теплосодержанием iB, кДж/кг, через устройство воздухозабора наружного воздуха 5 поступает в канал подачи наружного воздуха 6, в количестве L м3 в соответствии с заданной производительностью вентилятора 14. Параметры потока наружного воздуха по длине канала 6 контролируются контрольно-измерительными приборами через лючки 16, закрывающиеся крышками.
Теплый влажный воздух помещения омывает наружные стенки канала наружного воздуха 6. Холодный наружный воздух, проходя по каналу 6, вступает во взаимодействие с внутренним воздухом помещения через стенки канала 6 [2]. Поток внутреннего воздуха, омывающего стенки канала 6, охлаждается, и из него выпадает конденсат. В результате поток внутреннего воздуха претерпевает физические и теплотехнические изменения: температура, влагосодержание и теплосодержание снижаются, а плотность увеличивается. Охлажденный и осушенный поток внутреннего воздуха опускается на дно канала циркуляции внутреннего воздуха и стекает вниз по наклонному дну канала 7, а на его место поступает другая порция внутреннего воздуха.
Поток наружного воздуха в канале 6 воспринимает часть явной теплоты потока внутреннего воздуха и скрытую теплоту парообразования выделившегося конденсата, нагревается и поступает к выходу из канала 6. На выходе из канала происходит смешивание двух потоков воздуха: наружного подогретого, поступившего по каналу 6 и внутреннего осушенного и охлажденного из канала 7. Эта смесь представляет собой поток приточного воздуха. Приточный воздух смешивается с внутренним воздухом помещения 1 и удаляется из него вентилятором
176
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
14 через патрубок 15. Образовавшийся конденсат стекает по днищу канала циркуляции внутреннего воздуха и улавливается в сборнике конденсата 8. Для характеристики процесса тепло-, массообмена в макете теплообменника-осушителя осуществляли измерение и регистрацию следующих параметров теплообменивающихся воздушных потоков.
177
о
00
Рис. 2. Схема лабораторной установки для исследования экспериментального образца системы естественной вентиляции
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Наружного воздуха:
- температуру и относительную влажность на входе в канал наружного воздуха, на выходе из него и в его средней части - tK,
°С, фн, %;
- скорость потока, - V, м/с.
Внутреннего воздуха помещения:
- температуру в начале канала и на выходе из теплообменника-осушителя - t0, °С;
- относительную влажность - фо, %;
- общую подвижность - Vto м/с.
Экспериментальные исследования проводились в холодный период. Диапазон температур наружного воздуха составил от 6 до -20°С. Объем подачи наружного воздуха колебался от 117 до 360 м3/ч. Основные экспериментальные данные приведены в таблице.
Результаты экспериментального исследования теплообменника-осушителя
Показатели При температуре наружного
воздуха, °С
-12,1 -14,8 -18,2 -20,0
Параметры воздуха внутри помещения: температура, ^°С относительная влажность, ф % 15,0 70 12,0 73 11,2 76 12,4 75
Нагрев потока наружного воздуха, A tK °С 8,9 9,0 9,0 11,4
Соотношение количества теплоты, усвоенной потоком наружного воздуха, %: явной, Q я 62 56 57 56
скрытой, Q с 38 44 43 44
Количество конденсата, W, г/ч 272 350 384 417
Степень осушки воздуха в, % 18 25 25 35
Теплотехническая эффективность работы теплообменника-осушителя зависела от разности температур наружного воздуха и воздуха внутри помещения, а также от влажности внутреннего воздуха.
Основные энергетические показатели результатов опытов показывают, что теплообменник-осушитель имеет достаточно высокую эффективность. Коэффициент теплопередачи “К” составляет около
179
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
6 Вт/м град. Степень осушки внутреннего воздуха при температуре наружного воздуха ниже -15°С составляла 25%. Нагрев поступающего наружного воздуха осуществлялся, как за счет явной теплоты внутреннего воздуха, так и скрытой теплотой. Доля скрытой теплоты в нагреве приточного воздуха находилась в пределах 40%. Таким образом, в устройстве осуществляется утилизация скрытой составляющей теплоты внутреннего воздуха за счет конденсации паров воды, т.е. осуществляется осушка внутреннего воздуха.
Температура потока приточного воздуха после теплообменника-осушителя была значительно выше температуры наружного воздуха. Так, при наружной температуре -20°С, температура приточного воздуха составляла -3,6 °С. Такая степень нагрева приточного воздуха достаточна для систем вентиляции коровников для содержания дойных коров [3].
ВЫВОДЫ
Разработанная система естественной вентиляции осуществляет утилизацию значительной части скрытой теплоты внутреннего воздуха животноводческих помещений и осуществляет его осушку.
По своему теплотехническому потенциалу разработанная система соответствует требованию нагрева приточного воздуха в системах вентиляции коровников для содержания дойных коров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота НТП 1-99. - М., 1999.
2. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. -М., 1978.
3. Валге А.М., Козлова Н.П., Скуратов В.Б. Обоснование режимов работы отопительно-вентиляционного оборудования ферм. //Техника в сельском хозяйстве. - 1988. - №6. - С. 34-36.
Получено 25.03.2004.
180
