ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK ISTÁLLÓ KLÍMATECHNIKAI VIZSGÁLATA

ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK 2003.

ISTÁLLÓ KLÍMATECHNIKAI VIZSGÁLATA Szerző: Takács Dénes IV. évf.

Konzulens: Dr. Kristóf Gergely egy. doc. Áramlástan Tanszék

Takács Dénes: Istálló klímatechnikai vizsgálata

TARTALOMJEGYZÉK

1. BEVEZETÉS......................................................................................2. old. 2. ELŐZMÉNYEK .................................................................................2. old. 2.1. Istállók hőterhelése .....................................................................2. old. 2.2. Hőstressz .....................................................................................3. old. 2.3. Megoldási lehetőségek................................................................5. old. 3. A MODELL........................................................................................6. old. 3.1. A használt modell .......................................................................6. old. 3.2. Hálózás........................................................................................7. old. 4. PEREMFELTÉTELEK, BEÁLLÍTÁSOK.........................................8. old. 4.1. Szélcsend, ventilátorok kikapcsolva ...........................................8. old. 4.2. 2 m/s-os oldalszél........................................................................8. old. 4.3. Ventilátorok bekapcsolva, szélcsend ..........................................8. old. 5. SZÁMÍTÁSI EREDMÉNYEK ..........................................................9. old. 6. EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE.....................................................16. old. 6.1. Szélcsend, ventilátorok kikapcsolva .........................................16. old. 6.2. 2 m/s-os oldalszél......................................................................16. old. 6.3. Ventilátorok bekapcsolva..........................................................16. old. 7. ÖSSZEFOGLALÁS .........................................................................18. old. 8. IRODALOMJEGYZÉK ...................................................................19. old.

1


2

1. BEVEZETÉS A magyarországi állattartási technológiák rekonstrukciókra szorulnak. A szarvasmarha tenyésztésben a jelenleg használatos istállók legalább 25 évvel ezelőtt épültek, így azok korszerűsége nem felel meg a modern mezőgazdaság elvárásainak. Ugyanis azok légtere kicsi, egymáshoz közel helyezkednek el, ezért szellőzésük nem kielégítő. Téli időben ez nem jelent gondot, ám a nyári kánikulában nem nyújt megfelelő komfortot, esetlegesen hősokkot okozván az állatoknak, melynek hatására azok tejtermelése erősen csökken. Mivel az új, nagylégterű, komfortos istállók építési költsége magas, ezért a régiket kell átépíteni a jelenlegi elvárásoknak megfelelően. Feladatomban azt vizsgálom a FLUENT segítségével, hogy milyen hatással vannak a ventilátorok a belső légviszonyokra. A vizsgált épület szokásos méretűnek és elrendezésűnek mondható, hiszen a hazai istállók majd mindegyike ilyen (1. ábra). A ventilátorokat a szakirodalomban megfelelően helyeztem el az istállóban (illetve a gyakorlatban már így történt meg a felszerelés).

1. ábra


3

2. ELŐZMÉNYEK 2.1.

Istállók hőterhelése

Ebben a fejezetben az istállók hőterheléséről fogok szót ejteni, a hazai szakirodalom alapján [1]. Amikor például egy színház vagy sportlétesítmény klímáját vizsgáljuk, figyelembe kell vennünk az emberek hőleadását. Az ember fűtési teljesítménye kb. 100 W-nak tekinthető. Egy istálló esetében a legtöbb felszabaduló hőt a szarvasmarhák adják le, azonban a tehenek fűtési teljesítménye nem vehető fel teljesen egyértelműen. Ismerjük meg tehát a leadott hőt befolyásoló tényezőket. Egy 600-700 kg tömegű, szárazon álló (nem tejelő) holstein-fríz tehén mindegy 1 kW teljesítménnyel fűti környezetét. További teljesítmény növekedéssel kell számolni, egy tejelő tehén esetén. A tejtermeléssel arányosan 7.5 literenként további 100 W hőtermeléssel kell számolni. A régi istállók nem megfelelő komfortja egyébként éppen erre vezethető vissza. A meglévő istállók építésük idején az átlagos éves termelt tejmennyiség tehenenként 7.000-8.000 liter körül volt. Mára viszont a korszerű tartástechnológiák elérhetővé teszik a 9.000-11.000 literes limitet is, ami plusz hőtermelést von maga után. Egy átlagos termelő tehén esetén napi 30 liter tejjel kell számolni, azaz a hőtermelés 40 %-kal növekszik. Így tehát egy tehén fűtőteljesítménye 1400 W. Nem állhatunk meg azonban itt a számítással. Nyári hónapokban, a napsugárzás − amelynek 80 %-kát a holstein tehén bőr- és szőrfelülete elnyeli − a ≈2 m2-nyi napsugárzásnak közvetlenül kitett felületen 1600 W-nyi hőnyereséget jelenthet a tehén számára. Összefoglalva tehát, a nyári napsugárzás akár megduplázhatja a tehén által leadott teljesítményt, amely így már elérheti a 3 kW-ot is. Egy istálló hőterhelésénél figyelembe kell vennünk azonban még valamit. Mint minden épületnél, az istállóknál is gondot okoz a nyári napsütésben felmelegedő tető. A hazai istállók jóformán kivétel nélkül nincsenek tetőszigeteléssel ellátva. Márpedig az istállók nagy alapterületű, alacsony épületek, így joggal állíthatjuk, hogy tetejük jelentős energiát nyel el a napsugárzásból. Az általam használt hazai irodalmakban még utalást sem találtam a tető által felvett és kisugárzott energia figyelembevételéről. A napsugárzás a Földön átlagosan 1.35 kW/m2 teljesítményű. Sajnálatosan nem rendelkezem adattal arról, hogy ennek mekkora hányadát nyeli el egy istálló teteje, de


4

ha csak 10 %-kát, akkor is jelentős fűtőteljesítménnyel számolhatunk. Több hazai szarvasmarha telepen a gyakorlati tapasztalatokból kiindulva próbálják csökkenteni a tetők által felvett energia mennyiségét. Mindezt a tető nyári hónapokra történő fehérre meszelésével érik el. Ezzel az egyszerű módszerrel kb. 1 °C-kal képesek csökkenteni az istállóban a hőmérsékletet! Ebből is látható, hogy milyen fontos és eredményes lenne a tetőszigetelés.

2.2.

Hőstressz

Ebben a fejezetben ismerhetjük meg, hogy miért is szükséges vizsgálnunk az istállók klímáját. Az utóbbi évtizedekben elterjedté vált nagy termelőképességű holstein-fríz tehenek kiváló hidegtűrő képességekkel rendelkeznek, ezért a felépített istállók gravitációs, ill. szélszellőzésűek. A nyári meleg időszakban fellépő termelésvisszaesés azonban egyre jelentősebb, az utóbbi években fokozódó kánikulák miatt. A tehenek hőleadása változik a környező hőmérséklet változásának hatására. Ha a környező levegő 18-21 °C-os, azaz a környezet jóval hűvösebb, mint a tehén, akkor a tehén saját hőjének mintegy 60-70 %-át képes leadni száraz hőleadással. A levegő hőmérsékletének emelkedésével a hőfelesleg egyre nagyobb hányadát nedves hőleadással kényszerül leadni az állat. Ha a hőmérséklet eléri a 33 °C-ot − amely közel azonos a tehén felületi hőmérsékletével −, akkor a nedves hőleadás aránya eléri a 80-90 %-ot. Ezáltal az istállóban emelkedni kezd a páratartalom, amely gátolja a nedves hőleadást, a tehenet hőstressz éri! A hőmérséklet és a relatív páratartalom alapján egy úgynevezett HPI-t lehet megállapítani, ami a tehén komfortérzetére utal (2.ábra).


5

2. ábra

2.3.

Megoldási lehetőségek

Az istálló klíma optimálissá tételéhez a szakemberek több megoldást dolgoztak ki. Az egyik megoldás például az adiabatikus hűtés, melynek lényege, hogy a légtérbe vizet porlasztanak, amely elpárolog és így hőt von el a környezettől, ezáltal csökkentve a hőmérsékletet. De mielőtt ezt alkalmaznák megfelelő természetes szellőzési lehetőségeket kell kialakítani, amely területről jó áttekintést találunk külföldi irodalmakban [2]. Nagy probléma például a hazai istállók majd mindegyikénél a zárt tetőgerinc. Átalakításkor ezt mindenképpen nyitottá teszik. Az oldalfalak kinyitásánál azonban gondolni kell a szeles, hidegebb időszakokra is, ezért oda mozgatható függönyöket szerelnek fel. Ezeket többnyire automatika vezérli, figyelembe véve a belső légviszonyokat. A szellőztetéssel mind a hőmérséklet, mind pedig a páratartalom csökkenthető, ezért ventilátorokkal kényszerített áramlást hoznak létre. A ventilátorok átöblítik az istállót a kinti hűvösebb és szárazabb levegővel. Ügyelni kell azonban arra a ventilátorok elhelyezésénél, hogy a légsebesség ne haladja meg a kritikus értéket, ugyanis a tehén nem szereti a huzatot. Huzatmentesnek tekinthető a klíma, ha 150 cm magasságban, a tehén feje felett, nem haladja meg a légsebesség a 2 m/s-ot. A szakirodalomban többfajta javaslatot találhatunk a ventilátorok elhelyezésére. Magyarországon ez idáig egyetlen felszerelési változatot alkalmaztak. Melegebb éghajlatú országokban extrém körülményekre több szellőztetési eljárást dolgoztak ki és alkalmaznak, melyekről sok szakirodalom található [3] [4].


6

3. A MODELL Az épület rajzát az 1. számú melléklet tartalmazza. A számításhoz jelentősen egyszerűsíteni kellett a modellt. A teheneket a boxokban téglatestekkel helyettesítettem. Ezekben adtam meg térfogati hőforrást. A ventilátorokat kör alakú felületekkel helyettesítettem, melyeken nyomásnövekedést írtam elő. A tető fűtőteljesítményének hiányában, kénytelen voltam konstans hőmérsékletet megadni a felületre. Ez a hőmérsékletet 315 K-re állítottam, hiszen tapasztalatból tudhatjuk, hogy nyáron szikrázó napsütésben elérheti, sőt meg is haladhatja ezt. A levegő hőmérséklete: 300 K, ami nem tekinthető magasnak, alapul véve a nyári időjárást. De itt most nem a hőmérsékletek abszolút értékének megállapítása a feladat, hanem a különböző beállításoknál kapott hőmérséklettérképek viszonya. Peremfeltételnek az épület nyílásain Pressure Inleteket adtam meg, hogy lehetséges legyen a visszaáramlás. Az alkalmazott turbulenciamodell: Spalart-Allmaras.

3.1.

A használt modell Tetőnyílás Pressure Inlet Tető T=315 K

Első ajtók Pressure Inlet

Oldalsó nyílás Pressure Inlet Ventilátorok Fan pdin=30 Pa

Boxok qv=673 W/m3

Hátsó ajtók Pressure Outlet

Elválasztó fal Wall 3. ábra


7

Az istállók szellőztetésére többfajta ventilátort alkalmaznak. Az általam használt axiális ventilátorból már országszerte szereltek fel. A ventilátor jellemzőit a 2. számú melléklet tartalmazza. A ventilátoroknál megadott nyomásugrást a ventilátorra megadott térfogatáramból számoltam ki. A ventilátor átmérője D=0,91 m, Q=16670 m3/h. A sebesség ebből v=7,28 m/s, ezt dinamikus nyomásként felfogva ρlev=1,15 kg/m3 feltételezve pdin=30 Pa-ra adódik.

A ventilátorok elhelyezése:

4.ábra

A ventilátorok továbbá 5°-kal az oldalsó nyílások felé lettek forgatva, mint ahogy azt a gyakorlatban is teszik. (4. ábra) A teheneket jelképező téglatestek térfogata V=415,8 m3. Az istállóban 200 tehén számára van férőhely. Szakirodalom alapján egy tehén 1400 W teljesítményt ad le a környezetének, így az istállóban 280 kW „fűtés” üzemel. Így a térfogati hőforrás qv=673 W/m3.

3.2.

Hálózás

A hálózásnál először a belépő (a nyílások) keresztmetszeteket hálóztam be négyzethálóval. Majd a ventilátorokat tri elemekkel. Ezzel biztosítva, hogy a kritikus helyeken sűrűbb legyen a háló. A boxokat és a teljes térfogatot pedig tetra elemekkel hálóztam. A torzultság 0.8 alatt maradt. Az cellák száma: 78.924 db.


8

4. PEREMFELTÉTELEK, BEÁLLÍTÁSOK A vizsgálatot három különböző környezeti állapotban végeztem el. Először is az istállóban azon hőmérsékleteket számítottam ki, amikor nincs semmilyen kényszerített áramlás, tehát maximális a hőterhelés az állatok számára. Aztán vizsgáltam a viszonyokat 2 m/s-os oldalszélnél, végül pedig a ventilátorok hatását. 4.1.

Szélcsend, ventilátorok kikapcsolva

Az áramlási sebességeket figyelembe véve az iterációs időlépést (time step) 1 sec-ra vettem fel. Ezt az átlagos sebesség és a cellaméretek alapján határoztam meg. 4.2.

2 m/s-os oldalszél

A peremfeltételek beállításához szükségem volt az épület körül létrejövő áramlási viszonyokra. Ehhez, egy 2D-s modellt készítettem. Ezen lekérdeztem a nyílásoknál létrejövő nyomásviszonyokat és megállapítottam átlagos értékeket. A 2D-s modell eredményeit a 3. számú melléklet tartalmazza. A beállított peremfeltételek a 2Ds modell alapján a következők: Szél felöli oldalon: Hátsó oldalon: Tetőnyíláson: Első és hátsó ajtókon:

+1.8 Pa -2 Pa -1.6 Pa -2 Pa

Az iterációs időlépést 0.5 sec-ra választottam. Az áramlás keresztirányban történt az istállóban, így aránylag hamar átjárta négyszer ötször a levegő. Hamarabb került az „egyensúlyi” állapotba az iteráció. (Megfigyelésem alapján már nem változott az eredmény az utolsó 20-30 mp-ben.) 4.3.

Ventilátorok bekapcsolva, szélcsend

A nagy áramlási sebességek miatt 0.1 sec-ra állítottam az iterációs időlépést. A hosszirányú áramlás miatt kb. 75 sec-ra volt szükség a megfelelő számú átöblítés létrejöttéhez. Végül ezt az időt bőven meghaladta az iteráció.


5. SZÁMÍTÁSI EREDMÉNYEK

Ventilátorok bekapcsolva, Szélcsend 1/3. ábra

2 m/s-os oldalszél jobbról 1/2. ábra

Szélcsend, ventilátorok kikapcsolva 1/1. ábra

Hőmérséklet eloszlás az istálló egy keresztmetszetében

9

2/3. ábra





Sebesség eloszlás az istálló egy keresztmetszetében

10

3/3. ábra





Hőmérséklet eloszlás 150 cm magasságban

11

4/3. ábra





Sebesség eloszlás 150 cm magasságban

12

5/3. ábra





Turbulencia az istálló egy keresztmetszetében

13

6/3. ábra





Sebesség eloszlás az istálló hosszában

14

Takács Dénes: Istálló klímatechnikai vizsgálata Áramvonalak 2 m/s-os oldalszél esetén:

Áramvonalak ventilátorok üzemelésénél:

15


16

6. EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE 6.1.


Ez az állapot a lehető legrosszabb a tehenek hőterhelése szempontjából. A ventilátorok felszerelése pontosan az ilyen állapotok elkerülése miatt történik. Látható, hogy légcsere csak a nyílások közelében történik. A középső boxoknál nem történik légcsere, így ott a hőmérséklet eléri a 37 °C-ot. Az áramlási sebességek alacsonyak, gyakorlatilag csak örvények jönnek létre, amelyek megtartják a hőt. A 3/1. ábrán látható, hogy az istálló két végében a levegő még melegebb, itt ugyanis még kisebbek az áramlási sebességek.

6.2.

2 m/s-os oldalszél

A számítási eredmények alapján kijelenthető, hogy a 2 m/s-os oldalszél már jóval jobb átöblítést biztosít, mint a ventilátorok. Innen vetődhet fel az ötlet, hogy miért nem keresztben vannak beépítve a ventilátorok. Hiszen mint láthatjuk a szél felöli oldalon majdnem teljes az átöblítés, a szélső boxban a hőmérséklet lényegében megegyezik a kintivel. Az istálló bal oldalán, valamint a középső boxokban már más a helyzet. Köszönhető ez az istállón hosszában végighúzódó 150 cm magas elválasztófalnak. Ez a fal nem található meg minden ehhez hasonló istállóban. Itt most viszont remekül látható, hogy nincs túl jó hatással a szellőzésre. Érdemes megfigyelni, hogy a szél hatására az épületben sehol nem jön létre huzat, azaz 2 m/s-os sebességet meghaladó áramlás, ami kimondottan előnyösnek mondható. Az istállóknál szeles időben oldalsó függönyök segítségével akadályozzák meg a huzatot, ám jelen esetben erre nincs szükség.

6.3.

Ventilátorok bekapcsolva

A ventilátorok hatására a hőmérséklet alacsonyabb lesz, ám az istálló hossza mentén jelentős eltéréseket vehetünk észre. Az istálló feléig jól látható a szellőztetés jótékony hatása, ám innentől hátrébb, különösen az utolsó harmadban nem annyira hatékony. Ugyanis itt már nem olyan friss levegőt szállítanak és az áramlás is „széttart”,


17

nagyobb a turbulencia. Az áramlási sebességek is magasabbak ebben a régióban. Ez viszont magyarázatul szolgál a gyakorlatban felvetődő problémára, miszerint több helyen a tehenek az istálló elejében helyezkednek el. Ez tehát magyarázható a magasabb hőmérséklettel és a nagyobb huzattal. Ugyanis a 4/3. valamint a 6/3. ábrán látható, hogy az istálló végében a sebesség meghaladja a kritikus értéket. Mivel már az istálló elejében is előfordul lokálisan a kritikus sebességnél nagyobb áramlás, ezért arra következtethetünk, hogy kevésbé kellene lefelé fordítani a ventilátorokat. Sajnos nem rendelkezem olyan mérési eredményekkel, amelyek arról tanúskodnának, hogy a ventilátoros istállóban mennyivel alacsonyabb hőmérséklet egy ugyanolyan ventilátor nélküli istállóhoz képest. Azonban a 4. számú mellékletben olyan mérési eredményeket találhatunk, amely egy régi, de ventilátoros istálló és egy új korszerű ventilátor nélküli istállóban készültek. Eltekintve a mérési eredmények hosszas boncolgatásával, foglalkozzunk csak a HPI-vel. Látható, hogy a ventilátorok segítségével képesek vagyunk a korszerű istállók klímájának komfortját biztosítani, hiszen mindkét istállóban 80-81 HPI-t mértek. Sajnos azonban még mindig magasnak mondható a 2. ábra alapján. Ezért van folyamatban az új istállók ventilátorral való felszerelése. Végső konklúzióként csak azt vonnám le, hogy érdemes lenne kísérletet tenni a ventilátorok keresztben történő beépítésére.


18

7. ÖSSZEFOGLALÁS Dolgozatomban

bemutattam

az

istálló

klímaviszonyok

javításának

legelterjedtebb változatát. A hazai tejtermelő tehenészeteket égetően foglalkoztatja a hőstressz elkerülése. Az itthoni cégek anyagi helyzetét figyelembe véve, nem alkalmazhatók a legdrágább módszerek. Azonban az itt ismertetett kényszerített áramlásos szellőztetés itthon is egyre jobban terjed. A tehenészetben dolgozó szakemberek azonban a tejhozam eredményeket látva kételkedve szereltetik fel istállóikat ventilátorokkal. A módszer hatásossága és kifizetődősége nem állapítható meg egyértelműen. Ha betévedünk egy ventilátorokkal ellátott istállóba rögtön meghökkent minket a ventilátorok által keltett „óriási” zaj, mely a teheneket éppúgy zavarja, mint minket. Ez nagyrészt a szakszerűtlen rögzítésnek tudható be, amelyre egyébként a gyártó nem ad javaslatot, sőt a ventilátor szerelőkittjében található tartó merev rögzítést tesz lehetővé. (Aláhangolásos rögzítéssel csökkenthető lenne a zaj!) A numerikus módszerrel kapott számítási eredményeket igazolják a gyakorlati tapasztalatok. Így megállapítható, hogy további ventilátor beépítési módszereket próbálhatnánk ki, anélkül, hogy költséges próbálkozásokba fognánk.


19

8. IRODALOMJEGYZÉK [1]

Dr. Bak János, Pazsinczki Imre: Tehénistállók klímajellemzői és befolyásolási lehetőségeik Mezőgazdasági

gépesítési

tanulmányok,

FVM

Műszaki

közleménye XLI. Évfolyam, 1. sz. [2]

2000 Heart of America Dairy Management Conference 21-22 June 2000

[3]

Natural Ventilating Systems for Livestock Housing, MidWest Plan Service Iowa State University, Ames, 1989

[4]

Mechanical Ventilating Systems for Livestock Housing, MidWest Plan Service Iowa State University, Ames, 1990

Intézet

ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK ISTÁLLÓ KLÍMATECHNIKAI VIZSGÁLATA

Recommend Documents