Разработка и исследование мокрого однозонного электрофильтра для очистки рециркуляционного воздуха животноводческих помещений
На правах рукописи
АНДРЕЕВ Леонид Николаевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОКРОГО
ОДНОЗОННОГО ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ
РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВОЗДУХА
ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2010
Работа выполнена на кафедре применения электрической энер гии в сельском хозяйстве Федерального государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Че лябинская государственная агроинженерная академия».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Возмилов Александр Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Попов Виталий Матвеевич кандидат технических наук, доцент Илимбетов Рафаэль Юрикович Ведущее предприятие: Уральский филиал ГНУ «Всерос сийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии»
Защита состоится «17» декабря 2010 г., в 09:00 часов на заседа нии диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челя бинская государственная агроинженерная академия» по адресу:
454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинской государственной агроинженерной академии.
Автореферат разослан «15» ноября 2010 г. и размещен на офи циальном сайте ФГОУ ВПО «ЧГАА» http://www.csaa.ru «16» ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Возмилов А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В современном промышленном мясном животноводстве одной из нерешенных проблем остается создание оптимальных условий со держания животных в замкнутом помещении. При высокой концен трации поголовья на единицу площади происходит ухудшение соста ва воздуха, который загрязняется аммиаком, сероводородом, угле кислым газом, органическими соединениями и пылью. В результате увеличивается падёж, снижаются прирост массы и сохранность жи вотных, возрастает риск распространения аэрогенных инфекций.
Нормируемый воздухообмен в животноводческих помещениях осуществляется с помощью механической принудительной приточно вытяжной системы вентиляции.
Животноводческая отрасль является довольно энергоёмкой и основная часть энергии, около 50 %, расходуется на поддержание нормируемого микроклимата.
В переходный и холодный периоды года нагнетаемый в живот новодческие помещения воздух необходимо подогревать. На данные цели тратится 60-80 % всей тепловой энергии, расходуемой на ком плексах. В то же время из помещений наряду с вредными веществами с вентиляционным воздухом в атмосферу выбрасывается значитель ное количество теплоты (90 % от общих теплопотерь зданий). Если учесть, что отопительный сезон на большей части территории России длится шесть – девять месяцев, то важность проблемы обогрева жи вотноводческих помещений становится очевидной.
Таким образом, в условиях интенсивного развития промышлен ного животноводства важной инженерной задачей является создание таких вентиляционно-отопительных систем (ВОС), которые в сочета нии с комплексом научных и практических мероприятий, снижающих энергозатраты на создание микроклимата обеспечивали бы необхо димые зоогигиенические условия содержания животных.
К наиболее перспективным способам повышения экономично сти ВОС является утилизация теплоты, удаляемой из помещения с вентиляционным воздухом, за счёт использования системы рецирку ляции воздуха. Однако при этом происходит накопление пыли, мик роорганизмов и вредных газов в воздушной среде помещения. Таким образом, необходимо применять схему рециркуляции воздуха с его очисткой от вредных компонентов.
Работа выполнена в соответствии с общероссийской федераль ной программой «Энергоэффективная экономика» раздел "Энергоэф фективность в сельском хозяйстве" (постановление Правительства РФ от 17 ноября 2001 г. № 796), приказом Минсельхоза РФ от 25 ию ня 2007 г. № 342 "О концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года" и «Государственной про граммой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сель скохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - годы», утверждённой постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.
Цель работы – повышение эффективности очистки рециркуля ционного воздуха с помощью электрофильтра от пыли, микроорга низмов и вредных газов за счёт использования абсорбирующего свойства жидкости.
Задачи исследования 1. Выполнить теоретический анализ процессов очистки и обезза раживания рециркуляционного воздуха животноводческих помеще ний в мокром однозонном электрофильтре.
2. Разработать методику расчётов основных параметров мокрого однозонного электрофильтра.
3. Исследовать основные технические характеристики мокрого однозонного электрофильтра в лабораторных условиях.
4. Исследовать основные технические характеристики мокрого однозонного электрофильтра в производственных условиях.
5. Определить влияние мокрого однозонного электрофильтра на основные производственные показатели в животноводстве.
Объект исследования – процессы очистки и обеззараживания рециркуляционного воздуха животноводческих помещений с помо щью мокрого однозонного электрофильтра.
Предмет исследования – закономерности процессов очистки и обеззараживания рециркуляционного воздуха в мокром однозонном электрофильтре, связь параметров мокрого однозонного электро фильтра с его выходными показателями.
Методологическая и теоретическая основа исследования: в основу данной работы легли труды Возмилова А.Г., Файна В.Б., Иза кова Ф.Я., Кирпичниковой И.М., Ивановой С.А., Звездаковой О.В., Деля М.В., Байдукина Ю.А., Першина А.Ф. и других, внесших неоце нимый вклад в развитие науки об электроочистке и электрообеззара живании воздуха.
Достоверность полученных результатов Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием известных теоретических положений и апробированных экспериментальных методов исследований;
мате матической модели процесса электрофильтрации и озонирования воздушной среды помещения, дифференциальных и алгебраических уравнений, составленных на ее основе.
Научная новизна основных положений, выносимых на за щиту:
1. Получены аналитические зависимости определения эффек тивности систем очистки воздуха от микроорганизмов и вредных га зовых составляющих.
2. Разработана методика расчета основных параметров мокрого однозонного электрофильтра.
3. Получены результаты комплексных испытаний мокрого элек трофильтра в лабораторных условиях.
4. Получены результаты комплексных испытаний мокрого элек трофильтра в производственных условиях.
5. В результате проделанной работы доказана практическая це лесообразность и экономическая эффективность очистки рециркуля ционного воздуха мокрым однозонным электрофильтром в помеще ниях для содержания животных.
Практическая значимость работы и реализация её результа тов Разработаны рекомендации по расчёту и конструированию мок рого однозонного электрофильтра.
На основе теоретических и экспериментальных результатов ис следования разработан мокрый однозонный электрофильтр для очи стки рециркуляционного воздуха животноводческих помещений от пыли, микроорганизмов и вредных газов.
Мокрый однозонный электрофильтр прошел производственную проверку на свинокомплексе ООО «Совхоз Каштак» (г. Челябинск) и Красногорском свинокомплексе (г. Красногорск, Челябинская обл.).
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Челябинской государственной аг роинженерной академии, Тюменской государственной сельскохозяй ственной академии и Тюменского лесотехнического техникума.
Апробация работы. Результаты теоретических и эксперимен тальных исследований доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях ЧГАУ (Челябинск, 2007-2010 гг.);
на расширенном за седании кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ТГСХА (Тюмень, 2010 г.) Публикации. По основному содержанию диссертационной ра боты опубликовано 8 научных статей, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены два патента РФ на изо бретение, один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа со стоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (63 наименования), 6 приложений;
содержит 103 страницы основного текста, в том числе 32 рисунка и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» по священа анализу состояния вопроса и постановке задач исследования.
На основе литературных данных сформулированы зооветери нарные требования к системам очистки рециркуляционного воздуха животноводческих помещений.
Многочисленные исследования (Ю.А. Байдукин, А.Ф. Першин, И.П. Кривопишин, А.Г. Возмилов, И.М. Кирпичникова, В.Б. Файн, С.Т. Тайманов, Р.Ю. Илимбетов, С.А. Иванова, О.В. Звездакова и др.) различных систем очистки и озонирования воздушной среды в техно логических процессах животноводства показали, что фильтрация и озонирование воздуха дают положительные результаты.
Сравнительный анализ технических характеристик фильтров, используемых для очистки рециркуляционного воздуха, показал, что наиболее полно зоотехническим требованиям к установкам очистки и обеззараживания рециркуляционного воздуха на животноводческих комплексах отвечают электрофильтры.
В связи с большими объёмами очищаемого рециркуляционного воздуха и высокими концентрациями вредностей в воздушной среде животноводческих помещений перспективным аппаратом очистки рециркуляционного воздуха может стать мокрый однозонный элек трофильтр с непрерывной регенерацией.
На основании проведенного анализа сформулирована научная задача настоящей работы: теоретическое и экспериментальное обос нование технических условий на проектирование мокрых однозон ных электрофильтров, отвечающих требованиям промышленного жи вотноводства.
Вторая глава «Теоретические предпосылки к расчёту основ ных параметров мокрого однозонного электрофильтра» посвяще на анализу процессов электрофильтрации и озонирования воздушной среды в поле коронного разряда на основе теоретических положений электрогазоочистки.
Для высокоэффективной очистки рециркуляционного воздуха в животноводческих помещениях предлагается использовать специаль ный мокрый однозонный электрофильтр (МЭФ), состоящий из двух основных частей: верхней части с коронирующими электродами и системой высоковольтных изоляторов;
нижней части с емкостью для жидкости и системой удаления шлама через сливной клапан (рис. 1).
В качестве коронирующих электродов использовались игольча тые электроды. Осадительные электроды были выполнены в виде па раллельных плоских дисков, вращающихся на валу электрофильтра.
Вращаясь с определенной скоростью на валу электрофильтра, осади тельные электроды постоянно смачиваются жидкостью в нижней час ти электрофильтра. Осаждение частиц аэрозоля из воздушного потока происходит в верхней части электрофильтра на покрытые тонким слоем жидкости поверхности3 осадительных электродов.
h 5 1 – верхняя часть корпуса;
2 – нижняя часть корпуса;
3 – осадительные электроды;
4 – коронирующие электроды;
5 – электродвигатель с редуктором;
– сливной клапан;
7 – изоляционные плиты;
8 – вал электрофильтра;
h – рас стояние, на которое углубляется верхняя часть осадительных электродов в изо ляционную плиту.
Рис. 1. Конструкция мокрого однозонного электрофильтра Конструкция данного электрофильтра позволяет непрерывно очищать осадительные электроды от осевшего аэрозоля, а фильтруе мый рециркуляционный воздух от пыли, микроорганизмов и вредных газовых составляющих за счёт озона и жидкости, покрывающей оса дительные электроды.
В различных источниках оценка эффективности фильтров по очистке воздуха от микроорганизмов определялась косвенно, а имен но: предполагалось, что при очистке воздуха от пыли он очищается и от микроорганизмов. Однако эффективность электрофильтра по очи стке от пыли превышает эффективность его по очистке от микроор ганизмов, значит, нельзя ставить знак равенства между процессами обеспыливания и обеззараживания воздуха.
В литературе предложена упрощенная методика определения степени очистки воздуха от микроорганизмов. Для этого был введен некоторый эмпирический коэффициент K, связывающий степень очистки установки по пыли и степени очистки по микроорганизмам:
0,8 К 0,9. (1) Эффективность очистки воздуха в электрофильтре от микроор ганизмов можно рассчитать по следующему выражению:
- l микр = К 1 - е hu = Kпыли, (2) где – скорость дрейфа частиц;
l – длина электрофильтра;
h – межэ лектродное расстояние;
u – скорость воздушного потока;
пыли - эф фективность очистки воздуха от пыли.
У данной методики есть ряд недостатков (коэффициент прини мается эмпирически, не указаны предельные размеры пылевых час тиц и т.д.).
Известна зависимость, связывающая число аэрозольных частиц в объеме воздуха и его микробную обсемененность (рис. 2), пользу ясь которой можно определить степень очистки воздуха от микроор - n КОЕ n ганизмов: микр = КОЕ1, (3) n КОЕ где n КОЕ1, n КОЕ2 – число КОЕ в единице объема воздуха на входе и выходе электрофильтра собственно.
Данный способ трудоёмок и недостаточно точен. Для упроще ния данной методики и минимизации влияния различных внешних факторов на результат нами было выполнено математическое описа ние усредненной экспериментальной зависимости по рис. 2 и получе но аналитическое выражение:
= 0,0044 n 0,66, (4) n КОЕ пыли где n пыли – число пылевых частиц с предельным размером 0,5 мкм и более.
nKOE Число КОЕ в куб футе воз 0, 0, духа 0, 0, nn 1 10 100 1000 10000 100000 Число частиц размером 0,5 мкм в куб. футе воздуха Нижняя граница доверительного интервала Верхняя граница доверительного интервала Усредненная зависимость Рис. 2. Связь микробной загрязненности воздуха и числа аэрозольных частиц Подставив (4) в (3), получим выражение, позволяющее опреде лить степень очистки воздуха по микроорганизмам при известном значении эффективности степени очистки воздуха по пыли:
0,0044n 0,66 - 0,0044n 0, = микр пыли1 пыли, (5) 0, 0,0044n пыли где n пыли1, n пыли2 – число пылевых частиц с радиусом 0,5 мкм и бо лее на входе и выходе электрофильтра соответственно.
После ряда преобразований выражения (5) получаем формулу, позволяющую определить степень очистки воздуха по микроорга низмам при известном значении степени очистки воздуха от пылевых частиц размером 0,5 мкм и более:
микр = 1 - (1 - пыли ) 0,66. (6) Снижение концентрации вреднодействующих газовых компо нент в очищаемом в электрофильтре воздухе происходит в результате химических реакций данных компонентов с озоном.
Эффективность очистки воздуха в данном случае будем опреде лять по средней объёмной концентрации вещества в сечении dx элек трофильтра, которую мы обозначим Cix, мг/м3.
Массу вреднодействующего газа в объеме межэлектродного пространства длиной dx, находящейся на расстоянии l от входа, опре деляем по выражению:
mв = Cix 2bhdx. (7) Уменьшение массы вреднодействующей компоненты газа за время dt в объеме 2bhdx:
dm в = -Cix k i 2bhdxdt, (8) где ki – константа скорости распада (окисления) i-й вреднодействую щей газовой компоненты, с-1.
В результате объединения и интегрирования выражений (7) и (8) получим соотношение между средним содержанием i-й вреднодейст вующей газовой компоненты на входе и выходе электрофильтра:
Ci2 = Ci1 exp(-k i t), (9) где Ci1, Ci2 – концентрация i-й вреднодействующей газовой состав ляющей на входе и выходе электрофильтра соответственно.
C l t =, = 1 - i2, получим:
Учитывая, что Ci u k l = 1 - exp - i. (10) u При прохождении воздуха через мокрый электрофильтр в нем, помимо окисления вреднодействующих газовых компонент озоном, для некоторых из них (например, NH3) возможно поглощение жидко стью (например, H2O), смачивающей осадительные электроды. В этом случае уменьшение массы i-й вреднодействующей компоненты в электрофильтре за время dt составит:
( ), dm = dm + dm (11) где dm – уменьшение массы газа за счет окисления озоном, опреде ляемое по выражению (8);
dm– уменьшение массы газа за счет аб сорбции жидкостью на поверхности осадительных электродов;
dm = -C k 2bdxdt, (12) ix i где ki – константа скорости абсорбции i-й вреднодействующей ком поненты жидкостью, смачивающей осадительные электроды;
Сix – средняя поверхностная концентрация вещества на границе «воздух – осадительный электрод», мг/м2.
Подставив выражения (8) и (11) в (12) получаем:
dm = -C ix 2bhdx (k i + 2k )dt. (13) i После объединения и интегрирования (7) и (13) получаем соот ношение между средним содержанием i-й вреднодействующей газо вой компоненты на входе и выходе мокрого электрофильтра:
Ci2 = Ci1 exp[- (k i + 2k )t ]. (14) i C l = 1 - i2, получим выражение для Учитывая, что t = и C i u определения эффективности очистки воздуха в мокром электро фильтре от i-х вреднодействующих газовых компонент с учётом окисления их озоном и абсорбции жидкостью:
(k + 2k )l = 1 - exp - i i. (15) u Основные конструктивные параметры коронирующей системы мокрого электрофильтра (межэлектродное расстояние, тип и пара метры коронирующих электродов, скорость воздушного потока) рас считываются по известной методике.
Определение радиуса осадительных электродов. В данной работе нами рассмотрены три варианта определения радиуса осади тельных электродов.
Первый вариант. Радиус осадительного электрода выбираем из условия, что он вписывается в квадрат со стороной l (рис. 3), т. е.
R = 0,5l. (16) ос Рис. 3. Схема для выбора радиуса осадительного электрода Второй вариант. Радиус осадительного электрода выбираем из условия, что он описывает данный квадрат, т.е.
R = 0,5l. (17) ос В первом варианте площадь осадительных электродов относи тельно расчетной на 22 % меньше, во втором – на 56 % больше.
Третий вариант. Рассмотрим третий вариант выбора радиуса осадительного электрода из условия:
R + R 0,5l + 0,5l R = ос = = 0,603l.
ос (18) ос 2 В этом случае площадь осадительных электродов будет на 14 % больше расчётной, но если учитывать, что часть площади осадитель ных электродов исключается из активной зоны из-за их углубления в изоляционные плиты, то выбор радиуса осадительного электрода из условия R ос = 0,603l будет наиболее целесообразным.
Определение скорости вращения осадительных электродов.
Во время работы электрофильтра слой осевшей на электродах пыли адсорбирует с них влагу, вследствие чего изменяется электрическое сопротивление слоя пыли. Кроме того, наблюдается конвективная сушка слоя пыли потоком очищаемого воздуха, что также приводит к увеличению его сопротивления. При определенных сопротивлении и толщине слоя пыли в электрофильтре может возникнуть обратная ко рона, резко снижающая эффективность фильтра. Количество влаги и толщина слоя осевшей пыли на электродах при прочих равных усло виях зависят от частоты вращения данных электродов.
Следовательно, необходимо определить частоту вращения оса дительных электродов, при которой исключалась бы возможность возникновения обратной короны. При этом нужно обеспечить сле дующее условие:
U Uкр, (19) где U – падение напряжения на слое осевшей пыли;
Uкр – критиче ское падение напряжения на слое пыли, при котором возникает об ратная корона.
Величина Uкр зависит от тока короны I, толщины слоя пыли и её удельного сопротивления:
Uкр = IRкр, (20) где Rкр – критическое удельное сопротивление слоя пыли, при кото ром возникает обратная корона.
Частоту вращения осадительных электродов, при которой ис ключается возможность возникновения обратной короны, можно оп ределить по следующему выражению:
(21) С вх wC w, ( + r ) = K exp n п R uh R K + 2 W где Свх – средняя концентрация пыли на входе в электрофильтр;
– угловая частота вращения осадительных электродов;
C – концентра ция пыли в воздушном потоке;
п – объемная плотность пыли;
R – сопротивление слоя пыли с учетом ее высыхания;
К – эмпирический коэффициент;
w – скорость дрейфа частиц;
и – скорость воздушного потока;
h – межэлектродное расстояние;
– полярная координата элементарного участка осадительного электрода;
r – радиус осади тельного электрода;
– количество влаги;
п – слой пыли;
Кw – коэф фициент диффузии влаги для коллоидных капиллярно-пористых тел;
– коэффициент массоотдачи.
Для предотвращения возникновения обратной короны необхо димо, чтобы выполнялось условие кр где кр – критическая скорость вращения осадительных электродов, при которой сопротивление слоя пыли R достигает критического зна чения Rкр.
Предложенная методика позволяет определить угловую ско рость вращения осадительных электродов при известных физических характеристиках осаждаемой пыли и режимов прохождения воздуш ного потока ( Свх, u, п, Кw, Кп, ).
В третьей главе «Программы и методики экспериментальных исследований» описываются программа и методики исследований.
Наше исследование проходило в два этапа:
• экспериментальные исследования в лабораторных условиях;
• экспериментальные исследования в производственных условиях.
Экспериментальные исследования в лабораторных условиях предусматривали исследование МЭФ при двух режимах работы: без заполнения жидкостью нижней части электрофильтра – «на сухую» и с заполнением жидкостью нижней части электрофильтра – «на мок рую». При этом осуществлялось:
1. Снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ).
2. Исследование зависимости эффективности очистки по пыли пыль от мощности коронного разряда для разных значений размеров улавливаемых частиц r.
3. Исследование зависимости эффективности очистки по пыли пыль от объёмной подачи воздушного потока для различных значений размеров улавливаемых частиц r.
4. Снятие озонотоковой характеристики (ОТХ).
Для проведения комплексных испытаний использовался экспе риментальный стенд (рис. 4), в основу которого был положен опыт ный образец мокрого однозонного электрофильтра.
Вольт-амперная и озонотоковая характеристики снимались для двух режимов работы мокрого однозонного электрофильтра: «на сухую» и «на мокрую». Зависимости эффективности очистки по пы ли пыль от мощности коронного разряда и скорости воздушного по тока (создаваемого вентилятором) для различных значений размеров улавливаемых частиц r снимались лишь для режима «на сухую» по причине того, что в режиме «на мокрую» в очищаемый воздух гене рировался мелкодисперсный водный аэрозоль, который попадал в счётчик аэрозольных частиц и вводил погрешность в показания при бора. pV V ~220 В pV ИВН МЭФ ~220 В kV SB pA pV3 Р1 Р Р V m A ~220 В ИВН – источник высокого напряжения;
pV1– киловольтметр С-196;
SB – размыкающий контакт;
рА – миллиамперметр М 109/1;
МЭФ – мокрый элек трофильтр;
Р1 – счётчик аэрозольных частиц;
Р2 – термоанемометр;
Р3 – газо анализатор озона, pV1и pV2– вольтметры Э378;
1 – электродвигатель привода вращения осадительных электродов;
2 – центробежный вентилятор Рис. 4. Схема экспериментального стенда Целью экспериментальных исследований в производственных условиях являлось изучение работы мокрого электрофильтра и опре деление целесообразности использования данной технологии на предприятиях АПК. Исследования проводились в корпусе № 4 свино комплекса ООО «Совхоз Каштак», (г. Челябинск) и в секции для со держания поросят-отъёмышей в Красногорском свинокомплексе (г.
Красногорск).
Программой исследований в производственных условиях корпу са №4 свинокомплекса ООО «Совхоз Каштак» (рис. 5) предусматри валось:
1. Режим «А». Определение эффективности очистки воздушной среды помещения для содержания свиней от пыли, микроорганизмов и вредных газовых составляющих, без заполнения водой нижней час ти МЭФ. Осадительные электроды не вращаются.
2. Режим «В». Определение эффективности очистки воздушной среды помещения для содержания свиней от пыли, микроорганизмов и вредных газовых составляющих, с заполнением водой нижней час ти МЭФ. Осадительные электроды не вращаются.
3. Режим «С». Определение эффективности очистки воздушной среды помещения для содержания свиней от пыли, микроорганизмов и вредных газовых составляющих, с заполнением водой нижней час ти МЭФ. Осадительные электроды вращаются.
При проведении исследований в производственных условиях использовался упомянутый экспериментальный стенд.
а) аксонометрическая схема б) вид сверху 1 – приточные жалюзи;
2 – вытяжной камин;
3 – экспериментальный стенд;
4 – воздуховод 100 мм;
5 – кормушка;
6 – точка забора воздуха.
Рис. 5. План корпуса № 4 свинокомплекса ООО «Совхоз Каштак»
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследо ваний» представлены результаты исследований в лабораторных и производственных условиях.
Результаты исследований в лабораторных условиях.
Вольт-амперная характеристика является основной характери стикой мокрого однозонного электрофильтра, позволяющей дать оценку эффективности коронирующей системы и рассчитать мощ ность, потребляемую коронным разрядом.
Результаты по снятию ВАХ мокрого однозонного электро фильтра представлены на рис. 6.
Рис. 6. Вольт-амперная характеристика Вольт-амперная характеристика МЭФ при заполненном жидко стью баке имеет более крутой вид по сравнению с ВАХ МЭФ без жидкости, что объясняется наличием мелкодисперсного жидкостного аэрозоля в межэлектродном промежутке электрофильтра в первом случае, вследствие чего увеличивается влажность воздушного потока, что приводит к повышению тока коронного разряда. Максимальная мощность коронного разряда при работе опытного образца МЭФ с жидкостью составляет 33 Вт.
Результаты исследования зависимости эффективности очистки по пыли от мощности коронного разряда для разных значений разме ров улавливаемых частиц показаны на рис. 7.
Рис. 7. Зависимости эффективности очистки по пыли от мощности корон ного разряда для разных значений размеров улавливаемых частиц r Результаты исследования зависимость эффективность очистки по пыли от объёмной скорости воздушного потока для различных значений размеров улавливаемых частиц представлены на рис. 8.
Рис. 8. Зависимость эффективности очистки по пыли от объёмной подачи воздушного потока для различных значений размеров улавливаемых частиц r Эффективность очистки воздушной среды МЭФ от частиц ра диусом r 1,0 мкм составляет более 90 %. При изменении объёмной скорости воздушного потока от 55,4 м3/ч до 352,8 м3/ч эффектив ность очистки снижается не более чем на 2,4 %.
Озонотоковая характеристика является одной из основных ха рактеристик коронно-разрядного электрофильтра.
Наличие данной характеристики позволяет определить необхо димый режим электрофильтра в зависимости от технологического процесса, в котором он используется. Концентрация озона на выходе из МЭФ в зависимости от тока короны представлена на рис. 9.
Рис. 9. Озонотоковая характеристика Результаты экспериментальных исследований в производст венных условиях корпуса №4 свинокомплекса ООО «Совхоз Каштак».
Результаты исследований пылевой загрязнённости воздушной среды помещения для содержания свиней в корпусе № 4 свиноком плекса ООО «Совхоз Каштак», (г. Челябинск) представлены на рис.
10.
Рис. 10. Пылевая загрязнённость воздушной среды помещения для со держания свиней в корпусе № 4 свинокомплекса ООО «Совхоз Каштак»
Микробная загрязнённость данного помещения для части разме ром 0,5 мкм и более составила 2650,7 КОЕ/м3. Концентрация аммиа ка в воздушной среде помещения составила 9,25 мг/м3.
В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1) В помещениях для содержания свиней отсутствует система очистки приточного воздуха, что повышает вероятность микробного аэрогенного заражения животных.
2) Для обеспечения соответствия воздушной среды помещения для содержания свиней требованиям ПДК необходима очистка при точного воздуха.
Эффективность очистки от пыли для режима «А» представлена на рис. 11, из которого видно, что выполняются требования по очист ке воздуха от пыли, предъявляемые к электрофильтрам, а именно:
эффективность очистки для частиц размером 1,0 мкм и более состав ляет выше 90 %. Эффективность очистки от микроорганизмов соста вила 77%, от аммиака равнялась 50 %.
Рис. 11. Эффективность очистки воздушной среды помещений для со держания свиней от пыли в режиме «А», для разных диапазнов r Эффективность очистки от пыли для режима «В» представлена на рис. 12;
здесь также выполняются требования по очистке воздуха от пыли, предъявляемые к электрофильтрам.
В данном случае эффективность очистки воздуха от микроорга низмов составила 77%, от аммиака – 55,4 %.
Рис. 12. Эффективность очистки воздушной среды помещений для содер жания свиней от пыли в режиме «В», для разных диапазонов r Режим «С» является основным рабочим режимом мокрого од нозонного электрофильтра. Эффективность очистки от пыли для дан ного режима представлена на рис. 13.
Рис. 13. Эффективность очистки воздушной среды помещений для содер жания свиней от пыли в режиме «С», для разных диапазонов r И в этом случае требования для электрофильтров по очистке воздуха выполнены. Низкие значения эффективности для частиц раз мером 0,3 и 0,5 мкм и более объясняются тем, что при вращении оса дительных электродов, смоченных в воде, водяная пыль попадает на чувствительный элемент счётчика аэрозольных частиц и вносит ошибку в показания прибора. Для частиц размером 1,0 мкм и более этот эффект обнаружен не был. В данном случае эффективность очи стки воздуха от микроорганизмов составила 70%, от аммиака для данного режима работы МЭФ составила 83,8 % (рис. 14), что совпа дает со значением эффективности, определённой расчётным путём.
Рис. 14. Эффективность очистки воздушной среды помещений для со держания свиней от аммиака полученная экспериментально и расчётным путём.
Резкое повышение эффективности по очистке воздуха от аммиа ка в режиме «С» по сравнению с режимами «А» и «В» объясняется абсорбцией аммиака слоем воды, покрывающим осадительные элек троды.
Результаты экспериментальных исследований в производст венных условиях секции для содержания поросят-отъёмышей участ ка №4 Красногорского свинокомплекса.
Программой исследований предусматривалось изучение влия ния электрофильтрации воздуха на такие параметры воздушной сре ды контрольного и опытного секторов, как концентрация пыли и микроорганизмов.
а) б) Рис. 15. Влияние МЭФ на концентрацию пыли (а) и микроорганизмов (б) в воздушной среде секции для поросят-отъёмышей участка №4 Красногорского свинокомплекса Из рис. 15 видно, что, несмотря на недостаточную воздухопро изводительность установки система электрофильтрации оказывает общее положительное влияние на микроклимат в секторе - снижается концентрация пыли и микроорганизмов.
а) б) Рис. 16. Влияние МЭФ на падёж (а) и среднесуточный прирост массы (б) поросят-отъёмышей участка №4 Красногорского свинокомплекса Из диаграмм, приведенных на рис. 16 видно, что падёж поросят отъёмышей в опытном секторе по сравнению с контрольным умень шился на 52 %, а среднесуточный прирост массы вырос на 16,4 %.
а) б) Рис. 17. Влияние МЭФ на съём продукции с м (а) и сохранность поросят отъёмышей (б) участка №4 Красногорского свинокомплекса Удельный съём продукции с одного квадратного метра в опыт ном секторе вырос по сравнению с контрольным сектором на 11 %, а сохранность поросят-отъёмышей возросла на 8,4 % (рис. 17).
В пятой главе «Оценка технико-экономической эффективно сти использования мокрого однозонного электрофильтра» опре делены экономическая эффективность и годовой экономический эф фект от внедрения системы электрофильтрации рециркуляционного воздуха в свинарнике.
Основной экономический эффект от использования систем электрофильтрации рециркуляционного воздуха достигается за счёт повышения продуктивности животных и птицы вследствие сокраще ния энергозатрат на обогрев помещений (рис. 19).
Экономическая эффективность от внедрения системы очистки рециркуляционного воздуха в помещении для содержания поросят отъемышей составила 78,8 тыс. руб (в ценах 2008 г.).
Срок окупаемости капитальных вложений составляет 0,75 года.
С – концентрация вредностей в воздушной среде животноводческого помеще ния;
СПДК – ПДК вредностей в животноводческом помещении;
k - кратность воздухообмена;
Срец – концентрация вредностей в воздушной среде при очистке рециркуляционного воздуха;
Спр ц – концентрация вредностей в воздушной сре де при прямой циркуляции воздуха;
Q – энергозатраты на отопление животно водческого помещения;
Qрец – энергозатраты на отопление при очистке рецир куляционного воздуха Qпр ц – энергозатраты на отопление при прямой цирку ляции воздуха;
Q – снижение энергозатрат за счёт использования систем очи стки рециркуляционного воздуха Рис. 17. Снижение энергозатрат на отопление за счёт использования системы очистки рециркуляционного воздуха
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Проблему очистки воздушной среды животноводческого поме щения от пыли, микроорганизмов и вредных газов, решаемую в на стоящее время с помощью прямоточной вентиляции, наиболее целе сообразно решать с помощью рециркуляции воздуха с одновремен ной его очисткой от вредных компонентов. Наиболее перспективным способом очистки рециркуляционного воздуха является использова ние электрофильтров. Практический интерес представляет повыше ние эффективности электрофильтра по очистке рециркуляционного воздуха от пыли, микроорганизмов и вредных газов за счёт использо вания абсорбирующего свойства жидкости.
2. В результате теоретических расчётов усовершенствована мето дика определения степени очистки воздуха от микроорганизмов, ко торая позволяет избежать погрешностей, связанных с неточностями при определении коэффициента К, связывающего степень очистки воздуха от пыли и степень очистки от микроорганизмов, определении предельных размеров пылевых частиц, для которых должно браться значение эффективности, при привязке величины коэффициента к размеру аэрозоля, снятии данных с графика связи микробной загряз ненности воздуха и числа аэрозольных частиц, и при переводе дан ных в несвойственную для нашей страны систему единиц (футы).
3. Получено аналитическое выражение для определения эффек тивности очистки воздуха в мокром электрофильтре от вреднодейст вующих газов, позволяющее повысить точность расчётов при проек тировании мокрых однозонных электрофильтров.
4. Получены аналитические выражения, позволяющие определять основные конструктивные и технологические параметры мокрого од нозонного электрофильтра, такие, как радиус осадительного электро да и скорость вращения осадительных электродов.
5. В результате комплексных лабораторных испытаний опытного образца мокрого электрофильтра получены и проанализированы вольт-амперная и озонотоковая характеристики, а также зависимости эффективности очистки воздуха от мощности коронного разряда и скорости воздушного потока.
6. Производственные испытания в свинокомплексе ООО «Совхоз Каштак» показали, что при очистке рециркуляционного воздуха с помощью мокрого однозонного электрофильтра эффективность очи стки от пыли достигает 97,3%, от микроорганизмов – 70%, от вред ных газов – 83,8%.
7. Производственные испытания в Красногорском свинокомплексе показали, что при использовании мокрого однозонного электро фильтра в системе очистки рециркуляционного воздуха падеж поро сят-отъёмышей снизился на 52%, среднесуточный прирост массы вы рос на 16,4%, удельный съём продукции с одного квадратного метра увеличился на 11%, сохранность поросят-отъёмышей повысилась на 8,4%.
8. Экономическая эффективность от внедрения системы чистки рециркуляционного воздуха в помещении для содержания поросят отъемышей составила 78,8 тыс. руб (в ценах на 2008 г.). Срок оку паемости капитальных вложений Т 0,75 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК 1. Мишагин В.Н., Андреев Л.Н., Сыромятов И.Е., Матвеев С.Д.
Методика определения эффективности систем очистки воздуха от микроорганизмов // Механизация и электрификация сельского хозяй ства. – 2008. - № 5, стр. 39-40.
2. Возмилов А.Г., Уразов С.И., Андреев Л.Н. Применение элек трического ветра в технологических процессах АПК // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. - № 7, стр. 24-25.
3. Возмилов А.Г., Мишагин В.Н., Андреев Л.Н., Результаты ис следований мокрого однозонного электрофильтра // Техника в сель ском хозяйстве. – 2009. - № 3, стр. 20-22.
4. Возмилов А.Г., Андреев Л.Н., Мишагин В.Н. Расчёт основных параметров осадильных электродов мокрого электрофильтра. – 2010.
- № 4, стр. 19-22.
Публикации в других изданиях 1. Андреев Л.Н., Файн В.Б. Некоторые вопросы расчёта осве щённости от люминесцентных ламп точечным методом // Вестник ЧГАУ. – 2006. – т. 48, стр. 9-11.
2. Возмилов А.Г., Андреев Л.Н. Исследование влияния поля ко ронного разряда на повышение эффективности пластинчатого тепло обменника// Вестник ЧГАУ. – 2007. – т. 50, стр. 15-17.
3. Возмилов А.Г., Андреев Л.Н. Мокрый электрофильтр (Науч ные труды Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и конкурентоспособного развития агро инженерной науки на современном этапе», Алматы, 2008).
4. Возмилов А.Г., Андреев Л.Н. Расчет эффективности мокрого электрофильтра по очистке воздуха от вредных газов (Научные труды Международной научно-практической конференции «Проблемы ин новационного и конкурентоспособного развития агроинженерной науки на современном этапе», Алматы, 2008).
5. Мокрый однозонный электрофильтр. Андреев Л.Н. и др. Па тент №2343362 Россия. - №2007124044;
Заявл. 27.06.2007;
Опубл.
10.01.2009 – Бюл.№1.
6. Электрофильтр-озонатор. Андреев Л.Н. и др. Патент № Россия. - №2008117629/22;
Заявл. 04.05.2008;
Опубл. 10.11.2008 – Бюл. №31.
7. Устройство для создания микроклимата в птичниках. Андреев Л.Н. и др. Патент №2339220 Россия. - №20071280;
Заявл. 4.06.2007;
Опубл. 27.11.2008 – Бюл.№33.
Подписано в печать «08» ноября 2010 г.
Формат А5. Объем 1,0 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Заказ № УОП ЧГАА