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.
    ка на облучаемой поверхности характеризовать коэффициентом использова-
ния полезного потока k ИПП , отн.ед., который равен
                                            ФПП
                                  k ИПП =       ,                            (6.41)
                                            ФП
где ФПП - поток, полезно используемый на облучаемой
      поверхности, Вт;
    ФП - поток, падающий на облучаемую поверхность, Вт.
      Расчет потока, полезно используемого на облучаемой поверхности
производится через известное распределение облученности по поверхности
облучаемого тела. Наиболее наглядно эта задача решается для круглосим-
метричного излучателя, хотя и для несимметричных излучателей решение
достаточно просто [129].
      Пример 6.5. Найти коэффициент использования полезного потока для
косинусного излучателя из предыдущего примера, если z=1,1.
      Уравнение кривой горизонтальной облученности для косинусного из-
лучателя
                                       Iα cos3 α I 0 cos 4 α
                               Ex =             =            .
                                           h2         h2
     Максимальное значение облученности
                                     I 0 31,85               2
                           E max =     2
                                         =     2
                                                 = 127,4 Вт/м .
                                     h     0,5
     Минимальное значение облученности
                                     2              2                2
                      E min = E max ( − 1) = 127,4( − 1) = 104,2 Вт/м .
                                     z             1,1




      Рис. 6.11. К расчету потока, полезно используемого на облучаемой поверхности

     Угол, при котором наблюдается значение минимальной облученности

                                            81


                       Emin ⋅ h 2            104,2 ⋅ 0,52
     α кр = arccos 4              = arccos 4              =
                          I0                   31,85
     = arccos 0,95 = 0,317 рад (~ 18о).
     Поток в пределах угла α кр (полезный поток ФПП )
                         α
     ФПП = π I 0 sin 2 α 0 кр = 3,14 ⋅ 31,85 ⋅ sin 2 0,317 =9,7 Вт.
     Т.к. поток, падающий на поверхность из условий предыдущего приме-
ра
     Ф П = 50 Вт.
     Коэффициент использования полезного потока
                ФПП 9,7
      k ИПП =      =    = 0,19 отн.ед.
                ФП   50
     Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с
применением ОИ является формирование требуемого поверхностного рас-
пределения потока на облучаемом объекте
     В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических
основ оценки эффективности технологического процесса облучения показа-
телем эффективности на этапе формирование поверхностного распределения
потока излучения является коэффициент использования полезного потока
поверхностью облучаемого объекта.
   Энергоемкость данного этапа, отн.ед.:
                       ε V = ∫ I α dϖ ∫ I α dϖ ,                 (6.42)
                                      Ω          Ψ

где Ψ - величина телесного угла, в пределах которого сосредоточен поток,
      создающий на ОО условия облученности требуемого качества, ср.;


 6.6. Энергетический анализ этапа поглощения лучистой энергии объек-
                   том и превращение ее в другой вид
       На данном этапе ТПО потери происходят по причине не полного ис-
пользования потока объектом облучения.




      Рис.6.12. Схема для энергетического анализа этапа поглощения лучистой энергии
                       объектом и превращения ее в другой вид

     Объекты, в которых энергия оптического излучения преобразуется в

                                                  82


другие виды энергии, называются приемниками оптического излучения. В
данном случае не важно происхождение или агрегатное состояние этого объ-
екта. Необходимым условием является лишь наличие процесса преобразова-
ния энергии. Отдельные виды приемников можно отнести к одной из двух
групп: биологические и небиологические (физические и химические).

Таблица 6.3. Классификация и свойства приемников ОИ

               Группа приемников                       Эффект от преобразования
              оптического излучения                      оптической энергии
  Биологические приемники:
                                           глаз   - зрительный эффект
                                 лист растения    - синтез хлорофилла
                                          кожа    - синтез витаминов
                               микроорганизмы     - подавление развития
                                         зерно    - улучшение прорастания
  Небиологические приемники:
                                  фотоэмульсия - потемнение
                                   фотоэлемент - генерирование тока
                                    люминофор - излучение другой длины волны

      Особенностью сельскохозяйственной светотехники является то, что
рассматриваемые этой дисциплиной приемники оптического излучения яв-
ляются объектами живой природы.
      Приемники излучения являются конечными звеньями осветительных
или облучательных установок, вследствие чего изучение свойств приемников
совершенно необходимо для грамотного проектирования и эксплуатации
светотехнических установок.
      Первичным процессом преобразования излучения является поглощение
приемником фотонов падающего на него излучения. На основании анализа
энергетики процессов поглощения и преобразования излучения возможно
решение всех технических вопросов проектирования и эксплуатации свето-
технических установок.
      Целью конкретной светотехнической установки является получение
конкретного положительного результата. Энергия оптического излучения
принципиально может преобразовываться в любой другой вид энергии: теп-
ловую, электрическую, энергию химических связей и т. п. Но, как и в любом
процессе, преобразование одного вида энергии в другой не обходится без по-
терь, то есть часть энергии излучения преобразуется в такие виды энергии,
которые для решения данной задачи не нужны.
      Рассмотрим процесс преобразования энергии (рис.6.13).
      В соответствии с законом сохранения энергии для оптического излуче-
ния процесс преобразования в общем виде можно описать следующим урав-
нением:
                                      t2
                      W α = α ⋅ W = α ∫ Ф(t)dt = W э
                                                       + Wп ,                (6.43)
                                      t1

                                       83


где W - энергия оптического излучения, упавшая на приемник
         за промежуток времени Δt=t2-t1
    Wα — энергия оптического излучения, поглощенная
         за промежуток времени t2-t1, Дж;
    α — коэффициент поглощения излучения приемником;
    Ф(t)—поток излучения, упавший на приемник, в функции времени, Вт;
    Wэ—эффективная энергия, Дж;
    Wп—энергия потерь, Дж.




            Рис. 6.13. Пространственное представление эффективного потока
                                как части общего потока

      Под величиной эффективной энергии Wa следует понимать ту часть
поглощенной приемником энергии излучения, которая преобразовалась в не-
обходимый вид энергии, обеспечивающий ожидаемый положительный эф-
фект. Другие виды энергии, которые при этом образовались побочно, следует
отнести к потерям Wn.
      Из вышеизложенного следует вывод: лишь часть энергии потока
излучения может быть полезна (т.е. эффективна) для получения
определенного эффекта от процесса облучения. Количественно этот факт
характеризуется чувствительностью приемника излучения.
      Интегральная чувствительность приемника излучения определяется
отношением эффективной энергии к энергии излучения, упавшей на
приемник
                                 g = c Wэ                                   (6.44)
                                       W
     или
                               W         Δt
                      g = cα     = cα Ф э = cα Ф э
                                 э
                                                                            (6.45)
                               Wα      Ф Δt      Ф
где g – интегральная чувствительность приемника;
    с – коэффициент, определяемый выбором единиц измерения
        полезной энергии.


                                      84


      Под эффективным потоком понимается поток, оцениваемый по уровню
реакции на него приемника, или, другими словами, часть интегрального по-
тока, пропорциональная реакции приемника на это излучения.
      Большинство приемников превращают упавшую на них энергию излу-
чения избирательно, в зависимости от длины волны излучения. Чувствитель-
ность приемника к монохроматическому излучению называется спектраль-
ной чувствительностью.
      Тогда, по аналогии с интегральной чувствительностью, для спектраль-
ной чувствительности можно записать
                                             (λ )
                                g λ = cα Фэ
                                        d
                                                                     (6.46)
                                        d Ф( (λ )
где d Ф э (λ ) - эффективный поток однородного излучения
                при данной длине волны;
       d Ф (λ ) - поток падающего излучения на данной длине волны.
      Следует иметь ввиду, что единицей измерения для d Фэ (λ ) служит мера
реакции приемника на поток. Например, если приемником является фотоэле-
мент, то d Фэ (λ ) будет измеряться в амперах. Тогда размерность спектраль-
ной чувствительности будет А.Вт-1. Как правило, на какой то длине волны
чувствительность приемника максимальна. Что бы представить значения
спектральной чувствительности в безразмерных единицах, ее характеризуют
относительной величиной в долях от максимального значения. Полагают так
же что α=1.
                                                gλ
                                          Кλ = g                    .                                      (6.47)
                                                          λ   max


     Тогда спектральную чувствительность выражают графически в виде
кривой К λ , имеющую максимумы (Kλ=1) при определенных значениях
длины волны λ.
     Итак, эффективный поток для монохроматического излучения
                              gλ              gλ                         gλ
               d Фэ (λ ) =         dФ(λ ) =         max
                                                          K λ dФ(λ ) =        max
                                                                                    ⋅ ϕ ( λ ) K ( λ ) dλ   (6.48)
                              cα                   cα                    cα
              gλ
     Приняв        max
                         = k , получаем
              cα
                                       d Фэ (λ ) = k ⋅ ϕ (λ ) K (λ )dλ .                                   (6.49)
     Тогда эффективный поток
                                           λ   2


                                   Фэ = k ∫ ϕ (λ ) K (λ )dλ .                                              (6.50)
                                           λ   1


         Таким образом, мера реакции приемника на излучение
пропорциональна как характеристике потока (его спектральной плотности
ϕ (λ ) ), так и свойствам приемника (его чувствительности K (λ ) ), причем
реакция приемника проявляется в интервале длин волн λ1..λ2.
                                                    85


      Наглядным пояснением полученной формулы может служить рис.6.14.




                        Рис. 6.14. К нахождению эффективного потока

        Возможно дать следующие комментарии к интуитивно понятному
выводу формулы эффективного потока. Пусть на одном графике, в функции
от длины волны λ изображены функции спектральной плотности излучения
ϕ (λ ) и спектральной чувствительности K (λ ) . Зафиксируем некоторое
значение длины волны λi. Спектральная плотность излучения на этой длине
волны равна ϕ , спектральная чувствительность приемника равна K .
                λ   i
                                                                             λ   i


        Построим третью кривую, каждое значение которой равно
произведению ϕ (λ ) K (λ ) . Умножив это значение на ширину спектрального
интервала dλ, получим значение эффективного потока на длине волны λi.
Просуммировав d Ф э (λλ в диапазоне длин волн λ1..λ2, получим общее
значение эффективного потока Фэ.
        Следует отметить следующее.
        Численные значения эффективного потока одного и того же излучения
неодинаковы для различных приемников. Они зависят от спектральной
чувствительности приемника.
        Численные значения эффективного потока для одного и того же
приемника неодинаковы в случае различных потоков. Они зависят от
спектральной характеристики потоков.
        Возможен случай, когда для различных потоков, облучающих
различные приемники, численные значения эффективного потока одинаковы.
        Пример 6.6. Сравнить эффективность поглощения энергии излучения
для двух вариантов выполнения поглощающей поверхности – из алюминия и
железа.
        Поскольку преобразования энергии потока при его тепловом поглоще-
нии не происходит, в качестве критерия эффективности восприятия энергии
объектом принимаем коэффициенты поглощения. По справочным данным
α алюм = 15...25 и α жел = 50...80. Принимая средние значения α алюм = 20 и α жел = 65
находим, что выполнение воспринимающей тепловую энергию излучения из
           65
железа в      = 3,25 раза эффективнее, чем из алюминия.
           20
                                         86


     Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с
применением ОИ является повышение эффективности поглощения и пре-
вращения энергии излучения объектом.
     В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических
основ оценки эффективности технологического процесса облучения показа-
телями эффективности на этапе поглощения и превращения энергии излуче-
ния объектом могут выступать спектральная чувствительность (для селек-
тивного приемника) интегральная чувствительность (для неселективного
приемника) либо коэффициент поглощения (при поглощении потока без его
преобразования).
     Энергоемкость данного этапа, (напр., лм/кг)
                        ε VI = ∫ E x dS p ,                     (6.51)
                             S

где S - поверхность ОО, на которой эффективно воспринимается поток, м 2 .
      Изложенные в данной главе частные методики конкретизируют рас-
смотренный в работе подход к обеспечению энергосбережения в ОЭТ АПК
на основе энергетического анализа этапов ТПО.




                                   87


                           ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      Оптическое излучение в современном сельскохозяйственном произ-
водстве является одним из важнейших технологических факторов. В связи с
определяющей ролью излучения в отдельных сельскохозяйственных ЭТП в
работе предложено выделить в отдельный процесс сам технологический про-
цесс облучения (ТПО).
      Применяемые обычно для ОЭТ методы экономического обоснования
проектов не дают необходимой точности в оценке эффективности использо-
вания электроэнергии, так как хозяйственный эффект от облучения опреде-
ляется весьма ориентировочно. При небольшой доле затрат на электроэнер-
гию последняя не рассматривается как фактор, стимулирующий совершенст-
вование технологии. При существенных затратах порой происходит полный
отказ от перспектив использования ОЭТ. Изложенный в монографии подход
основан на учете относительных промежуточных потерь энергии на всех ста-
диях ТПО с использованием обобщающего показателя — энергоемкости.
Этот показатель не связан с хозяйственным эффектом, поэтому служит оцен-
кой энергетического совершенства проведения этапов ТПО.
      Обобщая рассмотренные в работе положения, можно заключить сле-
дующее.
      Препятствием к возможным негативным тенденциям и направлением
дальнейшего выправления ситуации в сельском хозяйстве должно стать
энергосбережение как основа инновационной агроэкономики. Современное
состояние АПК свидетельствует о его высоком потенциале энергосбереже-
ния, который может быть реализован на соответствующем             научно-
методическом обеспечении, включающем научные, методические, техниче-
ские, технологические, организационно-правовые, экономические и другие
мероприятия. Важную научную проблему здесь составляет отсутствие при-
кладной теории энергосбережения и традиционное рассмотрение облучения
как одного из факторов других технологических процессов.
      Рассмотренную общую методологию энергетического подхода к анали-
зу ЭТП следует интерпретировать как прикладную теорию энергосбереже-
ния. Предложенная теория является развитием МКО, что позволило в данной
работе не углубляться в анализ энергетических положений метода, но ис-
пользовать его в качестве теоретического базиса выдвигаемых положений.
      Обеспечение энергосбережения в технологических процессах АПК
возможно на основе предложенной концепции искусственной биоэнергети-
ческой системы (ИБЭС) как совокупности самого сельскохозяйственного
биологического объекта, технических средств обеспечения микроклимата,
биологических и технических средств подготовки основного технологиче-
ского процесса. Выделены соответствующие отмеченным составляющим
ИБЭС группы ЭТП: основной, обеспечивающий и подготовительный. Мате-
матическая оптимизация эффективности ИБЭС показала, что решение задач
энергосбережения возможно снижением энергоемкости этапов ЭТП.
                                   88


      ОЭТ являются важными для отраслей АПК технологическими процес-
сами, особенностью которых является преобразование энергии из электриче-
ской в энергию электромагнитного поля и, далее, в энергию, определяемую
поглощающим объектом. Большие энергетические потери в процессе этих
преобразований обусловливают низкую эффективность использования энер-
гии и высокую энергоемкость. Эти факторы и ряд других объективных об-
стоятельств привел к существенному сокращению применения в сельском
хозяйстве электротехнологий, прежде всего, оптического излучения.
      В исследованиях эффективности использования электроэнергии в ОЭТ
АПК выделено четыре периода. Свою наибольшую глубину анализ эффек-
тивности ОЭТ получил развитие с применением термодинамического подхо-
да, однако практическое использование полученных закономерностей и мо-
делей затруднено в практике энергетического анализа конкретного энергохо-
зяйства (энергоаудита).
      Классификация множества видов ОЭТ АПК и рассмотрение их техно-
логических схем дали возможность представить любой процесс облучения в
виде последовательности этапов: преобразование электроэнергии в оптиче-
ский поток в источнике излучения; передачу потока; превращение лучистой
энергии в другой вид при ее поглощении объектом. Это дало основание го-
ворить о технологическом процессе облучения (ТПО) как самостоятельном
технологическом процессе.
      Видовые особенности реакции различных объектов АПК на воздейст-
вие ОИ, наличие различных несравнимых между собой схем применения ОИ
допускают отказ от анализа физико-химических и фотофизических реакций,
происходящих в облучаемом объекте. Основным критерием в оценке эффек-
тивности преобразования энергии на различных этапах при этом становится
энергоемкость. Анализ литературы показал определенную проработанность
применения критерия энергоемкости к оценке эффективности энерготехно-
логического процесса. Однако проведенные исследования справедливы для
абстрактного процесса и не рассматривают особенности применения ОИ.
      Разработанные на основе прикладной теории энергосбережения част-
ные методики энергетического анализа этапов ТПО в рамках общей концеп-
ции научно-методических основ оценки эффективности технологического
процесса облучения позволяют наметить конкретные ЭСМ.
      Проведенные по критерию энергоемкости исследования составляющих
резервов энергосбережения, их системный анализ показали, что все резервы
энергосбережения по критерию их реализуемости в процессе эксплуатации
установок оптического облучения могут быть разбиты на две группы: резер-
вы, имеющие реализацию путем оптимизации условий эксплуатации и резер-
вы, могущие быть реализованы совершенствованием облучательного обору-
дования. К первой группе должны быть отнесены мероприятия по стабилиза-
ции величины питающего напряжения, соблюдение режимов обслуживания,
оптимизация технологических режимов; ко второй группе – выбор опти-
мальных источников излучения, облучательного оборудования, внедрение
прогрессивных приемов и технологий облучения.
                                   89


                            Литература:
       1.   Кудрявцев, И.Ф. Электрический нагрев и электротехнология /
И.Ф.Кудрявцев, В.А.Карасенко .- М.: Колос, 1975.-384 с.
       2.   Жилинский, Ю.М. Электрическое освещение и облучение /
Ю.М.Жилинский, В.Д.Кумин.- М.: Колос, 1982.-272 с.
       3.   Сарычев, Г.С. Облучательные светотехнические установки /
Г.С.Сарычев .- М.: Энергоатомиздат, 1992.-240 с.
       4.   Сарычев, Г.С. Классификация облучательных светотехнических
установок / Г.С.Сарычев // Светотехника.-1982.-№2.-С.9-10.
       5.   Калверт, Дж. Фотохимия: Пер. с англ. / Дж. Калверт, Дж. Пите.-
М.: Мир, 1986.-672 с.
       6.   Альтгаузен, А.П. Применение электронагрева и повышение его
эффективности / А.П.Альтгаузен.- М.: Энергоиздат, 1987.- 128 с.
       7.   Борхет, А. Техника инфракрасного нагрева: Пер. с нем. /
А.Борхет, В.Юбиц.- М.: Госэнергоиздат, 1963.- 378 с.
       8.   Гинзбург, А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленно-
сти / А.С.Гинзбург.- М.: Пищевая промышленность, 1966.- 408 с.
       9.   Лебедев, П.Д. Сушка инфракрасными лучами / П.Д.Лебедев.- М.-
Л.:Гос.энергетич. изд-во, 1955.- 232 с.
       10. Левитин, И.Б. Применение инфракрасной техники в народном
хозяйстве / И.Б.Левитин.- Л.:Энергоиздат, 1981.- 264 с.
       11. Леконт, Ж. Инфракрасное излучение: Пер. с франц. / Ж.Леконт.-
М.: Гос.изд.-во физ.-мат.лит., 1958.- 584 с.
       12. Рогов, И.А. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пи-
щевых продуктов / И.А.Рогов, С.В.Некрутман.- М.: Пищевая пром-сть, 1976.-
212 с.
       13. Севернев, М.М. Энергосберегающие технологии в сельскохо-
зяйственном производстве / М.М.Севернев.- М.: Колос, 1992.- 190 с.
       14. Современные электроустановки в животноводстве и растение-
водстве / Л.В.Колесов, О.Б.Бабаев, В.Н.Каров, В.А.Королев.- М.: Колос,
1981.- 144 с.
       15. Электрические установки инфракрасного излучения в животно-
водстве / Д.Н.Быстрицкий, Н.Ф.Кожевникова, А.К.Лямцов, В.П.Муругов.-
М.: Энергоатомиздат, 1981.- 152 с.
       16. Гуревич, М.М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий /
М.М.Гуревич, Э.Ф.Ицко, М.М.Середенко.- Л.: Химия, 1984.- 120 с.
       17. Апанасевич, П.А. Основы теории взаимодействия света с веще-
ством / П.А.Апанасевич.- Мн.: Наука и техника, 1977.- 496 с.
       18. Жевандров, Н.Д. Оптическая анизотропия и миграция энергии в
молекулярных кристаллах /Н.Д.Жевандров.- М.:Наука, 1987.- 168с.
       19. Рабек, Я. Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизи-
ке / Я.Рабек.- в 2-х т.-т.2: Пер. с англ.- М.:Мир, 1985.-544с.



                                    90



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика