Разработка коронно-разрядного озонатора для непрерывной дезинфекции яиц в инкубаторе

Одним из перспективных и основных путей развития животноводства и птицеводства является путь индустриализации, концентрации и специализации производства. Данное развитие идет в направлении совершенствования технологических процессов и повышения общей культуры ведения животноводства.
В современном промышленном птицеводстве в условиях высокой концентрации поголовья птиц, интенсивных методов ее содержания появились факторы, предрасполагающие к осложнению эпизодической обстановки в хозяйствах. Создается благоприятный фон для накопления микроорганизмов, пассажа их через организм птицы, изменения состава микрофлоры (биоценоза), а в конечном итоге увеличения роли условно-патогенной микрофлоры в патологии птиц. Изменению свойств и состава микроорганизмов также способствует широкое применение антимикробных препаратов и химических средств.
Актуальность приобретают проблемы защиты хозяйства от заноса и распространения инфекционных заболеваний. По данным литературы, убыток, причиняемый птицеводству инфекционными болезнями, доходит до 15-25% себестоимости продукции птицеводства.
Процесс инкубации в промышленном птицеводстве играет важную роль. Его результаты (процент вывода и ветеринарно-санитарное качества молодняка птицы) в значительной мере определяют показатели работы всего хозяйства.
Большое значение в инкубации имеют ветеринарные мероприятия, поскольку распространение инфекций через инкубаторий в настоящее время приняло широкий размах. Температурно-влажностный режим в инкубаторе является благоприятным для размножения микроорганизмов. Микроорганизмы могут проникать под скорлупу и вызвать гибель эмбрионов и заразить молодняк. От одного зараженного яйца может перезаразиться вся партия цыплят в процессе инкубации.
Прединкубационная и периодическая дезинфекция яиц в процессе инкубации не исключают возможности микробного загрязнения яиц, лотков, поверхностей инкубатора микроорганизмами, поступающими с приточным воздухом. Поэтому многие исследователи отмечают необходимость непрерывного обеззараживания яиц в инкубационном шкафу в процессе инкубации.
Нормальное развитие эмбрионов птиц возможно лишь і.ри определенных внешних условиях. Интенсивное эмбриональное развитие птицы обеспечивает не только хорошую выводимость, но и улучшает постэмбриональное развитие цыплят, а взрослая птица приобретает более высокую продуктивность.
Следовательно, вопрос непрерывной дезобработки яиц целесообразно рассматривать совместно с вопросом создания оптимальной воздушной среды в инкубаторе, стимулирующей эмбриональное развитие птицы.
Следовательно, вопрос непрерывной дезобработки яиц целесообразно рассматривать совместно с вопросом создания оптимальной воздушной среды в инкубаторе, стимулирующей эмбриональное развитие птицы.
Химические дезсредства не могут быть использованы для постоянной санации. Они являются токсичными для эмбрионов и обслуживающего персонала, а также загрязняют окружающую среду. В последние годы были разработаны различные электрофизические методы обеззараживания яиц и стимуляции эмбрионального развития птиц. К ним можно отнести УФ-облучение, аэроионизацию, озонирования и электрофильтрацию воздуха. Большой интерес представляет озонирование яиц в процессе инкубации воздуха. Озон обладает сильным дезинфицирующим свойством, экологически совместим с биопроцессами, легко и быстро нейтрализуется. Перспективной на наш взгляд является технология непрерывной дезинфекции яиц в озоновоздушной среде в процессе инкубации. Работы, проведенные в данном направлении, показали положительные результаты. Дальнейшее совершенствование технологического оборудования для повышения эффективности данной технологии является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006 •*• 2009 г.г. шифр IX.01. «Разработать систему конкурентоспособных экологически безопасных технологий и комплексы энергосберегающих машин нового поколения для производства приоритетных видов сельскохозяйственной продукции».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование технологии инкубации яиц в промышленном птицеводстве путем непрерывного обеззараживания яиц в озоновоздушной среде в процессе инкубации.
Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследования:
-разработать критерии сравнительной оценки озонаторов;
-разработать критерии сравнительной оценки озонаторов; исследовать основные конструктивные и технологические параметров коронно-разрядного озонатора;
-исследовать процесс образования озоновоздушной смеси в инкубационном шкафу, оснащенной системой озонирования приточного воздуха;
-исследовать процесс очистки воздуха от аэрозольных частиц в инкубационном шкафу, оснащенной системой озонирования приточного воздуха.
