автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Исследование температурных полей в промышленных инкубаторах

На правах рукописи УДК 536.24

Мишра Девашис

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ИНКУБАТОРАХ

Специальности

05.07.03 - Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов.

05,26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях, (авиационная и

ракетно-космическая техника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре « системы жтнеобеспечения летательных ашщмгов» в Московском авиационном институте

(государственном техническом университете)

Научный руководитель: Малозёмов Владимир Викторович, доктор технических наук, профессор Научный консультант: Пичулин Владимир Сергеевич,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Алексеев Владимир Антонович,

доктор технических наук, профессор Мартиросова Елена Ивановна, кандидат технических наук

Ведущая организация: Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения «НИИХИММАШ», г. Москва.

Защита состоится"_"_2005 г. в_ч._мин. на

заседании диссертационного совета Д 212.125.09 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, Москва, Волоколамское Ш- я. 4. Главный административный корпус, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Автореферат разослан" /¿7 " /гС&ъуря^.. 2005 г.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ^^^ Кудрявцева Н. С.

2006 ге/эа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Потребность человека в пище породила современное сельскохозяйственное и пищевое производство, которое на современном этапе носит характер промышленного, массового производства. В промышленно развитых странах относительная доля населения, занятая в указанных отраслях производства мала. Существенную часть пищевого рациона человека составляет мясо птицы, особенно куриное. В настоящее время куриное мясо и яйцо производят на птицефабриках, производственные мощности которых могут превышать миллионы птиц в год. Процесс производства цыплят-бройлеров включает этап выведения цыплят, который реализуется в инкубаторах. В промышленных инкубаторах одновременно могут присутствовать десятки тысяч яиц на разных стадиях выведения эмбриона.

Инкубаторы могут эксплуатироваться в самых разнообразных условиях. Известно, что температура инкубирования равна 37,5±1°С. Температура окружающей среды может бьггь как ниже (для стран с умеренным климатом), так и равной или выше указанной. Как правило, при проектировании инкубаторов производители ориентируются на климатические условия стран с умеренным климатом. Несмотря на существенный прогресс в технологии и оборудовании для инкубирования яиц, актуальной задачей является организация такого микроклимата в инкубаторе, который обеспечивал бы максимально благоприятные условия для развития эмбрионов и выведения цыплят. Когда речь идет об инкубировании десятков тысяч яиц повышение выводимости здорового потомства на несколько процентов может дать существенный экономический эффект.

Среди факторов, влияющих на выводимость цыплят, если исключить из

рассмотрения биологические факторы, следует назвать фактор температуры в зоне инкубирования и фактор состава газовой среды. Существенное влияние

оказьтает фактор температуры Поэтому анализ полей температур в инкубаторах особенно актуален. Задачей инженера, проектирующего инкубатор, является создание^ в зоне инкубирования максимально равномерного поля температур, благоприятного по физиологическим показателям для развития эмбрионов.

Цель исследований.

исследовать поля температур в инкубаторах, учитывая при этом присущие им особенности, оценить погрешность и достоверность для различных условий использования такого рода математических моделей;

провести сравнительный анализ полей температур в инкубаторах в зависимости от структуры системы обеспечения теплового режима и условий окружающей среды;

- разработать рекомендации по рационализации структур систем обеспечения теплового режима инкубаторов, учитывающих климатические условия их эксплуатации.

Задачи работы:

1. Разработка математических моделей систем обеспечение теплового режима инкубаторов для выявленных расчетных схем, учитывающих климатические особенности их эксплуатации;

2. Разработать вычислительные методики расчета полей температур в инкубаторах, программы для ПЭВМ и их отладку;

3. Провести тестовые расчеты с целью оценки погрешностей метода, сходимости, сопоставления с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными для оценки достоверности результатов расчетов;

4. Провести расчёты для анализа влияния структуры системы обеспечения теплового режима (СОТР) инкубатора, режимных и климатических условий на степень выводимости яиц;

5. Разработать рекомендации по выбору структур СОТР инкубаторов, способствующих повышению степени выводимости в зависимости от климатических условий.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод исследования температурных шлей в инкубаторах,

отличающийся от существующих учетом особенностей течения воздуха и теплообмена в зонах инкубирования яиц;

2 Проведены расчеты полей температур в таких специфических объектах как инкубаторы;

3. Проведены систематические исследования систем обеспечения теплового режима инкубаторов с различной структурой для различных климатических условий эксплуатации;

4. Выявлены характерные особенности указанных объектов, учет которых обязателен при проектировании и расчетах.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных программ для расчета СОТР инкубаторов; в предложенных методах учета особенностей течения воздуха п теплообмена для расчета полей температур: в предложенных рекомендациях по организации теплового режима инкубаторов для различных условий эксплуатации.

Материалы по работе опубликованы в Электронном Журнале «Труды МАИ»

Реализация работы. Результаты исследований применены при проектировании цеха инкубаторов для птицефабрики ЗАО « Кази Фармс», Бангладеш.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах, посвященных теме: "Инкубаторы нового поколения"- среди представителей производящих фирм Зеймсвч Инкубаторе. Канада. Петерсаиме. Бельгия и ЗАО « Казн Фармс», Бангладеш (Дакка,2003).

Публикации. По теме диссертации опубликованы три работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть материала изложена на 131 страницах. Текст содержит 84 рисунка и 1 таблицу. Список литературы включает 42 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводится обоснование актуальности решения проблемы, цель работы, сформулированы задачи работы, показана научная новизна и [фактическая значимость результатов исследований, вынесены основные положения диссертации.

В первой главе проводится анализ термогенеза яиц при инкубировании, предлагается критерий успешности выведения, анализируются конструкции промышленных инкубаторов, их особенности и недостатки, проводится обзор работ по методам расчета и анализа инкубаторов, а также по близким к ним приборам-термостатам, проведена постановка задач исследования.

Для получения высоких показателей выводимости, особенно важна температура инкубирования, от которой зависит скорость биохимических процессов в яйце. В норме необходимо поддерживать температуру равную 37,5±1С°. Ниже этой температуры развитие зародыша замедляется (яйцо «тухнет»). Если температура выше нормы, то это ведет к гибели зародыша или выведению нежизнеспособного цыпленка.

При высоких температурах происходит денатурация белка. Продолжительность развития эмбриона - 21 день

Обеспечение необходимого теплового режима в инкубаторе для поддержания оптимальной температуры является самым важным аспектом для получения высокой выводимости и качественной характеристики цыплят. Температура эмбриона зависит от трёх факторов:

- температуры воздуха вблизи яйца;

- теплообмена между яйцом и окружающей средой;

- выделяемого яйцом тепла, зависящего от времени инкубации.

Одна из простейших термоэнергетических моделей яйца строится на основе уравнений теплового баланса и записывается следующим образом:

Тя = Tine + (Hemb - Hwater loss У К (1.1)

Здесь Тя - температура яйца, Tine - температура инкубатора, Hemb - тепло, выделяемое яйцом, Hwater loss - потери тепла при испарении, К - коэффициент, учитывающий теплопроводность яйца и теплоотдачу с окружающим воздухом.

Теплообмен яиц в инкубаторах при выведении за счёт излучения незначителен, поскольку их температура отличается на величину менее 1-2 градусов Уравнение (1.1) содержит Hwater loss, поскольку в результате метаболических процессов в яйце образуется вода, которая испаряется в окружающую среду до 12% от массы яйца |1] . Яйцо теряет около 0,4 грамм воды в день, что эквивалентно потере 11,2 мВт.

УЯ1

гю

> Выделение w

100

тепла (мВт)

OS

•-• — - - ---

О я 'О 15 20

Время Инкубации (День) Рис. 1.1 О-Метаболическое тепловыделение,

1 Потеря тепли при испарении воды го яйца.

На рис 1.1 показаны значения Hemb и Hwater loss по дням инкубации, измеренные Ромизином и Локхарсгом (1960) [2]. Информации о скорости воздуха между лотками опубликовано недостаточно, этот параметр колеблется от 0.1 до 3.0 м/с. Для промышленных инкубаторов минимальная скорость зависит от расхода воздуха, обеспечивающего необходимое количество кислорода 02, которое равно 0.54л/день [3] . Температура яиц колеблется от 0.4 до 3.1 °С от допустимой температуры инкубатора [4].

Очевидно, существует оптимальная температура среды в инкубаторе, при которой он даёт максимальную выводимость яиц [5]. Температуры существенно сказываются не только на выводимости цыплят, но и на качестве их развития после выведения. Исследовательские работы на влияние инкубационных температур были проведены в работах [6,7] и привели к следующим выводам:

- оптимальная инкубационная температура была определена как 37°С-38°С, но выводимость цыплят возможна даже в интервале температур 36-41°С;

- эмбрионы более чувствительны к высокой температуре, чем к низкой;

- неблагоприятное влияние отклонений температуры от оптимального уровня сказывается тем больше, чем больше продолжительность отклонения;

- эмбрионы показывают большую чувствительность к отклонениям темпера-

туры от оптимальной в начале инкубации, чем в конце.

Уравнение (1.1) показывает, что температура эмбриона может отличаться от температуры воздуха, зависящей от большого числа факторов теплообмена вблизи яйца

На основании обзора литературы можно прийти к выводу, что для выведения нормального потомства необходимо поддерживать температуру яиц в пределах 37,5±1°С, влажность - 50 - 60%. Для промышленных инкубаторов, в которых дополнительная вентиляция обеспечивается наружным воздухом, поддержание требуемого парциального давления кислорода и углекислого газа, не является критической проблемой.

Далее, в первой главе анализируется конструкция и устройство современных промышленных инкубаторов. Существуют инкубаторы двух тагов: с вынужденным течением воздуха и инкубаторы с естественной конвекцией. Для промышленных инкубаторов применяются схемы только с вынужденным течением вочдуха п с продольной (рис. 1.2,1,3) или поперечной вентиляцией (рис. 1.4,1.5).

Инкубаторы могут быть многоэтапными и одноэтапными. В одноэтапных инкубаторах эмбрионы находятся на одной и той же стадии развития. Следовательно, выделяемое (или поглощаемое) ими тепло одинаково по всей массе яиц. В многоэтапных инкубаторах схема вентиляции продольная (рис. 1.2, 1,3) и инкубатор разделен на секции, в каждой из которых эмбрионы находятся на одной и той же стадии развития, отличающейся от стадии в других секциях. Загрузка таких инкубаторов производится периодически, например каждые три дня. Для каждой секции характерен уровень тепловыделения, соответствующий стадии развития.

Размеры инкубаторов самые разнообразные. Например, типичный инкубатор фирмы «Зеймсвэ» имеет длину по полу 7620 мм, высоту - 2500 мм, ширину - 3000 мм. Секции имеют размеры: длину 1090 мм, ширину 1250 мм, высоту 1850 мм. Объем секции порядка 2,3 мЗ. Число секций - двенадцать. Расположены они в два ряда. В каждой секции помещается около 7500 яиц.

-К '

)Л' , V -

у

Рис. 1.2 Многоэтапный инкубатор [4] с продольной вентиляцией

Вентиляторы

У-

нагреватель

Зона инкубации (К4)

АА, ВВ- горизонтальное и вертикальное сечение

К1-вентиляционный канал, К2-зона смешения, КЗ- зона нагрева

Рис. 1.3 Схема многоэтапного инкубатора с продольной вентиляцией.

В - вентилятор

Рис. 1.5 Схема одноэтапного инкубатора с поперечной вентиляцией.

Характеристика типичного промышленного инкубатора [3,8]:

а. Уровень температуры— 37 ±0.5°С.

б. Диапазон изменения температур з окружающей среды Т0кг=24 - 39°С.

в. Мощность нагревателя W = 2 кВт.

г. Время выхода на заданный режим работы-2-Зчаса.

д. Продолжительность работы -4-5 недель

е. Масса инкубатора со стеллажами 2000кг, Объём= ЗОм3

В первой главе проводится анализ возможных методов решения полей температур. При анализе температурных полей в инкубаторах целесообразно использовать математические модели, состоящие из уравнений различного типа. Например (см. рис. 1.3), можно для зон К2 и КЗ использовать модели с сосредоточенными параметрами, составленными как уравнения теплового баланса с идеальным смешением. Для канала К1 - уравнение с распределенными параметрами, причем пространственно одномерное. В том и другом случае можно учесть теплообмен через стенки с внешней средой, а также поступление и удаление внешнего воздуха. Использовать для канала К1 модель с распределенными параметрами по всем координатам не целесообразно, поскольку это ведет к существенному усложнению задачи. Течение в канале турбулентное. К тому же имеются обширные данные по теплообмену в плоских каналах, что и позволяет ограничиться лишь одномерным (по пространственной координате) уравнением.

Анализ литературы [9,10,11,12] показывает, что наиболее разработанными являются численные методы решения уравнения энергии для плоских или осе -симметричных, двумерных областей течения и теплообмена. Вообще говоря, при анализе тепловых процессов в зоне инкубирования, её нельзя свести к плоской геометрии. Ширина, высота и длина зоны инкубирования - величины одного порядка. Как видно из рис. 1.3 (сечение В-В) для укладки яиц в горизонтальном сечении имеет место приблизительная тепловая и гидродинамическая симметрия. Это позволяет ограничиться анализом процесса только в вертикальной плоскости симметрии каждой отдельной укладки.

Расчет нестационарных температурных полей связан с решением уравнения энергии, имеющего вид:

С,р —— + сЦ\г (Ср рЦТ) = <Цу ( Г §пк1 Т) + вн + вд , (1.2)

ОТ

где Г - коэффициент теплопроводности. 8Н, . тепловыделение нагревателя и яйц соответственно.

Решение подобного рода дифференциального уравнения может быть выполнено аналитическими методами в весьма ограниченном ряде случаев[13]. В общем случае может быть получено приближенное решение численными методами.

Развитие ЭВМ и разработка эффективных численных методов позволили существенно расширить возможности тепловых расчетов. Поскольку в инкубаторе течение воздуха можно принять приближенно плоским, удается ограничиться двумерными задачами, описываемыми уравнением вида:

сЖ♦ иит) ♦ А((т»= о.»

дт дх <%> дх дх ду ду

с соответствующими начальными и граничными условиями, где Г - коэффициент теплопроводности, Э - иеточниковыЙ член, учитывающий внутреннее тепловыделение.

В настоящее время, разработано большое количество методов решения таких задач, однако наибольшее распространение получили метод конечных разностей, метод конечных элементов и метод контрольных объемов [9,14,15,16].

В работе используется метод контрольного объема, который дополнен с целью более точного учета особенностей теплообмена, присущих инкубаторам. Согласно [9,15] дискретизация методом контрольного объема выполняется следующим образом. Исходное дифференциальное уравнение интегрируют по каждому контрольному объему. Одним из важных свойств метода контрольного объема является то, что в нем заложено точное интегральное выполнение законов сохранения энергии (в данном случай тепловой) в любой группе контрольных объемов и, следовательно, во всей расчетной области.

Для этого уравнение (1.3) интегрируется по некоторому контрольному обьему, показанному на рис. 1.6 плюс по временному интервалу от Г до Ат, то есть

Я /"

V

г+Д

V т+Ат т+Аг

^-(¡■¡ОУ + ри — + рУ— от 6Х

<НгдТ} дх[ дУ

дУ{ ЗУ

дУ

Т'

с1п1У + |

г+Лг

где V, показанный на Рис 1.6, контрольный объем.

*________М .

щ,

г

Д» 1 1Г •

дг

"V.

(1.4)

Рис. 1.6 Схема контрольного объема

Согласно формуле Остроградского Гаусса можно записать, что

±(тдГ

,ттбТ т/ дТ} р\ и — + У — п дХ дУ

А.(тбТ ахч

$1/1" ЯХ " дУ) дх{* бХ)~дУ{дУ

.хГ

¿Д & ду) {ех дУ)]

¿V

я9.+Я*+9.+Ч. > 0-5)

где е,\у,п,з- восточная, западная, северная и южная грани контрольного объёма соответственно, - тепловые потоки через грань

Таким образом, например, для контрольного обьема при учете только теплопроводности,получаем:

а.(Т«-ГР)+аЛт„-ТР)+ап(Т„-Т„) + а,(Т,-ТР) , (1.6)

где ав=Ге-; а*=Гж

8хе 8х,

АУ

соответственно Тр, ТЕ, Т«,, Те -температура в узлах Р,Е,\^,М,8 и Ге, Г„, Гя, Г5 коэффициенты теплопроводность или диффузии на грани Р.

При интегрировании источниковый член (1.9) рекомендуется представить в

виде:

а также использовать предположение о ступенчатом профиле в. Другими словами, при вычислении источникого члена полагается, что значение температуры в узле Тр распространяется на весь контрольный объем. Такое же допущение распространяется на значения 8и п Яр.

Выполнение этих правил обеспечивает консервативность разностной схемы, физичность получаемого решения и сходимость при решении результирующей системы алгебраических уравнений. Таким образом, расчет температурных полей в инкубаторе связан с решением в, общем случае, трехмерного нестационарного уравнения переноса тепла с источниковым членом и произвольным граничным условием.

Особенностью инкубатора является требование в поддержании температуры в зоне инкубирования К4 постоянной и равной 37.5 °С. В краевых областях зоны это требовании соблюсти сложно. Одной из задач работы является разработка методов расчета, обеспечивающих высокую точность расчетов в краевых зонах.

Во второй главе даются математические модели теплового режима инкубаторов, предлагается решение задачи методом контрольных объемов на нерегулярной расчетной сетке, метод генерирования нерегулярной расчетной сетки и иконы измельчения сетки на краевых зонах для получения необходимой ючпости с соблюдением сходимости решения. В тгой главе также рассматривается выбор итерационной процедуры по критерию сходимости и оценка погрешности.

¡5=8и-8рТр,

(1.7),

Зону инкубации уподобили пористой среде с коэффициентом пористости равной

ю = —р-*-, 0-8)

где Ы-число яиц, V,,- объем одного яйца, У-объем зоны инкубирования.

Ограничимся на данном этапе рассмотрением плоской задачи. Поле скоростей для зоны инкубирования К4 можно считать равномерным по поперечному сечению (см. рис. 1.3). Вертикальные скорости отсутствуют. Можно предположить, что температура воздуха в зоне инкубирования и температура яиц одинаковы. Такое допущение можно принять ввиду того, что коэффициент теплопередачи от яиц к воздуху велик, и разностью температур можно пренебречь. Тогда уравнение для вычисления поля температур будет иметь следующий вид:

ттиг Х я(д2Т д2Т^ Ср\— + и

Г

дх,

КдХ2 + ду2 ;

+ Я(Х,У,Т), (1.9)

Где Ср = Сьрьт + сЯРЯ (1 - т) - среднесмешанная теплоемкость зоны инкубирования,

Я = Льт + Хя (1 ~ т) - то же для теплопроводности,

С». рв,/-в - теплоемкость, плотность и теплопроводность воздуха,

ся, ряЛя- то же ДЛЯ яид»

q - удельное тепловыделение яиц. Для зоны инкубирования с длиной-Ь и шриной-Н примем следующие граничные условия:

при х = 0, 0<у <Н, Т=Т,;

при х = Ь, о<у<а Т=Т2,

при у=0,

0< х < L,

при у=Н, 0<x<L,

дТ

-Я,— = kiCTp-T); ду

дТ ду

Здесь ki = l/(l/oti + 8Д0 и к2 = 1/(1/а2 + Whl где а,8,Х - соответственно коэффициент теплоотдачи к стенке, толщина стенки и коэффициент теплопроводность нижней и верхней стенок зоны инкубирования.

Общая схема решения задачи с использованием нерегулярной расчетной сетки, адаптированной к геометрии расчетной области, а также с целью повышения точности численного расчета в краевых зонах состоит из следующих этапов:

1 .Описание задачи с входными данными

2. Генерация сетки

3.Сгущения сетки

4.Решение алгебраической системы уравнений

5.Выполнение условия сходимости

6.Обработка и визуализация результатов Не^п тарная сетка, полученная при сгущеннп павномепной гглбой сетки (рис. 1.7) по законам сгущения (1.10,1.11).

ДГ-

ЛХ

х

Рис. 1.7 Нерегулярная cenca

По оси X и к границе уравнение нерегулярной сетки выведено следующим образом:

А У «const, и АХ = dfN1, (1.10)

L

где d =1

, 0< f <1, N-колияество ячеек, f- произвольное число от 0 до 1

AY

дх X

Рис. 1.8 Нерегулярная сетка Сетка, показанная на рис. 1.8, имеет сгущение по оси У и АХ =сопв1

Закон сгущения имеет вид:

/ _ 'Л

= ^ 1-cos

ж

(1.11)

J)

где У (I) координата узла номер п- количество узлов.

Для решении уравнении были рассмотрены такие разностные схемы, как а) схема против потока 1-го порядка, б) гибридная, или смешанная, схема в) схема, ориентированная против потока с точностью 2-го порядка, г) квадратическая против потока интерполяционная схема для конвективного члена, д) схема ориентированная против штока, выполняющая условия физичности. Выбор схемы обосновали на выполнение условий физичности, консервативности и т ра I тс портивносги.

Для простоты была выбрана гибридная, или смешанная, схема Эта сче-

ма является смешанной между схемой центральных разностей и схемой против потока, имеющей точность 1 - го порядка Поскольку схема центральных разностей

точна и устойчива для (Ре - сеточное число Пекле) <2, в гибридной схеме

используется схема центральных разностей для |Ре|<2, в противном случае

применяется схема претив потока. Эта схема лучше, чем схема против потока, но, в общем, считается, что она имеет точность 1-го порядка. Значит, в продольном

направлении |Ре|>2 имеется точность 1-ого порядка, а в поперечном- |Рг|=0

имеется точность 2-ого порядка.

Как критерий сходимости было принято выражение (1.12), представляющее собой ошибку решения по тепловому потоку:

/

(1.12)

Погрешности по тепловому потоку ДО вычислялись за последние две итерации в соответствии с выражением

сК2 = ЫОк -Д0*'1 , (1.13)

где к - номер последней итерации в каком- либо из узлов за -эту итерацию

Суммарное изменение температуры при условии, что ошибка по потоку окажется равной нулю, вычислялось как:

После построения разностного аналога для каждого контрольного объема исходное дифференциальное уравнение представляет собой алгебраическое уравнение вида:

0-15)

пЬ

Для решения систем уравнений вида (1.9) использовано два вида

итерационных процедур: метод Гаусса - Зейделя и метод переменных направлений (трех диагональный матричный алгоритм - ТДМА).

В третьей главе предложенные методы апробируются на тестовых задачах, рассматривается влияние увеличения количества ячеек на погрешности и число итерации. При этом были использованы оба вида итерационных процедур: метод Гаусса - Зейделя и метод переменных направлений (трех диагональный матричный алгоритм - ТДМА).

В первом примере дается решение задачи стационарной теплопроводности имеющей следующее уравнение:

Где К - коэффициент теплопроводности Вт/М2, Ь - источниковый член. Данное уравнение, которое решалось на примере металлической пластинки высотой Н и длиной Ь, показано на рис. 1.9 с граничными условиями:

(Мб)

А

1=1

НТ/НуяЛ

Гоанииа 4 И=7

20 °С

Граница 2

У

-► > Граница 1 Ю «С

Рис 1.9 Схема металлической пластинки.

Для простота были использованы следующие граничные условия:

1. Т= const (условия Дирихле) на границах 1,2.

2. Т=5+15х (переменная) на границе 3.

3. Условия Неймана на границе 4.

4. Источник тепла: b =10(cl-c2T2). cl=20, с2=0.25

5. Теплопроводность К= 20ТЯ1 где Т1=10

Результаты решения на нерегулярной сетке с различными разрешениями представлены на рисунках 1.10.1,1.10.2:

Рис. 1.10.1 .а) Сетка 10x10, погрешность 1.10, 1.6) Сетка 80 х 80, погрешность 17.03%. 0.35%.

Зависимость ошибки по потоку Д0 от номера итерации показана на рис.1.10,

вычислена по формуле( 1.12). На рис.1.10 видно отношение погрешности к количеству итераций и заметно, что с увеличением количества ячеек повышается точность, но и увеличивается время подсчета С измельчением ячеек (г) также сокращается время расчета при достижении данной погрешности.

вило

3)00 2500 3000 N.«<N101»

«ООО

Рнс.1.10.2 .Зависимость ошибкп по потоку ДО от номера итерации. Для демонстрации возможностей метода и анализа сходимости и погрешности решалось уравнение энергии общего вида:

(гтгт Т,дт}

д (тдТ_\ЦГдТ

+ £ (1.17)

дх ду ) йс) ду^ ду у Поле скоростей считалось заданным для двух типов конструкции.

Граница 2

иаА -

Граница 1

Граница 3 Ь

иь,иь

Рис.1.11. Тип А конструкции.

Граница 4

Для А- типа конструкции краевые условия задавались в виде: Граница 1:

Температура на входе=35°С,

X ~ 2м,Ь = 2т,17а =1м/сее,Иа -Иь = 0.МЗм,Г = 1/500(скорость потока, ширина входа и выхода, коэффициент диффузии) При х = 0;

Ь-На<у<1, Т = 35°С; 0 <уйЬ-На, Т = 32°С;

Граница 2:

Граница 3:

Граница 4:

При у =

0<хйХ, — = 0;

При х = Х

При у = 0

ах

йТ

О <у<Ь, = 0;

ах

0<,х<Х, — = 100; (1.18)

с1х

Данные о полях скоростей были получены при решении уравнений Навье-Стокса на параллельном компьютере в компьютерной лаборатории кафедры термогидродинамики в Технологическом Университете Чалмарса , Швеция. Точность решения 0.1 %. Поля cкqюcтeй представлены на рис. 1.12. При этом использовалась нерегулярная расчётная схема 27x27 (рис. 1.13).

Velocity FMtk

0 0.9 t 18 2

X

Рис.1.12. Поля скоростей в конструкции типа A. На рис. 1.13 представлены результаты расчета для задач А .

<м

it . , '. ' t.< и 12 -I 1

М М

04 «

0

0 <У2 04 М СЛ 1 li М 1* U 2 X

) 13.1 Нереп.тарная расчётная сетка 27x27

1 > 1.« 14 1.2 1 0.» 0.1 04 02 0

VatoeHy V«cun and Т СаПсип

1.13.2. Поля скоростей и изотермы

о воиляиноап

НкНМШ

1.13.3. Изменение ошибки по потоку АО (Вт)

методом переменных направлений (трех диагональный матричный алгоритм - ТДМА)

1.13.4. Изменение ошибки по потоку I. методом Гаусса - Зейделя

1.13.5. Изменение производной с!0(Вт)

в пкв<а>хоз»хоза>«п4а«1

1.13.6. Изменение погрешности пи температуре("С)

Рис. 1.13. Результаты расчетов для конструкции типа А.

Расчетная область

Граница 1

Граница 2 Vn fan

UB.hB

Граница 3

I.T, ..h,.

L

Рис.1.14. Тип Б конструкции.

Граница 4

V4««y ГШ

Рпс 115. Поле скоростей для констр\тацш тппа Б.

Краевые условия для конструкции типа Б: Граница 1: Температура на входе= -10°С, Н = 2м, Ь = 3м,

ил=0,ив = 0.2Уоко/Ив,ис =0.ЦУо\ко\/Ив,Уо =-1м/сек, То=-10°С

Г = 1/200 (скорость потока, ширина входа и выхода, коэффициент диффузии) При X = 0;

0 ¿уйН, = 0;

ах

Грашща 2:

При у = Я;

1.1603 1.6182, Г = -10;

ят

0^ х< 1.1603, и 1.1603<д:<2, — = 0;

с1х

Граница 3:

При ж = Ь

0<у<:Н, = 0;

ах

Граница 4:

При у = 0

0 йхйЬ, — = 0; (1.19)

с1х

На рис 1.16 представлены результаты расчета для задач Б.

ом

2 1« 1« 14

1Г I 1'

аг ав

014

02

15 I.

1 16.1 Нереп'лярная расчетная сетка 26x26

0 05 1 15 2 25 3 15

1 16 2. Поля скоростей п изотермы

тт

1.16.4. Изменение ошибки по потоку АО (Вт)

1.16.3. Изменение ошибки по потоку АО методом переменных направлений (трех. „ „ „ диагональный матричный алгоритм - ТДМА) (Вт) методом Гаусса - Зейделя

Ссгмфпс*

В КО 1Ю до Ьмкт

т т т

1Ш 160 зю я м> Мкт

1.16.5 I Ьменегав погрешности по температуре*. "С).

1 16.6. Изменение производной с!(

Рпс. 1.16. Ре}ультато расчетов для констр\ кщш типа Б.

Зависимость ошибки по потоку Л£?от номера итерации, вычисляемая по

формуле(1.12) , производная (КЗ - по формуле(1.13) и изменение оценки погрешности по температуре, выполненное в соответствии с выражением (1.14), приводится на рис. 1.13 и 1.16. Итерационный процесс был остановлен, когда оценка погрешности по температуре составила 0.016 (для типа А) и 0.021°С(для типа Б), а погрешность по тепловому потоку - 0.0001Вт. Полученное при этом поле температур показано на рис. 1.13 и 1.16. После 150-200 итерации почти прекращается изменение поля температур. Температура на всех узлах остаётся почти неизменной или в пределах погрешности и, таким образом, формула (1.12) по оценки оказалось правильной.

Для проверки численное решение было сопоставлено с точным аналитическим решением для продольного течения. Одномерное уравнение теплопереноса в продольном направлении имело вид:

Ср

дТ_ дх

= Я

(дгт4

дх2

(120)

где Ср = СьрьМ + СярЛ-М),ъ Я = ЛьМ + Хя(\-М).

Данное уравнение вполне адекватно описывает тепловые процессы вдоль оси зоны инкубирования. Решение на отрезке прямой длиной Ь для условий Дирихле (см. рис. 1.17) имеет вид:

и

11=37

Т,г=36

ж = 0 х = Ь

Рис 1.17. Решение уравнения на отрезке прямой длиной Ь для условий Дирихле.

Т-Т0

ехр

/ рихл

КГ

•1

ехр

риЬ) I Г

где Г = ■

(121)

-1

Сопоставление с численным решением проводилось следующим образом, Температуры Ть и Т0 были взяты из численного решения, подставлялись в уравнение (1.21) и проводилось его решение. Задача решена при следующих значениях теплофизических параметров:

Я = 0.53Вт/ м°С,С = 3.81 цЦж/кг°С,р = 900.05кг! м\

Т = 0Л4кг/т/8

0 = 0 ,и = 0.5м! = 20°С,Токг = 20 °С,ТЫ = 37°С Численное решение выполнялось при следующих условиях: е = 0 ,и = 0.5 мЫЛ^ = 20° С, Т^ = 2 0°С,Т1л = 37 °С

На рис. 1.17 представлено сопоставление решений (крестики - численное решение, сплошное - решение (1.21)). На рис. 1.17 изображена ошибка решения.

Значения температур на входе и выходе получились следующими: ПриН = 0.0131 (вблизипола) Т0 =34.98°С,ГХ, = 34.75°С А) При Н=0.0131 (вблизи шла)

Т0 =34.9*° С,TL = 34.75°С, и = 0.5w/s

Б) При Н = 1.997 получились температуры

Т0 = 37 °C,w = 0.5m/s,rt = 36.96

Рис. 1.17. Ошибка решения.

Ошибки по температуре не превышали 0.14 °С, что подтверждает правильность разработанной методики численного решения. В четвертой главе приводится расчет и анализ поля температур с внутренним тепловыделением и скоростей ВП для различных краевых условии. В этой главе также приводятся тепловой расчет инкубатора и обосновываются рекомендации для инженеров, занимающихся проектированием и эксплуатацией инкубаторе» по критерию выводимости.

С целью анализа влияния на шля температур в зоне инкубирования краевых условий различного рода решались ряд задач.

Для соответствующих расчетов коэффициент пористости для зоны инкубирования принят равным М=0.575, длина по полу L=6.54m. высота Н=1.85м. Ниже обозначено Q - тепловыделение яиц, Tpd - температура шла, Т„ь -температура верхнего канала, U - скорость движения воздуха в зоне инкубирования.

Результаты расчетов представлены ниже на рис. 1.18 и они соответствуют поставленным краевым условиям по симметричности.

0 = 0Вт,и = 0.5м/сек,Т^ = 20°С б = 0Вт,и = 0.5м/сек,Т^ = 20°С,

Т^ = 20 °С,ТЫ = 37°С = 40 *С,ТЫ = 37° С

Рис. 1.18. Поля температур.

Во втором параграфе проводится тепловой расчет и анализ поля температур в зоне инкубирования инкубатора с продольной схемой вентиляции для одно- и многосекционных вариантов с учетом теплообмена в воздушном канале К1 (рис. 1.3) в верхней зоне, а в нижней зоне - с шлом.

Уравнение теплового баланса канала К1 имеет вид:

где д2=к2(т-тп)-,

п

и = ос —, — у

п

1 - Д.т 1

а Ч ^ /СГ ;

(1.22)

ь т^а,

X Та п . -► |

<•>1 '»«.Гщ 4-

-

- *---------

— ^

Рис 1.19. Схема зоны инкубации с верхним каналом

гос. национ .. библиотека С11«т«#бург

М акт

Здесь С-теплоемкость, р -плотность воздуха, U -скорость воздуха, S -площадь поперечного сечения, qx -теплоподвод в канал, - теплоотвод в

окружающую срсду, кх,к2- коэффициенты теплопередачи, а,а ап-

кооффициенты теплоотдачи в канале, в зоне инкубирования и в окружающей среде, 8, Л -толщина изоляции и её коэффициент теплопроводность Решение уравнения (1.22) имеет следующий вид:

к, Т.„„ + Аг, 7\ к, + где f = —i—^-= 21(123)

CpUS CpUS K

Особенностью применения промышленных инкубаторов является их использование в различных климатических условиях, и особенно в тропических. Например, в Бангладеш средняя атмосферная температура колеблется от 38 °С до 45 °С. Существенное влияние на главный показатель качества инкубатора, процент успешно выводимых цыплят оказывают краевые условия. Из рис. 1.18 видно, что плохую выводимость следует ожидать именно в краевых зонах

Для анализа влияния климатических условий были выполнены расчеты с условиями, соответствующими тропическому климату для многоэтапного инкуба -тора с продольной вентиляцией, имеющего 6 секций и 9 секций.

Исходные данные для расчёта принимались следующими: количество яиц N=90000, длина по полу L= 6.54м. высота зоны инкубирования Н- 1.85 м. Скорость воздуха в зоне инкубации Usk варьировала Приняты следующие обозначения для параметров расчетов: температура на входе в зону инкубации- Tin; температура на входе верхнего канала-Th; температура окружающей среды-Tokr; температура пола Гро1.

Тепловыделение "Л^иВт), Длина Цт).

Рпс. 20. Характер тепловыделения яодв 6-п секционном инкубаторе.

На рис.1.20 изображен характер тепловыделений яиц в инкубаторе. В начале расположены яйца с максимальным тепловыделением, а в конце - с минимальным. На рис. 1.21 приведены расчеты при изменении температуры окружающей среды Токг и температуры пола Тро1. Видно, что средняя температура в инкубаторе Тер равна 37.37 °С -37.60 °С. При исследовании распределения температуры вблизи стенок заметно, что у верхней стенки перепад температуры меньше, чем у нижней стенки. И плохую выводимость следует ожидать именно в зоне нижней стенки.

Влияние скорости воздуха на поле температур показано на рис. 1.22. Минимальный расход воздуха рассчитывается исходя из минимальной потребности в 02 (кислороде), который составляет 0.51 Л/день эквивалентно 0.00268м3/сек (рис. 1.22) и 0.00028 м/сех. При увеличении скорости воздуха наблюдается выравнивание температурного поля в зоне инкубации и уменьшение перепада температуры по длине стенки. Но по-прежнему перепад температуры у нижней стенки остается большим. Ниже представлены результаты расчетов для различных значений скоростей и температур. Условия показаны на рисунках 1.21,1.22:

1.21.1 Tokr=200C,Tpoi=200C ,U=0. 2м/сек, Tn=37.50C,Th= 39°C

1.21.2.Tokr=20°C,Tpor=40°C, U=0.2 м/сек, Tm=37,5°C,Th= 39°C

1.21.3.Tokr=40 °CJpof=20 °C, 1.21.4.Tokr=50 »C.TporSO °C,

U=0.2м/сек, Tm=37.5°C,Th=39°C и=0.2м/сек,Тт=37.5°С,Ть=39°С

Рис.1.21. Поля температур при изменении параметров температуры окружающей среды Tote и температуры пола Tpoi

На рис.1.22 представлены результаты для условий вида И= 90000, Тт=37.5°С, Ть=39°С, Токг=30°С, ТрорбО^.

1.22.1. С/ = Ом! сек

1.22.2. и = 0.00028л</сек

1.22.3. С/ = 0.00268л</сел

1*0.002« пЛ

1 22.4. С/ = 0.0\м! сек

1.22.5.1/ = 0.05м/сек

1.22.6. и = 0.5м/сек

о О

Рис. 1.22. Поля температур при изменении параметра скорости воздуха. По результатам расчётов была проведена оценка степени выводимости яиц в зависимости от скорости воздуха.

Ниже представлена зависимость выводимости в (%) от средней скорости в и (м/сек).

А) Качественные цыплята, если 36.5°С йТ < 38.5°С.

Б) Общее количество цыплят, полученных при 36°С <Т й 41°С

б Mctk.nl Ч НаМшЫКу V», ЧЛхН)

2 3

У€((кКу т/з

Рис. 1.23.1. Зависимость выводимости в (%) от средней скорости, и (м/сек).

Рис. 1.23.2. Зависимость выводимости в (%) от средней скорости, И (м/сек).

Был также рассмотрен вариант с источниковым членом для инкубатора с 9-ю секциями, который имеет следующий ступенчатый характер по длине (рис. 1.24).

Рис. 1.24 . Характер тепловыделения яиц в 9-ий секционном инкубаторе.

На рис. 1.24 изображен характер тепловыделений яиц в инкубаторе. В начале расположены яищ с максимальным тепловыделением, а в конце с минимальным. Аналогично проводились расчеты при температуре окружающей среды Токг=30°С и температуре пола Тро1=50°С. При этом средняя температура в инкубаторе Тер равна 37.25 °С -38.80 °С. При исследовании распределения температуры в близи стенки было заметно, что у верхней стенки перепад температуры меньше, чем у нижней стенки. Температура у нижней стенки достигает 45.50°С, что не допустимо для получения высокой выводимости. И плохую выводимость следует ожидать именно в зоне нижней стенки.

Существенного влияния скорости воздуха на поле температур не было заметно. Расчеты при минимальном расходе 0.00268м3/сек или 0.00028 м/сек показаны на рис.1.22. При увеличении скорости воздуха заметно выравнивание температурного поля в зоне инкубации и уменьшение перепада температур

вдоль стенки. Но, по- прежнему, перепад температуры вдоль нижней стенки остается большим.

Результаты проведенных расчетов позволили оценить степень выводимости яиц в зависимости от скорости воздуха.

Ниже представлена зависимость выводимости в (%) от средней скорости, и (м/сек). А) Качественные цыплята если Б) Общее количество цыплят, полученных т

36.5°С <ТйЪЪ.5°С. 36°С йТ<41°С

•м01см«Н1МаМ1ум У<1ойу в«*«ав%Н*еМ%» V**»/

УёосИупЛ

Рис. 1.25.3ависимость выводимости Рис. 1.26.Зависимость выводимости в%

в % от средней скорости и(м/сек) от средней скорости и (м/сек)

Выводимость яиц возможна при 3 6°С <Т < 41 °С рис. 1.25, но цыплята

хорошего качества выводятся при 36.5 °С <Т < 38.5°С рис.1.26. Заметны небольшие отличия показателей при сравнений результатов по показателям выводимости. 9-и - секционный инкубатор имеет лучшие показатели максимальной выводимости при минимальной скорости воздуха.

Исследовались влияния окружающей среды на степень выводимости, и проводились расчёты при условиях: Тш=37.5 0С,Ть=390С,ТоЬ=300С и скорости воздуха 11=0.00028 м/сек, соответствующей минимальному расходу воздуха через инкубатор (рис. 1.27).

Зависимость выводимости в (%) от температуры пола, Тро1 (°С).

А) Качественные цыплята, если Б) Общее количество цыплят,

36 5V йТ< 38.5 V, полученных при 36° С < Т < 41V

Рис. 1.27. Зависимость выводимости в % от температуры пола, Тро1 (°С). При такой схеме вентиляции, температура пола сильно влияет на равномерность

распределения температуры по всей зоне инкубации.

В результате не удаётся достичь 100% выводимости. Зона плохой выводимости показана на рис. 1.28.

Ряс. 1.28.Зоны выводимости в инкубаторе.

С целью улучшения характеристик инкубатора для повышения выводимости, было предложено ввести нижний канал, что обеспечит более равномерное распределение температуры в зоне инкубирования. Результаты расчетов (рис.1.29,1.30,1.31) показали, что при выше названном изменении в конструкции можно достичь 100% выводимости.

Ниже представлена зависимость выводимости п (%) от средней скорости, И (м/сек). А) Качественные цыплята, если Б) Общее количество цыплят, полученных

36.5°С <Т < 38.5°С. при36°С <,Т £ 41° С

вяйктаНдегШумШосИу вмЛавНЛЛгМгу V«. УеИеНу

1.5 2 28 ЧЛх*ЧпМ

4 45

х К)"

Рис.1.29. Зависимость выводимости в % от средней скорости перемещения ВП, и (м/сек)

Представлена зависимость выводимости в (%) от температуры пола, Тро1 (°С).

А) Качественные цыплята, 36.5°С йТ й 38.5°С

если Б) Общее количество цыплят, полученных при 36°С' <Т < 41" С

ем

«.79 96.7В £«>77 «9176

I вата

к «74

»73 »72 »71

»7.

-40

•21

X 40 Т1С|

■50

50 40 ГО

Рис. 1.30. Зависимость выводимости в (%) от температуры пола, Тро1 (°С).

н

(т)

1 е 1.8 1.4 1 2

1

О 8 06 04

о.:

4

и (Ш|

ззш «4

/ !

/ / (

/

/

/ 1

/ /

/ /

/ /

7

/ /

/ г— Ш

качественные цыплята не качественные цыплята

Рис. 1.31. Зоны выводимости в инкубаторе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Инкубирование яиц является важнейшим процессом при производстве яиц и мяса птицы для употребления в пищу. В промышленных масштабах производства повышение эффективности процесса даже на несколько процентов дает ощутимый экономический эффект Анализ показал, что производители при проектировании инкубаторов не учитывают климатические условия эксплуатации, расчетные методы анализа ключевого элемента инкубаторов - зоны инкубирования, используются в процессе проектирования недостаточно. Создание математических моделей инкубаторов и моделирование зон инкубирования является важнейшей задачей.

В представленной работе:

- Проведено исследование и анализ конструкций промышленных инкубаторов, их тепловых и вентиляционных схем. Показано, что наиболее рациональной схемой вентиляции инкубаторов является продольная схема продувки зоны инкубирования. Данная схема позволяет учесть уровень тепловыделений в зависимости от стадии развития эмбрионов. Остальные виды схем вентиляции не обеспечивают равномерного поля температур в зоне инкубирования, необходимого для повышения уровня выводимости инкубатора, или требуют наличия сложных вентиляционных воздуховодов, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию.

На оснований проведенных исследований, выполненных тепловых расчетов и анализа литературных данных сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1 На основании анализа литературных данных установлен критерий выводимости эмбрионов по уровням температур. Выведение полностью здорового потомства достигается при температуре инкубирования в пределах 37 ± 1°С, выведение потомства, способного к выживанию достигается при температурах инкубирования в пределах 36 < Т< 41°С

2. Установлено, что наиболее вероятными зонами плохой выводимости являются краевые зоны инкубирования.

3. Установлено, что выведение потомства, способного к выживанию не гарантирует из за подверженности такого потомства инфекциям, выхода высококачественной продукции. Косвенно это влияет на безопасность лиц употребляющих мясо птиц в пищу.

4. Для оценки температур в краевых зонах инкубирования, в работе используется принцип сгущения расчетной сетки к границе расчетной области по специальному закону (2.20). В закон сгущения входит выбираемый весовой коэффициент 0<М. Для перепадов температур между зоной инкубирования и окружающей средой ДТ= 10-20 °С, рекомендуется выбирать 0.8<Г<0.9.

5. Разработанный метод позволяет ограничиться небольшой размерностью сетки, применяемой для расчета поля температур при требуемой точности расчетов. Большинство расчетов в данной работе проведено на сетке размерностью 27x27.

6. Путем решения ряда тестовых задач показана точность и сходимость разработанного метода и программы. При этом погрешность по температуре составила 0.01 °С и 0.0001 Вт по тепловому потоку.

7. Показано, что учет климатических условий при проектировании и эксплуатации инкубаторов позволяет улучшить их характеристики как по энергопотреблению, так и по уровню выводимости цыплят, повышая последний до 100%.

8. В используемых ныне инкубаторах верхний вентиляцинный канал может рассматриваться как элемент теплозащиты от воздействий окружающей среды. В работе показано, что устройство такого же канала в нижней части зоны инкубирования с целью теплозащиты от тепловых воздействий со стороны пола, приводит к дальнейшему выравниванию ноля температур и к существенному повышению уровня выводимости цыплят.

9. Разработанная программа и методы расчета температурных полей в зоне инкубирования позволяют рассматривать нестационарные режимы работы, что даст возможность более полно учесть сезонные и суточные колебания климатических условий эксплуатации инкубаторов, проанализировать схемы тепловой организации и вопросы автоматического регулирования СОТР.

Программа расчета разработана для среды MATLAB 6.5 SP1, оформлена в виде М- файла и используется в деятельности разработчиков инкубаторов. Данная программа используется на предприятии ЗАО «КАЗН ФАРМС» в Бангладеш.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Schmidt Nielson, К., Animal Physiology. Cambridge University Press, NY. 1975.

2. Romijin C., W. Lockhorst, Foetal heat production in the fowl. Journal Physiology 150, pages 239-249.

3. ( Ид__'li I'J'IJJ _ 111 |,I_ iIhjm i Hill.

4. Vleck, C.M., and D. Vleck, Patterns of metabolism and growth in avian

embryos. Am. Zoologist 20:405-416,1980.

5. Meijerhof, R., and G. Vanbeek, Mathematical modeling of temperature and

moisture loss of hatching eggs. Journal Theoretical Biology 165, pages 27-41, 1993.

6. Sotherland, P.R., J. R. and С. V. Paganelli, Avian eggs: Barriers to the

exchange of heat and mass. Journal Exp. Zool. Suppl. 1, pages 81-86,1987.

7.Tazawa, H. And S. Nakagawa, 1985.Response of egg temperature, heart rate

and blood pressure in the chick embryo to hypothermal stress. J. Сотр.

8 . li tj___¡.iijju ■ 'ijj-,ltl 1 Miii],

9, Versteeg H.K. & Malalasekera W., An introduction to Computational Fluid Dynamics, pp. 1-246,1995.

10. Дульнев Г.Н., Тепло и массообмен в радиоэлектронной апнарагуре-М.:Высшая Школа,1984- 247 с.

11. Исаченко В.П.,Осипова В А, Сухомел A.C., Теплопередачи- М.:Энергия, 1969-438 с.

12. Кутателадзе С.С., Основы теории теплообмена - М. : Атомиздат,1979-300с.

13. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигналов A.B. Применение ЭВМ для решения задачи теплообмена. - М. : Высшая школа, 1990. - 207с.

14. Wilcox David С., Turbulence Modeling for CFD, pp. 1-330,1994.

15. Себе си T. , Брейдшоу П., Конвективный теплообмен - М.:Мир,1987.~ 509с.

16. Андерсон Д, Танехил Дж, Флетчер Р., Вычислительная гидромеханика и теплообмен - М. :Мир, 1990 -726 с.

17.0ртега Дж, Пул. У, Введение в численные методы решения дифференциальных уравнении - М.: Наука, 1986- 287с.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мишра Д, Пичулин B.C. Температурные поля в промышленных инкубаторах //Электронный журнал «Труды МАИ».2005.-№20.-с.12.

2. Мишра Д, Пичулин B.C. Тепловой расчет современных инкубаторов. //Электронный журнал «Труды МАИ».2005.-№20.-с.9.

3. Мишра Д, Пичулин B.C. Тепловой расчет новых инкубаторов. // Электронный журнал «Труды МАИ».2005.-№20.-с.4.

>23240

РНБ Русский фонд

2006-4 26190

i

J

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ИНКУБАТОРОВ

1.1 Особенности инкубирования яиц.

1,2Конструкция и устройство современных промышленных инкубаторов.

1.3 Тепловые модели инкубаторов и методы их расчета.

1.4Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ СОСТОЯНИЙ ИНКУБАТОРОВ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

2.1 Расчетная схема инкубатора и математическая модель теплового состояния.

2.2 Общая характеристика методики расчета поля температур на нерегулярной сетке.

2.3 Построение дискретного аналога на расчётной сетке.

2.4 Критерии сходимости и оценка погрешности итерационного решения и выбор итерационной процедуры.

ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ. ОЦЕНКА СХОДИМОСТИИ ТОЧНОСТИ МЕТОДА.

3.1 Решение модельной задачи стационарной теплопроводности.

3.2 Решение модельной задачи стационарной конвекции в полости.

3.3 Сравнение результатов с аналитическими решениями.

ГЛАВА 4. ВЫПОЛНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЁТОВ НА ИНКУБАТОРЕ. 4.1 Анализ поля температур в инкубаторе для различных краевых

Условий.

4.2 Тепловые расчеты инкубаторов.

4.3 Тепловой расчёт с предложенным нижнем каналом.

Обеспечение человеческого общества продовольствием во все исторические времена были актуальной задачей. Потребность в пище породило современное сельскохозяйственное и пищевое производство, которое на современном этапе носит характер промышленного, массового производства. В промышленно развитых странах относительная доля населения, занятая в указанных отраслях производства мала. Существенной частью пищевого рациона человека составляет мясо птицы, особенно куриное мясо. В настоящее время куриное мясо и яйцо производят на птицефабриках, производственные мощности которых могут превышать миллионы птиц в год. Процесс производства цыплят-бройлеров включает этап выведения цыплят, который реализуется в инкубаторах. В промышленных инкубаторах одновременно могут присутствовать десятки тысяч яиц, на разных стадиях выведения эмбриона.

Инкубаторы могут эксплуатироваться в самых разнообразных условиях. Известно, что температура инкубирования равна 37,5±1°С. Температура окружающей среды может быть как ниже (для стран с умеренным климатом) так и равной или выше указанной. Как правило производители инкубаторов ориентируются при проектировании инкубаторов на климатические условия стран с умеренным климатом. Несмотря на существенный прогресс в технологии и оборудовании для инкубирования яиц, актуальной задачей является организация такого микроклимата в инкубаторе, который обеспечивал бы максимально благоприятные условия для развития эмбрионов и выведения цыплят. Когда речь идет об инкубировании десятков тысяч яиц повышение выводимости здорового потомства на несколько процентов может дать существенный экономический эффект.

Среди факторов, влияющих на выводимость цыплят, если исключить из рассмотрения чисто биологические факторы, следует назвать фактор температуры в зоне инкубирования, и фактор состава газовой среды. Особо сильное влияние оказывает фактор температуры. Поэтому анализ полей температур в инкубаторах особенно актуален. Задачей инженера, проектирующего инкубатор, является создание в зоне инкубирования, в идеале, совершенно равномерного поля температур, благоприятного, по физиологическим показателям, для развития эмбрионов.

В работе ставятся следующие цели исследования:

- исследовать поля температур в инкубаторах, учтя при этом присущие инкубаторам особенности, разработать математические модели для расчета полей температур оценить их погрешность и достоверность для различных условий использования такого рода математических моделей;

- провести сравнительный анализ полей температур в инкубаторах в зависимости от структуры системы обеспечения теплового режима и условий окружающей среды;

- разработать рекомендации по рационализации структур систем обеспечения теплового режима инкубаторов, учитывающих климатические условия их эксплуатации.

Конкретными задачами исследования являются:

- разработка математических моделей систем обеспечения теплового режима инкубаторов для выявленных расчетных схем, учитывающих климатические особенности их эксплуатации;

- разработка вычислительных методик расчета полей температур в инкубаторах, разработка программ для ПЭВМ, их отладка;

- проведение тестовых расчетов с целью оценки погрешностей метода, сходимости, сопоставления с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными для оценки достоверности результатов расчетов;

- проведение расчетов для анализа влияния на степень выводимости яиц структуры системы обеспечения теплового режима инкубатора, режимных и климатических условий;

- разработка рекомендаций по выбору структур СОТР инкубаторов, способствующих повышению степени выводимости в зависимости от климатических условий.

В связи с ограниченными экспериментальными возможностями в работе использовались теоретические методы исследований. Полученные результаты, для оценки достоверности, сопоставлялись с опубликованными экспериментальными и теоретическим данными.

Научная новизна работы определяется следующими обстоятельствами:

- метод исследования температурных полей в инкубаторах, отличающихся от существующих учетом особенностей течения и теплообмена в зонах инкубирования яиц; исследования поля расчеты полей температур в столь специфических объектах как инкубаторы;

- проведены систематические исследования систем обеспечения теплового режима инкубаторов с различной структурой для различных климатических условий эксплуатации; выявлены характерные особенности указанных объектов, учет которых обязателен при проектировании и расчетах.

Теоретическое и практическое значение работы, в предложенных методах учета особенностей течения и теплообмена для расчета полей температур, в предложенных рекомендациях по организации теплового режима инкубаторов для различных условий эксплуатации в наличии программ для расчета СОТР инкубаторов.

Результаты исследований внедрены при проектировании цеха инкубаторов для птицефабрики ЗАО « Кази Фармс» Бангладеш.

Материалы по работе опубликованы в Электронном Журнале «Труды МАИ», № 20, 2005г.

На защиту выносятся следующие положения:

- метод расчета полей температур в промышленных инкубаторах;

- результаты расчетов полей температур в инкубаторах.

- рекомендации по улучшению структуры СОТР инкубаторов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Инкубирование яиц является важнейшим процессом при производстве яиц и мяса птицы для употребления в пищу. При промышленных масштабах производства, повышение эффективности процесса даже на несколько процентов дает ощутимый экономический эффект. Анализ показал, что производители инкубаторов при проектировании не учитывают климатические условия эксплуатации. С другой стороны, расчетные методы анализа ключевого элемента инкубаторов - зоны инкубирования, используются в процессе проектирования недостаточно. Создание математических моделей инкубаторов, и моделирования зон инкубирования является важнейшей задачей.

