10138

вентиляционных систем вытяжной воздух (для борьбы с запахами в атмосфер-

ном воздухе) используется в качестве дутьевого при сжигании органического топлива в генераторах теплоты.

Организация воздухообмена в теплый период года. Борьба с перегревом птичников осуществляется пассивными (увеличение сопротивления теплопере-

даче теплового контура) и активными (вентиляция помещения наружным необ-

работанным или охлажденным воздухом) способами. Сопротивления теплопе-

редаче наружных стен и покрытия птичников задаются теплозащитными свой-

ствами в холодный период года и являются постоянными величинами в процес-

се эксплуатации. Поэтому параметры микроклимата в теплый период создаются и регулируются активными элементами систем обеспечения микроклимата.

Наиболее распространен комбинированный способ, совмещающий пассивный и активный способы. При напольном содержании птиц в помещениях, где возду-

хообмен осуществляется по схеме «снизу вниз», наблюдается наиболее равно-

мерное поле концентрации аммиака по ширине помещения. Температурный режим в зоне нахождения птицы в зависимости от аэродинамических схем

«снизу вниз» или «снизу вверх» практически не изменяется более чем на

±(0,2…0,3) °С при удельном воздухообмене 3,4…5,1 м3/(ч·кг).

Температурно-влажностный и газовый режимы птичника для содержа-

ния кур-несушек в четырехярусных батареях при механической вытяжной си-

стеме вентиляции (приток через открытые шахты, окна) и удельном воздухооб-

мене 1,0 м3/(ч·кг) показали, что температура внутреннего воздуха в помещении на 0,9 °С ниже, чем снаружи. Объясняется этот факт адиабатным охлаждением воздуха при испарении влаги с поверхностей пометных противней, поилок, по-

ла. Разница температуры на уровне первого и четвертого ярусов не превышает при этом 1,4 °С. Относительная влажность внутреннего воздуха была 56…58 %,

что на 15…17 % выше наружного. Несмотря на относительно незначительный воздухообмен содержание аммиака в воздухе практически не выявляется. Такая система вентиляции создает удовлетворительные параметры микроклимата в помещении.

170

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы

1.Выбрать условия для расчетов естественной вентиляции и аэрации только по гравитационному, только по ветровому или суммарному гравитационному и ветровому давлению.

2.Указать критерии определения интенсивности естественной вентиляции в животноводческих помещениях в холодный, переходный и теплый периоды года.

3.Объяснить принцип работы и основные зависимости при расчете естественной горизонтальной вентиляции.

4.Изобразить расчетные эпюры гравитационного и ветрового давлений при устойчивой инфильтрации воздуха.

5.Вывести расчетные зависимости для проектирования естественной вентиляции и аэрации.

6.Обосновать область применения систем механической вентиляции в животноводческих помещениях.

7.Изобразить принципиальные схемы механической вентиляции животноводческих помещений.

8.Указать основные способы обработки и очистки воздуха в птичниках.

9.Изобразить графически и объяснить принцип работы эжекционных воздухораспределителей-увлажнителей и способы утилизации теплоты в них.

10.Описать основные способы организации воздухораспределения в птичниках с клеточным содержанием в течение года.

6.АКТИВНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ДЛЯ СУШКИ ТРАВЫ

6.1.Теплофизическая модель процессов переноса теплоты

ивлаги в слое сохнущей травы

Физико-математическая модель процессов переноса теплоты и влаги в слое сохнущей травы включает биологические, теплофизические и аэродина-

мические характеристики слоя травы; показатели интенсивности процессов пе-

реноса; производительность и конструктивные особенности систем активной вентиляции для ее сушки. Графоаналитический метод расчета интенсивности тепломассообмена с использованием i–d-диаграммы влажного воздуха позволя-

171

ет определить динамику процессов переноса теплоты и влаги, конечную влаж-

ность объекта сушки при конкретных параметрах воздуха (сушильного агента),

в том числе в период дождей; выявить возможные зоны отпотевания или кон-

денсации в слое травы при изменении режимов сушки и параметров сушильно-

го агента.

Построим на i–d-диаграмме влажного воздуха основные процессы, харак-

теризующие интенсивность сушки травы (рис. 6.1).

В точке 1 заданы параметры приточного воздуха tв.о, φв.о, dв.о, iв.о. Если бы при сушке в слое происходил гипотетический изотермический процесс (про-

цесс 1—2), то количество поглощаемой воздухом влаги достигало бы макси-

мальной возможной величины dmax = d2 – d1. В реальных условиях из-за нали-

чия на поверхности влажной травы несвязанной влаги, когда влажность травы wтр выше гигроскопической влажности wг (wтр > wг), скорость сушки постоянна.

Имеет место адиабатный процесс тепломассообмена. Воздух насыщается до равновесной относительной влажности φр, т. е. практически до 100 %. Ассими-

лирующая способность воздуха при этом адиабатном процессе dа = d3 – d1, г/кг сух. в-ха. Адиабатность процесса нарушается наличием биологических тепло-

выделений травы (процесс 1—4), что равнозначно предварительному нагреву воздуха на tв.о (процесс 1—5). Результирующий процесс соответствует лучу

1—4, влагопоглощающая способность воздуха увеличивается до величиныdк = d4 – d1, г/кг сух. в-ха.

Когда влажность травы переходит гигроскопическую границу, имеет ме-

сто углубление зоны испарения (wтр < wг) на поверхности травы, интенсивность процессов испарения снижается, равновесная относительная влажность воздуха в слое сохнущей травы φр1 становится значительно ниже 100 %. Конкретные значения равновесной влажности воздуха φр1 определяются по изотермам де-

сорбции (рис. 1.8). Влагопоглощающая способность воздуха падает до

dр = d6 – d1, определяемой по значению φр1 (процесс 1—6).

172

Предварительное нагревание воздуха на t (процесс 1—7) приводит к возрастанию его влагопоглощающей способности до dк.г = d9 – d1, если трава имеет влажность выше гигроскопической (процесс 7—9), или до dр.г = d10 – d1

при влажности сохнущей травы ниже гигроскопической (процесс 7—10). Про-

цесс 7—11 показывает перегрев воздуха в слое травы за счет биологических тепловыделений.

При продувке системами активной вентиляции слоя травы имеется два слоя с продукцией различной влажности. В первом по ходу движения воздуха слое (корректирующем) влажность частично подсушенной травы ниже гигро-

скопической (wтр < wг). Процессы сушки и количество ассимилированной воз-

духом влаги соответствуют лучам 1—4 или 1—6. Равновесная относительная влажность воздуха в слое увеличивается от φв.о до φр. При достижении продува-

емым воздухом равновесной относительной влажности φр начинается второй по ходу движения воздуха слой высушиваемой травы (основной). В основном слое влажность травы выше гигроскопической (wтр > wг). Процесс ассимиляции вла-

ги продуваемым воздухом продолжается из-за наличия биологических тепло-

выделений травы. Процесс соответствует линии φр ≈ 100 % (процесс 4—12).

Количество поглощенной влаги dос = d12 – d4, г/кг сух. в-ха.

При кратковременных дождях температура и относительная влажность наружного воздуха изменяются в первом приближении по адиабате (луч 1—3)

до φн ≈ φр = 100 %. В период затяжных дождей относительная влажность наружного воздуха φн ≈ 100 %. Температура его меняется в зависимости от конкретных погодных условий. Приняв для анализа в период дождей парамет-

ры воздуха, соответствующие точке 3, покажем условия, при которых возмож-

но предотвращение увлажнения сохнущей травы при ее продувке атмосферным воздухом.

Когда часть травы уже подсушена, нагревание воздуха до температуры,

соответствующей ее равновесной относительной влажности φр1 (процесс 3—14),

не дает положительного эффекта. При повышении температуры наружного

174

воздуха на tд < (t14 – t3) контакт его с травой сопровождается увлажнением по-

следней. Только перегрев воздуха выше температуры t14 делает его сушильным агентом.

Для подогрева воздуха в период дождей требуется количество теплоты:

В формулах (6.1) и (6.2) учитывается только количество теплоты на подо-

грев наружного воздуха до точки 15. Биологическая теплота выделяется в слое

травы постоянно.

Теоретически минимальный расход воздуха для ассимиляции водяных паров из влажной травы в процессе испарения в сверхгигроскопической обла-

В гигроскопической области при досушке травы от гигроскопической влажности wг до кондиционной влажности сена wк ≈ 17 % расход наружного воздуха составляет:

где Gтр и Gс — первоначальная масса травы и заготовленного сена, соответ-

ственно, т;

dк и dр — влагопоглощающая способность воздуха в области постоянной скорости сушки и гигроскопической влажности, соответственно, г/кг сух. в-ха; wтр, wг, wк — первоначальная, гигроскопическая и кондиционная влажность травы и сена, соответственно, %.

175

С учетом непрерывности процесса влагосъема во всем объеме продувае-

мой свежескошенной травяной массы в формуле (6.4) следует принимать при

переходе сушки из области выше гигроскопической в гигроскопическую

wтр = wг. Масса влаги, удаляемой из травы в гигроскопической области сушки,

не превышает 25 % от общей. Относительно небольшое количество испаряю-

щейся воды позволяет при расчетах уменьшение скорости влагосъема в гигро-

скопической области сушки считать равномерным и постоянным.

Минимальное время zmin, ч, для получения сена кондиционной влажности при непрерывной работе систем активной вентиляции складывается из продол-

жительности периода сушки влажной травы до гигроскопической z1, ч, и пери-

ода досушки в гигроскопической области до кондиционной влажности сена z2:

Из-за несовершенства систем равномерности воздухораздачи в насыпь сохнущей травы не полностью используется потенциал воздуха по поглощению влаги. Поэтому расчетный расход воздуха систем активной вентиляции (САВ)

LСАВ необходимо увеличить по отношению к необходимому теоретически ми-

нимальному:

Значение опытного коэффициента А зависит от способа воздухораздачи.

В реальных производственных установках сушки травы даже при решетчатых полах с подпольными каналами в сенохранилищах с негерметичными стенами невозможно добиться равномерной фильтрации воздуха. Для них А = 1,20…1,25. При наличии в хранилищах линейно протяженных напольных воздухораспределителей А = 1,8…2,0. При сушке отдельно стоящей скирды высотой 5,0 м, сформированной в один прием с оптимальными для равномер-

ной раздачи воздуха геометрическими размерами, расход воздуха в два раза больше, чем при равномерном профиле скоростей в массе травы (А = 2,0). При

176

послойной сушке еще меньшее количество воздуха эффективно участвует в удалении влаги: А > 2,0 (А ≈ 2,5).

Равномерность воздушного потока в слое сохнущей травы повышается при отсасывании воздуха через воздухораспределители, поэтому рекомендуемое значение А ≈ 1,20…1,25 сохраняется для этого случая (по аналогии с равномер-

ным напольным распределением воздуха в сенохранилищах).

Пример 6.1. Определить влагопоглощающую способность атмосферного воздуха. Начальные параметры травы: влажность wтр = 31 %, температура tтр = 15 °С. По кривым десорбции, приведенным на рис. 1.8, этим параметрам травы соответствует равновесная влажность воздуха р1 = 75 % (точка 6 на рис. 6.1), влагосодержание воздуха в точке 6 составляет d6 = 9,2 г/кг сух. в-ха. Параметры атмосферного воздуха (точка 1): tв.о = = 20 °С, в.о = 54 %, dв.о = 7,9 г/кг сух. в-ха. В случае гипотетического изотермического процесса в слое травы (процесс 1–2) влажность воздуха в точке 2 составит d2 = 14,7 г/кг сух. в-ха.

Максимально возможный влагосъем при постоянных значениях температуры tв.о (наружного воздуха) dmax = 14,7 7,9 = 6,8 г/кг сух. в-ха. Если бы процесс сушки проходил до насыщения воздуха (до равновесной относительной влажности φр ≈ 100 %) по линии постоянной энтальпии iв.о, то dа = d3 d1 = 10,3 7,9 = 2,4 г/кг сух. в-ха. Практически воздух насыщается до равновесной влажности р1 = 75 % и поглощает всего dр = d6 d1 = 9,2 7,9 = 1,3 г/кг сух. в-ха.

Пример 6.2. Требуется определить степень подогрева атмосферного воздуха, которая необходима для повышения его влагопоглощающей способности, рассчитанной в примере 6.1, с 1,3 до 2,5 г/кг сух. в-ха. Находим положение точки 10 на пересечении кривой р1 = 75 % и линии dр.г = d1 + 2,5. Затем из точки 10 по линии i = const с учетом подогрева за счет биологической теплоты поднимаемся до пересечения с линией d1 = const в точке 7, которая и дает значение температуры подогретого воздуха t7 = 24,5 °С, перегрев составляет t = 24,5 20 = 4,5 °С. Процесс сушки идет по лучу 7—10.

Пример 6.3. Исходная влажность травы, уложенной в сенохранилище с решетчатым полом и подпольными каналами для подачи приточного воздуха при досушке, wтр = 31 %, масса травы Gтр = 40 т. Конечная кондиционная влажность сена wс = 17 %. Определить расход неподогретого атмосферного воздуха и минимальное время сушки при непрерывном вентилировании и параметрах наружного воздуха, как в примере 6.1.

Количество удаляемой из травы воды Gвл = 40 000(31 17) / (100 17) = 6 747 кг. Масса влаги, поглощаемая 1 кг воздуха, dр = 1,3 г/кг сух. в-ха. Сквозь слой травы необходимо

продуть воздух в количестве Gвозд = 1 000Gвл / dр = 1 000·6 747 / 1,3 = 5 190 000 кг. Плотность воздуха при tв.о = 20 °С ρв = 1,2 кг/м3. Объем продуваемого воздуха Vвозд = Gвозд / ρв = 5 190 000 / 1,2 = 4 325 000 м3. Производительность вентилятора установки активной вентиля-

ции Lвент = 50 000 м3/ч (удельный расход воздуха L = 1 250 м3/(т ч)). Время непрерывной работы системы активной вентиляции zСАВ = Vвозд / Lвент = = 4 325 000 / 50 000 = 86,5 ч. Наиболее благоприятные для сушки травы климатические условия имеют место с 9 до 18 часов, т. е. 9 ч/сут. При таких режимах сушки сено достигнет кондиционной влажности через 86,5 / 9 ≈ 9,6 сут. С учетом неравномерности воздухораспределения (А = 1,2) процесс сушки удлиняет-

ся до 9,6 1,2 = 11,5 сут.

Пример 6.4. Для условия примера 6.3 определить продолжительность работы системы активной вентиляции при сушке травы с подогревом атмосферного воздуха на 4,5 °С (пример 6.2). Влагопоглощающая способность воздуха dр.г = 2,5 г/кг сух. в-ха,

177

Gвозд = 1 000 Gвл / dр.г = 1 000 ∙6 747 / 2,5 = 2 700 000 кг, Vвозд = 2 700 000 / 1,2 = 2 250 000 м3. При производительности вентилятора Lвент = 50 000 м3/ч время непрерывного вентилирования составляет zСАВ = 2 250 000 / 50 000 = 45 ч, а с учетом неравномерности воздухораспределения в слое увеличивается до 45 1,2 = 54 ч. В течение девятичасовой ежесуточной продувки трава будет высушена за 54 / 9 = 6 циклов (суток).

Пример 6.5. Для климатических условий примера 6.1 определить степень перегрева воздуха во время дождя, чтобы его влагопоглощающая способность воздуха составляла dд.р = 1,5 г/кг сух. в-ха. Параметры точки 1: tв.о = 20 °С, φво = 54 %, dв.о = 7,9 г/кг сух. в-ха; точки 3: t3 = 14,2 °С, φ3 = 100 %, d3 =10,3 г/кг сух. в-ха, i3 = 40 кДж/кг. Чтобы определить на i–d- диаграмме положение точки 15, лежащей на линии d3 = 10,3 г/кг сух. в-ха, необходимо сначала найти положение точки 18. Эта точка находится на пересечении линии d18 = d3 + dд.р = 10,3 + 1,5 = 11,8 г/кг сух. в-ха с кривой φр1 = 75 %. Параметры точки 18: t18 = 21,2 °С, φ18 = 75 %, d18 = 11,8 г/кг сух. в-ха, i18 = 51,3 кДж/кг. Точка 15 лежит на пересечении изоэнтальпы i17 = i19 с учетом биологического самосогревания и линии постоянного влагосодержания d3. Параметры точки 15: t15 = 25,2 °С, φ15 = 51 %, d15 = 10,3 г/кг сух. в-ха. Для определения эффективности работы системы подогрева воздуха необходимо также знать параметры точки 14, лежащей на пересечении φр1 = 75 % с d3 = d15 = 10,3 г/кг сух. в-ха: t14 = 18,7 °С, φ14 = φ р1 = 75 %, i14 = 44,9 кДж/кг.

Если производительность САВ составляет LСАВ = АLвент = 1,2 50 000 = 60 000 м3/ч (GСАВ = 1,2 60 000 = 72 000 кг/ч), то общее количество теплоты для нагревания воздуха от точки 3 до точки 15 по формуле (6.1) равно Qдж = GСАВ(i15 i3) = 72 000(51,3 40) = 824 600

кДж/ч. Из общего количества теплоты полезно используется для испарения влаги по (6.2)

Qдж.п = GСАВ (i15 i14) = 72 000(51,3 44,9) = 460 800 кДж/ч или 56,7 %. Для достижения рав-

новесной влажности воздуха и сена в период дождя воздух необходимо подогреть на 4,5 °С,

повысив его энтальпию на 4,0 кДж/кг, потратив на это Qр = = GСАВ(i14 i3) = 72 000(44,9 40) = 352 800 кДж/ч или 43,3 % общей затраченной энергии. Только при этом условии подаваемый в слой воздух (сушильный агент) не будет увлажнять продукцию во время дождя.

Пример 6.6. Во время дождя подаваемый в траву воздух искусственно подогревается на t = 15 °С. Остальные условия аналогичны примеру 6.5. Найти влагопоглощающую способность воздуха.

Параметры точки 15: t15 = t3 + t = 14,2 + 15 = 29,2 °С, d15 = 10,3 г/кг сух. в-ха, i15 = 55,3 кДж/кг. Через точку 15 по линии i = const с учетом биологического нагревания про-

водим линию до пересечения с равновесной влажностью р1 = 75 % (точка 18): t18 = 22,6 °С,

d18 = 12,8 г/кг сух. в-ха, i18 = 55,3 кДж/кг. Искомая величина dд.р = d18 d15 = = 12,8 10,3 = 2,5 г/кг сух. в-ха.

Пример 6.7. Определить, при каких условиях возможна сушка травы неподогретым воздухом в период дождей при условиях примера 6.5.

Сушка будет происходить, если подогрев воздуха в вентиляторе tвент и подогрев воздуха за счет самосогревания травы tсс (находится непосредственным замером температуры в слое) превышает величину (t14 t3), принимаемую по i–d-диаграмме, то есть ( tвент + tсс) > (t14 t3). Для случая примера 6.5 ( tвент + tсс) > 18,7 14,2 = 4,5 °С. Величина tвент для центробежных вентиляторов равна 0,8…1,0 °С, а для осевых вентиляторов лежит в пределах

0,4…0,5 °С.

6.2. Потенциал влажности и i–d–θ-диаграмма влажного воздуха

Теория тепломассопереноса, основанная на понятии потенциала влажно-

сти [10], позволяет описать физические явления с помощью одного обобщаю-

178

щего показателя без анализа микроявлений и частных закономерностей при сушке травы на основе уравнения состояния влажного материала как открытой гетерогенной системы. Закономерности справедливы как в изотермических, так и в неизотермических процессах. Потенциал влажности позволяет учесть дей-

ствия различных силовых факторов на влагу, находящуюся в жидком или в па-

рообразном состоянии.

Термодинамические функции состояния отдельного компонента или фа-

зы (внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия и т. д.) можно выразить с помощью трех независимых переменных: массы m, объема V и температуры T.

Тогда изменение свободной энергии для влаги в жидком состоянии записыва-

ется в виде:

где F — свободная энергия Гейльмгольца; s = dF / dT — энтропия;

р = dF / dV — давление;

= dF / dm — химический потенциал фазы.

Зависимость (6.8) представляет собой основное термодинамическое урав-

нение Гиббса для открытой гетерогенной системы, преобразованное с учетом наличия в фазе жидкой влаги растворенных примесей и влияния гравитацион-

ного поля. Выражение в скобках по физическому смыслу является полным тер-

модинамическим потенциалом (потенциалом влажности), за счет которого

происходит перенос вещества фазы:

Величина потенциала влажности θ зависит от давления рж, химического по-

тенциала μж, потенциала растворенных веществ μжn, измерить которые непо-

средственно в опыте нельзя. Для построения численной шкалы потенциала влажности , °В, принято равновесное влагосодержание фильтровальной бума-

ги Uф.б, кг/кг, при температуре 20 °С [10]. На рис. 6.2 а) даны обобщенные зави-

179