Опубликовано 10.04 21:50

Математическое моделирование процессов теплообмена в коровнике с беспривязным содержанием животных в летний период времени

Рассматриваемое в статье моделирование процессов теплообмена позволяет определить наиболее рациональное распределение датчиков (определяющих параметры микроклимата, в частности температуры воздуха в коровнике), для эффективного регулирования температуры воздушной среды, за счет своевременного включения технических средств обеспечения микроклимата

Животноводство является наиболее энергоемкой областью сельскохозяйственного производства. В последнее время для повышения эффективности выполнения основных технологических операций все большее применение находят интенсивные технологии в животноводстве. Интенсификация животноводства, является основой выполнения продовольственной программы нашей страны.

По данным Вячеслава Григорьевича Борулько (доктор технических наук, доцент, заведующего кафедрой защита в чрезвычайных ситуациях, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49), продуктивность животных на 50-60% зависит от кормов, на 20% определяется уходом и на 30% микроклиматом животноводческого помещения.

Юрий Григорьевич Иванов (доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инжиниринг животноводства, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49) полагает, что энергозатраты для обеспечения микроклимата животноводческих помещений составляют 15–20% от всех энергозатрат в животноводстве. Только в оптимальных условиях наиболее полно проявляется генетический потенциал продуктивности животных. Важно иметь обоснованную физиологическую систему содержания животных, наиболее полно учитывающую особенности среды обитания.

Дмитрий Андреевич Понизовкин (кандидат технических наук, доцент кафедры защита в чрезвычайных ситуациях, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49) отмечает, что системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха потребляют до 40% добываемого в стране твердого и газообразного топлива и до 10% производимой электрической энергии.

Для экономного расхода энергии при поддержании необходимых параметров микроклимата в коровниках настройку технических средств, регулирующих параметры внутренней воздушной среды коровника желательно осуществлять с использованием адекватных математических моделей управляемых теплообменных процессов, учитывающих пространственную распределенность параметров помещения.

Рассмотрим коровник, система обеспечения микроклимата которого может быть представлена схематически как показано на рисунке 1.

Получим аналитическое выражение для передаточной функции канала управления одним из параметров воздушной среды– температурой  внутренней воздушной среды коровника T(x,t), где x – расстояние от регулятора параметров воздушной среды (температуры), а  – переменная времени.

Функция T(x,t) удовлетворяет уравнению температуропроводности

Уравнение (1) решим при следующих граничных условиях:

Граничные условия (2) имеют место, когда в одном из торцов помещения находится техническое средство регулирующие температуру, поддерживающая при x = 0 температуру q(t), причем для упрощения модели теплообмен с окружающей средой через стену, где выполняется равенство x = 1,  будем считать отсутствующим.

Применив к уравнению (1) одностороннее преобразование Лапласа по времени получим

После применения к граничным условиям (2) указанного преобразования, они принимают вид

Примем во внимание, что передаточная функция системы управления температурой внутренней воздушной среды животноводческого помещения определяется выражением

которому отвечают следующие граничные условия:

Найдя c помощью граничных условия значения А и B подставим их в выражение (8), имеем

Таким образом, получено выражение (9) для передаточной функции

описывающей динамические свойства канала управления температурой внутренней воздушной среды коровника.

Выполнив в равенстве (9) замены:

представим его в следующем виде:

Полученное выражение (10) для передаточной функции канала управления температурным полем  в коровнике можно использовать для выполнения различных практических расчетов, например, выбора оптимального расположения датчиков температуры, для настройки соответствующих технических устройств регулирующих параметры микроклимата и др.

Упростим выражение (10), заменив его передаточной функцией объекта с сосредоточенными параметрами, т.к. выражения для передаточных функций таких объектов гораздо проще получить на основе экспериментальных исследований [10].

Рассмотрим применение передаточных функций вида (11) при расчете параметров настройки регуляторов температуры воздуха в коровнике.

Для ее экспериментального определения достаточно получить представленную на рис. 2 кривую разгона (переходную характеристику) объекта h(t), изменив скачкообразно характеристики технических средств регулирующих температуру воздуха в коровнике.

По начальному участку кривой разгона, где h(t) << 1, установим значение постоянной времени транспортного запаздывания 

Используя известные расчеты [10], для искомой величины  получим следующее выражение:

Однако в этом выражении значение целочисленной величины n остается неизвестным. Для его нахождения воспользуемся требованием

которое при фиксированном значении 0n позволяет определить, то минимальное значение n, начиная с которого это требование выполняется.

Отметим, что неравенство

выражает тот факт, что звено транспортного запаздывания при моделировании динамики линейных стационарных объектов служит для интегрированного описания бесконечного множества быстро затухающих процессов в системах управления.

Исследователи отмечают, что располагая адекватной математической моделью динамики теплообменных процессов в животноводческом помещении в виде передаточной функции (11), ее можно использовать для расчета таких значений параметров настройки технических средств обеспечения микроклимата, при которых обеспечивается высокое качество управления указанными процессами.

Для снижения температуры воздуха в коровнике в теплое время года обосновано применение устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением. Предложенное устройство вентиляции коровника обеспечивает распыление жидкости в область нахождения животных. Применение водоиспарительного охлаждения позволяет снизить температуру воздуха в области нахождения животных в коровнике на 2…8 оС. Применение предложенной системы вентиляции целесообразно при относительной влажности воздуха в коровнике не более 65%. При более высоких показателях относительной влажности воздуха эффективность водоиспарительногоохлаждения существенно снижается и возрастает вероятность превысить допустимые нормативные показатели влажности воздуха в помещении.

Несмотря на сложность теплообменных процессов, для животноводческих помещений имеет смысл рассматривать параметры микроклимата, которые непосредственно влияют на теплоотдачу в коровнике от животного в окружающую среду, а именно температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха.

В научной литературе широко применятся TemperatureHumidityIndex (THI) – температурно-влажностный индекс, который определяет степень теплового стресса у коров (рис. 3).

Данный индекс учитывает совокупное влияние температуры и относительной влажности воздуха на организм животного.

В отечественной нормативной литературе для профилактики перегревания организма используется интегральный показатель тепловой нагрузки среды (ТНС-индекс) [Livshin N., Antler A., Zion B., Stojanovski G., Bunevski G., Maltz E. Lying behaviour of dairy cows under different housing systems and physiological conditions. Proc. 2nd ECPLF. 9-12 June.in Uppsala, Sweden. 2005.P. 305 – 311.]. Индекс тепловой нагрузки определяется эмпирическим способом и характеризует совокупное действие на организм параметров микроклимата (температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового облучения).

Для практических расчетов целесообразно применять интегральные индексы определения тепловой нагрузки на организм, поэтому полученную передаточную функцию (11) для регулирования параметров технических средств обеспечения микроклимата можно использовать для определения расположения не только датчиков температуры воздуха, но и датчиков относительной влажности и скорости движения воздуха в коровнике. При допущении, что алгоритм работы технических средств обеспечения микроклимата основан на использовании интегральных параметров микроклимата в коровнике.

Источник для подробного ознакомления:

Borulko V.G., Ivanov Yu.G., Ponizovkin D.A., Shlychkova N.A., Kostomakhin N.M. Mathematical modeling of heat exchange processes in a cowshed for the warm period // Reports of the national academy of sciences of the Republic of Kazakhstan. ISSN 2224-5227 Volume 4, Number 338 (2021), 37 – 42. https://doi.org/10.32014/2021.2518-1483.56

Статью подготовил:
Баймуканов Дастанбек Асылбекович
Главный научный сотрудник отдела животноводства, ветеринарии, анализа кормов и молока Товарищество с ограниченной ответственностью «Научно-производственный центр животноводства и ветеринарии», 010000 (Z10P6B8), Республика Казахстан.

г. Нур-Султан, ул. Кенесары, 40, офис 1505

Комментарии (0)