Расчет микроклимата в птичнике

Расчет микроклимата в птичнике

1. Введение

Применение теплоты в с.х. получило широкое распространение в виду того, что теплофикация с.х. технологических процессов позволяет существенно увеличить объемы производства продукции. Основные потребители теплоты в с.х. - животноводство и птицеводство.

Создание и поддержание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях комплексов и ферм, на птицефабриках - один из определяющих факторов в обеспечении здоровья животных и птицы, их воспроизводственной способности и получения от них максимума продукции при высокой рентабельности производства. Это имеет также важное значение для продления срока службы конструкций зданий, улучшения эксплуатации технологического оборудования и условий труда обслуживающего персонала.

Использование электроэнергии в системах теплофикации с.х. производства имеет ряд преимуществ перед другими источниками энергии: относительная безопасность, выгодное использования при децентрализованном теплоснабжении, компактность.

В данной КР мы рассмотрим проектирование установки для создания микроклимата в птичнике на 16 тыс. голов птицефабрики “ Карповская ”.

2. Характеристика объекта

Птицефабрика “Карповская” расположена близ поселка “Новый Рогаик”. Предприятие основано в 1974 г., приватизировано холдингом ООО “Фригат-Юг” в 1997 г. Птицефабрика специализируется на мясном производстве цыплят-бройлеров, на сегодняшний день объем производства составляет 22800 тонн в год.

Предприятие включает в себя: 42 птичника, 2 инкубатора, профилактории, кормоцех, ветеринарные блоки, убойный цех, склад и т.д.

Электроснабжение объекта осуществляется от подстанции “Карповская” по кабельным линиям 10 кВ. На балансе предприятия находится 5 двух трансформаторных ТП мощность каждой 630 кВА. Также имеется дизельный генератор мощностью 63 кВА. Установленная мощность токоприемников: силовое оборудование 2032,8 кВА; тепловая 377,2 кВА; вентиляционное 1526,8 кВА; коммунально-бытовое 738,8 кВА. Годовое потребление электроэнергии в целом по 3830460 кВт×ч.

Птичник на 16 тыс. голов имеет размеры 72´18´3 м. Стены их железобетонных плит (толщина 20 см), покрытых слоем штукатурки (толщина 2 см). Пол из железобетонных плит и керамзита (толщина 40 см). Подстилка, используемая в птичнике - слой соломы 10 см. Отопление на объекте производится за счет четырех подвесных газогенераторов мощностью 70 кВт каждый. Крыша из железобетонных конструкций, покрыта рубероидом (толщина 1 см).

3. Определение теплопотерь помещения

.1 Определение теплопотерь через наружные ограждения

Теплопотери через все наружные ограждения определяются по формуле

где  - сопротивление теплопередаче ограждения;

 - поверхность ограждения, м²;

 - расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, °С;

 - поправочный коэффициент для наружных стен и полов на грунте 1, для ограждений отделяющих отапливаемы помещения от не отапливаемых 0,4…0,7;

i - номер поверхности ограждения;

k - общее количество ограждений.

Расчетная температура наружного воздуха определяется как средняя температура наиболее холодной температуры в течении 5 дней в данной местности [1], а расчетная температура внутреннего воздуха для цыплят-бройлеров [4]:

 °С; °С.

Сопротивление теплопередачи ограждения

где  - термическое сопротивление тепловосприятию внутренней поверхности ограждения, м²×°С/Вт [2];

 - термическое сопротивление теплопроводности отделочных слоев ограждения толщиной  (м), выполненных из материала с коэффициентом теплопроводности , Вт/м×°С [2];

 - термическое сопротивление теплоотдаче наружной поверхности ограждения, м²×°С/Вт [2];

Поскольку в конструкции полов предусмотрен слой керамзита, они считаются утепленными

где  - сопротивление теплопередаче утепляющего слоя, м²×°С/Вт [2];

 - сопротивление утепляющего слоя;

 - сопротивление остальных слоев пола.

Потери теплоты через не утепленные полы определяют по зонам шириной 2 м, параллельным наружным стенам. Зоны нумеруют по порядку, начиная от наружных стен. Сопротивление теплопередачи для 1^й зоны составляет 2,15; для второй - 4,3; третьей - 8,6; для остальной площади пола 14,2. Площадь участков пола, примыкающих к углам первой зоны, вводится в расчет дважды.

;

;

;

;

;

;

Помимо основных потерь необходимо учитывать добавочные потери, зависящие от ориентации здания по отношению к сторонам света и другие факторы [1]

;

;

;

;

Таким образом тепловые потери через наружные ограждений составляют

.2 Определение вентиляционных теплопотерь

где  - производительность вентиляционных установок, м³/ч;

 - средняя удельная массовая теплоемкость воздуха, ;

 - плотность воздуха при наружной температуре воздуха, кг/м³;

Производительность вентиляционных установок находится по удалению избыточной влаги и углекислоты. В качестве расчетного принимается большее значение расхода. Ниже рассмотрено определение этого расхода:

Количество приточного воздуха, необходимого для понижения концентрации углекислоты:

где  - количество СО₂, выделяемое одной птицей;

 - количество животных данного вида в помещении, ;

 - предельно допустимая концентрация СО₂ в воздухе помещения, л/м³. Согласно [3]  л/м³;

 - концентрация СО₂ в наружном воздухе,  л/м³.

 м³/ч

Количество приточного воздуха, необходимого для растворения водяных паров

где  - суммарное влаговыделение в птичнике, г/ч;

 - влагосодержание воздуха помещения, г/кг сухого воздуха;

 - влагосодержание наружного воздуха, г/кг сухого воздуха;

 - плотность воздуха при температуре помещения, кг/м³;  кг/м³.

Общее влаговыделение в птичнике

где  - количество водяных паров, выделяемых птицами;

 - количество влаги, испаряющейся из помета;

 - среднесуточный выход помета от одной птицы. По [2]  г/сут.

 г/ч

 г/ч

 г/ч

 м³/ч

Принимаем наибольший воздухообмен  м³/ч. Согласно санитарно-гигиеническим требованиям [3], в холодное время года оптимальное количество свежего воздуха подаваемого в птичнике - 0,7 м³/ч на 1 кг живой массы. Это условие соблюдается. Тогда по формуле 5

 Вт

.3 Определение количества, выделяемого птицей

где  - норма выделения свободной теплоты одной птицей. По [2]  Вт;

 - коэффициент, учитывающий снижение тепловыделений от птицы в состоянии покоя в ночное время. Однако примем этот коэффициент равным 0,8 поскольку на используется технология “увеличенного светового дня”.

 Вт

.4 Определение потребной мощности ЭКУ

где  - полезная мощность калорифера;

 - КПД калорифера. , т.к. калорифер находится в обогреваемом помещении.

 Вт

 Вт

Введем коэффициент запаса, т.к. надо учитывать старение нагревателей .

 Вт

4. Расчет системы вентиляции

Определив потребную мощность калориферных установок, а также необходимый воздухообмен, разрабатываем систему вентиляции, учитывая, что оптимальная скорость движения воздуха для цыплят-бройлеров составляет 0,2…0,3 м/с.

На рисунке 1 изображена выбранная система вентиляции. Принцип работы состоит в том, что горячий воздух из калорифера по трубопроводам, проложенным под потолком, поступает через отверстия в верхние слои воздуха помещений. Холодный воздух, насыщенный вредными газами, удаляется посредствам вентиляторов, расположенных равномерно вдоль боковых стен здания. Такая система вентиляции позволяет добиться равномерного обогрева помещения и равномерного его вентилирования, что является одним из определяющих факторов при выращивании цыплят-бройлеров.

Мощность и производительность одного калорифера

 Вт

 м³/с

Количество отверстий выпускных в одном воздуховоде примем равным 30 - через каждый 1 м длины, согласно рекомендациям [7]. Скорость движения в магистрали находится в пределах 6…9 м/с, а в выходных отверстиях 0,2…0,3 м/с. Зная геометрические размеры воздуховодов (рис. 1), определим их сечения.

Определим сечение магистрального воздуховода

Поскольку  м/с, то S по формуле (15) лежит в пределах: 0,101…0,1515 м². выберем круглый воздуховод стальной диаметром: 0,359…0,4392 м - выбираем стандартный диаметр 400 мм. Следовательно в магистральном воздуховоде:  мм,  м²,  м/с.

Упрощено определим диаметр выпускных отверстий. Поскольку расход одного калорифера равен 0,909 м³/с, то расход в каждом из отверстий (30 ед.) равен  м³/с. Согласно тому, что рекомендуемая скорость равна 0,2…0,3 м/с, то по формуле 15 определим сечение и диаметр и выберем стандартные значения:  мм,  м²,  м/с.

Теперь необходимо подобрать вентилятор, обеспечивающий требуемый расход и скорость воздуха при выбранной схеме вентиляции.

Напор вентилятора, необходимый для преодоления сопротивления в трубопроводе равен:

где  - потери напора в трубопроводе, Па;

 - потери напора от местных сопротивлений, Па;

 - потери напора в калорифере, Па.

где  - коэффициент трения в воздуховоде (0,02…0,03);

 - скорость воздуха в i^ом участке, м/с;

 - длина и диаметр i^го участка, м.

 Па

где  - сумма коэффициентов местных сопротивлений для отдельных элементов системы. Согласно [7] колено с плавным закруглением , жалюзийная решетка на входе в трубу .

 Па

 Па

 Па

Зная расход и напор, по аэродинамическим характеристикам [1] определим рабочую точку выбранного вентилятора Ц4-70 №5:  об/мин, . Выбираем центробежный вентилятор Ц4-70 с клиноременной передачей

Мощность электродвигателя для привода вентилятора

где  - расход, м³/с;

 - полный напор, Па;

 - КПД вентилятора и передачи;

 - коэффициент запаса, по [2] ;

По справочной литературе выбираем двигатель [8]: АИР80В6 кВт, %, об/мин, , ,  кг.

По аналогии определим вытяжную систему вентиляции. Установим 20 вентиляторов Ц4-20. АИР36А6 кВт,  %, об/мин, , ,  кг.

5. Выбор стандартной ЭКУ

микроклимат теплопотеря вентиляция управление

Согласна расчетам выбираем калорифер СФОЦ - 100/0,5 Т:

Поскольку требования для конкретного объекта отличаются от тех, которые обеспечивает выбранный калорифер, необходимо внести ряд изменений. Во-первых, установить выбранный вентилятор Ц4-70 с ЭД АИР80В6. Поскольку подача данного вентилятора ниже, чем у стандартного, необходимо учесть, что понизится интенсивность теплосъема с ТЭНов. В связи с этим выберем ТЭНы оребрённые и расположим их в 3 ряда в шахматном порядке. Проверим подходят ли замены.

6. Проверочный расчет ЭКУ

Одно из основных условий работы ТЭНа:

°С

где  - температура поверхности нагревательного элемента, °С.

где  - температура входящего воздуха, °С.

 - установленная электрическая мощность ТЭНа, Вт;

 - площадь теплоотдающей поверхности, м²;

 - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²×°С.

По справочным данным [9] выбираем ТЭН 5НТ423382:  кВт,  В,  м²,  м,  м,  м,  м,  м (высота ребра),  м (шаг оребрения).

Определим коэффициент теплоотдачи при шахматном расположении

где  - наружный диаметр ТЭНа, м.  м.

 - толщина ребра, м.  м.

 -коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с. По [1].

 - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²×°С. По [1].

Температура поверхности ТЭНа необходимо рассчитать как на входе в нагревательную камеру, так и для каждого ряда ТЭНов

где  - живое сечение нагреваемой камеры, м².

где  - размеры нагревательной камеры, м;

 - площадь поперечного сечения всех ТЭНов в ряду, м².

 м²

 м²

 м/с

 °С

 °С

Поскольку обе температуры удовлетворяют условию, следовательно оборудование выбрано верно. Однако температура поверхности ТЭНов 1^го ряда ниже допустимой свыше чем на 10 %. В связи с этим для повышения КПД и снижения затрат выбираем для первого ряда ТЭН 5НТ422381.  °С.

7. Разработка схемы управления и расчет параметров регулирования

.2 Разработка схемы управления

Схема управления ЭКУ имеет 2 режима работы: ручной и автоматический. Схема выполнена таким образом, что будет работать только при включенном двигателе т.к автомат QF2 имеет вспомогательные контакты QF2:4 в управлении, который будет замкнут, а следовательно и схема получит питание при замкнутых контактах в силовой цепи.

О том, что схема находится под напряжением будет сигнализировать лампа HL1.

Переключатель SA1 предназначен для перевода схемы в ручной или автоматический режим работы.

При ручном режиме, регулируется мощность калорифера осуществляется с помощью переключателя SA4, которым включается одна, две или три секции ТЭНов калорифера, при этом переключатели SA2 и SA3 должны находится в положении ручного регулирования.

В автоматическом режиме регулирование катушки магнитных пускателей оказывается под напряжением, магнитные пускатели КМ1:1..3, КМ2, КМ3 замыкают свои контакты КМ1:4, КМ2:4, КМ3:4 в цепи управления, которые запитывают лампы HL2, HL3, HL4.

Лампы HL2, HL3, HL4 сигнализируют о том, что включены все три секции ТЭНов электро-калорифера. При достижении почвой температуры 22⁰С датчик температуры размыкает свой контакт SK1.Катушка КМ1 (реле) обесточивается и размыкает свои контакты КМ1:1..3 в силовой цепи. Одна секция ТЭНов в калорифере отключается. При достижении температуры 24⁰С датчик температуры размыкает свой контакт SK2 обеспечивается и размыкает свои контакты КМ2:1..3 в силовой цепи, также размыкается свои контакты КМ2:4, в цепи управление лампочка HL3 гаснет, что сигнализирует о том, что отключена вторая секция ТЭНов калорифера.

При превышении температуры почвы 25 ^оС датчик температуры размыкает свой контакт SK3 катушка реле КМ3 обеспечивается и размыкает свои контакты КМ3:1..3 в силовой цепи и контакт КМ3:4 в цепи управление, лампочка HL4 гаснет

.2 Расчет параметров регулирования

Передаточная функция объекта

где  - коэффициент передачи объекта, о.е.;

 - постоянная времени нагрева, с;

 - время запаздывания, с.

Постоянная времени нагрева

где  - теплоемкость объекта, Дж/°С;

 - коэффициент теплопередачи объекта, Вт/°С;

 - производительность вентилятора, м³/с.

 Дж/°С

где  - удельная тепловая характеристика здания, Вт/м³×°С.  Вт/м³×°С;

 - коэффициент, учитывающий влияние расчетной разности температур.

 Вт/°С

 с

Время запаздывания принимаем равным 20 с.

Коэффициент передачи объекта

где  - расчетная тепловая мощность ЭКУ, обеспечивающая поддержание заданной внутренней температуры помещения при заданной наружной температуре

Граничные значения наружных температур при включении 1, 2, 3 секциях

где  - мощность 1, 2, 3 степеней всех ЭКУ

 °С

 °С (при  Вт)

 °С (при  Вт)

Температура определяющая начало или конец отопительного периода

 °С

Ниже приведем пример расчета параметров регулирования для 1^й ступени ( Вт). Для остальных ступеней рассчитаем параметры аналогично изложенной методике. Результаты сведем в таблицу 1.

. Расчетная тепловая мощность при  °С

 Вт

. Глубина регулирования

. Регулирующее воздействие регулятора:

при включенной ЭКУ:

при выключенной ЭКУ:

. Уставка по температуре

где  - относительная статическая ошибка регулирования

где  - коэффициент передачи объекта

 °С

. Уставка дифференциала

где  - зона неоднозначности регулирования, о.е.

где  - допустимый относительный диапазон колебаний температур помещения около заданного значения, определяемый зоотехническими нормами

 °С

. Длительность включенного состояния ЭКУ

 с

. Длительность паузы

 с

. Период колебаний

 с

. Частота переключений в час

 ед./ч

. Максимальные положительных и отрицательных отклонений температур

 °С

 °С

Таблица 1. Параметры регулирования.

8. Расчет силовой цепи

Номинальные токи участков, питающих ЭКУ

 А

Номинальные токи участков, питающих ЭД вентиляторов

 А

Номинальные токи на участках от ШР до ЩУ

 А

Номинальные токи на вводе в ШР

 А

Выбор аппаратов защиты.

Предохранители для нагревателей

По справочным данным [8] выбираем предохранитель ПН2-250.

Автоматические выключатели для двигателей

 А

 А

По справочным данным [8] выбираем ВА47-29.

Выбор сечения кабелей по длительно допустимому току. Для ЭКУ выбираем ВВГ 5х120, для ЭД - ВВГ 5х2,5.

9. Определение эксплуатационных показателей

Определим мощность, потребляемую ЭД из сети:

 Вт

Расход электроэнергии на обогрев  ч:

 кВт×ч

Расход электроэнергии при отоплении на ручном управлении:

где  и  - длительность отопления и суммарная мощность ЭКУ на определенный период. Согласно [7, 1] весь отопительный период (5760 ч) разобьем на участки.

 ч; °С; кВт

 ч; °С; кВт

 ч; °С; кВт

 ч; °С; кВт

 ч; °С; кВт

 кВт×ч

Расход электроэнергии при отоплении на автоматическом управлении:

где  - относительное время включенного состояния определяется для определения i^го периода.

 Вт;

 Вт;

 Вт;

 Вт;

Суммарный расход электроэнергии при ручном управлении:

 кВт×ч

Суммарный расход электроэнергии при автоматическом управлении:

 кВт×ч

Суммарный удельный расход на одну голову за сезон при ручном управлении:

 кВт×ч/гол

Суммарный удельный расход на одну голову за сезон при автоматическом управлении:

 кВт×ч/гол

Перерасход электроэнергии при ручном управлении

 %

Как видно из расчета, применение автоматического управления позволяет экономить 12 % электроэнергии.

10. Заключение

Проведя расчет системы отопления птичника на 16 тыс. голов , можно сделать некоторые выводы. Во-первых, большое значение для проектирования отопления имеет теплоизоляция здания. Чем она лучше выполнена, тем больше электроэнергии будет экономиться. Во-вторых, стандартные ЭКУ можно изменять за счет вентиляторов, ТЭНов. Это позволяет точно подобрать параметры микроклимата и поддерживать их в нужных пределах. Применение калориферов выгодно, т.к. их КПД примерно равен 1. Также следует отметить экологичность данного способа обогрева. Система автоматизации позволяет не только экономить электроэнергию, но и снизить расходы на оплату труда обслуживающего персонала. Эти показатели свидетельствуют об эффективности автоматизированного электрического обогрева птицеводческих помещений при выращивании цыплят-бройлеров.

Список литературы

1. Захаров А. А. Применение теплоты в сельском хозяйстве. - М. Агропромиздат, 1986 г.

. Савчук В.Н., Юдаев И.В. Проект электрокалориферной установки для отопительно-вентиляционной системы животноводческого помещение; методические указание сост.: В. Н. Сивчук, И. В. Юдаев; 1991 г.

. Бессорабов Б. Ф. Птицеводство и технологии производства яиц и мяса птиц: Учебник. - СПб. Издательство “Лань”, 2005 г.

. Толстопятов М. В. Птицеводство: Учебное пособие/М. В. Толстопятов; ВГСХА - Волгоград, 2005 г.

. СНиП 2.04.05-91*

. ГОСТ 12.4.081-75

. Каганов И. Л. Курсовое и дипломное проектирование. - М. Агропромиздат, 1990 г.

. Кисаринов Р. А. Справочник электрика. - М. КП РадиоСофт, 2005 г.

. Альтгаузен А. П., Гутман М. Б. Низкотемпературный электронагрев. - М.: Энергия, 1978 г.