Исследование температурных полей в промышленных инкубаторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.03, кандидат технических наук Мишра Девашис

• Мишра Девашис
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мишра Девашис

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ИНКУБАТОРОВ

1.1 Особенности инкубирования яиц.

1,2Конструкция и устройство современных промышленных инкубаторов.

1.3 Тепловые модели инкубаторов и методы их расчета.

1.4Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ СОСТОЯНИЙ ИНКУБАТОРОВ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

2.1 Расчетная схема инкубатора и математическая модель теплового состояния.

2.2 Общая характеристика методики расчета поля температур на нерегулярной сетке.

2.3 Построение дискретного аналога на расчётной сетке.

2.4 Критерии сходимости и оценка погрешности итерационного решения и выбор итерационной процедуры.

ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ. ОЦЕНКА СХОДИМОСТИИ ТОЧНОСТИ МЕТОДА.

3.1 Решение модельной задачи стационарной теплопроводности.

3.2 Решение модельной задачи стационарной конвекции в полости.

3.3 Сравнение результатов с аналитическими решениями.

ГЛАВА 4. ВЫПОЛНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЁТОВ НА ИНКУБАТОРЕ. 4.1 Анализ поля температур в инкубаторе для различных краевых

Условий.

4.2 Тепловые расчеты инкубаторов.

4.3 Тепловой расчёт с предложенным нижнем каналом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование температурных полей в промышленных инкубаторах»

Обеспечение человеческого общества продовольствием во все исторические времена были актуальной задачей. Потребность в пище породило современное сельскохозяйственное и пищевое производство, которое на современном этапе носит характер промышленного, массового производства. В промышленно развитых странах относительная доля населения, занятая в указанных отраслях производства мала. Существенной частью пищевого рациона человека составляет мясо птицы, особенно куриное мясо. В настоящее время куриное мясо и яйцо производят на птицефабриках, производственные мощности которых могут превышать миллионы птиц в год. Процесс производства цыплят-бройлеров включает этап выведения цыплят, который реализуется в инкубаторах. В промышленных инкубаторах одновременно могут присутствовать десятки тысяч яиц, на разных стадиях выведения эмбриона.

Инкубаторы могут эксплуатироваться в самых разнообразных условиях. Известно, что температура инкубирования равна 37,5±1°С. Температура окружающей среды может быть как ниже (для стран с умеренным климатом) так и равной или выше указанной. Как правило производители инкубаторов ориентируются при проектировании инкубаторов на климатические условия стран с умеренным климатом. Несмотря на существенный прогресс в технологии и оборудовании для инкубирования яиц, актуальной задачей является организация такого микроклимата в инкубаторе, который обеспечивал бы максимально благоприятные условия для развития эмбрионов и выведения цыплят. Когда речь идет об инкубировании десятков тысяч яиц повышение выводимости здорового потомства на несколько процентов может дать существенный экономический эффект.

Среди факторов, влияющих на выводимость цыплят, если исключить из рассмотрения чисто биологические факторы, следует назвать фактор температуры в зоне инкубирования, и фактор состава газовой среды. Особо сильное влияние оказывает фактор температуры. Поэтому анализ полей температур в инкубаторах особенно актуален. Задачей инженера, проектирующего инкубатор, является создание в зоне инкубирования, в идеале, совершенно равномерного поля температур, благоприятного, по физиологическим показателям, для развития эмбрионов.

В работе ставятся следующие цели исследования:

- исследовать поля температур в инкубаторах, учтя при этом присущие инкубаторам особенности, разработать математические модели для расчета полей температур оценить их погрешность и достоверность для различных условий использования такого рода математических моделей;

- провести сравнительный анализ полей температур в инкубаторах в зависимости от структуры системы обеспечения теплового режима и условий окружающей среды;

- разработать рекомендации по рационализации структур систем обеспечения теплового режима инкубаторов, учитывающих климатические условия их эксплуатации.

Конкретными задачами исследования являются:

- разработка математических моделей систем обеспечения теплового режима инкубаторов для выявленных расчетных схем, учитывающих климатические особенности их эксплуатации;

- разработка вычислительных методик расчета полей температур в инкубаторах, разработка программ для ПЭВМ, их отладка;

- проведение тестовых расчетов с целью оценки погрешностей метода, сходимости, сопоставления с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными для оценки достоверности результатов расчетов;

- проведение расчетов для анализа влияния на степень выводимости яиц структуры системы обеспечения теплового режима инкубатора, режимных и климатических условий;

- разработка рекомендаций по выбору структур СОТР инкубаторов, способствующих повышению степени выводимости в зависимости от климатических условий.

В связи с ограниченными экспериментальными возможностями в работе использовались теоретические методы исследований. Полученные результаты, для оценки достоверности, сопоставлялись с опубликованными экспериментальными и теоретическим данными.

