Казахский Национальный аграрный университет
advertisement
Казахский Национальный аграрный университет УДК 6.631.544.365.2 На правах рукописи КАСЫМБАЕВ БЕКБОСЫН МЫРКАСЫМОВИЧ Исследование и разработка полифункциональной гелиосушилки-теплицы для производства плодоовощной продукции. 6D080600 - Аграрная техника и технология Диссертация на соискание ученой степени доктора философии (PhD) Научные консультанты: Атыханов А. К., д.т.н., профессор Караиванов Д. П., доктор PhD, доцент Республика Казахстан Алматы, 2014 1 СОДЕРЖАНИЕ НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ……………………………...…………..…………4 ОПРЕДЕЛЕНИЯ……………………………………………..…………………… 5 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ…………..……………………………….6 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………............7 1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВ ГЕЛИОСУШИЛКИ - ТЕПЛИЦЫ 1.1 Системы классификации и конструкция теплиц…………………………….12 1.2 Основные характеристики сотового поликарбоната………………………...20 1.3 Мировой опыт сушки сельскохозяйственной продукции…………………...27 1.4 Анализ существующих технологий и способы сушки……………………..33 1.5 Сущность и кинетика сушки…………………………………………………..36 1.6 Влияние параметров и режимов на процесс сушки………………………...38 Выводы по 1 разделу..……………………………………………………………...40 2 СОЛНЕЧНЫЕ СУШИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ………………………………..41 2.1 Классификация и физические характеристики солнечных сушилок……….41 2.2 Показатели характеризующие производительность сушилок ……………...42 2.3 Конструкция солнечной сушильной системы………………………... ……..44 2.3.1 Камерные солнечные сушилки ……………………………………………..47 2.3.2 Солнечные сушилки с тепловым аккумулятором……………………...…..48 2.3.3 Солнечные сушилки с водопоглощающим материалом……………..........50 2.3.4 Солнечные туннельные сушилки………………………………………. …..51 2.3.5 Сушилка - здания с солнечном коллектором ………………………………52 2.4 Технология предлагаемой гелиосушилки……………………………… ……52 Выводы по 2 разделу..…………………………………………………………. ….56 3 ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ПРИ СУШКЕ ПЛОДООВОЩНЫХ ПРОДУКТОВ……………………………………………57 3.1 Интенсивность солнечного излучения…………………………………. ……57 3.2 Методы расчета интенсивности солнечного излучения………………. ……67 3.2.1 Метод № 1 для вычисления хода интенсивности суммарной солнечной радиации на наклонной плоскости на основе измерений горизонтальной плоскости……………………………………………………………………………67 3.2.2 Метод № 2 для расчета хода интенсивности суммарной солнечной радиации на юго-ориентированной, наклоненной под углом 30 градусов плоскости, основанной на измерениях в одной плоскости...................................69 3.3 Расчет теплового баланса, методика определения эффективности теплового экрана солнечной теплицы.......................................................................................74 Выводы по 3 разделу..………………………………………………………..........86 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОСУШИЛКИ……………..87 4.1 Эффективность преобразования солнечной энергии………………………...87 4.2 Сушка за счет солнечной энергии без использования дополнительного 2 источника питания. Предварительные эксперименты …………………….........89 4.3 Полный факторный эксперимент.......................................................................93 4.3.1 Определение значимых факторов, влияющих на принятой оптимизации параметров ввода.......................................................................................................94 4.3.2 Составление ортогональной матрицы срок эксперимента...........................95 4.3.3 Обработка результатов полнофакторного эксперимента (ПФЭ).................96 4.3.4 Проверка однородности дисперсий..............................................................100 4.3.5 Определение коэффициентов уравнения регрессии...................................102 4.3.6 Проверка адекватности полученного уравнения регрессии.......................102 4.3.7 Исследование значение солнечного покрытия……………………............103 4.4 Средняя скорость сушки в зависимости от факторов………………………112 4.5 Сравнение конкретных значений потребления энергии из других систем сушки………………………………………………………………………116 4.6 Удельный расход энергии на сушку................................................................121 Выводы по 4 разделу..…………………………………………………………...124 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕЛИОСУШИЛКИТЕПЛИЦЫ ……………………………………………………………………….125 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….132 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………134 ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………………………………………………143 3 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ В настоящей диссертации стандарты: Нормативные ссылки: использованы ссылки на следующие ГОСТ 11262-80 - Предел прочности при растяжении ГОСТ 11529-86 - Изменение линейных размеров после теплового воздействия ГОСТ 4647-80 - Ударная вязкость по Шарпи ГОСТ 4648-71 - Максимальная прочность при изгибе ГОСТ 896-69 - Коэффициент диффузного отражения ГОСТ 12020-72 - Стойкость к слабоагрессивному воздействию 3%-ных растворов (изменение прочности при растяжении), % щелочи, кислоты, соли ГОСТ 15088-83 - Температура размягчения по Вика ГОСТ 30673-99 - Стойкость к удару при отрицательной температуре ГОСТ 27296-87 – Звукоизоляция. Индекс изоляции воздушного шума ГОСТ 26602.1-99 - Термическое сопротивление ГОСТ15875-80 - Светопропускание ГОСТ 30402-96 - Воспламеняемость ГОСТ 12.1.044-89 п. 4.20 - Токсичность ГОСТ 30244-94 - Горючесть 4 ОПРЕДЕЛЕНИЯ В настоящей диссертации применяются следующие термины с соответствующими определениями: Теплица - это некое прозрачное или частично прозрачное сооружение из пленки, стекла или пластика, внутри которого создается свой, особый микроклимат; Сушка - это процесс удаления из материала любой жидкости в результате чего в нем увеличивается относительное содержание сухой части; Солнечная инсоляция - это количество электромагнитной энергии (солнечного излучения), попадающего на поверхность земли; Поликарбонаты - группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)n; Сотовый поликарбонат - наилучший материал для покрытия теплиц, представляет собой светопропускающие полые панели, полученные методом экструзии из гранул поликарбоната; Солнечный коллектор - устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Пиранометр - предназначен для измерения глобальной солнечной радиации, сельского хозяйства, метеорологии и исследования солнечной энергии 5 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ СК – солнечный коллектор ВТО – Всемирная торговая организация НИИ – научно-исследовательские институт НИР – научно-исследовательская работа США – Соединенные Штаты Америки МОН РК – Министерство образования и науки Республики Казахстан МСХ РК – Министерство сельского хозяйства Республики Казахстан кг – килограмм мм – миллиметр га – гектар мм2 – квадратный миллиметр мм3 – кубический миллиметр г/мм3 – грамм на кубический миллиметр 0 С – градусов Цельсия % – процент Qr – количество тепловой энергии, выработанной гелиоустановкой за год n – расчетный срок ее эксплуатации SC – удельная стоимость гелиоустановки, тг/м2 Q – годовое количество теплоты, выработанное гелиоустановкой, Гкал/м2 СТ – стоимость теплоты от традиционного энергоисточника, тг/Гкал Сu – стоимость теплоизоляции, тг/м2 – коэффициент теплопроводности, Вт/(м2°С) tж – средняя температура жидкости в коллекторе, °С tв – средняя температура воздуха в течении сезона эксплуатации коллектора,°С n – продолжительность эксплуатации коллектора в течении сезона, час/год T – число лет эксплуатации коллектора до полной окупаемости Cm – стоимость тепловой энергии от традиционных источников, замещаемых гелиоустановкой, тг/Вт Im – коэффициент прогнозного изменения стоимости тепловой энергии в пределах заданного срока окупаемости ГТК – гидротермический коэффициент ДИП – дополнительный источник питания КПД – коэффициент полезного действия W – влажность почвенного слоя – предельное касательное напряжение, кПа ЦТ – комплексная цена 1 кг топлива Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений ССР – среднемесячная солнечная радиация 6 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы Тепличное производство в настоящее время развивается как динамичная и эффективная отрасль сельского хозяйства, имеющая большое значение для снабжения населения свежими и богатыми витаминами овощами, когда из открытого грунта не поступает продукция. Тема настоящего проекта напрямую коррелирует с Концепцией по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике», утвержденной Указом Президента Республики Казахстан Н.А. Назарбаевым от 30 мая 2013 г. № 577, а также Международной специализированной выставкой Астана ЭКСПО-2017. Особенно актуально использование продуктов тепличных хозяйств в странах с суровыми климатическими условиями, к которым относятся большинство регионов Казахстана. Мировые тенденции развития тепличного производства указывают на практически повсеместный переход способам выращивания растений в закрытом грунте, использованию новых конструкций, материалов и энергосберегающих технологий [1]. В Северном Китае более 263 тыс. га солнечных теплиц, где выращиваются 90% зимних овощей. Научные разработки и инновации в этой области поддерживаются как на государственном уровне, так и в частном порядке заинтересованными компаниями [2]. В холодном климате, значительное количество дополнительного тепла необходимо теплицам в зимний сезон. Согласно Комиссии Европейского экономического сообщества, больше 75 % тепловой энергии в сельском хозяйстве в северных странах затрачивается на отопление теплиц. Это говорит о том, что сокращение потребления топлива на отопление теплиц является первостепенной значимостью существования тепличного хозяйства в будущем [3]. Главная проблема производства внесезонных овощей - их высокая себестоимость, вследствие значительных затрат на энергоресурсы. Удельный вес энергозатрат достигает от 40% до 60 % в структуре себестоимости овощной продукции закрытого грунта. В холодный период года, у тепличных хозяйств, расположенных в северных широтах, этот показатель достигает 70% 80% в структуре себестоимости. В настоящее время во многих странах защищенный грунт лидирует в производстве овощей, в то время как в нашей стране площади культивационных сооружений продолжают сокращаться. Из всех видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) наибольшее развитие в мире получило преобразование солнечной энергии в тепло невысокого потенциала, достаточного, однако, для горячего водоснабжения, отопления и освещения. Солнечная энергия является основным источником энергии для жизни на планете Земля. Она определяет все естественно для нас явления природы, как дождь, ветер, фотосинтез, морские течения и многие другие. 35 обычных видов 7 топлива, которые мы используем сегодня, являются также формой запасенной солнечной энергией [4]. В конце ХХ и начале XXI века мировая экономика развивается с точки зрения постоянно усугубляющей энергетический кризис [5]. Растущего спроса на энергию, повышение цен на энергоносители и реальная угроза нарушения экологического равновесия [6] в результате вредных выбросов при использовании обычных видов топлива, в конечном итоге приводит все более интенсивному поиску путей и средства для использования альтернативных источников энергии [7,8]. Это представляет собой серьезную задачу, для научных коллективов найти технологию, с которой выйти из этого кризиса с приемлемыми технико-экономическими решениями. В настоящее время к числу важных народнохозяйственных проблем, стоящих перед страной, относятся проблемы, связанные с решением задач, вытекающих из продовольственной программы страны топливноэнергетической и экологической проблем. Эффект от использования солнечной энергии особенно ощутим при осуществлении наиболее энергоемких теплотехнологических процессов в гелиоустановках [9]. Для расширения масштабов использования экологически чистой солнечной энергии в народном хозяйстве страны в ближайшие 20-30 лет необходимо организовать производство высокоэффективного гелиотехнического оборудования различного назначения [10]. Радиационные ресурсы среднеазиатских республик позволяют успешно использовать солнечную энергию для этой цели в течение 6-7 месяцев в году [11]. Мировой опыт развития тепличного производства указывает на практически повсеместный переход к способам выращивания растений в закрытом грунте, использованию новых конструкций, материалов и энергосберегающих технологий на базе солнечной энергии [12]. Географическое положение Республики Казахстан является уникальным, с богатыми углеводородными и солнечными энергетическими ресурсами, однако на долю солнечных установок приходится менее 0,1% всей вырабатываемой энергии, а основная ее часть около 72 % вырабатывается из угля, 12,3 % - из гидроресурсов, 10,6 % -из газа, 4,9 % - из нефти [13]. Использование солнечной энергии отдельно или в сочетании с дополнительным источником энергии предназначено для сушки трав, грибов, табака, овощей, фруктов и многого другого [14]. Для достижения экономической целесообразности использования солнечной энергии, это необходимо для разработки и применения технологий и оборудования для обеспечения эффективного преобразования еѐ в другой тип энергии в соответствии с потребностями потребителей. Солнечная энергия является возобновляемым источником, который является практически неисчерпаемым. Использование солнечной энергии для теплоснабжения позволит: 8 - замещать от 20 до 60% тепловой нагрузки объектов сельского хозяйства в зависимости от климатического расположения; - исключить затраты на доставку органического топлива (что важно для удаленных потребителей); - предотвратить загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции. Основой развития отрасли овощеводства защищенного грунта в Казахстане является обеспечение высокопродуктивной витаминной продукцией населения, в том числе и северных районов. На данном этапе проводились исследования по поиску эффективных традиционных и возобновляемых источников энергии для отопления, освещения названного оборудования, предложения по усовершенствованию конструкции гелиосушилки-теплицы, в части уменьшения теплопотерь, автоматического поддержания микроклимата. В частности предложен комбинированный способ решения указанной проблемы. Наряду с энергообеспечением на твердом топливе, электричестве предложено энергообеспечение от солнечных батарей. Цель работы Обоснование энергоснабжения полифункциональной гелиосушилки теплицы за счет возобновляемого источника - солнечной энергии наряду с традиционными источниками энергии и определения эффективности гелиосушилки-теплицы от солнечной энергии Для достижения данной цели нами были поставлены следующие задачи: - проведение анализа современного состояния использования солнечной энергии для отопления теплиц в условиях климата Казахстана; - обоснование комбинированной схемы энергообеспечения, методы снижения теплопотерь; - провести полный факторный эксперимент сушки продуктов для определения эффективности гелиосушилки-теплицы от солнечной энергии. Объектом исследования является энергосберегающая технология круглогодичного производства плодоовощной продукции на базе полифункциональных модульных гелиосушилок-теплиц. Основой технологии является светопропускающий материал - поликарбонат (полигаль), имеющий ячеистую структуру, позволяющую значительно снизить теплопотери. Данное оборудование было внедрено в учебно-производственном хозяйстве Казахского Национального аграрного университета «Агроуниверситет», Енбекшиказахского района Алматинской области. Предмет исследования Опытный образец системы энергообеспечения теплицы от солнечных батарей установлен в указанной теплице. Методы исследования Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы различные методы решения задач, применены компьютеры и 9 математические методы, моделирование. полнофакторного планирования является создание математической модели процесса исследования уравнения регрессии были определены с использованием программного обеспечения Statgraphics Plus. На защиту выносятся: Научная новизна: - метод расчета энергоэффективной солнечной теплицы, заключающийся в оптимально сконструированной форме конструкции всех элементов теплицы; - подтверждение эффективности нового технического решения по сравнению с известным, путем сравнительных опытов в равных условиях; установление степени эффекта нового решения; - экспериментальные исследования гелиосушилки. Практическая ценность Результатов диссертационной работы заключается в том, что на их основе изготовлен действующий макет полифункциональной гелиосушилки-теплицы, который широко демонстрируется на различных выставках, конференциях и используется в учебных целях. Данное оборудование было внедрено в учебнопроизводственном хозяйстве Казахского Национального аграрного университета «Агроуниверситет» Енбекшиказахского района Алматинской области. На этой базе студенты университета проходит практику и магистранты и докторанты проводят эксперименты. Связь данной работы с другими НИР и различными государственными и международными программами Настоящая работа выполнена на кафедре «Аграрная техника и технология» Казахского Национального аграрного университета в соответствии с научно-исследовательской работой по бюджетной программе 055 МОН РК «Научная и/или научно-техническая деятельность», подпрограмма 100 «Программно-целевое финансирование», по программе: «Целевое развитие университетской науки, ориентированной на инновационной результат», по теме «Исследование и разработка полифункциональной гелиосушилкитеплицы для производства плодоовощной продукции» (№ гос.регистрации 0111РК00488). Личный вклад докторанта Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований, результаты экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленных в диссертации получены лично автором. Совместно с научным консультантам д.т.н., профессором А.Атыхановым разработано техническое задание на проектирование оборудования, подготовлена конструкторская документация, изготовлена на экспериментальном заводе Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства МСХ РК (Алматы). Был получен Инновационный патент Республики Казахстан на изобретение №26684 от 06.02.2013 г. «Гелиосушилка для овощей и фруктов» и совместно с научным 10 консультантам доктором PhD, доцентом Д.Караивановым усвоили матричные методы подсчета механических систем и ознакомился с математическим аппаратом для исследования тепловых процессов в гелиосушилки (соответствующая статья рецензируется в болгарском журнале с импакт фактором по SCOPUS). Апробация работы Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были представлены и получены одобрения на 4 международных научно-практических конференциях. В том числе: в международной научнопрактической конференции «News of modern science» (Алматы, 2014г), в международной научно-практической конференции «Уалихановские чтения – 18», (Кокшетау, 2014г), в международной научно-практической конференции «Глобальная наука и инновации» (Чикаго, США. 2014г). Публикации По материалам диссертационной работы получен инновационный патент РК на изобретение №26684, получен патент РК на полезную модель №0136.2, опубликованы 12 печатных работ, в том числе 2 статьи в издании с импактфактором дальнего зарубежья (America, Life Science Journal), входящего в информационную базу данных компании Scopus, 5 статьи в изданиях, включенные в перечень комитета МОН РК. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Работа изложена на 155 страницах компьютерного текста, включает 46 таблиц, 77 рисунков и 9 приложений. Список использованных источников включает 133 наименований. В первой главе проведен анализ состояния и перспективы производства гелиосушилки-теплицы, системы классификации теплиц, конструкция теплиц и используемые материалы, общие сведения о сотовом поликарбонате и ее применение. Во второй главе проведен анализ существующих технологий и способов сушки плодоовощного сырья, классификация и характеристики солнечных сушилок и показатели, характеризующие производительность солнечных сушилок В третьей главе приведена методика и результаты для вычисления интенсивности суммарной солнечной радиации на наклонной плоскости, на горизонтальной плоскости и влияние солнечной радиации при сушке плодоовощных продуктов В четвертой главе приведены полнофакторное экспериментальное исследование по определению эффективности гелиосушилки. В пятой главе приведены технико-экономическое обоснование гелиосушилки. Для данной работы будет определение такого сравнительного показателя, как срок и ежегодная сезонная прибыль от реализации продукции без и с учетом снижения потерь по предлагаемой технологии. 11 1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА ГЕЛИОСУШИЛКИ – ТЕПЛИЦЫ Теплицы - верное решение для наших сложных климатических условий. Тепличные комплексы в Казахстане новое направление и правительство в настоящее время уделяет этому вопросу весьма большое внимание. Для массового введения в эксплуатацию новых теплиц необходимы крупные инвестиции и в первую очередь, заинтересованность сельхозтоваропроизводителей в новых технологиях. Большая часть овощной продукции Казахстана выращивается на открытом грунте с арыковым методом полива. Данная технология имеет серьезные недостатки, которые выражаются немалыми затратами воды и малой урожайностью. Выращивание сельскохозяйственных культур в теплицах, по сравнению с выращиванием их в поле, имеет ряд преимуществ: - в теплицах процесс выращивания не зависит от климатических и погодных условий; - тепло и влага распределяются равномерно по всей площади теплицы; - теплица защищает культуры от вредного воздействия окружающей среды; - полив тепличных растений осуществляется чистой водой. Теплицы, построенные по современным технологиям нужны производителям сельскохозяйственной продукции для выживания в условиях жесткой конкуренции со стороны конкурентов. Уменьшение себестоимости продукции в теплицах осуществляется за счет увеличения количества, производимой продукции при одновременном снижении затрат на производство. Организация тепличного хозяйства и выращивание различных видов сельскохозяйственных культур является довольно выгодным бизнесом да, к тому же, полезным для всех сторон. Постоянно функционирующее тепличное хозяйство позволит получать немалый доход круглый год. Прибыльность высокая, окупаемость быстрая, рентабельность хорошая, и это еще не все преимущества, которые дает тепличное хозяйство [15]. 1.1 Системы классификации и конструкция теплиц Существующие теплицы промышленного типа можно квалифицировать по ряду эксплуатационных и строительных признаков: по назначению сезонности, технологии выращивания, типу материала каркаса и светопрозрачного ограждения, по способу отопления и вентиляции. По назначению теплицы разделяют на овощные и рассадные, причем рассадные теплицы для выращивания рассады для открытого и закрытого грунта отличаются технологическим оснащением и конструкцией вентиляционных систем. По продолжительности: круглогодичные (зимние) и сезонные (эксплуатируемые весной, летом и осенью). Как правило, каркас теплицы 12 устанавливается на постоянное место. Исключение составляют передвижные теплицы, получившие распространение в ряде северо-западных областей для выращивания рассады и более ранней зелени многолетних овощных культур. По технологии выращивания различают стиеллажные, бесстеллажные (грунтовые) и гидропонные теплицы. В свою очередь гидропонные теплицы могут быть оснащены различным оборудованием в соответствии с принятым способом выращивания. Имеются теплицы с традиционной, классической схемой подачи питательного раствора методом подтопления, в которых растения выращиваются в бетонных герметичных поддонах или стеллажах, заполненных гранитным щебнем или керамзитом. В последнее время широкое распространение получили различные способы малообъемной культуры выращиваний растений в торфяных субстратах с использованием системы капельного орошения, проточная водная и аэроводная культура, аэропонная культура и т. д. В качестве материала каркаса в теплицах применяют стальные оцинкованные и алюминиевые профили, деревянные клееные элементы. По виду светопрозрачного ограждения теплицы делят на остекленные, пленочные и теплицы с покрытием из жестких полимерных материалов. Пленочные покрывают пленкой в один или два слоя. Для экономии энергии применяют также специальные двухслойные жесткие полимерные материалы с воздушным промежутком между слоями 5-25 см. По конструктивно-планировочным решениям теплицы можно разделить на аграрные и блочные, по профилю поперечного сечения на односкатные с равными и неравными скатами, с плоскими цилиндрическими и гиперболическими скатами. Теплицы - это наиболее совершенный вид культивационных сооружений защищенного грунта. Существенное отличие теплиц от остальных видов сооружений защищенного грунта - возможность создания благоприятных условий не только для выращиваемых растений, но и для обслуживающего персонала и технологического оборудования. В результате в теплицах повышаются производительность труда и культура производства, исчезает сезонный характер сельскохозяйственных работ. В теплице, в отличие от малогабаритных укрытий и парников, можно без нарушения целостности ограждения выполнять все агротехнические мероприятия, а также широко использовать различные механизмы для ухода за растениями. В рамках проведенной работы по формированию Таможенного союза между Республикой Казахстан, Республикой Беларусь и Российской Федерацией, достигнута договоренность о применении на тепличные конструкции и тепличное оборудование в течение переходного периода действующих тарифов, которые отличаются от ставок Единого таможенного тарифа: с 2010 по 2012 год будут действовать нулевые ставки таможенных пошлин, а с 2013 года ставка увеличится до 20 %. Наиболее перспективным для развития интенсивного плодоовощеводства являются Алматинская, 13 Жамбылская, Южно-Казахстанская и Павлодарская области. Расчетная площадь внедрения интенсивных технологий в 4-х указанных областях оценивается в 43,2 тыс.га. Одним из первых типов теплиц была Клинская теплица. Она имела глухую северную стену и стеклянную односкатную кровлю, обращенную на юг. Такая конструкция обеспечивала хорошую тепловую изоляцию и освещенность в зимние месяцы. Теплицы подобной конструкции и в настоящее время находят широкое распространение и рекомендуются для строительства на приусадебных участках. Один из вариантов односкатной заглубленной в землю теплицы приведен на (в соответствии с рисунком 1.1). 1 - столбы; 2 - обшивка горбылем; 3 - обвязка; 4 - парниковая рама; 5 - доска; 6 опилки; 7 - толь; 8- земляная отсыпка; 9 - стеллаж; 10 - дымоход; 11 - откос; 12 - упорная доска; 13 - отлив; 14 - ящик с рассадой Рисунок 1.1 - Зимняя односкатная теплица В дальнейшем по мере увеличения площади теплиц односкатные теплицы уступили место двускатным ангарным. В них нет каких-либо внутренних опор. Типичным примером такой теплицы для индивидуальных владельцев является зимняя двускатная теплица с кровлей из парниковых рам (в соответствии с рисунком 1.2). 