Безпаливні каскадно-рекуперативні системи забезпечення тепловологісного режиму тваринницьких будівель

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ HАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

05.23.03 - Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання

Безпаливні каскадно-рекуперативні системи забезпечення тепловологісного режиму тваринницьких будівель

Ілляш Оксана Едуардівна

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міносвіти України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор, завідувач кафедри теплогазопостачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури Ткачук Андрій Якович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури Малкін Едуард Семенович,

- кандидат технічних наук, доцент кафедри архітектури будівель і містобудівництва Полтавського державного технічного університету Волик Григорій Леонтійович

Провідна установа : Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “13” жовтня 1999р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07. при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 252037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд.466

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУБА.

Відгуки на авторефеат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адесу: 252037 м. Київ-37, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА, Вчена рада.

Автореферат розісланий “9” вересня 1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к. т. н., професор Василенко О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Промислова технологія ведення тваринництва висуває підвищені вимоги до якості мікроклімату внутрішнього середовища. Забезпечення нормативних параметрів мікроклімату пов'язане із значними теплоенергетичними витратами, які складають у середньому 2,25-2,45ГДж теплової і 750-800кВт.год електричної енергії на одну голову великої рогатої худоби (ВРХ) протягом року в кліматичних умовах України.

Дефіцит і висока вартість енергоресурсів, значна енерго- і металоємність використовуваних інженерних систем призводить до того, що в багатьох випадках установки штучного мікроклімату в тваринницьких приміщеннях не працюють, а останнім часом їх навіть не передбачають за проектом. Внаслідок цього в приміщеннях створюються надто несприятливі умови зимового утримання тварин. За даними інституту експериментальної ветеринарії потенційна продуктивність тварин при утриманні в таких умовах використовується лише на 20-30%. Одночасно погіршуються умови праці обслуговуючого персоналу і відбувається передчасне спрацювання технологічного обладнання та руйнування самих будівель.

У цих умовах важливого значення набуває розробка енерго- і ресурсозберігаючих систем мікроклімату тваринницьких будівель з ефективним використанням внутрішніх енергоресурсів, передусім теплонадходжень від тварин. Підставою для розробки таких систем є концепція безпаливної технології кондиціювання мікроклімату тваринницьких будівель, розроблена в Полтавському державному технічному університеті за безпосередньою участю автора.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась в рамках проекту Енерго- та ресурсрзберігаюча (безпаливна) технологія формування мікроклімату тваринницьких будівель, включеного Полтавською державною адміністрацією до комплексу заходів щодо реалізації основних положень Програми діяльності Кабінету Міністрів України (протокол №571 від 29.11.1996р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обгрунтування і розробка безпаливних каскадно-рекуперативних систем забезпечення тепловологісного режиму тваринницьких будівель з ефективним використанням теплонадходжень від тварин для підігріву вентиляційного повітря.

Поставлена мета досягнута вирішенням наступних задач:

- систематизація основних факторів і умов формування продуктивного мікроклімату;

- удосконалення розрахункових математичних моделей для систем з підігрівом повітря від зовнішніх джерел та в теплоутилізаторах і аналіз впливу властивостей систем на їх енергетичні показники;

- обгрунтування раціональних схем і конструктивних рішень безпаливних каскадно-рекуперативних систем;

- розробка графоаналітичних методів і інженерних методик розрахунку запропонованих систем та програм їх реалізації на ЕОМ;

- експериментальна перевірка ефективності розроблених систем у натурних умовах.

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

- у визначенні показників для оцінки енергетичної ефективності систем мікроклімату тваринницьких будівель з урахуванням внутрішніх енергоресурсів;

- в обгрунтуванні схемних рішень та розробці графоаналітичних методів розрахунку дво- і триступеневих безпаливних каскадно-рекуперативних систем;

- в обгрунтуванні і кількісній оцінці енергозберігаючого та регулюючого ефектів спрямованої конденсації надлишкової вологи в безпаливних системах;

- в отриманні аналітичних залежностей для визначення розрахункових коефіцієнтів теплопередачі трансмісійного контура рекуператора з урахуванням конденсаційних ефектів та променевого теплообміну.

Практичне значення одержаних результатів становлять :

- конструктивні рішення дво- і триступеневих безпаливних систем;

- досягнення в 1,3-1,8 разів підвищення енергетичної ефективності запропонованих систем порівняно з існуючими утилізаційними системами;

- методики та програми інженерних розрахунків розроблених систем;

обгрунтування зони застосування безпаливних систем та заходів щодо її розширення.

На підставі рішення НТЗ Полтавського Облагропрому інститутом Полтавагропроект виконані робочі проекти дво- і триступеневих систем (документ №2-20/73 від 15.03.97р.) і розроблена безпаливна технологія рекомендована для впровадження в господарствах Полтавської області.

