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.
         Закон мультипликатора заключается в следующем: энергоемкость
ЭТП в целом равна произведению энергоемкостей его последовательных
этапов, т.е.
                                                 n
                                      ε ЭТП = ∏ ε i ,                 (4.5)
                                                i =1

где n -количество последовательных этапов ЭТП.
       Коэффициент потерь для i -го этапа
                                        ΔQi Qi − Qi +1
                                   gi =       =        = εi −1        (4.6)
                                        Qi +1   Qi +1
       Значение коэффициента потерь всего ТПО
                                                 n
                                           g = ∑ (ε i − 1) .          (4.7)
                                                i =1

      Эти потери можно трактовать как резервы энергосбережения. Для
обеспечения энергосбережения необходимо внедрение конкретных энерго-
сберегающих мероприятий (ЭСМ), в числе которых могут быть правовые,
организационные, научные, производственные, технические и экономические
меры, направленные на повышение эффективности использования энергети-
ческих ресурсов.
      Целью ЭСМ является такое проведение этапов ЭТП, при котором по-
тери будут наименьшими. В качестве характеристики эффективности ЭСМ
на i -м этапе целесообразно принять коэффициент, равный отношению энер-
                                              ′
гии на выходе этапа при внедрении ЭСМ Qкi к энергии на выходе данного
этапа при базовом варианте проведения этапа Qкi при условии одинаковой
энергии на входе этапа
                                 Q'
                          kiЭСМ = i +1 , при Qi = Q'i .            (4.8)
                                 Qi +1




                  Рис.4.6. К понятию коэффициента эффективности ЭСМ

     На рисунке 4.6 показано, что некоторые ЭСМ позволяют провести от-
дельный этап, который в базовом варианте проведения характеризовался

                                      41


энергоемкостью ε i , с большей эффективностью, характеризуемой величиной
энергоемкости ε i' [110,111].
      Из определения энергоемкости этапа
                                                     εi
                                        k iЭСМ =          .                   (4.9)
                                                     ε i′
     Очевидно, как минимум обязательно соблюдение условия
                                    ε i' < ε i ,               (4.10)
     иначе проведение ЭСМ не имеет смысла (учет затрат на проведение
самих ЭСМ является предметом отдельного рассмотрения).
     Для последовательности этапов (т.е. всего ЭТП)
                                                 n
                                    k   ЭСМ
                                              = ∏ k iЭСМ ,                   (4.11)
                                                i =1

      что является следствием закона мультипликатора.
      Отдельный этап ЭТП может быть проведен различными альтернатив-
ными вариантами. Рассмотрим случай, когда выбор определенного j -го ва-
рианта проведения ЭСМ на i -м этапе на следующем этапе не препятствует
выбору любого варианта из списка возможных.
      На рисунке 4.7 показано дерево альтернативных вариантов проведения
этапов ЭТП по сравнению с базовым вариантом и энергоемкости этапов.
      Для рассматриваемого случая оптимальной ветвью дерева ( j -й вариант
ЭСМ) является такая, на которой наблюдается минимальное значение энер-
гоемкости данного этапа.
                                    ε i' ОПТ = MIN { i' }.
                                                    ε                (4.12)
      Значение оптимального коэффициента эффективности ЭСМ на данном
этапе равно
                                                           ε
                                          k ОПТi =             i
                                                                    .        (4.13)
                                            ЭСМ
                                                       ε   i
                                                            ' ОПТ




             Рис.4.7. К выбору оптимального варианта проведения этапов ЭТП

    Значение коэффициента эффективности ЭСМ для оптимизированного
ЭТП равно
                                         42


                                                n         n
                                                                εi
                                       k ЭСМ = ∏ k ЭСМ i = ∏
                                         ОПТ       ОПТ
                                                           .       (4.14)
                                              MIN {ε ij' }
                                               i =1      i =1

      Рассмотрим пример применения изложенных выше положении.
      Пример 4.1. Пусть на основании анализа технологии получения конеч-
ного продукта некоторый ЭТП представлен последовательностью трех эта-
пов. Для каждого этапа составлены уравнения энергетического баланса. На-
мечен ряд энергосберегающих мероприятий (A...J). Вычислены значения ве-
личин энергоемкости этапов в базовом варианте и при проведении ЭСМ
(рис.4.8).




             Рис.4.8. Численные значения энергоемкости этапов некоторого ЭТП
                                     и варианты ЭСМ

      На первом этапе минимальное значение энергоемкости альтернативно-
го варианта ε IОПТ = MIN {1,1; 1,3; 1,2} = 1,1 . Этому значению соответствует вари-
ант А. Значение оптимального коэффициента эффективности ЭСМ на данном
                       1,5
этапе равно k ОПТ =        = 1,36 отн.ед.
              ЭСМ I
                       1,1
      На втором этапе минимальное значение энергоемкости альтернативно-
го варианта ε II = MIN {1,5; 1,3; 1,4} = 1,3 . Этому значению соответствует вари-
              ОПТ


ант E. Значение оптимального коэффициента эффективности ЭСМ на данном
                        1,7
этапе равно k ОПТ =         = 1,31 отн.ед.
              ЭСМ II
                        1,3
      На третьем этапе минимальное значение энергоемкости альтернативно-
го варианта ε III = MIN {1,4; 1,5; 1,2; 1,3} = 1,2 . Этому значению соответствует ва-
              ОПТ


риант I. Значение оптимального коэффициента эффективности ЭСМ на дан-
                                 1,6
ном этапе равно k ОПТ =              = 1,33 отн.ед.
                       ЭСМ III
                                 1,2

                                                    43


      Значение коэффициента эффективности ЭСМ по оптимальным вариан-
там всего ЭТП равно k ОПТ = 1,36 ⋅ 1,31 ⋅ 1,33 = 2,37 отн.ед.
                       ЭСМ


      Таким образом, наиболее оптимальное проведение этапов ЭТП позво-
ляет повысить эффективность использования энергии в 2,37 раза.
      Несколько более сложным является выбор оптимального варианта про-
ведения в том случае, если определенный выбор j -го варианта проведения
ЭСМ на i -м этапе не позволяет сделать выбор некоторых вариантов ЭСМ на
следующем этапе ЭТП. Например, для осветительной установки, произведя
выбор источника света (лампа накаливания или люминесцентная лампа), вы-
бор светильника будет ограничен рамками существующей номенклатуры
светильников для уже выбранного типа источника света. Т.е. может случится
такая ситуация, что выбор оптимального варианта на i -м этапе ЭТП не по-
зволит добиться максимальной эффективности всего ЭТП [112].
      В этом случае множество альтернативных вариантов проведения i -ых
этапов ЭТП так же образует направленный граф j -ых вариантов (рис.4.9).
Характеристикой каждой ветви графа являются значения найденных коэф-
фициентов эффективности ЭСМ.
      ЭТП проводят применением таких ЭСМ на каждом этапе, что бы его
общий коэффициент эффективности принимал максимальное значение.
      Рассмотрим численный пример, иллюстрирующий изложенные выше
положения. Пусть на основании анализа технологии получения конечного
продукта некоторый ЭТП представлен последовательностью трех этапов
(рис.4.10).




            Рис.4.9. Принцип оптимизации вариантов проведения этапов ЭТП




                                     44


                  Рис.4.10. Численный пример оптимизации ЭТП

      Измерением или вычислением находят значения энергоемкости каждо-
го этапа в исходном варианте проведения ЭТП. Намечают ряд энергосбере-
гающих мероприятий (A...Q): на первом этапе – А, B, C; на втором этапе – D,
E, F,G; на третьем этапе – H, K, L, P, Q. Вычисляют значения величин энер-
гоемкости этапов при проведении соответствующих ЭСМ (на рис.4.10 зна-
чения энергоемкостей показаны числами в соответствующих блоках). Вы-
числяют коэффициенты эффективности вариантов проведения ЭСМ (на
рис.4.10 они показаны справа от соответствующего варианта ЭСМ). Вычис-
ляют общий коэффициент эффективности для различных ветвей графа. Для
данного примера максимальное его значение ( MAX {k ЭСМ } = 2,02 ) наблюдается
                                                    j

при реализации последовательности вариантов A → E → K.
      Таким образом, для достижения наибольшего энергосбережения на
первом этапе следует применять мероприятие A, на втором – мероприятие E,
на третьем – мероприятие K.
      Численный пример наглядно показывает, что задачей оптимизации
ЭТП является нахождение оптимального маршрута на графе альтернативных
вариантов проведения ЭСМ. Данная задача не сводится к последовательному
выбору на каждом этапе ЭТП элемента с наименьшим значением энергоем-
кости. Так, на первом этапе минимальное значение энергоемкости наблюда-
ется при выборе варианта В. Однако при дальнейшем движении по графу на
других этапах за этой ветвью следуют элементы, вклад которого в общую
энергоемкость процесса превышает эффект от снижения энергоемкости на
первом этапе. Общий коэффициент ЭСМ при этом равен 1,75 (что меньше
найденного выше максимально возможного значения 2,02).
      Изложенный подход к оценке энергосберегающих мероприятий в элек-
тротехнологических процессах АПК на основе их энергетического анализа
позволяет производить обоснованный выбор наиболее эффективного способа
проведения технологического процесса и добиться максимального энерго-
сбережения [113,114].
      В связи с важностью излучения в электротехнологиях сельского хозяй-
ства целесообразно выделить в отдельный технологический процесс сам
процесс облучения. Таким образом, под технологическим процессом облуче-

                                     45


ния (ТПО) будем понимать процесс создания требуемых спектральных ха-
рактеристик излучения; обеспечения требуемого пространственного распре-
деления потока и его распространения по поверхности; соблюдения требуе-
мого закона изменения параметров излучения во времени и т.д.
      Преобразования энергии в ТПО могут быть представлены последова-
тельностью ряда этапов, например (рис.4.11):
      I этап – подача электроэнергии к источнику излучения;
      II этап - генерирование потока в источнике излучения;
      III этап - формирование потока отражателем;
      IV этап - формирование пространственного распределения потока;
      V этап - формирование поверхностного распределения энергии потока
на облучаемом объекте;
      VI этап - поглощение лучистой энергии объектом и превращение ее в
другой вид [115,116].
      В силу особенности процесса оптического облучения этапы ТПО прак-
тически не разнесены во времени. Физическими границами этапов являются
элементы ИЭС: линия электропитания, источник излучения, поверхности от-
ражателя, среда, поверхность облучаемого объекта. Протекание каждого эта-
па характеризуется своим параметром: потребляемой мощностью P , Вт; ге-
нерируемым потоком Ф , лм; его распределением в пространстве I , кд; осве-
                                                                         α

щенностью E , лк; количеством фотопродукта p , кг.




                     Рис.4.11. Этапы преобразования энергии в ТПО:
      1 - источник электрического питания; 2 – источник излучения; 3 – облучатель;
                                  4 - облучаемый объект

      Среди ряда последовательных этапов превращения энергии в ТПО наи-
больший интерес представляет участок, на котором энергия передается в ви-
де поля ОИ. Этот участок, выделенный на рисунке 4.11 пунктиром, может
быть назван виртуальным энергетическим блоком (ВЭБ). Особенностью его
является то, что он непосредственно не связан с элементами энергетической
системы.
      Энергоемкость ВЭБ определяется пространственным распределением
потока излучения, характеристиками поверхности облучаемого объекта,
компоновочными параметрами ТПО. Минимизация энергоемкости ВЭБ яв-
ляется важнейшей составляющей оптимизации ТПО в целом.
      Все рассмотренные выше в общем виде характеристики ЭТП примени-
мы и ТПО.
                                         46


  Глава 5. ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
 ПОДХОДА К ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ

                 5.1. Общие принципы энергетического анализа
      Под энерготехнологическим процессом (ЭТП) понимается процесс, ос-
нованный на преобразовании энергии, подаваемой на вход процесса ( Q ), в
энергию, содержащуюся в конечном продукте ( P ). В реальном ЭТП так же
имеют место потери энергии ( ΔQ ). Протекает процесс при некоторых значе-
ниях обобщенных координат ξ и ζ .
      Уравнение энергетического баланса для ЭТП
                                   Q = P + ΔQ ξ ,ζ .                 (5.1)
      Энергоемкость ЭТП
                                                Q
                                      ε ξ ,ζ =       .               (5.2)
                                               Pξ ,ζ
      Индекс « ξ , ζ » является показателем того, что ЭТП рассматривается
при текущем значении обобщенных координат ξ и ζ . Очевидно, что урав-
нения (5.1) и (5.2) можно записать как для всего ЭТП, так и для отдельных
его этапов.




                     Рис. 5.1 Виды энергетического анализа

      Для определения путей повышения эффективности оптических элек-
тротехнологий и планирования необходимых для этих целей эксперимен-
тально-теоретических исследований схема для энергетического анализа i -го
этапа преобразования энергии показана на рис.5.2.




                                      47


       Рис.5.2 - Схема для энергетического анализа i -го этапа преобразования энергии

     Энергоемкость данного этапа
                            Q    k Q Qн
                        ε = н = н ⋅ н = kε εн ,                                  (5.3)
                            Qк k Qк Qкн
где k Qн - коэффициент отклонения энергии на входе этапа, отн.ед.;
    k Qк - коэффициент отклонения энергии на выходе этапа, отн.ед.;
    Qнн - значение энергии на входе этапа в номинальном режиме, ед.изм.1;
    Qк н - значение энергии на выходе этапа в номинальном режиме, ед.изм.2;
    k ε - коэффициент отклонения энергоемкости, отн.ед.;
                                                    ед.изм.1
    ε н - значение энергоемкости этапа в номинальном режиме, .
                                                    ед.изм.2
      На рис. 5.3. показана иллюстрация к обоснованию снижения
энергоемкости i -го этапа преобразования энергии.




         Рис. 5.3. Иллюстрация к обоснованию снижения энергоемкости i -го этапа
                             преобразования энергии


                                         48


        Пусть кривая ε = f ξ =ξ 2 (ζ ) характеризует зависимость энергоемкости
этапа с параметром ξ = ξ 2 от величины параметра ζ (заданного относитель-
ной величиной kζ = ζ ζ н ), а кривая ε = f ξ =ξ1 (ζ ) - этапа с параметром ξ = ξ1
(причем ξ 1 < ξ 2 ). В базовом варианте (т.А на графике) энергоемкость этапа
ε A . Анализ таких зависимостей показывает, что снижение энергоемкости
возможно различными путями:
        1. Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью ε B < ε A , соответ-
ствующему т.В на графике. Пусть такой переход обеспечивается техниче-
ским мероприятием – изменением величины параметра от ζ 1 к ζ 2 ( ζ 1 < ζ 2 ),
(а в более общем случае – стабилизации параметра ζ при наличии случай-
ных или систематических его отклонений).
        2. Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью ε C < ε A , соответ-
ствующему т.С на графике. Пусть такой переход обеспечивается организа-
ционным мероприятием – обеспечением режима эксплуатации с параметром
ξ1 < ξ 2 .
        3. Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью ε D < ε C , ε B < ε A ,
соответствующему т.D на графике. Такой переход обеспечивается совмест-
ным выполнением указанных выше организационно-технических мероприя-
тий.
        Эффективность отдельных ЭСМ независимо от их природы характери-
                                                                             ЭСМ
зуется значениями соответствующих коэффициентов эффективности k qp ,
которые символически показаны на рисунке в виде переходов между соот-
ветствующими режимами q и p эксплуатации.