14 1 - стена; 2 - фундамент; 3-стропила; 4 - коньковый брус; 5 - обвязочный брус; 6 - паз для упора рам; 7 - отлив; 8 - стеллаж; 9 -стойка стеллажа; 10 - зазор между стеной и стеллажом; 11 -дымоход Рисунок 1.2 - Зимняя двускатная теплица Наряду с двускатными ангарными теплицами с плоскими скатами широкое распространение получили теплицы, профиль поперечного сечения которых приближается к дуге окружности или представляет ломаную линию (полигональный профиль). Как правило, это теплицы с покрытием из пленочных полимерных материалов (в соответствии с рисунком 1.3). Рисунок 1.3 - Арочная теплица индивидуального пользования 15 Однако при цилиндрической форме возможны скопления воды и снега в верхней зоне кровли, образование «мешков» и как следствие — затенение растений и разрушение покрытия. Поэтому более предпочтительна гиперболическая или стреловидная форма кровли. Теплицы с таким профилем поперечного сечения выпускаются, в частности, финской фирмой «Литто» (в соответствии с рисунком 1.4). Аналогичный профиль имеют и блочные пленочные теплицы, разработанные специалистами Минской овощной фабрики. Рисунок 1.4 - Модификация каркасов финских пленочных теплиц Блочные теплицы включают произвольное количество ангарных. При этом стенки между соседними теплицами устраняют, оставляя только поддерживающие стойки. Изменить площадь теплицы можно путем увеличения числа секций и их длины, что не требует каких-либо существенных изменений в конструкции. Эту особенность широко используют на практике, когда на основе одного унифицированного комплекта деталей создают теплицы площадью 50 - 6000 м2. Существенное значение имеют форма и угол наклона скатов кровли, так как от них зависит светопроницаемость теплицы. Для максимальной светопроницаемости пленочные теплицы должны иметь цилиндрическую форму, однако при такой форме возможны скопления воды и снега в верхней зоне кровли, образование мешков, затенение и, в конечном счете, разрушение покрытия. Более предпочтительны стреловидная и гиперболическая формы. Увеличить светопроницаемость зимних теплиц можно за счет применения специальных конструкций с неравными скатами. В этом случае теплица ориентирована более крутыми скатами на юг, что при низком солнцестоянии в зимние месяцы уменьшает коэффициент отражения и увеличивает светопроницаемость сооружения. 16 Особое внимание следует обращать на угол наклона кровли теплиц, эксплуатируемых в зимнее время. При определенных углах наклона кровли и при образовании конденсата отдельные капли воды не скользят по кровле, а отрываются и падают на растения. Обильный холодный душ вызывает заболевания растений и приводит к снижению продуктивности. Критический угол, или краевой угол смачивания, при котором капли конденсата не отрываются, а скользят по стеклу, равен 23°. В действующих проектах теплиц этот угол составляет 25-30°. В ангарных теплицах его увеличивают до 45-50°, чтобы повысить прочность сооружения, если теплицу не отапливают зимой и она должна выдерживать расчетную снеговую нагрузку. Основу арочной конструкции составляют параллельно расположенные дуги, которые устанавливаются по длине теплицы. Торцы таких строений закрываются вертикальными стенами. Арочная конструкция напоминает прозрачный туннель, образованный из соединенных друг с другом параллельных дуг, установленных по длине строения, и закрытый с торцов плоскими стенками. Тепличные сборные блоки, как правило, производятся длиной около 2 м в арочной конструкции и 1,2 м в шатровой, это упрощает сборку теплицы и предоставляет возможность быстро нарастить необходимую длину. Все чаще при строительстве теплиц используется сотовый поликарбонат. Он гораздо прочнее и легче стекла, просто гнется и устойчив к повреждениям, поэтому листы весьма сложно расколоть как при демонтаже, так и при монтаже весной. Особенно удобен данный материал в арочной теплице. Конструкции арочной формы с виду похожа на обычный садовый парник. Устройство теплицы и принцип постройки (в соответствии с рисунком 1.5). Рисунок 1.5 - Оцинкованный каркас теплицы 17 В результате исследований была обоснована, разработана полифункциональная гелиосушилка-теплица, подготовлена конструкторская документация, изготовлена на экспериментальном заводе Казахского НаучноИсследовательского Института Механизации и Электрификации сельского хозяйства МСХ РК г.Алматы. Полифункциональная гелиосушилка-теплица была установлена в учебнопроизводственном хозяйстве Казахского Национального аграрного университета в с. Саймасай Енбекшиказахского района Алматинской области и передана по акту для дальнейшей эксплуатации (рис.1.6). Рисунок 1.6 - Полифункциональная гелиосушилка-теплица в учебнопроизводственном хозяйстве КазНАУ с. Саймасай В соответствии с календарным планом на 2013 год была предложена комбинированная система энергообеспечения комплекса гелиосушилок-теплиц (3 блока), в том числе от энергии солнца. Получен Инновационный патент на изобретение РК «Гелиосушилка-теплица» № 26684 от 06.02.2013 г. Предложены меры, приемы по монтажу и крепления листов из сотового поликарбоната, обеспечивающих достаточную герметичность соединений и исключающих возможные теплопотери. На основании расчетов подготовлено Техническое задание на изготовление опытного образца системы автономного энергоснабжения от солнечных батарей с полным оснащением соответствующими приборами. В соответствии с Техническим заданием был изготовлен и произведен монтаж опытного образца оборудования по энергообеспечению от солнечных батарей с суммарной мощностью около 5-6 киловатт. Даны рекомендации по уходу за почвой в теплице и параметрам освещения. Использование солнечной энергии для энергоснабжения позволит 18 замещать от 20 до 60% тепловой нагрузки объектов сельского хозяйства в зависимости от климатического расположения, исключить затраты на доставку органического топлива (что важно для удаленных потребителей), предотвратить загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции. Результаты научных исследований позволяют рассчитать основные параметры микроклимата теплиц ангарного типа. На рисунке 1.7 представлены фрагменты комбинированного отопления теплицы. а) б) в) а) жидкостное на твердом топливе, б) электрическое электронагревателями, в) солнечные батареи Рисунок 1.7 - Фрагменты комбинированного отопления теплицы 19 1.2 Основные характеристики сотового поликарбоната Сотовый поликарбонат - наилучший материал для покрытия теплиц, представляет собой светопропускающие полые панели, полученные методом экструзии из гранул поликарбоната. Поликарбонаты - группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)n. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе Бисфенола А, благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона. Поликарбонаты являются крупнотоннажными продуктами органического синтеза, мировые производственные мощности в 2006 года составляли более 3 млн тонн в год. Основные производители поликарбоната (2006), Bayer Material Science AG – торговой марки Makrolon, Apec, Bayblend, Makroblend обьем производства 900 000 т/год, Sabic Innovative Plastics - торговой марки Lexan обьем производства 900 000 т/год, Samyang Busines Chemicals -торговой марки Trirex обьем производства 360 000 т/год, Dow Chemical / LG DOW Polycarbonate торговой марки Calibre обьем производства 300 000 т/год,Teijin торговой марки Panlite обьем производства 300 000 т/год. Поликарбонат был выбран в качестве материала для производства прозрачных вставок в медалях Зимних Олимпийских игр 2014 в Сочи, главным образом из-за его большого коэффициента теплового расширения, а также ввиду прочности, пластичности, удобства нанесения рисунка лазером [16]. Основой технологии является светопропускающий материал - поликарбонат (полигаль), имеющий ячеистую структуру, позволяющую значительно снизить тепло потери [17]. Поликарбонатные панели пригодны к применению в диапазоне температур от -40 до +100 градусов. Данный диапазон температур поликарбонатные панели способны выдерживать в течение длительного времени. При кратковременном воздействии поликарбонат может выдержать и более низкие температуры. Поликарбонат отличает высокая ударопрочность и поэтому теплице не страшны ни град, ни брошенный камень. Важно отметить, что теплопроводность сотового поликарбоната напрямую зависит от его толщины. Если сравнивать его со стеклом, то в пределах 3-6 миллиметров они примерно равны – отставание по показателям у поликарбоната минимальны. Учитывая разницу в весе и прочности – это очень хороший показатель. При увеличении толщины стекло понемногу начинает лидировать, это, безо всяких сомнений, его минус – лист толщиной в один-два сантиметра устанавливать на террасу, навес или гараж бессмысленно – требуется очень мощная рама и идеальные погодные условия круглый год. Теплопроводность поликарбоната – один из параметров, заставляющих считать его одним из лучших материалов для загородного строительства и для промышленного использования [18]. Казахстанские производители изделий из поликарбоната полностью зависят от импортных поставок, поскольку в Казахстане этот полимер не 20 выпускают. Основными поставщиками поликарбоната на отечественный рынок являются: «Bayer» (39,2%), «Thai Polycarbonate» (23,5%), «Dow» (11,2%), «Mitsubishi» (5%), «GE Plastics» (3,7%). Основными потребляющими сегментами поликарбоната в Казахстане являются: машиностроение, включая автомобилестроение (34,2%), строительство (22,4%), электротехника и электроника (19,2%) и оптические диски (11,5%) [19]. При выборе места и типа теплицы необходимо учитывать, что положение солнца меняется в зависимости от времени года. Зимой угол между точками восхода и захода солнца составляет 60°, летом - 120°. Зимой непосредственно под прямым углом получает солнечный свет только обращенная на юг стена теплицы, летом так обращены к солнцу утром и вечером и торцевые стены. Сотовый (или как его часто называют "ячеистый") поликарбонат радикально отличается от всех прочих прозрачных материалов. Полые панели толщиной 4,6 и 8 мм состоят из двух слоев поликарбоната, соединенных продольными ребрами жесткости, получаемые из гранул поликарбоната методом экструзии, образующими воздушные прослойки (структура панелей сходна с гофрокартоном). Материалы большей толщины (10, 16, 20, 25, 32, 35, 40 мм), как правило, имеют более сложную структуру, включающую 3 и более слоев и усиленную скрещенными ребрами жесткости. Панели обладают исключительно высокой ударопрочностью. Наличие воздушных прослоек делает сотовый поликарбонат очень легким материалом и придает ему высокие показатели тепло- и звукоизоляции. Панели благоприятно рассеивают свет, задерживая при этом вредный спектр ультрафиолетовых лучей и пропуская, тем не менее, 55-86% видимого света и весь спектр полезных для человека и растений лучей солнца (рисунок 1.8). Рисунок 1.8 – Сотовый поликарбонат 21 Наконец, для каждого вида конструкции вы можете подобрать оптимальный функционально обоснованный вариант по толщине, цвету и светопропускающей способности. Максимальную освещенность дают прозрачные панели. Тонированные панели "бронза" несколько приглушают проникающий свет, оставаясь, тем не менее, прозрачными. Белые панели могут быть полупрозрачными или практически непрозрачными. Сотовый поликарбонат изначально проектировался для использования в теплицах и других помещениях, где необходимо максимально сохранять необходимую температуру воздуха и пропускать солнечный свет. Сочетание высокой прозрачности с достаточно высоким светорассеиванием (исключающим ожоги растений прямыми солнечными лучами), очень низкой тепло-проводностью (позволяющей снизить расходы на отопление примерно на 30%), прочностью и долговечностью делает поликарбонатные панели незаменимым материалом [20]. Легкость этого материала позволяет применять в теплицах простейшие терморегуляторы для открывания форточек. Целесообразно использовать панели толщиной от 6 до 10 мм (для неотапливаемых теплиц) и толщиной 16 мм, если теплица отапливается [21]. Полигаль, листовой сотовый поликарбонат, обладающий рядом привлекательных характеристик – высокой прозрачностью для видимого излучения (по данным производителей 80 - 85%), малым удельным весом (1200 кг/м3), стойкостью к атмосферным воздействиям, высокой ударной вязкостью (250-500 кДж/м2), высокой прочностью (при статическом изгибе 77-120 МН/иг, что в 200 раз выше, чем для стекла), морозостойкостью (до – 40°С), теплостойкостью (до+120°С), устойчивостью к действию кислот, растворов солей, окислителей [22]. Листы сотовые поликарбонатные ROYALPLAST, PLASTILUX, POLYNEX, SUNNEX соответствуют требованиям технического регламента о требованиях пожарной безопасности [23]. Данный материал относится к группе умеренно воспламеняемых материалов - В2 по ГОСТ 30402-96; по дымообразующей способности: к группе строительных материалов с малой дымообразующей способностью - Д1 по ГОСТ 12.1.044-89; по токсичности продуктов горения: к группе малоопасных строительных материалов - Т1 по ГОСТ 12.1.044-89. Листы сотового поликарбоната выдерживают значительные снеговые и ветровые нагрузки и сохраняют все механические и оптические свойства в диапазоне температур от - 60° до +80°С. Материал горит только в открытом пламени, не образует горящих капель и является самозатухающим. Кроме того, горение поликарбоната не сопровождается выделением ядовитых веществ. При переработке поликарбонатов применяют большинство методов переработки и формовки термопластичных полимеров: литьѐ под давлением (производство изделий), выдувное литьѐ (разного рода сосуды), экструзию (производство профилей и плѐнок), формовку волокон из расплава. При производстве поликарбонатных плѐнок также применяется формовка из 22 растворов - этот метод позволяет получать тонкие плѐнки из поликарбонатов высокой молекулярной массы, формовка тонких плѐнок из которых затруднена вследствие их высокой вязкости Теплица из сотового поликарбоната обладает значительными преимуществами перед парниками из стекла. Светопропускание двухслойной панели - 80%. Причем преобладающая часть световых лучей проходит в рассеянном виде. Полная освещенность растений очень важна, поскольку ее отсутствие приводит к заболеваниям растений и к их увяданию. У панелей ячеистой конструкции рассеивание света значительно выше. Солнечные лучи "оседают" на верхнем и нижнем листах и на ребрах и "выходят" из панели в разных направлениях. Лучи, проходящие через панель под разными углами, попадают на стены и другие поверхности, отражаются от них и доходят до всех частей растений. "Жесткие" ультрафиолетовые лучи (диапазон менее 390 нм), которые являются наиболее разрушительными для растений, практически не проходят через панель. Поликарбонатные соединительные профили надежно закрепят листы на металлической или деревянной основе каркаса и придадут теплице законченный и очень красивый вид. Легкость этого материала позволяет применять в теплицах простейшие терморегуляторы для открывания форточек. Целесообразно использовать панели толщиной от 6 до 10 мм (для неотапливаемых теплиц). Листы сотового поликарбоната выдерживают значительные снеговые и ветровые нагрузки и сохраняют все механические и оптические свойства в диапазоне температур от - 60° до +80°С. Материал горит только в открытом пламени, не образует горящих капель и является самозатухающим. Кроме того, горение поликарбоната не сопровождается выделением ядовитых веществ. Высокие теплоизоляционные свойства, низкая теплопроводность коэффициент теплоотдачи - 2,5 Вт/м2К, сопротивление пропусканию тепла выше, чем у обычного однослойного стекла, что позволяет снизить расходы энергии на обогрев и охлаждение примерно на 30 - 50%; благодаря низкой теплопроводности листы используются при остеклении зданий, теплиц, оранжерей [24]. Удлинение при разрыве – более 100% (по ГОСТ 11262-80), удельная ударная вязкость – 163 кДж/м2 (по ГОСТ 4647-80). Твердость по Бриннелю – 12,3 кгс/мм2 (по ГОСТ 4670-77). Морозостойкость – соответствует ГОСТ 7025-88 (не менее 50 циклов), водопоглощение - 0,27% от массы (по ГОСТ 4650-80). Пожарные характеристики: воспламеняемость В2 (по ГОСТ 30402-96), токсичность Т2 (по ГОСТ 12.1.044-89, п. 4.20), горючесть Г4 (по ГОСТ 30244-94). Гарантийный срок – 10 лет, расчетный срок эксплуатации – 16-18 лет. Соответствие – панели Polygal соответствуют требованиям ТУ 2246008-02495282-97, в области безопасности соответствуют требованиям ГОСТ 25288-82, 12021-84, 15088-83, 21207-81 . Характеристика поликарбоната представлена в таблице 1.1 23 Таблица 1.1 - Технические характеристики сотового поликарбоната Характеристики Масса1м , в граммах. Расстояние 800 1300 между ячейками, в миллиметрах. 5,7 5,7 Светопропускание для прозрачного, %. Светопропускание 80 86 для матового, %. 32/42 32/42 Коэффициент теплопередачи, 3,9 3,6 2 0 Вт/м * С Водопоглощение за 24 часа, % 0,35 0,35 2 Температурный рабочий диапазон, 0 С. Теплостойкость, 0С 1500 11 1700 11 2700 20 81 32/42 3,2 84 32/42 2,8 73 32/42 2,3 0,35 0,35 0,35 от - 60 от - 60 от - 60 от - 60 до до до до +120 +120 +120 +120 150 150 150 150 от - 60 до +120 150 Теплоизоляционные свойства поликарбоната представлены в таблице 1.2 Таблица 1.2 - Теплоизоляционные свойства поликарбоната Толщина, мм / количество стенок 4Н/2 6Н/2 8Н/2 10Н/2 16Н/3, 16Х/3 16Н/6 20Н/6 Удельный вес, кг/м2 0,8 1,3 1,5 1,7 2,7 2,7 3,7 Теплопроводность, Вт/м2/ 3,9 3,7 3,4 3,2 2,4 2,1 1,8 5,8 5,8 5,7 5,5 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 Таблица 1.3 - Сравнительный коэффициент теплопередачи структурных поликарбонатных листов в сравнении со стеклом Толщина листового материала, мм 4 6 8 10 16 Коэффициент теплопередачи, Вт/м2 поликорбанат Одинарное Двойное стекло стекло 4,1 3,7 5,8 3,0 3,6 5,7 3,0 3,4 5,7 3,0 2,2 5,5 3,0 24 Таблица 1.4 - Сравнительная масса различных материалов для остекления со структурными поликарбонатными листами Толщина листового материала, мм 4 6 8 10 16 поликарбонат 0,8 1,3 1,5 1,7 2,7 Вес, кг/м2 Одинарное Двойное стекло стекло 15 30 20 40 25 50 - Акриловый материал 3,5 - Таблица 1.5 - Сравнительная звукоизоляция одинарного остекления листа из сотового поликарбоната и обыкновенным силикатным стеклом Толщина, мм 4 6 8 10 16 Звукоизоляция, дБ поликарбонат одинарное стекло 16 30 18 31 18 32 19 33 21 34 U.V.: ультрафиолет 136-400 нанометров V.: видимый свет 400-780 нанометров I.R.p.: инфракрасные 780-1400 нанометров I.R.m.: инфракрасные >1400-3000 нанометров I.R.I.: инфракрасные 3000-1000000 нанометров. Рисунок 1.9 - Характеристики светопропускания 25 Кривая показывает общие параметры светопропускания для листа толщиной 6 мм. Таблица 1.6 - Светопропускание прозрачных панелей сотового поликарбоната 4 мм 86% 6 мм 80% 8 мм 80% 10 мм 79% 16 мм 70% 25 мм 55% 32 мм 50% Различная степень светопропускания тонированных и белых панелей составляет в пределах 20 – 42%. Светопропускание прозрачных двухслойных панелей достигает 86%. Светопропускание панели практически не снижается при долговременной эксплуатации на улице. Жесткое ультрафиолетовое излучение (диапазон менее 390 нанометров), оказывающее вредное влияние на человека, растения и оборудование, практически не проходит сквозь панель. Пропускание полезных лучей - оптимально. Пропускание сотовым поликарбонатом лучей, расположенных в крайней части инфракрасной зоны спектра (более 5000 нм) минимально, вследствие чего тепло, излучаемое объектами внутри ограждаемого помещения, остается внутри, создавая "тепличный эффект", что является дополнительным преимуществом при использовании этого материала в качестве остекления теплиц, оранжерей, зимних садов и т.д. Солнечные лучи, падающие на лист сотового поликарбоната, практически не имеют своего направления по отношению к его плоскости. Отклонение лучей и изменение их направления ничтожно малы. В результате солнечные лучи попадают только на верхнюю часть растений, тогда как их нижняя часть остается в тени. Полная освещенность растений очень важна, еѐ отсутствие приводит к заболеваниям растений и к их увяданию. У панелей ячеистой конструкции сотового поликарбоната рассеивание света значительно выше. Солнечные лучи оседают на верхних и нижних листах и на ребрах сотового поликарбоната и выходят из панелей в разных направлениях. Лучи, проходящие через панель сотового поликарбоната под разными углами, попадают на стены и другие поверхности, отражаются от них и доходят до всех элементов растений. Максимальное светопропускание сотового поликарбоната происходит в диапазоне обычного света, именно той части спектра лучей, которые максимально поглощается растениями и способствует их росту. Для устранения вредного эффекта падающих капель образующегося конденсата на растения возможно нанесение материал специального покрытия "антифог"[25]. Воздушная прослойка в панелях сотового поликарбоната - великолепный теплоизолятор. Даже самые тонкие панели сотового поликарбоната (4 мм) почти в 2 раза превосходят по степени теплоизоляции простое остекление. Панели толщиной 4 мм сопоставимы с однокамерным стеклопакетом 12 мм 26 (термосопротивление R= 0,26, температура запотевания предположительно минус 5 - 7С, температура внутри + 6С, коэффициент потерь К =3,9 вт/м2). Для панелей толщиной 6 мм - соответственно 18 мм (R=0,28, температура запотевания предположительно минус 7 - 10С, температура внутри + 8С, коэффициент потерь К=3,6 вт/вт/м2). С утолщением панелей теплоизоляционные свойства существенно улучшаются. При этом конструкции из сотового поликарбоната не бьются, весят на порядок меньше конструкций из стекла, что дает возможность существенно упростить каркас и т.д. Высокие теплоизоляционные свойства, низкая теплопроводность (коэффициент теплоотдачи - 2,5 Вт/м2К, сопротивление пропусканию тепла выше, чем у обычного однослойного стекла, что позволяет снизить расходы энергии на обогрев и охлаждение примерно на 30 - 50%; благодаря низкой теплопроводности листы используются при остеклении зданий, теплиц, оранжерей). Выигрывают они по удобству транспортирования и монтажа, а, если есть необходимость, то и демонтажа (специализированные поликарбонатные и алюминиевые профили позволяют изготавливать также сборно-разборные конструкции) [26]. 1.3 Мировой опыт сушки сельскохозяйственной продукции Длительное сохранение плодов, особенно косточковых и ягод свежими трудно и дорого, поэтому растет производство консервированных и сушеных плодов. Сушеные плоды потребляются в домашнем и общественном питании для изготовления компотов и фруктовых супов и как ценные добавки в пищеконцентратной, кондитерской и хлебобулочной промышленности. Калорийность сухофруктов (1010-1360 кдж/100г) значительно выше, чем мяса, хлеба и картофеля; многие из них имеют лекарственное значение [27]. Сушка сельскохозяйственной продукции является одним из энергоемких процессов в сельском хозяйстве. Основными энергоносителями для сушки служат жидкое топливо, газ и электроэнергия. В Германии, например, ежегодно для сушки 68млн. т. зерна и 350-370 тыс. т. кукурузы требуется 180-200 тыс. т. жидкого топлива, а это составляет 0,3-0,4 % от общей потребности страны в жидком топливе. По сравнению с 1973 г. доля затрат, приходящихся на жидкое топливо в сушильном процессе, возросла к настоящему времени в 3 раза и составила 3040% общих затрат, расходуемых на сушку зерна [28]. Использование интенсивных методов ведения сельского хозяйства приводит к необходимости сбора зерна с высоким содержанием влаги, что вызывает необходимость его искусственной сушки. Так, 70% зерна в штатах Айова и Иллинойс требуют сушки. Затраты топлива на сушку в настоящее время намного превышают затраты на его выращивание. В последнее время все шире проводят исследования по применению солнечных установок для сушки зерна, трав, фруктов, овощей и другой сельскохозяйственной продукции. Технология сушки заключается в использовании нагретого солнечного воздуха в специальных коллекторах и 27 пропускания его через высушиваемый материал. Для увеличения к.п.д. солнечных установок иногда применяют тепловой насос. Уже существует большое количество действующих установок для сушки продукции с помощью солнечной энергии в США, СНГ, Германии, Швейцарии, Италии, Франции и др. странах [29]. В США разрабатывается целая программа по изучению технической и экономической эффективности использования солнечной энергии для сушки зерна и других сельскохозяйственных продуктов с целью экономии природного топлива и электроэнергии. В эту программу входят разработка и испытание дешевых пластиковых солнечных коллекторов для сушки зерна и бобов; исследование циклической сушки зерна при помощи солнечной энергии; разработка автоматических систем управления сушкой; изучение возможности применения фотоэлектрических батарей как источника энергии для вентиляторов, применяемых при сушке зерна. Для сушки зерна применяют два типа коллекторов: с полупрозрачным экраном и поглощающим теплоизолированным основанием. В обоих случаях теплоноситель (воздух или вода) прогоняется вентилятором или насосом между экраном и основанием. Коллекторы устанавливают либо непосредственно на бункерах с зерном, либо на южной стороне крыши здания. Так, коллектор с полупрозрачным экраном, разработанный в штате Иллинойс, занимает 1/3 площади вертикального цилиндрического бункера. За 1,5 мес. влажность зерна снизилась с 25 до 15,5%. Мощность вентилятора 10л.с. Другая система представляет собой солнечный коллектор, выполненный в виде дополнительной стенки, установленной с зазором вокруг бункера. Циркуляция воздуха осуществляется под действием теплового напора. Зачернение стальной стенки повысило эффективность системы до 80%, установка окупается за 3-6 лет. В Германии получили развитие пленочные коллекторы, применяемые для сушки зерна, состоящие из светопроницаемой и черной поглощающей солнечные лучи пленок, между которыми пропускается воздух. Стоимость такого коллектора 5-8 евро/м2. Недостаток пленочных коллекторов наряду с низким к.п.д. – возможность их повреждения животными, а также ветром, снегом. Наиболее простой конструкцией гелиосушилки является низкотемпературная гелиоустановка типа «горячий ящик». Она состоит из деревянной или бетонной рамы с хорошо изолированным дном, которая сверху покрывается одним или несколькими слоями герметически установленного оконного стекла или пленки. В торцевых стенках ящика сделаны отверстия с задвижкой для подачи и регулирования скорости воздуха. Гелиосушилки устанавливают под углом к горизонту и поверхностью, направленной на юг. Воздух, поступая в установку, нагревается и через верхние отверстия выходит наружу. Сравнительные испытания гелиоустановок с покрытием из стекла и пленки показали, что процесс сушки в обеих сушилках проходит одинаково. 28 В штате Иллинойс для сушки зерна в хранилище размером 30,4х12,1 м и вместимостью 211,3 т применили солнечный коллектор площадью около 360 м2, выполненный из нескольких слоев различных материалов. Нагретый воздух из коллектора тремя вентиляторами, мощностью 20 л. с. каждый, по змеевидным воздуховодам диаметром 45,7 см, равномерно уложенным по всей площади пола здания, подается в массу зерна. Стоимость сушки зерна снизились в 1,6 раза. Там же действует установка для сушки зерна в бункерах объемом 264 м3. Коллектор солнечной энергии расположен с южной стороны на крыше. Вентиляторы прогоняют горячий воздух через бункеры. Установка позволила высушить зерно без дополнительной энергии от влажности 26% до влажности 15% за 3 недели. В университете штата Айова проводили исследование по использованию солнечной установки с тепловым насосом для сушки зерна. Размер коллектора 1,2 х 9,6 м. Потребление электроэнергии на сушку снизились на 37%, но этого недостаточно, чтобы окупить затраты на коллектор и тепловой насос. Тогда применили новую технологию сушки. Сначала зерно высушивали до 10%-ной влажности, затем его смешивали с зерном влажностью 24%, в результате получалась смесь влажностью 20%, которую сушили при более низкой температуре. Такой метод позволяет более эффективно использовать коллектор (от 30-60 дней до 6 мес.). Однако опыты показали, что сушка зерна солнечной энергией таким способом не является экономичнее традиционных способов сушки. В отдельных штатах США в октябре и ноябре успешно используется солнечная энергия для сушки кукурузы активным вентилированием. Это объясняется низкой влажностью зерна кукурузы (22-25%) и высоким солнечным излучением в осенние месяцы. Применяют солнечные установки для сушки установки зеленых кормов и сена. В Германии ежегодно высушивают на них около 14 тыс. т. Одна из установок состоит из 20 солнечных коллекторов общей площадью 1500 м 2, имеющих наклон 300 к горизонтали и сориентированных в южном направлении. Перед каждым рядом коллекторов установлены параболистические рефлекторы, усиливающие солнечное излучение. От всех коллекторов теплый воздух поступает в середину установки в изолированный главный воздуховод. Воздух, нагретый до 6500С, направляется в сушильную установку. Производительность коллекторов от 35 тыс. до 70 тыс. м3 воздуха в час. Зеленый корм насыпают на ленту транспортера длиной 18 м и шириной 3,5 м. Подогретый воздух, подаваемый снизу ленты, высушивает корм и испаряет 17% влаги, затем подсушенный корм направляется в сушильный барабан, где происходит заключительная стадия сушки. Применение солнечных коллекторов позволяет экономить около 180 тыс. литров жидкого топлива. В хорошую солнечную погоду максимальная теплопроизводительность установки около 1000 кВт при к.п.д. 70%. При сильной облачности температура в коллекторе повышается всего на 500С, поэтому такие установки целесообразно 29 использовать для сушки сельскохозяйственной продукции в районах с интенсивным солнечным излучением. В одном из хозяйств Германии для сушки сена применяют гелиосушилки с пленочными коллекторами, встроенными в здания. Воздух, нагретый до 3500С, поступает в сушилку, представляющую собой ящик, наверху которого имеются отверстия диаметром 80 см. Кипы сена ставят вертикально на отверстия. После сушки 4 кип массой по 500-600 кг в течение 2-3 дней влажность сена уменьшилась с 25-30 до 22%. Если для сушки сена использовать воздух температурой 40-5000С, то процесс сушки длится 10-20ч. При сушке сена способом активного вентилирования воздух достаточно подогреть на 5-1000С, но по сравнению с высокотемпературным режимом процесс сушки удлиняется. Во Франции построена опытная гелиоустановка подогрева воздуха для сушки сена и семян. Система содержит коллектор, выполненный в виде надувной оболочки длиной 290 м, шириной 1,9 м из окрашенной полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм. Воздух нагнетается в коллектор вентилятором производительностью 38 тыс. м3/ч. В солнечные дни установка дает в среднем 133,6 кВт и подогревает воздух на 100 0С. При отсутствии солнца коллектор поглощает рассеянную солнечную энергию и повышает температуру воздуха на 2-300С. Производительность установки составила 15 т влажного фуража за 4 дня со снижением влажности от 50 до 15%. Подсчитано, что система окупится менее чем за два года при производительности 60 т сухого продукта в год и с учетом только расходов на топливо для обычной системы [30]. Находят применение солнечные установки для сушки фруктов, овощей, орехов. Сушка плодов и овощей в этих установках исключает влияние атмосферных осадков и различного рода загрязнений. Обычно продукты размещают в сушильном устройстве на стеллажах в полностью закрытой камере с двойным остеклением сверху и снизу. Иногда установки еще дополнительно имеют рефлекторы для отражения солнечных лучей, что увеличивает эффективность использования солнечной энергии в 2-3 раза. При недостаточной солнечной радиации устройство работает с использованием теплового дублера. В лаборатории цитрусовых и субтропических растений (штат Флорида) разработана и построена сушилка в форме шкафа, максимально использующая как прямые солнечные лучи, проходящие сквозь прозрачную крышу, так и отраженные и собранные коллектором. В нашей стране с помощью солнечной энергии сушат фрукты, овощи, табак в южных районах, где сезон их сушки совпадает с периодом наибольшего поступления солнечной энергии. Сушку осуществляют в камерных и радиационных сушилках. В Ташкентской области в аграрно-промышленном объединении для сушки плодов и винограда действует промышленная установка по принципу 30 «камерной сушилки». Нагретый воздух поступает в камеру, где размещается продукт. Продолжительность сушки, по сравнению с естественной, сокращается в 2-3 раза. На Центральной экспериментальной базе института садоводства, виноградарства и виноделия им. Р. Р. Шредера САО ВАСХНИЛ построены и эксплуатируются радиационные фруктосушилки двух типов: с принудительной циркуляцией воздуха и естественной. Сушилка с принудительной вентиляцией воздуха состоит из деревянного короба длиной 12 м и шириной 0,85 м, изолированной сверху прозрачным материалом (стеклом и пленкой). Сушилка имеет южную ориентацию. Высушиваемый продукт укладывают на 32 сетчатых подноса и располагают в два яруса. Мощность вентилятора 0,5 кВт. В результате экспериментов по сушке винограда установлено, что наименьшая продолжительность сушки достигается при комбинированном использовании двух типов солнечных сушилок. Производительность гелиосушилки в день на 1 м2 лучевоспринимающей поверхности составляет для яблок 3,3 кг, чернослива – 1,1, винограда – 1,5, абрикосов – 1,8 кг. В Молдавии для сушки продукции применяют различные типы камерных гелиосушилок, располагаемых с углом наклона 33-5700. Сменная производительность простейшей конвекционной сушилки с площадью коллектора 6-10 м2 равноценна плодоконвейерной установке ПКН-10, не требует затрат электроэнергии, квалифицированного технического персонала и специальных производственных площадей [31]. В южных районах страны гелиосушилки нашли применение для сушки табака. Так, в районе г. Ташкента в летнее время энергия солнечного излучения обеспечивает сушку табака без дополнительных источников энергии. Разработана установка длиной 25 м. Сушильный процесс табачных листьев состоит из двух фаз: томление и окончательная сушка. Требуемая температура воздуха при томлении 25-3500С, а относительная влажность воздуха 75-85%. За время томления табачные листья теряют 25-38 % воды. Результаты опытов показали, что томление осуществляется за 9 ч, а окончательная сушка – за 14 ч, включая ночное время [32]. В Карширском пединституте (Узбекистан) разработана конструкция солнечной табакосушилки круглогодичного действия. Установка имеет 3 застекленные поверхности, ориентированные на юг: первая – вертикальная, на ней установлены вентиляционные форточки, вторая и третья – основные приемники солнечной энергии. Эти поверхности наклонены под углом 3900 и 2000. На Кыргызской зональной станции и Угрутском опорном пункте ВНИИ табака и махорки созданы экспериментальные поточные линии для сушки табака комбинированным способом и гелиосушилка туннельного типа с пленочным покрытием. Воздух, проходя через теплоприемник типа «горячий ящик», а в ночное время через электрокалорифер, нагревается и подается в канал-воздуховод, расположенный на полу камеры. Сверху канал-воздуховод 31 закрыт деревянной решеткой. Из канала воздух подается в массу табака, затем с помощью воздуховодов, расположенных в верхней части камеры, выбрасывается наружу и поступает на рециркуляцию. Гелиосушилка туннельного типа представляет собой камеру объемом 36 3 м , поверхностью 15 м2, покрытую сверху и с боков полиэтиленовой пленкой. В камере установлены вентиляторы производительностью 2000 м3/ч, используемые для рециркуляции воздуха. Для регулирования влажности воздуха в сушильной камере отработанный воздух частично выбрасывается. Общая продолжительность сушки сокращается в 4-5 раз. Применение солнечной энергии для сушки табака позволяет повышать выход светлых сортов табака до 70-90% (на открытом воздухе 55%). Результаты технико-экономической оценки поточной линии показали, что ее сезонная производительность 60-67 т. Поточная линия позволяет сократить трудовые затраты на сушке 1 т. готовой продукции до 380 чел/ч и уменьшить на 30-33% энергозатраты за счет эффективного использования солнечной энергии. Расчетный годовой экономический эффект за счет снижения потерь сырья, повышения его качества и механизации трудоемких процессов составляет 28 тыс. тг . Технология сушки травы на гелиоустановках в СНГ еще не получила широкого распространения. Однако в отдельных опытах они выявили экономическую эффективность. Так, в Северо-Кавказском филиале ВИМа разработан способ и установка для сушки травы (или сечки) с использованием солнечного коллектора площадью 2,8 м2, обеспечивающего в безоблачные и малооблачные дни июля подогрев воздуха до 50-600. При средней скорости проходящего воздуха 1 м/с коллектор давал примерно 3 МДж тепловой энергии в час с каждого квадратного метра площади. Этой теплоты было достаточно для подсушивания 1,5 кг травяной сечки от 70%-ной до 15%-ной влажности. Расчетами установлено, что использование такой установки снизит себестоимость заготовки 1000 корм. ед. на 8-10 руб. На северном Кавказе с 15 мая по 15 сентября, т. е. в течение всего периода вегетации трав, ¾ дней солнечные, с высокой температурой воздуха. В таких условиях в среднем на каждую затраченную единицу жидкого топлива можно заготовить 5-10 ед. энергии корма, т. е. в 2-5 раз больше, чем в настоящее время. Анализ литературных источников показывает, что исследованиями систем солнечного теплоснабжения занимались зарубежные и отечественные ученые, среди них: У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи, Д. С. Стребков, П. П. Безруких, Б. В. Тарнижевский, В. И. Виссарионов, М. И. Валов, Б. И. Казанджан, Н. В. Харченко, Р. Р. Авезов, А. Б. Вардиашвили, В. А. Бутузов, А.Жамалов, Р.А.Омаров, А.Тлеуов, М. Баймиров и другие. Ими выполнено значительное количество работ, в которых исследуются гидравлические и теплотехнические свойства солнечных коллекторов различного типа и строятся модели работы систем солнечного теплоснабжения в основном с принудительной циркуляцией теплоносителя. Это связано с тем, 32 что установки с естественной циркуляцией имеют обычно небольшую производительность переменную во времени, определяемую изменением расхода теплоносителя, зависящего от интенсивности падающего излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками тепловой схемы. При искусственной циркуляции расход задается извне, это существенно упрощает методику проведения экспериментов и построение математической модели [33]. За рубежом солнечная энергия применяется давно и достаточно широко [34,35]. Всѐ большее распространение получили установки, способные обеспечить теплом и горячей водой целые здания – низкотемпературные гелиоустановки, основным элементом которых является солнечный коллектор (СК) [36,37]. Анализ известных методик испытаний солнечных коллекторов позволяет выбрать наиболее приемлемый, для определенных метеорологических параметров, тип устройства. Исследование технических и технологических возможностей устройств даст возможность эффективно применять современные полимерные материалы для создания солнечных установок теплоснабжения [38]. 1.4 Анализ существующих технологий и способы сушки плодоовощного сырья По данным Ассоциации теплиц Казахстана (в соответствии с рисунком 1.10) сегодня в стране насчитывается лишь 5 гектаров закрытого грунта, причем в эти объемы входят как промышленные тепличные комплексы, так и мини-теплицы. Для сравнения, площадь тепличных хозяйств в Испании составляет более 52 000 га, в Японии – 42 000, в Турции – 41 000, а в Китае – порядка 1,5 млн. га [39]. Рисунок 1.10 - Площадь закрытого грунта в мире, га 33 Организация тепличного хозяйства и выращивание различных видов сельскохозяйственных культур является довольно выгодным бизнесом, к тому же полезным для всех сторон. Потребность в свежих и качественных продуктах испытывают и торговые сети, и заведения общественного питания. Постоянно функционирующее тепличное хозяйство позволит получать немалый доход круглый год. Прибыльность высокая, окупаемость быстрая, рентабельность хорошая, и это еще не все преимущества, которые дает тепличное хозяйство. В основном, тепличный бизнес в данное время затевают в южных районах нашей страны. Дело в том, что игроки рынка считают, что выгоднее перевозить выращенный товар с юга на север, чем терпеть убытки от расходов на газ и электроэнергию в северных районах. Казахстан является одним из ведущих регионов в области сельского хозяйства. Это видно (в соответствии с рисунком 1.11), который обладает огромным аграрным потенциалом. В 2010 г. на долю зерновых культур приходилось 77,6% всех посевов сельхозкультур, технических – 9,8%, в т. ч. подсолнечника – 1,8%, картофеля – 0,84%, овощных и бахчевых культур – 0,86, и кормовых 11,7% [40]. Рисунок 1.11- Посевная площадь в РК в 2010 г, % В январе - марте 2011 года экспорт овощей из Синьцзян-Уйгурского автономного района (Северо-Западный Китай) достиг 6 тыс. 655 тонн стоимостью $11,9 млн. Обе цифры оказались на 48,7% и в 2,8 раза больше по сравнению с прошлогодним уровнем [41]. По сообщению Урумчийской таможни, Казахстан - крупнейший импортер овощей синьцзянского производства. В первом квартале через КПП «Хоргос» на китайско-казахстанской границе были экспортированы в Казахстан приблизительно 5 тыс. тонн овощей, среди которых огурцы, перец и чеснок. Также помидоры в г. Астана привозятся из Узбекистана. Сезонный фактор сильно влияет на ценовую динамику овощной продукции в течение года. Рост цен на овощи в осенний период объясняется закладкой на зимнее хранение основной части урожая и связанным с этим 34 уменьшением объема предложения продукции на рынке. Также на рост цен в зимний период влияние оказывают издержки на хранение. Учитывая деградацию большинства построенных в советские годы теплиц и слабую техническую оснащенность имеющихся теплиц, отмечается низкая обеспеченность населения ранними овощами в период межсезонья (21%). Потребность в ранних овощах по национальным нормам потребления составляет 87,4 тыс. тонн в год. С учетом имеющихся сооружений закрытого грунта (184,1 га) дополнительно необходимо введение 165,5 га площадей закрытого грунта. Проблема обеспеченности овощной продукцией в период межсезонья в последние годы решается путем расширения площадей закрытого грунта, в том числе за счет государственных инвестиций, и увеличения валового сбора ранних овощей. По данным Агентства по статистике, на сегодняшний день в республике теплицы функционируют на площади 184,1 га. В основном они специализируются на производстве томатов, огурцов и зелени. За период 2009-2010 годы введены в эксплуатацию 27,7 га площадей закрытого грунта, из них за счет собственных средств сельхозтоваропроизводителей построено 15,7 га площадей закрытого грунта, средств АО «НУХ», «КазАгро» 9,6 га площадей закрытого грунта, средств местных исполнительных органов 1,3 га площадей закрытого грунта, средств других финансовых институтов, 1,07 га площадей закрытого грунта. При покупке и потреблении тепличной продукции у потребителей накапливается некий опыт, то есть потребитель знает (в соответствии с рисунком 1.12), где, какие по вкусу и по какой цене приобрести томаты и огурцы. Обычно потребитель покупает подходящий ему товар в одном и том же месте, у одного и того же продавца. Рисунок 1.12 - Предпочтения потребителей г.Алматы тепличной продукции, в % 35 В настоящее время на рассмотрении в сенате находится проект закона о продовольственной безопасности, где предусмотрена норма по субсидированию овощей закрытого грунта. После принятия закона данная норма «будет хорошим стимулом для развития тепличного хозяйства». Тепличная отрасль Казахстана, возможно, только начинает своѐ развитие и имеет перспективу в будущем, так как земли для построения данной отрасли предостаточно. АО «Национальный управляющий холдинг» «КазАгро» приступил к кредитованию мини тепличных хозяйств. По оценке специалистов холдинга, реализация этой программы позволит ввести в стране до 10 гектаров закрытого грунта. Предполагаемая урожайность теплицы в 12 килограмм на квадратный метр позволяет делать прогноз о дополнительном производстве за счет реализации данной программы плодоовощной продукции в период межсезонья в объемах 1-1,5 тысяч тонн в год, а также создать дополнительно до 400 рабочих мест на селе. Таблица 1.7- Прогноз обеспечения потребностей внутреннего рынка Рост объемов производства, тыс. тонн в маслосеменах в сахарной свекле в картофеле в ранних овощах в плодах, ягодах и винограде 2012 год 100 15 100 73 87 2013 год 100 16 100 86 90 (в %) 2014 год 100 17 100 100 93 Как показывает (таблица 1.7), по прогнозам обеспечение потребностей внутреннего рынка в ранних овощах в период с 2012 по 2014 г.г составляет от 73 (в 2012 г) до 100 % (в 2014 г). По мнению специалистов Министерства сельского хозяйства РК, рост объемов производства овощей в 2014 году достигнет 2 237,0 тыс. тонн против 2 185,0 тыс. тонн в 2012 году. 1.5 Сущность и применение процесса Сушкой называется процесс удаления из материала любой жидкости, в результате чего в нем увеличивается относительное содержание сухой части. Сушка - это сложный технологический (физико-химический) процесс, который должен обеспечить не только сохранение качественных показателей материала, но в ряде случаев и улучшение этих показателей. Поэтому выбор методов и рациональных режимов процесса должен базироваться на научных основах технологии сушки: от изучения свойств продукта как объекта сушки - к выбору метода и обоснованию режимов процесса и на этой основе - к созданию рациональных конструкций сушильных установок [42]. 36 Сушильные технологии также претерпевают изменения. Все большее применение находят кратковременные технологические процессы сушки с применением щадящих режимов для максимального сохранения физиологически ценных для организма веществ - витаминов, растворяемых в воде углеводов, минеральных веществ и быстрого удаления влаги для увеличения сроков хранения. В наш насыщенный событиями век, век космических скоростей и калейдоскопа мгновений нужны будут также продукты быстрого приготовления и поэтому найдут свое место в рационе питания человека нового столетия сушеные продукты, восстанавливающиеся в течение считанных минут [43]. Процессы сушки характеризуются высокой стоимостью энергии. Потребление энергии при сушке в развитых странах составляет 15-18% от общего потребления энергии [44]. Одним из наиболее распространенных типов конвективная сушка, для них в основном используется воздух [45,46]. Чтобы увеличить интенсивность процесса сушки надо повысить потенциал сушки сушильного агента за счет увеличения его температуры, которая может быть реализована с использованием солнечной энергии или другого источника тепла [47,48,49,50]. Физические характеристики продукта, влажность, коэффициенты теплои массообмена между воздухом и изменения продукта в широком диапазоне в процессе сушки [51]. Сушка продуктов помогает их долгосрочное хранение, содействовать скорейшему восстановлению сельскохозяйственных культур, уменьшает пространство для хранения, сохраняет расходы на транспортировку. Процесс сушки может быть реализован за счет солнечной сушки на открытом воздухе, чтобы высушить промышленных сушилок используются источники энергии. Сушка продуктов технологический процесс. Правильно организованный процесс сушки может значительно улучшить технологические свойства. Например, правильно высушенные зерна увеличит доход по сравнению с высушенными на воздухе в естественных условиях. Использование солнечной энергии особенно подходит для сушки сельскохозяйственной продукции, а период наиболее интенсивного солнечного света совпадает с периодом наибольшей стоимости энергии сушки. Используя специализированные устройства для ускорения процесса сушки (солнечная сушка) является одним из перспективных направлений для использования солнечной энергии [52,53]. Открытая солнечная сушка фруктов и овощей для жарких и засушливых стран является классическим методом с древних времен. Наиболее часто сушит имбирь, грибы, фрукты, манго, яблоко, виноград и сливы [54,55,56]. Этот традиционный метод сушки, однако, имеет существенные недостатки по сравнению с сушкой солнечных сушилок [57,58]. В ней продукты уязвимы к воздействию бактерий и насекомых и скорость сушки ниже из-за 37 недостаточной высокой температуре и высокой относительной влажности [59,60,61]. Существует также опасность промокнуть от дождя и повторного смачивания продукта в результате контакта с холодным воздухом в ночное время [62]. Сушеные фрукты и овощи становятся все более рыночной актуальной и делает их важной частью пищевой промышленности [63]. Выбор сушильной установки для конкретного продукта зависит от требований к качеству характеристик продукции и экономических факторов. В атмосфере локальных значений влажности, температура и скорость сушки наблюдали определенные характеристики. Процесс делится на три этапа: начальный (обогрев), первый и второй период сушки. Во время начального этапа температура нагрева материала увеличена до температуры насыщенного водяного пара. Первый период испарение влаги аналогично испарения от свободной поверхности. Температура материала, осушающего агента и скорость сушки будет оставаться постоянным. Интенсивность процесса сильно зависит от температуры режимных параметров и скорости сушильного агента. Второй период – температура продукта повышается в конце процесса сушки, чтобы достичь температуры окружающей среды в которой процесс завершается. Скорость сушки постепенно сводится к нулю при достижении состояния равновесия системы осушителя - продукта. Интенсивность процесса сушки характеризует плотность потока влаги, т.е. количество влаги испаряется в единицу времени на единицу площади массообмена. 1.6 Влияние параметров режима на процесс сушки Основные параметры режима – это температура воздуха, скорость воздуха и влажность. Они влияют как на характер операции процесса, так и на свойства материала, подлежащего сушке. Повышение температуры воздуха увеличивает скорость сушки, который, по мнению некоторых авторов, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи между телом и влажного воздуха. Однако, повышение температуры, как правило, ограничение термочувствительности большинства фруктов и овощей, приводит к увеличению коэффициента теплопередачи между телом и влажного воздуха [64]. Высокие температуры могут привести к необратимым изменениям в компонентах коллоидной ткани [65], а также к повышению потерь тепла и снижает эффективность всей системы [66]. Относительная влажность сушильного агента является параметром, который определяет движущую силу в том или ином направлении. Введение рециркуляции может привести к значительному восстановлению своего тепла и следовательно, повысить эффективность установки [67]. Анализы, проведенные в этом направлении показали, что 38 скорость рециркуляции воздуха может достигать 80-95%, и снижение энергопотребления в сушке бананов может быть увеличено до 50% [68]. Скорость воздуха является третьим основным условным параметром процесса сушки, который имеет сильное влияние, особенно в первый период сушки. Высокая скорость сушильного агента приводит к высокой плотности транспортируемого влаги в соответствии с законодательством Далтон. В течение второго периода, скорость сушки определяется в основном внутренним теплом и массообменом и является более экономичным, чтобы уменьшить расход. Необоснованно высокие скорости приведет к росту цен на энергоносители для перемещения воздуха. С другой стороны, недостаточное количество осушителя замедляет процесс сушки [69]. Солнечные сушилки с естественным потоком конвекции отличается в основном увеличением температуры воздуха в коллекторе. Данные исследований показывают, что оптимальное количество воздуха для них составляет около 0,75 т/мин на квадратный метр площади Лейси. Кроме того, на кинетику сушки влияет толщина слоя, первоначальное содержание влаги, направление потока сушильного агента, излучение стенок камеры, плотность расположения, размер материала, химическая обработка и т.д. Предварительная обработка некоторых химических продуктов приводит к увеличению проницаемости кожи, а также их значительно интенсифицирует процесс [70]. Добавление небольших количеств сульфита очищенных от кожуры овощей и разреза дает возможность увеличить температуру сушки, тем самым сократить время, необходимое для сушки [71,72]. Сушка влияет на физические свойства продуктов, и изменяет их размер, форму, цвет и качество. Многие химические и ферментативные преобразования сопровождают процесс обезвоживания. Расходные свойства пищи определяется не сложных технологических свойств, но в каждом случае играют решающую роль. Целью сушки является сохранение и улучшение качества продукта. Оценка качества высушенной еды обычно ограничивается оценкой их вкуса и питательной ценности [73]. Для повышения эффективности процесса сушки в установке, используется отношение количества используемого тепла и потребляемой воды для реализации процесса. Предполагается, что только полезное тепло потребляется для испарения влаги. Для эффективности процесс действует в зависимости от: Ƞ = r / q , где: r - удельная теплота испарения воды, кДж/кг; q - количество тепла, расходуемое на испарение 1 кг воды, кДж/кг. 39 (1.1) Выводы по 1 разделу С учетом изложенного можно сделать следующие выводы: 1. В республике имеется достаточно большой опыт проектирования и эксплуатации гелиоустановок. При этом требуется доработка применительно к современным условиям Норм и рекомендации по проектированию гелиоустановок. 2. На казахстанском рынке солнечных коллекторов наилучшее соотношение потребительских свойств и стоимости имеют изделия импортного производства. 3. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных желателен выпуск арочной конструкции гелиосушилок-теплиц с прозрачным покрытием из полигали. 4. Поликарбонат конструктивен в сочетании высокой прочности панелей, способных выдерживать значительные снеговые и ветровые нагрузки и теплоизоляционных свойств. Срок службы поликарбоната напрямую зависит от области применения и внешних факторов. 5. Предлагаемая технология экологически безопасна во всех компонентах и потенциально не может нанести ущерб окружающей среде, так как базируется на использовании естественного солнечного света при сушке и обогреву помещения, и выращивании овощей. Оборудование производит экологически чистую продукцию. Негативное взаимодействие с почвой, водой, воздухом не происходит. 40 2. СОЛНЕЧНЫЕ СУШИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 2.1 Классификация и физические характеристики солнечных сушилок В соответствии с Посланием Президента РК народу Казахстана (от 29.01.2010г.) [74], Государственной программой форсированного индустриального развития РК [75] ставятся задачи повышения производительности труда в АПК до 2 раз к 2014 году на основе ресурсосберегающих экологически чистых технологий, а также развития эффективных энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии. В 2009 году принят закон РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» [76]. Возможности использования экологически чистой, повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекают все большее внимание [77]. Проблема эффективного теплоснабжения фермерских хозяйств с использованием солнечной энергии в современных условиях перспективна и актуальна, решение которой рационально осуществить при помощи гелиоустановки, снабженной новым гелиоколлектором, конструктивное исполнение которого и использованные при этом материалы позволили повысить КПД, упростить и снизить трудоемкость изготовления, снизить стоимость, повысить транспортабельность и надежность [78]. Воздушные солнечные коллекторы используются для нагрева воздуха, проходящего через них и их эффективность имеет большое значение для использования солнечной энергии [79]. Были проведены анализы тепловых характеристик воздушного солнечного коллектора с меди, алюминия и стали поглотителя. Эти результаты показывают, что для выбранных геометрических соотношений крыльев (длина ребра 10 в 60мм.) воздействие типа металла является незначительным и следовательно, предполагается изготовить из абсорбера, из стали или алюминия из-за их низкой стоимости [80]. Прозрачный охват использованием стекла и имеющиеся в продаже пластиковые листы как Tedlar (Poly Vinil Fluoride),Suntek (Fluorinated Ethylene Propylene / FEP Teflon), Novolux, Polyethylene Terepthalate (PET), Mylar (Polyester), polyethylene, PVC, polycarbonate, plexiglass [81]. Во всем мире существует множество структур для солнечной системы сушки для сушки различных продуктов питания. Солнечные сушильные установки чаще всего из дерева или металлических конструкций, а в некоторых случаях также используется цемент или раствор [82]. Изоляционные материалы, используемые для солнечной сушки, включают стекло или минеральную вату, фанеру и даже более дешевые материалы, такие как опилки, солома, волокно и рисовые хлопья [83]. 41 В рисунке 2.1 плодов. приведена схема технологического процесса сушки Рисунок 2.1 - Технологический процесс сушки плодов Большинство солнечных сушилок предназначены для конкретного продукта или группы продуктов. Выходом из сушилки является количество сушеного продукта, которые могут быть высушены до требуемой конечной влажности в единицу времени [84]. Толщина слоя продукта (плотность загрузки) и площадь лотка определяют мощность сушилки. Размещение продуктов в несколько слоев один над другим, приводит к ограничению массового переноса между продуктом и сушильным агентом по сравнению с сушкой в один слой. Это в свою очередь приводит к ухудшению равномерности сушки [85]. Более того нагрузка сушильной камеры снижает качество продукта, сухая и меньшая нагрузка приводит к низкой эффективности процесса сушки из-за недостаточного использования сушильного потенциала нагретого воздуха [86]. 2.2 Показатели, характеризующие производительность солнечных сушилок Время высыхания является важным параметром при рассмотрении и сравнении солнечных сушилок. Оно рассчитывается с момента загрузки печи, пока не достигнет желаемого конечного содержания влаги [87]. По сравнению с сушилками с использованием традиционных видов топлива, время высыхания на солнце в несколько раз больше [88]. Это из-за низкой интенсивности процесса сушки, которая является следствием низкой скорости сушильного агента. 42 Качество солнечного коллектора определяется качеством поверхности поглотителя (селективной или неселективной), так как качество стекла, имеющего прозрачную покрытию и изоляцию, влияет на общий коэффициент потерь тепла [89]. Тепло от солнечного коллектора зависит от интенсивности солнечного излучения и по разнице между температурой окружающей средой и рабочей температурой коллектора [90]. Мгновенная эффективность сушки определяет эффективность вывода влаги из продукта с помощью сушильного агента. Это фактическое количество влаги из продукта, в течение некоторого времени в максимально возможной сумме, полученной путем насыщения сушильного агента на выходе из сушильной камеры = = (2.1) Мгновенная эффективность уменьшается по мере влажности продукта. Эффективность сушильной системы - этот показатель дает информацию об эффективности системы отопления в целом, которая включает в себя эффективность солнечного коллектора и сушильной камеры [91]. Для конвективной сушки с естественной циркуляцией эффективности системы отопления показывает следующее соотношение: (2.3) Для систем с принудительной циркуляцией воздуха необходимо учитывать энергопотребление вентилятора. Зависимость имеет вид: (2.4) Для комбинированных систем с использованием дополнительного источника питания: (2.5) Основными факторами, определяющими эффективность системы отопления являются разница температур между сушильным агентом и окружающей средой, расход воздуха, скорость ветра, структура сушилки, которые прямо или косвенно влияют на потери тепла из системы [92]. 43 При рассмотрений качества сушенного продукта в литературе нет единых критериев, по которым можно сравнить значения этих параметров. Исследования несовместимы, и это делает сравнение различных систем сушки и часто вводит в заблуждение [93,94]. Сравнение [95] между значениями ß-каротина и витамина С во время сушки фруктов и овощей традиционным способом наружного солнца и солнечной сушки. Результаты показывают, что в сушильном шкафу солнечных потерь значительно меньше, чем в открытой воздушной сушке. Экономическая эффективность является критическим фактором для успешного сравнения солнечных сушилок. Анализы, обычно включают в себя себестоимость сушки растений, значение эксплуатационных расходов в сушке и срок окупаемости. Использование солнечных сушилок также может привести к снижению затрат на оборудование и это должно быть принято во внимание в экономической оценке. Кроме того, необходимо принять во внимание размер и период, в течение которого объект будет надежно работать (долговечность) круглый год, использование сушилки приведет к уменьшению срока возврата [96]. Экономические анализы должны также включать преимущества, связанные с повышением качества сушеных продуктов, более высокой производительностью, с более быстрой сушкой, с меньшей площадью, необходимой для развертывания продуктов по сравнению с солнечной сушкой на открытом воздухе. В литературе указывается срок окупаемости, который изменяется от 1,5 до 5 лет [97]. Цель при проектировании установки солнечной сушки находит оптимальное соотношение между стоимостью сушильной установки, энергоэффективности, качества и цены конечного продукта. 2.3 Конструкция солнечной сушильной системы Солнечная сушка является одним из древнейших способов хранения различной сельскохозяйственной продукции, она широко применяется во многих районах мира, имеющих теплый, сухой климат и жаркое лето. Актуальность использования этого способа сушки в наши дни возрастает в связи с подорожанием энергоносителей. Сушка с помощью солнечной сушильной системы является улучшением сушки в открытом и эффективном способе при использовании солнечной энергии [98]. В зависимости от принципа работы и организации процесса сушки в построенных сооружениях, в мире существует большое разнообразие. Большинство из них построены для конкретного типа сушки пищевых продуктов. В южных регионах Казахстана производится самая разнообразная продукция, требующая сушку. Сегодня для этой цели используется солнечная сушка продукции на открытом воздухе. Этот способ обладает рядом недостатков. Основные из них – длительность процесса сушки, загрязнение 44 высушиваемой продукции, большие площади под размещение высушиваемой продукции и достаточно высокие трудозатраты на этот процесс. Применение простых солнечных сушилок с аккумулированием солнечной энергии и круглосуточным процессом сушки, исключающим перечисленные недостатки известного процесса, является необходимым и выгодным, особенно для малых и средних фермерских и крестьянских хозяйств юго-востока Казахстана, которые ежегодно производят более 290 тысяч тонн плодов, ягод, винограда ежегодно. Причем валовый сбор указанных продуктов имеет тенденцию устойчивого роста. К сожалению, значительная часть урожая погибает, из-за невозможности оперативной переработки. Основными недостатками известных технологий являются медленная и неравномерная сушка резаных фруктов, ручная резка фруктов и овощей, вследствие чего получаемый продукт по качеству, цене не конкурентоспособен с аналогичными продуктами из Узбекистана. Кроме того, существующие сушильные установки работают только в летнее время и не используются в зимний и весенний периоды, что снижает их эффективность. При воздушно-солнечном процессе сушка идет почти в 3 раза интенсивнее: за счет наклона сушильной площадки и разности температур воздуха создаются условия для оптимальной циркуляции последнего внутри установки и положительного влияния естественной конвекции. Часть солнечной энергии аккумулируется в почве (под «дном» сушилки, в роли которого выступает расстеленная зачерненная рулонная бумага), позволяя продлить дневной цикл сушки на 5-6 часов. Производительность установки, несмотря на ее кажущуюся «слабосильность», составляет 0,3-0,5 кг сухофруктов в сутки с одного квадратного метра лучевоспринимающей поверхности. Конструкция гелиосушилки на первый взгляд мало чем отличается от традиционных «пленочных» парников. По сути, та же коробка со сводчатой крышей из прозрачной синтетики на жестком каркасе. Материал для изготовления бортов - любой. Например, доски подходящих размеров, соединенные друг с другом при помощи шипов, усиленных металлическими уголками, они образуют прочный, ориентированный лучевоспринимающей поверхностью на солнце остов для крепления на нѐм остальных элементов. К боковым бортам ввинчены стальные стержни-стойки, на которые насаживаются трубчатые дуги свода. Причем в качестве последних можно использовать распиленные и разогнутые по шаблону до R=750 мм гимнастические обручи: алюминиевые, диаметром 900 мм. Для повышения прочности концы трубчатых дуг, насаженные стальные стержни-стойки, зашлифовываются. Кроме того, получившийся каркас может быть дополнительно скреплен поверху продольным трубчатым элементом. Само прозрачное покрытие сварное, из синтетической (например, полиэтиленовой) рулонной пленки. К основному полотну прочно присоединяют две боковины, 45 оставляя с северной стороны сушилки незакрепленный участок основного полотна (около 100 мм) - для образования вентиляционной щели. Из существующих вариантов крепления синтетического покрытия к раме хорошо зарекомендовали себя на практике штапиковый зажим, накалывание завернутого между двух металлических прутков края пленки на забитые через каждые 200 мм гвозди без шляпок, а также разъемное соединение с помощью прищепок. Последние можно использовать и для закрепления на нужной высоте штанги, обеспечивающей заданный режим вентиляции при сушке. Гелиосушилка располагается на наклонной площадке, сориентированной на юг, чтобы максимально использовать лучистый поток солнечной энергии. Угол наклона зависит от географической широты данной местности и находится для средней полосы страны в пределах 20-30°С. Не исключена возможность использования установки в качестве парника весной для выращивания ранней рассады. Естественная сушка сельскохозяйственных продуктов используется повсеместно и с давних пор, при этом продукты расстилают на земле, подвешивают под навесом или размещают на поддонах. Применение солнечных установок типа «горячий ящик» повышает эффективность сушки и уменьшает потери продукта. Существенно сокращается время сушки и улучшается качество продукта, в том числе сохранность витаминов. Однако коэффициент использования гелиосушилок для сельского хозяйства, как правило, низкий. В некоторых случаях за год они могут использоваться всего несколько недель. И это, естественно, не способствует достижению высоких экономических показателей солнечных сушилок. Различают солнечные сушилки с прямым и косвенным действием солнечной энергии. В установках первого типа солнечная энергия поглощается непосредственно самим продуктом и окрашенными в черный цвет внутренними стенками камеры, в которой находится высушиваемый материал. Гелиосушилка этого типа показана на рисунке 2.2 1 - светопрозрачная изоляция; 2 - платформа для материала; 3 - стенка; 4 теплоизоляция; 5, 7 - отверстия; 6 - фундамент. Рисунок 2.2 - Солнечная сушилка с непосредственным облучением 46 Она имеет верхнюю светопрозрачную изоляцию, перфорированную платформу для размещения высушиваемого материала, боковые стенки (южная стенка — из светопрозрачного материала), теплоизоляцию с отверстиями для поступления воздуха и основание. Для удаления влажного воздуха из гелиосушилки в верхней части северной стенки предусмотрены отверстия. Сушильные установки второго типа содержат солнечный воздухонагреватель и камерную или туннельную сушилку. В камерной солнечной сушилке воздух движется через слой высушиваемого материала, размещенного на сетчатых поддонах, снизу вверх, в то время как в туннельной сушилке материал движется на конвейерной ленте в одну сторону, а воздух движется противотоком в обратном направлении. Для общего понимания вопроса приведем несколько общеизвестных норм используемых при расчете солнечной энергетической установки. Кроме объема воды и температуры нагрева необходимо знать уровень солнечной инсоляции местности. Солнечная инсоляция - это количество электромагнитной энергии (солнечного излучения), попадающей на поверхность земли. По существу это означает количество попадающего на нас солнечного света. В регионах с малым уровнем инсоляции требуется большее количество коллекторов, нежели в регионах с высоким уровнем инсоляции. Можно точно рассчитать параметры системы и объем выделяемой энергии, учтя уровень инсоляции региона. Для примера приведем средние годовые значения инсоляции: Центральная Австралия = 5,89квт/ч/м2/сутки - это очень высокий уровень. Хельсинки, Финляндия = 2,41квт/ч/м2/сутки - это очень низкий уровень. Необходимо указать широту и долготу местности. Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах составляет: Сочи 1.36 /мегаватта/ или 3,73 квт/ч/м2/сутки: Ростов на Дону 1.29 /мегаватта/ или 3,53 квт/ч/м2/сутки: Москва 1.02 /мегаватта/ или 2,80 квт/ч/м2/сутки. За счет солнечной тепловой энергии можно полностью обеспечить потребности в горячей воде в доме в летнее время. В осенне-весенний период от солнца можно получить до 30% требуемой энергии на отопление и до 60% от потребностей на горячее водоснабжение. Использование солнечной энергии в условиях все повышающихся тарифов на энергоносители, становиться все более выгодным вложением средств, и одним из самых перспективных методов для снижения затрат на содержание и эксплуатацию жилья и объектов социального и производственного назначения. 2.3.1 Камерные солнечные сушилки Были построены многокамерные солнечные сушилки для сушки различных сельскохозяйственных культур, чтобы успешно преодолеть проблемы солнечной сушки на открытом воздухе [99,100]. Эти сушилки имеют низкую себестоимость и им не нужен еще один источник энергии, но их 47 основным недостатком является очень низкий расход воздуха в сушильной камере [101]. Пример такой системы показан на рисунке 2.3 [102]. 1 - прозрачное покрытие; 2 - труба; 3 - воздухозаборник; 4 - металлическая подставка; 5 - боковые стекла; 6,7,8 - лотки; 9 - дверь; 10 - направление воздушного потока Рисунок 2.3 - Камерная солнечная сушилка Чтобы создать конвективный теплообмен, в камерные сушилки принудительно подают из гелиоустановок воздух, нагретый до 60-70°С. Такая сушка исключает воздействие на фрукты и овощи прямых солнечных лучей. Продолжительность ее в 2 раза меньше по сравнению с сушкой на открытых площадках. 2.3.2 Солнечные сушилки с тепловым аккумулятором В Казахстане опыт создания пассивных солнечных систем крайне ограничен. За рубежом очень активно ведутся работы по использованию пассивных солнечных систем, так по данным Евростата к 2010 г. предполагается в странах членах ЕС, довести потребление солнечной энергии за счет пассивных солнечных систем до 24 млн. тонн нефтяного эквивалента 2,2% от общего использования энергоресурсов[103]. В тепловых аккумуляторах применяются традиционные строительные материалы: галька, щебень. Их обычно называют аккумуляторами емкостного типа. Теплообмен и аэродинамические процессы в подобных конструкциях аккумулирования исследованы достаточно подробно [104,105]. Исследования по использованию насадочных (галечных) аккумуляторов теплоты для систем солнечного отопления, проведенные как у нас [106], так и за рубежом [107,108] показывают, что насадка из галечника при низкой стоимости обладает рядом технических преимуществ, аккумулирует как тепло, так и холод, имеет значительную тепловоспринимающую поверхность, сочетает в одном агрегате теплообменник и тепловой аккумулятор [109]. 48 Системы в сочетании с тепловым аккумулятором широко используются и являются предметом многочисленных исследований [110,111]. Наиболее часто используемые материалы для хранения тепла являются: вода, гравий, песок, гранит, бетон и др. [112,113], такую систему предлагает доцент Щтраков [114]. Тепловые камни поглощают часть тепла воздуха и таким образом в очень жаркие летние дни помогает улучшить качество сушки. В ночное время сохраняется тепло, отводится воздух в сушильной камере. Результаты измерений температуры показывают, что температура в сушильной камере выше температуры окружающей среды в течение всего дня, как солнце в течение дневных часов разница достигает 15 градусов. Сушилка показана на рисунке 2.4 1-исходящий воздух, 2-камин, 3-сушильная камера, 4- остекленное покрытие, 5- воздушный коллектор, 6-входящий воздух, 7-аккумулирующий материал Рисунок 2.4 - Экспериментальная солнечная сушилка с тепловым аккумуляторам В нижней части коллектора размещен аккумулятор тепловой энергии с галечным заполнителем. Стеклянное ограждение коллектора-аккумулятора наклонено к горизонту под углом 30°. Южная часть кровли выполнена из стекла, а северная стена сушилки - из кирпича. Сушильная камера вмещает шесть тележек длиной 4м, шириной и высотой 2,6 м, вместимостью 27 м3, оборудованных сетчатыми стенками и воздуховодами. Попадают они в камеру по рельсам через ворота в западной стене. Теплый приточный воздух проходит над аккумулятором, через солнечный коллектор, по воздуховодам в сушильную камеру. Дополнительную солнечную радиацию сушилка получает через стеклянный скат кровли. В холодное время при необходимости включают электрокалорифер, такая гелиосушилка ускоряет процесс сушки в 3,4 раза по сравнению с сушкой вентиляцией без подогрева. В несезонное для сушки время года гелиосушилку можно использовать как теплицу. В Средней Азии 49 построена солнечная сушилка-теплица размером в плане 10 х 15 м, высотой 4 м, способная вмещать одновременно 32...40 т. люцерны или сена. Помещение ее представляет собой объемный солнечный коллектор. Она оборудована галечным аккумулятором тепловой энергии, специальными тележками, воздуховодами, вентилятором и электрокалорифером. 2.3.3 Солнечные сушилки с водопоглощающим материалом Водопоглощающие материалы позволяют поддержку процесса сушки, даже после захода солнца, воздух проходит через слои гигроскопического материала и тем самым подтверждает потенциал сушки. С помощью отражающего зеркала, можно увеличить количество солнечной энергии, тем самым увеличивая их впитывающую способность. Экспериментальная печь представлена на рисунке 2.5 1 - вентилятор; 2 - воздушный солнечный коллектор; 3 - сушильная камера; 4 - изоляция; 5 - поглотитель; 6 - нижняя часть коллектора; 7 - прозрачное покрытие; 8 - слой с водопоглощающими материалами; 9 - с покрытием фанеры; 10 - выпускной воздух; 11 - канал для отработанного воздуха; 12 лотки; 13 - обратимый вентилятор; 14 - воздушный клапан; 15 - освещение фанеры. Рисунок 2.5 - Экспериментальная солнечная сушилка с водопоглощающими материалами Результаты его исследований (в сушке зеленых бобов) показали снижение необходимого времени сушки до 31 часа в сушильном только конвективный солнечной печи в течение 21 часов с использованием водопоглощающими материалами и 19 часов, используя отражающую зеркало. 50 2.3.4 Солнечные туннельные сушилки Другая распространенная конструкция солнечная туннельная сушилка. Применяется для сушки банана, ананаса, грейпфрута, красного и зеленого перца, рыб и других. Это наиболее частая комбинация, первый участок выступает в качестве солнечного коллектора, в котором нагретый воздух и первичный продукт расположены на втором участке. Как правило, воздух выносится одним или несколькими вентиляторами, питание от солнечных фотоэлектрических панелей. Они делают систему независимой от электросети и позволяют успешно контролировать температуру воздуха, так как скорость ротора является функцией интенсивности солнечного излучения. Преимуществом такой конструкции являются относительно низкая стоимость и высокая грузоподъемность (до 300 кг продукта в нагрузке). Модульная конструкция обеспечивает простоту сборки и транспортировки печи. Эти сушилки работают только со свежим воздухом, обернув продукт в продольном направлении. Схема туннельной печи показана на рисунке 2.6 1 - вход свежего воздуха; 2 - вентилятор; 3 - солнечные батареи; 4 - солнечный коллектор; 5 - сторона металлической рамки; 6 - выход воздуха из коллектора; 7 - деревянная подставка; 8 - пластмасса; 9 - рамки для крепления прозрачной покрытии; 10 - подставка; 11 - подвижка; 12 – выход воздуха. Рисунок 2.6 - Схема туннельной сушилки Исследования сушки банана солнечной туннельной сушилкой показали снижение времени сушки 3-5 дней по сравнению с 5-7 дней сушки на солнце . Температура на выходе из солнечного коллектора составляет от 40 до 65°С в течение солнечных часов в день. 51 2.3.5 Сушилка - здания с солнечным коллектором Существующие конструкции солнечных сушилок больших размеров и возможностей. Они выполнены в виде отдельных зданий, крыши которых сделаны из воздушных солнечных коллекторов. Примером такой структуры построена сушилка для лечебных трав и специй в Таиланде с общей площадью коллекторов 72 м2. Рисунок 2.7 иллюстрирует схему сушилки. 4,5м 4,5м 1 - к югу ориентированная крыша; 2 - к северу ориентированная крыша; 3 - горизонтальный проток; 4 - вертикальный канал; 5 - сушильная камера. Рисунок 2.7 - Схема сушилка - здания с солнечным коллектором 2.4 Технология предлагаемой гелиосушилки для плодов, фруктов и овощей Сушильная камера изготовлена из обычного стального листа толщиной 1,5-2,0 мм, дно сетчатая из металлических волокон, которое обеспечивает оптимальный обмен пропускной способностью воздуха. Отражатель 3, лист нержавейка толщиной 1,0-1,5мм, что обеспечивает высокое отражение солнечной лучи. Таким образом, учитывая вышесказанное, предлагаемое изобретение обладает в том виде, как оно охарактеризовано, может быть осуществлено и существует реальная потребность в гелиосушилке, так как она обладает рядом преимуществ по сравнению с известными, а именно: - простота в изготовлении; - доступность при эксплуатации; - эффективностью, так как удлиняется срок хранения; - сохраняются качественные характеристики фруктов и овощей; - экономичностью в использовании за счет прекращения энергозатрат; - сокращен процесс сушки. Предлагаемая гелиосушилка оригинальна, проста в изготовлении и может найти широкое применение в фермерских и частных хозяйствах. Новой является гелиосушилка для плодов фруктов и овощей [115]. 52 Предлагаемая гелиосушилка соответственно в рисунке 2.8, общая схема состоит из теплицы 1, и камеры сушилки 2. Рисунок 2.8 – Универсальная двухсторонняя гелиосушилка Гелиосушилка работает следующим образом, солнечные лучи проходят через полигаль 4 и падают на продукты, те лучи которые не попадают в камеру они падают на отражатель и он нагревается, что обеспечивает нагрев воздуха. Нагретый воздух, как известно, за счет давления поднимается вверх и происходит самоциркуляция [116]. По этому принципу выполняется основная задача сушки. (Рисунок -2.9). 1-полигаль, 2-сушильная камера, 3- сетчатая лотка , 4- отражатель, 5- фрукты для сушки. Рисунок 2.9 – Принципиальная схема универсальной гелиосушилки 53 Гелиосушилка содержащий панель отражателя, отличается тем, что панель имеет оптимальный угол наклона для обеспечения достаточного нагрева воздушного потока и конструкцией который подает нагретый воздух для сушки продукта с нижней части. Рисунок 2.10 – Модель сетчатого ящика и отражателя Гелиосушилка не требует электроэнергий и не нуждается в вентиляторе. Гелиосушилка отличается тем, что сушка производится естественным путем. Это означает, что готовый продукт не будет недосушенным и пересушенным. Рисунок 2.11 – Практическое применение Изобретение может использоваться в области сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности гелиосушилки. Предлагается новое решение конструкции гелиосушилки с отражателем для нагрева воздуха и обеспечивающая сушку с нижней части. Возможность регулировать сушку за счет поворота угла отражателя. 54 Эффективность сушки повышается за счет двухсторонней сушки и циркуляции естественного воздухообмена, температура теплоносителя не вызывает термический ожог продуктов сушки, расход воздуха регулируется с помощью открывающих форточек в теплице. Предложенная энергосберегающая технология для сушки фруктов и овощей, улучшает качество продуктов сушки и отвечает санитарногигиеническим требованиям для сушки плодов и требованиям экологически чистой продукции. Использование гелиосушилки значительно снижает себестоимость процесса сушки фруктов и овощей, соответственно снижается цена сухофруктов для городского населения. В результате реализации данной работы будет внедрена усовершенствованная гелиосушилка-теплица в создании универсального и многофункционального оборудования. Внедрение данного оборудования послужит примером для других фермерских хозяйств по приобретению и тиражированию такого же оборудования. В результате чего, фермеры получат возможность производить большее количество продукции, что должно увеличить их доходы. Вследствие чего, реализованная работа обогатит исследуемую область дополнительными знаниями, а конкретные исполнители будут иметь возможность написать научные статьи, диссертации и др. Товаропризводители будут благодарны решению актуальной проблемы повышения конкурентоспособности сельхозпродукции в условиях вступления Казахстана во Всемирную торговую организацию (ВТО). Также реализованная работа должен внести посильный вклад по внедрению проекта акимата г. Алматы о создании продовольственного пояса города Алматы. 55 Выводы по 2 разделу 1. Гелиосушилка-теплица может функционировать без привязки к внешним факторам и максимально автономна и надежна. Поэтому она устойчива и работоспособна к естественным рискам. 2. Отсутствует распределение данных во время ежедневного средней интенсивности солнечного излучения ежемесячно для разных регионов Казахстана (в том числе Алматы). 3. Существующие конструкции сушильных установках с солнечной энергии, не подходят для оценки, и изучить возможность использования солнечной радиации в качестве источника энергии. 4. Кинетика процесса сушки фруктов и овощей хорошо изучена для режимов, которые подходят для конвективных сушильных (камера, тоннель, ленточных, т.д..), но не хватает исследований по режимам, подходящим для конвективной сушки с приоритетным использованием возобновляемых источников солнечной энергии . 