ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7386| Title: | Розробка енергозберігаючого обладнання для нагріву води з використанням біотепла сільськогосподарських тварин |
| Authors: | Калейніков, Геннадій Євгенійович Герасименко, Михайло Вікторович |
| Keywords: | нагрів води;біотепло |
| Issue Date: | 30-Jan-2025 |
| Abstract: | Об'єктом дослідження кваліфікованої роботи магістра є Електрична система підігріву води для напування тварин на фермах великої рогатої худоби різних видів виробництва. Мета кваліфікаційної роботи магістра є розробка та дослідження пристрою для нагріву води для напування тварин, який дозволяє знизити споживання електричної енергії за рахунок використання низькопотенційного тепла великої рогатої худоби. В результаті виконання роботи було: 1. Досліджено обсяг виділення тепла тваринами великої рогатої худоби, який показав, що вільне тепло, що виробляється на одну голову, досягає 82080 кДж/добу. 2. Розроблено математичну модель теплообміну теплого повітря в приміщенні для ВРХ та підігрітої води для напування тварин, яка визначає раціональні конструктивні та теплоенергетичні параметри теплообмінника, а також його розміщення в приміщенні для худоби. 3. Розроблено методику розрахунку енергозберігаючого пристрою для нагріву води для напування тварин, яка визначає його конструкцію та теплоенергетичні параметри для різних типів приміщень для великої рогатої худоби. 4. Розроблено і виготовлено експериментальний лабораторний прилад для нагріву води, що працює за рахунок низькопотенційного тепла великої рогатої худоби з урахуванням особливостей тваринницьких приміщень з поголів'ям 100, 200, 400 і 800 голів. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7386 |
| Appears in Collections: | 144 Теплоенергетика (Теплоенергетика) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Герасименко.pdf Restricted Access | 3.85 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
_______________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“___” ___ 2024 р.
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:
«РОЗРОБКА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОГО ОБЛАДНАННЯ
ДЛЯ НАГРІВУ ВОДИ З ВИКОРИСТАННЯМ БІОТЕПЛА
СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ТВАРИН»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
код роботи МКР 24.144.99 ПЗ
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи:
_________________________ Герасименко Михайло Вікторович ______________________
(підпис, дата)
Науковий керівник:
_________________Калейніков Г.Е., к.т.н., доц.__________________________
(підпис, дата)
Рецензент:
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2024 р.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
________________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“____” _____ 2024 р.
ЗАВДАННЯ
до магістерської кваліфікаційної роботи___Герасименко Михайло Вікторович ___________
(прізвище, ім’я та по-батькові студента)
1. Тема «Розробка енергозберігаючого обладнання для нагріву води з використанням біотепла
сільськогосподарських тварин»
затверджена наказом ректора університету від “____”____. 2024 р., №__________
2. Термін здачі студентом завершеної роботи __10.12.2024____________________________
3. Вихідні дані: __ система електрозабезпечення
4. Перелік питань, які повинні бути розроблені в роботі: технічні засоби підігріву води в
приміщеннях, де перебуває врх, 2 обґрунтування конструкції і параметрів пристрою для
підігріву води, 3 експериментальне дослідження роботи пристрою для нагріву води, безпека
життєдіяльності та охорона праці
5. Перелік графічного матеріалу СПОСОБИ НАГРІВУ В ЛІНІЯХ АВТОНАПУВАННЯ,
РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКІВ З ТЕПЛОВИДІЛЕННЯ ДЛЯ ВЕЛИКОЇ РОГАТОЇ ХУДОБИ,
СХЕМА РУХУ ПОВІТРЯ У ПРИМІЩЕННІ З ШАХТНОЇ ВЕНТИЛЯЦІЇ, ВЕНТИЛЯЦІЯ
ТВАРИННИЦЬКИХ ПРИМІЩЕНЬ ЗА СХЕМОЮ З НАДЛИШКОВИМ ТИСКОМ З
ВЕНТИЛЯТОРАМИ НА ДАХУ, СХЕМА РУХУ ПОВІТРЯ ВИД ЗБОКУ, РЕЗУЛЬТАТИ
ТЕПЛОВІЗІЙНОЇ ЗЙОМКИ У ПРИМІЩЕННІ ДЛЯ УТРИМАННЯ ВРХ ІЗ ПРИРОДНОЮ
ВЕНТИЛЯЦІЄЮ ШАХТНОГО ТИПУ, РЕЗУЛЬТАТИ ТЕПЛОВІЗІЙНОЇ ЗЙОМКИ У
ПРИМІЩЕННІ ДЛЯ УТРИМАННЯ ВРХ ІЗ ПРИРОДНОЮ ВЕНТИЛЯЦІЄЮ
ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПУ, РОЗПОДІЛ ТЕМПЕРАТУР У КОРІВНИКУ НА 400 ГОЛІВ ЗА
ТЕМПЕРАТУРИ ЗОВНІШНЬОГО ПОВІТРЯ 4 °С, РЕЗУЛЬТАТИ МОДЕЛЮВАННЯ ЗМІНИ
ТЕМПЕРАТУРИ В ТВАРИННИЦЬКОМУ ПРИМІЩЕННІ ПІД ЧАС РОБОТИ ПРИСТРОЮ ДЛЯ
НАГРІВАННЯ ВОДИ, РУХ ТЕПЛОВИХ ПОТОКІВ ЧЕРЕЗ ПРИСТРІЙ НАГРІВАННЯ ВОДИ
6. Консультанти з роботи з зазначенням розділів роботи, які їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Консультант завдання видав завдання прийняв
Розділи 1-3 Калейніков Г.Е.
ОП та безпека в НС Цікановський В.Л.
7. Дата видачі завдання “_____”______. 2024 р.
Керівник _____________________
Завдання прийняв до виконання _________________
РЕФЕРАТ
Кваліфікаційна робота магістра Герасименка Михайла Вікторовича на тему
«Розробка енергозберігаючого обладнання для нагріву води з використанням
біотепла сільськогосподарських тварин» містить 106 сторінок текстового
документа, 42 використаних джерел, 18 малюнків.
Керівник – Калейніков Г.Е. к.т.н., доц.
Об'єктом дослідження кваліфікованої роботи магістра є Електрична система
підігріву води для напування тварин на фермах великої рогатої худоби різних видів
виробництва.
Мета кваліфікаційної роботи магістра є розробка та дослідження пристрою для
нагріву води для напування тварин, який дозволяє знизити споживання електричної
енергії за рахунок використання низькопотенційного тепла великої рогатої худоби.
В результаті виконання роботи було:
1. Досліджено обсяг виділення тепла тваринами великої рогатої
худоби, який показав, що вільне тепло, що виробляється на одну голову, досягає
82080 кДж/добу.
2. Розроблено математичну модель теплообміну теплого повітря в
приміщенні для ВРХ та підігрітої води для напування тварин, яка визначає
раціональні конструктивні та теплоенергетичні параметри теплообмінника, а
також його розміщення в приміщенні для худоби.
3. Розроблено методику розрахунку енергозберігаючого пристрою для
нагріву води для напування тварин, яка визначає його конструкцію та
теплоенергетичні параметри для різних типів приміщень для великої рогатої
худоби.
4. Розроблено і виготовлено експериментальний лабораторний прилад для
нагріву води, що працює за рахунок низькопотенційного тепла великої рогатої
худоби з урахуванням особливостей тваринницьких приміщень з поголів'ям
100, 200, 400 і 800 голів.
Зміст
ВВЕДЕННЯ.................................................................................. 4
1. ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ ПІДІГРІВУ ВОДИ В ПРИМІЩЕННЯХ, ДЕ
ПЕРЕБУВАЄ ВРХ.......................................................................................10
1.1 Важливість питної води для утримання великої рогатої худоби...... 10
1.2 Аналіз споживання електроенергії........................................................12
1.3 Технічні засоби підігріву води в тваринницьких
комплексах………………………………………………………………15
1.4 Концепція використання тепла, що виробляється тваринами......... 19
1.5 Мета роботи та задачі дослідження............................................ 47
2. ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ І ПАРАМЕТРІВ ПРИСТРОЮ ДЛЯ
ПІДІГРІВУ ВОДИ......................................................................... 48
1.6 Аналіз руху теплових потоків в захисному приміщенні для утримання
ВХР........................................................................................................... 48
1.6.1 Математична модель природного теплообміну у приміщенні для
утримання тварин.....................................................................................54
1.6.2 Дослідження математичної моделі природного теплообміну
у приміщенні для утримання тварин.......................................................61
1.7 Обґрунтування раціональної конструкції пристрою для нагріву води
67
1.8 Аналіз витрачання електричної енергії, для нагріву води для великої
рогатої худоби............................................................................................75
1.9 Методика розрахунку енергозберігаючого пристрою для водяного
опалення 94
1.9.1 Розрахунок теплового балансу тваринницького приміщення ……….94
1.9.2 Розрахунок параметрів теплообмінника ...............................................99
3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ПРИСТРОЮ ДЛЯ
НАГРІВУ ВОДИ .............................................................. 112
1.10 Загальна програма експерименту.............................................112
1.11 Опис експериментальної установки........................................112
1.12 Методика проведення експерименту.....................................117
1.13 Результати експериментального дослідження роботи пристрою для
підігріву води……………………………………………………… 119
1.14 Математична модель пристрою для нагріву води ........................27
3.6 Розробка технологічної схеми роботи дослідного
пристрою............................................................................................ 133
4 БЕЗПЕКА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ТА ОХОРОНА ПРАЦІ
МКР 24.144.87 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Герасименко Літ. Арк. Акрушів
Зміст магістерської
Перевір. Калейніков
Реценз. роботи
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
ВСТУП
Актуальність теми дослідження Технологічні процеси в
сільськогосподарському виробництві вимагають досить великих витрат
електричної енергії, яка використовується для обігріву, термічної обробки кормів,
забезпечення оптимального мікроклімату, сушіння і т.д. Виявлено, що вартість
електроенергії в сільському господарстві у 2021 році становила понад 55,1 млрд
грн. [1].
Також слід зазначити, що електроенергія відіграє важливу роль у
забезпеченні гарячим водопостачанням сільськогосподарських споживачів. За
даними сільськогосподарських підприємств Черкаської області, на підігрів води
витрачається не менше 15% від загального споживання електроенергії.
Використовувані в даний час нагрівачі, поряд з їх ефективністю, мають ряд
недоліків: потрібне попереднє очищення води, інакше неможливо уникнути
вапняних відкладень на нагріванні та інших елементах конструкції, що, знову ж
таки, призводить до підвищеного споживання електроенергії. Серед недоліків –
залежність існуючих опалювальних приладів від якісного електропостачання. При
недотриманні необхідних норм і параметрів нагрівачі не будуть працювати з
заявленою ефективністю [2, 3, 4, 5, 6, 7].
Таким чином, важливою обставиною, яка намітила подальший прогрес у
вдосконаленні системи електропостачання, стало максимально можливе зниження
споживання електроенергії, не надаючи негативного впливу на виробничий процес
і його результати, а також зниження собівартості одержуваної продукції.
Створення в сільськогосподарських підприємствах засобів для зниження
собівартості електроенергії є актуальним завданням. Перспективним напрямком в
цій області є перетворення тепла, що виробляється великою рогатою худобою, в
джерело для нагріву води. 5
Метою роботи є розробка та дослідження пристрою для нагріву води для
напування тварин, який дозволяє знизити споживання електричної енергії за
рахунок використання низькопотенційного тепла великої рогатої худоби.
Завдання, спрямовані на досягнення поставленої мети:
1. Обґрунтувати концепцію використання низькопотенційного тепла великої
рогатої худоби як способу нагріву води для напування тварин.
2. Розробити математичну модель теплообміну теплого повітря в приміщенні
і нагрітої води для напування тварин і методику розрахунку конструктивних і
теплоенергетичних параметрів енергозберігаючого пристрою з використанням
низькопотенційного тепла великої рогатої худоби. 6
3. Розробити експериментальний лабораторний прилад для підігріву води,
що працює за рахунок тепла великої рогатої худоби з урахуванням особливостей
тваринницьких приміщень з різною кількістю поголів'я.
4. Розробити методику проведення експериментальних лабораторних і
практичних випробувань пристрою для нагріву води.
5. Розробити принципову електричну схему, яка керує процесом нагріву води
в системі водопостачання тваринницького комплексу за допомогою
водонагрівального агрегату, що працює за рахунок низькопотенційного тепла
великої рогатої худоби.
Об'єкт дослідження. Електрична система підігріву води для напування
тварин на фермах великої рогатої худоби різних видів виробництва.
Предмет дослідження. Параметри та режими роботи енергозберігаючої
системи водяного опалення для напування тварин за допомогою тепла великої
рогатої худоби.
Наукова новизна роботи полягає в:
1. Представлена концепція використання низькопотенційного тепла великої
рогатої худоби як методу нагріву води для напування тварин.
2. Розробка математичної моделі теплообмінника, яка дозволить розрахувати
необхідні параметри пристрою для нагріву води.
3. Розробка експериментального лабораторного пристрою для підігріву води,
що працює за рахунок тепла великої рогатої худоби з урахуванням особливостей
тваринницьких приміщень з різною кількістю поголів'я.
Розділ 1 ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ ПІДІГРІВУ ВОДИ В ПРИМІЩЕННЯХ,
ДЕ ПЕРЕБУВАЄ ВРХ.
МКР 24.144.87 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Герасименко Технічні засоби підігріву води Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков
Реценз. в приміщеннях, де перебуває
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
врх
Затверд. Калейніков
Розділ 1 ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ ПІДІГРІВУ ВОДИ В ПРИМІЩЕННЯХ, ДЕ
ПЕРЕБУВАЄ ВРХ.
1.1 Значення питної води для утримання великої рогатої худоби.
Здоров'я та продуктивність великої рогатої худоби залежать не тільки від
якості годівлі, а й від того, наскільки добре організовано водопостачання.
Своєчасне забезпечення достатньою кількістю водою необхідної якості сприяє
високій продуктивності тварин. Саме питна вода є одним із найважливіших
факторів, які забезпечують здоров'я та продуктивність ВРХ, а сам процес
напування – невід'ємна частина життєдіяльності, адже основну частину води
тварини отримують саме з питтям [8, 9, 10].
Відомо, що молоко на 87% складається із води. Щоб отримати від корови
1 кг молока, потрібно її забезпечити 3–4,5 л води. Ця умова має виконуватися
задля досягнення високої продуктивності тварин. Але цей обсяг може
змінюватись в залежності від маси породи тварини, умов утримання,
температури повітря та інших параметрів мікроклімату.
Забезпечення якісного та безперебійного напування дозволяє знизити
витрату кормів, але в деяких випадках можливі труднощі, оскільки існує низка
проблем, пов'язаних з водними ресурсами та електроенергією.
При недостатньому забезпеченні питною водою корів їхня
продуктивність може значно знизитися (на 8–40 %). Недолік води тварини
переносять погано, можливе порушення травлення та уповільнення
всмоктування поживних речовин у кров, погіршення здоров'я, зниження
продуктивності. При втраті організмом близько 10% води слабшає серцева
діяльність тварини, великі втрати води (до 20%) призводить до смерті [9, 10].
Напування тварин водою необхідної температури сприятливо
позначається з їхньої життєдіяльності. Тому необхідно дати можливість
тваринам пити стільки води, скільки їм потрібно, тобто. повинен
забезпечуватись постійний доступ до води [12].
1.2 Аналіз споживання електричної енергії.
Сільськогосподарське виробництво нині є великим споживачем
паливно-енергетичних ресурсів. Значну частку споживанні сільським
господарством енергоресурсів займає електрична енергія, яка витрачається
необхідні технологічні потреби [20, 21, 22].
Сільськогосподарські підприємства мають свої власні трансформаторні
підстанції, що живлять. Це з високою енергоємністю виробництва. Електрична
енергія витрачається забезпечення роботи гноєприбиральних транспортерів,
освітлення, забезпечення оптимального мікроклімату у приміщеннях, на
вентиляцію, на автоматизовані доїльні установки, підігрів води та т. буд. На
малюнках 1.1. та 1.2 наведено динаміку споживання електроенергії
сільськогосподарськими підприємствами у кВт·год та у грошовому
еквіваленті. Дані для аналізу надано сільськогосподарськими організаціями
Черкаської області (малюнки 1.1–1.3).
Споживання
електр и чної
энергії, W Квт
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Рік , Т
Рисунок 1.1 – Споживання електричної енергії с/г підприємствами
Черкаської області з 2012 по 2018 рік (кВт·ч)
Споживання
электричної
энергії, Р Е, тис. грн.
14000 е
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Рік
Рисунок 1.2 – Споживання електричної енергії с/г підприємствами в
Черкаській області з 2012 до 2018 року (тис. грн.)
Аналіз споживання електричної енергії групами електроприймачів на
сільськогосподарських підприємствах Черкаської області показав, що
електричне підігрів води стоїть на другому місці. Це з діаграми, представленої
малюнку 1.3.
доїльня ел. двигун
Установки 7 % 12 %
освітлення
22 % комп’ютери
1 %
Насос побутова
7 % техніка 2 %
верстатне
обладнання Кормороздавач
6 % 8 %
ел. водонагрівач гноєприбиральний
15 % транспотер 11 %
Ентузіаст Холодильна машина
3% 6%
Рисунок 1.3 – Розподіл споживання електричної енергії за групами
електроприймачів на с/г підприємствах Черкаської області
Зростаюча тенденція старіння теплоенергетичного устаткування
тваринницьких фермах спостерігається тривалий час. Зазначається
характерний зв'язок між виробництвом продукції з енерговитратами, частка
яких у собівартості зросла з 5 % до 30 % і більше. Насамперед це викликане
прискореним зростанням тарифів та цін на електроенергію та паливо
порівняно з цінами на с/г продукцію, застосуванням морально та фізично
застарілих технічних засобів. Виникає потреба на тваринницьких
підприємствах у більш строгому та економному використанні електричної
енергії [3,23, 24, 25, 26].
Одним із питань, що розглядаються в роботі є розробка продуктивних,
ефективних енергозберігаючих засобів для підігріву води тваринницьких
об'єктів, які б забезпечили зростання продуктивності тварин, зниження
енерговитрат на 15… 20 %, і, як наслідок, зниження енергоємності та
собівартості сільськогосподарської продукції. Виходячи з цього, велике
значення має модернізація системи енергозабезпечення, яка б дозволила
збільшити ефективність даної системи та виконати максимально можливе
енергозбереження в електронагрівальних процесах при підготовці води.
На сьогоднішній день перед сільським господарством стоїть завдання
щодо реалізації енергетичної політики з питань енергозбереження, звідси
модернізація та розвиток систем енергозабезпечення тваринницьких об'єктів
є важливим, актуальним завданням.
1.3 Технічні засоби підігріву води у тваринницьких комплексах
Впровадження електронагріву у сільськогосподарське виробництво
зумовило: підвищення продуктивності тваринництва та птахівництва;
скорочення експлуатаційних витрат; зниження відмінка та вибракування
тварин; зниження питомої витрати кормів; вивільнення працівників, які
обслуговують дрібні котельні та вогневі установки [4].
Нагрів води дуже важливий і знайшов широке застосування у багатьох
технологічних процесах сільськогосподарського виробництва, наприклад:
санітарно-гігієнічні потреби працюючого персоналу сільського господарства,
у багатьох сферах тваринництва та рослинництва.
На першому місці застосування теплової енергії знаходиться
тваринництво, де воно використовується для обігріву приміщень;
кормоприготування; підігріву питної води взимку; санітарно-гігієнічної
обробки тварин, виробничих приміщень та обладнання; пастеризації молока
та інших видів первинної обробки продуктів та відходів.
Електронагрівальні пристрої дуже різноманітні за своїм призначенням,
конструкційним виконанням, габаритами, потужністю, а також характерними
ознаками, що лежать в основі його класифікації [4, 27, 28].
Було проведено аналіз наукових джерел, присвячених вивченню
електронагрівальних пристроїв [4, 5, 29, 30, 31, 32, 33]. Він показав, що вони
відрізняються за призначенням, потужністю, технічним виконанням та
іншими ознаками, які лежать в основі їхньої класифікації.
На підставі аналізу електронагрівальних пристроїв, що
використовуються у тваринництві, були виділені такі групи:
- непрямого нагріву, коли теплота виділяється в проміжних спеціальних
нагрівачах, включених в електричний ланцюг, і передається від них,
відповідно до законів теплопередачі, до об'єкта, що нагрівається;
- Прямого нагріву, коли теплота виділяється безпосередньо в об'єкті, що
нагрівається при проходженні електричного струму;
- індукційного нагріву - з передачею електричної енергії об'єкту, що
нагрівається, поміщеному в змінне електромагнітне поле, і перетворення її в
теплову при протіканні індукційних струмів;
- діелектричного нагріву – з виділенням теплоти у діелектриках та
напівпровідниках, поміщених у змінне електричне поле, за рахунок
переміщення електричних зарядів під час поляризації.
Електронагрів води у тваринництві необхідний для забезпечення роботи
різних систем:
- гаряче водопостачання (вода для напування, для технологічних та
санітарно-гігієнічних потреб). Для забезпечення роботи цієї системи
використовуються: ємнісні нагрівачі ATLANTIC ВЕТ, УАП, ЕВАН, САОС,
ІКН; ЕВН; проточні водонагрівачі ЕВАН В-1, ВЕП; електродні ЕПЗ, КЕВ.
- Паропостачання (обробка обладнання у складі стерилізаторів).
Найбільш поширені для цієї системи наступні нагрівачі: електродні:
ЕПГ, ПГЕ, КЕПР, ЕЕП; елементні: ПЕТ, ЕЛТ, ЕПВ-30.
- термообробка продукції: ульрапастеризатори, змішувачі комбікормів,
запарники-змішувачі.
До установок непрямого електронагріву відносяться і нагрівачі ЕВН,
ЕВНМ, ЕВАН. Вони як джерело теплоти застосовується ТЕН. Сюди можна
віднести водонагрівачі типу САОС. Нагрівачі даного типу використовуються
для нагрівання води на технологічні та гігієнічні потреби тваринницьких
господарств. [4,6, 34, 35, 36]. Потужність пристрою варіюється від 6 до 18 кВт.
ТЕН у цих водонагрівачах розміщується у нижній частині резервуара.
Перевагою нагрівачів цього типу є система автоматичного регулювання
температури води в резервуарі, що дозволяє економити електричну енергію та
забезпечувати надійну роботу системи підігріву.
До нагрівачів прямої дії належать електродні установки [7, 37, 38]. Ці
пристрої нагрівають воду за рахунок безпосереднього проходження
електричного струму через неї. Здебільшого ці водонагрівачі
використовуються в системах опалення, оскільки вода набуває неприємного
запаху та присмаку через вплив електричного струму.
Істотним недоліком таких нагрівачів є те, що на електродах
відкладається накип, який зменшує потужність нагріву. Електродні
водонагрівачі вимагають забезпечення дорогими електричними шафами
керування з пускорегулюючою апаратурою. В даний час випускаються
електродні котли типу ЕПВ та КЕВ.
Індукційні нагрівачі також є одними із пристроїв непрямого нагріву.
Однак у промисловості та сільському господарстві вони не знайшли широкого
застосування в даний час. Оскільки перевагою пристрою є простота
конструкції, деякі господарства самостійно виготовляють дані водонагрівачі та
його використовують [7].
Робота цього типу пристрою полягає в тому, що нагрівання здійснюється
вихровими струмами Фуко. Ці струми утворюються у змінному магнітному
полі, що створюється трьома індукційними котушками. На них подається
трифазна напруга 380/220 В і після цього починається нагрівання металевих
корпусів (магнітопроводів), і від них відбувається тепловіддача воді.
Індукційні водонагрівачі можуть виконуватися як з магнітопроводом так
і без нього. Залежно від орієнтації основного магнітного потоку щодо об'єкта,
що нагрівається, вони поділяються на пристрої з поздовжнім і поперечним
магнітним потоком [7, 39].
Нагрівачі індукційного способу нагрівання не знайшли широкого
застосування через те, що для їх виготовлення потрібні великі витрати чорних
та кольорових металів на одиницю потужності. Також у них спостерігається
низькі коефіцієнт потужності та ККД.
Існуючі системи напування великої рогатої худоби оснащені
автонапувалками з підігрівом, що здійснюється за допомогою електричної
енергії непрямим методом. Проаналізувавши роботи [2, 11], де наводилася
оцінка ліній автопоїння, було зроблено висновок, що лінії, що мають
централізований підігрів води збільшують капітальні витрати і підвищують
теплові втрати. Звідси випливає, що до цього додається підвищення
споживання електричної енергії.
За способом нагрівання автопоїлки поділяються на кілька груп (рисунок
1.4 [2]).
Рисунок 1.4 – Способи нагріву в лініях автонапування [2]
Проаналізувавши роботи Оріщенка І. В., Поцілунова О. А., Миронова О. Б.,
Оболенського Н. В., Шевельова А. В. та ін [2, 4, 11, 40] був зроблений висновок,
що в більшості своїй на фермах для утримання ВРХ для напування
використовується вітчизняне обладнання, яке потребує модернізації для зниження
споживання електричної енергії.
1.4 Концепція використання теплоти, яку виробляють тварини
Відповідно до Методичних рекомендацій щодо технологічного проектування
ферм та комплексів великої рогатої худоби оптимальна температура для утримання
тварин є температура +10 °С з коливаннями від +8 °С до +12 °С. Відносна вологість
при цьому повинна дорівнювати 75% з коливаннями від 65% до 85%. За цих умов
один кубометр повітря незаповненого худобою приміщення міститиме 8 г водяної
пари [18, 40, 41].
Для того щоб впевнено говорити про можливість використання теплової
енергії, що виробляється ВРХ, було здійснено попередню оцінку потенціалу даного
виду енергії. Було проаналізовано багато джерел, особливу увагу було звернено на
[18]. Згідно з описаними вимогами було прийнято, що величини тепловиділення
наведені для дорослих тварин при температурі навколишнього повітря 10 °С, а в
нічний час вони були прийняті на 20 % нижче зазначених даних. Результати
показані у таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 – Результати розрахунків з тепловиділення для великої рогатої худоби
Вага тварин, Кількість теплоти, що виділяється за добу,
Теплота, кДж/год (Вт)
Групи тварин Кг кДж/добу (Вт·год/доб)
загальна вільна загальна вільна
Корови отельні (сухостійні) и нетелі
за 2 міс. до отелення 400 2185 (607) 1570 (437) 49822,56 (13839,6) 35868,96 (9963,6)
500 2520 (700) 1813 (504) 57456 (15960) 41368,32 (11491,2)
600 2822 (784) 2035 (565) 64350,72 (17875,2) 46375,2 (12882)
Корови лактуючі при рівні лактації на добу.:
а) 5 л 400 2211 (614) 1591 (422) 50397,12 (13999,2) 34637,76 (9621,6)
500 2554 (709) 1838 (511) 58194,72 (16165,2) 41942,88 (11650,8)
600 2868 (797) 2068 (574) 65417,76 (18171,6) 47113,92 (13087,2)
б) 10 л 400 2315 (643) 1666 (463) 52774,44 (14660,4) 38003,04 (10556,4)
500 2650 (736) 1909 (530) 60410,88 (16780,8) 43502,4 (12084)
600 2960 (822) 2131 (592) 67469,76 (18741,6) 48591,36 (13497,6)
в) 15 літрів 400 2579 (716) 1855 (515) 58769,28 (16324,8) 42271,2 (11742)
500 2939 (816) 2114 (587) 66977,28 (18604,8) 48180,96 (13383,6)
600 3257 (905) 2345 (651) 74282,4 (20634) 53434,08 (14842,8)
г) 20 літрів 400 2805 (779) 2018 (561) 63940,32 (17761,2) 46 046,88 (12790,8)
500 3174 (882) 2286 (635) 72394,56 (20109,6) 51120,8 (14478)
600 3496 (971) 2516 (699) 79699,68 ( 22138,8) 57373,92 (15937,2)
д) 25 літрів 400 3048 (847) 2198 (610) 69521,76 (19311,6) 50068,8 (13908)
500 3429 (953) 2470 (686) 78222,24 (21728,4) 56306,88 (15640,8)
600 3751 (1042) 2701 (750) 85527,36 (23757,6) 61560 (17100)
Бики-плідники 600 3739 (1038) 2688 (747) 85199,04 (23666,4) 61313 ,76 (17031,6)
800 4417 (1227) 3178 (883) 100712,2 (27975,6) 72476,64(20132,4)
1000 4995 (1388) 3601 (1000) 113927 (31646,4) 82080 (22800)
Телята у віці до 6 міс. 40 296 (82,1) 213 (59,1) 6738,768 (1871,88) 4850,928 (1347,48)
50 403 (112) 291 (80,7) 9192,96 (2553,6) 6623,856 (1839,96)
60 502 (139) 360 (100) 11409,12 (3169,2) 8208 (2280)
70 607 (169) 440 (122) 13871,52 (3853,2) 10013,76 (2781,6)
80 708 (196) 507 (141) 16087,68 (4468,8) 11573,28 (3214,8)
90 779 (216) 557 (155) 17729,28 (4924,8) 12722,4 (3534)
100 829 (230) 599 (166) 18878,4 (5244) 13625,28 (3784,8)
120 917 (255) 657 (183) 20930,4 (5814) 15020,64 (4172,4)
140 992 (276) 716 (199) 22654,08 (6292,8) 16333,92 (4537,2)
160 1076 (299) 775 (215) 24541,92 (6817,2) 17647,2 (4902)
180 1160 (322) 833 (232) 26429,76 (7341,6) 19042,56 (5289,6)
200 1235 (343) 892 (247) 28153,44 (7820,4) 20273,76 (5631,6)
Ремонтний молодняк у віці 6 місяців 140 1122 (311) 808 (224) 25526,88 (7090,8) 18385,92 (5107,2)
и більше 160 1214 (338) 875 (243) 27743,04 (7706,4) 19945,44 (5540,4)
180 1310 (364) 942 (262) 29877,12 (8299,2) 21504,96 (5973,6)
200 1398 (388) 1005 (279) 31847,04 (8846,4) 22900,32 (6361,2)
250 1608 (447) 1160 (322) 36689,76 (10191,6) 26429,76 (7341,6)
300 1807 (503) 1302 (362) 41286,24 (11468,4) 29712,96 (8253,6)
350 2001 (556) 1440 (400) 45636,48 (12676,8) 32832 (9120)
400 2311 (607) 1574 (437) 49822,56 (13839,6) 35868,96 (9963,6)
Молодняк на відкормі у віці 6 місяців 160 1633 (454) 1177 (327) 37264,32 (10351,2) 26840,16 (7455,6)
и більше 180 1763 (499) 1269 (352) 40957,92 (11377,2) 28892,16 (8025,6)
(200 1880 (523) 1357 (376) 42927,84 (11924,4) 30862,08 (8572,8)
250 2169 (602) 1562 (433) 49412,16 (13725,6) 35540,64 (9872,4)
300 2437 (677) 1754 (487) 55568,16 (15435,6) 39972,96 (11103,6)
350 2692 (747) 1939 (538) 61313,76 (17031,6) 44159,04 (12266,4)
400 2918 (811) 2102 (584) 66566,88 (18490,8) 47934,72 (13315,2)
450 3132 (870) 2257 (626) 71409,6 (19836) 51382,08 (14272,8)
500 3333 (927) 2399 (667) 76088,16 (21135,6) 54747,36 (15207,6)
Аналізуючи таблицю 1.1 можна дійти невтішного висновку, що
кількість теплоти, виробленої однієї одиницею великої рогатої худоби,
коливається від 1347,48 Вт·ч/сут до 31646,4 Вт·ч/сут. Це коливання залежить
від групи, до якої належить тварина. Найбільше теплоти виробляють
лактуючі корови та бики-виробники.
Частина теплоти, що виробляється великою рогатою худобою,
витрачається на підтримку оптимальної температури в тваринницьких
приміщеннях в холодну пору року. Інша частина переходить у тепловтрати
через огороджувальні конструкції та природну вентиляцію. Дуже важливо,
щоб вентиляція у тваринницькому приміщенні, природна чи примусова,
працювала справно. З теплотою тварини виділяють велику кількість водяної
пари та вуглекислого газу, а продукти життєдіяльності корів виділяють
домішки аміаку та сірководню. Якщо вентиляція у приміщенні недостатня,
то концентрація гранично допустимих норм домішок газів у повітрі
підвищиться, зросте вологість, що може призвести не тільки до зниження
продуктивності худоби, але і до отруєння як тварин, так і персоналу, що
обслуговує. Навпаки, якщо перестаратися з вентиляцією, в приміщенні може
бути занадто холодно, що викличе хворобу у тварин, зниження
продуктивності.
У годину при температурі зовнішнього повітря -10 ° С 100 голів ВРХ
виділяє теплоти від 71414,78 кДж / год до 318816 кДж / год, що відповідає
19837,44 Вт · год до 88560 Вт · год; 200 голів виділяє теплоти від 142829,6
кДж/год до 637632 кДж/год, що відповідає 39674,88 Вт · год до 177120 Вт ·
год; 400 голів виробляє від 285569,1 кДж/год до 1275264 кДж/год, що
відповідає 79349,76 Вт · год до 354240 Вт · год; 800 голів виробляє від
571318,2 кДж/год до 2550528 кДж/год, що відповідає 158 699,5 Вт до 708
480 Вт. Найбільш високу теплопродуктивність має група бугаїв-плідників.
При температурі повітря 0 °С ВРХ (таблиця 1.3) у тварин виділяється
теплоти менше, ніж при температурі -10 °С. Але, як і раніше, високу
теплопродуктивність маєте група тварин – биків виробників. Аналізуючи
тепловиділення великої рогатої худоби в таблиці 1.4 з попередніми двома, як
і раніше, можна спостерігати зменшення тепловиділення при зростанні
температури в приміщенні.
Аналізуючи таблиці 1.2–1.6, стає очевидним, що в зимовий час при
температурі –10 °С виділення теплоти у тварин більше, ніж у літнє за
температури +30 °С. Це цілком нормальне і пояснюється тим, що на обігрів
тваринам потрібно теплоти вдвоє більше.
Найбільш продуктивною групою тварин з тепловиділення
залишаються бики-виробники. Однак найбільш перспективними є лактуючі
корови, так як ця група найбільш поширена в тваринництві.
Розрахуємо та проаналізуємо добову теплопродуктивність Qж.сут.,
кДж/сут, тих же груп ВРХ при розглянутих раніше температурах у
приміщеннях:
Qж.сут. = (Qж · 18) + (Qж · 6 · 0,8), (1,4)
де Qж – погодинна теплопродуктивність великої рогатої худоби,
кДж/год (таблиці 1.2–1.6);
18 – число годин випромінювання теплоти у денний час, год;
6 – число годин випромінювання теплоти у нічний час, год;
0,8 – частка випромінювання теплоти ВРХ у нічний час [43].
Результати розрахунків добової теплопродуктивності ВРХ
представлені у таблицях 1.7–1.
Розділ 2 ОБГРУНТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ ТА ПАРАМЕТРІВ
ПРИСТРОЇ ДЛЯ ПІДІГРІВУ ВОДИ
МКР 24.144.87 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Герасименко Обгрунтування конструкції та Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков
Реценз. параметрів
Н. Контр. пристрої для підігріву води ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 2 ОБГРУНТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ ТА ПАРАМЕТРІВ
ПРИСТРОЇ ДЛЯ ПІДІГРІВУ ВОДИ
2.1 Аналіз руху теплових потоків у приміщенні для утримання
великої рогатої худоби
Аналіз теплових потоків у тваринницькому приміщенні для утримання ВРХ
необхідний щоб зрозуміти яким чином рухається нагріте повітря у приміщеннях з
вентиляцією різного виду. Це дає можливість подати в якій частині тваринницького
приміщення можна раціонально розмістити пристрій для нагрівання води за рахунок
теплоти тварин.
Повітря, що надходить у приміщення, має рівномірно розподілятися в місці
розташування тварин, при цьому не повинно виникати протягів і застоїв повітря.
Вентиляційні системи, які мають це забезпечувати, можуть розділятися за принципом
дії та конструктивними особливостями [45, 46]. Класифікація систем вентиляції у
тваринництві представлена малюнку 2.1 [10, 38, 43, 47, 48].
Рисунок 2.1 – Класифікація систем вентиляції у тваринництві [10, 38, 43]
Необхідний рівень повітрообміну в тваринницькому приміщенні для утримання
ВРХ для дорослих особин має бути не менше ніж 30 м3, а для молодняку не менше ніж
20 м3. У зимовий час необхідно створювати повітрообмін не менше 17-20 м3/год при
його кратності від 4 до 5 разів протягом однієї години [34, 35].
Розглянемо типи вентиляцій, щоб уявити, як рухається повітря у приміщенні
[49, 50]. Вентиляція, що здійснюється через шахти, найбільш поширена у
неутеплених корівниках. Шахти є довгими широкими трубами, один кінець яких
знаходиться всередині корівника, а інший виходить на дах і закривається таким
чином, щоб попадання опадів у приміщення було мінімальним. На малюнку 2.2 [51,
52] представлено найпростішу систему шахтної вентиляції з приблизним рухом
повітря, яка може забезпечити гігієнічний стан повітря в приміщенні в зимовий час
при температурі зовнішнього повітря до -10 ° С [51, 52, 53].
Рисунок 2.2 – Схема руху повітря у приміщенні з шахтної вентиляції:1 и 2 –
підвіконний та надоконний припливні отвори; 3 – піддон; 4 – утеплювач;
5 – дросель-клапан; 6 – регулювальний напрямний клапан [51, 52]
На малюнку 2.3 [52] представлено рух повітря з вентиляцією шахтного типу
у тваринницьких приміщеннях за схемою з надлишковим тиском з вентиляторами,
розташованими на даху у холодний та теплий періоди року.
Аналізуючи наведені схеми руху повітря видно, що нагріте тваринами
повітря прагне вийти через систему вентиляції тваринницьких приміщень.
a)
б)
Рисунок 2.3 – Вентиляція тваринницьких приміщень за схемою з надлишковим
тиском з вентиляторами на даху: а) з відкритими вікнами;
б) із закритими вікнами: 1 – віконні отвори; 2 – витяжні шахти;
3 – припливні димарі [52]
Найбільш насичене тепловими парами повітря рухається у верхній частині
тваринницьких приміщень усіх типів. Але якщо відобразити малюнки 2.2 [51, 52] і
2.4 [54] у профіль щоб подивитися повноцінно розподіл нагрітого повітря, то
побачимо, що нагріте повітря рівномірно піднімається в тваринницьких приміщеннях
з природною вентиляцією горизонтального типу зі світловим ліхтарем. У
приміщеннях з шахтною вентиляцією повітря збирається в «Пучки» (рисунок 2.5,
[55]).
Рисунок 2.4 – Рух повітря у приміщенні для утримання ВРХ
з природною горизонтальною вентиляцією [54]
a)
б)
Рисунок 2.5 – Схема руху повітря вид збоку: а) у приміщенні з шахтної
вентиляції; б) у приміщенні для утримання ВРХ з природною горизонтальною
вентиляцією [54].
Проаналізуємо розподіл температур за допомогою тепловізійної зйомки. На
рисунках 2.6–2.7 представлені результати тепловізійного дослідження приміщень для
утримання ВРХ.
Рисунок 2.6 – Результати тепловізійної зйомки у приміщенні для утримання
ВРХ із природною вентиляцією шахтного типу
Проведене дослідження підтвердило, що у приміщеннях для утримання ВРХ
найбільш нагрітою є верхня частина тваринницького приміщення.
Цей висновок стосується обох типів розглянутих вентиляцій.
Рисунок 2.7 – Результати тепловізійної зйомки у приміщенні для утримання
ВРХ із природною вентиляцією горизонтального типу.
Виконаємо оцінку потенціалу використання теплоти, що видаляється через
систему вентиляції.
Пристрій для нагрівання води за рахунок теплоти великої рогатої худоби для
ефективної роботи повинен бути розміщений у найбільш нагрітому полі повітря.
Для того, щоб використовувати теплоту тварин і досягти бажаного
результату, її необхідно перетворити. Діяльність розглядається застосування
теплообмінного апарату, який, приймаючи теплоту тварин, нагрівав воду.
Необхідно, щоб виконувалась низка завдань:
1. Пристрій повинен мати конструкцію, здатну нагрівати воду.
2. Конструкція пристрою не повинна негативно впливати на процес
повітрообміну в приміщенні.
3. Пристрій повинен мати продуктивність, здатну задовольнити потребу
корів у воді у час.
4. Пристрій не повинен обтяжувати несучі конструкції приміщення для
утримання ВРХ.
5. Пристрій повинен забезпечити зниження витрат на споживання
електричної енергії, що витрачається на підігрів води для напування тварин.
2.1.1 Математична модель природного теплообміну у тваринницькому
приміщенні.
До приміщень для утримання тварин великої рогатої худоби пред'являється
велика кількість вимог, що забезпечують найкращі умови для їх утримання. Одним
із параметрів, що забезпечують хорошу продуктивність ВРХ є температура. Якщо
розглядати приміщення в цілому, стає очевидним те, що на різних рівнях повітря
має різну температуру (рисунок 2.8).
У шарах повітря, де безпосередньо знаходяться тварини температура нижче,
ніж у шарах, які знаходяться ближче до стелі, причому зі збільшенням висоти її
величина пропорційно зростатиме. Залежно від пори року рівень температури
коливатиметься, але в загальному випадку картина залишиться тією самою.
Звичайно, це за умови, що не відступаємо від вимог до утримання тварин.
Теплообмін виникає, коли нагріті тваринами повітряні потоки, маючи
меншу щільність, піднімаються вгору за рахунок конвекції, а на їх місце приходять
холодні повітряні маси з більшою щільністю.
Рисунок 2.8 – Розподіл температур у корівнику на 400 голів за температури
зовнішнього повітря 4 °С (жовтень 2019 р).
Дослідженням перебігу повітря, що виникає при температурній конвекції,
займався Капустін В. Н. [55]. Можливий вид зміни течій повітря при температурній
конвекції представлений рисунку 2.9 [55]:
Рисунок 2.9 – Можлива конфігурація течій повітря, що виникають за
температури конвекції [55]
Побудова математичної моделі необхідне виявлення найкращого місця
розташування пристрою для нагрівання води [56]. Розглянемо малюнку 2.8 для
зазначених умов повітряні шари, де фіксувалася температура повітря. Кожен шар
певної висоти. Отримані дані занесено до таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 – Температура шарів повітря у приміщенні для утримання ВРХ
за температури зовнішнього повітря 4 ° C (жовтень 2019)
Ширина Висота Довжина Об’єм Внутрішня Зовнішня Щільність
Ні кулі, а, шару Втома, шару, температура, температура внутр.
шару м ч, м л, м В, м3 t1, °C t2, °C повітря,ρ,
кг/м3
1 20 0,44 100 300 10,5 4 1,247
2 20 0,606 100 536 12 4 1,247
3 20 0,6312 100 641,2 13,1 4 1,247
4 20 1,0805 100 1186 15,9 4 1,226
5 20 0,8813 100 928 19 4 1,226
6 14,806 0,5718 100 516,55 21 4 1,205
7 11,683 1,2694 100 285,64 23,1 4 1,205
Аналізуючи таблицю 2.1 можна сказати, що через відмінність температур у
кожному шарі, змінилася трохи і щільність повітря, і з допомогою цієї різниці
створюються локальні конвекційні потоки [55].
Можна стверджувати, що 7 шар, зазначений на малюнку 2.11, є кращим місцем
для розміщення пристрою для нагрівання води, так як:
1) температура у цьому шарі 22 °С, достатня для нагрівання води до потрібної
температури;
2) коефіцієнт температуропровідності у зазначеному шарі вище ніж у всіх інших
і становить 2,1469·10-5 (м2/с);
3) інтенсивність теплообміну у вказаному шарі становить 2,36, що значно вище,
ніж в інших шарах.
Проаналізуємо, як зміниться температура повітря у тваринницькому
приміщенні під час роботи пристрою для нагрівання води для напування (рисунок
2. 11).
На рівні 7 шару, де згідно з розрахунками та виміряною температурою буде
розташовуватися пристрій для нагрівання води. За розподілом температури видно, що
її значення після введення пристрою в експлуатацію зміниться незначно, а
температура всередині приміщення в зоні розташування ВРХ не зміниться зовсім.
Рисунок 2.11 – Результати моделювання зміни температури в
тваринницькому приміщенні під час роботи пристрою для нагрівання води.
З цього можна зробити висновок, що робота пристрою не знижуватиме
температуру в приміщенні, тим самим не порушуючи технології утримання великої
рогатої худоби.
2.2 Обґрунтування раціональної конструкції пристрою
для нагрівання води
Для вирішення завдань з розробки математичної моделі пристрою для
нагрівання води та його експериментального лабораторного зразка насамперед
необхідно вибрати раціональну конструкцію.
Пристрій, який нагріватиме воду за рахунок теплоти великої рогатої худоби,
буде працювати за принципом рекуперативного теплообмінника. Теплоносій, що
віддає тепло, (теплота тварин) буде безперервно текти з одного боку стінки, а
приймаючий (вода) з іншого.
Рекуперативні теплообмінники бувають різних видів. Одним із різновидів є
пристрої з ребристими елементами (рисунок 2.12, [71]). У цьому випадку коефіцієнт
температуропровідності з одного боку стінки менше ніж з іншого боку, Тому
застосування зазначеного раніше виду рекуперативного теплообмінника буде
найбільш доцільним [71].
a) б)
Рисунок 2.12 – Різновиди ореброваної теплообмінної труби: а) продольні ребра; б)
поперечні ребра [71]
Проаналізуємо пристрої для нагріву таких типів. Відомі трубчасті
теплообмінники, які містять теплообмінні трубчасті елементи типу багатосекційного
теплообмінника (рисунок 2.13 [72]). Наведений приклад застосовується в
теплообмінниках, які використовуються для нагрівання рідини, що протікає
всередині, в потоці гарячих газів, а також в інших пристроях для нагрівання та
охолодження газу або рідини.
Рисунок 2.13 – Багатосекційний теплообмінник: 1 – секції; 2 – труби; 3 –
трубчасті колектори; 4 – заглушка; 5 – коліна [72]
Пристрій дозволяє знизити гідравлічний опір теплообмінника, вирівняти
швидкості рідини теплообміннику, при цьому досягається підвищення теплової
ефективності теплообмінника. Розглянута конструкція має недолік, який полягає в
нерівномірності температурного поля циркулюючих теплоносіїв. Крім цього, серед
недоліків можна відзначити і те, що в умовах тваринницького приміщення
встановлення такого теплообмінника є досить складним, енергоємним і витратним.
Розміщення теплообмінника як пристрій нагрівання води в корівнику буде незручним
з погляду розташування їх у площині повітряного шару, де передбачено розміщення
пристрою (пп. 2.1.2), т.к. будуть витрачатися додаткові кріплення, а навантаження на
несучі конструкції, до яких буде прикріплено пристрій, буде розподілено не
рівномірно.
Оребрена труба (рисунок 2.14, [73]) теплообмінника відноситься до трубчастих
пристроїв теплообмінників і може бути використана в хімічній, радіохімічній та
інших галузях промисловості. Вона включає поздовжні пластини, кінці яких вигнуті
по дузі кола, з'єднані між собою точковим зварюванням і укладені в корпус
трубчастого (кільцевого) теплообмінника, забезпеченого теплообмінними сорочками.
Між двома суміжними пластинами розміщено розтискні вставки. У місці їх
розміщення кінці пластин, вигнуті по зовнішній та внутрішній дузі кіл, з'єднуються
між собою із зазором. Розтискна вставка містить наскрізні пази, що служать для
контактування з поверхнею пластин. Для обмеження радіального переміщення
вставок є обмежувачі.
Рисунок 2.14 – Обріблена труба теплообмінника: 1,2 – поздовжні пластини; 3, 4 –
кінці поздовжніх пластин; 5 – корпус трубчастого теплообмінника;
6, 7 – теплообмінні сорочки; 8, 9 – розтискні вставки; 10 - зазор; 11 – наскрізні
пази; 12 – виступи; 13, 14 - скоби; 15, 16 – пластини; 17 - обмежувач [73] .
Така конструкція хоч і є ефективною, проте водночас є громіздкою, і складною
у виготовленні та металомісткою. Цей факт можна віднести до недоліків.
Пристрій теплообмінника (рисунок 2.15, [74]) призначений для теплообміну
між двома середовищами, переважно газовим середовищем і рідким середовищем,
найбільш переважно - між повітрям та водою.
Рисунок 2.15 – Осьовий теплообмінник: 1 – ребро; 2 – внутрішній канал; 3 –
верхній розподільний концентратор; 4 – центральний канал; 5 – нижній
розподільний колектор; 6 – колектор центрального каналу [74].
Такий теплообмінний пристрій має важливу гідність, що полягає в тому, що
воно дозволяє працювати з малими різницями між температурами першого і другого
середовищ. Наприклад, варіанти здійснення винаходу можуть працювати при
відносно малій різниці між температурою води, що нагрівається, і температурою
нагрітого повітря. Це досягається за рахунок великих теплообмінних поверхонь.
Разом з перевагами, у такої труби є й недоліки, які полягають у наступному:
- велика металомісткість;
- неможливість регулювати об'єм води, що нагрівається. Як теплообмінний
пристрій можна було б використовувати оребрену трубу з пучка теплообмінних труб
апарату повітряного охолодження газу (рисунок 2.16, [75]).
Рисунок 2.16 – Ділянка теплообмінної труби: 1 – власне тіло труби; 2 – ребра;
3 – ділянка повного аеродинамічного затінення;
4 - ділянка неповного аеродинамічного затінення [75].
За рахунок великої поверхні теплообміну, яка збільшена поперечним
ребруванням, така труба буде ефективною при нагріванні води теплотою газів, що
відходять або в розглянутому випадку теплотою тварин.
Однак є суттєві недоліки, які необхідно враховувати:
- поперечне ребра з таким коротким кроком значно ускладнить конструкцію
теплообмінної труби;
- виготовлення такої труби – складний процес, який вимагатиме значної
витрати матеріалу, часу, коштів.
Теплообмінна труба (рисунок 2.17, [76]) має канавки глибиною 0,3H до 0,5H,
де H - товщина стінки труби, нанесені з кроком на зовнішній поверхні труби та
відповідні їм виступи на внутрішній поверхні труби, які виконані по гвинтовій лінії
з кроком, що знаходиться в діапазоні від D до 8D, де D – зовнішній діаметр труби. У
гвинтових канавках розташовується ребра, виконана з дроту з впровадженням у
внутрішній простір труби з кроком від 2D до 16D під прямим кутом до осі труби.
Рисунок 2.17 – Теплообмінна труба [76]
При проходженні одного теплоносія над ребра в канавках утворюються
завихрення, що турбулізують пристінний ламінарний підшар теплоносія, що сприяє
зростанню коефіцієнта тепловіддачі від цього теплоносія до стінки труби.
Теплоносій, який рухається всередині труби при його проходженні через
гвинтові виступи ребра викликає завихрення, що руйнують пристінний ламінарний
підшар, що сприяє інтенсифікації теплообміну між гріючим середовищем.
Теплообмінна труба [76] виконана за представленою схемою матиме здатність
нагрівати воду утилізованою теплотою тварин. Однак є недоліки, що полягають в
особливій системі збільшення інтенсифікації теплообміну, а саме гвинтоподібні
канавки з дротяним оребреним. Для виготовлення такої труби потрібні особливі
умови. Це ускладнює виробництво установки.
Теплообмінник (рисунок 2.18, [77]) або окремі його елементи (1, 2, 3) може бути
використаний для нагрівання рідини в потоці нагрітих газів або повітря.
Робота пристрою [77] проста і полягає в наступному: його встановлюють у потік
нагрітого повітря, а на вхід подають холодну воду. Вода проходить трубами кожної
секції, нагрівається і надходить на вихід.
Недолік, який є у цього пристрою полягають у неможливості регулювати об'єм
води, що нагрівається.
Малюнок 2.18 – Теплообмінник: 1 – секція теплообмінника; 2 – труби;
3 – ребра; 4 – колектори; 5 – трубчасті коліна; 6 – боковини;
7 – кронштейни; 8 – отвори; 9 – борти; 10 – вхід; 11 - вихід [77]
Більшість із розглянутих пристроїв теплообмінників, які здійснюють роботу за
принципом рекуператора мають схожу конструкцію, технічні характеристики,
переваги та недоліки. Аналіз проводився на кшталт поверхні теплообміну,
можливості здійснювати регулювання води, оцінці складності виконання системи з
пропонованими пристроями, масі установки, за передбачуваним капіталовкладенням
в удосконалення системи нагрівання води для напування. Основні результати
проведеного аналізу занесено до таблиці 2.4.
Таблиця 2.4 – Результати аналізу теплообмінних пристроїв
Здатність Виготовленн Інсталяції
Найменування, номер Поверхня регулювати я Masa Металоєм-
патенту теплообміну обсяг води (просте/скла (важкий, кість
дне) легкий)
Багатосекційний Чи не ребрен ні просте полегшена низька
теплообмінник
№2294503
Срібна труба Срібна За рахунок складне важка високий
теплообмінника № поперечно зміни
2117894 довжини
труби
Осьовий Срібна ні складне важка високий
теплообмінник № подовжено
2393403
Срібна труба пучка срібна за рахунок складне важка високий
теплообмінних труб подовжено зміни
апарату повітряного довжини
охолодження газу № труби
48046
Теплообмінна труба срібна за рахунок складне полегшена середні
№2543586 подовжено зміни
довжини
труби
Теплообмінник срібна ні складне важка високі
№2324882 подовжено
Система відбору Чи не ребрен існує складне легка низькі
тепла від корів
З проведеного аналізу було виявлено, що для теплообмінника, що проектується,
важливо враховувати наступне:
- теплообмінник, повинен мати таку поверхню теплообміну, щоб робота з
нагрівання води була ефективною, тобто. має бути ребра;
- конструкція повинна бути максимально простою, щоб здійснювати
регулювання об'єму води, що підігрівається;
- маса пристрою не повинна бути великою, щоб не негативно впливати на несучі
конструкції тваринницького приміщення
- Витрати виготовлення установки повинні бути мінімальні.
Прийнявши перелічені розглянуті переваги та недоліки, було розроблено
пристрій для нагрівання води, який підтверджено патентом [додаток А, 78]. Пристрій
матиме оребрену двома пластинами трубу (рисунок 2.20).
Пропонований для розробки пристрій [78] є простим у виготовленні. Поверхня
теплообміну труби збільшена за рахунок ребра двома пластинами, які приварюються
зварюванням до труб..
Рисунок 2.20 – Фрагмент ореброваної труби пристрою для нагрівання води: 1
– фрагмент труби; 2 – пластина ребра [78]
У теплообмінної труби всього два ребра, оскільки велика кількість зварних
швів знизить надійність пристрою. Також полегшена конструкція обрана зниження
металоємності установки і, як наслідок, витрат за виготовлення. Система нагріву з
таким пристроєм не передбачає застосування теплового насоса, тим самим
виключаючи використання електричної енергії при нагріванні від теплоти ВРХ [79,
80, 81, 82, 83].
2.3 Аналіз електричної енергії, що витрачається, на нагрівання води для
великої рогатої худоби.
Гаряча вода знайшла широке застосування на тваринницьких фермах для
утримання ВРХ для напування тварин, приготування кормів, стерилізації, промивки
та дезінфекції тари, фляг, резервуарів. Також гаряча вода витрачається на санітарно-
технічні цілі, потреби обслуговуючого персоналу, у численних лініях і цехах з
переробки сільськогосподарської продукції [3].
На підставі [3, 18] розглянемо споживання гарячої води, призначеної для
напування. Дані щодо споживання представлені у таблиці 2.5.
Таблиця 2.5 – Дані щодо споживання води на одну голову ВРХ за групами тварин
Рівень молочної Споживання води на одну голову, літр
продуктивності ВРХ,
Лактуючі корови Сухостойні Середньорічні корови
Кг
корови
3500 43 35 43
4000 50 37 48
5000 60 40 57
6000 65 42 60
7000 75 45 70
Нижче на рисунку 2.21 наведено графіки, побудовані на підставі технологічних
карток з урахуванням норм споживання [3]:
Витрати води, V, л/ч
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
800г олів 400 голів 200 голів 100 голів Час, Т, ч
Рисунок 2.21 – Почасові витрати води в сутки для великої рогатої худоби.
Таблиця 2.6 – Значення електричного ККД установок [84]
Спосіб нагріву Значення КПД, ηэ
Опіром
Електродуговою
Индукційний 0,4… 0,5
Диалектричний 0,3… 0,45
Електронний та лазерний до 0,005
Розрахуємо для поголів'я 800, 400, 200, 100 голів ВРХ необхідну електричну
потужність для нагрівання кількості води в непроточних. Загальний ККД
визначався за [84].
Оскільки розглядаємо два типи ЕНУ електродні водонагрівачі (і парогенератори)
та проточні елементні водонагрівачі їх загальний ККД буде знаходитися в межах 0,8…
0,97 і 0,95… 0,98 [84] відповідно.
Результати розрахунків представлені у таблицях 2.7–2.10.Таблиця 2.7 –
Результати розрахунків необхідної потужності для напування ВРХ поголів'ям 800
голів (час нагріву 1 год).
Маса води, що Потужність ЕНУ Р, Вт
Час, нагрівається,
час кг 15°C – 15°C – 12°C –
12°C – 8°C
10°C 8°C 10°C
1 400 2613,61 3659,05 1045,44 2090,89
2 400 2613,61 3659,05 1045,44 2090,89
3 400 2613,61 3659,05 1045,44 2090,89
4 600 3920,41 5488,58 1568,16 3136,33
5 1200 7840,82 10977,15 3136,33 6272,66
6 2000 13068,04 18295,26 5227,22 10454,43
7 3200 20908,86 29272,41 8363,55 16727,09
8 3200 20908,86 29272,41 8363,55 16727,09
9 2800 18295,26 25613,36 7318,10 14636,20
10 1600 10454,43 14636,20 4181,77 8363,55
11 1200 7840,82 10977,15 3136,33 6272,66
12 800 5227,22 7318,10 2090,89 4181,77
13 800 5227,22 7318,10 2090,89 4181,77
14 600 3920,41 5488,58 1568,16 3136,33
15 600 3920,41 5488,58 1568,16 3136,33
16 600 3920,41 5488,58 1568,16 3136,33
17 1200 7840,82 10977,15 3136,33 6272,66
18 1600 10454,43 14636,20 4181,77 8363,55
19 2800 18295,26 25613,36 7318,10 14636,20
20 3600 23522,47 32931,46 9408,99 18817,98
21 3200 20908,86 29272,41 8363,55 16727,09
22 1200 7840,82 10977,15 3136,33 6272,66
23 600 3920,41 5488,58 1568,16 3136,33
24 600 3920,41 5488,58 1568,16 3136,33
Час використання пристрою нагрівання води становить 365 діб [85].
Проведемо розрахунок з тепловиділення за вказаний період.
Розрахунок проводився на підставі отриманих даних про добове
тепловиділення за різних температур навколишнього повітря, викладених у розділі
1 [86, 87]. Результати представлені у таблиці 2.11. Розрахунки проводилися на
підставі формули, за якою річне випромінювання теплоти ВРХ Qг, МДж:
Qg = QЖ.сут. ·Цут · 10-³, (2.32)
Де Qж.сут. – кількість теплоти, що виділяється однією твариною відповідної ваги, за
добу, визначається за таблицями 1.7–1.11, кДж/сут;
10-3 – коефіцієнт для перекладу з кДж в МДж;
Тсут – тривалість середньодобової температури, добу. Середня тривалість
температури -10 ° С зовнішнього повітря за період з 2016 по 2020 рік склала 35 діб,
для 0 ° С - 96 діб, для +10 ° С - 115 діб, для +20 ° С - 91 діб, для +30 ° З – 28 діб. При
обчисленні приймали вільну теплоту.
Таблиця 2.11 Результати розрахунків річної теплопродуктивності ВРХ
Річне тепловиділення при tок.в = –10 °С
Масса
Группа корів 100 голів 200 голів 400 голів 800 голів
тварини
МВт·год Мдж МВт·год Мдж МВт·год Мдж МВт·год Мдж
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Корови тільні (сухостійні) та нетілі
за 2 міс. до теління 400 30,88 111179,4 61,77 222358,9 123,53 444717,8 247,07 889435,5
500 35,62 128225,3 71,24 256450,4 142,47 512901,1 284,94 1025802
600 39,93 143744,6 79,86 287489,2 159,72 574978,3 319,43 1149957
Корови лактуючі при рівні лактації добу.:
5 л 400 29,82 107363,2 59,65 214726,4 119,29 429452,9 238,58 858905,7
500 36,11 130006,2 72,23 260012,3 144,45 520024,4 288,90 1040049
600 40,57 146034,3 81,13 292068,6 162,26 584137,4 324,52 1168274
10 л 400 32,72 117794,2 65,44 235588,5 130,88 471176,9 261,76 942353,6
500 37,46 134840 74,91 269680,1 149,82 539360,1 299,64 1078720
600 41,84 150613,7 83,67 301227,4 167,35 602455,1 334,70 1204910
15 л 400 36,40 131023,9 72,79 262047,6 145,58 524095,2 291,16 1048190
500 41,48 149341,8 82,97 298683,3 165,94 597366,9 331,87 1194734
600 46,01 165624,2 92,01 331248,5 184,03 662497 368,05 1324994
20 л 400 39,65 142726,9 79,29 285453,8 158,59 570907,5 317,17 1141815
500 44,88 161553,7 89,75 323107,2 179,50 646214,6 359,01 1292429
600 49,40 177836,1 98,80 355672,4 197,60 711345 395,19 1422690
25 л 400 43,11 155193,2 86,22 310386,5 172,44 620773 344,87 1241546
500 48,48 174528,8 96,96 349057,5 193,92 698115,1 387,84 1396230
600 53,00 190811,4 106,01 381622,8 212,01 763245,5 424,03 1526491
Бики виробники 600 52,79 190048,1 105,58 380096,1 211,16 760192,5 422,33 1520385
800 62,40 224648,6 124,80 449297,4 249,61 898594,3 499,22 1797189
1000 70,67 254415,2 141,34 508830,3 282,68 1017661 565,37 2035321
Ремонтний 140 15,83 56988,99 31,66 113978 63,32 227956,1 126,64 455912
молодняк віком 6 160 17,17 61822,88 34,35 123645,8 68,69 247291,5 137,38 494583
міс. і старше
180 18,52 66656,77 37,03 133313,5 74,06 266627,1 148,13 533254,3
200 19,72 70981,84 39,43 141963,7 78,87 283927,3 157,74 567854,7
250 22,76 81921,68 45,51 163843,3 91,02 327686,8 182,05 655373,6
300 25,58 92098,29 51,17 184196,6 102,33 368393,3 204,66 736786,4
350 28,27 101766,1 56,54 203532,1 113,07 407064,3 226,15 814128,6
400 30,88 111179,4 61,77 222358,9 123,53 444717,8 247,07 889435,5
Молодняк на 160 23,11 83193,76 46,22 166387,5 92,44 332775,1 184,88 665550,1
відкорміу віці 6 мс. 180 24,88 89554,13 49,75 179108,2 99,50 358216,6 199,01 716433,2
и старше
200 26,57 95660,11 53,14 191320,2 106,29 382640,3 212,58 765280,9
250 30,60 110161,8 61,20 220323,5 122,40 440647,1 244,80 881294
300 34,42 123900,2 68,83 247800,4 137,67 495600,8 275,33 991201,6
350 38,02 136875,3 76,04 273750,8 152,08 547501,4 304,17 1095003
400 41,27 148578,4 82,54 297157 165,09 594313,9 330,17 1188628
450 44,24 159263,9 88,48 318527,7 176,96 637055,5 353,92 1274111
500 47,14 169694,9 94,27 339389,7 188,55 678779,8 377,10 1357559
Для порівняння обчислимо скільки потрібно електричної енергії для
нагрівання води різних температур до заданих значень. В основі розрахунків
лягли дані діаграми 2.21.
Річний споживання електричної енергії W, кВт·ч, буде обчислюватися за
формулою:
Ш= П ТГ Ки (2.33)
де Р - Потужність електроприймача, кВт; ТГ - число годин на рік, год; kі -
Коефіцієнт використання. У електроводонагрівачів kі = 1 [60].
Результати розрахунків наведено у таблиці 2.17.
Таблиця 2.17 – Результати річного споживання електроенергії водонагрівачами
Кількість електричної енергії для нагрівання води за
Поголів’я температури (Т1–Т2), кВт·год
(15 °C–10 °C) (15 °C–8 °C) (12 °C–10 °C) (12 °C–8 °C)
800 голів 83949,08 117528,7 33579,63 67159,27
400 голів 41974,55 58764,37 16789,82 33579,64
200 голів 20748,78 29048,29 8299,509 16599,01
100 голів 10255,14 14357,19 4102,045 8204,109
2.4 Методика розрахунку енергозберігаючого пристрою для
нагрівання води.
2.4.1 Розрахунок теплового балансу тваринницького приміщення.
Тепловий баланс тваринницьких приміщень розраховується з метою визначення
можливості забезпечення оптимального мікроклімату, особливо в холодну пору року
(січень).
Тепловий баланс – це співвідношення приходу (теплопродукції) та витрати
(тепловтрати) тепла у тваринницькому приміщенні.
Температурний режим складається в приміщенні під впливом тепловиділень
тварин (якщо приміщення не опалюється) і тепла, що вноситься опалювальними
вентиляційними системами (якщо вони передбачені), а також тепловтрат на обігрів
повітря, що надходить, через огородження будівлі та випаровування вологи.
Тому тепловий баланс можна подати у вигляді наступної формули:
КВ = Чл. - (Квен. + Кісп. + Ког.), (2.34)
де Qжив. – кількість вільної теплоти, що надходить у приміщення від тварин, кВт;
Qвен. – кількість теплоти, що витрачається на нагрівання вентиляційного
повітря, кВт;
Qисп. – кількість теплоти, необхідне на випаровування вологи з підлоги,
годівниць, обладнання будівлі, кВт;
Qогр. – кількість теплоти, що втрачається через огороджувальні конструкції
будівлі у зовнішню атмосферу, кВт.
Для розрахунку теплового балансу корівника приймаємо такі вихідні дані:
1) корівник місткістю 800 голів поділено на два приміщення, кожне з
яких має внутрішні розміри: довжина – 120 м, ширина – 21 м, висота у ковзані даху
– 5,8 м, висота стіни – 3 м;
2) корівник місткістю 400 голів із внутрішніми розмірами: довжина – 120
м, ширина – 21 м, висота у ковзані даху – 5,8 м, висота стіни – 3 м;
3) корівник місткістю 200 голів із внутрішніми розмірами: довжина – 78
м, ширина –21 м, висота – 3 м;
4) корівник місткістю 100 голів із внутрішніми розмірами: довжина – 72
м, ширина –10 м, висота – 3 м. (потрібні дані для 800 голів);
5) оптимальна температура всередині тваринницького приміщення для
великої рогатої худоби становить 8–10 °С з коливаннями від 4 до 20 °С, згідно з
нормативом для корівників із прив'язним способом утримання тварин
6) [10, 13, 14].Температура води, що надходить з колодязя, становить 4
°С. Воду такої температури для напування краще не використовувати, так як
знизиться продуктивність корів, збільшиться витрата корму, тварини можуть
захворіти.
Оптимальна температура згідно зоогігієнічним нормативам знаходиться в
діапазоні від 8 до 12 °С. Для розрахунку задаємося середнім значенням температури
– 10 °С. Дана величина регламентована методичними рекомендаціями з
технологічного проектування ферм та комплексів великої рогатої худоби [18] та
застосовується у роботах [12, 13]. Більш детальний вплив температури води на
продуктивність корів описано у першому розділі.
Таблиця 2.18 – Максимальне споживання води та потужність необхідна для її
нагрівання
Поголів'я Споживання води, л/ч Потужність для нагрівання, кВт
800 голів 3600 25,272
400 голів 1800 12,636
200 голів 900 6,318
100 голів 350 2,457
Для розрахунку теплового балансу необхідно визначити Qжив., Qвен, Qисп.,
Qогр. Для розрахунку кількості тепла, що виділяється тваринами Qжив, бажано
використовувать наступні значення [18]:
1) діоксид вуглецю СО2, л/ч;
2) водяні пари, г/ч;
3) вільна теплота.
Кількість вільної теплоти було розраховано у розділі 1, таблиця 1.1. На
підставі отриманих результатів були розраховані дані щодо тепловиділення у корів
для різної кількості поголів'я (гл. 1).
Кількість теплоти, що витрачається на нагрівання вентиляційного повітря
Qвен, кВт, розраховується за формулою [88]:
Квент = 0,00028· Dt · G , (2.37)
де Δt – різниця між оптимальною температурою повітря в приміщенні та
середньомісячною температурою зовнішнього повітря найхолоднішого місяця
зони, °С;
G – кількість повітря, що видаляється з приміщення або надходить до нього на
протязі 1 ч, кг/ч;
0,00028 – кількість теплоти необхідна для нагрівання 1 кг повітря на 1°С,
кВт·ч/кг·°С.
Кількість теплоти, що втрачається через огороджувальні конструкції будівлі у
зовнішню атмосферу Qogr, кВт, визначається з урахуванням умовних коефіцієнтів
теплопередачі:
Qogr = Δt·СК; S·10-3, (2.38)
где ∆t – різницю між оптимальною температурою повітря в приміщенні та
середньомісячною температурою зовнішнього повітря найхолоднішого місяця
зони, °С;
К – коефіцієнт загальної тепловіддачі через огороджувальні конструкції,
кВт/м2·°С;
S – площа огороджувальних конструкцій, м2;
Σ – показник підсумовування твору, KS.
Розрахунок витрати тепла на випаровування вологи з поверхні підлоги та
інших огорож QІспанська., кВт, виробляють шляхом множення кількості
випаровується з підлоги та інших огорож вологи на 0,595 ккал, рівне 0,692·10-3
кВт·ч , тобто кількість теплоти, витрачається на випаровування 1 р вологи, тобто
:
QВикористання = 0,692·103 ∙ і (2.39)
де а – це кількість вологи, що випаровується з підлоги та огороджувальних
конструкцій будівлі, яка визначається у вигляді процентної надбавки від кількості
вологи (7–10 %), що виділяється всіма тваринами, що знаходяться в даному
приміщенні протягом однієї години, 1/год.
Усі необхідні обчислення проводилися за допомогою програмного комплексу
«Тепловий баланс приміщень ВРХ та свинарників». Результати розрахунків для
поголів'я 800, 400, 200, 100 голів зведені таблиці 2.19.
Таблиця 2.19 – Розрахунок теплового балансу тваринницького приміщення на 800
голів
Q, кВт
Т, °C
Чл. Квен. Кісп. Ког. ∑ П
30 268 -400,4 54 -150 764,4
20 374,8 -200 34 -74 614,8
10 462,6 0 20,8 0 441,8
0 462,6 229,6 20,8 74 138,2
–10 462,6 400,4 20,8 150 -108,6
–20 462,6 600,4 20,8 230 -388,6
–30 462,6 800,6 20,8 300 -658,8
Таблиця 2.20 – Розрахунок теплового балансу тваринницького приміщення на 400
голів
Q, кВт
Т, °C
Чл. Квен. Кісп. Ког. ∑ П
30 134 -200,2 27 -75 382,2
20 187,4 -100 17 -37 307,4
10 231,3 0 10,4 0 220,9
0 231,3 114,8 10,4 47 69,1
–10 231,3 200,2 10,4 75 -54,3
–20 231,3 300,2 10,4 115 -194,3
–30 231,3 400,3 10,4 150 -329,4
З аналізу таблиць за результатами розрахунку теплового балансу
тваринницьких приміщень для розглянутого числа поголів'я ВРХ випливає, що
сумарної теплової потужності достатньо нагрівання води для напування протягом
усього року.
2.4.2 Розрахунок параметрів теплообміннИКА
Теплообмінний пристрій, який пропонується застосовувати як нагрівач води,
має певні параметри. Для корівників, що має різну кількість поголів'я, будуть
змінюватися такі фізичні параметри як довжина, ширина та поверхня
теплообмінника [Додаток Б, 79].Для расчета параметров теплообменника
принимаются следующие допущения:
- у корівниках присутні постійно 800, 400, 200, 100 голів великої рогатої
худоби;
- у корівниках температура розподіляється нерівномірно (рисунок 2.8). Внизу
10 °С [18], у середині 15 °С, у верхній частині (під дахом, у місці встановлення
теплообмінного пристрою) 20 °С.
Проведемо розрахунки для поголів'я ВРХ 400 голів.
Таблиця 2.23 – Розрахунок теплового балансу тваринницького приміщення на
400 голів за температури навколишнього повітря 4°С
Q, кВт
Т, °C
Чл. Квен. Кісп. Ког. ∑ П
4 231,3 92,8 10,4 40 88,1
Витрата припливного повітря за цих умов Vпри тпов. = 46380 м3/ч. Розрахунок
проводився за допомогою програмного комплексу «Тепловий баланс приміщень
ВРХ та Свинарників».
Об'єм повітря у тваринницькому приміщенні з внутрішніми розмірами:
довжина – 120 м, ширина – 21 м, висота у конику даху – 5,8 м, висота стіни – 3 м,
складе 11088 м3.
Загальний обсяг повітря, що проходить через тваринницьке приміщення,
протягом години дорівнює:
V = Vприміщ + Впрі тповіт = 11088 + 46380 = 57468 м3. (2.40)
Розрахунок температури повітря в місці встановлення теплообмінника показав, що
вільний тепловий потік ∑ Q = 88,1 кВт додатково нагріє Vо (понад температуру
прийняту для розрахунку теплового балансу, яка дорівнює 10°С).
У цьому враховуємо припущення, прийняті для розрахунків вище.
Теплопередача через циліндричну стінку здійснюється в такий спосіб. Дивимос
графік зміни температури при теплопередачі через циліндричну стінку наведено на
QC
рисунку 2.22 [89, 90, 91].
Рисунок 2.22 – Передача тепла через циліндричну стінку [89]
Розрахунки показують розміри гладкого теплообмінника. Видно, що зі
зменшенням діаметра, пропорційно збільшується довжина труби, і відбувається
зростання ваги конструкції.
З огляду на сказане в [78] необхідно збільшити ефективність теплообмінного
пристрою. Для цього додаємо ребра з зовнішнього боку, а саме два ребра, як це
показано на малюнку 2.22.
Положення ребер вибрано на підставі [71, 74]. Поздовжнє ребра двома
ребрами, розташованими під кутом 90° дозволяє працювати з малими різницями
між температурами першої і другої середовищ. Обґрунтування обраної конструкції
представлене у пункті 2.2.
Розглянемо рух повітряних потоків через теплообмінник, з різним кутом
ребра.
Аналізуючи рисунок 2.23, можна сказати, що рисунок 2.23, а має кращі
аеродинамічні властивості для виконання функції уловлювання теплових потоків.
Якщо подивитися на цей малюнок, то можна побачити, що стрілки, що вказують на
напрямок руху теплового потоку, охоплюють практично всю поверхню
теплообмінної труби.
90°
7
0 °
a) б)
Рисунок 2.23 – Рух теплових потоків через пристрій нагрівання води:
а) з кутом ребер 90°С щодо осьової лінії; б) з кутом ребра 70°С щодо осьової лінії
На рисунку 2.23,б ребра прийнято з кутом в 70° від осьової лінії. Таке ребра сприяє
невеликому розсіюванню теплового потоку в бік, тим самим зменшуючи поверхню,
hК раїв h Країв
яку охопило б нагріте повітря.
Рисунок 2.24 – Ребра теплообмінника
Таблиця 2.21 – Довжина пристрою для нагрівання води для корівника на 400
голів ВРХ
Параметри Гладкою З шириною ребра, м
грн1 = 0,02 HRIB2 = грн3 = 0,05
0,035
Необхідна довжина
1641 866 599 514
теплообмінника, L, м
Коефіцієнт теплопередачі
через оребровану стінку, kl, 0,25 0,466 0,672 0,785
Вт/(м·К)
Площа теплообмінника, м2 138,18 142,16 134,28 115,21
За результатами обчислень стає зрозуміло, що будь-яке з розглянутих ребра
збільшує ефективність теплообміну (теплопередачі), порівняно з гладкою трубою.
Остаточний розмір ребра визначимо виходячи з витрат на придбання смуги ребра
зазначеної ширини і вага, на який збільшиться конструкція пристрою для
нагрівання [95]. Результати занесено до таблиці 2.22.
Таблиця 2.22 – Визначення ширини плавників
Ширина Вага готових Ціна на готові
нержавіючої Ціна за 1 Вага смуги 1 м, смужок планки для
смуги для тонну, тис. кг (для корівника на оребрення,
реній, м 400 голів), кг тис.
0,02 266,5 0,324 560 149,24
0,035 217,5 0,567 679,2 147,73
0,05 217,5 0,81 832,68 181,11
Аналіз даних у таблиці 2.22 показав, що найменшу вартість мають смуги
шириною 0,035 і 0,05 м. Однак вага необхідної кількості готових смуг шириною
0,05 м і, відповідно, їх ціна набагато вища ніж на смуги меншої ширини.
Ціна за необхідну кількість смуг нержавіючої сталі завширшки 0,02 м вище
на 1,51 тис. грн. в порівнянні зі смугою шириною 0,035 м. Якщо брати до уваги
таблиці 2.21, у смуги найменшої ширини спостерігається найменша ефективність
передачі теплового потоку через оребреную поверхню. Виходячи з проведеного
аналізу ширини ребра для розглянутого пристрою для нагрівання води найбільш
раціональна ширина ребер становить 0,035 м.
2.5 Висновки з 2-го розділу
Під час проведеної роботи було зроблено такі висновки:
1. Проведений теоретичний аналіз раціонального розташування пристрою для
нагрівання води у тваринницькому приміщенні показав, що встановлювати пристрій
слід у 7 шарі, вказаному на малюнку. 2.8, тому що в ньому зазначені найкращі умови
для теплообміну, отримані в результаті спостережень та обчислень: температура
нагрітого повітря 22 °С, достатня для нагрівання води до потрібної температури,
коефіцієнт температуропровідності у вказаному шарі вище ніж у всіх інших і
становить 2,1469·10-5 (м2/с), а інтенсивність теплообміну, що характеризується
критерієм Нуссельта у вказаному шарі, становить 2,36, що значно вище, ніж в інших
шарах.
2. Аналіз теплообмінних апаратів, дозволив визначити найбільш раціональні
рішення для конструкції пристрою для нагрівання води для напування тварин, що
полягають у: простоті виготовлення, легкості конструкції, здатності нагрівати воду,
мінімальних витратах на виготовлення. Виходячи з цих критеріїв було розроблено
пристрій, що враховує переваги розглянутих теплообмінних труб.
3. Виконаний розрахунок пристрою для нагрівання води дозволив задати
параметри, які виявилися найбільш раціональними щодо зазначених раніше критеріїв.
Пристрій повинен володіти оребреною двома пластинами трубою, при розрахунках
була прийнята Ду 20 за ГОСТ 3262-75 з шириною ребер h2 = 0,035 м. Кут ребра
відносно осьової лінії був прийнятий 90°, так як при зазначеній величині було
виявлено, що напрямок руху теплового потоку охоплює практично всю поверхню
теплообмінної труби.
Розділ 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ПРИСТРОЇ
ДЛЯ НАГРІВУ ВОДИ
МКР 24.144.87 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Герасименко Експериментальне Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков
Реценз. дослідження роботи пристрої
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
для нагріву води
Затверд. Калейніков
Розділ 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ
ПРИСТРОЇ ДЛЯ НАГРІВУ ВОДИ
3.1 Загальна програма проведення експерименту
Метою проведення експерименту є: визначення загальних закономірностей
аналізованих процесів, перевірка достовірності теоретичних розрахунків,
отримання дослідних даних, обґрунтування доцільності конструктивних та
режимних параметрів системи нагріву води, що забезпечує зниження споживання
електричної енергії.
Програма передбачала такі етапи:
- розробка та виготовлення лабораторної установки, дослідного зразка;
- експериментальні дослідження вдосконаленої системи для підігріву води;
- обробка даних експерименту та їх аналіз;
- пропозиція конструктивних доробок у пристрої.
Проведення досліджень ставить завдання вирішити такі питання:
- збирання та обробка експериментальних даних щодо нагрівання води в
лабораторному зразку пристрою;
- Побудова математичної моделі теплообмінного пристрою;
3.2 Опис експериментальної установки
Для проведення лабораторних досліджень було виготовлено макет
тваринницького приміщення для утримання ВРХ. Дана споруда є конструкцією з
віконними отворами, воротами, дахом, на якій як джерело світла і природної
вентиляції розміщений світлове вікно (рисунок 3.1).
Макет осначений дослідним зразком пристрою для нагрівання води –
оребреним теплообмінником, захищеним патентом [78]. Його розмістили
всередині макета, у верхній частині під дахом, у місці, де згідно з результатами
теоретичних практичних досліджень, представлених у 2 розділі, знаходиться
найкраще місце для встановлення зразка.
a)
б)
Рисунок 3.1 – Лабораторна установка «Макет тваринницького
приміщення»:
а) вид спереду; б) вид збоку
Розглянутий пристрій відноситься до галузі сільськогосподарської
енергетики, і може бути використаний для нагрівання води теплотою, що
виробляється тваринами, зокрема - великою рогатою худобою. Пристрій може
використовуватись для проведення лабораторних робіт під час навчання
студентів, які вивчають дисципліну «Електротехнологія».
При визначенні основних конструктивних параметрів пристрою
нагрівання води було враховано сказане в [71, 96, 97].
Таким чином, в результаті аналізу зазначених джерел і виконаних
розрахунків, було прийнято, що пристрій для нагрівання води являє собою
виконаний у вигляді круглої труби пристрій, який зварений по контуру
прямокутника і має введення, через який надходить холодна вода і висновок,
через який нагріта вода далі розподіляється за споживачами (рисунок 3.2).
Уздовж труби, паралельно лінії підлоги, приварюються точковим зварюванням з
обох боків труби – ребра (рисунок 3.3), функція яких полягає у збільшенні площі
нагріву та як наслідок зменшенні часу нагрівання води у пристрої.
Рисинук 3.2 – Пристрій для нагрівання води: 1 – теплообмінні труби; 2 –
ребра; 3 – сполучні коліна; 4 – введення для холодної води; 5- висновок для
нагрітої води [78].
Рисунок 3.3 – Ділянка теплообмінної труби в лабораторній установці.
Складання пристрою для нагрівання води, його виготовлення залежить від
геометричних параметрів приміщення, де він міг би бути розміщений. Простота
нагрівача одна із найважливіших переваг, що дозволяє здійснювати регулювання
необхідного обсягу води, змінюючи довжину установки, її конфігурацію. Матеріал, з
якого виконаний експериментальний зразок пристрою для нагрівання води – харчова
сталь ДУ 20. Внутрішній діаметр труби 0,021 м, ширина ребер 0,035 м, розмір
становить 2×0,8 м. Вибираючи місце встановлення пристрою, орієнтувалися на
результати теоретичних розрахунків, виконаних у другій главі, тобто там, де було
виявлено найкращі показники нагріву. У лабораторній установці «Макет
тваринницького приміщення» на малюнку 3.4 показано місце розташування, введення
холодної води, циркуляційний насос S.A.V. – heat 25/40, що здійснює подачу води під
тиском.
1
3
2
Рисунок 3.4 – Розміщення нагрівального пристрою
1 – елемент пристрою – оребрена труба; 2 – циркуляційний насос;
3 – введення води у пристрій
Як джерело теплоти були використані нагрівальні елементи потужністю 1,25 кВт
і 2,25 кВт, що працюють від мережі 220 В. Вони нагрівали повітря всередині
лабораторної установки тим самим моделюючи в лабораторних умовах випромінювання
теплової енергії, що виробляється великою рогатою худобою.
Приладове оснащення включало:
- компактний термоанемометр Testo 425;
- Одноканальний термометр Testo 925;
- тепловізор FLIR T420;
- Контактний термометр.
Метою розробки нового пристрою для нагрівання води є підвищення ефективності
енергоспоживання, зниження використання електричної енергії, що витрачається на
підігрів води, що використовується для напування тварин. При цьому передбачається
використання низькопотенційної теплоти, яку виробляє ВРХ.
Поставлена мета була досягнута тим, що виготовлений макет є зменшеною копією
тваринницького приміщення, оснащеного дослідним зразком для нагрівання води.
3.3 Методика проведення експерименту
Порядок проведення експерименту полягає у постановці завдань
експериментальних досліджень та складанні програми, згідно з якою планується
проводити експеримент.
Завданнями проведення досліджень є:
- збирання та обробка експериментальних даних, що характеризують процес
нагрівання води;
- на підставі експериментальних даних підтвердити ефективність застосування
цього типу нагрівача Для проведення експериментів було забезпечено доступ
зовнішнього повітря у лабораторне приміщення. Досягши певної температури повітря в
лабораторному приміщенні;
розпочиналася підготовка до проведення експерименту. Сам експеримент
проводився у такому порядку:
1. Насамперед проводилися вимірювання температури води, що подається за
допомогою контактного термометра. Для цього зливалася деяка кількість води, яка була
у водопровідній системі та була нагріта за рахунок знаходження в будівлі. Злив
необхідну кількість рідини, проводився забір її в ємність для контрольного вимірювання
температури перед проведенням експерименту. Дані фіксувалися до таблиці.
2. Потім лабораторний зразок пристрою нагрівання води заповнювався холодною
водою. Подача здійснювалася через введення (рисунок 3.4) під тиском за допомогою
циркуляційного насоса. Потім перевірялася заповнюваність системи і після цього подача
води до пристрою припинялася.
3. Використовуючи термоанемометр Testo 425 та одноканальний термометр Testo
925 (рисунок 3.6), замірялася температура повітря всередині лабораторної установки та
температура поверхні пристрою. Отримані дані вносилися до таблиці.
a) б)
Рисунок 3.6 – Вимірювальні пристрої для проведення експерименту
а) тепловий анемометр Testo 425; б) Одноканальний термометр Testo 925
1. Після заповнення водою нагрівального пристрою, в лабораторну установку
«Макет тваринницького приміщення» поміщалися нагрівальні елементи, що імітують
тепловиділення, що походить від ВРХ. Потужність елементів була різною, оскільки
важливо було змоделювати, нагрівання при різній кількості поголів'я ВРХ. Перекривався
клапан подачі холодної води та включався циркуляційний насос для забезпечення руху
води в системі та прискорення її підігріву.
2. Кожні п'ять хвилин фіксувалися значення температур води, поверхні установки
та повітря всередині лабораторної установки. Досвід проводився протягом години. Усі
дані фіксувалися у заздалегідь підготовлену таблицю.
3. Після закінчення експерименту, дослід зупинявся. Підігріта вода зливалася. І
починалася підготовка до наступного експерименту вже з іншою модельованою
кількістю теплоти теплотою ВРХ
4. Наприкінці кожного досліду проводилася обробка експериментальних даних.
Вимірювальне обладнання, що брало участь у проведенні експериментальних
досліджень, проходило перевірку та тарувалося.
3.4 Результати експериментального дослідження роботи пристрою для
підігріву води.
Відповідно до порядку проведення експерименту, описаного в п. 3.3, в
лабораторній установці були виконані дослідження, спрямовані на вивчення роботи
пристрою для нагрівання води в заданих умовах для того, щоб оцінити його
ефективність роботи та економію, яку модернізує система нагрівання води.
У всіх дослідах брала участь лабораторна установка «Макет тваринницького
приміщення» з досвідченим у ній зразком пристрою для нагрівання води місткістю 0,008
м3, який заповнюємо холодною водою.
Усередині установки також розміщуємо нагрівальний елемент, який імітує тварин,
що знаходяться в ньому, що виділяють теплоту. Потужність нагрівального елемента
складає 1,25 квт.
Досвід проводився протягом години. Через кожні п'ять хвилин виконувались
контрольні вимірювання температури води, повітря та поверхні нагрівального
пристрою. Результати наведено у таблиці 3.1 [98].
Таблиця 3.1 – Результати експерименту № 1 (потужність 1,25 кВт)
Чкас нагріву Т,
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
мин
tводи, °С 17 19,3 21,1 23,1 24,5 25,6 25,8 26,2 26,5 26,9 27,4 27,8 28,4
тпов.уст.°З 19 20,4 22 23,4 24,9 26,2 27,4 28,1 28,4 29,1 29,7 30 30,5
Тпов, °С 22,8 31,4 33,3 33,4 33,7 34,4 34,5 34,7 35 35,3 35,3 35,5 35,5
5
Аналізуючи таблицю 3.1 можна дійти невтішного висновку, що у ході проведеного
експерименту очікуваний результат досягнуто. Вода з початковою температурою 17 °С
нагрілася за рахунок теплоти, що утилізується, за одну годину на 11,4 °С.
Зміна температури повітря в лабораторній установці та у тваринницькому
приміщенні фіксувалася з однаковим кроком у часі (5 хвилин). Інтенсивність нагріву в
фіксованих точках не перевищувала похибки 6 % (не більше 0,1 °С). У деяких точках
похибка знижувалась до 2 % (0,03 °С). Дані підтверджуються лабораторними
випробуваннями та виміряною температурою повітря (рисунок 2.8) усередині
тваринницького приміщення для утримання корів.
Тоді, виходячи з проведеного експерименту, можна стверджувати, що в реальному
приміщенні для вмісту ВРХ установка здатна нагріти заданий об'єм води (2.3) до
необхідної температури (1.1, 2.4.2).
Розглянемо залежності зміни температури води, що нагрівається Δt, і зміни
температури повітря всередині лабораторної установки Δt води від часу t (рисунок 3.7).
По діаграмі видно характерні зміни з часом, саме те, що інтенсивний нагрівання води
спостерігається в перші 25 хвилин, а в повітря в перші 15 хв від початку експерименту,
далі процес набуває більш лінійного характеру.
Рисунок 3.7 – Залежності зміни температури нагрітої води Δtводи, °С та зміни
температури нагрітого повітря Δtповітр, °С від часу Т, мин
Перед поведінкою другого експерименту зі збільшеною потужністю нагріву
пристрій було охолоджено до температури 20 °С, температура повітря всередині
лабораторної установки до 24,5 °С.
У другому експерименту використовувався нагрівач, що імітує теплоту, що
виробляється ВРХ, потужністю 2,25 кВт. Об'єм води, що нагрівається такий же, як і в
першому експерименті.
Таблиця 3.2 – Результати експерименту No 2 (потужність 2,25 кВт)
Час нагріву
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Т, хв
, °С 17 19,5 21,9 23,1 25,4 26,3 26,5 26,8 27,0 27,2 27,2 27,3 28,8
тпов.уст.°З 20 21,9 22,9 23,5 24,4 25,3 25,9 26,9 27,3 27,7 28,2 28,4 28,9
tвозд, °С 24,5 36,5 37,2 38,4 38,4 38,9 38,9 39 39,2 39,9 40,1 40,1 40,1
Аналіз таблиці 3.2 каже, що нагрівання води теплотою через пристрій
теплообмінника можливе.
Як і на початку попереднього експерименту, температура води була 17 °С.
Розглянемо залежності зміни температури води, що нагрівається Δtводи та зміни
температури повітря всередині лабораторної установки Δtводи від часу Т (рисунок 3.8).
По діаграмі видно характерні зміни з часом, а саме, що інтенсивне нагрівання води і
повітря спостерігається в перші 25 хвилин від початку другого експерименту, далі
процес набуває більш лінійного характеру.
Рисунок 3.8 – Залежності зміни температури нагрітої води Δt води, °С та зміни
температури нагрітого повітря Δt повіт, °С від часу Т, хв.
Розглянемо залежності зміни температури води, що нагрівається Δtводы та зміни
температури повітря всередині лабораторної установки Δtвозд та зміни температури
повітря всередині лабораторної установки з часом, а саме, що інтенсивне нагрівання
води спостерігається в перші 25 хвилин, а у повітря в перші 10 хвилин від початку
проведення другого експерименту, далі процес набуває більш лінійного характеру, а
значення Δtводи и Δtповітря стають меншими. Розглянемо здатність нагріву установкою
заданого об'єму води для напування до необхідної температури при нижчих початкових
параметрах повітря і води в лабораторній установці. Експерименти, що проводяться,
при нижчих температурах води і повітря в лабораторній установці виконувались
аналогічно попереднім, а результати представлені в таблицях 3.3–3.6. На графіках,
зображених на рисунках 3.9–3.12, подано відповідні залежності Δtводи(Т) и Δtповітря
(Т) для кожного досліду.
Таблиця 3.3 – Результати досліду № 3 (потужність 1,25 кВт)
Час
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
нагріва Т, мин
tводи, °С 12 13 14,3 15,6 16,3 17 17,4 18 18,3 18,6 18,9 19,2 19,4
тпов.уст.°З 14 15 15,5 15,9 16,3 16,9 17,3 17,9 18,3 18,8 19 19,5 20
tпов, °С 18 20 21 22,5 23,8 24 24,3 24,8 25 25,3 25,6 25,9 26,3
2 ,5
2
1 ,5
1,5
1 , 3
1 ,3 1 , 3
1
1
1
0 ,7 0 , 0 ,6 Dt
7 Висо
0 ,5 0 , 3 0 , 4 та
0,3 0,3
0 , 4 0 , 5 0 , 3 Dt Вода
0 , 3 0 , 3
0 ,2 0 , 3 0 , 3
0,2 0 , 2
0 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Настав T , Хв
час
Рисунок 3.9 – Залежність зміни температури нагрітої води
Δtводи, °С та зміни температури нагрітого повітря Δtповітря, °С від ід часу Т, мин
Інтенсивність нагріву води та повітря у третьому досвіді спостерігається
протягом 35 хвилин від початку, а надалі процес набуває більш лінійного характеру.
Таблица 3.4 – Результати досліду № 4 (потужність 2,25 кВт)
Час нагріву Т,
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
мин
tводи, °С 12 14,1 15,5 16 16,9 17,5 18,3 19 19,7 20,3 20,8 21,3 21,8
тпов.уст.°З 14 15,2 16 16,8 17,5 18,2 18,8 19,4 20 20,5 21 21,4 21,8
tпов, °С 19 21 23 24,5 25,3 26,1 26,9 27,6 28,1 28,6 29,1 29,5 29,9
2 ,5
2 2
2, 1
2
1 , 5
1,5
1, 4
1 0 ,9 0 , 8
0 , 7 0 ,7 Dt Вода
0 ,8 0, 8
0 , 8 0 0 ,6
,7
0 , 6 0, 5 0, 5 0 ,5
0,5 0 , 5
0, 5 0 ,5 0 ,5
0, 4 0 , 4
Dt Висо
0 0 та
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Настав T, Хв
час
Рисунок 3.10 – Залежність зміни температури нагрітої води Δtводи, °С та зміни
температури нагрітого повітря Δtпов, °С від часу Т, мин
Інтенсивність нагріву в четвертому досвіді спостерігається протягом 15
хвилин від початку експерименту, а надалі спостерігається її зниження, а в самому
кінці вона набуває лінійного характеру.
Аналіз графіків Δtводи и Δtповітр на рисунках 3.7–3.10 показав, що зниження
початкових температур води і повітря в 3 і 4 експерименті на 5 °С знизило
інтенсивність нагріву повітря в перші 15 хвилин на 6,5 °З, і на 1,2 °З порівняно з
експериментами 1 і 2 відповідно.
Таблиця 3.5 – Результати досвіду № 5 (потужність 1,25 кВт)
Час
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
нагріва Т, мин
tводи, °С 10 11 12,3 13 14 15,1 16,4 17,1 18 18,1 18,5 18,9 19,2
тпов.уст.°З 12 12,5 13,3 14,1 15 16,2 17 17,7 18,2 18,5 18,7 19 19,5
tповіт, °С 18 20 21 22,4 23,2 24 24,3 24,7 25 25,2 25,7 25,9 26,2
2 ,5
2 2
1 ,5
1 1 , 4
,3 1, 3
1, 1
1 1
1
1 0 0 ,9
, 7
0 ,8
0,7 0 ,8 0, 3 0 ,5 Dt Вода
0,5 0 ,4
0, 2 0, 3
0, 4 0, 3
0 , 4 0, 3 0 ,2 Dt
Висо
0 0 0,1
та
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Настав, T , Хв
Рисунок 3.11 – Залежність зміни температури нагрітої води Δt , ч°ас
води С та зміни
температури нагрітого повітря Δtповіт, °С від часу Т, мин
Таблиця 3.6 – Результати досліду № 6 (мощность 2,25 кВт)
Час
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
нагріва Т, мин
tводи, °С 10 11,6 14,5 15,7 16,4 17 17,8 18,6 19,4 20,1 20,6 21,1 21,8
тпов.уст.°З 12 12,7 15 16,5 17,2 18,1 18,7 19,2 19,9 20,4 20 21,2 21,5
tповіт, °С 18 20 22,5 24,2 25 26 26,8 27 28 28,5 29 29,3 29,8
3, 5
2 ,9
3
2, 5
2 ,5
2 2
1, 7
1 ,5 1 , 6
1
1, 2 1
1 Dt Вода
0, 8 0 , 8 0, 7
0, 7
0 ,8 0 ,8 0, 8
0,7 0 ,5 0 , 5
0,5 0, 6
0, 5 0, 5
0, 5 Dt Висо
0 ,2 0 ,3
0 0 та
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Настав T, Хв
час
Рисунок 3.12 – Залежність зміни температури нагрітої води Δtводи, °С та зміни
температури нагрітого повітря Δtповіт, °С від часу Т, мин
У п'ятому та шостому досвіді залежність не стабільна протягом майже всього
часу проведення, більш лінійний характер процес набуває у залежностей лише на
45 хвилині експерименту. З побудованих залежностей на малюнках 3.11 і 3.12
видно, що здатність нагрівати воду заданого об'єму до необхідної температури, що
імітується теплотою, що випромінюється тваринами, не втрачається, тобто.
пристрій виконує свою роботу. Досліди, що проводяться за умов, найбільш
наближених до реального тваринницького приміщення, тобто. при початковій
температурі води з артезіанської свердловини, що дорівнює 4°С, представлені в
таблицях 3.7–3.8. Відповідні залежності Δtводи(Т) и Δtповіт(Т) відображені на
графіках, зображених на малюнках 3.13–3.14.
Таблиця 3.7 – Результати досліду No 7 (потужність 1,25 кВт)
Час нагріву Т,
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
мин
tводи, °С 4 5,1 7 8,5 9,7 10,8 11,5 12,3 13 13,9 14,8 15,6 16
тпов.уст.°З 6 7,4 9 10,3 11,4 12,7 13,6 14,5 15,2 16 16,9 17,3 18
tповіт, °С 18 19,9 22,1 23,8 24,8 25,7 26,4 26,9 27,6 28,1 28,8 29,4 30
2 ,5
2, 2
2
1, 9 1, 9
1 , 7
1 ,5
1, 5
1, 2
1, 1 1 ,1
1 0, 7 0, 8 Dt Вода
1
0 , 8
0 ,7 0, 9 0 , 9
0,9 0 ,7
0, 0, 7 0, 7 0 ,6
5 0 ,7 0, 6
t
0 , 0 ,5 D Висо
5
та
0 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Час, Т, хв
Рисунок 3.13 – Залежність зміни температури нагрітої води Δtводи, °С та зміни
температури нагрітого повітря Δtповіт, °С від часу Т, мин
Інтенсивність нагріву води і повітря в сьомому досвіді спостерігається протягом
10 хвилин від початку, а надалі процес набуває більш лінійного характеру.
Таблиця 3.8 – Результати досліду № 8 (потужність 2,25 кВт)
Час нагріву Т,
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
мин
tводи, °С 4 5,8 7,5 9,8 10,9 11,8 12,5 13,3 14 14,7 15,3 15,9 16,3
тпов.уст.°З 6 7,9 9,8 11,2 12,4 13,8 14,7 15,6 16,3 17 17,9 18,3 19,1
tповіт °С 18 20,2 22,6 24,6 25,5 26,3 27 27,7 28,3 28,9 29,5 29,9 30,4
Рисунок 3.14 – Залежності зміни температури нагрітої води Δtводи, °С і зміни
температури нагрітого повітря Δt, °C за часом T, хв
Інтенсивність нагріву води та повітря у восьмому досвіді спостерігається
протягом 10 хвилин від початку, а надалі процес набуває більш лінійного характеру. З
побудованих залежностей на малюнках 3.13 і 3.14 видно, що здатність нагрівати воду
заданого об'єму до необхідної температури, що імітується теплотою, що
випромінюється тваринами, не втрачається, тобто. пристрій виконує свою роботу.
3.5 Математична модель пристрою для нагріва води
При визначенні залежності зміни температури води в опалювальному
приладі була побудована регресійна модель роботи агрегату.
Для побудови моделі задаються такі параметри: температура води, що
нагрівається, температура нагрітого повітря і час нагріву.
Наступним етапом став регресійний аналіз на основі отриманих
експериментальних даних та отримані регресійні моделі. Регресійний аналіз
проводився за допомогою програми MATLAB.
Отримані регресійні моделі для кожного проведеного експерименту
представлені виразами 3.1-3.8.
twater = 33,8063 + 0,2685 · Т – 1,3884 · таїр – 0,0024·Т 2 – 0,0285 · Таїр2 ; (3.1)
twater = 22,0633 + 0,3391 · Т – 0,435· таїр – 0,0034·Т 2 – 0,0093 · Таїр2 ; (3.2)
twater = 9,5866 + 0,1403 · Т – 0,0541· таїр – 0,0012·Т 2 + 0,0102 · Таїр2 ; (3.3)
Вода = –32,1787 + 0,33798 · Т + 4,3413· таїр – 0,0011·Т 2 – 0,106 · Таїр2 ; (3.4)
twater = 21,7639 + 0,4162 · Т – 0,7241· таїр – 0,0032·Т 2 + 0,0041 · Таїр2 ; (3.5)
twater = -16,4683 + 0,0113 · Т +1,9014· таїр + 0,0007·Т 2 – 0,0243 · Таїр2 , (3.6)
twater = 8,4271 + 0,0429 · Т – 0,9631· таїр – 0,0004·Т 2 + 0,0397 · Таїр2 , (3.7)
twater = 5,0526 + 0,0189 · Т – 0,716· таїр – 0,0006·Т 2 + 0,0367 · Таїр2 , (3.8)
де twater – температура води, °С; Т - час нагріву, хв; таїр -
температура повітря в приміщенні для худоби, °С.
Показники, що характеризують точність отриманих регресійних моделей,
наведені в таблиці 3.9. Адекватність моделей перевірялася за критерієм
Фішер. За критерієм Стьюдента отримані коефіцієнти моделей є значущими.
Таблиця 3.9 – Результати розрахунку показників точності регресійних моделей
Немає XP
Показник точності
1 2 3 4 5 6 7 8
R-квадрат: r2 0,9836 0,9697 0,9978 0,9986 0,9974 0,9974 0,9996 0,9993
Скоригований R-квадрат:
rad j2 0,9754 0,9501 0,9966 0,9979 0,996 0,9962 0,9994 0,999
Сума квадратів помилок: 2,4107 4,9311 0,1564 0,1502 0,3172 0,4003 0,0779 0,1291
SSE
Помилка середнього
квадрата кореня: 0,3013 0,6164 0,0195 0,0188 0,0397 0,05 0,0097 0,0161
РМСЕ
Всі отримані показники мають хороший рівень достовірності. Найбільш точні
за точністю результати має восьмий експеримент.
Отримані рівняння регресії (3.1–3.8) дозволяють побудувати поверхню
реакції на зміну температури води twater залежно від значень температури повітря
tair і часу нагріву T (рис. 3.15–3.22).
Рисунок 3.15 – Поверхня відгуку tводи (Т, tповітря) досліду No 1
Рисунок 3.16 – Поверхня відгуку води (Т, тповітря) експерименту No 2
Рисунок 3.17 – Поверхня спрацьовування води (Т, тповітря) експерименту No 3
Рисунок 3.18 – Реакція поверхні води (Т, tповітря) досліду No 4
Рисунок 3.19 – Поверхня відгуку води (Т, тповітря) досліду No 5
Рисунок 3.20 – Поверхня відгуку води (Т, тповітря) досліду No 6
Рисунок 3.21 – Поверхня відгуку води (Т, тповітря) досліду No 7
Рисунок 3.22 – Поверхня відгуку води (Т, тповітря) досліду No 8
Аналіз регресійних моделей (3.1–3.8) дозволяє розробити математичну
модель пристрою для нагріву води за рахунок тепла великої рогатої худоби, яка
може бути використана для опису його роботи:
tvater = 0+ 1·T+ 2· tair +.1.1·T2+2,2· tair (3.9)
де twater – температура води,
Т - час нагріву, хв;
tair - температура повітря всередині приміщення для худоби, °С;
0, 1, 2,.1.,12,2– коефіцієнти регресії.
Дана математична модель дозволяє визначити температуру води на виході з
приладу в будь-який момент часу Т при заданій температурі повітря tair.
Роблячи висновки за результатами побудови математичної моделі, слід
зазначити, що при дотриманні всіх розглянутих умов нагрів води в установці
можливий, але найкращі характеристики адекватності побудованих моделей
спостерігаються в експериментах при температурі повітря до 29,9 °С.
3.6 Розробка технологічної схеми роботи дослідного зразка апарату
Уявімо діючу систему напування тварин, в якій пропонується впровадити
розроблений енергозберігаючий пристрій для нагрівання води.
Загальний вигляд технологічної схеми водонагрівального приладу з окремими
конструктивними елементами показаний на малюнку 3.23.
Рисунок 3.23 – Загальний вигляд технологічної схеми модернізованої лінії
Напування великої рогатої худоби
Технологічна схема водонагрівальної магістралі (рисунок 3.23) призначена
для використання в тваринницькому приміщенні для утримання великої рогатої
худоби. Лінія була модернізована з впровадженням водонагрівального пристрою
(3), який працює за рахунок перетворення низькопотенційного тепла тварин. Крім
самого пристрою, лінія включає в себе наступні елементи: вхід холодної води (1),
витратомір (5), насоси (2, 14), електричні водонагрівачі (4), виходи підігріву води в
поїлки (6), фільтр (7), запобіжні клапани (8), засувки (9), поплавкові клапани (10),
зворотні клапани (11), зливний клапан (12), регулюючий клапан з електроприводом
(13).
Кількість електричних водонагрівачів для різного поголів'я великої рогатої
худоби залежить від кількості поголів'я, від рівня молочної продуктивності тварин,
від температури води на початку і в кінці нагріву. Розрахуємо можливу кількість
електричних водонагрівачів. За вихідні дані береться середній рівень споживання
води - 81,14 літра на добу. Вода, необхідна для пиття, повинна бути нагріта від 4 °С
до 10 °С. Накопичувальні водонагрівачі передбачені в існуючій питній системі. Для
розрахунків будемо використовувати формулу 2.33 з глави 2, результати
представлені в таблиці 3.10.
Таблиця 3.10 – Результати розрахунків
Середній обсяг Потужність Мінімальна
Кількість Кількість одного потужність одного
поголів'я нагрітої води від нагрівачів нагрівача нагрівача, л
4°С до 10°С
100 8114 1 2,5 350
200 16228 2 2,5 350
400 32457 4 2,5 350
800 64914 8 2,5 350
Електрична схема і схема управління представленої системи наведені на
малюнку 3.24.
б)
Рисунок 3.24 – Електрична схема управління системою водяного опалення
в корівнику
Що розглядається схема не передбачає повного виключення електричних
водонагрівачів з системи. Використання пристрою для нагріву води для пиття
дозволяє значно економити електричну енергію в процесі нагріву води, не
порушуючи технологічний режим.
Представлена система водяного опалення може працювати в трьох режимах.
Розглянемо кожен з них.
Режим No 1. Включення водонагрівального приладу.
Рисунок 3.25 – Технологічна схема модернізованої лінії напування ВРХ, режим
No 1
У розглянутому режимі схема буде працювати наступним чином (рисунок
3.25). Оператор натискає кнопку SB8, спрацьовує КМ4, і подається напруга на
двигун циркуляційного насоса М1. При цьому спрацьовує зворотний клапан 11,
через вхідний отвір (1) і витратомір (5) в систему під тиском починає надходити
холодна вода. Клапани V1 і V2 відкриті, що дозволяє проходити воді. Пристрій
заповнюється, а вода, що протікає по трубопроводу, нагрівається. Перед груповими
поїлками розташований регулятор температури RK4, який контролює температуру
води в питній системі. Якщо температура нагрітої води відповідає встановленому
значенню термостата, то включається магнітний пускач КМ5, який запускає
циркуляційний насос М2, який подає нагріту воду в питну систему. Вода з поїлок
через зливну трубу надходить в трубу фільтра (7), де очищається і знову надходить
в водонагрівальний прилад і нагрівається. Витрата води заповнюється з
водопроводу через вхідний отвір холодної води автоматично за рахунок дії
клапанно-поплавкового механізму
(10).
Якщо температура води не досягла необхідної, то контур переходить на
другий режим роботи.
Режим No 2. Робота водонагрівального приладу спільно з електричними
водонагрівачами (рисунок 3.26).
Такий режим роботи необхідний, коли вода в опалювальному приладі не
нагрілася до потрібної температури.
Рисунок 3.26 – Технологічна схема модернізованої лінії для поливу великих
рогатого скота, режим № 2
Оператор натискає кнопку SB8, спрацьовує КМ4, і подається напруга на
двигун циркуляційного насоса М1. При цьому спрацьовує зворотний клапан, через
вхідний отвір (1) і витратомір (5) в систему під тиском починає надходити холодна
вода. Клапани V1 і V2 відкриті, що дозволяє проходити воді. Пристрій
заповнюється, а вода, що протікає по трубопроводу, нагрівається. Перед груповими
поїлками розташований регулятор температури RK4, який контролює температуру
води в питній системі. Якщо температура води не піднялася до потрібного рівня,
то з датчика температури В4 в шафу управління подається сигнал про те, що вона
не відповідає встановленому значенню, при цьому QF1 і кнопки SB2. SB4 йдуть в
комплекті, контакти магнітних пускачів КМ1... КМ3 закриваються, запускаючи
роботу електричних водонагрівачів ЕК1... ЕК3, в якому встановлені
терморегулятори РК1 ... РК3 виставляється на необхідну температуру нагріву води.
Сигнал від термодатчика В4 відкриває електромагнітний клапан ЕК 1. Нагріта
електричними водонагрівачами вода перемішується в питну систему по
трубопроводу за допомогою насоса М2. В цей час працює циркуляційний насос
М1, що змушує воду в системі безперервно циркулювати. Досягнувши заданої
температури води, сигнал від датчика температури перекриває вентиль ЕК1. Вода
з поїлок через зливну трубу надходить в трубопровід з фільтром, де очищається і
знову надходить в водонагрівальний прилад і нагрівається. Витрата води
поповнюється з водопроводу через вхідний отвір холодної води автоматично за
рахунок дії клапанно-поплавкового механізму (10).
Надалі, якщо температура води відповідає встановленому значенню, то
робота приладу переходить в режим No1.
Режим No 3. Режим роботи електричних водонагрівачів.
Третій режим роботи (рисунок 3.27) передбачає роботу тільки електричних
водонагрівачів.
В цьому випадку пристрій для нагріву води за рахунок використання тепла
худоби повністю виходить з ладу і вентилі V1 і V2 закриті. Електричні
водонагрівачі включаються в роботу. Працює ця схема наступним чином.
Оператор натискає кнопку SB8, спрацьовує КМ4, і подається напруга на
двигун циркуляційного насоса М1. Через вхід і витратомір холодна вода починає
надходити у водонагрівачі. Коли вода заповнила водонагрівачі, спрацьовує
термодатчик В1. B3, з кнопками QF1 і SB2... SB4 включений, магнітні пускачі КМ1
запускаються... КМ3, тим самим включаючи електричні водонагрівачі ЕК1... EK3.
Починається процес нагріву води.
Рисунок 3.27 – Технологічна схема модернізованої питної лінії
великої рогатої худоби, режим No 3
Коли вода досягає заданої температури, теплові контактори SK1... Реле
відключення СК3 К1... Стартери К3 і КМ 1... КМ3 відповідно, тим самим
знеструмлюючи нагрівачі. Термодатчик В4 подає сигнал в розподільну шафу і
автоматичний вимикач QF6 замикається, активується електродвигун насоса М2,
нагріта вода надходить в поїлки. Мотор насоса М1 в такому режимі не працює.
Вода з поїлок по зливній трубі надходить в трубопровід з фільтром, де очищається
і знову надходить в систему підігріву води електричними водонагрівачами.
Витрата води поповнюється з водопроводу через вхідний отвір холодної води
автоматично за рахунок дії клапанно-поплавкового механізму (10).
3.7 Висновки по главі 3
1. Відповідно до запропонованих технічних рішень розроблено та
виготовлено експериментальний лабораторний прилад для підігріву води, що
працює за рахунок тепла великої рогатої худоби. До відмінних рис,
використовуваних в пропонованій системі підігріву питної води, можна віднести:
- використання утилізованого тепла тварин великої рогатої худоби;
- можливість адаптації до будівлі будиночка для худоби, завдяки
наявності в конструкції роз'ємних елементів;
- регулювання обсягу води, що нагрівається, за рахунок можливості
підключення додаткових секцій для нагріву.
- реалізація трьох режимів роботи пристрою.
2. Відповідно до завдань дослідження був розроблений метод
експериментальних лабораторних і практичних випробувань, згідно з яким були
проведені експериментальні дослідження роботи пристрою для нагріву води, які
показали, що при різних умовах налаштування (початкова температура води,
повітря, модельована кількість тепла тварин) прилад може нагріти воду за 15
хвилин на 4,5 °С–6,1 °С, за 20 хвилин на 5,7–8,4 °С, за 30 хвилин на 7,5–9,5 °С
(рис. 3.7–3.14).
3. Математична обробка експериментальних даних дозволила вивести
формулу для побудови залежностей температури води від часу нагріву і
температури повітря в приміщенні.
tvater = 0+ 1·T+ 2· tair +.1.1·T2+2,2· tair
Отримана математична модель дозволить визначити температуру води на
виході з приладу в будь-який момент часу Т при заданій температурі повітря tair.
Отримана модель показує найкращі характеристики при температурі повітря не
вище 29,9 °C.
4. Для реалізації пристрою нагріву води за рахунок тепла великої рогатої
худоби в існуючій системі напування тварин була розроблена технологічна схема
модернізованої лінії напування великої рогатої худоби.
5. Розроблена електрична схема управління системою водяного опалення
в корівнику, яка може працювати в трьох режимах. На режим роботи впливає
температура води. Перший режим спрацьовує, коли температура води, що
нагрівається теплими тваринами, досягає встановленого значення, яке задається
термостатом RK4. При цьому електричні водонагрівачі не використовуються, а
використання електроенергії скорочується як мінімум на 15% від загального
споживання.
Якщо температура не досягає заданого значення (8-12 °C), то прилад
переходить на другий режим роботи. Робота даного режиму передбачає часткове
використання електричних водонагрівачів, дозволяючи скоротити
використовувану електричну енергію не менше ніж на 9% від загального
споживання.
Третій режим необхідний, коли пристрій потрібно винести в ремонт або на
обслуговування. В цьому випадку підігрів води здійснюється електричними
водонагрівачами.
Розділ 4 БЕЗПЕКА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ТА ОХОРОНА ПРАЦІ
МКР 24.144.87 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Цікановський Безпека життєдіяльності та Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков
Реценз. охорона праці
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 4 БЕЗПЕКА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ТА ОХОРОНА ПРАЦІ
Під час виконання робіт у тваринницьких комплексах і цехах із переробляння
тваринницької сировини може статися ураження працівників електричним
струмом. Це пов’язано з тим, що на тваринницьких фермах застосовують
пересувне, переносне та стаціонарне обладнання (пристрої) із живленням від
силової електромережі чи акумуляторів.
Щоб дослідити стан тварини, працівники часто використовують лампи
місцевого освітлення із прокладанням тимчасових електроліній у приміщеннях.
Крім того, у тваринницьких приміщеннях в експлуатації перебувають машини,
механізми та пристрої з електроприводом (електро- і теплонагрівачі, центрифуги,
холодильники, транспортери тощо). Тож в усіх тваринницьких підрозділах
сільськогосподарських підприємств потрібно розробляти й упроваджувати
організаційні та технічні заходи й засоби електробезпеки для захисту працівників і
тварин від шкідливої та небезпечної дії електричного струму.
4.1 Нормативна база
Улаштування, утримання, експлуатація і обслуговування електричних
установок та електричних мереж на тваринницькому комплексі повинні
відповідати вимогам таких документів:
• Правила улаштування електроустановок (ПУЕ), затверджені наказом
Міністерства енергетики та вугільної промисловості України від 21.07.2017 №
476;
• Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів (ПТЕЕС),
затверджені наказом Міністерства палива та енергетики 25.07.2006 № 258;
• Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів (ПБЕЕС),
затверджені наказом Міністерства праці та соціальної політики України та
Комітету по нагляду за охороною праці від 09.01.1998 № 4;
• Правила експлуатації електрозахисних засобів (НПАОП 40.1-1.07-01),
затверджені наказом Міністерства праці та соціальної політики України від
05.06.2001 № 253.
Причини ураження електричним струмом та електротравматизму
Ураження електричним струмом під час виконання робіт у виробничих,
допоміжних і побутових приміщеннях тваринницького комплексу чи інших робіт
із тваринами може статися внаслідок низки чинників:
• доторкання до струмовідних частин під напругою внаслідок недотримання
правил електробезпеки, дефектів конструкції та монтажу електрообладнання;
• доторкання до неструмовідних частин, які опинилися під напругою внаслідок
пошкодження електричної ізоляції, перехрещування проводів тощо;
• помилкового спрямування електричного струму в електроустановку, де
працюють люди;
• відсутності надійних захисних пристроїв від потрапляння людини чи тварини
в електричне коло;
• дії крокової напруги в разі перебування людей у зоні стікання електричного
струму в землю (біля обірваного проводу, який лежить на землі, чи біля
заземлювального пристрою).
Здебільшого приміщення тваринницьких ферм за ступенем небезпеки
ураження електричним струмом належать до особливо небезпечних.
Високий рівень небезпеки зумовлений насамперед тим, що в приміщення
потрапляє дощ, сніг, збирається волога на стелі, підлозі, стінах і внутрішніх
конструкціях, у повітрі наявне хімічно-активне середовище (постійно або тривалий
час перебувають агресивні пари та гази, утворюються вологі відклади або цвіль).
Усе це руйнівно діє на електроізоляцію та струмопровідні частини
електрообладнання.
У приміщеннях тваринницьких комплексів одночасно можуть бути дві або
більше умов підвищеної електричної небезпеки:
• із водяної пари конденсується волога у вигляді дрібних крапель — відносна
вологість повітря перевищує 75%;
• струмопровідний пил осідає на проводах, може проникати всередину машин
і апаратів;
• струмопровідна підлога — земляна, залізобетонна тощо;
• можливість одночасного доторкання людини до металевих корпусів
електрообладнання з одного боку і до з’єднаних із землею металоконструкцій
будівель, технологічного устаткування, механізмів — з іншого.
Під час виконання робіт у тваринницьких комплексах трапляються випадки
електротравматизму — різноманітних фізіологічних реакцій на ураження
електричним струмом. Міра таких уражень залежить від сили струму, тривалості
контакту, опірності тканин.
Основні причини електротравматизму робітників:
• недостатність знань працівників із питань електробезпеки, несумлінне
перевіряння таких знань і неправомірність присвоєння груп кваліфікації з
електробезпеки працівникам, які обслуговують електроустановки;
• порушення правил улаштування і технічної експлуатації електроустановок й
охорони праці під час роботи на них;
• неправильне розташування пускової апаратури та розподільчих пристроїв,
захаращеність підходів до них;
• несправність електроізоляції, через що металеві неструмовідні частини
обладнання можуть опинитися під електричною напругою;
• несправність заземлювальних провідників;
• використання електрозахисних пристроїв, що не відповідають умовам
виконання робіт;
• виконання електромонтажних і ремонтних робіт без зняття електричної
напруги з обладнання
• застосування проводів і кабелів, що не відповідають умовам виробництва у
тваринництві та напрузі в електромережі;
• живлення кількох споживачів від загального пускового пристрою із
захистом, розрахованим на вимкнення найбільш потужного з них;
• виконання робіт без індивідуальних засобів електрозахисту або
використання захисних засобів, що не пройшли випробування;
• несвоєчасне перевіряння опору електричної ізоляції та заземлювальних
пристроїв;
• відсутність позначень небезпечних зон, засобів орієнтування, знаків
безпеки, пристроїв блокування й огородження місць проведення
електротехнічних робіт.
Рис.4.1 Система електробезпеки у тваринницькому комплексі
Електрозахисні заходи
Електрозахисні заходи впроваджують здебільшого для того, щоб уникнути
доторкання працівників до струмопровідних частин електроустановок, які
перебувають під напругою.
Вимогами електробезпеки регламентовано розташування незахищених від
пошкодження струмовідних частин на висоті не нижче, ніж 2,5 м від підлоги, тобто
на недоступній для людини висоті. Усі нижче розташовані струмовідні елементи
(кабелі, проводи тощо) потрібно закривати металопрофілем (кутниками,
швелерами), прокладати в трубах (бронешлангах) чи ховати під підлогою
(штукатуркою).
Щоб забезпечити недоступність торкання людиною провідників струму,
рубильники, увідні, силові, розподільчі й електрощити розташовують у нішах
(корпусах) із замкненими дверцятами (ключі видають лише електротехнічному
персоналу для виконання певних робіт під підпис).
Провідники (жили кабелів чи проводів) з’єднують у закритих електротехнічних
коробках. місця під’єднання провідників до автоматичних (пакетних) вимикачів
потрібно закривати екранами з ізоляційного матеріалу та захисними накривками.
Так само потрібно ізолювати всі тимчасові з’єднання провідників.
Заносити металеві довгомірні металеві предмети (труби, кутники, швелери) у
приміщення дозволено лише вдвох, тримаючи довгоміри за протилежні кінці,
навіть якщо незакриті струмовідні елементи (проводи, кабелі) розміщено вище 2,5
м від підлоги.
Електрозахисні заходи поділяють на організаційні та технічні.
До організаційних електрозахисних заходів належать:
• запровадження персональної відповідальності працівників, які
організовують і виконують роботи в електроустановках;
• оформлення завдання на роботу електротехнічним працівникам за нарядом-
допуском чи розпорядженням;
• належне оформлення початку роботи (згідно з кваліфікацією залучених
працівників), перерв під час роботи та її закінчення;
• запровадження належного нагляду за безпекою виконання електротехнічних
робіт тощо
До основних технічних електрозахисних заходів належать:
• від’єднання на період обслуговування чи ремонту електроустановки чи її
частин від джерела живлення (замкове зачинення вимкнених апаратів, зняття
запобіжників, від’єднання кінців живильних ліній). Лише забезпечення «видимого
розриву» унеможливить помилкове подавання напруги на електроустановку, на
якій працюють люди;
• улаштування огорож (суцільних, сітчастих, ґратчастих тощо)
струмопровідних частин обладнання, які перебувають під напругою, із
дотриманням відповідних відстаней;
• застосування блокувальних пристроїв і попереджувальної сигналізації для
запобігання доступу людини до небезпечної зони струмовідного обладнання;
• накладання переносного заземлювача під час виконання ремонтних робіт на
електроустановках;
• використання засобів орієнтування в електроустановках — написів,
різнокольорової ізоляції;
• установлення знаків безпеки тощо.
Важливим є дотримання обов’язкової умови — певні види робіт на
електроустановках виконують працівники згідно з отриманими ними групами
електробезпеки Під’єднувати і від’єднувати магістральні або живильні лінії
електромережі на тваринницькому комплексі, лінії, що живлять окремі
електроустановки, мають право лише електротехнічні працівники (електрики)
відповідної кваліфікації.
Обслуговування вантажопідіймальних механізмів, ручного
електроінструменту, переносних і пересувних струмоприймачів, складного
технологічного обладнання, під час роботи якого необхідно постійно здійснювати
технічний нагляд, коригувати ведення технологічних режимів за допомогою
засобів регулювання електроапаратури (електроприводів), повинні здійснювати
спеціально підготовлені електротехнічні працівники (електромонтери), яким
присвоєно групу з електробезпеки не нижче ІІ .
Кваліфікація електротехнічних працівників, які одноосібно обслуговують
електроустановки напругою вище 1 кВ, повинна бути не нижче ІV групи, а для
електроустановок напругою до 1 кВ — не нижче ІІІ групи з електробезпеки.
4.2. Електрозахисні методи
Електрозахисні методи у тваринницькому комплексі використовують, щоб
захистити людей від дії електричного струму, якщо буде пошкоджено
електроізоляцію та з’явиться електричний потенціал на корпусі електроустановки.
Основними електрозахисними методами у тваринницькому комплексі є:
• улаштування захисного заземлення і захисного занулення корпусів
електроустановок;
• застосування подвійної ізоляції, зокрема для переносних струмоприймачів
— електроінструменту;
• застосування пристроїв автоматичного захисного вимкнення
електроустановок;
• улаштування пристрою вирівнювання електричних потенціалів.
Рис.4.2 Вимоги щодо наявності відповідної групи з електробезпеки
Електрозахисні засоби
Електрозахисні засоби (діелектричні засоби індивідуального захисту)
використовують під час експлуатації та обслуговування, зокрема і ремонту
електроустановок. Застосовувати їх необхідно згідно з вимогами Правил
експлуатації електрозахисних засобів (НПАОП 40.1-1.07-01), затверджених
наказом Міністерства праці та соціальної політики України від 05.06.2001 № 253.
Електрозахисні засоби мають різне застосування, що пов’язано з метою
використання та напругою живлення електроустановок (до 1000 В і понад 1000 В).
Електрозахисні засоби поділяють на основні та додаткові. До основних
електрозахисних засобів для електроустановок напругою до 1000 В належать:
Таблиця 4.1 Основні електрозахисні засоби до 1000 В
діелектричні ізолювальні штанги (наприклад, штанга
ізолювальна оперативна (ШО), штанга ізолювальна
оперативно-універсальна (ШОУ), штанга ізолювальна
для накладання заземлення (ШЗП));
струмовимірювальні кліщі (наприклад, Ц4505М,
Ц4502М);
покажчики напруги (наприклад, покажчик низької
напруги ПИН, покажчик напруги УНН-1);
сигналізатори напруги;
заземлювачі переносні (наприклад, ЗПП-15, ПЗРУ-1);
діелектричні рукавиці;
електротехнічний (монтерський) інструмент з
ізольованими ручками (пасатижі, ножиці, кабелерізи,
кусачки, бокорізи, викрутки тощо).
Якщо під час виконання робіт за напруги понад 1000 В потрібно
використовувати основні електрозахисні засоби, призначені для роботи на
електроустановках напругою до 1000 В, то їх дозволено застосовувати лише як
допоміжні.
Додаткові електрозахисні засоби для електроустановок напругою до 1000 В:
• діелектричні килимки;
• діелектричні калоші або боти;
• діелектричні підставки (наприклад, окремі драбини, щити, настили).
Випробовують електрозахисні засоби періодично у встановлені терміни:
• електроінструмент і діелектричні рукавиці — 1 раз на 6 місяців;
• діелектричні калоші — 1 раз на 2 роки;
• діелектричні боти — 1 раз на 3 роки;
• діелектричні килимки — лише після виготовлення;
• інші — 1 раз на рік.
Щоразу перед використанням електрозахисних засобів їх перевіряють на
придатність до застосування, а саме слід:
• перевірити термін наступного випробування на штампі;
• упевнитися у відсутності механічних пошкоджень (проколів у
діелектричних рукавицях, тріщин тощо ).
Дієздатність покажчиків напруги перевіряють на ввімкнутій
електроустановці.
Відмітки про випробування заносять до протоколів, а на гумових виробах
ставлять штампи фарбою (мастикою). На інших електрозахисних засобах
наклеюють написи, на яких зазначають дату наступних випробувань.
Електрозахисні засоби зберігають окремо від іншого інструменту та
пристосувань (особливо колючих, гострих тощо).
Заборонено зберігати на підприємстві доступними для використання
електрозахисні засоби, які не витримали випробування, щоб не допустити
помилкового користування ними.
Особливості влаштування електромереж на фермах і в інших тваринницьких
приміщеннях
Живлення електроустановок тваринницьких приміщень виконують від мережі
напругою 380/220 В змінного струму. У тваринницьких приміщеннях здебільшого
застосовують електроприймачі у трифазному виконанні.
Допустимим є застосування однофазних електроприймачів потужністю не
більше 1,3 кВт, які вмикають на лінійну напругу, і не більше 0,6 кВт у разі їх
вмикання на фазну напругу.
Вимикачі та запобіжники рекомендують установлювати в сусідніх із вогкими
сухих приміщеннях, а кнопки керування пусковою апаратурою — безпосередньо
біля робочих місць.
Кнопки та світильники вибирають придатними для вогких приміщень із
хімічно активним середовищем. Електродвигуни також повинні бути спеціального
виконання, що важливо для безпеки працівників.
Усі електродвигуни повинні бути захищені від короткого замикання
автоматичними вимикачами, а також мати захист від перевантаження (теплові реле,
вмонтовані в електромагнітний пускач).
На електродвигунах і використовуваних механізмах фарбою наносять стрілки,
які вказують напрямок обертання ротора двигуна та механізму. На пускових
пристроях повинні бути написи «Пуск», «Стоп» або «Вперед», «Назад» і «Стоп».
Вводи повітряних ліній до тваринницьких приміщень захищають від
перенапруги внаслідок удару блискавки. Для цього заземлюють гаки та штирі на
дерев’яних опорах, а на залізобетонних опорах, окрім того, ще й арматуру.
Заборонено розміщувати заземлювальні пристрої, призначені для
блискавкозахисту, біля входу до приміщення й у місцях, де можуть перебувати
люди та тварини.
Проводи та кабелі, які використовують у тваринницьких приміщеннях,
повинні відповідати умовам середовища всередині приміщень.
З’єднання і відгалуження проводів потрібно виконувати опресуванням,
зварюванням або припаюванням.
Місце з’єднань проводів ізолюють подвійним шаром ізоляційної стрічки так,
щоб її початок і кінець перекривали ізоляцію проводу не менше, ніж на 10 см у
кожний бік. Прокладати заізольовані проводи потрібно на висоті не менше, ніж 2,5
м від підлоги, інакше необхідно захищати їх від механічного пошкодження та
випадкового доторку людиною чи твариною.
Відстань від проводів до металевих трубопроводів має бути не менше 10 см.
Для всіх групових кіл, які живлять штепсельні розетки, необхідно
встановлювати додатковий захист від прямого доторку за допомогою пристрою
захисного вимкнення (ПЗВ) із номінальним диференційним струмом вимкнення не
більше 30 мА.
У тваринницьких приміщеннях, де не потрібно влаштовувати систему
вирівнювання електричних потенціалів, виконують захист за допомогою ПЗВ із
номінальним диференційним струмом вимкнення не більше 100 мА. ПЗВ
встановлюють на ввідному щитку до приміщення.
Захисне вимкнення живлення
Захисне вимкнення живлення — це захист від потрапляння електричного
потенціалу на корпус електроустановки, що реалізується через вимкнення
живлення електроустановки протягом сотих часток секунди.
Його улаштовують у виробничих приміщеннях, які особливо небезпечні щодо
ураження електричним струмом, тобто коли є висока ймовірність пошкодження
електроізоляції, зокрема у тваринницьких приміщеннях.
Пристрої захисного вимкнення дають змогу вимкнути електроустановку
набагато швидше, ніж автоматичні вимикачі чи плавкі запобіжники. У ПЗВ
встановлено чутливі елементи, які реагують на появу напруги на корпусі
електроустановки щодо землі, напруги між нейтраллю і землею чи відстежують
величину стікання струму з фази на землю.
4.3. Автоматичне вимкнення живлення
Для захисту людей і тварин від непрямого доторку улаштовують автоматичне
вимкнення живлення із застосуванням системи занулення електроустановок із
роздільними нульовим захисним провідником (РЕ-провідником) і нульовим
робочим провідником (N-провідником). Розподіляють PEN-провідник на нульовий
захисний (РЕ) і нульовий робочий (N) на ввідному щитку до тваринницького
приміщення.
Швидкість спрацювання захисного автоматичного вимкнення живлення
(наприклад, автоматичними вимикачами) у приміщеннях для утримання тварин не
повинна перевищувати 0,2 с і 0,05 с відповідно за номінальної фазної напруги 220
В і лінійної напруги 380 В. Якщо таку тривалість вимкнення не можна гарантувати,
то необхідно на фермі встановлювати додаткові захисні засоби, наприклад, систему
вирівнювання електричних потенціалів.
Захисне занулення
Захисне занулення — це навмисне електричне з’єднання металевих
неструмопровідних частин електроустановки, що можуть опинитися під напругою,
із глухозаземленою нейтраллю (нульовим проводом) генератора чи
трансформатора в мережах трифазного струму (схема з’єднання — «зірка» (рис.
1)).
Рис.4.3 Зв’язна трифазна система при з’єднанні зіркою
Захисна дія занулення полягає у створенні в електричній мережі режиму
«короткого замкнення» після пробиття електроізоляції і появи на корпусі
електроустановки потенціалу. Для цього корпус електроустановки з’єднують
захисним нульовим провідником із нульовим проводом трифазної електричної
мережі. Струм короткого замикання проходить шляхом:
Рис.4.4 Шлях проходження струму короткого замикання
Величина струму короткого замикання у кілька разів перевищує номінальний
струм спрацювання плавких запобіжників чи автоматичних вимикачів, що
зумовлює їх обов’язкове спрацювання і від’єднання фази з пошкодженою
ізоляцією. Тобто в основі захисної дії занулення лежить швидке та повне усунення
електричного потенціалу з корпусу електроустановки.
Також варто зазначити, що плавкі вставки запобіжників мають бути
калібровані із зазначенням на клеймі номінального струму вставки.
Застосовувати саморобні некалібровані плавкі вставки заборонено.
Нульовий провід повторно заземлюють, зменшуючи загальний опір нульового
проводу щодо землі для забезпечення нормальної роботи мережі у випадку
перекосу навантажень у фазах, коли струм протікає у нульовому провіднику.
На території тваринницького комплексу повторне заземлення виконують на
вводах електромережі до виробничих приміщень, що дає змогу уникнути ураження
електричним струмом внаслідок обривання нульового проводу.
Електрична ізоляція
Електрична ізоляція — це шар діелектрика, що покриває поверхню
струмопровідних елементів, чи яким струмопровідні елементи відділено від інших
частин. Покрив струмопровідних елементів чи відокремлення їх від інших частин
шаром діелектрика забезпечує протікання струму потрібним шляхом і безпечну
експлуатацію електроустановок. Ізоляційний шар має високий електричний опір,
що запобігає протіканню значних струмів через ізоляцію.
Електрична ізоляція не є однорідним матеріалом із низькою провідністю, адже
в ній присутні домішки речовин із порівняно високою провідністю, зокрема й
краплинки вологи. Провід, по якому проходить електричний струм, має певну
ємність щодо землі, що створює ємнісну провідність для струму. У разі вмикання
проводу в електричне коло за допомогою недосконалої ізоляції, виникатимуть
струми витікання, величина яких зумовлена активним і ємнісним опорами ізоляції.
Щоб оцінити стан ізоляції з погляду електробезпеки, граничне значення сили
струму витікання рекомендовано вибирати меншим, ніж 0,1 мА.
Якість ізоляції, яку здебільшого характеризує її опір проходженню струму
витікання, із часом може погіршуватися внаслідок:
• перегрівання понад допустимі норми для такого класу ізоляції під дією
струмового перенавантаження;
• руйнування внаслідок експлуатації у вологих і агресивних середовищах;
• механічних пошкоджень.
Електроізоляція навіть за нормальних умов експлуатації поступово втрачає
свої початкові властивості у зв’язку з природним старінням, у ній з’являються
місцеві дефекти. Із часом ці дефекти розвиваються, опір ізоляції може раптово
зменшитися, а сила струму витікання непропорційно збільшитися. У місці дефекту
з’являються часткові розряди струму. Так відбувається пробиття ізоляції, виникає
значне витікання струму, електроустановка стає небезпечною щодо ураження
людей струмом. Пробиття ізоляції в електричних мережах і установках часто
спричиняє короткі замикання, аварії, пожежі та вибухи.
Стан ізоляції характеризують три параметри:
• електрична міцність;
• електричний опір;
• діелектричні втрати.
Електричну міцність ізоляції визначають випробуванням на пробиття
підвищеною напругою, електричний опір — вимірюванням, а діелектричні втрати
— спеціальними дослідженнями.
Опір електроізоляції проводів повинна бути не менше, ніж 0,5 мОм на ділянці
між суміжними запобіжниками або за останнім запобіжником між будь-яким
проводом і землею чи між двома будь-якими проводами. Якщо опір менше 0,5 мОм,
то ізоляцію випробовують протягом 1 хв змінною напругою 1000 В від
спеціального випробувального трансформатора або випрямленою від мегомметра
напругою 2500 В.
Якщо в результаті чергового (періодичного) випробування опір ізоляції не
зменшився, то електромережу можна залишити до її заміни під час планового або
капітального ремонту.
Улаштування системи вирівнювання електричних потенціалів
Для влаштування системи вирівнювання електричних потенціалів у
тваринницьких приміщеннях у кожному ряду розміщення тварин, у бетонній
підлозі, під дерев’яним настилом, уздовж ліній розміщення передніх і задніх ніг
тварин по всій довжині приміщення укладають металеві провідники зі сталевого
дроту діаметром 6–8 мм, з’єднують їх між собою, а також із нульовим захисним
провідником і металоконструкціями, яких можуть торкатися тварини (годівниці,
автонапувалки, вакуумпровід, металеві огорожі стійл, металеві прив’язі й інші
металеві пристрої).
У разі потрапляння на металоконструкції електричного потенціалу за такого
улаштування захисту забезпечується зниження до мінімуму напруги доторку та
крокової напруги.
У корівниках із пристроєм вирівнювання електричних потенціалів
ефективність занулення перевіряють вимірюванням опору петлі «фаза — нуль»
через кожні 2 роки у перші 6 років експлуатації, потім щорічно, а після 10 років —
через кожні 6 місяців.
На свинарських та вівчарських фермах безпеку тварин забезпечує природнє
вирівнювання потенціалів зануленими металоконструкціями будівлі й
обладнанням без улаштування спеціального пристрою у підлозі. Але тоді глибина
закладання стійок металоконструкцій у бетонну підлогу має бути не менше 20 см.
Досить ефективно може вирівнювати електричні потенціали підлога із
залізобетонних плит, якщо їх металеву арматуру електрично з’єднати між собою із
металоконструкціями приміщення та занулити.
Улаштування систем освітлення на тваринницьких комплексах
Освітлювальне навантаження на фермі має рівномірно розподілятися за
трьома фазами. Для вмикання і вимикання загального освітлення потрібно
застосовувати трифазні вимикачі. У разі наявності кількох однофазних груп
чергового освітлення приміщень їх необхідно приєднувати до різних фаз.
Світильники аварійного освітлення повинні відрізнятися від світильників
робочого освітлення знаками або кольором, а їх електроживлення має
здійснюватися від незалежних джерел. У разі вимкнення робочого освітлення
перемикання на аварійне повинно відбуватися автоматично або вручну згідно з
проєктним рішенням (з урахуванням вимог доцільності, що залежать від місцевих
умов).
Приєднувати до мережі аварійного освітлення інші види електричного
навантаження, що не належать до цього виду освітлення, заборонено (на це вона
просто не розрахована). Тому таку мережу виконують без штепсельних розеток.
На лицьовому боці щитків і збірок мережі освітлення наносять написи із
зазначенням їх найменування і номерів, а з внутрішнього боку (наприклад, на
дверцятах) — однолінійну схему мережі, значення струму плавкої вставки
запобіжників або номінального струму автоматичних вимикачів і найменування
електроприймачів (світильників), щоб можна було безпомилково їх вмикати або
вимикати.
Використовувати мережу освітлення для будь-яких переносних або
пересувних електроприймачів заборонено
Для живлення переносних (ручних) електричних світильників у приміщеннях
із підвищеною небезпекою застосовують напругу не вище 42/36 В, а в особливо
небезпечних приміщеннях, під час виконання робіт за особливо несприятливих
умов і у зовнішніх установках, — не вище 12 В.
Вилки приладів на напругу 12–42 В не повинні входити у розетки з більш
високою номінальною напругою.
У приміщеннях, де використовують напругу двох і більше номіналів, на всіх
штепсельних розетках мають бути написи із зазначенням номінальної напруги.
Використовувати автотрансформатори для живлення світильників мережі
12–42 В заборонено.
Усі роботи з технічного обслуговування й очищування світильників проводять
лише після зняття напруги електроживлення та охолодження світильників.
Очищати світильники, оглядати та ремонтувати мережу електричного
освітлення повинен підготовлений електротехнічний персонал.
4.4. Улаштування електроводонагрівальних пристроїв
Для елементних водонагрівачів, які мають апарати захисного вимкнення, або
встановлених у приміщенні з вирівнюванням потенціалів, ізолювальну вставку в
трубопроводі гарячої води улаштовувати не потрібно, якщо споживання гарячої
води відбувається у цьому самому приміщенні.
У душових приміщеннях для працівників ферм, які забезпечуються гарячою
водою від елементних водонагрівачів, потрібно встановити ізолювальні вставки та
пристрій вирівнювання завглибшки 2–3 см від поверхні підлоги душової кабіни та
місця роздягання. Сітку приварюють до труб гарячої і холодної води, а також
каналізаційних труб.
У разі споживання гарячої води безпосередньо біля водонагрівача,
розташованого у приміщенні без пристрою вирівнювання електричних потенціалів,
у бетонній підлозі на відстані 0,5 м від основи водонагрівача прокладають сталевий
провідник, який з’єднують болтами у двох точках із корпусом водонагрівача. Якщо
підлога неструмопровідна (наприклад, асфальтова), улаштовувати вирівнювання
електричних потенціалів не потрібно, але корпус водонагрівача повинен бути
з’єднаний із повторним заземленням нульового проводу сталевою шиною або ж
занулений з автоматичним контролем цілості нульового проводу.
Трифазні електродні котли дозволено встановлювати в окремих приміщеннях,
у яких розташовано лише технологічне обладнання та пристрої захисту й
автоматики. Рекомендують забезпечувати електричне живлення таких котлів від
окремих трансформаторів, але можна їх приєднувати й до загальної мережі.
Захищати котел від короткого замикання, а також від неповнофазних режимів і
перевантаження потрібно за допомогою автоматичного вимикача.
Корпус котла необхідно занулити. Якщо обладнання, з’єднане із електродним
котлом, установлено в приміщенні зі струмопровідною підлогою, то в ньому
потрібно забезпечити вирівнювання електричних потенціалів або пересвідчитися,
що природне вирівнювання забезпечує напругу доторку не більше 12 В.
Однофазні опалювальні електродні водонагрівачі напругою до 220 В
заборонено встановлювати в особливо небезпечних приміщеннях. Корпус нагрівача
потрібно занулити третім проводом, який приєднують до повторного заземлення
на вводі до споруди (до комутаційних апаратів). Провідність такого проводу
повинна дорівнювати провідності фазного проводу, від якого отримує живлення
однофазний нагрівач. Вмикати такі нагрівачі через штепсельні розетки
заборонено. Їх захищають від короткого замикання і перевантаження
автоматичними вимикачами.
Ізолювальні вставки без води випробовують після капітальних ремонтів
електродного котла двократною номінальною напругою. Опір ізоляції електродів
котла без води вимірюють щодо корпусу мегаомметром на напругу 2500 В за
положень електродів, які відповідають максимальній і мінімальній потужності (має
бути не менше 0,5 мОм).
До обслуговування електродних котлів напругою до 1000 В допускають осіб
із групою з електробезпеки не нижче III.
Водонагрівачі, які встановлюють у виробничих приміщеннях, огороджують
суцільною або сітчастою огорожею з чарунками 15×15 мм, заввишки не менше, ніж
2 м на відстані 1 м від котла. У суцільних огорожах роблять оглядові вікна, щоб
можна було спостерігати за роботою водонагрівача. Двері обладнують
блокуванням, щоб не можна було їх відчинити за увімкнутого водонагрівача.
Ремонтні роботи на водонагрівачах дозволено виконувати лише за нарядом-
допуском або розпорядженням із повним вимкненням напруги та дотриманням
заходів безпеки праці.
Електроводонагрівачі повинні мати арматуру, яка забезпечує розбирання
гарячої води шляхом витіснення її холодною. Їх потрібно забезпечувати засобами
контролю і захисту від підвищеного тиску та перегрівання і приєднувати до
водопровідної лише через діелектричну вставку.
Щоб захистити людей і тварин від ураження електричним струмом, на
водогонах тваринницьких підприємствах застосовують ізолювальні вставки, їх
монтують у розріз металевих труб трубопроводів, щоб запобігти появі на
автонапувалках, доїльних установках небезпечного електричного потенціалу, що
може статися внаслідок пошкодження електроізоляції. У разі застосування
ізолювальних вставок як засобу захисту від ураження електричним струмом
заборонено з’єднувати металеві частини за вставкою із нульовим провідником
електромережі, оскільки тоді на металевих елементах може з’явитися небезпечний
для життя тварин електропотенціал.
4.5. Улаштування опромінювальних установок
На тваринницьких фермах застосовують ультрафіолетове й інфрачервоне
опромінення для лікування тварин й інтенсифікації вирощування молодняка у
холодний період року. Для живлення опромінювальних установок у тваринницьких
приміщеннях допустимим є застосування напруги до 220 В. Висоту підвішування
опромінювачів визначають згідно із зоотехнічними нормами.
У разі висоти підвішування нижче 2,5 м від землі опромінювачі огороджують.
Електричну напругу на них необхідно подавати лише на час роботи
установки. Електротехнічний працівник, який обслуговує установки для
ультрафіолетового опромінювання, повинен мати кваліфікаційну групу з
електробезпеки III
Металеві частини опромінювачів (корпус, трос тощо) повинні бути
заземленими (зануленими). У разі відсутності занулення потрібно використовувати
пристрої захисного вимкнення. Для вимикання опромінювачів використовують
штепсельні розетки у герметичному виконанні зі спеціальним гніздом для
заземлення, розташовані заввишки 1,2 м від підлоги.
Під час роботи потрібно користуватися окулярами зі світлофільтрами та за
можливості не перебувати в зоні дії ультрафіолетового випромінювання. Вмикати
і вимикати такі установки мають право працівники, які знають правила безпечної
експлуатації опромінювачів. Усі ремонтні роботи в опромінювальних установках
дозволено проводити, а також замінювати лампи, лише після вимкнення напруги.
ВИСНОВКИ
1. Досліджено обсяг виділення тепла тваринами великої рогатої худоби,
який показав, що вільне тепло, що виробляється на одну голову, досягає 82080
кДж/добу. Це дозволило обґрунтувати концепцію використання
низькопотенційного тепла великої рогатої худоби як способу нагріву води для
напування тварин з метою економії електричної енергії, що витрачається на цей
технологічний процес
2. Розроблено математичну модель теплообміну теплого повітря в
приміщенні для ВРХ та підігрітої води для напування тварин, яка визначає
раціональні конструктивні та теплоенергетичні параметри теплообмінника, а також
його розміщення в приміщенні для худоби. За результатами дослідження було
встановлено, що найбільш раціональним місцем для установки пристрою для
нагріву води в корівнику з точки зору теплоенергетики, структурних і економічних
показників є висота 4,2 до 5,5 м від підлоги приміщення. На цій висоті формуються
найкращі умови для теплообміну: температура повітря – 22 °С, коефіцієнт
дифузійності температури – 2,1469 × 10-5 (м2/с), коефіцієнт теплообміну між
апаратом (твердим) і повітрям – 2,36.
3. Розроблено методику розрахунку енергозберігаючого пристрою для
нагріву води для напування тварин, яка визначає його конструкцію та
теплоенергетичні параметри для різних типів приміщень для великої рогатої
худоби.
4. Розроблено і виготовлено експериментальний лабораторний прилад
для нагріву води, що працює за рахунок низькопотенційного тепла великої рогатої
худоби з урахуванням особливостей тваринницьких приміщень з поголів'ям 100,
200, 400 і 800 голів. За економічним критерієм були визначені його раціональні
параметри: металева труба з нержавіючої сталі з внутрішнім діаметром 0,0218 м,
зовнішнім діаметром 0,0268 м, з двома оребреними смугами шириною 0,035 м під
кутом 90° відносно осьової лінії.
5. Розроблено методику експериментальних випробувань пристрою для
нагріву води для встановлення порядку проведення пусконалагоджувальних робіт
до введення приладу в експлуатацію. При різних умовах установки (початкова
температура води, повітря, модельована кількість тепла тварин) прилад з здатний
нагріти воду за 15 хвилин на 4,5 °С–6,1 °С, за 20 хвилин на 5,7–8,4 °С °C, протягом
30 хвилин при температурі 7,5–9,5 °C
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Попович М.Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування: Підручник.
К.: Либідь, 2017. – 656 с.
2. Бабіченко А.К. та ін. Промислові засоби автоматизації. Ч.1. Харків: НТУ
«ХПІ», 2016. – 470 с.
3. Автоматизація виробничих процесів: підручник / І.В. Ельперін, О.М. Пупена,
В.М. Сідлецький, С.М. Швед. – К.: Вид. Ліра – К, 2018. – 378 с.
4. Технічні засоби автоматизації: навч. посіб. / Володимир Савицький, Роман
Федоришин. - Львів : Вид-во Львівської політехніки, 2018. - 291 с.
5. Васильківський І. С., Фединець В. О., Юсик Я. П. Виконавчі пристрої систем
автоматизації. Львів: Львівська політехніка, 2020. 220 с.
6. Константінов С.М. Теплообмін: Підручник.- К.: ВПІ ВПК „Політехніка”,
2015.- 304 с.
7. Сегеда М. С. та ін. Нетрадиційні та відновлювані джерела електроенергії.
Навчальний посібник. Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2019. 204
с.
8. Варламов Г.Б., Любчик Г.М., Маляренко В.А. Теплоенергетичні установки та
екологічні аспекти виробництва енергії: Підручник. – К.: ІВЦ “Видавництво
«Політехніка»”, 2003. – 232 с.
9. Мисак Й.С. та ін. Пристрої для утилізації теплової енергії: навчальний
посібник. Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2006. 152 с.
10. Самохвалов В.С. Вторинні енергетичні ресурси та енергозбереження: навч.
посіб. - К. : Центр учбової літератури, 2008. - 223 с.
11. Буляндра О.Ф. Технічна термодинаміка. – К.: Техніка, 2006. – 320 с.
12. Соловей О.І. та ін. Нетрадиційні та поновлювальні джерела енергії:
Навчальний посібник. – Черкаси: ЧДТУ, 2007. – 483 с.
13. Праховник А.В., Соловей О.І., Іншеков Є.М. "Від виробництва до
ефективного споживання енергії": Посібник для викладачів, К.: Нотна
фабрика, 2009 р.
14. Енергоефективні системи кондиціювання повітря: навч. посіб. / уклад.: А. С.
Соломаха, В. В. Середа. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 53 с.
15. Боженко, М. Ф. Енергозбереження в теплопостачанні [Електронний ресурс] :
текст лекцій. – Київ : НТУУ «КПІ», 2015. – 225 с.
16. Боженко, М. Ф. Системи опалення, вентиляції і кондиціювання повітря
будівель [Електронний ресурс] : навчальний посібник. – Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2019. – 380 с.
17. Теплопостачання та вентиляція: Навчальний посібник / О. Т. Возняк та ін.
Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2013. 276 с.
18. Джеджула, В. В. Вентиляція та кондиціювання громадських об’єктів :
навчальний посібник. – Вінниця : ВНТУ, 2021. – 71 с.
19. Мисак Й.С., Гнатишин Я.М., Івасик Я.Ф. Паливні пристрої для спалювання
низькосортних палив. — Л.: НУ «ЛП», 2012. — 136 с.
20. Котельні установки промислових підприємств: навч. посіб. / В.А. Волощук,
А.К. Денісов, І.П. Трофимчук. — Рівне : НУВГП, 2013. — 327 с.
21. Ткаченко, С. Й. Котельні установки: Навч. посіб. – Вінниця : ВНТУ, 2016. –
185 с.
22. Білуха М.Т. Методологія наукових досліджень: Підручник. – К.: АБУ, 2002. –
480 с.
23. Гуревічов М. Державне регулювання науки // Економіка України. - 2001. -
№10.
24. Шейко В.М., Кушнаренко Н.М. Організація та методика науково-
дослідницької діяльності: Підручник. – К.: Знання-Прес, 2002. – 295 с.
25. Геєць В. Про підсумки наукової діяльності установ Відділення економіки
НАНУ в 2000 р. // Економіка України. - 2001. - № 4.
26. ДСТУ Документація, звіти у сфері науки і техніки. - К.: Держстандарт
України, 1995.
27. Дубров Ю. Наука як система, що самоорганізується // Вісник НАНУ - 2000. -
№ 2.
28. Сорока І.В. У XXI століття з високим рівнем національної освіти і науки //
Фінанси України. - 2000. - № 8.
29. Про затвердження Правил технічної експлуатації теплових установок і мереж
Наказ Міністерства палива та енергетики України від 14 лютого 2007 року №
71.
30. Про затвердження Положення про Міністерство розвитку громад та
територій України, постанова від 30 квітня 2014 р. № 197.
31. Владикина О.М. Підвищення енергетичної ефективності житлових будинків
// Стійкий розвиток науки та освіти. - 2019. - №7. - С. 121-126.
32. Глазунова Є. К., Василенко О. І., Скорик Т. А. Питомі опалювальні
навантаження та енергоефективність сучасної житлової забудови // Науковий
огляд. 2013 № 2. С. 94-96.
33. Страхова Н. А., Скорик Т. А., Соколова Г. Н. Екологічні та економічні аспекти
теплозахисних заходів // Науковий огляд. 2013 № 2. С. 91-93.
34. Лисєв В. І. Шилін А. С. Напрями підвищення енергоефективності будівель та
споруд // Холодильна техніка та кондиціювання. 2017. №2. С. 18-25.