Повышение эффективности системы естественной вентиляции в помещениях для крупного рогатого скота путем автоматического регулирования расхода воздуха
На правах рукописи
КАПУСТИН ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ
ВЕНТИЛЯЦИИ В ПОМЕЩЕНИЯХ ДЛЯ КРУПНОГО РОГАТОГО
СКОТА ПУТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
РАСХОДА ВОЗДУХА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени
кандидата технических наук
Барнаул – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном уч реждении высшего профессионального образования «Алтайский государст венный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Федоренко Иван Ярославович (ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный уни верситет»)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Новоселов Александр Леонидович (ГОУ ВПО «Алтайский государственный техниче ский университет им. И. И. Ползунова»);
кандидат технических наук, доцент Сабиев Уахит Калижанович (ГОУ ВПО «Омский государственный аграрный универ ситет»)
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится «24» июня 2011 года в 1200 часов на засе дании диссертационного совета Д 212.004.02 в ГОУ ВПО «Алтайский государ ственный технический университет им И.И. Ползунова» по адресу: 656038, РФ, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.
htpp: www. altstu. ru;
ntsc@ desert. secna. ru;
тел/факс (3852) 36-71- Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссерта ционного совета Д 212.004.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Автореферат разослан и размещен на сайте http: www. altstu. ru «20» мая 2011 г.
Учный секретарь диссертационного совета Д 212.004. доктор технических наук, профессор Л. В. Куликова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Строительство новых и реконструкция сущест вующих животноводческих ферм с внедрением новых эффективных технологий, в основном зарубежной комплектации, позволило повысить продуктивность жи вотных на 40-70% и снизить трудозатраты на отдельных операциях в 5-6 раз. На ряде ферм КРС Алтайского края среднегодовой надой молока превышает 6000 л, наметилась тенденция к строительству зданий большой вместимости с доением коров в доильных залах. Однако отсутствие комплексности в обосновании выбора новых технологий и технических решений для природно-климатических особен ностей Сибири привело к снижению их эффективности. В первую очередь это от носится к системам обеспечения микроклимата. Известно, что при неограниченном воздухообмене и постоянном химическом составе воздуха в естественных усло виях, холодном и свободновыгульном содержании КРС температура и относи тельная влажность воздуха не являются определяющими параметрами микрокли мата, но оценка степени их влияния на продуктивность и здоровье животных про тиворечива. Это обусловлено реакцией механизма адаптации созданного в процессе эволюции животных. Содержание животных в помещении с ограниченным возду хообменом ведет к изменению состава воздуха. Оценка степени влияния газового состава воздуха однозначна, и за основной контролируемый параметр принята концентрация аммиака, который способен накапливаться в организме, и не только сам агрессивен, но и, связывая гемоглобин в крови, препятствует усвоению ки слорода. Затраты на обеспечение микроклимата зависят от величины воздухооб мена, температуры наружного воздуха и избытка тепла в помещении, определяе мого не только выделением тепла животными, но и потерями тепла ограждающими конструкциями при различных объемно-планировочных решениях здания. Терми ческие характеристики здания зачастую не сочетаются с техническими требова ниями для эксплуатации оборудования, технологией содержания и физиологией животных. Это обусловлено прекращением строительства традиционных для Си бири зданий с чердаком, недостатком опыта эксплуатации новых зданий с совме щенным перекрытием при отсутствии рекомендаций в связи с ликвидацией науч но-исследовательских центров. Температура наружного воздуха ниже минус 40°С может длиться более месяца, а диспаритет цен на продукцию и энергоносители привел к тому, что для оплаты затрат на эксплуатацию искусственной системы вентиляции с подогревом воздуха в коровнике необходимо продать до 5 л молока от каждой коровы в сутки. Поэтому в помещениях для КРС системы вентиляции с подогревом воздуха прекратили использовать, а ресурсосберегающие системы находятся на стадии исследований. Широко распространенные общеобменные ес тественные системы вентиляции из-за дефицита тепла в период экстремально низких температур закрывают. Применение локальной организации воздухообмена с уменьшенным расходом воздуха сдерживается тем, что до сих пор нет данных о взаимодействии естественных конвекционных потоков в помещении с потоками приточного воздуха, определяющих степень снижения воздухообмена. Кроме того, существует противоречие между снижением воздухообмена и низким качеством ручного управления. Опыт других областей техники показывает, что при рассмот рении сходных вопросов решение проблемы в целом возможно с использованием для управления автоматических регуляторов. Актуальность настоящей работы за ключается в решении проблемы обеспечения основных параметров микроклимата в помещениях для крупного рогатого скота системой естественной вентиляции за счет повышения степени использования тепла, выделяемого животными, и уменьшении воздухообмена, что в совокупности позволяет снизить энергозатраты на производство продукции животноводства.
Целью диссертационной работы является повышение степени использо вания тепла, выделяемого животными, и уменьшение воздухообмена при естест венной вентиляции путем разработки инженерных методов регулирования расхода воздуха.
В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи иссле дования:
1. Разработать математическую модель формирование естественных пото ков воздуха, обосновать схему организации воздухообмена и конструктивное ис полнение системы вентиляции для помещений КРС.
2. Выявить зависимость расхода воздуха от организации воздухообмена и разработать методику расчета системы естественной вентиляции для зданий с чердаком.
3. Обосновать схему размещения элементов системы вентиляции с учтом технологии содержания животных.
4. Предложить классификацию регуляторов расхода воздуха и определить элементный состав конструктивного исполнения для работы в режиме стабилиза тора расхода воздуха.
5. Экспериментально проверить предложенную систему естественной вен тиляции и дать е экономическую оценку.
Объект исследования. Технологический процесс естественной вентиляции в помещениях для крупного рогатого скота.
Предмет исследования. Факторы, влияющие на эффективность системы естественной вентиляции и качество регулирования.
Научная новизна:
- получена математическая модель естественной конвекции для животно водческих помещений;
- обоснована схема организации воздухообмена естественной вентиляцией с учетом взаимодействия естественных конвекционных потоков и потоков приточ ного воздуха, поступающего из межкрышного пространства при удалении по средством вытяжных шахт;
- разработана методика расчета системы естественной вентиляции для зданий с чердаком;
- предложена классификация регуляторов расхода воздуха для естествен ных систем вентиляции и методика их расчета для вытяжной шахты.
Практическая ценность. На основе исследований разработаны, изготов лены и установлены на вытяжных шахтах естественной вентиляции в коровниках и телятниках автоматические регуляторы расхода воздуха, что позволяет сократить трудозатраты на управление расходом воздуха при повышении качества управле ния.
Разработана методика инженерного расчета автоматического регулятора расхода воздуха, повышающая точность расчетов.
Предложена методика расчета системы естественной вентиляции, осущест влн е монтаж в животноводческих помещениях.
Проведена производственная проверка системы естественной вентиляции с автоматическим регулированием расхода воздуха, подтвердившая е эффектив ность по затратам к первому году внедрения в сравнении с теплообменной пле ночной, за счет снижения стоимости, повышения надежности и срока эксплуата ции.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты выпол ненного исследования и рекомендации, предложенные в работе, использованы при реконструкции и монтаже новых систем естественной вентиляции в хозяйствах Алтайского края: в коровниках ЗАО «Кипринское», Шелаболихинский район;
ЗАО «Алтай», Тюменцевский район;
ЗАО «Степное», Родинский район;
СПК «Чисто озерский», Завьяловский район;
ЗАО «Западное», Ключевской район;
ГПЗ «Побе да», Кулундинский район;
учхоз «Пригородное», Алтайский государственный аг рарный университет. Система естественной вентиляции включена в Каталог ин вестиционных проектов по агропромышленному комплексу: М.: ФГНУ «Росин формагротех», 2007. – 136 с.
Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры «Механи зация животноводства» института техники и агроинженерных исследований АГАУ.
Регуляторы расхода воздуха могут быть применены в системах естественной вентиляции зданий и сооружений иного назначения. Лабораторная установка мо жет быть использована как стенд для настройки регуляторов расхода воздуха.
Апробация. Отдельные устройства и система вентиляции в целом демонст рировались на ярмарке изобретений Алтайского края в 2011 г., международных выставках «Алтайская нива» в 2007, 2008, 2010 гг. (г. Барнаул), в 2010 г. система вентиляции получила медаль этой выставки. Конструкция регулятора вошла в сборник лучших изобретений Алтайского края за 2006 г. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение на внутривузовских, городских и междуна родных конференциях, проводимых в г. Барнауле в 2009-2011 гг., а также на со вместном заседании отделов СибИМЭ, г. Новосибирск в 2011 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы. Текст диссертации изложен на 168 страницах, включает 28 рисунков, 14 таблиц, 111 наименований используемой литературы и 4 прило жения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях по перечню ВАК, 4 патента на изобретения.
Основные положения, выносимые на защиту:
– математическая модель движения конвективных потоков воздуха в жи вотноводческом помещении, позволяющая обосновать схему воздухообмена для экстремально низких температур наружного воздуха;
– методика расчета воздухообмена животноводческого помещения с черда ком при естественной вентиляции и мобильной раздаче кормов;
– классификация регуляторов расхода воздуха для устройств естественной вентиляции;
– обоснование конструктивных параметров регулятора расхода воздуха для вытяжных шахт естественной вентиляции;
– результаты влияния разработанной системы естественной вентиляции на основные параметры микроклимата и продуктивность животных.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследова ния, показана научная новизна и практическая ценность работы, изложены ос новные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ работ, выполненных по тематике рассмат риваемой проблемы, сформулированы задачи исследований.
Установлено, что нормируемая температура воздуха в помещениях для КРС определена не только для животных, но и для возможности работы технологиче ского оборудования, чем и можно объяснить противоречие во мнениях ученых по «холодному» и «теплому» способам содержания. Для зимнего периода расчет воздухообмена в помещениях с системами естественной вентиляции целесообразно проводить и для нижних граничных температур, при условии обеспечения газового режима в зоне нахождения животных. На обеспечение параметров микроклимата в условиях Сибири приходится основная часть затрат ресурсов. Здание решает ос новную задачу локализует зону нахождения животных. На основе работ Г.К.
Волкова, Д.Н. Мурусидзе, Н.М. Комарова, С.И. Плященко, В.П. Ожигова, Н.К.
Раушенбаха, Е.Г. Егорова, А.А. Мельберт, Т.А. Стопаревой и ряда других авторов выявлено, что ресурсосбережение возможно только при комплексном подходе к выбору типа здания, организации воздухообмена и системы вентиляции с их со подчиненностью технологии содержания и виду животных при условии обеспе чения возможности работы оборудования. На основании работ И.И. Свентицкого, И.П. Колесниченко, И.И. Тюхова, А.Г. Сотникова, О. Адомовски, В.Н. Расстригина, О.М. Османова, А.И. Николаева, Г.В. Никитенко выявлена возможность снизить, или полностью исключить энергозатраты в климатических зонах с экстремально низкими температурами за счет нетрадиционных источников энергии (гео- и ге лиоколлекторы, теплообменники, био- и ветрогенераторы). Также установлено, что широкие здания в сравнении с узкими имеют меньшую относительную стоимость и теплопотери. В зданиях с чердаком теплопотери через перекрытие на 10% меньше в сравнении с совмещенным перекрытием и в межкрышное пространство поступает кондуктивным способом до 80% тепла, выделяемого животными, а через кровлю излучением (со стороны Солнца в дневное время) до 120 Вт/м2 тепловой энергии.
Организация притока воздуха из межкрышного пространства позволяет обеспечить достаточный для нормального функционирования крупного рогатого скота возду хообмен при сохранении теплового баланса помещения. Общепринятая методика расчета теплового баланса для выбора систем естественной вентиляции не учиты вает особенностей типа здания и взаимодействия в нем естественных конвективных потоков с потоками приточного воздуха, технологии содержания и работы техно логического оборудования, причем расчет проводят только для переходного пе риода. Зимой воздухообмен рекомендуют ограничивать вручную, что ведет в практике к закрытию каналов притока и вытяжки из-за рассогласования и опро кидывания режима их работы. Снизить расход и температуру воздуха возможно без ущерба для животных, но при рациональной организации притока воздуха в зону дыхания и высоком качестве регулирования расхода воздуха. Работы Р.М. Славина, В.П. Туркина, С.В. Нефедова, Н.С. Маликовой, Н.М. Каленюка, Б.Н. Юрманова доказывают необходимость применения автоматических регуляторов прямого действия для систем естественной вентиляции. Однако известные устройства имеют сложные кинематические связи, значительную материалоемкость и габа риты, отсутствует классификационный анализ регуляторов расхода воздуха. Не решены общие задачи по определению закона и диапазона регулирования, а также частные задачи, относящиеся к конструктивным параметрам.
Во второй главе предложена математическая модель движения естественных конвективных потоков в животноводческом помещении, уточнена методика рас чета теплового баланса и воздухообмена здания с чердаком с забором воздуха из межкрышного пространства и подачей в зону дыхания животных, предложена классификация и обосновано конструктивное исполнение устройства для регули рования расхода воздуха в системах естественной вентиляции.
Большая ширина помещения позволяет рассматривать конвекцию, как про исходящую в канале с твердой верхней и нижней стенками (рисунок 1). Рассмотрен слой воздуха высотой h, находящийся в поле силы тяжести. Разность температур в зоне потолка (Т0+ Т) и в зоне нахождения животных Т0 ведет к разности плотно стей воздуха и созданию локальных конвекционных потоков. Поля распределения скорости, плотности и температуры изменяются во времени и описываются сис темой уравнений с частными производными:
где векторный оператор Гамильтона (i, j, k – орты прямоугольной системы координат);
– ускорение силы тяжести;
p(x, y. z) – поле давлений;
v – коэффициент кинематической вязкости;
– коэффициент темпера туропроводности;
– коэффициент теплового расширения воздуха;
0, T0 – значе ния плотности и температуры воздуха, принятые за начальную точку отсчета.
Рисунок 1 – Возможная кон фигурация течений воздуха, возникающих при темпера турной конвекции Уравнения (1-3), записанные в векторной форме, являются: (1) – уравнением На вье-Стокса, (2) – уравнением неразрывности, (3) – уравнением теплопроводности.
Уравнение (4) устанавливает зависимость плотности воздуха от температуры. К поверхностям пола, стен, потолка воздух прилипает и его скорость равна нулю, т.е.
обращаются в нуль все компоненты скорости и к уравнениям (1-4) нужно приме нить граничные условия, которые могут быть записаны в виде:
u (0, y. t) = 0 u (h, y, t) = v (x, 0, t) = 0 v ( x, h, t) = T (x, 0, t) = T0+T T (x, h, t) = T0, где u, v – проекции вектора скорости на оси x и y.
При постановке пограничных условий мы воспользовались двумерной кар тиной конвекции, т.е. рассматриваем движение воздуха вдали от торцевых стен животноводческого помещения.
Таким образом, уравнения (1-4) и граничные условия (5) в совокупности со ставляют математическую модель свободной (естественной тепловой) конвекции в широких (В h) животноводческих помещениях большой вместимости. Но в таком виде математическая модель практически неразрешима и вводим допущения: а) зависимость плотности воздуха от температуры учитывается только в одном месте математической модели – в члене с подъемной (архимедовой) силой в уравнениях движения (приближение Буссинеска);
б) откажемся от существенного влияния стен на качественную картину конвекционных движений в связи с малой суммарной площадью стен по отношению к площади пола и потолка.
При сделанных допущениях наша модель может быть сведена к гидродина мической модели Лоренца, записываемой в обыкновенных дифференциальных уравнениях. После проведения ряда преобразований, аппроксимации по методу Галеркина, возможно представление их в виде системы трех обыкновенных диф ференциальных уравнений, но в новых переменных X, Y, Z:
где ;
;
, R, Rc – число Релея и критическое число Релея:
Управляющие параметры, b, r имеют следующий физический смысл. Па раметр (число Прандтля) есть отношение коэффициента кинематической вязкости v и коэффициента температуропроводности. Параметр b определяется геометрией конвекционной ячейки, а именно отношением ее вертикального h и горизонталь ного l размеров. Внешний управляющий параметр r, пропорциональный разности температур у пола и потолка коровника, есть отношение числа Релея R к критиче скому числу Релея Rc.
Хотя уравнения (6) нелинейны, но их анализ существенно проще, чем ис ходных уравнений (1-4), и сравнение с экспериментом для многих подобных систем показывает, что данная математическая модель дает правильную качественную картину развития конвекции в горизонтальном слое газа.
Проведенный расчет показал, что в широких животноводческих помещениях из трех возможных режимов естественной конвекции (устойчивый, стационарная циркуляция, стохастический) реализуется режим стохастической (турбулентной) конвекции, создающий застойную зону над животными с замкнутым изотермиче ским полем и подъемом изотерм над кормовым проездом. Приток воздуха из межкрышного пространства в кормовой проезд практически не будет противодей ствовать естественным конвекционным потокам, потери энергии потоков мини мальны.
Расчет воздухообмена по теплоизбыткам при естественной вентиляции ведем с учетом возможности возврата тепла из межкрышного пространства:
Qж= Qогр+ Qинф+ Qвент+ Qисп+ QТ Р - QТА, (9) где Qж – тепло, выделяемое животными, кВт;
Qогр, Qинф, Qисп, QТР – тепло потери ограждений, инфильтрации, испарения влаги, раздачи корма, кВт;
QТА – тепло, аккумулированное в чердаке, кВт.
Шахты естественной вытяжки обычно рассчитывают по производительности для наружной температуры переходного периода минус 8°С. При дальнейшем по нижении температуры (зимний период) необходимо синхронно уменьшать расход воздуха по всем шахтам, что сделать вручную невозможно. Регулятор расхода воздуха прямого действия (рисунок 2) изменяет местное сопротивление на входе каждой вытяжной шахты, путем перемещения створки относительно перфориро ванного корпуса, чем и достигаем синхронизацию регулирования. При этом кру тящий момент от перепада давлений на створку определим по формуле:
– коэффициент местного сопротивления регулятора;
– скорость где движения воздуха перед подвижным элементом, м/с;
– плотность воздуха, кг/м;
– коэффициент аэродинамического сопротивления подвижного элемента регу лятора;
Sп – площадь подвижного регулирующего элемента, м2;
– угол между плоскостью подвижного регулирующего элемента и вектором скорости воздуха;
h – расстояние от центра действия сил давления до оси вращения подвижного эле мента, м.
Рисунок 2 – Расчетная схема регулятора расхода воздуха: 1 – корпус;
2 – грузовой противовес;
3 – створка;
4 – перфорации;
5 – пружина;
6 – ось Уравновешивающее приспособление противодействует перемещению створки и крутящий момент для грузового противовеса:
(11) где Mур – уравновешивающий момент, Н·м;
mц, mг – массы створки и груза, Н;
hц, hг – расстояние от оси до центра масс створки и груза соответственно, м;
– угол отклонения створки;
- для пружины:
(12) – длина рычага пружины;
– угол между осями рычага и пружины;
где (bх+с) – жесткость пружины.
В любой точке нахождения подвижного регулирующего элемента возму щающее воздействие уравнивается реакцией противодействующего элемента:
(13) Учитывая сложность определения расчетным путем коэффициента местного сопротивления, зависящего от числа Рейнольдса, конструктивные параметры ре гуляторов могут быть определены только экспериментально.
В третьей главе изложены цели и задачи экспериментальных исследований, приведено обоснование и характеристика экспериментальных объектов. Описана методика исследований микроклимата, работы естественной вентиляции и регу лятора расхода воздуха на лабораторной установке, приведен перечень исполь зуемых контрольно-измерительных приборов.
Цель экспериментальных исследований данной работы заключается в оценке возможности повышения степени использования тепла животных для увеличения воздухообмена в помещении за счет использования тепла межкрышного про странства и снижении расхода воздуха, подаваемого в кормовые проезды (зону дыхания коров) при высоком качестве регулирования.
Задачи экспериментальных исследований состояли в следующем:
- определение общего и организованного воздухообмена, температур но-влажностного и газового режима в помещении в диапазоне наружных темпе ратур, характерных для Алтайского края в зимний период;
- определение конструктивных параметров регулятора расхода воздуха для диапазона и закона регулирования, определяемых характеристикой объекта регу лирования;
- уточнение методики расчета теплового баланса помещения для граничных температур внутри и снаружи помещения;
- анализ влияния уменьшения воздухообмена и температуры в помещении при высоком качестве регулирования расхода на продуктивность КРС.
Исследования микроклимата проводились в коровнике на 350 голов и те лятнике на 120 голов, оборудованных экспериментальной системой вентиляции, по общепринятой методике в трех точках по диагонали и высоте помещения, с до полнительными замерами в зоне приточных патрубков и характерном сечении.
Исследования регулятора расхода воздуха проводились на лабораторной установке с использованием методики физического моделирования и плана активного мно гофакторного эксперимента.
Рисунок 3 – Схема лабораторной установки для исследования регуляторов расхода воздуха: 1 – вентилятор;
2, 16 – колено;
3, 4, 6, 19 – клапан;
5 – тройник;
7 – воздуховод;
8 – лампа подсветки;
9 – люк прозрачный;
10 – труба;
11 – груз-противовес;
12 – пластина-датчик скорости движения воздуха;
13 – пласти на-стабилизатор направления движения воздуха;
14 – штанга;
15 – ступица;
17 – регулятор расхода воздуха;
18 – тяга;
20 – уравновешивающее приспособление (последовательно взаимодействующие грузы и пружины) Таблица 1 – Масштабы и соотношения для пересчета основных физических величин № Физическая Масштаб Соотношения для пересчета п/п величина с натуры на модель с модели на натуру Температура 1. tм = tн tн = tм Линейный размер 2. = 0,33 = 0,33 = Скорость воздуха 3. = 0,57 = 0,57н = 1, Расход воздуха 4.
Давление 5.
Таблица 2 – Уровни факторов и интервалы варьирования Перепад давле- Высота хорды Высота хорды Факторы ний Рст, Па отверстия hк, м створки hс, м Основной уровень (Xi0) 20,00 0,00 0, Интервалы варьирования (Xi) 14,00 0,030 0, Верхний уровень (xi= +1) 34,00 0,030 0, Нижний уровень (xi= -1) 6,00 -0,030 -0, Звездная точка - (xi= -1,215) 2,99 -0,036 -0, Звездная точка + (xi= +1,215) 37,01 0,036 0, В четвертой главе представлен характер развития приточных струй в про дольном и поперечном характерных сечениях коровника с результатами замеров основных параметров микроклимата. Полученная экспериментальная математи ческая модель характеризует зависимость скорости движения воздуха от изменения перепада давлений на входе и выходе регулятора, формы отверстия в корпусе регулятора на участке поворота створки и кривизны последней:
y1 = 1,051 + 0,235х1 + 0,087х2 + 0,058х3 + 0,028х1х2 + 0,07х1х3 + 0,07х1х 0,122х12 + 0,122х22 + 0,094х32.
Регистрация угла отклонения створки от вышеперечисленных факторов по зволила получить следующую модель:
y2 = 43,873 + 17,83х1 1,657х2 – 4,618х3 + 1,958х1х2 – 2,708х1х3 10,98х 0,918х22 1,144х32.
При проверке по критерию Фишера гипотеза об адекватности модели под твердилась лишь для скорости воздуха. Уравнение регрессии в именованных еди ницах для скорости воздуха в корпусе регулятора:
v = 0,466 + 0,0417Р + 1,566hк + 0,25 hc – 0,0006Р2 + 135,6 hк2 + 235hс2. (14) По результатам эксперимента были определены конструктивные параметры регулятора – отверстие в форме треугольника, створка плоская, регулятор на строен на лабораторной установке, работающей в режиме стенда.
,м/с,м/с hк,м hс,м Pст,Па Pст,Па vhc vk =f(Pст,hk) при hc=-0,02м (x3=-1) =f(Pст,hс) при hк=0 (x3=0) Рисунок 4 – Поверхности отклика для скорости воздуха в вытяжной шахте Рисунок 5 – Схема эксперимен тального образца двухсекционного ре гулятора расхода воздуха: 1 – проти вовес;
2 – плоская стенка корпуса;
3 – створка;
4 – криволинейная стенка корпуса В пятой главе изложены результаты производственных испытаний экспе риментальной системы вентиляции, проведенные в коровнике на 350 голов с при вязным содержанием, доением в молокопровод, удалением навоза скребковым транспортером, уложенным в каналы глубиной 0,6 м и закрытым прутковой ре шеткой, мобильной раздачей кормов (КТУ-10), показали, что в сравнении с теп лообменной пленочной разработанная имеет меньшую стоимость, больший срок службы и высокую надежность, не имеет энергозатрат при малых погрешностях регулирования и трудозатратах. Средняя температура в помещении близка к рас четной, концентрация аммиака не превышает 5 мг/м 3, относительная влажность 80-85%. Годовой надой от одной коровы увеличен на 52 л, среднесуточный прирост живой массы телят на 143 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Из проведенного анализа следует, что крупный рогатый скот в естест венных условиях способен легко переносить изменение температуры, относи тельной влажности и скорости движения. Это обеспечивается механизмом термо регуляции, созданным в процессе эволюции. Но у животных нет адаптации к из менению газового состава воздуха. При содержании животных в помещении воз духообмен ограничен, и газовый состав воздуха изменяется, причем определяющей вредностью является аммиак, способный накапливаться в организме. Его высокая концентрация, связывая гемоглобин в крови, снижает степень усвоения кислорода.
Принятые температурные нормативы в помещениях для КРС обусловлены в большей мере не физиологией животных, а возможностью работы технологиче ского оборудования, и созданием приемлемых условий для работы обслуживаю щего персонала.
2. Анализ и проведенные расчеты позволяют утверждать, что ресурсосбе режение на обеспечение микроклимата возможно только при комплексном под ходе к решению проблемы:
- применение более совершенных объемно-планировочных решений здания, что позволяет до 18% снизить теплопотери ограждающих конструкций, а испол нение здания с чердаком позволяет на 10% снизить теплопотери перекрытия.
Межкрышное пространство может выполнять функции теплообменника и гелио установки. Широкое применение совмещенного перекрытия обусловлено техно логичностью исполнения, снижением стоимости строительства и увеличением объема помещения, который выполняет функции накопителя воздуха при перио дическом проветривании помещения и частично нейтрализует отсутствие или плохую работу вентиляции;
- сдерживающим фактором повышения эффективности естественной венти ляции в зимний период является ручное управление, где при высоких трудозатратах и погрешности регулирования, достигающей 600%, возможно опрокидывание ре жима работы приточных и вытяжных устройств с последующим прекращением их работы. Для систем естественной вентиляции необходима разработка регуляторов прямого действия с простыми кинематическими связями, что позволяет обеспечить независимость вентиляционных устройств от дополнительных энергоисточников при высокой эксплуатационной надежности.
3. Теоретический анализ позволяет считать, что при отсутствии вентиля ции в помещении формируется изотермическое поле со стохастическими потоками над животными и подъемом изотерм над кормовыми проездами. Организация воздухообмена с притоком воздуха из межкрышного пространства снижает теп лопотери через перекрытие. Подача воздуха в кормовые проезды через установ ленные в потолке короба с отражателями, при привязной, клеточной и боксовой технологии содержания, создат минимальные потери энергии взаимодействую щих потоков. При этом в зоне дыхания животных обеспечивается комфортный га зовый режим с уменьшением расхода воздуха за счет высокого качества управле ния.
4. Для устойчивой работы приточных устройств системы естественной вен тиляции и обеспечения заданного расхода воздуха, в соответствии с тепловым ба лансом помещения, необходима нейтрализация воздействия расхода инфильтра ционного воздуха и создание вытяжными шахтами заданного перепада давлений между помещением и межкрышным пространством не менее 2,6 Па. Заданный расход воздух в вытяжной шахте способен обеспечить регулятор прямого действия.
Классификация регуляторов по заданию диапазона и закона регулирования, а также конструктивным особенностям регулирующих элементов позволяет считать, что для вытяжных шахт целесообразен регулятор расхода с перфорированными стен ками на участке перемещения створки и последовательно взаимодействующими уравновешивающими приспособлениями.
5. В коровнике на 350 голов с чердаком теплоизбытки на обеспечение воз духообмена при температуре наружного воздуха минус 40С, без использования тепла межкрышного пространства, позволяют осуществить максимальный приток воздуха 4,6 м3/ч – днем и 2,9 м3/ч – ночью, против нормативного 17 м3/ч. Органи зация притока воздуха из межкрышного пространства позволяет осуществить воз врат теплопотерь через потолок не менее 28% и в дневное время дополнительно использовать теплоту излучения Солнца до 0,15 кВт на 1 ц живой массы коровы, что позволяет повысить расход воздуха от 3,7-4,7 м3/ч – ночью до 6,0-12,3 м3/ч – днем. Температура воздуха в зоне кормовых проездов, в период экстремально низких температур наружного воздуха (минус 40С и ниже), радиусе действия приточных струй до 2,2 м, величине зазора между отражателем и приточным пат рубком 0,04 м и скорости воздуха в щелевом зазоре 0,5 м/с составляет 1-3С, а в зоне нахождения животных 4-6°С при концентрации аммиака не более 7 мг/м3. Отно сительная влажность воздуха кратковременно достигает 85-95%.
6. Непрерывность притока максимально допустимого (заданного) количества воздуха по тепловому балансу помещения с погрешностью регулирования не более 13% способен обеспечить регулятор прямого действия (патент РФ № 2277206) с поворотной створкой, на участке перемещения которой боковые плоские стенки корпуса имеют отверстия в виде секторов, а стенка корпуса, противоположная створке, имеет отверстие в виде треугольника. Диапазон регулирования составляет 2,6-20 Па при стабилизирующем законе регулирования. Регулятор прост по кон струкции, имеет малую удельную материалоемкость, независим от энергоисточ ников и может быть изготовлен в условиях сельских мастерских. Целесообразно проведение исследований по разработке следящих регуляторов, корректирующих расход воздуха в зависимости от температуры и скорости ветра.
7. Экспериментальные исследования и производственные испытания пока зали, что в зданиях с чердаком и забором воздуха из межкрышного пространства и подачей в кормовые проезды, естественные системы вентиляции с автоматическим регулированием расхода воздуха и в период экстремально низких температур способны создать параметры микроклимата не препятствующие проявлению ге нетического потенциала животных при воздухообмене меньше нормативного, обеспечивающие надой на корову более 6000 л в год и среднесуточный прирост живой массы молодняка КРС (телки) не менее 800 г.
8. По сравнению с существующей системой вентиляции, в частности, теп лообменной пленочной, предложенная не уступает по эффективности, в 2 раза дешевле, по сроку службы превышает в 6-8 раз, снижает энергозатраты на кВт·ч в сутки. Экономический эффект составил (в сравнении с теплообменной пленочной) для коровника на 350 голов с годовым надоем на одну корову 6252 л – 268 тыс. руб. в год, для телятника (в сравнении с естественной при притоке воздуха через фрамуги) на 120 голов со среднесуточным приростом живой массы 818 г – не менее 180 тыс. руб. в год. Срок окупаемости для коровника не более одного стойлового периода, а для телятника 2-4 месяца.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕ ДУЮЩИХ РАБОТАХ:
В изданиях по перечню ВАК:
1. Капустин Н.И. Основы разработки конструкций стабилизаторов расхода воздуха / Н.И. Капустин, В.Н. Капустин // Вестник АГАУ. – 2004. № 2 (14). С.
220-225.
2. Капустин Н.И. Обоснование элементов приточно-вытяжной естественной вентиляции животноводческих помещений с автоматическим регулированием / Н.И. Капустин, В.Н. Капустин, И.Н. Бырдин // Вестник АГАУ. – 2009. № 7 (57).
С. 58-61.
3. Федоренко И.Я. Классификация регуляторов расхода воздуха для систем вентиляции по конструктивному исполнению регулирующих элементов / И.Я.
Федоренко, В.Н. Капустин и др. // Вестник АГАУ. – 2009. № 8 (58). С. 69-73.
4. Капустин В.Н. Результаты исследований взаимосвязи работы элементов регулирования расхода воздуха в шахте естественной вентиляции / В.Н. Капустин // Вестник АГАУ. – 2010. № 6 (68). С. 87-90.
5. Федоренко И.Я. Математическое моделирование свободной (естествен ной) конвекции в животноводческих помещениях большой вместимости / И.Я.
Федоренко, Н.И. Капустин, В.Н. Капустин и др. // Вестник АГАУ. – 2010. № (73). С. 66-70.
В других изданиях:
6. Капустин Н.И. Искусственные системы вентиляции / Н.И. Капустин, В.Н.
Капустин // Алтай – село город. Барнаул. 2000. № 12. – С. 15.
7. Капустин Н.И. Вентиляционное оборудование предприятий переработки сельскохозяйственной продукции: учебное пособие / Н.И. Капустин, В.Н. Капус тин. – Барнаул. – 2004. – 47 с.
В патентах:
8. Пат. RU № 2277206 Российская Федерация, МПК F24F 11/04. 13/08 Уст ройство для регулирования расхода воздуха / Н.И. Капустин, И.Я. Федоренко, В.А.
Демин, В.Н. Капустин;
Заявитель и патентообладатель Н.И. Капустин. – Заявка № 2004135681;
заявл. 06.12.2004;
опубл. 27.05.2006 г., Бюл. № 15.
9. Пат. RU № 2337277 Российская Федерация, МПК F24F 7/04. 13/10 Сис тема вентиляции производственного помещения / Н.И. Капустин, И.Я. Федоренко, В.А. Демин, В.Н. Капустин;
Заявитель и патентообладатель Н.И. Капустин. – За явка № 2007114857/06;
заявл. 19.04.2007;
опубл. 27.10.2008 г., Бюл. № 30.
10. Пат. RU № 2386903 Российская Федерация, МПК F24F 7/04. 13/10 Уст ройство для регулирования расхода воздуха / Н.И. Капустин, И.Я. Федоренко, В.А.
Демин, В.Н. Капустин и др.;
Заявитель и патентообладатель Н.И. Капустин. – За явка № 200814864/06;
заявл. 09.12.2008;
опубл. 20.04.2010 г., Бюл. № 11.
11. Пат. RU № 2403505 Российская Федерация, МПК F24F 11/04. Устройство для подачи воздуха в помещение / Н.И. Капустин, И.Я. Федоренко, В.Н. Капустин и др.;
Заявитель и патентообладатель Н.И. Капустин. – Заявка № 2009118173/06;
заявл. 13.05.2009;
опубл. 10.11.2010 г., Бюл. № 31.
Подписано в печать16.05.2011 г. Формат 60х84/16.
Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman».
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №.
Издательство АГАУ 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 62-84-