CC BY
27
Содержание примесей в исходном рабочем составе
Оцениваемый параметр Содержание
допустимый предельно-допустимый не допустимый
Электропроводность (ЕС), мСм/см <0,5 <1,0 >1,0
Хлор (С1), ммоль/л <1,5 <3,0 >3,0
Бикарбонат (приводит к повышению <5 <10 >10
уровня рН) (НСО3), мг/л
Натрий (№), моль/л <1,5 <3,0 >3,0
Измерение электрических параметров, а также входных и выходных параметров установки производилось с помощью соответствующих приборов.
Электрическая схема установки приведена на рисунке 5.
Объём ёмкости для подготовки поливной воды равен 5—6 м3. С целью уменьшения теплопотерь через стенки ёмкости предусмотрен слой изоляционного материала «Пенофол».
Важнейший показатель качества питательного раствора, на основании которого устанавливается наличие солей в растворе, является электропроводность. Электропроводность (ЕС) измеряется в мСм/см (тБ/ст) при 25°С.
Возможны к использованию определённые допустимые уровни. Допустимые уровни значений ЕС и других основных включений в исходной дистиллированной воде установлены на основе опыта выполнения УЗ-обработки и анализа проб на предмет установления бактериальной обсеме-нённости жидкости (табл.).
Дистиллированная вода (как исходная жидкость для приготовления маточных растворов удобрений) практически не содержит питательных веществ, поэтому необходима постоянная капельная подача питательного раствора с контролем уровня бактериального загрязнения поливной воды.
Выводы
1. Внедрение устройства для досвечивания в условиях массового производства рассады позволит интенсифицировать рост и развитие растений с улучшением их состояния.
2. К преимуществам разработки относятся возможность настройки спектра под любой вид микрорастений и рассады.
3. Устройство отличается простотой при его сборке, демонтаже и эксплуатации.
4. Система эффективна при повышении роста и развития рассады и снижении затрат на обслуживание при относительно низкой стоимости всех элементов поточно-технологической линии.
5. В отличие от аналога (UnionPoverStar-40W-T) установка снабжена датчиком влажности и сигнализацией о необходимости полива, датчиком освещённости, переключения светового режима, получения низкозатратного тепла для подогрева воды и почвы.
Литература
1. Баранов А.А., Захаров В.А. Светотехника и электротехнология. М.: КолосС, 2006.
2. Тихомиров А.А., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. Спектральный состав света и продуктивность растений: монография. Новосибирск: Наука, 1991. 168 с.
3. Юферев Л., Соколов А., Юферева А. Резонансная светодиодная система освещения для закрытого грунта // Полупроводниковая светотехника. 2014. Т. 2. № 28. С. 78—80.
4. Ракутько С.А. Энергоэкология светокультуры — новое междисциплинарное научное направление / С.А. Ракутько, А.Е. Маркова, А.П. Мишанов [и др.] // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 14-28.
5. Самарин Г.Н. Инновации в действии: разработка генератора ультразвуковых колебаний / Г.Н. Самарин, Е.В. Шилин, Д.Ю. Кривогузов [и др.] // Известия Великолукской ГСХА. 2017. № 1 (17). С. 51-55.
6. Пат. 2510850 С2 РФ МПК A01J 11/00,A23L3/30, 0)2F 1/36. Устройство для ультразвуковой обработки молока / А.В. Родионова, А.Г. Васильев, Г.В. Новикова; патентообладатель А.В. Родионова; заявл. 29.01.2013; опубл. 10.04.2014.
Устройство для поения коров подогретой водой
Г.П. Юхин, д.т.н., профессор, А.А. Катков, к.т.н., П.В. Ковалёв, соискатель, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ
Вода играет важную роль в производстве молока, она регулирует температуру тела и многие другие функции организма у молочного скота. Для производства 1 кг молока коровам требуется более 4 л воды [1]. Для поения коров используют воду, отвечающую в основном требованиям к питьевой воде. Тёплую воду температурой выше 27°С коровы пьют неохотно [2-8]. Но и холодную воду с температурой ниже 8—12°С коровам выпаивать нежелательно. В связи с этим в зимнее время не-
обходимо подогревать воду для поения коров, на что требуются значительные затраты энергии. Наибольшее потребление воды животными происходит после кормления и доения коров. В это же время работают холодильные установки для охлаждения парного молока. И если для охлаждения фреона холодильной установки использовать холодную питьевую воду, то будет получена значительная экономия энергоресурсов.
