Введение к работе
Актуальность проблемы. Переход сельскохозяйственного произвол
ьна в условия рыночных отношений привел к тому, что доля электроэ-
іергни в себестоимости продукции не просто выросла, а превратилась в
шачнтельный, а в ряде случаев - в определяющий показатель (напрн-
іер, в тепличном производстве). Это обстоятельство в корне меняет
[одход к синтезу технологических процессов и установок. Повышение
шергетическои эффективности оптических электротехнологип (ОЭТ),
-. е. технологических процессов, в которых излучение используется как
:пецпфнческий энергетический фактор (в отличие от информационного) и
і которых используются электрические источники излучения, является
іля сельскохозяйственного производства наиболее наукоемкой задачей
[о сравнению с другими технологиями. Это обусловлено двумя обстоя
тельствами. Во-первых, большим разнообразием объектов облучения, от-
шчающихся различной природой (живые, неживые), видами (животные,
>астення, водоросли, дрожжи, семена, продукция растениеводства и жи-
ютноводства, материалы), физическим состоянием облучаемой среды
.газообразная, жидкая, сыпучая, твердая), а также разными механизма-
ш воздействия излучения, обусловленными различными спектральными
шапазонамн излучения (УФ-, видимая, ПК-область оптического спект-
>а). Вовторых. использованием специфического промежуточного энерго-
ютока - электромагнитного излучения, которое характеризуется своими
законами генерации, распространения и взанмодепсвня со средой объек-
а. Эта специфика и обуславливает значительные энергопотерн на всех
ітапах энергопреобразований. Так, отдача излучением составляет от
О/, для некоторых газоразрядных источников излучения до 80% для зер-
:альных ИК-ламп накаливания. При передаче потока излучения объекту в
ехнологпческих схемах облучения полезно используется от 30 до 80
іучистой энергии. При первичном взаимодействии оптического излучения
: объектом вследствие спектральных особенностей, а также фотофизн-
іеских механизмов полезно используется от АО'/- падающего излучения в
[екоторых фотонных до 95"/. в ряде тепловых процессах. Однако эффек
тивность поглощенной энергии излучения часто бывает невысокой из-за
шзкого качества облучения, обусловленного неравномерностью распре-
іелення облученности по поверхности или объему объекта. Суммарное
юлезное использование потребленной электроэнергии в различных ОЭТ
ЛТК находится в пределах 5.. . 60%. ""
Расчеты показывают, что потерн энергии в оптических технологиях і аграрном секторе экономики соизмеримы с половиной общих потерь »лектроэнергин б отрасли. Это придает особую актуальность научной
стороне проблемы энергосбережения в технологиях облучения. Решен указанной проблемы в значительной мере сдергивается отсутствием ед ного теоретического подхода к анализу и синтезу ОЭТ. Это связано указанным разнообразием объектов и видов использования оптнческо излучения в АПК, а такхе совмещением в ОЭТ целого комплекса слохн физико-химических процессов. Традиционный их анализ с помощью Оала совых энергетических зависимостей не могет претендовать на глубок оценки. Для адекватного исследования этих процессов необходим фунд ментальны!! подход, который обеспечивает термодинамика - наука об о щнх законах преобразования энергии в системах любоґі природы.
Целью исследования является создание на основе методов термод намики теоретической базы для повышения эффективности использован электроэнергии в ОЭТ АПК и разработка, исходя из нее, новых технолі гических схем облучения и технических средств, а также оптимизац их параметров и режимов работы.
Научная новизна. Впервые энергетический анализ ОЭТ АПК произві ден с точки зрения термодинамики. На этой основе сформировано нові научное направление - прикладная термодинамическая теория знергосбі рехення в ОЭТ, в рамках которой:
- получены математические описания термодинамических закономе;
ностей спектрального и пространственного распределений энергии опті
ческого излучения, неравновесного преобразования ее параметров,
такхе первичного взаимодействия с объектами разного типа;
- установлено, что определящнм фактором в формировании подході
к разработке энергосберегающих ОЭТ является их термодинамнческі тип, который зависит от вида технологического эффекта, производимо: излучением в объекте: фотонная работа, теплота и работа, выполняем; теплотой; определены основные требования к технологическим схем; облучения для каждого термодинамического типа ОЭТ;
- разработана методика оптимального согласования спектров теї
лового и разрядного источников излучения со спектральной чувств]
тельностью объектов разных термодинамических типов; выдвинута гит
теза о зависимости красной границы спектра действия объекта от рабі
тоспособности поглощенного оптического излучения;
- произведено математическое описание энергопреобразования
термораднацнонной системе на основании принципов линейной неравні
весной термодинамики (уравнений Онзагера). что обеспечило эффект;
ность анализа; для ряда критериев получены универсальные зависимое
мехду оптимальными параметрами термораднацнонной системы при выпо.
нении работы в объекте;
- создана методология повышения эффективности использования
электроэнергии в ОЭТ АПК, базирующаяся на новой совокупности методи-
іескнх приемов исследования и термодинамических принципах энергосбе-
)еіеніія, среди которых предложен новый принцип оптимального уменьше-
шя степени неравновесностн энергопередачи.
Применение созданной методологии к характерным ОЭТ АПК привело с следующим новым научным результатам:
- предложен новый принцип построения технологических схем
объемного облучения, базирующийся на согласовании векторов распро
странения излучения и перемещения облучаемой среды;
предложен принцип переизлучения энергии при перераспределении чотока теплового излучения в пространстве;
разработаны математические модели новых технических средств, эеалнзующнх указанные принципы (УФ-стернлизатора. противоточного по-зерхностного ИК-пастеризатора, ИК-облучателя с переизлученнем энергии), а также получены их оптимальные параметры.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. В рамках прикладной термодинамической теории энергосбережения в ОЭТ \Ш получены аналитические и графические зависимости, пакет программ для ЭВМ, которые позволяют оперативно определять термодинамические параметры оптического излучения, использующиеся при разработке различных технологических процессов: работоспособность излучения разных типов источников, скорость генерации энтропии при неравновесном преобразовании параметров излучения в элементах технологических схем, изменение работоспособности излучения при его поглощении рассеивающими средами и др. Создана методика, регламентирующая порядок разработки энергосберегающих ОЭТ и обеспечивающая эффективность выбора спектров излучения, синтеза технологических схем облучения и определения их оптимальных параметров.
Основные теоретические положения и практические методы разработанной прикладной термодинамической теории служат основой для совершенствования действующих методических рекомендаций по расчету и применению оптического излучения, технологических требований к разрабатываемому оборудованию и методов нормирования расхода электроэнергии. С этой целью результаты работы переданы ряду научно-исследовательских и высших учебных заведений (Гппронпсельпром, Вологодский политехнический институт. Челябинский государственный агроинженерный университет. Красноярский государственный аграрный университет), где они используются б научной работе и учебном процессе, о чем свидетельствуют полученные справки.
Применение созданной методологии повышения эффективности ис пользования электроэнергии к характерным ОЗТ АПК дало следуюин практические результаты.
Предложены новые высокоэффективные технологические схемы объем ного облучения жидких, сыпучих и пластичных сред, а также конструк тивные решения ИК-облучателя с переизлучекием энергии, по которы получены авторское свидетельство и патент на изобретения. Определен оптимальные параметры предложенных технических средств, разработан методы их инженерных расчетов, изготовлены образцы конструкций произведены их лабораторные и производственные экспериментальные ис следования. По результатам теоретических и экспериментальных нссле дований разработаны временные зоотехнические требования и конструк торская документация на ИК-облучатель ОВИП. Опытно-экспериментальны! заводом треста "Львовспецсельхозмонтаж" выпущена опытная партия ИК облучателей, которая внедрена в производство и прошла опытную про верку на свинокомплексах Львовской области. Применение ИК-облучате лей обеспечило дополнительный прирост массы поросят на 8% В настоя щее время готовится серийное производство ИК-облучателей.
Практическую.ценность составляют также: пакет программ для ЭВМ, позволяющий автоматизировать системные исследования и оптнмнзнроват; параметры и режимы работы установок ИК-обогрева поросят; номограмм; для расчетов параметров кварцевого трубчатого ИК-излучателя, характеризующегося различной геометрией спирали и трубки и работающего і разных тепловых условиях; прибор-автомат с микропроцессорным управлением для комплексных экспериментальных исследований энергетически: характеристик и качества облучения в системе "точечный облучатель плоский объект".
Расчетная суммарная экономия электроэнергии от массового применения результатов работы при современном объеме получаемой вследствие оптического облучения продукции составляет около 2 млрд. кВт-< в год, или 17% от общего потребления отраслью на облучение.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, и обсуждались на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Львовского СХИ (1982), С.-Петербургского государственного аграрного университета (1Э85-19Э0, 1993-1996), Львовской академии ветеринарной медицины (1985-1994); Всесоюзном научно-производственном совещании по применений оптического нзлученп} в сельскохозяйственном производстве при выполнении Продовольственно* программы (г.Львов, 1984); Всесоюзной научно-теоретической конференции "Состояние и перспективы развития средств измерения температуры'
(г.Львов. 1984); научно-производственной конференции "Актуальні напрямки наукового забезпечення агропромислового комплексу західних районів УРСР" (г.Львов, 1990); научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 150-летию Белорусской СХА (г.Горки, 1990); Всесоюзном координационном совещании "Итоги научно-исследовательских работ по зоогигиене за 1986-1990 годы и задачи НИР на период 1991-1995 годов' (г.Львов, 1990); Международном семинаре "Лазеры в технологических системах' (г. С.-Петербург, 1993. 1995); 1-м и 2-м Международных мегдукафедральных симпозиумах по вопросам гигиены животных (г.Львов. 1994, 1995); 1-й Международной научно-технической конференции "Математичне моделювання в електротехніці ft електроенергетиці" (г. Львов, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, включая 2 авторских свидетельства и 1 патент, общим объемом 16,3 п. л.
Личное участие автора. Диссертационная работа выполнена во время пребывания в докторантуре на кафедре электротехнологнп в сельском хозяйстве Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. Основные положения и результаты работы получены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и общих выводов, списка использованных источников (342 наименования, в том числе 63 на иностранных языках) и приложении. Работа содержит 475 страниц, в том числе 298 страниц текста, 102 рисунка. 31 таблицу и 43 страницы приложении.
