Розвиток наукових основ розробки сільськогосподарської техніки підвищеної енергоефективності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розвиток наукових основ розробки сільськогосподарської техніки підвищеної енергоефективності

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема енергозбереження в даний час є однією із найбільш пріоритетних у всіх галузях народного господарства України, у тому числі й у сільськогосподарському виробництві.

Більшість сільськогосподарських процесів механізовано, тому рівень технологій у різноманітних галузях виробництва, а відповідно якість і собівартість одержуваної продукції багато в чому визначаються мірою досконалості використовуваних машин.

У даний час спостерігається загальна тенденція розширення технологій сільськогосподарського виробництва, яка неможлива без зміни моделей і типів використовуваного обладнання. Нові машини і їхні комплекси повинні перевершувати ті, що існують, за своїми функціональними й техніко-економічними показниками. Ця вимога ставиться не тільки до об'єктів у цілому, але й до їх окремих, у першу чергу найбільш відповідальних структурних елементів.

Багато сільськогосподарських машин містять вузли й агрегати, що в принциповому відношенні характеризуються загальними технічними рішеннями. До таких пристроїв варто віднести гідро- і пневмоприводи, теплообмінні апарати різноманітного призначення, пневмотранспортні установки. Відмінними рисами цих структурних елементів є те, що вони:

- визначають найбільш істотні процеси, що відбуваються в сільськогоспо-дарських машинах: динамічні, теплові, аеродинамічні і т.д.;

- значною мірою визначають функціональні й енергетичні показники сільськогосподарських машин;

- використовують у якості робочого тіла (стисливу або нестисливу) рідину, за допомогою якої забезпечується передача динамічних зусиль, теплоти або переміщення маси, що транспортується.

Це відкриває можливість проводити аналіз і оптимізацію досліджуваних технічних систем, базуючись на єдиних методологічних наукових концепціях.

Вивчення стану сформульованої вище проблеми показало, що дотепер вона не знайшла свого вирішення. Тому створенню загальної методології аналізу, синтезу й оптимізації структурних елементів сільськогосподарських машин із метою підвищення ефективності їхньої роботи і присвячена дана дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до державних науково-технічних програм ДНТП 12 «Енерго - та ресурсозберігаючі технології у сільськогосподарському виробництві» (шифр 97312, 1997-1998 рр.), «Виробництво технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу в 1998-2005 роках», розробленої відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 01.12.1997 р. №1341 «Про розвиток сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромисло-вого комплексу конкурентноспроможною технікою», планом науково-дослідних робіт Миколаївського державного аграрного університету на тему «Розробка й дослідження методів ефективності побудови сільськогосподарських машин і впровадження енергозберігаючих рішень» і договорами про творче науково-технічне співробітництво між Миколаївським державним аграрним університетом, Інститутом технічної теплофізики НАН України, ВАТ «Борекс» Київської області (договір від 15.06.2001 р.) і ВАТ «Херсонські комбайни» (договір від 08.12.1999 р.).

Мета дослідження - підвищення ефективності використання енергії в машинах і засобах механізації сільськогосподарського виробництва.

Завдання дослідження:

- розробити наукову концепцію зниження енергетичних витрат на основі аналізу, синтезу й оптимізації структурних елементів сільськогосподарських машин і агрегатів;

- виявити можливості оптимізації конструктивних рішень гідравлічних механізмів сільськогосподарських машин, виходячи з ексергоекономічного аналізу зниження енерговитрат;

- вишукати шляхи підвищення ефективності роботи теплообмінних апаратів, застосовуваних у сільськогосподарському виробництві;

- на основі фізико-математичного моделювання переміщення потоків у пневматичних транспортуючих пристроях визначити їх раціональні технічні рішення.

Об'єкт досліджень - робочі процеси, обумовлені гідро-, тепло- і масообміном у технологічних вузлах і агрегатах сільськогосподарської техніки.

Предмет досліджень - технічні елементи (вузли й агрегати) і їхні оптимальні параметри, встановлювані за критерієм мінімальних втрат енергії.

Методи досліджень - теоретичні дослідження, засновані на використанні теоретико-графових і ексергетичних методів аналізу й оптимізації технічних систем, а також на математичному моделюванні досліджуваних явищ; експериментальні дослідження - на фізичному й аналоговому моделюванні, а також на результатах натурних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів. Розроблено універсальну методику синтезу оптимальних технічних рішень функціональних елементів сільськогосподарських машин (гідроприводів, пневмотранспортних пристроїв і теплообмінників), засновану на теорії графів і ексергоекономічних дослідженнях.

Вперше запропонована ексергоекономічна концепція оцінки досконалості конструкцій енергообмінних апаратів із метою оптимізації їхніх структурних побудов.

Запропоновано математичні моделі гідродинаміки багатофазних середовищ у системах сільськогосподарського пневмотранспорту.

Обґрунтовано параметри й розроблено комплексну методику профілювання гідродинамічно раціональних конструкцій пневмотранспортувальних каналів, засновану на поєднанні методу оптичної візуалізації потоку, розрахунку гідродинаміки нестаціонарного потоку й результатах натурного експерименту.

Розроблено метод і дані рекомендації щодо підвищення ефективності теплообмінних апаратів сільськогосподарського призначення. Новизна розробки теплообмінного апарату підтверджена патентом України (а.с. №48349А), де запропоновано поєднання турбулізації потоку з його нагріванням, що інтенсифікує теплообмінні процеси, підвищує ефективність апарата і виключає можливість його зледеніння при несприятливих кліматичних умовах.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці інженерних розрахункових методів проектування сільськогосподарських машин і устаткування, що дозволяють вибирати оптимальні рішення як за структурою, так і за елементним складом на основі реалізації енергозберігаючих технологій. Їхнє використання рекомендоване як на етапі проектування, так і на етапі передпроектних розробок, а також у складі САПР.

Впровадження результатів роботи здійснювалось у вигляді застосування методики й алгоритму ексергоекономічного аналізу систем гідроприводів сільськогосподарських машин, переданих у 2001 році ВАТ «Херсонські комбайни» для аналізу й удосконалення енергетичних і економічних показників гідравлічних систем двох типів кормозбиральних комбайнів і використання при проектуванні перспективних моделей сільськогосподарських машин.

Розроблено методику конструювання проточної частини каналів пневмотранспортних установок, що сприяє збільшенню їхньої продуктивності і зменшенню енергії на транспортування дискретної фази, реалізовану в 2002 році у ВАТ «Борекс» Бородянського району Київської області при дослідженні й доробці проточної частини каналу силосопроводу дослідного зразка комбайна «Борекс-КЗК - 4,2». Економічний ефект від впровадження вдосконаленого каналу склав 49,5 тисяч гривень на рік.

Результати дисертаційної роботи з 2001 року використовуються в навчальному процесі Миколаївського державного аграрного університету кафедрами тракторів і сільськогосподарських машин, механізації й електрифікації сільськогосподарського виробництва.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- розробці комплексного методу аналізу, синтезу й оптимізації сільсько-господарських технічних об'єктів на основі теорії графів, ексергетичного аналізу, фізичного моделювання й натурних експериментів об'єктів;

- ексергоекономічній оптимізації технологічних елементів сільськогоспо-дарських машин;

- аналізі процесів у гідроприводах на основі теоретико-графових побудов і їхньої оптимізації;

- розробці методу оптимізації проточної частини каналів пневмотранспорт-них установок на основі методу оптичної візуалізації потоку й натурних експериментів;

- оптимізації аеродинамічних характеристик пневмотранспортних устано-вок на основі математичного моделювання гідродинаміки процесів, що протікають;

- розробці методу синтезу теплообмінних апаратів, що поєднують турбулі-зацію теплоносія з його електронагрівом у єдиній конструкції теплообмінника.

Як відповідальний виконавець, автор брав безпосередню участь на всіх етапах впровадження у виробництво результатів досліджень.

Участь в опублікованих у співавторстві працях складає біля 70%.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень, включені в дисертаційну роботу, доповідались на науково-технічних конференціях Миколаївського державного аграрного університету (1997-2004 рр.), міжнародних конференціях: «Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві і споживанні енергії» (Україна, Київ, 1999 р.), «Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі сторіч» (Україна, Київ, 1999 р.), «Технічний прогрес у рослинництві» (Україна, Харків, 2000-2002 р.), «Сучасні проблеми землеробської механіки» (Україна, Київ, 2000 р., Україна, Луцьк, 2001 р., Україна, Миколаїв, 2002 р., Україна, Харків, 2003 р.), «Проблеми виробництва екологічно чистої сільськогосподарської продукції на межі 3-го тисячоліття» (Україна, Житомир, 2000 р.), «Землеробська механіка на рубежі сторіч» (Україна, Мелітополь, 2001 р.), «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві» (Україна, Глеваха, 2001-2003 р.), «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (Україна, Харків, 2001 р.), «Проблеми конструювання, виробництва й експлуатації сільськогосподарської техніки» (Україна, Кіровоград, 2001, 2003 р.), «Проблеми застосування технологій точного землеробства в АПК» (Україна, Київ, 2002 р.), «Механізація й енергетика сільського господарства «MOTROL - 2003»» (Україна, Київ, 2003 р.), «Промислова гідравліка і пневматика» (Україна, Київ, 2004 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 43 наукових працях, із яких: у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України - 41; патентів - 1; тез доповідей - 1. Без співавторів опубліковано 25 робіт, у тому числі 24 - основних, 1 - тези доповіді.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури з 386 найменувань на 34 сторінках і 8 додатків на 60 сторінках. Загальний обсяг роботи - 413 сторінок і включає 267 сторінок основного тексту, 5 таблиць на 5 сторінках і 98 малюнків на 47 сторінках.

Основний зміст роботи

сільськогосподарський гідравлічний енерговитрати теплообмінний

У вступі обґрунтована актуальність аналізованої теми, дана характеристика роботи, її зв'язок із науковими програмами, наукова новизна і практична значимість, сформульована мета дослідження.

Розділ 1. Аналітичний огляд напрямків робіт із зниження енергетичних втрат у конструкціях машин включає аналіз вітчизняних і закордонних дослід-жень, що проводилися дотепер в області розрахунків гідроприводів, пневмотранс-порту і теплообмінних апаратів.

Як фундаментальні дослідження в напрямку удосконалювання гідроприво-дів, із метою підвищення ефективності їхнього функціонування виділяються роботи Т.М. Башти, В.М. Прокоф'єва, О.В. Герц, Г.В. Крейніна, І.А. Немировського, А.Т. Лебедєва, В.М. Кадача, М.Б. Бурлиги, М.В. Черкашенка, В.А. Дідура й інших учених, ці роботи стали основою розробки і реалізації відомих методик розрахунку.

Пошук подальших шляхів формування узагальнених методів проектування відкрив можливість сконцентрувати увагу на використанні положень математичної теорії графів, що дозволила відійти від необхідності складання додаткових рівнянь, які враховують специфічні особливості функціонування для кожного проектованого гідроприводу.

Проблемам удосконалення функціонування пневмотранспортних установок, із погляду більш точного вирішення задачі динаміки багатокомпонентних середо-вищ і масообмінних процесів у технічних апаратах, удосконалення систем подачі повітря, методів розрахунку турбулентних потоків і конструювання проточних частин каналів із зниженими аеродинамічними втратами присвятили глибокі теоретичні й експериментальні дослідження G.K. Batchelor, S.L. Soo, Дж. Грін, Р. Бусройд, З.Р. Горбіс, Х.А. Рахматулін, Б.Х. Драганов, Р.І.Нігматулін, О.М. Яхно, С.І. Криль, С.П. Рудобашта, А.А. Халатов, Б.П. Устименко, О.М. Дзядзіо, та інші.

Однак отримані результати досліджень не дозволяють однозначно визначити такі конструктивні, енергозберігаючі форми каналів пневмотранспорту, які при збереженні або поліпшенні функціональних характеристик усієї системи змогли б забезпечити їхнє максимальне наповнення транспортованим потоком. Більшість досліджень є окремими випадками вирішення загальних задач.

Оскільки процес пневмотранспорту в сільськогосподарських машинах і устаткуванні має специфічний характер (як правило, середовище в сільськогоспо-дарських технічних об'єктах - це гетерогенна система у вигляді грубодисперсної суспензії, переважна більшість каналів мають криволінійну форму, часто зустріча-ються канали прямокутного перерізу, спостерігається спільна течія твердих часток і рідини (стисливої або нестисливої) і т.д.), то вирішення цієї складної у теоретичному й експериментальному відношенні проблеми потребує розробки комплексного методу досліджень. Він може ґрунтуватися на математичному й фізичному моделюванні, графоаналітичній побудові перерізів каналу і його експериментальних досліджень.

Однією з вирішальних вимог при конструюванні теплообмінних апаратів, що широко використовуються в сільськогосподарському виробництві, є отримання мінімальних габаритних розмірів і матеріалоємності при заданому тепловому навантаженні й інших однакових вихідних параметрах робочих середовищ. Воно досягається інтенсифікацією процесу теплообміну за рахунок турбулізації потоку й організації, по можливості, по всій поверхні тепловіддачі, розвитої вихрової течії.

Вагомий внесок у розв'язання цієї проблеми внесли О.А. Гухман, В.В. Кафаров, Е.М. Письменний, В.Б. Кунтиш, Г.Є. Каневець, Г.О. Дрейцер, Б.В. Дзюбенко, Е.К. Калінін та інші вчені.

Аналіз досліджень обраної проблеми виявив:

- відсутність загальних методичних принципів, спрямованих на підвищення ефективності при обраному критерії оптимізації довільного елемента сільськогос-подарських машин, незалежно від його призначення й структурних характеристик;

- недостатній рівень вирішення питань аналізу, синтезу й оптимізації структурних і функціональних елементів сільськогосподарських машин;

- значну розбіжність експериментальних результатів, що спостерігається для всіх енергетичних елементів досліджуваних технічних систем (гідроприводів, пневмотранспортних установок і теплообмінних апаратів).

Такий стан зазначених питань призводить до значної перевитрати енергії стосовно одиниці виробленої продукції і пов'язаний з тим, що інтенсивні дослідження, спрямовані на підвищення енергетичної ефективності сільськогоспо-дарської техніки, у контексті єдиної наукової концепції її аналізу, синтезу й оптимізації проведені вперше.

На базі виконаного аналізу розроблена концепція оптимізації різних за функціональними й структурними показниками елементів сільськогосподарських машин і апаратів, що базується, залежно від постановки задачі, на системному аналізі, методах математичного й фізичного (у тому числі аналогового) моделювання, теорії графів і ексергоекономічної оптимізації енергоперетворювальних систем.

Реалізація даної концепції з викладом основних методичних підходів створює можливість для енергозбереження при проектуванні найбільш енергоємних систем сільськогосподарських машин і устаткування в Україні.

Розділ 2. Загальні методи і методики досліджень оптимізації конструк-тивних рішень енергоперетворювальних вузлів і агрегатів сільськогоспо-дарської техніки. В основу досліджень і оптимізації технічних систем покладено метод системного аналізу, що дозволяє уявити досліджувану систему у вигляді моделі і розглядати цілісну картину її функціонування. При цьому вивчаються механізми і засоби, що забезпечують зміну режимів роботи об'єкта.

Критерієм в оцінці результатів прийнята найбільш економічна стратегія з числа попередньо вибраних, що задовольняє всі обмеження й забезпечує досягнення мети дослідження.

Оптимізація систем гідроприводів сільськогосподарських машин (СГСМ) полягає у визначенні з усіх можливих варіантів системи таких, що найбільш повно відповідають функціональним задачам з технологічних, конструктивних та інших параметрів і забезпечують оптимальні значення критерію ефективності Z^opt.

, (1)

x_j Rⁿ

при обмеженнях

f_i(x_j) > 0, i = 1, 2, …, m, q_k(x_j) = 0, k = 1, 2, …, L, (2)

де Rⁿ - n-мірний дійсний векторний простір.

Сформульована задача оптимізації (1) належить до багатоекстремальної великорозмірної задачі дискретного нелінійного програмування, ускладненої обмеженнями (2). Для її рішення можливі різноманітні підходи, орієнтовані на конкретний вид аналізованої системи.

Суть цих методів полягає в забезпеченні найбільш економічних засобів пошуку рішень задач оптимального синтезу і скороченні перебору багатомірної множини можливих рішень {Р}.

Принципи синтезу оптимальних технічних систем передбачають, що для кожної вихідної задачі синтезу Р існує найкраще з множини {P} можливих, рішення . Рішення P^* є шуканою оптимальною технологічною схемою системи, для якої значення критерію ефективності Z екстремальне.

Можливі такі принципи синтезу оптимальних технічних систем:

- декомпозиційно - потоковий (ДП-принцип);

- евристично - декомпозиційний (ЕД-принцип);

- інтегрально - гіпотетичний (ІГ-принцип);

- еволюційний принцип (ЕВ-принцип).

У процесі досліджень встановлено, що найбільш ефективні методи синтезу оптимальних систем можуть бути досягнуті при комплексному використанні декількох принципів синтезу досліджуваних систем, наприклад, декомпозиційно - потокового й еволюційного принципів.

В останні роки в енергетиці й ряді інших галузей набув поширення ексергетичних метод термодинамічного аналізу, що на відміну від методів, які раніше застосовувалися, враховує не тільки кількість, але і якість потоків ексергії, що робить його першим за своєю об'єктивністю.

