Энергосберегающая система утилизации тепловой энергии в животноводческом помещении
ENERGY-SAVING THERMAL ENERGY RECOVERY SYSTEM IN A LIVESTOCK BUILDING

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к электротеплоутилизационным энергосберегающим устройствам, предназначенным для утилизации тепловой энергии удаляемого вентиляционного воздуха, горячего водоснабжения и предварительного охлаждения молока в животноводческом помещении.
Известна вентиляционно-отопительная установка с утилизацией теплоты на базе тепловых трубок по схеме « воздух - воздух» для воздушного отопления зданий производственного назначения (электронный ресурс studref.com. Теплообменники - утилизаторы теплоты на тепловых трубках). В корпусе утилизатора теплоты, размещен теплообменник с пучком тепловых труб с дополнительным оребрением с горизонтальным и вертикальным расположением труб. Пучок монтируется в каркасе по направляющим, что позволяет выдвигать его и значительно упрощает очистку труб в процессе эксплуатации установки. Теплообменник разделен герметичной трубной доской на каналы удаляемого и приточного воздуха. Воздух, удаляемый из помещения вентилятором, проходит через испарительную секцию теплообменника, где отдает часть тепла, под воздействием которого фреон внутри тепловых трубок испаряется и поднимается в верхнюю (конденсационную) секцию теплообменника - утилизатора. Приточный воздух, нагнетаемый приточным вентилятором, проходит через конденсационную секцию теплообменника, подогревается за счет тепла конденсации паров фреона и подается в помещение. Для дополнительного подогрева приточного воздуха в установке имеется электрокалорифер. Блок управления обеспечивает работу утилизатора в ручном и автоматическом режиме.
Недостатком известной вентиляционно-отопительной установки является использование электроэнергии в электрокалорифере предварительного нагрева приточного воздуха, что снижает энергетический эффект применения теплоутилизатора в системе утилизации тепловой энергии.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является вентиляционная установка с утилизацией теплоты УТ-Ф-12, которая входит в комплект вентиляционного оборудования «Климат» и обеспечивает вентиляцию и использование теплоты вытяжного воздуха животноводческих помещений для нагрева свежего приточного воздуха, включающая теплообменник - утилизатор, вытяжной и приточный вентиляторы, смонтированные в металлическом корпусе, блок управления (электронный ресурс helpiks.org, Вентиляционная установка с утилизацией теплоты УТ-Ф-12). Теплообменник - утилизатор на тепловых трубках включает в себя конденсаторную и испарительную секции и предназначен для утилизации теплоты удаляемого из помещений воздуха. Трубная доска образуют сплошную перегородку, разделяющую теплообменник на две секции, конденсаторную расположенную в потоке приточного (нагреваемого) воздуха и испарительную находящуюся в потоке теплого (удаляемого) воздуха. Для защиты теплообменника от замерзания предусмотрены обводные воздушные каналы, открываемые автоматически по сигналу от датчика температуры и управляемые с помощью блока управления.
Недостатком известной вентиляционной установки с утилизацией теплоты является невозможность утилизировать тепловую энергию, выделяемую другими энергоемкими технологическими процессами, таких как охлаждение парного молока, где в результате охлаждения выделяется довольно большое количество тепловой энергии, идущей на подогрев воды, используемой для технологических целей.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат на подогрев приточного вентиляционного воздуха, горячее водоснабжение и охлаждение парного молока за счет утилизации тепловой энергии находящейся в удаляемом вентиляционном воздухе и парном молоке, подлежащем охлаждению.
