автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений

Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский Институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

на правах рукописи

Пенкин Александр Александрович

Газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лебедев Д П Официальные оппоненты академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Бородин И Ф доктор технических наук, профессор Авдеев А В

Ведущая организация Ассоциация Российских производители свинины «Россвинопром»

Защита состоится " $ " *-тС2005 г в"/10 ' часов на

заседании диссертационного Совета Д 006 037 01 в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Адрес 109456. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д 2 Факс 170-51-01 E-mail vicsh^dol ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ

Автореферат разослан •2? - Ъ-е^О^л 200({г

Ученый секретарь /

диссертационного Совет/ / ^FL*" Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В 2001 г правительством России была принята Федеральная целевая программа газификации на 2002 - 2006 годы Уровень газификации природным газом по данным «Газпрома» в настоящее время составляет 51,7% в городах - около 60%, в сельской местности - порядка 30%

Однако до сих пор в России имеет место необоснованное применение в ряде процессов сельскохозяйственного производства электроэнергии, стоимость которой в 10 раз выше стоимости энергии, поступающей с газовым топливом Перевод систем теплоснабжения сельскохозяйственного производства на газ есть реальный путь к энергосберегающим технологиям

Таким требованиям отвечают установки, скомплектованные совместно со «светлой» газовой ИК - горелкой, которые могут стать базовым элементом систем микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений Высокий температурный потенциал продуктов сгорания от «светлых» 1азовых ПК-горелок в таких установках, может быть использован для подготовки приточного воздуха а сами продукты сгорания выводятся за пределы помещения Экономия газа и электроэнергии в этих системах составит 30-50%

Предметом исследования являются теплофизические процессы при сжигании газа в «светлых» ИК-горелка\ при организации локального ИК-обогрева

Цель работы - создание газового устройства и методов организации локального газового ИК-обогрева для свиноводческих помещении Задачи исследований

1 Провести исследования конструкций «светлых» газовых инжекционных ИК-горелок, используемых в ИК-обогреве животноводческих помещений, и составить их классификацию

2 Разработать, обосновать методы и лабораторные стенды для исследования конвективного и радиационного теплообмена «светлых»

газовых ИК-горелок, определить тип горелки для организации локального ИК-обогрева в свиноводческих помещениях

3 Разработать метод повышения радиационно-энергетических характеристик, провести исследования и расчет рефлекторов для «светлых» газовых ИК-горелок с различными геометрическими формами и типами источников излучения

4 Сконструировать и исследовать на базе «светлой» газовой ИК-горелки газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений с «газово-воздушным» рекуператором тепла продуктов сгорания

5 Разработать и внедрить методы размещения «светлых» газовых ИК-горелок и регулирования плотности теплового потока в зоне подсосных поросят и поросят на доращивании

6 Разработать систему локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счет тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева

Методы исследований Поставленные задачи решались путем использования основ теории теплопередачи,электротехники,электрических и теплотехнических измерений, теории вероятности и математической статистики, физического моделирования, математической обработки опытных данных и компьютерного программирования Научная новизна работы

1 Составлена классификация «светлых» газовых ИК-горелок по спектральному диапазону излучения, типам источников излучения, механизму горения, конструкции рефлектора

2 Разработаны методы измерения энергетических, спектральных характеристик, малых расходов газа, позволившие сравнивать различные ИК-источники, определены энергетические характеристики и доля излучения рефлектора в общем тепловом потоке горелки

3 Разработан экспериментально-теоретический метод повышения радиационно-энергетических характеристик «светлых» газовых ИК-горелок в более чем 1,7 раза по сравнению с заводским аналогом путем моделирования геометрической формы и размеров рефлектора, получена функциональная зависимость плотности теплового потока на облучаемой поверхности от длины образующей рефлектора при различном расходе газа

4 Разработаны устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческого помещения, способы утилизации тепла продуктов сгорания «светлой» газовой ИК-горелки и «газово-воздушный» рекуператор подогрева приточного воздуха

5 Разработаны и внедрены методы, компьютерная программа локального газового ИК-обогрева в соответствии с НТП-АПК 1 10 02 001-00 для подсосных поросят и поросят на доращивании

6 Разработана система локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счет тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева

Практическая ценность

1 Разработанные рекомендации использования «светлых» газовых ИК -горелок паспортной мощностью 1,5 кВт в непрерывном технологическом процессе выращивания подсосных поросят и поросят на доращивании внедрены в ЗАО «Племзавод-Юбилейный» и дали на одной секции опороса экономический эффект 112200 руб в год и технологический эффект по увеличению привесов в сутки у подсосных поросят на 20 гр , поросят на доращивании на 40 гр и сокращению падежа на 2 %

2 Сконструировано и испытано газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева производственных и животноводческих зон, обеспечивающее подогрев приточного воздуха, не нарушая экологию помещения

3 Разработан экспериментально-теоретический,метод повышения радиационно-энергетических характеристик «светлых» газовых ИК-горелок без увеличения расхода газа и изменения процесса горения

4 Предложенные методы эксергетического анализа для газовых ИК -горелок и теплообменного оборудования могут использоваться для оценки потерь энергии и определения путей их модернизации

5 Созданные методические оценки качества газовых ИК - горелок и лабораторные стенды применяются в учебном процессе студентов MI АУ им В П Горячкина

Реализация результатов исследований

Разработано газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева производственных и животноводческих зон, обеспечивающее подогрев приточного воздуха, не нарушая экологию помещения

Разработаны и внедрены методы локального обогрева в помещениях для подсосных поросят и поросят на дорашивании на 40 станков в ЗАО «Племзавод-Юбилейный» с использованием газовых ИК-горелок паспортной тепловой мощностью 1,5 кВт с металлическим насадком, позволившие получить экономический эффект 112200 руб с окупаемостью 1,3 года и технологический эффект по увеличению привесов в сутки у подсосных поросят на 20 гр , поросят на доращивании на 40 гр и сокращению падежа на 2%

Созданные методики исследований и лабораторные стенды используются в процессе обучения студентов МГАУ им В П Горячкина

Публикация результатов работы

Основные результаты работы изложены в 15 печатных работах, в т ч 3 Патентах РФ и 1 положительном решении о выдаче Патента РФ

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения шести глав, выводов, списка литературы и приложений Ее содержание изложено на 157 страницах, иллюстрировано 100 рисунками, включает 58 таблиц, список литературы из 186 наименований и в приложениях на 75 страницах На защиту выносятся

1 Классификация «светлых» газовых ИК-горелок по спектральному диапазону излучения, типам источников излучения, механизму горения, конструкции рефлектора

2 Методы определения энергетических, спектральных характеристик, доли излучения от рефлектора «светлой» газовой ИК-горелки

3 Экспериментально-теоретический метод повышения радиационно-энергетических характеристик «светлых» газовых ИК-горелок в спектральном диапазоне 0.76-10 мкм. функциональная зависимость плотности теплового потока на облучаемой поверхности от длины образующей рефлектора при различном расходе газа

4 Конструкция газового устройства инфракрасною излучения для локального обогрева свиноводческих помещений с подогревом приточного воздуха и способы утилизации тепла продуктов сгорания «светлой» газовой ИК-горелки

5 Методы размещения «светлых» газовых ИК-горелок и регулирование плотности теплового потока при газовом локальном ИК-обогреве подсосных поросят и поросят на доращивании, компьютерная программа

6 Система локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счет тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева

Основное содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, дана общая характеристика работы, сформулированы вопросы, выносимые на защиту

В первой главе приведен обзор «светлых» газовых ИК-горелок и систем авюматического управления, используемых для организации локального

газового ИК-обогрева Указаны основные недостатки, присущие газовым ИК-горелкам с керамическим насадком, и общие проблемы, возникающие при использовании «светлых» ИК-горелок в животноводческих помещениях независимо от типа насадка

Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования ИК - обогрева и обеспечения микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях внесли ученые Д Е Афанасьев, В Н Богословский, И Ф Бородин, Т Р Бароев, О Н Брюханов, М С Горомосов, А В Дубровин, А М Заикин, Л Н Кадырова, В В Карелина, М П Кисин А Е Ковалев, Е В Крылов, Н Ф Кожевникова, Д П Лебедев, А К Лямцов, Дж МИЛСУМ, Д Н Мурусидзе, В К Мурзин, А А Овчинников, Л Г Прищеп, П И Пятолов, В Н Расстригин, С А Растимешин, А К Родин, В Т Фомичев, В В Чистяков, В М Четверухин, В А Чудковский, И И Шараускас, В В Шевцов, А Э Шкеле и др

На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследований

Во второй главе рассмотрены и обоснованы методы теплотехнических исследований «светлых» газовых ИК-горелок Разработаны лабораторные стенды для теплотехнических исследований газовых ИК - горелок Проведен сравнительный анализ различных «светлых» газовых ИК-горелок и выбрана горелка тепловой паспортной мощностью 1,5 кВт с металлическим коническим насадком для дальнейших исследований и модернизации,

В третьей главе изучены вопросы, связанные с образованием газовоздушной смеси и организацией горения в «светлых» газовых ИК-горелках На основании физической модели, предложенной Д П Лебедевым, составлен тепловой баланс, проведен эксергетический анализ газовой горелки паспортной тепловой мощностью 1,5 кВт

На рис 1 показана схема (физическая модель Д П Лебедева) газовой ИК-горелки с металлическим перфорированным насадком 1

Рис. 1 Физическая модель газовой ИК-горелки с коническим насадком, паспортной мощностью 1,5 кВт. 1 - источник ИК-излучения, 2 -рефлектор, 3 - патрубок вывода продуктов сгорания, 4 - патрубок ввода природного газа и воздуха

Уравнение теплового баланса, рис. 1:

С>т = вднс = (2рг + д0с+дуг, (1)

где: <3Т - тепловой поток газового топлива, (Вт); (2ИС - низшая теплота сгорания газа; В - расход газа, (м3/ч); - тепловой поток излучения горелки, (Вт); <Зос - тепловой поток в окружающую среду, (Вт); тепловой поток с уходящими газами, (Вт); - тепловые потоки от

источника излучения и рефлектора, (Вт); <3р, - тепловые радиационные потоки от боковой поверхности и основания, и конвективный поток от рефлектора, (Вт).

Проведён комплекс расчётных исследований, определены не производственные потери тепла в «светлой» ИК-горелке, и предложен метод вычисления теплового и эксергетического лучистого КПД. Энергетический (тепловой) радиационный (лучистый) КПД горелки:

Коэффициент тепловых потерь с уходящими газами:

£1 = (V От (3)

Результаты вычисления составляющих теплового баланса для «светлой» газовой ИК-горелки с металлическим коническим насадком, паспортной мощностью 1,5 кВт, представлены в табл 1

Таблица 1

Составляющие теплового баланса

Г

Приход

Тепловой поток от газового топлива в

гоРе-Уравнение эксергетич<

Итого

кВт

4,86

%

10 О

Составляющие уравнения (1)

Тепловой поток излучения горелки, ррг_

Тепловой поток в окружающую среду, 0„

еского баланса газовой ИК уходящими газами, р1Т_

Р = Р ч Р

1 Епг Е\:

кВт

1,93

%

39,7

0,47

горелки, рис 1

9,7

4,86

(4)

100

где - полный приход эксергии газового топлива,

эксергия собственного излучения горелки, (Вт), Е«;— эксергия потерь в окружающую среду, (Вт), Еут - эксергия уходящих газов, (Вт), 13, 1ц, Бз, $„, энтальпии и энтропии газовых потоков, рис 1, - эксергия потерь при горении газа в горелке, (Вт), - химическая эксергия газа (потери от химического недожога), (Вт)

Эксергетический коэффициент полезного действия газовой ИК-горелки Коэффициент эксергетических потерь с уходящими газами

Составляющие эксергетического баланса для «светлой» газовой ИК-горелки с коническим насадком паспортной мощностью 1,5 кВт представлены в табл 2

Из табл 1, 2 видно, что основные не производственные потери тепла приходятся на уходящие продукты сгорания Для газовой ИК-горелки с коническим насадком паспортной мощностью 1,5 кВт характеристики эффективности сведены в табл 3

Таблица 2

Составляющие эксергетического баланса

Приход

кВт

Составляющие уравнения (4) кВт

%

Эксергия газового топлива Ег

Эксергия

собственного

излучения горелки, Ер

1,27

26,1

Эксергия потерь в окружающую среду, Ере_

0,75

15,4

1 1 ' 1 Эксергия потерь при горении, — 1 22 25,1 ! 1

1 1 ] 1 Эксергия потерь от химического недожога, ЕЧ1 0,194 4 !

, Итого | 4,86 100 Итого 4,86 100 !

Таблица3

Основные энергетические и эксергетические потери газовой ИК- горелки с насадком из нержавеющей стали мощностью 1,5 кВт

В четвёртой главе показано, что для лучистого потока ИК-горелки, при высоте H=const ее подвеса на облучаемой поверхности справедливо следующее уравнение

Я(х,у,1) = д„(х.у)+ЯР(х,у,1).

(7)

/ 12

где q(x,y,]) - лучистый поток, (Вт/м2), на облучаемой поверхности в точке х,у при длине образующей рефлектора 1, - лучистый поток ИК-излучения,

(Вт/м2), на облучаемой поверхности от конусной насадки из нержавеющей стали в точке х,у облучаемой поверхности, - лучистый поток,

(Вт/м2), фотонов (упругое рассеяние) от рефлектора в точке х,у облучаемой поверхности при длине образующей рефлектора 1

Составляющая Чи(х,у) измерялась для выбранного типа горелки без рефлектора Для определения измерялась величина и из нее

вычиталась при различных величинах 1 - образующих рефлектора с

вычислением для каждого случая аппроксимирующих функций и их среднеинтегрального значения По полученным данным определяли аппроксимирующую функцию, позволяющую найти максимальный прирост среднеинтегрального значения плотности теплового потока от рефлектора Вычисленная длина образующей 270 мм

Моделирование рефлектора газовых ИК - горелок требует вычисления угла раскрытия рефлектора Под углом раскрытия рефлектора понимается угол а между образующей и нормалью к плоскости верхнего основания рефлектора Для изучения влияния этого параметра на плотность теплового потока в зоне облучения был изготовлен стенд-горелка с изменяющимся углом раскрытия рефлектора При разных углах раскрытия рефлектора, при постоянном расходе газа и постоянной высоте подвеса горелки измерялась плотность теплового потока на облучаемой поверхности Вычислялась доля излучения рефлектора с различными углами раскрытия в общей доле излучения горелки, и строилась зависимость доли излучения рефлектора от исследуемой модели Для газовой ИК-горелки с металлическим насадком тепловой мощностью 1,5 кВт угол, соответствующий максимальной доли излучения рефлектора, составил 31°56'

Среднеинтегральное значение плотности теплового потока на облучаемой поверхности увеличено в 1,7 раза по сравнению с заводской ИК-горелкой

Аналогичное экспериментальное моделирование было проведено на газовой ИК - горелке паспортной тепловой мощностью 3,21 кВт с керамическим плоским источником излучения Экспериментально получена длина образующей 221 мм и угол раскрытия рефлектора Среднеинтегральное значение плотности теплового потока на облучаемой поверхности было увеличено в 2,16 раз

Для газовых ИК - горелок с плоским керамическим и конусным металлическим источниками излучения были выведены уравнения, связывающие их геометрические параметры при максимальном излучении от рефлектора горелки

Для горелки с конусным источником излучения и рефлектором, имеющим форму «усеченный конус», при максимальном излучении от рефлектора справедливо уравнение

125т3а +21гап2а + (г2-212/3)51па - 1г=0, (8)

где а£[0,л/2] - угол раскрытия рефлектора, г -радиус верхнего основания рефлектора, 1 длина образующей рефлектора Отличие теоретического от экспериментального угла раскрытия рефлектора составляет 6 9%

Экспериментально установлено влияние симметричности формы рефлектора и источника на плотность теплового потока в зоне облучения Максимальная доля излучения от рефлектора зависит не только от его геометрических размеров, но и от соответствия его формы и формы источника (симметрии) Проведенные исследования показали, что рефлекторы, имеющие одинаковые образующие и углы раскрытия, но разные формы (усеченные конус и пирамида) при конусном источнике излучения создавали различную интенсивность излучения Среднеинтегральное значение функции, описывающей индикатрису для усеченного конуса, было больше на 46,17%

Рассмотрен механизм радиационного и конвективного теплообмена между источником и рефлектором газовой ИК-горелки с коническим источником излучения. Уравнение теплового баланса на рефлекторе, рис. 2.

Чих= Чрн+ Чрв+ Яки+ Чкв+ а.тп (9)

т„

Т Чр»

Рис. 2 Радиационный и конвективный теплообмен между источником и рефлектором «светлой» ИК-горелки с коническим насадком. 1 - источник ИК- излучения; 2 - рефлектор; 3 - технологическое отверстие; qии плотность теплового потока от источника излучения, (Вт/м2) црн;- плотность теплового потока от рефлектора в окружающую среду, (Вт/м2); чрв -плотность теплового потока внутрь рефлектора, 1(Вт/м2); q1(H - конвективный тепловой поток от рефлектора в окружающую среду, -

конвективный тепловой поток внутрь рефлектора, , - тепловой

поток в металле рефлектора,

Получена функциональная зависимость плотности теплового потока рефлектора от длины образующей и температуры на его поверхности.

«Ъ (Т,,; Ц)= 0,02Ти М7Ь,12\ (Вт/м2), (10)

где Ь, -расстояние от верхнего основания рефлектора до точки замера температуры; - температура на поверхности рефлектора в зависимости от

количества газовоздушной смеси, сгораемой в горелке, I - координата вдоль образующей рефлектора, J - номер эксперимента (]-ый расход газа)

Зависимость (10) позволила создать модельный ряд газовых ИК горелок с различными расходами газа и рефлекторами

В разработанном рефлекторе с максимальными тепловыми характеристиками составлен газовый баланс, установлено движение газовоздушных потоков в технологическое отверстие и удаление продуктов сгорания за пределы сельскохозяйственного помещения

Исследованы спектральные характеристики заводских и экспериментальных газовых ИК-горелок и их влияние на человека и поросят На рис 3 представлены диаграммы абсолютных значений плотностей теплового потока в спектральном диапазоне 0,38-10 мкм при фиксированной высоте подвеса и одинаковом расходе газа различных газовых ИК -источников

Рис 3 Диаграммы абсолютных значений плотностей теплового потока на облучаемой поверхности в центре проекции насадка при высоте подвеса 1,58 м различных газовых ИК-источников

Из рис 3 видно, что экспериментальная ИК - горелка имеет прирост плотности тепловою потока во всех исследуемых спектральных полосах ИК - диапазона Показано, что амплитудно-частотные характеристики у

источника излучения и разработанного рефлектора в спектральном диапазоне 0,38 - 10 мкм при нормировании максимальной амплитудой соответственно имели одинаковый вид. У обычного заводского рефлектора амплитудно-частотная характеристика имела провал в спектре 0,76 - 1,1 мкм и уменьшение плотности теплового потока в спектре 2,7-10 мкм

Выбор инфракрасной «светлой» газовой горелки для модернизации при проведении сравнительных испытаний был сделан в пользу горелки с металлическим конусным источником излучения, в том числе исходя из спектральных характеристик керамических и металлических источников.

На рис. 4 представлены сравнительные диаграммы долей спектральных излучений в диапазоне 0,38-10 мкм от заводских газовых ИК - горелок с керамическим источником излучения тепловой мощностью 3,21 кВт и с металлическим источником излучения тепловой мощностью 1,5 кВт

Рис. 4 Диаграммы долей спектральных излучений в диапазоне 0,38-10 мкм от заводских газовых ИК-горелок с керамическим и металлическим насадками

Анализ литературных источников, связанных с изучением влияния спектра излучения 0,38 - 10 мкм на здоровье человека и животных, позволил определить соответствие спектра излучения горелки и поглощения кожей для установления определяющей интенсивности излучения при организации локального ИК - обогрева. На рис. 5 представлен спектр прозрачности человеческой кожи и доля излучения (в процентах) ИК-горелки.

Уровень теплового эффекта с учётом прозрачности кожных покровов от горелок с керамическим и металлическим насадками для диапазона спектра от мкм можно представить в виде уравнения:

Чн(>чЯз)=(ч.А1;Ш^1)) Х\р(х)<1х+(Чн(Х2Яз)/(^->-з))к)р(х)ах , (Вт/м2) (11)

=0,38 мкм; \г =1 мкм; Хз =2,7 мкм - длины волн диапазонов спектра; - тепловые потоки в диапазонах спектра, функция прозрачности эпидермиса или кожи в соответствующем диапазоне длин волн.

Учёт интенсивности излучения газовых ИК-горелок в спектре 0,38-3 мкм, рис. 5, при организации локального обогрева позволяет организовать безопасную работу обслуживающего персонала в животноводческих помещениях.

Рис. 5 Спектр прозрачности человеческой кожи и доля излучения (в процентах) ИК-горелки. 1 - эпидермис; 2 - кожа; 3 - ткани щеки, 10 мм; 4 -сухой эпидермис; 5 - влажный эпидермис

На рис. 6 и 7 показаны спектральные характеристики газовых ИК горелок и проникающие характеристики кожи свиньи.

8 1" ц § 50 -г 40| и 20 у 10 I

*

8 а £ II Л \__

* г Ъ 4 Л мкм в

Рис.6 Спектры поглощения кожи свиньи (ширина спектра 1,6 мкм) 1 и в -доля излучения горелок (2- экспериментальная горелка, 3 - заводская горелка, тепловой мощностью 1,5 кВт)

Методические рекомендации, подготовленные с учётом интенсивности излучения в спектральном диапазоне 1 - 2,5 мкм, рис. 6 и 7, при организации локального ИК - обогрева, позволили получить технологический эффект (увеличение привесов и сокращение падежа поросят).

Рис.7 Зависимость отражательной Ях, пропускной Т\ способности кожи поросёнка и доля излучения горелок от длины волны при от различной толщине 5 образца. 1 - 2 - ТцгАЭД, 6=3 мкм; 3 - 5=8 мкм; 4 -

доля излучения Р= ^Х) -экспериментальная горелка; 5 - Р= ^Х) -заводская горелка

В пятой главе описана конструкция и даны результаты исследования рекуперативного, «газово-воздушного», противоточного, трубчатого

теплообменника с естественным движением газовой смеси по «горячему» каналу, используемого в качестве утилизатора тепла продуктов сгорания.

На рис. 8 представлена физическая модель процесса теплообмена в теплообменнике-рекуператоре.

Рис. 8 Физическая модель теплообмена в теплообменнике-рекуператоре

Тепловой баланс теплообменника-рекуператора:

О2=(31+Ос, (12)

где (Зг- количество тепла, переданного при теплообмене воздуху «холодного» канала, (Вт); (}2~ количество тепла, отданного горячими газами при движении в «горячем» канале, (Вт); - количество тепла, отданного в окружающую среду конвекцией, (Вт).

Тепловой КПД теплообменника-рекуператора:

Лтеп^ЛЗг (13)

Уравнение эксергетического баланса теплообменника-рекуператора:

где - потери эксергии в «горячем» канале теплообменника,

вызванные необратимостью теплообмена, (Вт) ; - изменение

эксергии в «холодном» канале, вызванные необратимостью теплообмена, (Вт); - потери эксергии при теплообмене, (Вт); - потери эксергии

в окружающую среду, (Вт).

Эксергетический КПД

ТК.ЧЕ4- Ei)/(ErE2) (15)

Предельно допустимый режим работы теплообменника-рекуператора достигал при совпадении коэффициентов теплоотдачи в каналах а^ = а,к -18,97, (Вт/ м2 °С) при расходе воздуха в «холодном» канале G„ = 133 м^'ч

На базе разработанного рефлектора и исследованного теплообменника-рекуператора было изготовлено газовое устройство инфракрасного излучения, рис 9

Устройство состояло из разработанного рефлектора 1, металлического источника излучения 2, установленного внутри рефлектора 1, имеющего стыковочный узел 3 технологического отверстия рефлектора с теплообменником-рекуператором 8, удаляющим продукты сгорания через воздуховод 4 за пределы сельскохозяйственного помещения, подогревая приточный воздух, поступающий по теплоизолированному воздуховоду 5, через вентиль расхода воздуха 6 за счет вентилятора 7, через стыковочный узел теплообменника-рекуператора 8, выходил в сельскохозяйственное помещение через узел 9 и частично через магистраль 10, вентиль расхода воздуха 11 постулат в смесительную камеру газовой горелки 12, образ\я смесь с газом в инжекторе 13, поступающим через вентиль расхода газа 14 который управлялся автоматической системой 15, изменяющей расход газа по сигналу с выносного термодатчика 16, прекращающим подачу газа и выключающим вентилятор 7 по сигналу термодагчика 17, установленного в высокотемпературной зоне горения

' 10 "

лл

1»ЗВП»1ЪЙ ■о«« 1

/////////////■//у/

Рис. 9 Газовое устройство инфракрасного излучения

Суммарный тепловой КПД устройства, состоящего из газовой ИК-горелки с разработанным рефлектором и теплообменником-рекуператором, утилизирующим сбросное тепло продуктов сгорания, подогревая приточный воздух, при этом имел вид:

где т|тепгор-тепловое КЦД горелки; т|ТЯ1пр сгор - тепловое КПД продуктов сгорания, удаляемых из технологического отверстия рефлектора; Т1теяра<уп -тепловое КПД теплообменника-рекуператора.

На рис. 10 представлена схема эксергетического баланса газового устройства инфракрасного излучения, созданного на базе модернизированной «светлой» ИК - горелки тепловой мощностью 1,5 кВт и теплообменника - рекуператора.

