Спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в холодний період року

1. Спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в холодний період року, який включає нагрівання потоку припливного повітря і охолодження потоку повітря вентиляційних викидів шляхом пропускання потоку припливного повітря через припливні канали, а 2 (19) 1 3 86504 4 éé é æ a × t п1 ö æ a × t п1 ö ù ÷ ÷ ç К = ê ê ê0,622 × j п1 × Po × exp ç ç b + t ÷ / [Pa - jп1 × Pо × ехр ç b + t ÷ ú êê ê п1 ø ú п1 ø è è û ëë ë é (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x)(K - 1) × t п2 / [b + - [[62,2 × Pо × ехр êa (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ë + (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x)(K - 1) × t п2 ù ù ù [[ ú ú ú / Pa - 100 × Po ´ (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ûúú ûû é (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x )(K - 1) × t п2 ´ exp êa ê (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ê ë é (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x )(K - 1) × t п2 ùù ù ù ù ù ´ ú / êb + úú ú ú ú ú ê (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ûú ú ú ú ú ûûûûû ê ë éé æ a × t п1 ö ÷ ´ (1 - x)] × r + [(1 - h t ) × t п1 + (1 + h t ) × t п2 ]с ] / ê ê0,622 × j п1 × Po × exp ç çb + t ÷/ êê п1 ø è ëë ÷ ç [Pa - j п1 × Pо × ехр æ a × t п1 öú - [[62,2 × Pо × ехр éa (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x )(K - 1) × t п2 / ê çb+ t ÷ (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 п1 ø ú ë è û ù é (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x)(K - 1) × t п2 ù ùù /[[P 100 P / êb + × o´ ú úú a (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ú úú ë û ûû é (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x )(K - 1) × t п2 ´ exp êa ê (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ê ë é (x - h t ) × K × t п1 + (1 - x )(K - 1) × t п2 / êb + ê (2 × x + h t - 1) × K - x + 1 ê ë ´ (1 - h t - 2 × x)r + [(1 - 3 × h t )t п1 + (1 + h t ) × t п2 ] × с ] де j п1 - відносна вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (відносна вологість повітря в приміщенні), %; tп1 - температура повітряного потоку вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (температура повітря в приміщенні), °С; tп2 - температура припливного повітряного потоку до змішування з К-тою частиною підігрітого припливного повітря (температура зовнішнього повітря), °С; Pа - атмосферний тиск, Па; ht - коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора, відн. од.; x - коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари викидного повітря, відн. од.; r - прихована теплота пароутворення, кДж/кг; . c - питома теплоємність повітря, кДж/(кг °С); a - постійна величина, a = 17,5043 ; b - постійна величина, β=241,2 °С; ù ùù ù ù ù ú úú ú ú ú ú ´ ûú ú ú ú ú ûûûûû , (1) тиляційних викидів перед подачею його в приміщення вилучають кожен із шкідливих газів з інтенсивністю М, вимірюють концентрацію кожного із шкідливих газів в повітряному потоці вентиляційних викидів на виході викидних каналів теплоутилізатора, а М визначають за формулою: K × B × (CІВ - CСП ) M= , (2) CГДК - CСП де: B - загальна кількість виділення кожного з шкідливих газів в одиницю часу від усіх тварин, які знаходяться в приміщенні, та з поверхні підлоги приміщення і обладнання, л/год.; CІВ - концентрація кожного з шкідливих газів в повітряному потоці вентиляційних викидів на виході викидних каналів теплоутилізатора , л/м3; CСП - концентрація кожного з шкідливих газів на вході у припливні канали теплоутилізатора, л/м3; CГДК - гранично допустима концентрація кожного з шкідливих газів у повітрі приміщення, л/м3. PO - постійна величина, РО=6,1121 гПа. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що з Ктої частини охолодженого повітряного потоку вен Винахід відноситься до техніки кондиціювання повітря і може бути використаний в системах вентиляції і опалення тваринницьких приміщень. Ефективність утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в значній мірі залежить від температури зовнішнього повітря. В 5 зв'язку з тим, що в холодний період року викидне повітря вентиляційних викидів має більший вологовміст ніж зовнішнє повітря, при використанні рекуперативних теплоутилізаторів в системах вентиляції і опалення тваринницьких приміщень на теплообмінній поверхні теплоутилізаторів зі сторони каналів викидного повітря конденсується волога. При зниженні температури зовнішнього повітря, коли температура теплообмінної поверхні на виході викидних каналів стає меншою нуля градусів, сконденсована волога замерзає, що приводить до зниження ефективності утилізації тепла. Для підвищення ефективності систем вентиляції і опалення тваринницьких приміщень з рекуперативними теплоутилізаторами використовуються різні способи і технічні засоби. Відомий спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів з запобіганням появи інею в теплообміннику [Авторське свідоцтво 1386807 СРСР, МКІ F24 F7/06, опубл.07.04.88, бюл.№13]. При реалізації цього способу в теплообміннику, що має камери для теплоносія, підтримують температуру стінки зі сторони викидного повітря вище температури обмерзання конденсату шляхом подачі в камери теплоносія. При цьому теплоносій подають в камери безперервним потоком, а його температуру визначають по установленій формулі. Суттєвим недоліком цього способу утилізації теплоти вентиляційних викидів з запобіганням обмерзання теплообмінника є те, що не враховується взаємозв'язок між температурою обмерзання теплообмінної поверхні і відносною вологістю повітря в приміщенні. Крім того, автоматичне запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні неможливе без додаткового корегування температурної уставки регулятора температури. Тому цей спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів ефективний для приміщень, в яких температура і відносна вологість повітря мають стабільні значення, що практично неможливе в реальних умовах тваринницьких приміщень. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб утилізації теплоти викидного повітря [Патент 56839 України, МКІ F24 F3/147, опубл. 15.08.2005р, бюл.№8], який включає нагрівання припливного і охолодження викидного повітряних потоків шляхом пропускання потоку припливного повітря через припливні канали одного або групи теплоутилізаторів, а потоку повітря вентиляційних викидів через їх викидні канали назустріч потоку припливного повітря. З потоку припливного повітря, який попередньо пропускають через припливні канали одного або групи додаткових теплоутилізаторів, виділяють К-ту частину, яку пропускають через викидні канали одного або групи додаткових теплоутилізаторів, і разом з частиною потоку припливного повітря, яка залишилась, направляють в приміщення. Вимірюють температуру потоку викидного повітря на вході в викидні канали одного або групи теплоутилізаторів і температуру потоку припливного повітря на вході в припливні канали од 86504 6 ного або групи додаткових теплоутилізаторів, а К визначають за відповідною формулою. Недоліками прототипу є необхідність використання додаткових теплоутилізаторів для запобігання обмерзання теплообмінної поверхні. Крім того, цей спосіб не дозволяє підвищити ефективність використання теплоти викидного повітря з тваринницьких і птахівничих приміщень за рахунок прийнятого розподілу потоків припливного і викидного повітря та видалення шкідливих газів разом з конденсованою водяною парою на теплообмінній поверхні теплоутилізатора зі сторони викидних каналів при температурах зовнішнього повітря менших нуля градусів. Задачею винаходу є спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень з використанням рекуперативного теплоутилізатора та захисту від обмерзання теплообмінної поверхні при рівних між собою і незмінних витратах повітря через його припливні і викидні канали, в якому завдяки діленню потоків припливного і викидного повітря після теплоутилізатора, зміні напрямків руху частин цих потоків і їх змішуванню та застосуванню часткового видалення шкідливих газів з потоку викидного повітря, що направляється в приміщення, підвищується ефективність використання теплоти викидного повітря при температурі припливного повітря меншій нуля градусів. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень включає нагрівання потоку припливного повітря і охолодження потоку повітря вентиляційних викидів шляхом пропускання потоку припливного повітря через припливні канали, а потоку повітря вентиляційних викидів через викидні канали теплоутилізатора назустріч потоку припливного повітря. Охолоджений потік повітря вентиляційних викидів і підігрітий потік припливного повітря ділять на дві частини кожний. Одну частину охолодженого потоку вентиляційних викидів направляють в атмосферу, а іншу частину підігрітого припливного повітря подають в приміщення. Відповідно до винаходу ділення охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів і підігрітого потоку припливного повітря здійснюють синхронно з виділенням К-тої частини з кожного повітряного потоку. К-ту частину охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів подають в приміщення, а К-ту частину підігрітого потоку припливного повітря змішують з потоком холодного припливного повітря і направляють на вхід припливних каналів теплоутилізатора. При цьому витрати повітря через викидні і припливні канали теплоутилізатора залишають рівними між собою і незмінними. Одночасно з цим вимірюють атмосферний тиск, температуру холодного припливного повітря до змішування з К-тою частиною підігрітого припливного повітря та температуру і відносну вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора. Значення К визначають з формули: 7 86504 8 (1) , j де п1 - відносна вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (відносна вологість повітря в приміщенні), %; t п1 - температура повітряного потоку вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (температура повітря в приміщенні),°С; t п2 - температура припливного повітряного потоку до змішування з К-тою частиною підігрітого припливного повітря (температура зовнішнього повітря), °С; Pа - атмосферний тиск, Па; ht - коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора, відн. од.; x - коефіцієнт використання теплоти конден сації водяної пари викидного повітря, відн. од.; r - скрита теплота пароутворення, кДж/кг; с - питома теплоємність повітря, кДж/(кг×°С); a - постійна величина, a = 17,5043 ; b - постійна величина, b = 241,2°C ; P = 6,1121гПа PO - постійна величина, O . Крім того, з К-тої частини охолодженого повітряного потоку вентиляційних викидів перед подачею в приміщення вилучають кожен із шкідливих газів з інтенсивністю М. Вимірюють концентрацію кожного із шкідливих газів в повітряному потоці вентиляційних викидів на виході викидних каналів теплоутилізатора, а значення М визначають за формулою: K × B × (CІВ - C СП ) M= (2) CГДК - C СП , де В - загальна кількість виділення кожного з шкідливих газів в одиницю часу від усіх тварин, які знаходяться в приміщенні, та з поверхні підлоги приміщення і обладнання, л/год; C ІВ - концентрація кожного з шкідливих газів в повітряному потоці вентиляційних викидів на виході викидних каналів теплоутилізатора, л/м3; C СП - концентрація кожного з шкідливих газів в повітряному потоці на вході у припливні канали теплоутилізатора, л/м3; C ГДК - гранично допустима концентрація кожного з шкідливих газів у повітрі приміщення, л/м3. Формула для визначення К-тої частини повітряних потоків одержана шляхом рішення системи рівнянь, які визначають взаємозв'язок між параметрами повітряних потоків та параметрами теплоутилізатора і враховує умови, при яких забезпечується робота теплоутилізатора без обмерзання теплообмінної поверхні: 9 86504 (3) (4) (5) (6) (7) (8) де t¢ 2 - температура повітряного потоку на к виході припливних каналів теплоутилізатора, °С; t¢ 2 - температура повітряного потоку на вході п припливних каналів теплоутилізатора після змішування з К-тою частиною підігрітого припливного повітря, °С; dп1 - вологовміст повітря на вході викидних каналів теплоутилізатора (вологовміст повітря в приміщенні), кг/кг; dп2 - вологовміст повітря на виході викидних каналів теплоутилізатора, кг/кг. Завдяки тому, що К-та частина підігрітого припливного повітря визначається з урахуванням енергетичного балансу між потоками припливного і викидного повітря та умов обмерзання теплообмінної поверхні підвищується ефективність використання теплоти вентиляційних викидів при температурі припливного повітря меншій нуля градусів. На Фіг. показана схема реалізації способу утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в холодний період року, який містить рекуперативний теплоутилізатор 1, припливні канали 2 і викидні канали 3, повітропроводи 4 і 5. Повітропровід 4 з'єднує виходи припливних каналів 2 через регулюючий пристрій 6 з входами цих припливних каналів і забезпечує подачу частини підігрітого припливного повітря після виходу з припливних каналів на вхід припливних каналів для змішування з зовнішнім повітрям. Повітропровід 5 забезпечує подачу в приміщення відповідної частини викидного повітря з виходів викидних каналів теплоутилізатора 1 через регулюючий пристрій 7 і пристрій 8 для вилучення шкідливих газів. Інша частина викидного повітря направляється в атмосферу. Температура припливного повітря вимірюється в точці 9, що розташована в повітропроводі припливного повітря до змішування з підігрітим припливним повітрям. Температуру викидного повітря, вологість викидного повітря та концентрацію шкідливих газів вимірюють на вході викидних ка 10 налів теплоутилізатора, точка 10. Концентрацію шкідливих газів визначають також на виході вихідних каналів в точці 11. Спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в холодний період року по даній схемі реалізують таким чином. Нагрівання потоку припливного повітря і охолодження потоку повітря вентиляційних викидів здійснюють шляхом пропускання потоку припливного повітря через припливні канали 2, а потоку повітря вентиляційних викидів через викидні канали 3 теплоутилізатора 1 назустріч потоку припливного повітря. Охолоджений потік повітря вентиляційних викидів і підігрітий потік припливного повітря ділять на дві частини кожний. Одну з частин охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів направляють в атмосферу, а відповідну частину підігрітого потоку припливного повітря подають у приміщення. Ділення охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів і підігрітого потоку припливного повітря здійснюють синхронно з виділенням К-тої частини з кожного повітряного потоку. К-ту частину охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів подають у приміщення. Таку ж К-ту частину підігрітого потоку припливного повітря змішують з потоком холодного припливного повітря і подають на вхід припливних каналів 2 теплоутилізатора 1. При цьому витрати повітря через викидні і припливні канали теплоутилізатора залишають рівними між собою і незмінними. Одночасно з цим вимірюють атмосферний тиск, температуру холодного припливного повітря до змішування з К-тою частиною підігрітого потоку припливного повітря та температуру і відносну вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів 3 теплоутилізатора 1. Значення К визначають з відповідної формули. Крім того, з К-тої частини охолодженого потоку вентиляційних викидів перед подачею його в приміщення вилучають кожен із шкідливих газів з інтенсивністю М. Вимірюють концентрацію шкідливих газів в повітряному потоці вентиляційних викидів на виході викидних каналів теплоутилізатора 1, а М визначають за відповідною формулою. При температурі зовнішнього повітря більшій нуля градусів обмерзання теплообмінної поверхні зі сторони викидних каналів 3 теплоутилізатора 1 не відбувається. Тому весь потік припливного повітря регулюючим пристроєм 6 направляється в приміщення. В той же час викидне охолоджене повітря з виходу викидних каналів 3 теплоутилізатора 1 через регулюючий пристрій 7 повністю видаляється в атмосферу. При температурі зовнішнього повітря меншій нуля градусів на теплообмінній поверхні зі сторони викидних каналів 3 теплоутилізатора 1 конденсується волога, яка при подальшому зниженні температури зовнішнього повітря може обмерзати. Для запобігання цьому з потоку підігрітого припливного повітря після виходу його з припливних каналів 2 регулюючим пристроєм 6 виділяється К-та частина повітряного потоку і по повітропроводу 4 направляється на вхід припливних каналів 2. Холодне повітря, що надходить до теплоутилізатора, на вході припливних каналів змішується з підігрі 11 тою К-тою частиною припливного повітря, що надходить з виходів припливних каналів 2 через повітропровід 4. Внаслідок змішування припливного холодного повітря з К-тою частиною підігрітого припливного повітря, що надходить через повітропровід 4, температура повітря на вході припливних каналів теплоутилізатора підвищується, що запобігає обмерзанню теплообмінної поверхні теплоутилізатора і таким чином забезпечує його режим роботи без обмерзання теплообмінної поверхні. Для узгодження надходжень і витрат повітря в приміщенні з потоку повітря, що надходить з викидних каналів 3 виділяється синхронно з розділенням потоку припливного повітря К-та частина потоку викидного повітря, в якій за допомогою пристрою 8 видаляються наявні в повітряному потоці певна кількість шкідливих газів, після чого ця частина повітряного потоку направляється в приміщення. Наявна водяна пара і шкідливі гази (вуглекислий газ, аміак, сірководень), що є у викидному повітрі, частково конденсуються на теплообмінній поверхні теплоутилізатора. Виділена при конденсації водяної пари теплова енергія частково витрачається на підігрів припливного повітря, підвищуючи ефективність роботи теплоутилізатора. При цьому також зменшується концентрація шкідливих газів у викидному повітрі. Якщо температура зовнішнього повітря продовжує знижуватись, то регулюючі пристрої 6 і 7 синхронно збільшують значення коефіцієнта К, а значить і повітряних потоків через повітропроводи 4 і 5, забезпечуючи при цьому роботу теплоутилізатора без обмерзання теплообмінної поверхні з одночасним підтриманням нормованих параметрів повітряного середовища в тваринницькому приміщенні. Виділення К-ої частини потоку припливного повітря і подача її на вхід припливних каналів 2 теплоутилізатора 1, де це повітря змішується з холодним припливним повітрям і поступає в припливні канали теплоутилізатора, та направлення другої частини підігрітого припливного повітря в приміщення забезпечує найбільш ефективне використання теплового потенціалу викидного повітря. При зміні температури припливного повітря, атмосферного тиску, температури і відносної вологості викидного повітря регулюючими пристроями відповідним чином змінюється К-а частина повітряних потоків припливного та викидного повітря. Приклад 1. Розглядається спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень, пристрій для реалізації якого має такі параметри: коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора ht = 0,5, коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари викидного повітря x=0,2, атмосферний тиск Рa=101325Па, температура повітря в приміщенні tП1=16°С, відносна вологість повітря в приміщенні jП1=70%, температура зовнішнього повітря tП2= мінус 15°С. При вказаних умовах за формулою (1) визначається K=0,38. Тобто при таких умовах регулюючий пристрій установлюється в положенні, яке забезпечує 86504 12 подачу 0,38 частини потоку припливного повітря з виходу припливних каналів після теплоутилізатора на вхід припливних каналів, і в той же час відповідно забезпечує подачу 0,38 частини потоку викидного повітря з виходу викидних каналів теплоутилізатора через повітропровід 5 і пристрій для очищення повітря від шкідливих газів 8 в приміщення. При цьому буде забезпечуватись найбільш ефективна утилізація теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень. Якщо температура припливного повітря підвищиться, наприклад, до tП2 = мінус 10°С, при tП1=16°С і jП1=70%, тоді К=0,18. При змінні відносної вологості повітря в приміщенні, наприклад, при jП1=80%, і tП2 = мінус 15°, tП1=16°С, то К=0,34. Інтенсивність вилучення з К-ої частини охолодженого повітряного потоку вентиляційних викидів шкідливих газів перед його подачею в приміщення визначають за формулою (2). Приклад 2. В тваринницькому приміщенні на 100 голів телят віком до 6 місяців масою 50кг кожне питомі виділеннями вуглекислого газу становлять DС=12л/м3. Гранично допустима концентрація вуглекислого газу в такому приміщенні 2,5л/м3. Концентрація вуглекислого газу в припливному (зовнішньому) повітрі 0,33л/м3. При забезпеченні параметрів мікроклімату за допомогою запропонованого способу, виміряна концентрація вуглекислого газу на виході викидних каналів теплоутилізатора має значення 2,4л/м3. Якщо K=0,38, то інтенсивність видалення вуглекислого газу з частини потоку викидного повітря, що направляється в приміщення, визначена за формулою (2), буде становити М=435л/год. Отже пристрій для видалення вуглекислого газу повинен працювати з інтенсивністю не меншою 435л/год. Приклад 3. Розглянемо визначення інтенсивності видалення аміаку для того ж приміщення, що розглядалось в попередньому прикладі. Вимірювання показали, що концентрація аміаку в повітрі на виході викидних каналів теплоутилізатора має значення СІВ=12мг/м3. Гранично допустима концентрація аміаку в приміщенні СГДК=15мг/м3. Концентрація аміаку в припливному (зовнішньому) повітрі ССП=0мг/м3. Надходження аміаку в приміщення, де утримуються телята, при мінімальному повітрообміні будуть складати В=22,5г/год. При К=0,38 за допомогою формули (2) одержимо, що інтенсивність видалення аміаку з частини потоку викидного повітря, що направляється в приміщення, повинна бути не меншою 6,84г/год. Спосіб простий у реалізації і дозволяє підвищити ефективність використання теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень для підігріву припливного повітря за допомогою рекуперативних теплоутилізаторів при будь-якій температурі зовнішнього повітря в холодний період року без обмерзання теплообмінної поверхні теплоутилізатора. 13 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 86504 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601