Operaciones unitarias 2

Efectos y características de los sistemas de refrigeración por evaporación con nebulización en una granja de puercos experimental

Zaher Abdiel Dueñas Cabrera9/02/2017

UNIVERSIDAD DE SONORA

Informacion del articulo Article history: Received 13 March 2006 Accepted 22 March 2007 Available online 21 June 2007

Contenido • Introducción (4)• Nomenclatura (6)• Objetivos de la investigación (8)• Materiales y metodología (10)• Resultados (16) • Conclusión (22)

Introduccion • Evaporación del agua en el aire ambiente generalmente es una

solución económica para aliviar el estrés por calor, pero también es criticada y se discute debido a su efecto en el aumento en la humedad interior.• Los objetivos de este estudio fueron investigar el impacto en la

temperatura interior, humedad y velocidad de ventilación con un sistema de nebulización alta presión dentro de un centro de ventilación mecánica para cerdos en engorda

Introducción• Se evaluaron las características de la evaporación, la fracción de la

evaporación, así como la constante de tiempo para alcanzar un estado estacionario, mediante un modelo de transferencia.• La información sobre estas características de evaporación es crucial

para un control preciso de nebulización y ventilación.• Durante periodos de altas temperaturas ambientales, los cerdos

regulan su temperatura corporal, reduciendo el tiempo y la cantidad de consumo. En consecuencia, la velocidad metabólica y el rendimiento bajan

Nomenclatura Nomenclatura              

AJ, bj parámetros del modelo A la temperatura del aire exterior, C

ERMS root error al cuadrado Tset temperatura de consigna, C

FN suministro de agua promedio por boquilla, ml min-1 Índice THI de temperatura-humedad u entrada del modelo

HRI. Humedad relativa interior,% V volumen del compartimiento, m3

FCmax. Maxima interior (control de ajuste para nebulizadores),% Peso del animal Wb al comienzo de cada sección de medición, kg

HRo humedad relativa del exterior,% We El peso del animal al final de cada sección de medición, kg

 I tasa de ventilación, m3s 1 Xe tasa de evaporación, gkg-1 [aire seco] min-1 Xe,

 Imax velocidad de ventilación máxima (ajuste para la ventilación), m3 h-1 Sim simulado tasa de evaporación, gkg-1 [aire seco] min-1

Velocidad de ventilación por cerdo, m3 h-1 pig-1 Xf velocidad de niebla, gkg 1 [aire seco] min 1

 IMS duración de la sección de medición, días k tiempo paso (tiempo discreto), min Xi humedad interior, gkg 1 [aire seco]

 N número de valores por conjunto de datos Xo humedad exterior, gkg 1 [aire seco]

Nf número de boquillas activadas Y salida del modelo z 1 operador de cambio hacia atrás, con: z 1.y (k) ¼y (k-1)

Np número de cerdos por pluma B fracción evaporativa de la cantidad de agua suministrada para el empañamiento,%

 Nc número de cerdos por compartimento DHRmax diferencia para reiniciar el empañamiento después de superar RHmax (histéresis),%

 Psat de la presión de saturación del aire ambiente, Pa Ganancia de peso DW, gd 1 cerdo 1

S suministro de agua por boquilla, ml min 1 Gi densidad del aire interior, kgm 3

 T tiempo s Go Densidad del aire exterior, kgm 3

 T63 constante de tiempo para alcanzar el 63% del estado estacionario, s Ei evaporación calor del agua a temperatura interior, Jg 1 [H2O]

 Tf duración del empañamiento, s Fl producción de calor latente de los animales, W cerdo 1

 T temperatura del aire ambiente, C Zf eficiencia de enfriamiento de los sistemas de niebla

Ti temperatura del aire interior, C S2 varianza x (k) ruido aditivo

Tmax temperatura máxima, ajuste de control para el inicio de empañamiento, C

Objetivos • Hubo dos objetivos de este estudio:• (1) investigar los efectos de un sistema de nebulización de alta

presión durante las mediciones durante todo el año en un centro de observación de cerdo: • (i) temperatura interior, humedad y velocidad de ventilación• (ii) consumo de agua y uso de energía• (iii) ganancia de peso diario promedio de los cerdos

• (2) modelar el proceso de evaporación y estimar las variables que más influyen y las principales características de la evaporación, como fracción de la evaporación y constante de tiempo para alcanzar el estado estacionario.

Materiales y metodología

Medidas y mediciones• Se utilizaron dos líneas de empañamiento controlables

separadamente por compartimento para enfriar y humidificar el aire (figura 1). Se proporciona un resumen de las variables medidas, frecuencias y sus precisiones en la tabla 1.

Mediciones y calculos

Modelo de evaporación

Donde Y (k) fue la salida del modelo (tasa de evaporación Xe en gkg-1 [aire seco] min-1 [Eqn (6)]), y u (k) fue la entrada del modelo (suministro de agua para nebulizar Xf en gkg -1 [aire seco] min-1 [Eqn (5)]), ambos en el tiempo k. Los dos polinomios A (z-1) y B (z-1) están dados por.

considerando el proceso de evaporación como un sistema dinámico descrito por una entrada única , Función de transferencia de una sola salida. La estructura general del modelo se describió en Young (1984) y Aerts et al. (2003):

• Los supuestos para el cálculo de la tasa de evaporación fueron: • (i) mezcla perfecta del aire en la habitación; • (Ii) transporte de agua evaporada de acuerdo con el flujo de aire; • Iii) ninguna contribución de las gotitas de agua al proceso, siempre y

cuando no se hayan evaporado; • (iv) la evaporación despreciable de otras fuentes, como los pisos o los

pozos de purines.

Donde ERMS es el error cuadrático medio de la raíz; Y N es el número de valores en el respectivo conjunto de datos. Basándose en los parámetros de modelo estimados aj y bj de cada conjunto de datos, la constante de tiempo t63 en un sistema de primer orden y la fracción evaporativa b durante el estado estacionario se calcularon respectivamente.

La validación del modelo a lo largo de los cuatro períodos de engorde investigados fue el tema de Haeussermann et al. (2006b). Por lo tanto, los parámetros del modelo fueron reescalados de acuerdo con el paso de tiempo respectivo

Resultados

Tabla 2 – temperatura interior, humedad relativa y tasa de ventilación sin (referencia) y con interior de aire evaporativos de refrigeración (nebulización  1 – 3) a lo largo de cuatro períodos de engorde

Estrategia de ventilación (días de medición) referencia días (81) Nebulizado 1 (87 día) Nebulizado2 (dia 99) Nebulizado 3 81 dias

temperatura interior

Media  29.1 19.7 19.5 20.8

Rango de intercuartil 19-24 18-21 18-21 19-22

mínimo-máximo 15-36 15-30 15-28 16-31

% de humedad relativa dentro

Media 47 67 63 69

Rango de intercuartil 42-53 55-77 53-73 57-71

mínimo-máximo 22-73 33-100 28-100 35-99

velocidad de ventilación

Media  79 72 67 56

Rango de intercuartil 36-125 43-97 40-86 32-79

mínimo-máximo 23-145 23-141 23-141 24-136

Efetos en la temperatura interior de la humedad relativa y ventilación

• Figura. 2 - Duración media diurna de: (a) temperatura interior y (b) humedad relativa interior para ventilación sin (Referencia) y con enfriamiento evaporativos (Fogging 1-3) a temperaturas diarias superiores a 14 C (Fogging 2: ventilación estándar; Fogging 1 y 3: aumento y reducción de la velocidad de ventilación, respectivamente):---Reference; … Nebulización 1; _ Nebulización 2; _...Niebla 3.

Figura. 3 - Variación en el suministro de agua, medida y velocidad de evaporación modelada en ml/min: (a) a los 6 días con condiciones interiores cálidas y secas de 28 C y 57% de humedad relativa (RH) con 440 eventos de nebulización de 4min de duración; (B) en 4 días con condiciones de interior moderadas de 21C y 69% de HR con 464 episodios de niebla, 102 de 4min de duración y 362 con una duración de 1-4min; Y (c) a 1 día con condiciones de interior frío y húmedo de 13ºC y 83% HR con 4 eventos de niebla de 2 min de duración. Un suministro de agua de 885 ml/ min caracteriza 60 s de niebla /min durante todos los eventos de niebla incluidos, mientras que la duración del empañamiento fue parcialmente menor cuando el suministro medio de agua es menor. Comienzo del empañamiento entre el tiempo 0 y 1. El tiempo-1 caracteriza la condición de estado estacionario medio posterior a los eventos de niebla. --- suministro medio de agua Promedio de la velocidad de evaporación por periodo día ..—velocidad media de evaporación modelada

Ganancia de peso promedio Tabla 3 ganancia de peso promedio en relación a temperatura y sección de medición (EM 1-4) a lo largo de cuatro períodos de engorde (FP 1 – 4) y durante el verano de 2003 (FP 2)sección de medición MS1 MS2 MS3 MS4días de engorde 8 a 28 29-49 50-70 71-91

Engorda de 1-4 periodo (febrero de 2003 hasta julio de 2004; FP 1 – 4)

temperatura media dentro Ti, 1C; 7standard desviación21.5 21.5 19.9 18.9

El aumento de peso promedio DW, g/dpig; 7standard desviación; B [C1/C2]

841-+74 909-+66 832-+41 727+-64

Verano engorde período (junio de 2003 hasta septiembre del de 2003; FP 2)

Estrategia de ventilación Fog 2/ fog 1 Ref / fog3 Fog 1/ ref Fog 3/ fog 2

Significa dentro de la temperatura Ti, 1C; B [C1/C2]23.2/23 27.9/25.1 20.7/24.1 19.5/19.2

Ganancia de peso promedio DW, gd1pig1; B [C1/C2]923/889 775/862 870/786 775-766

 

una niebla 1, 2 de niebla, Fog 3: ventilación con aire evaporativo de refrigeración (nebulización 1 – 3): Ref: ventilación sin filtro aire enfriamiento (referencia). b C1: compartimiento 1 (alimentación sensor líquido); C2: compartimento 2 (puré alimentación, ad libitum).

Caracterización de los datosTabla 5 - Características de evaporación en diferentes condiciones climáticas interiores

Data set  ago-03 junio/julio 2004 nov-04

Temperature media interior Ti, C (min–max)  28 (24–31 21 (18–27 13 (11–15)

Humedad media relativa HRi, % (min–max)  53 (32–83 69 (48–85 83 (66–100)

Mínima–máxima velocidad de ventilación I,m 3h 5300-6700 1900-7700 1900-7700

Velocidad de evaporación media Xe, g [H2O] kg1 [aire seco] mini

2.48/2.48â 0.95/0.94â

0.46/0.47â

RMSEb -0.53 -0.35 -0.18

Fracción evaporada en estado estacionario b, %  100 89 65

Constant de tiempo t63 65 - 112

 

A Valor medido / simulado. B RMSE: error cuadrático medio entre valores medidos y simulados [Eq. (10)]

Datos del modeloTabla 4 - Parámetros del modelo aj y bj y criterios de evaluación del modelo a en conjuntos de datos separados b

 

Conjunto de datos a1(-+SE) bo(-+SE) b1 AIC YIC RT^2

1 -0.458 0.2514 0.303 -1.1 -8.7 0.84

2 -0.6486 0.2244 0.0982 -1.9 -7.3 0.8

3 -0.599 0.2254 0.0502 -3.2 -3.2 0.89

 

Temperatura media interior Ti, 1C: 28, 21 y 13; Humedad media relativa HRi,%: 53, 69 y 83 (conjunto de datos 1, 2 y 3, respectivamente). A SE, error estándar; AIC, Akaike Criterio de Identificación; YIC, Young Criterio de Identificación; RT2, coeficiente de determinación según Young. B Conjunto de datos 1: agosto de 2003; Conjunto de datos 2: junio / julio de 2004; Conjunto de datos 3: noviembre de 2004 (véase el cuadro 5).

Conclusión • 4. Conclusiones• Las estrategias de ventilación con y sin utilización de nebulización

para el enfriamiento adiabático del aire interior se compararon entre sí. La temperatura del aire, la humedad relativa y la velocidad de ventilación se midieron con una frecuencia de 1 min en una cochinilla experimental ventilada mecánicamente en el sur de Alemania durante un total de cuatro períodos de engorde. • El muestreo de datos incluyó información casi continua sobre el

consumo de agua y el uso de energía, así como sobre el promedio de ganancia diaria de peso de los cerdos.

• . Las características de evaporación se evaluaron en tres conjuntos de datos separados utilizando un modelo de función de transferencia. Los efectos de la temperatura principal de empañamiento se lograron durante días con temperaturas diarias promedio diarias superiores a 14 C, durante las cuales el consumo de agua promedió en 4.9l/d*cerdo. Resultaron en una reducción promedio de los picos diurnos en la temperatura interior en unos 4 a 5C, Efectos negativos de la mayor humedad relativa del aire interior.

• La humedad relativa por debajo del 40% se evitó principalmente cuando se utilizó el sistema de nebulización. Un efecto positivo de la niebla se encontró en el índice de temperatura-humedad - las situaciones de alerta se redujeron de 15,5% a 0,8% considerando los cuatro períodos de engorde - y en la ganancia de peso promedio de los animales durante las condiciones calurosas de verano.• La reducción de temperatura obtenida resultó en una reducción del

percentil 75 de la velocidad de ventilación y, por lo tanto, en una reducción del uso de energía del ventilador en aproximadamente 25%.

• La fracción de evaporación fue de 100% durante el estado de equilibrio, mientras que el 63% del estado de equilibrio se alcanzó dentro de los 65s durante las condiciones ambientales cálidas y secas (28C, 53% de HR relativa). Se redujo a un 89% y un 65% para condiciones moderadas (21C, 69% RH) y frío / húmedo (13C, 83% RH) en el interior, respectivamente, y la duración para alcanzar el estado estacionario casi se duplicó para este último.

Grasias por su atención