Обеспечение конкурентоспособности сверхвысокочастотных электротермических установок и мероприятия по ее повышению на стадиях проектирования и эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обеспечение конкурентоспособности сверхвысокочастотных электротермических установок и мероприятия по ее повышению на стадиях проектирования и эксплуатации

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

На правах рукописи

Дунаева Татьяна Юрьевна

Саратов 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет».

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Архангельский Юрий Сергеевич.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Бекренев Николай Валерьевич;

кандидат технических наук, доцент Сошинов Анатолий Григорьевич.

Ведущая организация ОАО Научно-производственное предприятие «Контакт», г. Саратов.

Защита состоится «_4__»__ февраля__ 2010 г. в _13.00__ часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета « 30 » декабря 2009 года.

Автореферат разослан « 30 » декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Томашевский Ю.Б.

диэлектрический конкурентоспособность электротермический

общая характеристика работы

Актуальность работы. Среди технологических процессов большое место занимает термообработка, в том числе диэлектриков. Термообработку диэлектриков можно осуществить как с помощью СВЧ диэлектрического нагрева, так и альтернативными способами.

Хорошо известны технологические преимущества СВЧ диэлектрического нагрева - равномерный по сравнению с другими способами объемный нагрев, более высокая скорость обработки. На сегодняшний день накоплен обширный опыт в проектировании СВЧ электротермических установок, в первую очередь в области методов расчета и математического моделирования этих процессов. В то же время при проектировании СВЧ электротермических установок практически не проводится сопоставлений с установками с альтернативными способами энергоподвода несмотря на то, что эти установки активно конкурируют между собой на рынке технологического оборудования. Между тем такое сопоставление позволило бы выявить те сегменты рынка технологического оборудования, в которых использование СВЧ установок было бы наиболее эффективным.

Для решения этой проблемы необходима четкая система приоритетов, в соответствии с которыми проводится выбор и конструирование установки. В качестве таких приоритетов могут выступать экономические критерии, как наиболее интересующие потенциальных покупателей таких установок.

Работы, посвященные технико-экономическим проблемам СВЧ электротермии, появились еще в прошлом десятилетии, что вызвано переходом к рыночной экономике. Значительные успехи в этой области достигнуты благодаря работам Ю. С.Архангельского, В. А. Воронкина, В. А. Толстова, Ю. И. Блинова и др.

Однако до сих пор технико-экономические расчеты в СВЧ диэлектрическом нагреве предлагалось проводить исключительно для оптимизации структуры СВЧ электротермических установок, то есть для решения частной задачи. В этой области хорошо известны работы Е. В. Колесникова и А. В. Доценко. Исследования в области изучения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок по сравнению с альтернативными по способу энергоподвода до сих пор не проводились. А между тем эти проблемы особенно обострились в условиях экономического кризиса и зачастую ставят под угрозу само существование СВЧ электротермии.

Таким образом, изучение конкурентоспособности СВЧ электротермических установок и проблем ее повышения представляется актуальным. Решение указанных задач на стадиях проектирования и эксплуатации СВЧ установок позволит реализовать их технологические преимущества с обеспечением максимальной экономической эффективности этого вида оборудования.

Цель работы. Разработка методов, критериев оценки и путей повышения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок на стадиях проектирования и эксплуатации.

Основные задачи исследования

1. Разработать алгоритм проектирования СВЧ электротермических установок, включающий сравнительный анализ их конкурентоспособности на рынке технологического оборудования.

2. Разработать методики оценочного расчета рабочих камер СВЧ электротермических установок, позволяющие определить основные технико-экономические параметры установок на этапе, предшествующем анализу их конкурентоспособности.

3. Разработать мероприятия по повышению конкурентоспособности СВЧ электротермических установок и критерии для их оценки.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов работы. В работе использованы методология системных исследований, основы электродинамики СВЧ, теории тепломассопереноса в СВЧ электромагнитном поле, методы и средства математического моделирования технологических процессов и технико-экономического анализа. Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены использованием широко апробированных и хорошо зарекомендовавших себя методов численного моделирования, соответствием результатов математического моделирования известным представлениям о процессах СВЧ термообработки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный алгоритм проектирования СВЧ электротермической установки позволяет обеспечить ее конкурентоспособность.

2. Методики оценочного расчета рабочих камер СВЧ сушилок пиломатериалов, зерна и пастеризаторов молока позволяют рассчитать параметры СВЧ электротермических установок и сопоставить их с параметрами альтернативных установок.

3. Технико-экономические расчеты с использованием целевой функции сравнительного интегрального эффекта на стадии проектирования СВЧ электротермической установки дают возможность прогнозировать ее конкурентоспособность.

4. Критерии относительного интегрального эффекта, относительных затрат на электроэнергию и относительной цены установки позволяют оценить результативность мероприятий по повышению конкурентоспособности СВЧ электротермической установки.

5. Феноменологическая модель процесса СВЧ термообработки диэлектрика позволяет анализировать влияние параметров технологического процесса на энергопотребление установки.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые поставлена и решена задача обеспечения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок на рынке технологического оборудования. В частности:

- разработаны методики оценочного расчета рабочих камер СВЧ сушилки пиломатериалов, зерна и пастеризатора молока;

- предложены мероприятия по улучшению технико-экономических показателей СВЧ электротермических установок на стадиях проектирования и эксплуатации в тех случаях, когда они не имеют преимущества перед альтернативными;

- на основе феноменологического подхода разработана математическая модель процесса периодической сушки диэлектриков, позволяющая исследовать кинетику сушки в зависимости от ее режимов и дающая возможность определить этапы сушки, на которых энергосбережение может быть реализовано с наибольшим эффектом.

Практическая полезность работы.

1. Предложенный алгоритм проектирования СВЧ установки, включающий процедуры сравнения ее с установками с альтернативными способами энергоподвода и позволяющий повысить ее конкурентоспособность.

2. Целевая функция технико-экономического сравнения установок термообработки диэлектриков с различными способами энергоподвода, позволяющая рассчитать сравнительный интегральный эффект на любом временном интервале.

3. Результаты технико-экономического сопоставления СВЧ и конкурирующих установок для сушки пиломатериалов, зерна и пастеризации молока, показывающие перспективность использования СВЧ энергоподвода в выбранных отраслях.

4. Способы повышения конкурентоспособности СВЧ сушилки при рациональном комбинировании СВЧ и конвективной составляющей сушки.

Реализация результатов. Исследования проведены на основании плана работы ведущей научной школы России НШ-9553.2006.8 (СГТУ).

Предложенные в диссертации методики технико-экономического сопоставления вариантов СВЧ электротермических установок с установками с альтернативными способами энергоподвода используются ООО ИТФ «Элмаш-Микро» при составлении и реализации перспективного плана разработок и закупок элементной базы СВЧ электротермических установок. Результаты проведенных в диссертации исследований обсуждены на семинарах лаборатории математического моделирования ОАО «НИИ Тантал» и признаны перспективными при разработке оборудования для СВЧ термообработки.

Результаты диссертационной работы используются при чтении курса лекций по дисциплине «Электротехнологические установки и системы» для студентов специальности 140605 - Электротехнологические установки и системы на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ, а также «Современные проблемы электротехнических наук», «Эффективность электротехнологических установок и систем», «Применение СВЧ энергии в электротермических процессах» для обучающихся в магистратуре по направлению 140600.68 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2004), ХХI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Саратов, 2008), XIV Международной зимней школе-семинаре по электронике и радиофизике сверхвысоких частот (Саратов, 2009), на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ (2004 - 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 121 наименование, 3 приложений. Работа изложена на 215 страницах, содержит 49 рисунков, 21 таблицу.

краткое Содержание работы

Во введении сформулирована проблема конкурентоспособности СВЧ установок для термообработки диэлектриков, обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены научная новизна, практическая полезность работы, сформулированы результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и применении результатов работы.

В первой главе «Рынок технологического оборудования для термической обработки диэлектрических сред и материалов» рассмотрены различные методы термообработки диэлектрических сред и материалов с использованием конвективного, инфракрасного, ВЧ и СВЧ способов энергоподвода. Рассмотрены области применения СВЧ установок в различных отраслях. Проанализированы известные критерии сопоставления СВЧ электротермических и альтернативных установок для термообработки диэлектриков. Предложено оценивать конкурентоспособность СВЧ электротермических установок с помощью экономических критериев как наиболее значимых для потенциальных покупателей таких установок.

Во второй главе «Технико-экономическое сравнение установок термообработки с разными способами энергоподвода» рассмотрены особенности процесса СВЧ термообработки и показаны основные технологические преимущества СВЧ электротермических установок.

Показано, что выбор в пользу того или иного способа энергоподвода должен быть сделан с учетом максимального количества параметров, характеризующих работу установки. Такой выбор должен осуществляться при условии равенства производительности сравниваемых вариантов.

Сопоставление предложено проводить с помощью целевой функции, которая представляет собой сравнительный интегральный эффект

Э = Э2 - Э1 (1)

где Э2, Э1 ? интегральные эффекты, полученные предприятием при реализации каждого из вариантов, причем

(2)

Здесь Т ? продолжительность расчетного периода; t ? номер шага расчета; Пi, ЦПi - количество i-й продукции, произведенной установкой в t-й год ее работы и ее цена; Сt - производственная себестоимость продукции в t-м году; С?мt ? суммарные затраты на приобретение материальных активов (сырья и материалов, запчастей и т.д.); Кt - величина дисконтированных капиталовложений на t-м шаге расчета; Бк ? банковский кредит на приобретение установки; tкр - время кредитования; iкр - согласованный процент банковского кредита; ?НДС, ?им, ?пр - процентная ставка НДС, налога на имущество и на прибыль; у - функция, учитывающая условия участия учредителей в распределении прибыли; Е ? норма дисконта; tсл - срок службы (эксплуатации) установки; - остаточная на момент времени tсл стоимость основных фондов.

Соотношения (1) и (2) позволяет учесть все экономические и технологические параметры технологического процесса, связи между ними и может быть использовано для расчета экономической эффективности любого типа установок на любом интересующем исследователя временном интервале.

Впервые в СВЧ электротермии разработан алгоритм проектирования СВЧ электротермической установки, включающий процедуру оценочных расчетов рабочей камеры установки, предварительного определения ее технико-экономических параметров и сравнения разрабатываемой установки с альтернативной, а также проведение мероприятий, позволяющих повысить конкурентоспособность проектируемой установки. Показано, что только в случае, когда доказана конкурентоспособность проектируемой установки, нужно проводить достаточный по качеству и объему строгий расчет со всем накопленным опытом в этой области. Общая блок-схема этого алгоритма представлена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Общая блок-схема проектирования СВЧ электротермической установки

В третьей главе «Технологические процессы и установки для термообработки диэлектриков» рассмотрены наиболее распространенные и энергоемкие технологические процессы термообработки диэлектриков - сушка древесины, сушка зерна и пастеризация жидких пищевых продуктов. Анализ рекламируемых на рынке технологического оборудования установок показал, что зачастую их технические характеристики не соответствуют заявленным. Таким образом, требуется предварительный расчет технических характеристик СВЧ установок, с помощью которого можно проверить достоверность заявляемых в рекламе параметров. Поскольку эти расчеты проводятся на первой стадии проектирования (рис.1), они должны отличаться простотой и малой трудоемкостью.

Первый технологический процесс - сушку пиломатериалов в СВЧ установках периодического действия целесообразно проводить в камерах лучевого типа (КЛТ) с ограниченным объемом. В качестве объекта сушки выбраны стандартные сосновые доски 0,04 ? 0,18 ? 6 м. Излучатели размещаются на стенках камеры вдоль туннеля (рис.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Суммарная мощность от некогерентных источников энергии в штабеле:

(3)

где коэффициент затухания ? зависит от температуры Т и влажности W объекта:

(4)

Здесь и - диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь объекта; ? - длина волны СВЧ генератора.

Коэффициент отражения Г и неравномерность тепловыделения по толщине материала определяются по соотношениям:

;

,

где ? = ?'(1 - jtg?); .

КПД рабочей камеры по использованию СВЧ энергии

. (5)

Для расчетов выбрана частота 433 МГц, т.к. на ней достигается наибольшая глубина проникновения электромагнитный волны в обрабатываемый объект.

На рис. 3 приведены результаты расчетов , КстU(W); ?mах(W) и ?р(W).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения производительности сушилки и времени обработки одной садки использованы уравнения кинетики сушки

. (6)

где ? = Т - Т0- температурный напор; Т, Т0 - температуры объекта и воздуха в рабочей камере; hк, hи - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и испарением, Sк, Sи - площади поверхностей объекта, с которых идет теплоотдача конвекцией и испарением; V - объем обрабатываемого объекта; r - коэффициент парообразования; m - масса испаряемой жидкости (воды); с, ? ? удельные теплоемкость и плотность обрабатываемого материала, откуда производительность сушилки и время обработки одной садки

(7)

В качестве объекта для технико-экономических расчетов выбрана СВЧ сушилка пиломатериалов периодического действия производства ОАО «СВЧ-технологии» (г. Казань). Сушилка состоит из сушильной камеры для размещения штабеля пиломатериалов, СВЧ генераторов с воздушным охлаждением, волноводных трактов, рупорных излучателей и регулирующего оборудования. В качестве альтернативной сушилки была выбрана сушильная камера ПО «КАМИ-Станкоагрегат» (г. Москва) с конвективным энергоподводом, оборудованная энергетической установкой с газогенератором на древесных отходах.

Проведена процедура технико-экономического сравнения выбранных типов сушилок с помощью соотношений (1) и (2) на временном интервале сравнения 6 лет. Результаты технико-экономического сравнения представлены на рис. 4, согласно которому при принятых расчетных условиях СВЧ установка значительно проигрывает установке с конвективным энергоподводом, несмотря на очевидные технические преимущества (более высокая скорость сушки при хорошем качестве продукции). Такой результат обусловлен, во-первых, большой долей затрат на электроэнергию в себестоимости продукции, а во-вторых, большими затратами на замену магнетронов, выработавших свой ресурс.

Рис. 4. Сравнительный интегральный эффект СВЧ и конвективной сушилок пиломатериалов

Это значит, что для СВЧ сушилок пиломатериалов необходимо разработать комплекс мер по повышению их конкурентоспособности как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации. Второй из технологических процессов - сушку зерна целесообразно проводить в КЛТ, работающей в методическом режиме с раздельными зонами нагрева и сушки (рис.5) Расчет геометрии КЛТ в зоне нагрева аналогичен расчету геометрии КЛТ для сушки пиломатериалов. Уравнение, описывающее в режиме динамического равновесия зависимости (z), имеет вид

, (8)

где f(z) описывает удельную мощность СВЧ источников теплоты в зерне, ?(z) - характер теплоотдачи конвекцией с поверхности нагреваемого материала, тогда

. (9)

Размещено на http://www.allbest.ru/

КПД рабочей камеры по использованию СВЧ энергии описывается соотношением (5), а длина зоны нагрева равна

, (10)

где ? темп нагрева; ? начальная и конечная скорости сыпучего материала.

Для зоны сушки температурный напор и количество испаренной жидкости определяются по соотношениям

(11)

а расчет длины зоны сушки ?с зависит от коэффициентов теплоотдачи конвекцией hк и испарением hи. Если hк < hи, то вопрос о количестве зон нагрева и сушки решается из условия минимальной общей длины сушилки.

В качестве объекта технико-экономического сравнения выбрана СВЧ зерносушилка АСТ-3, выпускаемая ООО «АСТ-агро» (г. Москва). В качестве альтернативной принята теплотехнологическая сушилка производства ООО «Теплопроцесс» (г. Москва). Основным элементом этой сушилки является вращающийся барабан, внутри которого перемещается по длине и сушится продукт за счет сушильного агента (горячего воздуха). Нагрев сушильного агента производится в газовом теплогенераторе.

Проведена процедура технико-экономического сопоставления выбранных типов сушилок с помощью соотношений (1) и (2) на интервале 6 лет.



Рис. 6. Сравнительный интегральный эффект СВЧ и конвективной сушилок зерна

Результаты сравнения представлены на рис. 6, согласно которому СВЧ сушилка имеет преимущество перед конвективной. Это объясняется, во-первых, коротким периодом эксплуатации магнетронов в течение года, что существенно снижает эксплуатационные затраты, а во-вторых, отсутствием в СВЧ сушилке дополнительных расходов на топливо. Установлено, что срок окупаемости сушилок составляет порядка 4-5 лет.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Третий технологический процесс - пастеризацию молока целесообразно проводить в камере с бегущей волной (КБВ), работающей в методическом режиме (рис.7).

Рабочая часть камеры представляет собой неоднородный круглый волновод с цилиндрической трубой по оси волновода, по которой протекает молоко. Профиль волновода по его длине рассчитан по соотношению

где и - погонные активное и реактивное сопротивления молока как поглотителя СВЧ энергии; d1 - внутренний диаметр трубы камеры, рассчитанный из условий согласования круглого волновода с подводящим к нему СВЧ энергию прямоугольным волноводом.

Для пастеризатора выбрана стандартная частота 2450 МГц, так как на этой частоте минимально поперечное сечение волновода и, следовательно, расход металла, легче достигается турбулентный режим потока молока в рабочей камере.

Для повышения КПД пастеризатора молоко в нем нагревается в три этапа: сначала сырое молоко нагревается в теплообменнике за счет уже пастеризованного молока, затем оно поступает в бак, где нагревается с помощью электронагревателей (ЭК нагрев), а затем поступает в рабочую камеру, где окончательно нагревается до температуры пастеризации.

Мощность, необходимая для нагрева потока молока до температуры пастеризации Тп от температуры на входе в бак ЭК нагрева Т0 равна

, (12)

где первое слагаемое - мощность ЭК нагревателя, а второе - мощность СВЧ генератора, t1, t2 - время нагрева молока ЭК и СВЧ методами, причем t = t1 + t2 - время пастеризации, определяющее производительность пастеризатора.

Тепловой режим рабочей камеры СВЧ пастеризатора описывается системой уравнений теплового баланса молока и диэлектрической труб

(13)

где ?1,2, ?1,2, с1,2, ?1,2, S1,2 - температурные напоры, коэффициенты теплопроводности, удельные теплоёмкости, плотности и площади поперечных сечений молока и трубы; h1,2 ? коэффициенты теплоотдачи от молока к трубе и от трубы к воздуху; d2 ? внешний диаметры трубы; Рn - удельная погонная мощность СВЧ, рассеиваемая в молоке, причем

. (14)

В условии динамического равновесия в потоке, пренебрегая теплопроводностью молока и теплоотдачей от потока к диэлектрической трубе:

, (15)

Предположив ?2 = 0, получим

. (16)

Обычно h1>>h2 и при d1 ? d2 имеем ?2 ? ?1.

Для технико-экономического сравнения была выбрана пастеризационно-охладительная установка молока ПМ-1000-02 с комбинированным (СВЧ и ЭК) энергоподводом производства ФГУП «Таганрогский НИИ связи», а в качестве альтернативных пастеризаторов - паровая пастеризационно-охладительная установка П8-ОПО-2,5 производства ОАО «Молмаш» (г. Москва), в которой пастеризация молока осуществляется в трубчатом теплообменнике с помощью горячего пара, и ИК-пастеризатор А1-ОПЭ производства ООО «Экомаш» (Московская обл, г. Ногинск), в котором нагрев молока до температуры пастеризации осуществляется за счет ИК излучения.

Расчет сравнительного интегрального эффекта для выбранных пастеризаторов проведен по соотношению (1) для производительности 200000 л/год. Результаты расчетов представлены на рис. 8, согласно которому сравнительные интегральные эффекты от применения различных пастеризаторов отличаются на несколько десятков тысяч рублей, поэтому выбор покупателем того или иного типа пастеризатора будет определяться не столько экономическим эффектом, сколько дополнительными преимуществами той или иной установки.

Рис. 8. Сравнительный интегральный эффект СВЧ, парового и ИК пастеризаторов: 1 - СВЧ и паровой пастеризатор при производительности 200 000 л/год, 2 - СВЧ и ИК пастеризатор при производительности 200 000 л/год

В четвертой главе «Методологические основы повышения конкурентоспособности СВЧ электротермического оборудования» разработаны способы повышения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок, такие как оптимизация их структуры и параметров, повышение их энергетической эффективности и рациональное ценообразование СВЧ электротермической установки

Впервые в СВЧ электротермии предложены критерии, позволяющие оценить изменение экономического эффекта в результате проведения каждого из этих мероприятий.

Критерий показывает, во сколько раз увеличивается интегральный эффект при проведении оптимизационных мероприятий для СВЧ электротермического оборудования.

Критерий позволяет оценить повышение энергетической эффективности СВЧ оборудования. Здесь Сэ - затраты на электроэнергию, потребляемую установкой.

Критерий показывает, во сколько раз сократятся капитальные затраты на СВЧ электротермическое оборудование, если оптимизировать его структуру и режимы. Здесь К - капиталовложения в установку.

Для определения критерия ?1 для каждого из рассмотренных видов СВЧ термообработки получены соотношения для определения оптимальной мощности и количества магнетронов, используемых в установках.

Для определения критерия ?2 рассмотрено влияние на эффективность СВЧ электротермических установок их энергетических характеристик и предложены меры по снижению затрат на электроэнергию. Проанализировано влияние изменения параметров технологического процесса на его длительность и, следовательно, на общее энергопотребление.

Была разработана математическая модель кинетики СВЧ сушки. Впервые в СВЧ электротермии такая модель выполнена на базе феноменологического подхода, суть которого состоит в том, что для построения модели используются упрощенные представления о процессах преобразования СВЧ энергии и тепломассопереноса в обрабатываемом объекте:

(17)

где ?1 = Т1 - Т0; ?2 = Т2 - Т0 - температурные напоры объекта и воздуха в рабочей камере; Т1, Т2 - текущая температура объекта и воздуха в рабочей камере; Т0 - температура нормальных условий; Р(t) - мощность СВЧ; S - площадь, с которой идут испарение и теплоотдача конвекцией; Sк - площадь рабочей камеры; m1 и М1 - массы жидкости и сухого скелета в обрабатываемом объекте; m2 и М2 - массы водяных паров и сухого воздуха в рабочей камере; сm1 и сМ1 - удельные теплоемкости жидкости и сухого скелета обрабатываемого объекта; сm2 и сМ2 - удельные теплоемкости водяных паров и сухого воздуха; G ? расход воздуха; ? ? плотность сухого воздуха; ?2, ?3 ? плотности водяных паров в рабочей камере и в приходящем потоке воздуха.

Для численного моделирования процессов тепломассопереноса в СВЧ электромагнитном поле с помощью модели (17) было разработано специализированное программное обеспечение, обладающее простотой и нетребовательностью к ресурсам вычислительной техники.

Так как для СВЧ сушки пиломатериалов проблема снижения затрат на электроэнергию стоит особенно остро, была исследована кинетика СВЧ сушки штабеля пиломатериала объемом 5 м? в периодическом режиме. Достоверность результатов моделирования подтверждена сопоставлением с известными экспериментальными данными.

Установлено, что изменение объема подаваемого воздуха незначительно влияет на продолжительность сушки. Было исследовано влияние увеличения площади поверхности испарения обрабатываемого объекта на кинетику процесса. Установлено, что если все остальные параметры системы (объем и масса обрабатываемого объекта, подача воздуха, количество подводимой энергии) остаются теми же, то укладка досок в штабель через прокладки при СВЧ сушке не приводит к интенсификации испарения влаги, поскольку увеличение потока испаряемой влаги через большую поверхность уменьшает температуру объекта, и, следовательно, термодиффузию. Испарение влаги, несмотря на увеличение площади испарения, идет медленнее, а потому увеличивается количество потребленной магнетронами и вентилятором электроэнергии.

Для уменьшения энергопотребления предложено использовать динамическое управление процессом, когда на первоначальном этапе нагрев объекта проводится до заданной температуры без принудительной подачи воздуха, на втором этапе продолжается СВЧ энергоподвод с работающей воздуходувкой, а на третьем этапе проводится окончательное досушивание при выключенном СВЧ генераторе. Отключение СВЧ генераторов на стадии окончательного досушивания увеличивает время сушки незначительно, однако дает существенное снижение общих энергозатрат. В работе проведено моделирование указанного режима и показано, что экономия электроэнергии может достигать 14 %.

Зачастую цена СВЧ установки определяет ее конкурентоспособность, поэтому в условиях рыночной экономики особое значение имеет критерий ?3. В диссертации показаны основные проблемы ценообразования СВЧ электротермических установок, предложен расчет максимально допустимой цены СВЧ электротермической установки, при которой владелец установки за год ее эксплуатации сможет провести выплаты кредита банку, налогов, заработной платы обслуживающего персонала и другие необходимые платежи.

В диссертации предложены технические и организационные мероприятия, позволяющие улучшить технико-экономические показатели СВЧ установок на стадии их эксплуатации. В частности, рассмотрены вопросы оптимального резервирования, рациональной организации режима работы и повышения эксплуатационных характеристик элементной базы СВЧ электротермических установок.

основные результаты и выводы

1. Сформулирована и решена проблема технико-экономического сопоставления СВЧ электротермических установок с конкурирующими установками; доказано, что конкурентоспособность установок необходимо оценивать с помощью сравнительного интегрального эффекта от их эксплуатации.

2. Разработана методика прогнозирования интегрального эффекта СВЧ электротермических установок на любом интересующем исследователя интервале времени и сопоставления СВЧ электротермических установок и установок с альтернативными способами энергоподвода

3. Предложен алгоритм проектирования СВЧ установки, включающий процедуру сравнения проектируемой установки с альтернативными, а также проведение мероприятий по повышению ее конкурентоспособности.

4. Для СВЧ электротермических установок, реализующих наиболее распространенные и энергоемкие виды термообработки диэлектриков (сушка пиломатериалов в мягком режиме в СВЧ сушилке периодического действия, сушка зерна в мягком режиме в СВЧ сушилке методического действия, пастеризация молока в СВЧ пастеризаторе методического действия) получены соотношения, позволяющие на этапе, предшествующем анализу конкурентоспособности проектируемой установки, определить ее технико-экономические характеристики.

5. На примере рассмотренных технологических процессов с помощью расчета и анализа сравнительного интегрального эффекта показано, что возможны случаи, когда СВЧ оборудование неконкурентоспособно по сравнению с альтернативными установками и доказана необходимость разработки мер по повышению его конкурентоспособности.

6. Предложены и обоснованы методы повышения конкурентоспособности СВЧ установок как на стадии их проектирования (оптимизация их элементной базы, снижение энергозатрат и рациональное ценообразование), так и на стадии эксплуатации. Критерии относительного интегрального эффекта, относительных затрат на электроэнергию и относительной цены установки, позволяют оценить результативность мероприятий по повышению конкурентоспособности СВЧ электротермической установки

7. Построена феноменологическая модель кинетики СВЧ сушки диэлектриков и разработано специализированное программное обеспечение математического моделирования процесса СВЧ сушки в периодическом режиме, позволяющие на стадии проектирования оптимизировать режим работы СВЧ сушилки с целью снижения энергопотребления.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Дунаева Т. Ю. Применение методов математического моделирования для оптимизации сушильных установок СВЧ диэлектрического нагрева / Т. Ю. Дунаева // Вестник Саратовского государственного технического университета. ? 2006. ? № 1(10). - С. 137-141.

Дунаева Т. Ю. Оценка эффективности проектов в СВЧ электротехнологии с учетом факторов риска / Т. Ю. Дунаева // Вестник Саратовского государственного технического университета. ? 2006. ? № 4(19). - С. 133-138.

Дунаева Т. Ю. Общие принципы рационального подхода к выбору СВЧ установок для сушки зерна и семян / Т. Ю. Дунаева // Вестник Саратовского государственного технического университета. ? 2007. ? № 4(29).- С. 39-43.

в других изданиях

Дунаева Т.Ю. Повышение эффективности СВЧ электротермических установок / Т.Ю. Дунаева // Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках: материалы Междунар. науч.-техн. конф. / ТГТУ. ? Тверь, 2004. - С. 57-60.

Дунаева Т.Ю. Проблемы повышения энергетической эффективности СВЧ электротехнологических установок / Т. Ю. Дунаева, Ю. С. Архангельский // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 15-летию кафедры радиотехники, 12-17 апр. 2004 г. / СГТУ. - Саратов, 2004. - С. 292-296.

Дунаева Т.Ю. Энергетическая эффективность технологического оборудования / Т.Ю. Дунаева, Ю.С. Архангельский // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 15-летию кафедры радиотехники, 12-17 апр. 2004 г. / СГТУ - Саратов, 2004. - С. 296-300.

Архангельский Ю. С. Две парадигмы энергосбережения / Ю. С. Архангельский, Т. Ю. Дунаева // Проблемы развития централизованного теплоснабжения: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 21-22 апр. 2004 г. / СамГТУ. ? Самара, 2004. - С. 150-153.

Дунаева Т. Ю. Исследование энергетического совершенства технологических процессов и установок / Т. Ю. Дунаева // Электро- и теплотехнологические процессы и установки - 2: сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2005. - С. 53 - 59.

Дунаева Т. Ю. Принцип применения эксергетического метода при анализе энергетического совершенства процесса СВЧ диэлектрического нагрева / Т. Ю. Дунаева // Современная техника и технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 29 марта - 2 апр. 2005 г. / ТГТУ. - Томск, 2005. Т.2. - С. 451-453.

Дунаева Т. Ю. Технико-экономическое сравнение СВЧ и тепловых сушилок зерна / Т. Ю. Дунаева, Ю. С. Архангельский // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2008. - С. 274-278.

Дунаева Т. Ю. Технико-экономическое сравнение СВЧ и тепловых сушилок длинномерных пиломатериалов / Т.Ю. Дунаева, Ю.С. Архангельский // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2008. С. 278-288.

Архангельский Ю.С. Применение математического моделирования при проектировании установок СВЧ диэлектрического нагрева / Ю.С. Архангельский, Т. Ю. Дунаева // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. тр. ХХI Междунар. науч. конф.: в 10 т. / СГТУ. Саратов, 2008. - Т. 4. ? С. 163-166.

Размещено на Allbest.ur

...