                     5.2. Электроэнергетический анализ
      В поле оптических излучений происходит непрерывный перенос энер-
гии. Впервые понятия о переносе энергии в поле упругих колебаний и о век-
торе, характеризующем этот перенос, были сформулированы в 1874 г. проф.
Н. А. Умовым (1846—1915). Им было дано понятие о приросте или поглоще-
нии энергии в единицу времени в некотором объеме как о полном потоке
энергии через замкнутую поверхность, ограничивающую исследуемый объ-
ем. Лишь только через 10 лет (в 1884 г.) вектор Умова был применен Д.
Пойнтингом, а одновременно с ним и независимо от него О. Хевисайдом, в
электромагнитном поле [117].
      Физической основой для электроэнергетического анализа является
представление распространения энергии в пространстве в виде электромаг-
нитной волны, которая представляет собой периодическое колебание напря-
женностей электрического и магнитного полей. Математическим аппаратом
анализа распространения электромагнитной волны в пространстве, которое
сопровождается переносом энергии по направлению движения волны, явля-
ются уравнения Максвелла.


                                       49


     Первое уравнение Максвелла устанавливает связь между ротором на-
пряженности магнитного поля и плотностью тока в той же точке поля.
                                         r
                                            r r       ∂E
                                        rot H = δ + ε    ,                     (5.4)
                                                      ∂t
    r
где δ r- плотность тока проводимости;
    ∂E
  ε     - плотность тока электрического смещения.
    ∂t
      Физический смысл первого уравнения Максвелла состоит в том, что
всякое изменение электрического поля во времени вызывает в той же точке
поля вихрь магнитного поля.
      Второе уравнение Максвелла устанавливает связь между ротором на-
пряженности электрического поля и скоростью изменения магнитного поля в
той же точке поля:                         r
                                                  r     ∂B
                                              rot E = −    .                   (5.5)
                                                        ∂t
         Физический смысл его состоит в том, что всякое изменение магнитного
                     r
                       ∂B
поля во времени           в какой либо точке поля возбуждает вихрь электриче-
                       ∂t
ского поля в той же точке.
      Необходимым для дальнейших выводов является закон Джоуля-Ленца,
выражающий выделяемую в единице объема проводящей среды энергию в
единицу времени:
                                     Q = γE 2 .                  (5.6)
      Закон Ома в дифференциальной форме устанавливает связь между
плотностью тока в данной точке проводящей среды и напряженностью поля
в этой же точке:                      r    r
                                     δ =γ E.                      (5.7)
                                 r
      Умножим уравнение (5.4) на EdV r:
                     r    r        rr r   r ∂E                ∂ εE 2
                    E rot H dV = (δ EE + εE )dV = (γE 2 +            )dV ,     (5.8)
                                             ∂t               ∂t 2
                               r
         а уравнение (5.5) на HdV :             r
                               r           r ∂H            ∂ μH 2
                         H rot E dV = (− μH       )dV = (−        )dV .       (5.9)
                                              ∂t           ∂t 2
         Вычитая из уравнения (5.8) уравнение (5.9):
                         r     r         r               ∂ εE 2 μH 2
                       ( E rot H − H rot E ) dV = (γE 2 + (    +     ))dV .   (5.10)
                                                         ∂t 2    2
         Учитывая, что

                   [ ] [ ]
                    rr     rr
                                      [ ]
                                     rr        rr
                                                   [ ]
                                                     r
                                                           [
                                                          r r r
                                                               ] [
                div EH = ∇ EH = ∇ E EH + ∇ H EH = H ∇ E E + E H∇ H =     ]
                         [  r     r r
                                     ] [    r
                                               ]r r r r
                          = H ∇ E E − E ∇ H H = HrotE − ErotH ,
                                                    rr
         левая часть уравнения (5.10) есть − div EH dV .
                                     r      r
                                                         [ ]
         Векторное произведение E на rH представляет собой вектор Пойнтинга
                                              rr
                                                [ ]
                                          S = EH ,                    (5.11)

                                              50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика