Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Влияние параметров микроклимата производственных помещений агропромышленного комплекса (АПК) на условия труда людей и продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц 8
1.2 Воздушно-тепловые завесы (ВТЗ) как средство сохранения норми руемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК 13
1.2.1 Классификация воздушных и воздушно-тепловых завес 15
1.2.2 Анализ конструктивного исполнения завес 18
1.3 Анализ методов расчета траектории струи завесы в поперечном потоке воздуха через дверной проем 25
1.4 Выводы и задачи исследования 38
2 Теоретическое обоснование создания ресурсо сберегающих втз для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК 41
2.1 Теоретические исследования влияния типа воздухообмена через дверные проемы на параметры ВТЗ 42
2.2 Теоретические исследования взаимодействия струи ВТЗ с поперечным потоком воздуха, проникающим через открытые дверные проемы 50
2.2.1 Струя - динамическая структура, обладающая упругими свойствами 50
2.2.2 Уравнение траектории струи в сносящем потоке 52
2.2.3 Угол наклона струи ВТЗ 55
2.2.4 Сравнение результатов теоретических исследований траектории струи в сносящем потоке с экспериментальными данными, опубликоваными в литературе 56
2.3 Расчет воздухораспределителя равномерной раздачи 60
2.4 Теоретическое обоснование возможности создания эффективной струи ВТЗ с уменьшенным расходом воздуха 62
2.4.1 Обоснование создания плоской струи ВТЗ из ряда круглых струй . 63
2.4.2 Обоснование создания плоской струи с уменьшенным углом раскрытия 65
2.5 Выводы по главе 67
3 Методика и результаты экспериментальных исследований 69
3.1 Цели, задачи и программа экспериментальных исследований 69
3.2 Приборы, измерительная аппаратура и оценка погрешности измерений 70
3.3 Методика и результаты лабораторных исследований по определению оптимального расположения круглых струй для получения плоской струи с уменьшенным углом раскрытия 73
3.4 Методика и результаты стендовых испытаний воздухораспределителей равномерной раздачи 76
3.5 Методика и результаты промышленных испытаний воздушно-тепловых завес 80
3.6 Выводы по главе 91
4 Проектированріе, расчет, внедрение втз и социально- экономический эффект от ее применения 93
4.1 Проектирование ВТЗ 93
4.2 Инженерный метод расчета ВТЗ 99
4.3 Внедрение ВТЗ и социально-экономический эффект от ее применения 103
4.4 Выводы по главе 107
Выводы 108
Литература по
Приложения 120
- Влияние параметров микроклимата производственных помещений агропромышленного комплекса (АПК) на условия труда людей и продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц
- Теоретические исследования влияния типа воздухообмена через дверные проемы на параметры ВТЗ
- Приборы, измерительная аппаратура и оценка погрешности измерений
- Проектирование ВТЗ
Введение к работе
Актуальность темы. Для поддержания работоспособности людей и получения максимальной продуктивности животных и птиц параметры микроклимата в производственных помещениях АПК нормированы. В холодное время года при открывании дверных проемов для технологических нужд в помещение проникают большие массы наружного воздуха. При этом происходит резкое изменение параметров микроклимата, что негативно влияет на здоровье и работоспособность людей, а также на жизнедеятельность и продуктивность животных и птиц.
Наиболее эффективными средствами, препятствующими проникновению холодного воздуха в открытые проемы, являются воздушно-тепловые завесы (ВТЗ). Однако существующие завесы являются ресурсоемкими, так как имеют большой расход нагреваемого воздуха.
Разработка устройства ВТЗ, обеспечивающего эффективную работу с меньшим расходом воздуха, является актуальной проблемой.
Цель работы. Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК.
Задачи исследования
- теоретически исследовать взаимодействие струи завесы с поперечным потоком холодного воздуха через открытые дверные проемы;
- теоретически обосновать возможность создания ресурсосберегающих ВТЗ за счет изменения способа формирования плоской струи завесы;
- экспериментально определить конструктивные параметры воздухораспределителя;
- разработать инженерный метод расчета ВТЗ и оценить социально-экономическую эффективность от внедрения результатов исследований.
Объект исследования. Процесс воздухообмена через открытые дверные проемы в помещениях АПК в холодный период года.
Предмет исследования. Закономерности процессов формирования плоской струи ВТЗ с уменьшенным расходом воздуха и взаимодействия ее с поперечным потоком воздуха через открытые проемы.
Научная новизна
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность уменьшения расхода воздуха завесой за счет получения плоской струи из системы круглых струй;
- экспериментально определены конструктивные параметры воздухораспределителя, состоящего из системы круглых сопел;
- теоретически получено уравнение траектории оси струи завесы;
- впервые получено соотношение для угла между векторами начальной скорости струи завесы и поперечного потока воздуха через дверной проем.
Практическая значимость
- исследовано, разработано и испытано устройство ресурсосберегающей ВТЗ для открытых проемов производственных помещений АПК;
- разработан инженерный метод расчета ВТЗ в зависимости от условий воздухообмена и размеров дверных проемов;
- разработан типоразмерный ряд воздухораспределителей-сопловиков для наиболее часто встречающихся размеров дверных проемов;
- разработана техническая документация для различных типоразмеров конструкций ВТЗ.
Реализация результатов исследования. Разработанные ресурсосберегающие ВТЗ внедрены на следующих предприятиях: цех переработки гречневой крупы в пос. Увельский Челябинской области, сельскохозяйственный производственный кооператив «Профинтерн» в п.Домбаровский Оренбургской области, универсам «Теорема» г.Челябинска, ООО «Предприятие «СД» г.Челябинска, Копейский кирпичный завод и др.
Полученные автором результаты используются в учебном процессе Челябинского государственного агроинженерного университета при изучении дисциплин «Теплотехника», «Микроклимат помещений», а также при выполнении дипломных проектов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Уравнение траектории оси струи завесы
х = у ctga0.
2. Угол между векторами начальной скорости струи завесы и поперечного потока определяется соотношением
.
3. Формирование струи завесы осуществляется с помощью системы круглых сопел, что позволяет уменьшить ресурсоемкость воздушно-тепловой завесы.
4. Параметры воздухораспределителя для получения минимального угла раскрытия: расстояние между рядами сопел h = 4,5 d; угол между осями сопел разных рядов j = 2 … 3.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на международной научно-практической конференции «Коммунальное хозяйство, энергосбережение, градостроительство и экология на рубеже третьего тысячелетия» (Магнитогорск, МГТУ, 2001), 53 научно-технической конференции (секция «Теплофизика и микроклимат зданий», ЮУрГУ, Челябинск, 2001), всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» (ЮУрГУ, Челябинск, 13-15 октября 2004 г.), XLIV, XLV международных научно-технических конференциях «Достижения науки – агропромышленному производству» (ЧГАУ, 2005, 2006).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и общих выводов, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 12 таблиц, список литературы, включающий в себя 117 наименований, и 14 приложений.
Влияние параметров микроклимата производственных помещений агропромышленного комплекса (АПК) на условия труда людей и продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц
К производственным помещениям АПК следует отнести: ремонтные мастерские, кузницы, хранилища и цеха по переработке сельскохозяйственной продукции, помещения для содержания животных и птиц, теплицы.
К числу основных характеристик воздушной среды, влияющих на самочувствие, работоспособность и здоровье человека, относятся: химический состав воздуха (содержание кислорода, углекислоты и других газов и паров); метеорологические условия (температура, влажность, подвижность воздуха, барометрическое давление); биологические характеристики (содержание пыли, наличие в воздухе помещений микроорганизмов) [73].
Микроклимат помещений определяется сочетаниями температуры, влажности и скорости движения воздуха и температурой окружающих поверхностей в пределах рабочей зоны. Рабочей зоной считается пространство высотой 2м от уровня пола (или площадки), на котором находятся места постоянного или временного пребывания работающих [27].
В рабочей зоне производственных помещений метеорологические условия устанавливают согласно «Санитарным правилам и нормам» (СанПиН 2.2.4.548-96 от 1 октября 1996г.).
Нормирование метеорологических условий в помещениях тесно связано с теплообменом между человеческим организмом и окружающей средой, происходящим за счет теплопроводности, конвекцией, лучеиспусканием, а также в результате испарения влаги с кожных покровов и при дыхании. Интенсивность теплообмена определяется совокупностью всех метеорологических факторов: температурой, относительной влажностью, скоростью движения возду ха. Одному и тому же ощущению тепла или холода могут отвечать различные комбинации их значений [73].
Оптимальные метеоусловия — это условия, являющиеся наиболее благоприятными для жизнедеятельности человека и не вызывающие неприятных ощущений; допустимые - условия, не вызывающие патологических изменений в организме даже при длительном пребывании человека в помещении.
Нормами установлены оптимальные и допустимые температуры, относительная влажность и скорость движения воздуха в рабочей зоне в зависимости от категории тяжести работ и периода года.
Человеческий организм обладает свойством терморегуляции, которая происходит за счет уменьшения или увеличения теплоотдачи телом (расширение или сужение кровеносных сосудов поверхности кожи), что позволяет ему сохранять температуру тела постоянной. Так, например, при понижении температуры окружающей среды кровеносные сосуды сужаются, кровообращение уменьшается, температура кожи понижается. Таким образом, теплоотдача человеческим телом в окружающую среду снижается [42, 11].
На теплоотдачу человеческого организма существенное влияние оказывает движение воздуха. Чем больше скорость движения воздуха, тем больше теплоотдача человеческим телом за счет конвекции, а также за счет испарения влаги с поверхности кожи.
Однако способность организма к терморегуляции ограничена определенными пределами. Когда температура, влажность и скорость движения воздуха выходят за указанные пределы, начинает меняться температура тела, что влечет за собой резкое ухудшение самочувствия человека, а иногда и тяжелые расстройства жизненных функций организма [41].
Из сказанного ясно, насколько важно для самочувствия и здоровья людей поддержание нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях.
Микроклимат животноводческих помещений — это совокупность физических, химических и биологических факторов внешней среды, постоянно воздействующих на животных и технологическое оборудование. К физическим факторам относятся: температура и влажность воздуха и ограждающих конструкций здания; скорость и направление воздушных потоков в зоне размещения животных; концентрация пыли в воздухе помещения; электрозарядность газовых частиц воздуха; освещенность зоны размещения животных; шум, создаваемый оборудованием [13].
Параметры воздушной среды помещений установлены зоогигиениче-скими требованиями [43, 55, 61]. Рассмотрим такие параметры как температура воздуха и скорость воздушных потоков в зоне размещения животных.
Между температурой воздушной среды, окружающей животных, и интенсивностью течения процессов обмена веществ в их организме существует обратная зависимость. Снижение температуры воздуха вызывает повышение обменных процессов в организме.
Температура окружающей среды, при которой обмен веществ, теплопродукция минимальны, а физиологические функции органов и систем организма животного не напряжены, называют температурой комфорта (термонейтральная зона). Нижнюю и верхнюю точки этой зоны называют критическими температурами [19]. Любое снижение температуры воздуха ниже критической ведет к повышению обмена веществ и продукции тепла в организме животного. А это, в свою очередь, требует дополнительных затрат кормов на образование энергии.
Так, например, снижение температуры в коровниках ниже критической приводит к повышению расхода кормов на 15...20% и сокращению молочной продуктивности и привесов на 15...30% [12]; у цыплят происходит задержка роста на 12...20% [74]. При снижении температуры воздуха в помещениях для бройлеров с 18 до 10С привесы их в возрасте 5...8 недель уменьшаются на 48% [82].
Еще более нежелательны резкие и частые перепады температур. Они вызывают перенапряжение в деятельности основных органов и систем организма, включая кроветворные органы, сердечно-сосудистую и дыхательную системы, терморегуляторные и защитные механизмы, обмен веществ и энергии. Вследствие такой постоянной реадаптации организма к неоптимальным условиям среды снижаются продуктивность, эффективность использования кормов, растет число заболевших и выбракованных животных [19, 82].
Только поддержание в помещениях для содержания животных оптимальных температур воздуха обеспечивает наиболее экономичное течение обмена веществ и ненапряженное функционирование органов и систем организма при условии рационального сбалансированного кормления, сохранение здоровья и получение высокой продуктивности.
Теоретические исследования влияния типа воздухообмена через дверные проемы на параметры ВТЗ
Скоростные, расходные и температурные параметры плоской струи воздушной завесы определяются характером и параметрами воздухообмена через дверные проемы. Этот вопрос рассматривался в приложении к частным случаям: аэрация здания, проектирование завес для конкретных условий. Однако для выработки общих принципов конструирования воздушно-тепловых завес требуется рассмотреть все типы воздухообмена через дверные проемы, классифицировать их и определить параметры, влияющие на воздухообмен.
При отсутствии побудительных факторов движения воздуха VH = О, F„ = 0 (рисунок 2.1) воздухообмен между внутренним и наружным воздухом отсутствует. Наличие ветрового потока по направлению к дверному проему VH Ф 0, Кн = 0 (рисунок 2.1) вызовет незначительное поступление воздуха внутрь помещения, а также повышение давления внутри помещения, пропорциональное скорости ветра. При прекращении ветра избыточное давление внутри помещения выровняется с наружным и некоторое количество воздуха, равное вошедшему, выйдет из помещения. При следующем порыве ветра ситуация повторится.
При ветре с противоположной стороны здания VH = О (рисунок 2.1), то есть когда дверной проем будет находиться с заветренной стороны, в здании образуется разрежение, величина которого пропорциональ Рассмотрим вначале случай (рисунок 2.1) замкнутого помещения без отопления и значительных отверстий для вентиляции [49, 44]. на скорости ветра. При этом часть воздуха выйдет через дверной проем. Прекращение ветра вызовет выравнивание давления внутри помещения и снаружи, а часть воздуха через проем проникнет внутрь помещения.
В обоих рассмотренных случаях будут происходить подобные явления воздухообмена за счет изменения давления воздуха внутри помещения по отношению к наружному (при условии равенства скоростей воздуха в любой точке дверного проема). При этом чем больший объем имеет помещение, тем большее количество воздуха будет участвовать в движении через дверной проем.
В случае замкнутого помещения с отоплением при Рт = Рп, tBH tH, соответственно рвн рт мы наблюдаем картину, которая представлена на рисунок 2.2. Холодный воздух проникает в помещение через нижнюю часть дверного проема и настилается по полу помещения.
Теплый воздух выходит через верхнюю часть проема. При отсутствии других факторов возмущения точка Л, в которой скорость движения воздуха V = 0, находится в средней части дверного проема (х = HIT), если не учитывать плотность воздуха. При этом количество воздуха, проникающее в помещение, равно количеству воздуха, выходящего из помещения.
Известно выражение [27], определяющее максимальную скорость (у пола) проникновения воздушного потока в помещение VH=pAPg/pH, (2.1) где АР - разность между наружным и внутренним давлениями по обе стороны ворот (наружное давление учитывается как комбинированное действие трех причин, указанных выше), Па; g - ускорение свободного падения, м/с ; рн -плотность наружного воздуха, кг/м3.
В расчет удобнее вводить не разность давлений, а геометрическую высо ту z, т.е. высоту расположения нейтральной зоны (на которой внутреннее и внешнее давления равны). Разность давлений на высоте х от пола вычисляется по формуле AP = Ap(z-x), (2.2) где Ар - разность плотностей внутреннего и наружного воздуха, кг/м3. После преобразований формула (2.1) принимает вид [2] VH 0,26 At(z-x), (2.3) где At - разность внутренней и наружной температур воздуха,С.
Надо полагать, что по мере выхолаживания помещения объемы воздухообмена уменьшаются и при выравнивании температур внутри и вне помещения воздухообмен совсем прекратится. Следовательно, и скорости воздушных потоков будут уменьшаться (пример на рисунке 2.3).
Приборы, измерительная аппаратура и оценка погрешности измерений
Теоретические исследования показали, что уменьшить расход воздуха в завесе возможно, если плоскую струю получать с помощью системы круглых струй. Предположительно расстояние между соплами в ряду должно составлять примерно четыре диаметра сопла. С другой стороны уменьшить угол раскрытия струи можно, если две струи расположить на небольшом расстоянии друг от друга под некоторым углом.
Таким образом, было предложено формировать плоскую струю ВТЗ с помощью двух рядов сопел одного диаметра, расположенных на расстоянии S = $d, и третьего ряда сопел значительно меньшего диаметра d\, расположенного между первыми двумя рядами в шахматном порядке (рисунок 3.1а). В результате должна получиться плоская струя улучшенной структуры, то есть с уменьшенным расходом воздуха и с уменьшенным углом раскрытия.
Целью экспериментальных исследований является определение оптимальных параметров воздухораспределителя, изучение свойств струи усовершенствованной структуры и оценка работоспособности ресурсосберегающей ВТЗ.
Экспериментальные исследования включали в себя три этапа: лабораторные, стендовые и промышленные испытания.
На лабораторном стенде экспериментально определялись оптимальные параметры воздухораспределителя, при которых угол раскрытия совокупной струи минимален: расстояние между рядами, h; угол между соплами разных рядов, (р (рисунок 3.16).
Во время стендовых испытаний определялся коэффициент неравномерности воздухораспределителей прямоугольного переменного сечения и круглого постоянного сечения с двумя рядами круглых сопел, а также изучалось изменение скорости на оси струи по ее длине.
Промышленный эксперимент был проведен для того, чтобы изучить свойства усовершенствованной струи завесы, а также проверить работоспособность разработанной ресурсосберегающей ВТЗ.
Во время проведения экспериментальных исследований замерялись следующие характеристики воздушных потоков: - скорость на оси струи на различных расстояниях от начала; - скорость воздушного потока по сечению струи; - ширина струи на разных расстояниях от ее начала; - температура на оси струи; - давление внутри помещения и снаружи. Для измерений использовались следующие приборы: - рулетка, линейка; - координатная сетка с ячейкой 0,1м х 0,1м; - прямопоказывающий анемометр типа АП-1 для замеров скоростей; - ртутные термометры (ГОСТ 283-73ТТ); - U-образный манометр (ГОСТ 9933-61); - микроманометр для измерения давления; - секундомер.
Необходимое количество замеров щ в точке устанавливалось через коэффициент вариации Квар , характеризующий как разброс значений, так и случайные ошибки в процессе эксперимента "о= о2!?Ч (ЗЛ) где to - нормируемое отклонение; Кд0п — допустимая ошибка, %.
При заданной надежности 0,95 для производственно-исследовательских работ величина нормируемого отклонения принималась равной to = 1,95. Величина допускаемой ошибки и коэффициента вариации для используемых методов замеров составляет 20 %. Подставляя эти данные в формулу (3.1), получим, что необходимое число замеров в точке равно четырем.
Измерение физических величин не может быть произведено абсолютно точно вследствие влияния множества факторов на результаты измерений. Ошибки измерений принято подразделять на систематические, случайные и промахи [54].
Систематические погрешности возникают от причин постоянных или меняющихся по известному закону при повторных измерениях одной и той же величины. В зависимости от причин появления систематические погрешности подразделяют на инструментальные, погрешности метода измерения, субъективные и погрешности вследствие отклонения внешних условий измерения от установленных методиками.
Проектирование ВТЗ
Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать типовой проект ресурсосберегающей воздушно-тепловой завесы для широкого промышленного внедрения.
Разработанный воздухораспределитель формирует плоскую струю из системы трех рядов круглых сопел (рисунок 4.1). Два основных ряда круглых сопел диаметром d расположены таким образом: расстояние между соплами в ряду S « 8а7, а расстояние между рядами h = A,5d. Третий, вспомогательный ряд сопел диаметром d\ располагается между двумя основными в шахматном порядке (рисунок 4.2). Причем сопла двух основных рядов наклонены друг к другу так, что угол между их осями составляет р = 2...3 (рисунок 4.3).
Такой воздухораспределитель-сопловик значительно снижает расход воздуха в завесе по сравнению со щелевым воздухораспределителем, что позволяет с одной стороны уменьшить расход энергии на его обогрев, с другой стороны уменьшить массу устройства, занимаемую под установку площадь [48, 49].
Общий вид устройства ВТЗ, двусторонней и односторонней, показан на рисунке 4.4. Воздухораспределитель ориентирован относительно дверного проема таким образом, что струя завесы на выходе образует некоторый угол Р с плоскостью ворот (рисунок 4.5).
Кроме того, конструкция ВТЗ как вентиляционная сеть содержит ограниченное число типовых элементов, что упрощает технологию изготовления. В то же время этот набор элементов позволяет создавать различные конструктивные конфигурации ВТЗ в зависимости от конкретных реальных условий (рисунок 4.6). Как показала дальнейшая практика, адаптационные возможности предложенной ВТЗ гораздо шире показанных на рисунке 4.6.
Сопоставление размеров дверных проемов, как высоты, так и ширины, поперечного сечения выходных отверстий радиальных вентиляторов общепромышленного назначения (Ц4-70, Ц4-75, Ц14-46), расходов воздуха и допустимых скоростей позволил разработать типоряд воздухораспределителей-сопловиков (таблица 4.2) [63]. Данный типоряд обеспечивает практически полное перекрытие наиболее встречающихся дверных проемов. Таблица 4.2 - Типоразмерный ряд воздухораспределителей-сопловиков
Как уже отмечалось во второй главе, на конструкцию воздухораспределителя влияет тип воздухообмена. В зависимости от расположения нейтральной зоны давления воздухообмен через дверные проемы можно разделить на два типа: - если нейтральная зона расположена на уровне середины высоты ворот (z = НИ, рисунок 2.5а), то следует применять воздухораспределители с равномерной раздачей воздуха; - если нейтральная зона расположена на уровне высоты ворот или выше, (z Н, рисунок 2.56), то рекомендуется обеспечить усиленную подачу воздуха в нижнюю часть проема за счет увеличения скорости, то есть следует использовать воздухораспределитель с заранее заданной неравномерностью скорости истечения воздуха.
Для обогрева воздуха может быть использован как электрический калорифер, так и водяной. Электрический калорифер позволяет обеспечить ступенчатую регулировку мощности.
При применении водяного калорифера необходимо обеспечить определенную температуру обратного, охлажденного потока воды в зависимости от температуры подаваемой горячей воды. При необходимости подачи воздуха определенной температуры, а также в условиях забора воздуха снаружи для исключения замерзания калорифера может быть использована система автоматики, например Шведской фирмы «Regin» либо Чешской фирмы «REMAK».
Одним из основных исходных данных для проектирования ВТЗ является скорость поперечного потока воздуха w, проникающего через открытые проемы, или перепад давления Ар внутри и вне помещения, который также определяет скорость проникновения воздуха.
Как отмечалось во второй главе, шиберующее действие струи ВТЗ проявляется на активном участке развития струи. За активный участок примем такой, при котором конечная скорость струи завесы (скорость у противоположной кромки дверного проема для односторонней завесы и в середине дверного проема для двусторонней завесы) в 2,3...2,5 раза больше скорости поперечного потока воздуха.
Похожие диссертации на Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК
