Система водо- и теплообеспечения технологических процессов обслуживания КРС

Введение. Структура технологических процессов обслуживания КРС многопрофильна как по количественному составу, так и по технологической направленности (Нормы технологического проектирования ферм крупного рогатого скота крестьянских хозяйств. НТП АПК 1.10.01.001-00. – Москва, 2000) [1, 2]. Она включает в себя вспомогательные технологические и производственные процессы и базовые, качественное выполнение которых непосредственно влияет на количественные показатели производимой продукции. К вспомогательным производственным процессам условно можно отнести: процесс заготовки кормов, их хранения и подготовки к скармливанию, процесс забора кормов и их доставки к месту кормления, процесс транспортировки и хранения навоза, процесс обработки кожного покрова животных, процесс обеспечения микроклимата в животноводческом помещении. К базовым процессам относятся: процесс кормления животных, процесс их поения, процесс доения коров и уборки навоза. К базовым, мы считаем, необходимо отнести процесс теплообеспечения, так как он является составной частью практически всех технологических процессов обслуживания животных [3, 4]. В этом плане характерными являются процессы автопоения и санитарной обработки кожного покрова животных. Своевременное и качественное поение в диапазоне нормативных температурных параметров воды позволяет повысить продуктивность животного, рационально использовать водные ресурсы [5]. Стабильное в рамках санитарных и технологических требований поддержание кожного покрова животных не только способствует нормальному протеканию биологических процессов у животного, но и косвенно влияет на его продуктивность. Однако анализ технико-технологического обеспечения указанных технологических процессов показывает, что используемые в производстве системы и средства водо- и теплообес- печения не обеспечивают качественное их выполнение. При этом нерационально используется вода на технологические нужды, низок коэффициент использования теплогенерирующих устройств, что ведет к дополнительным затратам на расход воды, электроэнергии или топлива [5]. Это требует проведения дополнительных исследований и разработок эффективных систем и средств водо- и теплообеспечения технологических процессов в животноводческих помещениях КРС.

Методика исследований. В основу исследований был положен метод анализа известных научных данных и технико-технологических разработок, результаты которого позволили оценить значимость и направленность проводимых последующих разработок и исследований. В результате исследований использовался метод хронометражных наблюдений, формирования статистического материала и вероятностного подхода к анализу (обработке) полученных данных.

Результаты исследований и их обсуждение. С целью разработки эффективной системы водо- и теплообеспечения рассматриваемых технологических процессов нами был проведен анализ технологических требований к их выполнению. В результате анализа было установлено, что выполнение технологического процесса автопоения крупного рогатого скота в рамках половозрастных групп животных должно соответствовать следующим показателям [6; 7]:

• –    температура питьевой воды должна находится в пределах 8–18 °С;

• –    максимально допустимая температура питьевой воды должна составлять не более 30 °С;

• –    показатель рН рекомендуется в пределах 6,0…9,0;

• –    общая жесткость воды должна соответствовать следующим показателям: 14–18 мг.экв/л.;

• –    вода должна быть приятного освежающего вкуса и не иметь специфического запаха;

Выполнение технологического процесса «обработка кожного покрова крупного рогатого скота» должно соответствовать следующим показателям [8]:

• –    температура подмывочной воды при обработке вымени коровы должна находиться в пределах 38–45 °С;

• –    давление воздействия струи на поверхность вымени коровы должно составлять 2–3 кПа;

• –    длительность технологического цикла обработки вымени – до 30 с;

• –    загрязненная вода полностью удаляется из подмывочного устройства в резервирующую емкость;

• –    температура воды для санитарной обработки кожного покрова животных должна быть в диапазоне 18–30 °С;

• –    продолжительность цикла обработки кожного покрова животного в пределах 15 минут;

• –    основными бактериальными загрязнителями кожного покрова являются споровые бактерии и маслянокислые.

Наряду с этим нами был проведен анализ действующих систем тепло- и водообеспечения технологических процессов и разработанных на уровне научных и патентных исследований [3; 9]. На основании анализа систем водо- и тепло-обеспечения, данным по требованиям к технологическим процессам было установлено, что несмотря на один и тот же рабочий агент (вода), используемый в системах, они разрабатываются обособленно для каждого технологического процесса, что увеличивает капитальные затраты при производстве конечной продукции. В ряде случаев в системах водо- и теплообеспече-ния используется дополнительно напорное оборудование в виде насосов, что увеличивает расход электроэнергии и удорожает систему. Поэтому нами предлагается усовершенствованная система водо- и тепло обеспечения технологических процессов обслуживания животных (крупного рогатого скота) (рисунок 1).

Рабочий процесс данной системы по расходу воды протекает в двух режимах: непрерывном (относительно суточного временного цикла) и периодическом. Режим отбора воды на нужды автопоения можно рассматривать как непрерывный, а режим отбора воды для обработки кожного покрова и подмывания вымени коров периодическим (циклическим). Относительно расхода воды и поддержания её в заданных температурных параметрах главным является технологический процесс автопоения животных. Относительно расхода тепла и соответственно электроэнергии главными являются технологические процессы обработки кожного покрова животных и вымени коров. Это объясняется тем, что температура нагрева воды, ис- пользуемой на эти процессы, выше. При этом данный объем воды, за счет процесса теплопе- редачи, способствует поддержанию заданной температуры питьевой воды.

1 – бак-накопитель (многосекционный); 2 – вакуумируемые камеры; 3 – секция-накопитель воды на нужды автопоения; 4 – трубопровод подачи воды; 5 – клапанно-поплавковое устройство; 6 – опорожнитель; 7 – подводящий вакуумный трубопровод; 8 – распределительный вакуум-провод; 9 – секция-накопитель активированной воды (рН-кислая);

10 – секция-накопитель активированной воды (рН-щелочная); 11, 12 – трубопроводы подачи активированной воды;

13 – электроактиватор (теплогенерирующее устройство); 14 – оборотный трубопровод; 15, 16 – трубопроводы подачи активированной воды на технологические нужды (обработка кожного покрова животного; подмывание вымени коровы); 17 – распределительный трубопровод активированной воды на технологические нужды; 18 – отвод для подсоединения гибкого рабочего трубопровода; 19 – струна подвеса; 20 – рабочий трубопровод подвода активированной воды;

21 – устройство для обработки кожного покрова; 22 – гибкий трубопровод отвода загрязненной воды; 23 – трубопровод транспортировки загрязненной воды в бак временного хранения; 24 – бак временного хранения загрязненной воды;

25 – магистральный трубопровод подачи воды в систему автопоения; 26 – система автопоения; 27 – автопоилка;

28 – поливочный кран; 29 – вентиль; 30 – трубопровод оборотной питьевой воды; 31 – межсекционная перегородка Рисунок 1 – Многофункциональная система водо- и теплообеспечения технологических процессов обслуживания КРС

В режиме процесса автопоения система работает следующим образом. Система полностью заполняется водой, что контролируется клапанно-поплавковым устройством. После этого включается в работу электроактиватор и теплогенерирующее устройство. За счет движения теплового агента (воды), предварительно разделенного по показателю рН, в режиме естественной циркуляции осуществляется нагрев воды в емкостях активированной воды (щелочная; кислая) до нормативного уровня (t = 40…45 °С или 30 °С). Одновременно происходит нагрев питьевой воды за счёт теплообмена через вакуумируемую разделительную стенку (перенос тепла от объема активированной воды с более высо- кой температурой к объему питьевой воды с более низкими показателями температурного уровня). В этом рабочем цикле подсистема автопоения животных работает в циркуляционном режиме. Вода из секции бака для питьевой воды, через систему трубопроводов и вакуумируемый опорожнитель, возвращается обратно в секцию для питьевой воды. Происходит выравнивание температуры воды по всей системе. Интенсивность теплопередачи и нагрева питьевой воды регулируется величиной вакуума в разделительной стенке и в полой стенке корпуса бака-накопителя. При достижении заданной температуры питьевой воды электроактиватор и теплогенерирующее устройство отключаются.

В режиме технологических процессов обработки кожного покрова и подмывания вымени коровы второй и третий технологические контуры системы работают в постоянном режиме по двум циклам: подготовка воды по показателю рН и её температурному показателю. В отдельных случаях технологические циклы могут быть объединены в один цикл нагрева и подготовки активированной воды.

Для обоснования емкостных (размерных) параметров бака-накопителя рабочего агента (воды на технологические нужды) необходимо было провести исследования по расходу рабочего агента его технологической направленности. В результате исследований процесса отбора воды животными при поении было установлено, что данный процесс является случайным по таким показателям, как количество одновременно потребляющих воду животных и длительность её разового потребления. Примеры распределения загрузки линии автопоения по количеству обслуживаемых животных и длительности разового отбора воды животным представлены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Распределение загрузки линии автопоения по количеству одновременно обслуживаемых животных

1, 2, 3, 4 – одновременный отбор воды одним, двумя, тремя и четырьмя животными соответственно Рисунок 3 – Распределение длительности одновременного разового отбора воды животными

На основании этих данных и данных по интенсивности отбора воды животными технологический объем камеры под питьевую воду можно определить по формуле

V кт

а-т-N , q τ ^ж , м³,

где q – максимальная интенсивность разового потребления воды животным, л/мин;

τ – максимальная длительность разового потребления воды животным, мин.;

Nж – максимальное количество животных одновременно потребляющих воду, гол.

При разработке конструктивных размеров камеры для питьевой воды необходимо учиты- вать запас воды с учетом аварийных случаев с перебоями подачи воды в систему водообеспе-чения животноводческого помещения, объём загрязнений камеры в процессе эксплуатации, объем, занимаемый клапанно-поплавковым устройством, и коэффициент заполнения камеры.

Рассматривая технологический процесс обработки кожного покрова животных, необходимо учитывать, что две камеры с активированной водой (щелочной и кислой) представляют собой одно целое, разделенное перегородкой на две равновеликие части. При этом расход содержимого в них (щелочной или кислой воды) осуществляется в равных количествах с перио-

V_Km = ФТ • ^ кт         ж

где φ – коэффициент производительности

(φ = 0,75);

τ – длительность подмывания вымени одной коровы, с;

N ж – количество обслуживаемых коров, гол.;

F от – площадь сечения отверстий подмывоч-ного устройства, м²;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Н – высота столба жидкости в линии подачи воды к подмывочному устройству, м.

Для общего показателя объема активированной воды расчетный показатель по расчетной формуле удваивается.

Данный технологический процесс является базовым по температуре нагрева воды (38– 45 °С) для рассматриваемого технико-технологического комплекса. Поэтому по показателям данного технологического процесса рассчиты- дической сменой их использования. Поэтому расчет ведется по технологическому объему для одной камеры, в разрезе направленности технологических циклов.

Для подмывания вымени коров в качестве исходных данных для расчета используются следующие исходные данные: количество обслуживаемых коров, необходимое количество воды для подмывания вымени одной коровы и коэффициент неравномерности расхода воды в рамках временного цикла одной дойки.

С учетом принятых исходных данных расчетная формула по объему резервируемой технологической воды в одной камере может быть представлена в сл едующе м виде:

• • Ғ от • хті м 3 , (2)

ваются эксплуатационные данные теплогенерирующего устройства. Одним из характерных показателей теплогенерирующего устройства является его расчетная мощность. Основными исходными данными для расчета являются: расход воды на подмывание всего поголовья обслуживаемых коров, средняя температура нагреваемой воды, температура воды, поступающей из водопроводной сети (4–11 °С), температура окружающего воздуха внутри животноводческого помещения, удельная теплоемкость воды, коэффициент теплопередачи через наружные поверхности всех элементов данного технологического контура [10, 11].

С учетом указанных данных при обосновании мощности теплогенерирующего устройства может быть использована следующая расчетная зависимость (формула):

Q * с (tH - tn )+^ Fi ■ Кі "tH» - te ) ПТ где Q – расход воды на подмывание вымени обслуживаемых коров, м3/час;

с – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·°С);

t н – нормативная температура нагреваемой воды, °С;

t п – температура воды, поступающая из водопроводной сети, °С;

t в – температура окружающего воздуха в животноводческом помещении, °С;

F i – теплоотдающая поверхность структурного элемента технологического контура, м²;

τ – технологически обоснованное время работы нагревателя теплогенерирующего устройства, ч;

К i – коэффициент теплопередачи через теплопередающие поверхности, Вт/(м² °С);

η – коэффициент полезного действия нагревателя.

Технологически обоснованное время работы нагревателя теплогенерирующего устройства определяется на основе анализа временных разрывов между началом выполнения технологических циклов в рамках зоотехнических требований или распорядка рабочего дня по животноводческому объекту. Так, технологический процесс обработки кожного покрова может выполняться ежедневно или раз в неделю. В то же время процесс доения коров в течение суток может осуществляться в двух или трех цикловых режимах. Максимальное потребление тепла по процессу автопоения животных приходится на период активного потребления воды в 1,5–2-часовой период после раздачи корма животным. Поэтому для эффективного использования теплогенерирующего устройства (расход тепла, электроэнергии) необходимо найти баланс между возможной длительностью работы нагревательного элемента, его мощностью и интенсивностью забора тепла в рамках рассматриваемых технологических процессов обслуживания животных.

Выводы

• 1.    Предлагаемая система решает комплексную задачу обеспечения качественного выполнения трех технологических процессов обслуживания животных, при использовании одного теплогенерирующего устройства, в котором технологический продукт вода одновременно является тепловым агентом.

• 2.    Технико-технологическое решение системы водо- и теплообеспечения технологических процессов обслуживания животных позволяет снизить общий расход электроэнергии за счет вторичного использования тепла, вырабатываемого теплогенерирующим устройством.

• 3.    Комплексное технологическое решение водо- и теплообеспечения трех технологических процессов обслуживания животных позволяет повысить коэффициент использования теплогенерирующего устройства в течение суток.