СИСТЕМА ТЕПЛОВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОМ ПОМЕЩЕНИИ
SYSTEM FOR HEAT AND WATER SUPPLY OF PROCESS OPERATIONS IN THE LIVESTOCK BUILDING

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к технологии и технологическому оборудованию для рационального использования водных ресурсов и тепловой энергии при производстве животноводческой продукции на фермах КРС.
Известна система обогрева и охлаждения животноводческих помещений [патент RU №2658786 С1. Опубликовано: 22.06.2018 г. Бюл. №18], состоящая из теплообменника в комплекте с вентилятором циркуляционного насоса, емкостного электроводонагревателя, трехходового клапана с электроприводом, обратного клапана, тройника, регулятора температуры, зонда, обсадной трубы и контролера для управления системой.
Недостатком этой системы являются ее узконаправленное производственно-технологическое назначение, что снижает коэффициент использования нагревательного элемента - электроводонагревателя.
Известна аккумуляционная система теплоснабжения для сельских потребителей [к.т.н. Н. Н. Новиков, к.т.н. Б. И. Назаров - ГНУ ВНИИМЖ, Подольский район Московской области; Журнал «Новости теплоснабжения» №6 (106), 2009 г., http://www.ntsn.ru], включающая в себя водогрейный котел жилого помещения и бак-аккумулятор с электрокомпенсатором потерь тепла, вентиляционную установку с тепловым утилизатором животноводческого помещения, установку активного вентилирования сенохранилища.
Недостатками данной системы являются:
1. Значительные потери тепла в грунт через питательный трубопровод подачи горячей воды в животноводческое помещение;
2. Увеличение капитальных затрат на приобретение питательного трубопровода увеличенной протяженности;
3. Узконаправленность использования тепла в животноводческом помещении.
Известна отопительно - вентиляционная система с аэрогидродинамическим кондиционером [В.Ф. Федоренко. Ресурсосбережение в АПК: науч. изд. - М: ФГБНУ «Росинформагротех», 2012. - 384 с.], включающая в себя камеру барботации аэрогидродинамического кондиционера, электрокалорифер, вентиляторы, воздухо - распределительную систему, воздухоосушитель, смесительную камеру воздухоосушителя, жалюзийный клапан с исполнительным механизмом.
Недостатком данной системы является одновекторная технологическая направленность (обеспечение нормативных показателей внутреннего пространства животноводческого помещения) и как следствие низкий коэффициент использования нагревательного устройства.
Известна система подмывания вымени животных [патент RU №2189738 С2, опубликованный 27.09.2002 г - Бюл. №27], включающая в себя бак подогрева воды, нагревательное устройство, клапанно-поплавковое устройство, магистральный трубопровод системы автопоения, мембранный насос, впускной и перепускной клапаны, пульсатор, краны, вакуумпровод доильной установки, выпускной клапан, питающий трубопровод, несущий элемент с переключателем потока и чашу обмыва вымени.
Недостатком данной системы является одно векторная технологическая направленность (санитарная обработка вымени животного) и как следствие низкий коэффициент использования нагревательного устройства.
Известна система автопоения сельскохозяйственных животных и птицы [патент RU №2228025 С2. Опубликовано: 10.05.2004 г. Бюл. №13], включающая в себя питающий трубопровод, бак накопитель воды с клапанно-поплавковым устройством, электронагревательные устройства, магистральный и распределительный трубопроводы, термодатчик, автопоилки, опорожнитель, вакуумпровод, эжекторные насадки, вакуумирующие сопла, вентиляторы вентиляционной системы животноводческого помещения.
Недостатком данной системы является одновекторная технологическая направленность, что снижает эффективность использования электронагревательного устройства.
Наиболее близкой по технологической и технической сущности к предполагаемому изобретению является система санитарной обработки кожного покрова крупного рогатого скота [патент RU №2529897 С2. Опубликовано: 10.10.2014 г. Бюл. №28], включающая в себя трубопровод подачи воздуха повышенного давления, камеру накопления воздуха повышенного давления, бак подогрева воды с камерами для дезинфицирующего раствора и для воды с пониженным рН, камеру для воды на нужды автопоения, камеру для воды с повышенным рН, питающий трубопровод, трубопровод подвода вакуума к камере накопления вакуума, распределитель агентов обработки, магистральные трубопроводы доставки дезинфицирующих растворов, рабочий трубопровод подачи агентов обработки, исполнительный механизм, гибкую подвеску, опорные стойки, лебедку для перемещения исполнительного механизма, подмывочное устройство, вакуум провод, бак сбора загрязнений и волоса, рабочий орган, направляющую рабочего органа, переносную опорную стойку, цилиндры трансформации рабочего органа; секции рабочего органа, трубки накопители обмывочной воды, гибкие смачивающие элементы, приводной вал, счесывающие элементы, ниппели подвода обрабатывающих агентов.
Недостатки данной системы:
1. Система предусматривает возможность осуществления только двух технологических процессов (процесса санитарной обработки кожного покрова животного и процесса поения животных), так как в баке подогрева воды предусмотрена камера для воды на нужды автопоения), при этом отсутствует техническое решение, обеспечивающее поддержание разных температурных параметров воды в камерах для воды с пониженным рН, для воды на нужды автопоения, для воды с повышенным рН.
2. Принятая конструкция бака подогрева воды не позволяет рационально использовать меж камерные тепловые потоки.
3. В системе не рационально используется теплогенерирующее устройство (электродный водонагреватель) для технологических процессов обслуживания животных и создания комфортных условий обитания для животных и обслуживающего их персонала.
4. В системе не предусмотрен структурный элемент для накопления, обработки и вторичного использования оборотной воды в процессе обработки молочного оборудования.
Целью предлагаемого изобретения (патентной разработки) является обеспечение качества выполнения технологических процессов обслуживания животных системой тепловодообеспечения при экономии водных и энергетических ресурсов и снижении экологической безопасности внутреннего пространства животноводческого помещения.
В рамках поставленной цели предлагаемым изобретением решаются задачи:
1. Расширение функциональных возможностей системы тепловодообеспечения производственных и технологических процессов в животноводческих помещениях крупного рогатого скота (КРС) при использовании одного теплогенерирующего источника.
2. Повышение эффективности использования теплогенерирующего источника в течение суток.
3. Поддержание температурных параметров теплового агента (вода) и продукта потребления (вода технологическая) в рамках нормативных зоотехнических требований.
4. Снижение расхода воды и тепловой энергии при повышении качества выполнения технологических и производственных процессов.
5. Снижение бактериальной обсемененности кормов, кожного покрова животных и воздушного пространства животноводческого помещения.
Для реализации указанной цели, поставленных задач и достижения технико - технологического результата разработана система тепловодообеспечения технологических процессов в животноводческих помещениях, включающая бак резервирования и распределения воды, корпус которого выполнен двустенным, с возможностью вакуумирования пространства между стенками для регулирования интенсивности теплоотдачи окружающему воздуху помещения, бак разделен на секции двустенными перегородками, выполненными с возможностью вакуумирования пространства между стенками для регулирования теплопередачи между секциями, которые сообщаются между собой через уравнительные каналы для поддержания уровня воды в баке и связаны с электродным водонагревателем, выполненным с возможностью разделения воды на два потока с различными показателями рН, которые проходят через две обособленные камеры в корпусе пастеризационной установки в секции резервирования нагретой воды с повышенным уровнем рН и секции резервирования нагретой воды с пониженным уровнем рН, после чего, через систему трубопроводов распределяются на технологические нужды, при этом поступление в систему водопроводной воды, предусмотрено через клапанно поплавковое устройство в секцию резервирования воды на нужды автопоения, подогрев воды в которой осуществляется за счет передачи тепла через двустенную перегородку от объема воды в секции резервирования нагретой воды.
Краткая характеристика базовых составляющих системы:
- теплогенерирующее устройство в виде электродного нагревателя, взаимосвязанное с обособленными камерами в корпусе пастеризационной установки, позволяющее подогревать поступающую к нему воду до заданного температурного режима с разделением на два потока с различными значениями водородного показателя рН (активированная вода, в одном случае является теплоносителем, в другом технологическим продуктом для выполнения определенных технологических операций);
- бак резервирования и распределения воды, корпус которого выполнен двустенным, с возможностью вакуумирования пространства между стенками для регулирования интенсивности теплоотдачи окружающему воздуху помещения;
- двух контурная (оборотная) подсистема циркуляции теплоносителя (активированная вода) и ее распределение в рамках технологической направленности, которая через трубопроводы активированной воды связывает электродный водонагреватель с обособленными камерами в корпусе пастеризационной установки и секциями резервирования нагретой воды с повышенным уровнем рН, и секциями резервирования нагретой воды с пониженным уровнем рН. В тоже время, указанные секции бака в одном случае через смесительный блок и оборотный трубопровод связаны с электродным водонагревателем, а через магистральные и распределительные трубопроводы с устройствами технологической направленности (санитарная обработка доильной аппаратуры; тепловая обработка кормов). Данная подсистема позволяет за счет периодической термосифонной циркуляции воды поддерживать заданный температурный режим и режим ее активации, а также распределять ее по объектам использования;
- подсистема вторичного, регулируемого нагрева воды (нужды автопоения животных; обработка кормов; санитарная обработка кожного покрова животных; вторичная санитарная обработка доильной аппаратуры). Подсистема включает в себя: две секции бака с активированной водой заданных температурных параметров и систему магистральных и распределительных трубопроводов, связанных с устройствами технологической направленности (санитарная обработка доильной аппаратуры; тепловая обработка кормов, обработка кожного покрова животных). В данной подсистеме используется принцип передачи тепла через меж секционные двух стенные вакуумируемые перегородки бака резервирования и распределения воды, связанные с вакуумной системой доильной установки животноводческого помещения. Все секции бака сообщаются между собой через уравнительные каналы секций для поддержания заданного объема и уровня воды в баке;
- подсистема резервирования воды на нужды автопоения и ее подогрева. Подсистема включает в себя трубопровод подвода воды в накопительную секцию бака, клапанно - поплавковое устройство для регулирования уровня воды в секциях бака, бачек - опорожнитель, соединенный с вакуумной системой доильной установки животноводческого помещения, трубопроводы подачи и распределения воды по средствам автопоения с датчиком контроля температуры воды в подсистеме, трубопровод оборотной воды технологически и конструктивно связанный с бачком опорожнителем для осуществления периодической циркуляции питьевой воды и обогащения ее кислородом;
- подсистема отвода и временного хранения загрязненных стоков. Подсистема включает в себя бак временного накопления загрязненных стоков, бачек опорожнитель, взаимосвязанный с вакуумной системой доильной установки животноводческого помещения, сборный трубопровод отвода загрязненных стоков с фильтром грубой очистки.
Предлагаемая система позволяет в циклическом временном режиме обеспечить выполнение полного структурного состава технологического процесса обслуживания животных в рамках зоотехнических требований с использованием тепловой энергии как сопутствующего фактора. Конструктивное решение системы и принятая технология использования активированной воды в диапазоне заданных температурных параметров и значений по водородному показателю (рН) способствует: рациональному использованию воды как ресурсной составляющей и как теплового агента, снижению затрат на санитарную обработку технологического оборудования. Предложенное конструктивное решение пастеризационной установки и ее связь со структурными элементами системы за счет вторичного использования тепловой энергии в рамках технологических процессов позволяет повысить эффективность использования электродного водонагревателя, сократить их количественный состав при снижении общего расхода электроэнергии. Конструктивное решение бака резервирования и распределения воды, предусматривающее наличие двустенного вакуумируемого корпуса, разделенного на секции двустенными перегородками, выполненными с возможностью вакуумирования межстенного пространства и регулирования теплоотдачи позволяет снизить потери тепла и общий расход электроэнергии по технологическим процессам.
Данное изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема системы тепловодообеспечения технологических процессов в животноводческих помещениях КРС.
Система тепловодообеспечнения технологических процессов в животноводческих помещениях состоит из: электродного водонагревателя 1, позволяющего в процессе нагрева воды разделять ее на два активированных по водородному показателю рН потока - со щелочной и кислой средой; трубопроводов 2 и 3 подачи и распределения активированной по водородному показателю воды в обособленные, гидроизолированные камеры (корпус пастеризационной установки - стенка ванны) пастеризационной установки 4, комплектующейся разделительным, уплотнительным устройством 5, и далее в зону резервирования активированной воды; пяти секционного бака 6 резервирования и распределения воды на технологические нужды, корпус 7 которого выполнен двух стенным с возможностью изменения его теплоизоляции за счет регулируемого вакуумирования межстенного пространства. Сам бак 6 выполнен многофункциональным и разделен на секции: секцию 8 резервирования воды на нужды автопоения (с диапазоном регулирования температуры воды 12…20°С), секцию 9 резервирования активированной щелочной воды (с диапазоном регулирования температурой 25…35°С), секцию 10 резервирования активированной щелочной воды (с диапазоном регулирования температурой 60…72°С), секцию 11 резервирования активированной кислой воды (с диапазоном регулирования температурой 60…72°С), секцию 12 резервирования активированной кислой воды (с диапазоном регулирования температурой 25…35°С).
Секции 8 и 9 бака 6 разделены между собой вакуумируемой двухстенной перегородкой 13, имеющей в верхней части уравнительный канал 14 для перетока и первичного заполнения секций бака 6 водой. Секции 9 и 10 также разделены между собой вакуумируемой двухстенной перегородкой 13 и сообщаются между собой через канал 14 в нижней части перегородки 13. Секции 10 и 11 разделены между собой непроницаемой перегородкой 15 и объединены между собой смесительным контуром 16 с регуляторами потоков слива активированной воды 17 через обратный трубопровод 18 к электродный водонагреватель 1 для повторной активации. Секции 11 и 12, и секции 12 и 8 соединены между собой аналогично секциям 8 и 9, и9и 10.
Корпус бака 6 и все двухстенные перегородки 13 через систему вакуумпроводов 19 и регуляторов вакуума 20 соединены с вакуумной системой доильной установки (вакуум насосной животноводческого помещения).
Вакуумпровод 19, дополнительно соединен с опорожнителями 21, установленными в зоне секции 8 бака 6 и над баком 22 сбора отработанной (загрязненной) воды. В одном случае это позволяет обеспечить транспортировку загрязненной воды в накопительную емкость 22. В другом случае осуществлять периодическую циркуляцию воды на нужды автопоения и обогащение ее кислородом.
Для технологической взаимосвязи запасов воды в баке 6 резервирования и распределения воды на технологические нужды с базовыми и вспомогательными технологическими процессами обслуживания животных система тепловодообеспечения включает в себя следующие производственные контуры:
1. Контур автопоения животных, включающий в себя: магистральный трубопровод 23 подачи питьевой воды с кранами 24 регулирования подачи воды; распределительный трубопровод 25 с отводками 26, поилками 27 и датчиком температуры 28, обратный трубопровод 29.
2. Контур обработки (промывки) молокопровода, доильных агрегатов и аппаратуры, включающий в себя: трубопровод 23 подачи питьевой воды с кранами 24 регулирования подачи воды, трубопроводы 30 и 31 подачи активированной воды (рН - 8…12), молокопровод 32, оборудование для мойки доильной аппаратуры 33, подмывочное устройство 34, трубопроводы 35 отвода загрязненной воды, фильтрующий элемент 36, оборотный трубопровод загрязненной воды(загрязненных стоков) 37, трубопровод отвода загрязненных стоков 38.
3. Контур обработки кожного покрова животных, обработки кормов перед скармливанием, включающий в себя: трубопроводы 31 и 39 подачи активированной воды, трубопровод 40 подачи кислой воды с отводами 41, укомплектованными устройствами для подмывания вымени животного 34, устройством 42 для обработки кожного покрова, распылителями 43 для смачивания кормов и форсункой 44 для увлажнения и запаривания кормов.
4. Контур резервирования и подогрева природной воды (водопроводная вода), на нужды автопоения.
Заполнение системы водой предусматривается от магистрального трубопровода 45, через регулируемый вентиль 46 и клапанно-поплавковое устройство 47. Подогрев воды на нужды автопоения до нормативных температурных показателей осуществляется за счет передачи части тепла через разделительную межстенную перегородку 14, взаимосвязанную с вакуумной системой 19 доильной установки (животноводческого помещения) от объема воды в секциях бака 9,12 объему воды в секции 8.
Рабочий процесс системы тепловодообеспечения осуществляется следующим образом. В управляемом или ручном режиме открывается вентиль 46 магистрального трубопровода 45 и вода на технологические и вспомогательные нужды через клапанно-поплавковое устройство 47 поступает в секцию 8 (используется для процесса автопоения животных) бака 6 резервирования и распределения воды на технологические нужды и далее по мере ее заполнения через магистральные, распределительные трубопроводы, обратный трубопровод 18 (при открытых кранах 24) и через сообщающиеся уравнительные каналы 14 поступает во все накопительные элементы системы. Происходит процесс запуска системы в работу. Конец процесса запуска системы контролируется клапанно-поплавковым устройством 47 с учетом уровня заполнения водой секции 8.
При полном заполнении системы водой включается электродный водонагреватель 1. Происходит операция нагрева водопроводной воды и ее активация (разделение на щелочную и кислую).
В этот период за счет термосифонной циркуляции воды по ниже указанным схемам происходят процессы активации заданных объемов воды и их нагрев в заданных температурных режимах (указаны по тексту). Исходным температурным параметром является принятая температура пастеризации молока характерная для процесса пастеризации молока.
Технологические схемы тепловодообеспечения технологических процессов:
1) трубопровод 2 подачи и распределения активированной воды (щелочная) - межстенная камера пастеризационной установки 4 - секция 10 бака 6 резервирования и распределения воды на технологические нужды - смесительный контур 16 - обратный трубопровод 18 - электродный водонагреватель 1;
2) трубопровод 3 подачи и распределения активированной воды (кислая) - межстенная камера пастеризационной установки 4 - секция 11 бака 6 резервирования и распределения воды на технологические нужды - смесительный контур 16 - обратный трубопровод 18 - электродный водонагреватель 1.
По указанным схемам могут одновременно, выполняться процессы активации воды и пастеризации молока если пастеризационная установка заполнена исходным сырьем (продуктом) - выдоенным молоком.
Накопленная объемом воды тепловая энергия в секциях 10 и 11 одновременно или в разрывном временном цикле может быть использована для выполнения других технологических операций (процессов), таких как санитарная обработка доильной аппаратуры, а также на операциях смачивания (запаривания) грубых кормов, используя для этого трубопроводы 31 и 39. Это позволяет осуществить принцип ресурсосбережения за счет рационального использования энергии нагрева и рационализации коэффициента загрузки электродного водонагревателя 1 в течение смены (суток).
При санитарной обработке кожного покрова животных и подготовки вымени к доению используется активированная вода из секций 9 и 12 поступающая из секций 10 и 11. Источником тепла является нагретая, активированная в секциях 10 и 11 вода. Температурный показатель воды регулируется степенью вакуумирования межстенных перегородок 13.
При подготовке кормов к скармливанию (запаривание) используется активированная вода, поступающая из секций 10 и 11 через трубопроводы 31, 39, и форсунку 44 в кормовой монолит. Источником тепла является электродный водонагреватель 1.
При подготовке кормов к скармливанию (смачивание; снижение запыленности и бактериальной обсемененности) используется активированная вода, поступающая из секций 9 и 12 через трубопроводы 30, 31, отводки 41 и распылители 43 в кормораздаточные устройства. Источником тепла является теплота объема воды в секциях 10-11 бака 6.