Имитационная модель животного

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 6 09 В 1/00, 23/28, 23/36, А 01 К 29/00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР. пользовании модели для управления обогревом животных различных видов и возрастов, а также повысить технологичность ,П;Слободскойизготовления модели. Имитационная модель животного выполнена в виде полого тво СССР . цилиндра 1 с поверхностнйм нагревателем 00, 1985. 2 на боковой поверхности цилиндра 1 и с МОДЕЛЬ ЖИВО- размещенным на части его поверхноститермочувствительным элементом датчика 4, кое хозяйстводля причем в торцах цилиндра 1 установлены ма сельскохозяй- теплоизолирующие заглушки 6 и теплоотраодящегося вусло- жающие экраны 7, а потребная мощность ева, Сущность нагрева имитационной модели животного е позволяет повы- функционально связана с эффективной темия имитационной пературой воздуха и скоростью движения животному по его воздуха по результатам априорных испытаристикам, расши- ний модели в климатической камере без исможности при ис- точников лучистого излучения, 4 ил.2 5 4(57) Использование: сельсконтроля теплового режиственного животного, нахвиях лучистого обогризобретения; изобретенисить. точность соответствмодели животного самомутеплообменным характеить функциональные воз 50 1783567 А 11783567 10 птиц 20 25 30 35 ЦХА+ Отв = Олуч+ Оконв,40 Оконв = як 1(Тп - Тов),55 Изобретение относится к сельскому хозяйству, может быть использовано при экспресс-контроле теплового режима в зоне размещения животных и при регулировании режима обогрева в производственных сель.скохозяйственных помещениях и предназначено для применения в системах лучистого инфракрасного обогрева молодняка сельскохозяйственных животных и Целью изобретения является расширение функциональных возможностей имитационной модели животного, упрощение технологии ее изготовления и эксплуатации, а также повышение точности имитации теплообменных характеристик животных определенного вида и возраста,Другой целью изобретения является повышение точности управления обогревом животных при использовании имитационной модели животного и упрощение и повышение технологичности ее изготовления. Указанная цель достигается тем, чтоФпредложена имитационная модель животного, содержащая корпус с нагревателем и датчиком температуры внешней поверхности, причем корпус выполнен в виде полого цилиндра, на внешней боковой поверхности которого расположен нагреватель, покрытый электроизолирующим и тепло- проводящим слоем, при этом на центральной части корпуса поверх последнего равномерно распределен термочувствительный элемент датчика температуры внешней поверхности имитационной модели животного с нанесенным на него снаружи теплопроводящим и электроизалирующим слоем,. причем в торцах полого цилиндра размещены теплоизолирующие заглушки, а внутри него установлены поперечные теплоотражающие экраны.,На фиг. 1 изображена схема конструкции устройстваИмитационная модель животного содержит полую цилиндрическую основу 1, на которой размещен нагреватель 2, покрытый слоем теплопроводящего материала 3, на поверхности которого размещен датчик температуры поверхности имитационной модели животного 4, покрытый вторым слоем теплопроводящего материала е, а торцы полого цилиндра 1 закрыты с обеих сторон теплоизолирующими заглушками 6, причем внутри цилиндра 1 с обеих сторонучастка с датчиком температуры поверхности имитационной модели животного 4 установлены теплоотражающие экраны 7, а в одну из заглушек вставлена полая труба 8, выполняющая роль держателя и экрана измерительных 9 и силовых 10 электропроводников. Известно, что для животных и птицыосновными крйтериями теплового комфорта являются величина теплопродукции, илиметаболической теплоты, равная в устано-.вившемся режиме теплопотерям, и соответствующая этой величине температураповерхности пухоперьевого покрытия дляптицы, а для животных - температура шерстного покрытия, для людей - температураповерхности одежды. Поддержание этихдвух величин за счет лучистого потока отинфракрасных обогревателей на уровнях,соответствующих тепловому состояниюживотного при содержании его в среде неподвижного воздуха с комфортной температурой, обеспечит в основном тепловоесостояние животного, близкое к комфортному, даже при существенных отклоненияхтемпературы, скорости и влажности воздухаот оптимальных значений.Для реализации этого принципа необходимо, чтобы имитационная модель животного была адекватна в тепловомотношении живой натуре, что математически достигается при адекватном описанииих тепловых состояний в установившемся .тепловом режиме,Исходя из этого и пренебрегая тепловыми потерями животного с выдыхаемым воздухом и на испарение влаги в силу ихотносительной незначительности вблизизоны теплового комфорта для животноготепловой баланс животного и его теплофизической имитационной модели можно описать уравнениями: где Ощ = 57,1 ( 100 ) ( 100 )о - средняя плотность облучения по поверхности обьекта от ИК-обогревателя, Вт/м;1 - поверхность цыпленка, м;г,Отв - мощность биологических тепловы- делений цыпленка, Вт;Олуч, Оконв - мощность теплопотерь соответственно излучением и конвекцией, Вт;А- коэффициент поглощения теплового излучения поверхностью объекта, отн, ед.;я- коэффициент излучения поверхности обьекта, отн. ед.;Тп - температура поверхности обьекта, К;Тогр -температура ограждений зоны в помещении, К;Тв - температура окружающего воздуха, К;ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м град.Анализ уравнений математической модели теплового баланса цыпленка показывает, что для достижения адекватности имитационной теплофизической модели животного и живого объекта необходимо следующее:1. Равенство или соответствие размеров площадей теплоотдающих поверхностей. Это требование не требует комментариев, т.к, площадь поверхности животного т входит в систему уравнений. Здесь необходимо учесть, что у животного с возрастом значение 1 возрастает, Реализовать это в теплофизической имитацйонной модели можно лишь дискретно, имея набор датчиков разных размеров для разного возраста животных. Однако, если все члены уравнения теплового баланса разделить на . 1, то получим уравнение: 10 15 20 25+ йс (Тп Тов). По известным литературным даннымОтв 30 величина - , т.е. удельные тепловыделения, с возрастом остается практически постоянной. Поэтому имитационная модель может быть изготовлена с учетом 1, например, однодневного животного. 352. Равенство величин коэффициентов поглощения А и излучения е живого объекта и его имитационной модели.Коэффициент поглощения А животного зависит от спектрального состава падающе го инфракрасного излучения. Например, по известным данным многочисленных иссле. дований коэффициент поглощения излучения А лампы ИКЗК-250 пухоперьевым покрытием цыпленка находится на уровне 45 0,55-0,7, а излучения источника типа ЛИКИ- на уровне 0,8-0,9. Коэффициент излучения пухоперьевого покрытия при собственной температуре 28-35 С превышает величину0,9. 50При создании имитационной модели животного оптические свойства шерстного или пухоперьевого покрытия животного или птицы в области инфракрасного излучения с достаточной степенью приближения могут 55 быть смоделированы лакокрасочным покрытием с сажевым покрытием, у которых коэффициент поглощения по отношению к излучению ламп ИКЗК-250 составляет 0,7-0,75, по отношению к лампам типа ЛИКИ - 0,8-0,9 и коэффициент излучения больше 0,9,3. Идентичность форм, подобие или равенство определяющих форму геометрических размеров.Эти требования определяются адекватностью реагирования живого объекта и теплофизической имитационной модели наизменение скорости и температуры воздуха, т,е, равенством конвективной составляющей в обоих случаях,Из теории теплообмена известно, чтокоэффициент теплообмена конвекцией приподвижности воздуха со скоростью Чб описъвается критериальными уравнениями видаЙв = Г(Рг, йе),где Йц - критерий Нуссельта;Рг - критерий Прандтля;Ве - критерий Рейнольдса;а О,Мц=Рг= -аЧЬ )Ве= - ,где ав - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м град,;гО - определяющий геометрический параметр (эквивалентный диаметр), м;Л- коэффициент теплопроводности воздуха;д - коэффициент кинематической вязкости;а - коэффициент температуропроводности;Ч 6 - скорость воздушного потока, м/с.Для значений скорости воздуха Чб,близких к О, безразмерный коэффициенттеплоотдачи конвекцией является функциейкритерия Грасгофа (Ог).Мц = 1 (Рг, Ог, форма тела).Из анализа критериальных зависимостей в общем виде для обоих случаев видно,что форма тела и определяющий размер являются величинами, от которых в значительной степени зависит коэффицйенттеплоотдачи конвекцией, Отсюда следует,что имитационная модель животного в рассматриваемом аспекте была адекватна живом объекту, необходимо, чтобы ее форма иопределяющий размер были максимальноприближены к соответствующим характеристика живого объекта.Полной идентичности формы имитационноймодели животного и тела самого животного достичь невозможно. Достаточноеприближение дают сфера и цилиндр. По иэвестным данным теплообменная поверхность среднестатистическОго суточного цыпленка равна 0,00965 м. В случае, если2выполнить имитационную модель животного, в данном случае цыпленка, в виде сферы, 5 ее диаметр будет равен;О =- = 0,0554 м.ЛИзготавливая имитационную модель 10 животного в виде цилиндра и приняв за определяющий его размер О =,0554 м, определим длину цилиндра, при которой выполняется условие 1 = 0,00965 м2151 = =.00554 м,тО Из проведенного количественного анализа критериальных уравнений для обтека ния воздухом имитационных моделей животного обеих модификаций получено.для шара: асК 0058для цилиндра: а -К" Р 6,25 При скорости воздуха Чб =. 0,5 м/с разница между коэффициентамй теплоатдачи канвекцией для сферы и цилиндра не превышает 20 . При естественной конвекции они практически равны между собой.30Отсюда следует, что хотя сферическая Форма функционального датчика. более точна аппраксимирует форму тела цыпленка, цилиндоическая форма также обеспечивает достаточную степень приближения.354. Имитационная модель животного должна обеспечить усреднение температурного поля, установившегося па его поверхности в результате теплообмена с инфракрасным ИК-абагревателем и окружа ющей средой.Инфракрасное излучение, падающее на имитационную модель животного, образует сложное поле тепловых потоков, которое зависит от фотометрических характеристик 45 обогревателя, ега размеров и высоты падвеса относительно датчика, В результате на .поверхности имитационной модели животнога устанавливается сложное температурное поле вида тд -- гд (1), Необходимо, чтобы функциональный датчик на основе имитационной модели животного самостоятельно производил усреднение температурного поля по а мчле:Ф р,551 г,(1)б 1дТакое усреднение может быть вь 1 полнена функциональным датчикам, если термочувствительный слой расположен по всейповерхности имитационной модели животного и его термачувствительность линейнаотносительно температуры.Вышеизложенное свойство имитационной модели животного обеспечиваетсяпри намотке на ее.теплоотдающую поверхность медной проволоки от, например,стандартного термометра сопротивленияс градуировкой 23. Такую намотку легче осуществить на цилиндрическую поверхность,чем на сферическую Поэтому окончательновполне достаточно остановиться на выборецилиндрической Формы имитационной модели животного.Вследствие недостаточной теплоизоляции торцов имитационной моделиживотного на цилиндрической поверхностифункционального датчика, на которой расположен термочувствительный элемент,мокет складываться некоторая неравно-.мерность температур, порядка 2 С, с макси-мумом в центре и минимумами вализиторцов. Это приводит к нелинейностизависимости мощности тепловыделении имитационной модели животного от величинскорости воздуха и его температуры. Дляликвидации этого явления необходимо компенсировать теплопотери через торцы. Наиболее приемлемым способом решенияпоставленной задачи является увеличениедлины цилиндрической части тела имитационной модели животного врайоне торцов ирасположение системы экранов в образовавшихся полостях между торцовымизаглушками и термачувствительным элементом,При этом на цилиндрической поверхности имитационной модели животного, околоторцов, дополнительно следует расположить нагреватель,Для расчета минимальной необходимойдлины торцовых участков количества экранов, обеспечивающих равномерность температур на цилиндрической поверхностиимитационной модели животного в пределах термочувствительного элемента, былаиспользована математическая модель в соответствии с расчетной схемой, а также применено Физическое экспериментирование сконструктивными параметрами имитационной модели животного.Искомыми являлись: размеры торцовыхзон, количество экранов и мощность внутреннего нагрева имитационной модели животнога, при которых расчетный градиенттемпературы па рабочему участку ее поверхности не превышал бы 0,1 С, Для этоготемпература экранов, отделяащих рабочуюполость имитационной модели животногоот торцовой, не должна отличаться от температуры воздуха в соседней полости более чем нд 0,1 С, При этом можно допустить, что поверхность торцовых экранов между со- седними полостями является адиабатной, т.к. суммарный тепловой поток через экранирующую перегородку за счет излучения и конвекции на 2-3 порядка будет меньше; чем величина тепловой мощности, выделяемой внутренним электронагревателем на участке расположения соответствующих полостей. Установлено, что решению поставленной задачи создания имитационной модели животного отвечает функциональный датчик, у которого торцовые "участки продлены на расстояние в 29 мм, а в их полостях установлено по 3 экрана иэ алюминиевой фольги. При этом удельная мощ. ность нагревателей торцовых участков равна удельной мощности нагревателя рабочего участка поверхности имитационной модели животного;Конструктив образца имитационной модели животного выполнен следующим образом.Корпус ее выполнен в виде цилиндра диаметром 56,3 мм и длиной 117 мм из гибкого текстолитового листа толщиной 0,5 мм, На цилиндрическую часть по всей длине навит нагревательный элемент из предварительно оксидированной нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм, Навивка осуществлена в два ручья, виток к витку, Обе ветви нагревателя соединены между собой параллельно с помощью выводов, находящихся со стороны торцов,В торцовые отверстия во внутренние полости вставлено по 3 экрана иэ полированной алюминиевой фольги толщиной по 0,2 мм таким образом, что первые экраны отстоят от торцов на 29 мм. Непосредственно в торцовые отверстия вставлены заглушки в виде дисков с бортиком толщиной 11 мм из пенопласта. Нагревательный элемент покрыт двумя слоями электроизоляционного лака,На центральную цилиндрическую часть имитационной модели животного поверх нагревательного элемента на длйне 58,5 мм намотан чувствительный элемент из никелевой проволоки диаметром 0,1 мм. Всего навито равномерно 90 витков общей длиной проволоки 15,7 м, Чувствительный элемент также покрыт сверху двумя слоями электро- изоляционного лака, после просушки которого вся поверхность имитационной модели .животного покрыта лаком с сажевым пигментом. Общий вид имитационной модели животного показан на фиг, 1,В ка встве термочувствптельного элемента применен отрезок никелевой проволоки, которая имеет коэффициент термического сопротивления 0,058 Ом/град.ч м, что5 ориентировочно в 4 раза выше, чем у медной проволоки в термометре сопротивления с градуировкой 23.Эффективная комПенсация тепловыхпотерь через торцы конструкциидостига 10 ется за счет увеличения цилиндрическихучастков в торцовых зонах на 29 мм, расположения в их внутренних йолостях по 3экрана из алюминиевой фольги и навивки наних нагревательного элемента с такой же15 удельной мощностью, что и на основной рабочей поверхности датчика;Таким образом, получена общая длина. образующей цилиндрической поверхностиимитационной модели животного для суточ 20 ного цыпленка: 58,5 мм + 229 = 116,5 мм.Определим необходимую мощностьвнутренних тепловыделений имитационноймодели цыпленка Аля"следующих условийокружающей среды,"которйе можно считать25 экстремальными для цыплят:температура воздуха сь = 20 С;:скоростьдвиженйя воздуха ЧЬ = 0,5 м/с.Для этих условий в соответствии с аналитической зависимостьютемпературы по 30 верхности цыпленка от температурывоздуха и скорости движения воздуха этавеличина составит 25,99 С.Температуре воздуха а = 22 С соответствуют следующие значения теплофизиче 35 ских величин:Критерий Прандтля Рг= 0,692;Теплопроводность Л = 2,55310 Вт/м хх град;Кинематическая вязкость Ф =.40 14,9410 м /с.Критерий РейнольдсаЧь О 0,55,51014,94 10 45 =185 103.Критерий Нуссельтадц = 0,26 Рг 0,37 ре 0,6 0 26 ф 0,6920,37 хх(1,85 10 )ф,64.Коэффициент теплоотдачи кон векциейМи А 20,642,55310 55 0 5,54, 10-2- 9,51м 2 градТеплоотдающая поверхность цилиндрической части датчика10 20 25 30 50 заданной скоростью и температурой, который омывает испытываемую имитационную модель животного и тем самым позволяет исключить воздействие внешних мешающих факторов на конечный результат эксперимента.По найденному значению температуры системы (воздуха), рассчитывают температуру поверхности покрова или оперения животного или птицы т, которая для данного температурного режима устанавливается в натурных условиях у суточного, например, цыпленка:гп= 0,65 1 ь + 0,139 1 в Чь - 5,56 Чь ++ 14,38, С.По рассчитанной температуре поверхности покрова птицы или животного определяют требуемую величину, сопротивления чувствительного элемента имитациойной модели животного, соответствующую температуре гп. Подбирают такое напряжение питания электронагревательного элемента имитаци-.; , онной модели животного, чтобы сопротив-.ление ее чувствительного элемента оказалось равным тому, которое было определено и не изменялось бы во времени для данного стационарного теплового состояния системы,При подобранном режиме питания нагревательного элемента фиксируют его мощность, которая пропорционально отражает величину внутренних тепловыделений животного для данного температурного режима в аэродинамической трубе.Далее, не меняя скорость воздушного потока, изменяют еготемпературу и вновь проводят эксперименты по аналогии вышеизложенному. Серия таких экспериментов проводится, как минимум, для трех значе ний температуры системы, измеряемой спомощью ненагреваемой изнутри имитационной модели животного. Устанавливается другое значение ско рости воздушного потока и вновь проводятся измерения в соответствии с изложенным ранее.Все вышеописанные эксперименты должны быть проведены, как минимум, для четырех скоростей воздушного потока издиапазона 0-0,5 м/с для обеспечения удовлетворительной достоверности полученныхрезультатов. По результатам проведенных испытаний имитационной модели животного в аэродинамической трубе построены зависимости 0 = 1(а) при Ч ь;= сопз 1, = 1,5 для каждого из пяти эксперимен 1 ов, представленйых вырэвненными линейными зависимостями на фиг. 4,Анализ построенных зависимостейпоказьвает, что все они в интервале температур от 20 до 38 С могут быть описаны математической формулойОц = 0,0627 а + 2,8081 Чь - 0,0686 ть Чь ++ 2,5733, Вт,где ть - температура воздуха, С;Чь - скорость воздушного потока, м/с.Величина температуры воздуха в конвективной климатической камере эквивалентна некоторой величине так называемойэффективной температуры воздуха сь" в реальном помещении, которая создается и эасчет температуры воздуха в нем, и за счетдействия размещенных в нем источниковлучистой теплоты; и за счет движения воздушной среды, Таким образом, данный конструктив имитационной модели животногореагирует на лучистую теплоту повышениемг.температуры своей поверхности тд, затемисходя из принятого в начале эксперимен 1тов условия гд = гп вычисляется по формуледля гп животного при известной измеренной величине Чь значение эффективной температуры воздуха ь", которая совместно сЧ 5 приводит к достижению температуры поверхности тд. После этого находят Оя = т(ть",гЧь). В результате внутри имитационной модели животного выделяется мощность,пропорциональная внутренним тепловыделениям животного Овь в данном тепловомрежиме обогрева и приводящая к установлению на поверхности имитационной модели животного такого же значения1температуры тд, что и самого животного(цыплен ка) тй.Во всех режимах обогрева можно измерить с помощью имитационной модели животного величину температуры егоповерхности, а затем по априорно известным функциям % = гд = фь", Чь) для животного или для его имитационной модели спомощью обратного преобразования вычислить величину так называемой эффективной температуры воздуха 1 ь", котораяприводит в сочетании с Чь к установлениюконкретной величины Гд. Эта температурас может включать в себя составляющую,к.обусловленную лучистым тепловым потоком в режиме инфракрасного обогрева поголовья жйвотных.Затем по известным аналитическим зависимостям явных тепловыделений животных (цыпленка) от температуры воздуха, втом числе эффективной, и скорости его движения, а также с учетом известного определения ощущаемой животными температурыпомещения по признаку неизмененности величины тепловыделений животного в реальном помещении и конвективной климатической камере без.принудительного движения воздуха и без источников лучистой энергии, - вычисляют величину ощущаемой животным температуры помещения при наличии принудительной вентиляции и лучистого обогрева,Наиболее. полное соответствие геометрии. формы, размеров, теплопоглощательной и излучательной способностей животного и его теплофизической имитационной модели, а также линейность зависимости чувствительности термоизмерительного элемента и точное и достоверное значение требуемого закона управления внутренним нагревом имитационной модели животного для конкретного вида и возраста обогреваемого поголовья - все эти факторы позволяют с высокой точностью определять неизвестный ранее уровень теплоощущений животного в терминах ощущаемой температуры в градусах, например, Цельсия, что является весьма удобным со всех точек. зрения, в том числе в сельскохозяйственных помещениях, имеющих многочисленные источники теплового воздействия на животных.формула изобретен ияИмитационная модель животного, со 5 держащая корпус с нагревателем и датчиком температуры внешней поверхности,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с цельюрасширения функциональных возможностей имитационной модели, упрощения тех 10 нологии ее изгОтовления и эксплуатации, атакже повышения точности имитации теплообменных характеристик животных определенного вида и возраста, корпус выполненв виде полого цилиндра, на внешней боко 15 вой поверхности которого расположен нагреватель, покрытый электроизолирующими теплопроводящим слоем, при этом на центральной части корпуса поверх последнегоравномерно распределен термочувстви 20 тельный элемент датчика температурывнешней поверхности имитационной модели с нанесенным на него снаружи теплопроводящим и электроизолирующим слоем,причем в торцах полого цилиндра размеще 25 ны тйплоизолирующие заглушки, а внутринего установлены поперечные теплоотражающие экраны,Тираж. ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наба, 4/б ивводственно-ивдательский комбинат "Патент", г. Угкгород, Ул.Гагарина, 101