Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с Федеральным Законом «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г., а также Распоряжением Правительства РФ «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» № 1234-р от 28 августа 2003, для обеспечения роста экономики и повышения качества жизни населения страны необходимо максимально эффективно использовать её энергетические ресурсы. Одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии» является высокая значимость снижения удельных затрат на использование энергетических ресурсов путём рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования.
Агропромышленный комплекс (АПК) Российской Федерации (РФ) является одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов, в том числе электрической энергии, которая часто используется нерационально. Данное явление обусловлено множеством факторов, одним из которых является завышенная энергоемкость различных технологических процессов, в том числе, весьма значимого в растениеводстве процесса – увлажнения вентиляционного потока (ВП) в картофеле- и овощехранилищах с активным вентилированием продукта.
Энергоёмкость процесса увлажнения ВП, главным образом, зависит от применяемого оборудования для получения увлажнительного агента (УА). Как правило, для генерирования УА применяют аппараты трёх типов: механические распылители жидкости (дисковые или ротационные), паровые увлажнители (парогенераторы) и испарительные («сотовые») увлажнители. Каждый из перечисленных типов аппаратов имеет свои достоинства, однако общим недостатком их применения является повышенная энергоёмкость процесса увлажнения.
В результате анализа существующих методов увлажнения воздуха и средств реализации данного процесса выявлено, что ВП целесообразно увлажнять аэрозолем, полученным иным, принципиально отличным от вышерассмотренных, способом – с помощью ультразвуковых (УЗ) колебаний, в частности, распылением воды в «УЗ фонтане». Данный способ получения УА имеет сравнительно низкую энергоёмкость, что обуславливает актуальность разработки увлажнительных аппаратов, работающих на данном принципе, применительно к системам увлажнения (СУ) хранилищ. Генерируемый таким образом УА представляет собой высокодисперсный водный аэрозоль (туман), который обладает высокой скоростью испарения в ВП, благодаря чему высокоэффективен и безопасен для хранящегося продукта. В этой связи потери массы от болезней, спровоцированных контактом капельножидкого увлажнительного агента с поверхностью продукта, исключены. УЗ распылители-увлажнители (УЗР-У), адаптированные для работы в условиях хранилищ, могут являться
не только альтернативой существующим средствам увлажнения ВП, но и их достойной заменой как более экономичные и технологичные.
Целью работы является снижение энергоёмкости процесса хранения картофеля, уменьшение риска потерь массы продукта путем разработки способа увлажнения вентиляционного потока, основанного на принципе ультразвукового распыления воды.
Задачи исследования:
- проанализировать существующие методы и средства увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах и определить основные факторы, влияющие на энергоемкость процесса увлажнения;
- выявить физический механизм процесса распыления воды в «УЗ фонтане» и обосновать возможность и целесообразность применения в картофелехранилищах такого способа;
- разработать математическую модель процесса увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем, позволяющую выявить оптимальные параметры работы аппарата;
- обосновать технико-технологические параметры ультразвукового распылителя-увлажнителя;
- разработать конструкцию ультразвукового распылителя-увлажнителя для картофелехранилищ и изготовить его опытный образец;
- экспериментально исследовать процесс увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем;
- разработать методику инженерного расчета системы увлажнения картофелехранилища, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем.
Объект исследования. Процесс увлажнения вентиляционного потока в хранилищах и технические средства для его реализации.
Предмет исследования. Определение оптимальных технических и технологических параметров ультразвукового распылителя-увлажнителя.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснован способ увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах с помощью ультразвукового распылителя-увлажнителя;
- разработана математическая модель, описывающая процесс увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем применительно к условиям хранилищ;
- разработана конструкция ультразвукового распылителя-увлажнителя для систем увлажнения картофелехранилищ, новизна которой подтверждена патентом РФ;
- установлены аналитические зависимости для определения энергоёмкости системы увлажнения, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем.
Практическая ценность работы. Изготовлен опытный образец ультразвукового распылителя-увлажнителя для эксплуатации в условиях картофелехранилищ в качестве источника высокоэффективного увлажнительного агента. Благодаря низкой энергоемкости, аппарат представляет собой элемент энергосберегающих электротехнологий. Генерируемый УА (туман) является безопасным, т.к. в силу быстрого испарения не способен достигнуть в виде капель хранящегося продукта; тем самым, исключается дополнительное провоцирование болезней продукта, и связанная с этим потеря массы.
Аппарат может использоваться как в качестве источника увлажнительного агента, так и в качестве генератора аэрозоля из водных растворов фунгицидов, регуляторов роста и иных агрохимикатов, используемых в хранилищах; может применяться в медицине и быту для увлажнения воздуха и дезинфекции помещений.
Разработанная методика расчёта системы увлажнения может быть применима как для картофелехранилищ, так и для хранилищ другой сочной с.-х. продукции, в которых организовано активное вентилирование.
Предложена методика оценки экономической эффективности использования ультразвуковых распылителей-увлажнителей в качестве источников увлажнительного агента в системах увлажнения картофелехранилищ.
Реализация результатов исследований. Опытный образец УЗР-У внедрен в технологический процесс хранения продовольственного картофеля в ЗАО «Культура-Агро» Ленинградской области, что подтверждается соответствующим актом. Ожидаемый экономический эффект от внедрения УЗР-У составляет порядка 84000 руб/год.
Разработан и внедрен в учебный процесс кафедры ЭОП в АПК энергетического факультета СПбГАУ экспериментальный стенд, содержащий УЗР-У и применяемый в качестве лабораторной установки в курсе изучения энергосберегающих электротехнологий в АПК.
Материалы исследования УЗР-У отражены в опубликованных методических указаниях и лабораторном практикуме, которые также используются в процессе обучения студентов специальностей 110302.65., 140106.65.
Основные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель и результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем;
- аналитические зависимости для определения энергоёмкости системы увлажнения, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем;
- методы расчета системы увлажнения картофелехранилища, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях ФГОУ ВПО СПбГАУ на секциях энергетического (2007 – 2009 г.г.) и инженерно-технологического (2006 – 2008 г.г.) факультетов. Основные тезисы работы представлены в программе международного агропромышленного конгресса «Роль автономных энергетических и инженерных систем в устойчивом развитии сельских территорий» («АГРОРУСЬ – 2008», Санкт-Петербург, ВЦ «Ленэкспо», 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных научных работ, в том числе 1 монография, 3 научных статьи (2 из которых – в рецензируемых ВАК журналах), патент РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа выполнена на 156 страницах машинописного текста, содержит 31 иллюстрацию, 8 таблиц, приложения; библиографический список включает в себя 163 наименования, в том числе 9 на иностранных языках.