Особистий внесок здобувача. Виконано систематизацію обмежень на умови формування продуктивного мікроклімату тваринницьких будівель. Удосконалено математичні моделі комплексного опису систем з підігрівом повітря і проведено аналіз властивостей існуючих систем та причин їх низької енергетичної ефективності. Розроблено конструктивні рішення та графоаналітичні методи розрахунку двоступеневих (особистий внесок здобувача - 40%) та триступеневих (особистий внесок здобувача - 100%) безпаливних систем. Отримано аналітичні залежності для визначення ефектів спрямованої конденсації надлишкової вологи, розрахункових коефіцієнтів теплообміну та теплопередачі на поверхнях повітряно-трансмісійного рекуператора, локальних та загальносистемних показників енергетичної ефективності. Складено методики інженерних розрахунків безпаливних систем та програми їх реалізації на ЕОМ. Визначено зону застосування запропонованих систем і проведено їх техніко-економічну оцінку.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися і обговорювалися на науково-практичних конференціях КНУБіА (м.Київ, 1995-1997 р.), на Першій Всеукраїнській науково-практичній конференції “Економія теплоти і енергії в проектуванні і будівництві” (м.Полтава, 1996 р.), на науково-практичних конференціях Полтавського державного університету ім.Юрія Кондратюка (м.Полтава, 1995-1997 р.).

Публікації. На тему дисертації опубліковано 8 друкованих робіт, одержано 2 авторських свідоцтва.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти глав, висновків, списку використаної літератури із 125 найменувань, додатків і включає 161 сторінку основного тексту, 21 таблиць (15стор.) та 25 рисунків (20стор.)

Зміст роботи

У вступі розкрита актуальність проблеми підвищення енергетичної ефективності систем мікроклімату тваринницьких будівель у холодну пору року, сформульована мета і визначені задачі досліджень, обгрунтована наукова новизна та практична цінність роботи.

У першому розділі проведено аналітичний огляд літературних джерел та наукових розробок відносно зоогігієнічних аспектів мікроклімату, способів та засобів його формування, методів математичного моделювання і розрахунку систем, енергозберігаючих рішень. Показано, що системи з подачею непідігрітого повітря безпосередньо в приміщення не відповідають зоогігієнічним вимогам, а існуючі системи з підігрівом вентиляційного повітря мають високу енерговитратність. Відзначено, що методи енергетичного аналізу систем, розглянуті в роботах Л.М.Ануфрієва, І.Баротфі, В.Дорнича, Б.Х.Драганова, О.Г.Єгіазарова, Т.Е.Кесккюла, Б.Л.Маравіна, Ю.М.Пригунова, Г.М.Позіна, П.Рафаі, А.А.Рунова, А.Ф.Строя, Л.К.Юргенсона, В.К.Янцена та ін., грунтуються переважно на опису тепло-вологісного режиму будівлі в цілому на підставі відповідних балансових рівнянь. Це так званий зовнішній опис, який дає вичерпну інформацію лише у випадку вентиляції приміщення непідігрітим повітрям, коли параметри повітря на вході в будівлю та приміщення співпадають і вентиляційний процес у приміщенні є одночасно режимним процесом для будівлі в цілому. Для систем з підігрівом повітря, де ці процеси різні, зовнішнього опису недостатньо. Його необхідно доповнювати описом процесів у підігрівачах та приміщенні (внутрішнім описом). Використання тільки зовнішнього або тільки внутрішнього опису без урахування їх взаємозв'язку порушує адекватність зображення системи і є джерелом невірних висновків та рекомендацій.

Методи комплексного опису систем з підігрівом повітря розглянуті в роботах Е.М.Кривобока. В їх основу покладені графоаналітичні моделі у вигляді термодинамічного графу на I-d-діаграмі. Графічним еквівалентом внутрішнього опису є промені процесів у повітропідігрівачах та приміщенні, зовнішнього опису - результуючий промінь (вектор режиму), який зв'язує параметри повітря на вході та на виході з системи і визначається відношенням балансових рівнянь за потоками повної теплоти та вологи для будівлі в цілому. Взаємозв'язок зовнішнього та внутрішнього описів забезпечується замкненістю термодинамічного графу. Основні положення цього методу прийняті як початкові для вирішення поставлених у роботі задач. тваринницький будівля енергетичний безпаливний

У першому розділі проведено також аналіз енергозберігаючих засобів і технічних рішень із використанням внутрішніх та зовнішніх нетрадиційних енергоресурсів. Відмічено, що для тваринницьких будівель найбільш перспективним енергоджерелом є теплонадходження від тварин. Їх кількості, особливо в приміщеннях із дорослим поголів'ям, цілком достатньо, щоб забезпечити потрібний підігрів вентиляційного повітря і підтримування нормативних параметрів мікроклімату в широкому діапазоні зовнішніх температур без залучення додаткових енергоресурсів. Однак ефективність їх використання в існуючих системах, включаючи утилізаційні, незадовільна, що зумовлює два напрямки досліджень. Перший напрямок - з'ясування та аналіз причин низької енергетичної ефективності існуючих систем, другий напрямок - пошук на підставі проведеного аналізу та розробка нових типів систем з ефективним використанням теплонадходжень від тварин для підігріву вентиляційного повітря.

У другому розділі приведені рішення задач першого напрямку досліджень. Початкова інформація подана у вигляді апроксимаційних залежностей для кривої насичення, узагальненої кліматичної кривої в холодну пору року, температурних коефіцієнтів перерахунку нормативних потоків теплоти та вологи від тварин, а також їх тепловологісних відношень. Виконано систематизацію та кількісний опис основних обмежень на умови формування мікроклімату в тваринницьких будівлях з дорослим поголів'ям за повітророзподілом, туманоутворенням, мінімальною витратою зовнішнього повітря, рециркуляцією внутрішнього повітря, конденсаційним зволоженням зовнішніх огороджень. Встановлено, зокрема, що цим умовам найбільш відповідають серед існуючих рішень прямотечні схеми вентиляції підігрітим повітрям до -3 у приміщеннях для утримання ВРХ та 3- у свинарниках-відгодувальниках.

Структурні властивості систем з підігрівом повітря розглянуті в роботах Е.М.Кривобока. Для перевірки основних положень, викладених в цих роботах, нами розроблено графоаналітичний метод розрахунку “калориферно-утилізаційної” системи і на прикладі типового корівника на 200 голів (=220200Вт, =100100г/год) проведено кількісний аналіз властивостей двох типів систем з підігрівом повітря тільки від зовнішніх джерел та його догрівом у теплоутилізаторах. Результати аналізу підтверджують основні висновки зазначених робіт. Встановлено, що економічно більш доцільними в обох системах є режими при підтримуванні теплозахисту будівлі на нижньому допустимому рівні за умовою запобігання конденсаційного зволоження внутрішніх поверхонь зовнішніх огороджень. Повітрообмін та витрати енергоресурсів на підігрів повітря в таких режимах утричі менші ніж при посиленному теплозахисту будівлі () в системі з зовнішнім енергоджерелом і удвічі - в системі з додатковим теплоутилізатором при одночасному зниженні капітальних вкладень на утеплення будівлі. Однак загальносистемний показник енергетичної ефективності , який визначається відношенням одержаної у підсистемі підігріву теплоти (для першої системи) і (для другої) до загальної кількості наявних у системі внутрішніх та витрачених зовнішніх / енергоресурсів, в економічно доцільних режимах виявляється теж невисоким і при температурах до -20С не перевищує значень відповідно 0,22 та 0,3. Повні теплонадходження враховують сховану теплоту потоку водяної пари від тварин. Коефіцієнт корисної дії технічного енергоджерела прийнято рівним 0,4 з урахуванням втрат при зберіганні палива та транспортуванні енергоносія.

Зроблено висновок, що підвищення енергетичної ефективності систем з підігрівом повітря потребує пошуку та розробки нових схемних рішень, спрямо-ваних на ефективне використання внутрішніх енергоресурсів.

У третьому розділі узагальнено принципи побудови систем з ефективним використання теплонадходжень від тварин для підігріву вентиляційного повітря і розглянуто двоступеневу (базову) каскадно-рекуперативну безпаливну систему (рис.1).

Першим ступенем у цій системі (за ходом вентиляційного повітря) є ємкісний повітряно-трансмісійний теплообмінник-рекуператор, обмежений утепленим покриттям будівлі і теплопровідною та паронепроникною стелею приміщення, внутрішнім ступенем є робоче приміщення з утепленими зовнішніми стінами. Зв'язуючий контур (стеля) виконує функції теплопередаючого елемента, через який здійснюється направлений стік у рекуператор надлишків теплоти з приміщення в формі трансмісійного теплового потоку підвищеної інтенсивності. Більша частина трансмісійного потоку витрачається на підігрів зовнішнього повітря і тільки незначна частина втрачається крізь утеплений зовнішній контур рекуператора. Нагріте повітря надходить до приміщення через перфорації стелі, а відпрацьоване виходить через нещільності вікон і воріт, перешкоджаючи проникненню інфільтраційного повітря.

Таке cхемне рішення не тільки зумовлює суттєве зменшення теплових втрат будівлею, але й є головною передумовою забезпечення ефективного рекуперативного процесу у системі. При зниженні зовнішньої температури супутні конденсаційні ефекти на поверхні теплопередаючого контура рекуператора ще більш посилюють ефективність рекуперації. Виведення утвореного конденсату знижує вологонасиченість приміщення. Необхідний повітрообмін і втрати з видаляємим повітрям при цьому також знижуються, що забезпечує потрібний підігрів зовнішнього повітря в рекуператорі і стабілізацію внутрішніх параметрів у широкому діапазоні зовнішніх температур без залучення додаткових енергоресурсів.

Термодинамічний граф двоступеневої системи взображений на рис.1б. Вершинам графа відповідають параметри повітря у вузлових точках системи, ребрам - промені процесів у рекуператорі і приміщенні з кутовими коефіцієнтами та відповідно. Результуючий промінь з кутовим коефіцієнтом зв'язує параметри повітря на вході та на виході із системи, об'єднує процеси в окремих її частинах і визначається відношенням балансових рівнянь за потоками повної теплоти та вологи для системи в цілому. Допоміжний промінь з кутовим коефіцієнтом і вихідними параметрами нижче кривої насичення свідчить про перенасичений стан системи (конденсаційний режим). Вихід з цього стану здійснюється шляхом спеціально організованої (направленої) конденсації надлишкової вологи на внутрішній поверхні теплопередаючого контура рекуператора (процес =const).

Енергозберігаючий ефект направленої конденсації еквівалентний в енергетичному відношенні внесенню до системи додаткових енергоресурсів кількістю

, (1)

де кількість сконденсованої вологи дорівнює

. (2)

Одночасно виникає регулюючий ефект, який виявляється в зниженні повітрообміну відповідно до залежності

, (3)

де повітрообмін визначається за формулами

, (4)

а повітрообмін відповідає розрахунковому при відсутності конденсатоутворення в системі (безконденсаційний режим) при тих же параметрах внутрішнього повітря.

Керівним фактором, що забезпечує вихід системи з перенасиченого стану і підтримування заданих параметрів внутрішнього та припливного повітря, є ентальпійна характеристика рекуператора

, (5)

де = - температурна характеристика рекуператора.

Розрахунковий коефіцієнт теплопередачі теплозахисного контура рекуператора (покриття будівлі) в умовах ізовологісного процесу дорівнює звичайному коефіцієнту теплопередачі. Для визначення розрахункового коефіцієнта теплопередачі теплопередаючого контура з урахуванням конденсаційних ефектів на внутрішній поверхні, ускладнених променевим теплообміном, проведено додаткове дослідження, в результаті якого одержана формула

, (6)

де - напрямок променя процесу тепломасопереносу в пограничному шарі біля внутрішньої поверхні контура, який визначається відношенням конвективно-дифузійних теплопритоків до сконденсованої вологи (див.рис.1б); - напрямок допоміжного променя між точками і (на діаграмі не показано).

Для оцінки ефективності нагріву зовнішнього повітря в рекуператорі уведено показник:

, (7)

який дозволяє визначати потрібну теплову характеристику рекуператора та її складових залежно від заданої температури припливного повітря (розрахунковий режим) або знаходити значення останьої при відомій тепловій характеристиці (експлуатаційний режим). Показник є одночасно показником зниження теплових втрат покриттям будівлі внаслідок спрацювання у покритті меншої різниці температур (фактор двоступінчатості).

Уведено також показники енергетичної ефективності (термодинамічної досконалості) рекуператора і системи в цілому, які визначаються відношенням рекуперованої теплоти (корисного ефекту) до витрачених на вході в рекуператор і систему відповідно трансмісійного теплового потоку та повної теплоти :

; (8) , (9)

де - відносний коефіцієнт рекуперативного теплообміну.

Визначено доцільний для тваринницьких будівель інтервал значень відносного коефіцієнту від 4,5 до 6, у межах якого показник складає 0,82...0,86 і знаходиться на рівні практично досяжного оптимуму. Загальносистемний показник також зростає, але всього на 25...30% внаслідок передбаченого в двоступеневій системі вилучення відпрацьованого повітря з внутрішніми параметрами.

На підставі розробленого графоаналітичного методу складено методику інженерного розрахунку двоступеневої системи. Методика дозволяє: визначати необхідні конструктивно-технологічні характеристики системи та її частин (конструктивний розрахунок); розраховувати параметричний стан системи і потрібний повітрообмін у експлуатаційних режимах (перевірочний розрахунок); встановлювати границі переходу безконденсаційного режиму в конденсаційний; оцінювати ефекти направленої конденсації надлишкової вологи; виявляти показники енергетичної ефективності системи і розробляти заходи щодо розширення зони її застосування. Алгоритми розрахунків з використанням J-d-діаграми і блок-схеми програм їх реалізації на ЕОМ наведені у дисертації.

На рис.2 наведені вибіркові результати перевірочного розрахунку двоступеневої системи типового корівника на 200 голів (=220200Вт, =100100г/год, =10) при площі теплопередаючого контура F_ТК =1500м2, тепловій характеристиці покриття будівлі (kF)_ПОКР=600Вт/⁰С та інших зовнішніх огороджень (kF)_ОГ=785 Вт/. При зовнішніх температурах до -20С у приміщенні підтримуються нормативні параметри мікроклімату зі зміною вологості у вузькому інтервалі. Визначена за загальноприйнятою методикою радиаційна температура приміщення теж знаходиться на нормативному рівні і порівняно з існуючими системами з підігрівом повітря підвищується на 0,4-0,8⁰С.

До недоліків двоступеневої системи слід віднести надмірний темп зміни повітрообміну (крива 2 на рис.2). При зовнішніх температурах нижчих за -20 повітрообмін виявляється суттєво меншим за необхідний для асиміляції газових шкідливостей. Крім того, організація конденсаційних ефектів на поверхні тепло-передаючого контура може призвести до переродження плівкової конденсації в небажану капельну.

У четвертому розділі розглянуто розроблену нами удосконалену триступеневу безпаливну систему (рис.3). Першим ступенем є теплообмінник-утилізатор, у якому зовнішнє повітря попередньо нагрівається до стану теплотою витяжного повітря (промені процесів з кутовими коефіцієнтами і ), наступними ступенями - базова підсистема з трансмісійним рекуператором, яка працює переважно в безконденсаційному режимі (промінь з кутовим крефіцієнтом ). Енергетичний стан системи в цілому графічно відображається результуючим променем з кутовим крефіцієнтом , який визначається відношенням відповідних балансових рівнянь (зовнішній опис системи). Допоміжний промінь з кутовим коефіцієнтом імітує умовний режим з попереднім підігрівом повітря від зовнішніх джерел до стану та його догрівом до стану П в базовій підсистемі. Така побудова системи зумовлює суттєве підвищення повітрообміну та загально-системної енергетичної ефективності. Якісні показники мікроклімату також поліпшуються за рахунок перенесення конденсаційних ефектів у теплоутилізатор та підвищення температури стелі приміщення.

Необхідний повітрообмін знаходиться за будь-якою з наступних формул:

, (10)

де кількість конденсату в утилізаторі, теплова потужність утилізатора , трансмісійного рекуператора та їх сумарна теплова потужність визначаються відповідно до залежностей:

; (11) ; (12)

; (13) . (14)

Показники ефективності нагріву повітря в рекуператорі та його термодинамічної досконалості знаходять за формулами (7) і (8) з відповідною корекцією на сухий режим роботи та параметри повітря на вході, а для утилізатора і системи в цілому отримані залежності:

; (15)

. (16)

Проведено зіставлення уведених показників і показано, що підвищення енергетичної ефективності триступеневої системи порівняно з двоступеневою пропорційне підвищенню повітрообміну, а показник більш ніж удвічі перевищує показник . Це свідчить про більш досконалий повітряно-трансмісійний спосіб рекуперації порівняно з утилізацією. Використання останьої доцільне лише як допоміжний спосіб рекуперації в першій ступені підігріву зовнішнього повітря при завантаженні другого, основного ступеня підігріву.

На підставі розробленого графоаналітичного методу і отриманих розрахункових залежностей складено методику конструктивного та перевірочного розрахунків триступеневої системи і проведено аналіз умов її ефективної роботи. Показано, що суттєве підвищення енергетичної ефективності системи та розширення сфери її застосування досягається при використанні розрахункових моделей з нерівномірним розподілом параметрів по висоті приміщення. Вибіркові результати розрахунку при температурі повітря у верхній зоні приміщення на 2 вище нормативної, витяжного повітря на виході з теплоутилізатора 2 та інших незмінних умовах раніше розглянутого прикладу наведені в табл.1.

Таблиця 1

Показники триступеневої системи при нерівномірному розподілі параметрів по висоті стойлового приміщення

Показники	Температура зовнішнього повітря,
	-20	-25	-30	-35
Повітрообмін, кг/год	20554	16784	14170	12137
Температура припливного повітря,оС	3,0	2,9	2,4	2,2
Відносна вологість повітря в зоні утримання,%	58	67	69	76
Концентрація вуглекислого газу в зоні утримання, л/м3	1,7	2,0	2,3	2,65
Температура теплопередаючого контура рекуператора,оС	7,5	7,45	7,3	7,2
Відносна кількість конденсату в теплоутилізаторі	0,206	0,314	0,309	0,34
Те ж, на поверхні теплопередаючого контура рекуператора	-	-	0,101	0,152
Теплова потужність рекуператора, Вт	60450	62664	67344	68820
Те ж, утилізатора, Вт	72296	69019	61587	57943
Загальна теплова потужність підсистеми підігріву, Вт	132746	131683	128931	126763
Загальносистемний показник енергетичної ефективності(за потоками повної теплоти),С	0,603	0,601	0,586	0,576
Те ж ,(за потоками явної теплоти),я	0,84	0,83	0,813	0,8

З табл.1 видно, що умови загального та локального комфорту в стойловому приміщенні забезпечуються в діапазоні зовнішніх температур до -35. Причому в діапазоні до -25 спостерігається сухий режим роботи базової підсистеми і тільки при подальшому зниженні температури починаються комбіновані конденсаційні режими з переважною інтенсивністю конденсатоутворення в утилізаційній підсистемі. Загальносистемна енергетична ефективність досягає 60% від повних теплонадходжень та 85% - від явних.

П'ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням. Мета досліджень - перевірити в натурних умовах ефективність безпаливних систем і достовірність запропонованих для їх розрахунку графоаналітичних моделей. Для досягнення цієї мети необхідно провести дослідження тепловологісного режиму безпаливних систем на діючих об'єктах за показниками якості мікроклімату та уведеними показниками енергетичної ефективності. Необхідне також експериментальне підтвердження аналітичних залежностей для визначення енергозберігаючого та регулюючого ефектів направленої конденсації надлишкової вологи, впливу фактора багатоступінчатості на енергетичну ефективність системи, коефіцієнтів тепломасопереносу на поверхнях теплопередаючого контура рекуператора з урахуванням конденсаційних ефектів і променевого теплообміну та деяких інших залежностей, що використовуються в аналітичному дослідженні. Робочі проекти дво- і триступеневих систем розроблені інститутом “Полтавагропроект” і за цими проектами змонтовано декілька двоступеневих систем у господарствах Полтавської області. Фрагменти проектів наведені в дисертації, схема системи - на рис.1а. Розподіл зовнішнього повітря всередині рекуператора передбачено повітропроводами рівномірного розподілу, які приєднані до осьових припливних вентиляторів. Зміна продуктивності вентиляторів передбачена автоматичним блоком регулювання частоти обертання електродвигунів з температурним датчиком, розміщеним у приміщенні.

