Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса применения инфракрасного излучения для обогрева молодняка поросят 10
1.1. Технология выращивания и обогрева молодняка поросят 10
1.2. Технические средства и способы регулирования облучательного потока на животных 19
1.3. Обзор по методам расчета инфракрасных излучателей 37
1.4. Биологическое действие инфракрасного излучения на молодняк сельскохозяйственных животных 47
Цель и задачи исследований 52
Глава 2. Теоретические исследования системы инфракрасногообогрева молодняка поросят 53
2.1. Обоснование устройства для изменения высоты подвеса инфракрасных обогревателей 53
2.2. Разработка методики расчета инфракрасных ламп повышенной надежности с учетом изменения
спектрального излучения и энергии излучения 62
2.3. Исследование инфракрасных ламп на срок службы 76
Выводы по главе 2 81
Глава 3. Экспериментальные исследования параметров инфракрасных ламп 83
3.1. Исследование пространственного светораспределения инфракрасных ламп 83
3.2. Исследование энергетической облученности инфракрасных ламп 89
3.3. Исследование относительной спектральной энергии излучения 97
3.4. Исследование влияния на поросят инфракрасных ламп различного спектрального излучения 98
Выводы по главе 3 102
Глава 4. Обоснование требований, расчет и разработка инфракрасного облучателя для обогрева поросят 105
4.1. Требования к электрическим инфракрасным излучателям для обогрева поросят 105
4.2. Результаты расчета ресурсосберегающего инфракрасного Излучателя 111
4.3. Техническое задание на изготовление и разработку инфракрасного обогревателя для молодняка 119
4.4. Изготовление опытных образцов инфракрасного излучателя и арматуры 125
Выводы по главе 4 127
Глава 5. Испытания инфракрасного облучателя и технико- экономическая эффективность применения для обогрева поросят 128
5.1. Результаты лабораторных испытаний инфракрасных ламп 128
5.2. Результаты хозяйственных испытаний инфракрасного обогревателя 139
5.3. Результаты испытаний устройства изменения высоты подвеса обогревателей 147
5.4. Технико-экономический расчет использования ресурсосберегающих инфракрасных обогревателей для обогрева поросят 150
5.5. Рекомендации по использованию инфракрасных обогревателей для обогрева поросят 153
Выводы по главе 5 156
Общие выводы 157
Список используемых источников 159
Приложения 169
- Технология выращивания и обогрева молодняка поросят
- Обоснование устройства для изменения высоты подвеса инфракрасных обогревателей
- Исследование пространственного светораспределения инфракрасных ламп
- Требования к электрическим инфракрасным излучателям для обогрева поросят
Введение к работе
Основой развития отрасли животноводства является создание прочной кормовой базы, применение прогрессивной техники и технологии, обеспечивающей повышение продуктивности животных и производительности труда животноводов. Большая роль в промышленной технологии животноводства принадлежит микроклимату и условиям содержания животных и птицы, особенно молодняка. В связи с неудовлетворительными условиями содержания, недостатком витаминной подкормки, наличием простудных заболеваний ежегодно гибель молодняка составляет от 5 до 30 %, в том числе поросят - 10 - 30 %, телят 8 - 25 %, ягнят 5 - 10 %, молодняка птицы всех видов от 6 до 20 % /1, 2, 4, 5, 11, 14/.
Важным резервом повышения продуктивности основных отраслей сельскохозяйственного производства - животноводства и птицеводства является использование оптического излучения в технологических процессах.
В сельском хозяйстве на освещение и облучение расходуется электроэнергии 10-12 млрд. кВт. часов и находится в эксплуатации более 30 млн. светильников.
Учеными в области электрификации сельскохозяйственного производства Л.Г Прищеп, И.Ф. Бородиным, Д.С. Стребковым, В.Н. Карповым, Ю.М. Жилинским, И.И. Свентицким, В.И. Тарушкиным, В.П. Шарупичем, И.И Гришиным, С.А. Растимешиным, Н.П. Кондратьевой, А.К. Лямцовым, Л.К.Алферовой, О.А. Косициным, Т.Р. Бароевым и другими доказана эффективность применения оптического излучения для получения дополнительной сельскохозяйственной продукции.
Наиболее перспективны для локального обогрева молодняка инфракрасные излучатели. В настоящее время 80 % молодняка поросят, телят, птицы, ягнят в возрасте от 1 до 60 дней обогреваются с помощью инфракрасных ламп. ИК - излучение, занимающее область спектра от 0,76 до 4,2 мкм, обладает тепловым и специфическим благотворительным действием на организм животных.
Вследствие различной глубины проникновения механизм действия микроволнового (более 1,4 мкм) и коротковолнового (0,76 — 1,4 мкм) ИК- излучения различен. Так, первое оказывает действие лишь на поверхностные слои кожи, вызывая тепловую эритему. При этом поверхностные кровеносные сосуды значительно расширяются, увеличивается скорость кровотока. Коротковолновое ИК-излучение проникает на глубину 2,5 — 4 см, достигая подкожного жирового слоя и даже расположенных под ним органов. Энергия излучения поглощается тканями и преобразуется в тепловую, в результате чего обеспечивается предупреждение переохлаждения глубоколежащих органов и тканей /5, 6, 8/.
Повышение температуры в облученных тканях способствует ускорению протекающих химических реакций, а следовательно, и происходящих там биологических процессов. Усиливая ток крови в сосудах, ИК-излучение повышает обмен между кровью и тканями. Установлено, что после воздействия ИК-излучения на кожу и ткани животного в крови появляются активные продукты распада белков, которые оказывают действие на все системы организма, усиливая обмен веществ.
Специфичность воздействия позволяет также использовать ИК- облучение в лечебных целях. В основе его терапевтического действия лежит способность вызывать активную гиперемию (тепловую эритему), что улучшает питание тканей, ускоряет рассасывание патологических продуктов, чем и объясняется широкое применение ИК-облучения для лечения различных воспалительных процессов. В подострых и хронических стадиях воспаления при воздействии ИК-излучения в гиперемированной области сосредоточивается большое количество ферментных элементов крови, что ведет к увеличению продуктов окисления и повышению обмена в тканях. Благодаря этим же обстоятельствам, усиливается питание поврежденных тканей, регенерация клеток, ускоряется заживление ран, язв и т.д. ИК облучение увеличивает также испарение влаги, чем объясняется его высушивающее действие, которое широко используется при лечении мокнущих экзем, дерматитов, ожогов и т.д.
8 Важным преимуществом ИК-излучения является его быстродействие. В
отличие от других способов местного обогрева (электрообогреваемые полы, коврики), которые характеризуются значительной тепловой инерцией, требуемый температурный режим в зоне обогрева создается практически сразу после включения ИК-ламп, так как вольфрамовая нить нагревается до рабочей температуры в течение десятых долей секунды.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологии и ресурсосберегающих технических средств инфракрасного обогрева, позволяющие обеспечить регулируемый локальный микроклимат для поросят и увеличить срок службы инфракрасных излучателей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработка устройства регулирования высоты подвеса инфракрасных облучателей.
методика расчета инфракрасных обогревателей для молодняка животных, которая учитывает характеристики источника излучения и обогреваемого объекта, а также напряжение сети.
результаты испытаний параметров зарубежных и российских инфракрасных ламп (световой поток, тепловое излучение, зависимости энергетической освещенности от напряжения, распределение относительной спектральной энергии излучения).
обоснованы и разработаны конструкции инфракрасных обогревателей для процесса обогрева молодняка, позволяющие значительно снизить капитальные вложения.
результаты лабораторных и производственных испытаний, которые подтверждают снижение капиталовложений на обогрев молодняка.
результаты хозяйственных испытаний влияния инфракрасных ламп различного спектрального состава на молодняк сельскохозяйственных животных.
результаты хозяйственных испытаний влияния на срок службы инфракрасных ламп различных колебаний напряжения в сети.
На защиту выносятся следующие положения:
энергоресурсосберегающие технические средства на процесс обогрева молодняка сельскохозяйственных животных.
влияние инфракрасных ламп различного спектрального состава на молодняк сельскохозяйственных животных.
влияние на срок службы инфракрасных ламп качества напряжения.
методика расчета инфракрасных обогревателей для молодняка животных, которая учитывает характеристики источника излучения и обогреваемого объекта, а также напряжение сети.
Обоснованы и разработаны конструкции энергосберегающих обогревателей, позволяющих снизить капитальные затраты в 2 раза на обогрев.
В настоящей диссертации рассмотрены светотехнические параметры зарубежных и российских инфракрасных обогревателей, разработана методика расчета инфракрасных обогревателей, обоснован и разработан инфракрасный обогреватель, проведены лабораторные, хозяйственные и приемочные испытания, определена технико-экономическая эффективность использования инфракрасного обогревателя для молодняка животных.
Разработаны исходные требования и утверждены в Министерстве РФ на инфракрасный обогреватель для молодняка сельскохозяйственных животных. Проведены лабораторные и производственные испытания на инфракрасный обогреватель. В течение 2003 - 2004 годов проведены приемочные испытания (протоколы № 09-16-03 (4060073), № 09-37-04 (5060013)).
Технология выращивания и обогрева молодняка поросят
Научные исследования и опыт передовых хозяйств показывают, что интенсификация свиноводства, его техническое переоснащение, перевод отрасли на рельсы индустриального производства стали сейчас решающими факторами, определяющими темп ее развития. Интенсификация свиноводства в нашей стране осуществляется как путем строительства новых предприятий, так и при помощи реконструкции и расширения существующих свиноводческих ферм с внедрением на них современной промышленной технологии. Для увеличения производства мясной свинины высокого качества необходимо применять зоотехнические методы, новейшие научные достижения в разведении, кормлении и содержании свиней. От условий содержания свиней во многом зависит добротность продукции, качество мяса. Для полного сохранения приплода и выращивания хорошо развитых поросят очень важно создать оптимальные условия содержания в первые дни их жизни. Исключительное значение имеет поддержание оптимальных температурных режимов в местах нахождения поросят-сосунов (логове) и свиноматок. При опоросах в холодное время года необходимо в свинарниках-маточниках создавать два раздельных температурных режима: один для подсосных свиноматок, другой - для поросят сосунов. Установлено, что в зоне нахождения свиноматок должна поддерживаться температура воздуха 18— 20С. При более высокой температуре у них наблюдается снижение обмена веществ, уменьшение молочности, появляется вялость, учащенное дыхание, плохой аппетит.
Поросята рождаются без волосяного покрова и подкожного жира, терморегуляционная функция их организма несовершенна. Так, через 30 мин после рождения температура их тела понижается на 2 — 3С. Нижняя критическая температура тела поросят составляет 34С, у взрослых животных она несколько ниже. Новорожденные поросята некоторое количество теплоты в организме со храняют благодаря сужению кровеносных сосудов, расположенных в коже. При низкой температуре воздуха поросята ложатся плотно друг к другу и большую часть времени проводят около матки, что повышает возможность задавли-вания. Поросята нерегулярно сосут, отстают в росте, наблюдается ряд других отклонений.
Температура в зоне нахождения поросят-сосунов должна быть равной 30С и постепенно снижаться к отъему в 26 дней — до 24С, в 30 дней — до 23С, в 1,5 мес. — до 22С в 2 мес. — до 21 С. Раздельный температурный режим для свиноматки и молодняка можно обеспечить путем создания для поросят локальных зон обогрева. Поросят в подсосный период обогревают в зоне их отдыха. На бетонных неутепленных полах кладется подстилка из опилок или соломы слоем до 4 см. На деревянных полах без щелей, а также на утепленных бетонных полах подстилку можно не применять.
Технология выращивания молодняка поросят заключается в следующем: супоросные свиноматки за 10 дней до опороса переводятся в специальные помещения свинарники-маточники, оборудованные для опороса и содержания поросят до 1 - 2 месяцев. Свиноматки после отъема поросят переводятся в другие помещения. Свинарники-маточники заполняются свиноматками таким образом, чтобы опорос прошел полностью за 2 - 3 дня. В свинарнике-маточнике поддерживается определенный микроклимат для свиноматок и для поросят.
Раздача кормов в свинарнике-маточнике на 128 и 64 свиноматки осуществляется установкой КСП-128, удаление навоза скреперной установкой УС-12, поение из поилок для свиноматок ПБС-1, для поросят ПБП-1, общий микроклимат поддерживается при помощи установки Климат-2, обогрев поросят осуществляется с помощью инфракрасных облучателей. Все процессы в свинарнике-маточнике механизированы, кроме изменения высоты подвеса инфракрасных облучателей. Это очень трудоемкий процесс, который требует затрат времени у обслуживающего персонала. Требуется разработать устройство для автоматического подъема инфракрасных облучателей. Этот процесс не автоматизирован и в других типах свинарников-маточников.
В свинарниках-маточниках устанавливаются специальные станки для содержания свиноматки с приплодом (поросятами до 2-х месяцев).
В России выпускаются различные станки для опоросов. На рис. 1.2, 1.3, 1.4 и 1.5 показаны станки для опоросов.
Обоснование устройства для изменения высоты подвеса инфракрасных обогревателей
Широкое применение в практике сельского хозяйства получил инфракрасный обогрев молодняка, обладающий благотворным биологическим действием на организм животных.
Необходимый температурный режим при выращивании молодняка обеспечивают общим нагревом помещения или комбинированной системой общего и локального обогрева. Более целесообразно применять комбинированную систему обогрева, позволяющую создать повышенную температуру только в небольшой ограниченной зоне нахождения молодняка в первый период выращивания. Такое устройство должно отвечать всем технологическим требованиям по выращиванию молодняка.
Данное устройство основано на базе инфракрасного обогрева. В связи с тем, что регулирование высоты подвеса в ручную является трудоемким процессом, нами была предложена установка, позволяющая централизованно и одновременно менять высоту подъема излучателя (рис.2.1).
Устройство состоит из инфракрасных источников излучения 1, которые соединены с общим тросом 3, через блок 4, соединительным тросом 2. Общий трос приводится в движение барабаном 5, также к тросу с противоположной стороны прикрепляется груз 6, позволяющий осуществлять натяжение троса. Блоки крепятся на горизонтальной планке, в которой находится два отверстия, через одну проходит трос на котором закреплен излучатель, через второе электрический кабель осуществляющий питание излучателя. Описание работы излучателя.
При помещении в станок молодняка, высота подвеса устанавливается на высоту 0,6 метров. Данное расстояние специально рассчитана для более эффективного поглощение ИК - излучения кожей животного. В процессе роста обслуживающий персонал осуществляет подъем РІК - излучателя по средствам включения электродвигателя соединенного с барабаном, на который наматывается основной трос. При движении троса в сторону барабана происходит перемещение соединительного троса с излучателями на требуемую высоту 0,1 метра.
Для того, чтобы трос был всегда в натянутом положением, с противоположной стороны от двигателя, к тросу подвешивается груз. Изменение высоты подвеса излучателя происходит через каждые 7 - 10 дней на 0,1 метра. На свиноводческих фермах в различных станках могут находиться различные возрастные группы. Поэтому на соединительном тросе выставлены метки через каждые 0,1 метра. Это нужно, для того чтобы производить облучение различных возрастных групп. Например, при изначальном этапе установлении длины для животных в возрасте 1 недели высота устанавливается 0,7 метра, при двух недельном - 0,8 метра, трех недельном - 0,9 метра, при четырех -один метр. По истечению обогреваемого срока происходит отъем молодняка, а вся конструкция по регулированию высоты подвеса приводится в исходное состояние. В тех станках где находится молодняк требующий, по возрасту дальнейшего обогрева, излучатель поднимается на высоту требуемую по технологии облучения.
Свинарник - маточник имеет два ряда разделяющиеся технологическими проездами. Также свинарник делится на два помещения, в котором осуществляется процесс выращивания поросят - сосунов. Это нужно для борьбы с эпидемиями, поэтому на данной свиноферме нужно установить четыре коэффициент трения каната натяжного о планку =0,2 /л2 - коэффициент трения натяжного каната о канат под вески =0,15; //з - коэффициент трения каната подвески о корпус болта=0,17.
Исследование пространственного светораспределения инфракрасных ламп
В соответствии с квалификацией по Рекомендациям МЭК «Характеристики электрических инфракрасных излучений, применяемых для нагревательных целей», лампы относятся к рефлекторным излучателям и подразделяются на две группы: первая группа - лампы высокотемпературные из тугоплавкого стекла (ф. "Narva", ф. "Tungsram", Ф. "Osram") вторая группа-лампы низкотемпературные из легкоплавкого стекла (ф. "Mazda"). К первой группе относятся лампы, выпускаемые объединением МЭЛЗ, ко второй группе лампы ПО "Свет" (КЭЛЗ)/31,38, 102, 103, 104/. Анализ патентных материалов показал, что конструктивное исполнение исследуемых ламп отвечает основным принципам конструирования инфракрасных ламп. Конструктивное исполнение Риунок 3.1. Лампа ИКЗК ламп и сравнение с отечественными приведены в таблице 3.1.
Анализируя конструкцию ламп, следует: материалы, применяемые в отечественных лампах, аналогичны используемым в зарубежных, профиль колб ламп "ИКЗК"- сферопаробали-ческий- отвечает предъявляемым РисунокЗ.2. Лампа фирмы требованиям, а именно: концентрирует световой Osram серии Siccatherm Par поток и тепловое излучение в определенном направлении, что видно из кривых пространственного светораспределения (рис. 3.3 -3.6 табл.3.2)/105, 106, 107, 108, 109/.
Одновременно была снята зависимость энергетической освещенности от напряжения ламп ИКЗК, производства объединения МЭЛЗ и ПО "Свет", представленная на рис.3.10 и табл.3.4.
Из проведенных исследований видно, что значения энергетической освещенности уменьшаются пропорционально снижаемому напряжению и увеличению высоты подвеса ламп над облучаемой поверхностью, последнее также подтверждается сравнительными данными максимальных значений энергетической освещенности приведенных в табл.3.5.
Максимальная величина энергетической освещенности инфракрасных ламп находится в пределах от 180 МВт /см2 до 550 МВт /см2.
Такой разброс энергетической освещенности характеризуется углом излучения ламп с зеркальным отражающим покрытием. Чем меньше угол излучения лампы, тем она интенсивнее. Величина угла излучения исследуемых инфракрасных ламп колеблется от 30 до 140, что соответствует данным табл.3.6.
Инфракрасные лампы с красным покрытием и в колбе из красного стекла были исследованы на распределение спектральной энергии излучения. Данные замеров показывают, что у ламп как 1 так и 2 групп максимальные значения относительной спектральной энергии излучения приходится на длины волн 1000-1250 нм, что приведено в табл.3.7 и рис.3.11.
Эксперимент проводили с установкой по регулированию высоты подвеса излучателей. Производили различные замеры освещенности от различных факторов: высота подвеса излучателя (h), напряжение сети (U), срок службы (Т). Факторы, влияющие на освещенность, уровни их варьирования, план эксперимента и результаты эксперимента приведены в таблицах 3.8, 3.9, 3.10.
Наша цель заключается в том, чтобы выяснить, каким образом влияют на освещенность различные факторы, от которых она зависит. Параметром оптимизации «у» выбрана освещенность объекта. Данный опыт проводили по трем факторам. Нас интересуют линейные факторы и парные взаимодействия. Поэтому модель объекта имеет вид:
Требования к электрическим инфракрасным излучателям для обогрева поросят
Необходимый воздухообмен и поддержание требуемых параметров температуры и влажности в помещении осуществляют при помощи общей системы вентиляции и обогрева. Для создания локальных температурных зон применяют дополнительные источники: электронагревательные коврики, обогреваемые полы, теплогенераторы и др.
Наиболее эффективны ИК облучатели и облучательные установки. Они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами нагревателей. Поскольку ИК излучение мало поглощается воздухом, почти вся испускаемая энергия может быть поглощена обогреваемым объектом. Таким образом, применение ИК излучателей для обогрева молодняка скота и птицы позволяет достичь гораздо большего КПД использования энергии, чем, например, при использовании вышеназванных источников. Кроме того, при создании обогревателей с ИК излучателями уменьшаются капитальные затраты и эксплуатационные расходы на обогрев, поскольку эти установки менее металлоемки и более просты по устройству. При выходе из строя нагревательных элементов (ламп) в процессе эксплуатации замена их не представляет трудности. По данным зарубежных исследователей, затраты на устройство ИК обогрева в 5...6 раз меньше стоимости оборудования обычного отопления/5, 47, 48, 75, 103/.
Требования к температуре и площади обогрева ИК излучателей. ИК излучатели, применяемые для обогрева поросят, телят, ягнят, цыплят, крольчат, должны обеспечивать температурные режимы, согласно таблице 4.1 на различной площади в зависимости от вида и возраста животных. Инфракрасные облучатели, предназначенные для работы в животноводческих помещениях, должны удовлетворять следующим условиям окружающей среды: Температура окружающего воздуха, С От +5 до +35 0,08 Относительная влажность воздуха, % Содержание пыли в воздухе, г/м3 Присутствие в воздухе химических примесей, г/м : паров аммиака сероводорода длительно углекислого газа 95±3 1,3 0,09 14,7 Инфракрасные облучатели должны обеспечивать температурные режимы на различной площади в зависимости от вида и возраста животных (табл. 4.2). Электрические и конструктивные параметры ИК излуча яейей.
Основными элементами ИК облучателей являются излучатель и отражатель. Облучатель имеет разборную конструкцию, позволяющую заменять с незначительными затратами времени выходящие из строя детали.
Срок службы излучателя должен быть таким, чтобы замена вы шедших из строя изделий не вызывала частых нарушений технологического ритма производства и больших материальных затрат. Предельно допустимым считается расход в год одного комплекта излучателей на каждую установку. (5600 - 6000 тыс. часов в год).
Время разогрева излучателя до рабочей температуры должно составлять 3—5 мин. Это требование играет особо важную роль для установок сельскохозяйственного назначения периодического действия.
Источники ИК-излучений характеризуются теми же параметрами, что и любые электрические источники излучения. Напряжение, ток, мощность задаются при разработке облучателя и выбираются в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Наиболее распространено напряжение сельских сетей 380/220 В. Как видно из 2 главы срок службы резко зависит от колебания напряжения в сети.
Основным элементом инфракрасного излучателя является нить накала. Срок службы существующих инфракрасных ламп рассчитан на 108 напряжение 220 В и составляет 2500 - 3000 часов. Для увеличения срока службы инфракрасных ламп до 5000 - 6000 тыс. часов нить накала лампы должна быть рассчитана на напряжение 225 - 235 В (расчетное 230 В). При дальнейшем увеличении расчетного напряжения увеличивается срок службы, но снижается инфракрасный поток, т.е. КПД излучателя.
В ИК-облучателя различают потребляемую мощность N, а также поток излучения Ф, т. е. мощность, которую ИК-облучатель излучает в окружающее пространство. Мощность излучателей, используемых для обогрева молодняка составляет не более 250 Вт (Глава 2).
Коэффициент полезного действия ИК-излучателя определяется зависимостью Лиз = Ф/N. Обычно ИК-излучатель применяется с отражателем, тогда КПД может быть определен по выражению Лиз = Лт,н[Ь + (1-Ь)Г1о], где Лт,н — КПД тела накала, т. е. отношение потока излучения тела накала к мощности тела накала; b — доля потока, излучаемая источником непосредственно в рабочее пространство; Ло — КПД отражателя, т. е. отношение потока излучения, направленного отражателем в определенном пространственном угле, к потоку излучения, падающему на отражатель. Форма отражателя бывает разной: часть сферы, поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси, часть цилиндра и т. п.
Для обеспечения обогрева зоны (табл. 4.2) для поросят и для создания требуемой облученности необходимо использовать параболический отражатель. На рис. 4.1 показан параболический отражатель. Излучатель помещается в точке F - фокусе отражателя.
Отражатели в ИК-облучателях с открытым источником излучения изготовляются из материалов, отличающихся большими коэффициентами отражения: интегральным р и спектральным р(А,). Материал отражателя должен быть стойким к окислению и влиянию других факторов окружающей среды животноводческого помещения, существенно уменьшающих коэффициенты отражения р и р(А-). Применяются в основном два типа отражателей: из листовой стали с гальваническим покрытием и из листового алюминия.
