Обґрунтування режимів роботи теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

«ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА»

АВТОРЕФЕРАТ

ОБҐРУНТУВАННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ ТЕПЛОУТИЛІЗАТОРІВ ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ ВИКИДІВ ТВАРИННИЦЬКИХ ПРИМІЩЕНЬ

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному науковому центрі «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» Національної академії аграрних наук України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Герасимчук Юрій Васильович, Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» НААН України, завідувач відділу електрифікації.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Фененко Анатолій Іванович, Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» НААН України, головний науковий співробітник відділу науково технічних проблем в тваринництві;

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Голодний Іван Михайлович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, доцент кафедри електропривода та електротехнологій.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного наукового центру «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 205.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С. П. Москаленко

Загальна характеристика роботи

Промисловий розвиток тваринництва та птахівництва нерозривно пов'язаний з їх енергетичним забезпеченням. Враховуючи той факт, що в структурі енергоспоживання тваринницьких ферм від 40 до 90% енергоресурсів витрачається на підтримання оптимальних параметрів повітряного середовища, переважна частина яких споживається теплогенеруючими установками для підігріву припливного повітря, то навіть часткове скорочення цих затрат приведе до суттєвого скорочення затрат на виробництво продукції тваринництва.

Одним із найефективніших методів скорочення енерговитрат в системах забезпечення мікроклімату тваринницьких приміщень в перехідний і холодний періоди року є застосування теплоутилізаторів вентиляційних викидів.

Актуальність теми: Теплоутилізатори вентиляційних викидів набули широкого розповсюдження в системах вентиляції, опалення та кондиціонування житлово-комунальних та адміністративних приміщень. Такі приміщення, як правило, вимагають незначних об'ємів вентиляції, а їх повітряне середовище характеризується невеликим вмістом забруднюючих речовин та водяної пари.

Викидне повітря тваринницьких приміщень містить значну кількість теплової енергії, проте існуючі системи утилізації теплоти внаслідок наявності забруднюючих речовин, вологості та концентрації агресивних газів при значних об'ємах вентиляції непридатні до застосування, швидко виходять з ладу або ж мають низьку енергетичну ефективність. До того ж існуючі способи захисту теплообмінної поверхні від обмерзання за даних умов не забезпечують надійну безвідмовну роботу теплоутилізаторів. Врахування цих особливостей при створенні мікроклімату тваринницьких та птахівничих приміщень дозволить суттєво скоротити енергоспоживання, підвищити продуктивність та рентабельність тваринницьких підприємств.

Таким чином набувають актуальності дослідження режимів роботи, розробка та застосування теплоутилізаторів вентиляційних викидів в системі забезпечення мікроклімату тваринницьких та птахівничих приміщень із врахуванням умов їх експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в відділі електрифікації сільського господарства ННЦ «ІМЕСГ» НААН Укарїни у відповідності з програмами науково-дослідних робіт «Розробити наукові основи створення і ефективного використання засобів електротехнологій для підготовки насіння сільськогосподарських культур та забезпечення мікроклімату в тваринницьких приміщеннях» в 2001 - 2005 р.р. (державний реєстраційний номер 0102U000064) та «Розробити наукові основи та енергозберігаючі технологічні процеси і технічні засоби з використанням електротехнологій для створення комфортних екологічно безпечних умов в виробничих приміщеннях і підготовки насіння сільськогосподарських культур» в 2006 - 2010 р.р. (державний реєстраційний номер 0106U011252).

Мета досліджень: підвищення ефективності застосування рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів в тваринницьких приміщеннях.

Завдання досліджень:

розробити математичну модель теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень та дослідити взаємозв'язок їх параметрів з температурою і відносною вологістю повітря в приміщенні та зовнішнього середовища;

визначити параметри та дослідити режими роботи рекуперативних теплоутилізаторів в тваринницьких та птахівничих приміщеннях з урахуванням умов їх експлуатації;

розробити спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень із захистом теплообмінної поверхні від обмерзання та дослідити його ефективність при застосуванні в тваринницьких приміщеннях;

розробити методику та провести експериментальні дослідження технічних параметрів рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів із системою захисту теплообмінної поверхні від обмерзання;

провести порівняльний енергетичний та техніко-економічний аналіз ефективності застосування теплоутилізаторів вентиляційних викидів в тваринницьких приміщеннях.

Об'єкт досліджень: процес утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень рекуперативними теплоутилізаторами із захистом від обмерзання теплообмінної поверхні.

Предмет досліджень: взаємозв'язок між параметрами та режимами роботи теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень та параметрами повітря зовнішнього середовища і в приміщенні.

Методи досліджень: теоретичні дослідження ґрунтуються на застосуванні методів математичного моделювання з використанням положень законів термодинаміки та ексергетичного методу оцінки термодинамічних процесів. Експериментальні дослідження та обробка експериментальних даних проводились з використанням методів планування експерименту, поліноміальної та лінійної апроксимації, найменших квадратів. Теоретичні розрахунки, обробка експериментальних даних, моделювання та графічне відображення залежностей виконано з використанням прикладного програмного забезпечення для OS Windows: Microsoft Office 2010, MathCAD 14, Компас 3D V10.

Наукова новизна отриманих результатів: Вперше встановлено закономірності між параметрами теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень та режимами його роботи з врахуванням вологості повітря в приміщенні та зовнішнього середовища.

Удосконалено методику дослідження енергетичної ефективності застосування рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів з різними способами захисту теплообмінної поверхні від обмерзання.

Набули подальшого розвитку методи випробувань теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень з врахуванням вологомісткості повітряних потоків, які покладені в основу СОУ 74.3-37-265:2005 «Рекуперативні теплоутилізатори вентиляційних викидів тваринницьких приміщень. Методи випробувань»

Обґрунтована можливість використання рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень при найменших температурах повітря зовнішнього середовища, характерних для кліматичних умов України та розроблено спосіб захисту теплообмінної поверхні рекуперативних теплоутилізаторів від обмерзання з підвищенням ефективності їх застосування в системі забезпечення мікроклімату тваринницьких та птахівничих приміщень, підтверджений патентом України на винахід № 56839 «Спосіб утилізації теплоти викидного повітря».

Практичне значення одержаних результатів:

Обґрунтовано технічні параметри рекуперативних теплоутилізаторів. Розроблено та впроваджено спосіб захисту теплообмінної поверхні від обмерзання, обґрунтовано енергетична ефективність його застосування. Розроблена та досліджена система керування захистом теплообмінної поверхні теплоутилізаторів від обмерзання. Побудовано алгоритм розрахунку вартості енергоносіїв на створення мікроклімату тваринницьких та птахівничих приміщень при застосуванні теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень.

Особистий внесок здобувача: Основні дослідження за темою дисертаційної роботи виконані автором особисто. Особистий внесок автора в результатах досліджень, проведених у співавторстві та викладених в дисертації полягає в наступному: розроблена наукова гіпотеза, мета і задачі досліджень; проведені дослідження існуючих способів утилізації теплоти вентиляційних викидів, способів та технічних засобів захисту теплообмінної поверхні від обмерзання, методик досліджень та визначення параметрів рекуперативних теплоутилізаторів; отриманий взаємозв'язок параметрів теплоутилізаторів із параметрами повітря в приміщенні та зовнішнього середовища; визначені та досліджені режими роботи теплоутилізаторів з урахуванням параметрів повітря в приміщенні та зовнішнього середовища; обґрунтований спосіб захисту теплообмінної поверхні від обмерзання із застосуванням додаткового теплообмінника для попереднього підігріву припливного повітря; проведена енергетична та техніко-економічна оцінка застосування рекуперативних теплоутилізаторів з різними способами захисту теплообмінної поверхні від обмерзання в тваринницьких та птахівничих приміщеннях; розроблені ескізні креслення та виготовлені експериментальні зразки рекуперативних теплоутилізаторів; експериментально підтверджена теплопродуктивність теплоутилізаторів розробленого способу захисту та визначено частку повітря, яку необхідно подавати в додатковий теплообмінник для запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні.

Апробація результатів досліджень: Основні положення і результати досліджень обговорені на Міжнародних науково - технічних конференціях «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві» (ННЦ «ІМЕСГ» УААН, с.м.т. Глеваха, 2001, 2005 - 2011 р.р.); VII міжнародній науково - технічній конференції «Науково - технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій» (УкрНДІПВТ, смт. Дослідницьке, 2005р.); Міжнародній науково - технічній конференції до 110-річчя Національного аграрного університету «Аграрна інженерія в умовах глобалізації» (2008 р.).

Публікації: За результатами досліджень опубліковано 13 наукових праць, з них 8 статей у фахових виданнях, 2 СОУ та 3 патенти на винахід.

Структура та обсяг дисертації: Дисертація викладена на 177 сторінках, з них основна частина 122 сторінки, включає 31 рисунок, 4 таблиці, список використаної літератури з 148 джерел, 7 додатків.

Основний зміст роботи

У першому розділі «Аналіз сучасного стану використання теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень» проаналізовано способи та технічні засоби для утилізації теплоти вентиляційних викидів, систем керування і методи визначення технічних параметрів та ефективності застосування теплоутилізаторів в системах забезпечення мікроклімату житлових, адміністративних та виробничих приміщень.

Значний вклад у формування наукових основ забезпечення мікроклімату в виробничих приміщеннях, в тому числі з використанням утилізації теплоти вентиляційних викидів, зробили вчені: Драганов Б. Х., Богословский В. Н., Бабаханов Ю. М., Чечёткин А. В., Мартиненко І. І., Пчелкин Ю. Н., Кокорин О. Я., Баркалов Б. В., Мишуров Н. П., Самарин О. Д., Белова Е. М., Богуславский Л. Д., Вишневский Е. П., Голуб Г. А., Стефанов Е. В., Зайцев А. М., Лебедев П. Т., Лебедь А. А., Мотес Э., Прыгунов Ю. М., Баротфи И., Рафан П., Свистунов В. М., Строй А. Ф. та ін.

Основною невирішеною проблемою є обмерзання теплообмінної поверхні при температурах зовнішнього повітря менших мінус 5… 8°С. Встановлено, що існуючі рекуперативні та регенеративні теплоутилізатори в виробничих приміщеннях сільськогосподарського призначення працюють неефективно при низьких температурах зовнішнього середовища, системи керування не забезпечують дійовий захист, а методики визначення технічних параметрів не враховують впливу конденсації водяної пари на ефективність утилізації теплоти та обмерзання теплообмінної поверхні.

Найбільш придатними засобами для утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень є рекуперативні протиточні та перехрестнопоточні теплоутилізатори, виготовлені на основі полімерних матеріалів. При цьому існує необхідність у розробці ефективних способів утилізації теплоти із захистом від обмерзання теплообмінної поверхні та обґрунтуванні режимів роботи теплоутилізаторів із врахуванням нормативних параметрів повітряного середовища приміщень, що дозволить зменшити затрати теплоти на підтримання мікроклімату тваринницьких приміщень в холодний та перехідний періоди року.

У другому розділі «Теоретичні дослідження процесу утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень» встановлено взаємозв'язок між параметрами теплоутилізаторів та параметрами повітря в приміщенні і зовнішнього середовища, що дозволило врахувати вплив відносної вологості повітря на ефективність утилізації теплоти та обмерзання теплообмінної поверхні, дослідити режими роботи теплоутилізаторів з врахуванням нормативних параметрів повітряного середовища тваринницьких та птахівничих приміщень та визначити ефективність утилізації теплоти при застосуванні різних способів захисту теплообмінної поверхні від обмерзання.

Основним конструктивним параметром теплоутилізаторів прийнято коефіцієнт температурної ефективності. Математичною моделлю теплоутилізаторів, що встановлює взаємозв'язок між конструктивними параметрами теплоутилізаторів та параметрами повітря в приміщенні і зовнішнього середовища, визначена система рівнянь:

де - коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора; , - температура повітря на вході та виході викидних каналів теплоутилізатора відповідно, єС; , - температура повітря на вході та виході припливних каналів теплоутилізатора відповідно, єС; - коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари; - питома теплота пароутворення, кДж/кг; - питома теплоємність повітря, кДж/(кг·°С); , - вологомісткість повітря на вході та виході викидних каналів теплоутилізатора.

Вологомісткість повітря в кілограмах водяної пари на кілограм сухого повітря на вході та виході викидних каналів теплоутилізатора при =100% визначалась за формулами:

де , - відносна вологість повітря на вході та виході викидних каналів теплоутилізатора відповідно, %; - атмосферний тиск, Па; , , - постійні величини, = 6,1121 гПа, =241,2єС, =17,5043.

Температура конденсації водяної пари в викидних каналах теплоутилізатора, , визначалась за формулою:

Обмерзання теплообмінної поверхні починається тоді, коли її температура стає меншою 0°С. Тому умову початку обмерзання можна виразити залежностями:

З використанням розробленої математичної моделі , із врахуванням умов , , граничні коефіцієнти температурної ефективності конденсації водяної пари, , та початку обмерзання теплообмінної поверхні, , визначались за формулами:

З побудованих залежностей режимів роботи рекуперативних теплоутилізаторів від температури повітря зовнішнього середовища (рис. 1) можна зробити висновок, що режим роботи теплообмінної поверхні стосовно відсутності чи наявності обмерзання і конденсації водяної пари буде перебувати в одній із трьох зон: А - зона з «сухим» режимом роботи, В - зона з конденсацією водяної пари на теплообмінній поверхні, С - зона обмерзання теплообмінної поверхні. Якщо врахувати, що коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора рекомендується приймати не нижче 0,5, то «сухий» режим роботи теплоутилізаторів в тваринницьких приміщеннях практично не зустрічається, а обмерзання теплообмінної поверхні можливе при температурі повітря зовнішнього середовища меншій мінус 3°С.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для захисту теплообмінної поверхні від обмерзання запропоновано спосіб захисту, який базується на тому, що припливне повітря при низьких температурах зовнішнього середовища попередньо підігрівається в додатковому теплообміннику за рахунок теплоти припливного повітря, підігрітого основним теплообмінником (рис. 2). З використанням залежностей - та функціональної схеми запропонованого способу захисту (рис. 2, а) отриманий взаємозв'язок між технічними параметрами основного та додаткового теплообмінників теплоутилізатора та параметрами повітря в приміщенні і зовнішнього середовища:



де , - коефіцієнти температурної ефективності основного та додаткового теплообмінників теплоутилізатора відповідно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для отримання максимальної ефективності утилізації теплоти необхідно застосувати систему керування, яка забезпечить надходження такої частини потоку підігрітого припливного повітря в додатковий теплообмінник, при якій температура теплообмінної поверхні теплоутилізатора буде близькою до 0°С (рис. 2, б). Таким чином зберігається максимально можлива різниця температур на вході припливних та виході викидних каналів основного теплообмінника, а отже досягається максимальна теплопродуктивність теплоутилізатора.

Із врахуванням залежностей встановлено взаємозв'язок між параметрами теплообмінників теплоутилізатора та температурою зовнішнього повітря, при якій починається обмерзання теплообмінної поверхні ,°С:

З використанням отриманих формул , , отримані залежності коефіцієнта утилізації теплоти додаткового теплообмінника від температури повітря зовнішнього середовища для забезпечення необмерзання теплообмінної поверхні теплоутилізатора (рис. 3). Так, якщо застосувати теплоутилізатори з коефіцієнтом температурної ефективності основного теплообмінника 0,5 та додаткового 0,4 в приміщенні пташника з температурою повітряного середовища 16єС та відносною вологістю 70%, то обмерзання теплообмінної поверхні починається при температурі повітря зовнішнього середовища мінус 15,7єС. Якщо застосувати в даному випадку додатковий теплообмінник з коефіцієнтом температурної ефективності 0,5 , то теплоутилізатор працюватиме без обмерзання до температури повітря зовнішнього середовища мінус 19,8єС. При застосуванні аналогічного теплоутилізатора з періодичним режимом роботи обмерзання теплообмінної поверхні наступає вже при температурі мінус 7,4єС.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ефективність утилізації теплоти теплоутилізаторами вентиляційних викидів визначалась із використанням математичної моделі , та рівнянь теплового балансу. Якщо розглядати теплоутилізатори як джерело енергії, то потребу тваринницького приміщення в тепловій енергії при застосуванні теплоутилізаторів з будь-яким способом захисту теплообмінної поверхні від обмерзання можна визначити за формулою, кВт·год:

де - період стояння температур повітря зовнішнього середовища, год; - повітрообмін приміщення, кг/год; , - ентальпії повітря в приміщенні та зовнішнього середовища, кДж/кг; - питомі втрати теплоти через огородження приміщення, кВт/°С; - тепловий потік від однієї тварини, кВт; - кількість тварин в приміщенні, гол.

З використанням вказаних аналітичних залежностей визначені показники ефективності застосування теплоутилізаторів в тваринницьких та птахівничих приміщеннях (рис. 4) - (рис. 8).

Найвища теплопродуктивність теплоутилізатора спостерігається при застосуванні способу захисту теплообмінної поверхні від обмерзання із застосуванням додаткового теплообмінника (рис. 4). Спосіб захисту, який базується на застосуванні підігріву припливного повітря додатковим джерелом теплоти має таку ж теплопродуктивність, але попередній підігрів припливного повітря вимагає значної кількості теплової енергії. Так, при температурі повітря зовнішнього середовища мінус 15°С такі теплоутилізатори мають теплопродуктивність 217 кВт, при цьому тепловий потік для захисту теплообмінної поверхні від обмерзання становить 100 кВт, а при температурі мінус 20°С - вже 153 кВт.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Із використанням даних метеорологічних спостережень та теплового балансу тваринницьких приміщень отримані гістограми потреби тваринницьких приміщень в тепловій енергії для забезпечення нормованих параметрів повітряного середовища при застосуванні теплоутилізаторів з різними способами захисту теплообмінної поверхні від обмерзання (рис. 5).

Встановлено, що потреба приміщення для утримання курей промислового стада на 30 тис. голів в тепловій енергії для підтримання нормативних параметрів повітряного середовища за опалювальний період при застосуванні теплоутилізаторів з коефіцієнтом температурної ефективності основного теплообмінника 0,6 та додаткового теплообмінника 0,5 становить 94 МВт·год, теплоутилізаторів з підігрівом припливного повітря додатковими джерелами теплоти - 144 МВт·год, теплоутилізаторів з байпасним каналом - 165 МВт·год, теплоутилізаторів з періодичним режимом роботи - 246 МВт·год. При цьому потреба в тепловій енергії без застосування теплоутилізаторів складає 413 МВт·год.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорочення витрат теплової енергії при застосуванні теплоутилізаторів з попереднім підігрівом припливного повітря за рахунок додаткових джерел енергії збільшується при підвищенні коефіцієнта температурної ефективності до 80%, а при застосуванні додаткового теплообмінника - до 90% (рис. 6). При застосуванні додаткового теплообмінника з коефіцієнтом температурної ефективності до 0,5 скорочення витрат теплової енергії підвищується, а при подальшому збільшені - не змінюються (рис. 7).

Така тенденція спостерігається для теплоутилізаторів з будь-яким коефіцієнтом температурної ефективності основного теплообмінника. Отже, застосування додаткового теплообмінника з коефіцієнтом температурної ефективності для захисту теплообмінної поверхні від обмерзання дозволить забезпечити захист теплоутилізатора на всьому діапазоні температур повітря зовнішнього середовища та скоротити затрати теплоти на підтримання нормативних параметрів повітряного середовища до 90%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

У третьому розділі «Методика експериментальних досліджень теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень» для визначення теплотехнічних характеристик рекуперативних теплоутилізаторів з врахуванням конденсації водяної пари та перевірки надійності роботи системи захисту теплообмінної поверхні від обмерзання програмою експериментальних досліджень було передбачено: розробка конструкції та виготовлення експериментальних зразків рекуперативних теплоутилізаторів на основі полімерних матеріалів, розробка блоку керування захистом від обмерзання теплообмінної поверхні, розробка та виготовлення стенда для дослідження рекуперативних теплоутилізаторів з врахуваннях конденсації водяної пари, визначення коефіцієнта температурної ефективності та коефіцієнта використання теплоти конденсації водяної пари, що подається в додатковий теплообмінник для захисту від обмерзання теплообмінної поверхні. теплоутилізатор вентиляційний тваринницький приміщення

У відповідності з програмою досліджень розроблені та виготовлені експериментальні зразки рекуперативних теплоутилізаторів на основі полімерних матеріалів перехрестнопоточний блочно-модульної конструкції з продуктивністю по повітрю 100-500м³/год (рис. 8), протиточний з продуктивністю до 2000 м³/год (рис. 9), а також блок керування режимами роботи та захистом від обмерзання теплообмінної поверхні рекуперативних теплоутилізаторів. З використанням експериментального протиточного теплоутилізатора розроблена методика та стенд для дослідження рекуперативних теплоутилізаторів з врахуванням вологості викидного повітря (рис. 10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень» представлено результати експериментальних досліджень по визначенню частки повітря, що подається з виходу припливних каналів в додатковий теплообмінник для забезпечення необмерзання теплообмінної поверхні. Розрахункова температура початку обмерзання теплообмінної поверхні теплоутилізатора складала мінус 7,8°С. Частка підігрітого припливного повітря, що направляється в додатковий теплообмінник для захисту теплообмінної поверхні від обмерзання визначалась за формулою, %:

Отримані експериментальні дані апроксимовані поліномом другого порядку виду (рис. 11):

За результатами експериментальних досліджень розрахована теплопродуктивність експериментального зразка полімерного протиточного рекуперативного теплоутилізатора з додатковим теплообмінником (рис. 12). Отримані дані апроксимовані двома лінійними рівняннями, кВт:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

У п'ятому розділі «Виробнича перевірка та техніко - економічне обґрунтування теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень» представлені результати виробничої перевірки експериментальних зразків теплоутилізаторів та техніко-економічний розрахунок ефективності їх застосування в типових тваринницьких приміщеннях.

Параметри експериментального зразка рекуперативного перехреснопоточного теплоутилізатора блочно-модульної конструкції теплоутилізатора визначались експериментально безпосередньо в приміщенні для утримання бройлерів в кліткових батареях на глибокій підстилці. При цьому коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора мав значення , витрата викидного та припливного повітря 0,037кг/с (100м³/год), а коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари . За період вирощування бройлерів (45 днів) на підігрів повітря в приміщенні було затрачено 565 кВт·год. Кількість теплової енергії, повернутої теплоутилізатором, дорівнювала 555 кВт·год. Загальні витрати теплової енергії на створення мікроклімату склали 1120 кВт·год. Таким чином скорочення витрат електроенергії на створення мікроклімату в приміщенні склало 49,6%.

Виробнича перевірка рекуперативного протиточного теплоутилізатора на основі полімерних матеріалів проведена в приміщенні мініферми із розведення кролів дослідного господарства «Оленівське» (рис. 13). Встановлено, що коефіцієнт температурної ефективності рекуперативного теплоутилізатора має значення 0,51, постійна теплопродуктивності - 0,139 кВт/єС при подачі припливного і викидного повітря 780 м³/год. При цьому встановлена потужність електроприводів припливного і викидного вентиляторів 180 і 120 Вт відповідно.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техніко-економічна ефективність визначалась для рекуперативних теплоутилізаторів з періодичним режимом роботи I, попереднім підігрівом припливного повітря за рахунок додаткового джерела теплової енергії II та з додатковим теплообмінником III з продуктивністю по повітрю 5 тис. м³/год, коефіцієнтом температурної ефективності з_t = 0,6, коефіцієнтом використання теплоти конденсації водяної пари викидного повітря о = 0,2 в приміщенні для утримання свиней на відгодівлі на 1200 голів з параметрами повітряного середовища при забезпеченні мінімального повітрообміну (0,3м³/год на 1кг живої маси тварин). Строк експлуатації теплоутилізаторів 5 років. Результати розрахунків представлені в табл. 1

Таблиця 1 Техніко-економічна оцінка застосування теплоутилізаторів в системі забезпечення мікроклімату в приміщенні для утримання свиней на відгодівлі на 1200 голів

Показник	Варіант
	I	II	III
Сумарний час роботи, год.	2546	3367	3360
Вартість енергоносіїв, тис.грн:
без теплоутилізаторів	167,57	167,57	167,57
з теплоутилізаторами	72,88	41,06	28,08
Вартість заощаджених енергоносіїв, тис.грн.	94,69	126,51	139,49
Питома вартість заощаджених енергоносіїв (на один теплоутилізатор), тис.грн.	11,836	15,814	17,436
Термін окупності інвестицій, років	0,94	0,88	0,80

Висновки

1. В результаті аналізу досліджень та досвіду експлуатації технічних засобів для утилізації теплоти вентиляційних викидів встановлено, що найбільш перспективними для тваринницьких приміщень є рекуперативні теплоутилізатори з протиточним та перехресним рухом повітряних потоків на основі полімерних матеріалів. При цьому існує необхідність у вдосконаленні системи керування та способів захисту теплообмінної поверхні від обмерзання із врахуванням нормативних параметрів повітряного середовища цих приміщень.

2. Теоретичні дослідження процесу утилізації теплоти вентиляційних викидів із застосуванням розробленої математичної моделі показали, що теплоутилізатори можуть працювати в «сухому» режимі, з конденсацією водяної пари на теплообмінній поверхні та з обмерзанням теплообмінної поверхні. При застосуванні теплоутилізаторів з коефіцієнтом температурної ефективності 0,5 і більше в тваринницьких приміщеннях обмерзання теплообмінної поверхні можливе при температурі зовнішнього середовища мінус 3°С. При підвищенні відносної вологості повітря в приміщенні температура обмерзання зменшується.

3. Застосування способу утилізації теплоти із захистом від обмерзання теплообмінної поверхні з попереднім підігрівом припливного повітря в додатковому теплообміннику в теплоутилізаторах з коефіцієнтами температурної ефективності основного теплообмінника 0,6 та додаткового 0,5 в тваринницькому приміщенні з температурою 16°С та відносною вологістю 70% забезпечує необмерзання теплообмінної поверхні до температури повітря зовнішнього середовища мінус 20,8°С і скорочує витрати теплової енергії на забезпечення нормативних параметрів повітряного середовища до 78%.

4. Експериментальні дослідження теплоутилізатора із використанням розробленої методики стендових випробувань показали, що коефіцієнт підвищення теплообміну за рахунок конденсації водяної пари є постійним параметром теплоутилізатора та становить 0,18. При зниженні температури повітря зовнішнього середовища до температури обмерзання теплообмінної поверхні теплопродуктивність протиточного теплоутилізатора з коефіцієнтом температурної ефективності основного теплообмінника 0,51 та додаткового 0,48 зростає, а при подальшому зниженні температури не змінюється та складає 6,3 кВт. Експериментальний зразок рекуперативного перехреснопоточного полімерного теплоутилізатора з продуктивністю по повітрю 100м³/год, коефіцієнтом температурної ефективності 0,7 та коефіцієнтом підвищення теплообміну за рахунок конденсації водяної пари 0,22 при застосуванні в приміщенні для вирощування бройлерів на 100 голів за час виробничих випробувань забезпечив скорочення енергоносіїв на 49,6%. При застосуванні експериментального протиточного полімерного теплоутилізатора з коефіцієнтом температурної ефективності 0,51 в приміщенні мініферми на 256 кролів встановлено, що постійна теплопродуктивності складає 0,139 кВт/єС та забезпечує скорочення витрат енергоносіїв не менше 60%.

5. При застосуванні теплоутилізаторів з коефіцієнтом температурної ефективності основного теплообмінника 0,6 та додаткового теплообмінника 0,5 в приміщенні для утримання свиней на відгодівлі на 1200 голів затрати теплової енергії на підтримання нормативних параметрів повітряного середовища складають 94,6 МВт·год вартістю 28,08 тис. грн. при опаленні газом або 68,13 тис. грн. при опаленні електроенергією.

При цьому затрати теплової енергії без застосування теплоутилізаторів складають 564,7 МВт·год вартістю 167,57 тис. грн. та 406,63 тис. грн. відповідно.

Вартість заощаджених енергоносіїв при використанні теплоутилізаторів із додатковим теплообмінником в приміщенні для утримання свиней на відгодівлі на 1200 голів складає 139,5 тис. грн, що на 47% більше, ніж при застосуванні теплоутилізаторів з періодичним режимом роботи та на 10% - з додатковим підігрівом припливного повітря. Строк окупності інвестицій при застосуванні теплоутилізаторів з додатковим теплообмінником складає 0,8 року.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Герасимчук Ю. В. Оцінка ефективності теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень / Ю. В. Герасимчук, О. Ф. Довбненко // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України». Вип.6. Харків, 2001, с-96-100. (автором визначені базові показники ефективності теплоутилізаторів вентиляційних викидів).

2. Герасимчук Ю. В. Математична модель теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень / Ю. В. Герасимчук, О. Ф. Довбненко // Механізація та електрифікація сільського господарства. Міжвідомчий науковий збірник. - Глеваха і Ей-Бі-Сі. 2002. - Вип.86. - С.217 -203. (автором обґрунтована математична модель та отримані графічні залежності).

3. Герасимчук Ю. В. Вплив обмерзання теплообмінної поверхні на ефективність застосування теплоутилізаторів у системах вентиляції тваринницьких приміщень / Ю. В. Герасимчук, О. Ф. Довбненко // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. Науково-виробничий журнал. К.- 2003. - №1. С.82-85. (автором визначені залежності критичних значень коефіцієнта утилізації теплоти від температури припливного повітря на вході в теплоутилізатор).

4. Герасимчук Ю. В. Эффективность использования систем управления теплоутилизаторами вентиляционных выбросов животноводческих помещений / Ю. В. Герасимчук, М. Т. Гирченко, О. Ф. Довбненко // Автоматизация сельскохозяйственного производства. Сборник докладов международной научно-технической конференции (29-30 сентября 2004 г., г. Углич). Часть 2. - М.,-2004.-С.59-66. (автором розроблені технологічні схеми керування теплоутилізаторами вентиляційних викидів, розраховані базові показники техніко-економічної ефективності).

5. Герасимчук Ю. В. Установка для исследования теплоутилизаторов вентиляционных выбросов животноводческих помещений / Ю. В. Герасимчук, О. Ф. Довбненко // Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Труды 4-й Международной научно-технической конференции (12-13 мая 2004 г., Москва, ГНУ ВИЭСХ). Часть 3. -М.,-2004. -С.313-316. (автором розроблена функціональна схема установки для дослідження теплоутилізаторів вентиляційних викидів).

6. Герасимчук Ю. В. Розрахунок споживання теплоти системами опалення і вентиляції тваринницьких приміщень / Ю. В. Герасимчук, О. Ф. Довбненко // Механізація та електрифікація сільського господарства. Вип.89 2005. (автором отримані залежності споживання та скорочення енерговитрат на створення мікроклімату в тваринницьких приміщеннях при застосуванні теплоутилізаторів).

7. Герасимчук Ю. В. Методика випробувань рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень / Герасимчук Ю.В., М. Т. Гірченко, О. Ф. Довбненко, Лобанов С. В. // Техніко - технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць /Укр. НДІ прогнозування та випробування техніки і технологій для с.-г. виробництва ім. Л. Погорілого(Укр. НДІПВТ ім. Л.Погорілого) - Дослідницьке, 2005.- Вип.8 (22) кн. 2-С.245-249. (автором розроблений стенд для дослідження теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень).

8. Герасимчук Ю. В., Енергоощадний спосіб створення нормативного повітряного середовища в тваринницьких і птахівничих приміщеннях / Герасимчук Ю. В., О. Ф. Довбненко // Механізація та електрифікація сільського господарства. Міжвідомчий Науковий збірник. - Глеваха.- 2009. - Вип. 93-С.310-318. (автором обґрунтована математична модель та схема способу створення нормативного повітряного середовища).

9. Рекуперативні теплоутилізатори вентиляційних викидів тваринницьких приміщень. Методи випробувань : СОУ 74.3-37-265:2005 / С. Афанасьєва, Т. Бабинець, Ю. Герасимчук, М. Гірченко, О. Довбненко, В. Іванишин та ін. К.: Мінагрополітики України, - 2005. 38 с. (автором обґрунтовані технічні параметри теплоутилізаторів, розроблена схема стенда для випробувань, отримані аналітичні залежності).

10. Рекуперативні теплоутилізатори вентиляційних викидів тваринницьких приміщень. Основні параметри й загальні технічні вимоги : СОУ 29.3-37-448:2006 / Ю. Герасимчук, М. Гірченко, О. Довбненко, С. Лобанов, М. Молодик. - К., Мінагрополітики України, 2006, 14с. (автором обґрунтовані та впорядковані основні параметри теплоутилізаторів вентиляційних викидів).

11. Пат. 56839 Україна. МПК F 24 F 3/147. Спосіб утилізації теплоти викидного повітря / Герасимчук Ю. В., Довбненко О. Ф.; заявник Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства». - №2002097743, заявл. 30.09.2002, опубл. 15.08.2005. Бюл. №8. (автором розроблено формулу винаходу та її функціональну схему).

12. Пат. 57583 України. МПК F 24 F 3|12 Теплоутилізатор. / Герасимчук Ю. В., Гірченко М. Т., Довбненко О. Ф.; заявник Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства». - №2002108224, заявл. 17.10.2002, опубл. 15.12.2006 р., бюл. №12. . (автором розроблено формулу винаходу та її функціональну схему).

13. Пат. 86504 Україна. Спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів в холодний період року. / Герасимчук Ю. В, Гірченко М. Т., Довбненко О. Ф.; Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства». - №200708648, заявл. 27.07.2007, опубл. 27.04.2009, бюл. №8. (автором розроблено формулу винаходу та її функціональну схему).

Анотація

Довбненко О. Ф. Обґрунтування режимів роботи теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» Національної академії аграрних наук України, Глеваха, 2011.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності застосування рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень шляхом розробки способу захисту теплообмінної поверхні від обмерзання.

Приведена математична модель процесу утилізації теплоти вентиляційних викидів, що встановлює зв'язок між параметрами теплоутилізатора та температурою і вологістю повітря в приміщенні та зовнішнього середовища. Розроблена математична модель дозволяє визначити режими роботи теплоутилізаторів вентиляційних викидів та дослідити ефективність утилізації теплоти із врахуванням реальних умов їх експлуатації. Розроблено спосіб захисту теплообмінної поверхні від обмерзання із застосуванням попереднього підігріву припливного повітря в додатковому теплообміннику. Обґрунтована можливість використання рекуперативних теплоутилізаторів вентиляційних викидів тваринницьких приміщень при найменших температурах повітря зовнішнього середовища, характерних для кліматичних умов України. Експериментально досліджені параметри теплоутилізаторів на основі полімерних матеріалів та підтверджена енергетична ефективність розробленого способу захисту теплообмінної поверхні від обмерзання. Здійснено виробничі впровадження рекуперативних протиточних та перехрестнопоточних теплоутилізаторів, розраховано техніко-економічний ефект їх застосування.

Аннотация

Довбненко О. Ф. Обоснование режимов работы теплоутилизаторов вентиляционных выбросов животноводческих помещений. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Национальный научный центр «Институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Национальной академии аграрных наук Украины, Глеваха, 2011.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности применения рекуперативных теплоутилизаторов вентиляционных выбросов животноводческих помещений путём разработки способа защиты теплообменной поверхности от обмерзания.

Основной проблемой применения теплоутилизаторов вентиляционных выбросов является обмерзание теплообменной поверхности при низкой температуре воздуха внешней среды вследствие конденсации водяных паров в вытяжных каналах. При этом параметры теплоутилизаторов определяются в «сухом» режиме.

В диссертации в результате теоретических исследований разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между параметрами теплоутилизатора, температурой и влажностью воздуха в помещении и внешней среды. На основании разработанной математической модели установлено, что для теплоутилизаторов возможны «сухой» режим работы, с конденсацией водяного пара и в зоне обледенения теплообменной поверхности. Обмерзание теплообменной поверхности теплоутилизаторов животноводческих помещений возможно при температуре воздуха внешней среды ниже минус 3°С. При повышении относительной влажности воздуха в помещении температура обмерзания теплообменной поверхности снижается.

Разработан способ защиты теплообменной поверхности от обмерзания, при котором приточный воздух при низких температурах внешней среды предварительно подогревается в дополнительном теплообменнике. Установлено, что теплопроизводительность теплоутилизатора с использованием дополнительного теплообменника повышается при снижении температуры внешней среды до температуры обмерзания теплообменной поверхности, а при дальнейшем снижении температуры остаётся постоянной. Затраты теплоносителей для поддержания нормируемых параметров внутреннего воздуха при этом можно снизить до 90%. Дополнительный теплообменник с коэффициентом температурной эффективности 0,5 обеспечивает защиту теплообменной поверхности теплоутилизатора от обмерзания при наименьших температурах воздуха внешней среды.

При производственных испытаниях перекрёстноточного теплоутилизатора производительностью 100 м³/ч в помещении для выращивания цыплят бройлеров на 100 голов установлено, что затраты энергоносителей на поддержание нормируемых параметров внутреннего воздуха снижены на 49,6%. При производственных испытаниях противоточного теплоутилизатора производительностью 780 м³/ч в помещении для содержания кроликов на 256 голов установлено, что постоянная теплопроизводительности составляет 0,139 кВт/°С, обеспечивая сокращение энергоносителей не менее 60%.

Стоимость сэкономленных энергоносителей при использовании теплоутилизаторов с дополнительным теплообменником в помещении для содержания свиней на 1200 голов составляет 139,5 тыс.грн., что на 47% больше, чем при использовании теплоутилизаторов с периодическим режимом работы. Срок окупаемости инвестиций составляет 0,8 года.

Abstract

Dovbnenko O.Ph. Substantiation of operating modes of heat exchangers of ventilation emissions from livestock buildings. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.05.11 - machinery and means of mechanization of agricultural production - National scientific centre “Institute for agricultural engineering and electrification”, Glevakha, 2011.

The thesis deals with improving the effectiveness of a recuperative heat exchanger of ventilation emissions from livestock buildings through the development of a method to protect the heat transfer surface from frosting.

Given is a mathematical model for the process of heat recovery of ventilation emissions, which describes the relationship between parameters of the heat exchanger and air temperature and humidity in a building and environment. The model allows determining operating modes of heat exchangers of ventilation emissions and studying the effectiveness of heat recovery with due regard for real conditions of their operation. Developed is a method to protect the heat transfer surface from frosting with the use of preheating of incoming air in an additional heat exchanger. Substantiated is workability of recuperative heat exchangers of ventilation emissions from livestock buildings under the lowest observed air temperatures of environment, which are specific for climatic conditions of Ukraine. Experimental studies were carried out referred to parameters of heat exchangers made from polymeric materials, and its results confirm the energy effectiveness of the developed method for protection of the heat transfer surface from frosting. The recuperative counterflow and cross-flow heat exchangers were put into practice. Technical and economic values of benefits of their application were calculated.

Размещено на Allbest.ru

...