Электродный водонагреватель для системы электротеплообеспечения молочного блока коровника

Нулевые электроды изготавливаются из стальной трубы с перфорацией в виде отверстий диаметром 5 мм в верхней и нижней частях.

Нулевые электроды жестко связаны с токовводом нейтрали сети, который представляет собой шпильку, к которой привариваются перемычки от каждого нулевого электрода. Шпилька крепится на отдельном изоляторе. В результате получает блок нулевых электродов, изолированный от корпуса ЭК и экранирующий фазные электроды с целью исключения выноса потенциала.

Такая конструкция нулевых электродов практически исключает взаимодействие фазных электродов с корпусом, что значительно снижает вынос потенциала с потоком воды на трубопроводы и технологчисекое оборудование. Это позволяет обеспечить требования техники безопасности по уровню напряжения прикосновения на корпусе и трубопроводах.

Электроды изготовлены из стали 45, которая наиболее устойчива к электрохимической коррозии.

Пульт управления ЭВН содержит пускозащитную аппаратуру, которая осуществляет защиту от т оков перегрузки и короткого замыкания и сигнализацию напряжения от сети, а также обеспечивает автоматическое управление работой водонагревателя в зависимости от температурного режима объекта теплоснабжения.

ЭВН работает в автоматическом режиме, по командам электронного терморегулятора типа Т 3П 3-4М.

Питание его осуществляется от трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью, напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.

Для отключения водонагревателя в часы утреннего и вечернего максимумов нагрузок энергосистемы в смете управления предусмотрена возможность включения суточного реле времени, которое рекомендуется устанавливать в шкафу раздельного учета энергии.

При работе в системе горячего водоснабжения технологического оборудования предусмотрена установка циркуляционного насоса для создания принудительной циркуляции в системе.

ЭВН работает следующим образом. Охлажденная вода из системы отопления или горячего водоснабжения поступает через входной патрубок во внутренний объем корпуса водонагревателя и нагревается электрическим током, протекающим в межэлектродном пространстве. Нагретая вода подается циркуляционным насосом в теплообменник аккумулятора теплоты системы горячего водоснабжения и в радиаторы системы отопления.

Описание работы схемы автоматического управления. Оборудование работает в автоматическом режиме. Основной режим работы - принудительный с отключением от сети в часы максимума нагрузок энергосистем с помощью суточным электронном реле времени ТМ 21. Дополнительный режим - свободный (при пусконаладочных работах) показан на рисунке 2.7.

В зависимости от заданных границ температуры, устанавливаемых на ДТ-1 отключается магнитный пускатель КМ 1, отключая водонагреватель от сети.

При достижении нижнего предела температуры +92 °С терморегулятор включает магнитный пускатель КМ 1.

При обрыве одной из фаз или перегорании предохранителей, реле К 2...К 4 размыкают свои контакты в цепи катушки пускателя КМ 1, который отключает водонагреватель от сети.

После срабатывания аварийной защиты включение водонагревателя в работу осуществляется только вручную, после устранения причины аварии.

При опробовании водонагревателя, переключатель режимов работы А 2 устанавливается в положении "РУЧНОЕ". При этом положении включение водонагревателя в работе осуществляется кнопкой "ПУСК" В 1, отключение - кнопкой "СТОП" В 2.

Шкаф управления и автоматики крепится на стенке по месту. В шкафу управления и автоматики располагаются все приборы и оборудование.

Предусмотрено два режима работы - летний и зимний.

В летнем режиме работы комплекта осуществляется при помощи ДТ-1 и ДТ-2. Для этого переключатель А 3 устанавливается в положение "ЛЕТО". Система отопления отключается при помощи запорного вентиля".

На терморегуляторе ДТ-2 устанавливаются граница температуры +65°С и зона нечувствительности +5°С.

При достижении температуры воды в бойлере +70°С терморегулятор отключает магнитный пускатель КМ 1. При этом водонагреватель отключается от сети.

Рисунок 2.7 - Схема автоматического управления

2.4 Расчет сопротивлений выносу потенциала

Для обеспечения требований электробезопасности при эксплуатации электродных водонагревателей в условиях сельскохозяйственного производства, которое характеризуется большим количеством помещений с повышенной опасностью и особо опасных, необходимо исключить возможность появления на технологическом и отопительном оборудовании потенциалов, превышающих допустимое напряжение прикосновения для человека (U_ou = 12В).

В аварийных режимах потенциал на корпусе ЭВН может достигать опасных значений - 70.142 В [7], поэтому серийные ЭВН оборудуются различными устройствами защиты, особенно от неполнофазных режимов.

При обрыве одной или двух фаз ЭВН представляет опасность в случае обрыва нулевого провода, поэтому в разных помещениях, имеющих технологическое оборудование, связанное с ним, применяют различные способы защиты от поражения током персонала.

В случае возникновения аварийного режима, в виде замыкания фазы на корпус, напряжение этой фазы распределяется пропорционально сопротивлениям заземлений ЭВН и технологического оборудования. Такие замыкания в большинстве случаев не приводят к перегоранию плавных вставок и срабатыванию электромагнитных расцепителей автоматических выключателей, следовательно, корпус ЭВН и технологическое оборудование могут длительно находиться под опасным напряжением.

Важным критерием оценки ЭВН является коэффициент звездности, величина которого влияет на выбор технических мероприятий по обеспечению электробезопасности и в определенной мере характеризует степень совершенства конструкции ЭВН.

Теоретически коэффициентг 7 гг 830 В.

Первый вариант защиты рекомендуется применять при больших значениях удельного сопротивления воды (р_го > 200 м.м) или при малом сопротивлении заземлителя.

Второй вариант защиты следует применять при малых значениях удельного сопротивления воды и больших значениях удельного сопротивления земли на мощных установках напряжением свыше 1000 В. На рисунке 2.8 показан вариант защиты ЭВН с двумя изолирующими вставками и двумя заземлителями.

Рисунок 2.8 - Вариант защиты ЭВН с двумя изолирующими вставками и двумя заземлителями

На рисунке 2.8 показано: 1 - корпус ЭВН; 2 - первые изолирующие вставки; 3 - вторые изолирующие вставки; 4, 5 - отводящий и подводящий трубопроводы системы теплоснабжения; 6 - изолятор; 7, 8 - первый и второй заземлители.

Второй метод - это защита отдельным трансформатором. Этот способ применяется для питания ЭВН в случае, если он имеет большую мощность (> 100 кВт) или расположен вдали от других электроустановок. Корпус ЭВН наглухо заземляется и без изолирующих вставок соединяется с трубопроводом. Трансформатор располагается вблизи ЭВН или на расстоянии не более 200 м, в этом случае ток короткого замыкания на землю и напряжение на трубопроводах не будет превышать 0,5-0,9 В. Нейтраль трансформатора со вторичной стороны заземляется изолированным проводом к заземлителю ЭВН, а линия может быть воздушной.

Третий метод - это защита изолирующим экраном, который устанавливается между трехфазной группой электродов и корпусом ЭВН, что позволяет снизить напряжение прикосновения на корпусе. При этом способе защиты корпус ЭВН не будет находиться под опасным напряжением, однако данному способу присущи недостатки установок, включенных в сеть с глухозаземленной нейтралью и заземлением корпуса.

Анализ методов обеспечения электробезопасности ЭВН показывает, что первые два метода требуют дополнительных затрат и не всегда дают ожидаемый эффект, особенно в аварийных режимах и при высокой степени несимметрии нагрузки.

Это объясняется тем, что эти методы являются техническими приемами подключения ЭВН, тогда как возможность выноса потенциала на корпус в известных водонагревателях заложена в конструкции электродной группы.

Наиболее целесообразным техническим решением является установка между корпусом ЭВН и электродами защитных экранирующих устройств новой конструкции - перфорированных экранов.

На рисунке 2.9 показана схема установки между стержневым фазным электродом и корпусом ЭВН диэлектрического изоляционного экрана, в котором выполнены отверстия для циркуляции нагреваемой воды.

Анализ этого выражения показывает, что сопротивление выносу потенциала при использовании диэлектрического экрана можно легко регулировать, изменяя количество отверстий в нем.

Для обеспечения допустимой величины напряжения прикосновения на корпусе ЭВН необходимо обеспечить допустимую величину сопротивления выносу потенциала между электродной группой и корпусом.

На рисунке 2.9 показано:

1 - фазный электрод;

2 - изоляционный экран;

3 - отверстие в экране;

4 - цилиндрический корпус.

Допустимую величину сопротивления выносу потенциала можно определить по величине тока однофазного короткого замыкания, проходящего через повторное заземление нулевого провода.

В - допустимое превышение напряжения у потребителя, которое согласно ГОСТ 13109-67 должно быть не более 7,5 %.

Рисунок 2.9 - Расчетная схема выноса потенциала через отверстия в защитном изоляционном экране

Тогда величина сопротивления выносу потенциала должна быть:

НПЦ механизации сельского хозяйства предложен новый метод обеспечения электробезопасности - разделение нулевых точек "звезды" фазных сопротивлений и "звезды" сопротивлений выносу потенциала на корпус.

Для реализации этого метода разработана новая схема соединения электродов "двойная звезда", которая показана на рисунке 2.10.

Разделение нулевых точек конструктивно достигается за счет установки экранирующих нулевых цилиндрических электродов на отдельном общем токовводе, изолированном от корпуса проходным изолятором. Фазные стержневые рельефные электроды установлены коаксиально по оси нулевых электродов и изолированы от корпуса с нижнего торца изоляционными втулками, а в верхней части - проходными изоляторами. Конструкция ЭВН показана на рисунке 2.9, R_A, Rb, Rc - фазные сопротивления "звезды" нагрузок между фазными электродами и нулевыми экранирующими; R_ak, R_bk, R_ck - "звезда" сопротивлений выносу потенциала на корпус; N - нулевая точка "звезды" фазных сопротивлений;

К - нулевая точка "звезды" сопротивлений выносу потенциала.

Таким образом видно, что фазные сопротивления R_a, R_b, R_c соединены в "звезду" с нулевой точкой N на экранирующих нулевых электродах, соединенных с нулевым проводом сети, а сопротивление выносу потенциала R_ak, R_bk, Rc_K соединены во вторую "звезду" с нулевой точкой К на корпусе ЭВН. На рисунке 2.11 показана конструкция ЭВН с экранированием фазных электродов нулевыми электродами.

А

Рисунок 2.10 - Принципиальная электрическая схема соединения электродов "двойная звезда"

Линии тока от фазных электродов могут замыкаться только на нулевые экранирующие электроды, которые через общий токоввод соединены с нулевым проводом трехфазной сети.

Анализ схемы "двойной звезды" показывает, что напряжение прикосновения на корпусе ЭВН зависит только от величины сопротивлений выносу потенциала. Следовательно, для снижения напряжения прикосновения, необходимо обеспечить допустимую величину сопротивлений выносу потенциала.

Дальнейший анализ схемы "двойной звезды" показывает ее второе преимущество - в аварийных режимах напряжение смещения будет приложено не к корпусу, а к экранирующим нулевым электродам, соединенным с нейтралью сети. При этом величина напряжения прикосновения будет значительно меньше напряжения смещения и_ПР " и_О. Сопротивления выносу потенциала должны быть значительно больше фазных сопротивлений R_ak " R_a; Rbk " R_B; Rck " Rc-

Главное преимущество новой схемы - это то обстоятельство, что металлический проводящий корпус ЭВН не является больше нулевой точкой "звезды" фазных сопротивлений нагрузки.

Рисунок 2.11 - Конструкция ЭВН с экранированием фазных электродов нулевыми электродами (предпатент РК №16743): 3 - выходной патрубок; 4 - крышка; 5 - проходной изолятор фазных электродов; 6 - проходной изолятор траверсы нулевых электродов; 7 - фазный электрод; 8 - нулевой экранирующий электрод; 9 - перемычка; 10 - траверса нулевых электродов; 11 - отверстие; 12 - изолирующая втулка; 13 - изолирующая втулка на проходном изоляторе

Расчет параметров ЭВН различных типов. Экспериментальные исследования разработанных методов обеспечения электробезопасности проводились на ЭВН, работающих со схемой соединения нагрузок "треугольник - звезда" (ЭВН-6/9; ЭВН-16; ЭВН-25; ЭВН-60), "звезда" (ЭПЗ-100; ЭК-5), по разработанной схеме "двойная звезда" (ЭК-16) при питании от сети с глухозаземленной нейтралью. Результаты исследований приведены в таблицах 2.2 и 2.3.

Опыты проводились при номинальном значении р ₂₀ = 30 Ом.м при температуре воды в ЭВН 20^оС при неизолированном корпусе и с установкой диэлектрических изолирующих экранов на его внутренней поверхности.

Анализ полученных данных показывает, что у ЭВН с неизолированным корпусом К_ЗВ составляет 0,5.1,45, а с изолированным 0,04.0,18, благодаря увеличению сопротивления г_ЭКв от 12.66,6 Ом до 84,6.189 Ом за счет установки диэлектрических экранов.

У ЭВН с пластмассовым корпусом К_ЗВ = 0 ток от фазных электродов к корпусу не протекает, однако по конструктивным соображениям такие водонагреватели выпускаются мощностью в пределах 2.5 кВт (ЭК-5, ЭВ-2/4, АИ-03).

Таблица 2.2 - Водонагреватели со схемой соединения нагрузок А

		Тип водонагревателя
		ЭВН-6/9	ЭВН-16	ЭВН-25	ЭВН-60
Параметры	Ед. изм.	Корпус не изолирован	Корпус изолирован	Корпус не изолирован	Корпус изолирован	Корпус изолирован	Корпус не изолирован	Корпус изолирован
R-экв.ср	Ом	100	100	68,3	68,3	43	18,3	18,3
Гэкв.ср		66,6	182	30,5	84,6	189	12	26
Всего		0,5	0,11	1,45	0,18	0,04	0,5	0,15

Таблица 2.3 - Водонагреватели со схемой соединения нагрузок

Параметры ры	Ед. изм.	Тип водонагревателя
		ЭПЗ-100	ЭК-5	ЭК-16 (^М)	ЭВ-2/4 (1 фазный)
		Корпус изолирован	Корпус пластмассовый	Экранирующие нулевые электроды	Диэлектричес кие экраны	Корпус пластмассовый
R-экв.ср	Ом	3,6	70,5	23	68,3	12,2
Гэкв.ср	Ом	1,8	-	1500	960	-
КЗВ		0,97	0	0,00026	0,012	0

Как видно из данных таблиц 2.2 и 2.3 для ЭВН с проводящим корпусом наиболее эффективным способом увеличения сопротивления выносу потенциала является установка разработанных нулевых электродов или диэлектрических перфорированных экранов, которые снижают величину К_ЗВ до 0,00026 и 0,012, т.е. ток к корпусу практически не протекает, так как сопротивление выносу потенциала возрастает в 5,0...7,9 раз по сравнению с наибольшим значением у ЭВН-25 с изолированным корпусом.

Потенциал на корпусе ЭВН зависит от коэффициента звездности, чем ниже К_ЗВ, тем меньше потенциал. Потенциал на технологическом оборудовании зависит от степени защиты от аварийных режимов - количества изолирующих вставок, повторного заземления, устройств выравнивания потенциалов.

Результаты исследований процесса выноса потенциала на корпус водонагревателей: ЭК-16 показаны в таблице 2.4. и серийного ЭВН-16 в таблице 2.5.

Данные позволяют сделать вывод о том, что у водонагревателя ЭВН-16 в аварийных режимах напряжение прикосновения на корпусе значительно выше допустимого - 110.210 В и даже после 2-х изолирующих вставок составляет 20.40 В. Следовательно, при эксплуатации ЭВН-16 в помещениях с повышенной опасностью для защиты связанного с ними технологического оборудования необходимо дополнительно устанавливать устройство выравнивания потенциалов, обеспечивающее в аварийных режимах напряжение прикосновения не более 12 В.

При отсутствии такого устройства ЭВН должен иметь защиту от неполнофазных режимов. Однако оба эти способа защиты потребуют дополнительных затрат.

Таблица 2.4 - Напряжение прикосновения на корпусе ЭК-16 в нормальном и аварийном режимах работы

Режим	Напряжение, В	Ток, А	Напряжение прикосновения, Unp, В
	иАВ	иВС	исА	1а	1в	Ic	На корпусе	после 1 изолирую - щей вставки
Номинальный режим	375	375	375	24,5	24,5	24,5	0,15	0,1
Аварийные режимы
Обрыв фазы А с занулением корпуса	210	375	210	0	24,5	24,5	0,2	0,15
Обрыв фаз А и В с занулением корпуса	0	0	0	0	0	0	0,2	0,15
Обрыв фазы А без зануления корпуса	186	375	186	0	20,5	20,5	0,3	0,2
Обрыв фаз А и В без зануления корпуса	0	0	0	0	0	0	0,3	0,2
Обрыв нулевого провода	375	375	375	24,5	24,5	24,5	0,2	0,15

Результаты исследования ЭК-16, свидетельствуют, что при работе как в номинальном, так и в аварийных режимах напряжение прикосновения на корпусе значительно ниже допустимого - 0,15.0,3 В. Поэтому при эксплуатации ЭК-16 в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных дополнительные меры защиты от выноса потенциала не требуются.

Таблица 2.5 - Результаты исследования процесса выноса потенциала на корпус серийного ЭВН-16 в нормальном и аварийном режимах работы

Режим	Напряжение, В	Ток, А	Напряжение прикосновения, UnP, В
	^В	^С	UcA	Ia	ь	Ic	На корпусе	после 1 изолирующей вставки	после 2 изолирующих вставок
Номинальныйрежим	375	375	375	24,5	24,5	24,5	0,3	0,2	0,15
Аварийные режимы
Обрыв фазы А с занулением корпуса	204	375	204	0	27	27	0,4	0,2	0,15
Обрыв фаз А и В с занулением корпуса	0	0	0	0	0	0	0,3	0,25	0,2
Обрыв фазы А без зануления корпуса	181	375	181	0	20	20	110	80	20
Обрыв фаз А и В без зануления корпуса	0	0	0	0	0	0	210	150	40
Обрыв нулевого провода	375	375	375	24,5	24,5	24,5	0,35	0,25	0,2

2.5 Разработка энергосберегающей технологии электротеплоснабжения молочного блока

Наиболее крупными потребителями горячей воды в АПК операцию колеблется от 0,33 до 5,34 литра на голову, а на один цикл доения расходуется являются молочные фермы, где суточный расход на одну технологическую от 17,2 до 4536 литров горячей воды с температурой 70°С в зависимости от типоразмера фермы и уровня механизации технологических процессов (таблица 2.8).

Технологическими, зооветеринарными и санитарными требованиями определяются нормы расхода горячей воды на производственные операции, связанные с технологией доения и содержания животных, а технологическими картами задаются суточные почасовые графики расхода горячей воды и пара.

Однако проведенный нами анализ данных различных авторов по нормам расхода горячей воды на санитарный уход за доильным оборудованием показывает значительные расхождения по некоторым пунктам. Это объясняется различным методическим подходом. В таблице 2.7 приводится сравнение расхода горячей воды на примере молочного блока на 400 голов.

Анализ данных таблицы показывает, что на одно доение расход горячей воды, смешанной до различной температуры составляет по данным И.И. Архангельского 1660 л [10], по данным И.Ф. Кудрявцева - 2693 л [3], по полученным в КазНИИМЭСХ результатам испытаний - 2200 л. Следовательно, можно сделать вывод, что И.И. Архангельским предложена наиболее экономичная технология санитарного ухода за доильным оборудованием.

Хозяйственные испытания показали высокую энергоемкость процессов горячего водоснабжения технологических операций при обслуживании оборудования молочного блока, что вызывает необходимость поиска новых технологических подходов к решению проблемы энергосбережения.

В качестве одного из решений предлагается энергосберегающая технология теплоснабжения молочного блока, основанная на утилизации теплоты потоков пастеризованного молока и отработанной горячей воды.

Технологическая схема энергосберегающей технологии теплоснабжения молочного блока показана на рисунке 2.13. Принцип работы технологической схемы заключается в следующем.

Горячая вода из теплоаккумулятора 2 подается насосом 10 в водяной контур пастеризатора 3. Парное молоко, поступающее по магистрали молокопровода доильной установки АДМ-8 попадает в пастеризатор 3 и, далее, подается в контур жидкостного теплообменника 5. В процессе теплообмена потока горячего молока с холодной водой, находящейся в нижней зоне теплоаккумулятора 2 происходит нагрев ее за счет теплоты молока. После этого охлажденное молоко поступает в танк-охладитель молока 7, где продолжает оставаться до окончания процесса доения коров.

Таблица 2.8 - Сравнение норм расхода горячей воды на санитарный уход за доильным оборудованием с результатами хозяйственных испытаний с доильной установкой АДМ-8

Процесс (операция)		Расход горячей воды, л.
	По И.Ф. Кудрявцеву	По И.И. Архангельскому	по результатам испытаний КазНИИМЭСХ
Подмывание вымени	400	400	400
Мытье доильных ведер	40	35	40
Мытье фляг	220	45	80
Промывка молокопроводов	584	600	600
Мытье доильных аппаратов	712	300	400
Мытье пастеризатора	68	60	80
Мытье молочных танков	400	80	200
Промывка оборудования	196	60	100
Промывка молочной автоцистерны	73	80	120
Всего на 1 доение	2693	1660	2200
Суточный расход, л/гол	20,2	12,45	16,5

Поток отработанной горячей воды с температурой 32...40°С после выполнения технологических операций подается насосом 11 в теплообменник 6, где также отдает теплоту холодной воде в нижней зоне теплоаккумулятора 2, после чего сливается в канализацию. Холодная вода из водопровода, предварительно подогретая в нижней зоне теплоаккумулятора 2 теплообменниками 5 и 6, за счет конвекции поднимается в зону нагрева от теплообменника 4, где нагревается до заданной температуры.

Рисунок 2.13 - Технологическая схема утилизации теплоты в доильно-молочном блоке коровника: 1 - электроводонагреватель ЭВН - 25; 2 - аккумулятор горячей воды; 3 - пастеризатор молока; 4, 5, 6 - теплообменники ТО, ТУ, ТМ; 7 - танк-охладитель молока; 8 - расширительный бак; 9, 10, 11 - насосы циркуляционные

Об эффективности энергосберегающей технологии говорит зависимость расхода электрической энергии, затрачиваемой на нагрев воды в теплоаккумуляторе, от объемов утилизации теплоты горячего пастеризованного молока и отработанной горячей воды, рассчитанная для поголовья от 50 до 400 голов (рисунок 2.14).

Обозначения линии на рисунке 2.14, А ₁ - затраты электроэнергии при работе СЭТ без утилизации теплоты; А ₂ - затраты электроэнергии при утилизации теплоты отработанной горячей воды; А ₃ - затраты электроэнергии при утилизации теплоты отработанной воды пастеризованного молока.



Рисунок 2.14 - Зависимость расхода электрической энергии на нагрев воды для технологических нужд молочного блока от обслуживаемого поголовья

При энергосберегающей технологии номинальная мощность электродного водонагревателя определяется по объему теплоаккумулятора АТ и расходам отработанной воды и пастеризованного молока:

П^Qakk ^-(Q1 Л 2 + ^Q2 *Л 3⁾ 251400-(24192 +16848) ₌3600л л 3600 * 0,99 * 0,9,

где Q - потребное количество теплоты на нагрев теплоаккумулятора, кДж;

Лзл ₄ - к.п.д., соответственно, водонагревателя и теплообменников 4; 5; 6;

Q - количество теплоты, полученное от отработанной воды в теплообменнике 5, кДж (m₁ = 600 л);

Q - количество теплоты, полученное от пастеризованного молока в теплообменнике 6, кДж (m₂ = 200 л).

Q₁ = 600^4,19^(32-20)^0,8 = 24192 кДж;

Q2 = 200^3,9^(47-20)^0,8 = 16848 кДж.

Таким образом, работа теплового модуля ТМ-16 по энергосберегающей технологии позволяет снизить его номинальную мощность до 16 кВт, а расход электрической энергии на 34 %, например, в молочном блоке на 200 коров он снижается с 67,7 до 44,4 кВт.ч на одно доение при утилизации теплоты отработанной воды и на 47 % (с 67,7 до 35,4 кВт.ч) при дополнительной утилизации теплоты пастеризованного молока.

Согласно исследованиям ВИЭСХ внедрение систем децентрализованного электротеплоснабжения снижает энергозатраты на 20.30 %, что соответствует полученным результатам.

Расчеты проводились для следующих режимов работы: отопление производственный помещений и нагрев воды в аккумуляторе теплоты для системы горячего водоснабжения.

Средний суточный расход электроэнергии на отопление помещений площадью 73,2 м колеблется в пределах 89,2.149,6 кВт.ч при изменении температуры наружного воздуха от 0 до -20^оС, при этом обеспечиваются требуемые параметры микроклимата. Динамика изменения температур теплоносителей в системе отопления показана на рисунке 3.1. Как показывает анализ зависимостей, при температуре наружного воздуха - 5оС разогрев системы до установившегося режима происходит за 1,83 ч, градиент температуры на входе и выходе из системы находится в интервале 9...160С, расход электроэнергии - 20,6 кВт.ч.

Динамика изменения температур теплоносителей в аккумуляторе теплоты приведена на рисунке 3.1 анализ зависимостей говорит о том, что время нагрева воды в АТ до заданной температуры 70 ос составляет 10,5 ч при термосифонной циркуляции, при работе циркуляционного насоса производительностью 1,84 м /ч - 13,8 ч и при параллельном подключении к АТ двух модулей - 6,6 ч, что соответствует длительности ночных провалов графиков нагрузок энергосистем.

На рисунке 3.1 приводятся сезонный и интегральный графики расхода электроэнергии за отопительный период (165 дней).

t, ^оС

Рисунок 3.1 - Динамика изменения температур теплоносителей в системе отопления при температуре наружного воздуха 1_пар = -50 °С

Обозначения линии по рисунку 3.1:

1 - температура на выходе из ЭВН t_BHX;

2 - температура в радиаторе СОМ t_po;

3 - температура на входе в ЭВН t_BX;

4 - температурный градиент Л_ом;

5 - температура внутри помещений 3з_н;

6 - расход электроэнергии 73;

Как видим, максимум отопительной нагрузки наступает в январе и составляет 4603 кВт.ч, а расход электроэнергии за сезон (165 дней) - 18109 кВт.ч.

Градиент температуры на входе и выходе из ТО колеблется в интервале 6...8°С, расход, электроэнергии при принудительно й циркуляции - 221 кВт.ч.



Рисунок 3.3 - Сезонный и интегральный графики расхода электроэнергии при работе СЭТ с электроводагревателем за отопительный период: А_С - сезонный график расхода электроэнергии; Аи - интегральный график расхода электроэнергии

Таким образом, в результате испытаний определены основные параметры оборудования СЭТ в различных режимах работы в течение отопительного сезона в интервале температуры наружного воздуха 0^оС... - 20^оС.

Возросшие требования к теплогенерирующему оборудованию, сложность и многообразие технологических процессов, систем и технических средств требуют создания в коровниках единого методического подхода при построении систем электротеплообеспечения. Следовательно, назрела необходимость в разработке электродных водонагревателей нового поколения с оптимальными параметрами и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Принимаем согласно ОСТ 70.31.1-83 степень нагрева в ЭВН воды равной 250С (температура горячей воды на выходе - 95 °С, на входе - 70 °С). По расчетной теплоотдаче нагревательных приборов определяем тепловые нагрузки на расчетные участки. Следует иметь в виду, что тепловые нагрузки на участок показывают по существу не количество тепла, а расход теплоносителей, который обеспечивает для нагревательных приборов подвод расчетного количества тепла. Поэтому на участках отводящих охлажденную воду от нагревательных приборов, принимаем то же количество тепла, что и на подающих трубопроводах.

Расход теплоносителя на расчетных участках системы:

где Q - тепловая нагрузка участка;

С = 4, 1 9 кДж/ч - теплоемкость теплоносителя;

С - расчетная степень нагрева воды в системе отопления.

;

квар;

квар;

;

кВт;

кВт.

;

кВт,

у = 983,2 5 кг/м³ - объемная масса теплоносителя.

Подсчитываем суммы коэффициентов местных сопротивлений на отдельных участках. Имея в виду, что местное сопротивление на границе двух участков (сопротивление тройников на проход и на противоток, и на ответвление) относятся к участкам с меньшей нагрузкой.

Все вычисления заносим в таблицу 4.1.

Так же вычисления по расчетам циркуляционного насоса кольца, проходящего через аккумулятор теплоты АТ на участке 14, заносим в таблицу 4.2.

Таблица 4.1

№ участков	Тепловая нагрузка, кДж/ч	Нагрузка G, кг/ч	Длина, 1, м	Данные расчета
				d, мм	V, м/с	S г/к	R1, кг/м2	Is	Z, кг/м3
1	6750	64,4	6	15	0,1	1,36	8,16	3	1,5
2	20970	200	1,7	20	0,18	3,3	5,6	3	4,86
3	27720	265,3	2,5	20	0,23	5,42	13,5	3	7,9
4	34500	330,1	2,2	20	0,29	8,6	18,9	3	12,6
5	41250	390,7	2,0	20	0,35	12,5	25	3	18,3
6	48000	459,3	5,6	20	0,1	16,4	91,8	4,25	36
7	90000	861,2	2,0	20	0,76	59,2	118,4	5,75	161,1
8	48000	459,3	5,6	20	0,4	16,4	91,8	3	36
9	41250	394,7	2,0	20	0,35	12,5	25	3	18,3
10	34500	330,1	2,2	20	0,29	8,6	18,9	3	12,6
11	27720	365,3	4,5	20	0,23	5,42	24,39	5	13,2
12	20970	200	11,7	20	0,18	3,3	38,6	7	11,3
13	6750	64,4	2,5	15	0,1	1,36	3,4	6,5	3,25
Итого							483,5	-	342

Таблица 4.2 - Расчет циркуляционного насоса кольца, проходящего через аккумулятор теплоты АТ (участок 14)

Тепловая нагрузка, кДж/ч	Нагрузка G, кг/ч	Длина, 1, м	Данные расчета
			d, мм	V, м/с	R, кг/м 2-м	R1, кг/м 2	Is	Z, кг/м 3
42000	401	20	20	0,35	12,6	252	4,25	26,8

Е (R l + Z)i₄ = (252 + 26,8) =278 кг/м².

Общая потеря давления в трубопроводах:

Е (R l + Z)_1-13 = (825,5 + 278) = 1103,5 кг/м ³.

Определяем потери давления в местных сопротивлениях:

Z = 50 Е Ј и ² = 50-3-0,1² = 1,5 кг/м³.

Расчетная схема системы водяного отопления помещений молочного блока показана на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Расчетная схема водяной двухтрубной системы отопления помещений молочного блока: РБ - расширительный бачок; ЦН - циркуляционный насос; РО - радиаторы отопления; АТ - аккумулятор теплоты; ТО - теплообменник; ТМ - тепловой модуль; 1-13 - номера участков

На участке 2 отвод под 90°; d = 20 мм; в = 1; два тройника на проход теплоносителя Ј = 2, ZЈ = 3;

На участке 3, тройник на противотоке Ј = 3, ZЈ = 3;

На участке 4, тройник на противотоке Ј = 3, ZЈ = 3;

На участке 5, тройник на противотоке Ј = 3, ZЈ = 3;

На участке 6, тройник на поворот теплоносителя Ј = 1,5, отвод под 90°; d = 20 мм, Ј = 1, запорная арматура Ј = 0,5. половина водонагревателя (сопротивление на вход теплоносителя) Ј = 1,25, ZЈ = 4,25;

На участке 7 половина котла (сопротивление на выход) Ј = 1,25, отвод под 90°; d = 20 мм, Ј = 1, задвижка Ј = 0,5, тройник на противоток Ј = 3, ZЈ = 5,75.

На участке 8 тройник на повороте Ј = 3, ZЈ = 3.

На участке 9 тройник на повороте Ј = 3, ZЈ = 3.

На участке 10 тройник на повороте Ј = 3, ZЈ = 3.

На участке 11 тройник на повороте Ј = 3 и два поворота под углом 90°; Ј = 2, ZЈ = 5.

На участке 12 тройник на повороте Ј = 3 и четыре поворота под углом 90°; Ј = 4, ZЈ = 7.

На участке 13 тройник на повороте Ј = 1,5, кран двойной регулировки d = 15 мм, Ј = 4, половина радиатора (имеется в виду вход в нагревательный прибор) Ј = 1, ZЈ = 6,5.

3. Экономическая часть

3.1 Расчет потребности фермы в тепловой энергии

Технологические процессы, потребляющие тепловую энергию - горячее водоснабжение, создание микроклимата (отопление, подогрев приточного воздуха). В этом разделе определяются годовые потребности в тепловой энергии.

Годовой расход тепла для каждой операции процесса горячего водоснабжения определяется по формуле:

где т - суточный расход горячей воды 1-й операции, 65 л/сут на голову КРС;

с - удельная теплоемкость воды, 1 ккал/кг;

t - температура горячей и холодной воды (10 °С) С;

350 - число дней нахождения дойных коров на ферме в год.

Годовой расход тепла на кормоприготовление (запарка кормов) определяется по аналогичной формуле:

Q_Kn = К_к * С _к * (t_H * t_K) * 350,

Q_Kn = 3 * 200 * 0,86 * (90-20) * 350 = 12,6 ккал/ год,

где К - количество запариваемого картофельного корма = 3 кг/сут;

С - теплоемкость картофельного корма = 0,86 ккал/кг; t_n; t_R - начальная и конечная температура запариваемого корма, 902 °С;

350 - число дней нахождения дойных коров на ферме в год.

Qicn = К_с * С _с * (t_H * tj<) * 350,

Qicn = 3 * 200 * 0,9 * (90-20) * 350 = 13,23 ккал/ год,

где К - количество запариваемого свекольного корма = 3 кг/сут;

С - теплоемкость свекольного корма = 0,9 ккал/кг.

Qmi = К_с * С _с * (t_H * tj<) * 350,

Qmi = 3 * 200 * 0,89 * (90-20) * 350 = 1 3 ккал /г,

где К - количество запариваемого морковного корма = 3 кг/сут;

С - теплоемкость морковного корма = 0,89 ккал/кг.

Годовой расход тепла на горячее водоснабжение практически не зависит от природно-климатических условий, а только от наличия технологических процессов потребления горячей воды.

Расход тепловой энергии на создание микроклимата Qp определяется на основе уравнения теплового баланса животноводческого помещения:

Qp = Qx + Ов + Ои - Ож, ккал/час, (5.1)

где Q_x - теплопотери здания, ккал/ч;

О_в - расход тепла на подогрев приточного воздуха, ккал/ч;

О_и - расход тепла на испарение влаги со смоченных поверхностей, ккал/ч;

О_ж - количество свободной теплоты, выделяемой животными, ккал/ч.

Расчеты всех составляющих уравнения теплового баланса проводятся в пятиградусном интервале температур, без учета числа часов стояния температур наружного воздуха, т.е. определяются часовые нагрузки. Годовой расход тепла на покрытие теплопотерь здания покрывается за счет отопления, и определяется по формуле:

,

где до -удельная тепловая характеристика зданий, 0,25 ккал /м3 ч С; а -коэффициент инфильтрации наружного воздуха, = 1,05;

Vн - объем здания по наружному обмеру, 26600 м;

1в - температура воздуха внутри помещений, °С;

top. от - средняя температура наружного воздуха за отопительный период, С.

Расход тепла, необходимый для подогрева приточного воздуха зависит от его объема. Величина необходимого объема приточного воздуха определяется по влаге (Ь_в) для животноводческих помещений.

Расход тепла на подогрев приточного воздуха определяется из выражения:

Св = Ьв * Св * Св - t" = 14,6 * 0,24 * (- 40) = - 140 ккал/ч,

где Ь_в - воздухообмен в помещении, м /ч;

с_в - теплоемкость воздуха при соответствующих значениях, 0,24 ккал/м^{3 о}С;

tu, t_n - температура внутреннего (10) и наружного воздуха, ^оС.

Количество тепла, выделяемого животными можно получить:

Количество свободного тепла, выделяемого животными при tв=10 ^оС;

k_t - поправочный коэффициент, учитывающий изменение тепловыделений от ^=10 ^оС;

1,3 - увеличение тепловыделений при повышении влажности воздуха до 85 %.

n - поголовье животных.

Расчет потребности в тепловой энергии (часовые значения) составляющих на создание микроклимата заносится в таблицу 5.1. (тыс. ккал/ч).

Таблица 5.1 - Расчет потребности в тепловой энергии

	-45-40	-40-35	-35-3	-30-25	-25-20	-20-15	-15-10	-10-5
О т -	-279,3	-244	-209	-174	-139	-104	-69	+34
О в -	-140	-127	-112	-100,2	-86,4	-69,12	-53,2	+41,4
О и -	48,9	48,9	48,9	48,9	48,9	48,9	48,9	48,9
О ж +	105	105	105	105	105	105	105	105
О р	-0,36	-0,31	-0,27	-0,43	-0,17	-0,117	+0,066	+0,23
Т час			1	10	43	163	389	738
О сумм	-0,36	-0,31	-0,24	-4,3	-7,31	-19,07	+25,6	+169

В каждом диапазоне стояния температур наружного воздуха суммируются значения Q т; Q в; Q и (это потребность фермы в тепле) из которых вычитаются значения Q ж (тепловыделение тепла животными) и заносятся в строку Q р со знаком минус или плюс. Плюсовое значение показывает, что подвода тепла на ферму не требуется. Эти значения перемножаются на число часов стояния температур наружного воздуха Т час и заносятся в строку Q сум. Затем потребности строки Q сум суммируются в годовую потребность фермы на создание микроклимата, причем суммируются только значения, имеющие отрицательной значение Q р.

3.2 Расход электроэнергии на силовые стационарные процессы животноводческой фермы

Для определения годового расхода электроэнергии на силовые стационарные процессы животноводческой фермы дойных коров выбираются силовые процессы, чем крупнее ферма, тем выше уровень электрификации технологических процессов.

Порядок расчета: значения годового расхода электроэнергии технологического процесса на голову скота перемножаются на поголовье скота и получается годовая потребность этого процесса в электроэнергии. Годовые потребности технологических процессов суммируются в общее потребление фермы в электроэнергии. Деление суммарного электропотребления фермы на поголовье скота даст удельный расход электроэнергии на голову скота.

Технологические процессы даны в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Годовой расход электроэнергии технологических процессов

Виды животных Фермы КРС (на одну голову). Привязное содержание	кВтч/год
Коровник	27,0
Кормоприготовление	16,0
Раздача грубых и сочных кормов	23,4
Уборка навоза	32,0
Водоснабжение (эл. привод)	80,0
Доение коров:	50,0
в стойлах в молокопровод	60,0
в стойлах переносными аппаратами	35,0
в стойлах доильной площадки	42,0
Обработка молока (очистка, охлаждение, сепарирование)	1 2,0

1. Кормоприготовление: Э_год = 2 7,0-2 00 = 5400 кВтч /год;

2. Раздача грубых, сочных кормов: Э_год = 1 6, 0^2 00 = 3 2 00 кВтч/год;

3.3 Построение графиков энергопотребления фермы

Суточные графики потребления электрической и тепловой энергии строятся отдельно.

Делением годовой потребности конкретного процесса в тепловой и электрической энергии на число часов работы технологического процесса получается часовая нагрузка. Часовые нагрузки технологических процессов в масштабе наносятся на график (на одной оси - ккал/ час или кВт/час на другой от 0 до 24 часов) в соответствии со временем потребления. Часовая потребность в тепловой энергии на создание микроклимата наносится на график теплопотребления по максимальному значению Рр на все 24 часа прямой линией. Аналогично наносится часовая электрическая нагрузка на привод приточной и вытяжной вентиляции.

График тепловых процессов указана на рисунке 5.1, график силовых процессов показана на рисунке 5.2.

1. Поение животных:

Рисунок 5.1 - График тепловых процессов коровника



Рисунок 5.2 - График силовых процессов коровника

3.4 Расчет себестоимости отпуска тепла

Известно, что чем меньше потребитель, чем более высококачественный энергоресурс используется для покрытия тепловых нагрузок. На практике покрытие потребности таких животноводческих ферм в тепловой энергии зачастую происходит за счет электрической энергии. Если потребление электроэнергии для тепловых процессов происходит в любое время графика электрической нагрузки системы, то это базисное электротеплоснабжение (БЭТС), если потребление электроэнергии для целей теплоснабжения происходит во время провалов графика электрической нагрузки системы (это технологически возможно только для горячего водоснабжения), то это внепиковое электротеплоснабжение (ВЭТС). Естественно, что этот способ электротеплоснабжения возможен там, где используется система обоснованных трехставочных тарифов на электроэнергию. ВЭТС предполагает использование оборудования для аккумулирования горячей воды (баки- аккумуляторы, бойлеры, электродные котлы с аккумуляцей). Работа электрокалориферов для подогрева приточного воздуха происходит в течение всех суток, т.е. по режиму БЭТС.

В связи с тем, что силовые процессы коровника потребляют электрическую энергию по свободному графику электропотребления, то затраты на привод стационарных силовых процессов в обоих вариантах будут одинаковыми. Поэтому затраты на электроснабжение силовых процессов в дальнейшем не рассматриваются, а рассматриваются только варианты теплоснабжения по свободному режиму потребления (базисное) и с использованием провалов графиков электрической нагрузки энергосистемы (внепиковое).

Затраты по первому варианту на систему электротеплоснабжения (БЭТС) следующие:

ЗБЭТС = (Зрас. Сет эл. кот Звент Знас Зсмр) Зээ Ззп Зтек. рем Зпроч Зкр, тыс. тг

где З_{рас. сет} - затраты на расширение сетей, выбирается кабель ААБ - 3*70 токопроводящая жила - медная или алюминиевая, многопроволочная, круглой или секторной формы, 1335 тг/м принимаем протяженность 20 м, получаем 26,7 тыс. тг;

З_эл._кот - затраты на электродный котел, принимается ЭВН-25 - 37000 тг;

З_вент - затраты на вентиляцию, электрический калорифер Профтепло ТТ - 9Т нержавейка, 9кВт, 800м ³/ч, 370х 300х 380, выбираются 3 калорифера по 27 тыс. тг, итого 81 тыс. тг;

З_нас - затраты на насос, выбирается циркуляционный насос серии GREENPRO R S25/4G, стоимостью 7500 тг;

З_смр - затраты суммарные от ОПФ на 10 %:

З_ээ. _п/_п - затраты на электроэнергию, тарифу 15,19 тг/кВт-ч:

6043 6 * 1 5, 1 9-9 1 8 тыс. кВт * ч,

З_зп - затраты на заработную плату, количество персонала выбирается 1 человек по 0,25 ставки на 4 объекта.

З_тек._рем - затраты на текущий ремонт:

З_кр - затраты на погашения кредитного процента в течении 8 лет (10 %).

Из проведенных расчетов видно, что при использовании электроэнергии для цели теплоснабжения МТФ по свободному режиму, то есть при базисном электротеплоснабжении себестоимость 1 Г кал тепла составляет - 22900 тг/Гкал.

При использовании электроэнергии для цели теплоснабжения МТФ при использовании провальной части графика электрической нагрузки энергосистемы, себестоимость равна 19700 тг/Гкал.

Тариф электроэнергии в пиковой части графика электрической нагрузки энергосистемы (отопительно-вентиляционная нагрузка) существенно удорожает составляющую электроэнергии в общих затратах на теплоснабжение объекта.

4. Безопасность жизнедеятельности

Возросшие требования к теплогенерирующему оборудованию, сложность и многообразие технологических процессов, систем и технических средств требуют создания в коровниках единого методического подхода при построении систем электротеплообеспечения. Следовательно, назрела необходимость в разработке электродных водонагревателей нового поколения с оптимальными параметрами и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

4.1 Анализ условий труда для персонала в помещении автоматического управления

В автоматизированном производственном процессе работа относится к категории 1а. К этой категории относятся работы с интенсивностью энерготрат до 120 ккал/ч (до 139 Вт), производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением.

Вид естественного освещения - боковое, осуществляется через проем размером 2х 2 м. Величина коэффициента естественной освещенности (КЕО) составляет 2,0 %.

Освещение МТФ показана в таблице 6.1.

Хорошее освещение территории перед входом в доильный зал и в доильном зале означает, что:

а) животные охотно идут в доильный зал;

б) работники доильного зала имеют оптимальные условия работы.

Таблица 6.1 - Молочно-товарный комплекс на 200 голов

Рабочая зона	Освещенность (люкс)
Доильный зал
Общее освещение	200
Молочная и	рабочие помещения
Общее освещение	200
Зона ополаскивания и мойки	500
Зона ожидания	200

4.2 Расчет естественного освещения

Проектирование осветительных установок (ОУ) подчиняется общим положением, принятым в инструкции СНиП РК 2.04-05-2002 (Естественное и искусственное освещение. Государственные нормативы в области архитектуры, градостроительства и строительства).

В доильных залах используются люминесцентные лампы с широкой диаграммой излучения. В настоящее время современные трехполосные лампы имеют коэффициент цветопередачи 1b и hn, и наивысшую светоотдачу.

В качестве источников света используются люминесцентные лампы (ЛЛ) для общего равномерного освещения, поскольку этот тип ламп имеет высокою световую отдачу (до 75 лм/Вт), большой срок службы (до 10000 ч). Высокая световая отдача и большой срок службы ЛЛ, делают их в большинстве случаев более экономичными по сравнению с лампами накаливания.

Тип светильника выбирается по типу используемой лампы, по наличию в воздухе рабочей зоны пыли, различных химически активных сред, высоте помещения. Выбираются светильники типа ПВЛМ [17]. Светильники предусмотрено располагать с небольшими разрывами, ориентация рядов - параллельно продольным осям помещения. По проекту число рядов светильников N_p = 5.

S - площадь помещения, м²;

К₃ - коэффициент запаса;

z - коэффициент минимальной освещённости;

е - нормированная освещённость;

N - общее число светильников;

П - коэффициент использования светового потока.

Коэффициент минимальной освещённости z характеризует неравномерность освещения и составляет для люминесцентных ламп: z = 1,1.

Коэффициент запаса К, учитывает возможное уменьшение освещённости в процессе экспл...