автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка энергосберегающих тепловых процессов и технических средств сельскохозяйственного производства, обеспечивающих высокоэффективное использование топливно-энергетических ресурсов



99-¿Г * 4 * - #

Российская академия сельскохозяйственных наук

Всероссийский научно исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

П (ВИЭСХ) 00Сл^ V С-

ЧЛ^

V дГ^-Г, ■-■• ■ ■ , I I

^ УДК 631^72:621.1 И,?у / /Г7 4

.Н

Ц . ■ - с, Г -'-■■"' На ираваурушйиси

<1' £

Горбачев Вячеслав Сергеев' ""'кандидат технических наук

ц - С и.

Рщр^щка энергосберегающих тепловых процессов и технических средств сельскохозяйственного производства, обеспечивающих высокоэффективное использование топливно-энергетических ресурсов

Специальность 05.20.01- механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора техническбх наук в виде научного доклада

и , лД^ - ¿Ь О^Л

Москва-1998

/

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

/

Кормановский Л.П., доктор технических наук Академик РАСХН Рудобашта СЛ., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплотехники и применения теплоты в сельском хозяйстве Московского государственного агроинженерного университета

Гриднев П.И., доктор технических наук, заместитель директора Всероссийского научно-исследовательского и проектно -технологического института механизации животноводства

Открытое Акционерное Общество Научно-исследовательский институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства (ОАО «ВНИИКОМЖ»)

Защита состоится «ЗО » сыЯА^гЯ _______. ' У

на заседании диссертационного Совета Д ^¿мШ: V..:. Всероссийском научно-исследовательском институте механизации >': :: ■ о хозяйства (ВИМ) по адресу: 1094^8, г. Москва, 1-й Институтский гС диссертацией в виде научно. ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на диссертацию в виде на- ренные печатью,

просим направлять по вышеуказанному а^.-

Диссертация в виде научного доклад! '-¿Зь^ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

Мамедова Л.В.

Е НИ* ЭК А

Tf ' \J J ^ / з .

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Сельскохозяйственное производство России является одним из крупнейших в стране потребителем топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) для получения тепла. Основные потребители теплоты: животноводческие и птицеводческие комплексы различных направлений, сооружения защищенного грунта, технологические цеха и участки по первичной обработке сельскохозяйственной продукции, кормопроизводство и хранение сельскохозяйственной продукции.

В соответствии с основными направлениями экономического и социального развития СССР начиная с 1981 и на период до 2000 года предусматривалось превратить ресурсосбережение в решающий источник удовлетворения растущих потребностей народного хозяйства и при этом добиться, чтобы прирост потребности в топливе, энергии, сырье и материалах на 75-80% удовлетворялся за счет их экономии; снизить энергоемкость национального продукта не менее, чем в 1,4 раза; комплексно использовать природные и материальные ресурсы, максимально устранять потери и нерациональные расходы; широко использовать в сельскохозяйственном производстве вторичные энергоресурсы.

Актуальность этой же проблемы отмечена и в Указе Президента Российской Федерации № 472 от 7 мая 1995 года: "Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года".

По данным инвентаризации, проведенной ВИЭСХ по заданию Министерства сельского хозяйства в 1982 году, общий объем ТЭР, потребляемых сельскохозяйственным производством России на тепло- и •холодоснабжение стационарных процессов по всем категориям хозяйств составлял 60 млн. т.у.т. Причем 90% тепловой энергии было произведено топливными теплогенери-рующими установками. Эффективность использования ТЭР в тепловых процессах сельскохозяйственного производства была и остается достаточно низкой. При существующей цене энергоресурсов это не может не влиять на конкурентноспособность отечественного сельхозпроизводства. В соответствии с расчетами автора, потенциал энергосбережения в системах тепло- и холодоснаб-. . ;я сельскохозяйственного производства составляет не менее 35 млн. т.у.т. в

. В связи с этим, совершенствование существующих методов получения

— —mi с помощью топливных теплогенерирующих установок и создания новых

~осберегающих технологий и технических средств, направленных на по-и'чие эффективности использования ТЭР в процессах тепло- холодоснаб-сельскохозяйственного производства является актуальным и решает Т "~""цую народно-хозяйственную проблему.

Исследования по созданию и внедрению технологических процессов и с, . веских средств эффективного использования ТЭР решались в рамках

- —гй.щих Государственных, отраслевых и международных программ:

-отраслевая научно-технической программа на 1981-1985 гг. 0.сх.108

"Разработать и внедрить комплекс мероприятий по повышению эффективности использования и совершенствованию организации технического обслуживания, ремонта и хранения тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин и оборудования животноводческих ферм по союзным республикам и зонам страны";

-Общесоюзная научно-техническая программа (ОНТП) 0.51.13. "Разработать и внедрить энергосберегающие технологические процессы, машины и оборудование, осуществить организационно-технологические мероприятия, обеспечивающие повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов", (1986-1990гг.).

-ОНТП 0.51.21. "Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства" (1986-1990гг.);

-отраслевая НТП 0.сх.71 "Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве" ( 1986...1990гг.);

-Государственная научно-техническая программа (ГНТП) ГКНТ СССР "Экологически чистая энергетика", конкурсный проект 3.16. "Комплекс технических средств и технологического оборудования для энергоснабжения экологически чистой безотходной молочной фермы на 400 голов модульного типа с перспективной машинной технологией и использованием тепловых насосов, гелиоколлекторов, утилизацией биологического тепла животных и молока, вентиляционных выбросов, отходов животноводства с производством высококачественных удобрений и товарного биогаза", (1989-1992гг.);

-Федеральная программа "Машиностроение для АПК России", - 5 контрактов,( 1993-1996гг.);

-Программа Россельхозакадемии по фундаментальным исследованиям, (1994-1996гг.), НТП 'Техника, энергетика и ресурсосбережение", научная проблема 12 "Разработать научные основы развития технологического обеспечения с.х. производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики", (1996-2000гг.);

-Программа научно-технического сотрудничества стран-членов СЭВ по проблеме "Механизация, электрификация и автоматизация производственных процессов в растениеводстве и животноводстве ( КОЦ СЭВ в Праге)", Тема VI.8. "Разработка методов и системы технических средств для использования нетрадиционных источников энергии в сельском хозяйстве" (1986-1990гг.), ЧССР, НРБ, ВНР, ГДР, МНР, СРР -, ПНР -, СССР, 1986-1990гг..

Целью работы является научное обобщение, теоретические и экспериментальные исследования и получение научно-обоснованных решений по созданию и широкому внедрению эффективных энергосберегающих систем, технологий и технических средств для тепло- и холодообеспечения сельскохозяйственного производства.

Объекты исследований - топливные теплогенерирующие установки (паровые котлы низкого давления, газовые инфракрасные (ИК) обогреватели животных и птицы и теплогенераторы-воздухонагреватели), энергосберегаю-

щая технология комплексного теплохолодообеспечения линий первичной обработки молока, энерготехнологические блоки полной заводской готовности, интегрированная система теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей, технологическая схема на базе теплового насоса для систем микроклимата животноводческих ферм, низкопотенциальные источники.тепловой энергии.

Методика исследований. Изложенные в диссертации теоретические и методические обоснования базируются на известных положениях теории тепломассообмена. Экспериментальная часть исследований проведена с использованием современной измерительной аппаратуры.

Технологические процессы и технические средства исследовались на те-плофизических моделях, макетных и натурных образцах в лабораторных и производственных условиях, а также при ведомственных и государственных испытаниях.

Основные научные результаты составляют;

- методика оптимизации тепловых и аэродинамических показателей топливных теплогенерирующих установок (котлов и теплогенераторов-воздухонагревателей) по комплексному параметру оптимизации - коэффициенту электрической оснащенности;

- обоснование применения эффективных технологий и технических средств газового инфракрасного (ИК) обогрева животных и птицы и подготовка исходных требований на создание автоматизированных газовых ИК- систем обогрева крупных ферм;

- методические основы, энергосберегающие технологии и технические средства комплексного тепло- и холодоснабжения линий первичной обработки молока на фермах КРС;

- технологическая схема и экспериментальный комплект оборудования, на базе теплового насоса ТВВН-20 , для систем микроклимата животноводческих ферм, обеспечивающих поддержание оптимальной температуры в течение всего года;

- энергосберегающая технология комплексного теплохолодообеспечения летних лагерей и пастбищ КРС на основе ЭТБ-14 и ЭТБ-20 с тепловыми насосами;

- методические положения определения энергетической эффективности интегрированных систем тепло- холодоснабжения сельхозпроизводителей. Положения использованы при разработке конкурсного проекта "Комплекс технических средств и технологического оборудования для энергоснабжения экологически чистой молочной фермы на 400 голов модульного размера с использованием тепловых насосов, гелиоколлекторов, утилизацией биологического тепла животных и молока;

- интегрированная система теплоснабжения сельского дома - лаборатории, предназначенного для экспериментального исследования различных методов и технических средств, использующих энергию нетрадиционных источников.

Научная новизну имеют: - метод оптимизации тепловых, энергетических и экономических показателей топливных теплогенерирующих установок сельскохозяйственного назначения на всех видах топлива (паровых котлов низкого давления и теплогенераторов-

воздухонагревателей), с учетом региональных особенностей, различных видов потребителей тепла, отличающийся тем, что в качестве параметра оптимизации выбран безразмерный комплексный показатель - коэффициент электрической оснащенности;

- методы газовбго инфракрасного обогрева птицы с помощью автоматического отопительного оборудования нового поколения;

- теплофизическая модель комплексного тепло-и холодоснабжения линий первичной обработки молока, с использованием тепловых насосов для одновременного охлаждения молока и получения горячей воды;

- методические положения определения энергетической эффективности энергосберегающих технологий для интегрированных систем комплексного тепло- холодообеспечения сельхозяйственных производственных процессов;

- теплофизическая модель круглогодичного обеспечения оптимальных параметров микроклимата с использованием низкопотенциальной теплоты вентиляционных выбросов на базе применения теплового насоса;

Практическую ценность имеют:

- комплекс теоретических и экспериментальных исследований по определению энергетической, технической и экономической целесообразности использования различных низкопотенциальных тепловых источников энергии (солнца, ветра, грунта и т.д.) при проектировании систем теплоснабжения производственных и бытовых сельских потребителей;

- интегрированная схема рационального тепло-и холодоснабжения экологически чистой безотходной молочной фермы на 400 голов с использованием тепловых насосов, гелиоколлекторов, утилизацией биологического тепла молока, вентиляционных выбросов, отходов животноводства, обеспечивающих 80% тепловых потребностей фермы;

Широкомасштабное внедрение результатов исследований в практику сельскохозяйственного производства подтвердило высокую энергетическую эффективность разработанных энергосберегающих технологий тепло- и холодоснабжения, получены значения ЮПИ 0,95 - 1,1 ( вместо 0,28 - 0,4 ).

Степень достоверности результатов проведенных исследований..

Достоверность'результатов теоретических исследований, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных исследований в лабораторных и хозяйственных условиях, а также независимой экспертизой -Государственными приемочными испытаниями созданных на основе работ автора опытных образцов, проведенными Государственными машиноиспытательными станциями (29 протоколов МИС). Адекватность результатов теоретических и экспериментальных исследований достигает 95% уровня значимости.

Реализация результатов исследований:

Разработка и внедрение энергосберегающих технологий тепло- и холодоснабжения сельскохозяйственного производства на основе создания 30 и освоения серийного производства 21 эффективных теплогенерирующих и тепло-утилизирующих комплектов технологического оборудования и установок, в том числе: типоразмерный ряд автоматизированных котлов парообразователей

на твердом, жидком и газообразном топливе; теплогенераторы воздухонагреватели ;типоразмерный ряд автоматических блочных газовых горелок ГБГ; автоматическая газовая инфракрасная горелка ГИГ ; типоразмерный ряд теплохо-лодильных установок; энерготехнологические блоки полной заводской готовности.

Выпуск новых паровых котлов низкого давления на всех видах топлива 15 заводами России за период 1990-1995 годов составил 140 тысяч штук; газовых блочных горелок - 10 тысяч штук (1978-1990 гг.), производство тепло-холодильных установок заводами Украины и России за период 1987 - 1996 гг. -19 тысяч штук. При разработке указанного оборудования использовано 14 авторских свидетельств на изобретения.

Повышение КПД разработанного теплогенерируюшего оборудования обеспечило экономию топлива в объемах 8 млн.т.у.т. за период 1990-1995гг. и экономию металла - более 250 тысяч тонн< Внедрение теплохолодильных установок обеспечило экономию 1,2-1,3 млрд. кВтч в год электроэнергии.

Разработанное теплоэнергетическое оборудование неоднократно демонстрировалось на ВДНХ, а автор награждался медалями ВДНХ - тремя золотыми, одной серебряной и одной бронзовой медалями; дважды становился лауреатом ВВЦ, в 1997 г. Указом Президента России ему присвоено почетное звания "Заслуженный изобретатель России".

Апробация. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на: 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции по холодильному машиностроению, г.Одесса, 1982 г.; 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Возобновляемые источники энергии", г.Ереван,1985г; Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству, Ленинград, 1991г.; Научно-практической конференции "Сельскохозяйственная теплоэнергетика", Москва, 1992г.; Научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в инженерно-технической сфере АПК России", Москва, 1992г.; Научно-практической конференции "Энерго-ресурсосберегающие системы тепло- хладоснабжения на промышленных и гражданских объектах", Москва, об. "Знание", 1992 г.; Международном симпозиуме "Автономная энергетика сегодня и завтра", 1993; I -м Всесоюзном семинаре по комплексным вопросам энергетики сельских районов, СЭИ СО АН СССР, Иркутск, 1988г.; Международной конференции по механизации сельского хозяйства, Пекин, Китай, IAMC, 1991г.; Научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в агропромышленном производстве", Минск, 1990; ежегодных координационных совещаниях по системе машин для промышленного животноводства (1980-1990 гг.) - г. Москва, г. Пятигорск, г. Брест, г. Минск, г. Нежин; Международных координационных совещаниях по научно-техническому сотрудничеству стран-членов СЭВ по проблеме "Механизация, электрификация и автоматизация производственных процессов в растениеводстве и животноводстве" (1986-1990 гг.) - г. Варшава, 1986; г. Бухарест, 1987; г.Будапешт, 1988; г. Симферополь, 1989.

На защиту выносятся:

- методика оптимизации тепловых и аэродинамических показателей тпливных теплогенерирующих установок (котлов и теплогенераторов - воздухонагревателей) по комплексному параметру оптимизации - коэффициенту электрической оснащенности;

- обоснование применения эффективных технологий и технических средств газового инфракрасного (ИК) �