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.
            Учет колебаний напряжения питающей сети важен при эксплуатации
ламп типа ДКсТ, которые, как известно, рассчитаны на непосредственное
включение в сеть. Показано, что при нестабильности питающего напряжения
электрические и светотехнические характеристики ламп ДКсТ заметно улуч-
шаются при использовании балласта [77].
        К этому же временному диапазону следует отнести эксплуатацию ИС в
режиме частых включений (РЧВ). Величиной, характеризующей степень тя-
жести такого режима на срок службы ИС является показатель «цены включе-
ния» Δτ в ,с, который показывает, насколько снижается срок службы ламп по
сравнению с режимом постоянного горения
                                      τ − N (t в − t р )
                               Δτ в = пг                 ,           (1.12)
                                           N
где τ пг - срок службы ИС в режиме постоянного горения;
     N - среднее количество включений ламп в РЧВ за срок их службы;
    t в - длительность режима «включено»;
    t р - время разогрева ИС.
        Данный процесс имеет непосредственное отношение к ресурсосбере-
жению в ОЭТ [78].
        5. Процесс выхода источников излучения в рабочий режим после вклю-
чения
        Особенностью газоразрядных ламп высокого давления является нали-
чие режима разгорания, наблюдаемого в течение нескольких минут. В про-
цессе разгорания, по мере формирования газового разряда, поток излучения
непрерывно растет. При выходе в установившийся режим поток принимает
номинальное значение. Если не учитывать этот фактор, возможна ошибка в
вычислении дозы.
        Для ламп накаливания учет нестационарного теплового режима колб
на стадии включения так же имеет практическое значение в связи с его влия-
нием на светотехнические и электрические параметры ламп, что сказывается
на параметры радиационного режима в ОЭТ [79].
        6. Получение заданной периодичности импульсов
        В некоторых технологических процессах используется прерывистый
режим облучения. Лучистая энергия подается периодическими импульсами.
        Основными характеристиками периодического режима являются ам-
плитуда импульса ФА , длительность импульса τ имп , период следования им-
пульсов T . Например, в птицеводстве источники света могут включаться три
раза в сутки на два часа.
        Производными характеристиками являются
        частота повторения импульсов:
                                       1
                                    f = ,                            (1.13)
                                       T
        скважность импульсов


                                    21


                                      T
                                q=           ,                      (1.14)
                                     τ имп
      и коэффициент заполнения, определяемый по формуле:
                                    1
                                σ= .                               (1.15)
                                    q
      7. Формирование произвольного закона изменения потока во времени
      В ряде технологических процессов производится изменение потока из-
лучения по произвольному закону. Например¸ в промышленном птицеводст-
ве, при содержании птицы без естественного освещения, задается схема сме-
ны дня и ночи в промышленном птицеводстве,
      8. Изменение свойств источников излучения в процессе их эксплуата-
ции
      В процессе эксплуатации изменяются свойства источников света по
причине их естественного старения. Установлено, что при этом поток газо-
разрядных ламп изменяется по экспоненциальному закону и может быть оп-
ределен по формуле:
                                                 −t

                                   Фt = Ф0 (γ + β e T ),            (1.16)
где γ , β и T – постоянные для данного типа источника света коэффициенты
        (например, для люминесцентных ламп γ =0,715, β =0,285,
         Т=1,46 тыс.час.)
       Аналогичной эмпирической зависимостью описывается изменение по-
тока светильников по причине их запыления (здесь величина T измеряется в
неделях и месяцах) и снижения отражательных свойств материалов светиль-
ника (в этом случае величина T может измеряться годами). Имеются экспе-
риментальные данные и по другим типам ИС [80,81,82,83,84].
       Рассмотреные уровни классификации ОбУ, которые являются техниче-
скими средствами, обеспечивающими проведение ОЭТ, позволяют перейти к
модели технологической схемы применения ОЭТ, которые непосредственно
определяются основными направлениями их применения в сельском хозяй-
стве.




                                      22


  Глава 2. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
                     В ОЭТ АПК

      В исследованиях эффективности использования электроэнергии в ОЭТ
АПК можно выделить четыре периода.
      На протяжении первого периода, продолжавшемся до конца 70-х годов,
развитие оптического облучения как направления применения электроэнер-
гии в сельском хозяйстве носило в основном экстенсивный характер, обу-
словленный сначала поисками новых форм использования различных видов
излучений, а затем расширением масштабов их распространения [85]. Этому
способствовали низкие тарифы на электроэнергию, особенно для сельскохо-
зяйственных потребителей, небольшие капитальные затраты на серийно вы-
пускаемые светотехнической промышленностью источники излучения и от-
сюда высокая экономическая эффективность применения оптического облу-
чения [86]. Для этого периода характерна оценка совершенства ОЭТ по спек-
тральной эффективности, определяющей степень согласования спектров из-
лучения источника и поглощения объекта [87]:
                                 λ2

                                 ∫ ϕ λ k λ dλ
                          ηc =   λ1
                                  λ2
                                                                    (2.1)

                                  λ1
                                      ∫ ϕ λ dλ
где λ - длина волны излучения;
      ϕ λ -спектральная плотность потока излучения;
      k λ -спектральная чувствительность приемника.
      Второй период (примерно начало 80-х годов) характеризуется все
большим вниманием исследователей к энергетическим аспектам ОЭТ в связи
с увеличением потребления электроэнергии на облучение. В это время ин-
тенсивно разрабатываются более совершенные специально предназначенные
для сельскохозяйственных объектов источники излучения и облучатели с бо-
лее высокими показателями спектральной эффективности [88,89].
                                          λ2


                                 Ф λ1
                                      ∫ ϕ λ dλ
                           ηи = =                                  (2.2)
                                 Pн      Pн
где Pн - номинальная электрическая мощность источника излучения.
      В ряде исследований этого времени, касающихся наиболее энер-
гоемкого ИК-облучения, сделаны первые комплексные оценки трех состав-
ляющих энергетического баланса ОЭТ [90,91,92]. Помимо отмеченных пока-
зателей, в них учитывалась также степень использования излучаемого облу-
чателем потока излучения
                             η исп = Фп Ф ,                        (2.3)

                                         23


где - полезно используемый поток излучения источника.
      Суммарный КПД, определенный согласно выражению
                             η Σ = η сη иη исп                      (2.4)
      характеризовался весьма невысокими значениями, причем первосте-
пенное влияние на это оказывали фотометрические потери энергии излуче-
ния.
      Третий период исследований, направленных на повышение эффектив-
ности использования электроэнергии в ОЭТ АПК, ознаменовался выдви-
жением на первый план работ по фотометрическому совершенствованию
системы "облучатель - объект". Научные основы исследований на этом этапе
были разработаны в трудах В.Н.Карпова [93,94]. В них показано, что для
оценки степени совершенства ОЭТ необходимо использовать категорию эф-
фективности, которая, кроме энергетических показателей, должна также учи-
тывать качество облучения, определяемое степенью равномерности распре-
деления поглощаемой энергии излучения по поверхности или объему среды
облучаемого объекта. В качестве показателя эффективности использования
электроэнергии при облучении предложен коэффициент полезного использо-
вания (КПИ) мощности КПИ P = Фэф P , а для оценки фотометрического со-
вершенства технологических схем - КПИ потока излучения КПИ Ф = Фэф Ф ,
где Фэф - эффективно используемый поток излучения. В состав Фэф включа-
ется только тот поток, который поглощается поверхностью или объемом той
части облучаемого объекта, в пределах которой соблюдаются требования к
равномерности. В.Н.Карпов также впервые предложил производить ком-
плексную оценку энергетической эффективности всего процесса с учетом
показателей передачи потока излучения объекту и управления процессом об-
лучения. Таким образом, КПИ P должен рассматриваться как функционал с
целевой функцией
                                  1
                         КПИ P = [ f (Ф эф )] → max .                 (2.5)
                                  P
      Исходя из энергосберегающей концепции, Карповым В.Н. разработаны
теоретические положения и обоснованы новые компоновочные решения тех-
нологических схем облучения, в частности при объемном облучении сред и
комбинированном облучении сельскохозяйственных объектов [95].
      Для третьего периода исследований, направленных на повышение эф-
фективности использования электроэнергии в ОЭТ, характерны комплексные
энергетические исследования процесса, учитывающие эффективность преоб-
разования и передачи энергии от электрической сети до объекта, а также учет
качества облучения последнего. Глубину исследований на данном периоде
можно проиллюстрировать обобщенной диаграммой потоков энергии в ОЭТ,
которая показана на рис.2.1. Электрическая энергия мощностью P поступает
к источнику излучения I . Часть ее ΔQ теряется в виде теплоты. Остальная
часть преобразуется в энергию электромагнитного излучения, суммарный по-
ток которой равен Ф . Он поступает на вход преобразователя излучения II ,

                                    24


который представляет собой фотометрическую систему "излучатель - объ-
ект", реализованную в виде технологической схемы облучения. Последняя
характеризуется некоторыми фотометрическими ΔФФ и спектральными ΔФс
потерями потока излучения. ΔФФ учитывает ту часть суммарного потока из-
лучения, которая не попадает на объект, а так же ту часть, которая попадает
на объект, но не соответствует требованиям качества облучения. ΔФс пред-
ставляет собой потери в виде отраженной и пропущенной объектом частей
падающего на объект потока излучения, обусловленных соотношением спек-
тров излучения источника и поглощения объекта.




       Рис. 2.1. Диаграмма потоков энергии в ОЭТ, соответствующая глубине исследова-
ний на третьем периоде: I - источник излучения; II- преобразователь излучения

      Эффективный поток излучения Фэф в целевой функции и на рис. 1.7
представляет ту часть потока излучения, которая поглощается объектом и по
параметрам (спектральному составу, плотности распределения в объекте и
времени воздействия) обеспечивает технологический эффект.
      На четвертом периоде исследований была сделана попытка поиска об-
щих закономерностей процессов, происходящих в объектах ОЭТ на основе
рассмотрение термодинамики процесса облучения [96,97]. Данный подход
предусматривал поиск общих закономерностей процессов, происходящих в
ОЭТ. При этом объект ОЭТ условно представляется состоящим из двух час-
тей: воспринимающей энергию оптического излучения и остальной. В тер-
модинамический анализ включается только воспринимающая часть объекта и
рассматриваются первичные фотофизические процессы. Научные основы
исследований в этом направлении были разработаны в трудах В.Н.Карпова и
В.З.Щура [98,99]. Термодинамический подход отличается от традиционного
энергетического, основанного на законе сохранения энергии (первом начале
термодинамики), дополнительным анализом качества энергии, т.е. потенци-
альной возможности выполнения ею работы [100]. Согласно второму началу
термодинамики, энтропия замкнутой системы в любых необратимых процес-
сах должна возрастать, т.е. во всех реальных процессах преобразования энер-

                                        25


гопотока в ОЭТ его качество должно постепенно понижаться. Это приводит в
конечном итоге к уменьшению работоспособности поглощенной объектом
лучистой энергии. Часть общей энергии потока, которая равна потенциально
выполнимой в результате обратимого процесса работе, называется эксер-
гией [101].
      Глубину исследований на четвертом периоде можно проиллюстриро-
вать диаграммой потоков эксергии Грассмана, которая показана на рис.2.2.




       Рис. 2.2. Диаграмма потоков эксергии Грассмана для ОЭТ, соответствующая глу-
бине исследований на четвертом периоде:
       I - источник излучения; II - преобразователь излучения; III - воспринимающая
часть облучаемого объекта

      На диаграмме показана воспринимающая часть объекта и потоки эк-
сергии. Входной поток эксергии обозначен одним штрихом, а выходные -
двумя. На вход системы, ограниченной контрольной поверхностью, поступа-
                     &′
ет поток эксергии Σ1 , равный мощности электроэнергии. На выходе полу-
чается поток Σ′2′ , равный потенциальной мощности выполнимой в объекте
              &
работы. Электрическая энергия и работа являются безэнтропийными анер-
гиями, поэтому их величины равны соответствующим эксергиям. Кроме по-
лезной эксергии, на выходе система имеет также прямые потери эксергии: Σ′′
                                                                        &3
- поток эксергии теплоты в источнике излучения и Σ′4′ - поток эксергии лу-
                                                   &
чистой энергии в преобразователе излучения. Внутри системы имеют место
также потери эксергии вследствие деградации энергопотока, связанные с
тремя этапами преобразования энергии и генерации при этом энтропии
вследствие их необратимости. Эти потери обозначены соответственно пото-
       & &      &
ками D1 , D2 и D3 .
      На данном периоде исследований на основе системного термодинами-
ческого анализа о учетом первичного энергопреобразования лучистой энер-
гии в воспринимающей части облучаемого объекта были выявлены новые ре-
зервы повышения эффективности использования электроэнергии в ОЭТ. Од-
                                        26


нако следует отметить, что фундаментальные математические соотношения и
закономерности, полученные с применением термодинамического подхода, а
так же применяемый математический аппарат является весьма сложными. Их
применение в практике энергослужбы предприятия, при практической оцен-
ке эфективности ОЭТ затруднено. На изыскание более удобного критерия
эффективности технологических схем проведения ОЭТ и должен быть сле-
дующий, пятый период исследований, направленных на повышение эффек-
тивности использования электроэнергии в ОЭТ по результатом энергоаудита.
      Данный период должен базироваться на рассмотрении движения пото-
ка энергии в технологическом процессе облучения через все этапы преобра-
зования, определяющие общую эффективность ее применения:
      — преобразование электроэнергии в оптический поток в источнике из-
лучения,
      — передача потока,
      — превращение лучистой энергии в другой вид при ее поглощении
объектом.
      При необходимости должно быть произведено разбиение каждого от-
меченного на составляющие, с учетом особенности технологической схемы
применяемых ОЭТ.
      Такой подход характерен для работ В.Н.Карпова, Н.В.Ксенза. Условно
технологические процессы разбиваются на 2 категории: основанные на меха-
ническом перемещении масс и на изменении внутренней энергии вещества.
Для расчета энергозатрат в процессах 2-й категории технологический про-
цесс представлен функциональной схемой, образующей последовательное
соединение следующих звеньев: источника энергии, линию передачи энер-
гии, приемник энергии, энергию обработки вещества и продукт. Практически
все технологические процессы с.-х. производства построены на основе ис-
пользования 2 видов энергии: механической или термической. Значительно
повысить эффективность процессов за счет этих видов энергии уже не пред-
ставляется возможным, т.к. они исчерпали свои потенциальные возможно-
сти. Достичь повышения эффективности процессов можно за счет введения
нового вида энергии. Теоретический анализ уравнения изменения внутрен-
ней энергии объектов показал, что изменение внутренней энергии равно
сумме обобщенных работ, каждая из которых соответствует определенному
роду взаимодействия или определенному виду энергии. Таким образом, про-
цесс взаимодействия определяется видами энергии, присущими объектам, а в
конечном счете параметрами движущей силы и энтропии. Внутренняя энер-
гия и энтропия представляют собой первооснову всех взаимодействий, а ее
перераспределение (изменение энтропии) внутри объекта вызывает соответ-
ствующее взаимодействие между отдельными частями объекта. Из этого сле-
дует, что процессом взаимодействия между объектами можно управлять,
усиливая его или ослабляя за счет внешних взаимодействий различными ви-
дами энергии [102,103,104].
      Глубину исследований на пятом периоде можно проиллюстрировать
диаграммой потерь энергии Сэнка, которая показана на рис.2.3.
                                   27


      Рис. 2.3. Диаграмма потерь энергии Сэнка для ОЭТ, соответствующая глубине ис-
следований на пятом периоде:
      I - III – этапы преобразования энергии в ОЭТ

      Технологический процесс представлен тремя этапами. На вход первого
этапа подается энергия Qн = Qн1 . Наблюдаемые на данном этапе потери со-
ставляют величину ΔQ1 . На выходе этапа оставшийся поток энергии Qк1 по-
дается на вход следующего этапа.




                                        28


 Глава 3. МЕТОД КОНЕЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ КАК ОСНОВА
 ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕ-
                  СКИХ ПРОЦЕССОВ

      Получение максимального эффекта от энергосбережения в ОЭТ подра-
зумевает оптимизацию параметров технологического процесса с применени-
ем оптического излучения.
      Для построения наиболее полной модели энергетики сельскохозяйст-
венного предприятия необходим учет:
      - наличия в качестве объекта производства биологического объекта;
      - технических средств обеспечения производства;
      - энергетических процессов.
      Интересная модель биотехнической сельскохозяйственной системы
была предложена И.К.Хузмиевым [105]. Концепция искусственной энергети-
ческой системы (ИЭС) потребителя, являющейся технической основой орга-
низации движения энергии и различных процессов разработана в трудах
В.Н.Карпова [106].
      Представим искусственную биоэнергетическую систему (ИБЭС) в виде
совокупности, состоящей из следующих объектов и соответствующих им
энерготехнологических процессов (рис.3.1):
      1. Самого сельскохозяйственного биологического объекта (СБО), яв-
ляющегося предметом воздействия ОЭТ (растение, животное, др. биологиче-
ские объекты). Назначение потребляемой энергии является непосредственное
проведение основного технологического процесса производства продукции
для реализации ( ЭТП О ).
      2. Технических средств обеспечения микроклимата (ТСМ). Потребляе-
мая энергия идет на обеспечение условий жизнедеятельности - обогрев, ос-
вещение, вентиляция, кондиционирование и т.п. ( ЭТП М ).
      3. Биологических и технических средств (БТС) подготовки основного
технологического процесса обработки СБО. Затраты энергии здесь обуслов-
лены необходимостью предварительной подготовки условий для осуществ-
ления основного производственного процесса ( ЭТП П ).




           Рис.3.1. Структура искусственной биоэнергетической системы

                                      29


      Условными границами ИБЭС на входе является место установки при-
боров коммерческого учета потребления всех видов энергии, на выходе - ме-
сто учета количества продукции. Функционирование ИБЭС происходит в
рыночной среде. Рынок энергии определяет действующие тарифы на энер-
гию. Рынок технологий и технологического оборудования обусловливает
КПД η применяемых технических средств. Рынок энергетического оборудо-
вания предусматривает возможность выбора соответствующего оборудова-
ния. Производимая ИБЭС продукция поступает на рынок продукции. Необ-
ходимым является учет энергетических потерь в окружающую среду.
      Рынок образовательных услуг определяет адекватный выбор техноло-
гического и энергетического оборудования.
      Оценка функционирования ИБЭС осуществляется посредством эконо-
мических условий и критериев.
      Пусть ТСМ характеризуют вектором переменных микроклимата
                                  r
                                  A = {A j }, j ∈ [1...n A ] ,      (3.1)
      а БТС характеризуется вектором переменных
                                   r
                                  B = {Bi } , i ∈ [1...n B ].       (3.2)
      При этом
                                      n A + nB = m .                (3.3)
      Кроме вектора переменных состояния имеются параметры С , характе-
ризующие биологические и технико-экономические показатели функциони-
рования:
               r
      для СБО С С = {C Ci }, i ∈ [1...nC ] ;
               r
      для БТС С Б = {C Бi }, i ∈ [1...n Б ] ;
                r
      для ТСМ С M = {C M i }, i ∈ [1...n M ] .
      При функционировании ИБЭС производится некоторое количество
продукции, которая характеризуется компонентами вектора
                                    r
                                   K = {K j } , j ∈ [1...n] .       (3.4)
      Важным экономическим показателем ИБЭС является прибыль П , по-
лучаемая от реализации производимой продукции:
                                   n          m
                              П = ∑ Di − ∑ R j ,                      (3.5)
                                  i =1        j =1

где Di - i -ая компонента дохода от реализации i -го продукта;
    R j - j -ая компонента затрат на процесс функционирования ИБЭС.
      Так как количество и качество получаемого продукта K i зависят от
                          r r      r                  r r r
значения векторов A , B и C , то K i = K i ( A, B, C ) ,
      а доход от реализации K i -го продукта выразится в виде:
                                                       r r r
                                      Di = Ц i ⋅ K i ( A, B, C ) , (3.6)
где Ц i = {Ц i } , i ∈ [1...n] - цена i -го продукта.


                                         30



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика