CC BY
131
для переходного режима (2300 < Re < 10 000)
а = 0,008 ^ Re0’9 Рг0,43; d
для ламинарного режима (Re > 2300)
А d
а = 0,i5-^ Re0’33 Pr0’43 Gr0’1,
4G gd 3Bp2 c u
где Re =------, Gr =--AT, Pr = —-----------------безразмер-
K^d
К
^ ' ’тр
ные числа соответственно Рейнольдса, Прандтля и Грас-2d
гофа; е = 1 н------коэффициент, учитывающий изме-
1 Ь
нение коэффициента теплоотдачи вдоль длины трубы (если Ь/с1 > 50, то е1 = 1); О — массовый расход теплоносителя; ц — коэффициент динамической вязкости; в — коэффициент объемного расширения; р — плотность; Хтр — коэффициент теплопроводности материала труб; ср — удельная теплоемкость теплоносителя.
Затраты мощности на прокачку
N =
L Pi^i Gi
di 2 pi
2экв
где d2экв = 4Б/П — эквивалентный диаметр кольцевого канала; Б — поперечное сечение кольцевого канала; П — смоченный периметр; О1 = р^тс^2^,
О2 = р2и2к(^вн - d2n.jp)/4 — расходы теплоносителей в трубе и межтрубном пространстве ТА при скорости теплоносителя соответственно и1 и и2; d2вн — внутренний диаметр внешней трубы.
Коэффициенты сопротивления (трения) 4 в трубе и кольцевом канале рассчитывают по формулам: для турбулентного режима ^е > 10 000)
_ _ 0,316 ;
1 _ Re0’25; для ламинарного режима (Re > 2300)
64 = —
Re — для круглой трубы;
96 = —
Re
— для кольцевого канала; для переходного режима (2300 < Re < 10 000)
§а = х+|л(1
Ьт Ьт
где К = 1 - exp(1 - Re/ 2300) — коэффициент перемежаемости.
Вывод
Предложенную математическую модель теплообменника типа «труба в трубе» целесообразно использовать при его оптимизационных расчетах на основе минимизации заданной целевой функции, включающей капитальные и эксплуатационные затраты.
Список литературы
1. Кафаров, В.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем / В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, Л.В. Гурьева. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 192 с.
УДК 631.58.001.12/.18
С.И. Щербаков, канд. техн. наук, профессор
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ
ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ В СОВРЕМЕННОМ СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Точное земледелие (Precision Agriculture) — термин, объединяющий технологию, технические средства и систему принятия управленческих решений, направленных на учет и управление параметрами плодородия, влияющими на рост растений. Среди этих параметров могут быть тип почвы, содержание органического вещества, питательные элементы почвы, рельеф, наличие влаги в почве, засоренность сорняками.
Одной из технологических операций, которую необходимо выполнять при возделывании сельскохозяйственных культур, является внесение удобрений. В настоящее время все шире применяется дифференцированное внесение как минеральных, так
и органических удобрений. Дифференцированное внесение удобрений позволяет:
• повысить эффективность сельскохозяйственного производства;
• снизить затраты удобрений;
• усовершенствовать систему принятия управленческих решений;
• уменьшить загрязнение окружающей среды;
• снизить риски, обусловленные природно-климатическими, политическими и социально-экономическими факторами.
В настоящее время в ряде зарубежных стран, таких как США, Германия, Израиль, ведутся рабо-
ты по созданию технологий и технических средств для дифференцированного поверхностного и локального внесения минеральных и органических удобрений, мелиорантов в соответствии с оптимальной программой их применения. Исследуются возможности новой технологии, в которой средства химизации применяются на с.-х. поле в строго нормированных дозах и только там, где они необходимы.
Дифференцированное внесение удобрений с учетом их количества на каждой координатной площадке, подбор рациональных сортов возделываемой культуры, регулирование нормы высева и сроков посева способствуют лучшей приспосаб-ливаемости растений к состоянию поля.
Основными этапами внедрения технологического процесса дифференцированного внесения удобрений являются:
• сбор и хранение данных о состоянии поля и посевов в системе координат, жестко привязанных к полю;
• построение карты границ возделываемого поля;
• приобретение аэрокосмических снимков полей;
• приобретение монитора урожайности;
• приобретение системы позиционирования GPS (DGPS);
• построение карты урожайности.
Имея в своем распоряжении монитор урожайности и приемник сигналов DGPS, можно создавать карты урожайности. По карте урожайности можно судить о результатах предыдущей деятельности, ответить на такие вопросы, как:
• какова изменчивость урожайности по полю;
• с какими участками поля есть проблемы;
• какова площадь этих участков;
• какова неравномерность урожайности в пределах поля.
Составление карт с применением GPS-технологий несет в себе принципиально новый подход в агротехнологиях.
Обследование поля с использованием карты урожайности.
Карта урожайности является одним из основных инструментов для определения проблемных участков поля. Обнаружив участки поля с низкой урожайностью, необходимо попытаться найти объяснение этому явлению. Это может быть обусловлено, например: дефицитом питательных веществ, уплотнением почвы, отсутствием дренажа, зараженностью сорняками, нарушением технологического процесса при посеве и др.
Карты урожайности — это не единственный вид карт, которые могут быть сформированы при помощи технологий GPS и GIS. На карте могут быть отображены данные о влажности зерна, скорости комбайна, схеме движения комбайна и высотные
отметки ландшафта, полученные во время уборки урожая.
Большое значение для принятия оптимальных управленческих решений имеют также карты распределения типа почв, электропроводности почвы, вариабельности плотности вегетативной массы растений и др.
Изучение карты распределения типов почвы на поле.
Построение карт экономической эффективности полей.
Обладая картой урожайности и информацией о затратах, связанных с обработкой почвы, внесением удобрений, можно построить карту эффективности отдельных участков поля и всего поля в целом и по ней определить участки с низкой и высокой эффективностью. Постоянно следует задавать себе вопросы: почему один участок поля имеет высокую эффективность, а другой низкую? Что необходимо сделать по-другому, чтобы повысить эффективность всего поля?
На основе анализа карт урожайности и карт экономической эффективности принимается решение о наиболее рациональном использовании полей под отдельные культуры или в севообороте.
Отбор почвенных проб для агрохимической оценки пестроты параметров плодородия поля, выбранного вами под конкретную культуру.
При отборе почвенных проб, необходимых для агрохимического анализа содержания элементов питания в почве, могут быть использованы:
Случайный отбор почвенных проб со всего поля. Этот метод предусматривает усреднение почвенных образцов, случайным образом отобранных со всего поля.
Ячеечный метод отбора проб. При использовании ячеечного метода отбора проб поле разбивают на квадратные или прямоугольные ячейки площадью в i,5__2 га или меньших размеров. Пробы
отбирают с каждой ячейки и отсылают их в лабораторию для анализа. Цель такого подхода — лучше оценить потребность в питательных элементах отдельных участков поля.
Отбор проб с учетом типа почв. Отличительная особенность данного способа отбора проб состоит в том, что при определении мест отбора почвенных проб учитывается тип и свойства почвы, такие как структура, содержание органического вещества и др.
Для отбора проб целесообразно использовать автоматизированный мобильный пробоотборник, работающий в глобальной системе позиционирования (GPS). Автоматизированный пробоотборник объезжает поле по контуру и получает карту с границей поля. На контур набрасывается сетка с шагом примерно 200 м (i проба на 4_5 га). В центрах сетки отмечают точки взятия проб. Пробоотборник при
57
подъезде к заданной точке может набрать в пределах ячейки, как правило, около 10 проб для осреднения. Проба нумеруется в соответствии с планом и отправляется в лабораторию
Построение электронных карт распределения элементов питания по полю.
Построение электронных карт дифференцированного внесения удобрений.
Используя карты распределения элементов питания по полю, принимают решение, сколько и каких удобрений необходимо вносить на каждый участок поля для получения желаемого эффекта.
При оптимальном проектировании технологического процесса дифференцированного внесения удобрений необходимо выбрать тот или иной алгоритм расчета доз внесения удобрений для получения планируемой урожайности выращиваемой сельскохозяйственной культуры. Одним из методов расчета доз внесения удобрений является использование функций отзывчивости сельскохозяйственных культур на тот или иной вид удобрений, их совокупность, а также качество распределения в почве. Наличие функций отзывчивости сельскохозяйственных культур на изменение того или иного показателя плодородия почвы или их совокупного влияния позволяет более объективно программировать урожайность с учетом пестроты плодородия почвы, формулировать требования к машинным технологиям и техническим средствам, используемым для воздействия на эти показатели.
Расчет доз дифференцированного внесения удобрений базируется на электронной карте поля, характеризующей уровень пестроты параметров плодородия почвы, составленной на основе координатного отбора проб в реальном масштабе времени и глобальной системы позиционирования ^Р8).
При расчете доз дифференцированного внесения удобрений необходимо решить одну или несколько оптимизационных задач. При математической постановке задач должны быть определены целевые функции, обоснованы допущения и ограничения.
Целевая функция для оптимизации доз внесения удобрений зависит от рассматриваемого варианта дифференцированного внесения удобрений и от результатов, которые необходимо при этом получить. Возможно несколько подходов к решению проблемы дифференцированного внесения удобрений.
1. В соответствии с величиной пестроты плодородия почвы поле разбивается на определенное количество участков с относительно выровненным содержанием питательных элементов, находящихся в пределах допуска. Эти пределы определяют в каждом конкретном случае. Чем жестче эти пределы, тем на большее количество участков разбивается поле. Удобрения вносят с таким расчетом, чтобы
58
на каждом участке количество и соотношение питательных элементов, с учетом питательных элементов, находящихся в почве, было достаточным для получения запрограммированной урожайности.
При таком варианте внесения удобрений происходит выравнивание содержания питательных элементов в почве. При условии, что другие параметры плодородия — содержание гумуса, влажность почвы, качество почвообработки, кислотность почвы и др. — в данных условиях не являются лимитирующими, урожайность на всех участках поля, качество продукции будут приблизительно одинаковыми.
2. На заданном поле необходимо получить запрограммированный урожай конкретной сельскохозяйственной культуры при минимальном использовании удобрений. В том случае, когда поле однородно по содержанию питательных элементов в почве, снижение доз внесения удобрений достигается за счет повышения качества внесения удобрений и соблюдения оптимального соотношения питательных элементов. Если же питательные элементы в пахотном слое распределены неравномерно, то поле разбивают на участки согласно пЛ и удобрения вносят на каждый участок дифференцированно с дозой, которая определяется в результате решения оптимизационной задачи. В этом случае приобретают значимость ограничения на качество получаемой продукции и допустимый уровень загрязнения окружающей среды. Это обусловлено тем, что при такой постановке задачи для получения запрограммированного урожая на одни участки (более плодородные) могут вноситься большие дозы, а на другие (мало плодородные) удобрения могут не вносить вообще.
3. На конкретном поле необходимо получить максимальный урожай сельскохозяйственной культуры при ограниченном количестве удобрений. При внесении одной дозы удобрений на все поле (D = M/S, здесь М — масса вносимых удобрений; S — площадь поля) увеличение урожая может быть достигнуто за счет повышения качества распределения удобрений. Если поле довольно неоднородно по содержанию питательных элементов в почве, повысить окупаемость удобрений при такой постановке задачи можно посредством их дифференцированного внесения. В этом случае поле, на основании данных о характере распределения питательных веществ в пахотном слое, разбивается на участки в соответствии с п. i. Доза внесения удобрений на каждый из этих участков определяется в результате решения оптимизационной задачи.
4. В случае большой неравномерности распределения гумуса в почве органические удобрения также целесообразно вносить дифференцировано. В этом случае поле разбивается на участки. Количество участков, как и в п.!, определяется, исходя
из уровня неравномерности распределения гумуса по полю и допусков на неравномерность распределения гумуса на отдельно взятом участке. Дозу внесения удобрений на каждый участок определяют, исходя из исходного уровня содержания гумуса и уровня, который необходимо достичь.
Такой варианте внесения удобрений способствует выравниванию содержания гумуса на всем поле. При этом может быть увеличена неравномерность распределения питательных элементов (Ы, Р, К) в почве. Этот фактор следует учитывать при программировании дифференцированного внесения минеральных удобрений.
Для каждого из приведенных выше вариантов дифференцированного внесения удобрений необходимо разработать модель, алгоритм и программу расчета доз внесения удобрений с учетом неравномерности распределения питательных элементов в почве.
Методика технико-экономической оценки каждого из выше приведенных вариантов дифференцированного внесения удобрений должна разрабатываться с учетом затрат на взятие проб, совершенствования технологий приготовления и внесения удобрений и усложнения машин для их внесения.
В случае дифференцированного внесения удобрений при изменении соотношения питательных элементов с учетом пестроты плодородия поля, оптимальное соотношение между питательными элементами и качество их распределения по полю определяют в результате минимизации энергозатрат на приготовление и внесение удобрений. В этом случае целевая функция имеет следующий вид:
ш1п Е(Ы, Р, К, У№ Ур, УК),
где Ы, Р, К — дозы внесения азотных, фосфорных и калийных удобрений; У№ Ур, УК — коэффициенты вариации доз азотных, фосфорных и калийных удобрений, соответственно.
При решении задач оптимизации доз внесения, количества участков, на которое разбивается поле, показателей качества распределения питательных элементов, особое внимание должно быть уделено выбору и обоснованию допущений и ограничений исходя из конкретных условий. По мере усложнения задачи и повышения точности решения, при изменении целевой функции могут меняться также и допущения.
Обоснование исходных требований на машинную технологию дифференцированного применения удобрений проводится при следующих условиях:
1. Доза удобрений и соотношение питательных элементов в них для получения запрограммированного урожая рассчитывается с учетом выноса питательных элементов растениями и коэффициентов их
возмещения удобрениями или по функциям отзывчивости растений на удобрения.
2. Имеются фактические данные о наличии питательных элементов в почве, доступных для растений, и характер распределения их по полю при различных уровнях квантования и функции отзывчивости с.-х. культур на возрастающие дозы минеральных удобрений. Функции отзывчивости для органических удобрений строятся на основе функций отзывчивости на возрастающие дозы минеральных удобрений с использованием коэффициентов эквивалентности.
3. Дифференцированное внесение органических удобрений осуществляется посредством изменения доз внесения при заданном соотношении питательных элементов ЫРК, полученном на основе применения программного обеспечения.
В зависимости от целевой функции и принятых допущений формулируются ограничения на область переменных, определяется максимум или минимум целевой функции. При выборе ограничений следует учитывать, что максимум целевой функции с ограничениями всегда меньше или равен максимуму функций без ограничений, а минимум целевой функции без ограничений больше или равен минимуму функции с ограничениями.
При математической постановке задачи дифференцированного внесения удобрений принимаются следующие ограничения:
• на качество получаемой продукции;
• на уровень возможного загрязнения окружающей среды;
• на энергозатраты, если в качестве целевой функции выбран максимум урожая на конкретном поле, или на урожайность, если в качестве целевой функции выбран минимум энергозатрат.
Если в качестве целевой функции принимается минимум энергозатрат, ограничения принимают следующий вид:
Ч** Рп” Кп” ^ УРп УКп) +
+ У(к л К укрк) > упр;
/ш1п < pп, Kп, уNп, урп, укп) < /шах;
Э8ш1п < p, K, УN, Ур ук) < Э8шах ,
где 1ш1п, 1шах — допуски на качество получаемой продукции (содержание сахара, крахмала, белка, клейковины и др.); Э8ш1п, Э8шах — допуски на уровень загрязнения; 8 — показатель экосистемы.
Список литературы
1. Личман, Г.И. Механика и технологические процессы применения органических удобрений: монография / Г.И. Личман, Н.М. Марченко. — М.: 2001. — 335 с.
2. Каплан, И. Качество внесения удобрений. Монография / И. Каплан. — Миннеаполис — США, 2004. — 244 с.
59
