Использование приточно-вытяжного теплоутилизатора для улучшения микроклимата на животноводческих фермах

 

5.12 Охрана труда

 

 

 

 

 

 

Использование приточно-вытяжного теплоутилизатора

для улучшения микроклимата на животноводческих фермах

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Объект исследования……………………………………………………3

2. Цель работы……………………………………………………………...3

3. Метод исследования………………………………………………….....3

4. Полученные результаты………………………………………………...6

5. Основные конструктивные  характеристики………………………….18

6. Степень внедрения……………………………………………………..21

7. Экономическая эффективность……………………………………….21

Литература………………………………………………………………...29

 

 

Использование приточно-вытяжного теплоутилизатора

для улучшения микроклимата на животноводческих фермах

 

1. Объект исследования

 

Объектом исследования являются микроклиматические условия в животноводческих помещениях.

 

2. Цель работы

 

Цель работы – разработка технического устройства малой энергоемкости для улучшения микроклимата в животноводческих помещениях.

В ходе исследовательской работы проводилось анкетирование работников ряда предприятий Брянской области по условиям труда, приборный анализ условий труда животноводческих и вспомогательных помещений (молочный и бытовой блок) ферм и комплексов УОХ «Кокино», ОАО «Агрофирма Культура», изучался процесс термогенеза в органическом сырье.

Технические мероприятия направлены на улучшение микроклиматических условий в животноводческих помещениях применением приточно-вытяжного теплоутилизатора.

 

3. Метод исследования

 

В процессе выполнения научной  работы применяли следующие методы исследования:

• анкетирование;
• статистический метод анализа заболеваемости;
• аналого-цифровой;
• приборно-инструментальный;
• экономический метод при определении эффективности внедряемых мероприятий.

В ходе выполнения исследований изучались следующие параметры  воздушной среды: температура, относительная влажность, давление, скорость движения воздуха, а также запыленность, загазованность  воздуха аммиаком, сероводородом, двуокисью углерода. Для инструментального анализа использовались приборы научной лаборатории комплексной оценки и проектирования условий труда, кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии (табл. 1).

 

Таблица 1 - Наименование и марка приборов

 

Метеометр МЭС – 200		Аспиратор ПУ – 4Э
Инфракрасный термометр UT-301		Газоанализатор Колион 1В-06
Насос-пробоотборник НП-ЗМ		рН – метр-милливольтметр рН-150 МА
Универсальный газоанализатор УГ-2		Цифровой термоанемометр ТКА-ПКМ/50

 

Параметры микроклимата измеряли цифровым прибором метеометром  МЭС-200. Для измерения температуры  нагрева воздуховодов и компостируемой массы использовали инфракрасный термометр UT-301 C.

Исследование загазованности животноводческих и вспомогательных помещений проводили прибором насосом-пробоотборником НП-ЗМ. Для уточнения результатов измерений использовали универсальный газоанализатор   УГ-2. Принцип работы приборов основан на протягивании исследуемого воздуха через индикаторную трубочку.

Запыленность  определяли с помощью аспиратора ПУ-4Э, работа которого основана на протягивании загрязненного воздуха через поглотительный элемент.

Для контроля температуры  в компостируемом сырье с целью  предотвращения самовозгорания использовали термодатчики, с которых информация через цифровой многоканальный самописец “Flash-Recorder-2-16RTC-SD”  выводится на монитор компьютера (рис. 1). За результат измерения принималось среднее арифметическое значение.

 

 

1 – цифровой термометр; 2 – приточная труба;

3 – насос; 4 – вытяжная  труба

 

Рисунок 1 – Контроль температуры в компостируемом сырье

 

 

4. Полученные  результаты

 

Микроклимат - это условия  производственной среды помещений, которые оказывают влияние на тепловую стабильность организма человека в процессе труда. К параметрам микроклимата относятся:

• температура воздуха,
• относительная влажность,
• давление,
• скорость движения воздуха,
• тепловое излучение.

Оптимальные микроклиматические условия - это такие условия микроклимата, которые при длительном и систематическом влиянии на человека обеспечивают сохранение теплового состояния организма без активной работы терморегуляции. Они сохраняют обеспечение самочувствие теплового комфорта и создание высокого уровня производительности труда.

Допустимые  микроклиматические условия  при длительном и систематическом влиянии на человека могут вызвать изменения теплового состояния организма  и сопровождаются напряженной работой механизмов терморегуляции в границах физиологической адаптации. При этом не возникает нарушений или ухудшения состояния здоровья, но наблюдается дискомфортное тепловосприятие, ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.

Условия микроклимата, выходящие  за допустимые границы, называются критическими (дискомфортными) и ведут, как правило, к серьезным нарушениям в состоянии организма человека.

Оптимальные условия  микроклимата создаются для постоянных рабочих мест.

Человеческий организм имеет возможность при помощи механизма терморегулирования поддерживать постоянную температуру тела. При нормальных условиях внутренняя температура организма поддерживается на уровне 37±0,5^оС.

Механизм регулирования  температуры человеческого организма  разделяют на процессы: химической регуляции, связанные с теплопродукцией, и процессы физической регуляции, связанные с теплоотдачей. Оба механизма управляются нервной системой.

Терморегуляция - это  способность организма регулировать теплообмен с окружающей средой, поддерживая  температуру тела на постоянном уровне(36,6 +-0,5⁰С). Поддержание теплообмена происходит путем увеличения или уменьшения передачи тепла в окружающую среду (физическая терморегуляция) или изменения количества вырабатываемого в организме тепла (химическая терморегуляция).

При комфортных условиях количество вырабатываемого тепла в единицу времени равняется количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду, т.е. наступает равновесие - тепловой баланс организма.

Физическая  терморегуляция. В условиях, когда температура окружающей среды значительно ниже 30⁰С и влажность меньше 75%, действуют все виды теплообмена: Если температура окружающей среды выше температуры кожного покрова, то происходит поглощение тепла организмом. При этом теплоотдача осуществляется лишь путем испарения влаги с поверхности тела и верхних дыхательных путей при условии, что воздух еще не насыщен водяными парами. При высокой температуре окружающей среды механизм теплоотдачи связан с понижением теплопроводности, усилением потоотделения.

При температуре воздуха 30⁰С и значительном тепловом излучении от нагретых поверхностей оборудования наступает перегрев организма, наблюдается нарастающая слабость, головная боль, шум в ушах, искажение цветового восприятия, возможен тепловой удар. Сосуды кожи резко расширяются, кожа розовеет за счет увеличения притока крови. В дальнейшем усиливается рефлекторная работа потовых желез, и влага выделяется из организма. При испарении 1 литра воды выделяется 2,3·10⁶ Дж тепловой энергии. При высоких температурах окружающего воздуха у человека происходит бурное профузное потоотделение. В таких условиях он за смену может потерять до 5 кг своей массы за счет влаги. Вместе с потом организм выделяет большое количество солей, главным образом, хлористого натрия (до20-50г за сутки), а также калий, кальций, витамины. Чтобы предотвратить нарушение водно-солевого обмена при выполнении тяжелой физической работы в зоне повышенной температуры, необходимо проводить редегидротацию организма, например, работники должны пить подсоленную воду (0,5%-ный раствор с витаминами).

При высоких температурах происходит большая нагрузка на сердечнососудистую систему. При перегреве увеличивается, а затем уменьшается выделение желудочного сока, поэтому возможны заболевания желудочно-кишечного тракта. Обильное выделение пота снижает кислотный барьер кожи, от чего возникают гнойничковые заболевания. Высокая температура внешней среды усиливает степень отравлений при работе с химическими веществами.

Химическая  терморегуляция. Химическая терморегуляция происходит в тех случаях, когда физическая терморегуляция не обеспечивает тепловой баланс. Химическая терморегуляция заключается в изменении скорости протекания окислительно-восстановительных реакций в организме: скорости сжигания питательных веществ и, соответственно, выделяемой энергии. При невысокой температуре окружающей среды происходит увеличение теплообразования, а при повышенной - уменьшение. Переохлаждение может иметь место при низкой температуре, особенно в сочетаниях с высокой влажностью и подвижностью воздуха. Повышение влажности и подвижности воздуха понижает термическое сопротивление воздушной прослойки между кожным покровом и одеждой. Охлаждение же организма (гипотермия) является причиной миозитов, невритов, радикулитов, а также простудных заболеваний. В особо тяжелых случаях воздействие низких температур приводит к обмораживанию, и даже к смерти (рис. 2).

 

Рисунок 2 - Факторы дискомфортного микроклимата

 

Определение влияния  условий труда в животноводстве на заболеваемость работников выполнено  по методике анкетного опроса специалистов и самих работников [9].

В анкете были предложены варианты оценки условий труда на рабочем месте: «очень хорошие»; «довольно хорошие»; «не совсем хорошие»; «плохие».

Кроме этого, приведен перечень факторов производственной среды, из которых  необходимо было выбрать те, которые оказывают влияние на работника постоянно, около 75% рабочего времени, около 50% рабочего времени, около 25% рабочего времени и факторы, не влияющие на человека.

Анкетирование проводилось  на различных предприятиях Брянской области, после чего анкеты обрабатывались по общепринятой методике.

Оценка согласованности  мнений специалистов проводилась по коэффициенту конкордации, значимость которого устанавливается с помощью критерия Пирсона [9].

Коэффициент конкордации (согласованности) определялся по формуле

 

     (1)

 

где S – сумма квадратов отклонений

 

     (2)

 

где m – число опрашиваемых специалистов;

n – число факторов;

а_ij – ранг i – го фактора у j – го специалиста;

L – среднее значение Σ рангов по каждому фактору

 

      (3)

 

где T_i – величина, учитывающая наличие связанных рангов

 

     (4)

 

Критерий χ² (распределение Пирсона) определялся по формуле

 

    (5)

 

Если расчетное значение критерия Пирсона больше табличного для 5% уровня и числа степеней свободы f = n-1, можно утверждать о согласованности мнений участвующих в анкетном опросе [9].

Получение и обработка  анкетных данных методом ранговой корреляции проводилось в несколько этапов.

Первый этап − сбор мнений работников путем анкетного  опроса. Для оценки влияния неблагоприятных  факторов, снижающих работоспособность  и наносящих вред здоровью работников выбраны дискомфортные температура  Х₁, влажность Х₂, давление Х₄, повышенные уровни шума и вибрации Х₃, недостаточная освещенность Х₅.

Оценка значимости данных параметров модели проводится  методом  ранговой корреляции. Каждый фактор имеет ряд градаций (рангов): если он наиболее значим - ему присваивается ранг 1, менее значимый – ранг 5.

Второй этап − составление  сводной матрицы рангов на основе данных анкетного опроса.

Так как в матрице  имеются связанные ранги, необходимо произвести их переформирование.

Учитывая значения переформированных  рангов, составляем новую матрицу рангов.

Показатели рейтинговой  оценки D_j определялись по формуле

 

    (6)

      (7)

 

где m – число опрашиваемых работников предприятия;

n – число  неблагоприятных факторов;

S – сумма квадратов отклонений суммы рангов каждого фактора от

 среднеарифметического  ранга;

Х_{i j}– ранг j-го фактора у i-го работника.

Проверка правильности составления матрицы на основе исчисления контрольной суммы

 

   (8)

 

Суммы всех столбцов матрицы  равны между собой и контрольной сумме, следовательно, матрица составлена правильно.

Третий этап − анализ значимости исследуемых факторов. Согласно условиям ранжирования факторы с наименьшей суммой рангов имеет наибольшее значение, а фактор с наибольшей суммой рангов оценивается как наименее важный.

Распределение факторов по значимости приобретает вид, представленный в таблице 2.

 

Таблица 2 - Распределение  факторов по значимости

 

Неблагоприятные факторы	Сумма рангов
Дискомфортная температура (Х1)	22,5
Дискомфортная влажность (Х2)	26,5
Повышенное давление (Х4)	27
Повышенный уровень  шума и вибрации (Х3)	32
Недостаточная освещенность (Х5)	42

 

Из таблицы распределения факторов по значимости видно, что, чем меньше сумма рангов, тем более значимы факторы и согласовано мнение работников (факторы Х₁, Х₂).

Коэффициент конкордации, в нашем случае, равен W = 0,25, что говорит о наличии определенной степени согласованности мнений работников.

Дискомфортный микроклимат  приводит к развитию производственно-обусловленных  и профессиональных заболеваний.

Ежегодно в России:

• становятся инвалидами 25-35 тыс. человек (1 и 2 гр.);
• получают профессиональные заболевания 7-10 тыс. чел;
• каждую секунду происходит 1 несчастный случай.

Анализ заболеваемости по России приведен на рис. 3.

 

Рисунок 3 – Анализ заболеваемости по России

 

Для того чтобы выявить  влияние условий труда работников животноводства на заболеваемость, нами был выполнен анализ статистическим методом – по группам болезней и их длительности.

Заболеваемость в АПК  в 71,2-81,5% случаев формируется ограниченной группой болезней органов дыхания (36,6%), сердечнососудистой системы (7%), опорно-двигательного аппарата (14,3%), кожи и подкожной клетчатки (3,8%), специфических женских видов патологии (7,5%).

В отрасли животноводства в сравнении со средними значениями по АПК возрастает число заболеваний органов дыхания (40%), болезней кожи и подкожной клетчатки (4,6%), почти втрое специфических женских  патологий (18,5%), снижается частота сердечнососудистых заболеваний (4,6%) и болезней опорно-двигательного аппарата (13,7%).

Наибольшая длительность нетрудоспособности выявлена при болезнях органов дыхания (23,1%), опорно-двигательного аппарата (14,8%), сердечнососудистой системы (8,9%) и женских патологий (8,5%).

Анализ структуры затрат электрической энергии на производство молока показал, что наибольший удельный вес в общих затратах занимает энергия, потребляемая на создание и поддержание оптимального микроклимата. Ее доля, в зависимости от технологии содержания животных, находится в пределах от 34,5 до 36,8%, что сопоставимо лишь с затратами энергии на приготовление кормосмесей. Поэтому одним из основных направлений сокращения общих затрат энергии на производство молока, а следовательно, и его себестоимости является разработка и внедрение энергосберегающих технологий и оборудования для создания и поддержания нормального микроклимата на фермах [1, 5].

Все энергосберегающие  технологии можно классифицировать по принципу нормализации микроклимата (рис. 4).

Рисунок 4 – Обзор энергосберегающих технологий нормализации микроклимата

 

Разработано несколько  технологических систем  с использование  в качестве компенсатора теплоты объемного подпольного навозохранилища (рис. 5).

Предлагаемая система  может применяться для улучшения  микроклимата только в помещениях, где проектом предусмотрено подпольное навозохранилище, что ограничивает область её использования. Кроме того, воздух помещения будет загрязняться газами, образующимися при гниении навоза [3, 4].

 

1 - воздухозаборный канал; 2 - воздуховод; 3 - подпольное навозохранилище;

4- навозная масса; 5 - щелевой  пол животноводческого помещения; 6 - внутреннее пространство животноводческого помещения; 7 - вытяжные устройства

 

Рисунок 5 – Технологическая схема температурно-компенсационной системы обеспечения микроклимата с подпольным навозохранилищем

 

Получение тепловой энергии возможно также при активном компостировании (микробном окислении). Использование твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов (смеси трав, листьев, опилок, соломы и др.), при наличии кислорода разлагающихся с выделением теплоты, может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Этот метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру воздуха, пропускаемого через массу, до 80-90°С. Один куб компостной смеси выдает от 300 до 600 Вт теплоты (рис. 6).

Описанные методы активного  компостирования рекомендуется использовать для обогрева теплиц, дачных домиков и подогрева воды. Возможность применения компоста для нормализации микроклимата в производственных помещениях в литературных источниках практически не рассматривается [10].

1 – холодная  вода, 2 – теплая вода, 3 – газовая труба, 4 – стальной резервуар,

5 – куча  компоста, 6 – аккумулятор, 7 – сборная  камера

 

Рисунок 6 – Схема автономного теплоэнергообеспечения

 

Для нормализации микроклимата разработаны утилизаторы теплоты, позволяющие экономить энергию [1].

Теплоутилизаторы классифицируются по назначению, по принципу действия и по исполнению.

По назначению теплоутилизаторы можно  объединить в следующие группы: для обогрева теплиц, жилищно-бытовых построек, производственных помещений и помещений для содержания животных (рис. 7).

 

 

Рисунок 7 – Классификация теплоутилизаторов по назначению

 

По принципу действия: утилизаторы, работающие без промежуточного теплоносителя (системы «воздух-воздух»), с теплоносителем и температурно-компенсаторные (рис. 8).

По исполнению утилизаторы без  теплоносителя выпускаются пластичные и роторные, утилизаторы с теплоносителем – пластичные. Пластинчатый теплоутилизатор представляет собой пакет алюминиевых пластин, создающих систему каналов для прохождения двух перекрестных несмешиваемых потоков воздуха [6, 7].

 

 

Рисунок 8 – Классификация теплоутилизаторов по принципу действия

 

Теплоутилизаторы, предназначенные, для обогрева производственных помещений, представляют собой систему воздуховодов, вентиляторов, кондиционеров, устройств автоматики, что требует затрат времени и средств на приобретение и монтаж оборудования, а так же затраты электроэнергии в процессе эксплуатации.

В теплоутилизаторах температурно-компенсаторных в качестве компенсатора могут использоваться подпольное навозохранилище, полигон твердых бытовых отходов (ТБО), компостные кучи (бурты), полузаглубленные или заглубленные хранилища растительного сырья.

Таким образом, в настоящее  время разработаны различные энергосберегающие методы и оборудование, для обеспечения оптимального микроклимата на животноводческих фермах и комплексах. Часть этого оборудования требует совершенствования и проверки эффективности использования в практических условиях, часть - отличается металлоемкостью и сложностью обслуживания. Из всех перечисленных методов заслуживает внимания использование теплоты, образующейся при разложении растительного сырья. В связи с этим необходимо углубленное рассмотрение процессов, протекающих при хранении растительных материалов, и возможности теплоутизизации.

 

5. Основные  конструктивные характеристики

 

Предлагаемый теплоутилизатор представляет собой систему трубопроводов, заглубленных в растительное сырье, которое может находиться в бурте или в контейнере, помещенном в облицованный приямок (рис. 9).

1 – контейнер для  растительного сырья, 2 – отверстия  перфорации,

3 – облицованный приямок,  4 – лоток, 5 – сокосборник,

6 – вертикальный стояк, 7 – приточный воздухоотвод, 8 –  насос, 

9 – перфорированные  трубы, 10 – вытяжной воздухоотвод,

11 – фильтр, 12 - вентиль

 

Рисунок 9 – Приточно-вытяжной теплоутилизатор

 

Конструктивно приточно-вытяжной теплоутилизатор состоит из контейнера 1, выполненного из металлических листов с отверстиями 2 и помещенного в облицованный приямок 3 с лотком 4, сокосборником 5 и вертикальным стояком 6, системы нагнетания, выполненной из цельной трубы 7 со встроенным насосом 8 и перфорированных труб 9 для подачи воздуха к растительному сырью повышенной влажности, системы воздухоотведения, состоящей из трубы 10 со встроенным фильтром 11 и вентилем 12 для удаления нагретого воздуха.

Контейнер для растительного  сырья (рис 10) состоит из каркаса в форме куба 1, выполненного из металлического уголка; боковых металлических с перфорацией стенок 2; днища 3, состоящего из двух створок, каждая из которых выполнена из цельных листов металла с перфорацией для облегчения массы конструкции и, в частности, стекания силосного сока; замка 4, выполненного по принципу рояльной петли; замыкающего стержня 5, петель 6, соединяющих боковые стенки и створки днища, и проушин 7 для захвата грузоподъемным механизмом [8].

а                                                       б

а – схема контейнера для растительных материалов;

б - лабораторный образец  контейнера;

1 - металлический уголок, 2 – стенки из перфорированного  листа, 

3 – створки днища, 4 – замок, 5 – замыкающей стержень,

6 – петли, 7 - проушины  для захвата

 

Рисунок 10 – Контейнер для растительного сырья

 

Теплоутилизатор работает следующим образом. Контейнер заполняют  растительным материалом повышенной влажности (силосом, сенажом, опилками, отходами кормов и пр.), который помещают в облицованный приямок или закладывают органику в бурт. Растительное сырье при хранении самосогревается под действием микробиологических процессов. Через определенное время с помощью встроенного насоса системы нагнетания подают воздух  через перфорированные трубы в нижнюю часть контейнера, при этом теплый воздух выдавливается из растительного сырья и удаляется через отверстия в стенках контейнера с помощью открытого вентиля по системе воздухоотведения со встроенным фильтром. По наклонному лотку жидкая фракция (сок), поступающая из контейнера через отверстия, стекает в сокосборник, откуда через вертикальный стояк периодически откачивается. После удаления теплого воздуха из растительного сырья вентиль системы воздухоотведения закрывают. По мере необходимости процесс повторяется. Таким образом, происходит утилизация теплоты, образующейся в процессе хранения растительного сырья повышенной влажности [11].

Технология  получения теплоты, образующейся при  гниении органики, с использованием приточно-вытяжного теплоутилизатора реализуется следующим образом. В производственных условиях в непосредственной близости от животноводческих помещений и траншей с силосом устраивается биотермальный облицованный приямок или площадка для компостного бурта.

Сбор кормовых остатков и некачественного силоса с территории ферм и комплексов осуществляется с помощью средств механизации. Если используется вариант закладки растительного сырья в облицованный приямок, рекомендуется применять контейнер, выполненный из перфорированного материала с раскрывающимся днищем. В контейнер, заполненный растительным материалом, или в бурт внедряются вертикальные трубы аэрации приточной системы теплоутилизатора, и вся конструкция накрывается листом поликарбоната (или полиэтиленовой пленки) во избежание потерь теплоты. Приточная ветвь теплоутилизатора выводится из-под пленки для забора наружного воздуха с помощью насоса (вентилятора) и подачи его к трубам аэрации и далее к растительному материалу.

Вытяжная  ветвь теплоутилизатора подводится к обогреваемому помещению.

Теплота, выделяемая при термогенезе растительного сырья в процессе его хранения, утилизируется с помощью приточно-вытяжного теплоутилизатора и направляется для повышения температуры воздуха в производственных и вспомогательных помещениях животноводческих ферм и комплексов.

Для монтажа теплоутилизатора с использованием заглубленного хранилища (приямка) требуется произвести работы по облицовке приямка (бетонирование или кирпичная кладка), а также сварочные работы по изготовлению контейнера для растительного сырья.

Наличие насоса в приточной ветви воздуховода утилизатора позволяет регулярно проводить аэрацию органики и ускорять процесс гниения, а значит интенсифицировать процесс выделения теплоты.

Наличие противогазового  фильтра в вытяжной ветви позволит задерживать вредные примеси перед подачей теплого воздуха в помещение.

 

6. Степень внедрения

 

В результате проведенных  исследований выявлено влияние дискомфортного микроклимата на организм человека.

Выполнен анализ заболеваемости в целом по России и по АПК.

На основании проведенного анкетирования определены факторы дискомфортного микроклимата, оказывающие влияние на развитие производственно-обусловленных и профессиональных заболеваний.

Изучены энергосберегающие  технологии нормализации микроклимата.