Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1,1. Оценка эффективности использования электрической энергии для теплоснабжения в животноводстве 9
1.2. Животноводческий комплекс крупного рогатого скота как объект электротеплоснабжения 18
1,3. Анализ конструкций современных электронагревательных установок, обоснование компоновки комплекта оборудования 31
Задачи исследований 51
Глава 2. Теоретическое исследование, обоснование и разработка установки 53
2.1. Исследование конструкции, оптимизация параметров и работы оборудования 53
2.2. Исследование процесса электродного нагрева воды и разработка методики расчета основных параметров электродного водонагревателя 70
2.2.1. Исследование электродов в виде рамки или решетчатой поверхности и расчет сопротивления между ними 100
2.3. Разработка конструкции бойлера-теплоаккумулятора и способа интенсификации теплообмена. 104
Глава 3. Программа, методика и результаты эксперимштальншс иссищовании Il
3.1. Программа экспериментальных исследований III
3.2. Аппаратура и методика экспериментальных исследований ИЗ
3.3. Экспериментальное исследование и оптимизация конструкции установок 126
3.3.1. Исследование работы электродного водонагревателя. 126
3.3.2, Исследование и оптимизация работы установки. 151
Глава 4. Технико-экономическая эффективность применения комплекта оборудования. вопросы практической реализации результатов исследовании . 169
4.1. Определение годового экономического эффекта от применения установки для горячего водоснабжения и отопления на животноводческом комплексе на 800 коров 169
4.2. Разработка конструкции экспериментального образца комплекта оборудования и его производственные испытания 172
4.3. Рекомендации по внедрению комплекта оборудования в животноводство 179
Общие выводы. 183
Литература
- Животноводческий комплекс крупного рогатого скота как объект электротеплоснабжения
- Исследование процесса электродного нагрева воды и разработка методики расчета основных параметров электродного водонагревателя
- Аппаратура и методика экспериментальных исследований
- Разработка конструкции экспериментального образца комплекта оборудования и его производственные испытания
Введение к работе
В Программе КПСС записано: "Главный путь подъема сельского хозяйства и удовлетворения возрастающих потребностей страны в сельскохозяйственной продукции - всесторонняя механизация и последовательная интенсификация, достижение на основе науки и передового опыта во всех колхозах и совхозах высокой культуры земледелия и животноводства, резкое повышение урожайности всех культур и увеличение выхода продукции с каждого гектара при наименьших затратах труда и средств".
На ХХУІ съезде КПСС в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года" перед агропромышленным комплексом поставлена задача надежного обеспечения страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем. Продолжить курс на всемерную интенсификацию сельскохозяйственного производства. Увеличить за пятилетие среднегодовое производство продукции на 12...%.
Обеспечить дальнейший рост производства животноводства, повышение продуктивности скота и птицы.
ХУ съезд компартии Казахстана отметил, что в решении проблем животноводства все большую роль будет играть перевод его на промышленную основу, проведение мероприятий по специализации и концентрации производства.
Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по дальнейшему развитию электрификации сельского хозяйства", принятому 15 февраля 1979 года, намечено "...обеспечить в 1979-1985 гг. дальнейшее внедрение электроэнергии в сельскохозяйственное производство для комплексной механизации производственных процессов в животноводстве и земледелии, а также в сферу культурно бытового обслуживания сельского населения, имея в виду:
- довести в 1985 году объем потребления электроэнергии в сельском хозяйстве до 170...190 млрд.кВт.ч;
- увеличить в I98I-I985 гг. электровооруженность труда в сельскохозяйственном производстве в 1,6...1,8 раза и потребление электроэнергии на коммунально-бытовые нужды на одного сельского жителя в 1,8...2 раза;
- осуществлять постепенный переход от автоматизации отдельных производственных процессов и операций к полной автоматизации цехов и сельскохозяйственных предприятий".
Рост производства продуктов животноводства предполагается достигнуть, главным образом, за счет повышения продуктивности скота и птицы, роста поголовья, эффективного использования кормов, значительного улучшения условий содержания животных и их кормления, совершенствования племенной работы, механизации и автоматизации основных производственных процессов.
Выполнение поставленных задач теснейшим образом связано с повышением уровня электрификации и автоматизации производственных процессов, эффективности применения электроэнергии.
Из общего количества тепловой энергии, потребляемой в отрасли, более двух третей приходится на долю животноводства. Поэтому методам получения и рационального использования тепловой энергии животноводческих комплексах должно уделяться особое внимание.
В целях дальнейшего увеличения производства и продажи продуктов животноводства в Казахстане идет интенсивное строительство комплексно механизированных животноводческих комплексов, в настоящее время их количество достигло 57 с поголовьем 52548 коров. Одной из перспективных форм теплоснабжения в животноводстве у нас в стране и за рубежом является электротеплоснабжения, которое дает большой технико-экономический, технологический и социальный эффект. В условиях Казахстана целесообразно развивать децентрализованное электротеплоснабжения с использованием вне пиковой электроэнергии, аккумулирования теплоты и автоматизированных электронагревательных установок.
Успешное развитие теплоснабжения в животноводстве во многом определяется качеством теплогенерирующего оборудования, выбором энергоносителя. До последнего времени научные исследования и технические разработки были направлены на создание электронагревательных установок применительно к отдельным тепловым процессам -это привело к появлению большого количества установок различного назначения, что усложняет их правильную эксплуатацию, повышает затраты труда, затрудняет снабжение и комплектование хозяйств оборудованием, позволяет решать только часть вопросов теплоснабжения и приводит к экономически необоснованным капиталовложениям.
Современные электрические водонагревательные установки (элементные, электродные, индукционные) не в полной мере отвечают зоотехническим, технологическим и общетехническим требованиям животноводства, недостаточно простых, надежных, экономичных и автоматизированных установок.
Устранить эти недостатки можно при переходе к созданию установок, которые вследствие цикличности процессов, можно применять одновременно для горячего водоснабжения и отопления, используя внепиковую электроэнергию и аккумулирование теплоты.
Анализ технико-экономических показателей применяемых средств теплоснабжения показал, что использование предлагаемой установки для горячего водоснабжения и отопления целесообразно и экономически оправдано. Обоснована компоновочная схема установки -электродный водонагреватель, бойлер тепло аккумулятор, система отопления помещений и схема автоматического регулирования в зависимости от сезона года и режима использования внепиковой электроэнергии.
Данная работа посвящена исследованию этой установки с целью обоснования, оптимизации и разработки ее конструкции в целом и отдельных элементов.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты, имеющие научную новизну.
Теоретически обоснованы аналитические зависимости взаимодействия между элементами установки. Найдены оптимальные значения скорости циркуляции воды и ее напора в водонагревателе, бойлере тепло аккумуляторе и системе отопления. Определены оптимальные параметры элементов установки: мощность электродного водонагревателя, вместимость бойлера, скорость циркуляции воды в первичном и вторичном контурах. Рассчитана оптимальная компоновка теплообменника бойлера тепло аккумулятора и радиаторов системы отопления.
Теоретически описана физическая сущность явления образования слоя пузырьков пара и газов на поверхности электродов водонагревателя и возникновения электрических емкостей в приэлектрод-ной зоне. В методику расчета введены понятия активной и реактивной составляющих сопротивления фазы. Получены аналитические выражения для определения основных параметров водонагревателя. Разработаны способы регулирования коэффициента мощности электродных водонагревателей переключением схемы соединения электродов, регулированием формы синусоиды напряжения на входе и изменением частоты тока.
Теоретически обоснована и разработана конструкция электродов для водонагревателей в виде рамок или решетчатых поверхностей. Доказано, что при работе с такими электродами водонагреватели по основным параметрам не уступают устройствам, работающим с электродами в виде сплошных пластин. При этом снижается металлоемкость электродной группы и содержание окислов железа в нагретой воде.
Технико-экономическим расчетом подтверждена экономическая эффективность установки при эксплуатации ее в условиях животноводческих комплексов.
Разработаны рекомендации по расчету, конструированию, эксплуатации и внедрению установки. Проведены производственные и государственные испытания установки. Готовится к выпуску опытная партия установки.
Внедрение разработанной установки для горячего водоснабжения и отопления в животноводство позволит получить значительную экономию приведенных затрат, повысить качество продукции, снизить потери электрической и тепловой энергии, улучшить условия работы технологического оборудования.
Животноводческий комплекс крупного рогатого скота как объект электротеплоснабжения
Животноводческий комплекс является крупным потребителем тепла, например, комплекс на 800 коров сельскохозяйственной опытной станции в Павлодарской области расходует теплоты на отопление и вентиляцию, помещений для животных - 3?1341кДж/ч при расчетной температуре наружного воздуха 253К, теплоты на горячее водоснабжение - 816212кДж/ч, пара на производственные нужды - Ю55880кДж/ч, годовая потребность в электроэнергии -724560кВт.ч. В совхозе "Целиноградский" Целиноградской области на комплексе на 1200 коров расход теплоты на производственные нужды - 2744450кДж/ч и пара - 1467000кДж/ч, годовая потребность в электроэнергии - 192000кВт.ч.
По данным МСХ КазССР в колхозах и совхозах Казахстана на уровне 1990 года будет содержаться 2900тыс. коров, к 2000 году - 3440тыс. коров. В настоящее время в Северном Казахстане содержится 52% крупного рогатого скота, в Южной зоне - около 25%, в Восточной и Западной зонах - 11% и 12%. Эти четыре зоны заметно отличаются друг от друга по климатическим и природно-экономическим условиям. Южная зона характеризуется мягким климатом, среднегодовая отопительная температура колеблется от 273,1 до 269К, с продолжительностью зимнего периода 150...180 дней в году, что дает возможность для ведения высокоинтенсивных отраслей сельского хозяйства.
Западная зона имеет резко-континентальный климат, среднегодовая отопительная температура колеблется от 276,6 до 266К, с продолжительностью зимнего сезона 180...206 дней в году. Восточная зона характеризуется суровой зимой со среднегодо вой отопительной температурой 265,5К, с продолжительностью зимнего периода до 212 дней.
Северная зона имеет континентальный климат, среднегодовая отопительная температура изменяется от 265,6 до 264,IK, с продолжительностью зимнего сезона 112...219 дней в году ( в Северо-Казахстанской области - до 255 дней в году).
Несмотря на эти отличия, удельный расход теплоты на горячее водоснабжение колеблется в пределах 3,5%: от 3792тыс.кДж/(гол. год) в Северной зоне до 3666тыс.кДж/(гол.год) в Южной зоне.
Удельный расход теплоты на отопление производственных и бытовых помещений колеблется уже в пределах 40%: 4609; 4315; 3352 и 2807тыс.кДж/(чел.год) соответственно для Северной, Восточной, Западной и Южной зон.
В горячем водоснабжении технологических операций на животноводческом комплексе нуждаются следующие процессы: приготовление кормов, обслуживание доильного оборудования, поение животных, санитарно-гигиенические и бытовые нужды обслуживающего персонала и объектов комплексов.
На современном животноводческом комплексе необходимо обеспечить горячей водой такие объекты как кормоцех, доильно-молочный блок, телятник, изолятор, ветпункт, ветсанпропусник, пункт искусственного осеменения, здание для тракторов.
Режим расхода тепловой энергии на каждом объекте комплекса определялся на основе технологии содержания крупного рогатого скота, графиков работы оборудования и распорядка дня по обобщенным литературным и проектным данным. Суточные графики теплопот-ребления на горячее водоснабжение и отопление производственных помещений показаны на рисі.2.1.
Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы: процессы отопления производственных помещений имеют постоянный характер, а процессы потребления тепла на технологические и санитарно-гигиенические нужды носят циклический, неравномерный характер, имеют пики и провалы.
Молочные блоки коровников и доильно-молочные блоки являются основными объектами горячего водоснабжения на комплексе. От качества обслуживания доильного оборудования во многом зависит качество молока, следовательно, установка должна прежде всего соответствовать требованиям оборудования молочных блоков.
Исследование процесса электродного нагрева воды и разработка методики расчета основных параметров электродного водонагревателя
Чем лучше поверхность электрода смачивается водой, тем меньше величина 8 и меньше размер пузырька. /91/ показано, что при изменении 0 от 100 до 20, радиус пузырьков уменьшается от 3 10 до 0,8 10 м.
Поверхность металлов хорошо смачивается водой, следовательно, на электроде оседают только мелкие пузырьки.
Зависимость размеров пузырька от 9 приводит к тому, что электрическое поле оказывает существенное влияние на прилипание. Величину равновесного краевого угла можно выразить как функцию поверхностных натяжений на трех границах раздела: вода-металл, вода-пар, металл-пар /43,91/, (см.рис.2.2.2): 15= 2 + r25 U)S0, (2.2Л) где 6лг - поверхностное натяжение между водой и металлом; Ълъ- поверхностное натяжение между металлом и паром; (згъ - поверхностное натяжение между водой и паром. При поляризации электрода (э12 уменьшается при удалении значения потенциала от потенциала нулевого заряда поверхности /91/.
Величина (э23 не зависит от поляризации и fc,3 в первом приближении не зависит от изменения потенциала электрода, поскольку на границе металл-пар не должно быть ионов и поэтому не может происходить изменение потенциала. Однако, это заключение не точно, потому что под пузырьком поверхность электрода не является совсем сухой, а покрыта тонкой пленкой воды, содержащей ионы. Следовательно, изменение 6 , при поляризации электрода возможно, но оно невелико по сравнению с изменением 2И в общем случае картина явления определяется изменением оіг . При достаточно большом значении катодной поляризации лг убывает, поэтому разность 6 - и cos0 возрастают, а угол 9 уменьшается /91/. Вместе с ним уменьшаются прилипание и величина пузырька. То же происходит и при анодной поляризации. Физически это можно представить так, что при увеличении плотности заряда увеличивается смачиваемость металла электрода, вода выталкивает крупные пузырьки с поверхности, смачивая ее, и на электроде остаются только мелкие пузырьки. Поэтому величина краевого угла пузырька имеет наибольшее значение, когда заряд поверхности электрода равен нулю, то есть в момент прохождения синусоидой нулевого значения в конце каждого полупериода поляризации.
Следует указать, что добавление в раствор поверхностно- активных органических веществ изменяет все три значения поверхностных натяжений при данном потенциале, и это может как увеличить, так и уменьшить смачиваемость поверхности металла электрода.
По данным /91/ при поляризации электрода от 0 до 0,5...IB равновесный краевой угол уменьшается от 100 до 15...25, следовательно при поляризации электродов промышленным напряжением 220/380В этот угол будет иметь минимальные значения и на поверхности электродов будут оседать мелкие пузырьки.
Зависимость 9 от значения заряда электрода позволяет сделаяь важный вывод: размер пузырьков и толщину их слоя на поверхности электрода можно регулировать изменением формы синусоиды переменного тока. Для этого можно использовать, например, тиристор-ные схемы регулирования, с помощью которых изменять размеры тех отрезков синусоиды, где значения потенциала электрода равны нулю.
Рассмотрим пузырек пара как диэлектрическую сферу. Внутри сферы напряженность постоянна /101/: 3 Eu = -Vfr- l , Eo. (2.2.5) w 1 где fy- потенциал внутри сферы; «,; б! - соответственно диэлектрические проницаемости снаружи и внутри сферы; Е0- напряженность внешнего поля; V- оператор Гамильтона. При Єа 6 напряженность поля внутри сферы меньше, а при а 6 больше Е0на величину - Ео Еіх"6.\ , Ее, (2-2-6) следовательно, в случае неоднородного внешнего полЯсУ30,Ю1/ на сферу будет действовать пондеромоторная сила р - f F MvE0 = 2tTRn\ J ос Е (2-2-7) где м - момент электрического диполя; стремящаяся сдвинуть сферу при 1 в область наибольшей напряженности поля, а при , &\ " в область наименьшей напряженности поля.
Для случая пузырька пара находящегося в воде г Вл , следовательно, если создать у поверхности электрода напряженность поля меньшую, чем в межэлектродном пространстве, то пондеромоторная сила будет стремиться прижать пузырьки к поверхности электрода.
Аппаратура и методика экспериментальных исследований
Основной задачей при разработке аппаратуры для экспериментальных исследований является создание комплекса измерительных датчиков с унифицированным выходным сигналом, поступающим на вторичные приборы. Унификация выходного сигнала позволяет значительно сократить количество вторичных приборов, использовать многоканальный усилитель, регистрировать изменение измеряемых параметров во времени с помощью светолучевого осциллографа. Наиболее целесообразно в качестве унифицированного выходного сигнала использовать электрический сигнал постоянного тока, следовательно, для регистрации различных параметров ШГВ необходимо разработать набор датчиков, преобразующих различные физические величины в электрический сигнал. Нами разработаны датчики расхода воды, давления и удельного сопротивления, так как известные конструкции сложны, громоздки, рассчитаны на большие значения измеряемых величин, имеют разные выходные сигналы /47,64,96,106/. - При исследовании оборудования необходимо регистрировать следующие параметры: расход воды при ее циркуляции в контуре ШГВ (от 0 до 14л/с), давление в контуре (от 0 до ІООкїїа), ток (от 0 до 70А), напряжение (220/380В), потребляемую мощность (от 0 до 4QKBT) И расход электрической энергии (от 0 до ЗООкВт.ч), температуры теплоносителей (от 283 до 373К), удельное сопротивление воды (от 5 до 60 Ом.м), расход воды на горячее водоснабжение (от 0 до 2000л/сут), относительную; влажность (от 40 до 85$) и температуру воздуха (от 283 до 297К) в обогреваемых помещениях.
Схема установки для лабораторных экспериментальных исследований показана на рис.3.2.1, а ее общий вид на рис.3.2.2.
Измерение расхода воды. Известные расходомеры с электрическим выходным сигналом (мембранный и сильфонный дифманометры - расходомеры и электромагнитный расходомер) не отвечают условиям эксперимента - они рассчитаны на большие давления (от 250кПа до 4-ОМПа), имеют сложную конструкцию и большой вес /64,ГОСТ 6019-73/.
Поэтому нами разработан датчик расхода воды - ДРу, который состоит из стальной пластины с размерами 20x150x0,5мм, один конец которой зафиксирован в крышке (см.рис.3.2.3).
На пластину с двух сторон наклеивались проволочные тензоре зисторы по оси действия напряжения, возникающего при движении воды. Такой способ вдвое повышает чувствительность измерительной цепи, а температурное изменение сопротивления одного тензо-резистора при увеличении температуры воды компенсируется противоположным изменением сопротивления второго.
Градуировка производилась непосредственно на рабочем датчике при изменении расхода воды от 0 до 14-л/с с регистрацией величины отклонения светового луча гальватометра на шкале светолучевого осциллографа (см.рис.3.2,5).
Относительная погрешность при измерении расхода воды составляла 2,5%.
Во время производственных испытаний расход горячей воды на технологические нужды объектов животноводческого комплекса регистрировался расходомером УВК-25 (PI, см,рис.3.2.I). Расходомер Р2 того же типа был установлен в обратном трубопроводе системы комплекта оборудования.
Измерение давления. Существующие манометры с электрическим выходным сигналом (дифференциально-трансформаторные, магнито-модуляционные и тензометрические) не соответствуют условиям эксперимента - они рассчитаны на большие давления (от 0,1 до 4-ОМПа), имеют выходной сигнал в виде изменения индуктивности и сложную конструкцию /64, ГОСТ 5.897-71/.
Поэтому нами разработан датчик давления воды - ДД, состоящий из одновитковой трубчатой манометрической пружины, на которую с двух сторон наклеивались проволочные тензорезисторы (см.рис. 3.2Л). Под действием давления воды пружина разгибается и с помощью тензорезисторов можно регистрировать давление.
Разработка конструкции экспериментального образца комплекта оборудования и его производственные испытания
На основе зоотехнических и технологических требований, результатов теоретических и экспериментальных исследований и расчетов разработан экспериментальный образец комплекта оборудования для горячего водоснабжения.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований были разработаны зоотехнические требования (см.приложение 5), подготовлено техническое задание на конструирование КОГВ и изготовлен опытный образец комплекта оборудования на экспериментальном заводе НПО "Казсельхозмеханизация".
В конструкции экспериментального образца КОГВ предусмотрена возможность изменения основных параметров электродного водонагревателя, бойлера-теплоаккумулятора и комплекта оборудования в целом, простота и удобство монтажа, а также места для установки датчиков контроля за исследуемыми параметрами.
Комплект оборудования состоит из электродного водонагревателя мощностью 25кВт, бойлера-теплоаккумулятора емкостью 1000л и схемы автоматического управления (см.рис.4.2.1).
Техническая характеристика приведена в табл.4.2.1.
Комплект оборудования работает следующим образом. Бойлер подключается к водопроводной сети через трубопровод холодной воды с помощью запорного вентиля и обратного клапана. Холодная вода подается по трубопроводу в БЖ. После этого включается электродный водонагреватель. При нагревании воды до заданной температуры ЭВН отключается.
При поступлении в бойлер холодной воды или естественном охлаждении нагретой воды ЭВН вновь включается и подогревает воду до заданной температуры.
Горячая вода вытесняется из бойлера давлением холодной воды, поступающей из водопровода. Смешивания холодной воды с горячей практически не происходит, благодаря небольшой скорости поступления воды и большего веса холодной воды по сравнению с нагретой.
В схеме автоматического управления предусмотрены летний режим (с отключенной системой отопления помещений) и зимний (с подключенной системой отопления). В обоих режимах комплект оборудования может работать по свободному графику и в принудительном режиме (под управлением реле времени) с включением для накопления теплоты, в БЖ в часы ночных и дневных провалов графиков нагрузки энергосистемы.
При свободном графике работы комплекта оборудования ЭВН находится под управлением термосигнализатора TCM-I.
Бойлер-теплоаккумулятор БЖ состоит из цилиндрического корпуса I со сферическими доньями 2, теплообменника 3, крышки 4 и сальников 7 (см.рисЛ.2.2).
Трубы в пучке теплообменника расположены по двум дугам концентрических окружностей в шахматном порядке. Количество труб в пучке теплообменника - 25, наружный диаметр - 26,8мм. Теплообменник располагается под углом 3...50 к горизонтальной оси бойлера. Это обеспечивает циркуляцию воды в контуре ЭВН - теплообменник и исключает появление воздушных пробок в трубках теплообменника. В крышке бойлера смонтирован датчик термосигнализатора ТСМ-100. Конструкция бойлера, благодаря наличию сальников, разборная, что позволяет проводить периодическую очистку внутренней поверхности емкости и трубок теплообменника от осадков, накипи и ржавчины.
Водонагреватель состоит из корпуса I, крышки 4, электродов 2 со шпильками 3, изоляторов 7, защитного колпака б, изолирующих планок II и предохранительного клапана 9 (см.рис Л.2.3).
Схема автоматического управления содержит автоматический выключатель S , магнитный пускатель Kg, промежуточные реле K-r-Kg, предохранители F , два термосигнализатора, трансформатор тока Т, клеммный набор КН. На дверце шкафа управления установлены кнопки управления S ,; S5 « 3 пакетных переключателя S-,; $2\ $5, сигнальная лампа Н, амперметр А (рисЛ.2Л).
При естественной циркуляции воды в ШГВ в верхней точке системы устанавливается расширительный бак (см.рис.4.2.I), а ЭВН должен находиться в низшей точке системы.
Для работы комплекта в автоматическом режиме следует: включить автоматический выключатель S ; переключатель Si поставить в положение "Авт"; переключатель Sfc- в положение "своб.", при этом происходит включение магнитного пускателя; установить заданные границы температуры на термосигнализаторе TCM-I в электродном водонагревателе; нижний предел 37IK, верхний предел 373К; в летний период переключатель S5поставить в положение "лето", в зимний период - "зима"; установить на реле времени К время включения и отключения ЭВН в зависимости от распорядка дня на ферме и графика нагрузок энергосистемы.
В Алма-Атинской области на реле времени рекомендуется устанавливать следующие установки: в летнем режиме включения - в 24 и 10 часов, отключение - в б и 16 часов, в зимнем включение - в 10 и 20 часов, отключение - Б 9 и 19 часов.
