CC BY
42
4. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года: государственная программа Российской Федерации (утв. распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 г. № 2446-р) [Электронный ресурс] // Государственная информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности: сайт. URL: http://gisee.ru/upload/iblock/68a/.doc (дата обращения: 10.01.2013).
5. Энергоэффективность и развитие энергетики: государственная программа Российской Федерации (утв. постановлением Правительства РФ от 15.04.2014 г. № 321 г.) [Электронный ресурс]. URL: http://pravo.gov.ru/laws/acts/37/515049.html (дата обращения 27.05.2014).
ГОЛУБЦОВ НИКОЛАЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения, Нижегородский военный институт инженерных войск, Россия, Нижний Новгород ([email protected]).
GOLUBTSOV NIKOLAY - candidate of technical sciences, associate professor of Electricity Chair, Nizhny Novgorod Military Institute of Engineers, Russia, Nizhny Novgorod.
ЕФРЕМОВ ЛЕОНИД ГЕОРГИЕВИЧ - доктор экономических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
EFREMOV LEONID - doctor of economics sciences, professor of Electricity Industry Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ФЕДОРОВ ОЛЕГ ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры управления инновационной деятельностью, Нижегородский государственный технический университет, Россия, Нижний Новгород ([email protected]).
FYODOROV OLEG - doctor of technical sciences, professor of Management Innovation Chair, Nizhny Novgorod State Technical University, Russia, Nizhny Novgorod.
УДК 637.02 ББК 36.92
НА. ЗУЕВА, М.В. БЕЛОВА, Г.В. НОВИКОВА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КИШЕЧНОГО СЫРЬЯ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ
Ключевые слова: сверхвысокочастотный и ультразвуковой генераторы, кишечное сырье убойных животных, кольцевой волновод, сферический резонатор.
Обоснованы эффективные режимы работы установки для обработки кишечного сырья с использованием матрицы планирования трехфакторного эксперимента. Построены двухмерные сечения в изолиниях в зависимости от мощности ультразвуковых, сверхвысокочастотных генераторов и массы загрузки сырья.
N. гиЕУА, M. BELOVA, G. ]ЧОУ1КОУА DETERMINATION OF THE EFFECTIVE PARAMETERS OF INSTALLATION
FOR PROCESSING OF RAW INTESTINES SLAUGHTERED ANIMALS Key words: superhigh frequency and ultrasonic generators, raw slaughter animals, circular waveguide, the spherical resonator.
Justification effective modes of operation of installations for the processing of the intestinal raw materials using the matrix planning three-factor experiment. Built the two-dimensional cross-sections in how contouring works depending on the power of ultrasonic, microwave generators and mass loading of raw materials.
Разработка технологии, обеспечивающей качественную обработку кишок убойных животных для использования в качестве натуральной оболочки при производстве колбасных изделий, актуален.
На сельских убойных пунктах большим затруднением является удаление слизистой оболочки, так как шлямованные кишки подвергаются быстрой
порче. В мясокомбинатах для очистки (шлямовки) свиных, бараньих, крупного рогатого скота кишок применяют разные механические устройства с рифлеными валковыми механизмами, протягивающие кишку под скребок. При этом кишки приходится сильно подтягивать, ткань кишок чрезмерно сдавливается, нарушается их прочность, они рвутся [1. С. 116].
В предлагаемой установке для раздробления шлямов и стерилизации кишок убойных животных предлагается использовать электромагнитное поле сверхвысокой частоты (СВЧ) и ультразвуковые колебания (УЗ).
Для обоснования режимов обработки кишок убойных животных воспользовались матрицей планирования трехфакторного активного эксперимента типа 23 (табл. 1). В качестве основных факторов, влияющих на процесс обработки кишок убойных животных, для исследования были выбраны следующие: х1 - мощность ультразвукового генератора (Руз, Вт); х2 - мощность СВЧ генератора (Рсвч, Вт); х3 - масса загрузки сырья (G, г).
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса обработки кишок и конструктивными характеристиками установки. Все изучаемые факторы были совместимы и некоррелированы между собой, а пределы их изменения были следующими:
(х1) 250 < Руз < 750 Вт; (х2) 800 < Рсвч < 2,4 Вт; (х3) 100 < G < 500 г. Критериями оптимизации являются: Y\ - приращение температуры (ДТ оС); Y2 - производительность установки для обработки кишок (Q, кг/ч); Y3 - продолжительность обработки кишечного сырья (т, с); Y3 - энергетические затраты на термообработку сырья (W, кВт-ч/кг).
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента по оптимизации режимов обработки кишок убойных животных
№ Варьируемые параметры Критерии оптимизации
СВЧ генератор: мощность, Вт; удельная мощность, Вт/г; доза воздействия, Вт^с/г УЗ генератор: мощность, Вт; удельная мощность, Вт/г; доза воздействия, Вт^с/г масса загрузки, г приращение температуры, оС производитель-ность, кг/ч продол-житель- ность обработки, с энергетические затраты, кВт-ч
х, Р 1 свч Р 1 уд -свч Х2 Р уз Р уд Dy3 Х3 G Y1(AJ) Yi(Q) Y3(t) Y5(W)
1 + 2400 1,6 24 + 750 1,5 7,5 + 5000 5-6 72 250-300 113,4
2 + 2400 8 120 - 250 2,5 12,5 - 1000 20-22 51 70-75 477
3 - 800 8 40 + 750 7,5 37,5 - 1000 8-10 24 150-190 279
4 - 800 1,6 8 - 250 0,5 2,5 + 5000 1-1,5 18 1000-1500 37,8
5 0 1600 2,67 26,7 0 500 1,67 8,4 0 3000 6-8 54 200-250 126,4
6 - 800 2,67 13,4 0 500 1,67 8,4 0 3000 1,5-2,5 18 600-1000 78,5
7 + 2400 2,67 40 0 500 1,67 8,4 0 3000 8-10 72 150-190 174,3
8 0 1600 2,67 26,7 - 250 0,83 4,15 0 3000 6-8 54 200-250 111
9 0 1600 2,67 26,7 + 750 2,5 12,5 0 3000 6-8 54 200-250 141
10 0 1600 8 80 0 500 5 25 - 1000 15-17 40 90-100 1,8-2
11 0 1600 1,6 16 0 500 1 5 + 5000 2-3 36 500-750 10-15
Примечание. Начальная температура кишок 15°С, приращение температуры 30оС; продолжительность одного оборота венца 50-55 с. Дозу СВЧ находим следующим образом: •Освч = Руд ' N • т1, где N - количество генераторов, шт.; т1 - продолжительность воздействия одного генератора за один оборот венца (5 с).
Выбор критериев оценки обусловлен их наибольшей значимостью для процесса обработки кишок убойных животных. Так, удельные энергетические затраты определяют энергоемкость процесса и являются одним из важных показателей, оценивающих его энергетическую эффективность. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс обработки кишок убойных животных [2. С. 14]. Эмпирические выражения, описывающие модели, приведены ниже. С помощью методики активного планирования трехфакторного эксперимента и программы «Statistic V5.0» построены поверхности отклика и их двухмерные сечения в изолиниях в зависимости от мощности СВЧ генератора, мощности УЗ генератора и массы загрузки сырья в рабочую камеру следующих моделей (рис. 1-4): приращение температуры; производительности установки; продолжительности обработки кишечного сырья в установке; энергетических затрат на обработку кишок убойных животных.
3D Contour Plot (NEW.STA 10v*11c) z=4,78275+0,007039*x-0,017875*y-0,000001*x*x+0,00001*y*y+0,000005*x*y
4,542 CO 7,4 □□ 8,828 m 10,256 HO 11,684 □p 13,112
17,366 1Ц above
1400 1 800
Мощность СВЧ генератора, Вт
Рис. 1. Двухмерные сечения в изолиниях трехфакторной модели приращения температуры в процессе обработки кишок убойных животных при загрузке 300 г
3D Contour Plot (NEW.STA 4v*11c) z=22,36452+0,037088"x-0,132717"y-0,000006"x"x+0,000085"y"y+0,000029"x"y
800 г
1000 1400 1 800
Мощность СВЧ генератора, Вт
j5 18,519 Ш 26,103 HZH 33,688 ПП 41,272 □□ 48,857 Ш 56,441 64,026
jH 79,195 ij above
Рис. 2. Двухмерные сечения в изолиниях и поверхность отклика трехфакторной модели производительности установки для обработки кишок животных при загрузке 300 г
800
700
600
500
400
300
200
600
2600
700
600
500
400
300
200
600
3й Оо^оиг Р|0 (NEW.STA 4у*11с) 2=1649,076-1,43121 *х+0,436522*у+0,000274*х*х-0,000957*у*у+0,000325*х*у
"Н 166,827
3 □ 267,532
4 □ 358,237
5 □ 448,942
6 □ 539,647
7 □ 630,352 ^ 721,058
15 902,468 11 I аЬомэ
1000 1400 1800 2200
Мощность СВЧ генератора, Вт
Рис. 3. Двухмерные сечения в изолиниях и поверхность отклика трехфакторной модели продолжительности обработки кишечного сырья при загрузке 300 г
3й СоПоиг Р10 (NEW.STA 4*/*11с) 2=0,252174+0,059005*х+0,063617*у+0,00000027*х*х-0,00000362*у*у-0,000000000000
О 62,489
СО 90,804 П~1 104,962 СО 119,12 СО 133,278 СО 147,436 ^ 161,594
189,909 !]□ aЬove
600 1000 1400 1800 2200 2600
Мощность СВЧ генератора, Вт
Рис. 4. Двухмерные сечения в изолиниях и поверхность отклика трехфакторной модели энергетических затрат на обработку кишок животных при загрузке 300 г
За рациональные режимы процесса обработки кишок следует принять следующие интервалы значений: удельная мощность СВЧ генератора 2-2,67 Вт/г; удельная мощность УЗ генератора 1,67-2,6 Вт/г; масса загрузки сырья 250-300 г. Эмпирические выражения приращения температуры сырья продолжительности обработки z2, производительности установки г и энергетических затрат на обработку г от воздействующих факторов, таких, соответственно, как мощность СВЧ генератора (х1), мощность УЗ колебаний, масса загрузки, приведены ниже:
1) г = 4,78275 + 0,007039х - 0,017875.у - 0,000001х2 + 0,00001/ + 0,000005х.у,
2) г = 22,36452 + 0,037088х - 0,132717>- - 0,000006х2 + 0,000085/ + 0,000029х.у,
3) г = 1649,076 - 1,43121х + 0,436522.у + 0,000274х2 - 0,000957/ + 0,000325х.у,
4) г = 35,40846 - 0,03188х - 0,003115>- + 0,000006х2 - 0,000014/ + 0,000011х.у,
5) г = 0,252174 + 0,059005х + 0,063617.у + 0,00000027х2 - 0,00000362/,
где х\ - мощность СВЧ генератора в кодированных единицах; х2 - мощность УЗ генератора; х3 - масса загрузки. Значение фактора (табл. 2) XI на нулевом уровне равно 1600 Вт, х2 - 500 Вт; х3 - 300 г в один объемный резонатор или 3000 г в 10 объемных резонаторов, расположенных внутри тороидального волновода; интервал варьирования фактора XI = 800 Вт, х2 = 250 Вт, х3 = 200 г.
Таблица 2
Значения факторов
Факторы Кодовое значение Интервал варьирования Уровни факторов
основной верхний нижний
Мощность СВЧ генератора, Вт Х1 800 1600 2400 800
Мощность УЗ генератора, Вт *2 250 500 750 250
Масса загрузки, г Х3 200 300 500 100
Абсолютная величина фактора на любом уровне определяется по следующей формуле:
X _ Xi ~ xi0
AXi '
где xi - значение фактора на основном уровне; Axi - интервал варьирования фактора.
Эффективный режим обработки кишок убойных животных достигается при мощности СВЧ генератора 1600 Вт (потребляемая 2400 Вт) и 730 Вт ультразвукового генератора, если масса загрузки сырья составляет 300 г. Общая мощность, включая мощность привода зубчатого венца, составляет 3,93 кВт. Общая продолжительность обработки 3 кг сырья составляет 240 с, а производительность установки - 45 кг/ч. При этом удельные энергетические затраты колеблются в пределах (0,08-0,09) Втч/кг, количество циклов равно 4. Анализ уравнений регрессии позволил выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс обработки кишок убойных животных. На удельные энергетические затраты и производительность установки наибольшее влияние оказывают мощность СВЧ и УЗ генераторов и продолжительность обработки. Из анализа эмпирических уравнений выявлены такие режимы работы установки, которые обеспечивают минимум удельных энергетических затрат на обработку кишечного сырья и повышенное качество натуральной оболочки колбасных изделий.
Литература
1. Зуева Н.А. Ультразвуковая обработка кишок сельскохозяйственных животных // Современные достижения молодых ученых в области энергосбережения, науки и техники: материалы первой междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов / Чуваш. гос. сельскохоз. академия. Чебоксары, 2013. С. 116-117.
2. Новикова Г.В., Белова М.В., Поручиков Д.В., Александрова Г.А. Технологическое оборудование для термообработки сельскохозяйственного сырья // Вестник Чувашского государственного университета им. И.Я. Яковлева. 2013. № 2(78). С. 12-15.
ЗУЕВА НАТАЛИЯ АЛЕКСЕЕВНА - аспирантка кафедры электрооборудования и механизации переработки сельскохозяйственной продукции, Чувашская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ZUEVA NATALIA - post- graduate student of Chair of the Electric Equipments and Mechanization of Processing of Agricultural Production, Chuvash State Agricultural Academy, Russia, Cheboksary.
БЕЛОВА МАРЬЯНА ВАЛЕНТИНОВНА - кандидат технических наук, докторант кафедры электрооборудования и механизации переработки сельскохозяйственной продукции, Чувашская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, Чебоксары ([email protected]).
BELOVA MARYANA - candidate of technical sciences, doctoral candidate of Chair of the Electric Equipments and Mechanization of Processing of Agricultural Production, Chuvash State Agricultural Academy, Russia, Cheboksary.
НОВИКОВА ГАЛИНА ВЛАДИМИРОВНА - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой электрооборудования и механизации переработки сельскохозяй-
ственной продукции, Чувашская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, Чебоксары ([email protected]).
NOVIKOVA GALINA - doctor of technical sciences, professor, head of Œair of the Electric Equipments and Mechanization of Processing of Agricultural Production, Chuvash State Agricultural Academy, Russia, Cheboksary.
УДК 621.3 ББК 31.27-01
Р.В. КОЛОСОВ, В.Г. ТИТОВ, Г.М. МИРЯСОВ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ключевые слова: ветроэнергетические установки, моделирование, возобновляемая энергетика, энергоэффективность.
Рассмотрены способы моделирования ветроэнергетических установок с учетом сложности происходящих в них процессов. Получены модели, позволяющие оценить влияние колебаний ветра на выходные параметры системы. С помощью рассмотренных моделей возможна оценка аварийных процессов.
R. KOLOSOV, V. TITOV, G. MIRYASOV MODELING OF WIND POWER INSTALLATIONS
Key words: wind power installations, modeling, renewable power, energy efficiency.
In article ways of modeling of wind power installations taking into account complexity of processes occurring in them are considered. The models are received, allowing to estimate influence offluctuations of a wind on target parameters of system. With the help of the considered models the estimation of emergency processes is possible.
Для сложного нелинейного объекта, каковым является ветроэнергетическая установка (ВЭУ), при детальных исследованиях требуется создать математическую модель, достаточно сложную и требующую разбивки её на более мелкие и удобные для исследования части. Каждая модель при определенных допущениях с различной степенью детализации позволяет достаточно точно описать отдельные аспекты работы исследуемого объекта.
Создана модель ветроэнергетической установки (рис. 1), включающая в себя модели: 1) ветродвигателя крыльчатого типа; 2) синхронного генератора с постоянными магнитами; 3) мостового неуправляемого выпрямителя. Модель преобразует скорость ветряных потоков V^, с помощью ветроколеса и через ротор вращает электрогенератор, который, в свою очередь, через преобразователь питает нагрузку и производит заряд АБ. Управление преобразователем происходит через САР и НЭ, учитывающий параметры нагрузки и скорости ветра.
Модель ветродвигателя крыльчатого типа. Аэродинамические характеристики вычисляют для каждого элемента лопасти, и они зависят от примененного в лопасти профиля и угла атаки, под которым поток ударяет в лопасть [1].
Ввиду сложности данного расчета для создания модели ветроколеса воспользуемся экспериментальными аэродинамическими характеристиками профиля Эсперо [1].
Наилучшие аэродинамические характеристики ветроколесо имеет, когда угол установки лопасти равен нулю, однако на практике для обеспечения механической прочности ветроколеса лопасти устанавливают под углом 10-15°.
Так как в диапазоне скоростей Vmm - Vmax предусматривается работа с переменной скоростью вращения (максимальное использование энергии ветра)
