автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Электрифицированная система теплового комфорта поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника

На правах рукописи

ЕПИШКОВ Егор Николаевич

ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВОГО

КОМФОРТА ПОРОСЯТ-СОСУНОВ В УСЛОВИЯХ НЕОТАПЛИВАЕМОГО СВИНАРНИКА-МАТОЧНИКА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ Ш

Челябинск — 2013

005539297

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Кабанов Иван Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Знаев Александр Степанович

Официальные оппоненты: Делягин Валерий Николаевич,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией энергетики и электрификации сельского хозяйства ГНУ «Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии

Уразов Сергей Игоревич,

кандидат технических наук, доцент кафедры применения электрической энергии в сельском хозяйстве ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии

Защита состоится «13» декабря 2013 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.

Ученый секретарь

диссертационного Плаксин

совета \ ' Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост цен на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) вынудил отказаться от использования неэффективных систем отопления свинарников. Возникает необходимость создания малоэнергоемких систем обогрева.

Основой для разработки подобных систем послужила концепция, представленная в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...», которая направлена на достижение рационального уровня расходования энергетических ресурсов, что означает максимальную эффективность их использования.

Исследования проводились в рамках ведомственной целевой Программы «Развитие свиноводства в РФ на период 2006-2010 гг. и до 2015 года».

Цель исследования: обосновать и разработать электрифицированную систему теплового комфорта, обеспечивающую сохранность поросят-сосунов и эффективность их выращивания.

Задачи исследования:

1. Обосновать параметры системы теплового комфорта для поросят сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника.

2. Исследовать процесс лучистого обогрева поросят-сосунов в закрытом логове и обосновать параметры источника с равномерной плотностью потока излучения.

3. Обосновать параметры обогреваемого логова.

4. Провести испытания созданной системы теплового комфорта в технологическом цикле выращивания поросят в подсосный период. Оценить энергетическую эффективность системы в целом и ее отдельных элементов.

Объект исследования: технологический процесс создания теплового комфорта для поросят-сосунов при помощи лучистого обогрева в условиях неотапливаемого свинарника-маточника.

Предмет исследования: закономерности технологического процесса лучистого обогрева для создания теплового комфорта поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Обоснованы параметры лучистого обогрева поросят-сосунов в закрытом логове при помощи источника с равномерной плотностью потока излучения.

2. Создан первичный источник теплового излучения с равномерной плотностью теплового потока — низкотемпературный пленочный лучистый электронагреватель, новизна которого подтверждена патентами РФ на полезную модель № 57070, бюл. № 27,2006 г.; № 76764, бюл. № 27,2008 г.; патентом РФ на изобретение № 2321188, бюл. № 9, 2008 г.

3. Разработана электрифицированная система теплового комфорта, обеспечивающая температурный режим в соответствии с технологической картой температуры воздуха при выращивании поросят в подсосный период.

Практическая ценность работы. Применение СТК в неотапливаемых свинарниках-маточниках при минимальных затратах электроэнергии позволяет уменьшить падеж поросят, увеличить среднюю массу к 60-му дню жизни до 15—16 кг вместо 12-13 кг, получаемых по традиционным технологиям. Поросята, родившиеся физиологически неполноценными (весом менее 1 кг), не отбрасываются, а откармливаются, и к 30-му дню догоняют остальных по массогабаритным показателям. В результате в конце подсосного периода сохраняется на 2—3 поросенка больше, чем при использовании традиционной технологии.

Апробация работы. Основное содержание исследования доложено и одобрено на ежегодных научно-технических конференциях в Челябинской ГАА (г. Челябинск, 2003—2011 гг.), на конференции молодых ученых в г. Тюмень (2002 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, 2003 г.), на 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2003 г.). СТК была представлена на международных выставках и получила дипломы 1-й, 3-й степени. Разработка удостоена золотой медали на выставке «Золотая осень» (г. Москва, 2010 г.). Система теплового комфорта внедрена:

- в колхозе «Рассвет» Ирбитского района Свердловской области;

- в агрофирме «Калининская» Увельского района Челябинской области;

- на свинокомплексе «Горноуральский» Свердловской области;

- на кафедре производственного обучения Уральской государственной академии ветеринарной медицины (г. Троицк, Челябинская область).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 патента РФ на полезную модель, 2 патента РФ на изобретение, одна статья в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 60 рисунков и акты внедрения в производство, состоит из введения, 6 глав, выводов, рекомендаций и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, поставлена цель работы, показана научная и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приводится анализ литературных источников по технологиям содержания поросят. Установлено, что высокую эффективность обеспечивают два контура отопления свинарников: контур общего отопления и локальный местный обогрев, который доводит температуру воздуха до технологически необходимой для данного возраста животного.

Однако на практике в настоящее время контур общего отопления ликвидирован из-за высоких цен на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР).

Возникла необходимость в оборудовании, которое могло бы обеспечить технологически требуемую температуру для животных при отсутствии в свинарниках-маточниках контура общего отопления, т.е. в неотапливаемых свинарниках-маточниках. При этом все основные функции обогрева поросят выполняются локальным отоплением.

