Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ энергосберегающих систем отопления и вентиляции животноводческих помещений 10
1.1. Микроклимат в животноводческих помещениях и его влияние на состояние животных 10
1.2. Взаимосвязь системы содержания, вида животных и времени года с выбором системы обеспечения оптимального микроклимата 16
1.3. Общая сравнительная оценка энергосберегающих систем отопления и вентиляции 26
2. Исследование процессов тепломассообмена, связанных с работой теплообменной конденсационной системы вентиляции (ТКСВ) 39
2.1. Аналитический подход к определению составляющих теплового
баланса тела животного в процессе его теплообмена с окружающей средой... 39
2.2. Прогнозирование тепло-влажностного режима неотапливаемых животноводческих помещений 55
2.3. Анализ процессов тепло- и влагообмена на поверхности, имеющей температуру ниже точки росы воздуха помещения 62
2.4. Исследование тепло- и влагоулавливающей способности воздуховода-конденсатора из полиэтиленовой пленки
3. Совершенствование конденсационных систем вентиляции для помещений прямоугольной формы 82
3.1. Характеристика известных конструкций ТКСВ 82
3.2. Разработка конденсационных устройств, способствующих индустриальности изготовления и удобству монтажа 86
3.3. Сравнение затрат на реализацию конденсационных систем вентиляции с затратами на восстановление и эксплуатацию традиционной отопительно вентиляционной системы 89
4. Оптимизация теплообменной конденсационной вентиляции энергосберегающего модуля круглой формы... 94
4.1. Определение исходных теплотехнических характеристик круглого модуля 95
4.2. Разработка алгоритма расчета конусного воздуховода-конденсатора, совмещенного с конструкцией кровли 101
4.2.1. Определение основных геометрических и теплотехнических параметров теплообменного конденсационного устройства 101
4.2.2. Аналитическая модель теплообменного процесса при постоянном и переменном сечении межстропильного пространства 110
Заключение 127
Литература
- Взаимосвязь системы содержания, вида животных и времени года с выбором системы обеспечения оптимального микроклимата
- Прогнозирование тепло-влажностного режима неотапливаемых животноводческих помещений
- Разработка конденсационных устройств, способствующих индустриальности изготовления и удобству монтажа
- Разработка алгоритма расчета конусного воздуховода-конденсатора, совмещенного с конструкцией кровли
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время перед животноводческой отраслью России стоит целый комплекс проблем, среди которых одно из важных мест занимает проблема экономии энергетических ресурсов. Дело в том, что в свое время в стране были построены сотни крупнейших комплексов по содержанию свиней и КРС, работа которых была рассчитана на дешевизну энергетических и прочих видов ресурсов. Однако в период рыночных реформ отношение к показателям энергосбережения значительно изменилось и стало ясно, что подобные комплексы не отвечают современным требованиям энергосбережения. Практически все они имеют чрезвычайно низкий уровень теплозащиты наружных ограждений, дорогостоящие, но малоэффективные системы отопления и вентиляции. Данные факторы в совокупности значительно снижают конкурентоспособность отрасли, что проявляется в остановке работы подавляющего большинства крупных животноводческих комплексов, увеличении доли импортной продукции и перемещении процесса содержания животных в личные подсобные и фермерские хозяйства.
В то же время очевидно, что продовольственная безопасность России вряд ли может быть обеспечена поставками животноводческой продукции только мелкими хозяйствами и импортом. Рано или поздно эту проблему придется решать и очень важно не бросаться в крайности: то ли назад к дедовской технологии выращивания скота, то ли к скорейшему строительству новых и восстановлению старых комплексов. Думается, что второй путь более предпочтительный, но при резком росте цен на энергоносители, строительные материалы и технологическое оборудование он требует коренного изменения прежней концепции проектирования и строительства животноводческих помещений, а с нею и изменений в подходах к обеспечению микроклимата в них.
Между тем отечественная наука и практика имеют значительные достижения в разработке различного рода энергосберегающих систем обеспечения оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, которые до поры не были востребованы, в частности теплообменных конденсационных систем вентиляции (ТКСВ). Теперь же после соответствующей
і 'ос. национальная'!
коррекции с учетом последних достижений науки и техники в этой области, на наш взгляд, они становятся весьма актуальными и полезными.
Исследования проводились по программе гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук (подраздел «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения»), в соответствии с программами МНТП «Архитектура и строительство» в рамках тем: «Эффективные схемы энергоснабжения зданий и сооружений» и «Системы автономного энергоснабжения производственных зданий», а также по программе «Разработка и реализация федеральной региональной политики в области науки и образования» в рамках темы: «Критические технологии энергосбережения зданий и сооружений».
Основная идея работы состоит в том, что требуемый воздухообмен животноводческого помещения можно значительно сократить, если осуществить процесс осушки влажного воздуха помещения путем конденсации водяных паров на холодной поверхности теплообменного воздуховода с последующим организованным удалением конденсата.
Объектами исследования являются традиционные и теплообменные конденсационные системы вентиляции животноводческих помещений.
Предмет исследований - процессы тепло- и влагообмена с конденсацией влаги из воздуха животноводческого помещения на холодной поверхности различных конструкций теплообменных воздуховодов из полиэтиленовой пленки.
Цель работы - научно-практическое обоснование целесообразности применения конденсационных систем вентиляции в животноводческих зданиях и разработка методики их расчета.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд частных задач:
1. Выполнить системный анализ традиционных и энергосберегающих систем отопления и вентиляции животноводческих помещений, чтобы оценить степень их комплексного воздействия на формирование тепловой обстановки помещения с учетом современных требований ресурсо- и энергосбережения.
. * ч '
2. Дополнить и развить аналитический подход к определению
составляющих теплового баланса тела животного в процессе его теплообмена с
воздушной средой и полом.
3. Разработать математическую модель тепловлажностного режима
неотапливаемого животноводческогох помещения и на ее основе выполнить прогноз
возможных сочетаний температурно-влажностных параметров микроклимата в
широком диапазоне наружных температур для холодного периода года.
-
Исследовать наблюдаемые при конденсационной вентиляции процессы тепло- и влагообмена на поверхности, имеющей температуру ниже точки росы.
-
Установить закономерности, влияющие на тепло- и влагоулавливающую способность воздуховода-конденсатора из полиэтиленовой пленки, и подтвердить их экспериментально.
-
Дать технико-экономическую оценку существующим техническим решениям ТКСВ и разработать более совершенные конденсационные устройства.
-
Разработать методику расчета и оптимизации конусного воздуховода-конденсатора, совмещенного с конструкцией кровли для энергосберегающего модуля круглой формы.
Методы исследования. В работе использованы: методы математического моделирования теплообмена животного с окружающей средой, а также процессов тепло- и влагообмена на холодной поверхности воздуховода-конденсатора; методы численного моделирования сформулированных математических моделей; современные методы экспериментальных исследований для определения характеристик тепло- и влагообмена на конденсирующей поверхности воздуховода, теплообменных процессов в грунте и зоне контакта его с телом животного; методы натурных исследований параметров микроклимата в животноводческих помещениях.
Научная новизна наиболее существенных результатов работы заключается в системном анализе процессов тепло- и влагообмена в животноводческих помещениях, что позволило обосновать целесообразность устройства в них ТКСВ различного исполнения, способных при удовлетворительных теплотехнических характеристиках здания обеспечить допустимые параметры микроклимата в холодный период года даже без дополнительного источника теплоты.
В процессе исследований решены следующие аспекты проблемы:
разработан алгоритм прогнозирования ТВР неотапливаемого помещения, основанный на аналитическом определении тепло- и влагопостутшений от животных в зависимости от совокупности тепловых параметров микроклимата и условий содержания скота;
показана необходимость увеличения расчетных тегагопотерь через полы, определенных по стандартной методике;
- предложены новые схемотехнические решения конденсационных
устройств, удовлетворяющих требованиям индустриальности изготовления и
удобства монтажа;
- развита и дополнена методика расчета тепло- и влагоулавливающей
способности ТКСВ трубного типа;
- разработана аналитическая модель и выполнены детальные расчеты тегого-
и влагообменных процессов для конусного воздуховода-конденсатора,
совмещенного с конструкцией кровли;
доказана необходимость устройства переменной толщины межстропильного пространства для прохода приточного воздуха при монтаже конусного воздуховода-конденсатора и оптимизированы его габаритные размеры.
Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки исследуемых задач, обоснованностью принятых допущений, применением современных методов теплофизических измерений, а также сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы состоит в:
обосновании целесообразности применения ТКСВ различного исполнения в достаточно утепленных животноводческих помещениях для значительного снижения их энергоемкости и повышения конкурентоспособности животноводческой продукции;
доведении результатов исследований до разработки конкретных алгоритмов и программ расчета ТВР и ТКСВ животноводческих помещений на ЭВМ;
разработке новых схемотехнических решений, позволяющих улучшить количественные и качественные характеристики конденсационных устройств.
Реализация результатов работы. Научные положения, методология проектирования, алгоритмы и программы расчетов ТВР и ТКСВ используются в исследовательской и проектной практике ряда организаций (Кубанский государственный аграрный университет, ЗАО «СевкавНИПИагропром» и др.)
Результаты исследований использованы при разработке проекта энергосберегающего круглого модуля для содержания свиней, который принят к внедрению в ЗАО «Восход» Константиновского района Ростовской области.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в курсе «Энергосбережение в системах теплогазоснабжение и вентиляции» для специальности 290700 - «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
- способ снижения энергопотребления животноводческими помещениями в
холодный период года;
- схемотехнические решения ТКСВ, позволяющие улучшить их
качественные и количественные характеристики;
результаты исследования процессов тепло- и влагообмена на поверхности, имеющей температуру ниже точки росы;
методика расчета воздуховода-конденсатора, вписанного в конструкцию конусного покрытия.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство-2004», «Chrx)HTenbCTBO-2005>>, на международной конференции «Критические технологии теплоснабжения и вентиляции зданий и сооружений» (РГСУ, 2005), на научно-практических семинарах кафедр отопления, вентиляции и кондиционирования и теппогазоснабжения РГСУ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 143 страницах, иллюстрирована 31
рисунком, 11 таблицами. Список использованной литературы включает 137 наименований.
Взаимосвязь системы содержания, вида животных и времени года с выбором системы обеспечения оптимального микроклимата
Итак, построенные в советский период развития экономики животноводческие комплексы имеют весьма большую по рыночным меркам вместимость (свинокомплексы с единовременным содержанием до 108-216 тыс. голов и КРС до 20000 голов), оснащены, хотя и дорогостоящими, но малоэффективными системами отопления и вентиляции (а иногда и кондиционирования воздуха - свинокомплекс «Чертковский), что в совокупности с громадными дополнительными затратами на доставку кормов, транспортировку и реализацию готовой продукции делает их продукцию недостаточно конкурентоспособной.
После многолетнего простоя большинство из комплексов практически не подлежит восстановлению, а те, которые еще способны встать на ноги, требуют не только громадных инвестиций, но и несколько иной концепции развития, как в техническом, так и в экономическом аспекте. Между тем, подобная ситуация характерна не только для нашей страны, но и для других стран бывшего «социалистического содружества». В частности, в Венгрии, где промышленное животноводство в свое время получило особое развитие, с наступлением эры рыночных отношений значительная часть животноводческой отрасли также стала нерентабельной, и много свинарников, коровников, птичников после соответствующих маркетинговых исследований было использовано для иных целей, например, для культивации грибов (вешенки, шампиньонов, шиитаке и т.п), как более рентабельной продукции с меньшим сроком окупаемости инвестиций [108]. Но, поскольку продовольственная безопасность такой огромной страны, как наша, определяется не столько степенью выгодности грибного бизнеса, сколько степенью развития животноводческой отрасли, то особую актуальность, на наш взгляд, приобретают проблемы высокой энергоемкости и ненадежности традиционных систем вентиляции животноводческих помещений, которые так или иначе необходимо решать при воссоздании современного животноводства.
Для того, чтобы определить возможные пути решения этой проблемы, сначала был рассмотрен ряд вопросов использования теплоты уходящего воздуха с помощью различного рода теплообменников [9, 19, 82, 85, 86].
Одни из первых рекомендаций на этот счет встречаются в книге [124]. Здесь упоминается «аэратор А.Н.Борщевского», который был предложен ещё в 1941 году. Он представлял конструкцию, где на примитивном уровне воплощался принцип регенерации уходящих из помещения тепловых потоков воздуха. Выполненный из подручных материалов (шлака, жердей, досок, соломы) аппарат не получил широкого распространения: испытание, произведенное НИИ Горсельстроем, дало неудовлетворительный результат. Ещё раньше, в 1936 году, профессором В.Е.Паруниным был разработан металлический теплообменник рекуперативного типа с подмешиванием к приточному воздуху части уходящего воздуха. Несмотря на постоянное совершенствование (вплоть до середины пятидесятых годов), испытания НИИ Горсельстроя также показали низкую эффективность указанного варианта теплообменника. Тогда же, по результатам выполненных исследований, был сделан вывод о рентабельности установки теплоуловителей только в тех случаях, когда имеются следующие условия [124, с.71]: 1. обеспечивается постоянная подача теплого и влажного воздуха; 2. температура воздуха, отдающего теплоту, не ниже 43, а относительная влажность не меньше 75%.
Достаточно заметить, что второе условие для животноводческих помещений в принципе не выполнимо. Тем не менее, идея использования теплоты удаляемого воздуха для подогрева приточного воздуха в животноводческих помещениях никуда не исчезла. Наоборот, она получила дополнительное развитие в конце 60-х годов, когда начался первый этап перевода животноводства на промышленную основу. Наибольшую активность в этом вопросе проявил Белорусский институт строительства и архитектуры Госстроя БССР (ведущий специалист - Юрков О.И.), в котором был разработан и доведен даже до серийного выпуска на Полоцком литейно-механическом заводе пластинчатый металлический теплообменник типа ТСН. Он представлял собой металлический модуль массой 350 кг, рассчитанный на тепловозврат примерно 10 кВт тепловой энергии при проходе через него 4400 м3/ч уходящего влажного воздуха. Благодаря тому, что интенсивность теплоотдачи со стороны первичного теплоносителя, проходящего через каналы со скоростью около 20 м/с, была значительно выше, чем со стороны вторичного (приточного) воздуха, движущегося со скоростью 6..8 м/с, снижалась вероятность обмерзания каналов для прохода теплого воздуха. Однако при этом резко возрастало гидравлическое сопротивление вытяжного тракта (до 1000 Па), что требовало дополнительного расхода энергии на привод вентилятора - примерно 2..3 кВт. В результате ТСН давал относительно гарантированную прибавку всего в 7...8 кВт тепловой энергии, что требовало установки дополнительного источника теплоты (обычно в виде электрокалориферов) мощностью, превышающую указанную «гарантированную» прибавку. Например, по проекту [85, С.44] для типового коровника на 200 голов предусматривалась установка как минимум четырех ТСН-3. Стоимость этого мероприятия составила 9552 рублей капитальных и 1573 рублей эксплуатационных расходов (в ценах 1984 г.) при дополнительной установке электрокалориферов суммарной мощностью 50 кВт. Кроме того, и это надо подчеркнуть особо, по расчетам начало действия ТСН наступало при температуре наружного воздуха ниже минус 10, что означало довольно незначительный по времени цикл работы теплообменной вентиляции, измеряемый для средней и южной климатической зоны России буквально двумя-тремя десятками дней в году [63]. При прежних тарифах на тепловую и электрическую энергию эксплуатация вентиляции с ТСН-3 становилась экономически невыгодной. Видимо этой «банальной» причиной объясняется существующий только на бумаге «ход внедрения теплообменной системы вентиляции в проектных и строительных организациях системы «Росколхозстройобъединения» на 12 объектах в период бурного развития промышленного животноводства [86, с. 13-15].
Прогнозирование тепло-влажностного режима неотапливаемых животноводческих помещений
На основе известного закона прямой линии [55, 68, 83] имеем: s„ = 3600QU36/WU36 = (Ie-IH)/(de-dH), (2.13) где єп - тепловлажностное отношение процесса нагрева или охлаждения воздуха в помещении (луч процесса помещения); Q Q, Wm6 - тепло- и влагоизбытки помещения; 1в, IH, de, dH — соответственно энтальпия и влагосодержание внутреннего (индекс в) и наружного (индекс н)воздуха. Заменяя значение энтальпий 1в и /н, кДж / кг зависимостью /в,„ =1,024 /в,н + 2530 de,H (2.14 ) после соответствующих преобразований, получим уравнение для определения балансовой температуры воздуха в помещении: (2.15) Из (2.15) можно получить аналогичное уравнение для определения «критической» температуры наружного воздуха fpH, при которой в неотапливаемом помещении обеспечиваются оптимальные или заданные параметры внутренней температуры te и относительной влажности воздуха (2.16) Уравнения (2.15) и (2.16) решаются достаточно просто различными итерационными способами (например, методом деления отрезка пополам), но качество анализа ТВР, как было упомянуто ранее, в самой большой степени определяется возможностями учета максимального числа факторов, влияющих на параметры тепловой обстановки помещения.
Именно поэтому при составлении алгоритма прогнозирования ТВР животноводческого помещения нами рекомендуется использовать изложенную ранее методику определения тепло- и влагопоступлении от животных в зависимости от совокупности тепловых параметров микроклимата и условий содержания животных. Кроме того, для более полного учета условий содержания животных в алгоритм рекомендуется включать расчеты средней радиационной температуры помещения в зависимости от лучистой составляющей теплообмена животных, к которым следует добавить аналитическое определение количества влаги, сконденсировавшейся на внутренних поверхностях ограждения, если их температура оказывается ниже точки росы. В конечном итоге общие тепло- и влагоизбытки помещения равны: Qu36 = Яж + QKOH6 — О.огр + AQdonA (2.17а) W„36= W« + WHCn - WK01W . (2.176) Здесь )жобщ, WM - общие тепло- и влагопоступления от животных; QKOI,d -теплопоступления в результате конденсации водяного пара в количестве WK, г/ч, QK = 0,68 [128]; Qoep — суммарные теплопотери помещения через наружные ограждения; AQdon — поступления теплоты от дополнительного источника энергии (для неотапливаемого помещения AQ )O„=0); Wucn -влагопоступления со смоченной поверхности пола FCM, рассчитываемые по формуле [55, 76]: . (2.18)
Ниже, на рис.2.6 в развернутом виде приводится алгоритм прогнозирования ТВР неотапливаемого животноводческого помещения, который реализован соответствующей программой для ЭВМ, написанной на языке «Basic».
По данному алгоритму на основании исходных данных, представленных в табл.2.1, был составлен прогноз ТВР неотапливаемого коровника и свинарника-откормочника типовой рамной конструкции в диапазоне наружных температур от -25 до +10 (рис.2.7-2.8).
Исходные данные для прогнозирования ТВР животноводческих помещений Характеристики Коровник Свинарник Единовременная постановка животных, голов 200 1500 Средняя масса каждого животного, кг. 450 70 Средневзвешенные термические сопротивления, м С/Вт 1,3/5101,7/14500,39/530,22/366,5/1350 1,2/7101,5/25120,39/520,22/366,8/2439 Расчетная площадь, м наружных стен покрытия окон наружных дверей полов Общая площадь станков для содержания животных, м 850 1005 Dn» . г АГ j. mm .max \. .опт „опт „max \„ jronm r r-i rr /і
Рис.2.6. Алгоритм прогнозирования ТВР неотапливаемого помещения Анализ расчетных данных, представленных графиками на рис.2.7-2.8, показал, что оптимальные тепловые параметры микроклимата в типовом коровнике (te =10 и % = 75 %) при существующих теплотехнических и конструктивных характеристиках могут быть достигнуты без источника дополнительной энергии только при температуре наружного воздуха tH выше - 3 ...- 4С. Далее, вплоть до t„= -15...-20, в коровнике могут устанавливаться положительные температуры, но только в сочетании с предельной относительной влажностью воздуха рв = 95 %, что наверняка будет сопровождаться выпадением конденсата практически на всех внутренних поверхностях наружных ограждений.
Прогноз сочетаний температуры и относительной влажности воздуха в типовом коровнике на 200 голов Аналогичная картина сочетаний te и % наблюдается и в типовом свинарнике-откормочнике (рис.2.8). Здесь, правда, несколько шире диапазон отрицательных наружных температур (вплоть до -25), при которых в помещении не замерзает вода.
Таким образом, результаты приведенных расчетов, которые достаточно хорошо согласуются с опытными данными, свидетельствуют, с одной стороны, о невозможности обеспечения оптимальных параметров микроклимата в неотапливаемых животноводческих зданиях при отрицательных наружных температурах с помощью традиционной вентиляции, а с другой - подтверждают перспективность направления для снижения относительной влажности внутреннего воздуха до допустимого уровня путем организации процесса регулируемой конденсации содержащихся в нём водяных паров. 2.3. Анализ процессов тепло- и влагообмена на поверхности, имеющей температуру ниже точки росы воздуха помещения
Как показал анализ, при всем многообразии условий, встречающихся в вентиляционной технике, существуют, по крайней мере, два принципиально различных способа удаления паров воды, содержащихся в животноводческом помещении: с помощью подачи наружного воздуха, который содержал бы влаги меньше, чем воздух помещения; с помощью конденсации паров воды на поверхности, которая имеет температуру ниже точки росы внутреннего воздуха, и последующим стоком образующегося конденсата в сборные емкости.
Каждый из вышеуказанных способов борьбы с избыточной влагой имеет свои преимущества и недостатки, которые в определенных условиях эксплуатации способны перевесить друг друга. Например, трудно оправдать расход искусственного холода только для осушения воздуха, если он не обоснован необходимостью осуществления основного процесса -охлаждения помещения в жаркое время года. Но ещё труднее традиционную вентиляцию животноводческих зданий в период стояния низких наружных температур признать достаточно рациональным техническим решением, ибо даже при применении различных теплообменных устройств из-за низкого энергетического потенциала уходящего воздуха (или грунта) требуются весьма значительные затраты теплоты на компенсацию вентиляционных потерь.
Разработка конденсационных устройств, способствующих индустриальности изготовления и удобству монтажа
Теперь на основе выполненного анализа и данных практики [79] формулу Дальтона (2.21) следует несколько конкретизировать: Kl _ вкЬк ,Л пН о» 0,2552 (2.35) где Р"\ы, Р"в -парциальное давление насыщения при t\ix и при /е, мм.рт.ст.; оґвК - коэффициент теплоотдачи конвекцией между поверхностью с температурой t\a и воздухом помещения, Вт/(м С), определяемый при свободном движении по различным обобщенным формулам [И, 79]; -локальное значение коэффициента влаговыпадения, которое рекомендуется определять по формуле [79, с. 124]:
Здесь de - влагосодержание воздуха при te и срв; сГГіх - влагосодержание насыщенного воздуха при температуре поверхности ш. Между тем, построенную математическую модель процесса тепло- и влагообмена между воздухом помещения и поверхностью конденсатора достаточно сложно использовать в практике проектирования ТКСВ, если не провести дополнительные исследования теоретического и экспериментального плана. Например, как видно на рис.2.9, участок образования инея и льда способен иметь совершенно отличную от других участков структуру поверхности толщиной дин и, следовательно, соответствующую теплотехническую характеристику, выражаемую термическим сопротивлением RUH. Очевидно, что от правильности определения RUH будет зависеть точность расчета конденсатора.
Отсюда необходимо рассмотреть основы теории формирования структуры участка инее- и льдообразования. Из данных различных источников известно, что характер данного процесса в самой значительной степени определяется продолжительностью и интенсивностью колебаний наружных температур, а также режимом движения воздуха внутри канала. В результате влияния комплекса указанных и иных факторов формируется весьма сложная картина обледенения и оттаивания на теплообменной поверхности, которая достаточно трудно поддается математическому анализу. Как правило, имеющиеся материалы получены экспериментальным путем, что в иных условиях реальной действительности дает возможность проводить лишь качественный анализ указанного процесса. В основном результаты подобных опытов сводятся к тому, что при температуре поверхности ниже 0 на участке инеееобразования наступает своеобразная саморегуляция. Как только слой инея начинает оказывать заметное теплоизоляционное действие, начинает уменьшаться температурный напор
Одновременно уменьшается значение авин. После достижения такой толщины слоя инея i,,,,, при которой температура поверхности канала становится равной нулю, снова начинает выпадать конденсат. Он пронизывает слой инея и превращает его в ледяную корку, толщина которой в стационарных условиях практически не меняется [43].
Заметим, что иногда делаются попытки обобщения результатов эксперимента при определении интенсивности образования ледяного нароста в зависимости от ряда определяющих параметров [132]: (- In Д Vм29 / \! = 0.208l BJ6 (ReDff2K (2.37) где # - относительный температурный перепад теплоносителей в -(t3aMcm)l(tm43aM), изменяющийся от 0,4 до 11,7; t3aM , tcm, tm- соответственно температуры замерзания стенки канала и первичного теплоносителя; Re -число Рейнольдса в пределах 103 Re 104; B=d/D; D, d - соответственно диаметр канала и ледяного нароста на нем.
Однако применительно к рассматриваемому нами воздуховоду-конденсатору расчет толщины ледяной корки с помощью эмпирической трансцендентной зависимости (2.28) не может считаться вполне исчерпывающим, ибо выходит за пределы границ проведенного [132] эксперимента. В частности, параметр в вполне может принимать отрицательные значения.
Вместе с тем, если при использовании обычных теплообменных аппаратов в животноводческих помещениях с явлением образования инея и льда ведется всяческая борьба, то при эксплуатации ТКСВ в ней нет особой необходимости. Во-первых, ни лед, ни тем более иней на части поверхности конденсатора не является преградой на пути движения воздушного потока, как в трубных и пластинчатых теплообменниках и, во-вторых, здесь не так нужно стремиться к высокому коэффициенту теплопередачи через стенку конденсатора, величина которого, как известно, заметно снижается из-за образования ледяного покрова. Все дело в том, что основной функцией ТКСВ является улавливание и сбор как можно большего количества конденсата, а не интенсификация теплообмена между уходящим и приточным воздухом. Помимо прочего, процесс образования инея и льда относительно кратковременен. При таянии образуется все тот же конденсат, который, благодаря хорошо организованному стоку, быстро выводится за пределы помещения и не учитывается в балансовых расчетах. Следует также напомнить, что давление насыщенного водяного пара надо льдом меньше давления над пленкой конденсата, что в целом интенсифицирует процесс переноса влаги. Отсюда осушение воздуха путем вымораживания содержащихся в нем паров воды можно считать дополнительным аргументом при решении задачи снижения влагопоступлений в животноводческих зданиях. По нашему мнению, при устройстве ТКСВ самым важным следует считать возможность обеспечения постоянного регулирования и контроля низкотемпературного «конденсационного» процесса, который в случае необходимости всегда можно было бы прервать или направить в противоположную сторону. Для этой цели, например, могут быть использованы пленочные и напылительные низкотемпературные электронагреватели [69], покрывающие участок воздуховода-конденсатора, на котором возможно образование льда и инея, а также лопастные подвесные вентиляторы, способные увеличивать подвижность воздуха около теплообменной поверхности.
Разработка алгоритма расчета конусного воздуховода-конденсатора, совмещенного с конструкцией кровли
Определим в первом приближении требуемую высоту конуса ho для конденсации WKOIIf= 3,7 кг/ч влаги при заданных ранее температурно-влажностных параметрах.
Для этого на основе опытных данных зададим среднюю температуру поверхности конуса тстср = 4 и по (2.35) определяем ориентировочную интенсивность конденсатообразования на ней: ак = 2,23 [(14- 4)]0 33 = 4,8 Вт/(м20С); Рн =16,01 гПа; Р„ (рв = 16,01х 0,85 =13,61 гПа; / „== 8,16 гПа; gK = 4,8 (13,61-8,16)/340,3 = 0,076 кг/ч м2; FK « 3,7/0,076 « 49 м2.
Из данных табл. 4.4 этой площади соответствует h = 3 м при /?= 45 (FK = 49,3 м2) и /70 = 2 м при /?= 60 (F„ = 52,2 м2). В качестве базового в дальнейших расчетах принимаем 1-й вариант, т.е. ho = 3 м.
Далее определяем площади сечений каналов для прохода приточного и уходящего воздуха, режимы движения и коэффициенты теплообмена.
По схеме общая площадь приточных межстропильных каналов в рассматриваемом сечении будет равна: Fnp = 7r(2R.A + А2 Cos0)-NaA, (4.4) где R - расстояние от центральной оси конуса до теплообменной поверхности канала, м; А, а - соответственно высота и ширина стропильных балок, обычно А = 0,19 м, а = 0,1 м; N - количество стропил (каналов) в рассматриваемом сечении. По конструктивным соображениям и условиям несущей способности кровли обычно вблизи верхнего основания N = 12, далее N = 24; Так как R = S »Sinfi, то (4.1) можно представить так: Fnp = n Cosp (2S .Atg/3+ A2)-NaA, (4.5) где S - расстояние от условной вершины конуса до рассматриваемого сечения (образующая), м, которое легко связать с высотой конуса от условной вершины Н зависимостью: S = H.Cos p. 105 При заданной высоте конуса ho отсчет движения приточного воздуха лучше начинать от верхнего основания конуса радиусом г0. Тогда (4.1) принимает вид: Fnp = TTCOSJ3 [2 (S+Sb) А. tg р + А2] - Na А (4.6) или Fnp = А[2тг Sin/3(S + Sb) + xCosfi A-Na] , (4.6a) где S - расстояние по образующей от верхнего основания конуса до пересечения с горизонтальной плоскостью рассматриваемого сечения радиусом R, м, связанное отношением: S= hi Cos p=(R- r0) /Sin/3; Sb - расстояние от верхнего основания конуса до условной его вершины, которое равно: Sb — го/SinР . Теперь, используя (4.4), определим граничные скорости приточного воздуха в диапазоне Le = 640... 1710 м /ч. а) на входе в каналы у верхнего основания wnpmaxX = 640/3600x{3,14x0,707[2x(0,35/0,707)x0,19xl+0,192] --12x0,1x0,19}= 0,666 м/с; wnp тах2 = 1710/971 = 1,76 м/с; б) на выходе из каналов у нижнего основания wnp minX = 640/3600х{3,14х0,707 [2х (3/0,707 + 0,35/0,707)х0,19x1+ 0,192] -24x0,1x0,19}= 0,05 м/с; wnpmin2 = 1710/13037 = 0,13 м/с. Из расчета видно, что по ходу движения приточного воздуха скорость его быстро уменьшается. Большой диапазон её изменения может формировать два различных режима обтекания поверхностей теплообмена: вынужденный и свободный. На определенном расстоянии от входа 106 приточного воздуха и в области близкой к горловине вытяжной шахты скорее можно будет наблюдать вынужденный режим движения, а ближе к нижнему основанию конуса - смешанную и свободную конвекцию. Турбулентный режим течения в приточном канале, как известно, определяется критерием Рейнольдса: ReKp = [iwnp d3)/v] = (LdJ3600Fnp)/v 2300 , (4.7) где d3 = 2 A - эквивалентный диаметр канала, равный AfJYl if- площадь и П -периметр канала); v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, при tnp = 0 С равный 13,28 х 10 м/с; wnp - скорость приточного воздуха, м/с. Подставляя в (4.7) выражение (4.6а) находим «критическое» сечение канала SKp, м, где заканчивается турбулентный режим: SKp [(Lnp - 173 A Cosp + 55 Na)/(3A5 Sin/J)]-S0 . (4.8) При Lnp = 640 м3/ч, /3= 45, A = 0,19, TV = 24, a = 0,1 получим SKp (640-173x0,19x0,707+55x24x0, l)/(345x0,707) «3,1-0,5 = 2,6 м.
В зависимости от режима движения воздуха определяются значения различных коэффициентов теплообмена. Так для участка приточного канала длиной S SKp коэффициент теплоотдачи конвекцией от внутренней стенки канала приточному воздуху спр, Вт/(м2 С) с учетом (4.4) находится по формуле: dnp ={0,0061 [Lnpf(27rR + л-A Cosp-Na)f }/ А . (4.9) При Lnp = 640 м3/ч в начале канала otnp = 4,26 Вт/(м2 С), а в конце (S = SKP = 2,6 м, Я= 0,35+2,6x0,707=2,2 м , N = 24) - аГпр = 0,8 Вт/(м2 С). В среднем на «турбулентном» участке акпрср = 2,5 Вт/(м20С). 107 Остальной путь S = (4,2 -2,6) = 1,6 м характеризуется переходным и ламинарным режимом течения воздуха при свободной конвекции. В этом случае коэффициент конвективной теплоотдачи от внутренней стенки канала приточному воздуху dtnp, Вт/(м20С), рекомендуется определять по формуле [11]: dnp = 2,65 wnp 5 (S- ЗД-0 5. (4.10) Общий коэффициент теплоотдачи приточного канала апр включает в себя также коэффициент лучистого теплообмена между его поверхностями of, которые в отличие от трубной ТКСВ могут иметь различную температуру. Величину о?пр, по данным [11], можно принять равной 5,5 Вт/(м2 С), тогда: пр ( пр "- пр «npjt " Э,Э .
Как было отмечено выше, скорости приточного воздуха в конце каналов (при принятой постоянной величине А = 0,19 м) становятся соизмеримыми с подвижностью воздуха в помещении. С одной стороны, это снижает риск образования сквозняков в зоне действия приточных струй, а с другой - внутренний воздух как более теплый под действием гравитационных сил может поступать в конечные участки приточных каналов, создавая тормозящий эффект и повышая за счет смешивания с приточным воздухом его температуру. В результате, если не принять необходимых мер, часть поверхности теплообмена может выключиться из процесса конденсатообразования, а внутри приточных каналов может образовываться конденсат из воздуха помещения.
