Способ комбинированного локального энергосберегающего обогрева и устройство для его реализации

Способ комбинированного локального энергосберегающего обогрева и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемый способ относится к сельскому хозяйству, в частности к животноводству. В практике выращивания молодняка сельскохозяйственных животных используют различные способы для комбинированного обогрева.

Специфика применяемых для комбинированного обогрева электронагревателей состоит в том, что в, условиях высоких тарифов на электроэнергию для повышения эффективности их работы требуется, с одной стороны, обеспечение комфортных условий содержания молодняка для получения максимального привеса при их выращивании, с другой стороны, минимизация энергозатрат на обогрев животных.

Известен способ обогрева молодняка сельскохозяйственных животных и устройство для его осуществления [1], включающий измерение тепловых параметров среды обитания на основе имитационной модели животного, оснащенной внутренним нагревателем, вычисление величины комплексного показателя теплового комфорта животного, задание технологического значения этого показателя, сравнение вычисленной по результатам измерений его величины с его заданным значением и регулирование обогрева животных. Недостатками данного способа являются большие энергетические затраты на общий обогрев помещений с животными и невозможность обеспечения непрерывного во времени режима минимальных затрат при общем к локальном обогреве.

Известны способ и устройство экономичного общего обогрева животноводческого помещения и локального обогрева сельскохозяйственных животных [2]. Способ включает измерение и задание так называемой ощущаемой животными температуры, сравнение измеренной и заданной величин. В зависимости от изменяемого сигнала сформированной величины температуры воздуха вычисляют стоимость затрат энергии на обогрев, по результатам вычислений определяют наименьшую суммарную величину стоимостей затрат и соответствующий ей сигнал величины температуры, по которому корректируют режим обогрева.

В данном способе, хотя и минимизируются эксплуатационные затраты на общий и локальный обогрев, однако достижение экономически оптимального и энергетически рационального комбинированного обогрева строится на основе субъективного показателя теплового комфорта в виде числа градусов "ощущаемой" животным температуры, которая является линейной моделью многих параметров, зависящих от площади поверхности тела животного, температуры воздуха в зоне размещения животного, температуры пола и ограждающих поверхностей и фактически не отражает реальный температурный режим животного. Кроме того, реализуемая данным способом оптимизация сводится в основном к уменьшению затрат на общий обогрев помещения, которые являются определяющими в данном способе обогрева.

Наиболее близкими по технической сущности и выполняемой функции к заявляемому способу и устройству для его реализации является радиационный способ управления источниками обогрева и устройство для его осуществления [3], в котором локальный обогрев животных основан на одновременном инфракрасном, ультрафиолетовом облучении и аэроионизации. Оптимизация режимов работы источников инфракрасного и ультрафиолетового облучения осуществляется на основе обратной связи между режимом работы облучателей и физиологическим состоянием животных путем измерения радиационной температуры молодняка сельскохозяйственных животных с помощью пирометра. Благодаря более объективной оценке по радиационной температуре состояния животных обеспечивается комфортный их тепловой режим содержания.

Недостатками данного способа являются: отсутствие измерения влажности и температуры наружного воздуха, что значительно уменьшает эффективность этого способа, особенно при выращивании молодняка. Высокая влажность воздуха, особенно в сочетании с низкой температурой, очень вредна для неокрепших животных. Прежде всего, влажность влияет на теплорегуляцию организма, например, поросят-сосунов. Снижение температуры и повышение влажности воздуха резко увеличивает его теплопроводность и теплоемкость, что приводит к большой потере тепла животными. В воздухе с высокой влажностью теплоотдача путем испарения практически невозможна. Холодный воздух с высокой влажностью вызывает затруднение дыхания, ослабление пищеварения, снижение упитанности и продуктивности животных. Кроме того, использование для обогрева только локального источника тепла, расположенного сверху над животными неэффективно, так как не способствует быстрому обсыханию новорожденных животных и при повышенной подвижности воздуха в животноводческом помещении может вызывать увеличение теплоотдачи животными и даже и к быстрое переохлаждение. Данный способ не позволяет производить оценку энергозатрат на обогрев в реальном масштабе времени и тем самым производить учет их влияния на технико-экономические показатели животноводческой продукции.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что он включает в себя получение информации с пирометрического датчика радиационной температуры животного, ее обработку и выдачу управляющих команд на включение и выключение ультрафиолетовыми, инфракрасными облучателями и аэроионизатора. Отличается предлагаемый способ тем, что на начальном этапе до появления животного в зоне локального обогрева подают безопасное напряжение на электроковрик, расположенный в зоне локального обогрева, получают информацию с датчика окружающего воздуха и с датчика электроковрика и при достижении температуры электроковрика на несколько градусов выше температуры окружающего воздуха сигнализируют о готовности к приему животного, появление которого в зоне локального обогрева фиксируют по срабатыванию тензодатчика веса в зоне локального обогрева, после чего по программе, учитывающей возраст, вид и породу животного, производят локальный обогрев животного, при этом измеряют влажность окружающего воздуха и по ее величине корректирют температурную уставку как регулятора радиационной температуры, так и регулятора температуры электроковрика, причем увеличение влажности окружающего воздуха изменяет температурные уставки в сторону увеличения и наоборот, одновременно снимают показания токов потребления и время нахождения во включенном состоянии отдельно "инфракрасных, ультрафиолетовых облучателей, аэроионизатора и электроковрика и на основе этих показании вычисляют каждые сутки энергозатраты на комбинированный локальный обогрев, а на основе измеряемых показаний тензодатчика веса вычисляют суточный привес животных. Анализируя эти данные оптимизируют режим комбинированного локального обогрева, достигая наибольшей продуктивности. Максимальное задаваемое значение уставки радиационной температуры не должно превышать температуры перегрева, а минимальное задаваемое значение уставки не должно быть ниже температуры переохлаждения животных вне зависимости от временных параметров программы их облучения и величины измеряемой влажности воздуха.

Таким образом, предлагаемый способ раскрывает новые функциональные возможности комбинированного локального обогрева, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

Также поставленная цель достигается тем, что устройство для реализации предлагаемого способа, включающее блок управления облучением, пирометрический датчик, реле времени, блок сравнения, инфракрасные, ультрафиолетовые излучатели и аэроионизатор дополнительно содержит микроЭВМ с блоком питания, два датчика температуры, четыре датчика тока с блоками согласования, датчик влажности и тензодатчик веса, с модулями сопряжения, модуль ввода данных индикации и сигнализации, ключ управления и электроковрик, при этом блок питания, реле времени, выход блока сравнения, дополнительные датчики температуры и модуль ввода данных индикации и сигнализации, непосредственно подключены ко входам микроЭВМ, датчики тока, датчик влажности и тензодатчик веса подключены к входам микроЭВМ соответственно через блоки согласования и модули сопряжения, причем выходы микроЭВМ подключены непосредственно к модулю ввода данных индикации и сигнализации, к первому в коду блока сравнения, а через блок управления облучением - к инфракрасным, ультрафиолетовым излучателям и аэроионизатору, через ключ управления - к электроковрику, а второй вход блока сравнения подключен к выходу пирометрического датчика. Блок управления облучением содержит специальный разъем (кардридер) для установки в него карт памяти с разными программами комбинированного обогрева для разного вида и пород молодняка животных. В зоне локального комбинированного обогрева установлены четыре стойки, пол, подвешенный с помощью подпружиненных опор к верхним концам стоек, при этом на одной из опор установлен тензодатчик веса, а на одной из стоек - пирометрический датчик и датчик наружного воздуха, вдоль поверхности пола размещается электроковрик с датчиком температуры.

Такое устройство позволяет полностью реализовать предложенный способ комбинированного локального энергосберегающего обогрева.

Введение микроЭВМ позволяет обрабатывать информацию от датчиков температуры и тока, вычислять энергозатраты на комбинированный локальный обогрев.

Введение двух дополнительных датчиков температуры повышает функциональные возможности локального обогрева за счет учета температуры окружающего воздуха и для регулирования температуры электроковрика.

Введение четырех дополнительных датчиков тока с блоками согласования дает возможность контролировать токи инфракрасных, ультрафиолетовых облучателей и электроковрика, что позволяет измерять токи потребления электрообогревателями, необходимые для оценки энергозатрат.

Дополнительный электроковрик введен как элемент локального комбинированного обогрева, существенно снижающий требования к общему обогреву животноводческого помещения.

Введение датчика влажности позволяет учитывать этот параметр для создания более комфортных условий для животных, исключая их переохлаждение.

Все указанные признаки позволяют реализовать эффективный энергосберегающий локальный обогрев животных с минимальными энергозатратами.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит (см. фиг.1) однокристальную микроЭВМ 1 с блоком питания 18, реле времени 2, датчик температуры окружающего воздуха 3, датчик температуры электроковрика 4, датчики тока 5, 7, 9, 11 с блоками согласования 6, 8, 10, 12, модуль ввода данных индикации и сигнализации 13, ключ управления 25, электроковрик 26, блок управления облучением 14, инфракрасный облучатель 15, ультрафиолетовый излучатель 16 и аэроионизатор 17, блок сравнения 23, пирометрический датчик 24, датчик влажности 19, тензодатчик веса 21, модули сопряжения 20, 22.

На фиг.2 приведен внешний вид зоны локального обогрева с четырьмя стойками 27 с пружинами 30, полом 28 с бортиками 29. Пол 28 покрыт электроковриком 26 с датчиком температуры электроковрика 4, а на одной из стоек 27 размещен тензодатчик веса 21, пирометрический датчик 24 и датчик температуры окружающего воздуха 3. Стойки 27 с пружинами 30 образуют подпружиненные опоры для пола 28 с бортиками 29, благодаря чему с помощью тензодатчика веса 21 удается не только фиксировать момент размещения животного в зоне локального обогрева, но измерять его суточный привес.

Практическая реализация данного устройства выполняется по известным схемам с использованием однокристальной микроЭВМ 1 типа PIC16F648A фирмы Microchip или подобной. В качестве датчиков температуры 3 и 4 используются цифровые датчики температуры DS18S20 фирмы Maxim/Dallas Semiconductors. Возможно применение в качестве датчиков тока 5, 7, 9, 11 токовых трансформаторов. Блоки согласования 6, 8, 10, 12 - АЦП AD7893 фирмы Analog Devices. Датчик влажности фирмы Honeywell HIH-3610, тензодатчик фирмы BDSENSORS DMP331. Модули сопряжения 20, 22 предназначены для преобразования аналоговых напряжений с датчика влажности и тензодатчика в цифровой код и выполнены на микросхемах АЦП DS2450. Реле времени 2 представляет собой таймер (часы реального времени), например DS1302 с автономным источником питания. Модуль ввода данных индикации и сигнализации 13 содержит семисегментный светодиодный индикатор на четыре знакоместа фирмы King Bright, кнопки типа ПКН 150-1 и пьезоизлучатель ЗП-18. Семисегментный светодиодный индикатор предназначен для вывода часов и минут и временных параметров в режиме установки, текущих значений температуры по каждому из каналов «КОВРИК», «ВОЗДУХ» и относительная влажность, а также температурных уставок каждого из этих каналов в режиме установки/просмотра параметров. Кроме того, выводятся текущие значения токов потребления каждого облучателя и электроковрика. Индицируются также текущие энергозатраты и текущий вес животного. Светодиодные индикаторы предназначены для отображения состояния каждого электрообогревателя и аварийной ситуации. Кнопки модуля ввода данных индикации и сигнализации 13 используются для установки/просмотра параметров регулирования и для управления комбинированным обогревом. В качестве пирометрического датчика может быть использован модуль A2TPMI (THERMOPILE) фирмы PerkinElmer. После включения блока питания на микроЭВМ подается питающее напряжение. Происходит инициализация управляющей программы, считывание параметров, заданных в карте памяти, установленной в кардрвдер блока управлением облучением. Затем опрашиваются датчики температуры, пирометрический датчик, датчик влажности и тензодатчик веса. При сравнении температуры окружающего воздуха с соответствующей температурной уставкой, если температура окружающего воздуха ниже уставки, включается электроковрик и при достижении его температуры выше на несколько градусов температуры окружающего воздуха сигнализируют о готовности к размещению животного в зоне локального обогрева. Появление животного в зоне локального обогрева фиксируется тензодатчиком веса. Начальный вес животного заносится в память микроЭВМ, после чего по программе из карты памяти, разной для разных видов и пород животных, включаются и выключаются инфракрасные, ультрафиолетовые излучатели и аэроионизатор в течении всего срока выращивания молодняка. В микроЭВМ постоянно осуществляется мониторинг радиационной температуры, влажности, веса животного и потребляемых токов облучателей и электроковрика и время их во включенном состоянии для оценки энергозатрат на каждый килограмм привеса животных. Следует отметить, что к молодняку мы относим животных младших возрастов, например телят от рождения до 1 месяца или поросят от рождения до 2 месяцев. Раскроем последовательность операций для пояснения работы устройства. Первая операция, которая должна быть выполнена, - это установка в кардридер карты памяти с программой локального обогрева для выращиваемого животного. Следующей операцией является подготовка к приему животного. Для чего включается нагрев электроковрика и при достижении его температуры на несколько градусов выше температуры окружающего воздуха сигнализируют о готовности к размещению новорожденного животного в зоне локального обогрева. Далее все операции устройство выполняет автоматически. Под действием веса животного срабатывает тензодатчик и включается автоматический локальный обогрев в соответствии с выбранной программой. Циклы локального обогрева охватывают весь заданный срок выращивания животного. Следует подчеркнуть, что важной операцией на протяжении всего срока выращивания молодняка является измерение влажности. По ее величине производится автоматическая корректировка температурных уставок при регулировании радиационной температуры и температуры электроковрика.

Данный способ был использован при экспериментальной проверке опытного образца устройства для выращивания телят на ферме по производству мяса в ОАО «Червленное» Светлоярского района Волгоградской области. Эксплуатация системы комбинированного обогрева в течение года подтвердила более ее высокую эффективность, в частности сохранность телят в опытной группе на 15% была выше чем в контрольной, расход кормов в опытной группе снизился на 4,6%, среднесуточный привес живой массы телят опытной группы превышал в среднем на 200 г, чем в контрольной. Себестоимость 1 ц прироста живой массы в опытной группе получена в 1,53 раза ниже чем в контрольной.

Источники информации

1. Способ обогрева молодняка сельскохозяйственных животных и устройство для его осуществления. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU №1604296 А1, Изобретатели: Дубровин А.В., Жильцов В.И., Лямцов А.К., Растимешин С.А., Слободской А.П., Смирнова А.К. Опубликовано в Бюл.№41 от 07.11.90 по заявке №4362666/30-15 от 03.11.87.

2. Способ и устройство экономичного общего обогрева животноводческого помещения и локального обогрева сельскохозяйственных животных. Патент RU №2229155 С1, Изобретатели: Дубровин А.В., Краусп В.Р. Опубликован 20.05.2004 по заявке №2003110342/28 от 11.04.2003.

3. Радиационный способ управления источниками облучения и технические средства для его осуществления. / Бароев Т.Р. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук «Электрифицированные системы локального микроклимата для молодняка сельскохозяйственных животных». С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства. Москва, 1-й Вешняковский проезд, дом 2, e-mail:viesh@dol.ru.

1. Способ комбинированного локального энергосберегающего обогрева, включающий получение информации с пирометрического датчика радиационной температуры животного, ее обработку и выдачу управляющих команд на включение и выключение ультрафиолетовых, инфракрасных облучателей и аэроионизатора, отличающийся тем, что до появления животного в зоне локального обогрева подают безопасное напряжение на электроковрик, расположенный в зоне локального обогрева, получают информацию с датчика температуры окружающего воздуха и с датчика температуры электроковрика и при достижении температурой электроковрика величины, превышающей на несколько градусов температуру окружающего воздуха, сигнализируют о готовности к приему животного, появление которого в зоне локального обогрева фиксируют по срабатыванию тензодатчика веса, после чего по программе, учитывающей вид, породу и возраст животного, производят его локальный обогрев, при этом измеряют влажность окружающего воздуха и по ее величине корректируют температурную уставку при регулировании как радиационной температуры, так и температуры электроковрика, увеличивая температурные уставки при увеличении влажности окружающего воздуха и уменьшая температурные уставки при уменьшении влажности окружающего воздуха, причем на основе измеряемых токов потребления и времени нахождения во включенном состоянии отдельно инфракрасных, ультрафиолетовых облучателей, аэроионизатора и электроковрика вычисляют энергозатраты на комбинированный локальный обогрев, а на основе измеряемых показаний тензодатчика веса суточный привес животных.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальное задаваемое значение уставки радиационной температуры не должно превышать температуры перегрева, а минимальное задаваемое значение уставки не должно быть ниже температуры переохлаждения животных вне зависимости от временных параметров программы их облучения и величины измеренной влажности воздуха.

3. Устройство для реализации способа, включающее блок управления облучением, пирометрический датчик, реле времени, блок сравнения, инфракрасные и ультрафиолетовые излучатели и аэроионизатор, отличающееся тем, что дополнительно содержит микроЭВМ с блоком питания, два датчика температуры, четыре датчика тока с блоками согласования, датчик влажности и тензодатчик веса с модулями сопряжения, модуль ввода данных индикации и сигнализации, ключ управления и электроковрик, при этом блок питания, реле времени, выход блока сравнения, датчики температуры и модуль ввода данных индикации и сигнализации непосредственно подключены ко входам микроЭВМ, датчики тока, тензодатчик веса, датчик влажности подключены к входам микроЭВМ соответственно через блоки согласования и модули сопряжения, причем выходы микроЭВМ подключены непосредственно к модулю ввода данных индикации и сигнализации, к первому входу блока сравнения, а через блок управления облучением к инфракрасным и ультрафиолетовым излучателям и аэроионизатору, через ключ управления к электроковрику, а второй вход блока сравнения подключен к выходу пирометрического датчика.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок управления облучением содержит специальный разъем (кардридер) для установки в него карт памяти с разными программами комбинированного обогрева для разного вида и пород молодняка животных.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в зоне локального комбинированного обогрева установлены четыре стойки, пол, подвешенный с помощью подпружиненных опор к верхним концам стоек, при этом на одной из опор установлен тензодатчик веса, а на одной из стоек пирометрический датчик и датчик температуры наружного воздуха, вдоль поверхности пола размещается электроковрик с датчиком температуры.