Kursus 3: Toidu kvaliteet ja ohutus

1. Eesti Maaülikool J. Praks V. Poikalainen M. Hautala Kursus 3: Toidu kvaliteet ja ohutus Teema 6: Seosed looma heaolu – keskkond – toidu kvaliteet: tootmise tagajärjed Õppetund 7: Lehma soojusvahetus Millal on lehmal mugav?

2. Sisukord • Sissejuhatus • Millal on lehmal mugav? • Soojusbilanssi mõjutavad tegurid • Soojusproduktsioon P (W) • Soojusjuhtivus läbi karvkatte = tajutav soojuskadu • Vee aurustumine/higistamine • Soojusjuhtivus läbi karvkatte • Soojuseritus vee aurustumise teel = peitsoojuseritus • Vee aurustumine märjalt kehapinnalt (sajab) • Kiirgus • Hingamine • Termokomfordi tsoon • Alumine kriitiline temperatuur ºC • Temperatuur on alumisest kriitilisest temperatuurist madalam. • Temperatuur punktis D (ülemine kriitiline temperatuur) • Järeldused • Soovitatav kirjandus ja interneti aadressid Täiendav materjal: WP3T6L7.pdf

3. 1. Sissejuhatus Käesolevas õppetunnis käsitletakse lehma termokomforti.

4. 2. Millal on lehmal mugav? • Kui ei ole liialt soe. • Kui ei ole liialt külm. • Kui on kerge hingata. • Kui ei ole liiga libe. • jne Pikemas perspektiivis kujuneb välja soojusbilanss: soojustootlus on tasakaalus soojuskadudega.

5. 3. Soojusbilanssi mõjutavad tegurid • Lehma soojusproduktsioon P • Radiatsioon keskkonda ja keskkonnast • Lehma soojusvahetus soojusjuhtivuse/konvektsiooni teel läbi karvkatte Φq • HigistamineΦm • HingamineΦm • Soojusjuhtivus põrandasse (loom lamab)

6. 4. Soojusproduktsioon P (W) • Lehma organismis tekkiv soojus on tingitud ainevahetusest ning on tüüpiline tasemel1000 W = 1kW = 1kJ/s, W=vatt (= võimsus = energia/aeg), J= džaul (energia) • P sõltub lehma kehamassist m (kg): CGIR, vol.2, p.41: P = 5.6 m0.75 W • P sõltub samuti piimatoodangust, lehma aktiivsusest, külmetamise korral lihaste värinast

7. 4. Näide: soojusproduktsioon (andmete muutmiseks kliki kaks korda tabelil)

8. 5. Soojusjuhtivus läbi karvkatte = tajutav soojuskadu Fourier's I seaduse järgi soojuse ülekanne (W) läbi karvkatte paksusega ∆x ja pinnaga A, kui temperatuuri muutus karvkattes on ∆T , võrdub • kusλon karvkatte soojusjuhtivus • h=λ/∆x on soojusülekande koefitsient • (heat transfer coefficient)

9. 5. Näide: soojusjuhtivus läbi karvkatte

10. 6. Vee aurustumine/higistamine Aurustumise/higistamise mehhanism seisneb veeaurude difusioonis läbi karvkatte kui karvkatte pind ei ole märg. Märja kehapinna puhul (näiteks sajab) on vee aurustumine piiratud difusioonist kehapinda ümbritsevas õhukeses piirkihis. Selles kihis ei ole õhk turbulentses liikumises ning seega puudub konvektsioon. Veeaur peab difundeeruma läbi selle kihi, mille paksus sõltub õhu liikumise kiirusest.

11. 7. Difusioon läbi kehakatete Fick‘i I seaduse järgi (analoogselt Fourier‘i I seadusele) molekulide voog läbi karvkatte paksusega ∆x, kui kontsentratsiooni muutus karvkattes on c, on • kus D (m2/s) on veemolekulide difusioonikoefitsient õhus • k = D/∆x massi ülekande koefitsient • (mass transfer coefficient)

12. 8. Soojuseritus vee aurustumise teel = peitsoojuseritus Difundeerunud vesi aurustub esmajoones naha pinnalt. Vee aurustamiseks vajatakse energiat.Vee massi m (kg) aurustumiseks kulutatav energia Q saadakse järgmiselt: Q=m*lh, kus lhon aurustumise peitsoojus (ligemale 2500 kJ/kg ruumi temperatuuril). Pideva aurustumise korral Φm (kg/s) on peitsoojuseritus Φq (J/s=W) seega

13. 8. Näide: soojuse äraandmine keskkonda vee aurustamiseks higistamisel

14. 9. Vee aurustumine märjalt kehapinnalt (sajab) Erinevus aurustumisel märjalt kehapinnaltseisneb selles, et difusioon õhku toimub läbi pindmise õhukihi. Kihi paksust võib arvutada semiempiiriliste valemitega. Tavaliselt on kihi paksus mm, st suurusjärk väiksem kui kehakatte paksus.See suurendab veeauru massi voogu (k on tavaliselt tuulise ilma korral 0,02 m/s). Teine voogu suurendav tegur on veeauru kõrgem kontsentratsioon märjal pinnal (relatiivne niiskus pinnal 100 % ). Sellest tulenevadvõimalused lehmade jahutamiseks kuuma- stressi ohu korral – hoida loomade kehapind märg ja keskkond tuuline. Mida suurem on õhu liikumise kiirus, seda õhem on laminaarne õhukiht ja intensiivsem aurustumine.

15. 10. Kiirgus Iga pind kiirgab soojust (nagu päike!). Kiirguse intensiivsus (W) pinnalt A on • T on pinna temperatuur Kelvini kraadides: (K)=T(oC)+273. • σ=Stefan’ikonstant =5.67*10-8 W/(m2K4) • ε= pinna kiirgustegur (emissivity). • Tavaliselt lähedane oma maksimumväärtusele 1.

16. 10. Näide: (net)kiirgus lehmalt

17. 11. Hingamine Lehm hingab sisse küllalt kuiva õhku ja välja niisket õhku. Veeauru teke vajab energiat (vt vee aurustumine). Hingamine on soojusbilansi väikseim faktor.

18. 11. Näide: soojuse äraandmine hingamise kaudu

19. 12. Termokomfordi tsoon Lisatud joonisel temperatuurid punktide C ja D vahel moodustavad termokomfordi tsooni (optimaalse temperatuuri piirkonna). Loom ei higista ja tunneb ennast mugavalt. CIGR handbook, vol. 2, p. 32

20. 13. Alumine kriitiline temperatuur ºC Komforditsooni alumist kriitilist temperatuuri saab kindlaks teha küllalt lihtsalt. Eeldame, et kehapinna temperatuur Ts on võrdne kehatemperatuuriga ja karvkatte pinna temperatuur Tc on tasemel, mille puhul soojusjuhtivus läbi karvkatte ja (net)soojuskiirgus on võrdsed. Sellega jätame arvestamata higistamise (mida ei toimu) ja vee aurustumise seoses hingamisega, mis on väikseim tegur.

21. 13. Alumine kriitiline temperatuur (järg) • T =kehatemperatuur • Tc =karvkatte pinna temperatuur • Ts =nahapinna temperatuur =T antud juhul • Ta =keskkonna temperatuur • h=λ/∆x ~1-10 W/(m^2K), vt Ex tbl • Φq ja I on eeldatavalt võrdsed, st Tc=(T+4Ta)/5. Sellisel juhulüldine kütmisvõimsus on 2*A*4*((T+4Ta)/5-Ta)=2*A*4*(T-Ta)/5. Kui P=1000 W ja A=6 m^2, • T-Ta väärtuseks saab 100 C ja Ta=-60 ºC! Sellisel juhul Tc võiks olla -40 ºC. Võite korrata arvutust kasutades h=10 või reaalsemat väärtust P. Leides Tc soojusbilansi võrrandist on võimalik suurendada täpsust. Selgub, et Ta sõltub peamiselt P väärtusest; kui P=500 W, T-Ta=50 ºC ja Ta on -10 ºC

22. 14. Temperatuur on alumisest kriitilisest temperatuurist madalam Kui lehm tunneb külma, intensiivistub ainevahetus, stsööb rohkem. Kui suurenenud söömus ei aita või ei ole sööta, hakkab lehm kasutama küttena keharasva (kui tal seda on). Rasv sisaldab umbes 40 kJ/g energiat. Et toota näiteks 1 kW soojust, peab lehm kasutama rasva järgmiselt 1kW/40 kJ/g = 1/40 g/s = 3600/40 g/h = 90 g/h!

23. 15. Temperatuur punktis D (ülemine kriitiline temperatuur) Isegi lihtsam on määrata punkti D temperatuuri. Selle temperatuuri juures karvkatte pinna temperatuur Ts on võrdne kehatemperatuuriga T. Konvektsioonist tingitud soojusvoog/A on h*(Ts-Ta), ligikaudu 10*(T-Ta), net radiatsioon on 6*(T-Ta) (vt Exl tbl). Nende näitajate summa peab võrduma P/A. Kui kehapind on 5 m2ja P=1 kW, T-Ta väärtus on 10 ºC. Seega temperatuur punktis D on ligikaudu 30 ºC. Seda siiski tuulises keskkonnas ja karvavaba kehapinna korral. Reaalsem on, kui h=1, siis T-Taväärtus on 30 ºC ja Ta on 10 ºC! Kõrgema temperatuuri korral lehm hakkab higistama. Tuleb jälle märkida, et Ta sõltub P.

24. 16. Järeldused Piimatoodangu suurenemisel langeb ülemine kriitiline temperatuur. Kas on võimalik säilitada piima produktsiooni, kui õhutemperatuur on üle 10 ºC? Alternatiivideks on piimatoodangu vähenemine või efektiivne õhu konditsioneerimine ja lehma kehapinna niisutamine.Õhu liikumiskiirus laudas peab olema mitu m/s! Kas normatiivid on vananenud: need baseeruvad vananenud toodanguandmetel?

25. 17. Soovitatav kirjandus ja interneti aadressid • CGIR handbook of agricultural engineering. • Monteith & Unsworth. Principles of Environmental Physics. • Campbell, Biophysics. • Details of radiation:Trans. ASAE 48 (2005) 767 • Internet: search Mollier diagram for the calculation of water content. w. • Internet: search Sherwood number (and mass transfer coefficient) and Nusselt number (and heat transfer coefficinet) for the calculation of the thickness of boundary layers and h and k.