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.
                                                   Tн N н
                                     Nф = Nн     =    ,               (6.20)
                                               Tф k T
где N н - номинальное количество ИС.
       Коэффициент перерасхода ИС (из расчета на 1 шт )
                                           Nф − Nн
                                    kN =             = 1 − kT .       (6.21)
                                             Nф
       Произведем численный расчет резервов энергоресурсосбережения в
ИК облучательной установке для лампы ЗК 220-230-150-1.
       Пример 6.1. Найти реальный срок службы лампы при ее эксплуатации
на напряжении 230 В.
       По справочным данным находим, что номинальное напряжение лампы
U н =225 В, номинальный срок службы Tн =1500 ч.
       Коэффициент отклонения напряжения
                                     230
                                   kU =  = 1,02 .
                                     225
     Значение показателя для срока службы qT = −14
     Значение коэффициента отклонения срока службы
                               k T = kUT = 1,02 −14 = 0,758
                                      q


     Фактический срок службы
                          Tф = k T ⋅ Tн = 0,758 ⋅ 1500 = 1137 ч.
       Таким образом, при эксплуатации лампы на напряжении с величиной,
превышающей номинальное значение на 5 В, ее срок службы сократился на
363 ч.
       Пример 6.2. Найти показатели эффективности для лампы ЗК 220-230-
150-1 при ее эксплуатации в условиях отклонений напряжения, задаваемых
гистограммой, показанной на рисунке 6.3.




                 Рис. 6.3. Пример гистограммы отклонений напряжения

     Количество энергии, потребляемой за срок службы лампы в номиналь-
ном режиме
                                                        .
                             Qн = 0,15 ⋅1500 = 225 кВт ч.
     При тарифе с э =1 руб/(кВт.ч) затраты на электроэнергию
                                Сн = 1 ⋅ 225 = 225 руб.

                                       71


     Количество сгенерированного потока за срок службы лампы
                                                      .
                         H н = 1500 ⋅1500 = 2250000 лм ч.
     Стоимость единицы потока излучения
                                     225                   .
                          С1н =            = 0,0001 руб/(лм ч).
                                   2250000

     Коэффициент отклонения мощности в условиях заданных отклонений
напряжения
                                          n
                                k P = ∑ pi kU ip =1,095 отн.ед.
                                                  q

                                       i =1

     Фактическая мощность
                           Pф = Pн ⋅ k P = 0,15 ⋅1,095 = 0,164 кВт.
     Коэффициент отклонения срока службы
                                          n
                                kT = ∑ pi kUTi =0,458 отн.ед.
                                           q

                                       i =1

     Фактический срок службы
                            Tф = Tн ⋅ kT = 1500 ⋅ 0,458 = 688 ч.
     Коэффициент отклонения потребляемой энергии
                                          n
                                kQ = ∑ pi kU ip kUTi = 0,5 отн.ед.
                                                 q
                                                 q

                                       i =1

     Фактически потребляемая облучательной установкой энергия
                                                             .
                        Qф = Qн ⋅ kQ = 225 ⋅ 0,5 = 112,5 кВт ч.
     Затраты на фактически потребляемую электроэнергию
                         Сф = сэ ⋅ Qф = 1 ⋅ 112,5 = 112,5 руб.
     Коэффициент отклонения сгенерированного потока за срок службы
лампы
                                      n
                            k H = ∑ pi kUФ kUTi =0,558 отн.ед.
                                        q
                                          i
                                            q

                                     i =1

     Количество сгенерированного потока за срок службы лампы
                                                                  .
                    H ф = H н ⋅ k H = 2250000 ⋅ 0,558 = 1256850 лм ч.
     Фактическая стоимость единицы потока излучения
                                Сф             112,5                 .
                        С1ф =        =                = 0,0007 руб/лм ч.
                                Hф            1256850
     Коэффициент изменения стоимости единицы потока излучения
                                                С1ф       0,0007
                                     kС =             =          =7
                                                С1н       0,0001
      Таким образом, эксплуатация лампы в условиях заданного отклонения
напряжения приводит к тому, что срок службы снижается на 45,8%, количе-
ство генерируемого потока от лампы уменьшается на 55,8%, стоимость еди-
ницы генерируемого потока излучения увеличивается в 7 раз.
      Эти величины следует интерпретировать как резерв энергосбережения
при стабилизации условий электрического питания.

                                                 72


     Коэффициент перерасхода ИС (из расчета на 1 шт )
                                    Nф − Nн
                             kN =                  = 1 − 0,458 = 0,542 .
                                       Nф
       Эта величина показывает возможности ресурсосбережения при стаби-
лизации условий электрического питания.
       Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с
применением ОИ является стабилизация условий питания ИС. Стабилизиро-
ванное напряжение продлевает срок жизни ИС и снижает энергопотребление
[125].
       В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических
основ оценки эффективности технологического процесса облучения показа-
телем эффективности на этапе подачи электроэнергии к источнику излучения
является коэффициент отклонения потребляемой энергии
       Энергоемкость данного этапа, отн.ед.
                                        n
                              εI = 1   ∑pk
                                       i =1
                                               i
                                                   qФ
                                                   Ui
                                                         q
                                                        kU .
                                                          T
                                                          i
                                                                              (6.22)

  6.2. Энергетический анализ этапа генерирования потока в источнике
                               излучения
       На данном этапе ТПО потери происходят по причине не полного пре-
образования электрической энергии в энергию потока, что снижает количе-
ство сгенерированного ИС потока по сравнению с теоретически возможным.




     Рис.6.4. Схема для энергетического анализа этапа генерирования потока в источни-
                                    ке излучения
      Возможности эксплуатационных решений на данном этапе более огра-
ничены, поскольку эффективность источника излучения задана при его про-
изводстве. Поэтому реальной возможностью энергосбережения на этом этапе
является обоснованный выбор наиболее эффективного источника.
      Эффективность преобразования электрической энергии в поток харак-
теризуется величиной отдачи источника η , отн.ед.
                                                         Ф
                                                   η=      ,                  (6.23)
                                                         P
где Ф – величина генерируемого потока, Вт;
    P – электрическая мощность, Вт.

                                              73


        Мощность лампы P является справочной величиной и может быть най-
дена по литературным источником, что не всегда справедливо для величины
потока Ф. В ряде случаев найти величину потока можно по известным спек-
тральным характеристикам ИС.
        Для тепловых источников, которыми являются лампы для ИК облуче-
ния интегральный поток Ф , Вт, можно найти, пользуясь законом Стефана –
Больцмана, согласно которому
                                   Ф = ε S σT 4 S и ,                (6.24)
где ε S - интегральный коэффициент излучения, отн.ед.;
                                      .    -8   . -2. -4
    σ - постоянная Больцмана, σ =5,67 10 Вт м К ;
    T - температура излучателя, К;
                                              2
     S и - площадь поверхности излучателя, м .
        Пример 6.3. Найти и сравнить отдачи ряда источников ИК излучения.
        Исходные данные для некоторых источников ИК излучения приведе-
ны в таблице 6.2. В этой же таблице содержатся расчетные значения отдачи
ламп.

Таблица 6.2. Расчетные данные к примеру
     Тип        Мощность, Вт    Температура,     Интегр.       Отдача η ,
                                     о
    лампы                              К        поток, Вт       отн.ед.
 КГТ 220-400         400            2200          43,6           0,11
 КГТ 220-500         500            2500          72,7           0,14
 КГТ 220-1000       1000            2600           84,9          0,08
 КГТ 220-1800       1800            2800          114,3          0,06

      В расчетах принята площадь излучающей поверхности Sи = 1.10-4 м2,
интегральный коэффициент излучения для вольфрама ε S =0,328 отн.ед.
      Расчеты показывают, что наибольшая отдача наблюдается у лампы
КГТ220-500.
      Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с
применением ОИ является обоснованный выбор наиболее эффективного ИС.
      В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических
основ оценки эффективности технологического процесса облучения показа-
телем эффективности на этапе генерирования потока в источнике излучения
является отдача источника.
     Энергоемкость данного этапа, (напр., Вт/лм)
                              ε II = P Ф ,                          (6.25)


  6.3. Энергетический анализ этапа формирования потока отражателем
       На данном этапе ТПО потери происходят по причине изменения спек-
трального состава отраженного потока селективно отражающей поверхно-
стью светового прибора, что сказывается на величине интегрального отра-
женного потока.

                                     74


             Рис.6.5. Схема для энергетического анализа этапа формирования
                                   потока отражателем
     Количественная оценка процесса отражения потока на длине волны λ
определяется спектральным коэффициентом отражения
                                         Ф
                                    ρ λ = ρλ ,                     (6.26)
                                         Фλ
где Фρλ - отраженный поток,
    Фλ - падающий поток.
     Спектральный коэффициент отражения — постоянная характеристика
отражателя и не зависят от спектрального состава излучения. На рисунке 6.6
показаны зависимости спектральных коэффициентов отражения металлов и
белой силикатной светотехнической эмали от длины волны падающего излу-
чения.




                    Рис.6.6. Спектральные коэффициенты отражения
                                 некоторых материалов

      Если известен монохроматический поток Фλ , падающий на отража-
тель, и спектральный коэффициент отражения для той же длины волны ρ λ ,
то отраженная часть этого потока
                               Фρλ = ρ λ Фλ .                   (6.27)


                                       75


      Так как любой сложный поток излучения — это сумма потоков, со-
ставляющих его, то, очевидно, что суммарный отраженный поток Ф ρ равен
сумме его составляющих:
                                      λ2

                               Ф ρ = ∫ ϕ λ ρ λ dλ .                         (6.28)
                                      λ1

      Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с
применением ОИ является использование отражающего покрытия на облуча-
теле, наиболее оптимальным образом производящего спектральную коррек-
цию генерируемого ИС потока.
      В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических
основ оценки эффективности технологического процесса облучения показа-
телем эффективности на этапе генерирования потока в источнике излучения
является кривая спектрального коэффициента отражения покрытия облуча-
теля ρ λ .
      Энергоемкость данного этапа, отн.ед.
                        ε III = ∑ ϕ λ k λ ∑ ϕ λ k λ ρ λ ,         (6.29)

   6.4. Энергетический анализ этапа формирования пространственного
                          распределения потока
       На данном этапе ТПО потери происходят той причине, что часть пото-
ка излучения не попадает на облучаемый объект.




      Рис.6.7. Схема для энергетического анализа этапа формирования пространственно-
                               го распределения потока

      Для характеристики пространственного распределения потока вводится
понятие силы излучения I, Вт.ср-1, как отношение потока dФ, Вт, к величине
телесного угла dω, ср, в котором поток равномерно распределен
                                                dФ
                                           I=      .                        (6.30)
                                                dϖ
     Если отложить во всех направлениях от светового центра источника
величины, пропорциональные силам излучения в данном направлении, то
полученная в пространстве объемная фигура называется фотометрическим
телом (ФТ).
     Пусть источник излучения с заданным пространственным распределе-

                                           76


нием потока помещен над облучаемой поверхностью S, как показано на ри-
сунке 6.8.




      Рис. 6.8. Формирование потока, падающего от источника на облучаемую поверх-
                                       ность

     Элемент поверхности dS характеризуется расстоянием от источника l
и углом θ между нормалью к поверхности n и направлением на источник.
     Поток ФИ , Вт, излучаемый источником во всех направлениях
                                 ФИ = ∫ I α dϖ                   (6.31)
                                            4π

     Поток Ф П , Вт, падающий на поверхность
                                           I α cosθ
                                  ФП = ∫          2
                                                      dS .                 (6.32)
                                       S      l
     Этот поток заключен в пределах телесного угла, образованного про-
странственным конусом, опирающегося на контуры облучаемого тела.
     Коэффициент использования потока k ИП , отн.ед.
                                              ФП
                                     k ИП =      .                          (6.33)
                                              ФИ
      Известное распределение силы излучения в пространстве позволяет
рассчитать поток источника. Нахождение потока основано на решении урав-
нений 6.31 и 6.32.
      Наиболее просто это выполнить в случае осесимметричного источника,
расположенного над центром круглой поверхности (рис.6.9). В зависимости
от того, каким способом задано распределение силы излучения, можно при-
менить один из известных из курса светотехники методов – аналитический,
метод зональных телесных углов, метод диаграммы Руссо [126,127].
                                       77


            Рис. 6.9. К расчету потока, падающего на облучаемую поверхность

     Наиболее точным является аналитический метод, в соответствии с ко-
торым поток источника Фα ;α , Вт, при заданной функции распределения силы
                          1   2


излучения в пространстве I α , Вт/ср, находится по формуле
                                                 α2
                              Фα1 ;α 2 = 2π ∫ I α sin αdα .                   (6.34)
                                                 α1

     Аналогично определяют поток источника Ф И .
     Для вычисления потока, падающий на облучаемую поверхность Ф П ,
необходимо найти граничный угол α гр .
     Из рисунка 6.9 следует, что
                                                      R
                                   α гр = arctg         .                     (6.35)
                                                      h
      Пример 6.4. Оценить эффективность данного этапа ТПО для двух ва-
риантов пространственного распределения потока в нижнюю полусферу –
косинусного и равномерного. Общие для обоих вариантов условия – облу-
чаемая поверхность представляет собой круг радиусом R=0,5 м, высота под-
веса облучателя h=0,5м, поток источника Ф И =100 Вт.
      Величина граничного угла
                                                       R
                                    α гр = arctg         = π 4 ср.
                                                       h
      1. Для косинусного излучателя пространственное распределение силы
его излучения описывается выражением I α = I 0 cos α .
      Осевая сила излучения
                                         Ф       100
                                  I0 =       =        =31,85 Вт/ср.
                                         π       3,14
     Поток на облучаемую поверхность


                                                 78


                                                                       π
                                       α                                   4
                              ФП = 2π ∫ I α sin αdα = 2π ∫ I 0 cos α ⋅ sin αdα =
                                       0                               0
                      π
                          4
                                                               π
                2π I 0 ∫ sin α ⋅ d sin α == π I 0 sin 2 α      0
                                                                   4
                                                                       = 3,14 ⋅ 31,85 ⋅ 0,707 2 =50   Вт.
                       0

     Коэффициент использования потока от косинусного излучателя
                                                      ФП   50
                                             k ИП =      =    =0,5.
                                                      Ф И 100
      2. Для равномерного излучателя пространственное распределение силы
его излучения описывается выражением Iα=I0.
      Осевая сила излучения
                                             Ф   100
                                     I0 =      =         =15,92 Вт/ср.
                                             2π 2 ⋅ 3,14
     Поток на облучаемую поверхность
                                                       π                              π
                                α                          4                              4
                 Ф П = 2π ∫ I α sin αdα = 2π ∫ I 0 sin αdα = 2π I 0 ∫ sin α ⋅ dα =
                                0                         0                            0
                                       π                                        π
               = 2π I 0 (− cos α ) 0 4 = 2 ⋅ 3,14 ⋅ 15,92(1 − cos ) =29,3Вт.
                                                                 4
     Коэффициент использования потока от равномерного излучателя
                                                     Ф П 29,3
                                            k ИП =      =     =0,293.
                                                     Ф И 100
     Таким образом, выбор косинусного излучателя вместо равномерного
позволяет почти в два раза увеличить коэффициент использования потока.
     Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с
применением ОИ является формирование оптимального пространственного
распределения потока
     В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических
основ оценки эффективности технологического процесса облучения показа-
телем эффективности на этапе формирование пространственного распреде-
ления потока излучения является коэффициент использования потока по-
верхностью облучаемого объекта.
   Энергоемкость данного этапа, отн.ед.:
                        ε IV = ∫ I α dϖ ∫ I α dϖ ,                 (6.36)
                                       4π             Ω

где I α - зависимость силы излучения (напр., кд.) от угла α (град.);
    Ω - величина телесного угла, в пределах которого сосредоточен поток,
           падающий на ОО, ср.

    6.5. Энергетический анализ этапа формирования поверхностного
          распределения энергии потока на облучаемом объекте
      На данном этапе ТПО потери происходят по причине не полного ис-
пользования потока на облучаемой поверхности.



                                                      79


      Рис.6.10. Схема для энергетического анализа этапа формирования поверхностного
                            распределения энергии потока

       Важной величиной для характеристики интенсивности процессов, про-
текающих под воздействием излучения, является облученность Е, Вт/м2, ко-
торая определяется как отношение потока излучения dФ , Вт, к площади dS ,
м2, на которую он падает
                                             dФ
                                       Е=       .                           (6.37)
                                             dS
      В общем случает поток по облучаемой поверхности распределяется не-
равномерно. Характеристикой распределения потока по поверхности являет-
ся кривая облученности.
      Для построения кривой облученности каждой точке с координатой х
необходимо сопоставить значения облученности в этой точке, которые нахо-
дят по основному закону светотехники
                                          cos 3 α
                                    E = Iα 2      .                          (6.38)
                                           h
      Характерными точками на этой кривой являются максимальное значе-
ние облученности Еmax; минимальное значение облученности Еmin в точке по-
верхности с координатой Rкр; среднее значение облученности Еср. Равномер-
ность хода кривой горизонтальной облученности характеризуют коэффици-
ентом равномерности z , отн.ед.
                                             Е max
                                       z=          .                        (6.39)
                                             E ср
     Существует связь между этими величинами
                                                 2
                                    Emin = Emax ( − 1) .                     (6.40)
                                                 z
      Смысл введения коэффициента z следующий. Можно предположить,
что для обеспечения некоторого процесса, протекающего под действием по-
тока на облучаемой поверхности необходимо обеспечить облученность не
менее Еmin. При меньших значения облученности процесс, в целях которого
производят облучение, не будет протекать, хотя поток на создание этой об-
лученности (а значит, и электрическая энергия) расходуются [128]. Поэтому
этот поток следует отнести к потерям, а эффективность использования пото-


                                        80



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика