Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1 Технологические особенности содержания КРС 7
1.2 Требования к процессу и системам автопоения 8
1.3 Обзор конструктивных схем систем автопоения и анализ их использования в коровниках 10
1.4 Цель и задачи исследования 27
2 Теоретическое обоснование параметров и режимов работы циркуляционной системы автопоения 29
2.1 Параметры, характеризующие работу системы автопоения 29
2.2 Анализ работы системы автопоения, оборудованной насосом-побудителем циркуляции воды 34
2.3 Анализ теплопотерь в циркуляционной системе автопоения 41
2.4 Анализ работы насоса-побудителя в циркуляционной системе автопоения 51
2.5 Анализ работы ресивера циркуляционной системы автопоения... 61
Выводы 63
3 Методика экспериментальных исследований циркуляционной системы автопоения КРС 65
3.1 Методика определения расхода воды из циркуляционной системы автопоения 65
3.2 Методика исследования гидравлических характеристик циркуляционной системы автопоения 67
3.3 Методика определения показателей работы насоса-побудителя в системе автопоения 68
3.4 Методика исследования параметров «накопителя» вакуума 70
3.5 Методика определения теплотехнических характеристик водонагревателя 73
3.6 Исследование динамики пневмопривода насоса-побудителя и расхода воздуха им 77
3.7 Техника обработки опытных данных 78
4 Результаты экспериментальных исследований 82
4.1 Результаты исследований процесса потребления воды животными из системы автопоения 82
4.2 Результаты исследований процесса работы насоса-побудителя воды в системе автопоения 91
4.3 Результаты исследования водонагревателя в режиме накопителя вакуума (ресивера) 100
4.4 Результаты исследования теплопроводности системы автопоения 104
Выводы 108
5 Определение экономической эффективности унифицированной системы автопоения для КРС . 110
5.1 Определение капитальных вложений 112
5.2 Определение технико-экономических показателей 113
5.3 Оценка эффективности капитальных вложений 114
Общие выводы 117
Литература 119
Приложения 129
- Обзор конструктивных схем систем автопоения и анализ их использования в коровниках
- Анализ работы системы автопоения, оборудованной насосом-побудителем циркуляции воды
- Методика определения показателей работы насоса-побудителя в системе автопоения
- Результаты исследований процесса потребления воды животными из системы автопоения
Введение к работе
Одной из основных задач сельскохозяйственного производства является обеспечение населения продуктами питания. В решении этой задачи важное место занимает разработка и внедрение новых форм организации производства в животноводстве, обеспечивающих рост продуктивности сельскохозяйственных животных и, в частности, крупного рогатого скота (КРС).
Сейчас в стране, наряду с крупными животноводческими фермами и комплексами, созданы и эксплуатируются мелкие фермы, рассчитанные на содержание от 10 до 200 голов КРС. Фермы находятся как в государственной, так ив частной собственности и на них используются различные формы организации труда.
Чтобы добиться устойчивого роста продуктивности животных в сложившихся условиях ведения хозяйства и повышения производительности труда, необходимо совершенствовать процесс производства сельскохозяйственной продукции, укреплять материальную базу, широко внедрять достижения науки и техники.
Это относится и к отрасли животноводства. Здесь к недостаточно изученным производственным процессам относится автопоение животных.
Известно, что процесс поения животных, при полном отсутствии средств механизации или частичной механизации, является достаточно трудоемким. Затраты труда на доставку воды и поение животных составляют около 30% от общих трудовых затрат на ферме /1,2/. В настоящее время процесс автопоения считается одним из высокомеханизированных. Однако используемые технические решения или не обеспечивают соблюдение зоотехнических требований к процессу или не эффективны по эксплуатационным и энергетическим показателям.
Исследованиями установлено, что бесперебойное обеспечение животных доброкачественной водой, в достаточном количестве с подогревом в зимнее
5 время, позволяет повысить молочную продуктивность коров на 10... 15%, прирост живой массы КРС на 3...5% , снизить расход кормов на 3...5% /1,2/. Положительный эффект качественного поения особенно характерен для коров при стойловом содержании.
Это подтверждает важность дальнейшего совершенствования процесса автопоения животных и необходимость поиска новых технических решений, направленных на повышение надежности систем автопоения, обеспечение подогрева и поддержание температуры питьевой воды в пределах, заданных зоотехническими требованиями.
В настоящее время одной из основных причин несовершенства применяемых на фермах систем автопоения крупного рогатого скота с подогревом воды является недостаточная изученность режимов их функционирования. Это затрудняет обоснованный выбор объема накопительной емкости и мощности нагревательных элементов. Расход воды в системе автопоения характеризуется суточными и часовыми изменениями. Соответственно изменяются временные показатели состояния системы автопоения (время простоя, время работы и др.). Расчетным путем получить расходные и временные показатели с достаточной достоверностью трудно, поэтому целесообразно использовать для этого метод статистической обработки данных, полученных в условиях конкретного животноводческого объекта. В настоящее время недостаточно изучен и характер теплообмена основных элементов системы с окружающей средой, его влияние на работу всей системы автопоения.
Применительно к ней не изучена возможность использования в качестве силового агента вакуума, создаваемого в доильных установках в целях привода напорных устройств (насоса-побудителя) и теплоизоляции для накопительных емкостей.
В качестве объекта исследования был принят процесс работы циркуляционной системы автопоения с водоподогревателем и накопителем разрежения.
Предметом исследования является изучение режимных характеристик и параметров, влияющих на качественные показатели процесса поения КРС.
При проведении исследований в качестве рабочей гипотезы принято предположение, что снижение эксплуатационных затрат и улучшение качественных показателей процесса автопоения возможно за счет использования в роли теплоизолятора и силового агента вакуума доильных агрегатов.
В диссертации устаЕювлены виды распределения расходных и временных показателей процесса и их значения с вероятностью 0,9. По данным исследований обоснованы режимы работы и параметры водонагревателя, накопителя вакуума, пневмопобудителя, а также установлены гидравлические и тепловые характеристики системы автопоения.
Новизна технических решений защищена патентом №2113115 от 20 мая 1996 года на изобретение «Система автопоения животных» /4/.
Результаты работы были апробированы на животноводческой ферме ОПХ "Зерноградское" Ростовской области.
На защиту вынесены следующие положения диссертации:
Результаты статистического анализа временных и массовых показателей работы системы.
Аналитическое представление режима работы системы автопоения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований насоса-побудителя.
Результаты анализа теплового режима в системе автопоения и в во-доподогревателе.
Режимы работы, параметры и конструктивные элементы усовершенствованной циркуляционной системы автопоения крупного рогатого скота.
Обзор конструктивных схем систем автопоения и анализ их использования в коровниках
На работу циркуляционной системы автопоения оказывает влияние численность обслуживаемого поголовья, характер отбора воды из системы автопоения, временные показатели отбора воды и простоя системы.
Процесс отбора воды на фермах КРС является переменным и подвержен сезонным, суточным, а также часовым колебаниям. На потребление воды животными оказывают влияние: технология их содержания, половозрастной состав животных, их продуктивность, рационы кормления, применяемые системы и средства автопоепия, условия содержания животных и др.
Показатели отбора воды на ферме одним и тем же количеством животных, определенные на протяжении многих суток, существенно отличаются друг от друга и никогда не повторяются. Это говорит о том, что процесс потребления воды ими носит случайный, вероятностный характер /32,33,34,35/.
Животные, испытывающие потребность в воде, образуют поток заявок или поток подачи ф3, а животные, удовлетворившие потребность в воде, -поток расхода срР (рисунок 2.1), при этом система автопоения представляет собой систему массового обслуживания. В ней средства автопоения - автопоилки - являются каналами обслуживания. Поскольку при привязном способе содержания животное не может покинуть систему автопоения, а автопоилки являются каналами обслуживания, рассчитанными на обслуживание только двух животных, то систему автопоения можно классифицировать как многоканальную.
Качество обслуживания системой автопоения животных может оцениваться статистическими показателями времени обслуживания и времени простоя обслуживающих каналов системы тпр, а также временем цикла Тц. Время обслуживания (длительность отбора воды животными) в сочетании с количеством одновременно задействованных обслуживающих каналов (поилок) являются характеристиками параметров водораспределительной магистрали и энергетических показателей системы, а время простоя системы автопоения - временных режимов работы напорных устройств и их подачи. Для обоснования показателей, характеризующих качество работы системы, необходимо изучить входящий поток требований и временные характеристики процесса (время обслуживания животных системой). Поток животных не является стационарным в течение суток, так как в ночное время суток его интенсивность уменьшается, однако в пределах наиболее характерных временных интервалов потребления воды, его можно рассматривать как стационарный. Так как поступление животных к поилкам происходит с временным разрывом, то есть животные в зону обслуживания поступают поодиночке, то поток можно считать ординарным. В процессе отбора воды число животных, поступающих к обслуживаемым каналам, не зависит от числа животных уже обслуживаемых, потребляющих воду. Анализ структуры входящего потока позволяет рассматривать его как простейший с функцией распределения по закону Пуассона: где Рт(т) - вероятность того, что в течение заданного интервала времени в систему поступит точно m требований (животных); е - основание натуральных логарифмов; А, - среднее число животных, поступающих для водопотребления в единицу времени (интенсивность потока); m - количество животных. Для простейшего потока с интенсивностью X интегральная функция распределения может быть описана показательным или экспоненциальным распределением /35/: где т- рассматриваемый временной интервал. Численное значение времени обслуживания системой автопоения животных или длительности водопотребления зависит, как уже отмечалось, от многих факторов. Это позволяет данный показатель представить как случайную величину с последующим определением количественной оценки ее разброса или меры рассеивания. На основании литературных источников /33,34,35/ и данных научных исследований в этой области, мы приняли гипотезу о возможном законе ее распределения: считаем, что численное значение времени обслуживания животных в течение суток будет подчиняться показательному или экспоненциальному закону распределения, для описания которого может использоваться следующая зависимость: где v - среднее число обслуживаемых животных в единицу времени. При строгом подборе стада по продуктивности и физиологическим показателям время разового потребления воды животным для характерного периода времени (активное потребление воды после кормления) можно рассматривать как величину, не подверженную значительным колебаниям, в связи с чем принимаем ее среднее значение. Время простоя системы автопоения оказывает непосредственное влияние на теплотехнические показатели системы (суммарные тепловые потери в водопроводах, изменения температуры в них), а также на производительность напорных устройств (насоса-побудителя). Так как этот показатель является производной интенсивности поступления животных на водопотребле-ние и времени их обслуживания, то можно считать, что для данного показателя приемлемы принятые нами законы распределения случайной величины.
Поэтому работу системы автопоения в течение суток можно рассматривать как обслуживающую систему с заданным числом каналов и достаточно большим числом обслуживаемых заявок (т). Нагрузка ее распределена по пуассоновскому, а время обслуживания — по экспоненциальному законам распределения.
Анализ работы системы автопоения, оборудованной насосом-побудителем циркуляции воды
При поступлении вакуума от пульсатора в воздушную камеру побудителя мембрана 3, преодолевая сопротивление пружины 5 и силу упругости материала мембраны перемещается. Объем рабочей камеры под мембраной увеличивается (рисунок 2.9). В точке 1 циклограммы (рисунок 2.11) вакуум в воздушной полости (воздушной камере) начинает увеличиваться, но всасывающий 7 и нагнетательный 6 клапаны насоса-побудителя (рисунок 2.9) еще закрыты. В точке 2 циклограммы, вакуум в воздушной полости достигает величины, равной сопротивлению всасывания воды Нвс и упругости пружины и мембраны. Всасывающий клапан 7 открывается. В водную полость побудителя засасывается вода, а воздушная полость побудителя продолжает вакуумироваться. В точке 3 циклограммы, процесс откачки воздуха до заданной величины вакуума hB в воздушной полости заканчивается. В точке 4 циклограммы, клапаны пульсатора снова переключаются, и в воздушную полость насоса-побудителя поступает воздух атмосферного давления. Всасывающий клапан 7 закрывается. В точке 5 циклограммы, давление в воздушной и рабочей полостях выравнивается и под действием жесткости и упругости мембраны вода открывает нагнетательный клапан 6 (рисунок 2.9) и выдавливается под напором в систему автопоения, обеспечивая ее циркуляцию. В точке 6 давление в воздушной полости достигает атмосферного, а в точке 7 происходит новое переключение клапанов пульсатора, обеспечивающее снова подачу вакуума в полость А и процессы повторяются с частотой, заданной пульсатором. В течение времени ti происходит процесс всасывания воды в насос, a t2 - подачи ее в водопровод. Анализ полученных зависимостей показывает, что подача насоса-побудителя в систему автопоения может быть оптимизирована обоснованием параметров и режимов его работы. Важным параметром его является расход воздуха. Он зависит от вместимости воздушной камеры А, частоты пульсов и объема пневмолинии привода мембраны насоса-побудителя: В динамике пневмопривода насоса-побудителя (рисунок 2.11) наибольший интерес представляют затраты времени на откачку воздуха из-под мембраны его до рабочей величины разрежения h и времени t„ наполнения воздушной камеры А (рисунок 2.9) воздухом до атмосферного давления. Эти промежутки времени, в основном, зависят от объема камеры А совместно с объемом линии пневмопривода ее (камера переменного вакуума пульсатора привода насоса и шланг соединения ее с камерой А насоса-побудителя), закономерности его изменения и расходной характеристики линии пневмопривода. Значительная часть промежутков времени истечения воздуха t„ из камеры А и наполнения ее воздухом t„ являются переходными (tj.2 и t ), сокращающими продолжительность тактов всасывания воды в насос ti и нагнетания t2 воды из него в бак-нагреватель. Продолжительность переходных периодов tj_2 и t4-5 по рисунку 2.11 не зависит от частоты пульсаций привода насоса. Однако с увеличением ее может наступить момент, когда насос прекращает функционировать из-за резкого сокращения длительности такта всасывания t]. В пределе точка 2 циклограммы (рисунок 2.11) может совпасть с точкой 4, когда всасывание воды в насос прекращается. Эта частота пульсаций является предельной для насоса-побудителя или критической. Все это свидетельствует о существенном, даже превалирующем (наряду с объемом камеры А) влиянии частоты пульсов на подачу насоса-побудителя. Определению времени переходных процессов в динамике пневмопривода рабочих органов сельхозмашин посвящены работы И.Н. Краснова /70/, Е.В Герц /68,69/ и других ученых. Однако зависимостей для определения времени истечения воздуха и наполнения им камер со значительным изменением объема (в 2 раза и более, как у насоса-побудителя) нет. Процесс истечения воздуха из воздушной камеры насоса-побудителя происходит при адиабатическом изменении температуры газа и при изотермическом течении его в шланге, соединяющем камеру с пульсатором.
Методика определения показателей работы насоса-побудителя в системе автопоения
Для определения АТг в результате эксперимента определяли АТИзм в нескольких опытах при различных значениях давления р, поддерживая тепловыделения на проводе постоянными.
Опыты по определению X проводили в следующем порядке. Вначале включали вакуумный насос и устанавливали необходимое разрежение в измерительной ячейке (р=35...55 кПа). Затем включали ток в цепь измерительной проволоки и в цепь наружного термометра сопротивления и устанавливали в каждой цепи постоянную силу тока (1= const). При постоянном режиме, о наступлении которого судили по постоянству силы тока и сопротивлению измерительной проволоки, измеряли: - разность потенциалов на зажимах нормальных сопротивлений и на концах измерительной проволоки и наружного термометра сопротивления; - изменение давления в измерительной ячейке. Измерения проводили с 5-кратной повторностыо. Число повторностей проведения опытов обосновывалось заданной надежностью измерений Н=0,95...О,98 и допустимой ошибкой Для нашего случая число повторностей наблюдений составило 5. Эффективность работы циркуляционной системы автопоения крупного рогатого скота зависит от динамики пневмопривода насоса-побудителя. В связи с этим необходимо было определить продолжительность переходных процессов в его воздушной камере t2ll и t„, определяемых зависимостями (2.48) и (2.51). Продолжительность процессов откачки воздуха из воздушной камеры насоса-побудителя и наполнения её воздухом атмосферного давления определялась нами по данным осциллограмм работы насоса-побудителя. Для этого использовался тензодатчик в виде металлической пневмока-меры с мембраной из углеродистой стали, полость которой сообщалась с воздушной камерой насоса-побудителя. На мембрану, как и в опытах И.Н. Краснова /70/, помещался рабочий проволочный датчик с сопротивлением 200 Ом и базой 20 мм. На корпус насоса-побудителя помещался такой же компенсационный датчик. Они составляли половину измерительного моста. Вторая половина моста была вмонтирована в восьмиканальный усилитель типа 8-АН4-7М, сигнал от которого при работе насоса-побудителя подавался для записи на бумажную фотоленту осциллографа Н-105. Подключение усилителя и осциллографа к электросети осуществлялось от прилагаемых к ним блоков питания. Общая погрешность приборов для записи осциллограмм с помощью этой аппаратуры не превышала 3%. Тарировка датчиков осуществлялась изменением величины вакуума под мембраной датчика, а величина вакуума контролировалась по показаниям образцового вакуумметра с погрешностью ±0,5кПа. Установка частоты двойных ходов мембраны насоса-побудителя при его работе производилась регулировкой частоты пульсов его привода. Число пульсов определялось в течение 1 минуты работы пульсатора с использованием секундомера марки 51СД с ценой деления 0,1 с. В процессе работы насоса-побудителя в его воздушной камере создавалось попеременно то вакуум, то атмосферное давление с продолжительностью переходов от одного к другому в течение промежутков времени t2l1 и tln. Опыты проводились на насосе-побудителе при одной и той же вместимости камеры. Варьировали следующими параметрами: - глубиной вакуума от 30 до 50 кПа через каждые 5кПа; - количеством пульсов в приводе насоса от 10 до 60 в минуту через каждые 5 пульсов; - пропускной характеристикой линии пневмопривода насоса-побудителя или площадью "живого" сечения её - ц3ґ3в пределах от 0,05x10"4 м2 до 0,25x10" м2 через каждые 0,05x10"4 м2 изменением диаметра шланга между пульсатором и насосом - побудителем. Запись осциллограмм производилась с трехкратной повторностыо. При варьировании одного фактора, другие поддерживались постоянными. Расход воздуха на привод насоса - побудителя определялся с помощью газового счетчика СГБ пропускной способностью 10 м /ч по методике, изложенной в работе A.M. Федюшипа по изучению диафрагменпого молочного насоса/71/. Количество опытов или объем выборки опытных данных в наших экспериментальных исследованиях не превышал 30, поэтому в процессе обработки их использовалось стандартное распределение вероятностей случай-пых величин.
Результаты исследований процесса потребления воды животными из системы автопоения
Потребление воды крупным рогатым скотом в течение суток при стойловом содержании в любой период года, в том числе и зимой носит неравномерный характер: коэффициент суточной неравномерности составляет ас =2,9-3,0, а часовой - ачас =1,1.
Длительность потребления воды каждым животным - случайная величина, распределенная по экспоненциальному закону со степенью соответствия по критерию согласия Пирсона, равному 0,91...0,94.
В активный период поения (после кормления) количество крупного рогатого скота, одновременно потребляющих воду, составляет около 30% поголовья, а загрузка системы автопоения распределена по экспоненциальному закону со степенью соответствия теоретическому распределению по критерию согласия Пирсона, равному 0,91 ...0,92. Наиболее характерен период интенсивного отбора воды в группе из 20 коров двумя коровами одновременно с расходом 23 л/мин, из 50 коров - пятью коровами с расходом 58 л/мин, из 100 коров - шестью коровами с расходом 96 л/мин и из 200 коров — девятью коровами с расходом 104 л/мин.
"Простои" системы автопоения из-за отсутствия заявок от животных увеличиваются во времени при сокращении количества обслуживаемых системой коров. Наиболее характерна продолжительность простоя для группы из 20 коров - 6,3 минуты, для 50 коров - 8,4 минуты, для 100 коров -10,5 минут, а для 200 коров - 16,5 мин.
5. Установка мембранного насоса-побудителя течения воды в системе автопоения целесообразна на обратном трубопроводе у входа в водонагреватель. Для его пневмопривода может использоваться вакуумированный ресивер, вмонтированный в качестве теплоизоляционной оболочки в проточный водонагреватель. Частота двойных ходов мембранного блока насоса-побудителя должна быть в пределах 0,4...0,5 Гц при разрежении 50 кПа, величина рабочего вакуума в ресивере - не ниже 30 кПа, а подача - около 1,5 л на каждые 10 коров обслуживаемого поголовья.
6. Наибольшие потери тепла в системе автопоения с водородогревате-лем наблюдаются через стенки нагревателя и трубы распределения воды по автопоилкам. Использование вакуумированной оболочки на нагревателе воды уменьшает коэффициент теплопроводности вакуммированной стенки и составляет 0,018 Вт/м К. В качестве водопроводных труб предпочтительнее полиэтиленовые, коэффициент теплопередачи их составляет 0,285 Вт/м К.
7. Вместимость водонагревателя для группы коров в 25, 50, 100 и 200 голов должна составлять соответственно 10, 22, 48 и 90 литров, а мощность его нагревательных элементов 1, 1,5; 2,3 и 4,5 кВт.
С целью повышения эффективности процесса автопоения при сохранении качества, повышения надежности и снижения энергоемкости система автопоения выполнена с повышенными теплоизоляционными свойствами и использованием в качестве силового агента вакуума, а в качестве напорного устройства насоса-побудителя мембранного типа (взамен электродвигателя с центробежным насосом).
В основу такой системы положен.принцип энергосберегающих технологий. Система с насосом-побудителем позволит реализовать недоиспользованный ресурс по вакууму из технологического процесса доения
В соответствии с концепцией системного подхода к определению экономической эффективности инвестиций инженерная разработка: машина, агрегат, комплекс технических средств (КТС), технология рассматривается как сложная система, объединённая системообразующим фактором. Он также называется критерием эффективности. Совокупность аналитических зависимостей является экономико-математической моделью системы, а формула затрат- критерием эффективности.
Объектом определения экономической эффективности в данном случае является техническое решение системы автопоения для животных (КРС) с оптимизированной емкостью водонагревателя и мощностью ТЭНов в зависимости от количества обслуживаемых голов, причем подача воды в систему осуществляется при помощи насоса-побудителя, приводимого от аккумулированного вакуума.
В качестве аналога примем прототип исследуемой системы автопоеиня --циркуляционную систему автопоеиня для КРС на 200 голов. В исходной системе подогрев воды происходит в водонагревателе ВЭП-600 и при снижении температуры воды в системе подогретая вода подается в систему при помощи центробежного насоса.
В экономических расчетах эффективности приводим исходные данные и источник их. Наименования показателей основных исходных данных сведены в таблицу 5.1, где приведены данные об аналоге (прототипе) и проектируемом варианте проекта. Эти данные приняты в соответствии с источниками данных.
