CC BY
12
УДК 631.365.22
Р.В. Банин, Е.Н. Епишков
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА ПОРОСЯТ-СОСУНОВ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРНОГО МОДУЛЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ», ЧЕЛЯБИНСК, РОССИЯ
R.V. Banin, E.N. Epishkov THEORETICAL SUBSTANTIATION OF THE HEAT COMFORT SYSTEM PARAMETERS FOR
SUCKING PIGS BASED ON A HEAT-GENERATOR MODULE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «SOUTH URAL STATE
AGRARIAN UNIVERSITY», CHELYABINSK, RUSSIA
Роман Валерьевич Банин
Roman Valeryevich Banin кандидат технических наук, доцент barom@mail.ru
Егор Николаевич Епишков
Egor Nikolaevich Epishkov кандидат технических наук een_1978@mail.ru
Аннотация. Непрекращающееся увеличение тарифов на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) даёт предпосылки к созданию малоэнергоёмких систем обогрева [1], для чего необходимо использовать инновационные принципы. В данном исследовании предпринята попытка использовать эти принципы при разработке СТК. Цель - исследовать процесс теплообмена в зоне обогрева замкнутой локализации, и, на основе результатов, разработать малоэнергоёмкую систему теплового комфорта (СТК) поросят-сосунов на базе плёночных лучистых электронагревателей. Задачи работы: исследовать процесс лучистого теплообмена плёночного электронагревателя (ПЛЭН) с объектом обогрева (поросята-сосуны); рассчитать параметры ПЛЭН исходя из результатов исследования; исследовать процесс теплообмена внутри СТК для обогрева поросят; рассчитать параметры СТК исходя из результатов исследования. Объект исследования - процесс теплообмена в СТК для обогрева поросят на базе ПЛЭН. Исследование теплообмена осуществлялось путём решения системы 4 дифференциальных уравнений (уравнение непрерывности, уравнения Навье-Стокса, уравнение конвективного теплообмена), описывающих этот процесс. На основании проведённых исследований были сделаны выводы: 1) Оптимальная температура поверхности плёночного электронагревателя составляет 47-500С. При такой температуре тепловое излучение максимально поглощается кожными покровами животных; 2) Для создания такой температуры поверхности ПЛЭН и обеспечения необходимых размеров зоны гарантированного комфорта на полу логова оптимальных размеров при толщине стенок 5 мм необходима мощность плёночного электронагревателя 200 Вт; 3)Толщина стенок пластиковых панелей в 5 мм является оптимальной. Такая толщина обеспечивает относительную лёгкость конструкции и достаточную степень теплоизоляции логова, кроме того вписывается в типоразмерный ряд габаритов данного строительного материала. Научная новизна основных положений: разработана математическая модель для определения границ зоны теплового комфорта на полу места отдыха поросят; разработана электрифицированная система теплового комфорта, обеспечивающая температурный режим в соответствии с технологической картой температуры воздуха при выращивании поросят в подсосный период и в качестве основного источника тепла использующая теплоту животных. Разработанная СТК внедрена в ряде сельскохозяйственных предприятий Челябинской и Свердловской областей.
Ключевые слова: тепловой комфорт, поросята-сосуны, теплогенератор, плёночный лучистый электронагреватель.
Abstract.The continuous increase in tariffs for fuel and energy resources (FER) Creates the preconditions for the creation of low-power heating systems, for which it is necessary to use innovative principles. In this study, an attempt is made to use these principles in the development of STC. The aim was to investigate the process of heat exchange in the heating zone of a closed localization and according to the obtained results to develop a low-energy heat comfort system for sucking pigs on the basis of film radiant electric heaters. The research objectives were: to investigate the process of radiant heat exchange of a film electric heater with a heating object (a sucking pig); to calculate the parameters of a film radiant electric heater based on the results of the study; to investigate the process of heat exchange within the heat comfort system for heating piglets; to find the heat comfort system parameters based on the results of the study. The object of the study was the heat exchange process in heat comfort systems for piglets, a film radiant electric heater being used. The heat exchange was studied by solving a system of four differential equations (the continuity equation, the Navier-Stokes equations, the convective heat transfer equation) describing this process. According to the undertaken studies, the following conclusions were drawn: 1) the optimum temperature of the surface of a film electric heater is to be 47-50°C for heat radiation to be absorbed as much as possible by the animals' skin; 2) to create such a surface temperature of a film radiant electric heater and to ensure the necessary size of the area of guaranteed comfort on the floor with optimum dimensions and walls being 5 mm thick the power of an electric heater is to be 200 W; 3) the optimal thickness of the walls of plastic panels being 5 mm, this thickness provides a relatively light weight and a sufficient degree of heat insulation of the construction to suit the type-size row of dimensions of this material. Scientific novelty of the main provisions: a mathematical model has been developed to determine the boundaries of the thermal comfort zone on the floor of the piglets' resting place;an electrified thermal comfort system has been developed, which provides a temperature regime in accordance with the technological chart of air temperature when growing pigs during the suckling period and uses the heat of animals as the main source of heat.The developed heat comfort system is used at a number of agricultural enterprises in Chelyabinsk and Sverdlovsk regions.
Keywords: heat comfort, sucking pig, heat generator, film radiant electric heater.
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2020 Таашческие науш 53
Введение. Классическая система обогрева молодняка включала в себя две подсистемы обогрева: подсистема фонового обогрева, создающая температуру воздуха в свинарнике-маточнике +18-200С, и локальный обогрев, являющийся доводчиком температуры воздуха до предусмотренного технологией для данной возрастной группы [1, 2, 3]. Высокие результаты при использовании такой технологии гарантированы только при низких ценах на ТЭР
Подсистема фонового обогрева в настоящее время в большинстве случаев не функционирует, и главная роль отводится локальному обогреву.
В качестве источника локального обогрева наибольшее распространение получил ИК облучатель на основе лампы ИКЗК-220-250 [4]. Основные недостатки ИК облучателей:
• ослепляющий свет от ламповых облучателей и вероятное переохлаждение нижней части тела животных, лежащих на холодном полу;
• свет ламповых облучателей мешает поросятам спать, поэтому в местах отдыха освещение (особенно яркое) нежелательно;
• не весь тепловой поток используется по прямому назначению - обогреву поросят, а рассеивается за пределами технологического станка [5];
• в центре проекции лампы создается максимальная облученность, а к периферии - облученность в 3-4 раза меньше. Поэтому в центре обогреваемой поверхности животные не располагаются из-за слишком высокой температуры. Они располагаются по кольцу вокруг центральной части облучаемой поверхности. Таким образом, значительная часть лучистой энергии на обогрев поросят не используется [5].
Анализируя недостатки облучателя на базе лампы ИКЗК 220-250, приходим к выводу о необходимости создания источника с равномерным распределением излучения по поверхности. При этом необходимо рассчитать излучатель так, чтобы добиться попадания максимума в спектре в интервал длин волн 3-14 мкм. Тепловое излучение этого диапазона спектра лучше всего поглощается щетиной и кожей животных [6], вызывая эритему кожных покровов.
Методика. Излучение абсолютно чёрного тела описывается законами Планка и Стефа-на-Больцмана [7].
С помощью этих законов сформулирована зависимость отношения плотности потока излучения, находящегося в диапазоне длин волн от 3 мкм до 14 мкм, к полной плотности потока
излучения. Это соотношение было названо «коэффициент полезного действия» (КПД) (1).
где Л1=14 мкм; Л2=3 мкм; Л - длина волны; Т - абсолютная температура излучающей поверхности; с=3*108 м/с; к=1,38*10-23; Ь|=6,62*10-34Дж*с; а=5,67*10-8 Вт/(м2*К4) - постоянная Стефана-Больцмана.
В качестве облучателя с равномерным распределением потока излучения иоптималь-ными параметрами используется ПЛЭН (рисунок 1). Данное техническое решение защищено патентом на полезную модель № 57070 [8]. Лучистые электронагреватели обладают высокой степенью надёжности [9], поэтому их сфера не ограничивается животноводством [10, 11].
Для расчёта мощности нагревателя, обеспечивающей оптимальную температуру по-верхности,были учтены требования к общему комфорту для поросят: обогреваемая площадь пола (0,6x1,5м) (минимальная площадь для размещения 12 поросят в конце подсосного периода); высота размещения облучателя 0,75 м (минимальная высота, до которой не может достать поросёнок).
Рисунок 1- Общий вид плёночного лучистого электронагревателя Принимая температуру (Т) излучателя равную оптимальной и степень черноты (£) поверхности излучателя 0,35 (полированная поверхность лавсановойплёнки), площадь поверхности излучателя 0,9 м2 (0,6х1,5м - размеры зоны обогрева), производим расчёт по формуле (2)
р = £ * и * т4 * Э (2)
Для создания направленного лучистого потока, минимально рассеиваемого за пределы зоны обогрева, ПЛЭН вмонтирован в теплогенератор. Он представляет собой совокупность те-
плоизоляционных элементов и отражателей. Его структура изображена на рисунке 2.
1 - каркас крышки логова; 2 - плёночный лучистый электронагреватель; 3 - слой фанеры для крепления электронагревателя; 4 - слой теплоизолятора; 5 -металлический отражатель; 6 - слой фанеры для крепления отражателя; 7 - воздушный слой; 8 -водоотталкивающая плёнка
Рисунок 2- Конструктивная схема теплогенератора.
Чтобы уменьшить тепловые потоки, рассеиваемые в окружающее пространство, в создаваемой СТК применена закрытая система локализации обогреваемого пространства (так называемое логово). Размеры логова 1,6 м*0,6 м*0,75 м (минимально допустимые размеры зоны обогрева и высоты расположения облучателя). Общий вид логова приведён на рисунке 3.
Рисунок 3 - Вид логова снаружи
Тепловым потоком в спектре от 3 до 14 мкм необходимо создать температуру подстилки пустой зоны отдыха на уровне 32С. Это регламентировано зоотехническими нормативами для новорождённых поросят [5]. «Зоной гарантированного комфорта» называют поверхность зоны отдыха, обладающую указанной температурой, достаточную для размещения 12 новорождённых поросят (среднее количество в одном помёте свиноматки). Минимально необходимые размеры такой зоны составляют в среднем 0,25 м2. В ходе исследований нами менялась толщина стенок логова и мощность ПЛЭН и производился расчёт поля температур на полу логова путём
численного решения систем дифференциальных уравнений:
ди дЗ — +-= 0 ;
дх ду
ди ди ди + и — + — = -дх ду 1
"д7 Р
дЗ дЗ дЗ + и-+-= дх ду 1
Р
дТ дТ дТ + и — + З— дх ду = а
=-----+ V
=-----+ V
д2и д2и дх2 + ду2
д 2З д2З
-Г +-г
дх2 ду2
д 2Т д 2Г
—Г + —Т дх2 ду2
(3)
(4)
-вТ'; (5) (6)
Стационарное распределение температуры по поверхности пола описывается дифференциальным уравнением:
д2Т а * е * с * р
дх<
= -с
Я * н а * £ * с * р
* ТА
ос* с * р А * /г
*Г =
1* к
сх* с * р *Тис„ + „ , *Т0) л* п
(7)
где х, у, z - координаты точек пространства внутри логова, в которых определяются значения температуры (м); Т - значение температуры (К); t - значение времени от начала процесса нагрева логова (с); и - компонента скорости движения воздуха по оси Х (м/с); З - компонента скорости движения воздуха по оси Y (м/с); V - коэффициент кинематической вязкости воздуха (м2/с); р - плотность воздуха (кг/м3); в - коэффициент объемного расширения воздуха (К-1); д - ускорение свободного падения (м/с2); а - коэффициент температуропроводности воздуха (м2/с); р - отклонение давления от среднего по объёму логова (Па); а - коэффициент теплоотдачи излучателя (Вт/м2*К); о - постоянная Стефана-Больц-мана (Втм-2К-4); А - теплопроводность (Вт/м*К); £ - степень черноты поверхности и излучателя; Т0 - температура окружающей среды (К); h - толщина слоя подстилки (м); Тист - температура источника излучения (К); с - удельная теплоёмкость (Дж/кг*К).
Результаты. В ходе проведённых исследований нами была получена зависимость КПД излучения от температуры источника. Для построения графика функции п(Т) в качестве аргумента интегральной функции бралась температура в диапазоне от 20 до 500 К с шагом в 1К (рисунок 4).
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2020 Таашчажие науки 55
Рисунок 4 - График зависимости КПД нагревателя от температуры
Зависимость площади зоны гарантированного комфорта от толщины стенок логова при разных значениях мощности плёночного электронагревателя и разных значениях теплопроводности материалов стенок логова приведена на рисунке 5.
1 - Р=220 Вт, Л=0,14 Вт/(м* оК); 2 - Р=220 Вт, Л=0,5 Вт/(м* оК); 3 - Р=220 Вт, Л=0,75 Вт/(м* оК); 4 - Р=200 Вт, Л=0,14 Вт/(м* оК); 5 - Р=200 Вт, Л=0,5 Вт/(м* оК); 6 - Р=200 Вт, Л=0,75 Вт/(м* оК); 7 - Р=180 Вт, Л=0,14 Вт/(м* оК); 8 -Р=180 Вт, Л=0,5 Вт/(м* оК); 9 -Р=180 Вт, Л=0,14 Вт/(м* оК) Рисунок 5- Графики зависимости площади «зоны гарантированного комфорта» (S) от мощности плёночного нагревателя (Р), толщины (^ и теплопроводности (Л) стенок
На основе проведённых исследований нами были сделаны выводы.
Выводы. 1) Оптимальная температура поверхности плёночного электронагревателя составляет 47-500С. При такой температуре тепловое излучение максимально поглощается кожными покровами животных.
2) Для создания такой температуры поверхности ПЛЭН и обеспечения необходимых размеров зоны гарантированного комфорта на полу логова оптимальных размеров при толщине стенок 5 мм необходима мощность плёночного электронагревателя 200 Вт.
3) Толщина стенок пластиковых панелей в 5мм является оптимальной. Такая толщина обеспечивает относительную лёгкость конструкции и достаточную степень теплоизоляции логова, кроме того вписывается в типоразмерный ряд габаритов данного строительного материала.
4) В настоящий момент продолжаются исследования по созданию СТК для других возрастных групп животных [12].
Список литературы
1 Епишков Е.Н.,Знаев А.С. Энергоэффективная система теплового комфорта для выращивания поросят-сосунков в условиях неотапливаемого свинарника // Достижения науки - агропромышленному производству: материалы L международной научно-технической конференции. Челябинск. 2011. Ч. 5. С. 159-162.
2 Кабатов С.В. Физиологическое состояние поросят в подсосный период в условиях лучистой системы теплового комфорта: авто-реф. на соиск. ученой степ. канд. биол. наук. Троицк, 2008.
3 Кабатов С.В., Усова Н. Характеристика роста и дыхательной функции крови поросят в условиях лучистой системы // Зоотехния. 2007. № 9. С. 26-28.
4Айзенберг Ю.Б. Справочная книга по светотехнике: 3-е издание переработанное и дополненное. М.: Знак, 2006. 972 с.
5 Епишков Е.Н. Электрифицированная система теплового комфорта поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02: утв. 05.05.14 г. Челябинск, 2013. 173 с.
6 Басов А.М., Быков В.Г., Лаптев А.В., Файн В.Б. Электротехнология: учебное пособие для студентов высш. учеб. заведений. М.: Агро-
промиздат, 1985. 255 с.
7 Баранов Л.А., Захаров В.А. Светотехника и электротехнология: учебное пособие для студентов высш. учеб. заведений. М.:КолосС, 2006. 344 с.
8 Пленочный электронагреватель: пат. 57070 Рос. Федерация № 2006110752 / Епишков Н.Е., Епишков Е.Н., Глухов С.В.; заявл. 03.04.2006; опубл. 27.09.2006.
9 Ткачёв А.Н. Методика ускоренной оценки ресурса плёночных электронагревателей (на примере работы ПЛЭН в условиях свиноводства): автореф. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. Челябинск, 2015.
10 Булатова В.А. Плёночный лучистый электронагреватель // Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодёжи: материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных. Курган. 2016. С. 50-53.
11 Бледных В.В. Высокоэффективная технология жилых и производственных помещений // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2013. № 4 (28). С. 81-83.
12 Загидулин Р. Р. Система теплового комфорта для поросят-отъёмышей на базе плёночных лучистых электронагревателей // Агро-инженерия и экономика: материалы студенческой научной конференции. Челябинск. 2017. С. 63-68.
List of references
1 Epishkov E.N., Znaev A.S. Energy-efficient system of thermal comfort for growing suckling pigs in an unheated pigsty // Scientific achievements for agricultural production: materials of the L international scientific and technical conference. Chelyabinsk. 2011. Part 5. Pp. 159-162.
2 Kabatov S.V. Physiological state of piglets during the suckling period in the conditions of a radiant system of thermal comfort: abstract for the degree of candidate of biological sciences. Troitsk, 2008.
3 Kabatov S.V., Usova N. Characteristics of
the growth and respiratory function of the blood of pigs in the conditions of the radiant system // Zoo-techniya. 2007. № 9. Pp. 26-28.
4 Aisenberg Yu.B. Lighting Engineering Reference Book: 3rd Edition revised and enlarged. M.: Znak, 2006. 972 p.
5 Epishkov E.N. The electrified system of thermal comfort of suckling pigs in the conditions of an unheated swine-shed: dissertation for the degree of candidate of technical sciences: 05.20.02: approved 05.05.14, Chelyabinsk, 2013. 173 p.
6 Basov A.M., Bykov V.G., Laptev A.V., Fine V.B. Electrotechnology: a textbook for students of higher educational institutions. M.: Agropromizdat, 1985. 255 p.
7 Baranov L.A., Zakharov V.A. Lighting and electrical technology: a textbook for students of higher educational institutions. M.: KolosS, 2006. 344 p.
8 Film electric heater: US Pat. 57070 Russian Federation № 2006110752 / Epishkov N.Ye., Epishkov E.N., Glukhov S.V.; declared 04/03/2006; published on September 27, 2006.
9 Tkachev A.N. Methodology for the accelerated assessment of the resource of film electric heaters (on the example of the operation of PLEN in the conditions of pig breeding): abstract for the degree of candidate of technical sciences. Chelyabinsk, 2015.
10 Bulatova V.A. Radiant film electric heater // Development of scientific, creative and innovative activities of youth: materials of the VIII All-Russian scientific and practical conference of young scientists. Kuragn. 2016. Pp. 50-53.
11 Blednykh V.V. Highly efficient technology of residential and industrial premises // Vestnik Bashkir State Agrarian University. 2013. № 4 (28). Pp. 81-83.
12 Zagidulin R.R. Thermal comfort system for weaned piglets on the basis of radiant film electric heaters // Agroengineering and Economics: materials of a student scientific conference. Chelyabinsk. 2017. Pp. 63-68.
