Определение рационального количества теплоутилизаторов для коровника на 400 голов
Автор: Хлыстунов Виктор Федорович, Брагинец Сергей Валерьевич, Токарева Анна Николаевна, Попенко Александр Юрьевич
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Процессы и машины агроинженерных систем
Статья в выпуске: 1 т.18, 2018 года.
Бесплатный доступ
Введение. В статье рассмотрены вопросы выбора и использования установок утилизации теплоты отработавшего воздуха в помещении коровника. Цель исследования - обоснование выбора количества теплоутилизаторов, обеспечивающих наибольший экономический эффект при эксплуатации в помещении на 400 голов. Материалы и методы. Определение количества единиц энергосберегающего оборудования обусловлено рядом факторов. Основной из них - непрерывно меняющаяся величина воздухообмена в коровнике в зависимости от параметров наружного воздуха. При этом учитывались условия эксплуатации в южных районах страны. Предложены математические модели, описывающие зависимости технико-экономических показателей от числа и продолжительности работы утилизационных установок. Проведен корреляционно-регрессионный анализ полученных зависимостей. На его основе выполнена технико-экономическая оценка использования теплообменников. Представлены контурные графики целевых функций затрат электроэнергии и эксплуатационных затрат в зависимости от продолжительности работы и пропускной способности энергосберегающих установок. Использован метод сравнения для выявления наиболее эффективного по производительности утилизатора теплоты с учетом меняющейся величины воздухообмена Результаты исследования. Определено необходимое количество теплообменников, обеспечивающих требуемый воздухообмен в животноводческом помещении. Разработаны новые математические модели для расчета эффективности использования утилизационных установок с учетом производительности и продолжительности работы. Установлены зависимости изменения эксплуатационных затрат от производительности утилизаторов. Определено количество и типоразмер теплоутилизаторов, при использовании которых достигается наибольший чистый дисконтированный доход 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 технико-экономическое обоснование целесообразности использования пластинчатых теплоутилизаторов в животноводческих помещениях.
Теплообменник, теплоутилизатор, эксплуатационные затраты, контурный график, продолжительность работы, производительность, животноводческое помещение
Короткий адрес: https://sciup.org/142214922
IDR: 142214922 | DOI: 10.23947/1992-5980-2018-18-1-102-109
Текст научной статьи 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 = ( nmin ^ 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.
Список литературы Определение рационального количества теплоутилизаторов для коровника на 400 голов
- Антонов, Ю. М. Оценка направлений энергосбережения в животноводстве/Ю. М. Антонов//Научно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства. Перспективные технологии, технические средства в XXI веке и проблемы эффективности производства: сб. науч. Тр. Всерос. Науч.-исслед. И проект.-технол. Ин-та механизации животноводства. -2001. -Т. 10, ч. 2. -С. 57-61.
- Рациональные параметры геотермальной системы обеспечения микроклимата в коровнике/В. Ф. Хлыстунов //Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2013. -№ 5. -С. 25-28.
- Donselmann-Theile, H. Energiesparenmit System/H. Donselmann-Theile//DLZ Agrarmagazin. -2007. -Jg. 59, № 3. -S. 132-136.
- Franke, G. Trends bei der Stallklimatechnik/G. Franke//Landtechnik. -2000. -Bd. 57, № 6. -S. 412-413.
- Прищепов, М. А. Технико-экономическая эффективность теплоутилизационных установок в отопительно-вентиляционных системах/М. А. Прищепов, И. А. Цубанова//Агропанорама. -2007. -№ 5. -С. 15-18.
- Energiesparenmit Warmetauschern//DLZ Agrarmagazin. -2005. -Jg. 56, № 2. -S. 124-125.
- Крутов, А. В. Повышение эффективности утилизации тепла в системах вентиляции сельскохозяйственных помещений/А. В. Крутов, Д. Н. Минич//Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: тр. Междунар. Науч.-техн. Конф. -Москва: ФГБНУ ВИЭСХ, 2003. -Ч. 4. -С. 332-335.
- Адамовски, Р. Использование вторичной теплоты вентиляционного воздуха для обогрева помещений в животноводстве/Р. Адамовски, Д. Адамовски//Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2004. -№ 6. -С. 16-17.
- Лебедев, Д. П. Тепломассообмен в теплоутилизационной установке/Д. П. Лебедев, М. П. Шаталов//Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве/Всерос. Науч.-исслед. Ин-т электрификации сел. Хоз-ва. -Москва: ФГБНУ ВИЭСХ, 2010. -Ч. 3. -С. 229-234.
- Определение зависимости параметров пластинчатого теплоутилизатора от тепловой нагрузки в коровнике на 400 голов/В. Ф. Хлыстунов //Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: сб. статей 10-й междунар. Науч.-практ. Конф. В рамках 20-й междунар. Агропром. Выставки «Интерагромаш-2017». -Ростов-на-Дону: ДГТУ-Принт, 2017 -С. 84-86.
- Канал-ПКТ. Пластинчатый канальный теплоутилизатор /ООО «ВЕЗА» -Режим доступа: http://www.veza.ru/catalog/sistema-kanalnoy-ventilyatsii-dlya-pryamougolnykh-kanalov/plastinchatyy-kanalnyy-teploutilizator-kanal-pkt/(дата обращения 10.01.2017).
- Свистунов, В. М. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства/В. М. Свистунов, Н. К. Пушняков. -Санкт-Петербург: Политехника, 2011. -422 с.
- Рекомендации по расчету и проектированию систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений с утилизацией теплоты выбросного воздуха /Министерство сельского хозяйства Российской Федерации; ФГНУ НПЦ «Гипронисельхоз»; ГНУ «ВИЭСХ». -Режим доступа: http://www.complexdoc.ru/ntdpdf/542495/rekomendatsii_po_raschetu_i_proektirovaniyu_sistem_obespecheniya_mikroklima.pdf (дата обращения 05.10.2017).
- Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований)/Б. А. Доспехов. -Москва: Книга по требованию, 2012. -352 с.
- Хорольский, В. Я. Оценка экономической эффективности агроинженерных проектов/В. Я. Хорольский, М. А. Таранов, Д. В. Петров. -Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2008. -212 с.
- Центральный банк Российской Федерации /Банк России. -Режим доступа: http://www.cbr.ru (дата обращения 10.10.2017).