CC BY
8
Ivan V. Savchuk, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, savchukiv@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0003-3400-8521
Andrey S. Vazhin, Engineer, vazhin.as@mti.gausz.ru
Ilyar B. Urazaliev, Head of the Production laboratory, urazaliev-ib@te.ru
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. Статья поступила в редакцию 15.04.2022; одобрена после рецензирования 04.05.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 15.04.2021; approved after reviewing 04.05.2022; accepted for publication 11.05.2022.
-Ф-
Научная статья УДК 631.3-1/-9:64.067
Применение плёночных электронагревателей в конструкции бытовых инкубаторов
Виталий Матвеевич Попов, Валентина Александровна Афонькина,
Василий Николаевич Левинский
Южно-Уральский государственный аграрный университет, Троицк, Челябинская область, Россия
Аннотация. Представлены результаты сравнительного анализа технико-экономических характеристик наиболее распространённых на российском рынке бытовых инкубаторов марки ТГБ-70, «Норма Лупер 72», «Несушка». Установлено, что самым дешёвым вариантом является инкубатор «Несушка». Предложено применить в его конструкции в качестве нагревателя низкотемпературный плёночный электронагреватель, который представляет собой равномерно излучающую поверхность за счёт использования фольги. Проанализированы температурные зависимости нагрева, охлаждения, поддержания и восстановления температуры в камере бытового инкубатора, позволяющие сделать вывод о целесообразности применения плёночных электронагревателей в его конструкции.
Ключевые слова: бытовой инкубатор, конструкция, нагревательный элемент, температура, плёночный электронагреватель.
Для цитирования: Попов В.М., Афонькина В.А., Левинский В.Н. Применение плёночных электронагревателей в конструкции бытовых инкубаторов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 204 - 210.
Original article
Application of film electric heaters in the construction of household incubators
Vitaly M. Popov, Valentina A. Afonkina, Vasily N. Levinsky
South Ural State Agrarian University, Troitsk, Chelyabinsk Region, Russia
Abstract. The results of a comparative analysis of the technical and economic characteristics of the most common household incubators on the Russian market of the brand TGB-70, "Norma Luper 72", "Laying hen" are presented. It has been established that the cheapest option is the Laying incubator. It is proposed to use in its design as a heater a low-temperature film electric heater, which is a uniformly radiating surface due to the use of foil. The temperature dependences of heating, cooling, maintaining and restoring the temperature in the chamber of a domestic incubator are analyzed, allowing us to conclude that it is expedient to use film electric heaters in its design.
Keywords: household incubator, design, heating element, temperature, electric film heater.
For citation: Popov V.M., Afonkina V.A., Levinsky V.N. Application of film electric heaters in the construction of household incubators. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 204-210. (In Russ.).
Птицу можно выводить двумя способами: искусственным - в инкубаторе и естественным -под наседкой. В промышленных масштабах птицеводства выведение цыплят без применения инкубаторов невозможно [1]. В домашних условиях до недавнего времени выведение птицы без наседки было сложно представить. Но постепенно люди начали конструировать не-
большие по размеру самодельные инкубаторы, в конечном итоге это всё разрослось до таких масштабов, что на рынке сегодня существует огромное многообразие заводских инкубаторов бытового назначения [2 - 4].
Материал и методы. В обязательном порядке бытовой инкубатор должен содержать в своей конструкции следующие элементы:
корпус, лотки и механизм их поворота, а также блок автоматического управления обогревом, увлажнением и вентиляцией. Для сравнения были выбраны наиболее распространённые конструкции, представленные на отечественном рынке: ТГБ-70, «Норма Лупер 72», «Несушка». Их технико-экономические характеристики приведены в таблице 1 [2 - 4].
Анализ технико-экономических показателей сравниваемых инкубаторов показывает, что при относительно равных технических параметрах для инкубации одинакового количества яйца цена за единицу изделия существенно отличается. Так, самым дешёвым вариантом из рассматриваемых инкубаторов является «Несушка», его цена в 2 раза ниже инкубатора марки «Норма Лупер 72» ив 3 раза ниже, чем инкубатора марки ТГБ-70. Ценообразование формируется за счёт материалов, применяемых для изготовления конструктивных элементов корпуса инкубатора, сложности поворотных механизмов, нагревательных элементов и блока автоматического управления.
Инкубатор ТГБ-70 (рис. 1) представляет собой корпус, состоящий из лёгкого моющегося утеплённого текстильного чехла с равномерно распределённым внутри стенок гибким нагревателем (греющим кабелем), способствующим созданию однородной температуры. Чехол надет на лёгкий сварной, частично разборный каркас из гнутых уголков. Равномерность температуры во всём объёме камеры обеспечивает вентилятор, установленный внутри. Производитель заявляет уникальную систему поворота лотков с яйцом, который приближен к биологически естественному повороту яиц наседкой [2]. Вследствие этого значительно осложнён блок автоматики.
Инкубатор «Норма Лупер 72» (рис. 2 А) представляет собой прямоугольный ящик, у одной из боковых стенок корпуса которого закреплён блок управления с расположенными внутри механизмами и элементами поворота лотков.
Рис. 1 - Бытовой инкубатор марки ТГБ-70, НПП «Электроника для семьи», г. Тверь [2]
В инкубационной камере расположены решётчатый лоток для яиц и две ванночки для воды; также внутри камеры располагается вентилятор с нагревателем, выполненный из высокоомной проволоки в форме спирали (рис. 2 Б) [3].
Для вентилятора и электронагревателя организовано одновременное включение, т.е. спираль не может работать без обдува вентилятором. Это связано с тем, что высокоомная спираль способна нагреваться до пожароопасных температур. Положительным моментом применения их совместной работы является точность поддержания установленной температуры, отрицательным - это усложнение блока автоматики, так как он должен предусматривать всевозможные блокировки, защиты и сигнализацию.
У инкубатора марки «Несушка» (рис. 3 А) самый простой блок автоматики, который просто поддерживает в объёме камеры заданную температуру. Нагревательный элемент представляет собой две пластины, между которыми зажаты два резистора. При включении в сеть электропитания резистор постепенно нагревается сам, а затем прогревает алюминиевые пластины, которые рас-
1. Сравнение технико-экономических характеристик инкубаторов
Показатель Марка
ТГБ-70 «Норма Лупер 72» «Несушка»
Количество яиц, шт. 70 72 77
Напряжение питания, В 220/12 220/12 220/12
Установленная мощность, Вт 80 60 65
Рабочая температура, °С 36-39,9 35-40 33-43
Точность поддержания установленной температуры, °С 0,2 0,1 0,2
Диапазон устанавливаемой влажности, % 40-85 35-80 45-80
Точность поддержания установленной влажности, % - 3 3
Воздухообмен Естественный Принудительный Естественный
Материал корпуса Текстильный чехол Пласт. сендвич-панель Полистирольный пенопласт
Поворот яиц Автоматический Автоматический Автоматический
Цена, руб. 15490 9920 4579
полагаются в верхней крышке непосредственно над яйцом, занимая при этом около 50 % её площади (рис. 3 Б). Вентилятор в конструкции данного инкубатора не используется [4].
За счёт своей простоты в применении и невысокой цены данный инкубатор получил наибольшее распространение среди образцов подобного класса. Тем не менее их существенным недостатком являются локальные перегревы, что связано с неравномерным прогревом пластин. Как следствие, в некоторых местах расположения яйца возникает превышение температуры, а в некоторых - её дефицит. Итогом этих недостатков является неправильное развитие эмбриона. Производитель рекомендует с некоторой периодичностью менять местами расположение яиц. Нами же предлагается применить в данной конструкции в качестве нагревателя низкотемпературный плёночный электронагреватель, который представляет собой равномерно излучающую поверхность за счёт применения фольги (рис. 4, табл. 2) [5, 6].
Применение плёночного электронагревателя в конструкции бытового инкубатора позволит нивелировать все недостатки двух алюминиевых пластин и резистора между ними за счёт того, что для него отсутствует инерционность, светоосвещённость. Он абсолютно устойчив к высокому содержанию влаги, пожаробезопасен, обладает обеззараживающим эффектом, высокой плотностью потока излучения, что позволяет снизить энергоёмкость процесса инкубации и повысить равномерность распределения температуры по всей занимаемой площади инкубатора, по площади, занимаемой яйцом [5 - 9].
Для исследования возможности применения плёночного электронагревателя в конструкции инкубатора марки «Несушка» из одной выпущенной партии были взяты два одинаковых, в одном из которых вместо штатных нагревателей был изготовлен в размер крышки и установлен плёночный электронагреватель (рис. 5). При этом его установленная мощность была идентична штатному электронагревателю.
А
Рис. 2 - Бытовой инкубатор марки «Норма Лупер 72», ИП Какурина Е.В., г. Оренбург [3]
А Б
Рис. 3 - Бытовой инкубатор марки «Несушка», ООО «ЗЭБТ», г. Новосибирск [4]
206
Б
Рис. 4 - Внешний вид плёночного электронагревателя [7]
2. Технические характеристики плёночного электронагревателя [7]
Технические характеристики Значения
Номинальное напряжение, ин 12-220 В, 380 В, 50 Гц
Удельная мощность до 500 Вт/м2
Диапазон длины волны излучения, X 8,5 - 9,5 мкм
Температура поверхности электронагревателя, Т 35 - 70 °С
Ширина полотна / Длина полотна 0,35; 0,51 м / от 0,5 до 7 м
Наличие передающего элемента Алюминиевая фольга
Рис. 5 - Опытный образец бытового инкубатора с установленным плёночным электронагревателем
Далее в несколько этапов проводили испытание базового и опытного образцов бытовых инкубаторов.
Результаты и обсуждение. На 1-м этапе произведено включение обоих инкубаторов и их нагрев до максимально возможной температуры с последующим охлаждением. Результаты
данного этапа приведены в виде зависимостей на рисунках 6 и 7.
Анализ зависимостей рисунков 6 и 7 показывает, что в равных условиях нагрев и охлаждение инкубаторов достигают одинаковых максимальных и минимальных значений температуры за одинаковый период времени. Однако кривые опытного образца более плавные, это просматривается визуально на графике и подтверждается методом обработки полученных экспериментальных значений, аппроксимацией функции [10]. Для кривой нагрева опытного инкубатора получено уравнение четвёртой степени, для кривой базового инкубатора - шестой при одинаковой величине достоверности. Для кривой охлаждения опытного инкубатора получено уравнение третьей степени, для кривой базового инкубатора - четвёртой, так же при равной степени достоверности.
На 2-м этапе произведено включение инкубаторов и их нагрев до температуры, рекомендуемой для режима инкубации, а именно 37,8 °С [11]. На всём протяжении работы инкубаторов важно, чтобы их температурные значения были максимально приближенны к значениям для рекомендованного режима. Результаты второго этапа приведены на рисунке 8.
50,00
45,00
40,00
и о 35,00
«
а 30,00
« & 25,00
с ? 20,00
0J Н 15,00
10,00
5,00
0,00
о
y (опытн ый) = -4E-06J с4 + 0,0006x3 - 0,0386x2 + 1,2 886x + 21,577
2
(базовый) = - -5E-09x6+ 6E- -07x5 -2E-05x - 0,0007x3 + ),0238x2 + 0,67 59x + 20,956
R2 = 0, 9991
10
20
30 40
Время, мин.
К Опытный • Базовый ......... Полиномиальная (опытный)
Рис. 6 - Нагрев опытного и базового образцов инкубаторов
207
50
60
70
Полиномиальная (базовый)
Анализ зависимостей на рисунке 8 показывает, что кривая базового инкубатора нестабильна и, как правило, превышает пороговое значение, что говорит о большой инерционности используемых нагревателей. Синяя кривая опытного инкубатора говорит о селективной работе плёночного электронагревателя, её отклонения соответствуют заданному гистерезису терморегулятора.
На 3-м этапе после прогрева инкубаторов до установившегося температурного режима
37,8 °С на обоих образцах инкубаторов были открыты крышки с последующим охлаждением до температуры 33 °С. Открывание крышки было имитацией того, что технологией инкубации предусматривается как открывание для проделывания каких-либо операций, например, доливания воды. Важным моментом является то, как быстро нагреватели восстановят установившийся температурный режим. Результаты 3-го этапа приведены на рисунке 9.
50,00 45,00 У 40,00
О '
« 35,00 а
^ 30,00 & 25,00 | 20,00 н 15,00 10,00 5,00 0,00
■-т-в_ —а-■
у (опь ггный) = -0,0009 х3 + 0,0569х2 - 1 1645х + 43,473
!2 = 0,9957
у (ба зовый) = 5Е—05х 4 + 0,0036х3-0, 3666х2 — 0,0532х + 42,053
Я2 = 0,9955
0
5
10
15
Время, мин.
20
25
30
■ Опытный • Базовый ......... Полиномиальная (опытный) ......... Полиномиальная (базовый)
Рис. 7 - Охлаждение опытного и базового образцов инкубаторов
38.3
38.2 38,1
38 37,9 37,8 37,7 37,6 37,5
37.4
37.3
ооооооооооооооооооооооооооооооооооо
Время, с
опытный
' базовый
режим инкубации
Рис. 8 - Поддержание температуры рекомендованной для режима инкубации
я
^
я
40
38
36
34
« 32 Н 32
30
°2£1оооооо
ГЧ гч
о
00 гч
о о о о ^ ^ о
т т т
о
т
ооооооооо
опытный
Время, с
базовый
режим инкубации
Рис. 9 - Восстановление установившегося режима после открывания крышек инкубаторов
Анализ зависимостей на рисунке 9 показывает, что время переходного процесса до установившегося режима для опытного образца составляло 3 мин., для базового - 9 мин.
Вывод. Зависимости нагрева, охлаждения, поддержания и восстановления температуры в камере бытового инкубатора указывают на целесообразность применения плёночных электронагревателей в их конструкциях. Однако остаётся не ясным, как изменится характер кривых непосредственно при инкубации яйца, как будет проходить температурно-влажностный процесс в целом, как данные факторы будут влиять на итоговую выводимость птенцов, какая будет разница потребления электрической энергии. Именно с этим будут связаны дальнейшие исследования применения плёночных электронагревателей в конструкциях бытовых инкубаторов для различных пород и видов яиц.
Список источников
1. Бессарабов Б.Ф., Крыканов А.А., Киселев А.Л. Инкубация яиц сельскохозяйственной птицы. СПб.: Изд-во «Лань», 2015. С. 67 - 99.
2. Инкубатор бытовой ТГБ-70 [Электронный ресурс]. URL: https://mirinkub.ru/files/Trb0/o2070.
3. Инкубатор автоматический бытовой Норма Лупер 72 [Электронный ресурс]. URL: https://chel.goodmart24.ru/ шеШ^/Инструкции/Инкубаторы/Инструкция0/о20к0/о20 инкубатору%20Норма%20Луппер%2072.pdf
4. Инкубатор бытовой «Несушка» [Электронный ресурс]. URL: https://chel.goodmart24.ru/userfiles/Инструк-ции/Инкубаторы/Инструкция%20к%20инкубаторам%20 Несушка.
5. К вопросу применения инфракрасных плёночных электронагревателей в конструкции инкубатора / Д.А. Ветошев, В.М. Попов, В.А. Афонькина и др. // Современные тенденции технологического развития АПК: матер. Междунар. науч.-технич. конф. Челябинск, 2019. С. 180 - 185.
6. Сравнительный анализ ИК-излучателей, применяемых в конструкции инкубаторов / В.М. Попов, В.А. Афонькина, В.Н. Левинский и др. // Актуальные вопросы агроинженерных и сельскохозяйственных наук: теория и практика: матер. национал. науч. конф. Челябинск, Миасское, 2019. С. 99 - 103.
7. Левинский В.Н. Исследование характеристик ИК-излучателей // Актуальные проблемы энергетики АПК: матер. VIII междунар. науч.-практич. конф. Саратов, 2017. С. 148 - 150.
8. Математическая модель для обоснования параметров плёночного электронагревателя на основе высокоомной проволоки / В.М. Попов, Е.Н. Епишков,
B.А. Афонькина и др. // АПК России. 2020. Т. 27. № 2.
C. 346 - 350.
9. Попов В.М., Епишков Е.Н., Загидулин Р.Р. Определение коэффициента черноты плёночного лучистого электронагревателя // Актуальные вопросы агроинженерных и сельскохозяйственных наук: теория и практика: матер. национал. науч. конф. Челябинск, 2019. С. 110 - 117.
10. Баласанян Б.С., Христафорян С.Ш. Полиноминальная аппроксимация результатов однофакторного эксперимента методами математического планирования // Прогресивш технологи i системи машинобудування. 2007. № 1 (33). С. 18 - 25.
11. Рахманов А.И. Инкубация яиц сельскохозяйственных птиц в личном хозяйстве. М.: «Аквариум Принт», 2016. 80 с.
References
1. Bessarabov B.F., Krykanov A.A., Kiselev A.L. Incubation of poultry eggs. St. Petersburg: Publishing house «Lan», 2015. S. 67-99.
2. Household incubator TGB-70. [Electronic resource]. URL: https://mirinkub.ru/files/TGB%2070.
3. Automatic household incubator Norma Luper 72 [Electronic resource]. URL: https://chel.goodmart24.ru/ userfiles/Instructions/Incubators/Instruction%20k%20incuba-tor%20Norma%20Lupper%2072.
4. Household incubator «Laying hen» [Electronic resource]. URL: https://chel.goodmart24.ru/userfiles/In-structions/Incubators/Instruction%20 to%20incubators%20 Laying hen.
5. To the question of the use of infrared film electric heaters in the design of the incubator / D.A. Vetoshev, V.M. Popov, V.A. Afonkina et al. // Modern trends in the technological development of the agro-industrial complex: mater. International scientific and technical conf. Chelyabinsk, 2019. P. 180-185
6. Comparative analysis of IR emitters used in the design of incubators / V.M. Popov, V.A. Afonkina, V.N. Levinsky et al. // Topical issues of agroengineering and agricultural sciences: theory and practice: mater. natsional. scientific conf. Chelyabinsk, Miassskoye, 2019. Р. 99-103.
7. Levinsky V.N. Investigation of the characteristics of IR emitters. VIII International scientific-practical. conf. Saratov, 2017. Р. 148-150.
8. Mathematical model for substantiating the parameters of a film electric heater based on high-resistance wire / V.M. Popov, E.N. Epishkov, V.A. Afonkina et al. Agro-Industrial Complex of Russia. 2020. 27(2). 346-350
9. Popov V.M., Epishkov E.N., Zagidulin R.R. Determination of the emissivity coefficient of a film radiant electric heater // Topical issues of agroengineering and agricultural sciences: theory and practice: mater. national scientific conf. Chelyabinsk, 2019. P. 110-117
10. Balasanyan B.S., Khristaforyan S.Sh. Polynomial approximation of the results of a one-factor experiment by methods of mathematical planning. Progressive Technologies and Machine Building Systems. 2007; 33(1): 18-25
11. Rakhmanov A.I. Incubation of eggs of agricultural birds in a private household. M.: «Aquarium Print», 2016. 80 p.
Виталий Матвеевич Попов, доктор технических наук, профессор, ntc-es@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001-5773-4839
Валентина Александровна Афонькина, кандидат технических наук, доцент, afva82@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001- 9743-5278
Василий Николаевич Левинский, кандидат технических наук, lv_74rus@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001-9778-3168
Vitaly M. Popov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, ntc-es@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001-5773-4839
Valentina A. Afonkina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, afva82@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001- 9743-5278
Vasily N. Levinsky, Candidate of Technical Sciences, senior lecturer, lv_74rus@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001-9778-3168
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 06.04.2022; одобрена после рецензирования 18.04.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 06.04.2021; approved after reviewing 18.04.2022; accepted for publication 11.05.2022. -♦-
Научная статья
УДК 621.548
doi: 10.37670/2073-0853-2022-95-3-210-215
Регулирование мощности и частоты вращения ветротурбин путём изменения угла установки лопастей
Виктор Гаврилович Петько1, Ильмира Агзамовна Рахимжанова1,
Максим Борисович Фомин1, Александр Борисович Колесников2,
Александр Сергеевич Садчиков2, Ирина Валерьевна Колесникова3
1 Оренбургский государственный аграрный университет, Оренбург, Россия
2 ООО «Тюльганский электромеханический завод», Оренбург, Россия
3 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия
Аннотация. В статье приведено описание устройства, принципа действия и оценка двух отличных по структуре регуляторов (ограничителей) мощности и частоты вращения ветротурбин, работающих в условиях переменной скорости ветра. Регулирование с целью ограничения мощности и частоты вращения при увеличении скорости ветра выше расчётной величины осуществляется уводом угла установки лопастей от оптимального значения. В качестве устройства управления используется микроконтроллер, на входы которого подаются сигналы от датчиков частоты вращения и тока генератора. В сравнительном аспекте проанализированы две конструктивные схемы регуляторов: с механическим исполнительным механизмом и с электрогидравлическим. Рассмотренные конструктивные схемы регуляторов мощности и частоты вращения ветротурбин позволяют обеспечить заданные режимы их работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей ветра. За счёт наличия датчика угла установки лопастей становится возможной организация отрицательной обратной связи, позволяющей устройству управления вести статическое или, при необходимости, ПИД-регулирование. При этом повышается устойчивость системы, исключается перерегулирование и возможное качание лопастей, что в конечном итоге повышает точность регулирования параметров.
Ключевые слова: датчик, усилитель, исполнительный механизм, обратная связь, гидропривод.
Для цитирования: Регулирование мощности и частоты вращения ветротурбин путём изменения угла установки лопастей / В.Г. Петько, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 210 - 215. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-210-215.
Original article
Regulation of power and speed of wind turbines by changing the angle of the blades
Viktor G. Petko1, Ilmira A. Rakhimzhanova1, Maxim B. Fomin1, Alexander B. Kolesnikov2,
Alexander S. Sadchikov2, Irina V. Kolesnikova3
1 Orenburg State Agrarian University, Orenburg, Russia
2 OOO "Tyulgansky Electromechanical Plant", Orenburg, Russia
3 Orenburg State University, Orenburg, Russia
Abstract. The article provides a description of the device, the principle of operation and an assessment of two regulators (limiters) of power and speed of wind turbines that are different in structure and operate under conditions of variable wind speed. Regulation with the aim of limiting both power and rotational speed with an increase in wind speed above the calculated value is carried out by removing the angle of installation of the blades from the optimal value. As a control device, a microcontroller is used, to the inputs of which signals from the generator speed and current sensors are fed. At the same time, a comparison was made of two constructive schemes of regulators: with a mechanical actuator and with an electro-hydraulic one. The considered design
