CC BY
47
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
связаны с обеспечением условий для фотосинтеза. Значительная доля энергетических потерь в этом процессе объясняется низкой степенью преобразования энергии потока ОИ в сухое вещество тканей растения.
К настоящему времени разработаны различные практические мероприятия, направленные на повышение продуктивности растений. Наиболее полно вопросы фотосинтетической деятельности растений в посевах, связанной с образованием хозяйственного (используемого человеком) урожая, его доли в биологическом урожае (т. е. суммарной массе всех органов растения), освещены в работах А. А. Ничипоровича [1]. В светокультуре одним из энергосберегающих мероприятий (ЭСМ) является регулирование светового режима, в том числе путем аргументированного выбора источников излучения (ИИ) и/или регулирования спектра излучения выбранных источников в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР). Экономические показатели светокультуры непосредственно зависят от соответствия спектрального состава излучения требуемым значениям. В качестве величины, характеризующей энергоэффективность ИИ, в данном исследовании принята энергоемкость [2].
Целью работы является разработка метода оценки энергоэффективности ИИ для растений по энергоемкости процесса фотосинтеза.
Современный взгляд на теоретические вопросы энергосбережения предполагает рассмотрение процесса движения потока энергии через все этапы преобразования, определяющие общую эффективность ее применения. Данный подход является основой прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП) АПК, в которой конкретизируются закономерности и механизмы взаимодействия сельскохозяйственных биологических объектов (БО) с искусственной средой обитания в структуре ИБЭС [3]. ПТЭЭТП является основой проектирования и оценки эффективности отдельных ЭСМ, обоснования оптимизации режимов проведения ЭТИ, формирования энергосберегающих алгоритмов управления [4, 5, 6].
де р; е,
Рис. 1. Закономерности протекания энергетических процессов в ИБЭС
Рассмотрение иерархической структуры сельскохозяйственных ИБЭС с позиций ПТЭЭТП подразумевает наличие теоретической модели реального энергетического процесса или объекта (рис. 1а). БО подвергается энергетическому воздействию О . При этом неизбежны потери энергии А() .
Продуктивность БО характеризуется величиной продукции Р , получаемой на его выходе.
Контроллируемым параметром является величина . Величина энергоемкости, характеризующей энергоэффективность процесса, вычисляется по формуле:
В зависимости от единиц измерения входных и выходных параметров величина энергоемкости имеет соответствующую размерность.
Графически закономерности протекания энергетических процессов в ИБЭС с участием БО показаны на рис. 16.
Нижняя кривая X0 = f{(У) в общем случае имеет нелинейный вид в силу нелинейной зависимости величины формируемого фактора
от интенсивности энергетического воздействия О на БО. Отметим, что для достижения одинаковых приращений фактора
АХ необходимо
прилагать все большие приращения интенсивности А() (т.е. при АХ2 3 = АХх 2 , А (А 3 > ДО, 2),
что определяет кривизну данной функции сРX / ' <0. Такая закономерность характерна для
процессов, потери энергии в которых увеличиваются с увеличением интенсивности энергетического воздействия.
Характер верхней кривой Р = /(X) объясняется действием закона оптимума в ИБЭС, в
соответствии с которым любой воздействующий на БО фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности БО. Функция Р = /(X) имеет более или менее четко
выраженный максимум, что определяет кривизну данной функции б/ Р / с1Х
<0.
Кривую Бх = /(X) получают вычислением значения энергоемкости по формуле (1) ,
используя значения О и Р при различных значениях X .
Функции Рх , X0 и Бпредставляют в совокупности модель () —> X —> Р. С позиций
ПТЭЭТП в рамках данного исследования предметом энергетического анализа является модель растения (рис. 1в). Основным ассимилирующим органом, в котором под действием ОИ образуются органические вещества, служащие структурно-энергетическим материалом для всего растения, является лист. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ диффундирует в лист через устьица.
Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Рост и развитие растения непосредственно связаны с размером и продолжительностью работы ассимилирующей поверхности, а также от параметров потока излучения, падающего на лист, в том числе от его спектрального
состава. Пусть в зоне выращивания растений создается фотонная облученность Еу , характеризуемая спектральной функцией Ел = /(/I) . Спектральный состав излучения удобно характеризовать
набором коэффициентов (ксш, к,ккр), представляющими собой доли потоков энергии (%) в соответствующих диапазонах ФАР: соответственно синем (400-500 нм), зеленом (500-600 нм) и красном (600-700 нм). Графически данный набор можно представить точкой в треугольной системе координат, оси которой направлены по сторонам равностороннего треугольника (назовем ее Бр -диаграммой). Каждой такой точке соответствует определенный набор коэффициентов ксин, к,ел, ккр. Для примера: на рис. 2 приведены две точки, характеризующие спектры излучения некоторых ИС: в т. 8р1 спектральный состав излучения характеризуется набором ксш,: кзел:ккр= 18%: 40% : 42%, в т.
- ксин'.кзел'.кКр= 52% : 28% : 20%.
Предполагается, что существует функция, описывающая зависимость энергоемкости фотосинтеза от спектрального состава вида Б = / (^Чр, ) , позволяющая, во-первых, оценить
степень энергоэффективности данного ИС, во -вторых, найти такой оптимальный спектральный состав 8ротп. при котором наблюдается минимальное значение этой функции £ (рис. 3).
Модель предусматривает учет площади п-го листа о . и его массы м на момент времени Г . Выходной величиной модели растения (Р) является масса сухого вещества М. Таким образом, общая для ЭТП модель Q —> X —> Р для светокультуры конкретизируется как модель
о 100
100
ЛЛЛА/^
: „
■Л/УЛЛА/ЛЛАЛу
I I I 1 5
40 60
е =/(5р,£1)
20
80
100
Рис. 2. Представление спектрального состава излучения ИС на Бр - диаграмме
Рис. 3. Оптимизация спектрального состава по минимуму энергоемкости
В рамках предлагаемой модели параметром, характеризующим эффективность использования энергии, является энергоемкость фотосинтеза, показывающая, какое количество энергии потока излучения (т.е. какая доза облучения) затрачивается на синтез 1 г сухого вещества растения. Передаваемая растению энергия потока ОИ (О) характеризуется интегральной дозой Ну , моль.
Продуктивность фотосинтеза (ПФС), г'м~2'сут_1, по накоплению массы органического вещества в единице площади листа за определенное время для всех N листьев растения вычисляется по формуле:
N
УМ
ПФС =
N
УБТ
' п в
п=1
(2)
где М - масса вещества, полученного при фотосинтезе в п-м листе, г; - площадь /7-го листа, м2;
Г - «возраст» /7-го листа, сут.
В светокультуре, кроме задачи повышения продуктивности растений, важным также является обеспечение энергоэффективности облучения. Как уже отмечалось, величиной, характеризующей энергоэффективность различных технологических процессов, является энергоемкость.
Энергоемкость фотосинтеза (ЭФС), моль г4, в соответствии с ее физическим смыслом как количества энергии, затрачиваемой на единицу массы синтезируемого сухого вещества, вычисляется по формуле:
2Х
ЭФС = ^Д (3)
УМ
/_^ п
п п=\
где Н - доза излучения, воспринятая п-м листом, моль.
По мере роста растения в моменты времени Тн на стебле появляются новые листья. На день окончания облучения Тк возраст п-то листа
Т = Т - Т . (4)
в к п х 7
В предположении линейного характера зависимости изменения площади «-го листа с течением времени с момента его появления на стебле выражение для полученной п-м листом дозы:
Я =-Е^Т, (5)
11 ^ 11 О у '
где Е - фотонная облученность, моль, Т - время облучения п-то листа, с,
Т=3600-ФП-Т, (6)
о в ' у '
где ФП - фотопериод, ч.
Значение фотонной облученности, мольм 2с '. определяется по формуле:
Д ЛЕ. л псЫ
где Ел - облученность на длине волны Я. Вт м 2:
Й - постоянная Планка, /г =6,624 К) 14 Джс; с — скорость света, с= 3 108 мс ':
- число Авогадро, =6,023 10ъ моль-1. \, А, - диапазон ФАР.
С учетом выражений (5) и (6), суммируя для всех листьев растения
N N 7 N
Ун = -3600-ФП-Т =КУ8Т , (8)
^—П ' 1, П В ^—п в 5 4 '
П=1 И=1 ^ п=1
где £ - постоянный коэффициент, моль м " сут ,
К = -Е^-3600-ФП. (9)
2 "
Тогда с учетом формул (1) и (2) величина энергоемкости фотосинтеза:
ЭФС = ——. (10)
ПФС.
Исходные данные для апробации рассмотренных положений были получены в серии экспериментов по выращиванию рассады томата (Solanum Lvcopersiciim) сорта Фламинго F,. Взрослое растение образует куст высотой 0,5-1,5 м. Вегетационный период составляет 110-115 дней. Плоды - крупные сливки розового цвета, весом 150-400 г, отличаются длительным сроком хранения, повышенным содержанием Сахаров и изысканным вкусом. По ботанической классификации листья томата очередные, непарноперисторассеченные, состоящие из долей, долек и маленьких долечек.
Рассаду выращивали в световой комнате с ФП = 14 час. в сутки. На рис. 4 показаны облучательные установки, использованные в эксперименте.
СД ЛЛ НА
Рис. 4. Облучательные установки с различными ИИ
В зоне 1 применяли экспериментальный СД облучатель собственного изготовления, состоящий из трех панелей - радиаторов общим размером 1,0 м х 0,73 м. Использованы светодиоды типа ARPL - Star - 3W в количестве 225 шт., а также блоки питания HTS-200M-12. Требуемый спектр излучения задавали пропорцией между синими (световой поток 1,28 лм, 90 шт.), зелеными (световой поток 56,5 лм, 45 шт.) и красными (световой поток 36,7 лм, 90 шт.) светодиодами, а также величиной тока через светодиоды. Общий световой поток облучателя составил 5961 лм.
В зоне 2 применяли ЛЛ в светильнике ЛСПО 4x58 с ЭПРА частотой 42 кГц. Светильник был укомплектован двумя лампами L 58W/77 Fluora OSRAM, световой поток 2250 лм, и двумя лампами PHILIPS MASTER TL-D Xtra 58W/840, световой поток 5200 лм. Общий световой поток ламп 14900
В зоне 3 облучательная установка состояла из двух облучателей ЖСП 64-400-001 «Флора» с НА лампами ДНаЗ 400 и электронным балластом. Общий световой поток облучателей составил 106000 лм.
Растения располагали на площади, равномерность облучения по которой составляла не менее 20%. Первоначально было размещено по 20 горшочков с растениями в каждой зоне. Уровень фотонной облученности 140 м к моль с 1 м 2 поддерживали изменением высоты подвеса облучательных установок над верхушками растений. Следует отметить, что, несмотря на выровненность фотонной облученности, величины освещенности существенно различаются в силу различий спектрального состава излучений.
Эксперимент проводился коллективом НИЛ энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (г. Санкт-Петербург) в апреле - мае 2014 года [7].
Спектральную облученность измеряли прибором ТКА ВД/04. Спектр СД был приближен к нормируемому для томатов [8]. Суммарный спектр ЛЛ имел равные доли энергии в спектральных диапазонах. Спектр НА ламп имел характерный для натриевого разряда максимум в красно-желтой области спектра. Результаты спектральных измерений пересчитывали в фотонную облученность, находили доли энергии в спектральных диапазонах.
На рис. 5 показана схема устройства (А), реализующего рассмотренную методику и его использование при оценке энергоэффективности ИИ.
ИИ
ш
о
=с>
о
Рис. 5. Схема оценки энергоэффективности источников излучения
Блок измерения облученности 1 воспринимает величину фотонной облученности Е, формируемую ИИ, установленными в зоне выращивания растения. Блоки измерения массы листа растения 2, площади листа растения 3 и фиксации времени появления очередного листа на растении 4 измеряют соответствующие биометрические показатели растения Мп, 5/? и Гп. В блоке 5 задают значение фотопериода ФП, в блоке 6 - продолжительность времени облучения Тк. На выходе блока вычитания 10 формируется сигнал, соответствующий величине Те. На выходе блока умножения 9 формируется сигнал, соответствующий величине БпТв. На выходе второго сумматора 13 формируется сигнал, соответствующий величине Ъ(8п'Тв). На выходе первого сумматора 8 формируется сигнал, соответствующий величине Е(Ми). На выходе второго блока деления 12 формируется сигнал, соответствующий величине ПФС. На выходе первого блока умножения 7 формируется сигнал, соответствующий величине К. На выходе первого блока деления 11 формируется сигнал, соответствующий величине ЭФС, значение которой отображается блоком индикации 14.
Показатели ЭФС и ПФС для каждого листа рассады определяли на 42-й день эксперимента.
В таблице приведены некоторые интегральные параметры экспериментальной светокультуры для растений, выращиваемых под различными ИИ.
Таблица. Интегральные параметры экспериментальной светокультуры
Показатель ИИ
СД ЛЛ НА
Спектральный состав потока (%): кем(400-500 нм) 19,3 32,1 7,2
кзел (500-600 нм) 24,3 33,6 52,8
кКР (600-700 нм) 56,4 34,3 40,0
Площадь поверхности листьев , см2 669,9+33,5 1187,3+59,4 1111,7+55,6
Общая масса сухого вещества А/ л < , г 1,37±0,06 1,62+0,07 3,15+0,14
Доза облучения , моль 4,62+0,23 7,68+0,37 7,22+0,28
Средняя ПФС, г м~2 сут 1,05+0,04 0,75+0,03 1,54+0,07
Средняя ЭФС, моль г-1 3,37+0,17 4,73+0,24 2,29+0,09
Наибольшая суммарная площадь листовой поверхности, а значит, и доза потока излучения, полученная листьями к концу эксперимента, наблюдалась у растений, выращиваемых под ЛЛ, наименьшая - под СД. Однако наибольшее количество сухого вещества наблюдалось у растений, выращенных под НА лампами, наименьшие значения масс - по СД.
В целом для растения наибольшая ПФС (и наименьшая ЭФС) по сухому веществу наблюдалась у растений, выращиваемых под НА лампами, наименьшая ПФС (и наибольшая ЭФС) -под ЛЛ.
На рис. 6 на Бр -диаграмме показан спектральный состав применяемых ИИ, числа в круглых
скобках соответствуют ЭФС при использовании данного ИИ. Поскольку построение поверхности отклика (по типу рис. 3) при небольшом количестве экспериментальных точек невозможно, значения ЭФС представлены в виде столбчатой гистограммы (рис. 7), наглядно показывающей ранжированность ИИ по их энергоэффективности в светокультуре.
о 100
100
ку 40 ДНА (2,29)
^^^Т^УУУУЛ. 20 УУ/У/Усд(з.з7)У\/\/у А'Л '/
УХ/V
20
40
УУУУУ•
60
«о
100
Рис. 6. Спектральный состав исследуемых ИИ на ^-диаграмме
Рис. 7. ЭФС растений в светокультуре для исследуемых ИИ
Таким образом, применение положений ПТЭЭТП для анализа энергетической эффективности фотосинтеза позволило разработать модель растения, учитывающую динамику изменения площади каждого листа растения и его массы в процессе выращивания.
Предложен метод оценки энергоэффективности источников света по энергоемкости процесса фотосинтеза в облучаемых растениях, вычисляемой как отношение дозы потока излучения, падающего на поверхность листьев, к массе сухого вещества, полученной в процессе фотосинтеза. Показано, что продуктивность фотосинтеза обратно пропорциональна его энергоемкости.
Обработка по представленной методике экспериментальных данных по выращиванию рассады томата под различными ИИ подтвердила, что спектральный состав потока ОИ существенно влияет на энергоэффективность фотосинтеза и степень использования углеродного и светового питания.
Результаты измерений энергоемкости фотосинтеза могут быть использованы для сравнительной оценки эффективности ИИ при оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимума энергоемкости светокультуры путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
Литература
1. Ничипорович А.А. Световое и углеродное питание растений - фотосинтез. - М.: Изд-во АН СССР, 1955. -287 с.
2. Ракутько С.А. Оптимизация технологического процесса облучения в АПК по минимуму энергоемкости //
Светотехника. -2009. -№4. -С. 57-60.
3. Ракутько С.А. Энергоемкость как критерий оптимизации технологических процессов // Механизация и
электрификация сельского хозяйства-2008. -№12. -С. 54-56.
4. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского: Мат. III межд. науч.-практич. конф. Тамбов, 25-26 сентября 2008 г. - Тамбов: Тамбовпринт, 2008. -С. 228-229.
5. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: структура и основные положения // Энергосбережение и водоподготовка. -2009. -№4. -С. 65-67.
6. Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем // Вестник РАСХН,- 2009,- №4,- С.89-92.
7. Разработать высокоэффективные автоматизированные энергоресурсосберегающие технологии, системы
и технические средства децентрализованного теплоэнергообеспечения производственных объектов животноводства и растениеводства на базе использования природного газа, биомассы, электроэнергии и твердого топлива: Отчет о НИР; руководитель Судаченко В.Н. - №2237. № гос.per. 1201255896 - СПб.: ИАЭП, 2014. -126 с.
8. Сарычев Г.С. Продуктивность ценозов огурцов и томатов в функции спектральных характеристик ОСУ // Светотехника. -2001. -№2. -С. 27-29.
УДК 621.436.2 Канд. техн. наук P.A. ЗЕЙНЕТДИНОВ
(СПбГАУ, zra61iS>mail.ra)
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СИСТЕМЕ ПОРШНЕВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ПРИ НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССАХ
Эксергетические потери, производство энтропия, диссипация, система охлаждения, теплоноситель
Система охлаждения (СО) поршневых энергоустановок является открытой технической системой, в которой происходят необратимые процессы различной физической природы -механические, тепловые и гидравлические, совместные действия которых с внешней средой определяют возможности возникновения диссипативных явлений. При диссипации, вследствие наличия различных сил сопротивления (трения, вязкости, теплопроводности и т.п.), энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного процесса и, в конечном счете, в теплоту.
При установленном оптимальном тепловом состоянии двигателя общая картина теплоотдачи от рабочих газов в стенки цилиндра и головки двигателя достаточно сложна. Это обусловлено сложной зависимостью теплоты, передаваемой системе охлаждения, от температуры рабочих газов, коэффициентов теплопередачи и параметров, характеризующих технологический процесс в системе охлаждения, что определяется сложными гидродинамическими и тепловыми процессами, связанными с движением теплоносителя, омывающего поверхности теплообмена, и его фазовым поведением. При этом процессы теплопроводности, теплоотдачи и теплопередачи могут иметь как стационарный, так и нестационарный характер [1,2].
В связи с этим достаточно актуальным для систем охлаждений является вопрос оценки эффективности вышеназванных тепломассообменных процессов и термодинамического совершенства их теплообменных аппаратов, и установление оптимальных закономерностей изменений температуры теплоносителя и расхода воздушного потока. Успешное решение данной задачи связано с разработкой методики анализа энергоэффективности тепломассообменных процессов в системе охлаждения.
Среди существующих подходов весьма перспективным при оценке термодинамического совершенства энерготехнологических систем является эксергетический метод анализа, детально изложенный в работах И. Шаргута и Р. Петелы, 3. Ранта и позднее в работах В. М. Бродянского, В. С. Степанова, И. Л. Лейтеса и др. Данный метод позволяет оценить потери работоспособности (эксергетические потери) и степень совершенства технических систем и наметить пути их улучшения. Анализ эксергетических потерь в различных необратимых процессах представляет интерес еще и тем, что эти потери неизбежно переходят в окружающую среду, тем самым характеризуя тепловые загрязнения атмосферы.
Анализ термодинамической эффективности охлаждающей системы в целом можно провести на основе эксергетического баланса:
