Расчет мощности и годового потребления энергии в технологических процессах и производственных помещениях ферм

Расчетно – графическая работа №1

 

По дисциплине:«Проектирование систем энергобеспечения»

 

Специальность 5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

 

Выполнила Утаралина Линара Группа ЭСХк-14-01

Вариант-80

______________________________________________«_____»____________

______________2017г.

 

Приняла: ст. преп. Рахимова Р.М.

 

Алматы, 2017

Введение

 

Технико-экономическими предпосылками применения электрической энергии для теплоснабжения животноводческих ферм и комплексов являются: тенденции развития топливно-энергетического комплекса страны; особенности ферм как объектов теплоснабжения; технические преимущества электрифицированных систем теплоснабжения.

Как объекты теплоснабжения фермы характеризуются значительными колебаниями тепловых нагрузок в течение года и суток, различными режимами потребления теплоты отдельными помещениями и процессами.

Относительно небольшая тепловая нагрузка ферм (около 1 кВт на голову), низкая среднегодовая загрузка теплогенерирующего оборудования, высокие потери теплоты из-за невозможности точного регулирования ее подачи каждому процессу и помещению, потери топлива при транспортировке по сельским дорогам и хранении приводят к низкой эффективности систем теплоснабжения на базе мелких котельных на твердом топливе.

Возможность вырабатывать теплоту непосредственно в местах потребления с высокой точностью за счет максимальной децентрализации и автоматизации теплогенерирующих установок, сокращение обслуживающего персонала и производственных площадей являются главными преимуществами систем электротеплоснабжения, которые позволяют им, несмотря на высокую стоимость электроэнергии, конкурировать с топливными котельными, работающими на дешевом низкосортном угле.

Расчет мощности и годового потребления энергии в тепловых процессах производства служит основой для выбора теплогенерирующего оборудования и последующего расчета схем теплоснабжения.

Расчет должен начинаться с анализа структуры и режимов теплопотребления отдельными потребителями и технологическими процессами.

Потребителей теплота на ферме можно разделить на три вида:

- системы обеспечения микроклимата, системы горячего водоснабжения, система пароснабжения.

Помещения ферм, в которых необходимо обеспечить требуемые параметры микроклимата, в соответствии с режимами теплопотребления делятся на три группы:

- помещения, в которых теплота расходуется только на подогрев дприточного воздуха (помещения для содержания животных);

- помещения, в которых теплота расходуется на отопление и периодический подогрев приточного воздуха (молочные блоки, доильные и преддоильные площадки, кормоцеха и др.);

- помещения, в которых теплота используется только на отопление (подсобные, вспомогательные и административные).

Задание

Расчет системы микроклимата помещения для содержания крупного рогатого скота (КРС) складывается из следующих этапов:

- определение потребности в воздухообмене;

- расчет теплового баланса помещения;

- расчет системы кондиционирования;

- выбор схемы системы отопления, вентиляции и кондиционирования;

- подбор вентиляционного оборудования;

- подбор отопительного оборудования.

Перечень исходных параметров для проектирования приведены в таблицах 1- 4.

Расчетные параметры наружного воздуха приведено в таблице 1 для заданного местоположения объекта проектирования. Для переходного периода приняли температуру воздуха 8 ºС и энтальпию 22,5 кДж/кг.

Таблица 1- Расчетные параметры наружного воздуха

Область	Температура наиболее холодных суток, 0C	Холодный период (параметры Б)	Теплый период (параметры А)
н.о.,	,	,	,
Уральск	-40	-25	24,5	21,6

 

В холодный период года количество наружного приточного воздуха, подаваемого в помещения, следует принимать в соответствии с указанным расчетом, но не менее 15 м³/ч на 1 ц массы животных взрослого скота и молодняка и 18 м³/ч - для телят.

Расчетные параметры внутреннего воздуха берутся из НТП 1–99 (см. таблицы 20-22).

Принятые параметры внутреннего воздуха следует занести в таблицу 2, в которой указывают номер помещения (по плану объекта), его наименование, периоды года (холодный, переходный и теплый), параметры воздуха (температуру, относительную влажность и предельно допустимые концентрации углекислого газа, аммиака и сероводорода).

 

Таблица 2 - Расчетные параметры внутреннего воздуха

Помещение	Период года	Параметры воздуха	ПДК ,
,	, %
Помещение для Телятник на 110 голов	Холодный			0,25
Переходный		40-75	0,25
Теплый		40-75	0,25

Примечание: – расчетная температура внутреннего воздуха, ; – относительная влажность, %; - предельно-допустимая концентрация (ПДК) углекислого газа в зоне содержания животных, .

Относительную влажность воздуха в холодный период года принимают равной максимально допустимому значению, а для переходного и теплого периодов года записывают допустимый интервал ее значений.

Перечень исходных параметров для проектирования систем микроклимата приводят в таблице 3.

 

Таблица 3 - Исходные параметры для проектирования

	Показатель
Наименование производственного участка	Стойловое помещение
Атмосферное давление, мм.рт.ст.
Расчетная летняя скорость ветра, м/сек	0,1
Половозрастная группа животных	Теляты
Количество животных
Площадь смоченных поверхностей, кв.м.	2300,4
Общая площадь пола, кв.м.
Длина помещения, м
Ширина помещения, м
Высота стен, м	2,4
Площадь остекления, м2

 

Действительные значения относительной влажности будут определены при расчете воздухообмена в переходный и теплый периоды года.

Характеризуя микроклимат в помещениях, приводят также рекомендуемые пределы подвижности воздуха.

Скорость движения воздуха обеспечивает воздухообмен в помещениях, усиливает охлажденную способность воздуха. Поэтому малая скорость движения воздуха приводит к ухудшению микроклимата, а высокая может вызвать простудные заболевания при пониженных температурах. Для молодняка она не должна превышать 0,1—0,2 м/сек. зимой и 0,3—0,5 м/сек. летом, для взрослых зимой 0,3—0,5 м/сек., летом — 0,8—1,0 м/сек.

Источниками загрязнения воздуха в животноводческих помещениях являются животные и птицы, а также смоченные и мокрые поверхности, с которых происходит испарение влаги.

Теплотехнические характеристики строительных материалов приведены в СНБ 2.01.01–93 и в таблице В.1 в Приложении В. Их выписывают для материалов, указанных в задании на проектирование, при условиях эксплуатации (Приложение Б). Данные о теплотехнических характеристиках оформляют в виде таблицы 4 аналогичного построения.

 

 

Таблица 4 - Теплотехнические характеристики строительных материалов и конструкций

Наименование материала	,	Расчетные коэффициенты при условиях эксплуатации
Теплопроводности, Б	Теплоусвоения, Б
Наружные стены
Внешняя штукатурка – 20 мм		0,93	11,09
Газосиликат – 300мм		0,87	10,9
Внутренняя штукатурка – 25 мм		0,93	11,9
Полы
Дощатый настил – 40 мм		0,21	2,5
Бетон – 100 мм		0,2	8,7
Покрытия совмещеные
Асбестоцементный лист-15мм		0,35	6,8
Рубероид – 6 мм		0,17	3,53
Воздушная прослойка – 50 мм		0,28	6,7
Минераловатные плиты – 80 мм		0,06	0,48
Плита железобетонная – 35 мм		0,06	18,95

 

Параметры теплоносителя включают в этот подраздел, если они не приведены в задании на проектирование. При необходимости дают краткое описание источника теплоснабжения.

Расчет мощности и годового потребления энергии в технологических процессах и производственных помещениях ферм

Рекомендуемая методика расчета.

Мощность системы обеспечения микроклимата определяется из уравнения тепловлажностного баланса:

= (1)

где Q_огр - теплопотери через ограждения - пол, стены, покрытия, ворота, окна;

Q_исп - теплота, теряемая на испарение влаги;

Q_ув - теплота, необходимая на подогрев приточного воздуха от расчетной наружной до расчетной внутренней температуры;

тепловыделения от животных.

Тепловыделения от животных определяются из выражения:

 

(2)

 

где q_св - поток свободной теплоты от одного животного, 482 ккал/ч [4] (см. таблица 15);

К_t - 1,08 коэффициент изменения тепловыделений животными в зависимости от температуры внутреннего воздуха, принимаются в соответствии с возрастом и весом животных по нормам технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота. [4] (см. таблица 16);

1,163·10^-3 - переводной коэффициент, ккал/ч в кВт;

n – количество голов.

Теплопотери через ограждения определяются в кВт из выражения:

 

 

(3)

где R_ст, R_п, R_ок, R_дв - сопротивление теплопередаче стен, покрытий, окон, дверей, °С м²/Вт.

 

Площадь наружных стен с учетом площади окон и ворот составит, м²:

 

м² (4)

 

где (площадь стен)=(а+с)*2+(в+с)*2=(114*2,4)*2+(21*2,4)*2=648 м² ;

F_ок (площадь окон)=40*1,5*0,8=48 м²;

F_дв (площадь дверей)=1,8*1,5*2=5,4м²;

F_вор (площадь ворот)=2,4*2*4=19,2м².

 

Минимально допустимое сопротивление теплопередаче стен и покрытий рассчитывается из условия невыпадания конденсата на их поверхностях по выражениям,

 

(5)

(6)

где – расчетная температура внутреннего воздуха в холодный период, 15 ;

τ_р - температура точки росы, 11,6 °С;

t_в- температура внутреннего воздуха, 15 °С;

- коэффициент, принимается по нормам [5] в соответствии с расчетной температурой наиболее холодных суток для определенного района строительства, -40 °С;

α_bст, α_bп - принимаются по нормам [6] в соответствии с видом животных, плотностью заполнения помещений, объемно-планировочными и конструктивными решениями. Для стен помещений, где заполнение животными составляет более 80 кг живой массы на 1 м² пола, - 12 Вт/ (м² ·°С) [10 ккал/(м²·ч·°С)]; для стен помещений, где заполнение животными составляет 80 кг и менее живой массы на 1 м² пола, и для потолков (чердачных перекрытий или покрытий) всех животноводческих и птицеводческих зданий - 8,7 Вт/ (м²·°С) [7,5 ккал/(м² ·ч·°С)].

 

Заполнение помещения животными, :

𝝙 =

 

𝝙 =

𝝙 =

𝝙 =

где – масса одного животного, 150; 90; 120; 200 ;

– количество животных 25; 30; 35;10:

– площадь помещения, 2300,4 .

Таким образом, минимально допустимое сопротивление теплопередаче должно быть не менее расчетного.

Сопротивление теплопередаче стен определяется из выражения:

 

(8)

 

где λ_i- коэффициент теплопроводности соответствующего слоя ограждения, ;

δ_i - толщина соответствующего слоя ограждения, м;

R_в - сопротивление тепловосприятию внутренних поверхностей ограждений, 0,70°С м²/Вт;

R_н - сопротивление теплоотдаче наружных поверхностей ограждений, 1,4 °С м²/Вт [7].

 

Производится разбивка пола на отдельные двухметровыезоны и определяются площади зон пола (шлаковая подготовка, бетонное основание, деревянные скиты и т.п.). Определяется ширина и длина пола в метрах.

Площадь размерами 2×2 м по углам коровника учитываются дважды.

Сопротивление теплопередаче через пол определяется по зонам в соответствии с нормами [8]:

 

для I зоны (9)

для II зоны (10)

для III зоны (11)

 

где определяется в соответствии с теплотехническими характеристиками отдельных слоев утепленного пола по нормам [7].

 

Теплопотери на испарение влаги со смоченных поверхностей пола определяем из выражения:

 

=0,69*(20*23,94+14*36)=33,38 Вт

 

где =18, =15 удельные влаговыделения за счет испарения со смоченных и открытых годных поверхностей навозных каналов, г/ч·м². Принимаются в зависимости от температуры и относительной влажности внутреннего воздуха по рисункам 1-2 Приложение Е.

При привязном содержании животных смоченная поверхность пола, (F_см) принимается равной поверхности навозного лотка и площади пола на расстоянии 0,5 м от навозного лотка.

При беспривязном содержании животных на решетчатых полах и удалении навоза самосплавом или гидросмывом за смоченную поверхность пола (F_см)= 156 м² принимается вся площадь сплошного пола в станках с учетом планок решетчатого пола. Площадь щелей решетчатого пола считается открытой поверхностью навозных каналов (F_кан)=36м².

Тепловоздушный режим определяют для холодного, переходного и теплого периодов года, разделяя текст соответствующими подзаголовками. В помещениях для содержания молодняка животных расчет выполняют в холодный период года для старшей и младшей возрастных групп, а в переходный и теплый периоды – только для старшей.

Для холодного периода года рассчитывают полные (общие) и явные (свободные) тепловыделения, влаговыделения и выделения углекислого газа животными, дополнительные и суммарные влаговыделения в помещениях, тепловой поток теплоизбытков и угловой коэффициент (тепловлажностное отношение) при изменении состояния влажного воздуха в помещениях.

Дополнительные влаговыделения происходят при испарении с открытых и смоченных водных поверхностей поилок, кормушек, подстилки, помета, навозных каналов, участков пола и др. Их допускается принимать в размере 10% влаговыделений животными в холодный период года.

Суммарные влаговыделения определяют, суммируя влаговыделения животных (птицы), дополнительные и при усушке помета.

Теплоизбытки в холодный период года рассчитывают как полные тепловыделения животными и теплопоступления от системы освещения в безоконных зданиях за вычетом теплопотерь через ограждающие конструкции.

Теплопоступления от системы освещения в безоконных зданиях допускается определить из расчета 5 Вт/м на единицу площади пола.

Воздухообмен в холодный период года находят из условий удаления водяных паров и углекислого газа с последующей проверкой по норме минимального воздухообмена.

Для переходного (теплого) периода года определяют полные тепловыделения и влаговыделения животными, дополнительные и суммарные влаговыделения в помещениях, тепловой поток теплоизбытков и угловой коэффициент (тепловлажностное соотношение).

Дополнительныевлаговыделения в переходный период года принимают в размере 10% влаговыделений КРС и свиней, а в теплый – в размере 25%.

Теплоизбытки в переходный период определяют согласно расчету в холодный период с учетом изменений в составляющих теплового баланса, а в теплый – с учетом полных тепловыделений животными и теплопоступлений от солнечной радиации и системы освещения в безоконных зданиях.

Тепло, требуемое на обогрев приточного воздуха, определяем из выражения:

=0,278*10^-3**143,04*(15+40)=2,12Вт (13)

Количество приточного воздуха для холодного периода определяется из условий удаления избытков влаги из помещения по выражению:

 

(14)

 

где d_в, d_н - влагосодержание внутреннего и наружного воздуха, г/кг.

 

Воздухообмен в переходный и теплый периоды определяют исходя из условий одновременного удаления избыточной теплоты и водяных паров. При этом в переходный период воздухообмен принимают не менее, чем в холодный, а в теплый – не менее требуемого по минимальным нормам воздухообмена.

При расчете воздухообмена в переходный и теплый периоды уточняют влагосодержание внутреннего воздуха, г/кг:

 

(15)

 

где – 0,19 влагосодержание наружного воздуха в рассматриваемый период года, определяется по - диаграмме [1], г/кг;

и – расчетные температуры наружного и внутреннего воздуха, ^ºС;

- 133,4 угловой коэффициент (тепловлажностное отношение), кДж/кг.

 

Воздухообмен в помещениях для выращивания молодняка в холодный период рассчитывают для старшей и младшей возрастных групп, а в другие периоды – только для старшей.

По результатам расчета воздухообмена в переходный и теплый периоды необходимо определить относительную влажность воздуха внутри помещения. При необходимости ее снижения следует уменьшить расчетную температуру воздуха внутри помещений и выполнить перерасчет воздухообмена.

Результаты расчета тепловоздушного режима и воздухообмена приводят в таблице основных показателей. Форма таблицы дана в приложении Ж.

Количество влаги, выделяемое животными, определяется из выражения:

 

Вт(16)

 

где , принимаются по нормам [4] в зависимости от возраста, массы животных и температуры внутреннего воздуха.

Общие влагопоступления за счет испарения, г/ч:

(17)

где F_см - площадь смоченных поверхностей, 156 м².

 

Расчет тепловлажностных балансов животноводческих помещений для определения максимальных тепловых нагрузок производится по расчетным параметрам наружного и внутреннего воздуха.

Например, для коровников максимальную тепловую нагрузку нужно определять не по расчетным (номинальным) значениям параметров (t_в = 10°C, φ_в = 75 %), а по допустимым (t_в = 5°C, φ_в = 85 %). Допустимые значения параметров будут поддерживаться непродолжительное время только при низкой наружной температуре, а при ее повышении в помещении будут поддерживаться нормальные расчетные значения параметров.

Расчетная тепловая нагрузка на отопление (Q_от) вспомогательных и служебных помещений с незначительной кратностью воздухообмена определяется величиной потока теплоты через наружные ограждения:

 

(18)

 

где F_i - площадь соответствующего ограждения,575,4 м²;

R_i - сопротивление теплопередаче соответствующего ограждения,

°С м²/Вт;

γ - коэффициент добавочныхтеплопотерь на инфильтрацию.

 

В помещениях с периодическим выделением влаги, газов, пыли (доильные и молочные помещения, пункты искусственного осеменения и технического обслуживания, ветсанпропускники и др.), кроме отопления, необходима периодическая вентиляция с подогревом приточного воздуха.

Расчетная тепловая нагрузка на подогрев приточного воздуха (Q_в) определяется как для животноводческих помещений из уравнения теплового баланса без учета теплопотерь через ограждения, которые скомпенсированы постоянно работающей системой отопления:

 

(19)

 

Максимальная тепловая нагрузка помещений с периодической вентиляцией равна сумме тепловых нагрузок на отопление и подогрев приточного воздуха, определенных при расчетных значениях параметров внутреннего и наружного воздуха:

 

(20)

 

 

Расчетная тепловая нагрузка на получение пара (Q_пар) для технологических целей определяется по максимальной часовой потребности в паре (G_пар):

(21)

Максимальная часовая потребность в паре (G_пар) должна определяться технологами на основании суммирования суточных графиков потребления пара по отдельным процессам.

Максимальная тепловая нагрузка на горячее водоснабжение фермы (Q_г.в.) определяется исходя из суточных норм потребления горячей воды (q_i) и коэффициента неравномерности ее потребления в течение суток (β).

Количество воздуха, инфильтрующегося в животноводческое помещение через неплотности ворот, дверей и других притворов, определяем по выражению:

 

(22)

 

где α – 0,5; 2 коэффициент, принимаемый в зависимости от характера;

G_щ – 5,6 количество воздуха, поступающего через 1 м длины щели в зависимости от скорости ветра в зимний период, кг/ч;

l –длина щелей притворов, м.

 

Определяется количество воздуха, инфильтрующегося через притворы: окна, двери, ворота в кг/ч.

Общее количество инфильтрующегося воздуха:

 

. (23)

 

Определяем длину щелей притворов.

В молодняке имеются:

40 окна с двойным переплетом размерами 1,5×0,8 м.

Периметр окон составляет

(1,5+0,8+1,5+0,8)*40 = 184 м;

 

через окна

 

1 дверь размером 1,8×1,5 м.

Периметр дверей составляет

(1,5+1,8+1,5+1,8)·2 = 13,2 м;

 

через двери

 

4 ворот размерами 2,4×2 м

Периметр ворот составляет

(2,4+2+2,4+2)·4+3·4 =35,2+12 = 47,5 м.

 

через ворота

 

 

Количество воздуха, которое должно поступать в коровник с помощью приточной вентиляции, равно:

 

(24)

 

Таким образом, исходными данными для выбора отопительно-вентиляционного оборудования служат: Q_y, кВт и Q_пр.в, м³/ч.

Выбирается к установке электрокалориферный агрегат и параллельно работающий вентилятор.

 

 

Вывод

В данномрассчотно графической работе были произведены расчеты для помещения для 720 молодняка. Определили мощности и годовое потребление энергии в тепловых процессах, а так же теплопотери определили для каждого помещения отдельно. По рассчитанному живому сечению выбиралиподходящий оребренный водяной калорифер – КСк 3 – 11. Определили годовой расход теплоты, для создания исскуственного микроклимата. Микроклимат в помещении – это климат ограниченного пространства, включающий в себя совокупность факторов среды: температура, влажность, скорость движения и охлаждающая способность воздуха, атмосферное давление, уровень шума, содержание взвешенных в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов, газовый состав воздуха и др.

Эффективность животноводства в значительной мере зависит от микроклимата, создаваемого в животноводческих помещениях. Так, отклонение параметров микроклимата от установленных пределов приводит к уменьшению удоев молока на 10-20 %, прироста живой массы – на 20-33 %, увеличению отхода молодняка до 5-40 % и устойчивости животных к заболеваниям, расходу дополнительного количества кормов, сокращению срока службы оборудования, машин и самих зданий.

Расчеты были произведены для определения более точных параметр, затрат для подбора оборудовании. Поэтому для коровника в общем комплексе задач по экономии и эффективному использованию топливно-энергетических ресурсов одним из важных направлений являлось внедрение энергосберегающего оборудования для создания оптимального микроклимата.

Список литературы

 

1. Курсовое проектирование по теплотехнике и применению теплоты в сельском хозяйстве: учеб.пособие для вузов. Б.Х. Драганов [и др.]; под ред. В.Х. Драганова. – Москва: Агропромиздат, 1991.

2. Драганов Б.Х., Кузнецов А.В., Рудобашта С.П. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве. Учебник для вузов по инженерным специальностям сельского хозяйства.- М.: Агропромиздат, 1990.

4. Нормы технологического проектирования ферм крупного рогатого скота крестьянских хозяйств ОНТП-1-77.

5.Строительная климатология и геофизика СНиП РК 2.04-01-2010.

6. Животноводческие, птицеводческие и звероводческие здания и сооружения. СНиП II-99-77, СНиП РК 3.02-11-2010.

7. Строительная теплотехника. СНиП II-3-79, СНиП РК 2.04-03-2002.

8 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. СНиП II-33-75, СНиП РК 4.02-42-2006.

9. Справочник по теплоснабжению сельского хозяйства. Л.С.Герасимович [и др.] – Минск: Ураджай, 1993.