56 3 ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ПРИ СУШКЕ ПЛОДООВОЩНЫХ ПРОДУКТОВ 3.1 Интенсивность солнечного излучения В настоящее время к числу важных народнохозяйственных проблем, стоящих перед страной, относятся проблемы, связанные с решением задач, вытекающих из продовольственной программы страны, топливноэнергетической и экологической проблемы. Эффект от использования солнечной энергии особенно ощутим при осуществлении наиболее энергоемких теплотехнологических процессов в гелиоустановках [117]. Использование солнечной энергии является важным резервом в улучшении энергообеспеченности сельскохозяйственной перерабатывающей техники. Большая энергоемкость сушильных процессов, а также тенденция развития сушильной техники и технологии в последние годы требуют, наравне с усовершенствованием их конструкции, поиска альтернативных вариантов решения проблемы [118]. Существует тщательный обзор принципов солнечной энергии и функционирование, дизайн и экономика солнечных тепловых процессов [119]. Радиационные ресурсы среднеазиатских республик позволяют успешно использовать солнечную энергию, для этой цели в течение 6-7 месяцев в году [120]. Использование солнечной энергии, основанное на применении парникового эффекта наиболее целесообразно в южных районах, где в период переработки растительного сырья отмечаются высокие значения плотности потока солнечного излучения, а производство ценных продуктов измеряется сотнями тысяч тонн за сезон [121]. Чтобы сформулировать точные тепловые модели, вычисление точного солнечного ввода излучения и общего коэффициента теплопередачи, важно знать, как это влияет на парникового баланса энергии и массы [122]. Использование солнечной энергии отдельно или в сочетании с дополнительным источником энергии предназначено для сушки трав, грибов, табака, овощей, фруктов и многого другого [123]. Солнечные свет-спектральные изменения, которые влияют на качество и количество поступающей солнечной радиации, являются ценными и могут быть достигнуты с помощью определенных видов облицовочных материалов [124]. Развитие оптических свойств покрывающего материала фокусируется на высокой передаче света, уменьшение тепловых потерь энергии (более высоких широтах) и уменьшение тепловой нагрузки энергии излучением (более низких широтах) [125]. Важными вопросами являются развитие энергоэффективности теплицы и применения возобновляемых источников энергии, таких как солнечные энергетические системы [126]. В плоских солнечных коллекторах условия теплообмена между тепловоспринимающей поверхностью и рабочей жидкостью очень неблагоприятны, особенно, когда теплоприемник расположен горизонтально. 57 Действительно, скорость движения жидкости здесь очень мала, и нагрев ее происходит сверху, в результате чего конвективные перемешивающие жидкость токи не развиваются. При наклонном положении котла, при известных условиях, может возникнуть естественная конвекция, улучшающая теплообмен [127]. Суммарная солнечная радиация включает в себя два вида излучения, падающего на горизонтальную плоскость – прямое и рассеянное. Прямая солнечная радиация представляет собой поток излучения, поступающего непосредственно от солнечного диска (который можно рассматривать как точечный источник) и измеряемого в плоскости, перпендикулярной направлению на Солнце. Рассеянная радиация поступает на земную поверхность от остальной части небесной полусферы, претерпевая рассеяние при прохождении через атмосферу. Радиация может также отражаться от поверхности земли на любую наклонную поверхность. Однако этот поток весьма трудно поддается оценке [128]. В Казахстане имеется более 100 метеорологических станций, которые ведут круглогодичное наблюдение за погодными условиями по всей территории республики (рисунок 3.1). Рисунок 3.1 - Карта метеорологических станций Казахстана По данным метеостанций на юго-востоке Казахстана количество светлых дней составляет около 250 - 260 дней в году, что дает возможность в полной мере использовать энергию солнца. Измерения проводились по интенсивности солнечной радиации на горизонтальную плоскость на период 2009-2013 года и наклонную плоскость 58 под углом 30 градусов южного направления (плоскость, в которой он установлен солнечный коллектор) на 2012 и 2013 годы. Данные измерений в горизонтальной плоскости для месяцев с мая по сентябрь, представлены в таблицах 3.1 – 3.5. Этот период был выбран потому, что в этой части года делается сушки сельскохозяйственной продукции, и интенсивность солнечного излучения является самым высоким. Таблица 3.1 - Средняя для каждого часа среднемесячной интенсивности солнечной радиации на горизонтальной плоскости, В/м2, 2009 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Сумма, В.ч/м2 Сумма, кДж/м2 май 69,4 225,3 399,1 538,6 641,3 716,3 738,6 717 709,6 622,2 500 354,8 209,7 91,4 24 6557 23606 июнь 61,9 212,6 386,6 534,2 637,9 698,3 717,8 767,6 779,7 679,7 557 405,3 248,2 104,6 22,5 6814 24530 июль 7 96 270 456 594 699 728 734 686 587 481 353 186 57 3 5937 21373 август 0 37 171 324 455 556 614 605 558 497 378 223 76 7 0 4501 16204 сентябрь 0 5 65 152 260 323 352 386 364 302 188 82 12 0 0 2491 8969 Таблица 3.2 - Средняя для каждого часа среднемесячной интенсивности солнечной радиации на горизонтальной плоскости, В/м2, 2010 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 май 47,6 168,4 321,9 456,4 580,4 632,3 656,1 638,4 июнь 30,9 159,9 344,7 512,2 636,8 682,6 711,4 704,9 59 июль 7,65 96,7 271,9 464,9 604 680,3 695,4 676,2 август 0 34,4 153,5 311 462,6 551,8 598,6 604,1 сентябрь 0 72,3 238 433,4 590,5 677,3 682 658,6 1 13 14 15 16 17 18 19 Сумма,В.ч/м2 Сумма, кДж/м2 2 560,5 499,1 426,4 326,7 219,1 102,8 23,3 5659 20374 3 642,1 589,3 551,7 449,6 283,7 135,2 22,3 6457 23246 4 649,2 574,5 456,3 324,5 197,5 61,1 2,9 5763 20747 5 554,4 484,2 398,1 236,8 80,3 8,8 0 4479 16123 6 613,6 534,1 405,9 276,6 157,1 39,3 0 5383 19379 Таблица 3.3- Средняя для каждого часа среднемесячной интенсивности солнечной радиации на горизонтальной плоскости, В/м2, 2011 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Сумма,В.ч/м2 Сумма, кДж/м2 май 52,6 192,4 372,9 522,7 624,7 673,4 708,3 703,8 652,7 620,8 493,3 375,9 251,4 125,3 24,1 6394 23018 июнь 29,8 139,3 289,4 438,0 558,7 618,1 643,1 650,2 612,5 527,9 433,6 340,1 223,7 109,9 20,9 5635 20287 июль 7,5 90,3 244,4 440,5 568,7 641,4 644,0 639,0 593,7 540,1 458,6 340,5 190,4 57,1 2,5 5459 19651 август 0,3 43,7 188,9 349,0 441,4 515,7 574,5 585,6 595,7 531,9 406,9 273,7 95,0 9,0 0,0 4611 16600 сентябрь 0,0 4,4 72,1 198,0 319,7 405,5 427,5 436,5 397,1 331,5 220,6 91,0 10,8 0,0 0,0 2915 10493 Таблица 3.4 - Средняя для каждого часа среднемесячной интенсивности солнечной радиации на горизонтальной плоскости, В/м2, 2012 Час 5 6 7 8 9 май 47,2 168,3 335,0 463,5 584,9 июнь 25,5 106,7 259,3 426,0 547,1 июль 4,9 34,2 213,2 238,7 393,5 60 август 0,0 27,9 122,4 249,7 354,0 сентябрь 0,0 17,7 74,9 176,9 290,9 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Сумма,В.ч/м2 Сумма, кДж/м2 2 658,6 652,0 632,1 574,6 511,2 451,1 342,4 245,4 135,3 73,5 5875 21150 3 631,0 629,7 614,7 559,5 510,1 487,2 400,9 272,8 123,7 49,1 5643 20315 4 500,5 618,4 623,2 541,2 546,0 456,5 319,5 209,1 77,5 28,9 4805 17299 5 452,2 502,2 518,5 486,1 429,5 315,4 180,2 67,7 13,6 0,0 3719 13390 6 374,4 399,3 416,1 382,8 309,4 215,8 99,0 24,8 0,0 0,0 2801 10085 Таблица 3.5 - Средняя для каждого часа среднемесячной интенсивности солнечной радиации на горизонтальной плоскости, В/м2, 2013 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Сумма,В.ч/м2 Сумма, кДж/м2 май 11,5 33,9 80,9 324,0 603,8 724,6 798,4 783,1 709,8 607,1 485,2 241,5 51,9 26,2 17,5 5499 19798 июнь 9,9 29,3 102,6 342,6 567,3 685,9 746,8 780,4 739,5 651,3 544,2 308,2 80,6 23,7 12,1 5625 20248 июль 4,9 34,2 155,5 324,6 458,3 565,2 626,1 642,5 631,9 527,7 385,2 251,2 102,0 13,0 1,2 4723 17004 август 0,0 21,0 97,5 234,7 367,8 453,6 482,6 445,8 440,3 396,9 281,3 140,4 42,3 1,2 0,0 3405 12259 сентябрь 0,0 5,8 51,2 123,7 202,6 260,1 299,8 304,3 285,5 233,3 140,8 69,9 13,8 0,0 0,0 1991 7166 Предложенная методика предназначена для отражения оценки фактора конвективной сушки воздухом солнечного коллектора с периодическим и непрерывным действием. Для того, чтобы создать основу для расчета из доступной солнечной энергии и оценки процессов сушки с разными длительностями разработан метод, основанный на непрерывных измерениях (2009-2013) существующей базы и климатических данных. 61 Плотность потока солнечной энергии в горизонтальной плоскости измеряли пиранометром. РСЕ-SPM1 предназначен для измерения глобальной солнечной радиации, сельского хозяйства, метеорологии и исследования солнечной энергии (рисунок 3.2). Рисунок 3.2 - Датчик солнечной радиации (пиранометр) РСЕ-SPM 1 Пиранометр преобразовывает сигнал в цифровой мультиметр с основной погрешностью ± 0,01%, а интерфейс подключается к компьютеру для непрерывной записи интервалом в 1 минуту. Для измерения система калибруется на «Казгидромет» города Алматы. База данных обрабатывает в течение месяца среднесуточную суммарную солнечную радиацию. Скорость передачи прямого излучения с горизонтальной плоскости, наклоненной на 300(30дней х 10 солнечных часов=300) рассчитывается как соотношение в среднем за каждый час для солнечных часов с мая по сентябрь. Результаты измерений представлены в виде среднесуточной суммарной солнечной радиации с мая по сентябрь, в период 2009-2013 годы. Данные для среднесуточного общего измерения солнечной радиации сравниваются с имеющимися климатическими данными в таблице 14. Для того, чтобы использовать эти данные для долгосрочной оценки систем, используют солнечную энергию выбора по месяцам. По месяцам выбирают таким образом, чтобы измеренная суммарная солнечная радиация являлась наиболее близкой к соответствующему значению опорных климатических данных [129]. Для этого 62 составим математическую модель, описывающую ход средней интенсивности суммарной солнечной радиации в зависимости от времени от измерений на период 2009-2013 года в горизонтальной плоскости выбраны репрезентативные месяцы с мая по сентябрь. Выбраны те, для которых значение суммарной солнечной радиации находится ближе справочных данных. Результаты для суммарной солнечной радиации по измерениям осуществляется, опорные климатические данные и данные измерений из NASA представлены в таблице 3.6 Таблица 3.6 – Среднемесячная ежедневная суммарная солнечной радиации в горизонтальной плоскости - МДж/м2 для северной широты φ = 43,15 (г. Алматы) Период Измерения 2009 Измерения 2010 Измерения 2011 Измерения 2012 Измерения 2013 Средний 2009 - 2013 Справочник 20,52 NASA 10 год. период NASA 22 год. период Измерения 2009 май 20,37 23,02 21,15 19,79 16,15 20,68 22,66 20,99 20,99 20,37 июнь 23,25 20,29 20,32 20,25 19,08 21,29 23,62 22,14 21,63 23,25 июль 20,75 19,65 17,29 17,00 18,07 19,02 20,79 19,94 19,58 20,75 август 16,12 16,60 13,39 12,26 12,21 14,46 16,96 15,34 15,04 16,12 сентябрь 19,38 10,49 10,09 7,17 10,08 11,03 9,76 9,86 19,38 Представленные в таблице – 3.6 данные показывают, что существует большое расхождение между данными за тот же месяц в разные годы, с крупнейшими различиями за октябрь. Это приводит измерения продолжаться и в будущем. Выбранные месяцы: май - 2012, июнь - 2010, июль - 2009, август 2011, сентябрь - 2011. Измеренная интенсивность суммарной солнечной радиации за каждый месяц показано на рисунке 3.3 – 3.7 и в таблице 3.7 63 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.3 - Среднемесячная солнечная радиация - май, 2011г. G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.4 - Среднемесячная солнечная радиация - июнь, 2010г. 64 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.5 - Среднемесячная солнечная радиация - июль, 2009 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.6 - Среднемесячная солнечная радиация - август, 2008г. 65 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.7 - Среднемесячная солнечная радиация - сентябрь, 2011г. Таблица 3.6 - Средняя для каждого часа среднемесячной солнечной интенсивности на горизонтальной плоскости, Вт/м2 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 май 47,2 168,3 335,0 463,5 584,9 658,6 652,0 632,1 574,6 511,2 451,1 342,4 245,4 135,3 73,5 июнь 30,9 159,9 344,7 512,2 636,8 682,6 711,4 704,9 642,1 589,3 551,7 449,6 283,7 135,2 22,3 июль 7,0 96,0 270,0 456,0 594,0 699,0 728,0 734,0 686,0 587,0 481,0 353,0 186,0 57,0 3,0 66 август 0,3 43,7 188,9 349,0 441,4 515,7 574,5 585,6 595,7 531,9 406,9 273,7 95,0 9,0 0,0 сентябрь 0,0 4,4 72,1 198,0 319,7 405,5 427,5 436,5 397,1 331,5 220,6 91,0 10,8 0,0 0,0 Приближение функции интенсивности солнечного излучения G [Вт/м2] представлены полиномом четвертой степени за каждый месяц в таблице 3.7 Промежуток времени, для которых уравнения действительны соответственно за месяцы май и июнь - от 5 до 18 часов в июль и августе - от 6 до 18 часов, и сентябрь - от 6 до 17 часов [130]. Таблица 3.7 - Интенсивность солнечного излучения Месяцы май Функция G = 0,0875tτ - 3,5803τ + 36,979 τ2 + 27,494 τ - 641,18 R2 = 0,9937 июнь G = 0,0452 τ4- 1,8281 τ3 + 10,305 τ2 + 214,05 τ - 1121,4 R2 =0,991 июль G = 0,2105 τ4 - 9,6521 τ3 + 140,08 τ2 - 668,33 τ + 903,36 R2 =0,9971 август G = 0,2317 τ4- 10,958 τ3 + 170,18 τ 2- 961,65 τ + 1775,3 R2 = 0,9908 4 3 сентябрь G = 0,2774 τ4 - 12,923 τ3 + 202,98 τ2 - 1223,9 τ + 2478,2 R2 = 0,994 3.2 Методы расчета интенсивности солнечного излучения В определенной интенсивности суммарной солнечной радиации в наклонной плоскости разработано два метода расчета. Один из них основан на измерении в ходе интенсивности в горизонтальной и второй измерение под углом 30 градусов плоскости. 3.2.1 Метод № 1 для вычисления хода интенсивности суммарной солнечной радиации на наклонной плоскости на основе измерений в горизонтальной плоскости На основе измерений среднемесячных данных в горизонтальной плоскости сделано результаты по часам. Все часовые данные представлены в процентах от суммарной солнечной радиации в течение дня. Данные о среднесуточной интенсивности солнечной радиации оцениваются распределением полного солнечного излучения за каждый час в месяце. Полученные результаты представлены в таблице 3.8 67 Таблица 3.8 - Среднесуточная интенсивность горизонтальной плоскости по часам % Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 май 0,48 3,32 5,88 8,02 9,63 10,67 11,09 10,92 10,20 9,00 7,45 5,70 3,94 2,38 1,30 июнь 0,10 3,06 5,63 7,74 9,35 10,43 10,97 10,99 10,49 9,53 8,15 6,44 4,48 2,38 0,27 июль 0,12 2,09 4,78 7,45 9,76 11,47 12,40 12,48 11,71 10,17 8,04 5,57 3,12 1Д1 0,05 солнечной август 0,00 1,42 3,92 6,78 9,49 11,64 12,96 13,27 12,54 10,86 8,42 5,56 2,70 0,43 0,00 радиации сентябрь 0,00 0,35 3,08 6,74 10,37 13,25 14,91 15,08 13,73 11,05 7,46 3,61 0,38 0,00 0,00 Полученные таким образом показатели распределения могут быть использованы для каждого значения суммарной солнечной радиации. Таким образом, распределение базовых данных для суммарной солнечной радиации на горизонтальную плоскость в течение нескольких часов за месяц в стадии рассмотрения, что описано в методологии обзор литературы для расчета прямой солнечной радиации в наклонной плоскости, отношение прямого солнечного излучения в горизонтальной плоскости, приведенной в наклонной плоскости для каждого часа дня. Таким образом были получены среднемесячные коэффициенты прямой передачи компонента полных солнечных часов излучения. Полученные коэффициенты подставляются в формулу и получается ежемесячные средние коэффициенты передачи для суммарной солнечной радиации за каждый час дня – кн. Проекции коэффициента отношения между интенсивностью солнечного излучения под наклонной и горизонтальной плоскостями вычисляются: = + + (3.1) Долгосрочные оценки системы с наклонной поверхностью для приема солнечной энергетики используются диаграмм метод [131]. Среднемесячная ежедневная солнечная радиация на наклонные поверхности определяется по формуле: 68 (3.2) = где NH является среднемесячной суточной интенсивностью или суммарной радиацией на горизонтальную поверхность и получением коэффициента передачи солнечного излучения в наклонной плоскости. Из полученных данных составляется приближающий функцию, описывающую ход интенсивности суммарной солнечной радиации в наклонной плоскости за этот месяц. 3.2.2 Метод № 2 для расчета хода интенсивности суммарной солнечной радиации ориентированной на юг, наклонной плоскости под углом 30 градусов, основанный на измерениях в одной плоскости На основании измерений данные среднемесячные ориентированные на юг, под углом 30 градусов наклонной плоскости (2012 и 2013), затем в среднем по итогам часа, все часовые данные представлены в процентах от суммарной солнечной радиации в течение дня (таблица 3.9). Таблица 3.9 - Средние по часам, выраженные в процентах от средней суммарной солнечной радиации под наклонным углом 30 градусов плоскости представительные месяцы % Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 май 0,07 1,03 3,43 6,46 9,43 11,83 13,31 13,66 12,83 10,95 8,27 5,23 2,41 0,55 0,54 июнь 0,3 1,56 4,09 6,88 9,47 11,49 12,70 12,96 12,25 10,64 8,34 5,66 3,02 0,95 0,10 июль 0,1 1,93 4,65 7,38 9,77 11,55 12,54 12,65 11,87 10,30 8,12 5,59 3,07 0,99 0,00 август 0,00 1,57 4,27 7,19 9,86 11,89 13,05 13,19 12,31 10,52 8,04 5,23 2,55 0,58 0,00 сентябрь 0,00 0,89 3,65 7,00 10,21 12,72 14,16 14,31 13,17 10,87 7,77 4,37 1,37 0,00 0,00 Рассчитаем общую солнечную радиацию на наклонной плоскости на методологии обзорной литературы. Полученное значение выделяется в соответствии с шаблоном темпов распространения и таким образом, чтобы дать часовую среднюю интенсивность солнечной радиации в юго-ориентированных, 69 наклонена под углом 30 градусов плоскости. Из полученных данных обращается аппроксимирующей функции, описывающей ход интенсивности суммарной солнечной радиации в наклонной плоскости для этого месяца. В таблице 3.10 представлены результаты, полученные обоими методами уравнений, описывающих ход суммарной солнечной радиации на юге ориентированной, наклоненной под углом 30 градусов в зависимости от времени. Оба метода основаны на ссылках, принятых для суммарной солнечной радиации на горизонтальную плоскость для соответствующих месяцев. Таблица 3.10 – Сравнение методов Месяцы Методика № 1 май G = 0,1359τ4 - 6,0279τ3 + 78,576τ2 - 248,67τ- 55,84 R2 =0,9992 G = 0,1061τ4- 4,9373τ3+ 63,991τ2- 153,04τ - 293,75 R2 =0,9991 G = 0,2945τ4- 13,805τ3 +209,18τ2- 1115,6τ + 1884,7 R2 =0,9997 G = 0,3139τ4- 14,786τ3+230,04τ2- 1316,8τ + 2480,3 R2 = 0,9999 G = 0,4228τ4- 19,674τ3+ 308τ2- 1842,8τ +3680,8 R2 = 0,9882 Методика №2 июнь июль август сентябрь май июнь июль август сентябрь G = 0,3528τ4- 16,628τ3+261,81τ2- 1551,7τ + 3075,2 R2=1 G = 0,2773τ4- 13,012τ3+ 199,43τ2- 1096,1τ + 1941,4 R2=1 G = 0,2267τ4- 10,434τ3+ 152,7τ2- 744,74τ + 1048,9 R2=1 G = 0,2564τ4- 11,888τ3 + 179,83τ2- 972,43τ + 1676,7 R2= 1 G =0,3157τ4-14,678τ3 + 227,82τ2- 1329,8τ + 2576,6 R2 = 1 Сравнение результатов обоих методов месяцев рассматриваемых графически показано на рисунке 3.8 – 3.12 и в таблице 3.10. 70 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.8 - Сравнение методов расчета ССР с наклонным углом 30 градусов плоскости – май G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.9 - Сравнение методов расчета ССР в наклонной плоскости под углом 30 градусов – июнь 71 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.10 - Сравнение методов расчета ССР с наклонным углом 30 градусов плоскости – июль G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.11 - Сравнение методов расчета ССР с наклонным углом 30 градусов плоскости – август 72 G, Вт/м2 / час дня Рисунок 3.12 - Сравнение методов расчета ССР с наклонным углом 30 градусов плоскости – сентябрь Таблица 3.11 - Часовая средняя ежемесячной солнечной радиации с наклонным углом 30° южной ориентированной плоскости для выбранного месяца, рассчитанные методом 1, Вт/м2 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 май 5,4 140,7 308,4 458,1 574,7 650,8 683,4 672,7 621,9 536,7 425,5 298,4 166,1 26,2 0,0 июнь 0,9 144,0 328,1 490,5 617,5 703,9 747,4 748,2 707,7 628,9 516,1 374,6 209,9 20,9 0,0 июль 5,0 104,7 293,8 490,5 663,6 792,1 862,3 867,6 808,1 690,5 528,5 341,9 155,4 0,0 0,0 73 август 0,0 73,0 218,4 384,8 542,3 667,3 743,5 761,3 718,4 619,8 477,1 308,9 138,1 31,0 0,0 сентябрь 0,0 0,0 172,3 326,0 478,7 599,7 669,2 676,7 620,9 509,6 360,2 201,0 0,0 0,0 0,0 Таблица 3.12 - Часовая средняя ежемесячной солнечной радиации с наклонным углом 30° южной ориентированной плоскости для выбранного месяца, рассчитанные методом 2, Вт/м2 Час 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 май 3,7 55,4 185,2 348,4 508,7 638,4 718,0 736,8 692,2 590,5 446,2 282,2 130,0 29,5 0,0 июнь 0,0 93,2 243,6 410,1 564,4 685,1 757,3 772,8 730,2 634,5 497,5 337,7 180,2 56,7 0,0 июль 0,0 117,7 283,4 450,0 595,7 704,1 764,3 770,8 723,6 628,1 495,0 340,7 186,9 60,7 0,0 август 0,0 80,6 219,7 370,4 507,6 612,3 671,7 679,0 633,7 541,5 414,0 269,2 131,2 30,1 0,0 сентябрь 0,0 37,8 154,3 296,2 432,1 538,6 599,3 605,9 557,3 460,3 328,9 185,0 57,9 0,0 0,0 Из данных видно, что существует расхождение между результатами двух методов, но более надежными могут быть определены методологией № 1, так как ее расчета суммарной солнечной радиации в наклонной плоскости под углом 30° включены ссылки на облако в г. Алматы, которые являются результатом многолетних наблюдений, в то время как методологией № 2 измерения проводились в течение только двух лет (2007 и 2008). Другим преимуществом способа №1 является то, что он может быть применен под любым углом солнечной радиации приемного элемента и для каждой области, для которых имеются данные об облачной и суммарной солнечной радиации на горизонтальной плоскости, в то время как методика №2 может использоваться только наклоненной на 30 градусов в регионе г. Алматы. Причиной отклонения в результатах является тот факт, что в методологии №1, чтобы получить почасовые данные, используются фактор передачи за каждый час дня и в методологии №2 используется среднемесячный темп горизонтального переноса в наклонной плоскости. 3.3 Расчет теплового баланса, методика определения эффективности теплового экрана солнечной теплицы Тепловой баланс для покрытия из сотового поликарбоната Теплопотери дверей: 74 Q ВF дв. дв В 20 где: F а дв. (3.3) Вт , м -площадь дверей. (3.4) F а 5 3 15 м 2 дв. Q В F 0,02 15 0,3кВт дв. дв Теплопотери пола: Qпола К Fпола tср. К 0,21 Вт м2 К где - коэффициент теплопередачи, (3.5) tср. 21 С, Fпола а (3.6) Fпола а - площадь пола в теплице. Fпола а 100 25 2500 м 2 Qпола К Fпола tср. 0,00021 2500 21 11,025кВт Теплопотери стен: Qстен К Fстен tср. 75 К 0,945 Вт м2 К где - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fстен а (3.7) - площадь стены в теплице. tвн. 18 С, t н 26 С, (рабочая минус 40◦С); Fстен а 100 3 300 м 2 Qстен К Fстен tср. 0,000945 300 44 12,4кВт -для двух стен теплицы. Теплопотери торцовых стен теплицы: Qт.с. К Fт.с. tср. где К 0,945 Вт м2 К (3.8) - коэффициент теплопередачи, Fт.с. а - площадь торцовых стен в теплице tср. 44 С, (3.9) Fт.с. а 25 3 75 м 2 Qт.с. К Fт.с. tср. 0,000945 75 44 3,11кВт - для двух торцовых стен теплицы. Теплопотери верхней торцовой части теплицы: Qт.в.с. К Fт.в.с. tср. (3.10) 76 К 0,945 где Вт м2 К - коэффициент теплопередачи, 1 Fт.в.с. а h 2 (3.11) - площадь верхних торцовых частей теплицы. 1 1 Fт.в.с. а h 25 2 25 м 2 2 2 Qт.в.с. К Fт.в.с. tср. 0,000945 25 44 1,03кВт - для двух верхних торцовых частей теплицы. Теплопотери крыши: Qкр. К Fкр. tср. К 0,945 (3.12) Вт м2 К где - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fкр. 12,6 м 2 Fкр. - площадь сторон крыши теплицы. Qкр. К Fкр. tср. 0,000945 12,6 44 0,52кВт - для двух сторон крыши теплицы. Суммарные потери: Qпотерь 45,4 46кВт Суммарные потери на нагрев: Qнагрев К Q потерь в (3.13) где в 0,8 - расчетное время работы, К 1,1 - потери по трубам. 77 Qнагрев К Q потерь 1,1 46 63,2кВт; в 0,8 Q 0,1 Q (3.14) Q 0,1 Q 63,2 0,1 63,2 70кВт Производительность нагревающего котла: m Q C (t ) (3.15) где С 4,19кДж / кг С - удельная теплоемкость воды, Q 70 m 0,23кг / сек 828кг / час C (t ) 4,19 (75 4) По данным расчета выбираем водонагреватель ЭПЗ - 60. Тепловой баланс для покрытия из стекла Теплопотери дверей: Q ВF дв. дв (45) где В 20 Вт , F а дв. м - площадь дверей. F а дв. (3.16) F а 5 3 15 м 2 дв. Q В F 0,02 15 0,3кВт дв. дв Теплопотери пола: Qпола К Fпола tср. (3.17) 78 где К 0,21 Вт м2 К - коэффициент теплопередачи, tср. 21 С, Fпола а -площадь пола в теплице. (3.18) Fпола а 100 25 2500 м 2 Qпола К Fпола tср. 0,00021 2500 21 11,025кВт Теплопотери стен: Qстен К Fстен tср. К 5,8 где Вт м2 К (3.19) - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fстен а -площадь стены в теплице. (3.20) tвн. 18 С, t н 26 С, (рабочая минус 40◦С); Fстен а 100 3 300 м 2 Qстен К Fстен tср. 0,0058 300 44 76,5кВт - для двух стен теплицы. Теплопотери торцовых стен теплицы: Qт.с. К Fт.с. tср. К 5,8 где Вт м2 К (3.21) - коэффициент теплопередачи, 79 tср. 44 С, Fт.с. а - площадь торцовых стен в теплице. (3.22) Fт.с. а 25 3 75 м 2 Qт.с. К Fт.с. tср. 0,0058 75 44 19,1кВт - для двух торцовых стен теплицы. Теплопотери верхней торцовой части теплицы: Qт.в.с. К Fт.в.с. tср. К 5,8 где Вт м2 К (3.23) - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, 1 Fт.в.с. а h 2 (3.24) площадь верхних торцовых частей теплицы. 1 1 Fт.в.с. а h 25 2 25 м 2 2 2 Qт.в.с. К Fт.в.с. tср. 0,0058 25 44 6,38кВт - для двух верхних торцовых частей теплицы. Теплопотери крыши: Qкр. К Fкр. tср. К 5,8 где Вт м2 К (3.25) - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fкр. 12,6 м 2 Fкр. - площадь сторон крыши теплицы. Qкр. К Fкр. tср. 0,0058 12,6 44 3,21кВт - для двух сторон крыши 80 теплицы. Суммарные потери: Qпотерь 221,7кВт Суммарные потери на нагрев: К Q потерь Qнагрев в (3.26) где в 0,8 - расчетное время работы, К 1,1 - потери по трубам. К Q потерь 1,1 221,7 Qнагрев 304,8кВт; в 0,8 Q 0,1 Q (3.27) Q 0,1 Q 304,8 0,1 304,8 335,2кВт Производительность нагревающего котла: m Q ; C (t ) (3.28) где С 4,19кДж / кг С - удельная теплоемкость воды, m Q 335,2 1,12кг / сек 4032кг / час C (t ) 4,19 (75 4) Принимаем водонагреватель КЭВ - 400. Тепловой баланс для покрытия из полиэтиленовой пленки Теплопотери дверей: Q ВF дв. дв (3.29) 81 где В 20 Вт , м F а дв. -площадь дверей (3.30) F а 5 3 15 м 2 дв. Q В F 0,02 15 0,3кВт дв. дв Теплопотери пола: Qпола К Fпола tср. К 0,21 где Вт м2 К (3.31) - коэффициент теплопередачи, tср. 21 С, Fпола а (3.32) - площадь пола в теплице. Fпола а 100 25 2500 м 2 Qпола К Fпола tср. 0,00021 2500 21 11,025кВт Теплопотери стен: Qстен К Fстен tср. К 8 где Вт м2 К (3.33) - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fстен а (3.34) - площадь стены в теплице tвн. 18 С, 82 t н 26 С, (рабочая минус 40◦С); Fстен а 100 3 300 м 2 Qстен К Fстен tср. 0,008 300 44 105,6кВт - для двух стен теплицы. Теплопотери торцовых стен теплицы: Qт.с. К Fт.с. tср. К 8 где Вт м2 К (3.35) - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fт.с. а (66) площадь торцовых стен в теплице. Fт.с. а 25 3 75 м 2 Qт.с. К Fт.с. tср. 0,008 75 44 26,4кВт - для двух торцовых стен теплицы. Теплопотери верхней торцовой части теплицы: Qт.в.с. К Fт.в.с. tср. К 8 где Вт м2 К (3.36) - коэффициент теплопередачи, 1 Fт.в.с. а h 2 - площадь верхних торцовых частей теплицы. tср. 44 С, (3.37) 1 1 Fт.в.с. а h 25 2 25 м 2 2 2 Qт.в.с. К Fт.в.с. tср. 0,008 25 44 8,8кВт 83 - для двух верхних торцовых частей теплицы. Теплопотери крыши: Qкр. К Fкр. tср. К 8 где Вт м2 К (3.38) - коэффициент теплопередачи, tср. 44 С, Fкр. - площадь сторон крыши теплицы Fкр. 12,6 м 2 Qкр. К Fкр. tср. 0,008 12,6 44 4,43кВт - для двух сторон крыши теплицы. Суммарные потери: Qпотерь 301,7кВт Суммарные потери на нагрев: К Q потерь Qнагрев в (3.39) где в 0,8 - расчетное время работы, К 1,1 - потери по трубам К Q потерь 1,1 301,7 Qнагрев 414,8кВт; в 0,8 Q 0,1 Q (3.40) Q 0,1 Q 414,8 0,1 414,8 456,2кВт Производительность нагревающего котла: Q C (t ) где С 4,19кДж / кг С - удельная теплоемкость воды, m 84 (3.41) m Q 456,2 1,53кг / сек 5508кг / час C (t ) 4,19 (75 4) Принимаем водонагреватель КЭВ - 1000. Исходя из расчетов строится график потерь тепла относительно материала для покрытия теплицы (рисунок 3.13). Рисунок 3.13 - Характеристика тепловых потерь от различных покрытий теплиц Как видно из расчета теплового баланса для теплицы ангарного типа с покрытием из сотового поликарбоната, стекла и полиэтиленовой пленки, в значительной степени выигрывает сотовый поликарбонат. Количество потерь при сотовом поликарбонате составляет 46 кВт в отличие от стекла 221,7кВт и полиэтиленовой пленки 301,7 кВт. Для теплицы из стекла применяется водонагреватель серии КЭВ - 400 мощностью 400 кВт, громоздкий водонагреватель на большую мощность. С покрытием из стекла необходимо большое количество энергии для поддержания тепла (экономически не подходящий фактор). Также и для покрытия из полиэтиленовой пленки применяется водонагреватель серии КЭВ 1000. Для теплицы с покрытием из сотового поликарбоната применяется электродный водонагреватель ЭПЗ - 60 с мощностью от 60 до 78 кВт. Он в достаточной степени восполняет то количество тепла, которое уходит через ограждения теплицы. Вышеизложенные выкладки дают возможность рассчитать основные параметры комбинированного энергоснабжения полифункциональной гелиосушилки-теплицы. 85 Выводы по 3 разделу 1. Предлагается методика расчета интенсивности суммарной солнечной радиации в наклонной плоскости, оценки строится на основе двух методов. 2. Открывая производительность характеристик разрабатываемого солнечного коллектора воздуха, который описывается уравнением ƞ = 0,7361- 1,6845 (tm- ta)/G. 3. Кинетика процесса сушки фруктов и овощей хорошо изучена для режимов, которые подходят для конвективных сушильных (камера, тоннель, ленточных, т.д.), но не хватает исследований по режимам, подходящим для конвективной сушки с приоритетного использования возобновляемых источников солнечной энергии . 4. Количество потерь при сотовом поликарбонате составляет 46 кВт в отличие от стекла 221,7кВт и полиэтиленовой пленки 301,7 кВт. 86 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОСУШИЛКИ ПО 4.1 Эффективность преобразования солнечной энергии Необходимость изучения эффективности солнечного коллектора требует установить количество энергии, которые могут, восстановлены им в различных условиях, а также с целью использования таких данных для дальнейших расчетов и проектирования солнечных систем сушки. Рисунок 4.1 - Подготовка к экспериментам Исследована зависимость эффективности суммарного параметра (tm ta)/G, путем измерения рабочих параметров коллектора при различных температурных режимах и составили аналитическое описание этой зависимости. Рисунок 4.2 - Сушка яблок разной толщины 87 Рисунок 4.3 - Высушенные яблоки разной толщины Рисунок 4.4 параметром (tm- ta)/I показывает зависимости между КПД коллектора и КПД, % // (tm - ta)/I,[K.м2 .W1] Рисунок 4.4 - Зависимости между КПД коллектора и параметром (tm - ta)/G. Измерения показывают относительно высокую эффективность, выпускаемую солнечным коллектором (эффективность составляет от 50 до 80 процентов в зависимости от режима работы), что сопоставимо с литературными данными для воздушных солнечных коллекторов. В результате аналитическая зависимость является линейной: 88 ƞ = 0,7361- 1,6845. (tm- ta)/I R2 = 0,1621 (4.1) Точка отражает среднюю производительность солнечного коллектора в реальных рабочих условиях (tm - ta)/G = 0,05 [132]. Из полученной зависимости можно определить величину эффективности, эта точка - ƞ = 65%. 4.2 Сушка за счет солнечной энергии без использования дополнительного источника питания. Предварительные эксперименты Эксперименты проводились по сушке пищевых групп овощей и фруктов в описанной конвективной солнечной сушилки без ДИП. Цель состоит в том, чтобы установить возможные практические, режимные параметры и сделать предварительный выбор, подходящий для сушки в этом типе сушилки и режима сушки. На рисунках 4.5 до 4.11, показаны кривые, описывающих ход интенсивности солнечного излучения G =ƒ(τ), кривые сушки w= ƒ(τ) и температуры сушильного агента t=ƒ(τ) для каждого испытания. Влажность W, % // время// G,Вт/м2 ▲ - G,Вт/м2; ● - W, % Рисунок 4.5 - Кривая сушки и ход солнечной радиации при сушке яблоки (нарезка 3мм) Рисунок показывает, что продукт не сушат достаточно в связи с сокращением интенсивности солнечного излучения. 89 Влажность W, %: to C // время, час // G,Вт/м2 ▲ - G,Вт/м2 ;● - W, %; ♦ - to C Рисунок 4.6 -Режимы и кинетика во время сушки яблоки (нарезка 5 мм) Из этого рисунка видно, что температура сушильного агента на выходе из воздушного солнечного коллектора и на входе в сушильную камеру меняется в широких пределах (от 40 до 70 ° C). Влажность W, %: to C // время, час ● - W, %; ♦ - to C Рисунок 4.7 - Режимы и кинетика во время сушки яблоки (нарезка 8мм) После сушки была сделана попытка, чтобы поддерживать температуру сушильного агента путем изменения кратности циркуляции, но в связи с 90 различной интенсивности солнечного излучения, которое не возможно в течение всего процесса. Влажность W, %: to C // время, час ● - W, %; ♦ - to C Рисунок 4.8 - Кривая температуры и кривая сушки яблоки (нарезка 10 мм) Влажность W, %: to C // время, час // G,Вт/м2 ▲ - G,Вт/м2 ; ● - to C; ♦ - W, % Рисунок 4.9 - Режимы и кинетика во время сушки яблоки (нарезка 11мм) 91 W, %, to C // время, час ● - W, %; ■ - G,Вт/м2 Рисунок 4.10 - Кривая температуры и кривая сушки яблоки (нарезка 12мм) Сушки яблоки нарезки 3мм, 4мм, 5мм отличаются высокой скоростью сушки по сравнению с нарезками яблок. Влажность W, % , to C // время// G,Вт/м2 ▲ - G,Вт/м2; ♦ - to C; ● - W, % Рисунок 4.11 - Режимы и кинетика во время сушки яблоки (нарезка 4мм) В таблице 4.1 обобщены результаты эксперимента начальная и конечная влажности (они разделили общую массу) продукта и выпаренной влаги [кг]; 92 начало, конец и продолжительность эксперимента; скорость сушки N [%/ мин] в первый период сушки. Таблица 4.1 - Результаты эксперимента Влажность Масса Нач. Кон. Нач. % % кг яблоки (нарезки 3мм) яблоки (нарезки 4мм) яблоки (нарезки 5мм) яблоки (нарезки 5мм) яблоки (нарезки 8мм) яблоки (нарезки8 мм) яблоки (нарезки 10мм) яблоки (нарезки 10мм) яблоки (нарезки 12мм) яблоки (нарезки 12мм) Время высыхания Скор ость в 1период Кон. Разн. Начало Конеч. Прод N кг кг h h мин %/мин 70 6 0,179 0,059 0,122 9:55 12:50 176 0,59 82 15 0,595 0,119 0,476 10:07 15:50 343 0,33 94 19 0,780 0,057 0,723 9:47 15:20 334 0,51 82 10 0,040 0,008 0,032 13:28 15:00 88 1,19 80 12 0,541 0,124 0,417 11:05 15:10 246 0,46 82 16 4,290 0,920 3,37 9:50 16:40 410 0,25 91 20 0,789 0,089 0,7 9:58 15:20 323 0,38 92 13 0,358 0,033 0,325 11:05 15:10 246 0,64 81 4 0,108 0,022 0,086 13:32 15:30 88 2,17 84 11 0,056 0,012 0,044 13:28 15:00 88 1,89 4.3 Полный факторный эксперимент Основной целью многофакторного планирования является создание математической модели процесса исследования. Эта модель представляет собой математические соотношения, установления количественной зависимости между факторами и исходными значениями. Факторы можно определить, используя предварительный эксперимент и оценки, необходимо, чтобы влиять на процесс и в то же время не зависят друг от друга. 93 4.3.1 Определение значимых факторов, влияющих на принятой оптимизации параметров ввода Оптимизация параметров (целевая функция) определяется: Q, кДж/кг - количество энергии, необходимое для испарения одного килограмма воды от продукта. В предварительном эксперименте и на основе существующих литератур, касающихся проблем установлено, что влияния на потребление энергии для сушки имеют следующие значения: - относительная влажность воздуха- φ, % - этот параметр определяет потенциал сушки воздуха (Ɛс = tc – tм) (4.2) - температура воздуха - t° С - существенно влияет на кинетику сушки и потери теплопередачи через стенки сушилки; - cкорость воздуха - v, м/с - также имеет сильное влияние на скорость сушки и расход энергии для управления вентилятором. При установлении скорость прохождения объемный расход через сушильную камеру воздуха является постоянным, но масса является функцией температуры; - загрузка сушильной камеры - m, кг/ м2 - этот параметр определяет размер теплового и массового поверхности переноса в случаях, когда продукт имеет тот же размер. Относительная влажность исключается в качестве параметра в связи с изменением ее стоимости в процессе, но и потому, что не может быть измерена или управляется с имеющимися техническими средствами, но косвенно включена по кратности рециркуляции воздуха. Скорость воздуха в сушильной камере установлена на 1 м/сек. Загрузка сушильной камеры в данном случае по отношению к квадратному метру площади коллектора, так как солнечный коллектор является главным источником энергии в этом типе. Данные эксперимента будут использоваться при проектировании солнечных систем сушки. Факторы влияния: 1. Кратность рециркуляции воздуха - k, % - Х1. Для более низких уровней этого фактора является некоторое значение 50%, а для верхнего - 90%. 2. Температура воздуха –t°C – X2 . Значения нижнего и верхнего уровня температуры 40°С и 60°С. 3. Загрузка сушильной камеры - 1 кг/ т площадь коллектора - X3 Сделаные на основе одного эксперимента, факторы установлены на нижнем уровне 1кг/м2 и верхний уровень - 2 кг/м2 Поскольку различные факторы имеют различные размеры, в целях устранения этого неудобства это в планировании экспериментов из мерной системы координат переходит в безразмерный с помощью линейного преобразования соответствующих координат. 94 Таблица 4.2 - Природные ценности факторов и их кодирование прохода в безразмерные значения Уровень X1 Х2 Хз к-кратность рециркулации,[%] - температура воздуха, [°С] Верхний (+) 90 60 ш - загрузка сушильной камеры, [кг/м2] 2 Нижний (-) 50 40 1 Нуль 70 50 1,5 Интервал изменения код 20 10 0,5 4.3.2 Составление ортогональной матрицы срок эксперимента В таблице 4.3 показана матрица полного факторного эксперимента Y1 - Y3 измеряются значения выходных значений для каждого интеграций и Ῡ представляет собой среднее из трех повторения. Таблица 4.3 - Матрица полного факторного эксперимента № X1 Х2 Хз VI VI V3 Ῡ 1 - - - 6907,7 5845,0 7173,4 6642,1 2 - - + 4383,8 4383,8 3985,2 4250,9 3 - + - 10893,0 12221,4 11955,7 11690,0 4 - + + 6243,5 6376,4 7040,6 6553,5 5 + - - 6376,4 5313,7 5579,3 5756,5 6 + - + 3586,7 3586,7 3719,6 3631,0 7 + + - 3586,7 3586,7 3719,6 3631,0 8 + + + 5313,7 5446,5 5977,9 5579,3 95 4.3.3 Обработка результатов полнофакторного эксперимента (ПФЭ) Проведен полный факторный эксперимент с тремя типами 23 повторений в каждой точке плана для получения адекватного уравнения регрессии, описывающего точный процесс и определяющего влияние и отношения между факторами. Порядок испытаний был случайным, чтобы исключить влияние систематических и случайных ошибок, возникающих сразу же после того, исполнения эксперимента. Для проведения экспериментов сушки выбран сорт картофеля "Санте". Перед размещением их в сушильной камере картофель обрабатывается в соответствии с технологическими требованиями. В таблицах с 4.4 до 4.11 представлены данные по измерениям массы, влажности и электроэнергии, потребляемой в процессе сушки для каждого из испытаний полного факторного эксперимента. Отчет в таблице делается каждые 10 минут, но чтобы уменьшить размер таблиц, данные представлены в течение 30 минут. Электроэнергии потребляемые нагревателем измеряли каждый час эксперимента. Таблица 4.4 - Массовые значения влажности и экспериментов по выбору 1 ПФЭ (-) (-)(-) 1 опыт t,мин. m, гр 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 1860 1690 1510 1330 1180 1050 940 850 790 730 675 640 610 580 550 520 505 w,% 76 74 70 66 62 57 53 47 43 39 34 30 27 23 19 14 12 Рэл, кВт ч 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 2 опыт m, гр w, % 1860 1635 1420 1225 1070 935 835 745 680 625 580 548 520 505 0,2 96 76 73 69 64 58 52 47 40 34 29 23 18 14 12 Рэл, кВт ч 0,5 0,4 0,4 0,3 0,2 0,3 0,2 электроэнергии в ходе 3 опыт m, гр w,% 1860 1600 1380 1220 1050 938 840 769 710 665 620 590 560 530 505 76 72 68 63 57 52 47 42 37 33 28 24 20 16 12 Рэл, кВт ч 0,6 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 Таблица 4.5 - Массовые значения влажности экспериментов по выбору 2 ПФЭ (-) (-)(+) t,мин. 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 500 1 опыт m, гр w,% 3720 3460 3230 2990 2740 2495 2250 2030 1810 1605 1420 1275 1150 1060 1010 76 74 72 70 67 64 60 56 51 44 37 30 22 16 12 и электроэнергии в ходе 2 опыт 3 опыт Рэл, m, гр w,% Рэл, m, гр w,% кВт ч кВт ч 0,7 3720 76 0,6 3720 76 3445 74 3440 74 3190 72 3170 72 0,6 2900 69 0,5 2900 69 2640 66 2640 66 0,5 2425 63 0,4 2380 62 2220 60 2140 58 0,4 2020 56 0,4 1920 54 1840 51 1720 48 0,4 1660 46 0,4 1535 42 1510 41 1395 36 0,4 1398 36 0,3 1245 28 1290 31 1150 22 0,3 1200 26 0,3 1075 17 1133 21 1010 12 1075 14 0,3 1030 13 1010 12 Рэл, кВт ч 0,6 0,5 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 Таблица 4.6 - Массовые значения влажности и электроэнергии в ходе экспериментов по выбору 3 ПФЭ (-) (+)(-) t,мин 0 30 60 90 120 150 180 210 240 280 1 опыт m, гр w,% Рэл, кВт ч 1860 76 1,2 1550 71 1220 63 940 53 1Д 780 43 680 34 0,9 600 26 545 18 0,9 510 12 2 опыт m, гр w,% Рэл, кВт ч 1860 76 1,2 1480 70 1180 62 970 54 1 820 46 720 38 0,9 640 30 585 24 0,9 550 19 510 12 0,8 97 3 опыт m, гр w,% Рэл, кВт ч 1860 76 1,4 1465 70 1140 61 910 51 1,2 760 41 660 32 1 590 24 540 17 0,9 505 12 Таблица 4.7 - Массовые значения влажности и электроэнергии в ходе экспериментов по выбору 4 ПФЭ (-) (+)(+) t,мин 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 1 опыт m, гр w,% 3720 3270 2840 2400 1990 1665 1410 1230 1100 1010 76 73 69 63 55 46 37 27 19 12 2 опыт Рэл, m, гр w,% Рэл, кВт ч кВт ч 1,4 3720 76 1,2 3300 73 2900 69 1,3 2500 64 1,1 2120 58 1 1805 51 0,9 1520 41 1 1325 33 0,8 1180 24 0,8 1080 17 0,8 1010 12 3 опыт m, гр w,% 3720 3235 2780 2360 1960 1640 1400 1235 1100 1010 76 72 68 62 54 46 36 28 19 12 Таблица 4.8 - Массовые значения влажности и электроэнергии экспериментов по выбору 5 ПФЭ (+) (-)(-) t,мин 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 400 420 430 440 1 опыт m, гр w,% 1860 1690 1510 1330 1180 1030 900 790 710 655 610 565 535 510 505 76 74 70 66 62 57 50 43 37 32 27 21 17 12 12 Рэл, кВт ч 1,4 1,3 1,1 1,1 1 в ходе 2 опыт 3 опыт Рэл, m, гр w,% Рэл, m, гр w,% Рэл, кВт ч кВт ч кВт ч 0,4 1860 76 0,4 1860 76 0,4 1680 73 1645 73 1500 70 1470 70 0,4 1340 67 0,4 1290 65 0,4 1190 62 1145 61 0,4 1050 57 0,3 1020 56 0,3 930 52 905 51 0,3 830 46 0,3 820 46 0,3 755 41 750 40 0,3 690 35 0,2 695 36 0,2 630 29 650 31 0,3 585 24 0,2 610 27 0,2 550 19 580 23 0,2 525 15 0,2 550 19 0,2 520 14 540 17 508 12 520 14 505 12 0,2 510 12 0,2 505 12 98 Таблица 4.9 - Массовые значения влажности и электроэнергии в ходе экспериментов по выбору 6 ПФЭ (+) (-)(+) t,мин 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 530 540 1 опыт m, гр w,% 3720 3530 3340 3120 2960 2740 2550 2375 2180 2010 1825 1660 1530 1400 1290 1190 1120 1055 1010 76 75 73 71 70 67 65 62 59 56 51 46 42 36 31 25 20 15 12 2 опыт m, гр w,% Рэл, кВт ч 0,4 3720 3525 3330 0,4 3120 2930 0,3 2720 2510 0,3 2300 2100 0,3 1900 1720 0,3 1580 1460 0,2 1345 1260 0,3 1160 1100 0,2 1055 1025 1010 76 75 73 71 70 67 64 61 57 53 48 43 39 34 29 23 19 15 13 12 Рэл, m, гр кВт ч 0,4 3720 3510 3300 0,4 3060 2840 0,4 2650 2490 0,3 2320 2140 0,3 1945 1800 0,2 1640 1480 0,3 1370 1280 0,2 1195 1120 0,2 1055 1025 1010 3 опыт w,% Рэл, кВт ч 76 0,4 75 73 71 0,4 69 66 0,4 64 62 0,3 58 54 0,3 50 46 0,3 40 35 0,2 30 25 0,3 20 15 0,2 13 12 Таблица 4.10 - Массовые значения влажности и электроэнергии в ходе экспериментов по выбору 7 на ПФЭ (+)(+)(-) t,мин 0 30 60 90 120 150 180 210 220 1 опыт m, гр w,% 1860 1580 1270 1000 820 710 620 565 550 76 72 65 55 46 37 28 21 19 Рэл, кВт ч 1 0,8 0,8 0,7 2 опыт m, гр w,% 1860 1550 1250 1010 840 705 620 565 550 76 71 28 21 19 99 Рэл, m, гр кВт ч 1860 1 1525 1200 975 780 и 660 570 520 0,6 505 3 опыт w,% 76 71 63 54 43 32 22 14 12 Рэл, кВт ч 1,1 0,8 0,7 0,6 1 240 250 260 2 520 505 3 14 12 4 5 520 510 505 0,7 6 14 12 12 7 8 9 10 0,6 Таблица 4.11 - Массовые значения влажности и электроэнергии в ходе экспериментов по выбору 8 на ПФЭ (+) (+)(+) t,мин 0 30 60 90 120 150 180 210 240 260 270 300 320 1 опыт m, гр w,% 3720 3360 2970 2580 2190 1840 1510 1230 1060 1010 76 73 70 65 59 51 41 27 16 12 Рэл, кВт ч 1Д 1 0,9 0,8 0,8 2 опыт m, гр w,% 3720 3375 3000 2640 2280 1965 1670 1440 1270 1180 1140 1060 1010 76 74 70 66 61 55 47 38 30 24 22 16 12 Рэл, m, гр кВт ч 3720 1 3320 2890 0,9 2495 2120 0,8 1740 1440 0,6 1230 1090 1025 0,6 1010 3 опыт w,% 76 73 69 64 58 49 38 27 18 13 12 Рэл, кВт ч 1,2 1,1 0,9 0,8 0,8 4.3.4 Проверка однородности дисперсий Выполняется с использованием результатов полученных от дублирований. Проверено однородность дисперсий для целей проверки личности измерения значение оптимизации параметров для различных точках факторного пространства. В неровной дублирований для проверки однородности испытаний используемые критериями Бартлетт, в то время как равномерно G - критерий Kохрена. Для полного факторного эксперимента планируются дублирования усилий равномерно. Определение дисперсии ошибок для каждого эксперимента: = (4.2) 100 m = 3 - число повторений экспериментов Полученные результаты приведены в таблице 4.12 Таблица 4.12 № 1 70587,3 635285,5 282349,1 988221,8 494110,9 2 635285,5 282349,1 70587,3 988221,8 494110,9 3 384308,5 196075,8 31372,1 611756,4 305878,2 4 282349,1 0,0 282349,1 564698,2 282349,1 5 17646,8 17646,8 70587,3 105880,9 52940,5 6 96077,1 31372,1 237251,7 364700,9 182350,5 7 1960,8 1960,8 7843,0 11764,5 5882,3 8 70587,3 17646,8 158821,4 247055,5 123527,7 =1941150 Максимальная дисперсия (4.3) Рассчитываются критерии Кохрена: = =0,2545 (4.4) На уровне значимости α = 0,05 степеней свободы к1 = m - 1 = 3 - 1 = 2 и к2 = N = 8 на применении выбирают из = 0,516. G<GT из того, что можно сделать вывод о том, что дисперсии равномерное, т.е. все измерения проводились с примерно одинаковой точностью, гарантированной вероятности γ = 1 -α = 1 - 0,05 = 0,95. 101 4.3.5 Определение коэффициентов уравнения регрессии Коэффициенты уравнения регрессии были определены с использованием программного обеспечения Statgraphics Plus. Полученное уравнение имеет следующий вид: Y = 6575,65 – 708,49 X1 + 1505,53 X2 - 1571,96 X3 – 332,1 Х1Х2 + 309,96 Х1Х3, - 442,81 Х1Х3 (4.5) Номер формул коэффициента регрессии, Х1, Х2 и Х3 являются независимыми факторами, влияющими на процесс. Y являются функцией отклика. Линейное уравнение полностью характеризуют последствия фактора на целевой функции. Чтобы свести к минимуму потребление энергии необходимо увеличить всех членов, которым знак "-", чтобы уменьшить знак "+". 4.3.6 Проверка адекватности полученного уравнения регрессии Целью данного обзора является установление полученного уравнения, которое может служить описанию предмета исследования или необходимо искать более сложную модель. Расчет дисперсии адекватности: где: = (4.6) Ῡ и Ῡ являются соответствующим средним результатом эксперимента, полученного i - точки эксперимента и расчетной всего в том же разделе с помощью уравнения регрессии. l - количество значимых коэффициентов уравнения регрессии Результаты расчетов представлены в таблице 4.13. Таблица 4.13 - Результаты расчетов п 1 Ῡ 6642,1 Ῡ 6885,6 -243,6 59318,8 2 11690,0 11446,5 243,5 59310,7 3 5756,5 5512,9 243,5 59306,2 4 8501,8 8745,4 -243,5 59314,6 5 4250,9 4007,4 243,5 59311,5 6 6553,5 6797,0 -243,5 59309,5 7 3631,0 3874,5 -243,6 59316,9 8 5579,3 5335,8 243,5 59315,0 102 (4.7) Рассчитаем среднее отклонение: (4.8) Гипотеза адекватности проверяется по критерию F - Фишера, который рассчитывается из следующего соотношения: F= = =1,96 (4.9) На уровне значимости а = 0,05 и степеней свободы к =N - l = 8-7 = 1 и к2 = N. (m - 1) = 8.2= 16 приложения выбран FT =4,5. F<Fт, поэтому гипотеза достаточности принимается, полученное примирение используется для адекватного описания данных. 4.3.7 Исследование значение солнечного покрытия В ходе экспериментов в сушке полного факторного эксперимента было сделано с учетом потребления энергии электронагревателей за каждый час эксперимента. Таким образом, определенный расход энергии для выполнения процесса сушки с желаемыми параметрами режима как функции времени для каждого из испытаний. Целью этого теста является определение, сколько из требуемой энергии может быть доставлено через вышеописанный солнечный коллектор и сколько необходимо добавить дополнительных источников энергии (электрические обогреватели) для каждого изучаемого режима. Для этого данные используются для средней интенсивности солнечного излучения в зависимости от времени в течение дня. Измерения были сделаны под наклонным углом 30° плоскости (плоскости солнечного коллектора) в 2007 и 2008. Избран июнь, июль, август, сентябрь и октябрь, а в это время интенсивность солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния являются самыми высокими. На основании измерений определяется расход энергии для осуществления процесса сушки для параметров режимов, для каждого опыта полный факторный эксперимент. Для каждой комбинации уровней факторов (N = 8) были рассчитаны средние значения потребляемой мощности как функции времени в течение трех 103 повторения испытаний. Изменения экспоненциального закона. Уравнение описывающие эти изменения в зависимости от времени представлены в таблице 4.14. Таблица 4.14 - Изменения экспоненциального закона Вариант Функция 1 р =597,О6е "°',449т К2= 0,9731 2 р =649,79е и'105!,т К2= 0,9446 3 р =1380,9е -°',12т К2= 0,9663 4 р =1485,Зе -0,1105т К2 = 0,9554 5 р =464,55е -0,1148т К2 = 0,9508 6 р =449,63е -0,0835т К2 = 0,9105 7 р =1074,Зе -0,1213т К2 = 0,8717 8 р =1224,7е -112,т К2 = 0,9472 На рисунке 4.12 показано средние значения потребляемой электроэнергии для осуществления, в которых фактором является температура верхнего уровня. Показания были взяты каждый час от начала сушки. Рэл , Вт // Время, час □ – ПФЭ3 (-) (+) (-); ∆ - ПФЭ4 (-) (+) (+); ● – ПФЭ7 (+)(+)(-); Х – ПФЭ8 (+) (+)(+) Рисунок 4.12 - Потребление электричества 3,4,7,8 из МФЭ 104 На рисунке 4.13 приведена средняя стоимость электроэнергии для вариантов, в которых факторы температуры ниже уровня. Рэл , Вт // Время, час ♦ – ПФЭ1 (-) (-) (-); ■ – ПФЭ2 (-) (-)(+); ∆ - ПФЭ5 (+)(-)(-) ; Х – ПФЭ6 (+)(-)(+) Рисунок 4.13 - Потребление электричества 1,2,5,6 из МФЭ Из рисунков видно, что с течением времени энергопотребление электронагревателей (требуемая мощность) снижается. Это связано с тем, что, во время сушки количество испаренной воды из продукта в единицу времени уменьшается, следовательно, энергии необходимые для его испарения, также уменьшается с течением времени. Но, кроме энергии для испарения воды из продукта, энергия расходуется для компенсации потерь за счет теплопередачи через стенки печи и нагреть поступающий свежий воздух в сушилку от окружающей среды. Таким образом, даже после того, как кривая, описывающая процесс сушки потребления энергии достигает установленного постоянного значения, соответствующего размеру этих двух расходов энергии. На рисунках 4.14 и 4.15 показаны сравнения между измеренной мощностью электрических нагревателей для каждого из вариантов полного факторного эксперимента и доступной мощности от солнечного коллектора в зависимости от времени в течение одного дня. На рисунке 3.31. показаны варианты, в которых фактором является температура на низком уровне (40°C) и 3,32 вариантах, где температура является высокой (60°С) Доступная емкость коллектора рассчитывается по формуле: P = G.Fкол. ƞкол., W (4.10) 105 где G – суммарная солнечная радиация, W|m2 Fкол = 1,86 м2 - площадь абсорбера солнечного коллектора. ƞкол = 0,65 - КПД преобразование воздуха солнечного коллектора Мощность Р, Вт // Время, час ▪ - май; ■- июнь; ▲ – июль; ♦ - август; ● - сентябрь ● – ПФЭ 1 (-)(-)(-); ● – ПФЭ 2 (-)(-)(+) ● – ПФЭ 5 (+)(-)(-);● – ПФЭ 6 (+)(-)(+) Рисунок 4.14 - Сравнение между измеренным энергопотреблением электрических нагревателей ПФЭ низкую температуру и располагаемую мощность от солнечного коллектора для месяцев май, июнь, июль, август, сентябрь 106 Мощность Р, Вт // Время, час ▪ - май; ■- июнь; ▲ - июль; ♦ - август; ● - сентябрь ● – ПФЭ 3 (-)(+)(-); ● – ПФЭ 4 (-)(+)(+) ● – ПФЭ 7 (+)(+)(-); ● – ПФЭ 8 (+)(+)(+) Рисунок 4.15 - Сравнение между измеренной мощностью электрических нагревателей для ПФЭ, варианты с высоким уровнем температуры и доступной мощностью от солнечного коллектора для месяцев в мае, июне, июле, августе и сентябре Из рисунка видно, что в вариантах осуществления, в котором коэффициент температуры (X2) крепится к низкому уровню (40°C), мощность необходимая для параметров режима обслуживания может быть предоставлена полностью солнечным коллектором для мая, июня, июля. В августе и сентябре вариантов 2 и 6 была нехватка энергии в доме во время окончания экспериментов. Вариант 2, август дефицит является 4% и сентябре - 7%. Вариант 6 - значения были 5% для августа и 9% в сентябре. Вариацией температуры верхнего уровня является нехватка энергии, которая существенно выше (от 8 до 47%). Направления исследования предназначены, чтобы показать какой процент потребности в энергии для параметров режима безопасности может быть обеспечен солнечным коллектором, в зависимости от того, что в час дня начинается высыхание. Цель состоит в определении наличия энергии из солнечного коллектора, подлежащих возмещению по максимуму. 107 Исследование было сделано из вариантов полного факторного эксперимента, в котором температура установлена на верхнем уровне (типы 3,4,7 и 8), так как они имеют существенное отсутствие энергии. Часы начала процесса сушки, для которых расчеты были сделаны за процент солнечного покрытия, являются 8, 9, 10, 11 и 12. Были использованы для сбора данные расчеты мощности для мая, июня, июля, августа и сентября. Фактор на солнечное покрытие рассчитывается как: .100%, где: fcл= (4.11) - располагаемая мощность коллектора за i - й час эксперимента, W - измеряется расход энергии на i - й час эксперимента, кДж n - число часов сушки. Результаты приведены в таблицах 4.15 и 4.16 и рисунках 4.16 –4.19. Таблица 4.15 – Процент солнечного покрытия - fcл., % Нача ВАРИАНТ 3 ВАРИАНТ 4 ло, час май июнь июль август сентябрь май июнь июль август сентябрь 8 9 10 11 12 72 77 77 73 63 65 69 69 66 59 61 64 64 62 56 54 57 57 53 46 52 57 57 52 44 66 72 71 67 59 60 64 64 61 55 57 59 60 57 52 50 53 53 49 42 48 53 53 49 40 Таблица 4.16 - Процент солнечного покрытия - fcл., % Нача ВАРИАНТ 7 ВАРИАНТ 8 ло, час май июнь июль август сентябрь май июнь июль август сентябрь 8 9 10 11 12 84 92 95 95 83 81 87 89 87 78 78 83 84 82 74 71 76 75 70 60 68 75 75 69 58 108 81 85 86 82 71 73 77 78 75 67 69 72 72 70 64 60 65 65 60 29 59 64 64 59 49 Солнечное покрытие, % // Время начало сушки ♦ - май; ■- июнь; ▲ - июль; ■- август; ● – сентябрь Рисунок 4.16 - Солнечная скорость обслуживания в зависимости от времени начала сушки - вариант 3 (-) (+) (-) Солнечное покрытия, % // Время начало сушки ♦ - май; ■- июнь; ▲ – июль; ■- август; ● - сентябрь Рисунок 4.17 - Солнечная скорость обслуживания в зависимости от времени начала сушки - Вариант 4 (-) (+) (+) 109 Солнечное покрытия, % // Время начало сушки ♦ - май; ■- июнь; ▲ – июль; ■- август; ● – сентябрь Рисунок 4.18 - Солнечная скорость обслуживания в зависимости от времени начала сушки - Версия 7 (+) (+) (-) Солнечное покрытия, % // Время начало сушки ♦ - май; ■- июнь; ▲ – июль; ■- август; ● – сентябрь Рисунок 4.19 - Солнечная скорость обслуживания в зависимости от времени начала сушки - Версия 8 (+) (+) (+) 110 Самый охват при сушке начинается в 10:00 по местному времени, но разница между ним и покрытия 9:00 минимальна (только некоторые варианты 2 - 3%). Учитывая небольшую разницу в связи с тем, что полный факторный эксперимент, проведенной сушки картофеля до конечной влажности 12%, и в большинстве случаев будет необходимо сохранение сухим с наибольшей солнечной крышкой, начало сушки будет 9:00. В вариантах, в которых фактором является температура воздуха низкого уровня, в связи со снижением потребления электроэнергии и длительной продолжительности процесса в соответствующее время, процесс сушки составляет 8 часов. Расчет выполнен из солнечного покрытия в течение каждого часа сушки, вариантов 3,4,7 и 8, начала сушки 9:00. Он рассчитывается как в отношении расчетной мощности солнечного коллектора Ркол. так и на потребление энергии электрических обогревателей Рел в течение времени, в процентах. Результаты приведены в табл. 4.17 и 4.18. Таблица 4.17 - Процент солнечного покрытия - fч., % Начало, час 1 2 3 4 5 ВАРИАНТ 3 ВАРИАНТ 4 май июнь июль август сентябрь май июнь июль август сентябрь 58 71 82 91 95 51 63 73 80 85 49 58 67 75 82 42 55 62 66 70 39 52 61 70 72 53 66 76 84 88 47 59 68 74 79 45 54 62 69 76 39 51 57 61 65 36 48 56 65 66 Таблица 4.18 - Процент солнечного покрытия - fcл., % Начало час ВАРИАНТ 7 ВАРИАНТ 8 май июнь июль август сентябрь май июнь июль август сентябрь 1 2 3 4 5 75 93 108 121 128 66 83 97 107 115 63 76 88 100 111 54 72 82 88 95 50 68 81 94 97 111 65 80 92 103 107 57 71 82 90 96 55 66 75 85 93 47 62 70 74 79 44 59 69 79 81 Из таблицы видно, что начала процесса в связи с высоким потреблением энергии в первый период сушки и меньших значениях интенсивности солнечной радиации в утренние часы. В конце процесса солнечная покрытия значительно выше в связи с тем, что потребление энергии во втором периоде уменьшается с уменьшением количества воды, испарившейся в единицу времени, и интенсивность солнечного излучения возрастает в полдень. Даже в некоторых вариантах 7 и 8 произошло избыток энергии, который сохраняя при этом множество рециркуляции, приведет к увеличению температуры сушильного агента. 4.4 Средняя скорость сушки в зависимости от факторов Показания кривых сушки для каждого испытания полного факторного эксперимента рассчитывали среднюю скорость сушки (N,%/мин). Эффект описанных факторов по этому параметру и есть уравнение регрессии. Средняя скорость сушки в каждой версии полного факторного эксперимента рассчитывается путем усреднения результатов средней скорости трех повторов. Таблица 4.19 представляет значения скорости сушки всех опытов ПФЭ, где YI + Y3 измеряются значения для каждого из повторений и Ῡ представляет собой среднее из трех повторений. Таблица 4.19 – Значения скорости сушки № X, Х2 Х3 YI Y2 YI Ῡ 1 2 3 4 5 6 7 8 + + + + + + + + + + + + 0,1421 0,1609 0,2888 0,2566 0,1769 0,1248 0,2762 0,2615 0,1815 0,1398 0,2391 0,2336 0,1657 0,1285 0,2715 0,2177 0,1579 0,1613 0,2856 0,2551 0,1532 0,1249 0,3151 0,26 0,1605 0,1540 0,2712 0,2484 0,1653 0,1261 0,2876 0,2464 Как описано методики были сделаны для проверки однородности дисперсий и проверки адекватности полученных уравнений регрессии. Проверка однородности дисперсий: Расчет критериев Кохрена: = = 0,2193 112 (4.12) В значимости уровня 0,05 и степеней свободы к1 = m - 1 = 3-1 = 2 и к2 = N = 8 из таблицы 13 приложения [22] выбирают из Gт = 0,516. G < Gт . Из этого можно сделать вывод, что дисперсии однородны, т.е. все измерения проводились с примерно одинаковой точностью, гарантированной вероятностью γ = 1 – α =1 - 0,05 = 0,95. Определение коэффициентов в уравнения регрессии. Коэффициенты уравнения регрессии были определены с использованием программного продукта Statgraphics Plus. Полученное уравнение имеет следующий вид: Y = 0,207429 - 0,0010958X1 + 0,0559708X2 0,00469583X1X2 - 0,00639583X1X3 - 0,00227917X2X3 - 0,0137042X3 (4.13) + Цифры уравнения коэффициентов регрессии, и X1X2 и X3 являются независимыми факторами, влияющими на процесс. Y является функцией отклика. Знак перед каждым членом указывает направление удара. Линейные коэффициенты в уравнении полностью характеризуют влияние фактора на целевые функции. Проверка адекватности полученного уравнения регрессии. Полученное уравнение может служить для описания объекта. Адекватность гипотезы проверяется по критерию Фишера, которая рассчитывается из следующего соотношения: F= = =0,33 (4.14) Когда уровень значимости α = 0,05 и степеней свободы к = N – l = 8-3 = 5, к2 = N. (m -1) = 8,2 = 16 таблицы 12 приложения [22] FТ = 2,7. F<F, поэтому гипотеза достаточности подтверждается и полученное уравнение можно использовать для адекватного описания экспериментальных данных. Была обработана результаты ПФЭ, направленные для определения изменения влажности продукта в виде функции работы Nср.t где: Nср., % / мин - средняя скорость сушки для каждого варианта полного факторного эксперимента (среднее из средних скоростей сушки в течение трех повторений); t, мин - время. Для этого рассчитывается среднее значение влажности трех повторностях для каждого варианта полного факторного эксперимента. Данные представлены в таблицах 4.20 и 4.21, чтобы уменьшить их показания объема представлены только в 30 минут. 113 Таблица 4.20 – Средняя влажность Wcp, % и работа Ncp. t для варианты 1,2,3 и 4 Время Вариант 1 t, мин wср.,% Nср.,t 0 76 0,00 30 73 4,37 60 69 8,74 90 64 13,10 120 59 17,47 150 54 21,84 180 49 26,21 210 43 30,58 240 38 34,94 270 33 39,31 300 28 43,68 330 24 48,05 360 20 52,42 390 19 56,78 420 15 61,15 450 14 65,52 480 12 69,89 510 Вариант 2 wср.,% Nср.,t 76 0,00 74 4,42 72 8,84 70 13,26 67 17,68 63 22,10 59 26,51 55 30,93 50 35,35 44 39,77 38 44,19 31 48,61 25 53,03 19 57,45 16 61,87 17 66,29 13 70,70 12 73,65 Вариант 3 wср.,% Nср.,t 76 0,00 70 7,48 62 14,95 52 22,43 43 29,90 35 37,38 27 44,86 20 52,33 14 59,81 12 69,78 Вариант 4 wср.,% Nср.,t 76 0,00 73 7,27 69 14,54 63 21,82 56 29,09 47 36,36 38 43,63 29 50,90 21 58,18 14 65,45 12 72,72 Таблица 4.21 – Средняя влажность Wcp, % и работа Ncp. t для варианты 5,6,7 и 8 Время Вариант 5 t, мин wср.,% Nср.,t 0 76 0,00 30 73 4,87 60 70 9,73 90 66 14,60 120 62 19,46 150 57 24,33 180 51 29,20 210 45 34,06 240 39 38,93 270 34 43,79 300 29 48,66 330 24 53,53 360 19 58,39 390 15 63,26 Вариант 6 wср.,% Nср.,t 76 0,00 75 3,79 73 7,58 71 11,38 69 15,17 67 18,96 65 22,75 62 26,54 58 30,34 54 34,13 50 37,92 45 41,71 40 45,50 35 49,30 114 Вариант 7 wср.,% Nср.,t 76 0,00 71 8,29 64 16,58 55 24,88 45 33,17 35 41,46 26 49,75 19 58,04 14 66,34 12 71,86 Вариант 8 wср.,% Nср.,t 76 0,00 73 6,92 70 13,85 65 20,77 59 27,70 52 34,62 42 41,54 31 48,47 21 55,39 17 62,32 16 69,24 12 73,86 1 420 450 480 510 540 2 13 12 3 68,12 71,37 4 30 24 20 15 12 5 53,09 56,88 60,67 64,46 68,26 6 7 8 9 Основная кривая w = f (Ncp.t) представлена графически на рисунке 4.20 Влажность - W ,% // Nср. t,% Рисунок 4.20 - Обобщенная кривая сушки Приближение функции представляется экспоненциальным уравнением: W=3.5644+78.7618(1+e-(Ncр.t-37,7197)/-16,064 ) (4.15) R2 =0.9681 Эта обобщенная кривая и зависимости Ncp = ƒ(k.t.m) позволяют описать кинетику значений параметров режима сушки. 115 4.5 Сравнение значений потребления энергии Сравнение полученных значений удельного потребления энергии полного факторного эксперимента при использовании обычных систем сушки. Для каждого варианта ПФЭ перечислены значения измерений, а также ожидаемая реальная стоимость энергии (разница между измеренным значением и доступной солнечной энергии коллектора за месяц). Доступно для количества солнечной энергии, используемой за август, в качестве значений для солнечной энергии, то она в среднем за период (май-сентябрь). Результаты сравнения приведены в таблице 4.22. Таблица 4.22 - Сравнения между удельными расходами энергии на испарение одного килограмма воды для различных типов сушилок, кДж/кг [12] Вид сушилки Камерная Ленточная Шахтная Дисковая, роторная, турбинная Барабанная Вибрационная Кондуктивная трубная Кондуктивная дисковая Кондуктивная шнековая Высокочастотная Солнечная конвективная сушилка: Вариант 1 (-)(-)(-) Вариант 2 (-)(-)(+) Вариант 3 (-)(+)(-) Вариант 4 (-)(+)(+) Вариант 5 (+)(-)(-) Вариант 6 (+)(-)(+) Вариант 7 (+)(+)(-) Вариант 8(+)(+)(+) q,кДж/кг 8000 5000-7400 7500 3300-4200 3600-6100 4200 2800-3200 2800-3500 6300-9500 9000-18000 Расход измерений Конечный расход 6642 0 4251 0 11690 4208 6554 2686 5756 0 3631 0 8502 1445 5579 1562 Из таблицы видно, что только ожидаемые реальные значения удельного потребления энергии для варианта 3 и 4 сопоставимы с другими сушилками. Для вариантов 7 и 8 на 50% ниже по сравнению с самым низким уровнем этих сушилок (проводящий и проводящий трубчатый диск сушильных). Для вариантов 1,2,5 и 6 доступной энергии от солнечного коллектора достаточно, чтобы покрыть стоимость, для этой цели не нужно включать дополнительный источник энергии. Рисунки от 4.21 до 4.28 представляют изменения влажности, температуры, количество энергии, потребляемой электрическим 116 нагревателем и количества влаги выпариваемой в течение периода от 10 минут в зависимости от Ncp/τ работы для всех версий ПФЭ. w, [%]; t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %;●- Твх 0C; ∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g ; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.21 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от работы N cp/τ вариант 1 ПФЭ w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %; ●- Твх 0C; ∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.22 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от N cp/τ вариант 2 ПФЭ 117 w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %; ●- Твх 0C; ∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.23 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от N cp/τ вариант 3 ПФЭ w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %;●- Твх 0C; ∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.24 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от работы N cp/τ вариант 4 ПФЭ 118 w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %; ●- Твх 0C∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g ; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.25 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от работы N cp/τ вариант 5 ПФЭ w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %; ●- Твх 0C; ∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.26 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от работы N cp/τ вариант 6 ПФЭ 119 w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %; ●- Твх 0C∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g ; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.27 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от работы N cp/τ вариант 7 ПФЭ w, [%];t [0C]; dU[g] // Nср.t [%] // Qэл [kДж] ●- w, %; ●- Твх 0C; ∆ – Твых 0C; ♦ - dU.g; ♦ - Qэл kДж Рисунок 4.28 - Поправка влажности, температуры на входе и выходе из сушильной камеры, количество энергии, потребляемой электрическим нагревателем и количество влаги в зависимости от работы N cp/τ вариант 8 ПФЭ 120 4.6 Удельный расход энергии на сушку На основании измеренного потребления электроэнергии в течение каждого часа сушки и измерения массы продукта каждые 10 минут делается изучение изменения удельного расхода энергии в процессе сушки. Это делается для каждого из вариантов полного факторного эксперимента. Результаты представлены в таблице 4.23, чтобы уменьшить объем данных представлены показания каждые 30 минут. Таблица 4.23 - Удельный расход энергии в виде функции времени для каждого из вариантов ПФЭ, MJ/кг t,мин 1 2 3 4 5 6 7 8 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 530 540 0 4,18 4,48 3,69 5,33 6,86 7,38 7,20 9,00 8,00 8,00 14,40 24,00 0 5,25 5,60 4,50 4,24 3,53 3,75 3,43 3,43 3,69 4,00 5,33 6,00 6,00 0 6,55 7,58 10,00 13,33 18,00 21,60 36,00 54,00 48,00 0 5,14 5,54 6,00 5,28 5,68 5,68 8,73 10,67 16,00 24,00 0 4,00 4,00 4,80 4,80 4,50 4,50 6,00 7,20 6,00 6,00 8,00 12,00 24,00 24,00 0 3,69 3,69 3,43 4,00 3,43 3,43 2,57 2,77 3,00 3,00 3,00 3,00 5,14 7,20 4,00 6,00 8,00 8,00 8,00 0 5,74 6,29 8,73 6,86 10,50 16,80 24,00 0 4,80 4,80 4,50 4,50 4,57 5,05 5,14 8,00 9,00 12,00 На рисунке 4.29 представлены результаты вариантов 3,4,7 и 8, факторы, которые с высокой температурой и на рисунке 4.30 - результаты вариантов 1,2,5 и 6, для которых температурный коэффициент находится на низком уровне (40°C) 121 Спец.расход – q,МДж/кг // Время – t, мин ♦- ПФЭ3; ●- ПФЭ4; ∆ - ПФЭ7; ■- ПФЭ8 Рисунок 4.29 - Удельный расход энергии на сушку, в качестве функции времени в процессе сушки вариантов 3,4,7 и 8. Спец.расход – q,МДж/кг // Время – t, мин ♦- ПФЭ1;●- ПФЭ2; ∆ - ПФЭ5;■- ПФЭ6 Рисунок 4.30 - Удельный расход энергии на сушку, в качестве функции времени в процессе сушки согласно варианту 1,2,5 и 6. 122 Данные показывают, что удельный расход энергии для сушки является относительно постоянной в первом периоде, но во втором увеличивается период, несмотря на сокращение измеряемой потребления энергии для каждого часа сутки. Для вариантов 1,3,5 и 7 с низкой нагрузкой на нагревательную камеру (1 кг/м2) была значительно выше в конце процесса (между 25 и 50 кДж/кг и.в.), в то время для тех, в которых нагрузка высокой (2 кг/м2), количество конкретного топлива находится в диапазоне от 6 до 25 кДж/кг и.в. Приближения функций удельного потребления энергии для каждого варианта приведены в таблице 4.24. Таблица 4.24 - Приближения функций удельного потребления энергии для каждого варианта Вариант 1 q = 0,0001t2 - 0,01171t + 3,2705 R2 = 0,7831 Вариант 2 q = 1Е-05t2 + 0,00091t + 3,379 R2 = 0,8182 Вариант 3 q = 0,0006t2 + 0,0259t + 2,3206 R2 = 0,9382 Вариант 4 q= 0,0003t2 + 0,0321t + 3,3997 R2 = 0,8686 Вариант 5 q = 0,0002t2 - 0,0379t + 4,4065 R2 = 0,2235 Вариант 6 q = ЗЕ-05t2 - 0,0062t + 2,9688 R2=0,7 Вариант 7 q = 0,0004t2 + 0,0064t + 2,7046 R2 = 0,9052 Вариант 8 q =8Е-05t2 + 0,0033t + 2,7158 R2 = 0,7911 123 Выводы по 4 разделу 1. Составлено уравнение регрессии, описывающее влияние факторов рециркуляции, температуры и нагрузки печи от конкретного потребления энергии для сушки Q = f (k,t, m). 2. В вариантах, где температура является в верхнем уровне самой энергоэффективной точки началом сушки будет 9:00 по местному времени. 3. Уравнение регрессии, описывающее влияние кратности рециркуляции факторов, температуры и загрузки в печь зависит от скорости вариантов сушки для многофакторного эксперимента Nср = = f (k, t, m). 4. Есть обобщенная кривая сушки для всех попыток полного факторного эксперимента w=f (Nср∙ ), которая вместе с зависимостью Nср = f (k,t, m) позволяют описывать кинетику режима сушки значений параметров кроме тех, которые изучались, при условии, что начальная влажность картофеля и подготовки их для сушки будет той же самой. 5. Проведено сравнение между ожидаемой, реальной стоимостью энергии в солнечной конвективной сушилки и у обычных систем сушки. Результаты показали, что только около 3 или 4 значения вариантов сопоставимы с другими сушилками. Для вариантов 7 и 8 на 50% ниже по сравнению с самым низким уровнем этих сушилок, и для вариантов, где температура низкая, доступной энергии из солнечного коллектора достаточно, чтобы покрыть стоимость и нет необходимости включать дополнительный источник энергии. 6. Производится исследование изменения удельного потребления энергии во время процесса сушки. В первом периоде он оставался практически неизменным, но во втором увеличивается период до значений 25-50 кДж/кг максимальная для вариантов загрузки 1 кг/м2 и 6-25 кДж/кг максимальную т.е., с нагрузкой 2 кг/м2, хотя измерение энергопотребления на каждый час процесса снижается. 124 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕЛИОСУШИЛКИ ТЕПЛИЦЫ Овощеводство относится к одной из важных и сложных отраслей сельского хозяйства. Оно дает исключительно ценные продукты питания, спрос на которые постоянно растет. Поставлены задачи по увеличению производств овощей, расширению их ассортимента, повышению качества, улучшению сохранности и резкому сокращению потерь, а также на необходимость совершенствования организации производства, заготовок, хранения, переработки и реализации овощной продукции, увеличения строительства холодильников, хранилищ, приемозаготовительных пунктов, перерабатывающих предприятий и цехов, расширения тепличного хозяйства. В выполнении этих задач решающая роль принадлежит специализированным предприятиям рыночного типа, так как они являются основными поставщиками овощной продукции. Здесь сосредоточена преобладающая часть посевов, имеются благоприятные условия для применения современных машин и оборудования, передовой агротехники и организации труда. Также предприятия сосредоточены около городов и промышленных центров и используют их отбросные тепло и мусор для обогрева тепличнопарникового хозяйства, сточные воды - для орошения полей, осадок этих вод – для удобрения почвы. Главные культуры – огурец, томат, лук на зелень и др. Производство организовано по индустриальным технологиям с применением средств механизации. Продукция поступает для реквизита в течение всего года и пользуется особым спросом в внесезонное время. Они занимают, как правило, небольшую земельную площадь, необходимую для размещения тепличного хозяйства, жилых и культурно-бытовых зданий. Здесь имеются горячая вода теплоцентралей и отбросное тепло заводов и фабрик для обогрева, электроэнергия для досвечивания в зимнее время, газ, возможность быстро, без потерь и с меньшими затратами доставить продукцию потребителю. Экономическая эффективность производства выражается системой показателей, в которую, кроме производительности труда и себестоимости, включается чистый доход, прибыль, рентабельность и некоторые другие. Чистый доход является денежным выражением прибавочного продукта, он служит источником расширенного воспроизводства и образования фондов потребления. Принято различать созданный и реализованный чистый доход. Реализованный соответствует прибыли предприятия, определяемой как разница между выручкой за реализованную продукцию и ее себестоимостью. Прибыль в расчете на один отдельный вид продукта представляет собой разницу между ценой реализации и полной себестоимости. Каждое предприятие работающее в условиях коммерческого расчета, для введения расширенного воспроизводства должно не только получать запланированный объем валовой и товарной продукции и возмещать затраты, 125 на ее производство, но и обеспечить прибыль. Предприятие, получившее прибыль, считается рентабельным [133]. Рентабельность (доходность) агроформирования означает, что выручка за реализованную продукцию превышает затраты на ее производства и реализацию. Отношения полученной прибыли к себестоимости реализованной продукции, выраженное в процентах, показывает уровень рентабельности: его определяют по формуле: Ур= (5.1) где: Ур - уровень рентабельности; П - прибыль, тыс. тг; Сб - полная себестоимость реализованной продукции, тыс.тг; Этот показатель может быть исчислен как по агроформированию в целом, так и производству отдельных видов сельскохозяйственной продукции, отрасли растениеводства. Рентабельность производства сельскохозяйственной продукции колеблется по годам. Снижение себестоимости и рост уровня рентабельности означают повышение эффективности сельскохозяйственного производства. Экономия от снижения себестоимости продукции служит одним из источников пополнения денежных ресурсов для расширения производства, совершенствования технологии и материального стимулирования работников. Чем ниже показатель себестоимости при условии выполнения плана по количеству и качеству продукции, тем выше эффективность производства. Резервы снижения имеются в каждом предприятий. Для их выявления анализирует уровень, динамику и структуру себестоимости, проводят сравнение с показателями передовых предприятий, а так же плановых и отчетных, изучают достижения науки и практики. Снижение себестоимости продукции в процессе всесторонней интенсификации производства происходит в том случае, если увеличение урожайности культур опережает рост затрат на единицу площади. Уменьшение затрат на сельскохозяйственную продукцию зависит от многих факторов. В растениеводстве - это повышение урожайности, сокращение потерь, высокий уровень организации производства и др. Снижение себестоимости продукции достигается так же благодаря рациональному расходованию средств сокращению, затрат по управлению производством, внедрению коммерческого расчета. Большие возможности по снижению себестоимости заключены в повышении производительности труда при условии, если темпы его опережают темпы роста оплаты труда. Прежде всего, это происходит за счет технической оснащенности. 126 Фактором снижения себестоимости и повышения рентабельности сельскохозяйственного производства следует считать повышение экономического образования и формирование экономического мышления работников. Важная роль в соблюдении режима экономии принадлежит планово-экономической и учетной службам сельскохозяйственных предприятий. Значительное сокращение затрат и повышение рентабельности могут быть достигнуты в результате увеличения объема ее получения и продажи, улучшения качества, реализации в лучшие сроки, более полного использования всех условий созданных государством для сельскохозяйственных предприятий. В настоящее время организовано производство конструкций современных теплиц и автоматических устройств, регулирующих в них микроклимат. При организации производства по индустриальным технологиям изменяются формы и методы организации труда. Например, в защищенном грунте на смену индивидуальному обслуживанию теплиц приходит звеньевое обслуживание на коллективном подряде. Индустриализации овощеводства способствуют выведение новых сортов и гибридов культур, пригодных к машинной технологии, организация посева семян и выращивания рассады в специализированных предприятиях, внедрение прогрессивных способов хранения, упаковки и транспортировки скоропортящейся продукции, полное обеспечение контейнерами, ящиками и другой тарой, строительством в сельскохозяйственных агроформированиях специализированных сортировальных пунктов с мойками и сушилками, овощехранилищ с холодильными установками, перерабатывающих производств и дорог с твердым покрытием к каждому полю севооборота, подготовка и повышение квалификации овощеводов, комплексное решения вопросов улучшения условий их труда и быта. Особо следует отметить, что процесс индустриализации производства в овощеводстве защищенного грунта осуществляется быстрее, чем в открытом грунте. Это объясняется тем, что здесь меньше сезонность производства и зависимость от погодных условий, имеется возможность выращивать овощи в течение всего года. Производство овощей в защищенном грунте по сравнению с открытым грунтом имеет специфические особенности, обусловленные тем, что для их выращивания создают благоприятные условия во внесезонное время. Оно требует сравнительно высоких капиталловложений и затрат труда на единицу площади и дает с нее значительно больше продукции за счет получения нескольких урожаев в год. Его организуют в культивационных сооружениях и утепленном грунте. К ним относят зимние и весенние теплицы, парники, малогабаритные пленочные укрытия. Для зимнего производства овощей предлагается сооружение ангарной теплицы размером 750 м² с бытовыми и вспомогательными помещениями. Капитальные вложения и приобретение 127 оборудования составляют 8500 тыс.тг. на один м² в зависимости от зоны и системы отопления, а в северных районах - свыше на 20-25%. Последние годы широко развернулось строительство зимних остекленных и пленочных теплиц с различными площадями. Опыт их строительства и эксплуатации свидетельствуют о том, что на такие теплицы идет меньше строительных материалов и тепла, для обогрева. В них выше уровень механизации и автоматизации процессов и производство организовано по индустриальным технологиям. В зимних теплицах продукцию получают в течении всего года. Урожайность овощей в передовых агороформированиях, расположенных на юге-востоке, где выращивают огурцы и помидоры урожайность составляет 2030 кг и более с одного м². Для организационно-экономической оценки культивационных сооружении в условиях конкретного агроформирования применяют систему показателей: выход продукции с 1 м² инвентарной площади (в кг и тг) с учетом качества и сроков поступления, производительностьи труда, себестоимости продукции, уровня рентабельности, удельных капиталовложений, сроки их окупаемости, экономии приведенных затрат на 1м². Поскольку строительство теплиц обходится дорого и высокими являются производственные расходы на их эксплуатацию, важно полнее и эффективнее использовать каждый квадратный метр защищенного грунта. Этой цели служит культурообороты под которыми понимают чередование овощных культур в культивационных сооружениях и утепленном грунте в течении эксплуатационного периода. Культурообороты составляют по видам сооружений с учетом световых зон страны, биологических требований растений, равномерности затрат труда по периодам года, непрерывности поступления разнообразных овощей и других факторов. В овощеводстве защищенного грунта бригады организуют по видам сооружений: тепличные, парниководческие, по обслуживанию утепленного грунта. В агроформированиях, где защищенный грунт имеет небольшие размеры, создают специализированные звенья. Усиленный состав мастеров теплиц определяют, исходя из установленных обслуживаний по культурам в период ухода и сбора урожая. В качестве примера рекомендуют следующее нормы на человека за 8-часовой рабочий день. Зимние ангарные теплицы, м² Огурец: Короткоплодных сортов - 600-700 Длинноплодных сортов - 700-800 Томат - 700-800 Научно-технический прогресс создает условия для постепенного перевода овощеводства на индустриальные методы. Его характеризуют следующие признаки: 128 - крупные производства продукции, отвечающие требованиям длительного хранения, промышленной переработки и торговли; - комплексная механизация, а в овощеводстве защищенного грунта и автоматизация процессов труда при углубленном его разделении и кооперации; - прогрессивные технологии и высокоурожайные сорта и гибриды овощных культур, пригодные для механизированного и интенсивного возделывания; - поточность выполнения технологических процессов и регулирование влияющих на них факторов внешней среды. В то же время биологические особенности развития растений не позволяют полностью заменить ручной труд машинным и обеспечить такой же равномерный выпуск продукции, как в промышленности. Перевод овощеводства на индустриальные методы сопровождается организацией крупных агропромышленных формирований, в которых достигается высокий уровень концентрации производства в едином технологическом потоке с товарной обработкой продукции, ее хранением, переработкой и реализацией. Одновременно укрепляются плодородие почв, реконструируются и расширяются действующие тепличные комбинаты, что создают условия для высокопроизводительного использования техник, применения индустриальных технологий и перевод передовых методов организаций труда. Сооружаются тепличные сети, позволяющие гарантировать получение урожая независимо от погоды. Для определения экономической эффективности гелиосушилки необходимо знать результаты получения сушеных яблок и производство огурцов и помидоров. Для эффективного использования гелиосушилки выращивает яблоки со средней урожайностью 10 000 кг с 1 га. При этом из каждого килограмма яблок планируется получить 0,1кг сушеных яблок и можно реализовать по цене 300 тенге за килограмм. Полученную продукцию можно выразить по ниже следующей формуле: З˳= В х Ц; (5.2) где: З˳- общая сумма выручки от реализации продукции, тенге; В - объем произведенной продукции, кг; Ц - цена 1 кг реализуемой продукции, тенге. Данное агроформирование по производству сушеных яблок выращивает фруктовые деревья на 10 гектарах со средней урожайностью 10000 кг с 1га. Произведенная продукция и полученная выручка составляет: З˳=(1000кг/га х 10 га)/ 10х300 тг = 3 000 000 тенге. 129 Расчет прямых затрат по статьям на получение одного килограмма сушеных яблок, тенге. Таблица 5.1 - Прямые затраты по статьям на получение одного килограмма сушеных яблок Тенге 40 35 31 15 6 2 2 3 3 3 140 Оплата труда с начислениями Сырье (яблоко) Топливо Освещение Транспортные услуги Амортизация Текущий ремонт Страховые платежи Налоги Прочее Всего Выручка – 3 000 000 тенге Затраты - 1 400 000 тенге Прибыль – 1 600 000 тенге Ур = х 100%= 114,3% = (5.3) Таким образом, уровень рентабельности по производству огурцов и помидоров составляет 114,3%. Тогда выручка от реализации огурцов и помидоров составит: З˳= (20кг/ м²х 750м² )х 250 тенге = 3 750 000 тг (5.4) Себестоимость 1 кг помидора: 50 тг Общая себестоимость: 15 000кг х 150тг = 2 250 000 тг. Выручка: 3 750 000 тг Ур= х 100%= 66,7% (5.5) Себестоимость: 2 250 000тг Прибыль: 1 500 000 тг. 130 Таблица 5.2 - Расчет прямых затрат по статьям на получение 1 кг помидора, тенге Оплата труда с начислениями Семена Топливо Минеральные удобрения Электроэнергия Транспортные расходы Амортизация Текущий ремонт Страховые платежи Налоги Прочие Всего 79 6,6 26,6 7,0 13,0 3,5 2,0 2,2 2,0 2,0 5,9 150 Общая прибыль от сушенных яблок: 1 600 000тг Технологии и техники от помидоров и огурцов: 1 500 000тг Всего: 3 100 000тг Общая уровень рентабельности теплицы: Ур = х 100%= 84,9% Вложенные средства должны рассчитываемой - по формуле: окупиться в Т= С/П, год (5.6) течение Т-годов, (5.7) где: С - стоимость гранта 8 500 000 тенге за 2 транша П - прибыль (3100000тг) Т= (5.8) Следовательно, вложенные средства могут окупиться за 2,7 года. 131 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Проведенный литературный обзор и анализ существующих гелиосушилок в мире показал, что для казахстанского рынка необходим солнечный коллектор, который совмещает приемлемые технические характеристики с низкой стоимостью. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных желателен выпуск арочной конструкции гелиосушилок-теплиц с прозрачным покрытием из полигали. Существующие конструкции сушильных установках с солнечной энергии, не подходят для оценки, и изучить возможность использования солнечной радиации в качестве источника энергии. 2. В результате исследований была обоснована и разработана полифункциональная гелиосушилка теплица. 3. Подготовлена конструкторская документация и изготовлена на экспериментальном заводе Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства МСХ РК (Алматы). Полифункциональная гелиосушилка теплица установлена в учебнопроизводственном хозяйстве Казахского Национального аграрного университета в с.Саймасай Енбекшиказахского района Алматинской области и передана по акту для дальнейшей эксплуатации. 4. Предложена комбинированная система энергообеспечения комплекса гелиосушилок-теплиц (3 блока), в том числе от энергии солнца. 5. Получен Инновационный патент на изобретение РК «Гелиосушилкатеплица» № 26684 от 06.02.2013 г. 6. Предложены меры, приемы по монтажу и крепления листов из сотового поликарбоната, обеспечивающие достаточную герметичность соединений и исключающие возможные теплопотери. 7. На основании расчетов подготовлено Техническое задание на изготовление опытного образца системы автономного энергоснабжения от солнечных батарей с полным оснащением соответствующими приборами. 8. В соответствии с Техническим заданием был изготовлен и произведен монтаж опытного образца оборудования по энергообеспечению от солнечных батарей с суммарной мощностью около 5-6 киловатт. 9. Даны рекомендации по уходу за почвой в теплице и параметрам освещения. Использование солнечной энергии для энергоснабжения позволит замещать от 20 до 60% тепловой нагрузки объектов сельского хозяйства в зависимости от климатического расположения, исключить затраты на доставку органического топлива (что важно для удаленных потребителей), предотвратить загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции. 10. Результаты научных исследований позволяют рассчитать основные параметры микроклимата теплиц ангарного типа. 132 11. Предлагаемая технология экологически безопасна во всех компонентах и потенциально не может нанести ущерб окружающей среде, так как базируется на использовании естественного солнечного света при сушке и обогреву помещения, и выращивании овощей. Оборудование производит экологически чистую продукцию. Негативное взаимодействие с почвой, водой, воздухом не происходит. 12. Гелиосушилка-теплица может функционировать без привязки к внешним факторам и максимально автономна и надежна. Поэтому она устойчива и работоспособна к естественным рискам. 13. Внедрение данного оборудования послужит примером для других фермерских хозяйств по приобретение и тиражированию такого же оборудования. В результате чего фермеры получат возможность производить большее количество продукции, что должно увеличить их доходы. 14.Уровень рентабельности теплицы составляет-84,9%. Вложенные средства могут окупиться за 2,7 года. 133 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Разработка энергосберегающей технологии круглогодичного производства и переработки плодоовощной продукции на базе полифункциональных гелиосушилок-теплиц: отчет о НИР (заключительный) / РГП на ПХВ КазНАУ: рук. Атыханов А.К. – Алматы, 2013. – 76 с. – № ГР 0111РК00488. – Инв. № 0211РК01498. 2 Концепция по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике», утвержденной Указом Президента Республики Казахстан Н.А. Назарбаевым от 30 мая 2013 г. №577. 3 Atihanov A.K. Improvement of ecologically safe technology of increase of productivity of grain crops on the basis of deep destruction spices weds in conditions of a country facilities. Материалы международной научно-практической Интернет-конференции (21-31 октября 2008), издательский центр «Гарант», Алматы. 2008. 4 Щтраков, Ст. и к-в, Изследване на вакуумно-тръбни слънчеви колектори в условията на България, сп. Топлотехника за бита, бр. 5. 2006. 5 Андонов, К. и к-в. "Тенденции в развитието на енергетиката в световен и национален план" Сп. Енергетика, 2007. бр 3. -С.12-17. 6 Четвърти доклад на междуправителствената група по промяна на климата, сп. Енергетика, 2007. бр. 4, - 45 с. 7 Basunia, M.,T. Abe, Thin layer solar drying characteristics of rough rice under natural convection, Journal of Food Engineering, 2001, Vol. 47, No. 4, - Р.295-301. 8 Solar Energy Technology Handbook, editors: W.Dickinson, P.Cheremisinoff, New York, Marcel Dekker Inc., 1980. 9 Гурбанязов О. А. дисс. Разработка научно-технических основ, создание и опыт эксплуатации низкопотенциальных тепломассообменных гелиотехнологических установок. Ашхабад. 1990г. 10 Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки DJVU. М.: Энергоатомиздат, 1991. 11 Подгорнов Н.И., Шкуро А.Е. Гелиокамеры с аккумуляторами энергии для тепловой обработки бетона // Основные направления и опыт использования солнечной энергии в народном хозяйстве: Тез. докл. I Респуб. научно-прак. конф.- Карши, 1988. – С.39- 41. 12 Мазаев Л.Р. Метод расчета и проектирования солнечной теплицы для региона Сибири : дисс.кандидата технических наук : 05.20.02. - Улан-Удэ, 2011. - 176 с. 13 Пазылхаирова Г. Возобновляемые источники энергии в РК- настоящее и будущее... Ж.: Вестник промышленности и торговли. №10. 2012. - С.22-23. 14 Минчев М, Е. Колева, И. Киряков, З. Велчев. Изследване на интензивността на слънчевата радиация в град Пловдив. Топлотехника за бита, 11, 2004. 15 Программа развития агропромышленного комплекса в РК на 2010-2014 134 годы Бизнес-план. Теплица по выращиванию овощей (помидоры, огурцы). 16 Лукьянченко С. Олимпийский инструмент // Наука и жизнь. - 2014. - № 1. - С.20-25. 17 Касымбаев Б.М., Атыханов А.К., Караиванов Д.П. Состояние солнечного теплоснабжения теплиц в учебно-производственном хозяйстве КазНАУ. Материалы международной научно-практической конференции «УАЛИХАНОВСКИЕ ЧТЕНИЯ – 18» 25-26 апреля. Көкшетау, 2014. Том 7. – С.38-41. 18 Атыханов А.Қ., Касымбаев Б.М., Юсупов Ж. Е. Көпсалалы гелиокептіргіш - жылыжайдың тиімділігі. Ізденіс журналы. №4. 2012 ж. –Б. 152-155. 19 Живописцев Е.K., Косицын О.А. Электротехнология и электрическое освещение. М.: Агропромиздат, 1990. –С.91-102. 20 П.П.Долгих, Я.А.Кунгс, Н.В.Цугленок. Лабораторный практикум и курсовое проектирование по освещению и облучению: Учеб. Пособие/ Краснояр. гос. аграр. Ун – т. – Красноярск, 2004. – 281 с. 21 Добров В.В. Парники и теплицы. Серия "О’кей". – Ростов н/д: Д.56 "Феникс", 2005. – 256 с. 22 Омаров Р.А., Байболов А.Е., Райымбеков А.Е., Омар Д.Р. К повышению КПД гелиоколлектора. Научно-технический журнал. Международная агроинженерия. КазНИИМЭСХ. Алматы. №10. 2014г. – С.23-32. 23 Федеральный закон от 22.07.2008 г. № 123-ФЗ. Сертификат соответствия № С-RU.ПБ30.В.01217. 24 Касымбаев Б.М., Атыханов А.К., Кабдырахим К. Теплоизоляционные свойства сотового поликарбоната. Министерство образования и науки Республики Казахстан КазНАУ, Научный журнал «Исследования, результаты» № 3. Алматы. 2014. – С.272-275. 25 Краткая энциклопедия домашнего хозяйства "Сделай это сам". Строительство теплицы (конструкции, материалы, эксплуатация, отопление, вентиляция). Составитель: Б.Дюмин, Редактор: С.Зиновьева. – М.: Астрель • АСТ, 2005. – 160 с. 26 Теплотехнический справочник в 2-ух томах. Под общей редакцией В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. "Энергия". – М.: Москва, 1976. 27 Филоненко Г.К., Гришин М.А., Гольденберг Я.М., Коссек В.К. Сушка пищевых растительных материалов. 1971г. Изд-во Пищевая промышленность. - 438 с. 28 Bryan William. Direct solar drying of fruits and vegetables in the southeastern united states. – Energy Use Manag. Proc. Int. Conf. Tucson, Ariz., 1977, v. 3-4 New York, e. a. 1978, - Р.521-525. 29 Исмаилова А. А., Бектенов Л. Б. Экспериментальный анализ по применению прозрачной пленки и стекла для гелиосушилок.- Тр. «Вопросы теории и экпериментальной физики». Алма-Ата, 1979, - С.96-100. 30 Fenilloley P. Le sechage des fourrages et des semences par des capteurs 135 solaires gonflables. Agriculture (France), N 435, - Р.415-416. 31 Крепис И. Солнечные сушилки, теплицы, парники. – Сельское хозяйство Молдавии, 1979, №8, - С.47-49. 32 Умаров Г. Я., Авезов Р. Р., Икрамов А. И. Использование солнечной энергии для сушки фруктов и овощей. Консервная и овощная промышленность, 1978, № 10, - С.22-23. 33 Матвеев А. В. Методика определения энергетической эффективности гелиоводонагревательных систем с плоскими коллекторами. Автореферат. Москва – 2008. 34 Mills, D. Boom-time for renewable energy in Europe // Solar Progress. – 2000. – Vol. 21, № 2. – P.14. 35 Arkar C., Medved S., Novak P.Long-term operation experiences With largescale solar systems in Slovenia // Renewable Energy. – 1999. – Vol. 16. – P.669-672. 36 Мак – Вейг Д. Применение солнечной энергии // М. – 1981. - 216 с. 37 Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии // М., Мир, 1977. – 413 с. 38 Kassymbayev B.M., Atykhanov A.K., Karaivanov D.P. Application of cellular polycarbonate for the greenhouses coverage in education and production farm of Kazakh National Agrarian University. Global Science and Innovation. Materials of the II international scientific conference. Vol. II. May 21-22nd, 2014. Chicago, USA 2014. –Р.13-23. 39 Ассоциации теплиц Казахстана. http://greenhouses.kz/ 40 Агентство по статистике РК. http://www.stat.kz/Pages/default.aspx 41 Газета «Жэньминь жибао». 2010г. – 23 с. 42 Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов.Москва. Издательство Пищевая промышленность. 1973. – 527с. 43 Гинзбург A.C. Основы техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1973. - 538 с. 44 Невенкин, С., Сушене и сушилна техника, Техника, София, 1993. 45 Handbook of food engineering practice, New York: CRC Press; 1997. ISBN: 0-8493-8694-2. 46 Leon, M. et al, A comprehensive procedure for performance evaluation of solar food dryers, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 6 ,p.p. 367-393, Pergamon Press, 2002. 47 Лебедев, П. Теплообменые, сушильные и холодильные установки, Москва, Энергия, 1972. 48 Лурье, М. Сушильное дело, Москва, Государственное Энергетическое Издательство, 1948. 49 Лыков, А., Теория сушки, Москва, Энергия, 1968. 50 Справочник по енергетика, В 9т. Под ред. С. Стоянов, Н. Калоянов, АВС Техника, том 7, Част I, 1999. 51 Vargas, T., S. Camacho. Drying of fruits and vegetables - experiences in Bolivia. Publication of Energetica (Bolivia) and FACT (Germany), 1996. 136 52 Алкатири, М. Изследване възможностите за използване на слънчева енергия за интензифицирано сушене на плодове и зеленчуци. Дисертация за получаване на научна степен к.т.н., Пловдив, 1991. 53 Bilgen, E. Bakeka B. Solar collector systems to provide hot air in rural applications Renewable Energy, 2008, Vol. 33, Issue 7, p.p. 1461-1468. 54 Bennamoun, L., A. Belhamri Numerical simulation of drying under variable external conditions: Application to solar drying of seedless grapes, Journal of Food Engineering, 2006, Vol. 76, p.p. 179-187. 55 FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Assessment collection of data on post-harvest food-grain losses. Econ. Social development paper 13, p. 1-70, 1980. 56 ILO Solar drying: practical methods of food preservation, International Labour Office-Geneva, 1986, Switzerland ISBN 92 2 105357. 57 Gbaha, P. et al. Experimental investigation of a solar dryer with natural convective heat flow. Renewable Energy, 2007, Vol. 32, Issue 11, p.p. 1817- 1829. 58 Lahsasni, S.et aL.Thin layer convective solar drying and mathematical modeling of prickly pear peel (Opuntia ficus indica). Energy, 2004,Vol. 29(2) p.p. 211-224. 59 Chen, H., H. Hernandez, T.Huang, C..A study of the drying effect on lemon slices using a closed-type solar dryer. Solar Energy, 2005,Vol. 78(1), p.p. 97- 103. 60 Sacilik, K., R. Keskin, A. Elicin, Mathematical modelling of solar tunnel drying of thin layer organic tomato. Journal of Food Engineering, 2006,Vol. 73(3), p.p. 231-238. 61 Karim M., M. Hawlader, Mathematical modeling and experimental investigation of tropical fruits drying. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, Vol. 48, p.p. 4914-4925. 62 Kiranoudis, C. et al. Drying kinetics of onion and pepper, Drying Technology, 1992, Vol. 10, p.p. 995-1011. 63 Tokar, G.M. Food drying in Bangladesh. Agro-based industries and technology project (ATDP)IFDC, Dhaka 1213, December, 1997, www. agrobengal. Org. 64 Еленков, В. Сушене и сушилна техника, София , Земиздат, 1988. 65 Pravenkumar, D. et al. Suitability of thin layer models for infrared-hot air drying of onion slices, Lebensmittel-Wissenschaft and Technologie, 2006, Vol. 39, p.p. 700-705. 66 Справочник энергетика, В 9т., Част II, под ред. на С. Стоянов, Н. Калоянов, АВС Техника, том 8, 1999. 67 Leniger, H., W. Beverloo, Food process engineering. USA: D.Reidel Publishing company, 1975. 68 Soponronnarit, S. et al. Computer simulation of solar-assisted fruit cabinet dryer, RERIC International Energy Journal, 1992, Vol. 14, No 1. 69 Henderson, S., R. Perry, Agricultural process engineering, University of California, Library of Congress Catalog Card Number 54-12684, USA, 1974. 70 FAO. Rural Energy in the Asia-Pacific region -food drying technology. ISSN, 137 RAP Bulletin 1997-1998, Food and agriculture organization of the United Nations, Bangkok, 1998. 71 Танчев, С., Технология на стерилизираните и сушените хранителни продукти, София, Земиздат, 1987. 72 Handbook of industrial drying, editor G. Jayaraman, New York, Marcel Decker Inc. 1995. 73 Shanmugam, V., E. Natarjan. Experimental study of regenerative desiccant integrated solar dryer with and without reflective mirror. Applied Thermal Engineering, 2007, Vol. 27, p.p. 1543-1551. 74 Послание Президента Республики Казахстан Н. Назарбаева народу Казахстана. «Новое десятилетие. Новый экономический подъем. Новые возможности Казахстана». –2010. 75 Государственная программа по форсированному индустриальноинновационному развитию Республики Казахстан на 2010-2014 годы. 2010. 76 Закон Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых источников энергии». – 2009. 77 Бекалай Н. К. Исследование солнечных коллекторов. Научнотехнический журнал. Международная агроинженерия. КазНИИМЭСХ. Алматы. №10. 2014г. –С.15-22. 78 Омаров Р.А. Ресурсо- и энергосберегающая технология и технические средства тепло- и хладоснабжения животноводческих ферм: дисс.докт. техн. наук: 05.201.01, 05.20.02 –Алматы, 2005. – 195 с. 79 Мак-Вейг, Д. Применение солнечной енергии, Москва, Энергоиздат, 1981. 80 Palaniappa, K. Solar heating for tea processing: case study, energy perspectives in plantation industry. In: Proceeding of the First International Workshop, Coonoor, India from February 10-12, 1993. Madurai, India: Planters Energy Network and M.K. University; 1993. p.p. 134-144. 81 Brenndorfer, B. et al. Solar dryers-their role in post-harvest processing. London: Commonwealth Science Council, 1975. 82 Ekechukwu, O., B. Norton. Review of solar energy drying systems II : an overview of solar drying technology, Energy Conversion and Management, 1999, Vol. 40, p.p. 615-655. 83 Brace Research Institute. A survey of solar agricultural dryers. Technical Report T99, Macdonalds College of McGill University, Canada, December, 1975. 84 Kristoferson, L., V. Bokalders. Renewable Energy Technologies: their applications in developing countries. Pergamon Press, 1986, p.p. 219-227. 85 Luh, B.,J.Woodfoof. Commercial vegetable processing. USA: The Avi Publishing Company, 1975 ISBN 10: 0442258518. 86 Mastekbayeva, G., M. Leon, S. Kumar. Performance evaluation of a solar tunnel dryer for chilli drying. Asean Seminar and Workshop on Solar Drying Technologies, 3-5 June Phitsanulok, Thailand, 1998, p.p. 27-34. 87 Janjai, S. et al. Experimental and modelling performances of a roof-integrated 138 solar drying system for drying herbs and spices. Energy, 2008, Vol. 33, p.p. 91-103 88 Тодорова К., Трета национална конференция по възобновяеми енергийни източници, 23-24 октомври, 2003. 89 Ahmad, A. et al. Thermohydraulic performance of a packed-bed solar air heater. Energy Conversion and Management, 1996, Vol. 37, No.2, р.р. 205- 214. 90 Щраков, Ст., А. Стоилов. Сушене със слънчева енергия, сп.Топлотехника за бита, 2005, бр.2, - С.11-15. 91 Tiris, C. et all. Investigation of the thermal efficiencies of a solar dryer. Energy Conversion and Management, 1995, Vol. 36, No.3, p.p. 205-212. 92 Rakwichian, W. et al. Introduction to a solar dryer for the vegetable drying industry. Asean seminar and Workshop on solar drying technology, 3-5 June, Pitsanulok, Thailand, 1998. 93 Gallali, Y. et al. Preservation of fruits and vegetables using solar dryer: a comparative study of natural and solar drying III; chemical analysis and sensory evaluation data of the dried samples (Grapes, figs, tomatoes and onions). Renewable Energy, 1999, Vol.19, p.p.203-212. 94 Grupp, M.et al. Comparative test of solar dryers. Technology Demonstration Center Serial Report 2/95, Plataforma Solar de Almeria, Spain, August, 1995. 95 Ndawula, J. et al. Alterations in fruit and vegetable P-carotene and vitamin C content caused by open-sun drying, visqueen-covered and polyethylene- covered solar dryers. African Health Sciences, 2004, Vol. 4, No.2, p.p. 125- 130. 96 Arinze, E. et al. Experimental evaluation, simulation and optimization of a commercial heated-air bach hay dryer. Journal of Agricultural Engineering Research, 1996, Vol. 63, p.p. 301-314. 97 Schirmer, P. et al. Experimental investigation of the performance of the solar tunnel dryer for drying bananas. Renewable energy, 1996, vol.7, No.2, p.p.119-129. 98 Bala, B. et al. Solar drying of pineapple using solar tunnel dryer Renewable Energy, 2003, Vol. 28, p.p. 183-190. 99 El-Amin, M. et al. Design and Construction of a solar dryer for mango slices. Prosperity and Poverty of a Globalised World - Challenges for agricultural research, Tropentag, October 11-13, Bonn, 2006. 100 Pangavhane, D. et al. Design, development and performance testing of a new natural convection solar dryer. Energy, 2002, Vol. 27, p.p. 579-590. 101 Bala, B., J. Woods. Optimisation of a natural convection solar drying system. Energy, 1995, Vol. 20, No 4, p.p. 285-294. 102 Ezekoye, B. , O. Enebe Development and performance evaluation of modified integrated passive solar grain dryer. The Pacific Journal of Science and Technology, 2006, Vol. 7, No. 2. 103 Энергосбережение системы теплоснабжения с использованием линз Френеля. // Возобновляемая энергия. 1998 №2, - С.44-49. 104 Тайсаева В.Т. Возможности энергосбережения в Республике Бурятия. Тезисы докладов Международной научно-техн. конф. «Энергосбережение в сельском хозяйстве» 5-7окт. 1998г., М.: - ВИЭСХ. Часть I. 139 105 Гончарук Н.С., Лебл Д.О. Новые направления в автоматизации микроклимата теплиц. Механизация и электрификация с.х. 1983. №2. 106 Атыханов А.К. и др. Классификация сушильных установок с использованием солнечной энергии. Adaption of innovation technologies and forms of international collaboration in agrarian education. International conference’s reports (21-22 may), GӘNGӘ, 2010 (Азербайджан). 107 Atihanov A.K. Improvement of ecologically safe technology of increase of productivity of grain crops on the basis of deep destruction spices weds in conditions of a country facilities. Материалы международной научно-практической Интернет-конференции (21-31 октября 2008), Алматы, 2008. издательский центр «Гарант». 108 Атыханов А.К., Алахунов Н.Д., Умбетов Е.С. Технология производства топливных брикетов из отходов растениеводческой продукции // Adoption of innovation technologies and forms of international collaboration in agrarian education international conference, 21-22 may 2010, Ganja, Azerbaijan state, Agrarian university. 109 Мазаев Л.Р. Метод расчета и проектирования солнечной теплицы для региона Сибири. Автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук, Барнаул, 2010-7. 110 Jain, D., R. Jain. Performance evaluation of an inclined multi-pass solar air heater with in-built thermal storage on deep-bed drying application, Journal of Food Engineering, 2004, Vol. 65, p.p. 497-597. 111 Santos, B. et al. A solar collector design procedure for crop drying. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2005, Vol. 22, No. 2, p.p 277-284. 112 Chauhan, P. et al. Comparative performance of coriander dryer coupled to solar air heater and solar air heater cum-rock bed storage, Applied Thermal Engineering, 1996, Vol. 16, p.p. 475-486. 113 Enibe, S. Thermal analysis of a natural circulation solar air heater with phase change material energy storage, Renewable Energy, 2003, Vol. 28, p.p. 22692299. 114 Щраков, Ст., А. Стоилов. Сушене със слънчева енергия,сп. Топлотехника за бита, 2005, бр.2, - С.11-15. 115 Касымбаев Б.М.,Атыханов А.К. и др. Патент. Авторское свидетельство РК на изобретение. №76665. Гелиосушилка для фруктов и овощей. Комитет по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции РК. Астана. 15.12.2011. 116 Касымбаев Б.М., Атыханов А.Қ. т.б. Жеміс-жидек өнімдерін күн сәулесімен кептірудің тиімді әдістері. "NEWS OF MODERN SCIENCE" Қазақстан Республикасы Халықаралық ғылыми-практикалық конференция материалдары бойынша ғылыми мақалалар жинағы. 31.03.2014, Алматы. 169174 б. 117 Гурбанязов О. А., Разработка научно-технических основ, создание и 140 опыт эксплуатации низкопотенциальных тепломассообменных гелиотехнологических установок. Ашхабад. 1990. 118 Куц П.С., 1979.- Современные направления оптимизации процессов и техники сушки. Мн.: Наука и техника, - 64 с. 119 John A. Duffie, William A. Beckman. Wiley, 1991 Solar Engineering of Thermal Processes - 919 Seiten. 120 Подгорнов Н.И., Шкуро А.Е., 1988. Гелиокамеры с аккумуляторами энергии для тепловой обработки бетона //Основные направления и опыт использования солнечной энергии в народном хозяйстве: Тез. докл. I Респуб. научно-прак. конф.- Карши, - С.39 - 41. 121 Драгунов А.А., 1984г. Повышение эффективности камер для гигротермической обработки растительного сырья при использовании солнечной энергии. Москва. 122 Sethi VP, Sumathy K, Lee C, Pal DS, 2013. Thermal modeling aspects of solar greenhouse microclimate control: A review on heating technologies. Pages: 5682. 10.1016/j.solener..06.034. Published: OCT 2013. Journal Citation Reports®. webofknowledge.com. 123 Минчев М, Е. Колева, И. Киряков, З. Велчев, 2004. Изследване на интензивността на слънчевата радиация в град Пловдив. Топлотехника за бита, 11. 124 Lamnatou C, Chemisana D. Solar radiation manipulations and their role in greenhouse claddings: Fresnel lenses, NIR- and UV-blocking materials. Pages: 271287. DOI: 10.1016/j.rser.2012.09.041. Published: FEB 2013. ISSN: 1364-0321. Journal Citation Reports®. webofknowledge.com. 125 Kempkes FLK, Hemming S, Edited, Castilla N, VanKooten O, Sase S, Meneses JF, Schnitzler WH, Vanоs E, 2012. Calculation of NIR Effect on Greenhouse Climate in Various Conditions. /International Symposium on Greenhouse and Soilless Cultivation. Lisbon, PORTUGAL. Acta Horticulturae. Pages: 543-550. ISSN: 0567-7572. webofknowledge.com. 126 Lamnatou C, Chemisana D. Solar radiation manipulations and their role in greenhouse claddings: Fluorescent solarconcentrators, photoselective and other materials. Pages: 175-190. DOI:10.1016/j.rser.2013.06.052. NOV 2013. ISSN: 13640321. Journal Citation Reports®. webofknowledge.com. 127 Жамалов А. Ж., Карсыбаев М. Ш., Кунелбаев М. М. Исследование теплообмена при наложении вынужденной и свободной конвекции в плоских солнечных коллекторах, расположенных под углом к горизонту. 11-15стр. МАТЕРИАЛЫ 7-ой Юбилейной международной научно-технической конференции "Энергетика, телекоммуникация и высшее образование в современных условиях". 23-25 сентября 2010. г. Алматы № 3/2 (10) 2010. 128 Тлеуов А.Х. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Часть 1 – Использование энергии солнечного излучения (учебное пособие) – Астана, КазАУ. - 66 с. 129 Касымбаев Б.М., Атыханов А.К. Влияние солнечной радиации на базе 141 полифункциональных гелиосушилок-теплиц в учебном хозяйстве Казахского национального аграрного университета. Министерство образования и науки Республики Казахстан КазНАУ, Научный журнал «Исследования, результаты» № 2. 2014. Алматы. – С.233-238. 130 Kassymbayev B.M., Atykhanov A.K., Karaivanov D.P. Method of calculation solar radiation intensity and its application in solar dryers-greenhouses for production of fruits and vegetables. An International Journal. «Life Science Journal». Acta Zhen gzhou University Overseas Edition. P.O.Box 180432, Richmond Hill, New York 11418, the United States. 2014;11(10) .-С.687-689C. 131 Стамов, Ст. и к-в. Справочник по отопление, вентиляция и климатизация. ( І том), Техника. С., 1990 г. 132 Gbaha, P. et al. Experimental investigation of a solar dryer with natural convective heat flow. Renewable Energy, 2007, Vol. 32, Issue 11, p.p. 1817- 1829. 133 Нормативы прямых производственных затрат на гектар посева, одно животное, единицу продукции. – Алматы. 2005г. 142 Приложение А Фрагменты пробного монтажа на заводе, доставки, монтажа гелиосушилки-теплицы 143 144 Приложение Б Приборы для исследования 145 Приложение В Авторское свидетельство 146 147 Приложение Г Заявление о выдаче патента РК на полезную модель 148 149 Приложение Д Рекомендация стажировки 150 Приложение Ж Акт приема-передачи гелиосушильно-тепличного оборудования 151 Акт внедрения результатов докторской диссертационной работы 152 153 Акт внедрения патента 154