Материал и методы исследований. С целью обеспечения бесперебойного снабжения коров водой оптимальной температуры нами разработано устройство для поения коров подогретой во-
дой [9—11]. Устройство (рис. 1) включает фильтр 1, термостатический смеситель 2, предназначенный для смешивания в необходимой пропорции холодной воды из водопровода и подогретой воды из теплоизолированного бака 3, обратные клапаны 4 для направленного движения воды. Датчики температуры 5, циркуляционный насос 6, проточный водонагреватель 7 и шкаф управления 8 обеспечивают подачу воды необходимой температуры. Клапан сброса избыточного давления 9, шаровой клапан 10 и клапан удаления воздуха 11 предохраняют систему поения от избыточного давления и образования воздушных пробок. Автопоилки 12 расположены в неотапливаемом помещении и оборудованы автономными электронагревателями 13 и датчиками температуры 14.
Устройство для циркуляционной подачи воды в поилки работает следующим образом. Холодная вода, поступающая из водопровода, проходит через теплообменник холодильного агрегата, нагревается там, накапливается в термоизолированном баке 3 для подогретой воды и подаётся в термостатический смеситель 2. Здесь подогретая вода смешивается с холодной водопроводной водой в необходимой пропорции и подаётся к циркуляционному насосу 6, который направляет подогретую воду в автопоилки 12. Во время доения и сразу после дойки идёт охлаждение молока, соответственно в теплообменнике установки для охлаждения молока выделяется большое количество тепла. В это же время в соответствии с физиологией коровы интенсивно потребляют воду из автопоилок 12. Поэтому значительная доля воды для поения коров подогревается за счёт использования
тепла охлаждаемого молока, при этом проточный водонагреватель 7 и электронагреватели 13 отключены и не потребляют энергию. В ночное время при низком потреблении воды из поилок 12 проточный водонагреватель 7 и электронагреватели 13 периодически включаются, причём при помощи датчиков температуры 5 и 14 обеспечивается пониженная температура воды и минимальный расход энергии в это время. Циркуляционный насос 6 исключает замерзание воды в водопроводе, расположенном в неотапливаемом помещении.
Результаты исследования. Длина водопровода в неотапливаемом помещении для коров составляет Ь, м, сечение водопроводной полипропиленовой трубы РК 25, утеплённой энергофлексом, показано на рисунке 2.
Пусть Т(х, 0 — температура воды, К, внутри трубы на расстоянии х от входа в холодное помещение в момент времени I. Запишем дифференциальное уравнение теплопроводности:
с ЭТЭТ+с иЭТ=0
дt 1 Эх2 Эх 5'
(1)
где с — удельная теплоёмкость воды, Дж/(кг-К); р — плотность воды, кг/м3; Х1 — коэффициент теплопроводности воды, Дж/(м-К);
и — скорость движения воды в трубе, м/с; S — площадь внутреннего сечения трубы, м2; Q — поток теплоты в сечении трубы х в единицу времени, Дж/с.
Первое слагаемое характеризует теплопроводность при неустановившемся режиме работы, второе слагаемое учитывает теплопередачу в воде
ВоЗопроСоЭ
Рис. 1 - Принципиальная схема установки циркуляционной подачи воды в поилки (обозначения в тексте)
97
и третье слагаемое учитывает перенос тепла с потоком воды. При рассмотрении распределения температуры в установившемся режиме первое слагаемое в уравнении (1) можно принять равным нулю. Нами была исследована математическая модель при сохранении второго слагаемого и без него, результаты оказались практически неразличимыми. Поэтому получаем следующее дифференциальное уравнение:
дТ _
= Q, (2)
дх
где р1 = р&
Рис. 2 - Сечение водопроводной трубы
Рассчитаем тепловой поток Q в сечении х. Обозначим через ТН температуру воздуха снаружи трубы, через Тл, Тс2 — температуру на внутренней и внешней стенках полипропиленовой трубы соответственно, ТС3 — температуру на наружной стенке теплоизоляционного слоя. Тепловой поток Q, приходящийся на единицу длины трубы, можно записать следующими способами:
Q = а1 (ТС1 - Т )2%Я1,
Q = Х 22п(Тс 2 - ТС1)
1п Я ' Я
Q =
Хъ2п(Тс 3 - Тс 2 )
1п Я '
Я
радиус полипропиленовой трубы и наружный радиус теплоизоляции из энергофлекса, м. Из этих равенств получим:
Т - Т =
АС1 1
Q
Т - Т =
±С 2 ±С1
а12пЯ1'
Q ■ 1п Я Я
X 22п
п
Q ■ ь^3 я
Т - Т = 2
±С3 ±С2 Л - 5
X 32п
Т - Т =
± Н ±С 3
3
Q
а 22пЯ3
Просуммировав равенства, получим:
Я
ТН - Т =
2п
1
- + -
1п Я Я
а1Я1 Х2
^ +
1п^
Я
Хз
+
1
а 2 Я3
Отсюда имеем:
где
К =
Q = К (Тн - Т)
2п
1
- + -
1 , Я 1 , Я
1п
+
1п
а1Я1 X 2 Я1 Х3 Я2
+
а 2 Я3
Таким образом, температура жидкости в трубе удовлетворяет дифференциальному уравнению:
ср^о ^ = К (Тн - Т). ах
(3)
Кроме того, должно выполняться условие:
Т (0) = Т0, (4)
где Т0 — температура воды на входе в трубу, К.
Дифференциальное уравнение (3) легко решается разделением переменных:
аТ
Т - Т
К
СР1и
К
ах,
1п Т - Тн \ =--х + С1,
ср1и
Т - Тн = ±еС
_ Кх
Q = а2 (ТН - ТС3)2ПЯ3,
где а1 — коэффициент теплоотдачи от воды к стенке, Вт/(м2-К);
а2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/(м2-К);
Х2, Х3 — коэффициенты теплопроводности слоев полипропилена и энергофлекса соответственно, Вт/(м-К); Т — температура воды внутри трубы, К; Я1, Я2 и К3 — соответственно внутренний радиус полипропиленовой трубы, наружный
-С ■ е сР1и
Т=Тн + Се Константу С2 найдём из условия (4):
Т0 = ТН + С2, С2= Т0 — ТН.
В результате получим следующее решение за-
дачи (3), (4):
Т = Тн + (То - Тн) ■ е
Ср1и
(5)
Найдём потери теплоты в единицу времени по всей длине трубы Ь:
1
е
Ql = -\0K[TH -T(x)]dx = K(T0 - TH )J0 e"ePlUdx =
к d - dH)
- к
■ cp1ue
Kx cpj-u
L
= (d0 -dH)
cPi-U
Г - KL \
i - e cpiu
V
(6)
/
Легко убедиться в том, что производная этой функции по переменной и положительна при всех значениях параметров (при Т0 > Тн). Это означает, что мощность тепловых потерь по всей длине трубы монотонно возрастает с увеличением скорости и движения воды. Следовательно, скорость и нужно выбирать минимально возможной с учётом того, что температура воды в конце трубы должна быть не менее некоторого значения Тт1п (минимальной комфортной температуры): Т(Ь) > Тт1п. Из формулы (5) следует, что Т(Ь) уменьшается с уменьшением скорости воды и.
Численный анализ уравнений (5) и (6) проводили при известных теплофизических свойствах воды [12] с учётом следующих исходных данных: длина водопровода в неотапливаемом помещении Ь =170 м, размеры сечения водопровода = 8,3 мм, ^2=12,5 мм, ^3 = 18,5 мм, температура воздуха снаружи трубы Тн =268 К, температура воды в начале водопровода Т0 = 288 К, коэффициенты теплопроводности полипропилена и энергофлек-са соответственно Х2=0,15 Вт/(м-К) и Х3 = 0,038 Вт/(м-К), коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке и от стенки к воздуху соответственно а1 = 400 Вт/(м2 - К) и а2= 15 Вт/(м2 • К). Результаты представлены на рисунке 3.
Как было установлено ранее, теплопотери в водопроводе снижаются при уменьшении скорости движения воды, однако при этом более интенсивно снижается температура воды в конце трубопровода. Минимальная температура воды, комфортная для поения коров, составляет +10°С (283 К). Такая температура воды будет в конце водопровода при скорости движения воды и = 0,241 м/с, т.е. при производительности циркуляционного насоса 0,19 м3/ч, которую и следует считать оптимальной.
Теплопотери в единицу времени в водопроводе согласно формуле (6) составят 1095 Вт для теплоизолированной трубы и 1934 Вт для трубы без теплоизоляции.
Вывод. Теоретическими исследованиями установлено, что оптимальная производительность циркуляционного насоса составляет 0,19 м3/ч. Она зависит от температуры воздуха в коровнике
Рис. 3 - Зависимости теплопотерь Q воды в единицу времени от длины L водопровода при производительности циркуляционного насоса 0,19 м3/ч (скорость движения воды 0,241 м/с): 1 - полипропиленовая труба PN25 без утеплителя; 2 - полипропиленовая труба PN25 с утеплителем из энергофлекса
T, длины водопровода L и теплофизических характеристик 5, X, а трубопровода для подачи воды. Теплопотери за единицу времени по всей длине теплоизолированного водопровода в коровнике составят 1095 Вт.
Литература
1. Хазанов Е.Е., Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Технология и механизация молочного животноводства / под общ. ред. Е.Е. Хазанова. СПб.: Лань, 2016. 352 с.
2. Adams R.S., Sharpe W.E. Water intake and quality for dairy cattle. The 10 Pennsylvania State Univeristy, College of Agricultural Sciences, Cooperative Extension. 11 Bulletin DAS 95-8.
3. Нормы технологического проектирования ферм крупного рогатого скота НТП-АПК1.10.01.001-00. М.: ГУ ЦНТИ Мелиоводинформ, 2000. 121 с.
4. Looper, M.L., Waldner, D.N. Water for Dairy Cattle. Guide D-107, New Mexico State University, Cooperative Extension Service, www.cah.nmsu.edu (F-4275 / Oklahoma State University, Cooperative Extension Service, № 2, 2002.
5. Mader T.L., Johnson L.J., Gaughan J.B. A comprehensive index for assessing environmental stress in animals. Erratum, Journal of Animal Science 2010, 88(6), p.2153-2165.
6. Bert F., Maubec E., Bruneau B., Berry P., Lambert-Zechovsky N. Multiresistant Pseudomonas aeruginosa outbreak associated with contaminated tar water in a neurosurgery intensive care unit. J Hosp Infection, № 39, 1998, р. 53-62.
7. Beede, D.K. Evaluation of Water Quality and Nutrition for Dairy Cattle, High Plains Dairy Conference, 2006. 24 p.
8. Linn, J., Raeth-Knight M. Water Quality and Quantity for Dairy Cattle / University of Minnesota, 2010. 5 p.
9. Пат. на полезную модель RUS 183636. Устройство для поения коров подогретой водой / Г.П. Юхин, В.М. Мартынов, А.А. Катков, Р.А. Хамматов, П.В. Ковалев 27.03.2018.
10. Юхин Г.П. Циркуляционная система водоснабжения в коровнике с подогревом / Г.П. Юхин, А.А. Катков, З.В. Ма-каровская [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 5 (55). С. 58-61.
11. Юхин Г.П. Резервы экономии электроэнергии при организации поения животных на молочных фермах / Г.П. Юхин, АА. Катков, Р.А. Хамматов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 6 (68). С. 120-123.
12. Кошевой Е.П. Практикум по расчётам технологического оборудования пищевых производств. СПб.: ГИОРД, 2005. 232 с.
О
