Технико-экономические аспекты применения искусственного освещения и облучения

Схема лабораторной установки:

1 — бак; 2 — молочный насос; 3 — датчик давления; 4 — датчик расхода жидкости; 5 — датчик температуры входящей жидкости;

6 — термоэлектрический блок; 7 — термоэлектрическая секция; 8 — датчик температуры выходящей жидкости; 9 — кран (Р1 — давление в горячем контуре; Р2 — давление в холодном контуре; t1 — температура жидкости, входящей в нагреваемый контур; Ц — температура жидкости, входящей в охлаждаемый контур; ^ — температура нагреваемого потока;

^ — температура охлаждаемого потока)

Лабораторная установка позволяет в необходимых пределах варьировать значениями факторов, влияющих на исследуемые процессы [3].

Для определения энергетических показателей: мощности выхода установки на режим; общей мощности работы, затрачиваемой на термоэлектрические модули (ТЭМ), использовался комбинированный прибор с изменением силы тока и напряжения с встроенным датчиком вольтамперметра. Он обеспечивает включение предпускового обдува бло-

ка питания, устраняющего влагу, и плавное включение в сеть ТЭМ.

Обработку данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, проводили известными методами математической статистики.

По результатам эксперимента установка позволила проверить работоспособность, качественные показатели работы термоэлектрических модулей. Производственные испытания показали удовлетворительную работу макетной установки, при этом было выявлено недостаточное количество секций теплообмена, что говорит

о необходимости повышения рабочей мощности блоков.

Список литературы

1. Пути совершенствования оборудования для доения и первичной обработки молока / В.В. Кирсанов,

В.Н. Кравченко // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2005. — № 9. — С. 41-45.

2. Обоснование параметров энергосберегающей пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях / В.В. Кирсанов, В.Н. Кравченко // Тр. 6-й Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 3. — М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. — С. 174-179.

3. Применение термоэлектрических модулей в пластинчатых теплообменниках для тепловой обработки молока / В.В. Кирсанов, В.Н. Кравченко // Тр. 14-го Междунар. симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных. — Углич, 2008. — С. 246-251.

УДК 621.111

С.А. Овчукова, доктор техн. наук Московский государственный университет печати

В.Н. Пряхин, доктор техн. наук

Московский государственный университет природообустройства Е.А. Коваленко

Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ И ОБЛУЧЕНИЯ

Президент Российской Федерации 23 ноября 2009 г. подписал Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...». В закон входит повсеместная замена ламп накаливания (ЛН) на энергоэкономичные разрядные лампы (люми-

16

несцентные лампы (ЛЛ) и компактные (КЛЛ). Это правомерно в силу меньшего в 5.. .7 раз потребления энергии ЛЛ и в 10.15 раз большего срока службы по сравнению с ЛН. Но следует отметить, что наряду с этими неоспоримыми достоинствами все разрядные лампы имеют ртутное наполнение.

Ртутные лампы остаются незаменимыми для общего освещения в высоких помещениях, в цехах, в складах, т. е. там, где их бой маловероятен. Ртуть — опасный яд, она поражает центральную нервную систему, желудок, почки. ЛЛ зачастую не утилизируются, при бое ртуть попадает в почву. Вымываясь грунтовыми водами, она попадает в реки и водоемы, может усваиваться рыбой и растениями. Способ борьбы за охрану окружающей среды, заключающийся в переработке пришедших в негодность ЛЛ на специализированных заводах, не является достаточно эффективным: объем отработанных заводами ламп исчисляется сотнями тысяч; тысячи перегоревших в офисах, магазинах и в быту ламп выбрасываются на свалку. Проблему охраны окружающей среды поможет решить активное внедрение ЛЛ и КЛЛ со сниженным содержанием ртути, в том числе ламп с амальгамой ртути — АЛЛ [1]. Амальгама ртути представляет собой сплав индия и ртути, которая вводится в колбу лампы. Применение амальгамы позволяет использовать меньшее количество ртути в колбе лампы при одинаковой световой эффективности.

Проблемным остается освещение подъездов жилых и промышленных зданий, где замена ЛН на ЛЛ чревата опасностью для здоровья людей. Ртуть при бое ламп не выветривается из помещения. Она конденсируется на охлажденных поверхностях, а затем при повышении температуры — испаряется. Цикл повторяется со всеми описанными выше последствиями. Полностью испаряясь, 100 г ртути заражает воздух в объеме 10 000 м3 до концентрации 10 мг/м3 при предельно допустимой норме

0,01 мг/м3. Для освещения подъездов авторы считают целесообразным выполнение освещения на ЛН. Хотя их световой кпд невелик, составляя 3 %, они просты в эксплуатации, дешевы, безинерционны, независимы от факторов окружающей среды и, главное, экологичны. В опытах авторов при включении ЛН через диод на животноводческих фермах, благодаря понижению температуры вольфрамовой нити, количество отказов ламп снизилось на 20 %.

Действующее значение напряжения ил, В, подведенное к ЛН через диод, уменьшается в >/2, а мощность в 2 раза:

1 1 2 220

ил = и2(і)йі = -^= {220'-І2$тюі) )ю

Теоретически, при таком включении ЛН срок ее службы может возрасти до 70 тыс. ч. Однако при этом снизятся световой поток почти в 3 раза (светоотдача — в 2 раза) и качество освещения, так как пульсации станут более заметны. Но для подъездов эти показатели освещения менее существенны, чем срок службы и условия эксплуатации.

При использовании разрядных ламп подстерегает еще одна опасность — ультрафиолетовое из-

лучение

Излучение ртутного разряда люминесцентных ламп типа ДБ с длиной волны X = 254 нм пропускает бактерицидное стекло марки СЛ-97-2, а также кварцевое стекло, из которого изготовляется внутренняя кварцевая колба РЛВД. При бое внешней колбы ламп типа ДРЛ или МГЛ это бактерицидное излучение при длительном воздействии убивает все живое и растительность. Излучение УФИ-С и превышение дозы излучения УФИ-В являются вредными для глаз, вызывая конъюнктивит, кератит и катаракту.

Применение разрядных ламп в теплицах чревато попаданием ртути и других тяжелых металлов в овощи, которые входят в постоянный рацион питания [2]. Кроме того, при бое ламп оголяется внутренняя кварцевая горелка, пропускающая УФИ-излучение с длиной волны X = 254 нм, убивающее живую клетку.

Механизм этого явления можно проследить с позиции внутриклеточных энергетических процессов (рис. 1). Излучение, несущее энергию Е, попадает в поглощающую среду клетки — мембрану. Энергия квантов пропорциональна частоте электромагнитного поля Е = ику. Создается трансмембранный протонный градиент, который служит источником энергии для процессов, происходящих в клетке. С ростом уровня облученности излучение УФИ-С перестает способствовать полезным преобразованиям в клетке.

При низких уровнях облученности область излучения УФИ-С оказывает сильное действие на образование эритемы, а при высоких — это влияние исчезает и воздействует только эритемное — излучение УФИ-В.

Эритемная доза облучения биообъекта рассчитывается по формуле, Вт-ч/м-2:

Д = Цф е0 (Х)К (Х)1 /Бй МТ,

где Фе0(Х) — спектральная плотность излучения, Вт; К(Х) — спектральная чувствительность объекта, о.е.; 5 — площадь облучаемого объекта, м2; Т — время, ч.

Анализ результатов экономических расчетов многих авторов по облучательным установкам (ОбУ), применяемых в сельскохозяйственном про-

Свет

Е = nНv

Мембрана ДЕ

Клетка

(цитоплазма,

органеллы)

Е — ДЕ = nНv

Рис. 1. Модель определения дозы энергии:

1 — активный транспорт через мембрану; 2 — синтез АТР; 3 — вращение бактериального жгутика

3

2

1

изводстве, показал их идентичность, хотя критерий оценки был разным. Какой же из них должен быть выбран? Ганс Селье в работе «Теория стрессов» сделал вывод о том, что не важно каким фактором производится воздействие, главное достичь дозы, при которой будет достигнут эффект. Стало быть, из множества технологических приемов следует выбрать тот, который наиболее экономичен, т. е. самый дешевый. Но опасность боя ламп остается. Тут встает вопрос о замене ЛЛ светодиодами.

Городское уличное освещение на РЛВД при бое внешних колб высокоинтенсивных ламп вреда не приносит в силу значительной отдаленности светильников на высоких опорах от людей, а также быстрого спада интенсивности излучения УФИ-С оптического спектра. Излучение УФИ-В является полезным для живых организмов в дозах, изложенных в Федеральном законе от 30.03.1999 № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения». В обычной обстановке человек эти дозы не получает. Окна излучение УФИ не пропускают. Сарычев Г.С. отмечает, что даже в Краснодарском крае работающие люди недополучают нужную дозу, необходимую для образования витамина Д3 [3]. Северные и центральные регионы России, т. е. почти вся страна, не обеспечиваются необходимой дозой излучения УФИ никогда.

Из анализа литературы следует, что основной механизм воздействия излучения УФИ-В на организм сводится к образованию из провитамина Д17, содержащегося в поту кожи, витаминов Д2 и Д3, которые всасываются кожей, и гуморальным и рефлекторным способом разносятся по организму, обеспечивая восполнение дефицита кальция и фосфора. Кальций уплотняет кости и ткани, участвует в свертывании крови, уплотняет мембраны, ре-

5(Х), о.е.

Рис. 2. Спектральные кривые фотосинтезной эффективности ОИ:

1 — Тимирязева; 2 — расчетная и усредненная по экспериментальным данным шести зарубежных авторов; 3 — Уршпрунга; 4 — Гувера;

5 — Энгельмана; 6 — Рейнке

18

гулирует активность ферментов. Поскольку в крови состав кальция должен быть постоянным, при авитаминозе он вытягивается из «депо»: костей, зубов, волосяного покрова, легких. В результате кости становятся ломкими, хрупкими, развивается рахит, страдают зубы, редеют волосы. Отбор кальция из легких порождает туберкулез, рахит, ухудшает состав крови, снижает резистентность организма. Предотвратить авитаминоз можно УФ-облучением.

Выход из этого положения авторы видят в повсеместном создании фотариев (соляриев), обеспечивающих профилактическое облучение населения излучением УФИ-В с длиной волны X = 280.320 нм. Но нынешняя номенклатура изделий, их количественный выпуск не соответствует потребностям населения. Современные солярии дороги, малочисленны. Кроме того, ни один искусственный источник излучения не соответствует полностью солнечному спектру, а влияние этих отличий на здоровье людей недостаточно изучено. Кривые поглощения клетками излучений, в том числе УФИ, вызывают спор, обострившийся в последнее время в отечественной и зарубежной литературе. Очевидно, кривые спектральной чувствительности, имеющие два максимума (рис. 2), не постоянны и меняются в зависимости от уровня освещенности (облученности) и, возможно, других внешних условий [4].

По этим кривым производятся все расчеты осветительных установок (ОсУ), а также ОбУ и определяются единицы измерения. Но еще в позапрошлом веке европейскими учеными (рис. 2) показана изменчивость этих кривых вплоть до исчезновения максимумов в области видимой части спектра, а Майэром и Зейтцем — в области УФИ (рис. 3). Некоторые ученые объясняют это явление «смещением» кривых при ночном зрении в коротковолновую область видимого спектра (Пуркине), или при высоких облученностях — в более длинноволновую, с 280 до 300 нм (Мюэль). Судя по последним публикациям, ученые еще долго будут решать

З'М, о.е.

Рис. 3. Зависимость относительной эритемной эффективности от длины волны излучения:

1 — пороговая эритема; 2 — средняя эритема; 3 — ожог

эту проблему. В то же время авитаминоз превращается в национальное бедствие. «Солнечное голодание», имеющее место в дошкольных и учебных заведениях, промышленных зданиях без окон, животноводческих помещениях и многих других случаях, требует обеспечения установками искусственного УФ-А и УФ-В облучения в диапазоне длин волн 280.380 нм. В настоящее время ОбУ используется бессистемно, санэпиднадзора нет.

Введением искусственного облучения и эффективного использования видимого и ультрафиолетового излучения можно обеспечить защиту населения и улучшить здоровье нации.

Список литературы

1. Микаева, С.А. Использование амальгамного регулирования давления паров ртути в КЛЛ / С.А. Микаева, А.С. Федоренко // Светотехника. — 2003. — № 2. —

С. 31-32.

2. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. — М.: Мир, 2089. — 440 с.

3. Об использовании профилактического ультрафиолетового облучения / Р.Ф. Афанасьева [и др.] // Светотехника. — 2000. — № 1. — С. 18-20.

4. Коваленко, О.Ю. Действие оптического излучения на биообъекты / О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова // Инженерная физика. — 2008. — № 2. — С. 33-38.

УДК 620:631.365.22

А.Н. Васильев, доктор техн. наук Н.Б. Руденко

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия

С.В. Маркова, канд. техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

ПРОЦЕССЫ СУШКИ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ-НАГРЕВА

Воздействие на зерновку электрическим полем приводит к поляризации ее молекул. В семенах наблюдается атомная и упругая дипольная поляризация. Атомная поляризация происходит в молекулах, которые содержат атомы различного рода, что характерно для молекул всех анатомических частей зерновки. Упругая дипольная поляризация характерна для молекул, которые представляют собой естественные полярные образования. К таким молекулам относятся молекулы воды.

При поляризации в молекуле создается вращательный момент, который смещает ее и старается переориентировать вдоль линий поля [1]:

где д — дипольный момент; б — заряд атома, Кл; С — расстояние между атомами, м.

Удельная мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии СВЧ-поля, определяется из выражения [1]:

= 5,56 • 10

12є"Е2/ = 2р/Е2є0єт

где е — действительная часть диэлектрической проницаемости материала; Е — напряженность электрического поля, В/см; / — частота колебаний, Гц; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; е' — мнимая часть диэлектрической проницаемости материала; — тангенс угла диэлектрических потерь.

Глубина проникновения электромагнитного поля в материал также зависит от его диэлектрических свойств и описывается уравнением

Н =

К

А рУе7 =

2 пе" 2 ,

где Х0 — длина волны в вакууме, м.

При смене направления электрического поля вращательный момент выполняет переориентировку молекул в новом направлении. При переменном электрическом поле молекула постоянно будет находиться в колебании. За счет сил молекулярного трения выделяется тепло, которое разогревает зерновку изнутри, по всему объему. На этом основан принцип СВЧ-нагрева материалов, в том числе и сушки зерна.

Длина волны в материале, подвергаемом воздействию СВЧ-поля, зависит от свойств диэлектрика

X 0

_ '^0 А д = 7^

Поскольку в выражениях (1), (2), (3), описывающих основные показатели процесса СВЧ-нагрева, величины 2, й, е', е", Xд зависят от свойств ди-