Исследование влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы рекуперативного теплообменного аппарата
Автор: Матвеева Арина Александровна, Фетисова Александра Ивановна, Васильков Алексей Анатольевич
Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel
Рубрика: Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса
Статья в выпуске: 4 (37), 2022 года.
Бесплатный доступ
Нахождение путей по снижению потребления энергии в сельском хозяйстве приводит к развитию новых энергосберегающих технологий. Один из вариантов снижения энергозатрат - сокращение потребления энергии на создание оптимального микроклимата при содержании животных и птиц. Использование приточно-вытяжных рекуператоров - одно из перспективных направлений в энергосбережении. Однако эффективность работы рекуператоров ограничивается климатическими условиями региона. В данной работе представлено исследование максимальных, минимальных и средних значений температур наружного воздуха в Костромской области по месяцам в период с 2015 по 2021 гг. Исходя их полученных данных были определены месяцы наиболее эффективной работы теплообменного аппарата, температуры для расчетов теплового баланса помещения и дальнейших конструктивных расчетов теплообменного аппарата. Полученные данные минимальных значений температуры будут использованы для технических расчетов дополнительного сектора теплообменного аппарата.
Энергосбережение, энергоэффективность, микроклимат птицеводческих помещений, температура наружного воздуха, теплообменник, рекуперация тепла
Короткий адрес: https://sciup.org/147240728
IDR: 147240728
Текст научной статьи Исследование влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы рекуперативного теплообменного аппарата
Введение.
Энергосберегающие технологии находят все большее применение в сельском хозяйстве, что обусловлено желанием снизить затраты энергии при производстве продукции. Продуктивность сельскохозяйственных животных на 20-30% зависит от условий микроклимата. Затраты энергии для создания оптимальных параметров микроклимата составляют 30-35% от всей энергии, затрачиваемой в отрасли. [1] Вследствие этого вопрос снижения энергоемкости производства продукции за счет сокращения потребления энергии на создание оптимального микроклимата является актуальным направлением. Известно, что для оптимального содержания птиц в птичниках необходима своевременная смена загрязненного газами воздуха. Системой рекомендательных документов агропромышленного комплекса Министерства сельского хозяйства РФ установлено количество свежего воздуха, подаваемого в птичник на 1 м 3 / ч на 1 килограмм живой массы. [2] В таблице 1 представлено минимальное количество свежего воздуха, подаваемого в птичник.
Таблица 1 - Минимальное количество свежего воздуха, подаваемого в птичник на 1 кг живой массы
|
Вид и возрастная группа птицы |
Количество свежего воздуха, подаваемого в птичники, м 3 /ч на 1 кг живой массы |
|
|
Периоды года |
||
|
холодный |
теплый |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
Взрослая птица |
||
|
Куры яичных пород (в клетках) |
0,70 |
6,0 |
|
Куры мясо-яичных пород (на полу) |
0,70 |
6,0 |
|
Куры мясных пород (на полу) |
0,75 |
7,0 |
|
То же (в клетках) |
0,75 |
8,0 |
|
Индейки |
0,60 |
6,0 |
|
Утки |
0,70 |
7,0 |
|
Цесарки |
0,70 |
7,0 |
|
Гуси |
0,60 |
7,0 |
|
Перепела |
0,75 |
0,8 |
Производительность приточно-вытяжных систем должна выбираться из условия обеспечения удельных воздухообменов, приведенных в таблице 1. Так, для кур мясо-яичных пород в холодный период года на 1 килограмм живой массы необходимо подавать 0,75 м 3 / ч. К примеру, при напольном содержании 100 кур со средней массой одной птицы 2 кг, необходимо обеспечить подачу свежего воздуха в количестве 150 м 3 /ч. При этом выходящий из помещения воздух будет уносить с собой тепло. Однако, данную энергию целесообразно использовать для подогрева поступающего холодного воздуха. Рекуперация тепла - одно из перспективных направлений энергосбережения. Рекуперация основана на использовании теплоты отходящих газов для подогрева приточного воздуха.
В птицеводческих помещениях наиболее рационально применение рекуператоров, в которых не происходит контакт входящего и выходящего из помещения воздуха. Это связано с тем, что удаляемый из помещения воздух, как правило, сильно загрязнен, и подобный контакт будет способствовать возврату в помещение нежелательной загазованной и загрязненной фракции. [1,3] Однако эффективность работы рекуператоров (теплообменников) снижается в холодных климатических условиях, при падении температур ниже (-10) – (-15) o C.
Цель исследования.
Изучение температур наружного воздуха в Костромской области с 2015 по 2021 год, с целью нахождения расчётных температур для определения конструктивных параметров теплообменника. Получив статистику данных по температуре наружного воздуха в исследуемом регионе, можно рассчитать тепловой баланс птицеводческого помещения, определить конструктивные параметры теплообменника и определить необходимость и продолжительности работы теплообменного аппарата с дополнительным сектором.
Материалы и методы.
В качестве устройства для подогрева воздуха, рассматривается кожухотрубный теплообменник [4], корпус которого выполнен из ПВХ трубы, а теплообменный пучок из алюминиевых труб. В начале кожухотрубного теплообменного аппарата с помощью разделяющей пластины отделен дополнительный сектор, в котором происходит управляемое перекрестное перпендикулярное движение воздушных потоков второй среды относительно первой среды или противоточное движение (в зависимости от уличной температуры), для предварительного подогрева первой воздушной среды. [4] Технический результат – повышение эффективности работы при отрицательных температурах. Устройство предполагается разместить в том месте, где наблюдается наибольшее скопление теплого воздуха, чаще всего, это верхняя часть помещений.
Результаты и обсуждение.
Для проведения анализа влияния температур наружного воздуха на работу теплообменника, выполняется оценка значений средних, минимальных и максимальных температур за каждый месяц в период с 2015-го по 2021-й год в Костромской области (г. Костроме) таблица 2,3. [5, 6].
Данный анализ требуется для уточнения расчётных температур, которые в свою очередь имеют влияние на конструктивные параметры, такие как: длина, диаметр и количество труб в трубном пучке. [7, 8]. Так же анализ необходим для определения продолжительности работы теплообменного аппарата с дополнительным сектором.
Таблица 2 - Средняя температура по месяцам с 2015-го по 2021-й год по Костромской области
|
Год Месяц |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
|
Январь |
-7,4 |
-12,9 |
-11,0 |
-6,4 |
-8,5 |
-1,9 |
-8,6 |
|
Февраль |
-3,6 |
-2,1 |
-7,0 |
-11,5 |
-3,6 |
-2,1 |
-15,3 |
|
Март |
0,2 |
-1,8 |
0,6 |
-7,5 |
-1,3 |
1,9 |
-3,5 |
|
Апрель |
4,0 |
6,6 |
3,7 |
5,4 |
6,0 |
3,1 |
6,4 |
|
Май |
14,0 |
14,5 |
8,4 |
13,8 |
14,1 |
10,5 |
13,6 |
|
Июнь |
16,7 |
15,9 |
12,3 |
15,2 |
17,0 |
16,4 |
19,9 |
|
Июль |
16,2 |
19,8 |
16,8 |
19,4 |
15,0 |
18,3 |
20,5 |
|
Август |
15,5 |
18,5 |
17,2 |
17,9 |
14,1 |
15,5 |
17,9 |
|
Сентябрь |
13,0 |
9,5 |
11,3 |
12,7 |
10,5 |
12,5 |
8,8 |
|
Октябрь |
2,5 |
3,1 |
3,9 |
5,6 |
5,8 |
7,0 |
5,8 |
|
Ноябрь |
-1,6 |
-5,0 |
-1,6 |
-1,6 |
-0,9 |
0,4 |
1,0 |
|
Декабрь |
-1,8 |
-6,6 |
-1,9 |
-7,6 |
-1,1 |
-7,1 |
-10,6 |
■ 2015 ■ 2016 ■ 2017 ■ 2018 ■ 2019 ■ 2020 ■ 2021
Рисунок 1 – Диаграмма распределения среднемесячной температуры по месяцам за период с 2015 по 2021 гг.
На основе исследуемых данных, представленных в таблице 2, можно сделать вывод, что наибольшая эффективность от работы теплообменника будет наблюдаться в период с октября по апрель включительно, вследствие наибольшего перепада температур наружного и внутреннего воздуха. Полученная информация будет использоваться для расчета основного сектора кожухотрубного теплообменного аппарата для применения в условиях Костромской области.
Таблица 3 - Минимальные и максимальные температуры с 2015-го по 2021-й год по
Костромской области
|
Год |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
|||||||
|
Месяц |
mi n |
ma x |
mi n |
ma x |
mi n |
ma x |
mi n |
ma x |
mi n |
ma x |
mi n |
ma x |
mi n |
ma x |
|
Январь |
-26 |
+3 |
-26 |
+2 |
-39 |
+3 |
-19 |
+2 |
-20 |
+2 |
-17 |
+5 |
-29 |
+4 |
|
Февраль |
-20 |
+5 |
-11 |
+3 |
-28 |
+3 |
-26 |
-1 |
-16 |
+4 |
-17 |
+7 |
-31 |
-2 |
|
Март |
-11 |
+1 2 |
-17 |
+9 |
-11 |
+8 |
-23 |
+5 |
-15 |
+1 1 |
-11 |
+1 5 |
-27 |
+1 0 |
|
Апрель |
-3 |
+2 6 |
-3 |
+2 1 |
-9 |
+2 4 |
-5 |
+1 9 |
-5 |
+2 3 |
-11 |
+1 5 |
-2 |
+2 3 |
|
Май |
+1 |
+2 9 |
-1 |
+2 5 |
-3 |
+2 5 |
+1 |
+2 8 |
-2 |
+2 9 |
-3 |
+2 7 |
-1 |
+3 1 |
|
Июнь |
+4 |
+2 9 |
+3 |
+2 8 |
0 |
+2 4 |
+1 |
+3 1 |
-1 |
+3 1 |
+4 |
+2 8 |
+1 |
+3 5 |
|
Июль |
+3 |
+2 |
+1 |
+3 |
+7 |
+2 |
+1 |
+2 |
+4 |
+2 |
+6 |
+3 |
+6 |
+3 |
|
8 |
0 |
0 |
8 |
0 |
9 |
8 |
1 |
3 |
||||||
|
Август |
+6 |
+2 6 |
+5 |
+3 0 |
+5 |
+2 9 |
+7 |
+2 9 |
+2 |
+2 6 |
+3 |
+2 6 |
+5 |
+3 2 |
|
Сентябрь |
+3 |
+2 7 |
+2 |
+2 1 |
0 |
+2 3 |
-2 |
+2 5 |
-2 |
+2 5 |
+4 |
+2 3 |
-1 |
+2 2 |
|
Октябрь |
-7 |
+1 3 |
-6 |
+1 5 |
-4 |
+1 2 |
-8 |
+1 8 |
-8 |
+1 8 |
-6 |
+2 0 |
-2 |
+1 4 |
|
Ноябрь |
-11 |
+1 0 |
-21 |
+2 |
-10 |
+5 |
-13 |
+7 |
-15 |
+1 1 |
-10 |
+9 |
-11 |
+1 1 |
|
Декабрь |
-19 |
+8 |
-27 |
+2 |
-10 |
+4 |
-22 |
+1 |
-10 |
+4 |
-20 |
+2 |
-29 |
+1 |
Рисунок 2 – Диаграмма распределения минимальных температур по месяцам за период с 2015 по 2021 гг.
Рисунок 3 – Диаграмма распределения максимальных температур по месяцам за период с 2015 по 2021 гг.
Для поддержания эффективной работы теплообменника в периоды, когда минимальная температура наружного воздуха отпускается ниже – 10 о С, необходимо предусмотреть работу дополнительного сектора теплообменного аппарата, то есть предварительный догорев наружного воздуха до температуры, исключающей обмерзание основного сектора.
Заключение. В результате работы был выполнен анализ максимальных, минимальных средних значений температуры наружного воздуха в Костромской области по месяцам в период с 2015 по 2021 гг. Исходя их полученных данных были определены месяцы наиболее эффективной работы теплообменного аппарата, температуры для расчетов теплового баланса помещения и дальнейших конструктивных расчетов теплообменного аппарата. Полученные данные экстремальных значений температуры, в первую очередь минимальных, будут использованы для технических расчетов дополнительного сектора теплообменного аппарата.
Список литературы Исследование влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы рекуперативного теплообменного аппарата
- Васильков, А. А. Использование теплообменных аппаратов для снижения энергозатрат при обеспечении оптимального микроклимата в объектах АПК / А. А. Васильков, А. А. Смирнова // Аграрный вестник Нечерноземья. - 2022. - № 1(5). - С. 30-35. - EDN JNYUGB.
- РД-АПК 1.10.05.04-13. Система рекомендательных документов агропромышленного комплекса Министерства сельского хозяйства Российской Федерации. Методические рекомендации по технологическому проектированию. Методические рекомендации по технологическому проектированию птицеводческих предприятий (утв. и введены в действие Минсельхозом России 30.09.2013).
- Применение рекуператоров тепла в птицеводческих помещениях - Нормализация микроклимата производственных помещений [Электронный ресурс]/ Режим просмотра: https://bstudy.net/893837/tehnika/primenenie_rekuperatorov_tepla_ptitsevodcheskih_pomescheniyah#:~:text=Применительно%20к%20птицеводческом%20помещениям%20наиболее,нежелательной%20загазованной%20и%20загрязненной%20фракции. Дата обращения 01.12.2022.
- Патент № 2726448 C2 Российская Федерация, МПК F28D 7/00. Кожухотрубный теплообменный аппарат с дополнительным сектором: № 2018146284: заявл. 24.12.2018: опубл. 14.07.2020 / А. А. Васильков, А. А. Смирнова; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Костромская государственная сельскохозяйственная академия".
- Погода в Костроме по месяцам [Электронный ресурс]/ Режим просмотра: https://world-weather.ru/pogoda/russia/kostroma/2020/Дата обращения 10.11.2022.
- Ну и погода. Архив погоды [Электронный ресурс]/ Режим просмотра https://kostroma.nuipogoda.ru/погода-2021 Дата обращения 13.11.2022.
- Григорьев В. А. и др. Краткий справочник по теплообменным аппаратам; под ред. Лебедева П. Д. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962. 256 с.
- Губарева В. В. Проектирование трубчатых рекуперативных теплообменных аппаратов: учебное пособие / В. В. Губарева. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 59 с.
