Реконструкция энергохозяйства коровника с разработкой обогреваемых панелей

3.2 Кормораздача 

       В проектируемом  объекте (коровник на 200 голов), раздача  кормов производится вручную. Следовательно, одна из причин низкой производительности труда в животноводстве, слабая энерговооружённость. Для повышения производительности труда и снижения себестоимости животноводческой продукции необходимо механизировать и электрифицировать технологические процессы. Раздача кормов животным наиболее трудоёмкий и наименее механизированный процесс в животноводстве.

       Устройства для  раздачи кормов должны обеспечивать заданный рацион, исключить потери, загрязнение и порчу кормов. В  животноводстве используются два типа кормораздатчиков, мобильные и стационарные.

       Мобильные раздатчики кормов благодаря универсальности (можно использовать для доставки кормов от хранилища или с полей и раздачи их в кормушки животным без дополнительной перевалки), простоте обслуживания и высокой производительности, широко применяют на животноводческих фермах и комплексах. Мобильные раздатчики кормов позволяют повысить производительность труда, по сравнению со стационарными раздатчиками, примерно в пять раз. Один мобильный раздатчик может обеспечить процесс кормления 400 – 500 голов КРС.

       Недостатки: возможность  эксплуатации только в помещениях с кормовыми проходами шириной 1,6 – 2,5 м при высоте кормушек не более 0,75 м, необходимость площадки для разворота  у торцов животноводческого помещения, трудность нормирования кормов.

       На фермах КРС  наибольшее распространение получили мобильные раздатчики кормов типа: КТУ-10А; РММ-5,0; РСЛ-10А. При наличии подъездных путей с твёрдым покрытием, достаточно широких кормовых проходах, загрузочных устройств с высокой производимостью эти раздатчики обеспечивают высокий экономический эффект.

       На фермах КРС  также большое распространение  получили стационарные раздатчики кормов, особенно следующих типов: РК-50 и ТРЛ-100 – над кормушками; КЛО-7,5, КЛК-75 и ТВК-80Б – внутри кормушек. Они обеспечивают раздачу кормов в измельчённом виде. У всех стационарных раздатчиков кормов рабочие органы действуют от электропривода.

       Так как в рассматриваемом  нами коровнике мобильные кормораздатчики  не смогут пройти, то предлагается выбрать  стационарные раздатчики корма.

       Принимаем стационарный кормораздатчик ТВК-80Б. 

4. Расчёт  электрического освещения.

       Освещённость производственных помещений играет не маловажную роль в увеличении производительности труда  и производительности животных. При  недостаточном освещении у животных наблюдается «световое голодание», которое выражается в ухудшении самочувствия, снижении продуктивности, увеличении бесплодия. Для того, чтобы максимально снизить «световое голодание», животных следует размещать в светлых помещениях, использовать искусственное освещение.

       Выполним расчёт освещения для коровника производственного содержания животных на 200 голов с доением в стойлах. Размер помещения 78х18х3 м. Примем для освещения люминесцентные лампы типа ЛСП-18 с КПД = 0, 85.

       Согласно отраслевым нормам по электроосвещению, освещённость во время доения должна быть: Е = 150 лк, в остальное время Е = 75 лк. Дежурное освещение составляет около 10% от общего. Помещения коровника характеризуются повышенной влажностью и агрессивной средой, защитное исполнение светильников должно быть не менее IP54. Так как доение происходит в стойлах, требуется освещённость рабочей поверхности, поэтому используем точечный метод.

1. Стойловое помещение

       Расчётную высоту подвеса  светильников рассчитываем по формуле:

              H_p = Н_о – h_св - h_p

       где H_o – высота помещения, м;

               h_св – высота свеса светильника, м;

               h_р – высота рабочей поверхности от пола, м.

              Н_р = 3 – 0,15 – 0,35 = 2,5 м.

       Подсчитываем количество светильников по длине (а) и ширине (в):

                n_a = a/L = 75/3,5 = 21 шт.

                n_в = в/L = 18/3,5 = 5 шт.

          где L = λ * H_p = 3,5 м. – расстояние между светильниками.

                 λ = 1,4 м. – относительное расстояние  между светильниками.

       Тогда общее количество светильников подсчитываем по формуле:

                N = n_a * n_в = 21 * 5 = 105 шт.

       Считаем расстояние от стены до светильника по длине и ширине:

               L_a = 0,214 * L = 0,75 м.; L_в = 0,57 * L = 2 м.

       Расчёт будем вести  точечным методом. Условная освещённость контрольной точки А от ί-го светильника  определяется по формуле:

                = I /H лк.

       где   α – угол между вертикалью и направлением потока света светильника в расчётную точку.

                I – сила света ί-го светильника с условной лампой (со световым потоком в 1000 лм.), в направлении расчётной точки, определяется в зависимости от α и кривой силы света D-2.

       Световой поток  источника света в каждом светильнике  определяется по формуле:

        ;

       где: = 1,1 – коэффициент, учитывающий дополнительную  освещённость за счёт влияния удалённых светильников и отражения от ограждающих конструкций;

               – кпд   светильника;

              = 150 лк – нормированная освещённость;

              = 1,3 – коэффициент запаса, учитывающий старение источника света, загрязнение светильника.

         лм;

       Проверка:

                        - 0,1 ( -  ) /   +0,2

                        - 0,1 (4400-4154)/4154 +0,2

                                   - 0,1 +0,06 +0,2

       По условиям проверки выбранная лампа подходит к установке в данный светильник.

2. Тамбур

       Расчёт будем вести  методом коэффициента использования светового потока, который применяется для расчёта общего равномерного освещения, горизонтальных поверхностей закрытых помещений со светлыми ограждающими конструкциями. Расчёт освещения в других помещениях производится аналогично. Данные результатов расчётов освещения представлены в таблице 4.1. В таблице приняты сокращения: Х – химически активная среда; Н – нормальная среда; С – сырое помещение; Р – рабочее помещение.

         Расстояние между  светильниками принимаем 5 м., количество 4 шт.

               Ф = Е_н* S * К_з * Z ∕ N * η

       Определим индекс помещения:

       ί = = = 0.45

       где: η = 0,33 – коэффициент использования светового потока при ρ_с = 50 %; ρ_{потолка} = 30 %; ρ_пола = 10 %;

       Z = 1.1 – коэффициент неравномерности.

       Ф = = 1035

       Проверим расчётный  поток по отклонению от каталожного

                              − 0,1 ≤ (Ф_u – Ф_р) ∕ Ф_р ≤ + 0,2;

                        − 0,1 ≤ (1020 – 1035) ∕ 1035 ≤ + 0,2;

                                     − 0,1 ≤ 0,015 ≤ + 0,2;

       Выбираем лампу  типа БК – 215 – 225 – 75, светильник типа НСП 02 с мощностью 75 Вт. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Разработка системы обогреваемых панелей.

0. 5. 1     Выбор технологической системы обогреваемых панелей.

       Создание оптимальных  условий микроклимата в животноводческих помещениях – одно из важнейших направлений применения электронагрева в сельскохозяйственном производстве. Особенно велико влияние микроклимата на сохранность молодняка. Важно не только создать необходимые условия микроклимата, но и обеспечить их постоянство. Зоогигиеническим условиям животноводческих помещений в наибольшей степени отвечает – электроотопление.

       Физиологический эффект влияния температурных раздражителей  в значительной степени зависит  от соотношения путей отдачи тепла. Оптимальная температура воздуха по данным отечественных и зарубежных исследований лежит в пределах 16 – 20 ºС. продуктивность коров снижается почти на 20% при их размещении у наружных ограждений из-за повышенной теплоотдачи путём лучеиспускания. Пребывание животных на холодных и мокрых полах приводит к переохлаждению и как следствие заболеваниям, а теплопотери животных через пол могут достигать 80% общих тепловыделений.

       Создание оптимальной  температуры ограждающих конструкций  и пола требует применения напольных и настенных обогревательных устройств с поверхностно-распределённым температурным полем. Из известных средств локального обогрева этому условию удовлетворяют электрообогреваемые панели.

       Полезный тепловой поток отопительной установки определяются из уравнения теплового баланса помещения.

       Ф_п = Ф_о + Ф_в + Ф_исп – Ф_ж; Вт.                     (1)

Где: Ф_о – тепловой поток,  теряемый   через  наружные  ограждения

               помещения, Вт. ;

      Ф_в – тепловой поток теряемый с вентилируемым воздухом, ВТ. ;

Ф_исп – тепловой поток расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей, Вт. ;

Ф_ж – тепловой поток выделяемый животными, Вт.

       Поток через наружные ограждения :

       Ф_о = q_от * V_o * N(T_в - Т_н) * a, Вт.

Где:   q_от = 0,25 Вт/м^{3 о}С – удельная отопительная характеристика помещения;

V_о = 11 м³/гол, удельный объем помещения;

N = 200 гол, количество животных;

Т_в = 15 ^оС, температура внутри помещения по нормам технического проектирования или затребованный в зависимости от вида и возраста животных [4];

Т_н = - 30 ^оС, расчётная зимняя температура наружного воздуха;

а – поправочный коэффициент учитывающий  влияние разности температур на величину q_от:

а = 0,54 + 22/(Т_в – Т_н) = 0,54 + 22/(15 – (– 30)) = 1,03          (3)

Ф_о = 0,25 * 11 * 200(15 – (– 30)) * 1,03 = 25492 Вт.            (2^|)

Определяем  тепловой поток, теряемый с вентилируемым  воздухом               

       Ф_в = Q_v * ρ_в * С_р * (Т_в – Т_н), Вт.;

       Где: Q_v – объёмный расход вентилируемого воздуха, м³/с;

               ρ_в – плотность воздуха при температуре Т_в, кг/м³;

        С_р – удельная теплоёмкость воздуха равная 1000 Дж/кг ^оС;

         Значение Q_v

       Находят из значения требуемого воздухообмена в помещении. Этот расчёт проводят согласно [4], по условиям удаления избытков влаги или углекислоты, принимая затем для вставки в формулу наибольшее из двух полученных значений Q_v;

       ρ_в = , кг/м³

       Где Р – расчётное барометрическое давление в данном районе, кПа, в Челябинской области Р = 99,3 кПа.

       Тогда:   ρ_в = = 1,2 кг/м³

       Определим воздухообмен по СО₂

       Qсо₂ = = = 2697,7 л/ч = 0,75 м³/с.

Где:    С – количество СО₂ выделяемое одним животным, С = 29 л/ч.

           С_в – предельно допустимая концентрация СО₂ в помещении, л/м³;

           С_в = 2,5 л/м³;

          С_н – концентрация СО₂ в наружном воздухе, С_н = 0,35 л/м³

Определим воздухообмен по влаговыделению:

       Q_w = , м³/ч;

Где:    W – масса влаги выделяющейся в помещении, г/час;

           d_в, d_н – влагосодержание внутреннего и сухого воздуха соответственно, г/кг сухого воздуха;

           ρ_в – плотность воздуха при температуре 15 ^оС, ρ_в = 1,2 кг/м³;

         Принимаем для помещения условия  Т_в = 15 ^оС и влажность = 85%. По приложению 14 [4] найдем d_в = 9,2 г/кг. Для наружного воздуха Т_н = -30 ^оС и = 80% найдем d_н = 0,6 г/кг.

     Масса влаги выделяющейся в помещении:

     W = W_ж + W_исп, г/час;                                                        (7)

     где влага выделяемая животными:

     W_ж = N * W‘ * K_t, г/ч                                                        (8)

     N – количество животных, гол;

     W‘ – выделение водяных паров одним животным в зависимости от его массы, W‘ = 92 г/час [4];

     K_t – коэффициент изменения выделяемых животным водяных паров в зависимости от Т_в, K_t = 1,24;

     W_ж = 200 * 92 * 1,24 = 22816 г/ч                                   (8‘)

     Определим влагу испаряющуюся с мокрых поверхностей помещения (пол, поилки, кормушки и другое)

     W_исп = ξ * W_ж                                                                    (9)

     Где ξ = 0,1 … 0,25 – для коровников и  телятников, большее значение берётся  для помещений где мало подстилки и плохо работает канализация.

     Принимаем ξ = 0,2 находим:

     W_исп = 0,2 * 22816 = 4563,2 г/ч                                       (9‘)

     Суммарное влаговыделение:

     W = W_ж + W_исп = 22816 + 4563,2 = 27379,2 г/ч.

     Воздухообмен  по влаговыделению:

     Q_w = = 2622,5 м³/ч = 0,728 м³/ч

     Qсо₂ > Q_w для дальнейших расчётов принимаем Qсо₂ и находим тепловой поток теряемый с вентилируемым воздухом:

     Ф_в = Qсо₂ * ρ_в * С_р * (Т_в – Т_н) = 0,75 * 1,2 * 1000(15 – (–30)) = 40500 Вт.

     Находим Ф_исп – тепловой поток расходуемый на испарение влаги с свободных поверхностей.

     Ф_исп =0,278 * 2,49 * W_исп = 0,278 * 2,49 * 4563,2 = 3157,7 Вт.    (10)

Где:  0,278 – переводной коэффициент;

         2,49 – скрытая теплота испарения  воды, кДж/г;

Поток теплоты выделяемый животными:

     Ф_ж = N * q * K_t = 200 * 159 * 0,85 = 27030 Вт.

     q = 159 Вт. – поток теплоты выделяемый одним животным;

     K_t = 0,85 – коэффициент изменения количества выделения теплоты, в зависимости от Т_в.

     Полный  требуемый полезный поток отопительной установки:

     Ф_п = Ф_о + Ф_в + Ф_исп – Ф_ж = 25492,5 + 40500 + 3157,7 – 27030 = 42120,2 Вт.

     Рассчитываем  мощность электрокалориферов в помещении:

      , Вт.                                                                   (12)

Где: К₃ – коэффициент запаса, К₃ = 1,05…1,1;

     β – доля расчётной мощности которая  должна обеспечивать электрокалориферная  установка, %;

     η_эку = КПД учитывающий потери от корпуса калорифера и воздуховодов. η_эку = 0,95…1;

      = 29262 Вт.

     Рассчитываем  мощность 1-го калорифера:

     Р_к = = = 14631,25 Вт.

     Где n – количество калориферов, шт.

     Определим требуемый объём подачи вентилятора ЭКУ:

     Q_VT = = = 0,41 м³/с = 3524,4 м³/ч, где К₁ = 1,1 – коэффициент учитывающий потери или подсос воздуха.

     По  электрической расчётной мощности калорифера Р_к = 14631,25 Вт. и требуемому количеству подачи воздуха вентилятором Q_VT = 0,41 м³/с, выбираем электрокалориферную установку СФОЦ – 16/0,5Т.

     Таблица 5.1 – основные технические данные электрокалориферной установки СФОЦ – 16/0,5Т

     5.2 Расчёт и конструкция обогреваемых панелей.

     Рассчитываем  мощность электрообогреваемой панели:

     Р_рэп = Ф_п – Р_{р эку} = 42120,25 – 2 *16000 = 10120,25 Вт.

     В связи с тем что существующие электронагревательные панели не отвечают требованиям ПУЭ [5], разрабатываем ЭПТЭН.

     Преимущества  ЭПТЭН:

     - Ток и мощность в процессе  нагрева практически не меняются;

     - Величина изоляции и величина  токов утечки соответствует требованиям  ПУЭ;

     - Цена ТЭНов не превышает цены нагревателя и провода ПОСХП;

     - ТЭН закрепляются в цилиндрических  пустотах панели с зазорами, поэтому  их легко можно заменить;

     - Теплотехнические показатели ЭПТЭН аналогичны показателям панелей с проводом ПОСХП.

     Определяем  площадь поверхности панелей без учёта лучистой энергии:

     F = = = 1,027 м².

     Где: Р – мощность нагревательных элементов  одной панели, принимаем Р = 0,75 кВт;

              α – коэффициент теплопередачи,  принимаем в пределах 10 Вт/м^{2 о}С;

              ΔТ – разность между температурой воздуха Т_в = 22 ^оС и температурой поверхности панели Т_п = 95 ^оС

                   ΔТ = 95 – 22 = 73 ^оС

     Задаёмся  толщиной панели а = 5 см. = 0,5 м.

     Определяем  постоянную времени нагрева панели:

     В = = = 0,99 =69,1 мин

     Где: С – теплоёмкость панели. А –  теплоотдача, Вт.

             С = С_о* m = 200 * 51,2 = 10240 кал/^оС

     Где: С_о – удельная теплоёмкость бетона, С_о = 200 кал/(кг^оС);

             m – масса одной панели, кг;

             m = γV = 2000 * 0,256 = 51,2 кг.

     Где: γ – плотность бетона, γ = 1800 … 2400 кг/м³;

             V – объём панели, м³;

     V = a * b * d = 0,05 * 0,4 * 1,28 = 0,0256 м³;

     Где: a – толщина панели, м;

             b – ширина панели, м;

             d – длина панели, м;

     d = = = 1,28 м.

     А = α * F = 10 * 1,028 = 10,3 Вт/^оС;

        Где: F – площадь поверхности панели без учёта лучистой энергии, м²;

Рассчитываем кривую разогрева и охлаждения панели:

τ = τ_уст * (1 – ) + τ_нач*

Таблица 5.2 – нагрев панели.

Таблица 5.3 – охлаждение панели

Рисунок 5.1 – кривые нагрева и охлаждения.  

      Выбираем  трубчатый электронагреватель по каталогу «Информэлектро» ЛК 12.30.36 – 99, ТЭН – 100 А 13/0,3 Р 220

      Таблица 5.4 – технические данные ТЭН – 100 А 13/0,3 Р 220

   Рассчитываем необходимое количество панелей:

             П = = = 16 шт.

Где: Q_эп – необходимая мощность электронагревательных панелей, Вт.

        Р_н – номинальная мощность одной панели, Вт.

Окончательно  принимаем 16 электронагревательных  панелей.

     5.3 Выбор пускозащитной  аппаратуры и защиты. 

     Для реализации автоматического управления электрообогреваемых панелей, в  зависимости от температуры воздуха  в помещении используются термодатчики ДТКБ – 53Т.

     Для защиты панелей от перегрева выше 95 ^оС на поверхности панели устанавливается датчик ТР-200.

     Для сигнализации о режиме работы выбираем световую сигнальную аппаратуру АСЛ-11, номинальное напряжение U_н = 220 В., что удовлетворяет требованиям, так как U_н = U_с.

     Для дистанционного включения и отключения электрообогревательной панели используем магнитный пускатель ПМЛ-2100 УХЛ 2, U_н = 380 В., U_к = 220 В.

     В качестве реле КL 1, принимаем промежуточное реле РЭП 15-220-11344-00 УЗ, U_н = 220 В. Для переключения режимов управления электрообогреваемыми панелями выбираем переключатель ПКУ-2-122УЗ, I_н = 20 А.

     Таблица 5.3.1 – спецификация на электрооборудования.

     5.4 Разработка электрической  схемы управления  электронагревательными  панелями. 

     Требования  к схеме:

     Включение и выключение электронагревательных  панелей производится автоматически в зависимости от уровня температуры в помещении.

     Схема должна иметь сигнализацию о режиме работы и защиту от коротких замыканий.

     Представленная  на рисунке 5.4.1 схема управления электронагревательными панелями предусматривает их защиту, а так же цепи управления от токов короткого замыкания.

     Схема управления предусматривает автоматический и ручной режимы работы, что обеспечивается переключателями SA1 и SA2. Автоматический режим работы осуществляется с помощью биметаллических датчиков температуры ДТКБ-53Б(SK2 и SK3), устанавливаемых в помещении в дали от мест с резким колебанием температуры воздуха, на высоте 1 м. от уровня пола. Защита панелей от повышения температуры свыше 95 ^оС на поверхности панели осуществляется с помощью биметаллического датчика ТР-200(SK1), установленного сверху.

     Включением  рубильника QS1 напряжение подаётся на цепи управления, при этом загорается сигнальная лампа HL1. В случае, если панель не имеет аварийного перегрева, а контакты датчика SK1 замкнуты, срабатывает промежуточное реле KL1. Контактами KL1:1 отключает цепь лампы HL4, сигнализирующей о перегреве панели, а контактами KL1:2 подготавливает к работе цепь включения магнитных пускателей KM1 и КМ2. По подготовленной цепи KL1:2 напряжение подаётся на переключатель SA1.

     При положении рукоятки переключателя SA1 «АВТОМАТИКА», через контакты датчиков SK2 и SK3, происходит включение магнитных пускателей КМ1 и КМ2 и секций панелей ЕК1 и ЕК2.

     Если  рукоятка переключателя SA1 находится в положении «РУЧНОЕ», то напряжение через контакты 5-6 SA1 поступает на переключатель SA2, которым можно включить один или сразу оба пускателя КМ1 и КМ2 (50 или 100% панелей). При срабатывании пускателей КМ1 и КМ2 одновременно загораются лампы HL2 и HL3, сигнализирующие о том, что напряжение на секции панелей ЕК1 и ЕК2 подано.

     По  мере повышения в отапливаемом помещении  температуры воздуха до значения, установленного на датчике SK2, контакты последнего разомкнутся и магнитный пускатель КМ1 отключится, обесточив секцию электронагревателей ЕК1. Электронагревательные панели остаются включенными на 50% номинальной мощности. При дальнейшем повышении температуры размыкаются контакты SK3, обесточивается магнитный пускатель КМ2 и отключается вторая секция панелей ЕК2. При снижении температуры воздуха в отапливаемом помещении  ниже заданной величины автоматически включаются секции нагревательных панелей в обратной последовательности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Построение  графика нагрузки и выбор источника  питания.

       Построение  суточного графика нагрузок в  зимний период для коровника на 200 голов.

       Учитываемые возможные нагрузки:

       Дежурное  освещение – 3 кВт;

       Рабочее освещение – 10,2 кВт;

       Навозоуборочные транспортёры 2 шт. – 11 кВт;

       Система вентиляции 2 шт. – 16 кВт;

       Система обогреваемых панелей 16 шт. – 10,08 кВт.

       Строим  график электрических нагрузок рис. 6.1, распределение электрических нагрузок сводим в таблицу 6.1.

    Определяем расчётную мощность, кВт:

       Р_расч = Р_mах + ;

       Где: Р_mах – максимальная мощность, кВт;

               – сумма добавочных мощностей, кВт.

       Р_расч = 41 + 0,926 ≈ 42 кВт.

    Определим реактивную мощность, кВар:

         Q = Р_расч/cos φ = 42/0,9 = 46,7 кВар.

    Определим полную мощность, кВА:

                S_расч = = = 62,8 кВа.

    Выбор трансформатора производится  по формуле:

                S_расч/S_н ≤ К_с

  Где: К_с – коэффициент допустимой систематической нагрузки   трансформатора (К_с = 1,33) [4]

            S_н – номинальная мощность трансформатора, кВА.

            62,8/63 = 0,99 ≤ 1,33

  Выбираем трансформатор ТМ –  63, S_н = 63 кВА.

Рисунок 6.1 –  График электрических нагрузок:

      Таблица 6.1 – Распределение электрических нагрузок