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.
          Затраты ∑ R j на производство продукции определяются капитальны-
ми и эксплуатационными затратами на обеспечение функционирования
ИБЭС. Если рассматривать годовую прибыль П , тогда ∑ R j есть удельные
годовые затраты, то есть капитальные затраты, отнесенные к сроку службы
сооружения и оборудования, и годовые эксплуатационные затраты (в том
                                                                                            r r
числе энергетические затраты). Они зависят от значения векторов A и B , за-
даваемых блоками ТСМ и БТС, а так же их технико-экономических характе-
        r    r                          r r r r
ристик C Б и C M , то есть Ri = Ri ( A, B, C Б , C M ) можно представить в виде:
                       Ri = R (j 0 ) + R (j1) M j + R (j 2 ) t Bj M j + R (3)t Bj ε j Qнj ,
                                                                          j                    (3.7)
где R (j 0 ) - годовые капитальные затраты M j переменной БТС и ТСМ,
               не зависящие от времени и ее интенсивности;
        (1)
    R j - удельные капитальные затраты на обеспечение единицы M j пере-
менной;
    R (j 2 ) - удельные эксплуатационные затраты на обеспечение M j перемен-
ной в единицу времени (без энергетических затрат);
    R (j 3) - удельные энергетические затраты на обеспечение M j переменной в
единицу времени;
     ε j - энергоемкость j -го компонента;
     Qнj - энергия, потребляемая на производство j -го компонента;
     t Bj - время действия M j переменной жизнеобеспечения в процессе
функционирования системы;
         r
M j ∈ M = {A1 ... An A , B1 ...BnB } - совокупность переменных A j и B j , j ∈ [1...m] .
       Оптимизация режима функционирования ИБЭС, обеспечивающая мак-
симизацию получаемой прибыли П , может быть определен из системы урав-
нений
                                              ⎧ ∂П
                                              ⎪
                                              ⎨ ∂M k                                (3.8)
                                              ⎪k = 1...n
                                              ⎩
       при наличии m ограничений типа
                                        M kmin ≤ M k ≤ M k max ,                     (3.9)
где M kmin , M k max минимальное и максимальное значения оптимизируемой
          переменной M k ∈ {M j }, j ∈ [1...m] .
       Уравнение для поиска оптимальных режимов можно представить в ви-
де                                                        r r r r
                                     r r
                       ⎧ nk   ∂K i ( M , C C )    m ∂R ( M , C , C , ε )
                       ⎪∑ Ц i                  −∑
                                                        j     Б   M
                                                                         =0
                       ⎨ i =1      ∂M k          j =1      ∂M k             .               (3.10)
                       ⎪
                       ⎩                       k = 1...m


                                                31


      Задавая ограничения по времени функционирования ИБЭС для полу-
чения продукта TBi и по конечным величинам получаемой продукции K i ,
можно получить ряд типичных случаев:                      r
      1. В многомерной системе координат {K , t } конечная точка траектории
не закреплена, то есть не заданы конечные значения получаемой продукции и
период ее получения;
      2. фиксированной переменной является время получения продукции
TBi и не задано его конечное значение;
      3. запланировано значение получаемой продукции K i и варьируется
                                                                       r
время TBi , которое должно быть меньше определенного TB ≤ TB( 3) .
      4. при производстве продукции должны быть обеспечены минималь-
ные энергетические затраты, т.е. поставлена задача энергосбережения.
      Для целей настоящего исследования наиболее важным является по-
следний случай. Тогда
                        ⎧ (1)                   m       ∂ε bi
                        ⎪ Rk + Rk( 2 ) t bk + ∑ R (j 3)       Qj = 0
                        ⎨                      j =1     ∂M k         .   (3.11)
                        ⎪
                        ⎩                   k = 1...m
      Из полученного выражения следует, что задача максимизации прибыли
и обеспечения энергосбережения в этом случае сводится к задаче минимиза-
ции удельных затрат на системы жизнеобеспечения БТС и ТСМ. Если время
работы технических средств на обеспечение M k фактора жизнеобеспечения
не зависит от величины других параметров M j , j ≠ k , то получим:
                          ⎧ (1)                           ∂ε bk
                          ⎪ Rk + Rk( 2 ) t bk + Rk( 3) Qk       =0
                          ⎨                               ∂M k     .      (3.12)
                          ⎪
                          ⎩                k = 1...m
       Далее задача оптимизации распадается на ряд задач оптимизации от-
дельных технических средств. В рамках настоящего исследования следует
сосредоточить внимание на технических средствах ОЭТ.
       Уравнение содержит в себе параметры Rk(1) и Rk( 2 ) , зависящие от конст-
рукции и технических характеристик систем обеспечения работоспособности
СХБ, в том числе технических средств ОЭТ. Rk(1) представляет собой капи-
тальные затраты на обеспечение единицы M k переменной. Величина Rk( 2 ) за-
висит от эксплуатационных характеристик составляющих частей техниче-
ских средств, обеспечивающих единицу параметра M k . Например, если M k
есть уровень облученности Eu , то Rk(1) определяется стоимостью ламп C л ,
пускорегулирующей аппаратуры С ПРА , стоимостью всех элементов системы
облучения. Rk( 2 ) представляет собой эксплуатационные затраты на единицу
облучения Eu в единицу времени, т.е. Rk( 2 ) определяется сроком службы ламп
τ л , КПД ОбУ, мощностью ламп, стоимостью электроэнергии q , стоимостью
трудовых ресурсов на обслуживание, в том числе затраты на замену ламп З .
                                      32


Величина Rk( 3) представляет собой удельные энергетические затраты на обес-
печение M k переменной в единицу времени;
        Таким образом, при оптимизации технических средств оптического из-
лучения оптимальными будут такие средства, для которых Rk(1) , Rk( 2 ) и Rk( 3)
будут минимальными.
        В основе способов практического снижения энергоемкости и повыше-
ния эффективности использования энергии должны находиться математиче-
ские зависимости, определяющие возможности и пределы снижения потерь
[107].
        Истоки такого подхода к характеристике энергии можно найти в рабо-
тах профессора Н.А.Умова, посвященных исследованию движения энергии в
различных средах [108]. В этих работах отмечен принцип объемности энер-
гии, а ее объемная плотность
                                            dQ
                                     QV =                              (3.13)
                                            dV
        определена как основной параметр, наиболее полно характеризующий
энергию. Отметим, что этот принцип напрямую приложим к процессу рас-
пределения лучистого потока в пространстве и может быть перенесен на дру-
гие этапы распространения энергии в искусственной энергетической системе
потребителя. Для этого необходимо принять объемную модель элемента рас-
пространения энергии (например, цилиндр или конус), через торцевые по-
верхности которого подводится и отводится носитель энергии, а потери мо-
гут происходить как через боковую поверхность, так и внутри объема (под-
робнее этот момент будет рассмотрен в разделе, посвященному электроэнер-
гетическому анализу). Удобство такой модели является в возможности уточ-
нения содержания энергетических параметров, математических действий с
ними, построения зависимостей интересующих параметров от координаты x .
        Прежде всего надо отметить, что основной функцией, доступной для
анализа, становится функция зависимости объемной энергии QV от коорди-
наты x , т.е. функция QV (x) . В наиболее наглядном случае для цилиндра
дифференциал объема вдоль оси x через площадь поперечного сечения ци-
линдра S может быть представлен как
                                   dV = Sdx .                          (3.14)
        Тогда дифференциал энергии определится выражением
                                dQ = S ⋅ QV dx ,                        (3.15)
        или
                                          ′
                                  dQ = Q x dx ,                        (3.16)
где Qx - значение производной в точке x .
       ′
        При скорости носителя энергии υ можно записать
                                   dx = υ ⋅ dt .                       (3.17)
        Тогда
                                          ′
                                  dQ = Q xυdt                          (3.18)
        и далее
                                      33


                               dQ dt = Q x x = Qt′ .
                                         ′                          (3.19)
      Отсюда следует вывод о том, что в сечении цилиндра параметром дви-
жущейся энергии является либо производная по времени (мощность), либо
по координате (без названия), что соответствует определению производной
как предела отношения, каждая из которых является частной, но их значения
связаны через скорость. Это дает основание предположить, что полное опи-
сание энергии в объеме можно получить только через сложную производную
второго порядка d 2 Q dtdx при конечном значении Δx .
      Таким образом, измеряемая счетчиком энергия в любом сечении — ре-
зультат технического (не математического, так как не требуется вид функ-
ции) интегрирования частной производной (мощности) по времени, что так-
же соответствует определению интеграла как предела произведения. По-
скольку объемный элемент искусственной энергетической системы имеет
постоянную длину, то разность результатов измерения энергии счетчиками в
начале Qн и конце Qк можно считать потерями, то есть значением интеграла
мощности по x . Практическая реализация этого предположения излагается в
стандарте как способ определения потерь в проводнике через разность. Это
оправдывается тем, что разность конечных мощностей — производная энер-
гия по времени в постоянном объеме. Поэтому результаты конечных измере-
ний в соответствии с законом сохранения энергии позволяют определять по-
тери по формуле
                               ΔQ = Qн − Qк .                       (3.20)
      В соответствии с теоремой Лагранжа о среднем значении
                                             ′
                               Qн − Qк = Q x x .                     (3.21)
      Приняв для относительной энергоемкости ε значение
                                       Q
                                   ε= н ,                           (3.22)
                                       Qк
      выражение сохранения энергии в новых относительных параметрах
можно записать в виде
                          Qн      ΔQ                 ΔQ
                             −1=      или ε − 1 =                   (3.23)
                          Qк      Qк                 Qк
      Значение такого перехода заключается в следующем. В исходном вы-
ражении можно предположить два варианта согласованного изменения Qн и
Qк равными сомножителями (коэффициентами) и приращениями.
      В первом варианте закон сохранения гарантирует перенос сомножителя
(коэффициента) в правую часть. В выражении с относительными параметра-
ми это означает постоянство относительной энергоемкости при изменении
исходных параметров. Его следует назвать мультипликативной синхронно-
стью (М-синхронностью) и рассматривать ее как условие постоянства отно-
сительной энергоемкости.
      Во втором варианте при равенстве положительных приращений
ΔQн = ΔQк закон сохранения гарантирует постоянство потерь ΔQ , которое в

                                    34


исходном выражении никак не соотносится с энергоемкостью. В соответст-
вии с записанным выше законом сохранения в относительных параметрах,
отношение в левой части при такой синхронности уменьшается и при значи-
тельном превышении приращения над исходной величиной отношение стре-
мится к пределу, равному единице, что является благоприятной тенденцией с
точки зрения энергосбережения. Такой характер изменения Qн и Qк следует
назвать аддитивной синхронностью (А-синхронностью).
      Следует отметить, что отношение в правой части (3.23) уменьшается,
так как при ΔQ = const знаменатель Qк растет. При одинаковых отрицатель-
ных приращениях ΔQн = − ΔQк изменение относительных параметров про-
тивоположно. В промежуточном варианте, когда ΔQн ≠ ΔQк легко перейти к
коэффициентам М-синхронности
                                Q + ΔQ        ΔQ
                            α= 1        =1+      .                  (3.25)
                                   Q1         Q1
      В этом случае
                                   Q = αQ1 ,                        (3.26)
      причем отличие параметра α от единицы определяется отношением
ΔQ Q . Указанные операции позволяют перейти к новому значению относи-
тельной энергоемкости. Таким образом, переход к относительным парамет-
рам в выражении сохранения позволил все возможные изменения исходных
энергетических параметров оценивать в значениях энергоемкости, что дает
основание считать прием перехода методом конечных отношений, являю-
щимся специфичным аспектом энергопотребления — энергосбережением.
      Использование методов математического анализа применительно к от-
носительному выражению закона сохранения позволит, очевидно, более глу-
боко изучать энергетические процессы. В частности, пусть Qн и Qк являются
как функциями времени. Определим производную отношения и приравняем
ее нулю. Тогда условие постоянства ε служит равенство
                                  Qн Qнt ′
                                      =     .                       (3.27)
                                  Q к Q′ кt

      Этот результат не только подтверждает положение МКО о М-
синхронности изменения конечных параметров при постоянной относитель-
ной энергоемкости, но и показывает, что синхронность значений энергии (в
конечных сечениях объема) является в свою очередь, следствием синхронно-
сти изменения производных во времени. В соответствии с теоремой Коши о
средних приращениях в общем случае речь идет о средней энергоемкости по
длине координатного интервала. Таким образом, даже при постоянстве по
координате x значения параметра, прежде всего, необходимо мини-
мизировать относительную энергоемкость, а затем поддерживать это значе-
ние. Но, тем не менее, становится очевидной зависимость отношения конеч-
ных энергетических параметров (энергоемкости) и соответствующих произ-
водных.

                                    35


      Непрерывное и единое время в данном случае играет роль одинакового
коэффициента при конечных мощностях, поэтому энергоемкость закладыва-
ется в значениях мощностей, составляющих отношение. А оно, как известно,
практически для всех видов технического оборудования не остается постоян-
ным при изменении конечной мощности (нагрузки). По этой причине для
оборудования со сложными зависимостями подводимой мощности от на-
грузки определяется и указывается номинальный режим, при котором эффек-
тивность прохождения энергии наивысшая, то есть с минимальными потеря-
ми. Для того, чтобы аналитически определять наибольшие значения энер-
гоемкости, нужно знать все возможные режимы работы оборудования и за-
висимость подводимой мощности от конечной. Формальной причиной ее по-
вышения в технических элементах следует считать отсутствие М-
синхронности изменения конечных параметров при смене режимов. В связи с
этим и выбор оборудования по максимальной мощности следует рассматри-
вать как одну из причин возрастания энергоемкости при переменных графи-
ках нагрузки. Такое положение дел имеет далеко идущие следствия. Так,
формирование профессиональных навыков инженеров – энергетиков в выбо-
ре электрооборудования, как правило, производится без учета отмеченного
обстоятельства [109]. Именно поэтому в рыночном окружении ИБЭС выде-
лен рынок образовательных услуг, одной из важнейших задач которого явля-
ется формирование компетентности специалистов в области принятия энер-
госберегающих проектных решений (ПЭПР-компетентности) при выборе
технологий, технологического и энергетического оборудования. Подробнее
эта проблема будет рассмотрена ниже, в четверной главе настоящего иссле-
дования.
      Следует отметить, что режимы, которые возникают при изменении на-
грузок, как правило, являются устойчивыми и не снижают надежность энер-
гообеспечения. Это дает основание говорить о самоорганизации процессов в
потребительской системе, но без учета требования к синхронности измене-
ния конечных энергетических параметров на элементах. Детальное рассмот-
рение этого требования применительно ко всей системе энергообеспечения
производственного потребителя позволяет выявить большое разнообразие
несинхронности энергетических процессов.
      Во-первых, основная синхронность должна обеспечиваться между ин-
тенсивностью производства продукции и подводом энергии к основному
технологическому процессу. Реально это требование может быть удов-
летворено только в энергетическое линии, обеспечивающей основной энер-
готехнологический процесс ЭТП О . Остальные энерготехнологические про-
цессы (подготовительный ЭТП П и обеспечивающий условия жизнедеятель-
ности ЭТП М ) имеют не только свои линии, но и свой результат (не продук-
цию) с собственным режимом его получения. В.Н.Карповым приводятся сле-
дующие примеры. При нагреве воды, ( ЭТП М ) возможна как предельная син-
хронизация (электродный нагрев с прямым отбором воды), так и практически
полное отсутствие синхронности при элементном нагреве определенного

                                   36


объема и при случайном ее отборе малыми дозами. При обогреве помещения
( ЭТП П ) интенсивность подвода энергии синхронизируется с разностью внут-
ренней и наружной температуры, а энергоемкость процесса определяется те-
плопроводностью ограждения. Осветительные установки ( ЭТП П ) рассчиты-
ваются по нормированной освещенности, поэтому имеют постоянную мощ-
ность и синхронизируются только по моментам включения и отключения в
зависимости от производственной потребности и естественного освещения.
При вентиляции помещения ( ЭТП П ) совмещается, как правило, несколько
энергетических процессов — нагнетание свежего воздуха, его подогрев, син-
хронное удаление воздуха из помещения, утилизация теплоты и др.
      Таким образом, МКО основывается на следующих положениях: нали-
чие ЭТП как завершающих в системе потребления; классическое представле-
ние производной, интеграла как пределов и энергии как объемной субстан-
ции; закон сохранения энергии, возможность одновременного измерения
энергетических параметров на элементах потребительской системы, имею-
щих упорядоченную пространственную конфигурацию (например, цилинд-
рическую). Такая основательность делает метод универсальным, то есть при-
менимым для оценки эффективности энергетических процессов в любых от-
дельных элементах (включая ЭТП), в энергетических линиях и системах.
Универсальность подразумевает использование МКО для диагностики со-
стояния элементов и систем не только в термодинамическом смысле, но и в
техническом.




                                    37


  Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ОБЛУЧЕНИЯ
 КАК ЧАСТНЫЙ СЛУЧАЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
 ПРОЦЕССА И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
             ОЦЕНКИ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ

     Под энерготехнологическим процессом (ЭТП) понимается процесс, ос-
нованный на преобразовании энергии, подаваемой на вход процесса ( Q ), в
энергию конечного продукта ( P ). В реальном ЭТП имеют место потери
энергии ( ΔQ ). Протекает процесс при некотором значении параметра X .




                             Рис.4.1. Параметры ЭТП

     Уравнение энергетического баланса для ЭТП
                                Q = P + ΔQ X .                       (4.1)
     Энергоемкость ЭТП
                                           Q
                                    εX =      .                      (4.2)
                                           PX
      Индекс « X » является показателем того, что ЭТП рассматривается при
данном значении характеризующего процесс параметра.
      Особенности функционирования сельскохозяйственной отрасли связа-
ны с тем, что в качестве объекта воздействия энергетических технологий вы-
ступают биологические объекты: почва, растение, животное. Это накладыва-
ет отпечаток на закономерности потребления и распределения энергии в
сельскохозяйственных ЭТП.
      Для многих процессов в сельском хозяйстве характерными являются
следующие признаки:
      1. Действие закона оптимума. В соответствии с этим законом, любой
воздействующий на живые организмы фактор (измеряемый величиной пара-
метра X , являющегося мерой энергетического воздействия фактора на жи-
вой организм), имеет лишь определенные пределы положительного влияния.
Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказы-
вается на жизнедеятельности живых организмов. Функция отклика живого
организма от величины воздействующего на организм фактора имеет более
или менее четко выраженный максимум Pmax при некотором X опт .




                                    38


                            Рис.4.2. Зависимость P(X)

      2. Нелинейность функциональной зависимости величины формируемо-
го фактора от интенсивности энергетического воздействия. Причем для дос-
тижения одинаковых приращений величины формируемого фактора ΔX не-
обходимо прилагать все большие приращения интенсивности воздействия
ΔQ , т.е. при ΔX 2−3 = ΔX 1− 2 , ΔQ2−3 > ΔQ1− 2 .
      Такая закономерность характерна для процессов, потери энергии в ко-
торых увеличиваются с увеличением интенсивности энергетического воз-
действия.




                            Рис.4.3. Зависимость X(Q)



                                    39


     Для типичных ЭТП в сельском хозяйстве (табл. 4.1) можно проследить
следующую причинно-следственную связь (рис.4): величина подводимой
энергии ( Q ) → характеризующий процесс параметр, являющийся мерой воз-
действия создаваемого энергетическим воздействием фактора на живой ор-
ганизм ( X ) → количество продукции ( P ).




                       Рис.4.4. Причинно-следственная связь в ЭТП

Таблица 4.1. Примеры сельскохозяйственных ЭТП

 Отрасль              Q                         X                        P
                                    Создаваемая в почве кон-
              Затраты на внесение                               Урожайность выра-
Агрономия                           центрация активного эле-
                  удобрений                                     щиваемых культур
                                             мента
                                     Температура воздуха в
 Животно-     Энергия на создание                              Продуктивность жи-
                                    животноводческом поме-
 водство        микроклимата                                        вотных
                                            щении
              Энергия на создание
Светокуль-                                                      Урожайность облу-
             радиационного режима    Облученность в теплице
   тура                                                          чаемых растений
                   в теплице

     Преобразования энергии в ЭТП могут быть представлены последова-
тельностью ряда n этапов (рис.4.5).




                 Рис.4.5. Представление ЭТП последовательностью этапов

      На каждом этапе неизбежно возникают потери энергии. Энергия Qнi ,
подаваемая на начало i -го этапа, преобразуется в энергию Qкi на выходе эта-
па и энергию потерь ΔQi :
                                   Qi = ΔQi + Qi +1 .                  (4.3)
      Обобщенным параметром, характеризующим эффективность передачи
энергии на i -ом этапе ЭТП является энергоемкость этапа ε i :
                                             Q
                                        εi = i .                       (4.4)
                                            Q i +1

                                       40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика