Эффективное использование систем охлаждения испарением в туннельных вентилируемых птичниках

Getting the most from evaporative cooling systems in tunnel ventilated broiler houses
by Jim Donald, P.E. Professor and Extension Engineer, Biosystems Engineering Department,Auburn University, Auburn, AL, USA

Высокие температуры негативно влияют на продуктивность птиц. При некоторых температурных условиях, можно препятствовать повышению температуры в помещении, используя высокий воздухообмен. Также, температуру можно понизить, увеличив скорость ветра в помещении. Когда этих методов не достаточно, приходится применять дополнительные меры. Охлаждение испарением является полезным методом, но чтобы добиться максимальной эффективности системы, необходимо следовать определенным правилам.

Нынешняя бройлерная индустрия предъявляет много требований к системам размещения и оборудования, чтобы обеспечить хорошие условия окружающей среды внутри помещения с целью достижения максимального уровня продуктивности. За последние 10 лет, все больше и больше птичников перестраивается или модифицируется под туннельную вентиляцию. Почти все из этих домов имеют охлаждение испарением в той или иной форме. Причина – сегодняшние разводчики бройлерных кур хотят сохранить и увеличить продуктивность птиц в жаркую погоду. Охлаждающий эффект ветра туннельной вентиляции начинает уменьшаться, когда температура воздуха поднимается от 25 до 30 градусов Цельсия. А при температуре выше 30 усиленный поток воздуха не приносит практически охлаждения. При таких условиях, единственный способ увеличить производительность птиц без уменьшения плотности – уменьшить температуру по всему помещению. И единственным практичным способом достижения настоящего охлаждения – использовать охлаждение испарением.

Усовершенствованный способ контроля окружающей среды

Технология охлаждения испарением – назовем для краткости ОИ – превратилась в усовершенствованный способ контроля окружающей среды в горячую погоду. ОИ применяется производителями бройлеров в США и других странах. Эффективное использование ОИ, однако, требует тщательно проработанную установку и правильного управления. Нижеследующий обзор основ ОИ предоставляет некоторые основные рекомендации для тех, кто разводит и наблюдает за стаями птиц, и кто хочет взять лучшее от охлаждения испарением.

Первое, что следует понять, — все современные типы систем ОИ работают как дополнение к туннельной вентиляции. Поток воздуха является более важным, чем любой элемент помещения, подходящего для жаркой погоды. Если у вас не хватает вентиляторов, или они плохо работают, то у вас будет увеличение жары, которое не сможет преодолеть система охлаждения. Если скорости воздуха не хватает, чтобы обеспечить хорошее охлаждение ветром, то система ОИ не сможет снизить температуру до того уровня, когда птицы будут себя чувствовать комфортно. Это значит, что основное требование для успешного ОИ – помещение, спроектированное, действующее и подвергающееся обслуживанию для эффективной туннельной вентиляции. Лучше всего, если помещение с самого начало было спроектировано и построено с включением туннельной вентиляции и ОИ, так как достраивать потом будет сложно. В любом случае, система ОИ может быть успешной только при наличии подходящего помещения и системы вентиляции. Что касается помещения, то конструкция должна быть герметичной, без утечки воздуха.
Основы должны быть идеальными.
В туннели вентиляции все вентиляционные камеры и створки должны быть закрыты и герметичны по всей длине дома. Мы хотим, чтобы весь воздух, поступающий в корпус, проходил только в воздухозаборники туннеля. Любая утечка воздуха препятствует достижению скорости воздуха, необходимой для ветра. Для систем с насадками, утечка втягивает жаркий, неохлажденный воздух в обход прокладок. Нам также нужно, по крайней мере, изоляцию R-11 под крышей, предпочтительнее с подвесным потолком, а не загородительные экраны против воздуха. Плохо изолированная крыша может пропускать солнечный жар, с которым не справится никакая вентиляция и система ОИ. При условиях юго-востока США, предполагая, что конструкция корпуса и изоляция подходящие, для системы вентиляторов может использоваться практическое правило, чтобы определить, происходит ли полный воздухообмен в корпусе раз в минуту. Но это не научно-фиксированный критерий.

Обмен воздуха раз в минуту может быть недостаточным для птичника, в котором выращивают больших птиц. Чтобы достигнуть подходящего охлаждения ветром, туннельная система должна быть сделана так, чтобы производить скорость воздуха 500 футов в минуту(2,5 м/с). Тщательно спроектированная система ОИ построена на основе подходящей системы туннельной вентиляции и принимает во внимание конфигурацию помещения (размер, высота потолка, наличие экранов, тип и количество изоляции, т.д.), количество птиц, вес птиц и климат, где будет построен дом. То есть, мы должны знать, с чем придется работать системе, и что должно быть осуществлено в плане удаления жары и охлаждения. Система охлаждения для птичника с 4-фунтовыми птицами(1,8 кг) отличается по проектированию от птичника, в котором выращивают 7-8 фунтовых петухов.(3,6 кг)

Необходимо просчитывать баланс тепла для корпуса перед его постройкой, чтобы убедиться, что вентиляционная система и система ОИ справятся с работой, которую мы от них ожидаем. Большинство из крупных вентиляционных компаний и инженеров могут это рассчитать. К сожалению, большинство расчетов происходит уже потом, когда очень трудно поднять неподходящую систему до необходимого уровня.

Какого охлаждения можно достигнуть

В первую очередь мы должны понять, что цель ОИ не опустить с 95-100 градусов
(35 – 38 С) по Фаренгейту до 70(21 С). Очень часто такое невозможно, да и не нужно. Так как система работает с вентиляцией, то нам нужно только снизить температуру до уровня, когда эффект вентиляции позволит птицам чувствовать себя, как при 70 градусах. Например, если температура 95, то система ОИ может снизить ее на 12 градусов(6,5 С), то мы получим еще снижения эффективной температуры на 10 градусов(5,5 С), и птицы будут чувствовать себя как при 73 градусах(23 С). Вот такое охлаждение мы можем ожидать от правильно спроектированных систем ОИ в жаркие летние дни.

Конечно, будут дни, когда температура поднимается до 100 градусов и выше, и мы не сможем обеспечить для птиц комфортабельные условия. Однако, у птиц будет гораздо меньше стресса, и смертности будет меньше чем обычно в такие жаркие дни.

Все системы ОИ работают для того, чтобы вода входила в контакт с теплым входящим воздухом, чтобы вода испарялась в воздух. Это его охлаждает, так как это тепловая энергия способствует переходу воды из жидкого в газообразное состояние. Каждый галлон воды забирает 8700 тепловых единиц из воздуха. Звучит, как много тепла, да и так и есть. Что мы действительно хотим знать, какое падение температуры мы можем ожидать от ОИ в воздухе птичника. Фактическое количество охлаждения зависит от двух факторов:

1. Сколько влаги уже присутствует в воздухе. Это определяет теоретический максимум потенциала охлаждения. Чем ниже относительная влажность, чем выше температура, тем больше потенциал охлаждения. При условиях юго-востока США, максимальный потенциал варьируется от 15 до 17 градусов F, когда температура воздуха 90-100 по Ф.. Это соответствует 50% относительной влажности.

2. Насколько эффективна система ОИ. Это определяется практически достижимым охлаждением – как много из теоретически максимального мы можем достигнуть. Эффективность нынешней системы на практике от 50 до 70 процентов. 50% эффективность – система выдаст половину максимального потенциала охлаждения. Это значит, что фактическое достижимое падение температуры может быть от 7 (3,8 С) до 13 градусов(7 С) при 90-100 по Ф., с 50% относительной влажностью.

Ключевая роль относительной влажности Относительная влажность играет критическую роль, так как, чем меньше жидкости в воздухе в начале, тем больше испаряющейся воды он может принять, поэтому больше охлаждение будет больше. Как показано на Рисунке 1, рано утром в типичный летний день, относительная влажность может быть близка к 100%, но температура будет ниже 70. В течение дня воздух нагревается, может удержать больше испарений воды. Поэтому, относительная влажность падает. Подъем температуры на 20 градусов почти удваивает способность воздуха удерживать воду (уменьшает ОВ на половину). Поэтому ко времени, когда температура воздуха будет 95, рано или поздно утром, то ОВ уменьшится на 50%. Вот тут появляется место для работы ОИ, испарять воду в воздух, поднимать ОВ, опускать температуру до 80-85.

Можно рассчитать теоретический потенциал охлаждения исходя из разницы дневной и ночной температуры. Практически доказано, что каждые две трети температурной разницы днем и ночью приводит к двум градусам теоретического потенциала охлаждения. Скажем по другому. Максимальный теоретический потенциал охлаждения – две трети от разницы низких ночных и высоких дневных температур. Например, если температуры днем и ночью соответственно 72 и 96, а разница 24 градуса, то будет возможно охлаждение на 16 градусов. Поэтому мы сможем ожидать 8 градусов практического охлаждения с 50% системой ОИ до 88, или 12 градусов с 76% системой ОИ до 84 градусов.

Относительно недорогие ручные инструменты для измерения относительной влажности доступны для прямого пользования, чтобы мы точнее узнали, чего ожидать от системы ОИ. Старый метод использует пращевой психрометр, то есть вращение термометра, завернутого в мокрую ткань, чтобы получить температуру смоченного термометра. Чем ниже эта температура, тем ниже ОВ. Разница между смоченным и сухим термометром равняется максимальному теоретическому потенциалу охлаждения.

Таблица 1 показывает этот максимально теоретический потенциал для диапазона температур сухого термометра и относительной влажности. Для иллюстрации можно привести примеры, чего эти цифры обычно могут означать на практике. Таблица 2 показывает фактические результаты (пониженных) температур воздуха, которые можно ожидать от начальных температур 95-100 по Ф., при условиях, что относительная влажность будет 50-60%, а эффективность системы – 50-75%.

Рисунок два показывает, как относительная влажность и эффективность системы соединяются, чтобы определить охлаждение, которое можно достигнуть, используя как пример, температуру 95 градусов по Ф.

Если помещение содержит птиц с полным оперением, то необходимо включать системы ОИ (вручную или автоматически) при температура 80-84(27 – 29 С), или до того, как появятся первые знаки температурного напряжения. Для системы легче справляться с постепенно поднимающейся жарой, чем уже имеющейся высокой температурой на время включения. С другой стороны, нужно следить, чтобы не было переохлаждения у молодых птиц, включая вентиляцию и систему ОИ.

Требования воды для эффективности ОИ

Так как результат охлаждения даст только испаряющаяся вода, то необходимо предоставить подходящую воду. Чтобы снизить температуру на один градус, необходимо испарение 0.5 литров воды в час на каждые 30 кубометров воздуха, проходящего через помещение. Если вентиляторы птичника – 180.000 кубических футов в минуту, то для того, чтобы понизить температуру на 10 градусов, необходимо каждый час испарять 225 галлонов воды. На этой основе можно рассчитать, сколько понадобиться воды в день на помещение, и так далее, в зависимости от желаемого и возможного охлаждения.

Очень важно убедиться, что любая система ОИ сможет справиться с максимальной ожидаемой ситуацией охлаждения. На юго-востоке, например, может быть 100 днем при 50% относительной влажности, так что присутствует 17 градусов разницы между смоченным и сухим термометром (100 и 83). С высоко-эффективной системой ОИ мы можем достигнуть снижения температуры на 13 градусов (76% от 17 – 12.92). При 9 вентиляторах на 22.500 кубических футов в минуту, система должна испарять 329 галлонов воды в час.

В дополнении к требованиям эффективности системы (76%), мы должны убедиться, что общая площадь покрытия, количество распыляющих форсунок и так далее, было подходящим. Проверить частоту подачи форсунок и насосов. В 6-дьюймовых прокладочных системах есть правило, чтобы насос подавал 1.5 галлона воды в минуту на каждый кв.фут верха насадки или 0.75 грамм в минуту на каждый линейный фут.

Важно так же убедиться, что подача поды будет подходящей, особенно для систем, которые без вторичной переработки или циркулирования, которые сливают воду. Если мы собираемся делать систему ОИ, то нам не нужно будет охлаждение, которое ограниченно из-за подачи или запасов воды.

Требования к обслуживанию

Получение наилучшего результата от системы ОИ требует содержание проходов воздуха и воды открытыми. Поддерживать чистоту водопровода требует различные шаги, в зависимости от типа системы и технических характеристик производителя, включая чистку и смену фильтров, прочищение засоров, применение мер для того, чтобы предотвратить и расчистить любые появляющиеся водоросли. Воздушные каналы через насадки тоже требуют расчистки. Две основных меры для того, чтобы сохранить системы прокладок действующими как можно дольше – сохранять насад
ки влажными как можно более постоянно во время периода охлаждения, и позволять им просушится за ночь, выключая подачу воды и оставляя вентиляторы. Оба этих шага предохраняют от отложений и водорослей. Также, включение вентиляторов ночью помогает птицам, давая им хороший старт для жаркого следующего дня.

Местная погода определяет экономику Окупит ли ОИ свою эксплуатацию, какой тип ОИ обеспечит лучший возврат инвестиций – это определится взаимодействием рыночной экономики и доминирующей погоды. В США рынок требует высокой эффективности производства. Зачастую производители убеждаются, что любые приросты эффективности на рынке награждаются и более чем окупают вложения в технологию для контроля внутренней среды, не позволяя внутренним условиям зависеть от шансов внешней погоды. Это и есть главная причина, по которой системы ОИ стали общепринятыми за последние несколько лет. Причина, по которой системы ОИ широко применяются на юге и юго-западе – это погода.

Производственный фактор, который имеет наибольшее критическое значение в принятии решений по системе ОИ, — рыночный вес птиц. Производителю, который выращивает восьмифунтовых птиц, гораздо больше понадобиться охлаждение, чем производителю, который выращивает четырехфунтовых птиц. Тип необходимой системы, однако, будет зависеть от погоды.

Наиболее критический фактор погоды – превалирующая тенденция высоких температур и соответствующей относительной влажности. То есть, как жарко, как долго и какова относительная влажность при этом. На юго-западе США температура регулярно превышает 100 по Ф., так что охлаждение совершенно необходимо, но относительная влажность достаточно низкая, поэтому даже самая маломощная система ОИ может дать необходимое охлаждение. На юго-востоке температуры днем выше 90, но относительная влажность зачастую составляет 50-60%, с разницей между сухим/смоченным термометром составляет 16-17 градусов. Подобное небольшое различие температуры между сухим/смоченным термометром означает, что может понадобиться более эффективная система ОИ, чтобы сохранить птицам комфорт, или, по крайней мере, предотвратить критическое температурное напряжение.

Данные о погоде помогают определить технические возможности охлаждения испарением.

Данные о погоде доступно помогают определить техническую возможность охлаждения и ОИ какого типа может понадобиться для той или иной местности. Например, следующие собранные в течение самых теплых 6 месяцев (более ограниченные данные понадобятся для полного исследования) данные о погоде в Монтгомери, Алабама, необходимые для охлаждения, предполагают, почему охлаждение испарением необходимо и возможно в Алабаме технически и экономически.

1. Количество часов, во время которых температура сухого термометра – 80 по Ф. или выше – 1.611
2. Средний диапазон температур, высоких-низких – 21 градус
3. Температура сухого термометра, которая превышает 2.5% времени – 95. Средняя соответствующая температура смоченного термометра – 76
4. Температура сухого термометра, которая превышает 1% времени – 96. Средняя соответствующая температура смоченного термометра – 76

Вкратце, большое количество часов в зоне, нуждающейся в охлаждении (больше 80) говорит о том, что данное местоположение нуждается в охлаждении. Средний ежедневный диапазон температур, вместе с приблизительно 20-градусной разницей между пиками температур сухого и смоченного термометра, говорит о том, что в этом месте система ОИ будет возможна, но так как разница между температурами сухого и смоченного термометра показывает, что для достижения желаемого охлаждения понадобиться система с высокой эффективностью.

За и против различных систем ОИ

Используются три системы ОИ: внутреннее туманообразование, система тумана на панели и рециркулирующая система с панелями. Внутреннее туманообразование — старейший тип системы, применяется в различных конфигурациях с различными уровнями эффективности.

Происходит тенденция ухода от внутреннего туманообразования, которое предъявляет более высокие требования к обслуживанию, к охлаждению с помощью насадок, и совсем недавно к высокоэффективной рециркулирующей системой насадок, у которой самый низкий уровень требования к обслуживанию. Ниже следует краткое обоснование наиболее важных черт, преимуществ и недостатков, и эксплуатационных характеристик этих систем.

Внутреннее туманообразование: Туманообразующие форсунки обычно устанавливаются горизонтально по всему дому каскадными рядами. Но есть много вариаций, включая форсунки установленные внутри воздухозаборников. Но при любой конфигурации цель состоит в том, чтобы образовать в воздухе туннеля высокодисперсный водяной туман для испарения и охлаждения. Чтобы достигнуть необходимый высокодисперсный туман, необходимо, чтобы бустерный насос подавал воду высокого давления (160-200 фунтов на квадратный дюйм) к форсункам в час один галлон. Практика показывает, что от 15 до 20 туманообразующих форсунок требуется для каждого 48-дюймового вентилятора, установленного в доме. Точно число зависит от использованного давления, частоты форсунок, что необходимо знать. Типично частота форсунок – 85 фунтов на квадратный дюйм, и при 160 фунтах на квадратный дюйм одна форсунка выдает 1.3 галлона воды в час. Линии образования тумана устанавливаются по необходимости, в зависимости от температуры и относительной влажности (то есть, сколько жидкости может принять воздух).

Самый большой недостаток внутреннего туманообразования – строгие требования к обслуживанию. Эта система требует близкого контроля, чтобы убедиться, что достигается необходимый эффект охлаждения. То есть, достаточно ли воды подается в воздух, с другой стороны, чтобы вода не попадала на птиц и солому, не делала их мокрыми. Так же проявляется часто загрязнение форсунок, что требует частой проверки. Так же может возникнуть вопрос о качестве воды, поэтому вода для системы должна подаваться фильтрованной.

Охлаждающие системы с испарительными панелями:

Испарительная или рециркулирующая, эти системы похожи в том, что они подают жидкость в воздух, смачивая панели, установленные на всех воздухозаборниках туннеля. Обе системы могут функционировать прекрасно, если они надлежащим образом спроектированы, установлены и управляемы.

Самый важный аспект охлаждения панелями – совместить общую площадь панелей с мощностью установленных вентиляторов, чтобы достигнуть желаемого эффекта охлаждения, а статическое давление в помещении не превышает 0.10 дюймов. Чем ниже скорость воздуха, проходящего через смоченную панель , тем больше жидкость вберет в себя воздух, что означает более высокую эффективность охлаждения и более низкое падение статистического давления. Чем выше скорость воздуха через панель, то на площади данной панели, тем ниже будет эффективность охлаждения и увеличенное статистическое давление. В этой связи необходимо понять, что падение статического давления через панель добавится к давлению в корпусе , что нагрузить вентиляторы и уменьшит их выход. Рисунки 3 и 4 показывают типовые отношения между статистическим давлением, эффективностью охлаждения и скоростью воздуха для 2-дюймовых и 6-дюймовых панелей охлаждения.

Заметьте, что скорость воздуха, проходящего через панели, не равняется скорости воздуха, проходящего через корпус. Площадь поперечного сечения корпуса определяет скорость воздуха после того, как воздух проходит в корпус. Площадь панелей практически всегда больше, чем поперечное сечение корпуса, чтобы замедлить воздух, когда он проходит через панели.

Важно понять, что требования производителя к эффективности для данной панели охлаждения могу выполняться при обусловленной скорости воздуха, и что последует определенное статистическое давление. Оно зависит от площади панелей и данных по сопротивлению воздушного потока. Наиболее распространенная ошибка в установках систем ОИ – недостаточная площадь панелей. Результат – слишком высокое статическое давление, при котором выход вентиляторов, скорость воздуха и охлаждение не достигают желаемого уровня.

Формула для определения требуемой общей площади насадок (кв. футы) является следующей.

Мощность установленных вентиляторов (куб.фут в мин.)
Рекомендуемая скорость воздуха через насадки (футов в минуту)

В свою очередь рекомендуемая скорость воздуха основана на том, чтобы сохранять статистическое давление в диапазоне 0.10 дюйма и достигнуть высокой эффективности охлаждения. Установка недостаточного количества панелей форсирует слишком высокое статистическое давление, что сокращает выход вентиляторов ниже того уровня, на который мы рассчитываем. Если производительность туннельных вентиляторов сократится таким образом, то мы не получим желаемого охлаждения.

Так же необходимо принимать во внимание, что мы проектируем систему, используя рассчитанную эффективность и значение статистического давления, но эти цифры представляют самые лучшие из возможных случаев готовых вентилируемых туннелей. Со временем системы стареют и собирают пыль, водоросли и минеральные отложения, при этом неизбежно будет сокращаться эффективность и возрастать давление, по крайней мере, слегка, даже при самом лучшем техобслуживании. Поэтому есть причина для консервативного подхода, чтобы создать резервный запас за пределом крайней нужды или/и приспособить наши ожидания от производительности системы.

Таблица 3 показывает пример такого подхода к проектированию, с рекомендуемыми инструкциями для альтернатив 2-дюймовых распылительных и 6-дюймовых рециркулирующих систем для типового современного птичника в Алабаме. Заметьте, что обусловленные площади насадок больше, чем можно увидеть в литературе производителя, чтобы удостоверится, что статическое давление сохраняется низким, а работа вентиляторов и охлаждение желаемые. Причина – решение не только обеспечить преграду против понижения работоспособности со временем, но и защитить производительность птиц и ограничить (если не совсем избежать жертв во время периода температур 90 и выше). Системы с меньшей площадью насадок будут дешевле, у них не возникнет проблем с поддержанием необходимого охлаждения при 90 градусах. Однако, во многих частях юго-запада США (и мира) выбор такого подхода означает принятие высокой вероятности значительных потерь в производительности птиц и жертв во время особо жаркой погоды.

Распылительные панели:

эти системы используют туманообразующие форсунки, чтобы смачивать насадки, размещенные над туннельными воздухозаборниками. Эти системы обычно могу достичь боле высокой эффективности, чем внутреннее туманообразование, и их дешевле устанавливать, чем рециркулирующие панели. Жидкость испаряется в поток воздуха и от тумана и от смоченной панели. 2-дюймовая панель выбирается чаще всего, хотя в некоторых системах используются 4-дюймовые панели. Рисунок 3 показывает кривые эффективности в зависимости от статистического давления для 2-дюймовой панели при различных скоростях воздуха.

Так как используются туманообразующие форсунки, в этих системах присутствуют некоторые из недостатков внутреннего туманообразования, касающиеся качества воды и засорения, а также требуемый высокий уровень управления. Если форсунки не выдают достаточное количество воды, то и необходимого охлаждения не получится. Персонал должен контролировать систему и условия, проверять засоренные форсунки, включать и выключать систему, постоянно выдавать необходимое количество воды в воздушный поток, в зависимости от температуры и относительной влажности входящего воздуха. С другой стороны, система не должна поставлять слишком много воды. Оттек сточных вод вокруг птичника может стать проблемой с распыляющими панелями , если они не обслуживаются надлежащим образом. В некоторых областях вообще запрещается сливать отходы таким образом.

Рециркулирующие панели : в трубопроводе подачи воды имеются отверстия гораздо большего диаметра, чем в форсунках (на1.8 дюйма и более), поэтому засорение не является проблемой, если выполняется рутинное обслуживание. Вода, которая не испаряется с панели собирается внизу устройства и возвращается к насосу. Поэтому эти системы не надо включать и выключать, чтобы контролировать охлаждение и слив воды, как у системы распылительных панелей. Они могут включаться вручную или автоматически, когда температура воздуха достигает порогового значения. Эти системы могут использовать более плотные панели , давая воздуху проходить через большую смоченную площадь, поэтому больше возможности испарять воду. Рисунок 4 показывает кривую эффективности в зависимости от статистического давления для типичной 6-дюймовой панели при разных скоростях ветра (сравните с Рисунком 3 для 2-дюймовых панелей ).