Повышение эффективности использования тепла в технологических процессах обслуживания КРС

Введение. Спектр востребованности тепла при производстве животноводческой продукции на фермах крупного рогатого скота (КРС) достаточно широк. В рамках выполнения технологических процессов обслуживания КРС особо необходимо отметить процессы автопоения животных, доения коров, санитарной обработки кожного покрова [1–3]. Наряду с технологическими процессами, тепло расходуется на выполнение таких производственных процессов, как вентилирование (обеспечение заданного микроклимата) животноводческого помещения, поддержание в нем заданного температурного режима в холодный период года, на санитарную обработку технологического оборудования, используемого внутри животноводческого помещения [4; 5]. Технологические процессы автопоения и доения КРС строго ограничены зоотехническими требованиями по температурным параметрам используемого теплоносителя, которым является вода [6]. Однако, как показывает производственный опыт, используемая на фермах КРС вода перед тем как поступить в зону ее отбора животными (средства автопоения) в большинстве случаев не подвергается ряду технологических операций по доведению ее до показателей, соответствующих нормам технологического проектирования (очистка; обеззараживание; подогрев до заданных температурных параметров в разрезе технологиче- ских и половозрастных групп животных) [7]. Как результат снижение продуктивности животных, качества продукции.

Недостатком в использовании тепла в технологических процессах обслуживания крупного рогатого скота является принцип распределения мест нагрева воды в системах и подсистемах водообеспечения и применение различных по конструктивно-технологическим параметрам (показателям) нагревательных (генерирующих) устройств. Это приводит к повышенным потерям тепла в системах водообеспечения, снижению коэффициента использования нагревательных (генерирующих) устройств, а в целом – к нерациональному использованию тепловой энергии. Поэтому исследование совместимости тепловых процессов в едином теплогенерирующем устройстве, каким в данном случае может быть бак резервирования, подогрева и распределения воды по ее технологической направленности, является своевременным и актуальным.

Результаты исследований и их обсуждение. Эффективность использования тепла при подготовке воды к ее использованию в технологическом процессе автопоения и технологической операции подмывания вымени коровы зависит от конструкции накопительной емкости (бака), ее связи с нагревательным элементом и защиты от теплопотерь во внутреннее пространство животноводческого помещения.

В системах водообеспечения технологических процессов обслуживания животных требуется вода с разной температурой (поение животных tв=12–18 ºС; санитарная обработка вымени коров 40–45 ºС) [7]. В целях экономии расхода тепла и соответственно источника тепла (электроэнергии, топлива) более эффективен способ вторичного нагрева воды за счёт передачи тепла через разделительную стенку бака, обеспечивающую заданный поток тепла в установленном временном цикле. Разделительная стенка бака может быть ориентирована относительно стенок бака в вертикальной или горизонтальной плоскости (рисунок 1).

а                                б

а – схема с горизонтальным расположением разделительной стенки; б – схема с вертикальным расположением разделительной стенки; 1 – объемы воды прямого нагрева; 2 – разделительные стенки теплообмена; 3 – объемы воды, подогреваемые через разделительную стенку;

4 – теплогенерирующее устройство; 5 – отверстия для естественной циркуляции воды Рисунок 1 – Конструктивно-технологическая схема бака с разделительными теплопередающими стенками

Сама конструкция разделительной стенки выполняется однослойной или многослойной, в зависимости от требуемой интенсивности теплового потока и его направленности. В качестве исходных данных для анализа теплового потока являются: начальные и конечные температурные показатели соседствующих объемов воды, соотношение объемов воды, временной показатель протекания технологического процесса отбора воды. При использовании, в качестве источника прямого нагрева воды в баке, электронагревательного устройства (ТЭН), теплообмен между объемами воды дополнительно может осуществляться по принципу термосифонной циркуляции. В этом случае в разделительных стенках необходимо предусматривать отверстия для естественной циркуляции воды.

При выполнении технологического процесса (технологической операции) подмывание вымени коровы, длительность которого находится в диапазоне 1,5–2 часа, температура воды в одном из объемов поддерживается в пре- делах 40–45 ºС. При этом возможно временное повышение температуры до критической – комфортной как для рук оператора машинного доения, так и для кожного покрова вымени коровы (50–55 ºС). Контроль данной температуры осуществляется датчиком температуры, который управляет рабочим процессом теплогенерирующего устройства.

Процесс нагрева объема воды, расходуемой на нужды автопоения, также контролируется датчиком температуры, который отключает теплогенерирующее устройство при достижении предельной температуры – 30 ºС.

В связи с температурными ограничениями в разрезе отдельных объемов воды необходимо определить возможный диапазон нагрева воды через разделительную стенку в процессе одновременного расхода воды на подмывание вымени и автопоение.

В качестве исходных данных для расчета необходимого количества тепла, идущего на нагрев питьевой воды для животных, принима- ем: расчётный объем воды на нужды автопоения – V м3; теплоёмкость воды – сВ (Вт/кг·ºС); плотность воды – ρ (кг/м3); ограничительные температуры нагрева воды – t1, t2.

Расчетное количество тепла, используемого на нужды автопоения, определяем по формуле

^Qne=^V'P'CB "tt 2 - t , ). (1)

С учетом расчетной потребности тепла на нагрев воды определяем временной цикл нагрева по формуле

Q„„

,

F ( t _?-z J e        2 ох/

где F – площадь поверхности разделительной стенки, м²;

δ – толщина разделительной стенки, м;

λ – коэффициент теплопроводности разделительной стенки, Вт/м² ºС;

t 2 – температура воды в объеме для подмывания вымени (40–45 ºС; кратковременный – 50– 55 ºС);

t ох – температура воды в объеме для воды на питьевые нужды (12–18 ºС; предельная – 30 ºС).

Расчетный и временной цикл подмывания вымени коров, теплопередающие свойства используемой разделительной стенки раскрывают качество процесса теплопередачи. В то же время толщина разделительной стенки δ и её конструктивное решение в области теплоизоляционных свойств являются основными факторами, влияющими на качество процесса поддержания температурного режима в водных объемах бака.

Во временные циклы между доением коров теплогенерирующее устройство (электронагревательный элемент) работает в условиях поддержания заданной (нормативной) температуры воды, расходуемой на нужды автопоения. Поэтому работа теплогенерирующего устройства протекает циклично с коммутацией потока тепла.

По результатам анализа текущих потоков подачи и расхода тепла может быть определен текущий поток расхода тепла по формуле

Ф Р . T (T)  Q TEXH  ^QnOT ■>

где φ Р.Т .( τ ) – поток тепла за счёт теплогенерирующего устройства ( Q Э );

Q ТЕХ – текущий поток тепла для нагрева воды, расходуемой на подмывание вымени коровы;

Q ПОТ – расход тепла на нужды автопоения и на компенсацию тепла, теряемого через корпус бака в окружающую среду.

Текущий поток тепла на нагрев воды в баке будет определяться с учетом следующих исходных данных: потока нагреваемой воды, проходящей через теплогенерирующее устройство – g m ; удельной теплоты нагрева воды – с ; температур поступающей и выходящей из теплогенерирующего устройства. На базе принятых исходных данных текущий поток расхода тепла определится по формуле

QTEXH “ gm c" ' (tH ~ tO)XЛ ).    (4)

Искомыми являются расходы тепла на нужды автопоения и на компенсацию тепла, теряемого через корпус бака в окружающую среду, которые составляют общие рациональные и нерациональные потери тепла. Базовыми исходными данными для их определения являются следующие исходные данные: показатели площади теплопередающих поверхностей в баке (разделительной стенки – F Р.СТ ; наружной поверхности корпуса бака – F Р.СТ ); коэффициенты теплопередачи (для разделительной стенки – К 1 ; для корпуса бака – К 2 ); показатели температуры водных объемов бака ( t Н – температура подмывочной воды; t ПЗ – температура питьевой воды; t ПОМ – температура воздуха внутри животноводческого помещения).

С учетом исходных данных общие потери тепла определяем по формуле

Q noT   К , F P c . ct ‘H  tm ^)-*" К 2 ^FH . П^{( t} H   t nOM ^).