В представленной работе:

- Проведено исследование и анализ конструкций промышленных инкубаторов, их тепловых и вентиляционных схем. Показано, что наиболее рациональной схемой вентиляции инкубаторов является продольная схема продувки зоны инкубирования. Данная схема позволяет учесть уровень тепловыделений в зависимости от стадии развития эмбрионов. Остальные виды схем вентиляции не обеспечивают равномерного поля температур в зоне инкубирования, необходимого для повышения уровня выводимости инкубатора, или требуют наличия сложных вентиляционных воздуховодов, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию.

На оснований проведенных исследований, выполненных тепловых расчётов и анализа литературных данных сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. На основании анализа литературных данных установлен критерий выводимости эмбрионоз по уровням температур. Выведение полностью здорового потомства достигается при температуре инкубирования в пределах

37 ± 1°С выведение потомства, способного к выживанию достигается при температурах инкубирования в пределах 36 < Т< 41°С.

2. Установлено, что наиболее вероятными зонами плохой выводимости являются краевые зоны зон инкубирования.

3. Установлено, что выведение потомства, способного к выживанию ке гарантирует из за подверженности такого потомства инфекциям, выхода высококачественной продукции. Косвенно это влияет на безопасность лиц употребляющих мясо птиц в пишу.

4. Для оценки температур в краевых зонах инкубирования, в работе используется принцип сгущения расчетной сеткк к границе расчетной области по специальному закону (2.20). В закон сгущения входит выбираемый весовой коэффициент 0<f<l. Для перепадов температур между зоной инкубирования и окружающей средой АТ^ 10.20 °С, рекомендуется выбирать 0.8<f<0.9.

5. Разработанный метод позволяет обойтись небольшой размерностью сетки, применяемой для расчета поля температур при требуемой точности расчетов. Большинство расчетов в данной работе проведено на сетке размерностью 27x27.

6. Путем решения ряда тестовых задач показана точность и сходимость разработанного метода и программы. При этом погрешность по температуре составила 0.01°С и 0.0001 Вт по тепловому потоку.

7. Показано что учет климатических условий при проектировании и эксплуатации инкубаторов позволяет улучшить их харахстеркстики, как по энергопотреблению, так и по уровню выводимости цыплят позволяя довести его до 100%.

8. В используемых ныне инкубаторах верхний вентиляционный канал может рассматриваться как элемент теплозащиты от воздействий окружающей среды. В работе показано, что устройство такого же канала в нижней части зоны инкубирования с целью теплозащиты от тепловых воздействий со стороны пола, приводит к дальнейшему выравниванию поля температур и к существенному повышению уровня выводимости цыплят.

9. Разработанная программа и метода расчета температурных полей в зоне инкубирования позволяет рассматривать нестационарные режимы работы, что позволит более полно учесть сезонные и суточные климатические условия эксплуатации инкубаторов, проанализировать схемы тепловой организации и вопросы автоматического регулирования.

Программа расчета разработана для программной среды MATLAB 6.5 SP1, оформлена в виде М- файла и используется в работе разработчиков инкубаторов. Данная программа используется на предприятии ЗАО «КАЗИ ФАРМС» в Бангладеш.

129

1. http://www.brinsea.co.ulc/ulc/products/ines.html.2. http://www.petersime.com/newsovoscan.html.3. http://www.chickmaster.com/cmabout.html.4. http://www.jamesway.com/prod.atcl.html.

2. Versteeg H.K. & Malalasekera W., An introduction to Computational Fluid Dynamics, pp. 1-246, 1995.

3. Wilcox David C., Turbulence Modeling for CFD, pp. 1-330, 1994.

4. Себе си Т. , Брейдшоу П., Конвективный теплообмен М. Мир, 1987-509с.

5. Андерсон Д, Танехил Дж, Флетчер Р., Вычислительная гидромеханика и теплообмен М.:Мир, 1990 -726 с.

6. Ортега Дж, Пул. У, Введение в численные методы решения дифференциальных уравнении М.: Наука, 1986- 287с.

7. Дульнев Г.Н., Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре-М.:Высшая Школа, 1984- 247 с.

8. Исаченко В.П.,Осипова В.А, Сухомел А.С., Теплопередачи- М.:Энергия, 1969-438 с.

9. Кутателадзе С.С., Основы теории теплообмена М.: Атомиздат,1979-300с.

10. Идельчик И.Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.Машиностроение, 1975- 559 с.

11. Малозёмов В.В., Рожнов В.Ф., Правецкий В.Н., Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратах М.: Машиностроение, 1986-584 с.

12. Пичулин B.C., Течение и транспорт жидкостей в элементах агрегатов систем обеспечения жизнедеятельности- М.: МАИ, 1984- 61 с.

13. Юдаев Б.Н., Теплопередачи М.: Высшая школа, 1981.-319 с.17. http://acm.com.ua/articles/foldei71 .html

14. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердыхтел-М. :Машинстроение, 1964- 487 с.

15. Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы физики. М.: Атомиздат, 1972.-398 с.

16. Wilson, H.R., Physiological requirements of the developing embryo: Temperature and turning. Chapter 9, pp 145-146,1991.

17. Kashkin V.V., Heat exchange of bird eggs during incubation. Biophysica 6,pages 57-63,1961.

18. Kendeigh, S.C., Thermodynamics of incubation in the house wren, pages 884904 in Proceedings of the XIII th International Ornithological Congress Ithaca, NY, 1963.

19. Sotherland, P.R., J. R. and C.V. Paganelli, Avian eggs: Barriers to the exchange of heat and mass. Journal Exp. Zool. Suppl. 1, pages 81-86, 1987.

20. Turner, J.S., The thermal energetics of incubated bird eggs. Chapter 9.Pages .117.146 in: Egg1.cubation. D.C. Deeming and M.W.J. Ferguson, ed. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1991.

21. Meijerhof, R., and G. Vanbeek, Mathematical modeling of temperature and moisture loss of hatching eggs. Journal Theoretical Biology 165, pages 27-41, 1993.

22. Schmidt Nielson, K., Animal Physiology. Cambridge University Press, NY. 1975.

23. Ar. A., Egg water movements during incubation. Chapter 10. pages 157-174 in: Avian Incubation, London, UK, 1991.

24. Vleck, C.M., and D. Vleclc, Patterns of metabolism and growth in avian embryos. Am. Zoologist 20:405-416,1980.

25. Romijin C., W. Lockhorst, Foetal heat production in the fowl. Journal Physiology 150, pages 239-249.

26. Tazawa, H. And S. Nakagawa, 1985.Response of egg temperature, heart rate and blood pressure in the chick embryo to hypothermal stress. J. Сотр.

27. Physiol. 155B, pages 195-200.

28. Owen, J., 1991. Principles and problems of incubator design. Chapter 13. Pages 205-226 in: Avian Incubations. London, UK.

29. Kaltofen, K.S., 1969. The effect of air movements on hatchability and weight loss of chicken eggs during artificial incubation. Chapter 10. pages 177-190 in The fertility and hatchability of the hens egg. Edinburgh, UK.

30. Tullet, S.G., andD.C. Deeming, 1987. Failure to turn eggs during incubation: Effects on embryo weight, development of the chorioallantois and absorption of albumen. British Poultry Science 28, pages 239-243.

31. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.- 152 с.

32. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.:Наука, 1983. - 616 с.

33. Тихонов, Самарский. Уравнения математической физики -М.: Наука,1972-735 с.

34. Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчёт теплообмена космического аппарата. -М.:Машинстроение, 1979. -208 с.

35. Моделирование и отработка тепловых режимов летательных аппаратов./Под редакции Б.М. Панкратова. М.:МАИ, 1990. - 228с.

36. Роуч П., Вычислительная гидродинамика М.:Мир, 1980 - 616с.

37. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигналов А.В. Применение ЭВМ для решения задачи теплообмена. М.: Высшая школа, 1990. - 207с.

38. Лыков А.В., Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600с.