Комплексні дослідження системи виконані на базі типового корівника на 200 голів у КСП ім.Кірова Кобеляцького району. Заповнення стійлового приміщення в період досліджень відповідало проектному. Згідно з розробленою методикою досліджень проведено вимірювання з тригодинним інтервалом параметрів зовнішнього повітря, внутрішнього повітря в трьох перерізах по висоті приміщення та дев'яти точках кожного перерізу в плані, припливного повітря на виході з рекуператора, температури теплопередаючого контура, а також повітрообміну. Цілодобовий запис параметрів здійснено у контрольних точках системи. Для виконання зазначених вимірів використано попередньо протаровані реєстрові та вимірювальні прилади і обладнання. Результати строкових вимірів при різних температурах зовнішнього повітря наведені у вигляді таблиць у дисертації. Для приведення експериментальних даних за кожну добу досліджень до розрахункових умов використано метод осереднення з оцінкою достовірності отриманих результатів, достатньою для інженерно-технічних розрахунків (до 5%). Основні показники системи при осереднених параметрах мікроклімату наведені у табл.2. Тут же наведені розрахункові показники. Зіставні дані свідчать про достатній збіг результатів експерименту і розрахунку. Їх деяке розходження зумовлено нерівномірністю розподілу фактичних параметрів в плані і особливо по висоті приміщення, більш низьким рівнем фактичного повітрообміну із-за відключення в період досліджень додаткової системи з грунтовими каналами-теплообмінниками, а також внаслідок активного висихання зволоженого утеплювача покриття будівлі.

Таблиця 2

Розрахункові (чисельник) та експериментальні (знаменник) показники двоступеневої системи

Показник	Температура зовнішнього повітря,оС
	-7,6	-12	-19
Повітрообмін, кг/год	27500 21200	21400 18900	15850 14800
Температура припливного повітря,оС	1.2 4.2	0 2.7	-1 2.2
Температура внутрішнього повітря, оС	10 12.2	10 11.2	10 10.7
Температура повітря у верхній зоні приміщення, оС	10 13.5	10 12.4	10 12.3
Температура теплопередаючого контура, оС	5.4 8.5	5.3 7.9	5.2 7.3
Відносна вологість внутрішнього повітря,%	71 70	73 76	76 79
Те ж, у верхній зоні приміщення, %	71 72	73 78	76 80
Те ж, припливного повітря, %	42 28	33 34	19 22
Повні теплонадходження у приміщенні , Вт	220200 217065	220200 216700	220200 217575
Тепловиділення (повні) від однієї тварини, Вт	1101 1074	1101 1082	1101 1088
Вологонадходження у приміщенні (з ураху-ванням мокрих та змочених поверхонь), г/год	100100 105788	100100 102070	100100 106379
Вологовиділення від однієї тварини, г/год	455 494	455 475	455 461
Надходження десорбційної вологи зволоженого утеплювача, г/год	0 3392	0 3596	0 3922
Кількість конденсату на поверхні теплопередавального контура, г/год	0 0	10010 11875	22022 24648
Теплова потужність рекуператора, Вт	67760 72433	71904 77884	79884 90736
Показник енергетичної ефективності рекуператора	0.93 0.91	0.91 0.90	0.88 0.88
Загальносистемний показник енергетичної ефективності ,	0.31 0.33	0.33 0.36	0.36 0.417

У розділі також проведено оцінку економічної ефективності безпаливних систем. За об'єкт порівняння прийнята традиційна система типового корівника на 200 голів з нагрівом повітря теплоносієм від місцевої котельні. Річний економічний ефект від впровадження безпаливних систем в перерахунку на одну голову ВРХ складає 104,1 грн. для двоступеневої та 62,9 грн. для триступеневої системи.

Основні висновки

1. Обгрунтовано доцільність розробки енергозберігаючих (безпаливних) систем забезпечення мікроклімату тваринницьких будівель з ефективним використанням внутрішніх тепло- та вологонадходжень.

2. Доведено,що умовам формування продуктивного мікроклімату тваринницьких будівель з дорослим поголів'ям найбільш відповідають серед існуючих рішень прямотечні схеми вентиляції підігрітим повітрям до -3 у приміщеннях для утримання ВРХ та 3-для відгодівлі свиней.

3. Аналіз ефективності існуючих систем з підігрівом повітря дозволив встановити, що в економічно доцільних режимах з мінімальними теплонергетичними витратами на підігрів повітря загальносистемний показник енергетичної ефективності з урахуванням внутрішніх енергоресурсів теж виявляється мінімальним і, наприклад, для корівника на 200 голів складає 0,22 при використанні систем з зовнішнім енергоджерелом та 0,3 - з додатковим теплоутилізатором.

4. Систематизовано принципи побудови систем з ефективним використанням теплонадходжень від тварин для підігріву вентиляційного повітря і запропоновано схеми та конструктивні рішення дво- і триступеневих каскадно-рекуперативних безпаливних систем.

5. Розроблено графоаналітичні методи розрахунку запропонованих систем, складено інженерні методики та програми їх реалізації на ЕОМ.

6. Обгрунтовано доцільність використання в безпаливних системах ефектів спрямованої конденсації надлишкової вологи і показано, що при зниженні зовнішньої температури енергозберігаючий ефект спрямованої конденсації в енергетичному відношенні еквівалентний уведенню до системи необхідної кількості додаткових енергоресурсів.

7. В результаті проведених досліджень процесів тепломасопереносу на поверхнях теплопередаючого контура повітряно-трансмісійного рекуператора з урахуванням конденсаційних ефектів та променевого теплообміну отримано аналітичні залежності для визначення розрахункових коефіцієнтів теплообміну та теплопередачі.

8. Визначено за розрахунковими даними, що зона застосування безпаливних систем у будівлях з дорослим поголів'ям обмежується за показниками якості мікроклімату діапазоном зовнішніх температур до -20 для двоступеневої і до -35 для триступеневої системи.

