Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 13
1.1. Источники оптического излучения в сельском хозяйстве 14
1.2. Установки наружного и внешнего освещения в сельском хозяйстве 19
1.3. Облучательные установки 27
1.4. Классификация и структурная схема источников оптического излучения и установок в с.-х. производстве 41
2. Теоретические основы применения новых светотехнических средств и их воздействие на биообъекты 48
2.1. Теория разряда с полым катодом 48
2.2. Теоретические основы воздействия УФИ на биообъекты 61
2.3. Определение принципов рационального распределения электроэнергии в ОсУ животноводческих помещений и теплиц... 78
2.4. Теоретическое обоснование метода оценки и прогнозирование воздействия оптического излучения на биообъекты 94
3. Реализация средств оптического излуче ния нового поколения в сельскохозяйственном производстве 112
3.1. Разработка установок на базе ламп типа ДРЛ и ДРИ с полым катодом 112
3.2. Разработка ультрафиолетовых облучательных установок усиленного биологического действия 131
3.3. Расчет и реализация рациональной системы освещения в животноводческих помещениях 152
3.4. Математическая модель и оптимизация технологий оптического излучения 194
3.5. Разработка технических средств для обеспечения интенсивных технологий ОИ в промышленных теплицах 176
4. Научно-хозяйственные этологические эксперименты по влиянию новых систем освещения и облучения на мясомолочную и растеневодческую продуктивность 197
4.1. Этологические опыты по влиянию различного типа РЛВД на молочную продуктивность 197
4.2. Этологические эксперименты по возведению облучателей усиленного биологического действия на мясную продуктивность 213
4.3. Эксперименты по облучению растений защищенного грунта 222
5. Эксплуатация осветительных установок на базе разрядных ламп высокого давления 237
5.1. Испытания осветительных установок на надежность 237
5.2. Анализ причин отказов светильников 243
5.3. Особенности эксплуатации ОсУ в животноводческих помещениях 256
6. Технико-экономический анализ систем освещения и облучения с ртутными, металлогенными и натриевыми лампами 262
6.1. Оценка изменения экономической эффективности осветительазлых приборов при становлении рыночной экономики 262
6.2. Технико-экономические расчеты тепличных установок на базе ДРИ-2000-6, и ОТ-400 с ДРЛФ-400 и ДРИ-400-5 266
6.3. Сравнение экономической эффективности при производстве и эксплуатации ламп типа ДНаТ и ДРЛФ мощностью 400 Вт 271
6.4.Экономическая эффективность ОбУ на базе эритемно-бактерицидных ламп НД 272
6.5 Народнохозяйственный эффект от производства и эксплуатации новых источников оптического излучения в сельскохозяйственном про изводстве 276
Выводы по главе 6 277
Общие выводы 281
Список литературы 287
- Установки наружного и внешнего освещения в сельском хозяйстве
- Теоретические основы воздействия УФИ на биообъекты
- Расчет и реализация рациональной системы освещения в животноводческих помещениях
- Этологические эксперименты по возведению облучателей усиленного биологического действия на мясную продуктивность
Введение к работе
В условиях рыночной экономики, сопровождающейся кризисом промышленного и сельскохозяйственного производства при постоянно возрастающих тарифах на электроэнергию, дефиците кормов, удобрений, технического оснащения ферм, обостряется необходимость поиска новых энергосберегающих технологий, обеспечивающих прирост конкурентоспособной по качеству и себестоимости с.-х. продукции.
Затяжной системный кризис в АПК вызвал резкое сокращение поголовья скота, птицы, урожая. Так, по данным Российской академии с.-х. наук [1] , в хозяйствах РФ с 1990 г. поголовье скота уменьшилось в 2...3 , птицы -в 1,8, производство мяса - в 2, молока и яиц - в 1,5, число скотомест - в 85 раз. Уменьшение числа поголовья скота и птицы вызвало снижение производства основных с.-х. продуктов и рост их себестоимости. Себестоимость 1 ц продукции привеса крупного рогатого скота (КРС) за 10 лет возросла с 341 руб. до 2076 тыс. руб.. свиней с 258 руб. до 2211 тыс. руб.. овец с 253 руб. до 1219 тыс. руб., птицы с 163 до 1732 тыс. руб., яиц от 70 руб. до 660 тыс. руб. Таким образом, за последнее десятилетие цены на с.-х. продукцию возросли в 2 тыс. раз, в то время как на промышленные услуги для сельскохозяйственных производителей - почти в 10 тыс. раз.
Государственное финансирование сельского хозяйства постоянно сокращается. Если в 1991 г. аграрная доля в федеральном бюджете составляла 12% , то в 1999 г. она уменьшилась до 1% . Снижение государственной дотации на электроэнергию , которую при увеличении производства с.-х. продукции на 1% приходится увеличивать на 2...3 % , приводит к тому, что существующие биотехнологии не в состоянии обеспечить производство продуктов, способных конкурировать с иностранными, импорт которых за период реформирования экономики возрос в 15 раз, тяжёлое финансовое положение хозяйств не позволяет приобретать новую технику, способствующую введению прогрессивных технологий оптического излучения (ОИ).
Из-за отсутствия заказов заводы сильно сократили выпуск светотехнических изделий с.-х. назначения. Светотехнические предприятия не входят
в Минсельхоз РФ и поэтому обслуживают в первую очередь промышленные отрасли, сбывая в сельское хозяйство морально устаревшее оборудование.
В этих условиях проблема увеличения конкурентоспособности с.-х. продукции чрезвычайно актуальна. Многочисленными, как отечественными, так и зарубежными исследователями, в том числе с.-х. школы: В.М. Неманом, М.Г. Евреиновым, Г.И. Назаровым, И.А. Будзко, И.Ф. Бородиным, Л.Г. Прищепом, Д.С. Стребковым, И.И. Свентицким, А.К. Лямцовым, Д.Н. Марусидзе и многими другими доказана эффективность использования оптических средств при увеличении производства с.-х. продукции.
Фундаментальные работы в области исследования высокоинтенсивных источников оптического излучения (ОИ) принадлежат отечественным и зарубежным ученым: Пашену, Ленгмюру, В.Эленбаасу, Д. Уэймаусу, Н.А. Капцову, Г.Н. Рохлину, B.C. Литвинову, А.Е. Атаеву, Г.С. Сарычеву, Л.Б. Прикупцу, A.M. Кокинову, Ю.А. Корочкову и др.
Основываясь на работах этих ученых, а также на объективно существующих закономерностях, протекающих в биообъектах при воздействии освещения и облучения, нами предлагается решение проблемы по увеличению с.-х. продукции при помощи новых средств освещения и облучения, методов контроля качества работы технических средств и оценки их воздействия на биообъект.
В связи с этим, опираясь на теоретические основы воздействия ОИ на биообъекты, необходимо, помимо уточнения, расширения и перераспределения в отраслях с.-х. производства, разработать систему принципов действия технических средств, направленных на повышение экономической эффективности (ЭЭ) ламп и установок с возможно меньшими изменениями конструкции, а, следовательно, технических процессов заводов - изготовителей, в целях сохранения доступных цен. При сотнях млрд. кВт ч электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством на освещение и облучение, даже незначительное улучшение таких показателей, как КПД излучения, срок службы, напряжение зажигания ламп, надежность работы каждой установки принесёт ощутимую экономию стране. Поэтому исследования в этом направлении также актуальны.
Настоящие исследования выполнялись автором с 1975 г. МЭИ на ка
федре промышленной электроники и продолжались в МИИСПе (ныне
МГАУ) на кафедре электротехнологии в с.-х. производстве в рамках хоздого
воров с СПО «Светотехника». ВНИСИ, ГПЗ «Ачкасово», колхозами «им.
СМ. Кирова» и «Победа» Московской области, Горьковским СХИ, Мордов
ским ГУ. Тема диссертации связана с комплексными НИР МГАУ, ГНТ про
блема 0.51.21, № Госрегистрации 018600532066: темы № 11-82 «Иссле
дование, разработка и испытание МГЛ малой мощности» (отчет 1985 г., инв.
№ 0285.0089010), темы № 9-85 «Исследование перспектив источников ОИ в
отраслях АПК» (отчет 1986г.. инв. №> 0287. 0023562), темы № 4-87 «Провести
НИР и выдать исходные требования - заявку на создание комплектов све
тотехнического оборудования для освещения с.-х. помещений на основе све
тильников с ДРЛ мощностью до 250 Вт (отчет 1987 г., инв. №
028.80.038094)». темы № 6-88 «Исследование энерго- и материалосбере-
гающих светотехнических средств облучения освещения с.-х. животных» (от
чет 1989...1990 г.г.. инв. № 0289.0053824 и № 0290.0047601), в 1990...1995 г.г.
исследования велись по договорам с совхозами «Ачкасово», «Победа» и «60
лет СССР» по темам: «Разработка, исследование и монтаж ОсУ в помещениях
КРС», «Разработка УФ комбинированных маломощных облучателей для жи
вотноводства».
Цель работы состоит в том. чтобы, основываясь на объективно существующие закономерности воздействия оптического излучения на биообъекты, разработать научные основы практического рационального использования разрядных ламп в различных областях с.-х. производства для обеспечения прироста животноводческой и растениеводческой продукции.
Методология исследования базируется на системном подходе к комплексу теоретических и экспериментальных исследований с применением математических, физических, светотехнических, фотометрических, биометрических, зоологических, этологических,логистических методов.
Решение задач, связанных с проблемой повышения конкурентоспособности с.-х. продукции путем повышения эффективности воздействия ОИ, позволило получить следующие новые научные знания :
- предложен новый принцип зажигания ртутных ламп высокого давления
(РЛВД) типа ДРЛ и ДРИ, от Uc = 220 В без дополнительных зажигающих уст
ройств (ЗУ), основанный на использовании разряда с полым катодом (ПК);
получены математические соотношения, позволяющие определить параметры газового разряда для выраженного эффекта полого катода (ЭПК), снижающего напряжение поддержания разряда;
установлен новый принцип усиления биологического действия источников ультрафиолетового излучения (УФИ);
систематизированы реакции биообъектов на количественное, качественное и временное воздействие ультрафиолетовое облучение (УФО);
предложен новый вид уравнений для расчета модели взаимодействия источника ОИ и биологического объекта;
определены принципы рационального использования электроэнергии в осветительных и облучательных установках (ОсУ и ОбУ) с.-х. назначения.
разработана методика выбора оптимальной системы автоматизированного управления (САУ) осветительных и облучательных установок.
разработана методика определения экономической эффективности систем освещения и облучения животноводческих комплексов и промышленных теплиц на разных этапах становления рыночной экономики;
развиты методы, осуществляющие количественный контроль промежуточных и конечных показателей, а также прогнозирования прибавки мясомолочной продуктивности под воздействием видимого и УФ излучений;
разработана математическая модель и программы расчетов на ЭВМ для определения выходных параметров системы освещения и облучения;
разработана классификация и структурная схема научного и практического обеспечения отраслей с.-х. производства осветительно-облучательной техникой.
Практическая ценность заключается в создании принципиально новых источников ОИ и облучателей, разработке экономически эффективных ОсУ, энергосберегающих регулируемых систем освещения, пакетов программ ЭВМ, номограмм, сокращающих время расчетов, новых методов контроля воздействия ОИ на биообъекты, а также технологий, которые позволили снизить себестоимость основных с.-х. продуктов на 5... 10%.
Достоверность выводов обеспечена современными методами исследования на моделях и действующем оборудовании с применением ЭВМ, экспериментально подтверждена лабораторными, научно-хозяйственными и промышленными испытаниями с документальным подтверждением.
Основные положения, выносимые на защит}':
1. Научные основы применения не использованных ранее объективно
существующих закономерностей, имеющих место в источниках ОИ, и их воздействия на биообъект.
Создание источников ОИ, светильников, облучателей, а также светотехнических установок нового поколения для интенсификации технологий с.-х. производства при рациональном использовании электроэнергии.
Методология создания высокоэффективных приемов количественного контроля изменения качества и прогнозирования с.-х. продукции под воздействием видимого и УФ излучения.
Экономический эффект от реализации результатов работы: _ - от внедрения партии ламп типа ДРЛ в исполнении ХЛ с полым катодом в Северные регионы страны для наружного освещения с 1982 по 1986 г.г. составил - 500 тыс. руб. по ценам тех лет;
- за счет внедрения разработанных автором ОсУ на фермах Госплемза-вода «Ачкасово» Московской области годовой эффект от увеличения надоев молока составил в 1990 г. на один коровник 96 тыс. руб., а в колхозе «Победа» в 1993 г.около 90 тыс. руб.
-в колхозе «Им. СМ. Кирова» и «Ленинский луч» в 1981...1982 г.г. реализация ОбУ на базе ламп ДРИ-2000 и ДРИ-400 в 2 и 1,2 раза соответственно дешевле, чем в установках на базе ДРЛФ на 30%; экономия электроэнергии в 1,4 раза, по сравнению с традиционным облучателем ОТ-400 на базе ДРЛФ. Это позволило экономить в течение года 150 мВт ч. на каждые 1000 ламп, при этом экономическая эффективность для теплиц Московской области может составить 130 млн. руб. в год;
в колхозе «Родина» Ульяновской области экономический эффект от применения облучателей нового поколения выразился в ускорении лечения животных на 3...4 дня при снижении простудных заболеваний;
в совхозе «Им. Бахарева» Якутии за счет увеличения надоев при лечении мастита в 1991 г. обеспечен экономический эффект 280 руб. на 10 коров.
Результаты технических разработок реализованы в различных областях народного хозяйства. Осуществлен серийный выпуск ламп типа ДРЛ-400 с полым катодом, с 1983 г. работающих в холодных климатических зонах России в светильниках без дополнительных зажигающих устройств (ЗУ). Лампы с ЭГЖ прошли испытания в условиях промышленного и с.-х. производства на СПО «Светотехника», в МЭИ, Горском СХИ, МГАУ, МТК «Марфино», показав высокую надежность, долговечность, ускоренное разго-рание и стабильность работы при колебаниях напряжения в сети (Uc) по сравнению с традиционными ДРИ и ДРЛ.
Разработаны и внедрены в животноводческие фермы эффективные сис
темы освещения на базе маломощных РЛВД типа ДРЛ, МГЛ, ДНаТ с авто
матизированным управлением. Разработаны и внедрены в тепличные ком
бинаты Подмосковья системы облучения растений на базе высокоинтенсив
ных источников ОИ и ОбУ типа ОТ-400 с прямой заменой ДРЛФ на ДРИ-
400. с ПК Разработаны лампы смешанного эритемно-бактерицидного
излучения, использующие новый принцип усиленного биологического действия, и многофункциональные облучатели на их основе. Применен этологическии метод контроля и прогнозирования выхода продукции под воздействием светового фактора.
Результаты разработок включены в учебный процесс Мордовского Госуниверситета, Московского энергетического института, Московского государственного агроинженерного университета, использованы во ВНИИИСе и ВНИСИ в виде лабораторных установок, методических пособий, разделов лекций, семинарских занятий, учебно-исследовательских работ, дипломных проектов, учебных программ на ЭВМ, научных отчетов, протоколов испытаний и др. Математинеские модели процессов и номограммы расчетов ОсУ и ОбУ использованы в Московской области: колхозах «Им. СМ. Кирова»,
«Ленинский луч», «Победа»,' ГПЗ «Ачкасово»; ТК «Марфино», а также в других регионах: Мордовии, Осетии, Якутии, Горьковской и Ульяновской областях.
Апробация основных результатов исследований по теме диссертации: результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов: МЭИ (Москва, 1975... 1979 г.г.), АЭИ (Алма-Ата, 1977 г.), Латв. СХА (Елгава, 1981 г.), МГАУ (Москва 1980...1999 г.г.), объединенном Всесоюзном семинаре (Полтава, 1978 г.), совещаниях ВДНХ (участник ВДНХ, 1981... 1985 г.г.), совещании Госкомиссии «Симпозиум-81», n/я «Зенит» (Зеленоград, 1981 г.), конференции «Пути повышения и задачи электрификации с.-х.» (Барнаул, 1983 г.). Всесоюзном совещании Метрологического совета НТС/АН СССР (Пущино, МО, 1983 г.) . Всесоюзной конференции «Проблемы фотоэнергетики растений и повышения урожайности" (Львов, 1984 г.), XII... XV Огарев-ских чтениях Мордовского ГУ (Саранск, 1986 г.), заседаниях Головного Совета КНГП «Человек и свет» (Саранск, 1986... 1988 г.г., член оргкомитета), «Всесоюзном совещании по применению ОМ в сельском хозяйстве» (Львов, 1987 г.), Всесоюзном совещании НТО (Ереван, 1987 г.), Совете ректоров (Москва, 1986 г., член Совета), Северо-Осетинской республиканской научно-технической конференции (Владикавказ, 1989 г.), секции НТС ВНИСИ (Москва, 1989 г., член секции), Всесоюзной научно-технической конференции «Энергосберегающее оборудование для АПК» (Москва , 1990 г.), производственных совещаниях и семинарах СПО «Светотехника», МЭЛЗ, ВНИИИС, «Тесламп-Голешовице» , ГПЗ «Ачкасово», организатор 2-ой Всесоюзной светотехнической конференции (Саранск, МГУ, 1988 г.), организатор Всесоюзной светотехнической конференции в МДУ (Москва, 1990 г., член оргкомитета секции экологии МДУ), региональной конференции «Критические технологии» (Саранск, 1999 г.), конференции «Энергосбережения в с.-х.» (Москва, 1999 г.), конференции МГАУ «Современные энергосберегающие технологии и оборудование» (Москва, 1999 г.), семинаре-выставке в Доме Света «Применение УФИ в санитарии» (Москва, 1999 г.), 1 1-й Международной конференции по экологии с.-х. техники (Санкт-Петербург, 2000 г.), 4-ой
Международной светотехнической конференции (Вологда, 2000 г.), юбилейных международных конференциях 2000 г. МГАУ и ВИЭСХ.
Объектом исследования является разработка системы светотехнических средств, технологических приемов оптического воздействия на биообъекты в с.-х. производстве и методов количественного контроля качества и прогнозирования продукции.
Предметом исследования является изучение процессов, протекающих в подсистемах, составляющих систему по изучению воздействия светотехнических средств ОИ на биообъекты.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 100 печатных работах, в том числе 8-ми научных отчетов, имеющих инв. № и госрегистрацию, 9-ти авторских свидетельствах на изобретения и патентах.
Обсуждение докторской диссертационной работы было проведено на:
НТС ОАО «Лисма» (СПО «Светотехника», г. Саранск), с участием профессорско-преподавательского состава Мордовского Госуниверситета и педагогического института;
объединенном заседании 5-ти кафедр Чувашской с.-х. Академии;
ученом совете и объединенном заседании кафедр энергетического факультета МГАУ им. В.П. Горячкина;
заседании кафедры светотехники Московского энергетического института (МЭИ);
собрании ведущих специалистов Госплемзавода «Ачкасово» Московской области.
Принимая во внимание комплексность работы, к выполнению отдельных исследований в области биологии были привлечены специалисты Жуков А.В. Калинина А.В., Казаков А.В. (ГСХИ) Шашанов И.Р., Коваленко О.Ю. (Мордовский ГУ), Петрова Т.А. (МГУ), Алферова Л.К. (ВИЭСХ), которым автор выражает глубокую признательность.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
В главе излагаются материалы, указывающие пути увеличения с.-х. продукции посредством эффективного использования оптического излучения (ОИ) в различных областях АПК [1].
Составлена классификация источников ОЙ по сферам использования в сельском хозяйстве, включая освещение улиц, животноводческих комплексов, растений защищенного грунта, а также облучение животных, птицы и других объектов.
Практика применения оптических приборов зачастую выявляет несоответствие принципов, заложенных в конструкцию прибора и их использования. Так. например, бактерицидная РЛНД типа ДРБ-8, которой оснащались бытовые воздухоочистители, предполагалась озонообразующей, т.е. должна иметь в спектре излучения длину волны /, = 185нм- В процессе производства на СПО «Светотехника» кварцевую оболочку постепенно заменили увиоле-вой, пропускающей излучение с к > 254нм, которое не только не инициирует образование озона, но и активно разрушает его. При использовании ламп ДРБ-8 в вытяжных устройствах стекло, установленное перед ней, не пропускает ультрафиолетовое излучение (УФИ), в результате чего эксплуатация данных ОбУ становиться бессмысленной.
Другим примером является замена в домашних светоловушках, выпускаемых ВЗГРЛ, люминесцентных ламп, содержащих в спектре излучения к = 365нм, на традиционные осветительные ламгш, что свело на нет эффект уничтожения насекомых.
Облучатели «СОРТ-6000» с ксеноновыми лампами (АООТ «Зенит»), считающиеся тепличными, сжигали растения зашищенного грунта [2 ]
В существующих условиях становления рыночной экономики при возрастающих тарифах на электроэнергию необходимо пересмотреть сферы использования существующей осветительно-облучательной техники и возможности прямой замены, отдельных ее элементов, а также введения электроуст-
ройств и приспособлений, способствующих экономии трудовых и энергетических ресурсов.
Обеспечение конкурентоспособной с.-х. продукции может быть достигнуто путем увеличения эффективности технологий ОИ, например, путем использования неприменяемых ранее физических закономерностей и реализации их в оптических приборах.
Установки наружного и внешнего освещения в сельском хозяйстве
Широкое распространение в ОсУ наружного освещения получили РЛВД типа ДРЛ (рис. 1.3, Прил. 2 и рис. 2.5), вытеснив лампы накаливания. Дуговые ртутные лампы типа ДРЛ выпускаются по обширной номенклатуре единичных мощностей от 50 до 1000 Вт, включаются в сеть Uc = 220В без дополнительных зажигающих устройств (ЗУ), светоотдача 65 лм/Вт, цветность ламп неудовлетворительная (Тцв = 3834 К), Ra = 42 за счет недостатка излучения в красной области спектра, при Х, = 600...760нм. Для наружного освещения используются, в основном, 4-х электродные ДРЛ-250 и -400 в светильниках и прожекторах типа РКУ-125, -250, -400, РСУ-250, -400, РСП08-250, СЗРП-250.
Лучшую цветопередачу обеспечивают металлогалогенные и натриевые лампы, гсв J = 80...90 и 120... 140 лм/Вт, Тш = 6300 и 2100 К, соответственно, рис. 1.3. Выпускаются по номенклатуре единичных мощностешдля МГЛ — 175, -250, -400, -700, -1000, -2000, -3000 и - 6000 Вт; для ДНаТ -70, -125, -250, -400 Вт и имеют срок службы 10.. .20 тыс. ч (рис. 1.8. а,б; табл. 1.2, Прил. 2 )
Для открытых пространств выпускаются светильники и прожекторы с лампами ДРИ типа ГСП18 мощностью 250, 400, 700 и 2000 Вт, ГКУ05--250, 400 Вт, ПЗИ-70, ПГП-М и ПГЦ-М-1000, 2000, 3500 ВТ. Светильники с ДРИ и ДНаТ хорошо подходят для освещения больших открытых пространств, ж/д станций, трансформаторных подстанций, центральных усадеб, приусадебных участков, дворов, крупных помещений с.-х. производства [37],
Для улиц категорий «Б» и «В» с уровнем нормируемой яркости 0,4...0,8 кд/м2 целесообразно использовать ДНаТ в светильниках типа ЖКУ-08-150, потребность на которые составляет 25 % от всего выпуска, а годовая экономия 350 кВт-ч по сравнению с РКУ-250.
Перспективные высокоэффективные источники излучения типа ДНаТ нашли самое широкое применение в наружном освещении с.-х. производства благодаря малым размерам, высокой светоотдаче и удовлетворительной для уличного освещения цветопередаче.
Крупный недостаток МГЛ заключается в высоком напряжении зажигания и перезажигания изаж Uc; Unep Uc при любой t0Kp.cp.
Параметры основных типов РЛВД приведены в табл. 1.1. и 1.4 Прил. 2.Необходимость использования дорогостоящих ЗУ снижает эффективность всей ОсУ и создает проблемы в эксплуатации и технике безопасности.
Зажигание ламп типа ДРЛ от Uc = 220 В без дополнительных ЗУ при t0Kp.cP. -25 С (зажигание ламп) так же становится затруднительным, вследствие перехода паров Hg в твердую фазу. Поскольку: UJiDK Аг 220 В \JliDK (Ах + Hg). Хотя решением проблемы расширения температурного диапазона работы ламп типа ДРЛ, весьма важной для районов Севера и зимних условий цен тральной полосы, заняты исследователи и разработчики различных стран (Россия, США, Япония, ФРГ и др.), в настоящее время требуемых результатов с точки зрения стабильности характеристик, технологичности, удобства эксплуатации не получено [14,35],
Качественные отечественные ЗУ разрабатывались М.Н. Клыковым, О.Н. Логуновой, М.А. Мхитаровым, А.Е. Краснопольским и серийно выпускались в городах Лиде (Белоруссия), Кадошкино (Мордовия) [18...21]- В настоящий момент рынок заполнен изделиями мелких фирм и импортными (Китай, Германия и др.).
Для освещения животноводческих помещений, как показал анализ типовых проектов Мосгипронисельстроя и Гипронисельхоза после 1980 г., используются ОсУ на базе светильников типа ГШД, ППР, ИСП с ЛН и ЛСП-15, ПВЛ (2 40) на базе ЛЛ.
Хотя при освещении птичников ЛН эффективны в силу низкого уровня нормированной освещенности Ен и простоты регулирования светового потока Фсв, в животноводческих помещениях они мало пригодны вследствие низкой светоотдачи (10...20 лм/Вт) и малого срока службы т равного 1000 ч.
ЛЛ при меньшем в 5...7 раз потреблении энергии и 10... 15 раз большем т, с лучшим спектральным составом, по сравнению с ЛН, при работе в ОсУ коровника обладают существенными недостатками: более сложной схемой включения, пульсацией Фсв, малой единичной мощностью, зависимостью параметров от условий окружающей среды, меньшей надежностью работы, опасностью боя ламп с загрязнением окружающей среды, большими капитальными затратами (КЗ) на ОсУ.
Многие недостатки ЛЛ можно устранить применением РЛВД, обладающих лучшими световыми, эксплуатационными и экологическими показателями. Увеличения эффективности ОсУ можно достичь применением маломощных ДРЛ, МГЛ и ДНаТ с большой световой отдачей - 40, 76, 100 лм/Вт, соответственно. Это стало возможным по мере развития светотехнической промышленности в сторону расширения номенклатуры единичных мощностей РЛВД типа ДРЛ, ДРИ, ДНаТ.
Однако, высокое напряжение зажигания (U3ax » Uc) ДРИ и ДНаТ требует для включения ламп дополнительных ЗУ, что существенно удорожает ОсУ, ухудшает их эксплуатацию и ТБ в животноводческих помещениях.
При проектировании ОсУ необходимо учитывать долю ЕО.В животноводческих помещениях согласно НТП-СХ-1-72 ЕО нормируется по отношению кплощади пола (S0K / Sn). Коэффициент естественного освещения КЕО - есть отношение освещённости- внутри помещения к внешней. В глубине помещений затемнение оборудованием, корпусами животных и др. снижает КЕО в несколько раз, что даже при нормируемой искусственной освещённости приводит к потерям молока до 30 тыс. л в год - в коровнике на 400 голов, а в ширсхогабаритных - до 60 тыс. л в год [4S...54].
Одно искусственное освещение (ИО) даже при уровнях освещённости Е = 100 лк даёт меньший биохимический эффект, чем ЕО с добавкой ИО. Это учитывается при строительстве сельскохозяйственных объектов в различных светоклиматических зонах. Так в Англии и Бельгии строят коровники с верхними ЕО, в Голландии вдоль конька крыши делают аэрационные проёмы - «фонари», в Италии, Франции, Швеции - оконные проёмы 8 ... 20 м. В Германии, Польше, Чехии предпочитают небольшие коровники с боковым двухсторонним ЕО. В США распространён пастбищный способ содержания КРС в загонах1 с беспривязным содержанием. В России используется беспривязное, привязное, беспривязно-боксовое содержание животных при смешанном (ЕО + ИО) освещении. Учет ЕО отражён в табл. 1.2. [45 ...48]
В работах как отечественных так и зарубежных ученых отмечается положительное влияние повышенного уровня освещенности и длительности светового дня на биообъекты. Можно рекомендовать для поголовья КРС, предназначенного к воспроизводству, Ен = 100... 150 лк при световой экспозиции 14... 16 (18) ч/сут; для откормочного—75 лк в зависимости от породы скота [49,51,55,56,].
Продолжительность светового периода 6 ч. и 20 ч в сутки отрицательно влияет на половое созревание, резистентность и сохранность молодняка КРС [50, 52]. В США при увеличении Е и tCB среднесуточные удои увеличились на 10% за 60 дней опыта при Е = 120...200 лк в течение 16 ч удой составил 33,5 литра молока, а в контроле только 30,5 литра при Е = 40...90 лк и tce = 9... 12 ч/сут. В Германии используют Ен = 100 лк при tCB = 14... 16 ч/сут (ЛЛ)[ 4...50].
Теоретические основы воздействия УФИ на биообъекты
Ультрафиолетовое облучение биологических объектов есть системный метод, обеспечивающий необходимое качество выполнения технологических операций при снижении потерь производимой продукции. Такой процесс можно представить обобщенной функциональной схемой:
В процессе обмена энергией источника УФИ с биообъектом основными информационными характеристиками являются: энергия W как интеграл мощности (потока) излучения Фе от времени t; мощность (поток) излучения, как интеграл от поверхностной плотности потока излучения М (освещенности, облученности, Е) по поверхности. Данные характеристики являются обобщенными для УФ, световой и ИК областей спектра (табл. 1.4)
За основной влияющий фактор, определяющий спектральную чувствительность биообъекта на действие излучения примем уровень поверхностной плотности потока излучения (освещенности). Все остальные влияющие факторы отнесем к помехам.
Таким образом, между качественными признаками, характеристиками и параметрами биотехнических объектов наблюдается взаимосвязь, которую можно представить единой аналитической функцией. На этом основании созданы теории подобия, позволяющие идентифицировать различные физические процессы путем представления их в безразмерных относительныхединицах.
Рассмотренная на рис. 1.4. кривая спектральной чувствительности организма для образования эритемы кожи (кривая 2), первоначально полученная М. Лекишем и Л. Холдеем [161], имела 2-й максимум в бактерициднойобласти, которую затем отбросили по причине вредного воздействия [162]. А. Майером и Э.Зейтцем [163] были получены кривые эритемной эффективности для различных уровней облученности, приведенные на рис. 2.14, которые свидетельствуют, что кривые спектральной чувствительности зависятот уровня Е. Так при низких уровнях облученности на эритему биообъекта эффективное воздействие оказывает КУФИ, X =254 нм. При средней облученности степень эритемы от ДУФИ и КУФИ равны. При высоких же уровнях облученности воздействие КУФИ на образование эритемы пропадает. Это показывает, что зависимость К}= f(k), представленная рис. 1.4 описывает лишь частный случай.
Механизм этого явления можно проследить с позиции внутриклеточных энергетических процессов (рис.2.15) [132,157,158,161],Излучение, несущее энергию Е попадает в поглощающую среду - мембрану клетки. Энергия квантов пропорциональна частоте электромагнитного поля Е = nhv. Создается трансмембранный протонный градиент, который служит источником энергии для разнообразных процессов, происходящих в клетке. При малых дозах КУФИ помогает наращивать градиент, помогая ДУФИ. Однако с ростом уровня облученности КУФ перестаёт способствовать (полезным преобразованиям в клетке. Рис. 2.15. Модель, поясняющая определение дозы энергии: 1- активный транспорт через мембрану; 2 - синтез АТР; 3 - вращение бактериального жгутика
Таким образом, при низких уровнях облученности область УФИ - «С» оказывает сильное действие на образование эритемы, а при высоких - это влияние исчезает, и воздействует только эритемное УФИ.
Аналитическое выражение для расчета эритемной дозы облучения биообъекта:где /А)- спектральная плотность излучения, Вт, К(Д.)- спектральная чувствительностьобъекта, S - площадь облучаемого объекта, м2.
В диссертации ставится задача, сохраняя качественный вид характеристик спектральной чувствительности, подобрать для них аналитические зависимости, позволяющие устанавливать связи S = f (А., Е, t ) Е (к, Т, t ); р (к, Т, t) и тд., с наилучшей точностью и наименьшей погрешностью.
Аппроксимируя функции ф (у), К (у) на промежутке [0, у] рис.2.14 и 3.14 квадратичными полиномами:
Полином соответствует дозе профилактического облучения при высокой облученности объекта (Рис.2.14, кр.З). Расчетные значения коэффициентов ао, а,, а2, b0. bi, Ь2 и даны в Прил. 2. Для средней и пороговой эритемы можно взять другое сужение, например, [с , d ].
Более точное описание зависимости относительной эритемной эффективности от длины волны выражается большим числом членов полинома.
В общем виде выражения (2.13) и (2.14) для одной кривой ( при Е=Е1) можно записать как:Задавая различные значения і, можно описать разные кривые для каждой конкретной ситуации.
При учете степени эритемы выражение (2.17) усложняется и принимает вид:2-х Представив спектральную параметрическую S биообъекта как функцию 2-хпеременных ср(Д,Е) можно построить двух переменную зависимость, из которойвыявить S=f(E) для различных длин волн УФИ:
Расчет и реализация рациональной системы освещения в животноводческих помещениях
При освещении помещений для КРС совхоза «Ачкасово» и колхоза «Победа» МО нами были решены задачи по разработке и внедрению новых систем освещения и облучение на основе высокоинтенсивных маломощных источников ОИ включая САУ, обеспечивающие; рациональное использование электроэнергии, а также создания оперативных инженерных методов расчета для использования в различных животноводческих помещениях.
Монтаж экспериментальных светотехнических установок с последующим внедрением проводился нами с 1988 по 1993 г. на Госплемзаводе «Ачкасово» и в колхозе «Победа» Московской области.
Типовые коровники (801-275, 801-314,-15) на 200 голов привязного содержания площадью (21 X 78) м , высотой 3 м и ленточными окнами высотой 1,2 м на расстоянии 1,2 м от пола. Стойла коровника расположены в 4 ряда. Между двумя центральными рядами находятся кормопроходы шириной 2,5 м, между боковыми рядами и стеной - навозные проходы - 1,77 м, со скребковыми транспортерами ТСН-150.
В исследуемых коровниках концентрация аммиака не превышала 20 мг/м3, сероводорода-10 мг/м3, углекислого газа -0,25 %, температура воздуха - 24С, относительная влажность -90 %.
Коровы холмогорской породы, дойные, во второй половине лактации.Технологическая операция - доение - осуществляется 2 раза в сутки: в 5 ч и 20 ч, со сбором молока в общий молокопровод ДРМ-8А-1. Поение скота проводится из индивидуальных автопоилок ПА-1 А на 2 стойла. Раздача кормов происходит 2 раза в сутки: в 8 ч 30 мин и 20 ч 30 мин мобильным кормораздатчиком КТУЛ и ручными тележками марки ТУ-300. Распорядок дня и рацион кормления на осенне-зимний период приведены в табл. 3. и 3. Прил. 3.
Освещение естественное с добавкой искусственного в утренние и вечерние часы для обеспечения световой экспозиции 16 ч в сутки, что осуществлялось с помощью 2-х программного реле времени 2РВМ.
Точечным методом были рассчитаны наивыгоднейшие варианты ОУ для различных типов РЛВД (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ), которые затем сравнивались между собой.По условию минимальных приведенных затрат мощность РЛВД выбиралась возможно большей, ограничиваясь высотой помещения (hp 3 м) и КСС (типа Д). Верхний предел мощности газоразрядных ламп в проведенных расчетах составляет: для ДНаТ - 100 Вт при hp = 2,7 м, а для ДРЛ - 250 Вт при hp = 2,8 м для светильников с КСС типа ШЗ. Но светильники с КСС типа Ш имеют малый защитный угол у и, кроме того, в исполнении, пригодном для с.-х. помещений не выпускаются. Применение КСС типа «Д», оптимальной для с.-х. светильников, требует уменьшения Р., с соответствующим увеличением их числа.
Для получения достоверных результатов по влиянию различного типа і РЛВД на продуктивные показатели животных сравниваемые лампы должныиметь равные световые потоки и работать в одинаковых облучателях. Из промышленной номенклатуры единичных мощностей этим условиям соответствуют РЛВД типа ДРЛ-125 и ДНаТ-70, Ф., = 5400 лм и 5800 лм, соответственно.
Лампы типа ДРЛ были куплены на СПО «Светотехника». Поскольку ДНаТ на момент эксперимента не выпускались, то были взяты опытные образцы из разных мест: ВНИСИ, АКХ, Полтавского завода РЛ. Параметры этих ламп имели большой разброс и большой процент брака. Не выпускались серийно также светильники на базе РЛВД для животноводческих помещений. Нами были использованы тепличные бытовые облучатели типа РСП 26-125-001, производства Кадошкинского электрозавода с параметрами: КПД = 70%, степень защиты 54, климатическое исполнение У5, группа Ml. КСС в каталоге КЭТЗ указана как «специальная», в справочной литературе [215]- тип Д, взятый нами для расчета (рис 3.31).
Для уточнения типа КСС нами было измерено распределение освещенности под светильниками (рис. 3.31) и по нему рассчитан тип КСС - Г, близкий Д2 при hp = 2,5 и 2,7 м (см. табл. 3.10).Это согласуется с данными [212], приведенными на том же рисунке для hp = 2 и 2,3 м, полученными независимо от наших. В соответствии с техническими требованиями нами предложен и изготовлен на Марокликском светотехническом заводе (Армения) светильник для ртутно-натриевых ламп ВД, представленный на рис. 3.34.
Светильник имеет коэффициент отражения 0,85 благодаря использованию тонконагартованного А1 толщиной 0,4...0,5 мм (1). Выдвигающееся съемное стекло (2) удобно для чистки и замены. В варианте с ДНаТ в целях уменьшения светимости от горелки лампы съемное стекло может быть матовым, либо рифленым. КСС светильника Д1, вес 5 кг, исполнение ІР54, ин На фермах КРС, где согласно рис. 3.36 ЕО в центральных рядах намного меньше, чем І в крайних, целесообразно использование источников излучения разности мощности и при разной высоте подвеса. Например, в коровнике с 3-х рядным расположением светильников в центральном ряду hp] = 4м в боковых рядах Ьр=2.8м- формула (3.27) приобретает вид (3.28).
Если не выполняется условие 0,9 Ен Е 1,2 Ен, то отсчет проводится заново. Необходимо изменить один или несколько параметров: Фсв, hp, 1 и т.Полученные зависимости дают возможность проводить расчет уровней Е и Фсв точечным методом на ЭВМ для оценки большого количества вариантов ОсУ.
Программы и результаты расчетов на ЭВМ для определения освещенности в коровнике под ОсУ на базе светильников одинаковых и различных мощностей представлены в табл. 3.11 и Прил.З.
Анализ результатов расчетов свидетельствует, что при имеющемся в коровнике совхоза расположении светильников невозможно обеспечить равномерное освещение и нормированную освещенность.Наиболее близкие значения освещенности получены при светильниках разной мощности: для ДНаТ-70 - при высоте подвеса в боковых рядах - 28 м и ДНаТ-150 при hp = 4 м в центральных рядах Е = 87 лк.
Для ДРЛ-125 в боковых рядах при hp = 2,8 м в центральном ряду при hp = 4 м, Е = 77,6 лк. Эти значения освещенности существенно отличаются от Ен. В боковых рядах положение спасает добавка ЕО. В центральном остается недостаточная освещенность. Это говорит о том, что при монтаже ОсУ необходима ее корректировка.
Этологические эксперименты по возведению облучателей усиленного биологического действия на мясную продуктивность
Для полноценного облучения животных необходимо наличие всего спектратьного диапазона УФИ, включая бактерицидное.
В используемых в животноводстве и птицеводстве лампах ЛЭ бактерицидная составляющая отсутствует, а в ДРТ, наоборот, превалирует и действует на организм угнетающе.
В модификации РЛВД типа ДРТ с легирующим слоем (ДРП) ослабляется Фбк, но при этом снижается КПД лампы. Перераспределение потока излучения из области спектра «С» в «В» путем нанесения эритемного люминофора на внутреннюю поверхность ДРТ технологически невозможно из-за осыпания люминофора с кварцевой колбы и потери его свойств при высокотемпературной обработке. Комбинация эритемньгх и бактерицидных ламп в одной ОБУ ведет к увеличению KB, а в одном светильнике - к неудобству регулирования Фэр и Фбк - Кроме того, требуется дополнительное обеззараживание воздуха, например, лампами ДРТ.
Эритемно-бактерицидные облучатели объединяют в одном источнике УФИ функции усиления биологически полезного действия на объект, возможности регулирования потока, а также обеззараживания окружающей среды. Поскольку применение подвижных ОбУ на базе ламп ДРТ в хозяйствах ограничено, основные исследования были направлены нами на увеличение биологической эффективности установок на базе ЛЭ, широко используемых при УФО молодняка животных и птицы. С целью проверки теоретических положений о более эффективном воздействии смешанного эритемно-бактерицидного излучения на живот ных по сравнению с эритемным излучением в совхозе «Россия» при уча стии сотрудников МГУ была испытана разработанная нами эксперимен тальная ОбУ [233](см. гл. 3). Контроль показателей, продуктивности юсу ществляли этологическими и зоологическими методами Таблица свидетельствует, что привес телят в опытной группе 1, облученной эритемно-бактерицидным потоком на 10 % выше, чем в группе 2 -эритемным и на 17,5 % выше, чем в контроле (без облучения). При этом животные 1 группы (эр. - бакт.) отличались более гладким и густым шерстным покровом, блеском глаз, имели хороший аппетит, подвижность. Об этом свидетельствовали хорошие показатели заборов крОви, взятой в начале и в конце опыта. Расчеты на ЭВМ показали наличие положительных корреляционных связей между привесами и линейными показателями охвата груди теленка. Эксперименты, проведенные нами совместно с сотрудниками ГСХИ в колхозах «Победа» Московской области и «60 лет СССР» Горьковской области, показали, что при эритемно-бактерицидном облучении телята полу чают требуемую дозу за почти вдвое меньшее время, чем при эритемном облучении лампами равной мощности [218]либо при том же времени облучения потребуется вдвое меньшее количество облучателей. Действительно, при требуемой продолжительности работы ОбУ: где Дэ - доза облучения животного, (мэр ч / м"). Можно оставить то же число ламп как в случае эритемного облучения, понизив их мощность с 30 до 18 Вт. Таким образом, проведенные опыты свидетельствуют, что эритемно-бактерицидные лампы обеспечивают более эффективное профилактическое и лечебное УФО, по сравнению с традиционными источниками. В колхозе «Родина» в зимне-весенний период с февраля по март 1996... 1997 г.г. проводились эксперименты по УФО телят лампами смешанного излучения с целью выявления необходимого соотношения эритемного и бактерицидного потоков с выраженным влиянием на продуктивность и поведение молодняка КРС. На откормочном комплексе были сформированы 5 групп по 7... 10 бычков-аналогов, находящихся в равных условиях микроклимата и кормления. Облучение каждой группы осуществлялось 2-мя облучателями типа Э01-ЗОМ с источниками УФИ, отличающимися соотношением эритемного и бактерицидного потоков. Опыт I. Облучение эритемно-бактерицидными лампами ЛЭ-30, полностью покрытыми люминофором Фэр = 750 мэр, Фбак = 125 мбк. Опыт II Облучение эритемно-бактерицидной лампой с окном, очищенным от люминофора на 1/6 поверхности колбы. Фэр = 620 мэр, Фбак = 120 мбк. Опыт III. Облучение эритемно-бактерицидной лампой с окном, очищенным от люминофора на 1/3 поверхности колбы. Фэр = 50 мэр, ФбК = 2400 мбк. Опыт IV. Облучение эритемно-бактерицидной лампой с окном, очищенным от люминофора на 1/2 поверхности колбы. Фэр = 370 мэр, Ф к= 3600 мбк. Опыт V. Контроль, (УФО не было). Соотношения Фэр и Фбк при указанных окнах приведены в табл. 4.13. Режимы УФО брались по рекомендациям группы Горьковского СХИ участвующей в наших экспериментах. УФО дозой 130 мэр/м" подавалось автоматически через реле времени типа 2РВМ в течение 45 минут с интервалами 4...5 ч в течение дня. Осуществлялось ежемесячное наблюдение и взвешивание бычков. По суммарным реакциям (суммы животных) каждый час фиксировались цифровые индексы, приведенные в табл. 4.13. Табл. 4.13 свидетельствует, что эритемное облучение привело к росту привесов в апреле, т.е. через месяц работы ОУ и сохранялось на протяжении всего опыта. К концу эксперимента превышение живой массы телят от эритемного облучения улучшило показатели контроля примерно на 3,5 %. При эритемно-бактерицидном облучении животных с возрастающей долей бактерицидного потока в эритемно-бактерицидных лампах с очищенными от люминофора участками на 1/6, 1/3 и 1/2 поверхности трубки, превышение массы составило 10, 9, 4 и 3% соответственно. Поскольку в технологии выращивания молодняка обычно в совокупности с УФИ используются ПК обогрев, интересно выяснить биологическую эффективность при добавке его к смешанному эритемно-бактерицидному излучению. Поэтому в колхозе «Победа были проведены опыты по сравнению воздействия на привес телят комбинированных излучений: эритемного + ПК (гр.1), эритемно-бактерицидного (гр.2 и 3), по сравнению с контролем 1 и 2 (1 - только эритемное УФО и 2 - без облучения).