Научная новизна работы определяется следующими обстоятельствами:

- метод исследования температурных полей в инкубаторах, отличающихся от существующих учетом особенностей течения и теплообмена в зонах инкубирования яиц; исследования поля расчеты полей температур в столь специфических объектах как инкубаторы;

- проведены систематические исследования систем обеспечения теплового режима инкубаторов с различной структурой для различных климатических условий эксплуатации; выявлены характерные особенности указанных объектов, учет которых обязателен при проектировании и расчетах.

Теоретическое и практическое значение работы, в предложенных методах учета особенностей течения и теплообмена для расчета полей температур, в предложенных рекомендациях по организации теплового режима инкубаторов для различных условий эксплуатации в наличии программ для расчета СОТР инкубаторов.

Результаты исследований внедрены при проектировании цеха инкубаторов для птицефабрики ЗАО « Кази Фармс» Бангладеш.

Материалы по работе опубликованы в Электронном Журнале «Труды МАИ», № 20, 2005г.

На защиту выносятся следующие положения:

- метод расчета полей температур в промышленных инкубаторах;

- результаты расчетов полей температур в инкубаторах.

- рекомендации по улучшению структуры СОТР инкубаторов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и

Заключение диссертации по теме «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», Мишра Девашис

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Инкубирование яиц является важнейшим процессом при производстве яиц и мяса птицы для употребления в пищу. При промышленных масштабах производства, повышение эффективности процесса даже на несколько процентов дает ощутимый экономический эффект. Анализ показал, что производители инкубаторов при проектировании не учитывают климатические условия эксплуатации. С другой стороны, расчетные методы анализа ключевого элемента инкубаторов - зоны инкубирования, используются в процессе проектирования недостаточно. Создание математических моделей инкубаторов, и моделирования зон инкубирования является важнейшей задачей.

В представленной работе:

- Проведено исследование и анализ конструкций промышленных инкубаторов, их тепловых и вентиляционных схем. Показано, что наиболее рациональной схемой вентиляции инкубаторов является продольная схема продувки зоны инкубирования. Данная схема позволяет учесть уровень тепловыделений в зависимости от стадии развития эмбрионов. Остальные виды схем вентиляции не обеспечивают равномерного поля температур в зоне инкубирования, необходимого для повышения уровня выводимости инкубатора, или требуют наличия сложных вентиляционных воздуховодов, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию.

На оснований проведенных исследований, выполненных тепловых расчётов и анализа литературных данных сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. На основании анализа литературных данных установлен критерий выводимости эмбрионоз по уровням температур. Выведение полностью здорового потомства достигается при температуре инкубирования в пределах

37 ± 1°С выведение потомства, способного к выживанию достигается при температурах инкубирования в пределах 36 < Т< 41°С.

2. Установлено, что наиболее вероятными зонами плохой выводимости являются краевые зоны зон инкубирования.

3. Установлено, что выведение потомства, способного к выживанию ке гарантирует из за подверженности такого потомства инфекциям, выхода высококачественной продукции. Косвенно это влияет на безопасность лиц употребляющих мясо птиц в пишу.

4. Для оценки температур в краевых зонах инкубирования, в работе используется принцип сгущения расчетной сеткк к границе расчетной области по специальному закону (2.20). В закон сгущения входит выбираемый весовой коэффициент 0<f<l. Для перепадов температур между зоной инкубирования и окружающей средой АТ^ 10.20 °С, рекомендуется выбирать 0.8<f<0.9.

5. Разработанный метод позволяет обойтись небольшой размерностью сетки, применяемой для расчета поля температур при требуемой точности расчетов. Большинство расчетов в данной работе проведено на сетке размерностью 27x27.

6. Путем решения ряда тестовых задач показана точность и сходимость разработанного метода и программы. При этом погрешность по температуре составила 0.01°С и 0.0001 Вт по тепловому потоку.

7. Показано что учет климатических условий при проектировании и эксплуатации инкубаторов позволяет улучшить их харахстеркстики, как по энергопотреблению, так и по уровню выводимости цыплят позволяя довести его до 100%.

8. В используемых ныне инкубаторах верхний вентиляционный канал может рассматриваться как элемент теплозащиты от воздействий окружающей среды. В работе показано, что устройство такого же канала в нижней части зоны инкубирования с целью теплозащиты от тепловых воздействий со стороны пола, приводит к дальнейшему выравниванию поля температур и к существенному повышению уровня выводимости цыплят.

9. Разработанная программа и метода расчета температурных полей в зоне инкубирования позволяет рассматривать нестационарные режимы работы, что позволит более полно учесть сезонные и суточные климатические условия эксплуатации инкубаторов, проанализировать схемы тепловой организации и вопросы автоматического регулирования.

Программа расчета разработана для программной среды MATLAB 6.5 SP1, оформлена в виде М- файла и используется в работе разработчиков инкубаторов. Данная программа используется на предприятии ЗАО «КАЗИ ФАРМС» в Бангладеш.

129

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мишра Девашис, 2005 год

1. http://www.brinsea.co.ulc/ulc/products/ines.html.2. http://www.petersime.com/newsovoscan.html.3. http://www.chickmaster.com/cmabout.html.4. http://www.jamesway.com/prod.atcl.html.

2. Versteeg H.K. & Malalasekera W., An introduction to Computational Fluid Dynamics, pp. 1-246, 1995.

3. Wilcox David C., Turbulence Modeling for CFD, pp. 1-330, 1994.

4. Себе си Т. , Брейдшоу П., Конвективный теплообмен М. Мир, 1987-509с.

5. Андерсон Д, Танехил Дж, Флетчер Р., Вычислительная гидромеханика и теплообмен М.:Мир, 1990 -726 с.

6. Ортега Дж, Пул. У, Введение в численные методы решения дифференциальных уравнении М.: Наука, 1986- 287с.

7. Дульнев Г.Н., Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре-М.:Высшая Школа, 1984- 247 с.

8. Исаченко В.П.,Осипова В.А, Сухомел А.С., Теплопередачи- М.:Энергия, 1969-438 с.

9. Кутателадзе С.С., Основы теории теплообмена М.: Атомиздат,1979-300с.

10. Идельчик И.Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.Машиностроение, 1975- 559 с.

11. Малозёмов В.В., Рожнов В.Ф., Правецкий В.Н., Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратах М.: Машиностроение, 1986-584 с.

12. Пичулин B.C., Течение и транспорт жидкостей в элементах агрегатов систем обеспечения жизнедеятельности- М.: МАИ, 1984- 61 с.

13. Юдаев Б.Н., Теплопередачи М.: Высшая школа, 1981.-319 с.17. http://acm.com.ua/articles/foldei71 .html

14. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердыхтел-М. :Машинстроение, 1964- 487 с.

15. Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы физики. М.: Атомиздат, 1972.-398 с.

16. Wilson, H.R., Physiological requirements of the developing embryo: Temperature and turning. Chapter 9, pp 145-146,1991.

17. Kashkin V.V., Heat exchange of bird eggs during incubation. Biophysica 6,pages 57-63,1961.

18. Kendeigh, S.C., Thermodynamics of incubation in the house wren, pages 884904 in Proceedings of the XIII th International Ornithological Congress Ithaca, NY, 1963.

19. Sotherland, P.R., J. R. and C.V. Paganelli, Avian eggs: Barriers to the exchange of heat and mass. Journal Exp. Zool. Suppl. 1, pages 81-86, 1987.

20. Turner, J.S., The thermal energetics of incubated bird eggs. Chapter 9.Pages .117.146 in: Egg1.cubation. D.C. Deeming and M.W.J. Ferguson, ed. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1991.

21. Meijerhof, R., and G. Vanbeek, Mathematical modeling of temperature and moisture loss of hatching eggs. Journal Theoretical Biology 165, pages 27-41, 1993.

22. Schmidt Nielson, K., Animal Physiology. Cambridge University Press, NY. 1975.

23. Ar. A., Egg water movements during incubation. Chapter 10. pages 157-174 in: Avian Incubation, London, UK, 1991.

24. Vleck, C.M., and D. Vleclc, Patterns of metabolism and growth in avian embryos. Am. Zoologist 20:405-416,1980.

25. Romijin C., W. Lockhorst, Foetal heat production in the fowl. Journal Physiology 150, pages 239-249.

26. Tazawa, H. And S. Nakagawa, 1985.Response of egg temperature, heart rate and blood pressure in the chick embryo to hypothermal stress. J. Сотр.

27. Physiol. 155B, pages 195-200.

28. Owen, J., 1991. Principles and problems of incubator design. Chapter 13. Pages 205-226 in: Avian Incubations. London, UK.

29. Kaltofen, K.S., 1969. The effect of air movements on hatchability and weight loss of chicken eggs during artificial incubation. Chapter 10. pages 177-190 in The fertility and hatchability of the hens egg. Edinburgh, UK.

30. Tullet, S.G., andD.C. Deeming, 1987. Failure to turn eggs during incubation: Effects on embryo weight, development of the chorioallantois and absorption of albumen. British Poultry Science 28, pages 239-243.

31. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.- 152 с.

32. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.:Наука, 1983. - 616 с.

33. Тихонов, Самарский. Уравнения математической физики -М.: Наука,1972-735 с.

34. Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчёт теплообмена космического аппарата. -М.:Машинстроение, 1979. -208 с.

35. Моделирование и отработка тепловых режимов летательных аппаратов./Под редакции Б.М. Панкратова. М.:МАИ, 1990. - 228с.

36. Роуч П., Вычислительная гидродинамика М.:Мир, 1980 - 616с.

37. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигналов А.В. Применение ЭВМ для решения задачи теплообмена. М.: Высшая школа, 1990. - 207с.

38. Лыков А.В., Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600с.