Исследование теплового баланса в групповой автопоилке

Тепловой процесс, протекающий в групповой автопоилке (рисунок 1), представлен в виде уравнения теплового баланса [1, 2, 3, 4, 5, 6]:

(15 н.бл = й^ кор + dS_K + dS_CT + dS_r p + dS жив , (1) где dS_H . _6n - количество тепла, передаваемого на подогрев и поддержание заданной температуры в нагревательном блоке;

dSKop - теплопотери через боковые стенки корпуса автопоилки, Вт;

dS_K - теплопотери через крышку автопоилки, Вт;

dSCT - теплопотери через водопойный стакан, Вт;

dS_r p - теплопотери в грунт, Вт;

dSжив - количество тепла, забираемого животными при потреблении воды.

Количество тепла, передаваемое нагревательным блоком на подогрев и поддержание заданной температуры воды в нагревательном блоке, равно:

dS_H . _6n . = P^ H ,

где P - мощность нагревательного блока;

vH - длительность нагрева воды до заданной температуры, ч.

Эта зависимость учитывает мощность нагревательного прибора, необходимую на нагрев воды, циркулирующей в системе за определенный промежуток времени dz.

Рисунок 1 – Схема групповой автопоилки экспериментального исполнения с трубчатой теплоизоляцией

Мощность нагревательного блока определим по формуле

P = p • с • Qc • (t2" — tf),      (3)

где p - плотность воды, кг/м3, с - удельная теплоемкость воды,

с = 4,19 кДж/кг • град;

Q_c - секундный расход воды в системе автопоения, м³/с;

t₂ " — t 1" - начальная и конечная температура воды, °С.

Потери тепла через корпус групповой автопоилки будут равны:

d5 коp = F•fc б^т. (t п. —t в )•dт, (4) где F - наружная поверхность боковых стенок автопоилки, м;

^ б. _ст . - коэффициент теплоотдачи боковых стенок автопоилки, Вт/м²·°С;

t_п . _ч - температура воды в поильной чаше, °С;

tв - температура наружного воздуха, °С;

dr - интервал времени, в течение ко-

где « внут.пов. ,« наруж.пов. “ коэффициенты теплового восприятия и тепловой отдачи на внутренней и наружной поверхности стенок групповой автопоилки, Вт/(м² • °С);

5 - толщина ограждающих стенок

автопоилки, м;

Л - коэффициенты теплопроводности стенок поилки, Вт/м2·°С.

В связи с тем, что теплоизолирующая перегородка имеет многослойную неравномерную структуру с воздуховодами повышенных и пониженных давлений, проведем расчет коэффициентов теплоизоляции в оптимальных точках. Так как стенка внутренней прослойки меняет свою конфигурацию, проведем расчет минимальных и максимальных точек воздуховода.

Сумму коэффициентов толщины ограждающей стенки и теплопроводности

торого происходят потери тепла через корпус автопоилки.

Коэффициент теплоотдачи боковых стенок автопоилки определяется по из-

стенок в нагнетательном воздуховоде автопоилки определим по формуле

У ^ і    5 вн.    5 наг.    5 во₃.    5 наг.    5 нар. ₍₆₎

^ Лі   Лвн.   Лнаг.   Лвоз.   Лнаг.   Лна/ где 5вн. - толщина внутренней стенки автопоилки, м;

5_наг . - толщина стенки нагнетатель

вестной зависимости [7, 8]:

I .ст.

1/«

внут.пов

. + Е?+1/а

Z

, (5)

наруж.пов.

ного воздуховода, м;

5_воз . - толщина прослойки в воздуховоде повышенного давления, м;

5_наг . - толщина наружной стенки ав-

топоилки, м;

Л_вн . - коэффициенты теплопроводности внутренней стенки автопоилки, Вт/м²·°С;

Л_наг . - коэффициенты теплопроводности стенок нагнетательного воздуховода, Вт/м²·°С;

Л_воз . - коэффициенты теплопроводности воздуха в нагнетательных воздуховодах, Вт/м²·°С;

Л_нар . - коэффициенты теплопроводности наружной стенки автопоилки, Вт/м²·°С.

Сумму коэффициентов толщины ограждающей стенки и теплопроводности стенок вакуумной трубки автопоилки определим по формуле у ^^Н , ^ак. ^. ^вак. ^нар.

Л і Л вн. Л вак. Л в. Л вак. Л нар. ' ' где 5_вак . - толщина стенки вакуумной трубы, м;

5_в . - воздух в вакуумной трубе, м;

5_нар . - толщина наружной стенки автопоилки, м;

Л_вак . - коэффициенты теплопроводности стенок вакуумной трубы, Вт/м²·°С;

Л_в . - коэффициенты теплопроводности воздуха в вакуумной трубе, Вт/м²·°С.

Сумму коэффициентов ограждающих стенок в точке соприкосновения (В) (см. рисунок 1) между трубами с вакуумом и избыточным давлением в групповой автопоилке определим по формуле

У 5і = Аа

^ вн. , ^ а. , ^ ст. , ^ а. , ^ нар. _ Л вн. Л а. Л ст. Л а. Л нар. , ⁽ )

где 5_а . - атмосферный воздух между трубами с вакуумом и избыточным давлением;

5_ст . - толщина прикасающихся стенок труб с вакуумом и избыточным давлением, м;

Л_а . - коэффициенты теплопроводности атмосферного воздуха между трубами с вакуумом и избыточным давлением, Вт/м²·°С;

Л_ст . - коэффициенты теплопроводности в точке соприкосновения стенок труб с вакуумом и избыточным давлением, Вт/м²·°С.

Для экспериментальной групповой автопоилки, имеющей цилиндрическую форму, трубы с вакуумом и избыточным давлением размещаем в виде змеевиков вокруг корпуса поильной чаши, что позволяет их рассматривать как неоднородную систему теплоизоляции, имеющую структуру, состоящую из многослойных прослоек с различными коэффициентами теплопроводности.

Тепловые потери через боковую стенку экспериментальной групповой автопоилки определим по формуле

2лһ(і в - І в.п )

^^ кор.

-1Zn—+-1Zn—+-1Zn —,

^Л 1     ^R 1    ^Л 2     ^R 2    ^Л 3     ^R 3

где й - высота поильной чаши, м;

Св - температура воды в поильной чаше ((в = 8 ... 18 °С);

1_в . _п - температура воды на выгульной площадке ((_в . _п = -21.10 °С);

Л1, Л3 - коэффициенты теплопроводности внутренней и наружной стенок, Вт/м2·°С;

Л2 - коэффициент теплопроводности внутренней сложной прослойки, Вт/м2·°С;

R1, R2, R3, ^4 - внутренний и внешние радиусы прослоек, м.

Преобразованная иметь вид:

формула будет

^^ кор.    1

— Zn

^Л 1

« 1 +0,002

R 1

2яҺ ⁽ І в - І в.п )

1 ^ « 1 +О воз. +0,002

Л2      R1+0,002

1^   « 1 +О воз. +0,004 ^ ^^Т,   ⁽¹⁰⁾

Л з «₁+£>_В оз+ 0,002

Преобразованная формула ПК в программе Mathcad будет иметь следующий вид:

^;0   .'-

' « 1 +0,002

■    «1

2пҺ • ⁽t_v   ^ vp )

■ )+7'1П

' « 1 +0+0,002 « 1 +0,002

■) + — • Zn ( « ^{1 +р+0,004} )

) Л3     \«1+0+0,002/

-гі^ кор.   (11)

Это позволит определить расчетное значение диаметра воздуховода повышенного и пониженного давления.

Потери тепла через крышку автопоилки и поверхность водопойного стакана определим по формуле dSKp.^krF^-tBW, (12) где k - коэффициенты тепловой отдачи через крышку автопоилки и поверхность водопойного стакана;

F [ - площадь поверхности крышки автопоилки с водопойным стаканом.

Коэффициент тепловой отдачи через крышку поильной чаши рассчитаем по формуле кр-      5в.п. । ^к.п.,              (   )

^в.п ^к.п где 5в.п. - толщина воздушной прослойки автопоилки, м;

5_к . _п . - толщина материала крышки автопоилки, м;

У_в . _п - коэффициент теплопроводности воздушной    прослойки    автопоилки,

Вт/(м·К);

У_к . _п - коэффициент теплопроводности материала крышки автопоилки, Вт/(м·К).

Коэффициент тепловой отдачи через водопойные стаканы

кст = 5ДС ,       (14)

д.с.

^м.п где 5д-с - толщина днища водопойного стакана, м;

У_м . _п - коэффициент теплопроводности материала поплавка, Вт/(м·К).

Тепловые потери в грунт dS_rp . осуществляются через сложную стенку и зависят от колебаний воздуха внутри автопоилки, свойств грунта и могут быть определены по формуле

^Srp.    TA • Sоc.r • VCr ^ кг ^ рг,       (15)

где ТА - температурная амплитуда,

ТА = (td - tвH)/2;

tg - дневная температура воздуха под поилкой,°С;

t H - ночная температура воздуха под поилкой,°С;

S_оc . _r - площадь основания грунта под поилкой, м²;

• c_r - теплоемкость грунта, Дж/(кг • К);

Лг   - теплопроводность грунта,

Вт/(м • К);

• p_r - плотность грунта, кг/м³.

Теплосодержание объема воды, потребляемой животными, будет равно:

dS жив.

Рср. • С • i • к • Рпот.,

где  рср. - средняя плотность воды в системе автопоения, кг/м3;

• с - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг °С);

i - интенсивность отбора воды животными, л/с;

• t_c - температура воды в системе автопоения, °С;

ц_пот . - промежуток времени, в течение которого происходит процесс потребления воды, с.

Применение в качестве теплоизоляции боковой стенки групповой автопоилки экспериментального исполнения труб с вакуумом и избыточным давлением позволяет снизить тепловые потери, тем самым уменьшить расход электрической энергии на подогрев воды.

Тепловой баланс экспериментальной групповой автопоилки определялся как суммарные тепловые потери в зависимости от температурных параметров окружающей среды [8, 9, 10].

Исследованиями установлено, что через корпус автопоилки происходят основные потери. При определении теплового баланса одновременно проводились сравнительные исследования серийной и экспериментальной поилок.

Структурная схема моделирования в среде ПК «МВТУ» составлена с учетом уравнения теплового баланса (таблица) и представлена на рисунке 2, а необходимые данные для ее введения в программу приведены в таблице.

Рисунок 2 – Структурная схема моделирования в «МВТУ» для экспериментальной групповой автопоилки

Входные, выходные величины и содержимое блоков

Рассматриваемое тело	Входные величины	Содержимое блоков для вычисления	Выходные величины
Нагревательный блок	T h , T b	Y 1 = G4 hb • (T h - T b ) + Р)/(С н • Ш у )	d7„ = dt     1
Вода	T k , T b ,Tc, T h	Y 2 = (-^ bk (T b - T k )-4 bc (T b - ТИЛ - Т в )/(С в • m . )	d7.= dt     2
Корпус автопоилки	T o ,T h	Y 3 = С-Л ко СТ к - T o )+^ bk (T b - T k )/(C k • mJ	dh= Y dt     3
Водопойный стакан	T o ,T c , T b	Y4 = (-Д со СТ с - Т о )+Д вс (Т в - T c )/(C c • m e )	dTc "7= = Y 4 dt

Потери тепла в групповой автопоилке в стационарном режиме происходят в прямой зависимости от температуры окружающего воздуха. Установлено экспериментально, что расположение между корпусом автопоилки и поильной чашей утеплителя с чередованием труб с вакуумом и избыточным давлением позволяет снизить в среднем потери тепла на 19%.