Газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений Пенкин, Александр Александрович

Введение к работе

1 Актуальность работы

В 2001 г правительством России была принята Федеральная целевая программа газификации на 2002 - 2006 годы Уровень газификации природным газом по данным «Газпрома» в настоящее время составляет 51,7% в городах - около 60%, в сельской местности - порядка 30%

Однако до сих пор в России имеет место необоснованное применение в ряде процессов сельскохозяйственного производства электроэнергии, стоимость которой в 10 раз выше стоимости энергии, поступающей с газовым топливом Перевод систем теплоснабжения сельскохозяйственного производства на газ есть реальный путь к энергосберегающим технологиям

Таким требованиям отвечают установки, скомплектованные совместно со «светлой» газовой ИК - горелкой, которые могут стать базовым элементом систем микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений Высокий температурный потенциал продуктов сгорания от «светлых» Іазовьк ПК-горелок в таких установках, может быть использован для подготовки приточного воздуха а сами продукты сгорания выводятся за пределы помещения Экономия газа и электроэнергии в этих системах составит 30-50%

Предметом исследования являются теплофизические процессы при сжигании газа в «светлых» ИК-горелка\ при организации локального ИК-обогрева

Цель работы - создание газового устройства и методов организации локального газового ИК-обогрева для свиноводческих помещении

Задачи исследований

1. Провести исследования конструкций «светлых» газовых инжекционных ИК-горелок, используемых в ИК-обогреве животноводческих помещений, и составить их классификацию

2. Разработать, обосновать методы и лабораторные стенды для исследования конвективного и радиационного теплообмена «светлых»

газовых ИК-горелок, определить тип горелки для организации локального ИК-обогрева в свиноводческих помещениях

3. Разработать метод повышения радиапионно-энергетических характеристик, провести исследования и расчет рефлекторов для «светлых» газовых ИК-горелок с различными геометрическими формами и типами источников излучения

4. Сконструировать и исследовать на базе «светлой» газовой ИК-горелки газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений с «газово-воздушным» рекуператором тепла продуктов сгорания

5. Разработать и внедрить методы размещения «светлых» газовых ИК-горелок и регулирования плотности теплового потока в зоне подсосных поросят и поросят на доращивании

6. Разработать систему локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счет тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева

Методы исследований

Поставленные задачи решались путем использования основ теории теплопередачи,электротехники,электрических и теплотехнических измерений, теории вероятности и математической статистики, физического моделирования, математической обработки опытных данных и компьютерного программирования

Научная новизна работы

1. Составлена классификация «светлых» газовых ИК-горелок по спектральному диапазону излучения, типам источников излучения, механизму горения, конструкции рефлектора

2. Разработаны методы измерения энергетических, спектральных характеристик, малых расходов газа, позволившие сравнивать различные ИК-источники, определены энергетические характеристики и доля излучения рефлектора в общем тепловом потоке горелки

3. Разработан экспериментально-теоретический метод повышения радиационно-энергетических характеристик «светлых» газовых ИК-горелок в более чем 1,7 раза по сравнению с заводским аналогом путем моделирования геометрической формы и размеров рефлектора, получена функциональная зависимость плотности теплового потока на облучаемой поверхности от длины образующей рефлектора при различном расходе газа

4. Разработаны устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческого помещения, способы утилизации тепла продуктов сгорания «светлой» газовой ИК-горелки и «газово-воздушный» рекуператор подогрева приточного воздуха

5. Разработаны и внедрены методы, компьютерная программа локального газового ИК-обогрева в соответствии с НТП-АПК 1 10 02 001-00 для подсосных поросят и поросят на доращивании

6. Разработана система локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счет тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева

Практическая ценность

1. Разработанные рекомендации использования «светлых» газовых ИК -горелок паспортной мощностью 1,5 кВт в непрерывном технологическом процессе выращивания подсосных поросят и поросят на доращивании внедрены в ЗАО «Племзавод-Юбилейный» и дали на одной секции опороса экономический эффект 112200 руб в год и технологический эффект по увеличению привесов в сутки у подсосных поросят на 20 гр , поросят на доращивании на 40 гр и сокращению падежа на 2 %

2. Сконструировано и испьпано газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева производственных и животноводческих зон, обеспечивающее подогрев приточного воздуха, не нарушая экологию помещения

3. Разработан экспериментально-теоретический,метод повышения радиационно-энергетических характеристик «светлых» газовых ИК-горелок без увеличения расхода газа и изменения процесса горения

4. Предложенные методы эксергетического анализа для газовых ИК -горелок и теплообменного оборудования могут использоваться для оценки потерь энергии и определения путей их модернизации

5. Созданные методические оценки качества газовых ИК - горелок и лабораторные стенды применяются в учебном процессе студентов МІ АУ им В П Горячкина

Реализация результатов исследований

Разработано газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева производственных и животноводческих зон, обеспечивающее подогрев приточного воздуха, не нарушая экологию помещения

Разработаны и внедрены методы локального обогрева в помещениях для подсосных поросят и поросят на дорашивании на 40 станков в ЗАО «Племзавод-Юбилейный» с использованием газовых ИК-горелок паспортной тепловой мощностью 1,5 кВт с металлическим насадком, позволившие получить экономический эффект 112200 руб с окупаемостью 1,3 года и технологический эффект по увеличению привесов в сутки у подсосных поросят на 20 гр , поросят на доращивании на 40 гр и сокращению падежа на 2%

Созданные методики исследований и лабораторные стенды используются в процессе обучения студентов МГАУ им В П Горячкина

Публикация результатов работы

Основные результаты работы изложены в 15 печатных работах, в т ч 3 Патентах РФ и 1 положительном решении о выдаче Патента РФ

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения шести глав, выводов, списка литературы и приложений Ее содержание изложено на 157 страницах, иллюстрировано 100 рисунками, включает 58 таблиц, список литературы из 186 наименований и в приложениях на 75 страницах

На защиту выносятся

1 Классификация «светлых» газовых ИК-горелок по спектральному
диапазону излучения, типам источников излучения, механизму горения,
конструкции рефлектора

2. Методы определения энергетических, спектральных характеристик, доли излучения от рефлектора «светлой» газовой ИК-горелки

3. Экспериментально-теоретический метод повышения радиационно-энергетических характеристик «светлых» газовых ИК-горелок в спектральном диапазоне 0.76-10 мкм. функциональная зависимость плотности теплового потока на облучаемой поверхности от длины образующей рефлектора при различном расходе газа

4. Конструкция газового устройства инфракрасною излучения для локального обогрева свиноводческих помещений с подогревом приточного воздуха и способы утилизации тепла продуктов сгорания «светлой» газовой ИК-горелки

5. Методы размещения «светлых» газовых ИК-горелок и регулирование плотности теплового потока при газовом локальном ИК-обогреве подсосных поросят и поросят на доращивании, компьютерная программа

6. Система локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счет тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева

Основное содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, дана общая

характеристика работы, сформулированы вопросы, выносимые на защиту В первой главе приведен обзор «светлых» газовых ИК-горелок и систем

авюматического управления, используемых для организации локального

газового ИК-обогрева Указаны основные недостатки, присущие газовым ИК-горелкам с керамическим насадком, и общие проблемы, возникающие при использовании «светлых» ИК-горелок в животноводческих помещениях независимо от типа насадка

Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования ИК - обогрева и обеспечения микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях внесли ученые Д Е Афанасьев, В Н Богословский, И Ф Бородин, Т Р Бароев, О Н Брюханов, М С Горомосов, А В Дубровин, А М Заикин, Л Н Кадырова, В В Карелина, М П Кисин А Е Ковалев, Е В Крылов, Н Ф Кожевникова, Д П Лебедев, А К Лямцов, Дж МИЛСУМ, Д Н Мурусицзе, В К Мурзин, А А Овчинников, Л Г Прищеп, П И Пятолов, В Н Расстригин, С А Растимешин, А К Родин, В Т Фомичев, В В Чистяков, В М Четверухин, В А Чудковский, И И Шараускас, В В Шевцов, А Э Шкеле и др

На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследований

Во второй главе рассмотрены и обоснованы методы теплотехнических исследований «светлых» газовых ИК-горелок Разработаны лабораторные стенды для теплотехнических исследований газовых ИК - горелок Проведен сравнительный анализ различных «светлых» газовых ИК-горелок и выбрана горелка тепловой паспортной мощностью 1,5 кВт с металлическим коническим насадком для дальнейших исследований и модернизации,

В третьей главе изучены вопросы, связанные с образованием газовоздушной смеси и организацией горения в «светлых» газовых ИК-горелках На основании физической модели, предложенной Д П Лебедевым, составлен тепловой баланс, проведен эксергетический анализ газовой горелки паспортной тепловой мощностью 1,5 кВт

На рис 1 показана схема (физическая модель Д П Лебедева) газовой ИК-горелки с металлическим перфорированным насадком 1

чл-« N

rV/, -ЛТ³^--

т^с"

Рис. 1 Физическая модель газовой ИК-горелки с коническим насадком, паспортной мощностью 1,5 кВт. 1 - источник ИК-излучения, 2 -рефлектор, 3 - патрубок вывода продуктов сгорания, 4 - патрубок ввода природного газа и воздуха

Уравнение теплового баланса, рис. 1:

Q_T = BQ_H = (}„, + (},*+(^,

(1)

где: Q_T - тепловой поток газового топлива, (Вт); Q„^c - низшая теплота сгорания газа; В - расход газа, (м³/ч); Q_pr - тепловой поток излучения горелки, (Вт); Qoc - тепловой поток в окружающую среду, (Вт); Q^ тепловой поток с уходящими газами, (Вт); Q_p„, Qp^, - тепловые потоки от источника излучения и рефлектора, (Вт); Qp, Q^ - тепловые радиационные потоки от боковой поверхности и основания, и конвективный поток от рефлектора, (Вт).

Проведён комплекс расчётных исследований, определены не производственные потери тепла в «светлой» ИК-горелке, и предложен метод вычисления теплового и эксергетического лучистого КПД. Энергетический (тепловой) радиационный (лучистый) КПД горелки:

(2)

Коэффициент тепловых потерь с уходящими газами:

єі = (V Qr

(3)

Результаты вычисления составляющих теплового баланса для «светлой» газовой ИК-горелки с металлическим коническим насадком, паспортной мощностью 1,5 кВт, представлены в табл 1

Таблица 1 Составляющие теплового баланса

Приход

%

Составляющие уравнения (1)

Тепловой поток от газового топлива в

39,7

1,93

Тепловой поток
излучения горелки, Q_pr

4,86

9,7

0,47

Тепловой поток в окружающую среду, Q„

ropgjifgr, рис 5b₎₆

^гоР^Є]УрШіенйе эксФргетич<|сТ<ЗгФШЬй@Мз%вой ИК

уходящими газами, СЛт

4,86

Итого

^pi t-oc ' t-лт fc-ra- ~*~ fc-v

(4)

где E_r - BQ[,^C, - полный приход эксергии газового топлива, (Вт), Е_рг-эксергия собственного излучения горелки, (Вт), Еос— эксергия потерь в окружающую среду, (Вт), E_VT - эксергия уходящих газов, (Вт), Із, Id, S3, S^ энтальпии и энтропии газовых потоков, рис 1, F_ra - эксергия потерь при горении газа в горелке, (Вт), Е^ - химическая эксергия газа (потери от химического недожога), (Вт) Эксергетический коэффициент полезного действия газовой ИК-горелки

іЬс = Ер,/ E_t (5)

Коэффициент эксергетических потерь с уходящими газами

&жс 1\т' t-i

(6)

Составляющие эксергетического баланса для «светлой» газовой ИК-горелки с коническим насадком паспортной мощностью 1,5 кВт представлены в табл 2

Из табл 1, 2 видно, что основные не производственные потери тепла приходятся на уходящие продукты сгорания Для газовой ИК-горелки с коническим насадком паспортной мощностью 1,5 кВт характеристики эффективности сведены в табл 3

Таблица 2 Составляющие эксергетического баланса 4

Приход

%

Составляющие уравнения (4) кВт

Эксергия

Эксергия газового топлива Е_г

1,27

26,1

собственного

излучения горелки, Е_р

0,75

15,4

Эксергия потерь в окружающую
среду, Ере

4,86

Эксергия уходящих газов, Е_ч-

29,4

,43

Эксергия потерь при горении,

25,1

1,22

Итого

4,86 | 100

Эксергия потерь от химического недожога, Е_ч1

Итого

0,194

4,86

ТаблицаЗ Основные энергетические и эксергетические потери газовой ИК- горелки с насадком из нержавеющей стали мощностью 1,5 кВт

В четвёртой главе показано, что для лучистого потока ИК-горелки, при высоте H=const ее подвеса на облучаемой поверхности справедливо следующее уравнение

q(x,y,l) = q„(x.y)+q_p(x,y,l).

(7)

I 12

где q(x,y,]) - лучистый поток, (Вт/м²), на облучаемой поверхности в точке х,у при длине образующей рефлектора 1, q_H(x,v) - лучистый поток ИК-излучения, (Вт/м²), на облучаемой поверхности от конусной насадки из нержавеющей стали в точке х,у облучаемой поверхности, q_p(x,y,l) - лучистый поток, (Вт/м²), фотонов (упругое рассеяние) от рефлектора в точке х,у облучаемой поверхности при длине образующей рефлектора 1

Составляющая q_M(x,y) измерялась для выбранного типа горелки без рефлектора Для определения q_p(x,y,l) измерялась величина q(x,y,l) и из нее вычиталась q^x.y) при различных величинах 1 - образующих рефлектора с вычислением для каждого случая аппроксимирующих функций и их среднеинтегрального значения По полученным данным определяли аппроксимирующую функцию, позволяющую найти максимальный прирост среднеинтегрального значения плотности теплового потока от рефлектора Вычисленная длина образующей 270 мм

Моделирование рефлектора газовых ИК - горелок требует вычисления угла раскрытия рефлектора Под углом раскрытия рефлектора понимается угол а между образующей и нормалью к плоскости верхнего основания рефлектора Для изучения влияния этого параметра на плотность теплового потока в зоне облучения был изготовлен стенд-горелка с изменяющимся углом раскрытия рефлектора При разных углах раскрытия рефлектора, при постоянном расходе газа и постоянной высоте подвеса горелки измерялась плотность теплового потока на облучаемой поверхности Вычислялась доля излучения рефлектора с различными углами раскрытия в общей доле излучения горелки, и строилась зависимость доли излучения рефлектора от исследуемой модели Для газовой ИК-горелки с металлическим насадком тепловой мощностью 1,5 кВт угол, соответствующий максимальной доли излучения рефлектора, составил ЗГ56'

Среднеинтегральное значение плотности теплового потока на облучаемой поверхности увеличено в 1,7 раза по сравнению с заводской ИК-горелкой

Аналогичное экспериментальное моделирование было проведено на газовой ИК - горелке паспортной тепловой мощностью 3,21 кВт с керамическим плоским источником излучения Экспериментально получена длина образующей 221 мм и угол раскрытия рефлектора а=28 52' Среднеинтегральное значение плотности теплового потока на облучаемой поверхности было увеличено в 2,16 раз

Для газовых ИК - горелок с плоским керамическим и конусным металлическим источниками излучения были выведены уравнения, связывающие их геометрические параметры при максимальном излучении от рефлектора горелки

Для горелки с конусным источником излучения и рефлектором, имеющим форму «усеченный конус», при максимальном излучении от рефлектора справедливо уравнение

l²sm³a +21rsm²a + (r²-21²/3)sina - lr=0, (8)

где <хЄ[0,л/2] - угол раскрытия рефлектора, г -радиус верхнего
основания рефлектора, 1 длина образующей рефлектора Отличие

теоретического от экспериментального угла раскрытия рефлектора составляет 6 9%

Экспериментально установлено влияние симметричности формы рефлектора и источника на плотность теплового потока в зоне облучения Максимальная доля излучения от рефлектора зависит не только от его геометрических размеров, но и от соответствия его формы и формы источника (симметрии) Проведенные исследования показали, что рефлекторы, имеющие одинаковые образующие и углы раскрытия, но разные формы (усеченные конус и пирамида) при конусном источнике излучения создавали различную интенсивность излучения Среднеинтегральное значение функции, описывающей индикатрису для усеченного конуса, было больше на 46,17%

Рассмотрен механизм радиационного и конвективного теплообмена между источником и рефлектором газовой ИК-горелки с коническим источником излучения. Уравнение теплового баланса на рефлекторе, рис. 2.

q= q_PH+ q_pB+ q⁺ qi«>⁺ q (9)

Рис. 2 Радиационный и конвективный теплообмен между источником и рефлектором «светлой» ИК-горелки с коническим насадком. 1 - источник ИК- излучения; 2 - рефлектор; 3 - технологическое отверстие; q_m плотность теплового потока от источника излучения, (Вт/м ) q_pH;~ плотность теплового потока от рефлектора в окружающую среду, (Вт/м²); q_pB -плотность теплового потока внутрь рефлектора, і(Вт/м ); q„, - конвективный тепловой поток от рефлектора в окружающую среду, (Вт/м²); q^ -конвективный тепловой поток внутрь рефлектора, (Вт/м ); q„, - тепловой поток в металле рефлектора, (Вт/м'*)

Получена функциональная зависимость плотности теплового потока рефлектора от длины образующей и температуры на его поверхности.

qj (Т_и; L,)= 0,02T_U '⁸⁷L,' ²¹, (Вт/м²), (10)

где L, -расстояние от верхнего основания рефлектора до точки замера температуры; Т_у - температура на поверхности рефлектора в зависимости от

количества газовоздушной смеси, сгораемой в горелке, і - координата вдоль образующей рефлектора, j - номер эксперимента (j-ый расход газа)

Зависимость (10) позволила создать модельный ряд газовых ИК горелок с различными расходами газа и рефлекторами

В разработанном рефлекторе с максимальными тепловыми характеристиками составлен газовый баланс, установлено движение газовоздушных потоков в технологическое отверстие и удаление продуктов сгорания за пределы сельскохозяйственного помещения

Исследованы спектральные характеристики заводских и экспериментальных газовых ИК-горелок и их влияние на человека и поросят На рис 3 представлены диаграммы абсолютных значений плотностей теплового потока в спектральном диапазоне 0,38-10 мкм при фиксированной высоте подвеса и одинаковом расходе газа различных газовых ИК -источников

350 _т 0

2 зоо Є

о насадок без рефлектора

с 250 g

Zi экспериментальная горелка

| > 150

заводская горело

І ¹⁰

І 50

= а Д-ГІ.

спектральная полоса в мкм.

Рис 3 Диаграммы абсолютных значений плотностей теплового потока на облучаемой поверхности в центре проекции насадка при высоте подвеса 1,58 м различных газовых ИК-источников

Из рис 3 видно, что экспериментальная ИК - горелка имеет прирост плотности тепловою потока во всех исследуемых спектральных полосах ИК - диапазона Показано, что амплитудно-частотные характеристики у

источника излучения и разработанного рефлектора в спектральном диапазоне 0,38 - 10 мкм при нормировании максимальной амплитудой соответственно имели одинаковый вид. У обычного заводского рефлектора амплитудно-частотная характеристика имела провал в спектре 0,76 - 1,1 мкм и уменьшение плотности теплового потока в спектре 2,7-10 мкм

Выбор инфракрасной «светлой» газовой горелки для модернизации при проведении сравнительных испытаний был сделан в пользу горелки с металлическим конусным источником излучения, в том числе исходя из спектральных характеристик керамических и металлических источников.

На рис. 4 представлены сравнительные диаграммы долей спектральных излучений в диапазоне 0,38-10 мкм от заводских газовых ИК - горелок с керамическим источником излучения тепловой мощностью 3,21 кВт и с металлическим источником излучения тепловой мощностью 1,5 кВт

к 60

5.40

g 20

ОКОНЖЄСХУМ

насадок

::L_ii_-.

0,38-0,76 0,76-1,1 1,1-1,7 1,7-2,7 2,7-10 Длина вооы,М<М

Рис. 4 Диаграммы долей спектральных излучений в диапазоне 0,38-10 мкм от заводских газовых ИК-горелок с керамическим и металлическим насадками

Анализ литературных источников, связанных с изучением влияния спектра излучения 0,38 - 10 мкм на здоровье человека и животных, позволил определить соответствие спектра излучения горелки и поглощения кожей для установления определяющей интенсивности излучения при организапии локального ИК - обогрева. На рис. 5 представлен спектр прозрачности человеческой кожи и доля излучения (в процентах) ИК-горелки.

17 Уровень теплового эффекта с учётом прозрачности кожных покровов от горелок с керамическим и металлическим насадками для диапазона спектра от Хі=0,38 мкм до Хз=2,7 мкм можно представить в виде уравнения:

^х)р(Л)ахЧч.&&ШтЪ)))р{Х)ах ,(Вт/м²) (іі)

Я1 І2

Ai =4),38 мкм; кг =1 мкм; Хз =2,7 мкм - длины волн диапазонов спектра; q_H(Xi;X,2); Ян(А2;Хз) - тепловые потоки в диапазонах спектра, (ВтЛ>ґ); р(Я)

функция прозрачности эпидермиса или кожи в соответствующем диапазоне длин волн.

Учёт интенсивности излучения газовых ИК-горелок в спектре 0,38-3 мкм, рис. 5, при организации локального обогрева позволяет организовать безопасную работу обслуживающего персонала в животноводческих помещениях.