Определение рационального количества теплоутилизаторов для коровника на 400 голов

^∗∗∗ The research is done within the frame of the independent R&D.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы для разработки энергосберегающих систем при разведении крупного рогатого скота. Предложенные математические модели расчета эксплуатационных затрат позволят провести предварительное техникоэкономическое обоснование целесообразности использования пластинчатых теплоутилизаторов в животноводческих помещениях.

Discussion and Conclusions . The results obtained can be used to develop energy-saving systems under stock-rearing. The proposed mathematical models for calculating operational costs allow for a pre-feasibility study on the use of plate heat exchanger in livestock buildings.

тельность работы, производительность, животноводческое помещение.

Образец для цитирования: Определение рационального       For citation: V.F. Khlystunov, S.V. Braginets, A.N.

количества теплоутилизаторов для коровника на 400 голов /      Tokareva, A.Y. Popenko. Determination of rational number of

• В.    Ф. Хлыстунов [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та.      heat recovery units for the barn for 400 heads. Vestnik of

  — 2018. — T. 18, № 1. — С. 102-109.                          DSTU, 2018, vol. 18, no.1, pp. 102-109.

Введение. Обеспечение микроклимата в животноводческих помещениях является одним из наиболее трудоемких процессов [1]. При этом на нагрев приточного воздуха в коровнике расходуется практически 70 % всей тепловой энергии [2], необходимой для создания заданной температуры воздуха в отопительный период. С целью снижения энергетических затрат при обеспечении требуемых параметров микроклимата в животноводческих помещениях используют утилизаторы теплоты для нагрева приточного воздуха за счет удаляемого отработанного воздуха [1, 3-5]. Большинство исследований, посвященных данной теме, фокусируются на вопросах использования теплоутилизационных установок на свиноводческих и птицеводческих фермах [6, 7]. Применение энергосберегающего оборудования в помещениях для КРС рассматривается значительно реже. В связи с этим целью данной работы является обоснование выбора количества и продолжительности работы теплоути-лизаторов для коровника на 400 голов.

Материалы и методы. Обоснование выбора данных для проведения машинного эксперимента. Проведенный анализ [8, 9, 10] позволил установить, что наиболее рациональным вариантом теплоутилизатора для ферм КРС является пластинчатый теплообменник.

В животноводческих помещениях величина необходимого воздухообмена непрерывно меняется. В частности, она зависит от параметров наружного воздуха и различается по декадам года. Соответственно долж-

Рис. 1. Изменение количества используемых утилизаторов по декадам года

Fig. 1. Number variations of heat reclaim units used through year decades

Процессы и машины агроинженерных систем

Как видно из представленной гистограммы, количество задействованных утилизаторов находится в пределах (6^12). Однако 12 утилизаторов эксплуатируются только в 33-ю декаду, т. е. не более 10 дней. Оче- видно, что нецелесообразно использовать три дополнительных теплообменника в течение столь ограниченного времени. В связи с этим минимальное необходимое количество утилизаторов данной производительности принято равным 6, максимальное — 9. Шесть утилизаторов задействовано в течение 2880 часов, девять утилизаторов задействовано в течение 1200 часов.

Аналогичным образом провели расчеты для других теплоутилизаторов данной серии [11]. Результаты расчета представлены в табл. 1.

Таблица 1

Table 1

Результаты расчета количества утилизаторов

Results of calculating the number of utilizers

Марка утилизаторов	Производительность, 3 м ч	Количество утилизаторов, шт.		Продолжительность работы, ч
		Минимальное, n min	Максимальное, n max	Минимальная, Тmin	Максимальная Тmax
ПКТ-60-35	3750	15	21	1200	2880
ПКТ-70-40	5000	11	15
ПКТ-80-50	7000	8	12
ПКТ-90-50	8000	7	10
ПКТ-100-50	9000	6	9

Результаты исследования. Реализация машинного эксперимента. С учетом экономической целесообразности было определено количество утилизаторов соответствующей производительности и продолжительности работы. Для этого по традиционным методикам рассчитывались затраты электрической энергии [12] и эксплуатационные затраты [13].

Для выбора количества утилизаторов и продолжительность их работы реализован двухфакторный машинный эксперимент. При этом факторы варьировались на трех уровнях [14]. Интервалы варьирования определялись данными, представленным в табл. 1. Количество часов работы теплоутилизаторов приняли равным Т = (1200^2880) часов; количество теплообменников — n = ( n_min ^ n max ). Нижний уровень варьирования соответствовал минимальной продолжительности работы и минимальному количеству утилизаторов каждой марки, верхний — максимальным значениям данных параметров. Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 2 на примере утилизаторов ПКТ-80-50. Для теплоутилизаторов другой производительности техникоэкономические показатели был рассчитаны аналогично.

Таблица 2

Table 2 Результаты реализации двухфакторного машинного эксперимента при использовании утилизаторов ПКТ-80-50

Results of two-factor machine experiment using PKT-80-50 utilizers

№ строки	n утилизаторов	τ, часов	Затраты электроэнергии, кВт•ч	Эксплуатационные затраты, руб.
1	11 (-)	1200 (-)	127604	378251
2	11 (-)	2040 (0)	216927	467574
3	11 (-)	2880 (+)	306250	556897
4	13 (0)	1200 (-)	150805	447024
5	13 (0)	2040 (0)	256368	552587
6	13 (0)	2880 (+)	361932	658151
7	15 (+)	1200 (-)	174006	515797
8	15 (+)	2040 (0)	295810	637601
9	15 (+)	2880 (+)	417614	759405

Полученные числовые массивы были обработаны с помощью программы Statistica. Experimental Design . В результате обработки получили поверхности отклика и контурные графики целевой функции. Искомые зависимости в раскодированном виде приведены в табл. 3, графики — на рис. 2.

Таблица 3

Table 3

Уравнения целевых функций затрат электроэнергии (кВт·ч) и эксплуатационных затрат (руб.) от количества используемых теплоутилизаторов ( n ) и продолжительности работы ( Т )

Equations of target functions of power consumption (kWh) and operating costs (RUB) on number of usable heat exchangers (n) and operation period (T)

Утилизатор	Уравнение целевой функции затрат
	электроэнергии	эксплуатационных
ПКТ-60-35	Э = – 266229,18 + 14790,51· n + 130,5· T	ЭЗ = – 266229,18 + 32936,53· n + 130,5· T
ПКТ-70-40	Э = – 256368,84 + 19720,68· n + 125,67· T	ЭЗ = –256368,84 + 42506,76· n + 125,67· T
ПКТ-80-50	Э = – 276089,52 + 27608,95· n + 135,34· T	ЭЗ = –276089,52 + 57819,14 ·n + 135,34· T
ПКТ-90-50	Э = – 262942,4 + 31553,09· n + 128,89· T	ЭЗ = –262942,4 + 65475,32· n + 128,89· T
ПКТ-100-50	Э = – 177486,12 + 39673,37· n + 87· T	ЭЗ = –177486,12 + 77307,65· n + 87· T

Число часов работы, Т

• а )                                                                                   b )

• 50.    Таким образом, наиболее целесообразно устанавливать максимально необходимое количество теплоутили-заторов с производительностью в диапазоне от 3750 м 3 /ч до 8000 м 3 /ч.

Рис. 2. Контурные графики целевых функций эксплуатационных затрат теплоутилизаторов: ПКТ-80-50 ( а ); ПКТ-100-50 (b)

Fig. 2. Contour plots of target functions of operating costs of heat recovery units: PKT-80-50 (a); PKT-100-50 (b)

Обсуждение и заключения. Выбор количества утилизаторов. Анализ приведенных в табл. 3 уравнений регрессии показал, что характер поверхностей отклика и контурных графиков сходствен для всего типо- размерного ряда ПКТ.

При использовании максимального количества утилизаторов в течение 1200 часов эксплуатационные затраты ниже по сравнению с использованием минимального количества теплообменников за весь необходимый временной интервал (рис. 2, а). Это касается всех рассматриваемых типов оборудования, кроме ПКТ-100-

При работе теплоутилизатора ПКТ-100-50 эксплуатационные затраты будут минимальны, если использовать наименьшее количество утилизаторов в течении всех 12 декад (рис. 2, б). Графическая зависимость, приведенная на (рис. 3), показывает, что наилучшие технико-экономические показатели достигаются, когда в качестве утилизирующего устройства используется теплообменник ПКТ-100-50.

Процессы и машины агроинженерных систем

Производительность утилизатора По воздуху, тыс. м 3 /ч

Рис. 3. Зависимость эксплуатационных затрат от производительности теплоутилизаторов:

1 — минимальные эксплуатационные затраты; 2 — максимальные эксплуатационные затраты

Fig. 3. Dependence of operating costs on performance of heat-recovery units: 1 — minimum operating costs; 2 — maximum operating costs

Расчет чистого дисконтированного дохода для ПКТ-100-50 проводился по стандартной методике [15]. Учитывая, что кредитная ставка банка равна 8,25 %, а уровень инфляции 4,0 % [16], наибольший экономический эффект достижим при эксплуатации 8 теплоутилизаторов (рис. 4).

Количество теплоутилизаторов ПКТ-100-50

Рис. 4. Изменение чистого дисконтированного дохода от количества используемых утилизаторов

Fig. 4. Variation in net present value of number on usable heat-recovery units

Выводы. Результаты машинного эксперимента позволили установить наиболее рациональный вариант для утилизации теплоты уходящего воздуха при следующих параметрах помещения: — коровник на 400 голов;

— эксплуатация в условиях южной зоны России.

Учитывая полученные данные, можно утверждать, что оптимальным является применение 8 пластинчатых теплообменников «Канал ПКТ-100-50» с производительностью по воздуху 9000 м 3 /ч.