Основними особливостями цього методу є, по-перше, його універсальність, пов'язана з тим, що використання ексергії дозволяє оцінити запаси й потоки енергії усіх видів, що входять у баланс будь-якої енерготехнологічної системи, за допомо-гою єдиного критерію ефективності. По-друге, його зв'язок між ексергетичними і техніко-економічними характеристиками систем, а саме економічні дослідження на базі ексергії охоплюють широке коло питань - від оптимізації тарифів на енергію до цін на машини й установки. Такий метод, на відміну від техніко-економічного, одержав назву ексергоекономічного. По-третє, застосування ексергії і її зв'язок з економікою дозволяють однозначно вирішити питання вибору критерію ефективності при оцінці й оптимізації технічних систем. По-четверте, терміни «втрати енергії» і «втрати ексергії» мають принципово різний зміст, тому що перший означає втрату енергії не взагалі (енергія, як відомо, зникати не може), а втрату її для даної системи або даної цілі. Другий термін означає можливість повного зникнення ексергії, а значить, більш зручний для економічних оцінок.

Різноманітним формам рівняння ексергетичного балансу процесів і установок відповідають і різноманітні показники ступеня ексергетичної досконалості (с.е.д):

, (3)

де , - сумарні ексергії всіх потоків енергоресурсів на вході і виході з системи; - втрати ексергії; Т₀ - температура навколишнього середо-вища; S - сумарна зміна ентропії ізольованої системи.

На відміну від ККД розмір не характеризує корисну дію, а показує, наскільки далеко ще проведення процесу від ідеального.

Вираз для об'єктивного ексергетичного ККД будь-якого процесу або установки

де Е^н - наявна (витрачена) ексергія; Е^в - використана (корисна) ексергія.

Оскільки сучасні СГСМ - це великорозмірні і багатозв'язкові об'єкти, то ексергетичні розрахунки таких систем необхідно проводити на ЕОМ, до того ж визначення розмірів П_i і v_i передбачає можливість машинного розрахунку , . Аналогічно визначається і розмір _У по (3) для системи в цілому.

Приведений метод ексергетичного аналізу найбільш повно, порівняно з іншими методами, відбиває енергетичні показники технічних систем. Проте дотепер він не знайшов належного застосування при дослідженнях сільськогоспо-дарських технічних об'єктів.

Для рішення оптимізаційних задач технічних систем останнім часом стали звертатися до методів, заснованих на теорії графів. У загальному випадку варіанти схеми представляються у вигляді параметричних графів, що складаються з п різнопараметричних дуг S = (S₁, S₂, …, S_n) і m простих контурів (L₁, L₂, …, L_m). Задача оптимізації полягає в тому, щоб визначити у вихідному параметричному потоковому графі множину параметричних дуг S^* = (S₁, S₂, …, S_p), , p m з мінімальною сумою параметричностей.

Мінімальна сума параметричностей визначається умовою

Для енергетичних систем основним критерієм ефективності служить перетворення потоків енергії в системі. У такому випадку оптимум рішення визначається умовою, що втрати ексергії мінімальні

Графу даної технічної системи відповідає матричне рівняння вершин, складене для потоків по дугах графа.

Мова теорії графів особливо ефективна в системних дослідженнях, тому що взаємовідношення між об'єктами деякої множини зручно подавати графами, у тому числі між підсистемами. Перевага графових моделей полягає також у їхній гнучкості, широких можливостях і розмаїтості застосування.

Рішення екстремальних задач за допомогою теорії графів ґрунтується на побудові алгоритмів оптимізації. Для цього звертаються до топологічних моделей системи, що встановлюють зв'язок між змінами технічної топології і кількісними характеристиками досліджуваної системи від вхідних перемінних, що діють на систему. У роботі використовуються потокові графи:

- параметричні потокові графи (ППГ);

- ексергетичні потокові графи (ЕПГ);

- матеріальні потокові графи (МПГ);

- теплові потокові графи (ТПГ).

Ці потокові графи доповнюють відповідними матрицями інциденцій.

Таким чином, для вирішення поставлених завдань необхідно об'єднати в однім апараті методи ексергетичного аналізу систем, що енергоперетворюють, із математичними методами теорії графів. Такий метод аналізу СГСМ на ексерго-топологічних моделях є подальшим розвитком ексерго-топологічного підходу.

Поняття ексергетичного потокового графа (ЕПГ) СГСМ довільної структури введено вперше. Під ЕПГ СГСМ розуміють граф Е = (А, Г) = (A, U), множина вершин А якого відповідає окремим елементам СГСМ, множина дуг U - розподілу ексергетичних потоків у системі, а Г являє собою багатозначне відображення множини А в себе.

Поняттю шляху в ЕПГ E = (A, U) відповідає реальна послідовність ексергетичних перетворень ексергетичного потоку по дугах аналізованого шляху.

Описані його структура і принципи побудови, а також принципи його подання в матричній формі. Сформульовано і доведені властивості ЕПГ СГСМ, котрі показують, що він дає можливість позбутися багатотиповості моделей графо-топологічного аналізу СГСМ і ввести єдиний ексерго-топологічний підхід їх дослідження.

На відміну від матеріальних, теплових і параметричних потокових графів ЕПГ із точністю до ізоморфізму відповідає схемі аналізованої СГСМ, що значною мірою гарантує врахування всіх основних параметрів функціонування СГСМ.

У роботі сформульовано узагальнені алгоритми аналізу СГСМ:

- алгоритм АП_У - визначення втрат ексергії в СГСМ;

- алгоритм А - визначення ступеня термодинамічної досконалості СГСМ;

- алгоритм A_У - визначення ексергетичного ККД СГСМ;

- алгоритм AZ_У - визначення ексергоекономічних витрат у СГСМ.

Вони дозволяють визначати термодинамічні й економічні характеристики СГСМ будь-якої структури й функціонування.

Специфічна властивість СГСМ - легко трансформуватися в однонаправлені або лінійні системи дозволила будувати більш ефективні процедури їхньої оптимізації.

Для рішення поставленої задачі вводиться в розгляд граф ексергоеконо-мічних витрат, що для СГСМ представляє собою дерево Z = (N, D), множина N вершин якого відповідає можливому розподілу потоків С в СГСМ, а множина дуг D відповідає можливому значенню ексергоекономічних витрат. При цьому якщо потік С_i із (р - 1) - го рівня потрапляє на рівень р, і належить множині дуг D, то він відбиває ексергоекономічні витрати. Отже, для виконання умови (8) необхідно знайти такий оптимальний шлях , де

Оскільки аналізований граф послідовний і умова одержання ексергоекономічних витрат для потоку С_i на переході з етапу (елемента) в етап, дотримується тільки для елементів матриці, які стоять на перетинанні стовпчиків і рядків , p = l, 2, …, k; i_p = 1, 2,…, [n - (p - l)], то ця особливість графа ексергоекономічних витрат дозволила одержати матрицю вартості в більш простому вигляді, що дозволяє зменшити число ітерацій у п разів.

При моделюванні газодинамічних і теплообмінних процесів велика роль належить методам візуалізації течії потоку (наприклад, у пневмотранспорті, теплообмінних апаратах, вентиляції і т.д.). На основі виконаного аналізу існуючих методів зроблено висновок про перевагу оптичних методів візуалізації, що будуть використані при фізичному моделюванні.

Виконано аналіз методів аеродинамічного експерименту, на основі якого, у якості приладу для виміру полів швидкостей в аналізованих далі об'єктах, прийнятий кульовий п'ятидірковий зонд як такий, що дає найбільш повну інформацію порівняно з іншими пневматичними приладами.

Розділ 3. Енергетичне удосконалювання й оптимізація гідроприводу сільськогосподарських машин. Розроблено методику комплексного аналізу гідромеханічних приводів. Для побудови математичної моделі типової схеми гідроприводу використані компонентні рівняння функціональних елементів і топологічні рівняння, що виражають умови рівноваги потенціалів у системі, перемінні типу потенціали - тиски р, і безперервність перемінних типу потоки - витрати Q.

Структура аналізованого гідроприводу складається з деякого кінцевого набору типових конструктивних елементів із визначеними функціональними призначеннями: насоса із системою фільтрації робочої рідини і переливним клапаном; органів керування, у вигляді розподільника одного з типів застосовуваних у сільськогосподарських машинах (золотникового, кранового або клапанного); гідроциліндра (гідродвигуна) із поворотною пружиною, параметри якого відповідають тому або іншому технологічному процесу; сполучних трубопроводів. Крім того, дана схема передбачає використання гідростатичної трансмісії або гідродинамічної передачі, а також дросельного, об'ємного або змішаного регулювання.

Оскільки взаємодію функціональних елементів у гідромеханічній системі здійснюють за допомогою робочої рідини, то в якості топологічного рівняння служить рівняння балансу витрати рідини у вузлах взаємодії елементів, що є умовою суцільності руху.

Компонентні й топологічні рівняння (13) - (19) відповідають типовій схемі гідроприводу і формують алгоритм структурно-матричного методу складання математичних моделей подібних технологічних пристроїв.

де m - маса; с_г - коефіцієнт жорсткості пружного елемента; А - площа поперечного перерізу гідромагістралі; - коефіцієнт втрат ділянки гідромагістралі; індекси «в»,» у»,» д» - відповідно, впливи зовнішнього середовища, пружного елемента, дисипативного елемента.

Для визначення розрахункових характеристик варіанта гідроприводу побудований дводольний інформаційний граф, з використанням рівнянь (13) - (25) позначених функціями відповідно f₁, …, f₁₃.

Подальший розрахунок гідроприводу й визначення його основних характеристик виконується з використанням цих двох графів. При переборі різноманітних варіантів компонування елементів системи, відстані між ними визначається оптимальний варіант по обраному заздалегідь критерію.

Також може бути більш складна задача, а саме оптимізація за двома зазначеними вище критеріями.

Цільова функція може відбивати економічну, технологічну або енергетичну характеристику системи. Звичайно використовують одно або двокритеріальну оптимізацію, при цьому правильно обрані й застосовані технологічні або енергетичні критерії не повинні суперечити економічним критеріям.

Запропоновано співвідношення, що визначають енергетичну й економічну ефективність схемних рішень СГСМ, із використанням алгоритму, що базується на ексергоекономічному аналізі даної системи. Оптимальне рішення з енергетичних показників забезпечується одержанням максимального значення ексергетичного ККД, що визначається з відношення (4).

Економічна ефективність системи може бути визначена спільним рішенням нижченаведених співвідношень, що відбивають її ексергоекономіку:

- питомої вартості позитивного ефекту системи, грн/кВт

У цих рівняннях прийняті позначення: - інвестиційна вартість; b - витрати на ремонт і обслуговування залежно від установленої потужності; d - витрати на ремонт і обслуговування залежно від покоління техніки; с_F - ціна пального; w - витрата пального; В-час створення об'єкта; п - термін служби об'єкта, рік.; i - банківський відсоток інвестиційних витрат; r - інфляційний коефіцієнт; с_г - річна страховка; t - річні податки; ф_A - середній час роботи системи, рівний відношенню за рік корисного ефекту до номінальної потужності установки, час/рік; ш - питома витрата енергії кВт/кДж за одну секунду.

Ексергоекономічна модель функціонування системи може бути сформульована у вигляді відносного розходження цін між вартістю виробленого системою продукту с_р і витраченого пального (електроенергії) с_F віднесеного до вартості пального (електроенергії):

Проведеними дослідженнями різноманітних варіантів гідросистем сільсько-господарських машин встановлено, що синтез їхніх структур виконаний на основі ексергоекономічного методу, забезпечує зниження енергетичних витрат і підви-щення ефективності їх використання в середньому на 17…19%, за рахунок добору більш раціональних фізичних і конструктивних параметрів системи, структури технологічної схеми і складу устаткування.

З огляду на важливість систем технологічних трубопроводів як елемента СГСМ, від ефективності роботи якого багато в чому залежать техніко-економічні показники, а також рівні надійності й безпеки СГСМ, запропонована математична модель гідравлічного кола технічної системи. Вона реалізована із застосуванням структурного графа, адаптованого до рішення задач аналізу й оптимізації систем технологічних трубопроводів гідроприводу. До її складу входять три незалежних рівняння: рівняння вершин (35), рівняння циклів (36), і полюсні рівняння пасивних компонентів кола (37).

Розширено застосування для гідравлічних кіл СГСМ, на етапі їхнього проектування, алгоритмів розрахунку із зосередженими параметрами, що були запропоновані для хіміко-технологічних систем В.В. Кафаровым. Алгоритми засновані на лінеаризації системи рівнянь на кожному кроці обчислювального процесу, шляхом створення на їхній основі ключових положень апроксимаційно-топологічного методу оптимізації гідравлічних кіл, що базується на розкладанні функцій у ряди Тейлора і використанні матриць Гессе.

Розробленими методами аналізу гідроприводів, заснованими на графо-ексергетичних побудовах і ексергоекономічній оптимізації проведено дослідження кормозбиральних комбайнів КСКУ-6 і МКС-200 (виробництва ВАТ «Херсонські комбайни»). Енергетична й економічна оцінка виконана за втратами ексергії і їхньої вартості, а також ступеня ексергетичної досконалості.

Для систем гідроприводів (СГ) кожної машини побудовані і проаналізовані ексергетичні потокові графи Е = (А, Г) і графи ексергоекономічних витрат, а також відповідні їм матриці інциденцій. Вершинам ексергетичного потокового графа системи гідроприводу комбайна КСКУ-6 і відповідним втратам ексергії відповідають: I - насос; II - гідроциліндри і клапан КЗ; III - клапан запобіжний КПР1; IV - розподільник із гідрозамками ГЗ і клапаном КП; V - бак; VI - ділянка напірного трубопроводу насос-розподільник; VII - ділянка зливного трубопроводу розподільник-фільтр; VIII - усмоктувальний трубопровід; IX - ділянка зливного трубопроводу розподільник-гідроциліндри; X - ділянка напірного трубопроводу розподільник-гідроциліндри; XI - фільтр. Дугам Е_j, j = 1, 2, …, 13 відповідають потоки ексергії між відповідними елементами системи гідроприводу, потік Е₁₄ - показує потужність, споживану насосом, а потік Е₁₅ - корисну потужність гідроциліндрів.

Зазначені побудови (рис. 4 і 5) показані на прикладі комбайна КСКУ-6. При цьому графи ексергоекономічних витрат були перетворені в «однонаправлені» системи, шляхом переходу від циклічних структур до ациклічних обґрунтованим виключенням «рециклічних» зв'язків, позначених на рис. 5 штриховими лініями.

Порівняння отриманих результатів показало, що ексергоекономічні витрати, які припадають на одну операційну функцію гідроприводу машини КСКУ-6, складають 57,5 грн./рік, а для машини МКС-200 - 44,5 грн./рік. Це свідчить про більшу ефективність системи гідроприводу останньої машини (на 22,6%), що підтверджується практикою їхньої експлуатації. Результати досліджень указують на можливість ефективного застосування розроблених методів оцінки для аналізу й оптимізації систем гідроприводів сільськогосподарських машин.

Розділ 4. Дослідження підвищення ефективності сільськогосподарських пневмотранспортних установок. Проведено комплексний аналіз гідродинаміки багатофазних середовищ, на підставі якого встановлено, що для опису процесів у сільськогосподарських пневмотранспортних установках, як гетерогенних системах у вигляді суспензій або аерозолів, рекомендується використовувати математичні моделі Р.І. Нігматуліна, Л.В. Кондратьєва, Х.А. Рахматуліна, Б.Х. Драганова. Реалізація тієї або іншої моделі залежить від постановки задачі, тобто необхідності врахування: усіх або частини фізичних параметрів середовища, співударів часток, відсутності фазових переходів, концентрації і взаємодії компонентів середовища, структури потоку на вході, впливу криволінійності і геометричної форми каналу і т.д.

Концепція оптимізації пневмотранспортних установок ґрунтується на методах профілювання проточної частини каналових поверхонь, що забезпечують максимальну витрату середовища при мінімальних аеродинамічних втратах.

На базі аналізу процесів, що відбуваються у пневмотранспортних установках, розроблено математичну модель гідродинаміки дисперсного середовища, що надходить в атмосферу з транспортувальних каналів сільськогосподарських машин, при наявності конвективної турбулентності. Запропоноване моделювання ефективно для виявлення концентрації домішок C різної структури і властивостей (рідких і твердих, наприклад добрив, засобів захисту рослин тощо), а також визначення конструктивних параметрів пневмотранспортних пристроїв.

Дослідженнями розподілу швидкостей течії потоку, у силосопроводі комбайнів «Борекс-КЗК - 4,2», встановлений ступінь їхньої нерівномірності по висоті каналу, що знаходиться в межах 6…18 м/с. У той же час середнє значення швидкості склало 13,7…14,1 м/с. Це вказує на задовільну аеродинаміку досліджуваного каналу. Виміри проводилися за допомогою кульових (п'ятидіркових) зондів із координатниками, що дозволяють одержати достовірні результати.

Натурний експеримент був доповнений експериментами на моделях мето-дом оптичної візуалізації. Для цього використовувався тіньовий прилад ІАБ-458. Режим продування моделей вибирали з умови забезпечення подібності до реальної течії за числом Рейнольдса.

Об'єктом профілювання служив канал пневмоустановки комбайна «Борекс-КЗК - 4,2»

Аналогічні дослідження були виконані для трьох варіантів каналу пневмоустановки кормозбирального комбайна КПІ-2,4, одним із яких був серійний, що показав гірші гідродинамічні результати.

Теоретичними дослідженнями встановлено й експериментальними дослідженнями на фізичних моделях підтверджено, що для зниження втрат енергії в каналах пневмотранспорту, обумовлених відривними явищами і викликаними ними вихровими і повторними течіями, необхідно задавати форму проточної частини каналу такою, при якій точка відриву прикордонного шару від стінок була б розташована якнайнижче за течією.

Перехід з однієї форми перерізу в іншу, наприклад, із круглого в прямо-кутне, ініціює появу відривних течій і вихрових потоків, що супроводжуються втратами енергії. Для забезпечення плавного переходу вперше запропонований і реалізований для каналу машини КПІ-2,4, метод графоаналітичної побудови проміжних перерізів, що дозволив одержати їх гідродинамічно оптимальну геометрію.

Розрахунок полів швидкостей і тисків у різноманітних варіантах конструкцій вихідного каналу, методом послідовних наближень забезпечив рівномірність потоку по всій його довжині, а значить, визначив оптимальне розв'язання його проточної частини. Для цього використані рівняння Нав'є-Стокса для в'язкої нестисливої рідини, вирішені разом із рівнянням нерозривності div = 0.

Розрахунки цієї системи рівнянь за допомогою ліцензійного прикладного програмного пакета Phoenics (версія 3.3) фірми СНАМ (Великобританія) для двох варіантів конструкції проточної частини силосорізки комбайна «Борекс-КЗК - 4,2» і трьох варіантів каналу пневмоустановки КПІ-2,4 подані у вигляді побудов полів швидкостей і тисків для серійного й одного з модернізованих каналів КПІ-2,4.

Аналіз отриманих результатів констатує підвищену ефективність проточної частини модернізованого каналу, у порівнянні із серійним, за рахунок поліпшення рівномірності полів швидкостей (на окремих ділянках до 62%) і тисків (до 28%), а значить більшого його наповнення потоком. Втрати в розробленому каналі істотно (на 15%) менше, ніж у вихідному, тому що він має більш обтічну форму проточної частини, унаслідок чого зменшуються відривні явища й гальмування потоку, пов'язане з його ударом об стінку каналу. У запропонованому каналі швидкості біля опуклої стінки мають більш високі значення, що є наслідком зниження втрат енергії.

Впровадження розробленої методики дозволило спроектувати більш ефективну конструкцію криволінійного каналу пневмотранспортної установки кормозбирального комбайна «Борекс-КЗК - 4,2», із погляду енергозбереження, і передати рекомендації виробнику техніки по її вдосконаленню. Економічний ефект від упровадження результатів цієї роботи у виробництво кормозбиральної техніки ВАТ «Борекс» склав 49,5 тисяч грн. на рік.

Розділ 5. Оптимізація конструкцій теплообмінних апаратів сільськогос-подарських машин і технічних установок. Оцінку ефективності експлуатаційних показників рекуперативних кожухотрубних теплообмінних апаратів, що одержали основне застосування в сільськогосподарському виробництві, доцільно проводити за мінімумом приведених витрат, через витрачену на процес енергію, або експлуатаційних витрат з урахуванням грошової вартості енергії.

Встановлено, що застосування турбулізаторів потоку у вигляді виступів і западин на поверхнях теплообміну створює відривні зони й інші організовані вихрові структури, чим інтенсифікує тепловіддачу в теплообмінних апаратах, але й призводить до росту коефіцієнта гідравлічного опору.

Експериментальні дослідження, проведені методами оптичної візуалізації на фізичних моделях у каналах із турбулізаторами потоку, довели доцільність використання турбулізаторів із плавними обкресленими виступами (наприклад, у вигляді півкіл). Інтенсифікація їхньої тепловіддачі незначно відрізняється від варіанта з прямокутними виступами такої ж висоти, але коефіцієнт опору істотно нижче.

Обґрунтовано раціональність використання плавно окреслених турбулізаторів для невеличких швидкостей потоків, що надходять, із величиною числа Рейнольдса Re10000. При подальшому збільшенні швидкості (Re10000), через відрив потоку від перших виступів, значно підвищується коефіцієнт опору . Рекомендовано оптимальні значення висот і кроків виступів при турбулентній течії, що для газів складають d/D = 0,90…. 0,95, l/D = 0,25…. 1,0. Для краплинних рідин рекомендуються відношення d/D = 0,94…. 0,98, l/D = 0,25…. 0,5. Тут прийняті позначення: D - діаметр труби; l - відстань між виступами; d - діаметр між виступами в напрямку діаметра труби.

На рівні новизни запропонована конструкція теплообмінного апарата з турбулізацією потоку для інтенсифікації тепловіддачі, який поєднаний з плівковим низькотемпературним електронагрівником, захищена патентом України (а.с. №48349А). Внаслідок інтенсифікації теплообміну і застосування плівкових низькотемпературних електронагрівників підвищується ефективність такого теплообмінного апарата, що припускає зменшення його габаритних розмірів до 10…20% Найбільший ефект від такої конструкції досягається при експлуатації в зимових умовах, коли через зледеніння поверхонь нагрівання знижується їхня тепловіддача, або у форсованому режимі, за необхідності збільшення переданої теплоти тілу, що нагрівається.

Висновки

1. Існуючі методи аналізу і синтезу функціональних елементів сільськогосподарських машин не забезпечують створення їхніх енергозберігаючих конструкцій, оскільки відсутні фундаментальні наукові розробки, спрямовані на підвищення ефективності будь-якого з елементів, незалежно від його призначення і структур-них характеристик. Це призводить до значної перевитрати затрачуваної енергії, віднесеної до одиниці виробленої продукції.

2. В основу оптимізації конструктивних рішень гідроприводів, пневмотранспортних установок і теплообмінного устаткування можуть бути покладені методики, що базуються на ряді загальних властивостей досліджуваних функціональних систем і використовують критерії, які враховують їх ексергетичні й ексергоеконо-мічні показники.

3. Запропоновано новий, оригінальний метод оптимізації функціональних елементів сільськогосподарських машин, що базується на ексергоекономічній кон-цепції, котрий відрізняється універсальністю, прийнятний для всіх типів гідропри-водів, пневмотранспортних пристроїв і теплових апаратів і дозволяє розробляти моделі їхніх робочих процесів, виходячи з техніко-економічних показників ефективності функціонування.

4. Створення (синтезування структур) гідравлічних механізмів сільськогосподарської техніки на основі ексергоекономічних досліджень забезпечує, у середньому на 15…19%, зниження енергетичних витрат і таким чином підвищує ефективність їхнього використання.

5. Проведено ексергоекономічні дослідження систем гідроприводу сільськогосподарських машин на прикладі двох поколінь кормозбиральних комбайнів виробництва ВАТ «Херсонські комбайни» - КСКУ-6 і МКС-200. Показано, що ексергоекономічні витрати, що припадають на одну операційну функцію для машини КСКУ-6, складають 57,5 грн./рік, у той час як для машини МКС-200 - 44,5 грн/рік. Це свідчить про більшу економічність системи гідроприводу останньої (на 22,6%), що підтверджується їхньою експлуатацією в умовах виробництва і надає можливість застосування в інженерній практиці розроблених методів для аналізу й оптимізації систем гідроприводу сільськогосподарських машин.

6. Встановлено, що для зниження енергетичних втрат на переміщення багатофазного середовища в каналах пневмотранспорту, обумовлених відривними явищами і вихровими течіями, необхідно задавати форму їхньої проточної частини такою, при якій точка відриву прикордонного шару від стінок розташовувалася б якнайнижче за течією.

7. Вперше запропонована комплексна теоретико-експериментальна методика побудови транспортувальних каналів гідродинамічно оптимальної геометрії. Реалізація цієї методики для оптимального профілювання дослідних силосопроводів кормозбиральних машин, у порівнянні із серійними, забезпечила поліпшення рівномірності руху потоку і заповнення каналу: за сумарною швидкістю на його ділянках до 62%; за зміною надлишкового тиску до 28%. При цьому спостерігалося зниження енергетичних втрат на 15% за рахунок виключення відривних явищ і вихроутворення.

8. Доведено, що для невеликих швидкостей потоків, що надходять (коли число Рейнольдса Re10000), доцільно використовувати турбулізатори з плавними обрисами форм, у вигляді виступів і западин поверхонь нагрівання. Їхнє застосування максимально інтенсифікує теплопередачу в теплообмінних апаратах сільськогосподарського призначення при відношенні діаметра виступу до діаметра труби в межах d/D = 0,94…. 0,98 і відношенні відстані між виступами до діаметра труби в межах l/D = 0,25…. 0,5. Зменшення цих відношень практично не впливає на рівень теплопередачі, проте призводить до стрімкого зростання коефіцієнта гідравлічного опору, а подальше їхнє збільшення викликає зниження теплопередачі.

9. Розроблено нову, більш ефективну по тепловіддачі, конструкцію теплообмінного апарата, що поєднує в собі принципи турбулізації потоку з електро-плівковим низькотемпературним нагріванням, захищену патентом України (а.с. №48349А). Найбільша ефективність теплообмінного апарата такої конструкції досягається при експлуатації у зимових умовах, коли знижується його тепловіддача через зледеніння поверхонь теплообміну, або, у форсованому режимі, за необхідності збільшення переданої теплоти тілу, що нагрівається. Підвищення ефективності таких теплообмінних апаратів припускає зменшення їхніх розмірів до 10…20%.

10. Розроблено комплексний метод аналізу, синтезу й оптимізації енергоперетворювальних систем і агрегатів сільськогосподарської техніки, який ґрунтується на об'єднанні ексергетичного аналізу, економічної оцінки досліджуваних функціональних елементів, математичних методів теорії графів і методів математичного й фізичного моделювання гідро-тепломасообмінних процесів. Він дозволяє знайти найкращі технічні рішення створюваних конструкцій, а отже, проектувати їх із високим ступенем термодинамічної досконалості й низьким значенням показника ексергоекономічних витрат, тобто максимально наближеними до оптимальних.

11. Впровадження методики конструювання енергетично ефективних каналів пневмотранспортних установок у ВАТ «Борекс» при проектуванні транспортувального каналу кормозбирального комбайна «Борекс-КЗК - 4,2» дозволило одержати річний економічний ефект на суму 49,5 тис. грн. Розроблена методика, комплекс алгоритмів ексергоекономічного аналізу й оптимізації СГСМ і рекомендації по підвищенню їхньої ефективності реалізовані для двох типів комбайнів у ВАТ «Херсонські комбайни» і прийняті для впровадження на перспективних моделях сільськогосподарських машин ряду підприємств сільськогосподарського машинобудування України.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі і при проведенні науково-дослідної роботи студентами і магістрантами Миколаївського державного аграрного університету.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

Пастушенко С.И. Оптимизация теплообменных устройств // Збірник наукових праць НАУ «Механізація сільськогосподарського виробництва». - Київ: Видавництво НАУ. -1999. - Т.V. - С. 404-408.

Пастушенко С.И. Анализ и оптимизация гидропривода сельскохозяй-ственных машин // Збірник наукових праць НАУ «Механізація сільськогоспо-дарського виробництва». - Київ: Видавництво НАУ. -1999. - Т.VI. - С. 152-158.

Пастушенко С.И. Анализ и оптимизация объемных гидротрансформа-торов // Збірник наукових статей «Сільськогосподарські машини». - Луцьк: Видав-ництво Луцького ДТУ. -1999. - Вип.5. - С. 184-188.

Войтюк Д.Г., Пастушенко С.І., Погорілець Ю.О. Конструювання проточної частини пневмотранспортної установки // Науковий вісник НАУ. - Київ: ПП» Ірена». -1999. - Вип.19. - С. 197-204. (Здобувачем запропонований метод побудови проточної частини пневмотранспортувального каналу).

Войтюк Д.Г., Пастушенко С.И. Профилирование проточной части распылителя ядохимикатов // Труды Таврической государственной агротехнической академии. - Мелитополь: Издательство ТГАТА. -1999. - Вып.4., Т.10. - С. 59-64. (Здобувачем запропонований метод побудови проточної частини розпилювача з мінімальними гідродинамічними втратами).

Пастушенко С.И. Оптимизация сельскохозяйственных технических систем // Техніка АПК. -1999. - №8. - С. 12-15.

Пастушенко С.И. Анализ и оптимизация методами теории графов пневмо-транспортных установок в сельском хозяйстве // Энергетика. Известия вузов и энергетических объединений СНГ. - Минск. -2000. - №1. - С. 58-61.

Бессараб А.С., Мищенко А.В., Пастушенко С.И. Интенсификация теплоотдачи в сельскохозяйственных теплообменных устройствах // Збірник наукових праць НАУ «Механізація сільськогосподарського виробництва». - Київ: Видавництво НАУ. -2000. - Т.VII. - С. 206-209. (Здобувачем проведений аналіз результатів фізичного моделювання теплообмінника з турбулізацією теплоносія).

...