Курсовая работа: Отопление и вентиляция животноводческих зданий

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему: «Отопление и вентиляция животноводческих зданий»

Введение

Теплоснабжение является составной частью инженерного обеспечения сельского хозяйства. Повышение продуктивности в животноводстве и растениеводстве, укрепление кормовой базы, повышение сохранности сельскохозяйственной продукции, улучшение условий жизни сельского населения неразрывно связано с теплоснабжением. 8% от всех работающих в сельскохозяйственной отрасли заняты в теплоснабжении.

Специализация производства в животноводстве повышает требования к микроклимату. Содержание животных в холодных и плохо вентилируемых помещениях приводит к снижению продуктивности на 15–40%, расход кормов увеличивается на 10–30%, заболевания молодняка увеличиваются в 2–3 раза. Продуктивность в животноводстве по 1/3 определяется условиями содержания.

Большую роль играет поддержание микроклимата в современных коровниках. Он способствует максимальной продуктивности, наилучшей сохранности и интенсивному росту молодняка.

Для поддержания микроклимата на животноводческих фермах и комплексах принимают ОВС, посредством которых подают подогретый воздух в верхнюю зону помещения, предусматривая дополнительную подачу наружного воздуха в теплый период года через вентбашни. Удаляют воздух из помещения либо при помощи вентбашень, либо через окна и вытяжные шахты. В холодный и переходной периоды воздух удаляют из помещения через вентбашни при неработающих осевых вентиляторах. В теплый период требуемое количество воздуха подают вентбашнями, при этом удаляют воздух из помещения через фрамуги окон и из навозных каналов.

1. Составление исходных данных

Из приложения Г /1/ выписываем расчетные параметры наружного воздуха в таблицу 1.

Таблица 1 Расчетные параметры наружного воздуха

Примечание: t_н.о.-средняя температура наиболее холодной пятидневки;

t – средняя температура наиболее теплой пятидневки.

Для переходного периода принимаем температуру наружного воздуха  и энтальпию  /1/.

В таблицу 2 записываем параметры внутреннего воздуха /2/.

Таблица 2 Расчетные параметры внутреннего воздуха

Примечание:  – расчетная температура внутреннего воздуха, ;

 – относительная влажность, %;

- предельно-допустимая концентрация (ПДК) углекислого газа в зоне содержания животных, (таблица 10.4 /2/).

В таблицу 3 записываем выделение вредности животными /2/.

Таблица 3 Выделение теплоты, влаги и углекислого газа свиньями

В таблицу 4 выписываем температурные коэффициенты /2/.

Таблица 4 Температурные коэффициенты для свиней

Для расчета термических сопротивлений теплопередаче для стен, перекрытий и дверей необходимо знать теплотехнические характеристики строительных материалов и конструкций. Из таблицы 1.12 /2/ выписываем необходимые данные в таблицу 5.

Таблица 5 Теплотехнические характеристики строительных материалов и конструкций

2. Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции

Определяем термическое сопротивление теплопередаче наружных стен, перекрытий, дверей и ворот, :

,

где  – коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности ограничиваю-

щей конструкции, ;

 – толщина слоя материала, м;

- коэффициент теплопроводности материала (принимаем по таблице 5), ;

 – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки (таблица 3.5 /2/),;

 – коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности ограничивающей конструкции (принимаем =23 .

Для перекрытий и дверей принимаем =8,7 /2/. Значение  для наружных стен принимаем в зависимости от заполнения животными 1м² пола.

Рассчитываем заполнение помещения животными, :

,                                               

где  – масса одного животного, ;

 – количество животных;

 – площадь помещения, ;

;

Так как заполнение животными помещения , то принимаем для стен и потолков  /2/.

Тогда термическое сопротивление теплопередаче для:

– наружных стен

=;

– перекрытия

=1,99

– дверей и ворот

=.

Рассчитываем термическое сопротивление теплопередаче отдельных зон пола:

,

где  – сопротивление теплопередаче рассматриваемой зоны неутепленного

пола,;

 – толщина утепляющего слоя,;

 – теплопроводность утепляющего слоя,.

Сопротивление теплопередаче  принимаем равной (стр. 39 /2/):

─ для I зоны:

─ для II зоны:

─ для III зоны:

─ для IV зоны:

;

;

;

.

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен и перекрытия,:

,

где  – расчетная температура внутреннего воздуха в холодный период, ;

 – расчетная температура наружного воздуха в холодный период года,;

 – нормативный температурный перепад (принимаем по таблице 3.6 /2/),;

 – коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности по отношению к наружному воздуху (принимаем n=1 /2/).

Значение нормативного температурного перепада  следующее:

– для наружных стен

=+=18–13,5=4,5;

– для перекрытия

=0,8*(+)=0,8*(18–13,5)=3,6;

где температуру точки росы  принимаем из приложения /1/ при  и  – .

Значение расчетной температуры наружного воздуха  принимают в зависимости от тепловой инерции  наружного ограждения (стр. 33 /2/).

Тепловая инерция ограничивающей конструкции:

,

где  – расчетный коэффициент теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции (таблица 5), ;

– для наружных стен

;

– для перекрытия

.

Исходя из полученного выражения, в качестве расчетной температуры наружного воздуха  принимаем:

– для наружных стен при 4<<7 среднюю температуру наиболее холодных трех суток равную

;

– для перекрытия при <4 среднюю температуру наиболее холодных суток равную

==-31.

Следовательно, находим требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен и перекрытия:

.

 .

Аналогично определяем требуемое термическое сопротивление наружных дверей:

– ;

– =+=18–13,5=4,5;

–  ;

Принимаем термическое сопротивление теплопередаче заполнения световых проемов равным:

для двойного остекления в деревянных переплетах

.

Требуемое сопротивление теплопередаче окон для производственных и вспомогательных промышленных предприятий с влажным или мокрым режимом (таблица 3.7 /2/) следующее: ,

т. к. - =18 – (-25)=43.

Сравниваем расчетные термические сопротивления ограждающих конструкций с требуемыми термическими сопротивлениями.

Исходя из того, что требуемое термическое сопротивление должно быть меньше расчетного термического сопротивления, проверяем соблюдение санитарно-гигиенических норм:

─ для наружных стен:

;

;

 – условие не выполняется.

─ для перекрытия:

;

;

– условие выполняется.

─ для наружных дверей и ворот:

;

;

– условие не выполняется.

─ для световых проемов:

;

;

– условие выполняется.

В целом делаем вывод о том, что расчетные термические сопротивления ограждающих конструкций меньше требуемых, кроме перекрытия и световых проемов (т.е. удовлетворяют санитарно гигиеническим нормам). Значит, двери и наружные стены нуждаются в дополнительном утеплении.

Производим разбивку пола на отдельные зоны:

Определяем площади зон пола:

;

;

;

;

Рассчитываем тепловой поток теплопотерь через ограждающие конструкции:

,

где  – площадь ограждающей конструкции, ;

 – термическое сопротивление теплопередаче, ;

 – расчетная температура внутреннего воздуха, ;

 – расчетная температура наружного воздуха, ;

 – добавочные потери теплоты в долях от основных теплопотерь;

 – коэффициент учета положения наружной поверхности по отношению к наружному воздуху.

Н.с. – наружные стены;

Н.д. – наружные двери;

Д.о. – двойное остекление;

Пт. – перекрытия;

Пл1, Пл2, Пл3, Пл4. – зоны пола.

Площадь окна:

;

Площадь всех окон:

;

Тепловой поток теплопотерь для окон:

– обращённых на юго-восток

;

– обращенных на северо-запад:

;

Тепловой поток теплопотерь для стен:

– обращённых на юго-восток:

;

– обращенных на северо-запад:

;

Тепловой поток теплопотерь для различных зон пола:

;

;

;

;

Находим площадь потолка:

;

Тепловой поток теплопотерь для перекрытия:

;

3. Расчет тепловоздушного режима и воздухообмена.

3.1 Холодный период года

Определяем влаговыделения животными, :

,

где - температурный коэффициент влаговыделений (таблица 4);

 – влаговыделение одним животным (таблица 3), ;

 – число животных.

;

Дополнительные влаговыделения с открытых водяных поверхностей:

,

Суммарные влаговыделения в помещении:

.

Рассчитаем количество , выделяемого животными, :

,

где - температурный коэффициент выделений  и полных тепловыделений;

- количество , выделяемого одним животным, .

;

Определим тепловой поток полных тепловыделений, :

,

где  – тепловой поток полных тепловыделений одним животным (таблица 3), .

;

Тепловой поток теплоизбытков, :

,

где Ф_ТП – поток теплопотерь (SФ_ТП таблица 6)_.

Угловой коэффициент (тепловлажностное отношение), :

.

Произведем расчет расхода вентиляционного воздуха, , из условия удаления выделяющихся:

– водяных паров:

,

где  – суммарные влаговыделения внутри помещения, ;

 – плотность воздуха, ;

 и - влагосодержания внутреннего и наружного воздуха, .

Из диаграммы влажного воздуха по рис. 1.1 /2/ определим  и :

, (при 18 и );

, (при  и ).

.

– углекислого газа:

,

где  – расход углекислого газа, выделяемого животными в помещении,;

 – ПДК углекислого газа в помещении (таблица 2), ;

- концентрация углекислого газа в наружном (приточном) воздухе,, (принимаем 0,4 , стр. 240 /2/).

.

─ расход вентиляционного воздуха исходя из нормы минимального воздухообмена:

,

где  – норма минимального воздухообмена на 1ц живой массы, ;

 – живая масса животного, кг;

n – количество животных.

.

В качестве расчетного значения расхода воздуха в холодный период принимаем наибольший, т.е. .

3.2 Переходный период года.

Определяем влаговыделения животными:

;

Дополнительные влаговыделения в переходной период составляют 10% от общего влаговыделения.

Определим суммарные влаговыделения:

.

Тепловой поток полных тепловыделений:

;

Тепловой поток теплопотерь

;

где  и  – расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха в переходный период, :, принимаем ,;

.

Тепловой поток теплоизбытков, :

,

где  – тепловой поток полных тепловыделений животными в переходный

период, ;

.

Определим угловой коэффициент, :

.

Влагосодержание внутреннего воздуха:

.

Влагосодержание наружного воздуха  определим по - диаграмме при параметрах  и ,.

.

Рассчитаем расход вентиляционного воздуха, , из условия удаления водяных паров:

.

В качестве расчетного воздухообмена принимаем ,

т. к. .

3.3 Теплый период года

Определяем влаговыделения животными, :

,

где - температурный коэффициент влаговыделений;

 – влаговыделение одним животным, ;

 – число животных.

;

Испарение влаги с открытых водных и смоченных поверхностей:

;

Суммарные влаговыделения:

.

Определим тепловой поток полных тепловыделений, :

,

где - тепловой поток полных тепловыделений одним животным (таблица 3), ;

k_t^’’’ =0,86 – температурный коэффициент полных тепловыделений

(таблица 4).

;

Тепловой поток от солнечной радиации, .

,

где  – тепловой поток через покрытие, ;

 – тепловой поток через остекление в рассматриваемой наружной

стене, ;

 – тепловой поток через наружную стену, .

,

где =1512 – площадь покрытия (таблица 6);

 =1,99- термическое сопротивление теплопередаче через покрытие (таблица 6);

= 17,7 – избыточная разность температур, вызванная действием солнечной радиации для вида покрытия – тёмный рубероид, (стр. 46 /2/).

.

Тепловой поток через наружную стену (за исключением остекления в этой стене):

,

где =228,9 – площадь наружной стены, ;

=0,76 – термическое сопротивление теплопередаче наружной стены, .

 – избыточная разность температур: для СЗ 6,1; для ЮВ 10,6 , (таблица 3.13)

─ для стены с СЗ стороны:

;

─ для стены с ЮВ стороны:

;

Принимаем в качестве расчетного тепловой поток через наружную стену ЮВ ориентации, через которую наблюдается максимальное теплопоступление.

Тепловой поток через остекление, :

,

где  – коэффициент остекления (), (стр. 46 /2/);

 – поверхностная плотность теплового потока через остекленную

поверхность, , (ЮВ: ; таблица 3,12 /2/);

=73,5 – площадь остекления.

.

.

Тепловой поток теплоизбытков, :

,

.

Угловой коэффициент, :

.

Влагосодержание внутреннего воздуха:

.

Влагосодержание наружного воздуха  определяем по - диаграмме (рис. 1.1 /2/) при параметрах  и -.

Расход вентиляционного воздуха, , в теплый период года из условия удаления выделяющихся:

─ водяных паров:

.

.

─ расход вентиляционного воздуха исходя из нормы минимального воздухообмена:

.

В качестве расчетного значения расхода воздуха в теплый период принимаем наибольший, т.е. .

Результаты расчетов сводим в таблицу 7.

Таблица 7 Результаты расчета тепловоздушного режима и воздухообмена

4. Выбор системы отопления и вентиляции.

На свиноводческих фермах применяют вентиляционные системы, посредствам которых подают подогретый воздух в верхнюю зону помещения по воздуховодам равномерной раздачи. Кроме того, предусматривают дополнительную подачу наружного воздуха в теплый период года через вентбашни.

Тепловая мощность отопительно-вентиляционной системы, :

,

где  – тепловой поток теплопотерь через ограждающие конструкции, ;

 – тепловой поток на нагревание вентиляционного воздуха, ;

 – тепловой поток на испарение влаги внутри помещения, ;

 – тепловой поток явных тепловыделений животными, .

 (табл. 6 /2/).

Тепловой поток на нагревание приточного воздуха, :

,

где  – расчетная плотность воздуха ();

 – расход приточного воздуха в холодный период года, ();

 – расчетная температура наружного воздуха, ();

 – удельная изобарная теплоемкость воздуха ().

.

Тепловой поток на испарение влаги с открытых водных и смоченных поверхностей, :

,

.

Тепловой поток явных тепловыделений, :

,

где  – температурный коэффициент явных тепловыделений;

 – тепловой поток явных тепловыделений одним животным, ;

 – число голов.

;

Определим температуру подогретого воздуха, :

,

где  – наружная температура в зимний период года, ;

.

Для пленочных воздуховодов должно соблюдаться условие санитарно – гигиенических требований:

 – в нашем случае удовлетворяет.

Принимаем две отопительно-вентиляционные установки мощностью

  и расходом

Дальнейший расчет ведем для одной ОВ установки.

5. Расчет и выбор калориферов

В системе вентиляции и отопления устанавливаем водяной калорифер. Теплоноситель – горячая вода 70 – 150.

Рассчитаем требуемую площадь живого сечения, , для прохода воздуха:

,

где  – массовая скорость воздуха, , (принимается в пределах 4–10

).

Принимаем массовую скорость в живом сечении калорифера:

.

.

По таблице 8.10 /2/ по рассчитанному живому сечению выбираем калорифер марки КВСБ №10 со следующими техническими данными:

Таблица 8 Технические данные калорифера КВСБ №10

Принимаем два калорифер в ряду.

Уточняем массовую скорость воздуха: .

Определяем скорость горячей воды в трубках:

;

где -удельная теплоемкость воды;

- плотность воды;

Определяем коэффициент теплопередачи, :

,

где  – коэффициент, зависящий от конструкции калорифера;

 – массовая скорость в живом сечении калорифера, ;

 и  – показатели степени.

Из таблицы 8.12 /2/ выписываем необходимые данные для КВСБ №10:

; ; ; ; .

.

Определяем среднюю температуру воздуха, :

.

Определяем среднюю температуру воды, :

Определяем требуемую площадь поверхности теплообмена калориферной установки, :

.

Определяем число калориферов:

,

где  – общая площадь поверхности теплообмена, ;

 – площадь поверхности теплообмена одного калорифера, .

.

Округляем  до большего целого значения, т.е. .

Принимаем два калорифера.

Определяем процент запаса по площади поверхности нагрева:

.

 – удовлетворяет.

Аэродинамическое сопротивление калориферов, :

,

где  – коэффициент, зависящий от конструкции калорифера;

 – показатель степени.

.

Аэродинамическое сопротивление калориферной установки, :

,

где =1 – число рядов калориферов;

 – сопротивление одного ряда калориферов, .

.

6. Аэродинамический расчет воздуховодов

В с/х производственных помещениях используют перфорированные пленочные воздухораспределители. Предусматривают расположение двух несущих тросов внутри пленочной оболочки, что придает воздуховодам овальную форму при неработающем вентиляторе и тем самым предотвращает слипание пленки.

Задача аэродинамического расчета системы воздуховодов состоит в определении размеров поперечного сечения и потерь давления на отдельных участках системы воздуховодов, а также потери давления во всей системе воздуховодов.

Исходными данными к расчету являются: расход воздуха, длина воздухораспределителя , температура воздуха и абсолютная шероховатость мм (для пленочных воздуховодов).

В соответствии с принятыми конструктивными решениями составляют расчетную аксонометрическую схему воздуховодов с указанием вентиляционного оборудования и запорных устройств.

Схему делят на отдельные участки, границами которых являются тройники и крестовины. На каждом участке наносят выносную линию, над которой проставляют расчетный расход воздуха (), а под линией – длину участка (м). В кружке у линии указывают номер участка.

На схеме выбираем основные магистральные расчетные направления, которые характеризуются наибольшей протяженностью.

Расчет начинаем с первого участка.

Используем перфорированные пленочные воздухораспределители. Выбираем форму поперечного сечения – круглая.

Задаемся скоростью в начальном поперечном сечении:

.

Определяем диаметр пленочного воздухораспределителя, :

.

Принимаем ближайший диаметр, исходя из того, что полученный равен (стр. 193 /2/).

Динамическое давление, :

,

где - плотность воздуха.

.

Определяем число Рейнольдса:

,

где  – кинематическая вязкость воздуха, ,  (табл. 1.6 /2/).

;

Коэффициент гидравлического трения:

,

где  – абсолютная шероховатость, , для пленочных воздуховодов принима-

ем .

.

Рассчитаем коэффициент, характеризующий конструктивные особенности воздухораспределителя:

,

где  – длина воздухораспределителя, .

.

Полученное значение коэффициента  меньше 0,73, что обеспечивает увеличение статического давления воздуха по мере приближения от начала к концу воздухораспределителя.

Установим минимальную допустимую скорость истечения воздуха через отверстие в конце воздухораспределителя, :

,

где  – коэффициент расхода (принимают 0,65 для отверстий с острыми кромками).

.

Коэффициент, характеризующий отношение скоростей воздуха:

,

где  – скорость истечения через отверстия в конце воздухораспределителя,

(рекомендуется ), принимаем .

.

Установим расчетную площадь отверстий, , в конце воздухораспределителя, выполненных на 1 длины:

.

По таблице 8.8 /2/ принимаем один участок.

Определим площадь отверстий, , выполненных на единицу воздуховода:

,

где  – относительная площадь воздуховыпускных отверстий на участке

воздухораспределителя (стр. 202,/2/).

.

Диаметр воздуховыпускного отверстия  принимают от 20 до 80 , примем .

Определим число рядов отверстий:

,

где  – число отверстий в одном ряду ();

- площадь воздуховыпускного отверстия, .

Определим площадь воздуховыпускного отверстия, :

.

;

;

;

;

Шаг между рядами отверстий, :

– для первого участка

,;

;

– для последующих участков

;

;

;

Определим статическое давление воздуха, :

─ в конце воздухораспределителя:

;

─ в начале воздухораспределителя:

.

Потери давления в воздухораспределителе, :

.

Дальнейший расчет сводим в таблицу 9. Причем, определяем потери давления в результате трения по длине участка, в местных сопротивлениях и суммарные потери по следующим формулам:

,

,

,

где R – удельные потери давления на единице длины воздуховода, определяется по монограмме (рис. 8.6 /2/)

 – коэффициент местного сопротивления (таблица 8.7 /2/).

Таблица 9 Расчет участков воздуховода

Расчет вытяжных шахт естественной вентиляции производят на основании расчетного расхода воздуха в холодный период года. Работа вытяжных шахт будет более эффективной при устойчивой разности температур внутреннего и наружного воздуха (не менее 5°С), что наблюдается в холодный период года.

Скорость воздуха в поперечном сечении вытяжной шахты, :

,

где  – высота вытяжной шахты между плоскостью вытяжного отверстия и

устьем шахты (3–5),  (принимаем );

 – диаметр,  (принимаем );

 – расчетная наружная температура,  ();

 – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Местное сопротивление определяем по таблице 8.7 /2/:

─ для входа в вытяжную шахту: ;

─ для выхода из вытяжной шахты: .

.

.

Определяем расчетный расход воздуха через одну шахту, :

;

где  – площадь поперечного сечения шахты, .

Рассчитаем площадь поперечного сечения шахты, :

.

.

Определяем число шахт:

,

где  – расчетный расход воздуха в зимний период, ;

 – расчетный расход воздуха через одну шахту, .

.

Принимаем число шахт для всего помещения .

7. Выбор вентилятора

Подбор вентилятора производят по заданным значениям подачи и требуемого полного давления.

Принимаем вентилятор исполнения 1.

Подачу вентилятора определяем с учетом потерь или подсосов воздуха в воздуховоды, вводя поправочный коэффициент к расчетному расходу воздуха для стальных воздуховодов 1,1, :

.

Определяем полное давление вентилятора, :

,

где  – температура подогретого воздуха,

.

По подаче воздуха вентилятора и требуемому полному давлению, согласно графику характеристик вентиляторов ВЦ 4–75 (рис. 8.13 /2/), выбираем вентилятор марки: Е 8. 0,95–1.

8. Энергосбережение

Наиболее эффективным техническим решением вопроса сокращения расхода тепловой энергии на обеспечение микроклимата, безусловно является использование типа воздуха, удаляемого из животноводческих и птицеводческих помещений. Расчет технико-экономических показателей микроклимата показывает, что применение в системах утилизаторов тепла позволяет сократить расход тепловой энергии на данный технологический процесс более чем в 2 раза. Однако такие системы более металоемкие и требуют дополнительных эксплуатационных затрат электрической энергии на вентиляторы. Использование тепловой энергии в системах вентиляции в основном обеспечивается за счет применения регенеративных и рекуперативных теплообменных аппаратов различной модификации.

Литература

1.  Отопление и вентиляция животноводческих зданий. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. – Мн. Ротапринт БАТУ. 2001 г.

2. Справочник по теплоснабжению сельского хозяйства/Л.С. Герасимович, А.Г. Цубанов, Б.Х. Драганов, А.Л. Синяков. – Мн.: Ураджай, 1993. – 368 с.