Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующее положение в сфере научного обоснования и технической реализации методов, средств и систем автоматизации контроля и управлений тепловыми условиями окружающей среды при локальном обогреве теплокровного организма 18
1.1. Субъективная и объективная оценка уровня теплового комфорта человека 19
1.2. Методы оценки внешнего теплового воздействия и управления тепловым влиянием среды на сельскохозяйственных животных и птиц 35
1.3. Методы оценки энергетических и технико-экономических преимуществ электротехнологий локального и общего обогрева в животноводстве и в птицеводстве 47
Глава 2. Методология рациональной автоматизации контроля тепловых условий среды обитания и управления режимом локального обогрева животных и птицы 62
2.1. Математическое моделирование теплообмена животного или птицы с окружающей средой при внешнем тепловом воздействии на организм 62
2.2. Физическое моделирование теплообмена животного или птицы как метод создания технических средств автоматизированного контроля и управления локальным обогревом 92
2.3. Возможности применения принятого методологического подхода к автоматизированному контролю и управлению тепловыми условиями среды об итания 117
Глава 3. Разработка и анализ способов и устройств автоматизации контроля уровня теплового комфорта и управления режимом локального электрообогрева 119
3.1. Технические решения автоматизации контроля и управления режимом обогрева в зоне размещения сельскохозяйственных животных 119
3.1.1. Многоканальный контроль стандартных тепловых факторов окружающей среды и управление по аддитивной математической модели 119
3.1.2. Контроль температуры физической модели животного и тепловых факторов среды и управление обогревом по выбранному параметру 128
3.1.3. Управление внешним обогревом с контролем наличия животного в зоне обогрева 174
3.2. Перспективы разработок по автоматизированному контролю и управлению локальным электрообогревом 177
Глава 4. Обоснование автоматизированной системы централизованного управления режимом локального электрообогрева с распределенным по помещению контролем 181
4.1. Сравнительные показатели надежности децентрализованной и централизованной систем автоматизации локального обогрева 181
4.2. Расчет пределов применимости централизованной системы обогрева брудерами по методу предельных отклонений параметра 184
4.3. Информационный сравнительный анализ систем автоматизации распределенного контроля и централизованного управления режимами локального электрообогрева 191
4.4. Приоритетные системы автоматизированного контроля и управления локальным электрообогревом для промышленного птицеводства 201
Глава 5. Энергетика и экономика взаимосвязанной электротехнологии централизованного локального и общего обогрева и обоснование экономичных и энергосберегающих технических решений 211
5.1. Методика расчета энергопотребления автоматизированными системами локального электрообогрева и общего обогрева в помещении 211
5.2. Методика технико-экономической оценки автоматизированной системы контроля и управления локальным электрообогревом во взаимосвязи с автоматизированной системой общего обогрева 222
5.3. Автоматизированная система взаимосвязанного контроля и управления локальным и общим обогревом по экономическому критерию 233
5.4. Технические решения энергосберегающего автоматизированного контроля и управления общим обогревом птицеводческих помещений 247
Глава 6. Экспериментальное исследование автоматизированной электротехнологии централизованного локального и общего обогрева и ее технико-экономическая оценка 256
6.1. Лабораторные и хозяйственные испытания экспериментальных образцов системы с применением имитационной модели животного 256
6.2. Производственная проверка экспериментальных образцов централизованной системы контроля и управления брудерами 259
6.3. Разработка аппаратуры для автоматизированного контроля и управления обогревом по величине ощущаемой цыплятами температуры помещения..267
6.4. Формирование пространственно-энергетических характеристик локальных электрообогревателей молодняка животных и птицы 270
6.5. Государственные испытания фрагмента автоматизированной системы контроля и управления локальным электрообогревом на основе вычислительного устройства управления температурой (ВИЭТ) 272
6.6. Расчет технико-экономической эффективности разработанной автоматизированной электротехнологии централизованного локального и общего обогрева в птицеводстве 274
Общие выводы 275
Литература 280
Приложения .333
- Методы оценки внешнего теплового воздействия и управления тепловым влиянием среды на сельскохозяйственных животных и птиц
- Физическое моделирование теплообмена животного или птицы как метод создания технических средств автоматизированного контроля и управления локальным обогревом
- Многоканальный контроль стандартных тепловых факторов окружающей среды и управление по аддитивной математической модели
- Расчет пределов применимости централизованной системы обогрева брудерами по методу предельных отклонений параметра
Введение к работе
Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и на дальнейшую перспективу, одобренные на совместном заседании Совета безопасности, президиума Госсовета и Совета по науке и высоким технологиям при Президенте РФ, дают перечень критических технологий России /286/. Этот перечень включает в себя безопасность и контроль качества сельскохозяйственного сырья, производство и переработку сельскохозяйственного сырья, энергосбережение. Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации указаны информационно-коммуникационные и энергосберегающие технологии. Энергосбережение в сельском хозяйстве является актуальной проблемой, которая рассматривается в настоящее время в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Энергоэффективная экономика» /403/. Правительством Российской Федерации поставлена задача существенного снижения расхода теплоэнергоносителей в этом секторе народного хозяйства.
Насущной потребностью сельскохозяйственного производства является создание молодняку животных и птицы комфортных тепловых условий содержания, что обеспечивает наивысшую продуктивность и сохранность поголовья. Повышение производительности труда обслуживающего персонала также связано с тепловым комфортом. В целях энергоэкономного и технологичного решения этой задачи широко используется оборудование для локального электрообогрева с автоматическими системами управления тепловыми режимами. При этом распространенные автоматические системы управления обогревом в основном используют в качестве измеряемого параметра только температуру воздушной среды, которая является только одним из четырех общепризнанных основных факторов теплового воздействия окружающей среды на теплообмен живого организма. Остальные три - движение воздуха, его относительная влажность, радиационные тепловые пото-
ки между организмом и нагретыми или охлажденными предметами - при-управлении локальным обогревом обыкновенно игнорируются, несмотря на заметные результаты их воздействия на организм в условиях производственного помещения с нормируемым микроклиматом. Этот факт приводит, по экспертным оценкам, не менее чем к 5... 10-процентной потере продуктивности поголовья за счет неверного выбора теплового режима локального электрообогрева. Упрощенный подход к автоматизации управления локальным электрообогревом влечет за собой неоправданный перерасход энергии как в системе локального обогрева, так и в системе общего обогрева производственного помещения. В связи со значительными алгоритмическими и аппаратными сложностями репрерывной оценки воздействия даже основных параметром микроклимата на тепловое состояние организмов в настоящее время имеет место упрощение решения задачи управления локальным обогревом и микроклиматом в целом: производится нормирование температурно-влажностного режима воздушной среды помещения, отраженное в отраслевых нормах и стандартах. В нормировании заключена существующая тенденция отказа от применения средств объективного контроля и автоматизированных систем рационального непрерывного управления тепловым режимом в зонах обогрева, и эта тенденция обоснована отсутствием в настоящее время эффективных и технологичных средств объективного контроля и управления теплоощущениями сельскохозяйственных животных и птицы. Существующее положение дел в области научного обоснования автоматизации контроля и управления условиями теплового комфорта характеризуется значительным разнообразием методов, способов и устройств, в основе которых лежат измерения как температурных и энергетических характерне-тик объектов контроля (людей, животных и птицы), так и измерения тепловых параметров окружающей среды. Широко известны разнообразные те-плофизические модели человека (стоящего и сидящего), свиньи, цыпленка и т.п. с дополнительными каналами измерения температур и тепловых потоков
модели. Они позволяют ориентировочно - с погрешностью геометрического, копирования формы и габаритов живого объекта и с неустранимой ошибкой, возникающей при замене живой ткани на ее неживые искусственные заменители - имитировать теплообмен моделируемого организма. Практически все, за редким исключением, подобные работы нацелены на создание и проверку в экспериментальных условиях технологического оборудования для систем локального, общего обогрева и микроклимата, а также для экспериментального изучения запредельных для живого организма температурно-влажностных режимов. Поэтому перечисленные разработки мало применимы для экспресс-контроля тепловых условий локального обогрева и в целом микроклимата в помещениях сельскохозяйственного назначения, а также для управления тепловыми факторами среды обитания поголовья.
Существуют приборы с вычислением комплексного показателя теплового комфорта человека. Аддитивная математическая модель вычисления эффективной температуры помещения обычно строится с частичным или с полным учетом субъективной оценки испытуемыми людьми-экспертами комплексных воздействий тепловых факторов среды, и потому применение подобного измерительного и, соответственно, регулирующего оборудования для контроля и управления локальным обогревам сельскохозяйственных животных представляется принципиально невозможным. Таким образом, к настоящему времени ярко вырисовывается серьезная проблема отсутствия эффективных методов и технических средств рациональной автоматизации систем контроля и управления локальным электрообогревом, которая обостряется резким удорожанием электрической и тепловой энергии, нехваткой кормов и их высокой стоимостью, вызывая сильный дефицит животного и птичьего мяса отечественного производства на потребительском рынке. Однако, с помощью известных и применяемых в сельскохозяйственном производстве методов и технических средств локального обогрева эту проблему решить невозможно, поскольку в настоящее время не изучены в достаточной
степени необходимые характеристики теплообмена используемых в сельско-. хозяйственном производстве животных и птицы различных видов, пород, кроссов и возрастов во взаимосвязи с тепловыми параметрами окружающей среды. Отсутствует понятный производственникам и удобный для практического использования в системе автоматизации обогрева показатель уровня теплового комфорта животного и птицы. Не разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для рационального контроля и управления режимом электрообогрева посредством автоматизированной системы. Отсутствуют методы построения и методики исследования специализированных измерительных преобразователей, технических решений централизации управления по приоритету локального обогревателя и автоматизированной системы контроля и управления локальным электрообогревом в целом. Для нее не разработан методический анализ оптимального по экономическому критерию взаимодействия с обогревательной системой помещения и отсутствуют технические решения системной автоматизации технологий общего и локального обогрева.
Следовательно, работа по проблеме интенсивной, экономичной и энергосберегающей автоматизации контроля и управления локальным электрообогревом в сельскохозяйственном производстве является актуальной. Исследования выполнены в соответствии с Государственной программой ГКНТ на 1981...1985 г.г. и 1986...1990 г.г. по решению научно-технической проблемы 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства», Отраслевой научно-технической программой 0.СХ.71 на 1986...1990 г.г. «Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения», Общесоюзной целевой программой О.Ц.047 «Автоматизация в отраслях народного хозяйства на базе микропроцессорных средств техники машин и оборудования», с планами НИР ВИЭСХ на 1982... 2003 г.г., выпол-
няемых по государственному заказу в виде договоров с Россельхозакадемией * (ВАСХНИЛ) и Министерством сельского хозяйства Российской Федерации (МСХ СССР, Госагропром СССР), в том числе по теме ВИЭСХ №1-3 «Разработать и внедрить электрифицированные машинные технологии механизированного производства яиц и мяса птицы». Выполненные исследования стали основанием предложений ВИЭСХ о включении в Федеральную целевую программу «Энергоэффективная экономика» в ее раздел «Энергоэффективность сельского хозяйства» позиции 13.2 «Разработка системы автоматизации для экологически чистой технологии обогрева животноводческих помещений на базе оборудования нового поколения с управлением по ощущаемой животными и птицей температуре на 2002...2004 г.г.».
Зависимости явных тепловыделений организма от тепловых факторов окружающей среды климатической камеры без лучистых тепловых потоков для человека и ряда сельскохозяйственных животных достаточно хорошо изучены. При этом зафиксированы значения основного и производного параметров теплообмена и теплового комфорта - температуры тела и температуры поверхности теплозащитных покровов организма. Также известны данные о продуктивности отдельных видов сельскохозяйственного поголовья в условиях содержания в зоотроне с конвективным обогревом помещения по величине температуры воздушной среды. Сопоставляя указанные сведения, можно совершенно определенно утверждать, что по результатам измерения температуры поверхности организма животного или его адекватной теплофи-зической модели и при одновременном контроле некоторых других факторов микроклимата вполне возможно с высокой достоверностью оценить уровень теплового комфорта животного в любой тепловой обстановке в зоне обогрева. Численным значением теплового комфорта принята величина ощущаемой температуры помещения в градусах Цельсия как наиболее удобная для ее формирования, использования и понимания персоналам сельскохозяйственного предприятия.
Разработка специализированного датчика ощущаемой цыпленком тем-. пературы помещения проведена с привлечением методов геометрического и теплового подобия и информации о теплофизических характеристиках имитируемых организмов, что привело к созданию новой методики конструирования и стендовых лабораторных испытаний имитационной модели животного. Создана оригинальная методика настройки и юстировки в автоматизированном режиме электронно-вычислительной части сложного тепло-электро-электронно-физического датчика ощущаемой температуры, в результате использования которой на выходах специализированного стенда формируются весовые коэффициенты математической модели автоматизированного управления внутренним нагревом имитационной модели животного конкретного вида и возраста.
Объемная термочувствительная часть датчика теплоощущений учитывает все основные виды теплового, воздействия на животное и потому может быть использована для измерения неплоско-параллельного лучистого теплового потока, воспринимаемого также объемным телом животного. Датчик ощущаемой температуры легко может быть трансформирован в неизвестный до сего времени в сельскохозяйственном производстве датчик инфракрасного излучения в неплоскостной системе координат. Это значительно повышает точность измерения диаграмм излучения локальных электрообогревателей с несколькими излучателями теплоты. Создана эффективная методика разработки подобных автоматизированных средств контроля и управления уровнем инфракрасного излучения в объемной системе координат, наиболее соответствующей потребностям животного в дополнительном обогреве. Разработка методологической и методических основ проектирования технических средств автоматизации контроля и управления локальным электрообогревом позволила осуществить научно-техническую разработку собственно способов и устройств автоматизированного контроля и управления технологиче-
ским процессом, выполненную на уровне изобретений 37 технических реше- ' ний.
Возникающие варианты исполнения нового автоматизированного оборудования предполагают их сравнение по технологичности применения, по точности работы, по энергопотреблению, по экономическим показателям. Для этого используются известные и новые аналитические и численные методы с применением теории вероятностей, теории информации, теории надежности, методы расчета по приведенным затратам и экспертных оценок сложности и стоимости автоматизированных систем контроля и управления s условиях непрерывно изменяющегося ценообразования. Разработана методика технико-экономической оценки эффективности новой системы локального электрообогрева, учитывающая зависимость продуктивности цыплят от температуры воздуха в климатической камере и точность контроля и управления по величине ощущаемой температуры в реальной зоне обогрева. Повышение надежности и точности технологии локального обогрева при разработанной системе автоматизированного контроля и управления позволяет снизить требования к автоматической системе общего обогрева помещения в части, касающейся величины и точности поддержания температурного фона помещения. Снижение температуры воздуха в животноводческом помещении прямо ведет к снижению энергопотребления, однако при этом растут затраты на электроэнергию в системе локального электрообогрева и снижается продуктивность поголовья. Поэтому разработаны методики расчета энергопотребления отопительной системой птичника с локальным электрообогревом и технико-экономической эффективности связанного автоматизированного контроля и управления в системах локального и общего обогрева по критерию минимума суммарных затрат и с автоматизированной оптимизацией температурного фона.
В результате проведенных исследований соответствующие исходные требования и технические задания приняты головными организациями про-
мышленности. По договорам о научно-исследовательских работах созданы -образцы автоматизированной системы контроля и управления локальным электрообогревом, которые по результатам государственных испытаний показали снижение отхода цыплят-бройлеров более 0,1%, увеличение продуктивности бройлеров более 3,0%, снижение затрат кормов более 4,0%, снижение энергопотребления в системе локального обогрева более 3,0%, уменьшение расчетного годового энергопотребления помещения птичника с локальным обогревом цыплят в зависимости от климатической зоны страны до 30% и более. При этом за счет повышения точности и надежности технологии локального обогрева появляется возможность экономически оправданного снижения температурного фона помещения, что в совокупности с централизованным управлением оборудованием существенно облегчает условия труда и производительность труда обслуживающего персонала. Таким образом, обоснованы научно-технические решения автоматизированной электротехнологии централизованного локального и общего обогрева в птицеводстве, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области сельскохозяйственного производства. Комплект оборудования для локального обогрева молодняка сельскохозяйственной птицы с централизованным контролем и управлением включен в Систему машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986... 1995 г.г., ч.2, позиция Ж. 12.1.42. Утвержденные Госагропро-мом СССР в 1986 г. заявка на серийное производство и исходные требования на разработку комплекта оборудования переданы в Минэлектротехпром СССР и приняты к разработке Всесоюзным НИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО, г. Москва) в 1987 г., а также использованы в работе по созданию и освоению серийного производства автоматизированного электрооборудования для локального обогрева цыплят Производственным объединением «Кинескоп» (ПО «Кинескоп», г. Львов) в 1989..Л991 г.г. Утверждены МСХ СССР в 1984 г. зоотехнические требования на систему автома-
тизации Саратовской птицефабрики на 15 млн. бройлеров с применением ' микропроцессорных средств, раздел 5 «Подсистема автоматизированного местного обогрева молодняка птицы» в рамках Общесоюзной программы 0.Ц.047. Материалы данного раздела включены в техническое задание на систему автоматизации птицефабрики в 1986 г. Утвержденные Госагропро-мом СССР в 1989 г. заявка на серийное производство и исходные требования на разработку электрообогреваемых панелей с централизованным контролем и управлением локального обогрева молодняка птицы переданы во ВНИИЭТО и использованы для разработки конструкторской документации. Действующие образцы устройств централизованного автоматизированного контроля и управления локальным электрообогревом цыплят и образцы фрагментов комплекта автоматизированного оборудования для локального электрообогрева бройлеров с применением образца датчика тепловых условий были испытаны и внедрены в производство на Рязанской птицефабрике в 1984...1989 г.г. По результатам НИР ВИЭСХ №175 «Научно-техническое обоснование расчетов и проектирования автоматизированного электрооборудования для локального обогрева цыплят», проведенной ВИЭСХ совместно с ПО «Кинескоп» в 1989...1991 г.г., разработана конструкторская документация и изготовлены опытные образцы четырехизлучательного инфракрасного электрообогревателя для замены в комплекте действующего оборудования брудера БП-1А и прибора «Вычислительное устройство управления температурой» (ВИЭТ), который успешно прошел государственные испытания Подольской машиноиспытательной станцией (Подольская МИС) на базе Акционерного общества «Бройлер» (АО «Бройлер», Рязанская обл.) в 1998 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах /119... 144, 324,325,360...366/.
Полученные результаты исследований и разработок доложены, обсуждены и одобрены на международных, всесоюзных, всероссийских, республиканских и других совещаниях:
на Всесоюзных научно-технических конференциях: «Электротехно--логии в решении Продовольственной программы СССР», г. Челябинск, 1984 г.; «Моделирование. Теория. Средства. Применение», г. Киев, 1985-г.; «Применение микроэлектроники и робототехники в сельском хозяйстве», г. Рига, 1985 г.; «Состояние и перспективы развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения», г. Москва, 1986 г.; «Электрификация, автоматизация и теплоснабжение сельскохозяйственного производства», г. Смоленск, 1985 г.;
на научно-технических конференциях молодых ученых: Закавказских республик по механизации и электрификации сельского хозяйства, г. Тбилиси, 1983 г.; ЦНИПТИМЭЖ, г. Запорожье, 1984 г.; Всесоюзной по птицеводству, г. Загорск, 1985 г.; ВИЭСХ, г. Москва, 1986 г.;
на техническом совещании по вопросу централизованного управления брудерами, г. Пятигорск, 1984 г.;
на совещании секции птицеводства ВАСХНИЛ, г. Москва, 1986 г.;
- на Международных и других научно-методических, научно-
технических и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах:
Советского национального комитета международной ассоциации по матема
тическому и машинному моделированию «Проблемы моделирования и авто
матизации процессов в агропромышленном комплексе», г. Рязань, 1989 г.;
научно-методической подкомиссии по технологии производства и качеству
продукции птицеводства рабочей комиссии по птицеводству ВАСХНИЛ, г.
Загорск, 1990г.; «Сельскохозяйственная теплоэнергетика», г. Севастополь,
1992 г.; «Научно-технические проблемы механизация и автоматизации жи
вотноводства» г. Подольск, 1998 г.; энергетического факультета МГАУ им.
В.П.Горячкина, г. Москва, 1999 г.; «Новые технологии и технические средст
ва - основа восстановления отечественного животноводства», г. Подольск,
1999 г, «Энергосбережение в сельском хозяйстве», г. Москва, 1998 г., 2000 г.;
«Сельскому хозяйству - научно-техническое обеспечение XXI века» («Тех-
ника - 21»), г. Москва, 2000 г.; «Концепции механизации и автоматизации животноводства в XXI веке», г. Подольск, 2002 г.; «Проблемы разработки автоматизированных технологий и систем автоматического управления сельскохозяйственного производства», г. Углич, 2002 г.; «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции», г. Москва, 2002 г.; «Перспективные технологии и технические средства для животноводства: проблемы эффективности и ресурсосбережения», г. Подольск, 2003 г.; «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», г. Москва, 2003 г.
Образцы разработанного автоматизированного электрооборудования неоднократно демонстрировались и экспонировались, при этом автор отмечен второй премией Всесоюзного конкурса Научно-технического общества сельского хозяйства (НТО СХ), г. Москва, 1984 г.; серебряной медалью ВДНХ СССР, г. Москва, 1984 г,; грамотой Всемирной выставки достижений молодых изобретателей, Болгария, г. Пловдив, 1985 г.; благодарностью Гос-агропрома СССР в 1987 г. за экспонат «Устройство для приоритетного управления локальным электрообогревом в птицеводстве» на Международной выставке НТТМ «Зенит- 86», Чехословакия, г. Прага, 1986 г.
На защиту выносятся следующие основные научные положения.
Принципы построения автоматизированной электротехнологии централизованного локального и общего обогрева в птицеводстве. Основаны на контроле ощущаемой птицей температуры в зоне обогрева, на централизации управления локальным электрообогревом и на управлении объектом исследования по экономическому критерию. Реализуются связанным автоматизированным управлением режимами локального и общего обогрева с целью получения наибольшей технико-экономической эффективности.
Основным практически применимым критерием оценки уровня теплового комфорта птицы при локальном электрообогреве является величина
ощущаемой птицей температуры помещения в градусах Цельсия. Применен ние предлагаемого температурного критерия не требует перенастройки выпускаемого и эксплуатирующегося автоматического регулирующего обогревательного электрооборудования. Этот температурный показатель понятен обслуживающему персоналу. Величина ощущаемой птицей температуры методически определяется по расчетам на основе данных измерений тепловых параметров среды обитания и самого биообъекта» или его теплофизической модели.
Метод математического моделирования теплообмена, основанный на использовании имитационной теплофизической модели цыпленка. Модель является физическим аналогом теплообмена теплокровного организма и содержит внутренний нагреватель для имитации тепловыделений биообъекта и датчик температуры своей поверхности с геометрическими и теплотехническими характеристиками, которые подобны соответствующим характеристикам имитируемой поверхности цыпленка. Термочувствительная часть имитационной модели имеет температуру своей поверхности равную по величине усредненному интегральному значению температуры поверхности кожного, шерстного, волосяного или пухо-перьевого покрова у биообъекта.
Метод приоритетного управления локальным электрообогревом, устанавливающий соответствие вида пространственно-временного распределения температуры в птичнике и места расположения в нем контролируемого локального электрообогревателя, величины и знака корректирующего задающего сигнала единственного на птицезал регулятора локального обогрева. Существенное повышение точности управления температурным режимом в зоне обогрева, оснащенной датчиком ощущаемой температуры, предопределяет централизацию управления электротехнологией локального обогрева.
5. Снижение установленной мощности локальных электрообогревате
лей без снижения нормативного температурного фона птичника не дает сум
марного энергетического эффекта по птичнику в продолжительный отопи-
тельный период года, характерный для России. Дополнительный энергетиче* ский эффект без сопутствующих ему вынужденных по действующим обогревательным технологиям потерь продуктивности птицы возможен только при реализации автоматизированной электротехнологии централизованного локального и общего обогрева в птицеводстве.
6. Управление тепловым режимом по величине ощущаемой птицей
температуры путем задания нормативных значений температуры в зоне ло
кального обогрева. Это обеспечивает цыпленку условия теплового комфорта
независимо от температуры производственного помещения, что соответству
ет режиму поддержания максимальной продуктивности поголовья системой
локального электрообогрева. Управление общим обогревом птичника произ
водится по заданной величине экономически оптимальной температуры
внутреннего воздуха.
7. Автоматизированная электротехнология централизованного
локального и общего обогрева в птицеводстве обладает технико-
экономическими преимуществами по сравнению с управляемыми раздельно
традиционными обогревательными технологиями. Эти преимущества
возрастают при рассмотрении птичника с неизменными характеристиками
теплозащиты его помещения и с локальным электрообогревом,
размещенного в более холодной климатической зоне страны.
Методы оценки внешнего теплового воздействия и управления тепловым влиянием среды на сельскохозяйственных животных и птиц
Математическая модель любого процесса, в т.ч. теплообмена живого организма со средой, строится двумя способами. Когда ясен механизм процесса, достаточно по опытным данным количественно уточнить причинно-следственные отношения модели. Второй способ основан на определении причинно-следственных отношений по опытным данным, что требует тщательного планирования эксперимента /242/. Механизм активной терморегуляции теплокровных живых организмов хорошо известен. Система терморегуляции животного независимо от внешних условий или требуемой интенсивности теплообмена поддерживает внутреннюю температуру на постоянном уровне за счет активного изменения величин теплообразования в организме и потерь в окружающую среду. В условиях теплового равновесия тело животного рассеивает теплоту с интенсивностью, равной интенсивности внутреннего теплообразования. При нарушении этого равновесия будет меняться температура тела, что при ее снижении вызывает понижение активности ферментов, а при повышении выше +41 С ведет к необратимому поражению нервных клеток/381/.
У цыплят уменьшение теплоотдачи достигается пиломоторным эффектом за счет изменения положения пуха и перьев, а увеличение - эффектом полипноэ, позволяющим усиливать испарения из органов дыхания. У птиц потоотделение через кожу отсутствует. Имеется опыт описания процессов теплопереноса в кожном и в волосяном покровах животных с помощью системы уравнений, позволяющих исследовать их динамические характеристики. /69/. При моделировании системы терморегуляции и теплообмена животных и птицы можно пренебречь быстрыми процессами, т.е. не рассматривать ее в динамике, поскольку одной из наиболее ярких характеристик этой системы и связанных с ней процессов является инерционность /242/. Исключить из рассмотрения все составляющие теплоотдачи, кроме явной, возможно, но только на первый взгляд и далеко не для всех видов животных и не во всех тепловых режимах. Долевая роль путей теплоотдачи /230/ доказывает, что только при высоких температурах воздуха, выше +30С, явная и испарительная теплоотдача сопоставимы по величине. В зоне технологических температур животноводческих и птицеводческих помещений, т.е. в диапазоне +8...20С испарительная составляющая в 7...3 раза менее явной теплоотдачи и может считаться второстепенной при конструировании новой техники для контроля и управления теплообменом сельскохозяйственного поголовья.
В целом вопросы о направленности изменений газо-энергетического обмена в организме сельскохозяйственных птиц под влиянием температуры; влажности и скорости движения воздуха изучены /80, 206/. Имеются известные добротные работы /337, 343/ по изучению теплопродукции цыплят и кур в зависимости от указанных факторов. Важным является сообщение /485/ о линейности зависимости теплопродукции хорошо акклиматизированных кур в зависимости от эффективной температуры помещения в диапазоне от -15С до +20С. Упрощенная схема терморегуляции животных и ее анализ приведены в /428/. В сельскохозяйственную науку прочно вошло понятие «температура помещения», включающее в себя оценку целого ряда факторов, влияющих на прирост массы поголовья, в том числе на степень теплового комфорта животных и птицы. Эти факторы - составляющие теплообмена живого объекта со средой путем конвекции, радиации и кондукции. Критерием теплового комфорта животных принято равенство тепловыделений организма некоторой величине в условиях физической деятельности с заданной интенсивностью. Ощущаемой температурой помещения является величина температуры воздуха в климатической камере без источников или поглотителей радиационной теплоты, при которой явные тепловыделения организма в состоянии покоя равны тем, которые имеются у него при нахождении в данном помещении /326/. Одновременно существует мнение о нецелесообразности применения в естественнонаучных исследованиях как этого термина, так и самого понятия ощущения животным температуры окружающей среды /47, 260/, вероятно, потому что животное не может, подобно человеку, с помощью слов или жестов прямо выразить свои теплоощущения вблизи и в самой зоне теплового комфорта. В последнее время ведутся интенсивные работы по математическому моделированию теплообмена животного с окружающей средой /245/. В /318/ показано, что температура помещения, ощущаемая животным, зависит от коэффициентов лучистого и конвективного теплообмена живого объекта. В работах /191, 400/ приведены упрощенные методики расчета температурного баланса при инфракрасном электрообогреве с заданной ощущаемой температурой помещения, причем коэффициент восприятия теплового излучения пухо-перьевым, шерстным, волосяным или кожным покровом животного определяется только в одной точке лз спектра его вариантов, хотя оптические, теплофизические свойства покровов животных и птицы достаточно изучены /67, 178, 337, 343/.
Для теплокровных животных также справедливо мнение о постоянстве температуры тела независимо от изменений температуры окружающей среды в широких пределах, если удельная теплопродукция и теплопотеря равны /230/. Это подтверждается данными /91, 154, 296/ о теплопродукции и о температуре кожи телят при различных температурах и скоростях движения воздуха. Хорошая биофизическая теплозащита организма животного и птицы обеспечивает линейность зависимостей температуры шерстных покровов коровы и свиньи от температуры воздуха /485/. Линейные зависимости тепловыделений от температуры и скорости движения воздуха установлены дли телят, овец, свиней и цыплят /430, 486, 480, 336/. Вопросы математического моделирования, в частности, расчет мощности инфракрасного излучения рассмотрены в /328/. Первое условие комфортности соответствует состоянию термического равновесия организма, т.е. выделению им в окружающую среду определенного количества явной теплоты без перенапряжения аппарата терморегуляции. Второе условие теплового комфорта, т.е. зависимость между величиной ощущаемой температуры и неравномерностью теплоотдачи с различных участков поверхности животного, в настоящее время не уточнено. Методы теплового баланса для выбора эффективных средств нормализации микроклимата проверялись экспериментально /244, 305/, а их математическая интерпретация заменялась методами электротепловой аналогии /411/, элек-троаналогий и электромоделирования /225/.
Физическое моделирование теплообмена животного или птицы как метод создания технических средств автоматизированного контроля и управления локальным обогревом
Значительный экспериментальный материал по биоэнергетическим исследованиям цыплят /337, 343/ позволяет осуществить физическое моделирование цыпленка как теплофизического объекта /58, 74, 107, 303, 352, 391, 478/. Известны tr, тп, а,, Rog, геометрические размеры 1 и Fi, єпр, апов, Q„B и другие параметры. Физическая модель резко облегчает создание рациональной системы обогрева цыплят, обеспечивает комфортнее тепловые условия для поголовья при рациональном потреблении системой энергии на обогрев, т.к. учитывает потребность птицы в теплоте в любой микроклиматической обстановке в птицезале. Физическая модель позволяет осуществлять точный учёт воздействия tB, TRJ VB на собственные тепловыделения внутри модели QHB") соответствующие величине явных тепловыделений Qj,B живого цыпленка. Тем самым снимается необходимость измерения перечисленных параметров прямыми методами, т.е. необязательно применение сложного измерителя облученности, измерителя тепловыделений с соответствующими приспособлениями /331/, а также каналов связи со специализированным вычислителем Е. Применение модели с тепловыделениями, равными или соответствующими по величине тепловыделениям цыпленка в данной микроклиматической ситуации, является эффективным способом моделирования теплообмена живого объекта, но в настоящее время информации по такого рода физическим моделям не имеется, за исключением /303, 352, 391, 478/.
Для расчёта Q„BM = QaB имеются следующие возможности сбора необходимой для этого информации. При использовании термометра t„ и анемометра, измеряя ta и Va, можно рассчитать Q , рассеиваемые в теплофизиче-ской модели. Сравнивая рассчитанные значения Х? и хп с измеренными на модели, можно определить различие их и регулированием путем перемещения датчиков trM и тпм, подбором материала модели добиться совпадения сигналов о соответствующих параметрах по величине. Для того, чтобы при регулировании отказаться от дополнительных измерительных преобразователей - термометра и анемометра - и ограничиться измерениями посредством теплофи-зической модели, необходимо исключить переменные tB и VB из математической модели. Получено путем замены переменных:
Ошибка вычислений в пределах 2% определяется точностью использования опытных данных /337/ по QaB. В случае отказа от анемометра и датчика температуры тела для формирования Q,BM следует пользоваться при отсутствии информации о величине tr формулами связи QMB только с другими контролируемыми параметрами tB, VB, тп (2.1, 2.2, 2.3). В противном случае перестает правильно действовать исходная математическая модель (2.1, 2.2, 2.3). Достаточно двух измеряемых параметров, в том числе только на теплофизи-ческой модели, для определения величины явных тепловыделений в модели QHBM без прямых измерений QaB.
В новом режиме обогрева сохраняется одинаковой разница At1 = тпм - tB = тп - tB, что свидетельствует о равенстве, об адекватности изменения температур на поверхностях модели и цыпленка и в новом режиме tB и (или) VB. При этом, как видно из (2.55), новый рациональный расчётный режим обогрева Е сохраняется неизменным. Регулируемые тепловыделения в модели используются для выполнения двух функций: для изменения тепловыделений по закону изменения их у живого цыпленка и для одновременной коррекции по их установленной зависимости (2.55). Формула (2.55) может быть использована для вычисления тепловыделений и в явно неадекватной модели, т.к. все составляющие известны априорно, или могут быть вычислены (2.1, 2.4, 2.46, 2.49) по приведенным в настоящей работе математическим зависимостям при измеренных случайных параметрах микроклимата. Последовательность (алгоритм) работы системы следующий. Измеряются тпм, tB, VB, возможно и отсутствие анемометра, т.е. VB не измеряется, однако при этом необходимо непрерывное регулирование QaBM для применимости математической модели. Вычисляется Тпов.п = f(tB, VB), С = f(Q3, ton, VB), тп = f t/, VB). Вычисляется V = (1 + k)xnx(tBx, VB) - ктпов n(tB) VB). Создается E для выполнения равенства т = т р3. Вычисляются тепловыделения Q„BM. Осуществляется регулирование текущего режима обогрева Е. Производится непрерывный учёт tB, VB, F(TU), аП0В(Тц), а2(Тц), и процесс коррекции тепловыделений в модели происходит при новых значениях параметров процесса регулирования режима. Простейшая замкнутая система автоматического регулирования режима локального электрообогрева с измеряемой температурой поверхности теплофизической модели и с коррекцией тепловыделений в модели представляет собой самонастраивающуюся систему с достаточно сложном алгоритмом функционирования, в результате реализации которого вычисляется заданное значение тпх (или т-ф3), формируется Е, корректируются Qj,BM до полного совпадения измеряемой тпм и расчётной тп (или Ттр ). Конечная цель при этом - равенство явных тепловыделений живых выращиваемых цыплят принятой по технологии величине или поддержание в зоне локального обогрева заданной по технологии ощущаемой температуры.
Многоканальный контроль стандартных тепловых факторов окружающей среды и управление по аддитивной математической модели
На рис. 3.1 изображен график зависимости заданной температуры обогревателя от температуры воздуха и скорости его перемещения, на рис. 3.2 - блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа /23/. При естественной конвекции задают температуру обогревателя такой величины, при которой наблюдается максимальная продуктивность молодняка, причем заданная температура обратно пропорциональна изменяющейся случайным образом температуре воздуха. При появлении ветра подводят к организму дополнительную теплоту извне для компенсации возросших теплопо-терь. Для этого измеряют скорость перемещения воздуха и изменяют обогрев зоны с молодняком. Устройство для осуществления способа содержит датчик температуры воздуха 1, датчик температуры обогревателя 2, регулятор 3, обогреватель 4, усилитель 5 и датчик скорости перемещения воздуха 6, при этом датчик температуры воздуха 1, датчик скорости перемещения воздуха 6 и усилитель 5 образуют задатчик температуры обогревателя 7 (рис. 3.1).
Способ обогрева сельскохозяйственных животных включает измерение текущего значения tB в зоне их обитания, измерение температуры поверхности кондуктивного источника теплоты, размещенного в зоне обитания животных и имеющего внутренний нагрев, задание требуемого значения ощущаемой животными температуры в зоне обитания в зависимости от их возраста, измерение текущего значения температуры ограждающих конструкций в зоне обитания животных, измерение текущей величины радиационного теплового потока в этой зоне Е (Вт/м2), определение ощущаемой животными температуры в зоне обитания по формуле ton = A,tB ч-В +ІХ + СЕ, (3.1) где Аь Ві, С]_ D - коэффициенты пропорциональности, каждый из которых зависит от вида и возраста животных и от условий их теплообмена в зоне обитания (Аь Вь D - безразмерные величины, Ct - измеряется в См7Вт); tR - текущее значение температуры внутренних поверхностей строительных ограждающих конструкций в зоне обитания животных, усредненной по площади, С; 1пол - текущее значение температуры поверхности кондуктивного источника теплоты (например, обогреваемого пола или панели), С, - сравнивают заданное и определенное значения ощущаемой температуры и по результату сравнения корректируют режим обогрева зоны обитания /3IV. Япол - сопротивление пола животноводческого помещения, См /Вт. Величины коэффициентов Аь В, Сь D задаются по априорной информации о животноводческом помещении, где реализуется способ, и виде и породе обогреваемых животных. В соответствии с (3.1) тепловые коэффициенты А и В в результате расчетов по (3.4)...(3.6) равны (в зависимости от tB и tn) указанным в таблице значениям: ta, tR 0 5 10 15 20 25 А, отн.ед. 0,52 0,51 0,49 0,47 0,44 0,41 В, отн.ед. 0,47 0,49 0,51 0,53 0,56 , 0,59 В качестве обогреваемых животных могут быть цыплята и, например, ягнята. Для ягнёнка раннего возраста FT= 0,08 м , FK„ = 0,18 м . Пусть задано технологическое значение температуры в зоне обитания +15С, при котором продуктивность ягнят наибольшая ( пзад = +15С). Для ягненка, стоящего под ИК облучателем с Е = 100 Вт/м2 в помещении с tB = 5С и с tR = 0С. В соответствии с уравнением (3.2): ton = AtB + BtR+ СЕ = 0,51 5 + 0,49 0 + 0,063 100 = 8,85С. При сравнении величин получаем 1 пупр = ton - tot73aa = 8,85 - 15,0 = -6,15С, что приводит в соответствии со способом к увеличению мощности обогрева зоны обитания животных для устранения переохлаждения ягнят. Для ягненка, лежащего под ИК облучателем с Е = 100 Вт/м на обогреваемом полу с tTO„ = 30С и Rn0J1 = 0,1 м2оС/Вт в помещении с tB= 5С и tR = 0С, в соответствии с (3.3), (3.7)...(3.10): п = AitB + BitR+ С,Е + Dtn0J] = 15,55С, т.е. tonynp = 15,55 - 15,0 = 0,55С, имеется перегрев животного и режим обогрева корректируется в сторону уменьшения.
Устройство для обогрева сельскохозяйственных животных (рис. 3.3) содержит датчик 1 температуры воздуха, датчик 2 температуры поверхности кондуктивного источника теплоты (например, обогреваемой панели), датчик 3 температуры ограждающих конструкций в зоне обитания животных, вычислительный блок 4, первый, второй и третий элементы умножения 5, 6, 7, четвертый элемент 8 умножения, первый, второй, третий и четвертый эадат-чиков 9, 10, 11, 12 значения константы, сумматор 13, задатчик 14 температуры, первый делитель 15, первый регулятор 16, второй регулятор 17, первый обогреватель 18, которым являются секции кондуктивных источников теплоты, второй обогреватель 19, которым служат секции лучистого источников теплоты, второй делитель 20, задатчика 21 возраста животных.
Сигналы датчиков 1, 2, 3, а также сигнал с выхода второго делителя 20, несущие информацию о факторах tB, tnon, tR, Е, подаются на первые входы элементов 5, 6, 7, 8 умножения. На вторые входы этих элементов умножения приходят сигналы A, D, В, С с задатчиков 9, 10, 11, 12 значения константы, причем величина каждого из этих коэффициентов зависит от величины выходного сигнала задатчика 21 возраста животных.
В зависимости от сигнала задатчика 21 возраста животных изменяется выходной сигнал задатчика 14 температуры, соответствующий заданному по технологии требуемому значению ощущаемой температуры ton. При этом с возрастом животных температура должна снижаться, т.е. в качестве задатчика 14 температуры должен быть использован инвертирующий усилитель. При комбинированном обогреве распределение мощностей между напольным и инфракрасном обогревателями производится распределение сигнала задатчика 14 температуры с помощью двухвыходового первого делителя 15. После этого регуляторы 16 и 17 обеспечивают поддержание заданного по технологии выращивания режима теплоощущений животных в зоне обитания, регулируя подачу мощностей обогрева в инфракрасный излучатель (первый обогреватель 18) и нагреватель обогреваемой панели (второй обогреватель 19). В устройстве устанавливается режим динамического равновесия. Изменение температурных факторов температуры воздуха tB и радиационной температуры ограждающих конструкций в произвольных направлениях приведет к установлению нового состояния динамического равновесия в устройстве.
Расчет пределов применимости централизованной системы обогрева брудерами по методу предельных отклонений параметра
Максимальное упрощение системы нагревателей с центральным регулятором возможно за счёт использования принципа «ведущий-ведомый», который заключается в следующем: измеряется температура воздуха под «ведущим» брудером, а регулирование мощности осуществляется для всех брудеров точно так же, как и для «ведущего». Тогда совокупность всех брудеров превращается в «распределенный» по птичнику брудер, а мощность централизованного регулятора возрастает в число брудеров в птичнике раз по сравнению с мощностью автономного регулятора. Рассмотрим причины, влияющие на изменение температуры под брудерами в «распределенном» брудере и уточним пределы допустимости применения принципа «ведущий-ведомый» в птицеводческом помещении.
Известно, что теплоотдача нагревателей брудеров Qe должна скомпенсировать потери теплоты брудерами за счёт конвективного теплообмена с окружающей средой QK и потери за счёт теплопроводности стенок зонта QM:
В случае сетчатого пола Qn = 0. В расчётах будем ориентироваться именно на этот случай, поскольку в перспективе глубокая подстилка будет заменена сетчатым полом в связи с трудностями со сменой подстилки при дезинфекции помещения, с трудностями по её приобретению, птицефабриками, особенно в безлесных районах. QK= 0,8pVngcKB6(t6 - tB), (4.8) где: р - живая масса цыпленка, определяемая по таблицам /337, 343, 357/, кг; V - объем воздуха в расчёте на 1 кг живой массы, м3/кг час; п - число цыплят под брудером, n = 500...600 шт.; с - теплоёмкость воздуха, с = 1 кДж/кгС; g - объемная масса воздуха под брудером, g = 1,1 кг/м3; Квб - краткость воздухообмена из-под брудеров, Квб = 1...6; tg - температура под брудером, С, причём te = ton для конвективного брудера. QM=K6F6(t6B), (4.9) где Кб - коэффициент теплопередачи через стенки брудеров в окружа-ющую среду, Кб = 4,19 кДж/м чС; F6 - площадь поверхности теплопередачи брудера, м2; F6 = 3,14 1,8 м 0,4м = 2,26 м2. 0ц-0,8рф1(1-р(Ъ-е)), (4.10) где q - выделение теплоты в расчёте на 1 кг живой массы, кДж/кгч; р -коэффициент, учитывающий изменение выделения теплоты цыпленком при изменении температуры окружающей среды на 1С от 9табл, 1/град.; 9табл -табличная температура, 6табЛ= 8 = 18С.
Коэффициент 0,8 в формулах (4.8) и (4.10) показывает, что энергетический расчёт проводится в предложении, что под брудером находится в среднем за сутки 80% поголовья цыплят. С учётом вышеизложенного мощность, отдаваемая нагревателем ведущего брудера: Q6=(0,8pVngcKB6+K6F6)(t6B)-0,8pqn(l -p(t6-G)). 4.11) В случае tB = tBMHH = 16C и te = Ібмакс = 32C нагреватели работают в более тяжелых условиях, поэтому представляется целесообразным- в расчёте использовать эти крайние значения температур. Мощность (4.11) обеспечивает при tB точное поддержание под зонтом «ведущего» брудера заданной t6. Эта же мощность расходуется в каждом из «ведомых» брудеров. Рассчитаем диапазоны изменений внутренней температуры, количества и возраста цыплят под зонтом, воздухообмена из-под «ведомого» брудера, приводящих к изменению U в заданных пределах в U ±1С.
1. При расчётах по (4.13) получено, что при больших воздухообменах возраст цыплят совершенно не влияет на отклонения температур под «ведомыми» брудерами от заданной. Из (4.14) следует, что при малых воздухообменах допустимыми являются различия в численностях поголовья под «ведомыми» брудерами в 27...32%. При значительных воздухообменах влиянием различия численности цыплят под брудерами можно пренебречь. При наинизшей допустимой средней температуре воздуха в помещении 16С и заданном диапазоне изменения температур под брудерами 2С при использовании централизованной системы должно иметь место следующее.
1. Требуемая точность поддержания температуры под ведомым брудером (абсолютная погрешность не более ±1С) обеспечивается при диапазоне изменений внутренней температуры зала 3,86С при минимальном воздухообмене (Квб = 1)и2,61С при максимальном (КВб = 6). Этот диапазон сильно зависит от кратности воздухообмена из-под брудеров: при увеличении воздухообмена ог 1 до 6 диапазон уменьшается на 32%.
2. Уменьшение первоначальных численностей цыплят на 50% заметно ухудшает возможности централизации, так как диапазон допустимых колебаний температуры внутреннего воздуха уменьшается соответственно при малых и при больших воздухообменах до 2,93 С и до 2,31 С, или на 24% и на 13%. Изменение первоначальных численностей цыплят под брудерами прямо ведет к изменению потребной мощности электрообогревателей: при увеличении числа цыплят на 25% она снижается на 5,3% (Квб = 1) и на 6% (КВб = 6); при уменьшении численности поголовья на 50% мощность возрастает на 69,3% (Квб= 1) и на 11% (Квб = 6) по отношению к соответствующей величине мощности при первоначальной численности поголовья.
3. Долговременные отклонения численности поголовья под ведомым брудером могут достигать 40% (при tB = 19С), оставаясь на этом уровне при повышении внутренней температуры птицезала до 25С (при Квб = 1).
4. При увеличении tB от 19С до 25 С допустимый диапазон изменения воздухообмена уменьшается с 55,5% до 44,4% по отношению к Кв6 = 1. В частности, при росте tB от 19С до 25С допустимый диапазон воздухообмена расширяется от 18,9% до 29,3% (при К = 6). С возрастом улучшается теплоизоляция пухо-перьевого покрова цыплят (величина р уменьшается с 0,035 до 0,020), и терморегуляция организма слабее влияет на саморегулирование температуры под брудером. Установлено, что диапазон допустимого изменения tB уменьшается к третьей неделе выращивания на 12,1%, допустимый диапазон по Кв9 снижается на 7%, допустимый диапазон изменения численности уменьшается на 5% при малых воздухообменах (Квб = 1).
5. Улучшение теплоизоляционных свойств материала зонта брудера обеспечивает значительную экономию энергии на локальный обогрев: от 24,8% до 33,8% при снижении К„б от 6 до 1. Улучшение теплоизоляции брудера практически не улучшает возможность централизации системы при больших воздухообменах, но при KBg = 1 допустимый диапазон температур воздуха птицезала значительно расширяется - с 3,86С до 6,54С, или на 71% в среднем.
6. «Ведущий» брудер следует размещать в зоне помещения со средними значениями tB и Кне, что определяется в экспериментальном порядке, либо положение этой зоны должно контролироваться автоматически в любой момент времени.