Костромская Государственная Сельскохозяйственная Академия Кафедра безопасности жизнедеятельности и теплоэнергетики Пояснительная записка к курсовой работе по теме: “Отопление и вентиляция коровника на 400 голов” Выполнил: студент 3 курса 2 группы факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства Руководитель: Шабалина Людмила Николаевна Кострома 3 Содержание Введение 4 Краткое описание объекта 5 1. Определение расчетного воздухообмена 6 2. Расчет теплового баланса помещения 8 3. Выбор калорифера 13 4. Аэродинамический расчет воздуховода и выбор вентилятора 15 5. Расчет вытяжной вентиляции 19 Список литературы 20 4 Введение В данном курсовом проекте ведется расчет теплоснабжения коровникана 400 голов беспривязного содержания в боксах с подпольным навозохранением. Проект состоит из пяти разделов: – определение расчетного воздухообмена; – расчет теплового баланса помещения; – выбор калорифера; – аэродинамический расчет воздуховода и выбор вентилятора; – расчет вытяжной вентиляции. Расчетно-пояснительная записка содержит также список использованной литературы, краткое описание объекта. 5 Краткое описание объекта В данной пояснительной записке производится расчет отопления и вентиляции для коровника на 400 голов боксового беспривязного содержания с подпольным навозохранением. В коровнике содержаться лактирующие коровы с удоем 15 литров и живой массой 400 килограмм. Объект расположен в Тульской области. Расчетная отопительная температура –27 С. Расчетная вентиляционная температура –14 С. Атмосферное давление 99 кПа. Относительная влажность воздуха 82 %. Протяженность с северо-запада на юго-восток. Стены коровника выполнены из керамзитобетонных панелей,окрашенных извесковым раствором, в пристройках кирпичные сплошной кладки, перегородки кирпичные. Кровля коровника из асбоцементных волнистых листов, в помещении для раздачи грубых кормов – рулонная. Полы бетонные, цементные, деревянные. Над траншеями навозохранения – чугунные решетки. Вентиляция приточная с механическим побуждением. Отопление воздушное совмещенное с приточной вентиляцией. 6 1. Определение расчетного воздухообмена. Необходимый воздухообмен при повышенномй концентрации углекислого газа в помещении определяется по формуле QCO2 V CO2 CВ CН (1.1) , где VCO2 – количество углекислого газа, выделяемого в помещении, м3/ч; СН=0,3 л/м3 [2] – концентрация углекислоты в наружном приточном воздухе; СВ=2,5 л/м3 [2]– допустимая концентрация углекислого газа в воздухе помещения; VCO2 C Ж . n Ж . k , (1.2) где СЖ=143 л/ч [2] – норма выделения углекислоты одним животным; nЖ=400 – количество животных; k=1.03 – коэффициент выделения животными углекислоты, зависящий от влажности внутри помещения. Количество углекислого газа, выделяемого в помещении л VCO2 143. 400. 1.03 58916 ч Подставив численные значения в формулу (1.1), получится численное значение расчетного воздухообмена по углекислому газу QCO2 58916 2.5 0.3 26780 м 3 ч Воздухообмен при условии удаления из помещения избыточной влаги находится по формуле [2] QW W dВ dН . , (1.3) где W – масса водяных паров, выделяющихся в помещении, г/ч; dВ =3 г/кг – влагосодержание внутреннего воздуха находится по H-dдиаграмме для температуры tВ=3С и влажности воздуха В=70 %; dН=0.4 г/кг – наружного приточного воздуха определяется по H-dдиаграмме для температуры tН=-27С и влажности воздуха Н=82 %; – плотность воздуха при температуре помещения, кг/м3 . Суммарные влаговыделения в помещении для животных рассчитывается по формуле [3] W WЖ WИСП , (1.4) Влагу, выделяемую животными, определяют по формуле [3] W Ж n . w. k t . k , (1.5) где n=400 – количество животных с одинаковым выделением водяных паров; 7 w=458 г/ч [3] – выделение водяных паров одним животным; kt=1.16 [3] – коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых животным водяных паров в зависимости от температуры воздуха внутри помещения; k=1.03 – коэффициент выделения животными водяного пара, зависящий от влажности внутри помещения. Подставив в формулу (1.5) значения величин, масса выделяемой влаги будет равна г WЖ 400. 458. 1.16. 1.03 218887 ч Влага, испаряющаяся с мокрых поверхностей помещения определяется по формуле [3] W ИСП . W Ж , (1.6) где =0.1 – коэффициент, зависящий от подстилки, канализации и др. г 0.1. 218887 21888.7 ч WИСП Плотность сухого воздуха в зависимости от температуры и барометрического давления определяется по формуле [2] 346 273 . PБ t B 99.3 , (1.7) где tB=3C – температура внутреннего воздуха; PБ=99 кПа – барометрическое давление. 346 . 99 кг 1.25 3 273 3 99.3 м Подставив в формулу (1.3) значения величин, станет известно значение воздухообмена по избыточной влажности QW 218887 ( 4.2 3 м 21888.7 56772 0.4 ) . 1.25 ч Т.к значение воздухообмена по избыточной влаге больше значения воздухообмена по углекислоте, то воздухообмен по избыточной влаге берется за расчетный воздухообмен. QРАСЧ=QW (1.8) Кратность воздухообмена определяется по формуле K QРАСЧ VП , где QРАСЧ= 56772 м /ч – расчетный воздухообмен; V=8948 м3 – объем коровника; 56772 K 6.345 8948 3 (1.9) 8 2. Расчет теплового балланса помещения. Рис.1. Ориентация здания по сторонам света. Помещение для содержания коров имеет размеры 106.75х18.6х2.45 м и помещение для раздачи грубых кормов 9.2х18х6.5 м. Потолки в коровнике отсутствуют. Полный объем помещения 8948 м3. Расположение коровника с северо-запада на юго-восток. Стены коровника выполнены из керамзитобетонных панелей толщиной =0.31 м с теплопроводностью =0.2 Вт/(мС) [2] покрыты известковым раствором толщиной =0.0012 м с теплопроводностью =0.76 Вт/(мС). Кровля осуществлена волнистой асбофонерой толщиной =0.008 м теплопроводностью =0.35 Вт/(мС) [2] с утеплителем на минеральной вате толщиной =0.08 м теплопроводностью =0.07 Вт/(мС) [2]. Полы деревянные с прослойкой из битумной мастики на утрамбованном грунте или чугунные решетки. Стены помещения для раздачи грубых кормов выполнены из красного кирпича толщиной =0.51м. Кровля четыре слоя руберойда =0.006 теплопроводностью =0.17 Вт/(мС) [2] на битумной мастике по цементной стяжке =0.015 м теплопроводностью =0.84 Вт/(мС) [2]. Утеплитель– жесткие минерало-ватные плиты толщиной =0.08 м теплопроводностью =0.07 Вт/(мС) [2]. Полы в помещении цементные толщиной =0.025 м по бетону =0.1 м на утрамбованной почве. Поток теплоты, теряемой помещением, складывается из основных потерь теплоты через все его наружние ограждения и добавочных теплопотерь [3] Ф ОГР Фk Ф ДОБm , (2.1) k m Основные потери теплоты складываются из потерь через наружные стены, окна, двери, крышу и пол. Общая площадь поверхности 50 оконных блоков с двойным раздельным остеклением F ОК 3.92. 0.7. 50 137.2 м2 Значение сопротивления теплопередачи окон [2] R0=0.38 м2*С/Вт 9 Потери тепла через ограждение вычисляются по формуле [3] Ф 1. . F tВ R0 tН . n , (2.2) где R0 – общее сопротивление теплопередаче ограждения, м2*С/Вт; F=FОК – площадь поверхности ограждения, м2; tВ и tН – расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха,С; n – коэффициент, зависящий от положения наружного ограждения по отношению к наружному воздуху. Основные потери теплоты через окна 1 . Ф' ОК 137.2. ( 3 27 ) . 1 10831.5 Вт 0.38 Т.к. половина окон расположена с северо-восточной стороны, то принимаются добавочные потери, равные 10% от потерь через окна. Тогда потери через окна с учетом дополнительных потерь 10831.5. Ф ОК 10831.5 0.1 11373 Вт 2 Общая поверхность одинарных дверей FД1=46.9 м2, толщина которых Д=0.1 м, R0=0.215 м2С/Вт [2]. Площадь двойных дверей с тамбуром FД2=6 м2, сопротивление теплопередаче R0=0.43 м2С/Вт [2]. Потери тепла через двери составят 46.9 . 6 . Ф' ДВ ( 3 27 ) ( 3 27 ) 6962.8 Вт 0.215 0.43 Т.к. часть дверей обращены на северо-восток и северо-запад, добавочные потери через них составят 10% от основных через данное заграждение [2] 5.76 3.78 16.8 6 . Ф ДОП 0.1. ( 3 27 ) 409.4 Вт 0.215 0.43 Полные потери через двери составят Ф ДВ 409.4 7372.2 Вт 6962.8 Площадь поверхности наружных стен коровника и помещения для раздачи грубых кормов F Н.С ( 2. 108.75 18.6 ). 2.45 137.2 19.3 ( 2. 9.2 18.6 ). 6 33.6 421.7 188.4 м 2 Значение сопротивления теплопередачи наружных ограждений определяется по формуле m R0 RB R Ti i= 1 RH , (2.3) 10 где RB=0.086 м2*С/Вт [2] – сопротивление тепловосприятию, т.к заполнение помещения составляет 82 кг/м2; RTi – сопротивление теплопроводности отдельных слоев m-слойного ограждения; RН=0.043 м– сопротивление теплоотдаче. Для стен коровника сопротивление теплопередаче 0.31 0.0012 R 0 0.086 0.043 1.681 м2С/Вт 0.2 0.76 Для стен пристройки сопротивление теплопередаче 0.51 R 0 0.086 0.043 0.759 м2С/Вт 0.81 Основные теплопотери через стены коровника составят 421.7. 188.4 . Ф' НС ( 3 27 ) ( 3 27 ) 14972.5 Вт 1.681 0.759 Т.к. имеется вде наружные стены то дополнительные потери через стены составят 5% от основных, дополнительные потери составят 10% через северо-восточную и северо-западную стены, дополнительные потери 5% составят через юго-восточную стену [2]. Все дополнительные потери составят Ф ДОП 296.5 1.681 38.4 . (3 0.759 27 ) . 0.1 108 . (3 0.759 27 ) . 0.05 1497.3 2391.7 Вт Полные потери тепла через наружные стены Ф С 14972.5 2391.7 17364.2 Вт Площадь поверхности покрытия коровника и пристройки F ПЕР 9.72. 108.75. 2 18. 9.2 2114 166 м 2 Термическое cопротивление тепловосприятию перекрытия RB=0.115 м С/Вт [2]. Термическое сопротивление теплоотдачи наружной поверхности покрытия RH=0.043 м2С/Вт [2]. Сопротивление покрытия коровника 0.008 0.08 R 0 0.115 0.043 1.324 м2С/Вт 0.35 0.07 Сопротивление покрытия помещения для раздачи 0.006 0.015 0.08 R 0 0.115 0.043 1.354 м2С/Вт 0.17 0.84 0.07 Общие потери через кровлю составят 1 . 1 . . Ф ПЕР 2114. ( 3 27 ) 166 ( 3 27 ) 51578 Вт, 1.324 1.354 В общем случае сопротивление теплопередаче ограждения определяется по формуле 2 11 Потери теплоты через неутепленные полы вычисляются по зонам – полосам шириной 2 м, параллельных наружным стенам (рис.2.). Рис.2. Зоны полов. Т.к. потери во второй и третьей зонах компенсируются за счет тепловыделений от хранящегося под полом навоза, то расчет теплопотерь ведется только в первой и четвертой зонах. Сопротивление теплопередаче считается как для неутепленных полов [3]: – для первой зоны RП=2.15 м2С/Вт; – для четвертой зоны RП=14.2 м2С/Вт. Суммарные теплопотери по всем зонам пола 546 425 . Ф ПОЛ ( 3 27 ) 8516 Вт 2.15 14.2 Общие теплопотери через все ограждения Ф ОГР 11373 7372.2 17364.2 51578 8516 96203.4 Вт Определение теплоты, расходуемой на нагрев приточного воздуха, производится по формуле Ф В 0.278. Q. . c. tB tH , (2.4) где Q=QРАСЧ= 56777 м3/ч – расчетный воздухообмен помещения; =1.25 кг/м3 – плотность воздуха при расчетной температуре tB=3С внутри помещения; с=1 кДж/(кгС) – удельная изобарная теплоемкость воздуха; tH=-27С – температура наружного воздуха. Значение теплоты, расходуемой на нагрев приточного воздуха Ф В 0.278. 56777. 1.25. ( 3 27 ) 591900 Вт Определение расхода теплоты на испарение влаги. Поток теплоты, расходуемой на испарение влаги с мокрых поверхностей помещения Ф ИСП 0.278. 2.49. WИСП , где 2.49 – скрытая теплота испарения, кДж/г; WИСП= 21888.7 г/ч – объем испаряющейся влаги. Расход теплоты на испарение влаги (2.4) 12 Ф ИСП 0.278. 2.49. 21888.7 15151.8 Вт Теплопотери на нагрев инфильтрующегося воздуха равны 30% от потерь теплоты через все наружные ограждения Ф ИНФ 0.3. 96203.4 28861 Вт Поток свободной теплоты, выделяемой животными ФЖ n . q . k t, (2.5) где n=400 – количество животных; q=799 Вт [2] – поток свободной теплоты, выделяемой одним животным; kt=1.16 [2] – коэффициент, учитывающий изменение количества выделенной живатным теплоты в зависимости от температуры воздуха внутри помещения. Поток свободной теплоты, выделенной животными, составит ФЖ 400. 799. 1.16 370736 Вт Избыточное тепловыделение ФИЗБ=ФЖ–ФОГР–ФИНФ=370736–96903.4–28861=244971.6 Вт Тепловая мощность системы отопления и вентиляции Ф ОТ 96203.4 Ф ОТ Ф ОГР Ф В Ф ИСП Ф ИНФ ФЖ 591900 15151.8 28861 370736 361380.2 Вт В коровнике устанавливаем воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией. Система подогрева воздуха в калориферах, работающих на воде, состоит из четырех калориферов. Воздуховоды расположены с югозападной стороны здания. 13 3. Выбор калорифера. Предварительная массовая скорость воздуха в калорифере берется равной (v)Р=9 м/с и определяется расчетная площадь живого сечения для калорифера [2] fP fP 1.25. QРАСЧ 3600. ( v ) P , (3.1) 1.25. 56777 2.19 м2 . 3600 9 Т.к. площадь живого сечения велика, то необходимо взять четыре калорифера при параллельной работе (по ходу воздуха). Тогда площадь живого сечения каждого калорифера будет равна fP/4=0.548 м2. В таблице калориферов [2] данной площади больше всех соответствует КВБ №10 – площадь поверхности нагрева F=47.8 м2; – площадь живого сечения по воздуху f=0.558 м2; – площадь живого сечения по теплоносителю fТ=0.0107 м2. Действительная массовая скорость воздуха для данного калорифера уточняется по формуле [2] QРАСЧ . v (3.2) 3600. 4. f 56777. 1.25 v 8.83кг/(см2) 3600. 4. 0.558 Скорость воды в трубках калорифера определяется по следующей формуле [2] w 0.25. Ф 3. 10 B. cB. tГ tО .f , (3.3) T где В=1000 кг/м – плотность воды; сВ=4.19 кДж/(кгС) – удельная теплоемкость воды; tГ =95С и t0=70С – температура воды на входе в калорифер и выходе из него; fТ=0.0107 м2 – площадь живого сечения трубок калорифера для прохода теплоносителя . Четыре калорифера подключены параллельно к трубам теплоносителя, поэтому каждый калорифер обеспечивает четверть теплового потока (0.25Ф) на нагрев воздуха. Т.к. в коровнике присутствует избыточное тепловыделение, то температура после калорифера подбирается по Нd-диаграмме и не будет соответствовать температуре внутри коровника. Температура воздуха после калорифера tК=–2 С. Скорость движения воды в калорифере составит 3 14 w 0.25. 361380.2 3. 3. 10 10 4.19. ( 95 70 ) . 0.0107 0.08061 м/с Дейсвительный поток теплоты, передаваемый калориферной установкой нагреваемому воздуху [2] Ф К k . 4. F . t' СР tСР , (3.4) где k=23.7 Вт/(м2С) [2] – коэффициент теплопередачи; F=47.8 м2 – площадь нагрева калорифера; t’CP=(tГ+t0)/2=(95+70)/2=82.5 С – средняя температура воды; tСР=(tК+tН)/2=(-2-27)/2=-14.5 С – средняя температура нагреваемого воздуха. Поток теплоты, выделяемой четырьмя калориферами, подключенных параллельно к трубопроводам, равен ФК 23.2. 47.8. ( 82.5 к 14.5 ) 430276 Вт 430276 361380. 100 19 % 361380 Запас по теплоотдаче составляет 19 %, значит калорифер выбран правильно. 15 4. Аэродинамический расчет воздуховода и выбор вентилятора. Подачу вентиляторов принимается по значению расчетного воздухообмена с учетом подсосов воздуха в воздуховодах. Т.к. подача воздуха в помещение будет осуществлятся двумя вентилиторами, то берется половина расчетного воздухообмена [2] QP 273 t . . QB k П , 2 273 t B (4.1) где kП=1.15 – поправочный коэффициент на подсосы воздуха в воздуховодах; t=-27 C – температура воздуха, проходящего через вентилятор; tВ=3 С – температура воздух внутри помещения. Подача одного вентилятора 56772 . 273 27 QB 1.15. 29095 м3/ч 2 273 3 Полное расчетное давление, которое должен развивать вентилятор определяется по формуле [2] P B 1.1. ( R . l Z ) P ДВЫХ Р К , (4.2) n где 1.1 – запас давления на непредвиденные сопротивления; ( R . l Z ) – потери давления на трение и в местных сопротивлениях в n наиболее протяженной ветви вентиляционной сети, Па; R – удельная потеря давления на трение, Па/м; l – длина участка воздуховода, м; Z n 2 v . . – потеря давления в местных сопротивлениях участка 2 воздуховода, Па; v – скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с; – плотность воздуха в трубопроводе, кг/м3; РДВЫХ – динамическое давление на выходе из сети, Па; РК – сопротивление калориферов, Па. Подача воздуха в помещение будет осуществлятся двумя параллельными вентиляторами по двум воздуховодам, поэтому расход воздуха в каждом ответвлении будет равен четверти от расчетного Q=14194 м3/ч . Приняв скорость движения воздуха на участке №1 равной 13 м/с, а на участке №3 – 9 м/с, диметры воздуховодов определяются по формуле [2] 16 di Qi 900. . vi , 28388 0.879 м, 900. . 13 d1 (4.3) d3 14194 0.747 м. 900. . 9 При помощи номограммы определяются потери давления на трение в наиболее протяженной ветви вентиляционной сети (участок 1-3) [2]. Для участка №1 d1=0.879 м и v1=13 м/с R1=1.62 Па/м Коэффициенты местных сопротивлений для участка №1 элементов проточной системы [2] – жалюзийная решетка на входе с поворотом потока =2; – диффузор вентилятора =0.15; – 3 колена под углом 90 круглого сечения =31.1=3.3; – отвод круглого сечения под углом 90 =0.15. 2 0.15 3.3 0.15 5.6 n Коэффициенты местных сопротивлений для участка №3 элементов проточной системы [2] – внезапное сужение сечения (F2/F1=d22/d12=0.7472/0.8792=0.722) =0.2; – колено под углом 90 круглого сечения =1.1; – 24 выходных отверстий (v0/v3=0.667) =241.25=30. 0.2 1.1 30 31.3 n № уч. 1 3 Бланк расчета системы вентиляции QB l, м v,м/с d, м R Rl РД 3 м /ч Па/м Па Па 28388 9.21 13 0.879 1.62 14.92 5.6 100 14194 62.18 9 0.747 0.98 60.9 31.3 50 Таблица 1 Z, Па Rl+Z Па 560 574.92 175 235.9 Общая потеря давления в воздуховоде определяется путем суммирования потерь на всех его участках ( R. l Z) 574.92 235.9 810.82Па. n Равномерное распределение приточного воздуха по длине вентилируемого помещения при помощи магистрального воздуховода постоянного сечения обеспечивается за счет различных по площади его 17 воздуховыпускных отверстий. Подача воздуха производится по двум воздуховодам. Сначала расчитывается диаметр наиболее удаленного от вентилятора отверстия по формуле [2] Q3 f1 , (4.4) 3600. n . v где Q3=14194 м3/ч – расход воздуха в воздуховоде; n=24 – число отверстий; v=6 м/с – скорость воздуха на выходе из отверстия. Число отверстий в воздуховоде должно удовлетворять неравенству [2] F . f n< 1 (4.5) 1 24 < 1 0.438 26 0.65. 0.0274 Неравенство (4.6) верно, следовательно число отверстий выбрано верно. f1 14194 0.0274 м2 3600. 24. 6 Площадь i-го отверстия находится по формуле [2] fi Ai. f1, (4.6) Коэффициент А определяется по формуле [2] 1 Ai . ( i 1 1 ) . f1 2 (4.7) , F где 0.65 – коэффициент расхода; Результаты расчетов заносим в таблицу 2. F=d32/4=0.438 м2 – площадь сечения воздуховода. Динамическое давление воздуха на выходе из сети P ДВЫХ 2 1.25. 6 2 22.5 Па Сопротивление калориферной установки КВБ №10 при массовой скорости воздуха 8.83 кг/(см2) равно РКУ = 60 Па. Полное расчетное давление P B 1.1. ( 810.82 22.5 60 ) 893.32 Па По данным условиям по диаграмме подбираем вентилятор Ц4–70, для которого А=8000, КПД вентилятора В=0.79, частота вращения вентилятора n=8000/10=800 об/мин. Таблица 2 18 i 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ai 1 1.003 1.0075 1.0134 1.02127 1.03107 1.04303 1.05735 1.07432 1.09429 1.11771 1.14517 fi 0.0274 0.02747 0.02759 0.02775 0.02796 0.02823 0.02856 0.02895 0.02942 0.02996 0.0306 0.03136 i 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Ai 1.17745 1.21556 1.26093 1.31552 1.38222 1.46538 1.57197 1.71407 1.91477 2.22585 2.79911 fi 0.03224 0.03328 0.03452 0.03602 0.03785 0.04012 0.04304 0.04693 0.05243 0.06094 0.07664 Приняв клиноременную передачу на вентиляторе, определяем требуемую мощность двигателя по формуле [2] NB Q B. P B (4.8) 6 3.6. 10 . B. П Требуемая мощность двигателя (кВт) NB 29095. 893.32 6 3.6. 10 . 0.79. 0.95 9.62 Коэффициент запаса мощности kЗ=1.1 [2]. Мощность электродвигателя N УСТ k З. N В 1.1. 9.62 10.58 кВт По каталогу подбираем асинхронный двигатель 4АК160S4Y3 мощностью N=11 кВт с частотой вращения 1500 об/мин. 19 5. Расчет вытяжной вентиляции. Скорость воздуха в вытяжной шахте при естесвенной тяге находится по формуле [2] h . tB tHB vВШ 2.2. , 273 (5.1) где h=3 м – высота вытяжной шахты; tB=3 C и tНВ= –14 C – расчетная температура наружного и внутреннего воздуха. 3. ( 3 14 ) vВШ 2.2. 0.95 м/с 273 Площадь поперечного сечения всех вытяжных шахт при естественной тяге [2] F Q 3600. v 56777 16.6 3600. 0.95 ВШ (5.2) Число вытяжных шахт [2] n ВШ F f (5.3) , где f=0.49 м2 – площадь живого сечения одной шахты. n ВШ 16.6 0.49 33.9 Принимаем 34 шахты квадратного сечения 0.7х0.7 м. 20 Список литературы: 1. Драганов Б.Х. Курсовое проектирование по теплотехнике и применению теплоты в сельском хозяйстве. – М.: ”Агропромиздат”, 1991. 2. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты в сельском хозяйстве. – М.: ”Агропромиздат”, 1985. 3. Захаров А.А. Применение теплоты в сельском хозяйстве. – М.: ”Агропромиздат”, 1986. 4. Строительные нормы и правила. Сроительная климатология и геофизика. СНиП 2.01.01–82.