автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Влияние параметров микроклимата производственных помещений агропромышленного комплекса (АПК) на условия труда людей и продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц.

1.2 Воздушно-тепловые завесы (ВТЗ) как средство сохранения нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК.

1.2.1 Классификация воздушных и воздушно-тепловых завес.

1.2.2 Анализ конструктивного исполнения завес.

1.3 Анализ методов расчета траектории струи завесы в поперечном потоке воздуха через дверной проем.

1.4 Выводы и задачи исследования.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ВТЗ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ НОРМИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ АПК.

2.1 Теоретические исследования влияния типа воздухообмена через дверные проемы на параметры ВТЗ.

2.2 Теоретические исследования взаимодействия струи ВТЗ с поперечным потоком воздуха, проникающим через открытые дверные проемы.

2.2.1 Струя - динамическая структура, обладающая упругими свойствами.

2.2.2 Уравнение траектории струи в сносящем потоке.

2.2.3 Угол наклона струи ВТЗ.

2.2.4 Сравнение результатов теоретических исследований траектории струи в сносящем потоке с экспериментальными данными, опубликоваными в литературе.

2.3 Расчет воздухораспределителя равномерной раздачи.

2.4 Теоретическое обоснование возможности создания эффективной струи ВТЗ с уменьшенным расходом воздуха.

2.4.1 Обоснование создания плоской струи ВТЗ из ряда круглых струй

2.4.2 Обоснование создания плоской струи с уменьшенным углом раскрытия.

2.5 Выводы по главе.

3 МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Цели, задачи и программа экспериментальных исследований.

3.2 Приборы, измерительная аппаратура и оценка погрешности измерений

3.3 Методика и результаты лабораторных исследований по определению оптимального расположения круглых струй для получения плоской струи с уменьшенным углом раскрытия.

3.4 Методика и результаты стендовых испытаний воздухораспределителей равномерной раздачи.

3.5 Методика и результаты промышленных испытаний воздушно-тепловых завес.

3.6 Выводы по главе.

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ, ВНЕДРЕНИЕ ВТЗ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ.

4.1 Проектирование ВТЗ.

4.2 Инженерный метод расчета ВТЗ.

4.3 Внедрение ВТЗ и социально-экономический эффект от ее применения.

4.4 Выводы по главе.

ВЫВОДЫ.

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 помещения проникают большие массы наружного воздуха. При этом происходит резкое изменение параметров микроклимата, что оказывает негативное влияние на здоровье и производительность труда людей, а также на жизнедеятельность и продуктивность животных и птиц.

Для предотвращения попадания холодного воздуха в помещения рекомендуют использовать воздушно-тепловые завесы (ВТЗ). Однако, современные типовые завесы очень ресурсоемкие, т.к. имеют большой расход нагреваемого воздуха, поэтому они практически не применяются.

Снижения ресурсоемкости ВТЗ можно достичь путем изменения структуры струи завесы с целью уменьшения расхода воздуха, с одной стороны, и усовершенствования метода расчета траектории и дальнобойности струи в поперечном потоке воздуха, возникающего в открытом дверном проеме.

Цель работы. Создание ресурсосберегающей воздушно-тепловой завесы для производственных помещений АПК.

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 дверные проемы.

Методика исследования. В качестве основных методик применялись: логика научных исследований, методы математического анализа, методы лабораторных исследований аэродинамических характеристик потоков, стендовые и промышленные испытания установок ВТЗ.

Научная новизна: - теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность уменьшения расхода воздуха завесой за счет получения плоской струи из системы круглых струй;

- экспериментально получены конструктивные параметры воздухораспределителя, состоящего из трех рядов круглых сопел;

- теоретически определен аэродинамический коэффициент воздействия сносящего потока на струю завесы, который позволил получить уравнение траектории оси струи завесы;

- впервые получено соотношение для угла между векторами начальной скорости струи завесы и сносящего потока.

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 предприятиях: цех переработки гречки в пос. Увель-ский, сельскохозяйственный производственный кооператив «Профинтерн» в п.Домбаровский Оренбургской области, магазин «Теорема», ООО «Предприятие «СД», Копейский кирпичный завод и др.

Полученные автором результаты используются в процессе изучения студентами Челябинского государственного агроинженерного университета дисциплин «Теплотехника», «Микроклимат помещений», а также при выполнении дипломных проектов.

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); на 53-ей научно-технической конференции (секция теплофизики и микроклимата зданий, ЮУрГУ, Челябинск, 2001); на Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» (ЮУрГУ, Челябинск, 13-15 октября 2004г.); на XLIV международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (ЧГАУ, 2005); на Юбилейной XLV Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (ЧГАУ, 2006).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 научных работах.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Уравнение траектории оси струи завесы

2 2 PwW У х = yctga0 pv0v20 b0 sina0

2. Угол между векторами начальной скорости струи завесы и поперечного потока определяется соотношением pww2B cosa0 - 2—.

Pv ov<A

3. Струя завесы формируется 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 (р =2°. 3°.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 117 наименований и 14 приложений.

Основные выводы и научные результаты заключаются в следующем.

1. В работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи - уменьшение ресурсоемкости воздушно-тепловой завесы для поддержания нормируемых параметров микроклимата производственных помещений АПК.

2. В результате теоретических исследований получено:

- значение аэродинамического коэффициента давления внешнего потока на струю завесы сп = 4 и уравнение траектории оси струи завесы (2.28), учитывающее отношение динамических давлений потоков;

- уравнение для определения угла между векторами начальной скорости струи и сносящего потока (2.29).

3. Теоретически обосновано создание ВТЗ с уменьшенным расходом воздуха и уменьшенным углом раскрытия за счет формирования плоской струи завесы с помощью системы круглых струй.

4. Экспериментально определены конструктивные параметры разработанного воздухораспределителя-сопловика: расстояние между двумя основными рядами сопел диаметром d составляет h = 4,5d, расстояние между основными соплами в ряду S « 8d, угол между осями сопел составляет ф = 2.30, третий вспомогательный ряд сопел диаметром d\ « 0,6d расположен между двумя основными в шахматном порядке.

5. Установлено, что изменение осевой скорости струи завесы по ее длине описывается зависимостью для круглой струи с радиусом, равным среднему радиусу сопел; изменение же осевой температуры - зависимостью для плоской струи с полушириной щели, равной среднему радиусу сопел.

6. Разработаны типоряд воздухораспределителей для наиболее часто встречающихся размеров дверных проемов, а также инженерный метод расчета и проектирования ВТЗ, позволяющий осуществлять выбор параметров завесы максимально приближенный к условиям воздухообмена через дверной проем.

7. Сравнительный анализ показал, что предлагаемая ВТЗ имеет ряд преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время завесами, имеющими воздухораспределитель щелевого типа:

- более высокие адаптационные возможности за счет меньшего количества элементов устройства, меньшей массы оборудования (в 3.4 раза), использования различных схем расположения;

- меньший расход по воздуху, а, следовательно, и по тепловой энергии в 2.4 раза;

- меньшую стоимость всей установки в 2.4 раза.

110

1. Абрамович Г.Н. Теория свободной струи и ее приложения. Труды ЦАГИ, 1936. - Вып. 293.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. -715с.

3. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. Труды ЦАГИ, 1940. Вып. 512.

4. Андронов Ф.И. Российская специфика выбора воздушных тепловых завес // журнал "СОК", 2004. №10.

5. Бакулев В.И., Голубев В.А., Макаров И.С. Расчет системы струй в сносящем потоке // Исследование двухфазных магнитогидродинамических и закрученных турбулентных струй: Тр. МАИ, 1972. Вып. 248. - С. 112-129.

6. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1990.

7. Батурин В.В. Проектирование воздушных завес. М.: Профиздат, 1941.

8. Батурин В.В., Шепелев И.А. Воздушные завесы // Отопление и вентиляция, 1936. № 5.

9. Батурин В.В., Шепелев И.А. Результаты испытания воздушных завес // Отопление и вентиляция, 1939. № 7.

10. Батурин В.В., Эльтерман В.М. Аэрация промышленных зданий. М., 1963.-320с.

11. Богословский В.Н., Щеглов В.П. Отопление и вентиляция. М.: Строй-издат, 1970.-303 с.

12. Ботвинник С.В., Панкратьев В.М., Коньков В.П. Реконструкция ферм крупного рогатого скота. М.: Россельхозиздат, 1987.

13. Бронфман Л.И. Методы и средства формирования рационального микроклимата в животноводческих помещениях : Дис. на соискание уч. степени доктора тех. наук, 1989.

14. Бутаков С. Е. Расчет воздушных завес у ворот // Бутаков С. Е. Аэродинамика систем промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1949. Гл. XI.-С. 162-172.

15. Вентиляция и кондиционирование воздуха: Справочник проектировщика / Под ред. И.Г. Староверова. М., 1977. — 503 с.

16. Воздушно-тепловые завесы для ворот промышленных зданий, серия 1494-2 / ЦНИИПРОМЗданий. М, 1979. - Вып 12.

17. Воздушные завесы // журнал "Энергослужба предприятия" / Технический отдел "Веза", 2004. №5.

18. Гигиена сельскохозяйственных животных: В 2 кн. Кн. 1. Общая зоогигиена / Кузнецов А.Ф., Демчук М.В., Карелин А.И. и др. М.: Агро-промиздат, 1991. -399 с.

19. Гигиена сельскохозяйственных животных: В 2 кн. Кн. 2. Частная зоогигиена / Кузнецов А.Ф., Демчук М.В., Карелин А.И. и др. М.: Агро-промиздат, 1992. - 192 с.

20. Гиршович Т.А. Теоретическое и экспериментальное исследования плоской турбулентной струи в сносящем потоке // Известия АН СССР. МЖГ, 1966. № 5. - С. 121-126.

21. Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. М.: Машиностроение, 1993. - 256 с.

22. Голубев В.А., Майоров JI.E., Макаров И.С. Однорядная система струй в сносящем потоке // Известия вузов. Сер. Авиационная техника, 1973. -№ 1.-С. 108-111.

23. Дискин М. Е. Еще раз о расчете воздушных завес // АВОК, 2004. № 3. - С. 2-5.

24. Дискин М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес // АВОК, 2003. № 7. - С. 58-64.

25. Добросельский К.Г. Изменение осевых значений скорости и температуры в струе, сносимой поперечным потоком. // Вестник. Амур. гос. унта. Сер. естеств. и экон. наук, 2002. № 19. - С. 27-29.

26. Дроздов В.Ф. Отопление и вентиляция: Учеб. пособие. В 2-х ч. 4.2. Вентиляция. — М.: Высш. шк., 1984. 263 с.

27. Егиазаров А.Г., Кокорин О.Я., Прыгунов Ю.М. Отопление и вентиляция сельскохозяйственных зданий. — Киев: Бущвельник, 1976. 224с.

28. Жукова JI.A., Макаров И.С., Худенко Б.Г. Смешение плоскопараллельных турбулентных струй // Известия вузов. Авиационная техника, 1964.- № 4.

29. Злобин В.В. Исследование перемешивания системы струй с поперечным потоком в канале // ИФЖ, 1972. Т. 23. - № 3. - С. 541-544.

30. Злобин В.В. Исследование системы струй в поперечном потоке в канале // Известия АН ЭССР. Физика и математика, 1971. № 1.

31. Злобин В.В., Иванов Ю.В. Глубина проникновения однорядной системы круглых струй, развивающихся в ограниченном поперечном потоке // Известия АН ЭССР. Физика и математика, 1968. № 3.

32. Иванов О.П., Мамченко B.C. Аэродинамика и вентиляторы. JL, 1986.- 280 с.

33. Иванов Ю.В. Экспериментальное исследование струй, развивающихся в потоке // В сб. «Теория и расчет турбулентных струй». JL, 1965. - С. 136-172.

34. Иванов Ю.В. Эффективное сжигание надслойных горючих газов в топках. Таллинн: Эстгиз, 1959. - 328 с.

35. Иванов Ю.В., Злобин В.В. Однорядная система круглых струй в ограниченном поперечном потоке // Известия АН ЭССР. Физика и математика, 1968.-№4.

36. Интегрированная подсистема автоматизированного проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Воздушно-тепловые балансы промзданий. Программный комплекс "Завеса". МОФАП, 1990.

37. Каменев П.Н. Отопление и вентиляция. Ч. И. Вентиляция. М.: Строй-издат, 1966.-480 с.

38. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М., 1970.

39. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 366 с.

40. Киссин М.И. Отопление и вентиляция.Ч.1. Отопление. М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству и архитектуре, 1955. — 391 с.

41. Копьев С.Ф., Качанов Н.Ф. Основы теплогазоснабжения и вентиляции. М.: Стройиздат, 1964. - 228 с.

42. Кравчук Е. Улучшение микроклимата помещений // Свиноводство, 1989.-№ Ю.-С. 30.

43. Крашенинников С.Ю., Рогальская Е.Г. Распространение струй из прямоугольных сопел, свободных и вблизи экрана // Известия АН СССР. МЖГ, 1979. № 4.

44. Круглов Г.А., Круглова Е.С. Динамическая упругость турбулентной струи. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2000. - 65с.

45. Круглов Г.А., Круглова Е.С. Обеспыливание процесса загрузки вагонов сыпучим материалом / Деп. в ЦНИИЭуголь 30.01.95, № 5488.

46. Круглов Г.А., Круглова Е.С. Развитие струи в сносящем потоке // Строительство и образование: сб. науч. тр. / УГТУ УПИ- Екатеринбург, 2000. Вып.4. - С. 165-167.

47. Круглов Г.А., Круглова Е.С. Уменьшение ресурсоемкости воздушно-тепловой завесы за счет совершенствования структуры струи // Безопасность жизнедеятельности: сб. науч. тр. / ЧГТУ. — Челябинск:, 1998 -С. 24-28.

48. Круглов Г.А., Купин А.Н. Мониторинг и ресурсосбережение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Челябинск: Рекпол, 1998.- 192 с.

49. Круглова Е.С., Круглов Г.А. Расчет воздухораспределителя для ресурсосберегающей воздушно-тепловой завесы // Вестник ЧГАУ. 2005. -Том 44.-С. 83-86.

50. Круглова Е.С., Круглов Г.А Расчет траектории воздушной завесы // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» / ЮУрГУ. Челябинск, 13-15 октября 2004г.

51. Лабораторный практикум по теплогазоснабжению и вентиляции / Под ред. Одельского Э.Х., Мухина О.А. Мн.: Вышейшая школа, 1973. -208с.

52. Латышев А., Зеленев В. Реконструкция на свинокомплексах Сибири // Свиноводство, 1984. № 7. - с. 28.

53. Никулин М. В. Теплообмен струи воздушной завесы // Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств : Межвуз. сб. / КИСИ. Казань, 1989.

54. Никулин М. В., Савин В. К., Стронгин А. С. Экспериментальные исследования теплообмена струй воздушных завес // Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств : Межвуз. сб. / КИСИ. Казань, 1991.

55. Никулин М.В., Стронгин Ф.С. Метод расчета воздушных завес на наружном воздухе // Повыш. эффектов, систем обеспеч. микроклимата пром.зданий.-М., 1991.-С. 63-76.

56. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: Жилые здания со встроено-проистроенноенными помещениями общественного назначения и стоянками автомобилей. Коттеджи: Справочное пособие. М.: Пантори, 2003. - 308 с.

57. Отопление и вентиляция. Учебник для вузов. В 2-х ч. Ч. 2. Вентиляция / Под ред. В.Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1976. - 439 с.

58. Плященко С.И., Сидоров В.Т., Трофимов А.Ф. Микроклимат коровников различных проектных и технологических решений // Ветеринария, 1983.-№8.-С. 20-23.

59. Раяк М.Б., Тверитин А.В. Совершенствование систем управления микроклиматом в животноводческих помещениях. Обзорная информация. -М.: ВНИИТЭИСХ, 1983. С. 58.

60. Ресурсосберегающие воздушно-тепловые завесы ВТЗ-У1, ВТЗ-У2, ВТЗ-УЗ. Челябинский ЦНТИ, Информационный листок № 52 98, 1998.

61. Сазонов Э.В. К расчету воздушных завес шиберующего типа // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1985. № 4. - С. 84-86.

62. Сазонов Э.В., Черниговская JI.A., Дорохов А.У. Оптимизация параметров работы и расчет воздушных завес // Изв. Вузов. Строительство, 1999.-№9.-С. 73-77.

63. Смирных Е.А. Численное моделирование структуры течения в струйной завесе//Пром. аэродинам., 1991.-№4.-С. 133-145.

64. Сорока Б.С., Пьяных К.Е. Развитие струй в сносящем потоке при сжигании топлива // Экотехнол. и ресурсосбережение, 2001. № 2, С. 59-66.

65. Стронгин А.С., Никулин М.В. К вопросу о расчете воздушно-тепловых завес //АВОК, 2004.-№ 1.

66. Стронгин А. С., Никулин М. В. Новый подход к расчету воздушно-тепловых завес // Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура, 1991. № 1.

67. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции: Учеб. пособие для вузов. М: Стройиздат, 1979.-295 с.

68. Татарчук Г. Т. Уточнение метода расчета воздушных завес // Отопление и вентиляция промышленных и сельскохозяйственных зданий : сб. науч. тр. / НИСИ. Новосибирск, 1966. - № 16.

69. Теория турбулентных струй / Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. М.: Наука, 1984. -716 с.

70. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха : Учебник для вузов / В.М. Гусев, Н.И. Ковалев, В.П. Попов, В.А. По-трошков. JL: Стройиздат, 1981. - 343 с.

71. Тучемский Л.И. Технология выращивания высокопродуктивных цыплят-бройлеров. Сергиев Посад, 2001.

72. Уфимцев Г.Н., Белотелова Л.П. К расчету воздушных завес // Отопление и вентиляция, 1940. № 3. - С. 7-10.

73. Флакс Л.М. Экспериментальные исследования взаимодействия ограниченного потока с плоской поперечной струей // Теор. и эксперим. методы гидроаэромех. и теории упругости : Межвуз. сб. науч. тр. Днепропетровск, 1990.-С. 57-61.

74. Худенко Б.Г. Деформация осей плоскопараллельных струй при их взаимоэжекции // Изв. Вузов. Авиационная техника, 1966, № 2.

75. Шандоров Г.С. Истечение из канала в неподвижную и движущуюся среду. // ЖТФ, 1951. Т. XXVII. - Вып. 1.

76. Шепелев И.А. Воздушные завесы. М.: Изд. Бюро новой техники, 1947.

77. Шепелев И.А. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. М.-Л., Стройиздат, 1950. — 139 с.81