Гідропневматична система об'єкту тепличного господарства середнього об'єму
| dc.contributor.advisor | Губарев, Олександр Павлович | |
| dc.contributor.author | Синицина, Єлизавета Юріївна | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-13T11:38:55Z | |
| dc.date.available | 2025-06-13T11:38:55Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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%. | |
| dc.description.abstractother | Synytsyna Yelyzaveta. Hydropneumatic system of a medium-sized greenhouse facility. - Qualifying scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 131 Applied Mechanics - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. Our country has long been famous for its high-quality agricultural products around the world. The reason for this fame is fertile soil and hardworking people. The products we grow cover not only the needs of the country but are also exported abroad. Unfortunately, not every country today can boast of such opportunities. Because the climate conditions are different and not all products can grow there. Greenhouses use mechanical microclimate control, which takes a lot of time to maintain and is economically unprofitable in terms of paying staff. For large areas, automatic systems are used, which, in turn, do not always cover the entire amount of information (climate conditions). Such systems usually do not work efficiently and cannot predict the system's performance when various external and internal parameters change. Sudden changes in temperature and humidity have a negative impact on crop production. Modern methods of regulating the microclimate of greenhouse facilities are reduced to the simplest - controlling the flow rate, humidity and temperature of air masses. Therefore, the question arises of creating a universal system for growing agricultural products, namely, effective automation of engineering systems. This thesis develops an automated mechatronic greenhouse microclimate system. The thesis consists of five chapters, the main content and results of each chapter are presented below. The introduction substantiates the relevance of the thesis topic, defines the purpose and objectives of the study, presents the research methods, formulates the scientific novelty and practical value of the results, and presents data on the work's validation. The first section provides an overview of the engineering systems of the greenhouse facility and their design features. A comparative analysis of greenhouses in terms of their overall dimensions, complexity of installation, availability of engineering systems and control systems is carried out. The direction of research, main functions and features of greenhouse microclimate control systems are determined. Their advantages and disadvantages are identified; based on this analysis, the purpose and objectives of the dissertation are formulated. In the second chapter, the basis for the development of the structure of the mechatronic system of a medium-sized greenhouse object is formed. The general functions of the microclimate system are considered and the requirements for the control system are determined. It is established that the air temperature inside the greenhouse should be in the range of 20-30 °C, the air humidity should be in the range of 60-90%, CO2 should be kept at least to the outside level, and the wind speed and direction determine which ventilation window to open and how much to open in the greenhouse. Due to the transient processes of changes in speed, pressure, humidity, and temperature; changes and loss of thermal power of the greenhouse; changes and loss of air humidity in the greenhouse, the structure of the mechatronic system with a greenhouse model was proposed. It is proposed to divide the structure of the mechatronic system into subsystems. A schematic diagram of the ventilation and recirculation system was developed, and a system of air ducts 10 meters long and 360x360 mm in cross-section was designed and calculated. A fan with a maximum capacity of 1400 m3/h was selected. The torque was calculated and the force to be provided by the pneumatic actuator was determined to be 2360 N at 0.6 MPa when closing the damper and 2770 when opening it. The greenhouse heating system was calculated and a 5.0 kW heater was selected. A general scheme of actuators for the ventilation, curtaining, heating, and ventilation windows was developed. Calculated The paper analyzes the system of irrigation and humidification of the greenhouse, and establishes that the nozzle spray diameter is 2.5 meters, so to maintain a stable regime in the greenhouse, it is enough to use 3 nozzles during air recirculation. The general structure and computer model of the greenhouse facility are proposed. In the third section, the physics of heat and mass transfer processes inside the greenhouse is studied in order to determine the requirements for the model of thecontrol object. The heat and mass transfer processes in a greenhouse based on the balance of air heat flows are theoretically substantiated. The heat losses through the polycarbonate greenhouse envelope are theoretically substantiated, taking into account its dimensions, and the overall heat transfer coefficient is determined. The equations of heat balance and aerodynamic processes were theoretically determined using the Navier-Stokes equation. For the numerical calculation of air movement according to the Navier-Stokes equation, the continuity equation for a compressible medium was added. The generalized process of water vapor transfer by air inside the greenhouse is theoretically considered. The tasks for the computer model are defined, namely: testing the model and determining changes in microclimate parameters; determining the fields of distribution of pressure, velocity, temperature, humidity over the greenhouse volume; obtaining predicted changes in parameters over a certain period of time. Chapter 4 presents the stages of studying heat and mass transfer processes in a medium-sized greenhouse. A 3-D computer model of a greenhouse with dimensions of 7000×4000×1600 mm, air exchange rate of 1400 m3/h was created and the following variables were set for modeling the processes: pressure, temperature, air flow rate, air parameters, and time. The model describes the greenhouse as a given volume of air bounded by walls, roof, and floor. The biomass of the greenhouse object is not taken into account; it is a constant value. The temperature inside the closed greenhouse volume should be uniform and stable, independent of the influence of external factors. The greenhouse object was modeled in Ansys and SOLIDWORKS. To conduct the research, we determined the relationship between heat and mass transfer processes in the greenhouse and the modeling environment. For this purpose, the following were identified equations: aerodynamic processes, the equation of continuity of a compressible medium, and the equation of water vapor transfer. At the first stage of the study, a series of test experiments were conducted: the process of heat exchange in the greenhouse (temperature distribution), heat exchange rate and pressure changes, as well as the time for stabilization of temperature and air velocity. The second stage was to study the heat exchange between the greenhouse and the environment. For this purpose, according to a given weather forecast, the greenhouse model was simulated to be heated to 20 °C, after which the heating was turned off. Under the influence of the external environment, the greenhouse cools down, with the corresponding process of heat exchange between the greenhouse and the environment. The next step was to study the stabilization of the temperature inside the greenhouse under a given weather forecast. To do this, we took the previous study and determined the time of temperature stabilization at a particular moment, which gives an understanding of the loss of heat through the walls of the greenhouse. The next step was to study the heat transfer through the greenhouse envelope to the environment. To do this, the greenhouse model was simulated to be heated up to 20°C, after which the heating was turned off. The study was conducted in the range ofambient temperatures from -15 °C to +30 °C. The study found that the average value of the heat flux density when the greenhouse was cooled was 138 W/m2. The fifth stage of the study was the distribution of water vapor inside the closed volume of the greenhouse. For this purpose, the temperature of the incoming air and its humidity during the day were set according to the weather forecast. The study concluded that the maximum concentration of water vapor is achieved at an ambient temperature of 20.7 °C. For uniform humidification, the next stage of the study was to model a spray system through a nozzle. Section 5 presents the general algorithm of the heater control program, which includes switching on the system, updating the values of control variables, polling sensors and updating the system state, adjusting the constants and general control of actuators. An operating mode and a nozzle control program were developed. To determine the nozzle on/off modes, we calculated the added humidity consumption. According to the results of the calculation, it was proposed to use three nozzles with a capacity of 2 l/h to compensate for the loss of moisture in the greenhouse volume. The determined period of injector switching on is regulated by the accumulated water vapor deficit. The average value of water vapor consumption to compensate for air humidity is 2.62 l/h. The nozzle control algorithm provides for turning on the fogging system, updating the current values of variables, polling sensors, and updating a set of control commands. A comparative calculation of the efficiency of the mechatronic system with anticipatory control was performed. The basic variant with discrete control of heaters and the system with proactive control were chosen for comparison. It was determined that the daily total energy consumption for the baseline variant is 86.68 kW, and the daily total energy consumption for the anticipatory variant is 71.3 kW. Consequently, for the above example of predicting daily changes in ambient temperature, the energy consumption of the heating system is saved by 18%. | |
| dc.format.extent | 168 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74246 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | пневмо-гідравлічна мехатронна система | |
| dc.subject | повітряне і рідинне середовище | |
| dc.subject | потік і тиск | |
| dc.subject | перехідний процес | |
| dc.subject | структура | |
| dc.subject | привід | |
| dc.subject | пристрої та обладнання | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | прикладні програми чисельного розрахунку | |
| dc.subject | алгоритми та режими керування | |
| dc.subject | адаптація | |
| dc.subject | діаграми ефективності | |
| dc.subject | pneumatic-hydraulic mechatronic system | |
| dc.subject | air and liquid medium | |
| dc.subject | flow and pressure | |
| dc.subject | transient process | |
| dc.subject | structure | |
| dc.subject | drive | |
| dc.subject | devices and equipment | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | numerical calculation applications | |
| dc.subject | control algorithms and modes | |
| dc.subject | adaptation | |
| dc.subject | efficiency diagrams | |
| dc.subject.udc | 62-522.2 | |
| dc.title | Гідропневматична система об'єкту тепличного господарства середнього об'єму | |
| dc.title.alternative | Hydropneumatic system of a medium-sized greenhouse facility | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Synytsyna_dys.pdf
- Розмір:
- 8.22 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: