Pētījumi un izstrādnes dzīvnieku labturības nodrošināšanai

Siltuma apmainītāju pētījumi pielietošanai cūku mītnēs

Auksta laika periodos cūku kūtīs palielinātu siltuma zudumu un vēdināšanas dēļ iestājas siltuma deficīts. Tā likvidēšanai kūtī jāpievada papildus siltums. Veikti pētījumi, kā samazināt enerģijas patēriņu optimālas temperatūras nodrošināšanai kūtī, atgūstot un izmantojot siltumu no ar ventilāciju izvadītā siltā piesārņotā gaisa. Viens no tehniskiem risinājumiem ir siltuma atgūšanai ir siltummaiņu pielietošana. Siltummaiņus, piemērotus pielietošanai lopkopības objektos, izgatavo un izmanto Vācijā. Pieredzes par to pielietošanu Latvijas apstākļos nebija.

Lai izdarītu secinājumus par siltummaiņu pielietošanas efektivitāti cūku kūtīs mūsu celtniecības risinājumos un klimatiskos apstākļos, veikti siltuma bilances aprēķini kūtīm ar dažādu siltuma noturību visām cūku vecuma pamata grupām. Analizēta dažādu materiālu piemērotība siltummaiņu izgatavošanai un veikti izmēģinājumi laboratorijas apstākļos ar diviem siltummaiņu maketa paraugiem, kas izgatavoti no polivinīlhlorīda (PVC) dobstruktūras dēļiem un cinkota skārda (biezums 0,5 mm) loksnēm. Izmēģinājumu rezultāti parādīja, ka pie gaisa mitruma 60 – 80 % siltuma pārejas intensitāte caur PVC dobstruktūras dēļu sieniņu un cinkotu skārdu ir maz atšķirīga. Tādēļ kā materiāls siltummaiņa izgatavošanai izvēlēti vieglie un salīdzinoši lētie PVC dobstruktūras dēļi. Izstrādāts šāda siltummaiņa tehniskais risinājums, kas apstiprināts ar Latvijas patentu 13559 B. Izgatavots siltummaiņa eksperimentāls paraugs ar siltuma pārejas virsmas laukumu 100 m2. Pretēja virziena gaisa plūsmu ātrumu vidēji 3,5 ms-1 nodrošina ventilatori ar ražīgumu 2200 m3h-1. Tas tika izmēģināts un sekmīgi darbojās 500 nobarojamo cūku kūtī  (SIA Madaras Gretes, Ogres rajons). Pie gaisa plūsmu temperatūras starpības 30 K atgūtās siltuma plūsmas jauda sasniedza 16 kW; lietderības koeficients 0,64. Siltuma pārejas koeficients vidēji 12,48 W m-2K-1. Pie āra temperatūras  –16 0C aizplūstošā gaisa temperatūra pazeminājās līdz 0 0C un sākās siltuma pārejas virsmu apledošana.

Projekta ietvaros tika iegādāts un kūtī ar 500 cūkām izmēģināts atšķirīgas konstrukcijas siltummainis WVT-120K (Vācija). Divas reizes mazāks viļņoto siltuma pārejas virsmu laukums pie 2,5 reizes lielāka atstatuma starp blakus esošām siltuma pārejas virsmām par 43 – 56 % samazina ieplūstošā gaisa sasilšanu, tomēr vienlaicīgi paaugstina tā darba spējas pie āra temperatūras pat līdz -20 0C. Kopumā abu siltummaiņu izmēģināšanas laikā ne pēc visa atgūtā siltuma bija vajadzība. Atkarībā no āra gaisa temperatūras, lietderīgi tika izmantoti 45-75% no atgūtā siltuma daudzuma. Siltuma apmainītāju eksperimentālie pētījumi cūku kūtī 2008.gadā, salīdzinot ar iepriekšējo gadu izmēģinājumiem, deva būtiski atšķirīgus rezultātus. Siltā ziema, kad 3 mēnešu vidējā gaisa temperatūra bija +1,2 0C, kūtī neradīja siltuma deficītu. Pie šādiem laika apstākļiem ar siltuma apmainītāju atgūtam siltumam nebija pielietojuma. Tādēļ meklējām risinājumu ar siltuma apmainītājiem atgūtā siltuma efektīvākai izmantošanai. Ir izstrādāts projekts par ar siltuma apmainītāju sasildītā gaisa novirzīšanu uz āra gaisa siltuma sūkņa iztvaikotāju, tā panākot siltuma sūkņa transformācijas koeficienta paaugstināšanu. Par izstrādāto risinājumu saņemts Latvijas patents 13726 B.

Secinājumi.

  1. Siltummaiņu iekļaušana cūku fermu apsildes sistēmās dod ekonomisko efektu, kura lielumu būtiski ietekmē kūts būvkonstrukciju siltuma noturība un konkrētie laika apstākļi ziemas periodā.
  2. Siltummaiņu ieviešana tehniski vieglāk risināma jaunceļamos objektos vai veicot fermu rekonstrukciju.
  3. Ar siltummaini atgūtās siltuma enerģijas temperatūras paaugstināšana rastu priekšnoteikumus atgūtā siltuma daudzpusīgākai izmantošanai.

Sivēnu vietējās apsildes betona sildpaneļu konstruktīvo un ekspluatācijas parametru izpēte

Risinot šo tēmu, galvenokārt ir izstrādāti 4 veidu sivēnu vietējās apsildīšanas projektu varianti:

  1. sivēnu apsildīšanai no augšas izmanto sildītāju ar 0,25 kW elektrisko spoguļspuldzi (Warmstrahlgeret fur Tiere), vienu katram metienam;
  2. sivēnu apsildei no augšas izmanto sildītāju ar 1 kW elektrisko stieņspuldzi (ISH-1000) ar jaudas regulatoru, uzstādot vienu sildītāju uz divām sivēnu migām;
  3. no apakšas sivēnus apsilda ar uz siltinātas betona grīdas novietotiem elektriskiem plastmasas sildpaneļiem tipa “Kane”, bet no augšas apsilda ar infrasarkano sildītāju, kuram 0,25 kW spoguļspuldze;
  4. no augšas sivēnus apsilda ar 0,25 kW spoguļspuldzi, bet no apakšas – grīdas sildīšanai izmanto ar ūdeni apsildāmus betona sildpaneļus.

Ziemā ūdens sildīšanai izmanto centrālapkures siltumu, bet vasarā ūdeni silda ar elektrību vai saules siltumu. Trešajam un ceturtajam variantam pieņemts, ka 0,25 kW sildītāju izmanto tikai 5 dienas katra sildīšanas cikla sākumā. Aprēķināti šo variantu tehniski – ekonomiskie rādītāji. Pilnveidota izstrādātā betona sildpaneļu pētīšanas metodika:

  • pirmkārt, sildpaneļa virsmas temperatūras mērījumus, tai skaitā temperatūras sadalījuma vienmērības mērījumus, veikt temperatūru ekstrēmu punktos, tos iepriekš nosakot, piemēram, ar distances termometru;
  • otrkārt, izdalīt divus sildpaneļa darba režīmus – 1) ūdens nepārtrauktas cirkulācijas režīms un 2) ūdens periodiskas cirkulācijas režīms.

Saskaņā ar pilnveidoto metodiku tika veikti ar ūdeni apsildāmo betona sildpaneļu pētījumi. To rezultātā noskaidrots, ka:

1. Ar ūdeni apsildāmā betona sildpaneļa virsmas temperatūru var regulēt divējādi:

1) mainot sildpanelī nepārtraukti cirkulējošā ūdens temperatūru (ūdens nepārtrauktas cirkulācijas režīms);

2) mainot karstā ūdens cirkulācijas ilgumu sildpaneļa sildīšanas-dzesēšanas cikla (perioda) laikā.

Pirmajam paņēmienam ir šādas priekšrocības: var izmantot ūdeni ar samērā zemu temperatūru, līdz ar to pie citiem līdzīgiem nosacījumiem, salīdzinājumā ar otro variantu, var iegūt vienmērīgāku temperatūras sadalījumu pa sildpaneļa virsmu. Ūdenim ar zemāku temperatūru ir arī mazāki siltuma zudumi vados un to, ar augstāku lietderības koeficientu, var iegūt, piemēram, saules kolektora iekārtās. Pielietojot pirmo paņēmienu, vairums gadījumos jāizmanto ūdens sajaucējvārstus, tai skaitā automātiskos, kuri ir samērā dārgi. Pielietojot otro paņēmienu, sildpanelī jāiebūvē termosensors, kas ar elektroniska vadības bloka palīdzību darbinātu ūdens sūkņa dzinēju.

2. Ūdens nepārtrauktas cirkulācijas režīmā, temperatūru sadalījuma vienmērību pamatā nosaka sildpaneļa virsmas un apkārtējā gaisa temperatūru starpība. Jo lielāka šo temperatūru starpība jāiegūst, jo siltākam jābūt ūdenim un jo lielāka temperatūru starpība rodas punktos uz sildpaneļa virsmas. Piemēram, ja sildpaneļa virsmas un apkārtējā gaisa temperatūru starpība ir 6,5 0C, tad lielākā konstatētā temperatūru atšķirība uz sildpaneļa virsmas ir 1,8 0C, bet ja 15,5, tad 4 0C. Temperatūras sadalījuma vienmērību uz sildpaneļa darba virsmas galvenokārt nosaka attālums starp ūdens cirkulācijas cauruļu vijumiem panelī. Lai iegūtu vienu un to pašu temperatūras sadalījuma vienmērību pa sildpaneļa virsmu, pie augstākas sildvirsmas un apkārtējā gaisa temperatūru starpības attālumam starp caurulēm ir jābūt mazākam un otrādi. Šim virsmas temperatūras regulēšanas paņēmienam raksturīgs ir tas, ka pēc stacionāras darba režīma iestāšanās temperatūru sadalījuma vienmērība paliek nemainīga.

3. Arī periodiskas ūdens cirkulācijas režīmā temperatūru sadalījuma vienmērību nosaka cirkulējošā ūdens temperatūra. Taču šeit temperatūru sadalījumam nav stacionārs raksturs. Perioda laikā sildpaneļa virsmas temperatūra dažādos punktos svārstās ar dažādu amplitūdu. Raksturīgi ir sildvirsmas punkti virs caurulēm un vidū starp tām. Piemēram, konstatēts, ka, ja cirkulējošā ūdens temperatūra ir 50 0C un apkārtējā gaisa temperatūra 24 0C, tad viena sildīšanas-dzesēšanas perioda laikā paneļa sildvirsmas temperatūra punktos virs caurulēm mainās par 3,50C, bet punktos starp caurulēm - tikai par 0,5 0C.

4. Periodiskas ūdens cirkulācijas režīmā pie konstantas apkārtējā gaisa temperatūras perioda ilgums maz atkarīgs no cirkulējošā ūdens temperatūras. Cirkulējošā ūdens temperatūrai mainoties no 36,5 līdz 55 0C konstatētā sildīšanas-dzesēšanas perioda ilguma izmaiņa ir no 30 līdz 33 min. Cirkulācijas sūkņa darbības ilgums perioda laikā lielā mērā atkarīgs no cirkulējošā ūdens temperatūras un minētajām temperatūrām ir atbilstoši 11,5 un 2,5 min. (gaisa temperatūra 22 0C, sildvirsmas temperatūra 29,50C).

5. Periodiskas ūdens cirkulācijas režīmā, sūkņa darbības perioda ilgums stipri atkarīgs no sildpaneļa virsmas un apkārtējā gaisa temperatūru starpības. Noskaidrots, ka pie šo temperatūru starpības 7,4 0C, perioda ilgums ir 32 min., bet pie 12,8 0C - 18 min. Šajā režīmā sildpaneļa virsmas temperatūras svārstības ir mazākas pie lielākām sildpaneļa virsmas un apkārtējā gaisa temperatūru starpībām.

6. Periodiskas ūdenscirkulācijas režīmā sildpaneļa patērētai jaudai ir impulsīvs raksturs un maksimālo vērtību tā sasniedz pēc 1 līdz 2 minūtēm no sūkņa ieslēgšanās brīža. Patērētās jaudas maksimālā vērtība atkarīga no cirkulējošā ūdens temperatūras un sūkņa ražības. Eksperimentos noskaidrots, ka, ja sildpanelī cirkulējošā ūdens temperatūra ir 63 0C un sūkņa ražība 97 l/h, tad patērētās jaudas maksimālā vērtība ir 2,1 kW, un tā ir apmēram 20 reizes lielāka par sildpaneļa nominālo jaudu. Patērējot lielu jaudu, sildpanelis rada lielu ieejošā un izejošā ūdens temperatūru starpību. Piemēram, ja sildpaneļa jauda ir 2,1 kW un sūkņa ražība 70 l/h, tad ūdens temperatūras kritums sildpaneli būs 260C, kas var stipri nelabvēlīgi ietekmēt virknē slēgto sildpaneļu darbību.

7. Sakarībai starp sildpanelī cirkulējošā ūdens temperatūru un sildpaneļa virsmas un apkārtējā gaisa temperatūru starpību nav lineārs raksturs.

8. Eksperimentālam sildpanelim sildvirsmas vidū temperatūra ir par 1 0C augstāka nekā  gar tā malām. Lai ūdens nepārtrauktas cirkulācijas režīmā paneļa virsmas temperatūra dažādās tās vietās nepārsniegtu 2 0C un atbilstu zootehnisko prasību normām, gar paneļa malām novietotās caurules jāliek tuvāk vienu otrai vai arī jāierīko apmalu siltuma izolācija.

9. Veikta ar ūdeni apsildāmo betona sildpaneļu konstrukciju analīze un dots to salīdzinošs vērtējums. Noskaidrots, piemēram, ka sildpanelis ar siltinātu apmali, salīdzinot ar eksperimentālo, patērē par 40% mazāk siltuma enerģijas un ir par 30% vieglāks.