автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Создание эффективных и надежных электроэнергетических систем теплиц, оборудованных малообъемными гидропонными установками

Р Г Б ОД

1 О АПР 1995

БЕЛОРУССКИЙ. АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 631.344.р: 631.589]: 621.3

ЛИПНИЦКИЙ Леонид Александрович

СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И НАДЕЖНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕПЛИЦ. ОБОРУДОВАННЫХ МАЛООБЖШШИ ГИДРОПОННЫМИ УСТАНОВКАМИ

Специальность: 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного1' производства

Авторе® е, р а т „диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1995

Работа выполнена 6 Беларусском аграрном техническом -университете ••.Л!У). ' • . . '

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент ААН Республики Беларусь Герасимович Л.С.

Официальные оппоненты:, доктор технических наук, старший

научный сотрудник Русан В. И.

кандидат технических наук, старший • научный сотрудник Кузьмич В.В.

•Оппонирующая организация: проектно - технологический институт

"Сельхоэтехпроект" (г. Минск)

' Защита состоится " « 1995 г • в _тч^~ча<зов на

заседании совета.по защите диссертаций К'120.84,01 в Белорусском ¿лрарном техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БАТУ. Автореферат

разослан "24» . марта. 199.5Гг. «

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю совета по адресу: 2?0608. 'Г. Минск-23, пр. Ф. Скорины, 99. БАТУ.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат технических наук, доцент

В.П. Степанцов

общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Развитие современного тепличного овощеводства в последнее десятилетие сориентировано на использование малообъемного гидропонного-выращивания, поскольку этот способ выращивания по сравнению с грунтовым позволяет получать более стабильные и высокие урожаи при значительном снижении трудозатрат, устранении ряда трудоемких технологических процессов, уменьшении расходов субстрата и питательного раствора, улучшении санитарно-гигиенические условий, труда. Но без создания для теплиц с малообъемной гидропоникой электроэнергетических систем: обогрева, вентиляции, приготовления и подачи питательного раствора, электрических систем управления режимами их работы . - не возможно эффективное использование этих теплиц.

Существующие электроэнергетические системы теплиц не отличаются высокой эффективностью и надежностью.. Применяемые в.теплицах с малообъемной гидропоникой системы обогрева были перенесены в них из грунтовых теплиц без учета особенностей новых систем выращивания. Используемые в теплицах системы вентиляции имеют сложное устройство с большим числом подвижных элементов, что приводит к частым выходам из строя и усложняет их управление. Кроме того, в теплый период года возникает необходимость снятия перегрева питательного раствора, приготавливаемого в растворных узлах гидропонных систем. Создание новых систем для теплиц с малообъемной гидропоникой требует и методик их • проектирования, а также создания электрических систем управления режимами их работы при повышенной надежности работы электрооборудования.

Решение указанных проблем приобретает- особую актуальность для Республики Беларусь, когда в условиях энергетического кризиса и усиления конкуренции ставятся вопросы рентабельности существущих тепличных хозяйств и перспективности их развития.

Исследования, результаты которюс. отражены в работе, проводились в соответствии с республиканской научно-технической "программой . "Ресурсосбережение" (задание 4.04) и планами НИР Белорусского аграрного технического. университета (тема N 90.6.385 и N 91.24.465). '

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение экономической эффективности теплиц, оборудованных малообъемныш гидропонными установками, путем создания для них эффективных и надежных электроэнергетических систем и разработки методик их проектирования.

Для решения поставленной цели ставятся следующие задачи исследований: - .

1. Создание физической и математической моделей теплового режима теплиц с воздушным обогревом, позволяющих производить анализ и определять оптимальный способ воздушного обогрева.

2. Разработка энергосберегающей системы воздушного обогрева теплиц с' малообъемкой гидропоникой,• методики расчета раздающих и магистральных воздуховодов, обеспечивающих равномерную раздачу теплоты, и надежной электрической системы управления режимами работы системы обогрева теплиц.

3. Разработка эффективной и надежной системы естественной вентиляции теплиц и электрической системы управления режимами ее работы с повышенной безотказностью работы электрооборудования.

4. разработка растворного узла, исключающего' перегрев питательного раствора, подаваемого к растениям, и электрической системы управления режимами его работы.

, 5. Проведение ■ лабораторных и натурных исследований разработанных систем обогрева, вентиляции и снятия перегрева питательного раствора для теплиц с малообъемными гидропонными установками.

Научная новизна полученных результатов заключается в создании фи: зической и математической моделей теплиц о воздушным обогревом, получении оптимальных теоретических зависимостей для раздающего и магистрального В.ОЗДУХОВОДОВ, создании эффективных систем обогрева, вентиляции и снятия перегрева питательного раствора для теплиц с малообъемной гидропоникой, надежных электрических систем управления режимами их работы. новых устройств малообъемных гидропонных установок и растворных узлов для приготовления питательного раствора.

Новизна разработок подтверждена 11 авторскими свидетельствами ссср. • ■ ■;.' ' * • . .

Практическая ценность полученных результатов. Разработанные на основе проведенных исследований электроэнергетические системы повышают надежность управления и.точность поддержания температурных параметров воздуха и раствора в теплицах с малообъемной гидропоникой при снижении расходов.тепловой и электрической энергии.

Разработанные системы прошли производственную проверку в совхозе "Субтропический" Адлерской овощной опытной станции и колхозе имени Орджоникидзе СмолевичсКого района Минской области и рекомендованы к внедрению. •'

. . Эедномическзя значимость полученных - результатов. Использование электроэнергетических систем в весенних теплицах, оборудованных малообъемными .гидропонными установками, позволит снизить мощность системы обогрева на.20-2535 и мощность электропривода на 40-45%.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: теоретическая модель теплиц с воздушным, обогревом, -зволяющая проводить сравнение и оптимальный расчет систем обогр«"\ :,,' -влять резервы снижения

энергии; методика расчета воздуховодов; системы обогрева, позволяющал. обеспечить равномерную раздачу теплоты по их длине; устройства электроэнергетических систем для теплиц' с малообъемной гидропоникой, отличающиеся эффективностью и.надежностью работы.

Личный вклад соискателя. Диссертация является самостоятельной научно-исследовательской работой, в которой на основании проведенных автором исследований получены физическая и математическая модели теплиц с воздушным обогревом, оптимизированные теоретические зависимости для раздающего и магистрального воздуховодов и разработаны вместе с соавторами электроэнергетические системы для теплиц с малообъемной • гидропоникой. ■

Апробация результатов диссертации. Основные положения работы доложены и одобрены на научной конференции профессорско-преподавательского состава й аспирантов (Киев, ' 1988 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в агропромышленном комплексе" (Киев, 1988 р.); конференции "Энергоснабжение в сельском хозяйстве" (Киев,'1990г.), научно-технических конференциях "Энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе" (Минск, 1990 г.), "Проблемы механизации, электрификации, автоматизации сельского хозяйства и подготовки инженерных кадров" (Минск, 1991 г.), "Моделирование сельскохозяйственных процессов и машин" (Минск, 1994 г.), "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1994 г.).'

■ Опубликованность результатов,- Основные результаты исследований изложены в 7 печатных работах, получено И авторских свидетельств.

Структура и. объем диссертации. Диссертация состоит'из введения, ' шести глав,' выводов, списка используемых источников и приложений. Полный объем диссертации составляет 146 страниц, включая 9 таблиц, 40 иллюстраций, список Используемых источников из 103 наименований (из них '7 на иностранных языках) и 5 приложений на 64 страницах. • ;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

В цервой главе дан анализ существующих гидропонных систем выращивания растений, систем обогрева и вентиляции теплиц, определены требования, предъявляемые к электроэнергетическим системам гидропонных теплиц. . ■ • •■'••' ; •

Установлено, что наиболее совершенной в защищенном грунте в настоящее время является технология малообъемного гидропонного выращивания растений,, получающая все более широкое распространение как у нас в стране. . так и за рубежом, При этом более надежными и легко оргадазуе-

мыми в наших условиях следует считать отечественные системы гидропонного выращивания в трубах, обладающие целым рядом преимуществ перед традиционными грунтовыми теплицами, но не имеющие совершенных систем обеспечения микроклимата.

Проведенный анализ систем обогрева показал, что наиболее экономичными в защищенном грще, в. том числе и в гидропонике, являются системы обогрева с нагревательными элементами, расположенными в нижней части теплицы, в зоне растений. При этом лучшей эффективностью отличаются системы с вынужденной конвекцией воздуха, обеспечивающие высокую равномерность поддержания температуры и минимальную инерционность в работе. ■ ■ -

Анализ систем вентиляции теплиц показал, что существующие системы естественной. вентиляции' теплиц , характеризуются достаточно высокой сложностью"устройства и низкой,надежностью в работе, что затрудняет использование электропривода и сказывается в итоге на поддержании микроклимата в сооружениях защищенного грунта. Кроме того, в гидропонных теплицах не решен вопрос снятия перегрева питательного раствора, подаваемого к растениям, что сказывается на их росте и развитии.

Несовершенство существующих ' Ьистем обогрева и снятия перегрева в гидропонных теплицах не позволяет обеспечить Надежное их управление и качественное регулирование микроклиматом^

С учетом полученных выводов определены цель и задачи исследований. "" " -.-•-"..:.

Во второй главе изложены теоретические, исследования энергетических режимов теплиц с воздушным обогревом с помощью созданных физической н математической моделей и дан их анализ.

В.известных моделях теплица рассматривается как единый объект с одинаковыми параметрами по всему объему без учета- влияния различных систем обогрева на распределение этих параметров в теплице. А, так как теплицы являются малойнерционнымй объектами, а системы обогрева, основанные на естественной конвекции, - обладают большой инерционностью, то при моделировании имел смысл остановиться на системах обогрева с вынужденной' конвекцией воздуха. " Поэтому была создана физическая модель теплицы с. воздушным обогревом,1 в которой зона растений была выделена в качестве . самостоятельного объекта, 'что привело к. появлению в теплице двух структурных элементов с усредненными параметрами: зона растений' (ЗР! и свободная зона (СЗ), - которые связаны между собой и с окружающей средой системой материально-энергетических связей. В зависимости от способа воздушного обогрева эти связи между элементами и характер их направления меняются.

Внутренними связями в физической'модели теплицы являются подач« ) системой о'богрева воздуха в теплицу, конвентивный поток теплого возд; ха из ЗР в СЗ или наоборот из СЗ.в-ЗР Ьс. Примерами внешних связи; являются теплопередача через ограждения теплицы, потек теплоты солнеч ной радиации йрад в теплицу, потоки эксфильтрирувщего Ьакс и инфильтрирующего Ьинф воздуха, мощность, - подводимая -к отопительным 0Г н смонтированным в теплице электроустановкам

Математические модели микроклимата в теплице для всех видов систем воздушного обогрева составляются из уравнений балансов энергии и расхода воздуха. Путем математических преобразований из двух уравнений теплового баланса для ЗР и СЗ были получены уравнения температур для этих зон. Вместе с уравненйями материального баланса воздушных потоков, уравнением теплового баланса для системы обогрева к уравнением естественной конвекции между ЗР и СЗ они создают'замкнутую систему уравнений, представленную в универсальном виде:

где • и 1с - температуры воздуха соответственно в ЗР и СЗ; Сц.Сщ.Ст.Сгг.дч.Ъг - универсальные коэффициенты уравнений для температур и 1с. .имеющие математическое выражение в зависимости от способа обогрева теплицы; - ¿¡~ый воздушный поток в'ЗР или СЗ; Св -теплоемкость воздуха, Л;об - температура нагретого воздуха на выходе из системы-обогрева; 1за6 - температура воздуха, забираемого.в "систему обогрева (при заборе снаружи теплицы это температура наружного воздуха (;„, а при рециркуляционном заборе температура или г0); Ц . к - поток воздуха в теплице, обусловленный естественной конвекцией и^определяемый температурами воздуха в ЗР и СЗ.

Для характерных схем воздушного обогрева теплиц из уравнений теплового баланса были получены значения коэффициентов уравнений для"температур воздуха в ЗР и СЗ, представленные в таблице 1, где к^! - коэффициент теплопередачи и площадь 1-го ограждения. 1рЛе -множество номеров ограждений в ЗР и СЗ. к„ - кратность воздухообмена;

(3)

(4)

(5)

(2) •

От - СВЬ(1;06 - 1зав);

.к~ ^ (^с» ^р),

'е. к

Таблица 1

Аналитические значения коэффициентов уравнений температур воздуха в зоне растений и свободной зоне для рассматриваемых способов

обогрева теплиц .

1 Коэффициенты ур-ний Способ обогрева

1 2 3 " 4

Сц

'"12 ЬсСв ЬсСв ЬсСв

1-21 0 0 ЬрСв ЬрСв

с22 ; 1|1^1Р1+ЬрСе+ЬэксСв ^к^+ЬрСв+КвУСв

^•¡К^^н+Ород" "Зисл +0рад"0исп +0радг0исп +0рад+0э" Оис Л

<¡2 ^^¡Р^Н+^ов+Оэ

1 - Тешгогенераторный обогрев с наружным забором воздуха и подачей его в свободную зону; 2 - Калориферный обогрев с рециркуляцией и раздачей воздуха в свободной зоне; 3 - Тешгогенераторный обогрев с наружным забором воздуха и раздачей его в зоне растений; 4 - Калориферный обогрев с рециркуляцией и раздачей воздуха в зоне растений.

V - объем теплицы.

Анализ коэффициентов уравнений (1) и (2) показывает, что они ьг только делают уравнения температур универсальными, но и имеют опрыш ленный физический смысл. Коэффициенты Си и Сгг характеризуют тепловые потоки, направленные соответственно из СЗ и ЗР. Коэффициенты С1г и с2, определяют теплообмен между ЗР и СЗ и характеризуют соответственно тепловые потоки из СЗ в ЗР и из ЗР в СЗ. Оставшиеся коэффициенты с^ и <32 характеризуют тепловые потоки соответственно • в ЗР и СЗ за исключе нием потоков внутри теплицы между ЗР и СЗ.

С помощью компьютера по математическим моделям были проведены аналитические исследования для типовой весенней теплицы при различных расчетных температурах, а также построены графические зависимости мощностей систем обогрева от наружной температуры. В результате было выявлено, ' что из существующих систем воздушного обогрева наиболее энергоемким является теплогенераторный обогрев с наружным забором воздуха и подачей его в свободную зону, а наиболее эффективным - рециркуляционный обогрев с подачей нагретого воздуха в зону растений.

Исследования показали, что такой способ математического моделирования теплиц позволяет,определять параметры микроклимата как в целом по теплице, так и в зоне растений при использовании различных систем воздушного обогрева, проводить аналитическое и числовое сравнение существующих систем обогрева и определять'оптимальный обогрев.теплицы с наименьшим расходом тепловой и электрической энергии при соблюдении заданных значений температуры непосредственно около растений..

В третьей главе приведены описание энергосберегающей системы воздушного обогрева теплиц с малообъемной гидропоникой, теоретические исследования и математические модели тепловых режимов воздуховодов - системы обогрева, электрическая система управления воздушным обогревом.

Особенностью малообъемных гидропонных .систем является незначительный объем зоны корневого питания растений,. что ,требует создания благоприятных условий для усвоения элементов питания корневой системой за счет ее обогрева. Учитывая это, полученные в предыдущей главе, результаты теоретических исследований и требования, предъявляемые к гидропонному выращиванию растений, была разработана энергосберегающая система воздушного обогрева растений, выращиваемых способом малообьемной гидропоники в трубах или желобах, защищенная авторским свидетельством.' .Система . представляет собой воздушно-калориферную' установку с системой воздуховодов. Раздающие воздуховоды выполнены из эластичной., полимерной. например полиэтиленовой, пленки и крепятся к нижней поверхности труб с растениями.с помощь» натянутых вдоль них струи. В воздуховодах

по обе стороны от труб, вблизи их поверхности, выполнены выпускные перфорационные отверстия (рис.1). В результате суруи теплого воздуха, выходящего изн' отверстий, настилаются на боковые поверхности труб, обеспечивая хороший тепловой контакт между нагретым воздухом и трубой. Обогрев воздушного пространства зоны растений осуществляется за счет теплопередачи через стенки воздуховодов и теплоты, поступающей вместе с неизо-Рис. 1. Элемент конструкции ма- термическими струями в воздушное лообъемной гидропонной установки пространство. Расположение воздухо-с воздушным обогревом. водов под трубами позволяет добить-

ся , чтобы температура и скорость воздуха, поступающего в зону размещения растений,- не превышали допустимых значений за счёт снижения их на участке струи, обтекающем боковые поверхности труб.

При расчете воздуховодов, встает вопрос обеспечения равномерного распределения теплоты по длине воздуховодов. При этом, как показала практика, с экономической и технической точек зрения лучше рассматривать воздуховоды постоянного диаметра с равномерной перфорацией по их длине. Уравнение теплоотдачи через стенки и отверстия равномерно перфорированного раздающего воздуховода имеет вид (Куртенер Д.А.):

Чо

1/р-созЩИ1~Ш + 1

1/р-соз(м?) +1

tg(^ií72)

(6)

а уравнение теплоотдачи через отверстия для магистрального воздуховода было получено путем, математических преобразований на основе уравнения теплового баланса для элементарного участка воздуховода:

Ч - Чо

соз [цГ(1-1)} 'СОБ (Д?)

tg[дf.(l-l)/2]

'где р = п- ЫгИдИЛцШ.

(7)

(8)

В уравнениях (6)...(8) величины имеют следующее значение: Я - теплоотдача для текущего значения длины 1 воздуховода;

<Зо

.теплоотдача в начале воздуховода; 1-1/1003 - относительное значение )'.1!':'Лояния- от -начала ло рассматриваем"го (;?ч<?ния воздухорадо; )В05

полная длина воздуховода; ? - относительная величина площади выпускных отверстий, представляющая отношение суммарной площади выпускных отверстий к площади сечения воздуховода; ; п - безразмерный конструктивный параметр, задаваемый другими параметрами воздуховода; д - коэффициент расхода через выпускные отверстия. ' _

По уравнениям (6) и (7) были проведены теоретические "исследования изменения теплоотдачи по длине воздуховода. Они показали, что теплоотдача увеличивается вначале воздуховода,. достигая максимального значения, а затем уменьшается к концу воздуховода. Из уравнений (6). и (7) видно, что" изменение^теплоотдачи q зависит от_безразмерного параметра п и относительной площади выпускных отверстий f.. Поскольку параметр п задается другими конструктивными параметрами воздуховода, то на характер изменения теплоотдачи можно влиять о помощью относительной величины выпускных отверстий ?.

Задача исследований заключается в поиске такого значения f , при котором неравномерность теплоотдачи по длине воздуховода будет : минимальной для заданного значения конструктивного параметра il . Для этого необходимо, чтобы отклонение между максимальным и минимальным значениями теплоотдачи было наименее'возможным; - В этом случае'интерес представляет характер изменения отклонений между максимальным значением

теплоотдачи qmax и начальным q0 и между максимальным q„aX и значением теплоотдачи.q0.э в точке 1 = 0,9, где q = q/q0.

В результате было выявлено, что оптимизация будет сводиться к определению значений относительной величины площади выпускных отвфстя,» ?. для Которых неравномерность теплоотдачи Е, описываемая уравнением:

i El = Чшах - i . . '

- Е =тах < _ , • (9)

I Е2 = qmax - Чо.д. '

будет мийицальной. ."'":''

На основании поставленного условия оптимизации были' разработаны компьютерные программы дда раздающего и магистрального воздуховодов, с ' помощью которых были построены'графические зависимости- относительной величины отверстий f от безразмерного параметра п. .для которых нерав-". номерность теплоотдачи Е по длине воздуховодов'будет минимальной., По-- • лученные зависимости f(п) использованы в методике инженерных расчетов, раздающих и магистральных воздуховодов системы обогрева теплиц. •' ' Поскольку теплица обладает малой тепловой инерционностью , то- ■ ризкая надежность работы электрооборудования может привести К быстрому"

ее охлаждению. Для предупреждения подобных явлений была создана электрическая система управления.режимами работы'системы'обогрева, позволяющая поддерживать' требуемую температуру в теплице при неполнофазном режиме работы вентилятора или выходе из. строя регулирующей задвижки калорифера и' обеспечивающая защиту калорифера от замораживания. В случае исчезновения*напряжения в одной.из, фаз питающей сети напряжение на оборваннуюй фазу подается через конденсатор с другой фазы. При выходе из строя двигателя, задвижки калорифера управление вентилятором и калорифером передается аварийной системе управления.

В четвертой главе приведены описания систем 'снятия перегрева в теплице, методики расчета естественной вентиляции и теплообменника, системы охлаждения питательного раствора, электрические системы, управления режимами работы вентиляции и растворного узла., оборудованного устройством охлаждения питательного раствора.

Поскольку существующие вентиляционные системы теплиц отличаются достаточно, большой сложностью и низкой надежностью работы, то была разработана простая'и надежная система вентиляции, защищенная авторским свидетельством (рис.'2). Она включает расположенные в. боковых вент-каналах решетчатые каркасы 1 и вентканале кровли вытяжную шахту' 2. В вентиляционных каналах размещаются эластичные рукава ¡3 с заглушёнными с одной стороны торцами,' закрепленные -при помощи расположенных в них тросов • 4 в шахте и решетчатых каркасах., Незаглушенные торцы рукавов присоединяются к выходам вентиляторов, для работы которых достаточно минимальной мощности электропривода.. ■ . . - *

При отсутствии необходимости воздухообмена в теплице -вентиляторы

зультате эластичные-. рукава перекрывают вентканалы. При необходимости вентиляции в теплице вентиляторы отключаются, а эластичные рукава сдуваются, обес- о . печивая воздухообмен через вен- § тиляционные каналы. ,

Разработанная система вен- Ц тиляции характеризуется просто- « той устройства, малой металл.,-, емкостью, ' повышенной надежностью и низкими эксплуатационными расходами.

Кроме снятия перегрева воздуха, для малообъемной гидропоники, . встает вопрос снижения температуры питательного раствора, который приготавлива-'

ется в растворном узле и нас'о- Рис. 3. Система "'охлаждения'

сом подается в напорную ем- ' ■ питательного раствора, кость, обеспечивающую производительность капельной системы полива (рис. 3). Для охлаждения питательного раствора, подаваемого из напорной емкости 1 к растениям, растворный узел оборудован теплообменником 2 с увлажнителем 3, расположенными, в траншее 4 на глубине, где температура грунта, не превышает 5-10°С (конструкции растворного узла и системы охлаждения .раствора защищены авторскими свидетельствами), Траншея заполнена песком, увлажняемым холодной водой через увлажнитель. Из на-'' порной емкости питательный раствор может поступать, в распределительный ■ коллектор 5 капельной системы полива непосредственно или через теплообменник, где охлаждается, отдавая теплоту увлажненному грунту. Требуемая температура раствора достигается путем смешивания с помощью электрифицированной задвижки.6 теплого и ■охлажденного питательного раствора на входе в распределительный коллектор. Это позволяет избе-' жать перегрева и кислородного голодания.корневой системы, благоприятно сказывается на усвоении ею элементов питания .,

Методика расчета системы естественной вентиляции теплицы сводится к определению минимально необходимой величины вентиляционных каналов в •'увиоимости от требуемого воздухообмена. Методика расчета теплообменник! в системе охлаждения раствора заключается в нахождении по величине отоираемой . теплоты требуемой площади поверхности теплообмена, 'по

которой определяют конструктивные размеры теплообменника шшу и 'дна-мбтр трубок). • ■ ■ ;

Электрическая система управления вентиляцией обеспечивает ее ра-ооту в зависимости от температуры воздуха в теплице, в том числе при исчезновении, напряжения в одной из фаз питающий сети или выходе из строя двигателя^ основного вентилятора за.счет включения резервного. Для обеспечения работоспособности двигателя резервного • вентилятора в период работы основного в условиях повышенной влажности предусмотрено устройство подогрева обмоток двигателя' током.

Электрическая система управления режимами работы растворного, узла с устройством охлаждения включает управление работой двигателей мешалок- .и насоса растворного узла и управление поливом растений, в том числе двигателем задвижки,-, регулирующей расход раствора через'систему охлаждения. Для обеспечения надежности питания цепи управления поливом предусмотрена система резервирования питания этой цепи, обеспечивающая ее'работу при наличии напряжения хотя'бы в одной из фаз сети.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований, . выполненных для .оценки эффективности предложенных электроэнергетических систем и полученных методик расчета. ' -

Для исследования характера изменения теплоотдачи и ее неравномерности по длине воздуховодов были проведены испытания ■ воздуховодов в лабораторных условиях, Воздуховоды были раз'биты контрольными сечениями на ряд расчетных участков,' в каждом из которых определялось значение теплоотдачи по- величине избыточной температуры и расхода воздуха в контрольных;сечениях. Проверка; проведенная с помощью критериев согласия, показала, что во всех проведенных опытах полученные тёоретические зависимости.теплоотдачи хорошо согласуются с экспериментальными данными. . Результаты исследований также показали, что разность между экспериментальной и теоретической неравномерностями теплоотдачи укладывается в пределах доверительного интервала. Это позволяет утверждать, что полученные зависимости f (п.) могут быть использованы в методике расчета воздуховодов системы обогрева. ' ".

•Ç цеЛью "экспериментальной 'оценки' математических моделей теплиц с воздушным ,. обогревом и перфорированных' воздуховодов с равномерной раздачей 'теплоты были проведены вдтурные исследования в ангарных, пленочных теплицах.'; Если при расположении раздающих вог^уховодов в верхней '¡зоне теплицы неравномерность температур воздуха между зоной растений и свободной зоной составляла 7°Г1 '. то в разработанной', системе' обогрева она была'в пределах 1°С. При-этом в последам случае температура в зоне ксрнвобитания. была, всего на 1.0-1-.'> .'■• гз температуры воздуха в

зоне растений, что соответствует агротехническим нормам.'Был рассчитан коэффициент эффективности, используемый для оценки систем обогрева теплиц. Для разработанной системы обогрева он был близок к 1, что свидетельствует о совершенстве ' системы обогрева. Были также выполнены исследования, скорости и характера движения воздуха. Они показали, что струи воздуха настилаются на Соковые стенки желобов, обогревая корневую систему, а скорость воздуха на входе в зону надземной части растений не превышает 0,1 м/с, 'что удовлетворяет агротехническим .требовани ям, допускающим скорость 1-2 м/й. ••■;■'

При исследований системы- вентиляции было проведено ее сравнение с существующей системой, которая была,смонтирована в аналогичной'соседней теплице и предсЖляла собой трансформируемое пленочное покрытие, наворачиваемое на вращающиеся бобины. Б теплице с разработанной системой вентиляции трансформируемое покрытие было заменено на пленочные рукава, размещенные в решетчатых каркасах. Были сняты кривые охлаждения в верхней и нижней точках зоны.растений, При меньшем времени открытия разработанная система вентиляции позволяет более быстро снимать перегрев. При практически одинаковой постоянной времени Т0 около*2 мин время запаздывания разработанной системы составило 1 » 0,4 мин против •с = 1,56 мин для существующей.

Для проверки эффективности системы охлаждения питательного, раствора на выходе напорной емкооти растворного узла был смонтирован теплообменник, расчитанный по предложенной методике. Температура раствора при эксперименте снижалась с 32"с до 20,5вспри заданном расходе 0,3 м/с, что хорошо согласовывалось с расчетными значениями. Таким образом, предложенные системы вентиляции И охлаждения питательного раствора обеспечивают требуемые температурные параметры в теплице*и позволит эффективно бороться с перегревом. " •

В шестой главе дано технико-экономическое сравнение' существующих и разработанных электроэнергетических систем в ангарной пленочной теплице площадью ,500 мг, используемой в качестве рабочего модуля для малообъемной гидропоники.., Это сравнение показало. , что использование в -ней новых, систем дает снижение мощности системы обогрева на 54 кВт. снижение мощности электропривода на 2,4 кВт, годовую экономию энергии ' 449 ГДж и полимерной пленки до 194 мг, удельный годовой расход тепловой энергии на единицу продукции при выращивании томатов составляет о, 08 Г'Дж/кг против 0,196 ГДж/кг при использовании существующих систем рнгащивчнлл и обеспечения параметров микроклимата. Повышение надежности работы разработанных электрических схем управлгзния привело к увеличению .наработки на отказ в 1,4-1,7 раза.

' ВЫВОДЫ

1. Применяемые в настоящее время в теплицах, оборудованных малообъемными. гидропонными 'установками,' электроэнергетические системы, (обогрева, . вентиляции,' 'приготовления и подачи питательного раствора, системы управления режимами их работы) являются малоэффективными и не-" достаточно,надежными. . " •■ '.- '.

2, Рассмотрение теплицы ввиде двух структурных элементов с.усредненными параметрами: зоны растений и свободной зоны, - позволило создать физические'.и математические модели теплиц с воздушным обогревом, с помощью' которых можно производить аналитическое и числовое сравнение этих систем обогрева и,выявлять резервы экономии тепловой и 'электрической энергии'/ На основе, этих моделей составлены программы их расчета на компьютере и выявлен наиболеё оптимальный спосо'б обогрева теплиц.

,, 3. Для обеспечения равномерного и экономичного обогрева воздуха и зоны корнеобитания малообьемных гидропонных установок рекомендована система; - воздушного обогрева,., позволяющая снизить затраты тепловой и электрической.энергии и.обеспечить равномерность йоддержания температурного '.режима в пределах ± 1,0рс. ' ';.

4., В'результате теоретических исследований изменения теплоотдачи по длине воздуховодов'с,использованием компьютера получены графические зависимости относительной площади выпускных отверстий 7 от безразмерного-конструктивного параметра п для раздающего и магистрального воздуховодов, позволяющие обеспечить минимальную неравномерность 'теплоотдачи ,Е по д)рше. воздуховода. ; Полученные зависимости положены в основу методики расчета .воздуховодов системы воздушного обогрева теплиц'. >'.- ' 5. С .учетом теплотехнических особенностей теплиц и созданной сис- ' темы обогрева.разработана'электрическая система управления режимами работы' вентилятора и калорифера," позволяющая обеспечить надежную их работу аа счет повышения-безотказности электрооборудования.

:■ Для • снятия перегрева растений, в теплицах с малообъемной гидро-.цоиикой предложены устройства .систем естественной-вентиляции и охлаждения-" питательного раствора, и-методики их расчета,' позволяющие обеспе-дать требуемые температурные параметры воздуха и раствора в-теплице и способствующие нормальному развитию растений, '■ а также электрические системы управления режимами их работы.'обеспечивающие надежность функционирования разработанных ,устройств при сбоях в работе, электрообору-, дования. • Г • ' . - .

.; 7. Проведенные лабораторные и натурные экспериментальные исследования' позволили установить/ соответствие разработанных теоретических

моделей и зависимостей экспериментальным данным. ■ а такясе высокую эффективность разработанных электроэнергетических систем в теплицах с малообъемной гидропоникой. '

8.Внедрение разработанных электроэнергетических . систем в весенних' пленочных теплицах позволит снизить мощность. системы обогрева на 20-25Я, мощность электропривода на 40-45%. сэкономить' 43% полимерной пленкй на оборудование системы вентиляции, повысить надежность работы электрических схем управления в 1.4-1,7 раза; обеспечить Удельный годовой расход тепловой; энергии,при выращивании томатов 0,08.ГДж/кг про-, тив 0,196 ГДж/кг. при Использовании существующих систем. .. Разработанные электроэнергетический системы защищены 11 авторскими- свидетельствами, прошли .производственную проверку в совхозе "Субтропический" Адлерской овощной, опытной стайции и колхозе имени Орджоникидзе■ Смолевичского. района Минской . области и рекомендуются Для внедрения в теплицах с малообъемными -системами выращивания растений. \

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Герасимович Л.С... Липницкий Л.А. Энергосберегающая система малообъемного гидропонного выращивания растений; в защищенном Ьрунте //Энергосберегающие сельскохозяйственные процессы и установки: • Сб.научи, тр. -Горки. 1991. -С. 5-9. . '

2.' Герасимович Л.С..Липницкий Л.А..Синяков А.Л. Эффективная система выращивания растений в малообъемных гидропонных установках //Проблемы механизации, электрификации, автоматизации сельского .хозяйства и подготовки инженерных кадров: Материалы научн. -техн. конф.,т.Минск416-19 апр. 1991 Г. -;Мн\. 1991. -С. 94-95.

3. Герасимович Л.С.,Липницкий Л.А..Синяков А.Л.; Эффективный.способ вентиляции весенних теплиц.- Кн.: Бел.фил. ВНИИТЭИагропром, 1992.- '4 с. '

'4. Герасимович Л.С..Липницкий Л.А..Синяков А.Л;,Тарасенко В.С. Система управления гидропонной установкой //Технические средства и системы управления сельскохозяйственными-электроустановками: Сб. научн. тр. -Горки, 1995.-С. 17-20. . .. .

•5. Герасимович Л.С.,Сдаяков А.Л..Липницкий Л,А. Управляемая система-вентиляции теплицы//Технические средства и системы управления сельскохозяйственными электроустановками: Сб.на'у^. тр. -Горки, 1993. - С. 20-23." .

6. Герасимович Л. С., Липницкий Л. А., Синяков. А. Л., Тарасенко В. С. Энергосберегающая технология й оборудование для выращивания овощей в теплицах // Ресурсосберегающие'и экологически чистые технологии:.'Материалы научн.-техн. конф.г. Гродно,' 28-30 июня 1994 г. - Гродно,' 1994. -с; 120-121. . .

7. Герасимович-Л,С.. Липницкий Л.-А., Синяков А.Л.. Коротинский В.А.

Новая система вентиляции пленочных теплиц // Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии: Материалы научн.-техн.' конф., г. Гродно, 28-30 июня 1994 г. - Гродно. 1994.-С.122.

8. А. с. 1442131.СССР. МКИ А 0Ю 9/14; Устройство для выращивания растений /Л. с: Герасимович, , Л. А. Липницкий, В. С.Тарасенко, А. В. Смердов.-Н 4243829/30-15; Заявлено'.И. 05. 37; Опубликовано 07.12.88> Бюл.М45.-Зс.

9. А.с. 1576061 - СССР, , МКИ А 01 й 31/02. .Гидропонная установка /Л.С.Герасимович,•■ Л.А.Липницкий. В.С.Тарасенко. -N 4468110/30-15; За-яелено 01.08.-88; Опубл. 07,07-90. Б.юл. И ,25.-4с.

.10, А. с. 1687111 СССР, МКИ А 01 в. 9/14. Теплица /Я. С. Герасимович,. А. Л. Синяков, Л,А. Липницкий, В. С. Тарасенко. -N4732075/15; Заявлено Л2.08.89; Опубл, 30.10.91, Бил. Н 40-.- 3 с.

-11.. А. с. •1720592 'СССР,МКИ А 01 С 31/02. Гидропонная установка /Л. С. Герасимович, А-. Л. Синяков, - . Л. А. Липницкий. ' В. С. Тарасенко. - N 1794015/15,- " Заявлено 22.02.90; Опубл. 23.03.92. Бил. N11. -3 с. • •

12.- А, с, 1727719 СССР. МКИ А 01 в 31/02. ' Гидропонная установка /Л.С.Герасимович,' 'Л.А^Липницкий, А.Л.Синяков; В.С.Тарасенко.- N 4823850/15.' Заявлено 07.05.90; ' Опубл. 23.04.'92, Бюл. N15,- 3 с. ■

.. 13; А. с.. 1777721 СССР, МКИ А 01 -в 31/02. Гидропонная установка/Л. С. Герасимович, А. Л, Синяков, Л. А. Липницкий, В. С. Тарасенко, А. С. Ермолович.---Ц 4916992/15; Заявлено 05. 03.91; "Опубликовано'30.11.92, Бюл.М4.- 3 с. .

- 14. А. с. 1789137 'СССР.МКИ. А 01 б 31/02.. Гидропонная установка/ Л. С. Герасимович, А. Л. Синяков, Л. А, Липницкий, А. Г, Цубанов_. - Н 172.0592; Заявлено -22. 01.91; Опубл. 23. 01.93, Брл. N 3. - 3 С.

15: А.с. 'по.'зайвке N 4933908/15,МКИ А 01 0.31/02. Растворный узел для приготовления' и подачи питательного раствора /В.С.Тарасенко, Л:С.Герасимович, Л. А.Липницкий, А. Л. Синяков, Е.В.Сдобин. -Заявлено 05.05.91; Положительное 'решение от-24.10.91. - 3 с.

.1.6. • А. с. по' заявке N 5023089/15, МКИ А 01 в 31/02. Растворный узел ¡{Г,я приготовления и подачи питательного раствора /А. Л. Синяков, Л. С. Герасимович, Л. к. Липницкий, В. С. Тарасенко, Е. В. Сдобин. -. Заявлено .22.01.92; Положительное- решение от 19.05.92. -3 с.

17.' А.с.' 110 заявке N. 5028404/15.МКИ А 01 С 31/02. Растворный узел для приготовления,й'подачи питательного раствора /А.Л. Синяков, л. А. Липницкий, а. Г.Цубанов.-Заявлено 24.02.92; -Положительное решение • от 21.05.'92;- 3 'с. ', .' ■.', ''. ''..•'

'• .18, а. с. - по 'заявко к 5023691/15, МКИ А 01 С 31/02.' Растворный узел для приготовления й цздачи питательного раствора /Л. С.Герасимо-рич, Л.Синяков.Л. а.Липницкий. В.С.Тарасенко,- -К.в.Сдо'бий. В.А.Коро-тичокий.- Зчярл?нп Р4.02.92; Положительное г от 21.05.92. - 3 с.

РЕЗЮМЕ

Липницкий Леонид Александрович "Создание эффективных и надежны... электроэнергетических систем для теплиц, оборудованных малообъемными гидропонными установками".

Обогрев, вентиляция, перегрев, растворный узел, электрическая система управления, малообъемная гидропоника, теплица.

Объектом исследования являются теплицы, оборудованные малообъемными гидропонными установками. Целью работы является повышение экономической эффективности указанных теплиц путем создания для них эффективных и надежных электроэнергетических систем и разработки методик их проектирования. В работе приведены новые теоретические модели теплиц с воздушным обогревом и зависимости для воздуховодов системы обогрева, устройства систем обогрева, вентиляции и снятия перегрева питательного раствора, электрические системы управления режимами их работы. Разработанные системы прошли производственную проверку и рекомендованы к внедрению в теплицах.

рэзгаэ

Л1пн1цк1 Леан1д Аляксандрав1ч "Стварэнне эфекть$ных 1 надзейных электраэнергетычных сЮтэм цяплШ, абсталяваных малааб'ёмным! г!драпонным1 Установкам!".

Абаграванне, вентыляцыя, перагрзв, растворны вузел, электрычная сютэма к1равання, малааб'.емная г1драпон1ка, цяплща.

Аб'ектам даследавання з'ярляюцца цягШцы. абсталяваные. малааб'ем-ным1 г!драпонным1 Установкам!. Цэльп правд з'я^ляецца павышэнне экана-м!чнай эфектыунасщ названых цяплШ шляхам стварэння для 1х эфекты^шх 1 надзейных электраэнергетычных сЮтэм 1 распрацо?к1 методык 1х праек-тавання. У працы прыведзены новыя тэарэтычныя мадэл1 цяплЩ"3 паветра-ным абаграваннем 1 залежнасЩ для паветраводаУ с1стэмн абагравання, устройства с1стэм абагравання. вентыляцы1 i зняцця перагрэва пажы^нагл раствора, электрычныя сЮтэмы К1равання рэжымам! IX работы. Распрзпа-ваныя с!стэмы прайшл1 вытворчую праверку 1 рэкамендаваны к , укараненни р цяпл1цах.

SUMMARY

Llpnltzky Leonld Alexandrovltch Maklng Effective and P.ellable Elect-l'ical Energy Systems of GreenHouses wlthSmall volume Hydropcnics .

Heating, ventilation, overheatlng. solutions plant.. electticU control .system. small volume hydroponlcs, greenhouse.

The test object Is greenhouses equipped with small volume hydro-Mc3. The research purpose Is to Increase economic effectiveness of mentioned greenhouses by making effective and reliable electrical -Tgy systems for them and by elaboration methods of their project, •f theoretical models of greenhouses with air „'heating and interrela-..'is for alrtubes In the heating system, constructions systems of he-•ng, ventilation, nutrient solution cooling, electrical control sys-■ for their operations are given in the thesis. The worked out sys- were examined In production and they are recommended for appllca-in greenhouses.

IIofiDHoaBo k rrriath 23.111.1935 r. '¡»pmat 60x84 I/I6. C6ieM 1 nen.Ji. JaKa3 343. Tiipax 70. lieciuanio.

Oine'ifjtajio h;i poTaiipnme KATy. Mkhck, np.'t.CKopuHH, 9'J, k.I,