Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Обзор тепловых режимов инкубации и систем управления инкубатора
1.1 Обзор температурных режимов инкубации яиц сельскохозяйственных птиц, соответствующих систем управления и автоматических устройств для промышленных инкубаторов, пути их совершенствования 11
1.2 Инкубатор, как объект автоматизации, его основные характеристики и устройства 55
1.3 Постановка задач исследования 59
ГЛАВА ВТОРАЯ. Контрольно измерительная и исследовательская аппаратура для изучения яиц сельскохозяйственных птиц как тепловых объектов инкубации.
2.1. Технические методы уменьшения погрешностей термопреобразователя 61
2.2. Разработка лабораторного стенда для исследования теплоинерционных свойств куриных яиц 74
2.3. Оценка методической погрешности измерения внутрияйцевой температуры 88
2.4. Экспериментальное исследование изменения поверхностной и внутрияйцевой температуры при перекатывании яйца птицей наседкой 94
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Тепловые динамические модели яйца и инкубационного шкафа
3.1 Математическое моделирование нестационарного температурного поля яйца в процессах его инкубации 100
3.2 Тепловые динамические модели объекта инкубации 105
3.3 Моделирование тепловых процессов в инкубаторе 111
3.4 Обобщенная тепловая модель инкубатора как объекта управления... 123
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Система управления термоконтрастным режимом инкубации .
4.1 Расчет устойчивости автоматической системы регулирования температуры воздуха в инкубационном шкафу и определение показателей качества переходного процесса в системе 131
4.2 Определение вида переходного процесса в системе регулирования температурного режима инкубатора и повышение качества регулирования 140
4.3 Система управления температурным режимом инкубации на базе программного задатчика. Основные требования к программному задатчику, реализующему режим инкубации, близкий к естественному.. 145
Выводы 150
Список литературы 154
- Обзор температурных режимов инкубации яиц сельскохозяйственных птиц, соответствующих систем управления и автоматических устройств для промышленных инкубаторов, пути их совершенствования
- Инкубатор, как объект автоматизации, его основные характеристики и устройства
- Разработка лабораторного стенда для исследования теплоинерционных свойств куриных яиц
- Математическое моделирование нестационарного температурного поля яйца в процессах его инкубации
Введение к работе
Инкубация яиц сельскохозяйственной птицы относится к одному из наиболее эффективных направлений промышленной биотехнологии, позволяющему в короткие сроки и с минимальными экономическими затратами увеличить производство ценных пищевых продуктов. Для повышения воспроизводства птицы можно, как известно, использовать экстенсивный и интенсивный способы. Первый из них заключается в увеличении числа и емкости инкубаторов, а значит - общего количества одновременно инкубируемых яиц. Второй способ предполагает повышение результативности инкубирования, а именно, - увеличение выводимости яиц и жизнеспособности молодняка. Очевидно, что второй способ весьма перспективен, тем более, что его возможности ещё далеко не исчерпаны. Основанием для такого утверждения служат результаты сопоставления условий и эффективности насиживания яиц птицей-наседкой и искусственной инкубации. Так, при инкубации, которая характеризуется стабильным температурным режимом, нормируемая выводимость, например, куриных яиц составляет 80-90 %. Фактически же она часто находится на ещё более низком уровне для инкубационных яиц низкого качества (долгий срок хранения яиц, неправильный рацион несушки). В то же время насиживание обеспечивает почти стопроцентную выводимость даже таких яиц.
Столь существенное различие результатов насиживания и инкубации можно объяснить, видимо, тем, что в инкубаторе не воспроизводятся в полной мере те условия, которые определяют развитие эмбриона в гнезде. Инкубация, как известно, представляет собой комплекс многих взаимосвязанных биологических, физических и энергетических процессов, от интенсивности которых (каждого в отдельности и в совокупности) зависит её результативность. При насиживании выполнение таких действий как нагрев, охлаждение, вентиляция, увлажнение и перемещение яиц в гнезде, необходимых для выведения жизнеспособного молодняка, природа возложила на птицу-наседку,
которая за многовековой период довела эти операции до совершенства. При инкубации же эти процессы осуществляются в инкубаторе, который представляет собой биоэнерготехнологический аппарат, оснащённый специальными устройствами для автоматического обеспечения заданных температурного, влажностного, вентиляционного и механического режимов воздействия на инкубируемые яйца.
Анализ литературных данных и результаты проведенных исследований показали, что температурные режимы насиживания яиц птицей-наседкой и инкубирования неидентичные. Температура яиц при насиживании изменяется в сравнительно широких пределах, так как наседка переворачивает и перекатывает яйца, покидает гнездо для приёма пищи и дефекации. Поэтому температурный режим насиживания, в отличие от искусственной инкубации, является весьма термоконтрастным. В связи с этим автором была выдвинута гипотеза, что именно термоконтрастность температурного режима является одной из причин повышенной выводимости яиц при насиживании, и что между параметрами теплового воздействия на объект инкубации и результативностью этого процесса, существует определённая связь. Уже первые опыты по инкубации при термоконтрастном режиме подтвердили правомерность высказанной гипотезы и необходимость дальнейшего, более глубокого изучения эффекта термоконтрастности с целью повышения выводимости яиц и жизнеспособности молодняка сельскохозяйственной птицы.
В предлагаемой работе излагаются результаты аналитических и экспериментальных исследований, проведённых автором в лабораториях Московского Государственного Университета Прикладной Биотехнологии, Южно-Российского государственного технического и Донского государственного аграрного университетов, в Особом конструкторско-технологическом бюро "Старт", а также в производственных условиях - на БыстрянскоЙ и Шахтинской птицефабриках, инкубационно-птицеводческих станциях Морозовского района. Инициатором постановки таких исследований
был ныне покойный член Всемирной ассоциации птицеводов, доктор
сельскохозяйственных наук, профессор ДГАУ Эдуард Иосифович Дерлутян. Он
считал обязательным условием успешного решения этой проблемы творческое
сотрудничество птицеводов и специалистов в области технических наук.
Насколько велика роль чисто технических аспектов в технологии инкубации яиц
сельскохозяйственной птицы показано в монографии [70]. Из приведённых в
названной книге разносторонних сведений о влиянии энергетических,
аэродинамических, механических, биохимических и других факторов на
процесс инкубации наибольший интерес с точки зрения тематики
выполненных научных исследований представляют материалы о
температурных режимах инкубирования.
Следует отметить большое внимание, проявленный интерес и поддержку к проводимым исследованиям Министерства сельского хозяйства и продовольствия Ростовской области. Автор сознает, что приведённые ниже материалы не в полной мере решают рассматриваемую проблему. Поэтому все замечания по содержанию работы и предложения по дальнейшим (в том числе, возможно, и совместным) работам в этом направлении будут приняты с признательностью.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является повышение результативности инкубационных процессов путем создания специальных устройств управления, реализующих термоконтрастный режим инкубации.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи:
- Создать микропроцессорный комплекс контрольно-измерительных и регистрирующих устройств для изучения тепловых режимов яиц в гнезде наседки с целью получения оптимальных задающих температурных воздействий разрабатываемых устройств и системы управления термоконтрастным режимом инкубации.
- Получить оптимальные задающие температурные воздействия для
расчета и обоснованного выбора параметров разрабатываемых устройств и
систем управления термоконтрастным режимом инкубации.
Получить тепловую динамическую модель биологических объектов для разработки специальных устройств управления термоконтрастным режимом инкубации.
Разработать методику создания теплофизических моделей яиц сельскохозяйственных птиц для повышения качественных показателей управления термоконтрастным процессом инкубации.
-Получить тепловую динамическую модель объекта управления разрабатываемой системы автоматизации термоконтрастного режима инкубации.
-Разработать и создать специальные устройства для обеспечения термоконтрастного режима в инкубаторе.
-Сформулировать алгоритм управления технологическим процессом инкубирования микропроцессорным устройством для реализации термоконтрастного режима инкубации.
- Провести опытно-промышленные испытания разработанных устройств,
позволяющих обеспечить термоконтрастный режим инкубации.
Научная новизна исследования.
1. Предложена тепловая динамическая модель объектов инкубации,
учитывающая геометрические и теплофизические свойства
рассматриваемых объектов, а также краевые и граничные условия.
2. Предложена методика расчета основных параметров
теплофизических моделей (имитаторов) объектов инкубации,
обеспечивающая идентичность их динамических характеристик путем
изменения формы и размеров таких моделей с учетом условий теплообмена
исследуемого биологического объекта и его имитаторов.
Предложена новая методика косвенного измерения температуры в любой точке объекта инкубации по результатам измерения температурного поля на его поверхности.
Получена тепловая динамическая модель инкубационной машины, как объекта управления системы автоматизации термо контрасти о го режима инкубации, учитывающая показатель его загруженности яйцами.
Предложены новые устройства и способ их взаимодействия в системе управления термоконтрастным режимом инкубации, защищенные патентом РФ.
Практическая ценность работы.
обоснованы и уточнены параметры, а также вид тепловых воздействий при термоконтрастном режиме инкубации;
предложена методика расчета основных параметров специализированных устройств автоматики - теплофизических моделей (имитаторов) объектов инкубации;
-предложена новая методика косвенного измерения температуры в любой точке объекта инкубации по результатам измерения температурного поля на его поверхности;
- разработаны новые устройства и способ их взаимодействия в системе
управления термоконтрастным режимом инкубации, а также алгоритм
управления технологическим процессом инкубирования для реализации
термоконтрастного режима инкубации, позволяющие значительно повысить
экономические показатели инкубационного процесса;
Реализация и внедрение результатов исследований.
На основании выполненных исследований и предложенных технических решений внедрена и успешно работает система обеспечения термоконтрастного режима инкубации на следующих предприятиях птицеводческой промышленности:
- ЗАО «НИВА» Морозовского района Ростовской области (ИПС);
- КФХ «Гиденко» Морозовского района Ростовской области (ИПС);
Внедрение - с января 2004г;
Результаты работы подтверждены актами о внедрении. Вклад автора. Личный вклад автора состоял в:
- разработана тепловая динамическая модель объектов инкубации;
- предложена методика косвенного измерения температуры в любой
точке объекта инкубации по результатам измерения температурного поля на
его поверхности;
разработана тепловая динамическая модель инкубационной машины;
разработано устройство и способ его взаимодействия с системой управления термоконтрастным режимом инкубации.
Апробация работы.
Результаты разработок были апробированы на 3 конференциях различного уровня, в том числе на:
~ Ш-й Международной научной конференции "Новые
технологии управления движением технических объектов" (г. Новочеркасск, 2000 г.);
XVII-й Межрегиональной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (г. Кострома, 2004 г.);
V-й Международной научно-технических конференциях аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых" (Украина, г. Донецк, 2005 г.г.);
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 патент РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
использованной литературы из 125 наименований и приложения. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 25 ф таблиц.
*'
Обзор температурных режимов инкубации яиц сельскохозяйственных птиц, соответствующих систем управления и автоматических устройств для промышленных инкубаторов, пути их совершенствования
Многолетние исследования показали, что результаты инкубации зависят от взаимодействия организма с окружающей средой, в которой протекает развитие эмбриона. В генах закодирована информация в большей степени обуславливающая эмбриональное и постэмбриональное развитие птицы. На развитие эмбриона птицы оказывает значительное влияние целый ряд факторов внешней среды [35,90,110]. К ним относятся: температура, состав и влажность воздуха в инкубаторе, регулярный поворот лотков с яйцами. Кроме указанных основных факторов можно выделить также шум от лопастей вентилятора, давление, влияние магнитного поля, света, ультрафиолетовых лучей, лазерных источников и т.д. Однако большинство ученых главным показателем микроклимата пространства вокруг инкубируемых яиц и наиболее важным фактором, оказывающим решающее влияние на вывод и жизнеспособность молодняка сельскохозяйственных птиц считают температуру [57,66]. Доказательством их правоты служит тот факт, что терморегуляторные механизмы в яйце начинают функционировать достаточно эффективно только к 10-11 дням инкубации. До этого времени на повышение или понижение температуры эмбрион отвечает соответственно ускорением и замедлением развития, т.е. ведет себя как типично холоднокровный организм. Поэтому решающее влияние на выводимость яиц и жизнеспособность цыплят оказывает температурный режим инкубации. Результаты исследований этого влияния и рекомендуемые режимы приведены в многочисленных публикациях. Проведем обзор и анализ этих литературных источников [2,42,47,51,53,64,68,72,82,83,87,95,99,104,113,128,131,132].
Как показали исследования температурных режимов, зародыш начинает свое развитие при его нагревании до 35,6 - 39,7 С. С уровнем температуры воздуха связана продолжительность инкубации. Причем, в диапазоне 36,6-38,5 С, чем выше температура, тем короче срок инкубирования. В первую неделю инкубации яиц сельскохозяйственных птиц благоприятной считается среда несколько завышенной температуры. В последней трети инкубации необходим режим удаления излишков тепла, так как в этот период происходит усиленное образование тепла в яйце. Потребность в дополнительном обогреве электронагревателями резко сокращается, необходим усиленный отвод тепла из камеры и увеличение циркуляции воздуха. Однако особую роль на вывод цыплят играет перегрев яйца. Длительное повышение температуры до 41- 42 С уже в течение часа приводит к массовой гибели эмбрионов, а менее высокая температура - к низким выводам и потере жизнеспособности. Граница максимальной температуры значительно меньше отстоит от нормальной. Высший предел температуры для нормального развития куриного эмбриона составляет 39 С, а максимальная температура, при которой эмбрион может жить, но с нарушением нормального развития - 43 С.
Как показали результаты многолетних исследований с целью удаления излишков физиологического тепла, для избежания перегрева и для стимуляции обменных процессов в организме, в период инкубации яйца нуждаются в периодическом охлаждении. Длительность охлаждения воздуха в шкафу инкубатора до 18-22 С не должна превышать 10-15 мин. При этом известно, что сильное снижение температуры вызывает гибель эмбрионов. Целый ряд исследований посвящен вопросу о влиянии охлаждений яиц на различные стороны эмбрионального развития. А.Г. Машталер одним из первых предложил проводить глубокие охлаждения куриных яиц (при 0 С в течение 40—45 мин) и обнаружил, что они больше всего повышают про цент вывода цыплят, если проводить их 3 раза в течение инкубационного срока, а именно, на 5-6-й, 13-Й и 18-й дни инкубации. Автор установил, что после глубоких охлаждений увеличивается процент вывода цыплят на 10— 15 %. Широкое применение нашел так называемый, холодный метод инкубирования куриных яиц, применяемый в Китае. Основным в этом методе является охлаждение яиц с 1-го дня до конца инкубации по 2—4 раза в сутки при температуре около 20 С по 15—60 мин в зависимости от температуры в помещении для инкубации. Кроме того, температура яиц во 2-й половине инкубации постепенно снижается с 38.5 С до 37.0 С. Применение такого метода на Пекинской птицеферме на сотнях тысяч яиц дало 87—93 % вывода цыплят. Этот метод уже применялся с успехом на Кагальницкой ИПС Ростовской области при инкубировании куриных яиц.
Против охлаждений яиц выступал М.В. Орлов, предлагая заменить их дифференцированным режимом по периодам развития, как более биологически обусловленным. Автор большое значение придавал 4-му периоду (последние 5—6 дней инкубации), а оптимальным условием для развития в это время считал снижение температуры (но без охлаждений). Отрыганьев, в свою очередь, возражал против слишком большого дробления эмбрионального развития на периоды и установления различных условий инкубирования яиц соответственно им. Он считал необходимым различать всего лишь 2 периода: 1-й, когда яйцо требует интенсивного обогрева, и 2-й, когда в яйце имеется избыток тепла, которое необходимо устранить.
В современных исследованиях сотрудников ВНИТИП показано влияние дифференцированного температурного режима инкубации на последующее развитие цыплят. Результаты работы свидетельствуют, что температурный режим инкубации: 37,8 С в период с 1 по 11 сутки, 37,2 С - с 12 по 21 сутки по сравнению с контрольным: 37,6 С- с 1 по 18,5 суток, 37,2 С с 19 по 21 сутки способствует повышению выводимости яиц на 5,1 %, сохранности бройлеров на 2,3 %.
Инкубатор, как объект автоматизации, его основные характеристики и устройства
Объектом автоматизации для систем управления тепловыми режимами является промышленный инкубатор, который представляет собой био-энерготехнологический аппарат, оснащенный специальными устройствами для автоматического обеспечения заданных температурного, влажностного, вентиляционного и механического режимов воздействия на инкубируемые яйца [11,21,50,85,86]. А именно, каждый инкубатор имеет корпус-термостат, системы автоматического управления обогревом, увлажнением и вентиляцией воздуха, механизмом поворота лотков с инкубируемыми яйцами и другие общие элементы. Все инкубаторы классифицируются по ряду признаков: типу, назначению, вместимости и т.д. Инкубаторы имеют одну или несколько камер. По назначению камеры разделяют на инкубационные, выводные и комбинированные. В инкубационных камерах производится только инкубация яиц, т.е. развитие эмбриона до момента наклева скорлупы. В выводных же камерах завершается развитие эмбриона и происходит выведение молодняка. По способу обслуживания инкубаторы разделяются на шкафные и комнатные. В настоящее время в нашей стране и за рубежом наибольшее распространение получили инкубаторы шкафного типа. В перечисленных моделях инкубаторов автоматически поддерживается заданная стационарная температура, влажность воздуха, обеспечивается удаление отработавшего воздуха и подача свежего, поворот лотков с яйцами, а также установлена световая и звуковая сигнализация. Причем для различных типов инкубаторов предусмотрены различные модификации систем управления тепловыми режимами.
Следует отметить, что системы отопления и вентиляции играют первоочередную роль при инкубации [23,30,31]. Так, за рубежом в качестве исполнительного устройства системы управления температурным режимом инкубации наиболее широко используют газовые источники тепла с локальным и центральным отоплением. Простейшие типы газовых обогрева телей имеют газовую горелку, керамический отражатель и защитное устройство. Температура, в свою очередь, регулируется термостатом.
На крупных птицефабриках применяют более производительное оборудование. Например, в Нидерландах новую систему централизованного газового отопления разработала фирма ESPO. Наружный воздух накачивается насосом в трубы, идущие вдоль помещения, и нагревается газовыми горелками. Воздух и газы, образующиеся при сгорании, отводятся вакуумным насосом в отопительную систему. Указанная система отопления обеспечивает полное сгорание топлива, но требует точного соотношения подачи воздуха и газа.
В США, в свою очередь, фирма Chiles Power Sapply Inc. разработала систему Gro-Mat обогрева с помощью гибких пластиковых шлангов, по которым теплая вода подводится непосредственно к месту нахождения объектов инкубации. Перед подачей в систему распределения она подогревается в бойлере. В летнее время при высокой температуре в помещении система используется для охлаждения. Применение Gro-Mat позволяет снизить энергозатраты на 50 % отопление по сравнению с существующими системами обогрева.
В Великобритании фирма Maywick Ltd производит высокопроизводительные брудеры Titan и Maywick-K (новая модель), работающие на жидком пропане. Подача тепла регулируется вручную и автоматически. Новая модель работает с периодическим отключением газовой горелки. Это позволяет экономить до 50 % топлива.
Фирма Eric Walskam (Великобритания) выпускает газовые брудеры серии SBM с устройством, позволяющим регулировать выделение тепла по мере развития эмбрионов. Аппараты работают с вентиляторами Optimavent, что позволяет создавать оптимальную воздушную среду и экономно расходовать теплоту за счет смешивания теплого внутреннего воздуха с наружным.
Специалисты компании Microband Ltd (Великобритания) вместо газовых брудеров разработали новую систему обогрева на первые 2-3 недели инкубирования. Эта система состоит из электрических панелей, которые подвешивают к потолку здания. Подвесная система позволяет регулировать по высоте положение обогревателей по мере роста эмбрионов. Новое оборудование в течение года проходило испытание в бройлерном хозяйстве в Шотландии. Предварительные результаты испытаний оборудования показали, что новая система обогрева позволяет значительно снизить энергозатраты на обогрев по сравнению с обогревателями, работающими на сжиженном газе.
Отрицательное воздействие на выводимость и состояние полученного молодняка оказывают высокие летние температуры. Для снижения температуры применяют системы испарительного охлаждения. Среди них наиболее широкое применение получила система аэрозольного типа. Основным ее элементом являются комплекты форсунок, распыляющих воду в виде тумана.
Разработка лабораторного стенда для исследования теплоинерционных свойств куриных яиц
Для проектирования системы управления, описанной в главе 1, необходимо определить динамические характеристики яиц - объектов искусственной и естественной инкубации. Массогабаритные характеристики яиц, использованных в экспериментах приведены в табл. 2.2.1.
Специальный стенд для экспериментального изучения динамических свойств рассматриваемых биологических объектов должен удовлетворять ряду специальных требований. Прежде всего он должен обеспечивать возможность нанесения на исследуемый объект (яйцо) ступенчатого возмущающего воздействия. Такое воздействие должно сохраняться неизменным весь период снятия переходной характеристики объекта инкубации.
Получение динамических характеристик должно производиться на стенде при различных условиях теплообмена исследуемого объекта с окружающей средой (воздух), причем эти условия должны количественно оцениваться коэффициентом теплообмена а. Другими словами, в состав стенда должна входить специальная исследовательская аппаратура, позволяющая определять значение указанного выше коэффициента. Переходные характеристики (кривые разгона) необходимо автоматически регистрировать на диаграмме самопишущего прибора. Причем, скорость движения диаграммы должна
Экспериментальная установка для изучения теплофизических характеристик яиц сельскохозяйственной птицы при их естественной и искусственной инкубации.
1 - исследуемое яйцо; 2,6 - горячие и холодные спаи ТЭП градуировки ТМК (Т); 3 - угле графитовый нагреватель - тепловой имитатор птицы-наседки; 4,10,15 - ртутные термометры типа ТЛ-19; 5 -пенопластовый теплоизолирующий блок; 7 — лабораторный автотрансформатор типа ЛАТР1-1,2; 8 - нагревательный шкаф ШС-24; 9 -вентилятор типа ВВФ - 71М; 10 - жидкостный термометр расширения (тип ТЛ-7А); 11 - потенциометр типа КСП-4; 12 - источник тока типа Б5-21; 13 -переключатель; 14-вольтметртипаВ7-38; 16-амперметр типаM-I04. меняться в широких пределах и устанавливаться экспериментатором в зависимости от выбранных условий проводимого опыта.
С учетом вышеизложенных требований был разработан экспериментальный стенд, структура которого представлена на рисунке 2.2Л.
Рассмотрим более подробно состав данного стенда и назначение всех его элементов.
Исследуемое яйцо 1, находящееся в гнезде наседки, оснащается тремя термоэлектрическим преобразователями (ТЭП), холодные спаи 6 которых помещаются в воздушный термостат (теплоизолированный пенопластовый блок 5). Подключение ТЭП ко вторичным приборам (цифровые вольтметры 14 типа В7-38 или автоматический регистрирующий потенциометр КСП-4 (11)) производится с помощью переключателя 13. Тепловое воздействие, наносимое птицей-наседкой на инкубируемые яйца, имитируется эластичным нагревателем из углеграфитовой ткани 3, по которому пропускается постоянный ток от блока питания 12. Сила тока контролируется с помощью амперметра 16. Для непосредственного контроля за температурами холодных спаев ТЭП и теплового имитатора наседки используются лабораторные ртутные термометры 4 и 15 типа ТЛ-19. Расширительные колбы этих термометров соответственно размещены у холодных спаев ТЭП и закреплены на поверхности нагревателя 3.
Исследуемое яйцо также размещалось и в нагревательном шкафу (модель инкубатора) 8, перемешивание воздуха в котором обеспечивалось вентилятором 9. Выбор заданного уровня температуры воздуха в «инкубаторе» осуществлялся варьированием напряжения на его нагревательных элементах автотрансформатором 7, а ее контроль происходил визуально по лабораторному термометру 10.
В качестве вторичного прибора 11 используется автоматический регистрирующий потенциометр (милливольтметр) КСП-4 (модификация 41130.90.909), имеющий шкалу измерения - 0,1...0,9 мВ и класс точности 0,5. Время пробега указателем шкалы составляет 2,5 с.
Математическое моделирование нестационарного температурного поля яйца в процессах его инкубации
Существует несколько путей математического моделирования нестационарного температурного поля в/рассматриваемом объекте[38,43]Самый простой из них - представление яйца однородным шаром, на поверхности которого заданы соответствующие граничные условия. Такая модель использована, например, в работе [38]
Более совершенная тепловая модель яйца представляет собой "шар в шаре", т.е. желток (ж) в виде шара с радиусом R[ расположен в центре белковой (б) сферической оболочки с большим радиусом R.2, покрытой скорлупой (ск), которая имеет толщину бек и коэффициент теплопроводности ХсК. На границе "скорлупа - окружающая среда (воздух)" задаются условия теплообмена 3-го рода и считается, что пуга отсутствует. Указанные допущения, принятые на первом этапе исследований, снижая трудоёмкость расчёта, не искажают существенно его результат и поэтому вполне приемлемы для названной более совершенной модели объекта инкубации, нестационарное температурное поле которого можно описать уравнением теплопропроводіюсти в сферических координатах [80] aei(R,t)/ t=a({[d ej(R,t)/dR2]+[2R-1d9i(R,t)/()R]}+qv(t)/(pc)i, (3.1) с начальными и граничным условиями, которые в данном случае имеют вид: ej(R,0)=eH; d9)K(0,tydR=0; Wdfc(UVdR]= а[9в(0 - ЄБ(Ц)], (3.2) а условия сопряжения на границе "желток-белок" (при R=Ri) характеризуются следующими соотношениями: enc(Ri,t) = eB(Ri,t); Хждвж(Ки1)/дК= kdeB(Ri.ty dR, (3.3) где 0u 0B(t) и GH - температуры соответствующего компонента яйца (желтка или белка), окружающего воздуха и начальная температура яйца; R, t - текущие радиус и время; Х;„ а„ pi и С; - коэффициенты тепло - и температуропроводности, плотность и удельная массовая теплоемкость соответствующего компонента яйца (і - ж или б); а - суммарный коэффициент теплоотдачи от поверхности яйца к окружающей среде конвекцией и излучением; qv - удельная мощность внутренних источников тепла (считается, что эти источники распределены по объему яйца равномерно); Хэкв- эквивалентный коэффициент теплопроводности системы "скорлупа-белок", вычисляемый по формуле ?OKB=[(R2-RI)+ SCK]/[(R2-RI) V + SCKACK ] С целью обобщения результатов расчета и обеспечения их сопоставимости с данными экспериментальных исследований яиц различных размеров, переходя в (3.1)-(3.3) к безразмерным переменным, получим уравнение aui(r,Fo)/dFo-kfl{[d2Ui(r,Fo)/dr2]+[2r"1dui(r,Fo)/dr]}+K (3.4) с начальными и граничными условиями: Uj(r,0)=0; д\\жф,?а)1дг=Ъ; i (rbFo)=ur)(ij,Fo); ki )u ri,Foydr duB(ri,Fo)/dr; duc(l,Fo)/dr=Bi[un(Fo)-UB(UFo)]. (3.5) Здесь Ui(r,Fo)=[0i(r,t)-GH]/A9; ив(Ро)=[6із(О-8н]/Д0; r=R/R2; кд= atiaB (для желтка и белка коэффициент к , соответственно равен aja , и 1); кт=Я.Дв (для желтка и белка коэффициент кт соответственно равен А,Ж/ Б И 1); Fo= cttf/Rj ; ВІ = аЯіїкьш , K=Os-ko/kT, где Os - критерий Остроградского, вычисляемый по формуле qvrr 2/(XEA6) [10]; А0 - величина единичного ступенчатого температурного воздействия на яйцо, равная разности конечной 0к и начальной 0ц температур.
Следует отметить, что при исследовании рассматривалась реакция модели на два типа возмущения - единичное ступенчатое Д9 и гармоническое синусоидальное вида 6в= 9н +Ав sincot, где Ац -амплитуда колебаний температуры воздуха в инкубационном шкафу; ш -круговая частота, равная 2п (f- частота указанных колебаний, размерность которой ч"1).
В течение многодневного процесса инкубации, т.е. на разных стадиях развития эмбриона теплофизические свойства содержимого яйца и другие параметры могут изменяться, а особенно существенно - мощность внутренних источников тепловыделения. Следовательно, уравнения (3.1)-(3.5) хотя и сохраняют свой вид для разных фаз инкубационного процесса, но их параметры и коэффициенты не являются постоянными во времени. Например, на ранних стадиях инкубации, когда кровеносная система эмбриона ещё не развита, тепловыделением qv можно пренебречь [111, т.е. для указанного периода последние слагаемые правых частей (3.1) и (3.4) равны нулю, а теплофизические свойства отдельных компонентов могут быть приняты такими же, как и у свежего яйца[52,63,92]Отметим также, что влияние на температурное поле внутренних источников тепла (правда, лишь для упрощённой модели "однородный шар") исследовалось в работе [43] Поэтому в настоящей работе анализируется только нестационарная составляющая температурного поля рассматриваемого биологического объекта.
При указанных выше условиях была проведена серия вычислительных экспериментов для подтверждения адекватности предлагаемой модели реальному объекту. Задача решалась численно, методом сеток. Исследуемая область объекта по радиусу в пределах от 0 до R.2 разбивалась на N узлов (при NMAKC равном 23) и находились температуры в каждом узле в моменты времени t или при соответствующих значениях Fo, т.е. определялось одномерное нестационарное температурное поле яйца при заданном законе внешнего температурного воздействия.
Значения коэффициентов и параметров, характеризующих теплофизические свойства и геометрические размеры модели объекта инкубации, приведены в табл. 3.1. Эти данные были использованы в качестве исходных при контрольных расчетах нестационарной температуры в выбранных точках модели. Радиус R) был принят по данным [11], a R2 для конкретного яйца вычислялся по соотношению 0,5(d2D)m, где d и D - диаметр экваториального сечения яйца и длина последнего. Расчеты проводились при нескольких значениях коэффици у ента теплообмена а: 20, 30 и 40 Вт/(м -К).
