Методы эффективного построения и функционирования комбинированной системы обеспечения параметров микроклимата в свиноводстве Игнаткин Иван Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Принятые Правительством РФ Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации и ряд Государственных программ развития сельского хозяйства создали благоприятные условия для активного роста объемов производства в АПК.

В решении проблемы развития обеспечения страны отечественными мясными ресурсами особое место отведено свиноводству – отрасли с наибольшей скороспелостью животных.

Создание и поддержание оптимальных параметров микроклимата в свинарниках является важным фактором в обеспечении здоровья животных. В частности, отклонение параметров микроклимата в производственных помещениях от регламентированных значений может привести к уменьшению привесов на 20 – 30%, сокращению продолжительности продуктивного периода жизни у маточного поголовья на 15 – 20%, увеличению отхода молодняка до 5 – 40%, увеличению конверсии корма, уменьшению срока эксплуатации производственных помещений (до 3-х раз), росту затрат на ремонт и обслуживание технологического оборудования, перерасходу энергоносителей.

На свинокомплексе наибольшая доля энергетических затрат приходится на отопление производственных помещений. До 90% теплоты выбрасывается в атмосферу с вентиляционным воздухом. В этой связи крайне важно создание современных систем обеспечения микроклимата, отвечающих требованиям технологической и энергетической эффективности.

С 2003 по 2013 гг. цены на газ для промышленности выросли почти в 4,5 раза и продолжают расти. По прогнозу ИНЭИ РАН к 2022 г. цены вырастут еще в 1,9 – 2,5 раз. С 27 ноября 2009 года вступил в силу Федеральный закон № 261 от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», который обязывает к эффективному использованию энергетических ресурсов. Принятый закон дополняется Указом Президента РФ № 889 от 04.06.2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики».

В сложившихся условиях актуальной проблемой является применение современных ресурсосберегающих и энергоэффективных технологий.

Степень разработанности темы. Большой вклад в создание систем микроклимата, теплоснабжения и энергосбережения в сельскохозяйственном производстве внесли: Антонов П.П., Ануфриев Л.Н., Бабаханов Ю.М., Кокорин О.Я., Муру-сидзе Д.Н., Новиков Н.Н., Растимешин С.А., Расстригин В.Н., Рудобашта С.П., Самарин В.А., Самарин Г.Н., Тихомиров Д.А, Цой Ю.А., Гулевский В.А. и др.

Однако, несмотря на высокую эффективность предложенных разработок, недостаточное внимание уделено аспектам универсальности, многофункциональности, адаптивности и модульности.

Воздухо-воздушный теплообмен в условиях российского климата может происходить в сухом, конденсационном и десублимационном режимах. При этом процесс инееобразования изучен недостаточно.

Распространенность систем водоиспарительного охлаждения в мире и значительный объем научных работ на эту тему свидетельствуют о важности и востребованности этой технологии, однако влияние смачиваемости орошаемых поверхностей на эффективность процесса изучено недостаточно. Эмпирические работы отражают связь, но не выявляют фундаментальных зависимостей. Необходимо исследовать этот процесс аналитически.

Требуют уточнения процессы воздухораспределения в условиях неизотермических струйных течений и обоснования параметры всасывающих и выпускных отверстий энергосберегающего климатического оборудования. Необходимо разработать типоразмерный ряд оборудования, отвечающий требованиям современного свиноводства.

Цель работы – разработать методы эффективного построения и функционирования комбинированных систем обеспечения параметров микроклимата в свиноводстве.

Задачи исследования:

1. Провести анализ современного состояния отрасли, тенденций развития спо
собов и технических средств обеспечения микроклимата в свиноводстве;

1. Провести функционально-стоимостной анализ и синтез многофункциональной энергосберегающей установки для обеспечения микроклимата в свиноводстве;

2. Исследовать процессы сухого, конденсационного и десублимационного режимов теплообмена приточного и вытяжного воздуха в зимний и переходный периоды;

3. Исследовать процесс водоиспарительного охлаждения воздуха в летний период с учетом влияния смачиваемости орошаемой поверхности теплообменника;

4. Исследовать процессы воздухораспределения в свинарниках в условиях неизотермических струйных течений с обоснованием параметров всасывающего факела вытяжного вентилятора и струи приточного воздуха;

5. Исследовать процесс воздухообмена за пределами помещения, обеспечивающий эффективное разделение приточного и загрязненного вытяжного воздуха;

6. Обосновать типоразмерный ряд установок, для разных половозрастных групп животных и помещений различной вместимости;

8. Разработать алгоритм управления микроклиматом на базе установки для обеспечения микроклимата;

9. Провести лабораторные и производственные испытания комбинированной системы обеспечения параметров микроклимата в свиноводстве;

10. Выполнить расчет экономической эффективности.
Научная новизна работы заключается в разработке:
- метода эффективного построения комбинированной климатической

установки по критериям энергоэффективности, структурного замещения и функционально-стоимостной оценки;

математической модели процесса квазистационарного тепломассообмена, учитывающей условия инееобразования и повышающей эффективность утилизации теплоты в рекуперативном теплообменнике;

метода интенсификации процесса водоиспарительного охлаждения, учитывающего взаимосвязь геометрических, теплотехнических и гидравлических параметров теплообменного аппарата для теплого времени года;

методов и математических моделей тепломассопереноса и воздухорас-пределения в струях вытяжного и приточного воздуха с изменяемым вектором потока.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке (обосновании):

теплоутилизатора вытяжного воздуха с реализацией эффекта инееобра-зования, повышающего коэффициент теплопередачи теплообменника в холодное время года для различных климатических зон (Патенты на изобретения RU № 2627199, № 2640898, № 2632230);

встроенной системы водоиспарительного охлаждения в комбинированной установке для охлаждения приточного воздуха в летний период;

расчетных аналитических зависимостей управления вектором потока приточного воздуха для эффективного воздухораспределения внутри помещения в условиях неизотермических струйных течений с учетом изменения температуры наружного воздуха;

конструктивных параметров системы удаления вытяжного воздуха, минимизирующих его обратный подсос внутрь помещения;

типоразмерного ряда установок и рекомендаций по размещению оборудования в объемно-планировочных решениях современных свинарников;

алгоритма управления системами утилизации теплоты, водоиспаритель-ного охлаждения и распределения приточного и вытяжного воздуха в комбинированной энергосберегающей установке.

Методология и методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе фундаментальных законов и положений термодинамики, молекулярно-кинетической теории, механики, аэродинамики, физического и компьютерного моделирования. Применены методы системного подхода, вероятностно-статистический, функционально-стоимостного анализа и синтеза. Использованы накопленные знания в области проводимых исследований.

Положения, выносимые на защиту:

метод построения комбинированной климатической установки по критериям энергоэффективности, структурного замещения и функционально-стоимостной насыщенности, обеспечивающий ее эффективное функционирование в различных климатических зонах;

математическая модель процесса квазистационарного тепломассообмена и конструкция теплообменника, учитывающие условия инееобразова-ния и повышающие эффективность утилизации теплоты в холодное время года;

метод интенсификации процесса водоиспарительного охлаждения приточного воздуха в летний период, учитывающий смачиваемость орошаемой поверхности теплообменника и его геометрические, теплотехнические и гидравлические параметры;

методы и математические модели тепломассопереноса с управляемым вектором потока приточного воздуха, обеспечивающие эффективное воздухо-распределение внутри и минимизирующие обратный подсос удаляемого воздуха за пределами помещения;

результаты лабораторных, производственных испытаний и технико-экономической оценки эффективности типоразмерного ряда комбинированных климатических установок различной производительности (1000, 3000, 6000 м³/ч).

Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены на: научно-практических конференциях, в том числе международных, проводимых в ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева» в 2010 … 2018 гг.; Международной НПК в ФГБНУ ВНИИМЖ 2018 г.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 43 печатных работах, в том числе 17 статей опубликовано в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, 1 учебно-методическое пособие, по результатам работы получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы на 212 источников (57 на иностранном языке) и приложений. Работа изложена на 352 страницах, включая 180 рисунков и 81 таблицу.