CC BY
15
Пояснения к табл. 3:
В первом столбце таблицы перечислены все возможные вложения х на втором шаге решения задачи, не превосходящие S = 5. Во втором столбце - средства, оставшиеся от этих вложений. В третьем столбце - выигрыш на втором шаге от вложения средств х во второе предприятие (заполняется соответствующими значениями из столбца <Р2(х) табл. 1). В четвертом столбце представлены оптимальные выигрыши на всех оставшихся шагах (третьем, четвертом и пятом) при условии, что мы подошли к третьему шагу с оставшимися средствами (заполняется данными из столбца i = 3 табл. 2). В пятом столбце сформирована сумма двух выигрышей: шагового и оптимизированного при данном вложении х на втором шаге.
Из всех выигрышей последнего столбца выбирается максимальный (в таблице 3 он равен W2(5) = 3,9, а соответствующее ему управление х2(5) = i).
В случае, если во вспомогательной табл. 3 максимум выигрыша возникает не при одном, а при нескольких значениях х, то, как указано в литературе [6], совершенно безразлично какое из них выбрать. В общем случае в задачах динамического программирования решение не должно быть единственным.
Предложенную методику оптимального распределения ресурсов, построенную на использовании метода динамического программирования, можно с успехом использовать в энергетической сфере как при распределении энергетических потоков на предприятиях, производящих продукцию, так и имеющегося в энергосервисных компаниях энергетического оборудования. Это, в конечном счете, позволит оптимизировать энергетическую составляющую при решении задач повышения экономической эффективности функционирования как промышленных, так и сельскохозяйственных предприятий.
Литература
1. Карпов В.Н. Юлдашев З.Ш., Панкратов П.С. Энергосбережение в потребительских энергетических системах АПК: Монография. - СПб, 2012. - 125с.
2. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Показатели энергетической эффективности действующих агроинженерных (технических) систем: Монография. - СПб, 2014. - 160с.
3. Исаенко Д.А., Пиркин А.Г. Вероятностный подход к оценке энергетической эффективности функционирования поточных линий на предприятиях АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - №23. - С.434-441.
4. Исаенко Д.А., Пиркин А.Г., Пиркин К.А. Методика формирования поставки сырья для энерготехнологических поточных линий на предприятиях АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2013. -№33. - С.238-243.
5. Исаенко Д.А., Пиркин А.Г., Гулин C.B., Пиркин К.А. Оценка эффективности функционирования энерготехнологических линий поточных производств в аграрном секторе экономики// Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: Сб. науч. тр. / СПбГАУ. - СПб, 2014. - С. 349352.
6. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Сов.радио,1982. - 560 с.
УДК 621.311 Аспирант И.А. НЕМЦЕВ
(СПбГАУ, №ап_петсеу(й)Ьк.ги)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОЦЕССА НАГРЕВА ВОДЫ
Энергосбережение, энерготехнологический процесс, относительная энергоемкость результата, показатели энергоэффективности, универсальная энергетическая диаграмма
Задача энергосбережения в АПК носит комплексный характер: повышение потребления энергии в сельской местности на бытовые и производственные нужды (для обеспечения устойчивого развития) должно сопровождаться ускоренным темпом повышения эффективности её использования. Постановка задачи в такой формулировке должна учитывать необходимость обеспечения не только низкой энергоемкости продукции, но и комфортных социальных и производственных условий в сельской местности.
В настоящий момент на предприятиях АПК учёт энергоёмкости продукции ведётся статистическими методами [1] либо отсутствует. Это не позволяет вести глубокий энергетический анализ и осуществлять оперативное управление действующими техническими системами.
По мнению авторов [2], энергетический анализ должен быть основан на понятии эффективности как отношения теоретического минимума работы, необходимой для осуществления данного технологического процесса, к фактически затраченной полезной работе. Это определение даёт основание рассматривать задачу энергосбережения как оптимизационную, решение которой заключается не в снижении потребления энергии, а минимизации нецелевого расходования и повышении эффективности ее использования.
В рамках проводимого исследования для определения показателей эффективности был выбран метод конечных отношений (МКО) [3,4], разработанный научной школой «Эффективное использование энергии» СПбГАУ (рук. д.т.н. проф. Карпов В.Н.).
Целью данной работы является описание результатов эксперимента по определению показателя эффективности процесса нагрева при помощи универсальной энергетической диаграммы для подтверждения правомерности использования метода конечных отношений в отдельных энерготехнологических процессах.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
3. Проверить применимость теоретических положений метода конечных отношений путём проведения экспериментов по определению показателя энергетической эффективности отдельного энерготехнологического процесса.
4. При помощи универсальной энергетической диаграммы провести анализ энерготехнологического процесса для определения параметров энергоэффективности с целью выявления причин повышения относительной энергоемкости.
5. Сделать заключение о возможности применения универсальной энергетической диаграммы для формирования мероприятий по повышению энергетической эффективности на действующих предприятиях АПК.
Задача повышения энергоэффективности возникает только на действующем предприятии, когда реализуются всевозможные нагрузки оборудования, анализ которого может быть осуществлен только путём измерений. Результаты измерения расхода энергии должны сравниваться с теоретическими (расчётными). Используемый в исследовании метод конечных отношений (МКО) позволяет сделать такое сравнение и дать оценку каждому техническому элементу и процессу по показателю энергоэффективности.
В качестве примера использования метода конечных отношений для определения показателей энергоэффективности проведён анализ результатов энерготехнологического процесса нагрева воды, реализуемого при помощи накопительного водонагревателя типа ЭВБО-20/1,25. Основные параметры нагревателя: габаритные размеры - 360x300x270 мм; объём нагреваемой воды - 20 л; номинальная мощность ТЭН - Рн= 1,25 кВт; номинальное напряжение питающей сети - UH0M = 220В; нагреватель может эксплуатироваться в любых помещениях с температурой окружающего воздуха от +1 С до +40 С)[5].
Заданные в эксперименте технологические условия: начальная температура воды Тн=20 С, необходимая температура нагрева Тк=60 С (ДТ=40 С).
Для регистрации параметров энерготехнологического процесса была спроектирована и реализована информационно-измерительная система (ИИС) общий вид которой представлен на рис. 1 [6].
Основными элементами ИИС являются многоканальный электронный регистратор с сенсорным управлением Ф1771-АД, датчик тока ДНТ-051 и напряжения ДТТ-03Т RMS, электронный термометр (DTP IN) и датчик температуры ТСМ 50М.
В ходе предварительного анализа были выявлены два существенных фактора, влияющие на эффективность процесса:
1) температура окружающей среды. Увеличение разности температуры между нагреваемой и окружающей средой приводит к увеличению тепловых потерь через ограждающую поверхность;
2) отклонение питающего напряжения. Падение напряжения, вызванное неравномерностью нагрузки приводит к снижению мощности нагревательного элемента (ТЭН), вследствие чего уменьшается его тепловая отдача.
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки
Целью экспериментов является определение действующих параметров технологического процесса и оценка показателя энергоэффективности исследуемого объекта при различных значениях факторов, повышающих относительную энергоёмкость.
Первая серия экспериментов - исследование влияния температуры окружающей среды при номинальном значении напряжения сети: эксперимент № 1.1 - Токр=24 С; эксперимент № 1.2 - Токр = 1С.
Следует отметить, что на всех представленных в статье диаграммах присутствует теоретический контур, обозначенный цифрой 1, данные для построения которого рассчитываются по следующим формулам:
Минимальное количество энергии, гарантирующее получение заданного результата:
а, с,,,, = (}уд*(тк-тн), (1)
где (2уд — удельная энергоёмкость нагрева воды, кДж/°С, Тни Тк - начальная и конечная температуры нагрева, °С;
(уд = с * ш , (2)
где с - удельная теплоёмкость воды, кДж/кг °С [3], т - масса воды, кг.
Время нагрева определяется по номинальной мощности нагревателя:
^ = (3)
Исходные данные для построения диаграммы первой серии экспериментов, полученные при помощи ИИС, а также данные теоретического контура: температура окружающей среды Токр, потреблённая в процессе нагрева энергия время процесса! , приведены в табл. 1.
Таблица 1. Исходные данные первой серии экспериментов
№ т °с -•-окр, (2,кДж ^ с С)э
Теория 1/24 3352 2682 1
1.1 24 4165 3333 1,242
1.2 1 4687 3750 1,398
а) б)
Рис. 2. а) диаграмма энергоэффективности нагревателя в первой серии экспериментов; б) результаты
эксперимента №1.1(фото дисплея регистратора)
По результатам анализа диаграммы первой серии экспериментов (рис. 2а) были определены следующие показатели энергоэффективности процесса: потери энергии AQ, увеличение времени процесса At, скорость нагрева ДТ , средняя мощность нагревательного элемента (ТЭН) Рср, относительная энергоёмкость Q3 (табл. 2).
Таблица 2. Показатели энергоэффективности нагревателя в первой серии экспериментов
№ контура т °с -•-окр, AQ, кДж At, с а р 1 CD? кВт Р ДТ' ° С/сек У Q,
1 1/24 - - 5120' 0,015 45 1
2 24 813 651 51 20' 1,25 45 10' 0,012 5 Г 10' 1,242
3 1 1335 1068 4 Г 48' 0,011 54 26' 1,398
Выводы по первой серии экспериментов: Анализ диаграммы (рис. 2а) позволил определить параметры энергоэффективности процесса для каждого варианта экспериментальных условий. При Т0Кр=1 С относительная энергоемкость увеличилась на 24,2%, скорость нагрева снизилась на 19,5%, время процесса увеличилось на 24,3% относительно теоретических значений. При Токр = 24 С относительная энергоемкость увеличилась на 39,8%, скорость нагрева снизилась на 28,5%, время процесса увеличилось на 39,8% относительно теоретических значений.
Вторая серия экспериментов - исследование влияния напряжения сети при постоянной температуре окружающей среды Токр= 22 С.
Значения установившегося отклонения напряжения по ГОСТ 32144-2013 [8] не должно превышать ±10% от номинального, однако, на предприятиях АПК это значение зачастую выходит за установленные пределы, поэтому во второй серии экспериментов предусматриваются различные величины отклонения напряжения питающей сети, которые были смоделированы в лабораторных условиях при помощи автотрансформатора: 2.1 - 11факт= ином= 220 В; 2.2 - 11факт= 0,9ином=198 В; 2.3 - ифакт= 0,8ином= 176 В.
Результаты второй серии экспериментов приведены в табл. 2. Следует отметить, что для всех экспериментов второй серии среднее значение напряжения, установившегося в ходе процесса, не превышает 1% от задаваемого. Универсальная энергетическая диаграмма, построенная по результатам второй серии экспериментов, приведена на рис. 3.
Таблица 3. Результаты второй серии экспериментов
№ эксперимента иср,в 1ср,Л Рср, кВт (2,кДж t, с 0?
2.1 (иф) 220,019 5,759 1,267 4218 3330 1,258
2.2 (0,9UH) 198,057 5,296 1,049 4329 4130 1,292
2.3 (0,8UH) 176,056 4,828 0,85 4471 5260 1,334
По аналогии с первой серии экспериментов, анализ диаграммы второй серии экспериментов (рис. 3) выявил показатели энергоэффективности процессов (табл. 3). Теоретическое время нагрева tjeop для каждого эксперимента определяется по формуле (3), по значению средней мощности нагревательного элемента Рср.
Рис. 3. Диаграмма энергоэффективности нагревателя во второй серии экспериментов
Таблица 4. Показатели энергоэффективности нагревателя во второй серии экспериментов
№ контура (эксп-т) ^теор> С AQ, кДж At, с а Рср, Вт Р AT', °С/с У Q3
2(2.1) 2646 866 651 51°43' 1,267 45°1Г 0,0120 51°32' 1,259
3(2.2) 3198 977 1448 46°21' 1,049 39°4' 0,0097 52°15' 1,292
4(2.3) 3944 1119 2578 40°22' 0,850 32°30' 0,0076 53°8' 1,333
Выводы по второй серии экспериментов: при номинальном значении напряжения питающей сети ином, относительная энергоёмкость процесса повышается на 25,9%, скорость нагрева снижается на 20,53%, а время процесса нагрева увеличивается на 25,85% относительно теории. При снижении напряжения питающей сети нагревателя на 10% (0,9ином) относительная энергоёмкость процесса повышается на 29,2%, скорость нагрева снижается на 22,4% , а время процесса нагрева увеличивается на 29,1% относительно теории. При снижении напряжения в питающей сети нагревателя на 20% при (0,8ином) относительная энергоёмкость процесса повышается на 33,3%, скорость нагрева снижается на 24,75%, а время процесса нагрева увеличивается на 33,37% относительно теории.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Информационно-измерительная система, спроектированная для реализации метода конечных отношений, позволила в режиме реального времени получить данные об энергоэффективности процесса, численно определить значение относительной энергоемкости и вывести его на дисплей электронного регистратора (рис.26 и табл. 1), что может свидетельствовать о применимости выбранного метода конечных отношений (МКО) и достоверности полученных результатов.
2. Универсальная энергетическая диаграмма является удобным инструментом для анализа энерготехнологического процесса. Полученные с ее помощью параметры энергоэффективности процесса могут быть использованы для выявления причин повышения относительной энергоемкости.
3. Проведенные эксперименты подтвердили возможности проведения основных вычислительных процедур для определения энергоэффективности непосредственно на предприятиях АПК. Универсальная энергетическая диаграмма может использоваться для постоянного контроля показателей энергоэффективности любых процессов, а также формирования на их основе мероприятий по повышению энергетической эффективности.
Литература
1. Гордеев A.C. Энергосбережение в сельском хозяйстве: Учебное пособие / A.C. Гордеев, Д.Д. Огородников, И.В. Юдаев. - СПб.: Издательство «Лань», 2014. -400. ил.
2. Смит К. Эффективное использование электроэнергии/ Под ред. К. Смита; Пер. с англ. Д.Б. Вольфберга. - М.: Энергопромиздат, 1981. - 400 е., ил.
3. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение. Метод конечных отношений: Монография / СПбГАУ, 2010.
4. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение. Метод конечных отношений // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2013. -№ 2. - С.74-75.
5. Характеристики водонагревателя ЭВБО-20/1 Элвин [Электронный ресурс] URL: http://www.teplosezon.ra/shop/56/570 (дата обращения: 10.04.2015).
6. Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Немцев A.A., Немцев H.A. Концепция оценки топливно-энергетической эффективности производства в АПК // Известия международной академии аграрного образования. - 2014 -№20. -С. 35-41.
7. Теплоемкости удельные твердых веществ, жидкостей и газов [Электронный ресурс] URL: http://www.dpva.info/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAndTemperature/SpecificHeat (дата обращения: 3.04.2015).
8. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2013.
УДК 628.979:581.035 Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО
(СПбГАУ, Sergej 1964®)yandex.rii) Мл. науч. сотрудник E.H. РАКУТЬКО (ИАЭП, elena.rakutko(a)mail.ra)
ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАСТЕНИЙ С ПОЗИЦИЙ ПРИКЛАДНОЙ ТЕОРИИ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Прикладная теория энергосбережения, рассада, томат, продуктивность, энергоемкость, фотосинтез, спектр
Важнейшей задачей в АПК является обеспечение энергосбережения в применяемых технологических процессах. Одними из наиболее энергоемких являются процессы, связанные с использованием энергии оптического излучения (ОИ). Примером таких процессов является светокультура, то есть выращивание растений при искусственном облучении. Светокультура является характерным примером искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС), представляющей собой совокупность энергетических средств и биологических объектов, созданной с целью получения хозяйственного эффекта. В светокультуре достаточно большие затраты энергии