9. Експериментальними дослідженнями двоступеневої безпаливної системи в натурних умовах на базі типового корівника на 200 голів підтверджено її ефективність та доцільність використання у зазначеному температурному діапазоні. Ефективність триступеневої системи потребує експериментальної перевірки у відповідних кліматичних умовах.

10. Встановлено, що за показниками енергетичної ефективості розроблені безпаливні системи в 1,3-1,8 рази перевищують існуючі утилізаційні системи, а використання безпаливних систем в промисловому тваринництві дозволить заощадити в перерахунку на одну голову ВРХ 0,35-0,45 тонн умовного палива протягом року в кліматичних умовах України.

11. Результати проведених досліджень використані інститутом “Полтавагропроект” для розробки робочих проектів безпаливних систем для різних типів тваринницьких будівель і включені у комплекс заходів Полтавської обласної державної адміністрації по реалізації основних положень Програми діяльності Кабінету Міністрів України.

Список публікацій

1. Ильяш О.Э. Энергосбережение в системах микроклимата зданий с внутренними источниками теплоты и влаги //Пром. теплотехника.-Киев.-1998.-т.20-№3.-С.56-61.

2. Ильяш О.Э. Оценка энергосберегающего и регулирующего эффектов конденсации избыточной влаги в системах микроклимата зданий /Респ.межведомственный науч.-техн. сборник Харьковской гос.академии городского хозяйства ”Коммунальное хозяйство городов”.Вып.14.-К.:Техника.-1998.-С.109-111.

3. Кривобок Э.Н., Ильяш О.Э. Базовая система бестопливной технологии кондиционирования микроклимата животноводческих зданий //Пробл. энергосбережения.-Киев.1995.-№4-6.-С.54-63.

4. Кривобок Е.М., Ілляш О.Е. Енерго- та ресурсозберігаюча технологія кондиціювання мікроклімату тваринницьких будівель /Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво).-Вип.2.-Полтава: ПДТУ ім.Юрія Кондратюка,1998.-С.281-288.

5. Ильяш О.Э. Модельное представление процессов переноса на поверхностях теплопередающего контура воздухотрансмиссионного рекуператора /Респ. межведомственный науч.-техн. сборник Харьковской гос.академии городского хозяйства ”Коммунальное хозяйство городов”.Вып.14.-К.:Техника.-1998.-С.135-138.

6. А.с. 1617264 СССР, МКИ F24 F 7/06,7/02. Устройство для вентиляци помещений/ Э.Н.Кривобок, Ю.В.Паладиенко, Ю.А.Буцкий, О.Э.Кривобок.-Опубл.30.12.90, Бюл.№48.

7. А.с. 1784800 СССР, МКИ F24 F 7/06,7/02. Чердак-теплообменник/ Э.Н.Кривобок, В.Б.Бобович, О.Э.Кривобок.-Опубл. 30.12.92,Бюл.№48.

8. Ткачук А.Я., Ильяш О.Э. Энергосберегающая каскадно-рекуперативная система кондиционирования микроклимата животноводческих зданий.// Перша Всеукраїнська науково-практична конференція “Економія теплоти та енергії в проектуванні та будівництві”: Тези доповідей.-Полтава, 1996.-С.20.

9. Кривобок Е.М., Ілляш О.Е. Кондиціювання мікроклімату тваринницьких приміщень: проблеми та напрямки їх вирішення.// 47 Наукова конференція Полт.ТУ: Тези доповідей.-Полтава, 1995.-С.77-78.

10. Ілляш О.Е. Структурний аналіз безпаливної багатоступеневої системи кондиціювання мікроклімату тваринницьких споруд.// 48 Наукова конференція Полт.ТУ: Тези доповідей.-Полтава, 1996.-С.119.

Умовні позначення

-температура,;- відносна вологість,%; -вологовміст, г/кг; -енталь-пія,кДж/кг; -теплота фазового переходу, кДж/кг;- масова теплоєм-ність,Дж/(кг^.); - витрата повітря (повітрообмін),кг/год; -вологонадход-ження,г/год; -тепловий потік(теплонадходження),Вт; -теплова потужність підсистеми підігріву,Вт; -площа,м²; -кутовий коефіцієнт проміня процесу, тепловологісне відношення, кДж/кг; - коефіцієнт тепловіддачі,Вт/(м^2.); -коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м^2.);-теплова (ентальпійна) характеристика; - показник ефективності нагріву повітря у рекуператорі; - відносний коефіцієнт рекуперативного теплообміну;- показник енергетичної ефективності (термоди-намічної досконалості).

-внутрішній; -випаровування вологи; -видаляємий; - зовнішній; - на виході з утилізатора; -конвективний, конденсат; -надлишковий; -початковий, нульовий; -огородження; -повітря; -приміщення, повна, припливний; - покриття; -точка роси, результуючий; - рекуперація; - системний; -теплові втрати;-тварини; -теплопередаючий (теплопровідний)контур;-утилізатор; - променевий (радіаційний).

Анотації

Ілляш О.Е. Безпаливні каскадно-рекуперативні системи забезпечення тепловологісного режиму тваринницьких будівель.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення і теплогазопостачання.- Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 1999.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності систем штучного мікроклімату тваринницьких будівель. Встановлено, що підвищена енерговитратність існуючих систем зумовлена недосконалістю їх структурної організації та некоректністю математичного моделювання. Запропоновані нові способи структурної побудови систем і розроблені дво- і триступеневі безпаливні системи з узгодженим характером енергетичних зв'язків. Теоретично обгрунтована і підтверджена експериментально їх висока ефективність, яка більш ніж удвічі перевищує існуючі енергозберігаючі рішення. Результати роботи включені у комплекс заходів Полтавської обласної адміністрації по підвищенню ефективності промислового тваринництва і впроваджуються у господарствах області.

Ключові слова: мікроклімат, енергозбереження, система забезпечення тепловологісного режиму, структурна побудова, безпаливні системи, математичне моделювання, ефективність.

Ильяш О.Э. Бестопливные каскадно-рекуперативные системы обеспечения тепловлажностного режима животноводческих зданий.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03-вентиляция,освещение и теплогазоснабжение.- Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 1999.

Диссертация посвящена проблеме повышения энергетической эффективности систем микроклимата животноводческих зданий. Во введении раскрыта актуаль-ность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен аналитический обзор способов и технических решений формирования микроклимата животноводческих зданий и отмечается, что повышенная энергозатратность существующих систем обусловлена несовер-шенством их построения и недостаточностью математического обоснования.

Во второй главе проведена систематизация и количественное описание основных ограничений на условия формирования микроклимата животноводческих зданий, разработана обобщенная графоаналитическая модель комплексного описания существующих систем с подогревом воздуха с учетом накладываемых ограничений и выполнен количественный анализ влияния их свойств на энергетические и экономические показатели.

В третьей главе изложены принципы построения бестопливных систем и расмотрена двухступенчатая (базовая) система с емкостным рекуператором, ограниченным утепленным покрытием здания и теплопроводным потолком помещения. Воздух в рекуператоре нагревается трансмиссионным потоком из помещения сквозь теплопроводный контур. Роль энергосберегающего и регулирующего факторов при понижении наружной температуры выполняют конденсационные эффекты на поверхности теплопередающего контура. Интенсивность эффектов в энергетическом отношении эквивалентн вводу в систему необходимого количества дополнительных энергоресурсов. Разработана математическая модель системы, исследованы процессы тепломассопереноса на поверхностях теплопередающего контура с учетом конденсационных эффектов и лучистого теплообмена, получены аналитические зависимости для определения расчетных коэффициентов теплообмена и теплопередачи, введены показатели для оценки энергетической эффективности рекуператора и системы в целом,составлена методика инженерного расчета в конструктивном и поверочном вариантах и разработаны программы расчета на ЭВМ. Определена область применения системы и на примере коровника на 200 голов установлено, что требуемый подогрев воздуха и поддержание нормативных внутренних параметров обеспечивается в диапазоне наружных температур до -20. При более низких температурах воздухообмен оказывается ниже необходимого по газовым вредностям и,кроме того, возникает опасность перерождения пленочной конденсации в капельную.

В четвертой главе рассмотрена усовершенствованная трехступенчатая бестопливная система с предварительным подогревом наружного воздуха в теплоутилизаторе и его догревом в базовой подсистеме. Такое построение системы обеспечивает по сравнению с двухступенчатой существенное повышение воздухообмена и ее энергетической эффективности. Качественные показатели также повышаются за счет перенесения конденсационных эффектов с поверхности потолка помещения в теплоутилизатор. Область применения системы расширяется до -35, причем в диапазоне до -25 наблюдается сухой режим работы базовой подсистемы. Общесистемный показатель энергетической эффективности достигает 60% от полных тепловыделений и 85% - от явных.

В пятой главе приведены результаты экспериментальной проверки двухступенчатой системы в натурных условиях. Изложена методика экспери-ментального исследования, дано описание экспериментального объекта и проведен сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных в конденсационном и бесконденсационном режимах. Отмечается практическое их совпадение. В главе выполнена также оценка экономической эффективности разработанных систем. В качестве объекта сравнения принята традиционная система коровника на 200 голов с нагревом воздуха теплоносителем от местной котельной. Годовой экономический эффект от внедрения бестопливных систем в пересчете на одну голову КРС составляет 104,1 грн. для двухступенчатой и 62,9 грн. для трехступенчатой системы.

ILLYASH O. Unfuel cascade-recuperativsystem of maintenance of heat-humid regime in cattle farm-steads.-Manuscript.

Thesis on cosearching for a teaching degrees of candidate of technical sciences on professions 05.23.03- a ventilation, illumination and heatgassupply - a Kiev national university of construction and architechures, Kiev, 1999.

Thesis is denote questions of raising system efficiency artificial microclimate in cattle farm-steads. Install that excessive expenditere energy of existential systems is stipulate by the imperfection their structured organizations and noncorrectness of mathematical modeling. Offered new ways of structured system building and is designed two- and three-step-like unfuel systems with the coordinated nature of energy connexions. Theoreticallu motivated and is experimental confirm their high efficiency, which exeed more then in two times existing decisions on saving energy. Results of work are enclosed in the complex of actions an Poltava regional to administrations on raising efficiency of industrial stock-breeding and are introduce in facilitieses of region.

Keywords: microclimate, saving energy, system of main-tenance of heat-humid regime, structured building, unfuel systems, mathematical modeling, efficiency.

Размещено на Allbest.ru