ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ С АККУМУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ

Тихомиров Д.А.¹, Дудин С.Н.²,Трунов С.С.³.

 ¹ORCID: 0000-0002-3526-4474, Доктор технических наук, ²ORCID: 0000-0002-7339-4229, Аспирант, ³Кандидат технических наук, Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ С АККУМУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ

Аннотация

С ростом тарифов на электроэнергию актуальным становится применение установок с аккумуляцией теплоты, способных работать по дифференцированному тарифу учета электроэнергии. В статье расмотрена конструкция электрического отопительного прибора с аккумуляцтей теплоты для животноводческих помещений и представлены основные положения методики его теплового расчета.

Ключевые слова: животноводство, микроклимат, отопительный прибор, теплоаккумулятор, обогрев животных, теплоаккумулирующий сердечник, электроэнергия.

Tihomirov D.A.¹, Dudin S.N.²,Trunov S.S.³

¹ORCID: 0000-0002-3526-4474, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-7339-4229, Aspirant, ³PhD in Engineering, All-Russian Institute of electrification of agriculture

ELECTRIC HEATER FOR LIVESTOCK BUILDINGS WITH ACCUMULATION OF HEAT

Abstract

With the increase in electricity tariffs is becoming topical application of plants with the accumulation of heat, capable of operating according to the differentiated rate of energy accounting. The article examined the design of the electrical heating appliance with accumulate heat for livestock buildings and presented the main provisions of the methodology of thermal calculation.

Keywords: livestock, microclimate, heater, storage tank, service animal, the heat storage core, electrical energy.

В сельскохозяйственном производстве имеется ряд энергоёмких технологий и процессов, которые во многом определяют общие затраты энергии на производство продукции и им в первую очередь должно быть уделено особое внимание в плане повышения эффективности использования энергоносителей. К таким технологиям и процессам относится и обеспечение микроклимата в животноводческих помещениях [1].

Мероприятия, способствующие заполнению “ночных провалов” суточного графика потребления электроэнергии, становятся всё более актуальными, в частности  организация производства и  применения аккумуляционных систем для нагрева воздуха [2].

Предпосылками этого служат следующие технико-экономические факторы:

- ограничение в ближайшей перспективе возможности подключения к электрическим сетям электротепловых приборов, работающих по свободному графику – с участием в суточных максимумах нагрузки  систем электро-теплоснабжения;

- огромные резервы внепиковой мощности в энергосистемах страны, обусловленные ночными провалами в графике электрической нагрузки, составляющими 40-60% от максимальной в течение 6-8 ч.;

- возрастающая заинтересованность энергосистем в использовании потребителей – регуляторов, в том числе бытовых и сельскохозяйственных-регуляторов электрической нагрузки;

- соответствующая этому политика дифференцирования тарифов на электроэнергию в течение суток.

C ростом тарифов на электроэнергию актуальной становится разработка установок, позволяющих снизить затраты на электроэнергию, потребляемую в технологических процессах.

Однако до настоящего времени отсутствовали эффективные отопительные приборы с аккумуляцией теплоты, которые можно было бы применить в животноводческих помещениях.

Нами разработан  теплоаккумуляционный электроотопительный прибор для животноводческих помещений (рис. 1),  в котором помимо теплоаккумулирующего сердченика с установленными электрическими нагревательными элементами (ТЭН), установлен электроконвектор прямого нагрева с оребренными ТЭНами (рис. 2), позволяющий поддерживать необходимую температуру в отапливаемом помещении в режиме “зарядки” прибора. Технические параметры приведены в (табл. 1) [3].

Рис. 1 - Теплоаккумуляционный электроотопительный прибор для животноводческих помещений

Рис. 2 - Электроконвектор прямого нагрева

 

Таблица 1 – Технические параметры прибора

Параметр	Единица измерения	Значение
Напряжение питание	В	380
Мощность теплоаккумулирующего сердечника	кВт	4,8
Мощность электроконвектора прямого нагрева	кВт	1,6
Время зарядки	ч	4
Время разрядки	ч	4-8
Масса установки	кг	200

 

Прибор имеет хорошую  аэродинамику, поскольку центр нагрева теплоаккумулирующего сердечника и электроконвектора прямого нагрева расположены ниже центра охлаждения. Это важно, поскольку улучшается тяга, способствующая лучшему обдуву  теплоаккумулирующего сердечника и электроконвектора.

Для определения основных теплоэнергетических и конструкционных параметров теплоаккумуляционного прибора проводят тепловой расчет [4].

Ниже приводятся основные положения и пример теплового расчёта теплоаккумулятора [5]. Во время зарядки обогрев помещения при необходимости осуществляется встроенным  электроконвектором прямого нагрева.

Исходными данными для расчета являются тепловая нагрузка отапливаемого помещения, а также материал теплоаккумулирующего сердечника.

В качестве материала для изготовления теплоаккумулирующего сердечника выбран огнеупорный материал хромомагнезит. Эффективным и перспективным материалом для теплоизоляции является суперизол, выполненный в виде теплоизоляционных плит.

Одним из основных параметров отопительного прибора является объём теплоаккумулирующего сердечника V_c , который определяется из уравнения теплового баланса:

3600 Р_полτ_р=V_cмс_м(t_max-t_min)  (1)

 где Р_пол - полезная (отдаваемая) мощность электротопительного прибора, Вт; τ_р – время разрядки теплоаккумулирующего сердечника, ч; ρ_м – плотность материала сердечника, кг/м³; с_м – удельная теплоёмкость материала сердечника, Дж/кг ⁰С; t_max – температура теплоаккумулирующего сердечника в конце зарядки, ⁰С; t_min - температура теплоаккумулирующего сердечника в конце разрядки, ⁰C;

Исходя из уравнения (1) определяют объём теплоаккумулирующего сердечника:

V_c=3600 Р_полτ_р/_мс_м(t_max-t_min)   (2)

На основании опыта проектирования аккумуляционных электроотопительных установок объём прибора V_п определяют из ориентировочного соотношения:

V_п= (1,8-2,0) V_c  (3)

Используя полученное значение V_п. по конструктивным соображениям выбирают соотношения между длиной, шириной и высотой отопительного прибора.

Выбранные конструктивные параметры установки позволяют определить площадь наружной поверхности F_нар прибора.

Максимальная температура наружной поверхности прибора при завершении процесса «зарядки»   ,  при завершении процесса разрядки  .

В виду того, что в начале цикла нагрева потери тепла практически отсутствуют, то среднее в  течение процесса зарядки   значение мощности тепловых потерь отопительным прибором в окружающее пространство Р_пот рассчитывают для температуры   t_нар по формуле:

Р_пот=k₃α_нарF_нар(t_нар-t₀),  (4)

где  α_нар – коэффициент теплоотдачи от наружных поверхностей отопительного прибора к окружающему пространству (помещению), Вт/м^{2 0}С; t₀ – температура помещения, ⁰С;  – коэффициент запаса, принимается в диапазоне 1,1-1,3;

t_нар=()/2   (5)

К основным конструктивным параметрам аккумуляционного отопительного прибора относится также толщина теплоизоляционного слоя δ_ф. Для определения величины δ_ф следует исходить из общих положений теории теплопроводности, рассматривая теплоизоляцию как однослойную плоскую стенку. В этом случае необходимую толщину стенки теплоизоляционного слоя, при которой тепловые потери прибора будут соответствовать Р_пот, определяют из уравнения:

δ_ф  =  Р_пот/ ,  (6)

где σ_ф- коэффициент теплопроводности материала футеровки, Дж/м ⁰С; t¹- температура внутреннего слоя футеровки к завершению процесса зарядки, ⁰С; F_ср – средняя площадь поверхности футеровки, м²;

F_ср=(F_вн+F_нар)/2;   (7)

где F_нар – площадь наружной поверхности футеровки, м²; F_вн - площадь внутренней поверхности футеровки, м²;

После того, как определена мощность тепловых потерь и толщина тепловой изоляции определяют установленную мощность Р_уст электронагревательных электрических элементов теплоаккумулирующего сердечника.

Р_{уст .}=  к_зР_пол + Р_пот,    (8)

где к_з – коэффициент запаса мощности, учитывающий старение нагревательных элементов, возможность снижения питающего напряжения и т.д., (к₃=1,1-1,2); τ_з – продолжительность периода зарядки теплоаккумулирующего сердечника, ч; τ_p – продолжительность процесса разрядки теплоаккумулирующего сердечника, ч;

Мощность, затрачиваемая на нагрев теплоаккумулирующего сердечника, определяется по формуле:

Р_с= Р_уст /к_з-Р_пот.   (9)

Например, для помещения профилактория на 5 телят фермы КРС на 200 голов с расчетной тепловой нагрузкой 4 кВт мощность электрических нагревательных элементов установленных в теплоаккумулирующем сердечнике составляет 4,8 кВт.

В конструкции прибора впервые применена двухуровневая схема эффективного теплообеспечения животноводческих помещений [6], обоснованы электротепловые и конструкционные параметры.

Применение данной установки обеспечивает снижение затрат на оплату электроэнергии при работе по дифференцированному тарифу до 40%. Снижение приведенных затрат составляет 20%.

Список литературы / References

1. Дудин С.Н., Тихомиров Д.А. Устройства аккумуляционного типа для нагрева воздуха // Вестник ВИЭСХ. 2012. Т. 3. №-8. С. 73-74.
2. Дудин С.Н., Тихомиров Д.А., Трунов С.С. Энергоэффективный электроприбор для отопления помещений сельскохозяйственного назначения с аккумуляцией тепла // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. № 4(9). С. 103-106.
3. Трунов С.С., Тихомиров Д.А., Дудин С.Н. Электроотопительный прибор с аккумуляцией тепла для помещений сельскохозяйственного назначения // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 11-2 (30). С. 72-73.
4. Трунов С.С., Растимешин С.А. Основы расчёта электроотопительного прибора с АТ // Вестник ВИЭСХ. 2015. № 2(19).
5. Каган Н.Б., Кауфман В.Г., Пронько М.Б., Яневский Г.Д. Электротермическое оборудование для сельскохозяйственного производства.- М.: Энергия. 1980. С. 192.
6. Пат. 151036 Российская Федерация. Электротопительный прибор с аккумуляцией тепла. Опубл. 11.02.2015.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dudin S.N., Tihomirov D.A. Ustrojstva akkumuljacionnogo tipa dlja nagreva vozduha [Devices of the accumulation type air heating] // Vestnik VIJeSH [Bulleten of VIJeSH]. 2012. – V. 3. – №-8. – P. 73-74. [in Russian]
2. Dudin S.N., Tihomirov D.A., Trunov S.S. Jenergojeffektivnyj jelektropribor dlja otoplenija pomeshhenij sel'skohozjajstvennogo naznachenija s akkumuljaciej tepla [Energy-efficient electrical appliances for space heating of agricultural purpose with heat accumulation] // Innovacii v sel'skom hozjajstve [Innovations in agriculture]. 2014. № 4(9). P. 103-106. [in Russian]
3. Trunov S.S., Tihomirov D.A., Dudin S.N. Jelektrootopitel'nyj pribor s akkumuljaciej tepla dlja pomeshhenij sel'skoho-zjajstvennogo naznachenija [Electro-heating unit with heat accumulation for areas of agricultural purpose] // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. 2014. № 11-2 (30). P. 72-73. [in Russian]
4. Trunov S.S., Rastimeshin S.A. Osnovy raschjota jelektrootopi-tel'nogo pribora s AT [Fundamentals of calculation elektrootopitelnogo device with AT] // Vestnik VIJeSH [Bulleten of VIJeSH]. – 2015. – № 2(19). [in Russian]
5. Kagan N.B., Kaufman V.G., Pron'ko M.B., Janevskij G.D. Jelek-trotermicheskoe oborudovanie dlja sel'skohozjajstvennogo proizvodstva [Thermal-electric equipment for agricultural proizvodstva].- M.: Jenergija. 1980. P. 192.
6. Pat. 151036 Rossijskaja Federacija. Jelektrotopitel'nyj pribor s akkumuljaciej tepla. Opubl. 11.02.2015 [Pat. 151036 Russian Federation. Elektrotopitelny unit with heat accumulation. Publ. 02/11/2015.]. [in Russian]