автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности использования электроэнергии в оптических технологиях АПК на основе термодинамики

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

2 3 ИЮН 1ЯЯ7

На правах рукописи

УДК 631.371: 535.23:536.7 (043.3)

ЩУР Игорь Зенонович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ АПК НА ОСНОВЕ ТЕРМОДИНАМИКИ

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете

Научный консультант - доктор технических наук.

профессор В. Н. Карпов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А. К. Лямцов;

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.Г.Еникеев;

доктор технических наук, профессор Б. Ф. Федоров

Ведущая организация - Научно-исследовательский и проектно-

технологнческпй институт механизации и электрификации сельского хозяйства Нечерноземной зоны Российской Федерации (НИПТИМЭСХ НЗ)

Зашита диссертации состоится .' 4 " июЛЯ 1997 г. в {{ ч. СО мин. на заседании диссертационного совета Д 120.37.0? по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу:

189620, Санкт-Петербург - Пушкин, Академический пр., 23, ауд.529.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан "ЗО" Я 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

А. П. Майоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Переход сельскохозяйственного произвольна в условия рыночных отношений привел к тому, что доля электроэ-[ергпи в себестоимости продукции не просто выросла, а превратилась в шачительный, а в ряде случаев - в определяющий показатель (напри-!ер, в тепличном производстве). Это обстоятельство в корне меняет юдход к синтезу технологических процессов и установок. Повышение »нергетической эффективности оптических электротехнологий (ОЭТ), -. е. технологических процессов, в которых излучение используется как :пецифический энергетический фактор (в отличие от информационного) и ! которых используются электрические источники излучения, является 1ля сельскохозяйственного производства наиболее наукоемкой задачей ¡о сравнению с другими технологиями. Это обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, большим разнообразием объектов облучения, от-шчающихся различной природой (живые, неживые), видами (животные, >астения, водоросли, дрожжи, семена, продукция растениеводства и жи-¡отноводства, материалы), физическим состоянием облучаемой среды .газообразная, жидкая, сыпучая, твердая), а также разными механизма-ш воздействия излучения, обусловленными различными спектральными шапазонами излучения (УФ-, видимая, ИК-область оптического спект->а). Вовторых. использованием специфического промежуточного энерго-ютока - электромагнитного излучения, которое характеризуется своими законами генерации, распространения и взаимодейсвня со средой объек-•а. Эта специфика и обуславливает значительные энергопотери на всех ¡тапах энергопреобразований. Так, отдача излучением составляет от .0% для некоторых газоразрядных источников излучения до 80% для зер-:альных ИК-ламп накаливания. При передаче потока излучения объекту в •ехнологических схемах облучения полезно используется от 30 до 80% ¡учистоП энергии. При первичном взаимодействии оптического излучения : объектом вследствие спектральных особенностей, а также фотофизи-[еских механизмов полезно используется от АО'/- падающего излучения в [екоторых фотонных до 95'/. в ряде тепловых процессах. Однако эффективность поглощенной энергии излучения часто бывает невысокой из-за шзкого качества облучения, обусловленного неравномерностью распре-[еления облученности по поверхности или объему объекта. Суммарное юлезное использование потребленной электроэнергии в различных ОЭТ ЛЖ находится в пределах 5.. . 60%. ""

Расчеты показывают, что потерн энергии в оптических технологиях ) аграрном секторе экономики соизмеримы с половиной общих потерь »лектроэнергии б отрасли. Это придает особую актуальность научной

стороне проблемы энергосберехения в технологиях облучения. Решен указанноП проблемы в значительной мере сдергивается отсутствием ед ного теоретического подхода к анализу и синтезу ОЭТ. Это связано указанным разнообразием объектов и видов использования оптическо излучения в АПК, а такхе совмещением в ОЭТ целого комплекса слохн физико-химических процессов. Традиционная их анализ с помощью Сала совых энергетических зависимостей не могет претендовать на глубок оценки. Для адекватного исследования этих процессов необходим фунд ментальный подход, который обеспечивает термодинамика - наука об о щих законах преобразования энергии в системах любой природы.

Целью исследования является создание на основе методов термод намики теоретической базы для повышения эффективности использован электроэнергии в ОЗТ АПК и разработка, исходя из нее, новых технол< гических схем облучения и технических средств, а также оптимизац их параметров и режимов работы.

Научная новизна. Впервые энергетический анализ ОЭТ АПК произв! ден с точки зрення термодинамики. На этой основе сформировано нов' научное направление - прикладная термодинамическая теория энергосб! рехения в ОЭТ, в рамках которой:

- получены математические описания термодинамических закономе;

ностей спектрального и пространственного распределений энергии опт1

ческого излучения, неравновесного преобразования ее параметров,

такхе первичного взаимодействия с объектами разного типа;

ю

- установлено, что определящим фактором в формировании подход! к разработке энергосберегающих ОЭТ является их термодинамическ] 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 кахдого термодинамического типа ОЭТ;

- разработана методика оптимального согласования спектров те] лового и разрядного источников излучения со спектральной чувств) тельностью объектов разных термодинамических типов; выдвинута гит теза о зависимости красной границы спектра действия объекта от раб! тоспособности поглощенного оптического излучения;

- произведено математическое описание энергопреобразования терморадиацнонной системе на основании принципов линейной неравн! весной термодинамики (уравнений Онзагера). что обеспечило эффекти; ность анализа; для ряда критериев получены универсальные зависимое' мехду оптимальными параметрами терморадиацнонной системы при выпо. нении работы в объекте;

- создана методология повышения эффективности использования электроэнергии в ОЭТ АПК, базирующаяся на новой совокупности методи-¡еских приемов исследования и термодинамических принципах энергосбе-зехення, среди которых предложен новый принцип оптимального уменьше-шя степени неравновесности 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 распространения излучения и перемещения облучаемой среды;

- предложен принцип переизлучения энергии при перераспределении ютока теплового излучения в пространстве;

- разработаны математические модели новых технических средств, эеализующпх указанные принципы (УФ-стерилизатора, противоточного поверхностного ИК-пастерпзатора, ИК-облучателя с переизлучением энергии), а также получены их оптимальные параметры.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. В рамках прикладной термодинамической теории энергосбережения в ОЭТ ОД1К 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 (Гипронисельпром, 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 следуюди практические результаты.

Предложены новые высокоэффективные технологические схемы объем ного облучения жидких, сыпучих и пластичных сред, а также конструк тивные решения ИК-облучателя с переизлучением 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 иссле 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 оптимизировав параметры и режимы работы установок ИК-обогрева поросят; номограмм; для расчетов параметров кварцевого трубчатого ИК-излучателя, характеризующегося различной геометрией спирали и трубки ¡1 работающего ] 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. н обсуждались на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Львовского СХИ (1982), С.-Петербургского государственного аграрного университета (1985-1990, 1993-1996), Львовской академии ветерннарной медицины (1985-1994); Всесоюзном научно-производственном совещании по применению оптического нзлученн} 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-пронзводственной конференции "Актуальн1 на-прямки наукового забезпечення агропромнслового комплексу зах!дних райошв УРСР" (г.Львов, 1990); научно-практнческол 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 електротех-нШ1 й електроенергетиц!" (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 электротехнологни 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 приложений. Работа содержит 475 страниц, в том числе 298 страниц текста, 102 рисунка. 31 таблицу и 43 страницы приложений.

На защиту выносятся указанные выше результаты, содержащие научную новизну и представляющие практическую ценность.

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОЭТ АПК И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИИ

Развитие оптического облучения объектов АПК сопровождалось углублением исследований энергетических закономерностей и эффективности использования электроэнергии в ОЭТ. В этих исследованиях можно выделить три этапа. На 1-м этапе (70-е годы) эффективность оптического облучения определялась в основном соответствием спектров излучения источника и поглощения объекта. В конце 70-х - начале 80-х годов в связи с увеличением сферы применения оптического облучения в АПК и возрастанием потребления электроэнергии начался 2-й этап. Лля него характерна оценка уровня использования электроэнергии по трем показателям: лучистому КПД источника излучения, коэффициенту использования потока излучения при передаче его объекту и коэффициенту поглощения. В это время было практически сформировано оптическое облучение как направление применения электрической энергнн в сельском

хозяйстве. Решающее значенне в этом формировании имели научные разработки ВИЭСХ. МИИСП. ВНИСИ. АФИ. НИПТ1ШЭСХ НЗ, Украинской СХА и других организаций. Методическое обеспечение этого направления создано работами Будзко И. А. . Прищепа Л. Г. . Мартыненко И. И. . Сарыче-ва Г. С. , Карпова В. Н. . Лямцова А. К. . Муругова В. П. , Свентицкого И. И. Шкеле А. Э. , Хилинского О. М. , Козинского В. А. , Поволоцкого Б. Д. , Чистякова В. В. и других ученых. Научные основы 3-го этапа (80-е годы) были заложены в трудах Карпова В. Н. Они посвящены фотометрическому совершенствованию системы "облучатель - объект", проводимому с целью повышения энергетической эффективности, которая, наряду с коэффициентом полезного использования (КПП) электрической мощности, учитывает также качество облучения.

В проводимых до настоящего времени энергетических исследованиях ОЭТ в качестве выходного параметра рассматривается эффективный поток, который представляет собой ту часть потока излучения источника, которая поглощается объектом и по своим параметрам соответствует его требованиям. При этом абстрагируются от вида облучаемого объекта и тех физических и химических процессов, которые происходят в нем под действием оптического излучения. Однако именно течение этих процессов . определяет технологический эффект, являющийся главной целью ОЭТ. Поэтому включение в системные исследования энергетических процессов, происходящих в объекте, является перспективным с точки зрения определения путей повышения эффективности использования электроэнергии. Возникающие при этом сложности, связанные с разнообразием объектов и видов использования оптического излучения в АПК. можно существенно снизить, применив категории термодинамики. В результате многоуровневой классификации ОЭТ из всего их множества выделено всего три принципиально отличающихся термодинамических типа соответственно с технологическим эффектом в виде работы, получаемой в результате фотонных процессов, в виде теплоты и в виде работы, выполняемой теплотой. Таким образом, в системные исследования энергетической эффективности ОЭТ целесообразно включить облучаемый объект в виде только его воспринимающей излучение части, как показано на рис. 1. При этом выходным энергетическим параметром для каждого из указанных термодинамических типов будет соответственно: поток потенциальной работы в виде потоков свободной энергии или эксергии £ преобразованного в результате первичных фотофизических процессов поглощенного потока излучения; поток полезной теплоты 6, получаемый при поглощении объектом излучения; поток эксергии этой теплоты ¿0-

Энергия электромагнитного излучения, в отличие от упорядоченных

Рис.1. Диаграммы относительных потоков энергии v'(вся высота основного столбца) и эксер-гии i' (заштрихованная часть основного столбца), а также соответственно энергетического п и термодинамического v КПД отдельных эта-

т д

пов энергопреобразова-ннП в ОЗТ фотонного типа (I), терморадиационного типа (II) и в случае выполнення теплотой работы в объекте (III). Усредненные повышения показателей, полученные в результате проведенных исследований, показаны в виде более узкой достройки к соответствующему столбцу

видов (механической и электрической), является частично упорядоченной из-за распределения по ряду параметров: по спектру, по напрвле-ниям в пространстве, по плоскостям поляризации. Это приводит к тому, что оптическое излучение необходимо характеризовать не только потоком энергии 2, но также и потоком энтропии излучения ¿и. Отличие последнего от нуля уменьшает эксергию по сравнению с энергией излучения согласно закону Гюп-Стодолы на величину ¿иГо> где То - абсолютная температура окружающей среды. Поэтому коэффициент работоспособности излучения получается равным

£ + £ 77 = 1 - т —~—— .

п о Ф

где - скорость генерации энтропии в неравновесных процессах,

происходящих в объекте под действием оптического излучения.

Исходя из этого, применение термодинамики перспективно также с точки зрения анализа эффективности передачи и преобразования энергии на всех этапах пути от электрической сети к объекту. Неравновесность процессов на этих этапах приводит к постепенному возрастанию энтропии в системе и отсюда - к диссипации (рассеянию, деградации) основного энергопотока. На рис. 1 показаны усредненные для каждого из указанных термодинамических типов относительные значения соответствующих параметров на каждом из этапов.

Таким образом, применение термодинамики в качестве основы для всестороннего энергетического анализа и разработки общих принципов синтеза энергосберегающих ОЗТ представляет собой 4-й этап исследова-

ний, которому посвящена настоящая работа.

К оптическому излучению термодинамику впервые применил М. Планк, в результате чего он установил законы спектрального распределения энергии и энтропии равновесного теплового излучения. Дальнейшее развитие данное направление получило в трудах Ландау Л. Д. , Weinstein M., Ross R.T., Petela R., Белла Л.H., Леонтовича H.A. В настоящее время термодинамическую эффективность использования оптического излучения в фотофизических, фотохимических, фотобиологнческих, гелиоэнергети-ческих объектах исследуют Чукова Ю.П. , Landsberg P.T., de Vos А., Pauwels H., Castans M., Würfel P., Гудков H. Д., Badescu V. и другие.

Применение термодинамических принципов к ОЭТ АПК, которое впервые производится в настоящей работе, является более широким, чем традиционная оценка коэффициента преобразования излучения с различными параметрами в работу. Термодинамика принята в качестве фундаментальной основы с целью разработки теоретических положений и практических методов, направленных на создание энергосберегающих ОЭТ. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Математически описать и исследовать термодинамические закономерности энергетических процессов, имеющих место в ОЭТ АПК.

2. На основе полученных термодинамических зависимостей построить системные математические модели энергоэнтропийных процессов в трех основных термодинамических типах ОЭТ,, провести их анализ п решить оптимизационные энергетические задачи.

3. Используя результаты системного термодинамического анализа, обосновать совокупность методических приемов исследования энергетики ОЭТ и, исходя из них, создать метод разработки энергосберегающих процессов, базирующихся на высокоэффективных технологических схемах облучения, синтезированных для разных видов обрабатываемых сред на основе термодинамических принципов.

4. Оценить эффективность использования разработанной методологии применительно к характерным видам ОЭТ АПК.

5. Экспериментально проверить полученные результаты в лабораторных и опытно-производственных условиях.

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ПРИКЛАДНОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ОЭТ АПК Математическое описание и анализ термодинамических закономерностей процессов в ОЭТ

В настоящем разделе изложены результаты собственных теоретических исследований термодинамических аспектов различных этапов энергопреобразования в ОЭТ.

Генерация оптического излучения. Из уравнений балансов потоков энергии и энтропии термодинамической системы "источник излучения* получено следующее выражение лучистого КПД любого излучателя:

„..[,♦£(!!-.)] '-1. (,) N

где Гр - абсолютная температура поверхности источника излучения; Tf = S/Sh - эффективная температура источника излучения, равная отношению скорости, с которой электромагнитное поле уносит энергию излучения (поток £). к скорости, с которой оно уносит энтропию S ; ¿( - скорость генерации энтропии в источнике излучения.

Анализ выражения (1) показывает, что для любого вида опического излучателя направлением его совершенствования с целью повышения отдачи излучением будет приближение к s . Для разрядных источников излучения это является сложной задачей термодинамики плазмы, решаемой светотехниками. Однако условия поставленной задачи смягчаются, так как Tf » Тр. В тепловых излучателях Т( = Гр н поэтому задача s ■» s является актуальной для настоящей работы.

Термодинамические закономерности спектрального распределения энергии излучения рассмотрены для сплошного спектра, представленного равновесным излучением абсолютно черного тела (АЧТ), и линии излучения. имеющей доплеровский контур. Для первого случая получено следующее аналитическое выражение для относительной спектральной плотности энтропии равновесного излучения:

, Г . 1 ] + ах

l (х) , ,21П[ ехр(со-) - 1 J ехр(ах-) - 1

1 (х) = ^- = |х -,-,-,---, (2)

L„...» > Inj 1 + —4-г + sr^r-l-г

где х = 1>/1> - относительная частота излучения ( V

а а х «ах

= 5,8787-Ю10 т , с"1 ); I - спектральная плотность удельной интенсивности потока энтропии; а = 2,8214; т = 2,5383.

С использованием (2) рассчитаны универсальные зависимости коэффициента работоспособности квазимонохроматического излучения в спектре АЧТ с температурой г от относительной частоты. Эти зависимости представлены на рис. 2. причем т) определялся по выражению

^-зг^-зщу • (3)

где т^ - абсолютная температура окружающей среды: со = Т^/т, г(х) = т /т - относительные температуры.

Термодинамические исследования оптического излучения линии по-

казали, что практически независимо от вила контура ее работоспособность является универсальной функцией следующих параметров линии: н/& и V (или х ), где М - энергетическая светимость линии; 5 -

о о

относительная ширина линии; V , - соответственно центральные частота и длина волны линии (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость коэффициента работоспособности лучей спектра АЧТ от их относительной частоты при различной относительной температуре облучаемого объекта ь

Рис. 3. Зависимость коэффициента работоспособности уширенной спектральной линии от ее параметров

0,8 0.6 0.4 0,2

Термодинамические аспекты пространственного распределения излучения в системе "облучатель-объект" рассмотрены для трех возможных моделей источника излучения: поверхностной, линейной и точечной. Исходя из теории фотометрии, для каждой из моделей получены выражения для расчета плотности потоков энтропии и коэффициентов работоспособности излучения, падающего в любую точку объекта и средних по его поверхности значений. Для широко распространенной системы "точечный облучатель - объект", получена, исходя из теории подобия, совокупность безразмерных критериев подобия, которые не зависят ни от одного из абсолютных значений параметров системы, а являются преимущественно' интегральными функциями индикатрисы силы излучения источника. Исходя из последней, по разработанной программе с помощью ЭВМ можно рассчитать зависимости между полученными критериями и представить их в виде фотометрической диаграммы. По ней легко определяются любые энергетические, термодинамические, фотометрические и геометрические параметры системы.

Термодинамика процессов преобразования параметров излучения. Рассмотрены неравновесные процессы преобразования временного, спект-

рального. пространственного распределений, преобразование поляризации излучения, его ослабление, которые имеют место в технологических схемах облучения. Установлено, что любой неравновесный процесс преобразования квазимонохроматического излучения можно характеризовать одним и тем же выражением отношения скорости генерации энтропии ¿( в процессе преобразования к потоку энтропии исходного излучения £ :

= -Х- 1п [ д (ехр *г - 1) + 1 | - 1 . (4)

где * = Ли / (к^г ) - относительная частота излучения источника с абсолютной температурой т ; Л, к - соответственно постоянные Планка и Больцмана; д - степень неравновесности процесса. Для излучения с параметрами Ли^ » кгТ выражение (4) упрощается до вида

*А ■ 4-1п д • 1

Для каждого из рассмотренных процессов преобразования излучения получены выражения для степени неравновесности, причем д г 1. В комплексном процессе преобразования по ряду параметров излучения общая степень неравновесности равна произведению значений д, соответствующих преобразованиям отдельных параметров.

Термодинамические особенности первичного взаимодействия излучения с объектом. Эффективность первичного взаимодействия излучения со средой объекта, равная отношению потока свободной энергии или эксер-гии в среде к потоку падающего излучения, определяется выражением:

X

= Г- = -5-:- • (5)

1 (Л) ёл

где л - длина волны, соответствующая красной границе фотопроцесса; К(Л) - спектральная чувствительность фотореакции; - спектраль-

ный коэффициент работоспособности падающего излучения: - спек-

тральный термодинамический КПД первичного взаимодействия излучения со средой, учитывающий уменьшение работоспособности излучения в процессе его поглощения.

В ОЭТ фотонного типа фотореакции идут преимущественно с нижнего возбужденного уровня. Спектральная чувствительность приемника излучения в этом случае равна /(А) = где а<А> - спектральный коэффициент поглощения излучения. С учетом этого из уравнения (5) для линии с центральной длиной волны А^ получено

А

Т) = о* А ) -^Г- 17 7)

]ф о А их о т ах о

В случае сплошного спектра излучения, моделью которого являете} спектр АЧТ. V имеет максимум, обусловленный соотношением i

температуры излучателя т. а также зависящий от относительной температуры объекта t = т /т. При упрощающих условиях а(Л) = const i х = 1 в результате численного интегрирования, оптимизации i аппроксимации получены следующие условия оптимальности:

Л г = 6613 - 44,67 с - 2866 t2. мкм-К; V = 0.438 - 0,558 t .

Для терморадиационных ОЗТ И(Л) = а(л), а коэффициенты I

17т х равны 1, так как вся поглощенная энергия диссппирует в теплоту. Поэтому из (5) получается известное выражение для интегрального коэффициента поглощения. Теоретические исследования со спектральным! распределениями в разных спектральных шкалах показали, что. в отличие от шкал частот V и длин волн х, в спектральной шкале их логарифмов максимум обеспечивается простым наложением максимумои кривой V{Iдх) или а(1дХ) и кривой $ (1дл> или Ф

Для определния коэффициента , входящего в (5). рассмотрев различные условия взаимодействия излучения со средой. При этом использовано полученное выражение для скорости уменьшения работоспособности квазимонохроматического излучения при понижении его спектральной плотности энергетической яркости к :

С1т)

При поглощении без рассеяния в результате интегрирования по оп-

тической плотности от 0 до ю получено v = 1 - 0.0202 a/tj

ТЛА. их

1 = 1 - 0.0202 а/т)"*1.

т д х ах

Отсюда видно, что для реальных процессов -о >0,98, т.е. учет

Т Л X

уменьшения работоспособности излучения при его поглощении без рассеяния нецелесообразен.

При поглощении излучения светорассеивающей средой вследствие необратимости процесса многократного рассеяния уменьшение работоспособности излучения будет гораздо ощутимее. В результате моделирования процесса ослабления пространственных значений облученности 1: энергетической яркости излучения в переходном и глубинном режима? поглощающей светорассеивающей среды получено выражение для ^ , зависящее от параметров этой среды и условий ее облучения.

Известно., что молярный химический потенциал монохроматически? лучей с частотой у определяется следующим выражением:

Uv = Na hv -П _ ( f) ■ (6)

где N - число Авогадро.

В проведенных исследованиях первичного взаимодействия излучения со средой предполагалось, что в уравнении (6) энергия фотона йу постоянна, а коэффициент работоспособности излучения ^(у) уменьшает количество фотонов в одном моле по сравнению с Однако из-за известной сложности такого "неклассического" объекта, как фотон, механизм формирования может быть другим. Поэтому рассмотрен в качестве гипотезы другой крайний случай - количество фотонов в 1 моле постоянно и равно N , а их энергия уменьшена до величины йу-ч (и). При этом красная граница фотореакции с уменьшением ч^ь") должна несколько сдвигаться в сторону коротких длин волн. Теоретические исследования этого случая показали, что эффективность первичного взаимодействия излучения со средой ч1^ имеет максимум, зависящий от Лж и коротковолновой границы фотореакции х . Косвенным подтверждением выдвинутой гипотезы является тот факт, что реальные значения указанных параметров для процесса фотосинтеза растений соответствуют максимуму V , что может.расцениваться как сформпровав-

i ф

шийся в ходе эволюции оптимум.

Построение системных математических моделей энергоэнтропийных

Разработанный математический аппарат и полученные термодинамические закономерности энергетических процессов на отдельных этапах энергопреобразований позволяют перейти к обобщенному энергоэнтропийному описанию основных термодинамических типов ОЭТ в целом.

темы, в которой излучение выполняет работу в результате фотонных процессов, представлена на рис. 4. Система включает в себя облучатель (р), объект (с) и окружающую среду (о). Стрелками показаны соответствующие потоки энергии и энтропии. На вход системы поступает безэнтропийнын поток электроэнергии а на выходе получаем безэн-

потокоп в ОЭТ н их термодннамическнй анализ

Технологический эффект - фотонная работа. Расчетная схема сис-

Лй

Н=с

Рис. 4. Расчетная схема энергоэнтропийных

потоков в ОЭТ, где оптическое излучение выполняет фотонную работу

тропийный поток работы (или свободной энергии) и. Главное полезное направление энергопотока в системе обозначено широкими стрелками.

Потоки энергии излучения обозначены а соответствующие ин пото-

ки энтропии излучения , причем индексы показывают, что тело .1 излучает на тело Потоки теплоты в системе 'конвективные и кон-дуктивные) обозначены 0соп г

В результате решения уравнений балансов энергии и энтропии, составленных для элементов системы, получено следующее общее выражение эффективности преобразования электроэнергии в работу

"П,. =

Т . , $ - $ И " ' _ _ I I 1 II - I ( ( О I р с с р

[-(•-',..)('-.г)]

.. - . К I I V • 1 I $ ~ Ф + $ ~ $

^ ^ ' V С рС ср ро ор

■Ф-Ф+Ф-Ф+.Б 1

Г РС ер ° с со '.с I . 7 %

1 О § -$+$-$ \ ■ .

рс ср рс ор }

где V и и - соответственно лучистый КПД облучателя и коэффи-

и , р Ф , с

цпент полезного использования объектом результирующего потока излучения; £> ' - скорость генерации энтропии в объекте.

Используя результаты предыдущих исследований, на основанш уравнения (7) получено выражение для учитывающее спектральное I

поляризационное распределения излучения, а также геометрию систем* "облучатель - объект". Исследование этого выражения при различны} вариациях входящих в него параметров позволило оценить степень влияния последних на энергетическую эффективность системы.

Технологический эффект - теплота. 1!з уравнений энергетической баланса элементов системы получено следующее выражение для эффективности использования электроэнергии:

С> (Ь Ь' )

Т — о - = 7) 71 Ф -

¡Г ф-е ре (й 4- а4)

Е о

. — ь - а

1 - ч> --

рс 1 - а4

(8.

где О, - поток теплоты в объекте; <р и <р средние угловые коТ р с ср

эффициенты излучения источника на объект и объекта на источник соответственно; а = т /т , Ь - г /т - относительные температуры

о р с р

£>о = |а4 + (1-а4)|1/4 - относительная температура объекта, соответствующая условию ч = 0 (радиационное равновесие, или режим холостого хода).

Зависмость (8; для ряда значений Ьо при а = 0,1 и Ррс' = 0,! представлена сплоиными линиями на рис. 5. При повышении <рср возрастает . ьо и увеличивается диапазон значений ь г зона температу] объекта), при которых имеет высокие значения. В предельном случае у = 1 и Ь = 1. Если при этом еще и <р = 1. т.е. систем,

с р о р с

является радиационно замкнутой, то согласно (8> т^ = т)в ; эффективность системы не зависит ни от каких температур.

Технологически» эффект - работа через теплоту. Для ОЭТ этого типа, кроне количества теплоты, передаваемой оптическим излучением

Пк.рП^рс 0,8

Рис. 5. Зависимость эффективности использования электроэнергии в ОЭТ с технологическим эффектом в виде теплоты (сплошные лннин) н в виде работы, выполняемой теплотой (пунктирные линии) от относительной температуры объекта Ь при различных значениях Ъ

О

объекту, существенно также и ее качество, т. е. работоспособность. Поэтому эффективность использования электроэнергии в данной системе отличается от таковой в ОЭТ с технологическим эффектом в виде теплоты сомножителем, представляющим собой эксергетическую температуру объекта, равную КПД цикла Карно ч с температурами объекта и окружающей среды:

п

= \ \

= т) (1 - Т /Т ) = т) ( 1 - а/Ь)

О ос О

(9)

Сомножитель т) в уравнении (9) существенно изменяет характер кривых т) . Так, на рис. 5 пунктирными линиями показана зависимость от Ь и Ь^ при тех же параметрах системы, что и зависимость л , отражаемая сплошными линиями. Когда Ь близко к £>о, кривые и 1)0

почти совпадают. Однако при Ь - а Уц^ц "О- В этом случае объект поглощает значительный поток излучения с высокой эффективностью получаемой теплоты т)о. однако эксергия этого потока стремится к нулю, так как температура объекта близка к температуре окружающей среды. Таким образом, точка ь = а отражает режим, аналогичный короткому замыканию. Между режимами короткого замыкания и холостого хода имеется оптимальное для данных параметров Фрс и <рср значение Ь^, при котором эффективность использования электроэнергии принимает макси-С^!!- Исследование выражения (9) с учетом (8) на

мальное значение

максимум позволило определить оптимальные параметры системы, которые в виде номограммы представлены на рис.6. При Ьо > 0,8 полученная номограмма теряет свою строгость. Кроме того, для радиационно замкнутой системы ( <ррс= »> = 1) оптимальным значением является Ь = 1, что видно из рис.5. Однако это соответствует режиму холостого хода, для которого результирующий поток излучения, передаваемый от облучателя объекту, равен нулю. Это показывает, что критерий эффективности (9) не всегда является адекватным. Поэтому в случаях, когда р и

Рср имеют высокие значения, необходимо использовать другие, боле« сложные критерии.

Анализ эффективности и оптимальности терморадиационных систе> методами термодинамики необратимых процессов. Для процессов, удаление которых от равновесия невелико, имеет место линейная завпсимост! между потоками и соответствующими силами. Любой процесс энергопреобразования можно представить системой линейных уравнении Онзагера,

записанных для входного (Л и выходного (о) потоков:

Пгпах

0.8

J = Ь X + Ь X

1 1)1 1 о о

.7 = Ь X - Ь X

О О I 1 ООО

(10!

где J¡_. к

силы; £.

х - соответственно потоки I к

.X. - кинетические коэффи-

циенты пряных процессов: I. , перекрестные кинетические коэффициент сопряжения. Согласно соотношениям вза-

имности Онзагера

= Ь

Рис.6. Номограмма для определение оптимальных параметров, соответствующих максимальной эффективности терморадиацнонной системы, производящей в объекте работу

Выбор сопряженных потоков и сил для терморадцацнонной системь был произведен, исходя из закона Стефана-Больцмана. В результате получены выражения для параметров, входящих в систему уравнений (10):

г, О» .

1 = V

1 и

р Е

X = 1

J = -

X = Ь - а"

Ь = Ь ■■

I о о I

И <р

Ь = К Iр .' Ц>

о о р с с р

где К = 'ЛроТр; Ар ~ площадь поверхности излучателя: а - постоянная Стефана-Больцмана.

Описание лучистого теплообмена в терморадиацнонной системе I виде системы уравнений (10) дало возможность привлечь к анализ! энергетической эффективности ОЭТ с технологическим эффектом в биде теплоты и работы, выполняемой теплотой, мощную теорию термодинамической эффективности преобразователей энергии. В результате исследований получены номограммы, позволяющие определять оптимальные пара-

*Р V

р с с р

метры.систем в случаях высокой степени сопряжения <!=-/' при следующих критериях эффективности: максимальная термодинамическая эффективность, максимальный выходной поток при оптимальной тер-

модинамической эффективности, экономически выгодный поток. Разработаны рекомендации по выбору и использованию рассмотренных критериев.

Методология повышения эффективности использования электроэнергии в ОЭТ АПК

Анализ термодинамических закономерностей отдельных энергетических процессов, а также системное исследование математических моделей энергоэнтропийных потоков в ОЭТ привели к множеству результатов в виде направлений повышения эффективности, критериев оптимальности параметров, требований к конструктивным элементам и др. В настоящем разделе эти сведения упорядочены и использованы для создания методологии повышения эффективности использования электроэнергии в ОЭТ. Указанная методология включает в себя новую совокупность методических приемов исследования ОЭТ, созданную на их основе методику разработки энергосберегающих ОЭТ. термодинамические принципы построения высокоэффективных технологических схем облучения, а также частные методы обоснования отдельных параметров, их расчета и оптимизации.

Совокупность применяемых методических приемов (табл. 1) представляет собой новш":, более глубокий подход к исследованию ОЭТ, предложенный в результате анализа предыдущих этапов исследований и опыта современных научных работ.

Прием 1 базируется на вышепредставленных результатах исследований. Он предполагает оценить эффективность преобразования энергии в облучателе (1). в технолгической схеме "облучатель - объект" (7)-(9). а также при первичном взаимодействии оптического излучения со средой объекта (5). Таблица 1

' и п/п Методические приемы исследования ОЭТ

1 Термодинамический анализ эффективности передачи и преоб-

разования знергопотоков

2 Оценка качества облучения

3 Учет стабильности параметров технологического процесса

в течение эксплуатации

4 Системное исследование энергетической эффективности с

учетом временного фактора

5 Оптимизация технологического процесса согласно обосно-

ванному критерию

2-й прием предусматривает произведение оценки энергетической и термодинамической равномерности распределения облученности по поверхности или объему облучаемого объекта. С этой целью указанные показатели необходимо формализовать в виде коэффициента качества облучения К^. принимающего значения от 0 до 1.

4-й методический прием предусматривает построение общесистемной математической модели, описывающей процессы энергопередачи от электрической сети до выхода из воспринимающей части облучаемого объекта. Эта модель позволяет определить системный термодинамический КПД:

т) =т) КШ п1 . (11)

I Д. 1. И Ф»ф

Общим критерием оптимизации параметров и режимов работы ОЭТ (5-й прием) избрана эффективность использования электроэнергии в системе, которая выражается мультипликативной функцией вида

ЭЕ = П (е^6! , (12)

1 = 1

где е1 - единичный показатель эффективности; Ь( - степень влияния показателя. е( на эффективность ЭЕ; га - количество показателей. В качестве единичных показателей эффективности в выражении (12) следует взять, по крайней мере, два показателя: т) и к^.

Методика разработки энергосберегающих ОЭТ создана на основании приведенных в табл. 1 методических приемов и полученных результатов теоретических исследований. Она сводится к последовательному выполнению отдельных этапов, которые сведены в таол. 2.

Таблица 2

Этапы разработки

1 Определение термодинамического типа разрабатываемого технологического процесса

2 Выбор вида пли альтернативных видов источника излучения

3 Определение оптимального спектрального состава излучения источника

4 Синтез технологической схемы облучения, наиболее удовлетворяющей термодинамическим, энергетическим и качественным требованиям облучения

Анализ возможностей интенсификации технологического процесса

6 Расчет мощности источника излучения и выбор его типа

7 Системное моделирование энергетических процессов в ОЭТ

8 Обоснование критерия эффективности и оптимизация параметров и режимов работы ОЭТ

Экспериментальная проверка полученных результатов

Для выполнения 3-го этапа по результатам собственных исследований разработана методика обоснования оптимального спектрального состава излучения. 4-й этап разработки является наиболее ответственным, так как он менее других поддается регламентации. Базируясь на результатах проведенных системных исследований, для технологических

схеи каждого из термодинамических типов ОЭТ сформулированы термодинамические, энергетические и качественные требования. Предусматриваемые 5-м этапом возможности интенсификации технологического процесса определяются, в первую очередь, спецификой облучаемого объекта. При этом может осуществляться интенсификация параметров оптического излучения, интенсификация среды облучаемого объекта и согласованная интенсификация излучения и облучаемой среды.

Термодинамические принципы повышения энергетической эффективности ОЭТ. Основой для формирования принципов является линейное уравнение Онзагера, записанное для выходного энергопотока .7к воспринимающей части объекта ОЭТ (потока свободной энергии, эксергии, теплового потока):

Л -1 ЧЛ • <13>

I

Из уравнения (13) следует, что увеличение полезного выходного потока может происходить за счет повышения соответствующей ему основной движущей силы х , подключения дополнительных спутных движу-

щпх сил хг увеличения кинетических коэффициентов . а

также увеличения поверхности или объема взаимодействия.

Специфика взаимодействия излучения со средой позволяет вместо градиентов рассматривать напоры потенциалов, возникающих под воздействием оптического излучения. Поэтому, повысив равномерность поверхностного или объемного облучения, можно передать облучаемому объекту больше энергии, интенсифицировав этим технологический процесс. В ОЭТ фотонного типа необходимо стремиться повышать работоспособность излучения путем концентрирования энергии электромагнитного излучения по спектру, в пространстве, по направлению поляризации, во времени. Всякое распределение по любой из степеней свободы ведет, как показали исследования, либо к повышению энтропии излучения и диссипации энергопотока, либо к увеличению вероятности последующей диссипации.

При введении дополнительных движущих сил х , имеющих один тензорный ранг с основной силой хк и действующих в одном с ней направлении, увеличение полезного выходного потока Jk будет осуществляться благодаря сопряженным термодинамическим процессам. Это достигается, например, введением дополнительных воздействий различных силовых полей. Более простим способом реализации данного принципа является полезное использование постоянно действующего гравитационного поля.

С целью увеличения кинетических коэффициентов в ОЭТ весьма перспективны два следующих принципа: 1) на микроуровне - нестационарное

изменение параметров процесса, например, импульсное облучение, колебание температуры и др. ; 2) на макроуровне - использование гидродинамического фактора, например,, перемешивание, пленочное течение, оновленне поверхности и др.

В результате проведенных термодинамических исследований сформулирован новый принцип повышения энергетической эффективности ОЭТ -

оптимальное уменьшение степени неравновесности процесса энергопередачи. Сущность его иллюстрируется рис. 7, на котором показаны два этапа диссипации энергопотока: 1-2 - в источнике излучения и 2-3 - в облучаемом объекте. Введение дополнительного этапа энергопреобразования 2(2'> —4 позволяет уменьшить общую неравновесность процесса . облучения (1-2-4-5 вместо 1-2-3) и при оптимальных условиях сохранить часть энергопотока на выходе Ш'. УвелУ1чение длительности процесса энергопере-

1 г'

а

"|дЦ'

дачи с до

дс2 допустимо для многих ОЭТ.

Рис. 7. Схемы временных диаграмм относительных потоков эк-сергии (а), и энергии (б)

Указанные принципы целесообразно использовать в процессе разработки ОЭТ на 4-м и 5-м этапах, требующих, в отличие от остальных, творческих подходов. Рассмотрены перспективные подходы к синтезу технологических схем поверхностного и объемного облучения объектов, допускающих темновые периоды в облучении, т.е. ориентированных на дозу облучения, и требующих непрерывного облучения, т.е. ориентированных на поток излучения.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ОЭТ АПК ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕОРИИ Анализ основных признаков классификации ОЭТ АПК показывает, что характерными, принципиально отличающимися являются оптические технологии объемного и поверхностного облучения. В пределах каждого из этих видов имеются все три термодинамических типа ОЭТ. Применение разработанной на основе термодинамики методологии позволяет нетрадиционно подойти к организации технологических схем облучения и обоснованию оптимальных параметров технологий в каждом из указанных случаев, в результате чего повышается энергетическая эффективность.

Объемное облучение (на примере жидких сред)

К ОЭТ облучения жидких сред в АПК относятся процессы обеззара-

I

живания сточных вод, стерилизации и актинизации сельскохозяйственных продуктов УФ-излученпем, облучения видимым светом суспензий одноклеточных водорослей с цель» фотосинтеза, Ж-нагрева жидкостей, ИК-пас-теризации молока и других продуктов. Во всех применяемых фотореакторах с погруженными источниками излучения (иммерсионного типа) и с внешним по отношению к жидкости расположением облучателей направления распространения излучения в среде и ее перемещения взаимно перпендикулярны. В таких случаях легко показать, что для изотропной не-рассеивающей среды, согласно закону ослабления Бугера, поглощение излучения будет характеризоваться коэффициентами полезного использования потока и равномерности облучения, которые соответственно равны

кпиа = 1 - ехр(-а5) ; = ехр(-аб) ,

где а - показатель поглощения; 5 - толщина слоя жидкости.

Сопоставление этих выражений показывает органически противоречивую связь между энергетикой и качеством облучения: увеличение 5 с целью лучшего использования потока излучения приводит к ухудшению равномерности облучения и наоборот.

Исходя из разработанных термодинамических принципов повышения эффективности облучения, а также учитывая, что практически во всех ОЭТ объемного облучения технологический эффект зависит от дозы облучения, нами предложен новый, принципиально отличающийся от традиционных вид технологических схем объемного облучения. В соответствии с уравнением (13) в нем организовано такое перемещение облучаемой жидкости, что векторы направлений распространения излучения в среде и скорости перемещения последней параллельны. При этом полезно использовано гравитационное поле, способствующее плавному, без перемешивания перемещению слоев жидкости сверху вниз или снизу вверх. Каждый элементарный слой, пройдя путь от нулевого поглощения излучения в глубине среды до максимального на ее поверхности или наоборот, поглотит одинаковую энергию. Этим обеспечивается высокая объемная равномерность полученной дозы облучения и полное использование потока излучения. Построенные по этому принципу технологические схемы облучения предложены также и для других сред - сыпучих, пластичных.

ОЭТ стерилизации жидких сред (эффект - фотонная работа). Эскиз конструкции УФ-стерилизатора жидкостей, построенного по предложенной технологической схеме, показан на рис. 8. Для подачи или удаления жидкости (в зависимости от рабочего направления ее движения) в проточной реакционной емкости 1 установлены вертикальные трубки 2, верхние концы которых открыты и равномерно распределены в пределах горизонтальной плоскости поперечного сечения реактора.

Рис.8. Эскиз конструкции УФ-стерили-затора жидкостей:

1 - проточная реакционная емкость; 2-трубкн; 3,4 - входной и выходной патрубки; 5 - УФ-излу-чатель; 6 - отражатель

Совместное решение дифференциальных уравнений, описывающих про цессы распространения излучения в среде и перемещения последней без перемешивания, показало, что независимо от направления вертикального перемещения жидкости и закона поглощения объемная плотность поглощенной энергии излучения равна

и = £М1 - ехр(-ал)]/V , (14)

где £7 - облученность на поверхности жидкости; V - линейная ско-

О

рость перемещения жидкости; Ь - высота реакционной емкости.

Из (14) видно, что. выбрав Л из условия аЬ > 4, можно обеспечить использование практически всей падающей энергии излучения.

Математическое моделирование ОЭТ стерилизации с учетом известных закономерностей дезактивации бактерий показало, что в данной технологической -..схеме более предпочтительно перемещение жидкости сверху вниз. Скорость перемещения следует выбирать из условия V = - (1-р)Го/(до1п£)„ где р - коэффициент отражения излучения на поверхности жидкости; д - объемная плотность дозы облучения, характеризующая сопротивляемость бактерий; £ - показатель степени стерилизации (отношение концентрации оставшихся бактерий к начальной их концентрации). Разработаны рекомендации по выбору конструктивных и технологических параметров данного УФ-стерилизатора, исходя из его мощности, производительности, вида и типа источника излучения.

Системные исследования показали, что эффективность использования электроэнергии в данной ОЭТ, несмотря на низкое значение (Э£ = = 0,05...О,12), все же в 1.5...3 раза выше, чем в традиционных технологиях. Это обеспечивается высокоэффективным взаимодействием излучения со средой в данной технологической схеме.

ОЭТ пастеризации жидких сред (эффект - работа через теплоту). В ИК-пастеризаторах нагретая в результате ИК-облучення жидкость выполняет работу,, по- уничтожению патогенной микрофлоры. Поэтому для данной ОЭТ существенным является не столько количество получаемой

объемом теплоты, сколько ее качество (температура). Рассмотрены недостатки применяемых ИК-пастернзаторов трубчатого и пленочного типов: пригоранпе жидкости к стенкам, неравномерность нагрева и ухудшение из-за этого качества обработанного продукта.

В основание конструкции противоточного поверхностного ИК-пасте-ризатора положена технологическая схема, похожая на показанную на рис.8. Однако проходящие здесь физические процессы существенно отличаются. Так как ИК-лучи поглощаются в основном в поверхностном слое жидкости, высота емкости 1 используется для организации противоточного теплообменника. Благодаря его эффективной работе, температура жидкости на рабочей облучаемой поверхности гораздо выше, чем на выходе из аппарата. Таким образом используется эксергия теплоты, получаемой за счет Ж-излучення. В дополнение к элементам, имеющимся в УФ-стерилизаторе, ИК-пастеризатор дополнительно содержит исходную емкость для жидкости, которая полезно использует теплопотери ИК-из-лучателей, а также емкость для охлаждения жидкости и получения теплой воды для технологических нужд.

В результате математического моделирования совместно происходящих одномерных процессов перемещения жидкости и распространения излучения по вертикали и теплопередачи по горизонтали получена система дифференциальных уравнений, решением которой являются относительные приращения температур жидкости при нагреве (лс ) и охлаждении г -г (

■Г-ТГ^ =*Го*'+(\-0{ехр[-то(1-*' )] - ехр(-хо)| ; (15)

=1+гто*'-(1+7-*4)ехр[-то(1-х' )]-(ХА-т)ехр(-св). (16>

где г , г^ тг - соответственно температуры жидкости на входе в пастеризатор и при ее нагреве и охлаждении; дт - приращение температуры на выходе из пастеризатора по сравнению с ее значением на входе; т - безразмерный критерий; х - оптическая плотность всей жидкости; х' - относительная высота слоя жидкости, отсчитываемая от дна емкости; к - коэффициент, показывающий какая доля поперечного сечения пастеризатора используется для течения жидкости вверх.

Зависимости (15) и (16) для ряда значений т при к= 0,5 и то = 4 показаны графически на рис.9. Из них видно, что при возрастании г увеличивается коэффициент подъема температуры на рабочей поверхности ИК-пастерлзатора по сравнению с температурой на его выходе: к = к, + т(т -1). Отсюда следует, что г является безразмер-

I А о

ным критерием интенсивности теплообмена единицы оптической длины противоточного теплообменника данного ИК-пастернзатора. Этот крите-

дг

рий выражается через параметры конструкции и обрабатываемой жидкости

следующим образом:

г =

а с б X)

(17)

5 д!

Рис. 9. Распределение относи-сительных приращений температуры жидкости по относительной высоте слоя при различных значениях критерия у

где лтг, " средний коэффициент теплопередачи противоточного . теплообменника; с - удельная тепло-р

емкость жидкости; с;о - удельная производительность ИК-пастеризатора; О - диаметр трубок.

Энергетическая эффективность работы ПК-пастеризатора характеризуется затратой электроэнергии на единицу массы обработанной жидкости: _

V

с Д Т

р о а х

и с

(18)

где Дт - максимальное превыше-

т а х

ние температуры обрабатываемой жидкости во время пастеризации.

Из уравнения (18) видно, что при высоком значении лучистого КПД и заданной величине' дг энергетическая эффективность пастеризации будет тем выше, чем больше к1. В результате обоснования конструктивных параметров и расчета интенсивности теплообмена получено для воды = 11,0 Вт-ч/кг, что на 8.3% ниже, чем в ИК-пастеризаторе французской фирмы "АсИтп-Ргапсе". При использовании теплопотерь ИК-облучателя и утилизации вторичного тепла это преимущество можно довести до 20...30У..

ОЭТ нагрева жидких сред (эффект - теплота). По аналогичной технологической схеме можно также реализовать проточный ИК-нагреватель жидкостей. Из уравнения (17) видно, что, увеличив удельную производительность в , можно' обеспечить невысокие значения г и к и

о ^

приблизить тем самым температуру жидкости на выходе аппарата к ее температуре на рабочей поверхности. Таким образом, конструкция реакционной емкости противоточного поверхностного ИК-пастеризатора может быть использована в режиме лучистого нагрева жидкостей, например, воды. Но для этого требуется гораздо более мощный ИК-облучатель. Энергетический анализ и расчеты показывают, что. наряду с таким важным для водонагревателей преимуществом, как повышенная электробезопасность; предложенный лучистый нагреватель отличается также высоким энергетическим КПД - порядка 0,9...О,95.

При разработке мощного ИК-облучателя с целью соблюдения, согласно методологии, радиационной замкнутости системы "излучатель -объект" использовался эффективный принцип перепзлучения энергии, который описан ниже. В качестве первичного ИК-излучателя применена система из группы открытых кварцевых трубок со спиралями из резис-тивного сплава. Однако использование этого излучателя затрудняется отсутствием достаточно точных методов расчета многочисленных геометрических параметров спирали и трубки, которые определяюще влияют на его рабочие характеристики. В настоящей работе построена и исследована математическая модель теплопередачи от спирали через кварцевую трубку в окружающую среду с заданными температурой воздуха и радиационной температурой, отнесенной к поверхности ИК-излучателя. Для описания теплопередачи через кварцевую трубку применен метод селективно-серого приближения. Построенная модель исследовалась с помощью ЭВМ. Проведенные факторные эксперименты позволили выбрать определяющие параметры модели, исходя из которых рассчитана номограмма, связывающая электрические, теплофизическпе и геометрические параметры ИК-излучателя, работающего в различных тепловых условиях.

Поверхностное облучение (на примере ИК-обогрева поросят)

Локальный ИК-обогрев поросят является энергоемкой широко распространенной ОЭТ с технологическим эффектом в виде теплоты. Энергетический и термодинамический анализ этого технологического процесса позволяет сделать следующие выводы: предметом исследований в данной ОЭТ является один помет поросят, облучаемый одним или половиной ИК-облучателя; характер облучения - непрерывный из-за невозможности аккумулирования теплоты в коже животных; главный энергопоток по пути его передачи от электрической сети до поглощения в объекте претерпевает значительную диссипацию; этапы 'энергопреобразования, сопровождающиеся диссипацией энергии, - генерация ПК-излучения и его взаимодействие с объектом - характеризуются довольно высокими энергетическими КПД; наибольшие энергопотерн имеют место в процессе передачи потока излучения от ИК-облучателя к объекту, что обусловлено временной динамикой фотометрической системы в процессе выращивания животных из-за их роста, изменения требований к тепловым условиям содержания, а также применения различных способов временного управления ИК-обогревом. Для указанных условий методикой разработки энергосберегающих ОЭТ предусмотрены системные исследования энергетической эффективности с учетом качества облучения и с применением интегральных за технологический цикл оценок. Исходя из (12). сформулирован следующий критерий эффективности:

J kbJt) TJr(t) dc .

t rn

t

(19)

. и

Ц

0

где к - коэффициент временного использования ИК-обогрева в течение технологического цикла Ь - показатель, характеризующий относительную степень влияния качества обогрева на его эффективность.

Системное математическое моделирование и исследование ОЭТ ИК-обогрева поросят. Главной задачей на этом этапе являлось математическое моделирование первнчного воздействия ИК-пзлучення на подсистему "обогреваемый объект".

Для исследования спектральной эффективности воздействия ИК-из-лучения на поросят построена математическая модель теплопередачи в поверхности тела поросенка, подвергающегося квазимонохроматическому облучению различных длин волн. При этом учитывались не только погло-щающе-отражающне свойства кожи, но и глубина проникновения излучения в кожу и подкожные ткани организма. В результате исследований определена зависимость от длины волны относительной спектральной эффективности излучения представляющей собой отношение равных по эффективности теплового воздействия плотности падающего квазимонохроматического излучения определенной длины волны к плотности длинноволнового ИК^излучения (х > 3 мкм), выбранного в качестве порога сравнения. Используя полученную характеристику можно определить интегральный показатель относительной спектральной эффективности облучения С для любого спектра излучения, например, для лампы ИКЗК 220-250 получено С = 0.885.

'Для формализации К разработана методика идентификации каждого из 6-и возможных вариантов ориентации поля облучения относительно основных параметров обогреваемого объекта. Методика учитывает также неизбежные отологические реакции животных, выраженные в выборе места в обогреваемой зоне с лучшими для поросят конкретного возраста тепловыми условиями. На рис.10 показано двухмерное изображение одного из вариантов. Комфортные тепловые условия в нем обеспечены поросятам, находящимся в зоне с облученностью в требуемых пределах Е® ■ ... Последние ограничивают термонейтральную зону и опреде-

ляются из уравнения "температурного баланса", учитывающего также тепловую активность пола. В пределах площади 2la , где облученность

п

превышает на величину лживотные находиться не будут из-за

перегрева, а разместятся за пределами необходимой помету поросят площади Л . Коэффициент качества ИК-обогрева определяется выражени-

□

дФ

Е

4 л' Хл '

дАп лАп

где ЛФ - суммарный дефицит и избыток потока излучения в пределах реально занимаемой животными площади; э - показатель интенсивности этологических реакций, характеризующий усугубление недостаточного качества ИК-обогрева при окучивании животных под облучателем.

ем

к *

• ♦ г

Ал

Рис. 10. Вариант расположения эпюры облученности

Подсистема "ИК-облучатель" смоделирована характеристиками типа "вход-выход", причем входным параметром является потребляемая от электросети мощность, а выходными - энергетические, фотометрические и спектральные параметры облучателя. Для моделирования связи подсистем "ИК-облучатель" и "обогреваемый объект" использована система разработанных критериев подобия, которые вычисляются по экспериментальным характеристикам облучателя и предстваляются в виде матрицы значений. Подсистема "устройство временного управления ИК-обогревом" смоделирована функциональными зависимостями от времени тех первичных параметров, на которых отражается процесс функционирования элемента подсистемы, реализующего данный способ временного управления.

На основании полученной системной математической модели разработан алгоритм расчетов на ЭВМ и составлен пакет программ на языке 0ВА51С. Алгоритм позволяет получать все системные параметры при различных заданных технологических условиях, параметрах обогреваемого объекта, ИК-облучателя, а также при конкретном способе временного управления ИК-обогревом. Кроме того, алгоритмом предусмотрена возможность одно- и двухмерной оптимизации параметров и режимов работы средств ИК-обогрова, а также графическая выдача полученных результатов в виде временных диаграмм общесистемных показателей качества и эффективности процесса.

Используя указанный пакет программ, проведены исследования энергетической эффективности ИК-обогрева поросят серийно выпускаемыми средствами - лампой ИКЗК 220-250 и излучателем ЗИС-0,25 И1 - с применением различных способов временного управления обогревом. Некоторые результаты расчетов представлены в сводной табл. 3.

Из критерия (19) следует, что получение высокой эффективности использования электроэнергии возможно только в случае обеспечения

высоких текущих значений 3Е:

Э = кь а £1) КШ . (20)

Е I к д л к Ф,

где алл ~ коэффициент поглощения длинноволнового ИК-нзлучення.

Анализ (20) позволяет сформулировать энергетические, спектральные и фотометрические требования к технологической схеме, которые соответственно выражаются в следующем: разработка конструкции облучателя с максимальным значением V ; использование длинноволнового

и

диапазона спектра ИК-излучения ("темный" излучатель); формирование пространственного светораспределения, обеспечивающего на обогреваемой площади максимальное значение произведения к' ■ Шф. Исходя из последнего требования, сформулирован критерий эффективности светораспределения, выражаемый коэффициентом

, = [ *„. рС*™.) ¿с*™*) • (21)

где кк - коэффициент качества распределения силы излучения в пространстве, определяемый через критерии подобия; к^ - функциональная зависимость между указанными параметрами светораспределения, соответствующими тому же значению телесного угла П.

Для вычисления к ИК-облучателей с любым светораспределени-ем составлена программа для ЭВМ. Алгоритм вычислений состоит в предварительном определении матрицы критериев подобия, исходя из которой производится интегрирование согласно (21).

Разработка ОЭТ ИК-обогрева поросят производилась, исходя из приведенной в табл. 2 методики. Главное внимание было уделено разработке высокоэффективной технологической схемы облучения, так как именно на процесс передачи потока излучения от источника объекту в традиционных ОЭТ приходятся основные энергопотери - тепловые и фотометрические. Учитывая некритичность объекта данной ОЭТ к качеству (работоспособности) получаемого энергопотока, для синтеза технологической схемы применен термодинамический принцип оптимального уменьшения степени неравновесности энергопередачи, который реализуется путем преднамеренной диссипации энер-I гопотока и повышения за счет этого энергетических и эксплуатационных

Рис.11. Эскиз конструкции ИК-облуча-

теля с переизлученпем энергии:

1 - первичный ИК-нзлучатель; 2 - теп-локоллектор; 3 - тепловой экран

показателей процесса. Принцип заложен в новой конструкции ИК-облуча-теля, в которой вместо зеркального отражения потока излучения используется переизлучение энергии (рис. И). Первичным излучателей в приборе является линейный трубчатый источник ИК-излучения 1. часть потока излучения которого через выходное окно непосредственно попадает на обогреваемый объект. Другая часть потока попадает на внутреннюю поверхность так называемого теплоколлектора 2, имеющего форму перевернутого корыта и выполненного из огнеупорного теплоизоляционного материала. Кроме поглощенной лучистой энергии теплоколлектор собирает также тепло, теряемое первичным излучателем из-за естественной конвекции (замкнутая циркуляция воздуха в полости теплоколлектора показана на рис. И стрелками). При высоких теплоизоляционных свойствах теплоколлектора потери тепла с его внутренней поверхности путем теплопроводности во внешнюю среду становятся соразмерными с конвективным притоком тепла к ней. Поэтому в стационарном режиме температура этой поверхности поднимается до значения, обеспечивающего переизлучение падающего на нее потока излучения первичного излучателя. Потери энергии такого ИК-облучателя происходят исключительно теплопроводностью по двум путям, обладающим высоким термическим сопротивлением: через теплоколлектор вверх и слой устойчиво термически стратифицированного воздуха вннз. Этому способствует полезное использование гравитационного поля, что, однако, ограничивает условия получения высоких энергетических показателей данного ИК-облучателя только в режиме облучения сверху вниз.

С целью определения рациональных параметров конструкции построена математическая модель стационарной теплопередачи в ИК-облучателе с переизлучением энергии. Некоторые результаты исследования ее на ЭВМ представлены на рис.12. Исходя из них, можно рекомендовать оптимальный диапазон значений относительного радиуса системы излучателей г* = гп/г =» 4... 6, где г и гп - радиусы излучателя и переизлучателя. В этом диапазоне отдача излучением ИК-облучателя не ниже 0,9, тогда как лучистый КПД самого первичного излучателя составляет не более 0,75. Такое повышение излучательных свойств обеспечивается за счет оптимального уменьшения степени неравновесности процесса облучения объекта путем введения промежуточного преобразования потока излучения теплоколлектором и некоторой диссипации в результате этого энергии ИК-излучения. Уменьшение степени неравновесности процесса облучения показано на рис.12 в виде отношения скоростей производства энтропии при наличии перензлученпя и отражения ¿1 п/5[ о .

В указанном оптимальном диапазоне г коэффициент неидеальности

р,

кЕх

м

зл

2,5

2,0

15

■0,8

•0,7

Т„.к

Рис;12. Расчетные зависимости температур наружной г^ и пе-903 репзлучаюшей Гп поверхностей

теплоколлектора, а также линейной удельной нагрузки р.

-700

8 .<0 (2 г*

0.7

0, Б

0.5

лучистого КПД т)н и коэффициента неидеалыюсти переизлучения к ИК-облучателя от отно-

к

сительного радиуса системы излучателей г" при крайних значениях коэффициента излучения переизлучающей поверхности: 1- с =0.9; 2 - с =0, 1

переизлучения кпредставляющий собой процентное соотношение различных составляющих теплообмена на переизлучающей поверхности, не превышает 5У., что значительно упрощает методику расчета ИК-облучателя. Из рис. 12 также следует, что параметры данного ИК-облучателя практически не зависят от коэффициента излучения переизлучающей поверхности. Это гарантирует весьма высокие эксплуатационные показатели - стабильность энергетических параметров в условиях агрессивной

среды и. следовательно, большой срок службы.

е

ИК-облучатель с перизлучением энергии обладает нетрадиционной оптической системой. Для исследования фотометрических характеристик прибора, а также степени влияния на них геометрических параметров системы излучателей построена математическая модель теплообмена излучением в бесконечно длинной диффузной системе "трубчатый излучатель - идеальный перепзлучатель". Профиль поверхности переизлучения в модели аппроксимирован кусочно-линейной функцией. Разработан алгоритм и программа для ЭВМ, позволяющие определять матрицы угловых коэффициентов излучения каждого из элементов профиля перепзлучателя на все остальные его элементы, первичный излучатель и выходное окно прибора с учетом взаимного экранирования элементами системы излучателей друг друга. Алгоритмом также предусмотрено решение задачи лучистого теплообмена, расчет кривой относительной силы излучения в поперечной плоскости ИК-облучателя и определение эффективности полученного светораспределения согласно критерию (21). Проведены 4 серии факторных машинных экспериментов, в результате которых установлено, что больше всего на эффективность светораспределения влияет значение угла охвата переизлучателем первичного излучателя. Определен

близкий к оптимальному профиль переизлучателя. Его основные парамет-

ры - СС = 280°, г' = 5.

О X в

С целью повышения эффективности распределения силы излучения предложено использовать в конструкции тепловой экран 3 (рис.11), установленный между первичным ИК-излучателем и выходным окном прибора. В результате математического моделирования и исследования с помощью ЭВМ эффективности пространственного светораспределения определены оптимальные геометрические параметры оптической системы ИК-облучате-ля с тепловым экраном. Как показали системные исследования, применение теплового экрана позволяет повысить эффективность использования электроэнергии при НК-оСогреве поросят на 12...15%.

Полученные результаты легли в основу метода инженерного расчета ИК-облучателя с переизлучением энергии. Он использован для разработки облучателей 0ВИП-0,25 И1 и 0ВИП-0, 45 111, предназначенных соответственно для обогрева одного и двух смежных гнезд.

Таблица 3

Сравнение эффективности использования электроэнергии ЭЕ при ИК-обо-греве поросят с помощью различных технических средств (цифры вверху - промышленная технология выращивания, t =30 дней, т = 20°С; цифры внизу - хозяйственный способ, t =45 дней, т = 18°С )

Способ временного управления Тип НК-облучателя

ИКЗК 220-250 ЭНС 0.25-111 ОВИП-О, 25 И1 ОВИП-О,45 И1

Без временного управления 0,1239 0.1068 0.1559 0,1306 0.1819 0,1673 0,2443 0.2351

Плавное управление мощностью 0,1904 0.1660 0,2467 0,2173 0.2844 0.2704 0,3370 0,3376

Системные исследования на ЭВМ процесса МК-обогрева поросят с помощью разработанных ПК-облучателей (табл. 3) показали более высокую их энергетическую эффективность по сравнен»» с применяемыми в настоящее время средствами.

Анализ перспективных направлений дальнейших применений разработанной теории проведен для двух важных энергоемких ОЭТ АПК: облучения растений и водорослей с целью фотосинтеза и терморадиацнонной сушки сельскохозяйственной продукции, изделий и материалов. Рассмотрены термодинамические особенности каждого из этих видов, предусмотренные методологией направления их энергетического совершенствования и намечена программа дальнейших исследований.

Оценка эффективности отраслевого применения разработанной теории осуществлялась по результатам проведенных исследований, наиболее

характерные из которых показаны на рис. 1 в виде повышений энергопотоков и коэффициентов эффективности отдельных этапов энергопреоОра-зованиП для различных типов ОЭТ. При условии массового внедрения разраОотанных согласно предложенной методологии наиболее энергоемких ОЭТ объемного облучения жидких и сыпучих сред, поверхностно-объемного облучения растений. ИК-обогрева молодняка сельскохозяйственных животных и птицы, а также терморадиационной сушки сельскохозяйственной продукции ожидается повышение средней приведенной эффективности использования электроэнергии на 25. . . 30'/., что равнозначно сокращению энергопотерь на 15.. . 20'/. и экономии по отрасли около 2 млрд. кВт-ч электроэнергии в год при современном объеме получаемой вследствие оптического облучения продукции.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ ОЭТ АПК

В этой главе отражена практическая часть работы. В начале рассмотрены экспериментальные результаты, имеющие общее для различных применений значение.

Экспериментальные исследования кварцевого трубчатого ИК-излуча-теля. При математическом моделировании теплопередачи внутри кварцевой трубки предполагалось, что спираль размещена в трубке соосно и не контактирует витками с ней. Для адекватного отображения реальных условий проведены сравнительные экспериментальные исследования для случаев свободно лежащей в трубке спирали и соосно подвешенной на тонком кварцевом стержне. По их результатам определена эмпирическая зависимость от параметров излучателя уточняющего коэффициента, характеризующего несоосность спирали.

Исследовалась зависимость температуры спирали от ее поверхностной мощности и линейной нагрузки при влиянии различных факторов: диаметров трубки, сппрали, проволоки, степени растяжения спирали. Температура спирали измерялась яркостным пирометром с исчезающей нитью. Полученные результаты сопоставлялись с результатами математического моделирования. Их расхождение не более 5'/• подтверждает адекватность построенной математической модели и достоверность предложенной номограммы для расчета кварцевых трубчатых ИК-нзлучателей. работающих в любых тепловых условиях.

Экспериментальные исследования эффективности системы 'облучатель - плоский объектПредложен и совместно с СКТБ физико-механического института им. Г.Карпенко АН Украины создан прибор-автомат с микропроцессорным управлением для комплексного исследования энергетических характеристик и качества облучения ПЦИ-МП. Принцип работы

/

рибора основан на измерении облученности при шаговом перемещении

приемника излучения. В режиме "Диаграмма" снятые при каждом прохождении датчика эпюры облученности записываются двухкоординатным самописцем в виде трехмерного изображения поля облученности. В режиме "Топография" самописец обозначает цифрами от 1 до 9 уровни облученности, соответствующие переходу через границы интервалов заданной величины (при ИК-облу-ченип 50 Вт/м2). При этом производится также интегрирование площадей, ограниченных кривыми равной облученности, а также потоков излучения, падающих на эти площади. По данным, полученным в результа-те исследования конкретного облучателя с помощью прибора ПЦИ-МП, легко определяются значения предложенных критериев подобия и строится фотометрическая диаграмма облучателя.

Созданный прибор-автомат применялся для исследования партий ламп ИКЗК 220-250 и ИК-облучателей с пе-еизлучением энергии ОВИС-О.5 32. Результаты исследований удовлетво-ительно совпадают с аналогичными данными, полученными в результате истемных исследований на ЭВМ. Это подтверждает пригодность разрабо-анной методики и программного обеспечения для системного энергети-еского исследования процесса ИК-обогрева поросят.

Облучение жидких сред

Экспериментальная проверка технологической схемы УФ-стерилиза-ора жидкостей. Экспериментальный образец УФ-стерилпзатора изготов-ен согласно эскизу, показанному на рис.8. Реакционная емкость пред-тавляет собой алюминиевый цилиндр высотой 230 мм и диаметром 50 мм, по сечении которого равномерно установлена 31 тонкостенная теклянная трубка диаметром 8,2 мм. В качестве источника излучения спользована ртутная лампа ДРТ 230 с отражателем. В проведенных опы-ах исследовалась степень дезинфекции воды, обсемененной кишечной алочкой и облученной различными дозами УФ-излучения. Качество воды

у-—.

не.13. Фотокопии результатов сследованнй излучателя ИКЗК 20-250 с помощью прибора-ав-омата ПЦИ-НП в режимах "Диа-рамма" (а) и "Топография"(б)

оценивалось по колн-нндексу. определяемому в химбаклабораторни. I каждом опыте сравнивалось 4 варианта оолучения одной и той же дозой: неподвижной, механически перемешиваемой жидкости, а также перемещающейся в экспериментальном ооразце УФ-стерплизатора сверху вниз I снизу вверх. Контролем служила необлученная вода.

Корреляционный анализ полученных результатов позволил определить статистически достоверные регрессионные зависимости между степенью стерилизации и поглощенной дозой УФ-излучення в виде экспоненциальных функций, причем коэффициент корреляции находился в предела> г = -0,884...-0,977. Сравнение этих зависимостей показало, что благодаря применению термодинамического принципа согласования потоког излучения и среды можно при той же степени стерилизации воды, чтс имеет место при облучении неподвижной жидкости, снизить энергозатраты на УФ-облучение в 1.68 и в 1,42 раза соответственно при перемещении жидкости сверху вниз и снизу вверх.

'•' Экспериментальное обоснование математической модели противоточ-ного поверхностного НК-пастернзатора. Экспериментальный образец ИК-пастеризатора изготовлен на базе такой же емкости, как УФ-стерплиза-тор, однако в ней установлено 121 стеклянную трубку диаметром 9 мм, что обеспечивает к=0,5. В качестве НК-нзлучателя использована лампа ИКЗК '220-250, которая подключалась к стабилизированному источнику регулируемого напряжения. С помощью ХК-термопар и предварительно проградуированного гальванометра измерялись приращения температур воды на рабочей поверхности и выходе из пастеризатора по сравнению с температурой жидкости на входе. В результате исследований получень зависимости указанных приращений температур от ИК-облученности рабочей поверхности и удельной производительности аппарата. Определенные по экспериментальным данным значения коэффициента подъема приращения температуры на рабочей поверхности по сравнению со значением на выходе находятся в диапазоне к = 3...6 при изменении удельной производительности = 0,2...1,0 кг/(м2-с). Сопоставление расчетных I: экспериментальных данных позволило сделать вывод о достоверности построенной математической модели (15)-(17; противоточного поверхностного ИК-пастернзатора и высокой его энергетической эффективности.

Экспериментальное исследование лучистого1нагревателя жидкостей. Для лучистого нагрева жидкостей использована емкость с трубками от ИК-пастернзатора, а также изготовлен трехфазной ИК-облучатель с переизлучением энергии номинальной мощностью 2,5 кВт, состоящий из £ кварцевых трубок со спиралями. Оптическая система облучателя изолирована от внешней среды толстым слоем'Ъазальтового волокна. Экспери-

менты показали раОотопригодность данной конструкции и подтвердили расчетные выражения для зависимости температуры нагрева жидкости от

мощности ИК-оСлучателя и производительности аппарата. КПД данного нагревателя составил 0.92.

НК-обогрев поросят

Экспериментальные исследования энергетических и фотометрических характеристик различных ИК-оОлучателей. Фотометрические исследования (измерение осевой силы излучения, определение индикатрис силы излучения в различных меридиональных плоскостях) проводились на специально изготовленном стенде, позволяющем устанавливать приемник излучения (радиометр) в любой точке сферической поверхности заданного радиуса относительно помещенного в ее центре исследуемого облучателя. В качестве приемников излучения применялись датчик теплового потока Р0П-1с, а также термобатарея РК-15 из 10-и ХК-термопар в специальном корпусе, которая подключалась к гальванометру. Градуировка производилась по имитатору АЧТ в АО "Термоприбор". Исследовались также зависимости указанных фотометрических характеристик от относительной мощности ПК-облучателя, по которым определялось изменение лучистого КПД прибора. Полученные экспериментальным путем характеристики для лампы ИКЗК 220-250, излучателя ЭИС-0,25 И1. а также ИК-облучателей с переизлученнем энергии типов ОВНС и ОВИП использовались в математических моделях подсистемы "НК-облучатель" при системных исследованиях на ЭВМ эффективности использования электроэнергии.

Фотометрические исследования ИК-облучателей с переизлученнем энергии и тепловыми экранами различной геометрии подтвердили оптимальность параметров экрана, полученных в результате математического моделирования. Чнсленное интегрирование экспериментально полученных значений потока излучения в полусферу по методу зональных телесных углов показало, что отдача излучением ИК-облучателя ОВИП с тепловым экраном составляет не менее 0.9. При одинаковом относительном снижении мощности излучателя относительное уменьшение лучистого КПД данного ИК-облучателя существенно менее выражено, чем в ПК-ламп и излучателя ЭИС-0,25 И1.

Разработка, проектирование и технологические исследования ИК-облучателей с переизлучением энергии проводились в несколько этапов, причем изготавливались отдельные опытные образцы, а также их опытные партии. В ИК-облучателях ОВИС-О.З 31, 0ВИС-0.5 Э2, 0ВИС-0,5 ЭЗ применялась в качестве первичного излучателя кварцевая трубка с нихро-мовой спиралью, теплоколлектор изготавливался из легковеса, базальтового картона, пеностекла, защитный кожух - из листовой стали и по-

ликерных пластмасс. Облучатели типа ОВИП оборудованы низковольтной аттракционной лампой, включенной последовательно с первичным излучателем н выполняющей функции привлечения жиботных в обогреваемую зону и индикации работоспособности. Лабораторные испытания и производственная проверка показали, что самым лучшим материалом для изготовления теплоколлектора является базальтовый картон. Последняя конструкция ИК-облучателя ОВНП-0,5 112 не содержит защитного кожуха, так как роль последнего выполняет пропитанная лаком поверхность самого теплоколлектора. Это, а также другие конструктивные решения обеспечивают технологичность изготовления, простоту обслуживания и ремонта ИК-облучателя, его минимальную металлоемкость, массу не более 1.7 кг большой срок службы и низкую стоимость.

Производственные исследования ИК-облучателей с переизлучением энергии. Опытная партия ИК-облучателеп ОВНС-0,5 32 с целью производственной проверки внедрена на свинокомплексе колхоза "Зоря" и в совхозе-комбинате им. Радянской Армии Львовской области. Эксплуатация облучателей в течение длительного времени показала их надежность, стабильность параметров в условиях среды животноводческого помещения, стойкость к действию дезинфицирующих веществ.

. Совместно с сотрудниками Львовской академии ветеринарной медицины проведены научно-производственные эксперименты с целью определения хозяйственной эффективности применения в условиях промышленной технологии ИК-облучателей ОВИС-О,5 Э2 по сравнению с лампами ИКЗК 220-250. Повышение эффективности использования электроэнергии, полученное в результате реализации в ОЭТ ИК-обогрева комплекса научных и технических решений, предусмотренных .разработанной методологией, выразилось в дополнительном приросте массы поросят примерно на 8'/. при тех же энергозатратах на обогрев.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Специфика ОЭТ, заключающаяся в особых процессах генерации энергии электромагнитного излучения, передачи ее к объекту и взаимодействия с последним, обуславливает низкую суммарную энергетическую эффективность, причем преобладание энергопотерь для разных видов технологий может иметь место как в источнике излучения, так и в фотометрической системе "облучатель - объект" или в самом объекте. В результате этого с освещением и облучением, потребляющими менее 20"/. электроэнергии в АПК, связано около половины отраслевых энергопотерь. Это придает особую актуальность научной стороне проблемы энергосбережения в технологиях оптического облучения, поскольку обоснованного теоретического подхода к ее решению нет.

2. Термодинамика как фундаментальная основа энергетики позволила абстрагироваться от природы объектов и разнообразия видов ОЗТ АПК и обеспечила проведение глубокого энергетического анализа с учетом необратимости отдельных этапов энергопреобразования и всея технологии как термодинамической системы. На этой основе сформировано новое перспективное научное направление - прикладную термодинамическую теорию энергосбережения в ОЭТ, совокупность положений которой является крупным достижением в такой отрасли науки, как светотехника и облу-чательная техника АПК.

3. В рамках разработанной теории более глубоко исследованы закономерности энергопотоков и энергопреобразований в процессах генерации теплового и разрядного излучения, в элементах технологической схемы "облучатель - объект" и особенно при первичном взаимодействии излучения разного вида с различными, типами объектов. Эти процессы рассмотрены не только традиционно с точки зрения первого начала термодинамики (энергетического баланса), но также и второго начала, описывающего неравновесные процессы, связанные с производством энтропии. Указанные исследования послужили теоретической базой для формирования общих термодинамических принципов энергосбережения в ОЭТ, синтеза, исходя из них, новых высокоэффективных технологических схем оолучения и создания на этой основе методологии повышения эффективности использования электроэнергии в технологических процессах облучения.

4. Проведенный термодинамический анализ показал, что все множество ОЭТ АПК можно свести к трем принципиально различным характерным термодинамическим типам, которые определяются видом технологического эффекта, производимого излучением в объекте: фотонная работа, теплота и раоота, выполняемая теплотой. Системные энергоэнтроппйные исследования каждого из этих типов позволили сформулировать термодинамические, энергетические и качественные требования, исходя из которых должен производиться синтез высокоэффективных технологических схем облучения.

5. Согласно методологии, разработку энергосберегающих ОЭТ на современном этапе необходимо осуществлять, исходя из системного энергетического подхода, характеризующегося новой предложенной совокупностью методических приемов, которые предусматривают комплексное исследование энергетических или эксергетических характеристик процесса, качества облучения, стабильности энергетических параметров технических средств в процессе эксплуатации, а также оптимизацию системы согласно обоснованному критерию эффективности использования элек-

троэнергин с учетом временного фактора.

■6. Применение разработанных б рамках методологии термодинамических принципов повышения энергетической эффективности ОЭТ АПК позволяет синтезировать принципиально новые энергосберегающие технологические схемы облучения. Предлагаются следующие направления совершенствования двух основных характерных технологий: при объемном облучении - согласование (параллельность) векторов распространения излучения и перемещения облучаемой среды, чем достигается абсолютная эффективность первичного взаимодействия, характеризуемая полным отсутствием энергопотерь и весьма высокой равномерностью облучения; при поверхностном облучении - временное управление параметрами системы "облучатель - объект" (различные взаимные перемещения облучателя и источника), оптимизация параметров стационарной или динамичной фотометрической системы; при любом виде облучения - уменьшение неравновесности процесса облучения до оптимального значения, обеспечивающего повышение энергетических и (или) эксплуатационных характеристик технологического процесса. Для различных видов облучаемых сред, а такхе термодинамических типов ОЭТ технологические схемы, реализующие данные направления, отличаются своими особенностями.

?. Указанные в п. 6 направления реализованы с использованием такхе ряда других термодинамических принципов в технологических схемах УФ-стерилизатора жидких сред, противоточного поверхностного ИК-пас-теризатора хидкостей, ИК-облучателя с переизлучением энергии. Проведенные согласно методологии исследования рассмотренных ОЭТ АПК позволили построить их системные математические модели, изучить основные закономерности функционирования и определить оптимальные конструктивные и режимные параметры технических средств.

8. Экспериментальные исследования разработанных опытных образцов и партий новых технических средств подтвердили теоретические результаты и продемонстрировали эффективность применения к характерным технологическим процессам АПК разработанной прикладной термодинамической теории энергосОерехения в ОЭТ. Так. по сравнению с применямы-ми в настоящее время средствами получено повышение эффективности использования электроэнергии при УФ-стерилизации жидкостей - на 30... 50'/., ИК-пастернзации - на 20... ЗОЙ и ИК-обогреве поросят - на 15.. . 120'/- в зависимости от условий технологического процесса.

9. Созданная прикладная термодинамическая теория энергосберехення применима ко всем видам ОЭТ АПК и позволяет, согласно расчетам, повысить их среднюю приведенную эффективность на 25... 30'/. при тех хе затратах электроэнергии, что равнозначно сокращению энергопотерь на

15... 20% н экономии по отрасли около 2 млрд. кВт-ч электроэнергии в год при современном объеме получаемой вследствие оптического облучения продукции. Разработана программа дальнейших приложений разработанной теории к таким энергоемким и широко распространенным ОЭТ, как облучение растений и водорослей с целью фотосинтеза (эффект - фотонная работа) и терморадиацнонная сушка сельскохозяйственной продукции (эффект - работа через теплоту).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Медыковскнй H.A., Кравчук D.H., Щур И. 3. Режимы работы электрооблучательных установок // 0 дальнейшем развитии электрификации сельского хозяйства в свете постановлений июльского (1978) Пленума ЦК КПСС: Тез. докл. Всес. науч.-произв. совещ. - М. : ВИЭСХ, 1980. - С. 187.

2. A.c. 977227 СССР, МКИ В 60 L 5/10. Контактная головка токоприемника / Р. М. Пицан, В. Н. Винницкий, И. 3. Щур, Т. П. Пих. - Заявл. 20.11.80; Опубл. 30.11.82, Бюл. А 44. - 3 с.

3. Демчук М.В. , Щур И. 3. Изучение спектров ИК-нзлучения с помощью математической модели поверхности тела поросят // Тез. докл. Всес. науч. -произв. совещ. по прим. оптического излучения в с. -х. пр-ве при выполн. Прод. прогр. , Львов, 11-14 сент. 1984 г. - Львов. 1984. - С. 22.

4. Исследование характеристик инфракрасного облучателя с широким спектром излучения / М. В. Демчук, Б. И. Куриляк, И. 3. Щур, С. Г. Фили-пович // Тез. докл. Всес. науч. -произв. совещ. по прим. оптического излучения в с.-х. пр-ве при выполн. Прод. прогр., Львов, 11-14 сент. 1984 г. - Львов, 1984. - С. 68.

5. Повышение точности определения температуры ощущения / М. В. Демчук. Н. П. Карпинский, И. 3. Щур, С. Г. Филипович // Состояние и перспективы развития средств измерения температуры: Тез. докл. 5-й Всес. науч. -техн. конф. , Львов, нояб. 1984 г. - Львов, 1984. - Т. 2. - С. 84-85.

6. Карпов В. Н. , Щур И. 3. Зависимость эффективности использования электроэнергии от способа управления при инфракрасном обогреве поросят // Энергосберегающие технологические процессы с применением лучистой энергии: Сб. науч. тр. Ленингр. с.-х. ин-та. - Л., 1985. -С. 26-33.

7. Щур И.3. Технико-экономическое обоснование способов управления инфракрасным обогревом поросят // Энергосберегающие технологические процессы с применением лучистой энергии: Сб. тр. Ленингр. с.-х. ин-та. - Л., 1985. - С. 46-54.

8. Щур И. 3. Обогрев поросят-сосунов инфракрасными лучами средневолнового диапазона спектра // Молодые ученые - Продовольственной программе: Тез. докл. науч. -практ. конф. мол. ученых Львов, зоовет. ин-та, 24 апр. 1985 г. - Львов, 1985. - С. 130.

9. Карпов В. Н. , Щур И. 3. Метод определения энергетических параметров системы облучатель - объект при заданных форме и положении объекта // Автоматизация процессов послеуборочной обработки зерна : Сб. науч. тр. Ленингр. с. -х. ин-та. - Л. , 1985. - С. 60-68.

10. Стояновский С. В., Демчук М. В., Щур И. 3. Численные исследования энергетики инфракрасного облучения животных на спектральном уровне // Вестник сельскохозяйственной науки. - 1986. - Jé 7. - С. 108-115.

11. Щур И.З. Оптимизация с помощью ЭВМ фотометрического тела ИК обогревателя с лереизлучашнм теплоколлектором // Вклад молодых ученых в интенсификацию сельскохозяйственного произ- водства в свете требований XXVII съезда КПСС: Тез. докл. науч.- практ. конф. мол. ученых Львов, зоовет. ин-та, 14 мая 1986 г. - Львов, 1986. - С. 110-111.

12. Новый инфракрасный электрообогреватель молодняка сельскохозяйственных животных: Информ. листок о пер. произ. опыте / И. 3. Щур, Б. И. Куриляк, С. Г. Филипович и др. / Львовский террит. центр науч. -техн. информ. - Львов, 1986. - & 253-86. - 5 с.

13. А. с. 1455394 А1 СССР, МКИ Н 05 В 3/42. ¥ 24 С 15/22. Инфракрасный обогреватель / С. В. Стояновский, М. В. Демчук, В. Н. Карпов. И; 3. Щур и др. - Заявл. 08. 09.86; Опубл. 30.01.89. Бюл. Я 4. - 5 с.

14. Переизлучаьщий инфракрасный электрообогреватель молодняка сельскохозяйственных животных : Информ. листок о пер. произ. опыте / М. В. Демчук. Б. И. Куриляк, И. 3. Щур и др. / Львовский террит. центр науч. -техн. информ. - Львов, 1988. - И 88-027. - 5 с.

15. Щур 1.3. Моделювання об'екта об1гр1ву в систем! шфрачерво-ного опромшення поросят // Тези доп. наук, -виробн. конф. "Актуальн1 напрямки наукового забезпечення агропромислового комплексу зах1дних район1в УРСР", Льв1в. 25-26 с1чня 1990 р. - Льв1в. 1990. - С. 150.

16. Карпов В. Н. . Саакян А. 3. , Щур И.З. Безотражательный инфракрасный облучатель для животных // Техника в сельском хозяйстве. -1990. - И 1. - С. 51-52.

17. Щур И.З. Исследование влияния характера светораспределения ИК облучателя на эффективность обогрева поросят // Актуальные проблемы развития АПК (социальный, организационно-экономический, биологический и технический аспекты): Тез. докл. науч. -практ. конф. мол. ученых и спец. Белорусской СХА, г. Горки, май 1990 г. - Горки. 1990. -С. 180-181.

18. Щур И.З. Повышение эффективности лучистого отопления животноводческих помещений // Тез. докл. Всес. коорд. совет. "Итоги науч.-исслед. работ за 1986-1990 гг. и задачи НИР на период 1991-1995 гг. г. Львов. 25-30 сент. 1990 г. - Львов. 1990, ч. 1. -С. 131-132.

19. Щур И.З. Формализация показателя качества инфракрасного обогрева поросят // Энерго- и ресурсосберегающие технологические процессы оптического облучения: Сб. науч. тр. С.-Петербург, гос. аграр. ун-та. - С. -Петербург, 1992. - С. 39-45.

20. Щур 1.3. Розробка алгоритму системного досл1дження на ЕОМ енергетично! ефективност1 пфрачервоного об1гр1ву поросят // Тези доп. 49-1 наук.-виробн. конф. Льв1в. акад. вететинарно! медицпни. -Льв1в, 1992. - С. 70.

21. Щур И. 3. , Карпов В. Н. Математическое моделирование и иссле-.дование кварцевого трубчатого инфракрасного излучателя // Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве: Науч. тр. ВНИИЭСХ. - 1994. - Т. 81. - С. 92-109.

22. Щур И. 3. Термодинамическая характеристика лучистой энергии //Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК: Сб. науч. тр. С.-Петербург, гос. аграр. ун-та. - С.-Петербург, 1994. - С. 21-31.

23. Щур И.З., Карпов В. Н. Термодинамические аспекты равновесного излучения // Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК: Сб. науч. тр. С.-Петербург, гос. аграр. ун-та. - С.-Петербург, 1994. - С. 31-38.

24. Щур И. 3. Математическое моделирование и оптимизация фотометрических характеристик ПК облучателя с перепзлучением энергии // Энергосбережение в оптических электротехнологпях АПК: Сб. науч. тр. С.-Петербург, гос. аграр. ун-та. - С.-Петербург. 1994. - С. 64-77.

25. Щур 1.3. Термодинам1чний метод системного математичного мо-делювання прикладних електротехн1чних задач // Тези 1-1 MiiHap. наук. -техн. конф. "Математичне моделввання в електротехнш1 <1 елек-троенергетиц1", Львхв, 19-22 вересня 1995 р. - Льв1в. 1995. - С. 57-58.

26. Щур 1.3. Термодинам1чн1 аспекти впкорнстання оптичного ви-пр0м1нювання в тварпнннцтв1 // Матер1али 50-1 наук.-виробн. конф. Льв1в. акад. ветерпнарно! медицини iM. С. 3. Гжицького. - Льв1в.

1995. - С. 224-225.

27. Щур I. 3. ,, Токарчук 0.П. Обгрунтування технолог1чно! схеми 1нфрачервоно1 пастеризацП молока на.малих фермах // Матер1али 50-1 наук.-виробн. конф. Льв1в. акад. ветерннарно1 медицини iM. С. 3. Гхицького. - Льв1в, 1995. - С. 226-227.

28. Щур 1.3. , Пщан P.M. 0птим1зац1я електричних терморад1ац1й-нпх систем // Електроенергетичн1 та електромехашчн1 системи:. BicHiiK Дерх. ун-ту "Льв1вська пол1техн1ка". И 288. - Льв1в. Вита шк. Внд-во при Льв1в. ун-Ti, 1995. - С. 135-139.

29. Щур 1.3. Розробка ун1версального апарата для обробкп р1дин оптичним внпромшюванням в умовах фермерських господарств // MaTepi-али II Шжнародного м1жкафедрального симпоз1уыу з питань riricHU тварин, Льв1в, 16-18 вересня 1995 р. - Льв1в. 1996. - С. 199-202.

30. Карпов В. К. , Щур И. 3. Термодинамика оптических электротехнологий АПК: Основные теоретические положения и рекомендации по применению в научных исследованиях и учебном процессе. - С. -Петербург,

1996. - 89 с.

31. Щур И. 3. Системное моделирование энергоэнтроппйных потоков в оптических электротехнологпях / Львов. Академия ветеринарной медицины. - Львов, 1996. - 21 с. - Рус. - Деп. в УкрИНТЭИ 17.12.96. И 282 - Ук96.

32. Щур И.3. Термодинамическая оценка преобразования параметров оптического излучения в технологических схемах / Львов. Академия ветеринарной медицины. - Львов, 1996. - 14 с. - Рус. - Деп. в УкрИНТЭИ 17. 12. 96, Л 283 - Ук96.

33. Карпов В. Н. . Щур И. 3. Энергетика технологических процессов оптического облучення объектов АПК // Изв. РАН. Энергетика. - 1997.

- И Z. - С. 114-124.

34. Патент Л 17221 А. Укра!на, MKI А 23 L 3/26, А 23 С 3/07. Пристр1й для обробкп pifliiH оптичним вппромшюванням / Р. П.Кравщв, В.Н.Карпов, 1.3. Щур. - Л 95041868/549; Заявл. 21.04.95; Опубл. 01. 04. 97. - 5 с.

35. Щур И. 3. , Карпов В. Н. Термодинамические аспекты спектрального и пространственного распределений энергии оптнческкого излучения / С. -Петербург. Гос. аграр. ун-т. - С. -Петербург, 1997. - 27 с.

- Деп. в ВИНИТИ.

36. Щур 1.3. Оптшпзащя на БОН параметр1в та режш.ив хнфрачер-воного o6irpiBy поросят з допомогою математично! модел1 технолог1-чного процесу / Навчальний пос1бник для студент1в. acnipaHTiB та спец1ал1ст1в-тварпнник1в. - Льв1в, 1997. - 28 с.

Подписан к печати 2l.05.Sh. Формат бумаги 60x84 1/16. Усл.печат.листов 1,0. Зак. № Тираж 100.

Изготовлено НПФ "УкраТнсыа технологи" г.Львов-58, ул. 700-летия Львова,67, тел. 52-20-49, 52-03-61