- В результате проведенного анализа установлено следующее:

1. Известные технологии и технологические устройства малоэффективны из-за высоких энергозатрат и цен на ТЭР;

2. Необходимо создать малоэнергоемкие технологии содержания и устройства, обеспечивающие сохранность молодняка и интенсивность его выращивания.

Во второй главе «Теоретическое обоснование рациональной системы теплового комфорта для поросят-сосунов в условиях ма-лоотстливаемого свинарника-маточника» дано обоснование энергоэффективной СТК, а также ее структура и элементы.

Согласно определению, данному в законе РФ «Об энергосбережении», материальное выражение эффективности использования электроэнергии при выращивании поросят будет иметь вид

~ М . ...

эРац= —^тт, (1)

где М — максимальное значение массы поросят в кг, полученной в конце подсосного периода, М = (/ - число поросят);

/

количество электроэнергии, израсходованной на получение данного значения массы поросят.

Решение поставленной задачи осуществляется при следующих ограничениях:

1. Технологические факторы: выбрана наиболее продуктивная порода свиней; применена эффективная технология кормления и содержания поросят;

2. Свинарник неотапливаемый (отсутствует контур общего отопления).

Данные допущения позволяют сформулировать энергетическую задачу более точно: создать СТК, обеспечивающую тепловые режимы для поросят в соответствии с технологической картой температуры для подсосного периода при минимальных затратах электроэнергии.

Для определения энергоэффективного способа создания теплового комфорта в логове необходимо изучить характеристики поросенка как объекта обогрева. К ним относятся энергетические,

теплофизические и поведенческие характеристики животного, которые позволяют определить биологически необходимые значения температуры в процессе выращивания поросят-сосунов. При формировании теплового комфорта в СТК необходимо учитывать тепло-физические особенности поросят разного возраста.

Для организации рационального энергетического процесса необходимо выявить и оценить потенциал энергосбережения всех мероприятий, реализуемых в процессе создания СТК, которые позволяют создать функциональную энергетическую схему рациональной СТК (рисунок 1).

Ф^ - тепловой поток, создаваемый теплогенератором; Фп - поток свободной

теплоты, выделяемой поросятами; Фок- тепловой поток, покидающий логово через ограждающие конструкции; <° - температура воздуха в логове

Рисунок 1 - Функциональная энергетическая схема рациональной СТК

Обзор технических средств для обогрева поросят, приведенный в первой главе, выявил необходимость источников локального обогрева с равномерной плотностью потока излучения.

Для обоснования функциональной энергетической схемы выявлены потенциалы энергосбережения каждого элемента системы

теплового комфорта.

Вывод: во второй главе на основании изучения свойств поросят как объектов обогрева и оценки потенциала энергосбережения всех мероприятий, реализуемых в процессе создания СТК, разработана функциональная энергетическая схема СТК для поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника. Обоснована необходимости разработки для системы теплового комфорта источника

тепла, создающего направленный равномерный поток инфракрасного излучения.

В третьей главе «Теоретическое обоснование параметров системы теплового комфорта» производится расчет параметров системы теплового комфорта.

Обогрев новорожденных поросят возможен двумя способами, основанными на разных физических принципах.

Первый способ, наиболее распространенный, основан на нагреве окружающей среды различными источниками тепла.

Второй способ основан на использовании теплового спектра электромагнитного излучения.

Рабочая гипотеза состоит в следующем:

Обогрев поросят ИК-излучением более экономичен, чем обогрев преимущественно конвективный, за счет того, что затрачиваем энергию только на нагревание непрозрачных тел (поросят) и практически не создаем тепловых потоков, которые покидают зону обогрева с теплым воздухом.

Необходимо подобрать параметры нагревателя таким образом, чтобы увеличить долю потока в спектре, приходящуюся на интервал длин волн 3—14 мкм. Тепловое излучение данных длин волн активнее всего поглощается кожным покровом поросят, вызывая приток крови к поверхностным слоям кожи и эритему. Вследствие этого комфортные тепловые условия для поросят наступают быстрее, чем при конвективном обогреве.

Тепловое излучение количественно описывается законами Планка и Стефана-Больцмана.

Закон излучения Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока излучения тела от его температуры.

Е : = а Т4, (2)

где Е — плотность потока излучения тела Вт/м2;

Т—температура тела, °К;

с— постоянная Стефана-Больцмана, ст = 5,67-10-*, Вт/м2-К.

Закон излучения Планка устанавливает зависимость спектральной плотности потока излучения тела от температуры и длины волны в спектре излучения.

2-h-n-c2 h-c

exp

-1

где И - постоянная Планка, /г = 6,63- Ю-34, Дж-с; к - постоянная Больцмана к = 1,3 8-10~23, Дж/°К; р - спектральная плотность потока излучения, Вт/м3; А. - длина волны, м; Г-температура, °К; с — скорость света, м/с.

С помощью этих законов получена зависимость отношения плотности потока излучения, находящегося в диапазоне длин волн от 3 до 14 мкм, к полной плотности потока излучения. Это отношение условно обозначено как «коэффициент полезного действия» (КПД) (4). На рисунке 2 представлена зависимость КПД излучения в зависимости от температуры источника.

100 Л.- , п-

7Г С

1

о-Т

exp h

"к-к-Т

-dX.

(4)

6,309

}0-50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Т,°К

Рисунок 2 - График зависимости КПД нагревателя от температуры

Как видно из графика, максимальное значение КПД приходится на интервал температур 320-323 °К, что соответствует 47-50 °С.

Ниже приведен график зависимости спектральной плотности потока излучения от длины волны для излучающего тела с температурой 318 °К (47 °С).

р, Вт/м3

6x105

4x105

2x105

0

0 6,667Х10-6 1,333*10-5 2хЮ"5 X, м

Рисунок 3 - График зависимости спектральной плотности излучения от длины волны при температуре излучателя 47 °С

Для получения эффективного потока излучения в диапазоне длин волн от 3 до 14 мкм разработано устройство, которое обеспечивает максимум потока излучения в указанном диапазоне длин волн. Его конструкция приведена на рисунке 4. Полученное устройство названо пленочный лучистый электронагреватель (ПЛЭН). ПЛЭН выполнен в виде полотна, состоящего из двух слоев полиэтилен-те-рефталатовой пленки. Между этими слоями расположен ленточный резистивный элемент меандровой формы, изготовленный из прецизионной стали 20НХГ (рисунок 4). На разработанную конструкцию получен патент на полезную модель № 57070.

Пленочный лучистый электронагреватель является основным элементом теплогенератора, конструкция которого приведена на рисунке 5. Теплогенератор монтируется в крышке логова. На конструкцию получен патент РФ на изобретение № 232188.

г [

1 - двухслойное полотно из полиэтилен-терефталатовой пленки; 2 — резистивные элементы; 3 - токоподводящие провода; а — расстояние между ветвями резистива; Ъ - ширина ленты резистивного элемента

Рисунок 4 - Общий вид пленочного лучистого электронагревателя

1 7 6 5

1 - каркас крышки логова; 2 - пленочный лучистый электронагреватель; 3 - слой фанеры для крепления электронагревателя; 4 - слой теплоизолятора; 5 - металлический отражатель; 6 - слой фанеры для крепления отражателя; 7 - воздушный слой; 8 - водоотталкивающая пленка

Рисунок 5 - Конструктивная схема теплогенератора

Для оценки мощности излучения ПЛЭН и установленной мощности теплогенератора были учтены следующие условия. В создаваемом логове площадь пола (0,8x1,5 м) (минимальная площадь для размещения 12 поросят в конце подсосного периода); высота 0,75 м. Таким образом, принятые габариты полностью удовлетворяют требованиям к логову по общему комфорту для поросят.

С помощью закона Стефана-Больцмана можно оценить мощность теплового излучения. Для этого принимаем температуру (7) поверхности нагревателя 318 °К и степень черноты (е) поверхности нагревателя 0,35 (полированная поверхность полиэтилен-терефта-латовой пленки). Площадь (5) поверхности нагревателя составит 0,9 м2 (0,6х 1,5 м - размеры теплогенератора, вмонтированного в крышку логова):

Р = е • ст • Г4 ■ &. (5)

Согласно выражению (5), мощность излучения составила 183 Вт.

Поток излучения в диапазоне от 3 до 14 мкм должен обеспечить температуру на поверхности пола логова при отсутствии поросят на уровне 32 °С. Такая температура предписана зооветеринарными требованиями в первые дни жизни поросят. Под «зоной гарантированного комфорта» подразумевают площадь поверхности пола логова, нагретую до указанной температуры, достаточную для размещения 12 новорожденных поросят (среднее количество в одном помете свиноматки). В результате теоретических исследований получены зависимости площади зоны гарантированного комфорта от толщины стенок логова при разных значениях мощности пленочного электронагревателя и разных значениях теплопроводности материалов стенок логова (рисунок 6).

Анализ полученных зависимостей позволяет выбрать потребляемую мощность пленочного нагревателя 200 Вт при толщине стенок 5 мм. Сравнение мощности теплового излучения ПЛЭН (183 Вт) и его потребляемой мощности позволяет сделать вывод о высокой эффективности лучистого способа передачи тепла внутри СТК.

Следующим этапом было исследование динамики нагрева и охлаждения логова при выбранных параметрах СТК.

Рассмотрены три варианта процесса «нагрева-охлаждения» воздуха в логове (рисунок 7).

Согласно зоотехническим требованиям, для поросят массой от 5 кг и более температура пола логова может не превышать 22 °С. На рисунке 8 представлена зависимость процесса нагрева и охлаждения пола логова с новорожденными поросятами и поросятами массой 5 кг и более.

54 О"1, м2 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,030,035 0,04 И, м2

1 - Р = 220 ВтД = 0,14 Вт/(м-°К); 2-Р = 220 ВтД = 0,5 Вт/(м °К);

3 - Р = 220 ВтД = 0,75 Вт/(м°К); 4 - Р = 200 ВтД = 0,14 Вт/(м-°К); 5 -Р = 200 ВтД = 0,5 Вт/(м-°К); 6 -Р = 200 ВтД = 0,75 Вт/(м-°К);

7 - Р = 180 ВтД = 0,14 Вт/(м-°К); 8 -Р = 180 ВтД = 0,5 Вт/(м °К);

9 — Р= 180 ВтД = 0,14 Вт/(м-°К)

Рисунок 6 - Графики зависимости площади «зоны гарантированного комфорта» (5) от мощности пленочного нагревателя (Р), толщины (И) и теплопроводности (А.) стенок

Г, °с

35 30 25 20 15 10 5 0

с

1 - при отсутствии поросят; 2-е поросятами массой 5 кг; 3 — с новорожденными поросятами

1

2

4 3

5

7 — ь

8

9

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,030,035 0,04

Рисунок 7 — Зависимость температуры пола логова от времени работы

теплогенератора

35 30 25 20 15 10 5

°0 100 200 300 400 500 600 700 t, с

1 — без поросят; 2 — при наличии поросят массой 5 кг;

3-е новорожденными поросятами

Рисунок 8 — График зависимости температуры пола внутри логова от времени работы СТК при разогреве

В четвертой главе «Методика экспериментальных исследований системы теплового комфорта» по стандартным методикам исследованы энергетическая эффективность пленочного лучистого электронагревателя (ГШЭН) и теплогенератора-крышки, распределение температуры на полу логова, динамика тепловых процессов в логове. Совместно с сотрудниками Уральской государственной академии ветеринарной медицины проводились производственные испытания СТК.

В пятой главе «Результаты экспериментальных исследований системы теплового комфорта» представлены результаты экспериментальных исследований по вышеизложенным методикам. Величина отклонения от средней температуры не превышает 1,5 °С, что соответствует проведенным теоретическим оценкам.

Эффективность использования электрической энергии при применении ПЛЭН в 2,62 раза выше, чем при применении установки локального обогрева на базе лампы ИКЗК-220-250, при этом поросятам обеспечивается полный тепловой комфорт. Результаты исследования поля температур на полу логова изложены на рисунке 9. Из рисунка видно, что теоретические и экспериментальные кривые расходятся с допустимой для расчетов погрешностью.

Совместно с сотрудниками УГАВМ были проведены производственные испытания. Результаты приведены в виде графиков на рисунках 10, 11, 12, 13.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 л, м 1 -34 °С; 2-30 °С; 3-25 °С; 4-20 °С; 5- 15 °С

Рисунок 9 — Теоретические и экспериментальные кривые изотерм на полу логова

Ш, кВт ч 350

300

250

200

150

100

50

0

0 20 40 60 80 I, сут 1 — система обогрева на основе ИК-ламп; 2 — СТК

Рисунок 10 - График расхода электроэнергии от возраста поросят на обогрев одного логова

По графику рисунка 10 видна существенная экономия электроэнергии при использовании СТК по сравнению с традиционной системой обогрева на основе ламп ИКЗК 220—250.

Этот результат подтверждается зависимостью, приведенной на рисунке 11.

И^кЕ 400 350 300 250 200 150 100 50 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 т, кг 1 — система обогрева на основе ИК-ламп; 2 — СТК

Рисунок 11 - График расхода электроэнергии на обогрев одного логова от массы зрелых поросят

т, кг.

2

1

•y^aOZL---

0 10 20 30 40 50 60 70 сут

1 — СТК; 2 — система обогрева на основе ИК-ламп

Рисунок 12 - График зависимости массы зрелых поросят от возраста поросят при использовании

Графики зависимости массы зрелых и незрелых поросят от возраста позволяют сделать вывод о том, что использование СТК повышает массу поросенка к концу подсосного периода на 17-18 %. Кроме того, при использовании СТК практически полностью отсутствует падеж, что дает возможность сохранить дополнительно 2-3 поросенка одного помета.

т, кг 16

14

12 10 8 6 4 2 О

0 10 20 30 40 50 60 70 <, сут

1 - СТК; 2 - система обогрева на основе ИК-ламп

Рисунок 13 — График зависимости массы незрелых поросят от возраста при использовании

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы.

1. Физиологически зрелые поросята в логове набрали массу 16,5 кг, а поросята под лампами - 13,3 кг. Разность массы составила 3,2 кг.

2. Физиологически незрелые поросята в логове набрали массу 14,7 кг, а поросята под лампами - 12,8 кг.

3. Физиологически незрелые поросята, находящиеся в логове, догнали по массе физиологически зрелых, находящимся под лампами, а на 30-м дне и далее стали обгонять их. К 60-му дню они обогнали их по массе на 1,4 кг.

4. В ходе эксперимента было выявлено, что эффективность использования электроэнергии установкой на базе лампы ИКЗК 220-250 составляет 0,39 кг/кВт-ч. Исходя из оценки при содержании

2

1 1

поросят подсосного периода в СТК даже в условиях малоотапливае-мого свинарника будет затрачено около 120 кВт-ч. Ожидаемая энергетическая эффективность составит 1,17 кг/кВт-ч. Сравнение показывает, что эффективность использования электроэнергии в СТК в 3,1 раза выше в сравнении с ИК-излучателями.

Полученные результаты подтверждены актом энерготехнологических испытаний в условиях свинарника-маточника учебной свинофермы Уральской государственной академии ветеринарной медицины от 12 апреля 2009 г.

В шестой главе «Экономическая оценка применения системы теплового комфорта при выращивании поросят в подсосный период» установлено:

Использование предлагаемой электрифицированной системы теплового комфорта для поросят-сосунов экономически выгодно. При использовании данной системы повышаются привесы, среди поросят практически полностью исключается падеж и снижаются затраты на электроэнергию.

Капитальные затраты на монтаж СТК окупаются за один опорос.

Годовой экономический эффект от применения СТК, равный 13 200 руб., будет получен, если в каждой из пяти групп будет выращено по 10 поросят.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих систем обогрева поросят-сосунов выявил необходимость создания новых систем обогрева.

2. С помощью законов теплового излучения исследован спектр тел, нагретых до различных температур. Установлено, что максимум излучения с длиной волны 3—14 мкм наблюдается при температуре источника 47 °С. Установлено, что практически все излучение длиной волны около 14 мкм поглощается телом поросят, в результате чего они согреваются.

3. Были изготовлены опытные образцы нагревателей с температурой 47-50 °С (новизна подтверждена патентами РФ на полезную

модель № 57070, бюл. № 27, 2006 г.; № 76764, бюл. № 27, 2008 г.; патентом РФ на изобретение № 2321188, бюл. № 9, 2008 г.).

4. Проведены испытания созданной системы теплового комфорта в технологическом цикле выращивания поросят в подсосный период в сравнении с традиционной системой обогрева. В результате осуществлена оценка энергетической эффективности системы на основе данных эксперимента (сравнительный анализ привесов и расхода электроэнергии). Годовой экономический эффект от применения СТК равен 13 200 руб. Капитальные затраты на монтаж СТК окупаются за один опрос.

5. Использование предлагаемой электрифицированной системы теплового комфорта для поросят-сосунов экономически выгодно. При использовании данной системы повышаются привесы, среди поросят практически полностью исключается падеж, снижаются затраты на электроэнергию. Следует заметить, что указанный положительный эффект наблюдался при применении системы в условиях полнокомплектного свинарника, что является основной рекомендацией к использованию СТК. Практика эксплуатации системы теплового комфорта показывает необходимость направить дальнейшие исследования на разработку износостойкого оборудования СТК для промышленных свинарников.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Епишков, Е. Н. Система обогрева поросят-сосунов в минимально отапливаемых помещениях [Текст] / Е. Н. Епишков // Техника в сельском хозяйстве. — 2007. — № 1. — С. 27.

Публикации в других изданиях

2. Епишков, Е. Н. Высокоэффективная система обеспечения теплового комфорта свинарника-маточника [Текст] / Н. Е. Епишков, Е. Н. Епишков//БИО. - 2003.-№ 7. - С. 33-35.

3. Епишков, Е. Н. Методика создания эффективного отопления в свинарнике-маточнике [Текст] / Е. Н. Епишков // Материалы ХЫ науч.-техн. конф. ЧГАУ. - Челябинск: ЧГАУ, 2002. - Ч. 2. - С. 182-183.

4. Епишков, Е. Н. Потенциал энергосбережения системы теплового комфорта для поросят-сосунов [Текст] / А. С. Знаев, Е. Н. Епишков // Вестник ЧГАУ. - 2009. - Т. 55. - С. 85-90.

5. Епишков, Е. Н. Принципы создания энергоэффективной системы комфорта для поросят-сосунов [Текст] / Е. Н. Епишков // Материалы XVII науч.-техн. конф. ЧГАА «Достижение науки — агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАУ, 2003. - Ч. 3. - С. 74.

6. Епишков, Е. Н. Пути реализации потенциала энергосбережения свинарника-маточника [Текст] / Е. Н. Епишков // III Международная науч.-техн. конф. «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». - М. : ВИЭСХ, 2003. - С. 265.

7. Епишков, Е. Н. Формирование зоны гарантированного комфорта для поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника [Текст] / Е. Н. Епишков // Проблема развития энергетики в условиях производственных преобразований : тр. конф. — Ижевск : Ижевская ГСХА, 2003. - Т. 1. - С. 200.

8. Кабанов, И. Д. Энергоэффекгивная система создания теплового комфорта для поросят-сосунов [Текст] / И. Д. Кабанов, Е. Н. Епишков // Новый взгляд на проблему АПК : тр. конф. - Тюмень : ТГСХА, 2002.-С. 15.

9. Знаев, А. С. Энергоэффективная система теплового комфорта для выращивания поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника [Текст] / А. С. Знаев, Е. Н. Епишков // Материалы L между-нар. конф. ЧГАА «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2011. - Ч. 5. - С. 159.

Авторские свидетельства, патенты

10. Пат. на изобр. 2321188 Российская Федерация. Пленочный электронагреватель [Текст] / Н. Е. Епишков, Е. Н. Епишков, С. В. Глу-хов; заявитель и патентообладатель Н. Е. Епишков. -№ 2006142921; заявл. 04.12.2006 ; опубл. 27.03.2008.

11. Пат. на изобр. 2337507 Российская Федерация. Способ изготовления плоского резистивного электронагревателя и установка для его осуществления [Текст] / Н. Е. Епишков [и др.] ; заявитель и патентообладатель Н. Е. Епишков, С. В. Глухов. — № 2007126191/09 ; заявл. 09.07.2007 ; опубл. 27.10.2008.

12. Пат. на полезн. модель 57070 Российская Федерация. Пленочный электронагреватель [Текст] / Н. Е. Епишков, Е. Н. Епиш-

ков, С. В. Глухов ; заявитель и патентообладатель Е. Н. Епишков. -№ 2006110752 ; заявл. 03.04.2006 ; опубл. 27.09.2006.

13. Пат. на полезн. модель 76764 Российская Федерация. Пленочный электронагреватель [Текст] / Е. Н. Епишков, Н. Е. Епишков, С. В. Глухов ; заявитель и патентообладатель Н. Е. Епишков. -№ 2006110752 ; заявл. 03.04.2006 ; опубл. 27.09.2006.

Подписано в печать 08.11.2013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 184

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия»

На правах рукописи

04201452148

ЕПИШКОВ Егор Николаевич

Электрифицированная система теплового комфорта поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители -доктор технических наук, профессор

Кабанов Иван Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Знаев Александр Степанович

Челябинск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..... 11

1.1. Технология выращивания поросят-сосунов и требования

к тепловому режиму.............................................................. 11

1.2. Классификация средств и систем локального обогрева поросят......... 17

1.3. Технические средства для локального обогрева........................... 23

1.4. Температурный режим внутри современных свинарников-маточников......................................................... 32

1.5. Анализ энергобаланса отапливаемых животноводческих помещений. Формирование научной гипотезы............................. 34

1.6. Задачи исследования............................................................. 37

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА

ДЛЯ ПОРОСЯТ-СОСУНОВ В УСЛОВИЯХ НЕОТАПЛИВАЕМОГО

СВИНАРНИКА-МАТОЧНИКА.................................................... 39

2.1. Программа обоснования рациональной СТК............................... 39

2.2. Обоснование механизма достижения рационального уровня эффективности использования электроэнергии и формирование энергетической задачи СТК.................................................... 45

2.3. Обоснование энергоэффективного способа создания теплового комфорта для поросят............................................................ 50

2.4. Обоснование функциональной энергетической схемы рациональной СТК............................................................... 60

2.5. Структурная схема СТК......................................................... 64

2.6. Структурные элементы логова................................................ 67

2.7. Выводы.............................................................................. 73

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА.......................................... 75

3.1. Разработка электронагревателя с равномерной плотностью потока теплового излучения............................................................. 75

3.2. Обоснование конструктивной схемы лучистого теплогенератора..... 89

3.3. Обоснование размеров зоны гарантированного теплового

комфорта в логове............................................................... 96

3.4. Обоснование системы регулирования теплового режима в СТК..............101

3.5. Обоснование ожидаемой энергетической эффективности разрабатываемой СТК......................................................................................................................105

3.6. Теоретическая оценка энергетической эффективности СТК........................112

3.7. Выводы............................................................................................................................................................117

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА....................................................................................119

4.1. Программа и методика экспериментальных исследований............................119

4.2. Приборы и оборудование..............................................................................................................135

4.3. Создание экспериментального образца СТК..............................................................135

4.4. Выводы............................................................................................................................................................140

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА................................141

5.1. Лабораторные испытания СТК и её функциональных элементов............141

5.2. Результаты энерготехнологических испытаний СТК..........................................150

5.3. Результаты экспериментальных исследований СТК............................................154

5.4. Выводы............................................................................................................................................................156

ГЛАВА 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ

СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ

ПОРОСЯТ В ПОДСОСНЫЙ ПЕРИОД......................................................................................157

6.1. Основные источники ожидаемого экономического эффекта

от применения СТК............................................................................................................................157

6.2. Выводы............................................................................................................................................................159

Заключение............................................................................................................................................................161

Список используемой литературы..................................................................................................162

Приложения..........................................................................................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. За последние 20 лет поголовье свиней в России снизилось с 75 до 9 миллионов голов [72]. Высокие результаты в свиноводстве в 80-е годы XX века были возможными благодаря строгому соблюдению технологий выращивания свиней и особенно молодняка. Считалось аксиомой, что для высокого результата необходимы два первостепенных условия: прочная кормовая база и оптимальный микроклимат, важнейшей компонентой которого является комфортный тепловой режим. Строгое соблюдение этих положений позволило при выращивании молодняка практически исключить простудные заболевания. Разработанные ветеринарно-санитарные требования [17], обязательные для всех сельхозпредприятий и свинокомплексов, предусматривают практически оптимальные тепловые режимы, которые создавались системами отопления свинарников-маточников за счет неограниченного расхода топлива и энергии. В условиях изобилия топливно-энергетических ресурсов и низких тарифов и цен на них в 80-е годы это было допустимо, так как практически не сказывалось на экономических показателях производства свинины.

Многократное увеличение цен на топливо и энергию в 90-е годы в корне изменило ситуацию в экономике. Продолжающийся интенсивный рост цен на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) сделал малоэффективным использование традиционных систем отопления. Возникла необходимость создания малоэнергоемких систем. С целью восстановления производства свинины принята «Федеральная целевая программа развития свиноводства на 2010-2015 гг.». Основой для формирования новых подходов к системам производства должен стать Федеральный закон № 28-ФЗ «Об энергосбережении» [1,2].

Под энергосбережением понимается реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических, экономических и иных

мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии [1, 2]. Из приведенного понятия следует, что энергосбережение - это комплексная проблема, требующая участия разных специалистов, в задачу которых входит поиск эффективных мер, направленных на единую цель - повышение эффективности использования энергоресурсов. Таким образом, вся деятельность по энергосбережению должна оцениваться достигнутым уровнем эффективности использования энергоресурсов.

Эффективность использования энергоресурсов оценивается объемом полезного производства продукции, оборудованием или технологическим процессом, полученным в расчете на единицу энергетических ресурсов, использованных этим оборудованием или технологическим процессом [2].

Как видим, цель энергосбережения состоит в достижении рационального уровня расходования энергетических ресурсов. Под рациональным уровнем использования энергетических ресурсов понимается достижение максимальной эффективности использования энергетических ресурсов при имеющемся уровне развития техники и технологий и одновременном снижении техногенного воздействия на окружающую среду [2]. В существующих ныне и построенных еще в 80-е годы свинарниках-маточниках системы обогрева состояли из двух подсистем - общего и локального обогрева. Подсистема общего обогрева создавала фоновую температуру воздуха в помещении свинарника, ориентированную на взрослых животных, и выполнялась в виде индивидуальной котельной, от которой по трубам теплая вода распределялась по помещениям свинарника. Разводящие трубы укладывались у наружных стен по их периметру.

Локальная подсистема состояла из инфракрасных, контактных (кон-дуктивных) и комбинированных нагревательных установок, расположенных в технологических станках. В задачу этой подсистемы входило доведение теплового режима в месте нахождения поросят до уровня, соответствующего

их возрасту согласно требованиям технологии. В создание общих систем отопления и локальных ИК-установок внесли большой вклад такие организации, как Всероссийский научно-исследовательский институт (ВИЭСХ), ЧГАА (ЧИМЭСХ/ЧГАУ), МИИСП - МГАУ, СибИМЭ, БИМСХ и ряд других организаций. Данной проблеме посвятили свои исследования такие ученые, как С.А. Растимешин, А.К. Лямцов, Д.Н. Быстрицкий, Н.Ф. Кожевникова, В.Н. Расстригин, Е.В. Коряжнов, Л.С. Герасимович, В.Г. Быков, М.А. Быков, Р.Д. Комалов, А.Э. Шкеле и другие ученые. Опыт и результаты этих работ необходимо рассматривать как прочный фундамент по созданию нового поколения систем отопления.

Анализ ранее выполненных работ показывает, что главным их приоритетом являлось достижение заданных технологических результатов и работоспособность систем. Об этом говорят инженерные решения, которые принимались при создании свинарников-маточников. Во-первых, далеки от совершенства те-плофизические характеристики зданий. Низкий уровень теплоизоляции внешних ограждающих конструкций, изобилие окон и неудовлетворительное их состояние, а также некоторые другие причины инженерно-строительного характера явились фактором высокой энергоемкости помещений.

Во-вторых, обращают на себя внимание схемы распределения теплоты по помещению. Так, проложенные вдоль стен трубные регистры и батареи были не в состоянии обеспечить равномерное распределение температуры по помещению. Электрокалориферные системы (первичные источники тепла) выполнялись с воздуховодами, расположенными под потолком свинарника. Это обеспечивало нагрев подпотолочного пространства и слабый нагрев пространства, в котором находятся животные. Необходимость создания заданной температуры в зоне размещения животных приводила к повышенному расходу энергоресурсов.

В-третьих, системы отопления практически не имели средств регулирования и работали с одинаковым энергопотреблением как в холодную,

так и в относительно теплую погоду. Необходимые технологические режимы создавались за счет дополнительного расхода энергоресурсов.

Разработанная нами по результатам исследования энергоэффективная система теплового комфорта для поросят-сосунов (СТК) способствует созданию комфортных тепловых режимов поросятам-сосунам в неотапливаемых свинарниках, т.е. в свинарниках без подсистемы общего отопления, и, соответственно, обеспечивает эффективное использование энергии.

В проведении исследований, создании и внедрении оборудования принимали участие сотрудники кафедры «Теоретическая и общая электротехника»; научно-технический центр по энергосбережению в агропромышленном комплексе (НТЦ «АгроЭСБ») Челябинской государственной агроинженерной академии; научно-исследовательский институт механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства (НИИМАСП) Челябинской государственной агроинженерной академии. Мы признательны сотрудникам Уральской государственной академии ветеринарной медицины за помощь в организации технологических испытаний системы теплового комфорта. Исследования проводились в соответствии с программой фундаментальных и прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг., задание 09.02 -«разработать новые наукоёмкие электротехнологии и оборудование для эффективного энергетического обеспечения технологий производства сельскохозяйственной продукции и социальной сферы села» по направлению «...энергоэкономные технологии и оборудование для децентрализованного теплообеспечения животноводческих и птицеводческих предприятий и теплиц на базе новых способов и технических средств нагрева, обогрева, облучения (воды, воздуха, растений, животных, почвы и др.)». Цель исследования. Обосновать и разработать электрифицированную систему теплового комфорта, обеспечивающую сохранность поросят сосунов и эффективность их выращивания.

Задачи исследования:

1. Обосновать параметры системы теплового комфорта для поросят сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника.

2. Исследовать процесс лучистого обогрева поросят-сосунов в закрытом логове и обосновать параметры источника с равномерной плотностью потока излучения.

3. Обосновать параметры обогреваемого логова.

4. Провести испытания созданной системы теплового комфорта в технологическом цикле выращивания поросят в подсосный период. Оценить энергетическую эффективность системы, её элементов.

Объект исследования, технологический процесс создания теплового комфорта для поросят-сосунов при помощи лучистого обогрева в условиях неотапливаемого свинарника-маточника.

Предмет исследования, закономерности технологического процесса лучистого обогрева для создания теплового комфорта поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Обоснованы параметры лучистого обогрева поросят сосунов в закрытом логове при помощи источника с равномерной плотностью потока излучения.

2. Создан первичный источник теплового излучения с равномерной плотностью теплового потока - низкотемпературный плёночный лучистый электронагреватель, новизна которого подтверждена патентами РФ на полезную модель №57070, бюл. №27. 2006 г.; № 76764, бюл.

№27. 2008 г.; патентом РФ на изобретение № 2321188, бюл. №9 2008 г.

3. Разработана электрифицированная система теплового комфорта, обеспечивающая температурный режим в соответствии с технологической картой температуры воздуха при выращивании поросят в подсосный период.

Практическая ценность. В неотапливаемых свинарниках-маточниках при минимальных затратах электроэнергии практически исключён падёж среди поросят, а их средняя масса к 60-му дню жизни достигает 15-16 кг вместо 12-13 кг, предлагаемых по старым технологиям. Поросята, родившиеся физиологически неполноценными (весом менее 1 кг), не отбрасываются, а откармливаются и к 30-му дню догоняют остальных по массогабарит-ным показателям. В результате в конце сосункового периода сохраняется на 2-3 поросёнка больше, чем при содержании животных по старой технологии.

Внедрение результатов работы. Системы теплового комфорта установлены в колхозе «Рассвет» Ирбитского района Свердловской области; в агрофирме «Калининская» Увельского района Челябинской области; на свинокомплексе «Горноуральский» Свердловской области; на кафедре профессионального обучения Уральской государственной академии ветеринарной медицины (г. Троицк, Челябинская область).

Апробация работы. Основное содержание работы доложено, обсуждено и одобрено на ежегодных научно-технических конференциях (г. Челябинск, 2003-2009 гг.), на конференции молодых учёных (г. Тюмень, 2002 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (Ижевск, 2003 г.), на 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2003 г.). СТК была представлена на 5 международных выставках и получила дипломы 1-3-й

степеней и 4 соответствующие медали. СТК была представлена на ежегодной сельскохозяйственной выставке «Золотая осень» в Москве в 2010 г., где была награждена золотой медалью.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, в том числе 2 патента РФ на полезную модель, 1 патент РФ на изобретение, одна статья в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 60 рисунков и акты внедрения в производство, состоит из введения, 6 глав, выводов и рекомендаций и приложений. Список использованной литературы включает в себя 114 наименований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технология выращивания поросят-сосунов и требования к тепловому режиму

Роль технологии выращивания поросят-сосунов в производстве свинины. Процесс производства свинины имеет определённую структуру (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Структура производства свинины

Цель производственного процесса состоит в получении максимального объема продукции. Эта цель может быть достигнута при получении максимальной эффективности выполнения операций в каждом звене структуры. Эффективность любой операции определяется каче