Эксергетический КПД устройства:

'П'гепУСТ Лтеп + Лтсп"^

(16)

1 |экс

рскуа

(17)

где Т]эксГОр - эксергетический КПД горелки; Т^кс1" ' - эксергетический КПД теплообменника-рекуператора.

В результате исследований было сконструировано газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений с тепловым КПД -88% и эксергетическим КПД от 47,5 до 49%.

рскуп

Рис. 10 Схема эксергетического баланса газового устройства инфракрасного излучения. I - камера сгорания; II - источник излучения и рефлектор; III - теплообменник-рекуператор

В шестой главе рассмотрены способы управления плотностью теплового потока на облучаемой поверхности через изменение высоты подвеса газовой горелки и изменение геометрических размеров рефлектора при фиксированной высоте подвеса в технологическом цикле выращивания животных.

Рассмотрена и проведена оценка технических характеристик системы локального ИК-обогрева для секции опороса на 40 станков на базе разработанного газового устройства, включающего газовую ИК - горелку и теплообменник-рекуператор, позволяющий не только создавать в зоне расположения подсосных поросят необходимую нормативную

интенсивность ИК - излучения, но и подогревать приточный воздух, экономя расходы на тепло- энергоноситель приточной вентиляции, рис. 11.

Рис. 11 Система обеспечения микроклимата для секции опороса

Система обеспечения микроклимата, изображённая на рис. 11, работает следующим образом.

Приточный воздух поступает в теплоизолированную вентиляционную камеру, расположенную над техническим проходом 15, через пневмоклапан 1 за счёт вентилятора 2, нагнетающего воздух в нагреватель 3 (например, водяной калорифер, электрический калорифер, газовый нагреватель, теплообменник - рекуператор), подаётся в воздуховод 4 через гибкие воздуховоды 8 в «холодный» канал теплообменника-рекуператора 5, подключённого «горячим» каналом к газовой ИК-горелке 6, обратный конец которого подключён к вытяжным каналам 14, удаляющим продукты сгорания за пределы животноводческого помещения; приточный воздух, подогретый теплообменником-рекуператором 5, вводится в

животноводческое помещение через анеимостат 7 в зону расположения животных 9, 10. Вытяжной вентилятор 12 создаёт разряжение, и через пневмоклапан 11 по воздуховоду 13 отработанный воздух удаляется за пределы животноводческого помещения. На рис. 11 показано совмещённое детское место 9, где расположены поросята и место нахождения свиноматки 10. Стрелками показано направление движения воздуха в животноводческом помещении.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Из анализа результатов лабораторных и эксплуатационных наблюдений была составлена классификация «светлых» газовых ИК-горелок по спектральному диапазону излучения, типам источников излучения, механизму горения, конструкции рефлектора, определены недостатки «светлых» газовых ИК-горелок при организации локального ИК-обогрева, связанные с низким лучистым КПД и выбросом продуктов сгорания в животноводческое помещение

2 Предложены физически обоснованные методы измерений конвективных и радиационных потоков для «светлых» газовых ИК-горелок, малых расходов газа, изготовлены лабораторные стенды, определен тип газовой ИК-горелки с металлическим насадком тепловой мощностью 1,5 кВт для организации локального ИК-обогрева в свиноводческом помещении

3 Для выбранного типа «светлой» газовой ИК-горелки установлено влияние геометрической формы и длины образующей рефлектора на интенсивность и амплитудно-частотную характеристику излучения в диапазоне 0,76-10 мкм, сформулирована физико-математическая модель, позволившая определить конструкции рефлекторов для различных геометрических форм источников, увеличить радиационный поток горелки в более чем 1,7 раза, получить функциональную зависимость для расчета модельного ряда горелок, плотности теплового потока на облучаемой поверхности от длины образующей рефлектора при различном расходе газа

4 Сконструировано и исследовано газовое устройство инфракрасного излучения для локального обогрева свиноводческих помещений с использованием разработанного способа и «газово-воздушного» теплообменника-рекуператора, позволяющего подогревать приточный воздух теплом продуктов сгорания, на основе термодинамического и эксергетического анализа определена зона его эффективной работы

Устройство и его базовые комплектующие защищены Патентами РФ 2219764,2234028,2235948

5 Разработаны и внедрены методы, компьютерная программа по размещению «светлых» газовых ИК-горелок и регулированию плотности теплового потока в технологическом цикле выращивания подсосных поросят и поросят на доращивании с учётом НТП-АПК 1 10.02 001-00, при реализации которых ЗАО «Племзавод-Юбилейный» получил экономический эффект в размере 112200 руб. в год в секции опороса на 40 станков и технологический эффект по увеличению привесов у подсосных поросят на 20 гр в сутки, поросят на доращивании на 40 гр. в сутки и сокращению падежа на 2 %.

6. Разработана система локального ИК-обогрева в секции опороса на 40 станков с догревом приточного воздуха за счёт тепла продуктов сгорания газовых устройств инфракрасного обогрева, с оценкой сокращения расходов на теплоноситель приточной вентиляции

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1 Пенкин А.А Экономические и биологические аспекты применения инфракрасного обогрева на свинокомплексах //Сборник материалов Всероссийского семинара (23-25 апреля 2002 г) Повышение эффективности отечественного свиноводства в современных условиях -М.. РИАМА, 2002 - С 47-54.

2 Лебедев Д П., Пенкин А А Энергосберегающие технологии при использовании вентиляционных систем в животноводческих помещениях //Труды Международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию Республиканского унитарного предприятия «Белорусский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (12-14 июня 2002 г ) -Минск, 2002. -С. 188-191

3 Лебедев Д П, Пенкин А А Газовые ИК-горелки с керамическими насадками для локального обогрева животноводческих помещений //Труды XI Международной научно-практической конференции (9-10

октября 2002 г ) Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции -М ГНУ ВИМ,

2002 -Кн 144 -4 3 -С 201-207

4 Лебедев Д П, Пенкин А А Экономические и биологические аспекты применения инфракрасного обогрева на свинокомплексах //Информационно-рекламный бюллетень АгроБизнес и пищевая промышленность -Ростов-на-Дону, 2002 -№12 -С 38

5 Лебедев Д П, Пенкин А А Инфракрасные газовые горелки в

животноводческих и птицеводческих помещениях //Информационно-рекламный бюллетень АгроБизнес и пищевая промышленность -Росгов-на-Дону, 2003 -№1 -С 14

6 Лебедев Д П , Пенкин А А Повышение эффективности «светлых» газовых ИК-горелок //Труды З-Международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве -М ВИЭСХ, 2003 -Ч 3 -С 346-352

7 Лебедев Д П Пенкин А А Пример эксергетического баланса газовой «светлой» ИК-горелки //Промышленная теплотехника Приложение к журналу №4 -Киев Издательство «ЛОГОС», 2003 -Т 25 -С 154-155

8 Федин В А. Мамонтов Н Т, Пенкин А А Опыт использования инфракрасного газового обогрева свиноводческих предприятий /' Сборник материалов научной сессии Россельхозакадемии (13-14 октября

2003 г) Научно-технический прогресс в АПК России - стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 года -М Россельхозакадемия, 2004 -С 318-321

9 Федин В А , Пенкин А А Обогрев по принципу солнца //Промышленное и племенное свиноводство -М , 2004 -№1 -С 51-52

10 Лебедев Д П, Пенкин А А Локальный газовый инфракрасный обогрев //5-ый Минский Международный форум по тепломассообмену (24-28 мая 2004 г) -Минск, 2004 -С 193-194

11 Лебедев Д П, Пенкин А А Технологический эффект в условиях локального инфракрасного обогрева сельскохозяйственных животных //Пятая Международная теплофизическая школа Материалы школы (2024 сентября 2004) -Тамбов, 2004 -4 2 -С 210-212

12 Патент РФ 2219764 Установка для организации микроклимата в сельскохозяйственном помещении /Лебедев Д П , Пенкин А А Шаталов М П //Б И № 36 2003

13 Патент РФ 2234028 Газовоздушная система ИК-горелки для сельскохозяйственных помещений /Лебедев Д П , Пенкин А А , Федин В А //Б И № 22 2004

14 Патент РФ 2235948 Децентрализованная комбинированная система микроклимата в животноводческих помещениях с использованием ИК-излучателей /Лебедев Д П , Пенкин А А //Б И № 25 2004

15 Заявка 2002 135471 на Патент РФ Способ организации оптимального инфракрасного обогрева /Лебедев Д П, Пенкин А А 30 12 2002 ^Положительное решение о выдаче Патента РФ 19 07 2004

Подписано в печать 27.12.2004г. Тираж 120 экз.

Формат 60х84\16

Уч. - изд. л. 1.4 Заказ № 25

Oï. w-05~.l1

532

? ? 0FR ^