Гідропневматична система об'єкту тепличного господарства середнього об'єму
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Синицина Єлизавета. Гідропневматична система об'єкту тепличного господарства середнього об'єму. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Наша країна вже досить довгий час славиться якісною сільськогосподарською продукцією по всьому світу. Причина такої слави є родючі ґрунти та працьовитий народ. Вирощена продукція покриває не тільки потреби країни, а й експортується за її межі. На жаль, сьогодні не кожна країна може похизуватися такими можливостями. Оскільки кліматичні умови різні і не вся продукція може там рости. У теплицях використовують механічне керування мікрокліматом, що займає досить багато часу на обслуговування та є економічно невигідно в оплаті обслуговуючого персоналу. Для великих площ застосовують автоматичні системи, які, у свою чергу, не завжди охоплюють увесь об’єм інформації (кліматичних умов). Такі системи, зазвичай, працюють не ефективно і не можуть прогнозувати роботу системи при зміні різних зовнішніх та внутрішніх параметрів. Різкі зміни температури та вологості повітря негативно впливають на вирощування сільськогосподарських культур. Сучасні методи регулювання
мікроклімату тепличних об’єктів зводяться до найпростішого – регулювання швидкості потоку, вологості та температури повітряних мас. Тому виникає
питання у створенні універсальної системи для вирощення сільськогосподарських продуктів, а саме ефективної автоматизації інженерних систем.
У дисертації розроблено автоматизовану мехатронну систему мікроклімату теплиці. Дисертація складається з п'яти розділів, основний зміст та результати кожного з яких наведено нижче. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету і задачі дослідження, наведено методи дослідження, сформульовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також представлено дані про апробацію роботи. У першому розділі виконано огляд інженерних систем тепличного об’єкту та їх конструктивні особливості. Проведено порівняльний аналіз теплиць по їх габаритним розмірам, складності монтажу, наявності інженерних систем та систем управління. Визначено напрямок дослідження, основні функції та особливості систем управління мікрокліматом теплиці. З’ясовано їх переваги та недоліки; на основі вказаного аналізу було сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи. У другому розділі сформовано підґрунтя для розроблення структури мехатронної системи тепличного об’єкта середнього об’єму. Розглянуто загальні
функції системи мікроклімату та визначено вимоги до системи керування. Встановлено: температура повітря в середині теплиці має бути в діапазоні 20-30
°С, вологість повітря в межах 60-90%, СО2 слід утримувати щонайменше до зовнішнього рівня, від швидкості та напрямку вітру залежить яке вікно
провітрювання і на скільки відкривати в теплиці. За рахунок перехідні процеси зміни швидкості, тиску, вологості та температури; змін та втрати теплової
потужності теплиці; змін та втрати вологості повітря в теплиці було запропоновано структура мехатронної системи з моделлю теплиці. Запропоновано розділити структуру мехатронної системи на підсистеми. Розроблено принципову схему системи вентиляції та рециркуляції, також розроблено та розраховано систему повітропроводів довжиною 10 метрів та перерізом 360х360мм. Підібрано вентилятор з максимальною продуктивністю 1400 м3/год. Розраховано крутний момент та визначено зусилля, яке має забезпечити пневматичний привід 2360 Н при 0,6 МПа при закритті заслінки та 2770 при відкритті. Розраховано систему обігріву теплиці та підібрано нагрівач на 5,0 кВт. Розроблено загальну схему виконавчих пристроїв для системи вентиляції, зашторювання, опалення та вікон провітрювання. Розраховано систему поливу та зволоження теплиці, встановлено, що діаметр розпилення форсунки складає 2,5 метри, тому для підтримання сталого режиму в теплиці достатньо використовувати 3 форсунки під час рециркуляції повітря. Запропоновано загальну структуру та комп’ютерну модель тепличного об’єкта. У третьому розділі виконано дослідження фізики тепло-масообмінних процесів в середині теплиці, з метою визначення вимог до моделі об’єкту керування. Теоретично обґрунтовано тепло-масообміні процеси в теплиці, які базуються на балансі теплових потоків повітря. Теоретично обґрунтовано теплові втрати через огороджувальну конструкцію теплиці з полікарбонату з врахуванням її розмірів та визначено загальний коефіцієнт теплопередачі. Теоретично визначено рівняння теплового балансу та аеродинамічних процесів через рівняння Нав’є-Стокса. Для чисельного розрахунку руху повітря за рівнянням Нав’є-Стокса було додано рівняння нерозривності для стисливого середовища. Теоретично розглянуто узагальнений процес переносу водяної пари повітрям в середині теплиці. Визначено задачі для комп’ютерної моделі, а саме: тестування моделі і визначення змін параметрів мікроклімату; визначення полів розподілення тиску, швидкості, температури, вологості по об’єму теплиці; отриманні прогнозованих змін параметрів впродовж певного терміну. У четвертому розділі представлено етапи дослідження тепломасообмінних процесів в теплиці середнього об’єму. Створено комп’ютерну 3-D модель теплиці з габаритними розмірами 7000х4000х1600 мм, повітрообмін
складає 1400 м3/год та для моделювання процесів встановлено змінні величини: тиск, температура, швидкість потоку повітря, параметри повітря та час. Модель описує тепличний об’єкт, як заданий об’єм повітря, обмежений стінами, дахом та підлогою. Біомаса тепличного об’єкта не враховується, вона є сталим значенням. Температурний режим в середині замкненого тепличного об’єму має бути рівномірним та сталим, незалежним від впливу зовнішніх факторів. Моделювання тепличного об’єкта проведено в пакеті Ansys та SOLIDWORKS. Для проведення досліджень було визначено зв’язок тепломасообінних процесів в теплиці з середовищем моделювання. Для цього було виявлено основні рівняння: аеродинамічних процесів, рівняння нерозривності стисливого середовища та рівняння переносу водяної пари. На першому етапі дослідження було проведено серію тестових експериментів: процес теплообміну в теплиці(розподіл температури), швидкість теплообміну та зміна тиску, а також час стабілізації температури, швидкості повітря. Другим етапом було дослідження теплообміну теплиці з навколишнім середовищем. Для цього по заданому прогнозу погоди було імітовано нагрів моделі теплиці до 20 ºС після чого нагрів було вимкнено. Під дією зовнішнього середовища теплиця охолоджується, з відповідним процесом теплообміну теплиці з навколишнім середовищем. Наступним етапом було проведено дослідження стабілізації температури в середині теплиці при заданому прогнозу погоди. Для цього було взято попереднє дослідження та визначено час стабілізації температури в конкретний момент, що дає розуміння про втрату теплової потужності через стінки теплиці. Наступним етапом було дослідження теплопередачі через огороджувальну конструкцію теплиці у навколишнє середовище. Для цього було імітовано нагрів моделі теплиці до 20 ºС після чого нагрів було вимкнено. Дослідження проводилося в діапазоні зовнішньої температури від «-15 ºС» до «+30 ºС». З досліджень встановлено, що усереднене значення густини теплового потоку при охолоджені теплиці складає 138 Вт/м2. П’ятим етапом дослідження було розподілення водяної пари в середині замкненого об’єму тепличного об’єкта. Для цього було задано температуру вхідного повітря та його вологість впродовж доби відповідно до прогнозу погоди. По результатам дослідження було зроблено висновок, що максимальна концентрація водяної пара досягається при температурі зовнішнього середовища 20,7 ºС. Для рівномірного зволоження наступним етапом дослідження було промодельована система розпилення через форсунка. У п'ятому розділі наведено загальний алгоритм програми керування нагрівачами, який передбачає вмикання системи, оновлення значень керуючих змінних, опитування датчиків та оновлення стану системи, корегування константта загальне керування роботою виконавчих пристроїв. Розроблено режим роботи та програму керування форсунками. Для визначення режимів вмикання/вимикання форсунок було виконано розрахунок доданої витрати вологості. За результатами розрахунку, для компенсації втрати вологи в тепличному об’ємі, запропоновано використати три форсунки продуктивністю 2 л/год. Визначений термін вмикання форсунок регламентується накопиченим дефіцитом водяної пари. Середнє значення витрати водяної пари для компенсації вологості повітря складає 2,62 л/год. В алгоритмі керування форсунками передбачено вмикання системи туманоутворення, оновлення поточних значень змінних, опитування датчиків та оновлення комплекту команд керування. Проведено порівняльний розрахунок ефективності мехатронної системи з упереджуючим керуванням. Обрано для порівняння базовий варіант з дискретним керуванням нагрівачами та системою з упереджуючим керуванням. Визначено, що добова сумарна витрата енергії за базовим варіантом складає 86,68 кВт, а добова сумарна витрата енергії за упередженим варіантом складає 71,3 кВт. Отже, для наведеного прикладу прогнозу добових змін температури оточуючого середовища економія споживання енергії системою обігріву складає 18%.
Опис
Ключові слова
пневмо-гідравлічна мехатронна система, повітряне і рідинне середовище, потік і тиск, перехідний процес, структура, привід, пристрої та обладнання, математична модель, прикладні програми чисельного розрахунку, алгоритми та режими керування, адаптація, діаграми ефективності, pneumatic-hydraulic mechatronic system, air and liquid medium, flow and pressure, transient process, structure, drive, devices and equipment, mathematical model, numerical calculation applications, control algorithms and modes, adaptation, efficiency diagrams
Бібліографічний опис
Синицина, Є. Ю. Гідропневматична система об'єкту тепличного господарства середнього об'єму : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Синицина Єлизавета Юріївна. – Київ, 2025. – 168 с.