В результате использования предлагаемого изобретения снижаются энергозатраты на выработку тепловой энергии (до 60%), идущей на подогрев вентиляционного воздуха, на нагрев воды для технологических целей, на охлаждение парного молока в танке - охладителе за счет применения наряду с теплоутилизатором вентиляционного воздуха на тепловых трубках, термоэлектрического теплового насоса, бака-аккумулятора горячей воды с теплообменником, танка-охладителя парного молока и тепловых трубок, передающих тепловую энергию парного молока от танка охладителя молока к тепловому насосу, и от теплового насоса к баку- аккумулятору горячей воды, позволяющих утилизировать удаляемую тепловую энергию в животноводческом помещении.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая энергосберегающая система утилизации тепловой энергии в животноводческом помещении, содержащая корпус теплоутилизатора вентиляционного воздуха на тепловых трубках, в котором имеются каналы для приточного и удаляемого воздуха с испарительной и конденсаторной секциями тепловых трубок, разделенных трубной доской, водяной калорифер предварительного нагрева приточного воздуха, датчик температуры воздуха и блок управления, согласно изобретению, снабжена термоэлектрическим тепловым насосом, баком-аккумулятором горячей воды с теплообменником, танком-охладителем парного молока и тепловыми трубками, передающими тепловую энергию парного молока от танка-охладителя молока к тепловому насосу и от теплового насоса к баку-аккумулятору горячей воды, циркуляционным насосом, прямым и обратным трубопроводами, тепловой насос представляет собой термоэлектрическую сборку с расположенным в ней термоэлектрическим модулем Пельтье, холодные спаи которого, соединенные с конденсатором тепловой трубки танка-охладителя молока образуют холодный контур теплового насоса, а испаритель тепловой трубки находится в танке-охладителе молока, таким образом тепловая энергия парного молока с помощью тепловой трубки трансформируется на холодный контур термоэлектрического модуля, и в соответствии с законом Пельте утилизированная тепловая энергия при охлаждении парного молока передается на горячий контур термоэлектрического модуля, к которому прилегает испаритель тепловой трубки бака - аккумулятора горячей воды, при этом конденсаторная зона тепловой трубки находится в баке-аккумуляторе, где выделенная тепловая энергия при конденсации теплоносителя в тепловой трубке нагревает воду, полученная горячая вода используется для технологических целей, а теплообменник, установленный в баке-аккумуляторе, нагревает теплоноситель, поступающий через циркуляционный насос по прямому трубопроводу в калорифер предварительного нагрева приточного воздуха, а по обратному трубопроводу в теплообменник, причем термоэлектрический модуль, циркуляционный насос и датчик температуры приточного воздуха соединены с блоком управления.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема энергосберегающей системы утилизации тепловой энергии в животноводческом помещении.
Энергосберегающая система утилизации тепловой энергии в животноводческом помещении содержит корпус 1 теплоутилизатора вентиляционного воздуха, оребренные тепловые трубки 2, испарительная секция оребренных тепловых трубок 3 , конденсаторнаяя секция оребреных тепловых трубок 4, трубная доска 5, разделяющая секции конденсации 4 и секции испарения 3, канал для приточного воздуха 6, канал для удаляемого воздуха 7, водяной калорифер для предварительного нагрева воздуха 8, датчик температуры приточного воздуха 9, циркуляционный насос 10, прямоточный трубопровод 11, обратный трубопровод 12, бак-аккумулятор горячей воды 13, тепловая трубка 14 бака-аккумулятора 13, конденсаторная секция тепловой трубки 15, термоэлектрический тепловой насос 16, термоэлектрический модуль Пельтье 17, горячий контур термоэлектрического модуля 18, испарительная секция 19 тепловой трубки 14 бака-аккумулятора 13, холодный контур термоэлектрического модуля 20, танк-охладитель парного молока 21, тепловая трубка 22 танка-охладителя молока 21, конденсаторная секция тепловой трубки 23 танка-охладителя молока 21, испаритель тепловой трубки 24 танка-охладителя молока 21, кран для отбора горячей воды 25 из бака-аккумулятора 14, теплообменник 26, установленный в баке-аккумуляторе 13, блок управления 27.
Утилизация тепловой энергии удаляемого воздуха осуществляется с помощью теплоутилизатора вентиляционного воздуха на тепловых трубках 2, в корпусе 1 теплоутилизатора имеется канал для приточного воздуха 6 и канал для удаляемого воздуха 7. В каналах теплоутилизатора 6 и 7 расположены тепловые трубки 2. Испарительная секция 3 тепловых трубок 2 находится в канале удаляемого из помещения воздуха 7, а конденсаторная секция 4 тепловых труб 2 помещена в канале для приточного воздуха 6. Таким образом, с помощью тепловых трубок 2 тепловая энергия из удаляемого воздуха трансформируется в поток холодного приточного воздуха и нагревает его. В корпусе 1 установлен водяной калорифер для предварительного нагрева приточного воздуха 8.
Утилизация тепловой энергии парного молока при его охлаждении осуществляется термоэлектрическим тепловым насосом 16. Во время доения коров парное молоко поступает в танк- охладитель парного молока 21, где расположена испарительная секция 24 тепловой трубки 22. В испарительной секции 24 происходит испарение теплоносителя, находящегося в тепловой трубке 22. С помощью тепловой трубки 22 энергия испарения теплоносителя трансформируется в конденсаторную секцию 23 тепловой трубки 22, которая прилегает к холодному контуру 20 термоэлектрического модуля 17. Выделившаяся при конденсации тепловая энергия парного молока вместе с Джоулевой энергией термоэлектрического модуля 17 передается на горячий контур 18 теплового насоса 16, что по закону Пельтье приводит к повышению выработки тепловой энергии в горячем контуре термоэлектрического модуля 17.
В испарительной секции 19 тепловой трубки 14 бака-аккумулятора 13 за счет энергии горячего контура 18 происходит испарение теплоносителя, находящегося в тепловой трубке 14, а в конденсаторной секции 15, находящейся в баке- аккумуляторе горячей воды 13, его конденсация. Выделенная тепловая энергия в результате конденсации теплоносителя в конденсаторной секции 15 идет на нагрев воды в баке - аккумуляторе 13. Отбор горячей воды осуществляется с помощью водопроводного крана 25.
В баке - аккумуляторе 13 установлен теплообменник 26 для нагрева теплоносителя в калорифере предварительного нагрева вентиляционного воздуха 8. Циркуляция теплоносителя осуществляется через циркуляционный насос 10 по прямоточному трубопроводу 11, к калориферу 8 и по обратному трубопроводу 12 к теплообменнику 26, образуя замкнутый круг для циркуляции теплоносителя.
Термоэлектрический модуль 17, циркуляционный насос 10 и датчик температуры приточного воздуха 9 соединены с блоком управления 27. С помощью блока управления 27 и датчика температуры холодного воздуха 9 осуществляется управление работой системы утилизации тепловой энергии.
Работает энергосберегающая система утилизации тепловой энергии в животноводческом помещении следующим образом.
Теплый воздух из животноводческого помещения, проходя по каналу удаляемого воздуха 7, охлаждается в испарительной секции 3 тепловых трубок 2. При этом воздух по каналу приточного воздуха 6 нагревается в конденсаторной секции 4 тепловых трубок 3. С целью исключения влияния друг на друга секций испарения 3 и конденсации 4 тепловых трубок 2 имеется трубная доска 5, разделяющая секции конденсации 4 и секции испарения 3.
Для предотвращения обмерзания тепловых трубок имеется водяной калорифер 8, предварительно нагревающий наружный воздух экстремальной температуры. Нагрев теплоносителя циркулирующего в водяном калорифере 8 происходит в теплообменнике 26, расположенном в баке - аккумуляторе 13.
Циркуляция теплоносителя, циркулирующего в водяном калорифере 8, осуществляется через циркуляционный насос 10 по прямоточному трубопроводу 11 и обратному трубопроводу 12, соединенными с теплообменником 26, Включается циркуляционный насос 10 с помощью датчика температуры 9 и блока управления 27.
Утилизация тепловой энергии парного молока, находящегося в танке - охладителе парного молока 21 происходит с помощью теплового насоса 16.
При подключении термоэлектрического модуля 17 к питающей сети холодный контур 20 термоэлектрического теплового насоса 16 с помощью тепловой трубки 22 , испарительная секция 24, которой находится в объеме парного молока в танке - охладителе 21, а конденсаторная секция 23 плотно прилегает к холодному контуру 20 термоэлектрического модуля 17 и ассимилирует тепловую энергию парного молока.
Выделившаяся при конденсации и ассимилированная тепловая энергия парного молока вместе с Джоулевой энергией термоэлектрического модуля 17 передается на горячий контур 18 теплового насоса 16.
В испарительной секции 19 тепловой трубки 14 бака-аккумулятора 13 за счет энергии горячего контура 18 происходит испарение теплоносителя, находящегося в тепловой трубке 14, а в конденсаторной секции 15, находящейся в баке- аккумуляторе горячей воды 13, его конденсация. Выделенная тепловая энергия в результате конденсации теплоносителя в конденсаторной секции 15 идет на нагрев воды в баке - аккумуляторе 13. Отбор горячей воды для технологических целей из бака - аккумулятора 13 осуществляется с помощью крана для отбора горячей воды 25.
Предлагаемая энергосберегающая система утилизации тепловой энергии позволяет значительно сократить энергопотребление животноводческих ферм за счет существенного уменьшения энергозатрат основных энергоемких процессов, таких как, подогрев наружного приточного воздуха (до 40-60 %), горячее водоснабжение ( до 20-30 %), снизить установленную мощность пикового подогревателя приточного вентиляционного воздуха и водонагревателя и расширить область применения теплоутилизатора при пониженных отрицательных температурах наружного воздуха, а также снизить затраты энергии на охлаждение парного молока (30 - 40 %).