-разработать методику инженерного расчета электротехнических и конструктивных параметров системы озонирования воздушной среды в инкубационном шкафу;
-определить технико-экономическую эффективность от использования коронно-разрядного озонатора-элекрофильтра (КРОЭ) для озонирования и очистки воздушной среды инкубационного шкафа.
Объект исследования. Объектом исследования является система «коронно-разрядный озонатор – инкубационный шкаф» для непрерывной дезинфекции яиц в процессе инкубации.
Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности связывающие интенсивность озоногенерирования системой «коронно-разрядный озонатор – инкубационный шкаф» от конструктивных и технологических параметров коронно-разрядного озонатора.
Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в следующем:
-разработаны критерии сравнительной оценки озонаторов;
-получена аналитическая зависимость концентрации озона в воздушной среде инкубационной камеры оснащенной системой озонирования от времени;
-разработана методика инженерного расчета основных конструктивных параметров коронно-разрядной системы озонатора.
На защиту выносятся:
-критерии сравнительной оценки озонаторов;
-результаты лабораторных исследований КРОЭ;
-аналитическая зависимость концентрации озона в воздушной среде инкубационной камеры оснащенной системой озонирования от времени;
-методика инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров системы «КРОЭ – инкубационная камера»;
-результаты производственных испытаний КРОЭ в инкубационной камере инкубатора
Практическая значимость и реализация работы.
1. Предложенные критерии сравнительной оценки озонаторов позволяют обоснованно подойти к решения по выбору озонатора для обеспечения соответствующего технологического процесса.
2. Полученная и экспериментально подтвержденная аналитическая зависимость концентрации озона в воздушной среде инкубационной камеры оснащенной системой озонирования от времени дает возможность проводить инженерные расчеты при проектировании систем озонирования на основе КРОЭ.
3. Разработанный коронно-разрядный озонатор-электрофильтр, конструкция которого защищена патентом РФ на полезную модель (№77944, опубликовано 10.11.2008 Бюл. №31), позволяет генерировать 121,6 мг/чозонаи очищать воздух от аэрозоля с эффективностью >93% для частиц размером >1,0мкм.
4. Результаты исследований КРОЭ используются в учебном процессе Челябинского государственного агроинженерного университета и Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
5. Разработанный КРОЭ внедрен в цехе инкубации птицефабрики ООО «Прогресс».
Результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на ежегодных научных конференциях в ЧГАУ г. Челябинск и в ТТСХА г. Тюмень в период с 2006 по 2009 гг.; на Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и конкурентоспособного развития агроинженерной науки на современном этапе» 17-18 апреля 2008 г. в г. Алма-ата; на Всероссийской научно-практической конференции МГАУ г. Москва, октябрь 2009 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в 4 научных статьях. Получен патент на полезную модель.
Первая глава «Состояние вопроса я задачи исследования» посвящена анализу состояния вопроса и постановке задач исследования. На основе литературных данных сформулированы зооветеринарные требования к средствам непрерывной дезинфекции яиц и воздушной среды в инкубационном шкафу в процессе инкубации.
В последние годы разрабатываются различные электрофизические методы дезинфекции воздушной среды, яиц и стимуляции эмбрионального развития птиц. К ним можно отнести УФ-е облучение, аэроионизацию, озонирование и электрофильтрацию воздуха.
Многочисленные исследования (Т.К. Волков, Б.М. Хаметов, Ю.А. Байдукин, И.И. Журавлев, А.А. Закомырдин, И.С. Фисинин, А.Ф. Нездельский, А.Г. Возмилов, СТ. Таймаков и др.) различных систем воздушных фильтров, работающих на притоке, вытяжке вентиляционных систем, озонирование воздушной среды в инкубационном шкафу, показали, что фильтрация и озонирование воздуха необходимы и дают положительные результаты.
Одним из перспективных электрофизических методов является озонирование воздушной среды (И.П. Кривопишин).
Озон обладает сильным дезинфицирующим свойством, экологически совместим с процессами, легко и быстро нейтрализуется.
Анализ известных технологических процессов с использованием озона в птицеводстве показал, что озон используется для стимуляции эмбрионального развития птицы, при хранении инкубационных яиц, санации воздуха производственных помещений, обработки и хранения кормов, дезинфекции яиц, тары, оборудования и др.
Анализ работ по исследованию образования озона в коронном разряде, имеющихся в литературе, с учетом механизма образования озона показал, что напряженность электрического поля и распределение электронов во внутренней зоне являются определяющими параметрами процесса образования озона в коронном разряде.
Напряженность электрического поля и распределение электронов во внутренней зоне коронного разряда зависит от конструктивных параметров разрядного устройства и режимных параметров разряда, а также состава и температуры газа.
Основным параметром, определяющим концентрацию озона в инкубационном шкафу, является производительность озонатора по озону, которая зависит от конструктивных и режимных параметров озонатора.
На основании анализа проведенного выше была сформулирована научная задача настоящей работы: теоретическое и экспериментальное обоснование технических условий на разработку коронно-разрядного озонатора воздушной среды, отвечающих требованиям процессов инкубации в промышленном птицеводстве.
Во второй главе «Теоретические предпосылки разработки озонатора на основе коронного разряда»,используя основные теоретические положения электрогазоочистки, проведен анализ процессов озонирования воздушной среды в поле коронного разряда.
Рассмотрены критерии сравнительной оценки озонаторов, процессы озонирования воздушной среды в инкубационном шкафу, оснащенного коронно-разрядным озонатором-электрофильтром.
Для сравнительной оценки озонаторов разработаны критерии, позволяющие обоснованно подходить к выбору озонаторов для различных технологических процессов:
1. Технологический критерий (критерий производительности озонатора по озону), позволяющий оценить возможности озонатора, обеспечить требуемую концентрацию озона в воздушной среде помещения заданного объема
2. Критерий эффективности конструкции аппарата. Данный критерий оценивает габариты озонатора, т.е. насколько эффективно используется рабочий объем озонатора
3. Критерий энергетической эффективности. Данный критерий позволяет сравнивать аппараты по удельным энергозатратам на производство озона в единицу времени
Программой предварительных исследований предусматривалось:
– исследование зависимости тока коронного разряда от основных конструктивных параметров коронирующей системы;
– исследование опытного образца КРОЭ в лабораторных условиях;
– исследование опытного образца КРОЭ в производственных условиях
Для проведения предварительных исследований был разработан экспериментальный стенд (рисунок 2.), который включал в себя коронно-разрядную систему «ряд проводов между плоскостями», позволяющую изменять: межэлектродное расстояние в пределах h = (30 + 105)мм и расстояние между коронирующими электродами d =(34 -*- 150)мм, напряжение короны UK=(0 + 30)кВ.
Осадительные электроды были выполнены из листового оцинкованного железа толщиной 0,5 мм, размерами 0,27 * 0,310 м. В качестве коронирующих электродов использовалась проволока 0 = (0,25 -*- 0,30) мм. На оснозе полученных результатов предварительных экспериментов были определены рациональные основные параметры опытного образца коронно-разрядного озонатора-электрофильтра.
Программой исследований опытного образца коронно-разрядного озонатора-электрофильтра (КРОЭ) предусматривалось проведение следующих экспериментов:
1) изучение ВАХ опытного образца КРОЭ;
2) исследование озоно-токовых характеристик КРОЭ;
3) исследование степени очистки КРОЭ.
Для проведения комплексных испытаний КРОЭ в лабораторных условиях использовался экспериментальный стенд, в основу которого был положен опытный образец «коронно-разрядного озонатора-электрофильтра» с вентилятором. Схема экспериментального стенда с используемыми измерительными приборами представлена на рисунке 3.
Приборное оснащение стенда включало в себя:
– источник высокого напряжения ПВС-60/10;
– киловольтметр С-196;
– миллиамперметр Ml 09/1;
– счетчик аэрозольных частиц ПК.ГТА 0,3-002 (шесть каналов по размерам частиц 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 мкм; диапазон измеряемой концентрации аэрозоля – 0+350000 частиц в литре; предел допустимых значений относительной погрешности(б) для пробы на анализ ±10%; объем аэрозольной пробы – 0,1;1,0;10 литров); погрешности(у) не более ±20%; расход газа потребляемого на анализ 1,8±0,2 л/мин;
– измерение температуры воздушного потока и его скорости осуществлялось прибором типа testo 425 (t= 22°С±0,5°С, и= 2м/с±0,13м/с, и= 8м/с±0,43м/с).
– газоанализатор озона 3.02П-Р №25-3-01(диапазон измерений Оз = 0+500 мкг/м3 ; предел допустимых значений основной приведенной погрешности(у) не более ±20%; расход газа потребляемого на анализ 1,8±+_0,2 л/мин
– измерение температуры воздушного потока и его скорости осуществлялось прибором типа testo 425 (t= 22°С+_0,5°С, u= 2м/с±0,13м/с, u= 8м/с±0,43м/с) Программа исследований опытного образца КРОЭ в производственных условиях. Целью данного исследования являлось изучение работы опытного КРОЭ в производственных условиях и целесообразности использования данной технологии на предприятиях АПК.
Программой исследований предусматривалось:
1) исследование процесса озонирования воздушной среды инкубатора «Универсал 55»;
2) исследование влияния системы КРОЭ на микробную загрязненность воздушной среды инкубатора;
3)исследование влияния системы КРОЭ на эмбриональное развитие цыплят.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований», представлены вольтамперные характеристики коронно-разрядной системы, которые позволяют дать сравнительную оценку эффективности различных коронирующих систем и рассчитать мощность, потребляемую коронным разрядом. Вольтамперная характеристика необходима для регулирования технологическими процессами в аппаратах, использующих коронный разряд.
Были исследованы вольтамперные характеристики коронно-разрядной системы в зависимости от диаметра коронирующих электродов (рисунок 4.), на основании которых было принято решение использовать в озонаторе проволочные коронирующие электроды диаметром 0=0,25 мм. Результаты исследований зависимости общего и удельного объемного токов короны от расстояния между коронирующими электродами d, напряжения короны UK и межэлектродного расстояния h представлены на рисунках 5 и 6.
Анализ результатов исследований представленных на рисунке 6 видно, что при уменьшении расстояния между электродами d наблюдается увеличение общего тока короны до определенного значения d. При дальнейшем уменьшении d значение токов уменьшается. Оптимальное значение d находится в районе d ~ 52 мм
На рисунке 6 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости Іѵ = f (h.d) при диаметре коронирующих электродов 0 = 0,25 мкм). Анализ полученных результатов показывает, что при h = 26,25 мм и d = 52 мм ток короны достигает максимального значения и составляет 270 мА/м3 , а это практически на 27% в среднем превышает ток короны известных аппаратов ЭИТ (рисунок 7). На основе полученных экспериментальных данных, литературных источников и личного опыта конструирования аппаратов ЭИТ сельскохозяйственного назначения было определено рациональное значения d и h коронно-разрядной системы для КРОЭ:
– межэлектродное расстояние в диапазоне h = 25/27 мм;
– расстояние между коронирующими электродами в диапазоне d = 50/52 мм.
Таким образом, рекомендуемое соотношение между h и d будет находиться в пределах: Озоно-токовая характеристика коронно-разрядного озонатора является одной из основных для данного типа аппаратов. Наличие данной характеристики позволяет определить необходимый режим озонатора в зависимости от технологического процесса, в котором он используется.
Концентрация озона на выходе из КРОЭ в зависимости от тока короны представлена на рисунке 8. Объемная скорость воздушного потока в КРОЭ была постоянной и равнялась 293 м 3 /ч. Рисунок 8. Зависимость технологического критерия озонатора КП0 от тока короны
Максимальное значение К (производительность КРОЭ по озону) составляет 121,6 мг/ч.
Определение степени очистки КРОЭ проводилась на естественной пыли находящейся в воздушной среде научно-исследовательской лаборатории кафедры ПЭЭСХ ЧГАУ. Результаты эксперимента представленные на рисунке 9. Анализ результатов показывает, что степень очистки от частиц > 1 мкм практически во всем диапазоне скоростей воздушного потока имеет значение 93% и более, что соответствует зоотехническим требованиям.
Для частиц r > 0,5 мкм ветеринарно – санитарные требования к очистке воздуха выполняются только при скорости u < 0,78 м/с.
Частицы r >= 0,3 мкм улавливаются с эффективностью <89,72%. Рисунок 9. Зависимость степени очистки КРОЭ от скорости воздушного потока
Таким образом, КРОЭ достаточно эффективно, с точки зрения предотвращения аэрогенного распространения инфекции, очищает воздух от частиц аэрозоля размером > 1,0 мкм.
В пятой главе «Исследование работы коронно-разрядного озонатора-электрофильтра в производственных условиях. Оценка технико-экономического эффекта» представлены результаты разработки опытного коронно-разрядного озонатора-электрофильтра, экспериментальных исследований и оценки технико-экономической эффективности озонирования в инкубационном шкафу.
Исходя из полученных исходных параметров коронно-разрядной системы, был проведен расчет опытного озонатора из условия обеспечения в воздушной среде инкубационного шкафа концентрации озона 5 мг/мэ с учетом зооветеринарных требований.
Техническая характеристика КРОЭ
Установка питается от сети напряжением 220 В, частотой тока 50 Гц
Потребляемая мощность, кВт – не более 0,15
Объемный расход воздуха, м 3 /с – 0.04
Производительность по озону, г/ч – 0.33
Эффективность очистки воздушной среды от частиц размером 1 мкм и более, % – не менее 95
Напряжение питания коронно-разрядной системы установки, кВ – 9.0 Рисунок 10. Опытный образец коронно-разрядного озонатора электрофильтра На рис. 11 представлены результаты влияния КРОЭ на концентрацию микроорганизмов в зоздухе опытного и базового шкафов
Данные результаты показывают, что концентрация микроорганизмов в воздухе базового шкафа снижается при дезинфекции парами формальдегида до 47±18 Уж после чего вновь начинает расти. В процессе инкубации идет накопление микроорганизмов в воздухе базового инкубационного шкафа и к концу инкубации первой партии яиц достигает величин 841±171 1/м , а при завершении инкубации второй партии яиц-1011±183 1/м3 . В воздухе опытного шкафа концентрация микроорганизмов в процессе инкубации изменялась незначительно и равнялась 1-день 135±41 1/м”‘, 8-день 112±42 1/м3 , 15-день 144±53 1/м3 ,19-день 201±61 1/м3 , 26-день 151±57 1/м3 .
Концентрация микроорганизмов в воздухе инкубационного зала за весь период инкубации изменялась незначительно и в среднем равнялась 453 ± 94 1/м3 .
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что система КРОЭ эффективно снижает концентрацию микроорганизмов в воздушной среде инкубационного шкафа. Эффективность обеззараживания воздуха в опытном шкафу значительно выше эффективности обеззараживания воздуха в базовом шкафу и составляет не менее 75%.
Для определения влияния системы КРОЭ на эмбриональное развитие цыплят, было проинкубировано в период производственного эксперимента 85055 яиц. Результаты эксперимента показали, что процент вывода здоровых цыплят в опытном шкафу был на 3,38% выше с достоверностью 1% уровня значимости, чем в контроле.
Оценка технико-экономической эффективности использования КРОЭ в инкубационном шкафу показала, что годовой экономический эффект в расчете на 1000 голов годового объема продукции составил
Э=340 руб./1000 гол.
Срок окупаемости – 0,89 год.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. В целях повышения выводимости и профилактики болезней птиц необходимо проводить в инкубационных шкафах непрерывную дезобработку яиц и воздуха в процессе инкубации. Практический интерес представляет разработка и исследование системы озонирования воздушной среды, на основе коронного разряда, обеспечивающей необходимую концентрацию озона в воздухе инкубатора.
2. Разработаны критерии сравнительной оценки озонаторов, позволяющие производить обоснованный выбор озонаторов для различных технологических процессов АПК.
3. Получена аналитическая зависимость изменения концентрации озона в воздушной среде камеры, оснашенной системой озонирования воздуха, во времени.
4. Разработана инженерная методика расчета основных конструктивных параметров коронно-разрядного озонатора.
5. На основании теоретических и экспериментальных данных для опытного коронно-разрядного озонатора-электрофильтра были определены рациональные, с точки зрения обеспечения максимального количества генерируемого озона, следующие параметры:
а) диаметр коронирующих электродов 0 = 0,25 мм;
б) расстояние между коронирующими электродами d = 52 мм;
в) межэлектродное расстояние h = 26,25 мм;
Габариты установки (без источника высокого напряжения) – 0,26*0,24*0,32 м.
Вес установки – 11 кг.
6. Производственные испытания системы озонирования воздуха в инкубационном шкафу показали следующие результаты:
– эффективность очистки воздуха от пыли (для частиц >= 1 мкм) не менее 93%;
– концентрация микроорганизмов в воздушной среде опытного шкафа была в 3,5…5 раз. меньше по сравнению с базовым, эффективность обеззараживания воздуха >= 70%;
-средняя концентрация озона в опытном шкафу находилась в пределах 4,8 ± 0,4 мг/м3 ;
– достоверно на 3,38 % повысился вывод здоровых цыплят
7. Экономическая эффективность от внедрения системы электрофильтрации воздуха в инкубационном шкафу составила 340 рублей (в ценах 2008 года) на 1000 голов цыплят. Срок окупаемости капитальных вложений составляет Т ~ 0,89 года.