Энергосбережение в электрифицированных технологиях на основе активации взаимодействующих сред

Введение. Многие технологии сельскохозяйственного производства основаны на применении тепловой и электрической энергии. Энергозатраты составляют существенную часть себестоимости готовой продукции [1]. Поэтому их снижение является актуальной задачей. Энергосбережение способствует снижению себестоимости продукции, усовершенствованию производственного процесса и повышению качества продукции [2-3].

Одним из важных показателей эффективности любого электрифицированного технологического процесса является удельный расход электроэнергии. Условно технологические процессы можно разбить на две категории: основанные на механическом перемещении масс и основанные на изменении внутренней энергии и структуры вещества.

Цель работы - показать влияние активации взаимодействующих сред неоднородным электрическим полем на энергоэффективность и производительность технологических процессов сельскохозяйственного производства.

Теория и методика эксперимента. В общем удельный расход электроэнергии может быть представлен в следующем виде:

ә э э

+       +               (1)

м мм*

р.о.         пр.          пр.

где Эх.х. - энергия, идущая на привод в действие рабочих органов, кВт-ч; Эп.пр. - энергия, идущая на перемещение продукта, кВт-ч; Эо.пр. - энергия, идущая на изменениі внутренней энергии и структуры вещества, кВт-ч; Мр.о. - масса рабочих органов, кг; Мпр. - масса перемещаемой продукции, кг; М'пр. - масса обрабатываемого вещества (продукции), кг.

Из формулы следует, что энергосбережение зависит как от режима протекания процесса, так и от конструктивных элементов рабочей машины. Рассмотрим составляющие правой части уравнения (1) с позиций процессов переноса импульса, энергии и массы.

Первая составляющая правой части выражения (1) реализуется за счёт конструктивного исполнения рабочих и вспомогательных элементов машины. Чем меньше масса этих элементов, тем меньше будет затрачено непродуктивной энергии.

Эффективность второй составляющей зависит от величины и скорости перемещаемого груза. Чем больше будет масса груза и скорость его перемещения, тем меньшим будет удельный расход электроэнергии. Так, в работе [4] показано, что производительность, энергоёмкость и качество выполнения уборки навоза зависят от конструктивных параметров транспортера, физико-механических характеристик навоза и степени заполнения им канала.

Третья составляющая характеризует такие процессы, как обеззараживание воздушной среды производственных помещений и сельскохозяйственной продукции, сушка зерна (семян) и другой сельскохозяйственной продукции, приготовление кормов и кормовых смесей и т.д.

dU = ^^1-dXi ■ г=1

где Р] - потенциал; X, - обобщённая координата данного воздействия; Т - температура; 8 - энтропия; Pi-dX, - изменение внутренней энергии среды за счёт /-го воздействия; APj-dXj - все побочные эффекты, возникающие при этом воздействии; AT-dS - тепловой эффект.

В этих процессах происходит изменение внутренней энергии и структуры взаимодействующих сред. В этом случае играет роль время взаимодействия сред, направленного на изменение структуры продукта при условии соблюдения максимальной производительности и других требований технологии. Кроме этого между взаимодействующими средами происходит энергомассообмен.

В общем случае эта составляющая может быть определена следующим уравнением [5]:

M^k-B-F-Хг,      (2)

где М - перенесённое количество вещества или энергии; к - коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость процесса (коэффициент теплопередачи, массопередачи и т.д.); В - постоянная величина, характеризующая интенсивность единицы рабочей поверхности или единицы объёма; F - движущая сила процесса (градиенты температуры, давления и т.д.); Ат- интервал времени.

Для характеристики интенсивности процесса используют следующее отношение:

M_t / В • ZXt = к- F. (3) Это отношение характеризует количество энергии или массы вещества, перешедшей за интервал времени Ат через единицу площади рабочей поверхности или перенесённой из одной фазы в другую через единицу рабочего объёма и отнесённой к единице движущей силы.

Как известно, в настоящее время в роли движущей силы в сельскохозяйственных технологиях используют градиенты температуры, давления, электрических потенциалов и т.д.

Повысить значительно эффективность процессов за счёт этих видов движущей силы уже не представляется возможным, т.к. они исчерпали свои потенциальные возможности.

Магистральным путём создания высокоэффективных технологий могут быть только новейшие достижения науки и техники. Одним из таких достижений является электроактивация взаимодействующих сред [6-7].

Из термодинамики известно, что работу может производить среда, находящаяся в неравновесном состоянии, за счёт свободной энергии [8]. В это состояние среда приводится в результате возмущающих внешних воздействий. Изменение её внутренней энергии равно сумме всех возмущений внешнего воздействия (4):

^p-dX^M-dS,              (4)

Z—1

При достижении параметров возмущающих воздействий пороговых значений происходят структурные изменения среды, в результате которых связанная энергия превращается в свободную. За счёт её изменения может производиться дополнительная работа. По- лезная работа произойдёт только лишь в том случае, если суммарная энергия превысит энергию активации.

Из физической химии известно, что наиболее эффективной является энергия колебательной степени свободы. Тип возмущающего воздействия выбирают так, чтобы время вывода системы из равновесного состояния было намного меньше времени её возвращения в равновесное. Такое внешнее воздействие на взаимодействующие среды в технологиях сельскохозяйственного производства может оказывать электромагнитное поле. На электромагнитное воздействие они реагируют быстрее и легче, чем на воздействия другой природы (механическое, термическое и др.). Это обусловлено электромагнитной природой вещества (всех тел и сред).

Воздушная среда и объекты воздействия при обеззараживании производственных помещений и сельскохозяйственной продукции, сушке зерна, сжигании топлива активируется пропусканием их через неоднородное электрическое поле. При этом в воздушной среде происходит целый ряд процессов, одним из которых является образование озона (уникальный окислитель) [9-14].

Результаты исследований и их обсуждение, Технология сушки зерна озоновоздушной смесью, получаемой в проточном электроозонаторе, была испытана в производственных условиях на бункерах активного вентилирования БВ-40 и бункерной сушилке СБВС-5. Воздух, проходя через разрядный промежуток электроозонатора, насыщается озоном и ионами, которые взаимодействуют с зерновой массой. Результаты производственной проверки по влиянию озоновоздушной смеси на энергосбережение процесса сушки зерна представлены в таблице.

Результаты производственной проверки

№ п/п	Наименование показателя	Значения показателя		Эффективность
		Озоноводушная смесь	Тепловая сушка
1	Производительность по сырому материалу, т/ч	0,44	0,26	Увеличилась в 1,69 раза
2	Производительность по сухому материалу, т/ч	0,39	0,23	Увеличилась в 1,70 раза
3	Удельный расход электроэнергии, кВт ч/т	99	225	Уменьшился в 2,27 раза
4	Длительность обработки, ч	90	150	Уменьшилась в 1,67 раза

Из результатов эксперимента видно, что производительность бункера по сухому материалу увеличилась в 1,7 раза, а удельный расход энергии на тонну вместимости снизился в 2,27 раза.

При этом грибковая обсеменённость зерна также существенно уменьшается (рисунок 1). Применение озоновоздушных смесей при обработке зерна привело и к росту урожайности зерновых культур на 10-15%.

Рисунок 1 - Изменение грибковой обсеменённости зерна

Исследования влияния неоднородного электрического поля на процессы горения топлива и нагрев кормовых смесей показали, что производительность технологической линии приготовления кормовых сме сей увеличилась на 7-8%, а удельный расход топлива снизился на 17-18%. Время работы технологической линии уменьшилось на 6-7%, а температура обрабатываемого корма возросла на 4-5 °C.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 время, мин - ■ - контроль

Рисунок 2 - Изменение концентрации аммиака во времени при озонировании в свинарнике

Дезодорация и обеззараживание воздушной среды животноводческих помещений озоном (разрядом в неоднородном электрическом поле) приводили к снижению концентрации аммиака и сероводорода в 3-4 раза (рисунок 2), а микробной обсеменённости - в 2-5 раз. При этом среднесуточные привесы поросят возрастали на 15-19%, а усвоение кормов - на 10-11%.

Выводы. Воздействие на воздушную среду и сельскохозяйственную продукцию неоднородным электрическим полем приводит к интенсификации технологических процессов сельскохозяйственного производства и снижению энергозатрат. Кроме этого, применение озоновоздушных смесей оказывает существенное влияние на санитарное состояние зерна и животноводческих помещений, урожайность зерновых культур и стимулирует развитие животных. Физической причиной уменьшения удельного расхода энергии является увеличение теплового и химического потоков в результате электроактивации взаимодействующих сред в технологических процессах.