Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов

Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок / Л. С. Герасимович, Л. А. Калинин, А. В. Корсаков, В. К. Сериков. — Москва: Колос, 1980.

В пособии изложены основные сведения по установкам электрического освещения, облучения и электротехнологии в сельском хозяйстве, даны основы электропривода и автоматического управления электрифицированными сельскохозяйственными машинами и агрегатами, описаны производственные электронагревательные и холодильные установки. Приведены лабораторные работы и методические указания по курсовому проектированию с основами расчет экономической эффективности электрооборудования в сельскохозяйственном производстве.

РАЗДЕЛ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЕРВЫЙ ОСВЕЩЕНИЯ, ОБЛУЧЕНИЯ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Оптическое излучение в сельскохозяйственном производстве используют не только для освещения, но и для воздействия определенным образом на семена, растения, животных, микроорганизмы и другие сельскохозяйственные объекты.
Широкое применение ультрафиолетового и инфракрасного излучений со строгим соблюдением рекомендуемых зоотехнических норм позволяет резко повысить выход сельскохозяйственной продукции.
При расчетах и использовании оптического излучения в сельском хозяйстве применяют общие законы светотехники, в основу которых положены научные открытия, сделанные различными учеными.
В 1666 г. английский физик Исаак Ньютон доказал, что белый свет представляет собой сочетание семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.
В 1800 г. английский астроном и оптик В. Гершель открыл инфракрасные лучи — невидимое излучение, обладающее тепловым действием.
В 1801 г. немецкий ученый Риттер обнаружил существование еще одного невидимого излучения — ультрафиолетового.
В 1890 г. русский физик П. Н. Лебедев экспериментально доказал, что излучение — это поток материальных частиц и измерил давление света.
Большую роль в развитии светотехники в разное время сыграли работы ученых Кирхгофа, Больцмана, Вина, Столетова, Вавилова.         

1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

По современным представлениям оптическое излучение является электромагнитными колебаниями, которые в широком диапазоне частот по-разному взаимодействуют с окружающей средой. Поэтому весь диапазон электромагнитных колебаний разбит на отдельные участки, в совокупности образующие спектр. Каждый участок имеет соответствующее его действию название (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Спектр электромагнитных колебаний.
Как и всякие другие волновые процессы, оптическое излучение определяется следующими параметрами: длиной волны К измеряемой в нанометрах (1 нм=10-9м); скоростью распространения волн С (в вакууме С=3-1017 нм-с-1); частотой электромагнитных колебании v, с-1.
Эти параметры связаны между собой следующим соотношением:
(1.1)
Оптическая часть спектра представляет собой колебания с длинами волн от 10 нм до 340 мкм (340000 нм). Это излучение широко используется в сельскохозяйственном производстве.
Различное действие оптического излучения при изменении длины волны позволило разбить его на три характерные участка: ультрафиолетовое излучение (У = 10...380 нм); видимое излучение (В=380... 760 нм); инфракрасное излучение (Х=760 нм.., ... 340 мкм).
Ультрафиолетовое излучение имеет три зоны: Зона А (315...380 нм) используется для люминесцентного анализа сельскохозяйственных продуктов, так как излучение этой зоны вызывает свечение (люминесценцию) некоторых веществ, что позволяет судить о их состоянии (химическом составе, степени загнивания, спелости и т. д.).
Зона В (280...315 нм). Излучение этой зоны оказывает сильное биологическое действие на животных и растения.
Полезное действие этого излучения на животных проявляется в превращении провитамина D в витамин D, необходимый для нормального обмена веществ в организме животного. На растения излучение этой зоны действует в большей части губительно.
Зона С (200... 280 нм). Ее излучение обладает бактерицидным действием, то есть способно убивать бактерии, что и используется для обеззараживания воды, воздуха, посуды и т. д. Растения под воздействием этого излучения быстро гибнут.
Вакуумная зона (200... 10 нм). Излучение этой зоны способно распространяться только в вакууме, а в воздушной среде быстро затухает. В сельском хозяйстве оно не используется.
Видимое излучение (свет) (380 ... 760 нм) применяется очень широко во всех отраслях народного хозяйства. В сельском хозяйстве свет используется для создания нормальных условий работы обслуживающего персонала (обеспечения гигиены, чистоты и общего оформления рабочего места) и для обеспечения технологического процесса на животноводческих и птицеводческих фермах, а также в парниках и теплицах.
Под технологическим процессом здесь понимается процесс выращивания животных, птицы, культурных растений.
Влияние света на продуктивность животных определяется тем, что он вместе с другими факторами среды в значительной степени связан с обменом веществ. Воспринимаемое глазом световое излучение раздражает нервные окончания. Сигналы раздражения передаются по нервным путям к центрам важнейших функций организма, расположенных в промежуточном мозге и гипофизе, которые оказывают влияние на выработку гормонов, водный баланс организма, углеводный обмен, эффективность действия витаминов А и D, регенерацию крови, но в первую очередь на процессы обмена веществ, связанные с воспроизводством. Решающим для продуктивности животных является не только интенсивность света, но и продолжительность светового периода. Особенно это важно для овец и птицы.
Особое значение оптическое излучение имеет при выращивании растений, так как оно является единственным источником энергии, которая в процессе фотосинтеза запасается в растении, а затем используется человеком и животными.
Очень широко в сельском хозяйстве используется инфракрасное излучение. Эти лучи обладают тепловым действием, то есть при их поглощении тела нагреваются. Поэтому их применяют для нагрева различных объектов, обогрева животных, сушки материалов.
При облучении животных инфракрасными лучами улучшается их обмен веществ, кровообращение, уменьшается восприимчивость к болезням и т. д.
Инфракрасное излучение условно делят на три диапазона: коротковолновый (760... 2500 нм), средневолновый (2500...25000 нм), длинноволновый (25000...340000 нм).

Лампы накаливания являются источниками теплового излучения, которое есть результат возбуждения атомов и молекул вещества при его нагревании. Нагрев при этом может осуществляться любым способом. В электрических источниках оптического излучения светящее тело нагревается за счет протекающего по нему электрического тока. При этом плотность излучения зависит в первую очередь от температуры нагретого тела, а при одной и той же температуре Т плотность излучения R будет тем больше, чем больше коэффициент поглощения нагретого тела а (закон Кирхгофа).
(1.14)
где Rt — плотность излучения абсолютно черного тела при той же температуре, Вт-м-2
Под абсолютно черным телом понимается оптический приемник, полностью поглощающий падающие на него излучения независимо от направления падения, спектрального состава и поляризации.
Чтобы определить эффективную отдачу источника излучения, необходимо знать, как распределяется энергия в спектре теплового излучения (спектральная интенсивность плотности излучения).
На рисунке 1.4 показаны кривые спектральной интенсивности плотности излучения абсолютно черного тела при разных температурах Т, значение которой определяется по формуле Планка:
(1.15)
где C1 — постоянная, равная 3,74-10~16 Вт-м2; С2 — постоянная, равная 1,43-10-2 м-К; е — основание натуральных логарифмов.

Из рисунка видно, что кривая имеет резко нелинейный характер зависимости от длины волны А, и температуры Т. При этом важно отметить, что положение максимума излучения зависит от температуры тела и определяется формулой Вина:

Рис. 1.4. Кривые спектральной интенсивности плотности излучения абсолютно черного тела при нагреве его до различных температур.
(1.16)
Из формулы следует, что при увеличении температуры излучающего тела максимум кривой смещается в сторону более коротких длин волн. В видимой части спектра максимум находится при температуре абсолютно черного тела в пределах 3750 ...7800 К. Для мощных газопольных ламп накаливания с вольфрамовой нитью, допускающей нагрев до 3000 К, световой к. п. д. не превышает 3,2%. Этот к. п. д. с некоторым допущением можно определить по графику на рисунке 1.4 как отношение заштрихованного участка к площади, ограниченной кривой и осью абсцисс.
Даже при температуре тела накала около 6500 К, когда максимум находится посредине области светового излучения, большая часть излучения расходуется на тепло (область больше 760 нм) и световой к. п. д. не  превышает 14,5%. Таким образом, одним из недостатков тепловых источников света (ламп накаливания) является низкий световой к. п. д.
В настоящее время выпускаются вакуумные лампы накаливания (условное обозначение В), газополные (Г), для наполнения которых используются тяжелые инертные газы или их смеси (например, 86% аргона и 14% азота), с криптоновым наполнением и с биспиральной нитью накала (БК) (табл. 1.1). Криптоновое наполнение позволяет увеличить световую отдачу лампы.

Характеристики ламп накаливания

К основным характеристикам ламп накаливания относятся: номинальное напряжение (для ламп общего назначения — 220 В, 127 В); электрическая мощность, Вт;
световой поток или мощность светового потока, лм; световая отдача, определяющая экономичность лампы и равная отношению мощности светового потока к общей мощности лампы (лМ.Вт-1);
средняя продолжительности горения. Для ламп общего назначения— 1000 ч, для ламп 135, 235 В — 2500 ч.
Достоинством ламп накаливания являются: простота устройства, сравнительно низкая стоимость изготовления и надежность работы в различных условиях окружающей среды. Недостатки ламп накаливания: низкая световая отдача (до 20 лм-Вт-1) и, следовательно, малый световой к. п. д. (до 3,5%), неудовлетворительный спектральный состав излучения (преобладает длинноволновое излучение), большая яркость.
Для повышения экономичности ламп необходимо увеличить температуру тела накала. Однако это связано с резким увеличением интенсивности его распыления, что сокращает срок службы ламп.
Этот недостаток в некоторой степени устранен в так называемой кварцевой галогенной лампе накаливания, которая представляет собой кварцевую трубку, внутри которой вдоль оси расположена вольфрамовая спираль. Внутрь колбы-трубки вводят 1... 2 мг йода и наполняют ее аргоном до давления порядка 0,08 МПа. Присутствие паров йода позволяет получить регенеративный цикл. Это значит, что одновременно с распылением тела накала происходит его восстановление, что способствует увеличению срока службы.
В таблице 1.2 приведены характеристики некоторых выпускаемых нашей промышленностью кварцевых галогенных ламп.
В сельском хозяйстве в основном используются лампы КГ220-1000-5 для обогрева животных.
Характеристики кварцевых галогенных ламп