На основании рассмотренных зависимостей текущий поток расхода тепла может быть рассчитан по формуле

Ф Р И ⁼ g m *^С* ⁽ t H — tOX ) ^К1 * F p . СТ

Сопоставление приращений полных потоков подачи и расхода тепла обосновывает приращение регулирующей массы тепла, которая может быть определена по формуле

" ^{( t}H - tn . З ) "*" К 2 "  ^ҒНП ‘ ^(tH ~ tnOM ^). (6) где G НВ – масса нагреваемой воды в накопительной ёмкости для подмывания вымени коровы, кг; с – теплоёмкость этой нагреваемой воды, Вт /кг∙ºС;

dФ = c.G„„.dt,

НВ t – температура воды для подмывания вымени в динамике ее изменения, ºС.

Анализ аналитических исследований позволяет сделать заключение, что при постоянной массе нагреваемой воды регулирующая масса тепла прямо пропорционально зависит от температуры нагрева воды для подмывания вы- мени коровы и косвенно от температуры воды, используемой на нужды автопоения. Согласование потоков подачи и расхода тепла целесообразно осуществлять периодически по критериальным температурным показателям нагрева воды в каждом из объемов бака (рисунок 2).

Н – теплогенерирующее устройство; П 1 – объем воды в баке для подмывания вымени коров (потребитель тепла); П 2 , П 4 – воздушная среда животноводческого помещения (потребитель потерь тепла через стенки бака); П 3 – объем воды в баке на нужды автопоения (потребитель тепла);

AФ, AФ^/ – регулирующая масса по теплу в разрезе резервирующих объемов воды

Рисунок 2 – Схема поточного теплового процесса регулирования потоками подачи тепла и температурными показателями потребляемого продукта (воды)

в а – трехслойный корпус бака с внутренней воздушной прослойкой; б – трехслойный корпус бака с наружной стенкой в виде гибкой диафрагмы и внутренней воздушной прослойкой;

в – многослойный корпус бака с внутренней прослойкой из воздуховодов разной технологической направленности; 1 – корпус бака; 2 – внутренняя воздушная прослойка повышенного (пониженного) давления; 3 – воздушная прослойка повышенного (пониженного) давления;

4; 5 – внутренняя прослойка из воздуховодов повышенного и пониженного давления воздуха Рисунок 3 – Схемы предлагаемых конструктивно-технологических решений корпуса бака-накопителя воды (тепла)

На основании анализа известных емкостных нагревателей воды [8–12] и с учетом того, что воздух низкого и высокого давления является эффективным теплоизолятором и то, что он может быть периодически использован во вспомогательных процессах обслуживания животных (сушка кожного покрова животного; создание водовоздушной эмульсии для массажа и подмывания вымени), нами предлагаются следующие конструктивные схемы баков-накопителей воды с повышенными теплоизоляционными свойствами (рисунок 3).

С целью определения расчетных показателей теплопотерь в баке-накопителе воды и тепла, характера распределения температуры внутри водных объемов и возможности совмещения технологических циклов нагрева воды в предлагаемом конструктивном решении бака были проведены экспериментальные исследования. Программа исследований предусматривала дискретный замер температуры в соседствующих емкостях с водой и внутри животноводческого помещения, а также на наружных плоскостях разделительной перегородки.

Экспериментальными исследованиями определялись теплотехнические характеристики наружных стенок бака, в частности воздушной прослойки.

При проведении исследований были задействованы термометр ТЭТ-2, часовая аппаратура и использован метод нагретой проволоки при определении теплопроводности воздушной прослойки.

Исследованиями установлено, что при подаче подогретой воды к подмывочному устройству с целью обработки вымени коровы, имеют место теплопотери в транспортной магистрали. Однако они незначительны (падение температуры за счет теплопотерь в транспортном водопроводе находится в пределах 1–1,5 ºС). Из-за конструктивно-технологических решений распределения воды по технологическим процессам обслуживания животных наблюдалось частичное смешивание воды разной технологической направленности, но и в результате этого фактора температурный показатель воды находился в рамках зоотехнических требований. За технологический цикл обработки вымени коровы с учетом размеров вымени и загрязненности воды падение температуры обмывочной воды находилось в пределах 4–5 ºС. При этом за время общего технологического цикла между обработкой вымени двух рядом стоящих коров (τ = 4–5 мин) температурный показатель под-мывочной воды практически восстанавливался (рост температуры воды – 3–4 ºС). Общее падение температуры воды за полный цикл доения группы коров (N=25 гол.), закрепленных за оператором машинного доения, составляет 10– 13 ºС (рисунок 4).

Уровень и динамика падения температуры воды, используемой для подмывания вымени, зависит от конструктивно-технологических решений бака-накопителя, протяженности водопроводной линии и материала водопровода, от физиологических параметров вымени, ее загрязненности и организации выполнения самого технологического процесса или отдельной технологической операции. Качество процесса зависит от конструктивных особенностей конструкции корпуса бака.

Рисунок 4 – Общая характеристика изменения температуры воды в подсистеме подмывания вымени коров

Но процесс теплообмена и его показатели напрямую связаны с водным эквивалентом (соотношения объемов воды, между которыми происходит теплообмен).

Влияние водного эквивалента на динамику изменения температуры воды в водных объемах бака показано на рисунке 5.

Нами были проведены исследования эффективности использования в разных конструктивных вариантах воздушной прослойки в корпусе накопительного бака. При этом исследовалась воздушная прослойка с пониженным (вакуум) и повышенным давлением. Причиной исследования воздушной прослойки разного давления послужила востребованность воздуха во вспомогательных процессах обслуживания животных (санитарная обработка кожного по- крова; использование водовоздушных смесей в технологических процессах при снижении расхода воды).

В результате исследований базового показателя процесса теплообмена – коэффициента теплопроводности воздушной прослойки – было установлено, что наблюдается прямая зависимость коэффициента теплопроводности от создаваемого давления воздуха в прослойке корпуса бака (рисунок 6).

Рисунок 6 – Зависимость коэффициента теплопроводности воздушной прослойки в корпусе бака от создаваемого давления

С целью снижения теплопотерь через стенки бака нами была использована воздушная прослойка в виде воздуха пониженного или повышенного давлений или в определенном их сочетании. Это показало, что изменение значения коэффициента теплопроводности воздуха находится в прямой зависимости от создаваемого давления в межстенных камерах бака (рисунок 6).

Зависимость коэффициента теплопроводности воздуха в воздушной прослойке корпуса бака от создаваемого давления воздуха может быть представлена уравнением регрессии с коэффициентом достоверности R=0,93:

2 = 0,012 Р + 0,014, (8) где λ – значение коэффициента теплопроводности, вт /м² · ºС;

Р – давление воздуха в теплоизоляционной камере, кПа.

Анализ полученных результатов по теп-лопотерям через корпус бака показывает, что на показатель теплопотерь в воздушное пространство животноводческого помещения оказывает влияние конструктивное решение стенки корпуса бака (с внутренней воздушной прослойкой; с наружной стенкой в виде гибкой диафрагмы и внутренней воздушной прослойкой; с внутренней прослойкой из воздуховодов разной технологической направленности). Однако создаваемое давление воздуха в прослойке стенки корпуса бака оказывает существенное влияние на общие теплопотери и эффективность использования тепла, вырабатываемого теплогенерирующим устройством.

Выводы

• 1.    Многофункциональный принцип использования тепла в генерирующих устройствах типа бака-накопителя и распределителя воды по технологическим процессам обслуживания КРС позволяет повысить эффективность использования источника тепла.

• 2.    Принцип вторичного нагрева сред разной технологической направленности через разделительную стенку способствует стабилизации режима работы источника тепла и повышает коэффициент его использования.

• 3.    Применительно к рассмотренным технологическим процессам мощность источника тепла (ТЭН) должна составлять 1,8 кВт (при обслуживании технологической группы животных численностью 25 голов).

• 4.    Управление процессом нагрева воды (режимом работы нагревателя) должно осуществляться двухпозиционно.

• 5.    В процессе поддержания температурного режима воды, идущей на автопоение животных, длительность работы источника тепла должна составлять 20–25 мин, а длительность простоя – 50–55 мин.

• 6.    Использование в конструкции корпуса бака многослойной стенки с воздушной прослойкой позволяет снизить теплопотери (коэффициент теплопередачи может изменяться в диапазоне от 3,88 до 8,3 Вт/м² ·ºС) и расширить функциональные возможности бака.