Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и частные методики

Голосов: 2

В монографии изложены теоретические основы энергосбережения в оптических электротехнологиях АПК на основе метода конечных отношений (МКО). Метод позволяет проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов и энергосберегающих технологических схем применительно к широкому кругу энерготехнологических процессов (ЭТП) АПК. Представлена общая методология энергетического анализа этапов ЭТП. Показано, что определяющей характеристикой этапов ЭТП вне зависимости от происходящих в них процессов является величина энергоемкости. Предложены частные методики энергетического анализа этапов технологического процесса облучения (ТПО) как важнейшего вида ЭТП. Книга предназначена для научных работников, преподавателей и студентов высших учебных заведений, руководителей и специалистов энергетических объектов АПК.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
 ФГОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
              АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»




          В.Н. КАРПОВ, C.А.РАКУТЬКО




          Энергосбережение
в оптических электротехнологиях АПК.
Прикладная теория и частные методики.


            монография




                САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
                     2009


УДК 631.371:621.311.004.18
ББК 65.303.14




А в т о р ы: В.Н. Карпов, С.А.Ракутько
Р е ц е н з е н т ы : д.т.н., проф. Ф.Д.Косоухов
                      д.т.н. В.Н.Бровцин
Р е д а к т о р: д.т.н., проф. М.М. Беззубцева



А 24 В.Н. Карпов, С.А.Ракутько. Энергосбережение в оптических электро-
технологиях АПК. Прикладная теория и частные методики . – СПб.:
СПбГАУ, 2009. – 100 с.

Рекомендовано к изданию УМК энергетического факультета, протокол
№10.4 от 15.09.2009.

   Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК.
           Прикладная теория и частные методики.
       Целью монографии является изложение теоретических основ энергосбережения в
оптических электротехнологиях АПК на основе использования метода конечных отноше-
ний (МКО). Метод позволяет проводить анализ и синтез энергосберегающих технологи-
ческих процессов и энергосберегающих технологических схем применительно к широко-
му кругу энерготехнологических процессов (ЭТП) АПК. Представлена общая методоло-
гия энергетического анализа этапов ЭТП. Показано, что определяющей характеристикой
этапов ЭТП вне зависимости от происходящих в них процессов является величина энерго-
емкости. Предложены частные методики энергетического анализа этапов технологическо-
го процесса облучения (ТПО) как важнейшего вида ЭТП.
       Книга предназначена для научных работников, преподавателей и студентов выс-
ших учебных заведений, руководителей и специалистов энергетических объектов АПК.


ISBN 978-5-85983-006-8

                                                         УДК 631.371:621.311.004.18
                                                         ББК 65.303.14




                                                         ©   В.Н. Карпов,
                                                             С.А.Ракутько
                                                         ©   СПбГАУ, 2009

                                         2


                            Предисловие




      Проблема энергосбережения является одной из самых актуальных в со-
временном мире, её решению развитые страны уделяют большое внимание.
      Особо наглядно эта проблема проявляется в области использования
энергии оптического излучения (ОИ). Так, объем энергопотребления на цели
освещения в России составляет, по различным оценкам, около 14 % от всей
вырабатываемой электроэнергии, что свидетельствует о масштабе проблемы
и эффективности любых разумных мер по ее решению.
      Пример из области светотехники показывает следующие резервы по-
вышения эффективности использования энергии ОИ в нашей стране: в США
нормируемая установленная мощность на 100 лк освещенности составляет
2,5 Вт/м2, в России - 7 Вт/м2.
      Сегодня имеются практически все возможности для решения любых
задач применения ОИ; более того, наличие большого многообразия техниче-
ских средств (источников света, световых приборов, ПРА, электронных сис-
тем управления освещением) формирует новые принципы и приемы техники
применения ОИ, невозможные несколько лет назад.
      И, тем не менее, обеспечение энергосбережения при использовании ОИ
(особенно в отраслях АПК) не сводится только к применению эффективных
светотехнических изделий: люминесцентных ламп нового поколения, элек-
тронных ПРА, качественных световых приборов светодиодов и другим нова-
циям. Здесь это более комплексная проблема, которую можно обозначить как
научную: во-первых, отсутствие единой теории энергосбережения, имеющей
прикладной характер, во-вторых – традиционное рассмотрение облучения
лишь как одного из факторов других технологических процессов.
      Следует признать, что при переходе к рыночным отношениям приме-
нение ОИ в АПК необоснованно уменьшилось. Однако известно, что в ряде

                                   3


технологических процессов ОИ нет альтернативы. Это, прежде всего, куль-
тивационные сооружения, в которых ОИ является важнейшим микроклима-
тическим фактором растений, а так же отрасль животноводства, где приме-
нение ОИ различных диапазонов оказывает существенное влияние на живот-
ных. Кроме того, ОИ может стать удобным и экологически чистым средст-
вом в процессах переработки и хранения с.х. продукции. В перспективе раз-
витие оптических электротехнологий (ОЭТ) в АПК является наиболее науко-
емким направлением. По различным оценкам, потери электроэнергии в них
превышают половину отраслевых потерь всех электроустановок при доле по-
требляемой энергии 20%. В связи с этим, энергосбережение в ОЭТ АПК яв-
ляется важнейшей проблемой отраслевой энергетики, для решения которой
необходимо соответствующее научно-методическое обеспечение, направ-
ленное на снижение энергоемкости всех технологических процессов, связан-
ных с применением ОИ.
      ОИ как вид энергии обладает следующими важнейшими особенностя-
ми.
      Во-первых, использование энергии ОИ как технологического фактора
не связано непосредственно с механическим и электрическим воздействием
на обрабатываемые объекты. Необходимое положительное действие достига-
ется благодаря значительной проникающей способности излучения и его
специфическому действию на клеточном и молекулярном уровнях в биоло-
гических объектах.
      Во-вторых, распространение ОИ происходит линейно при постоянстве
передаваемой мощности по оси угла распространения, но уменьшении плот-
ности по площади нормального сечения.
      В-третьих, распределение энергии ОИ следует учитывать не только по
пространственным координатам и по времени, но и по спектру, т.е. в зависи-
мости от длины волны излучения.
      Все это требует разработки специальной теории и методов расчета.
      К настоящему времени исследованиями известных ученых по фунда-
ментальным и прикладным аспектам электрификации с.-х. производства
Л.К.Алферовой,     Е.Н.Живописцева,     Ю.М.Жилинского,      В.Н.Карпова,
Н.Ф.Кожевниковой, В.А.Козинского, О.А.Косицина, Г.М.Кнорринга,
Я.А.Кунгса, А.К.Лямцова, Г.М.Лисовского, С.А.Овчуковой, Л.Б.Прикупца,
Г.С.Сарычева,      И.И.Свентицкого,      Ф.Я.Сидько,      А.А.Тихомирова,
И.К.Хузмиева, В.П.Шарупича и других решены ряд теоретических и при-
кладных задач в области использования оптического излучения в с.-х. произ-
водстве, обосновано практическое и рациональное использование средств
ОИ в различных областях с.-х. производства для обеспечения прироста жи-
вотноводческой и растениеводческой продукции.
      Современное состояние сельского хозяйства свидетельствует о его вы-
соком потенциале энергосбережения, который может быть реализован на со-
ответствующем научно-методическом обеспечении, включающем научные,
методические, технические, технологические, организационно-правовые,
экономические и другие мероприятия.
                                    4


      Препятствием к нарастанию негативных тенденций и направлением
дальнейшего выправления ситуации должно стать энергосбережение как ос-
нова инновационной агроэкономики.
      При условии наличия соответствующих стратегий и механизмов их
реализации концепция энергосбережения представляется направлением соз-
дания современного эффективного сельского хозяйства.
      ОЭТ являются важными для отраслей АПК технологическими процес-
сами, особенностью которых является преобразование энергии из электриче-
ской в энергию электромагнитного поля и, далее, в энергию, определяемую
поглощающим объектом. Большие энергетические потери в процессе этих
преобразований обусловливают низкую эффективность использования энер-
гии и высокую энергоемкость, что составляет важную научную проблему.




                                   5


         Глава 1. ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ.
           ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

      На протяжении всей истории развития аграрного производства проис-
ходило непрерывное совершенствование технологий, направленных на обра-
батываемый объект, который весьма специфичен, т.к. представляет собой
биологический объект: животное, растение, почву и т.д. Технические средст-
ва в совокупности с биологическим объектом образуют здесь биотехниче-
скую систему, в которой основным продуктообразующим звеном является
живой организм.
      Традиционные приемы и технологии воздействия на биотехническую
систему связаны с механическим воздействием.
      Дальнейшим развитием повышения эффективности воздействия на ма-
териалы, живые организмы, растения и продукты с целью получения в них
целесообразно направленных изменений являются различные виды электро-
технологии, которые предусматривают производственное использование
электрических и магнитных полей, электрического тока, электрических заря-
дов и импульсов и других электрофизических факторов. Электротехнологию
стремятся применять там, где она повышает качество или количество про-
дукции, увеличивает производительность труда и экономически себя оправ-
дывает.
      В сельскохозяйственном производстве электротехнология может быть
применена для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и
продуктивности животноводства, а также для изменения и усовершенствова-
ния разнообразных технологических процессов [1].
      Использование энергии оптического излучения (ОИ) как технологиче-
ского фактора не связано непосредственно с механическим и электрическим
воздействием на обрабатываемые объекты. Необходимое положительное
действие достигается благодаря значительной проникающей способности из-
лучения и специфическому воздействию его на клеточном и молекулярном
уровнях в биологических объектах. Оказываемое воздействие и передаваемая
излучением энергия зависит от длины волны.
      Как известно, оптическими называются излучения в диапазоне длин
волн от 10 −9 до 10 −3 м. В него входят ультрафиолетовое, видимое и инфра-
красное излучение. Эти излучения по разному воздействуют на людей, жи-
вотных, растения и другие биологические объекты, но объединены общим
названием оптическое излучение, поскольку имеют общие принципы полу-
чения и распространения в пространстве. Видимое излучение занимает са-
мую узкую часть оптического диапазона. Однако необходимо отметить, что
именно видимое излучение играет решающую роль в жизнедеятельности че-
ловека, так как обеспечивает возможность ориентироваться в пространстве,
различать цвета окружающих предметов, выполнять необходимые техноло-
гические операции [2].

                                    6


      ОИ в объектах АПК может выполнять две функции:
      1) энергетическую, например, фотосинтез растений, лучистый обогрев
животных, сушка сельскохозяйственной продукции;
      2) информационную, например, зрительная рецепция, морфогенез, тро-
пизм, периодизм.
      Одна из разновидностей электротехнологии по производственному ис-
пользованию ОИ, в которых действие последнего создает в обрабатываемом
материале и других объектах воздействия совокупность целесообразно на-
правленных изменений, получила название оптической электротехнологии.
      К оптическим электротехнологиям следует отнести только те про-
цессы, где излучение используется как специфический энергетический фак-
тор. Они характеризуются потоком энергии, претерпевающим процессы пе-
реноса и преобразования с целью придания лучистой энергии параметров,
обеспечивающих требуемый технологический эффект.
      Таки образом, под оптическими электротехнологиями (ОЭТ) следует
понимать технологии, включающие генерацию и перераспределение ОИ в
пространстве и по поверхности, задание необходимого закона изменения по-
тока во времени и его спектрального состава с целью обеспечения полезной
реакции незрительного приемника излучения.
      Техническими средствами, обеспечивающими проведение ОЭТ, явля-
ются облучательные установки (ОбУ). Вопрос их классификации тесно свя-
зан с классификацией обеспечиваемыми ОбУ технологическими процессами
[3].
      На рис. 1.1 представлена общая структурная схема энергопотока в
ОЭТ. Электроэнергия в источнике излучения преобразуется в энергию элек-
тромагнитного излучения, которая, пройдя черев преобразователь излучения,
соответствующий технологической схеме облучения, воздействует непосред-
ственно на облучаемый объект.




                    Рис.1.1. Структурная схема энергопотока в ОЭТ

      Таким образом, объектом исследования в данной работе являются оп-
тические электротехнологии АПК
      В настоящее время главный вопрос, обретающий все большую акту-
альность – это энергосбережение, что подразумевает профессиональные ме-
тоды и технологии эффективного использования энергии. Именно в отрасли
сельского хозяйства, из - за наличия биологических объектов в энергетиче-
ской системе потребителя, во главу угла ставится обеспечение энергосбере-
жения. В данной области методы энергосбережения разработаны явно недос-
таточно (в отличие от, например, электропривода или электронагрева). Кроме
того, процессы облучения характеризуются малой долей полезно используе-
мой энергии, несмотря на существенную величину электроэнергии, направ-

                                      7


ляемой в сельском хозяйстве для этих целей. Поэтому поиск возможностей
экономии электроэнергии в процессах с использованием энергии излучения
представляет собой весьма важную практическую задачу. Для ее решения
необходимы соответствующие теоретические подходы.
       Таким образом, предметом настоящего исследования является энерго-
сбережение в оптических электротехнологиях АПК
       Главной отличительной особенностью ОЭТ, которая обуславливает от-
раслевую специфику, является энергия электромагнитного излучения, кото-
рая в технологическом процессе проходит этапы генерации, распространения
в пространстве и поглощения в объекте. Энергия электромагнитного излуче-
ния имеет полевую форму и характеризуется различными параметрами (табл.
1.1). Это обстоятельство, а так же наличие особенностей генерации излуче-
ния, конструкций источников излучения и особенно характеристик облучае-
мого объекта обуславливают трудность классификации ОЭТ. Преодолеть ее
можно путем введения нескольких уровней классификации [4].

Таблица 1.1. Параметры электромагнитного излучения
   Распределение         Наименование
                                              Математическое выражение
 параметра ОИ PОИ          параметра
                                                                  dQ
Во времени          Поток                              Ф(t ) =       ,
PОИ = f (t )        излучения Ф                                   dt
                                                где Q - энергия излучения.
По спектру          Спектральная плотность                   dФ
PОИ = f (λ )        потока ϕ
                                                       ϕ (λ ) =
                                                             dλ
В пространстве      Сила                                    dФ
PОИ = f (ϖ )                                             I=
                    излучения I                             dω
По поверхности                                              dФ
PОИ = f ( S )       Облученность E                       E=
                                                            dS

      Следует отметить, что распределение потока по поверхности облучае-
мого тела (при фиксированных компоновочных параметрах) вполне одно-
значно определяется распределением потока в пространстве, поэтому эти ха-
рактеристики распределения следует объединить в одну группу (рис.1.2).




                  Рис.1.2. Параметры распределения характеристик ОИ
                                      8


      Прежде всего рассмотрим классификации, учитывающие изменение
параметров ОИ по спектру и в пространстве (по поверхности).
      Анализ показывает, что на первом уровне необходимо классифи-
цировать виды ОЭТ, исходя из следующих двух взаимосвязанных признаков:
типа фотопроцесса, имеющего место в объекте, и спектрального диапазона
излучения. Это связано с энергией кванта, которая в ИК-диапазоне способна
лишь на тепловое воздействие. И только излучение с длиной волны λ < 700
нм может производить в веществе химические превращения, так как энергия
кванта в этом спектральном диапазоне становится больше энергии химиче-
ских связей, которая в большинстве случаев составляет 40 ккал/моль и более
[5].
      Классификация ОЭТ, соответствующая первому уровню, представлена
на рис. 1.3.




                  Рис. 1.3. Видовая классификация ОЭТ (1-й уровень)

       Первую группу видов ОЭТ составляют технологические процессы фо-
тофизического действия, в которых оптическое излучение производит полез-
ный      нагрев    среды     или   нагрев  с    целью    удаления    влаги
[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]. Объекты облучения в этой группе весьма разно-
образны: животные, растения, сельскохозяйственная продукция, материалы.
Однако всех их объединяет один физический механизм фотопроцесса, обу-
словленный излучением в основном в ИК, а также видимом диапазоне опти-
ческого спектра. Независимо от спектра излучения в пределах этого диапазо-
на поглощаемая объектом энергия расходуется лишь на возбуждение колеба-
тельных и вращательных уровней атомов, молекул или кристаллической ре-
шетки среды и диссипирует в тепло, вызывая полезный нагрев объекта.
                                      9


        Вторую группу видов ОЭТ представляют технологические процессы
чисто фотохимического действия, которые в АПК весьма редки [16]. Однако
фотохимические реакции предшествуют дальнейшим фотобиологическим
реакциям, имеющим широкое распространение в объектах АПК. Поэтому
необходимо отметить их главные особенности [17,18,19,20,21].
        Фотохимические реакции начинаются с возбуждения электронных
уровней атомов и молекул среды объекта. Так как электронное возбуждение
зависит, главным образом, от энергии кванта излучения, спектральное рас-
пределение падающего потока излучения имеет первостепенное значение.
Кроме увеличения частоты излучения, электронное возбуждение возрастает с
ослаблением связей между атомами или молекулами объекта. Таким образом,
для обычной интенсивности излучения электронное возбуждение имеет ме-
сто при облучении УФ и видимым излучением некоторых газов, жидкостей,
твердых растворов и молекулярных кристаллов.
        При поглощении молекулой электромагнитного излучения ее энергия
возрастает на величину, равную энергии поглощенного фотона hν , где h -
постоянная Планка, ν - частота излучения. Одноатомные газы поглощают
только резонансное излучение отдельных частот, многоатомные газы и рас-
творы - определенные полосы частот. Поглощение молекулой фотона пере-
водит ее в синглетное электронно-возбужденное состояние. За время порядка
10 −11 -10 −12 с возбужденная молекула безызлучательным путем внутренней
конверсии отдает избыток электронной и колебательной энергии окружаю-
щей среде. В результате этого все молекулы независимо от того, в какое
электронно-колебательное состояние они были переведены поглощенным
квантом, переходят на низший колебательный подуровень первого синглет-
ного возбужденного состояния. От этого состояния берут начало все после-
дующие конкурирующие между собой фотофизические процессы, приводя-
щие в конечном счете к дезактивации возбуждения. Переход из синглетного
в триплетное состояние, так называемая интеркомбинационная конверсия,
переводит молекулу в возбужденное состояние с несколько меньшей энерги-
ей, но со значительно большим временем жизни, что часто является старто-
вым этапом последующей фотохимической реакции. Путем миграции энер-
гии происходит перенос электронного возбуждения от молекулы-донора к
молекуле-акцептору. Различают индуктивно-резонансный, экситонный, об-
менно-резонансный и полупроводниковый способы миграции, которые име-
ют разные физические механизмы. Миграция энергии возбуждения исполь-
зуется в сенсибилизированных химических реакциях, а также очень распро-
странена в фотосистемах живой природы [22]. Флуоресценция представляет
собой излучательный переход в основное состояние, который сопровождает-
ся высвечиванием кванта с частотой, пропорциональной разности энергий
уровней, между которыми происходит переход. Энергия первого возбужден-
ного синглетного или триплетного состояний может быть также израсходо-
вана на различные первичные фотохимические реакции, например: диссо-
циация на радикалы, внутримолекулярный распад, внутримолекулярная пе-
рестройка, фотоизомеризация, отрыв атома водорода, внутримолекулярный
                                   10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика