НКР 18.03.21 (2). Федеральный научный агроинженерный центр вим
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
ПРОВЕДЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВКИ ЭГ – УДАРА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА 4.1 Факторы, влияющие на рост и развитие редиса в закрытом грунте Первым этапом для планирования эксперимента было проведение аналитического обзора по нахождению сроков созревания ранних овощей. Ранние овощи содержат аскорбиновую кислоту, которая повышает работоспособность и снижает развитие атеросклероза [40]. Из аналитического обзора была найдено, что срок созревания свеклы находится в пределах от 40-80 дней, брокколи 40-60 дней, шпината 30-55 дней, моркови 50-70 дней, редиса от 21-30 дней, лука 30-50 дней, огурцов 55-70 дней [75]. Из выше изложенного можно судить, что редис обладает ранним сроком созревания и содержит витамины (С, B1, B2, B3) данная культура подойдет для проведения эксперимента. Чаще всего агрономы рекомендуют придерживаться рекомендаций по выращиванию редиса [73]. Температура редиса для посадки составляет 4 °C, для роста и развития листвы, плода, необходимо поддерживать от 16-22 °C. В течение 10 дней световой день составляет – 17 часов, после 10 дней – 15 часов. Глубина посадки семя 1-2 см, влажность грунта от 60-80%. Для посадки могут использоваться как сухие, так и пророщенные в марганцовом растворе на 8 часов семена. Сажают на 1 м 2 до 100 шт или по массе 2г. Редис растет от освещенности 4000К и выше. Данные рекомендации будут нами учтены при проведении эксперимента. Следующим этапом при проведении эксперимента является контролирование оптимальных условий окружающей среды. Для осуществления данной цели изготовлен лабораторный стенд (рисунок 4.1, 4.2), в котором можно поддерживать и контролировать такие факторы как: освещение, полив, вентиляция, температура воздуха, влажность грунта, влажность воздуха.  Рисунок 4.1 – Лабораторный стеллаж (вид сбоку)  Рисунок 4.2 – Лабораторный стеллаж Согласно проведенному анализу [42], выгодно с экономической точки зрения для выращивания редиса использовать светодиоды. Чаще всего, для освещения выбирают теплое (от 3000К) и холодное свечение (до 4500К). В нашем же варианте будут выбраны светильники Wolta 4000К. Преимущество их в том, что они являются самыми дешевыми в 3-4 раза по сравнению с ДРЛ, ДНАС, ультрафиолетовых и люминесцентных ламп, долговечными около 25000-50000 часов. Монтируются светильники на высоте 30-50 см от дна стеллажа. Если выращивание редиса происходит на кокосовом субстрате или на плодородном торфе [42] то влажность грунта поддерживают от 70 до 80%. В нашем варианте, влажность грунта будет регулироваться при помощи капельного полива производства фирмы Qingchengirrigation, датчиком влажности грунта DHT 11 предназначенный для платы Arduino. Капельный полив был выбран, потому что имеет невысокую стоимость и экономичность, по сравнению с системой аэрозольного орошения, статистического дождевателя, гидропонной системой [28, 9]. Также капельному поливу достаточно 2-3 атмосфер для равномерного распределения воды по капельным трубкам. Благодаря датчику влажности и платформы Arduino обеспечивается измерение влажности почвы на заданном промежутке времени. Если влажность грунта падает, датчик влажности подает сигнал на Arduino, а оно в свою очередь замыкает контакт магнитного клапана. Вода проходит через магнитный клапан и расходится по всем трубкам, которые находятся в контейнерах с растениями. Когда влажность грунта достигнет максимального значения, датчик влажности подаст сигнал на Arduino, произойдет размыкание цепи на магнитном клапане и подача воды прекратится. Чтобы был сбалансированный микроклимат, в теплицах обязательно устанавливают вентиляцию [17]. С помощью вентиляции обеспечивается микросреда, сохраняется уровень влажности, поддерживается температура в определенных значениях. Вентиляторы выбраны марки DeepCool, вентиляция «привязана» к платформе Arduino, срабатывает от сигнала передаваемого датчика температуры воздуха LM35 (когда температура воздуха превысит значение 20-22 °C) и работает до снижения температуры на 2-3 ºС [97]. Преимущество данных вентиляторов в том, что обеспечивается равномерное распределение воздуха до 1,5м. А встроенный гидродинамический подшипник повышает срок службы вентилятора, форма устройства вентилятора имеет тройную защиту: от влаги, потеков масла, попадания пыли. Согласно рекомендациям агрономов по контролированию температуры воздуха по выращиванию редиса в закрытом грунте, оптимальной температурой для выращивания является от +16ºС до 22ºС [97]. Данная температура будет поддерживаться на полке с редисом на всем протяжении роста и развития. Температура воздуха регулируется с помощью инфракрасной обогревательной пленки марки Stem и встроенного датчика. С помощью терморегулятора и платы Arduino обеспечивается регулирование заданной температуры. Для обогрева воздуха инфракрасная пленка устанавливается на заднюю панель лабораторного стеллажа. Инфракрасная обогревательная пленка была выбрана потому, что не несет электромагнитного излучения, повышенная отдача тепла составляет 97%, обладает экономичностью (max потребляемая мощность 220 Вт/м) по сравнению с воздушным отоплением, печным оборудованием, газовым. Ссылаясь на источник [42], при влажности воздуха свыше 80%, создаются условия для возникновения болезней (белой гнили и слизистого бактериоза). Многие авторы [97] рекомендуют поддерживать влажность воздуха от 65 до 85%. В стеллаже, регулирование влажности будет происходить при помощи связи Arduino и увлажнителя воздуха Proffi с датчиками влажности DHT 11. По принципу работы существует 3 вида увлажнителей: традиционные, ультразвуковые, паровые. Нами был выбран ультразвуковой увлажнитель воздуха, так как имеет автоматический контроль параметров воздуха, может подключаться к различным устройствам через USB канал 2.0, 3.0. Данные увлажнители воздуха имеют небольшие размеры и обладают низким уровнем шума. На данный момент применяется 3 вида подогрева в теплице [43]: естественный, технический, биологический. Чаще всего (с апреля по сентябрь) в теплице выбирают естественный обогрев, который заключается в подогреве теплице с помощью солнечного обогрева. Солнечные лучи проникают в парник и теплицу: нагревается стекло, плёнка, возникает парниковый эффект. Из-за экономии электричества в тепличном комплексе воду не подогревают, она нагревается за счет температуры помещения (буферизации). Буферизация – способность воды реагировать на изменения химического состава (чаще всего из-за внешних факторов), без изменения pH [20]. Технический обогрев применяют с сентября до апреля, используя различные обогреватели: водяные, газовые, печные, электрические. Биологический обогрев мало используется в теплицах, так как он основан на получении тепла за счет гниении органического мусора, навоза – это процесс довольно долгий. Нами с апреля по сентябрь будет использоваться естественный обогрев, с сентября по март технический. 4.2 Проведение эксперимента по выращиванию редиса на кокосовом субстрате Последующим этапом является отбор семян и посадка в грунт. Для того чтоб отобрать равного размера семена, необходимо рассыпать семена на поверхность и визуально выбрать лучшие (рисунок 4.3). Тёмные и пустые семена для посадки не годятся. К ранним сортам редиса относятся Жара, Заря, Кольчуга, Ребел, Сакса и др. Был взят сорт Кольчуга, так как имеет массу от 17-25 грамм, урожайность до 3 кг/м.кв, мякоть не острая и сочная.  Рисунок 4.3 – Визуальная оценка семян Семена помещают в 3% солевой раствор, который размешивают, добавляя 3 грамма соли поваренной на 100 мл воды. Через 10 мин семена, которые всплыли - отбрасывают, оставшиеся промывают водопроводной водой и подсушивают 5 мин при тепличной температуре. Таким образом, были выбраны 48 семян. Такое количество было взято, чтоб снизить погрешность эксперимента. В качестве грунта для посадки выбран субстрат кокосовый, в отличие от минеральной ваты имеет преимущества. Высокая буферная емкость – удерживает воду и элементы питания нужные растению [23]. В данном субстрате отсутствует патогенная микрофлора, может применяться неоднократно, pH субстрата (6 -7,0). Субстрат выпускается в сухом виде и размешивается водой по инструкции производителя. Для посадки семян редиса, субстрат разравнивают и делают бороздки глубиной от 1,5см (пикировальной палочкой), дно уплотняют, чтоб семена не могли проваливаться глубже. Семена раскладывают на расстоянии от 2 до 4 см друг от друга. Затем борозды засыпают и уплотняют грунт с помощью садовых инструментов. Необходимо соблюдать заданную глубину посадки на всей площади. Если происходит заглубление, зародышевый стебелек вытягивается и корнеплоды имеют нетоварный вид [17]. С помощью, ранее изготовленной ЭГ установки осуществляли обработку воды при оптимальном режиме. Оптимальный режим состоит в напряжении 24 кВ, ёмкости 0,05 мкФ, индуктивности 1,6 мкГн, воздушного зазора 11мм, рабочего зазора 10 мм, количество искровых разрядов 1000. Проведены исследования по влиянию электрогидравлической воды при поливе на рост и развитие растений. Выявлен положительный результат при поливе редиса, на 15 день длина корней была превышена на 2 см, длина стеблей на 1 см, по сравнению с контрольным образцом. При оптимально режиме было подготовлено 3 образца воды. 1 образец - прудовая вода из г. Люберцы (с концентрацией нитратов 2,1 мг/л) 2 образец - прудовая вода из г. Люберцы, но только обработанная при оптимальном режиме с 1000 искровых разрядов при 3,5 мин (с концентрацией нитратов 3,5 мг/л) 3 образец - прудовая вода из г. Люберцы, но только обработанная при оптимальном режиме с 4000 искровых разрядов при 15 мин (с концентрацией нитратов 5,7 мг/л). В каждом ярусе было посажено по 16 образцов для снижения погрешности измерений, получения наивысшей объективности во время эксперимента. Эксперимент проходил 15 дней, факторы поддерживались и регулировались с помощью блока управления рисунок 4.4 и 4.5. Первые 5 дней световой день составлял 17 часов, с дневной температурой 24 °C и ночной 20°C. Дневной влажностью воздуха 45% и ночной 35-33%, влажностью грунта 55%. Последующие дни световой день составлял 15 часов, с дневной температурой 20 °C и ночной 16 °C, дневной влажностью воздуха 44% и ночной 35%, влажностью грунта 55%.  Рисунок 4.4 – Схема сборки блока управления  Рисунок 4.5 – Блок управления с УЗО С помощью метода сканирования площади листьев на 5 и 10 день было установлено, что при поливе ЭГ обработанной воды наблюдались изменения. Кратность повтора эксперимента 2, с выборкой растений 5 шт на рисунке 4.6 и 4.7 приведены средние значения. На 20 день наблюдалось только развитие корней в длину.  Рисунок 4.6 – Влияние электрогидравлической обработанной воды на рост редиса 10 день  Рисунок 4.7 – Влияние электрогидравлической обработанной воды на рост редиса 15 день При проведении эксперимента можно судить о том, что, полив ЭГ обработанной водой влияет на рост и развитие растений. Эффект был обнаружен при поливе водой с 4000 и 1000 разрядами, ссылаясь на рисунки. Таким образом, был найден органический способ повышения нитратов в воде за счет искровой обработки, который положительно влияет на рост редиса в кокосовом субстрате. 4.3 Расчет экономической эффективности электрогидравлической установки для обработки воды Расчет выполняется согласно действующих методик, принятых стандартов и и нормативных актов [98, 99], принимая во внимание уровень инфляции. Экономическая оценка использования электротехнологий при обеззараживании воды состоит в уменьшении энергозатрат на обработку единичной продукции, снижение себестоимости процесса обеззараживания воды, получаемый на производстве годовой эффект в так называемом чистом дисконтированном доходе (ЧДД). ЧДД находится как сумма нынешних эффектов за рассматриваемый период (месяц, год) либо преувеличение интегральных результатов над принятыми интегральными затратами.
Либо
 –результаты, полученные на шаге расчета  ,руб.; – эксплуатационные затраты, рассматриваемые на шаге расчета  без капиталовложений, руб.; –горизонт расчета, лет; –сумма дисконтированных капиталовложений, руб.; – коэффициент суммы дисконтирования, вычисляемый по формуле
 –норма дисконта капитала с поправкой на инфляцию; представляет реальную процентную ставку, которая учитывает ифляцию:
здесь  –уровень инфляции, %; процентная ставка банка, %;Сумма дисконтированных капиталовложений вычисляется по формуле ниже:
здесь  –капиталовложения на рассматриваемом шаге расчета , руб.При нахождении коммерческой эффективности применяется показатель потока реальных денег. Вычисляется поток реальных денег разностью притоком (Пt) и оттоком (Ot) денег на каждом шаге расчета. В представленной работе имеются одноразовые капиталовложения и одинаковая годовая экономия по горизонту дисконтирования, за который берется срок службы оборудования, тогда чистый дисконтированный доход находится с применением коэффициента суммы дисконтирования. Капитальные вложения находятся по формуле (80)
здесь  – капитальные вложения, руб.;Ц – цена покупки оборудования, руб.;  – коэффициент, включающий дополнительные затраты на транспортировку, монтажные расходы.Капиталовложения для данного варианта вычисляются с учетом дополнительных затрат идущие на доставку и монтаж, составляющие до 20% от стоимости оборудования. Эксплуатационные затраты, распределяемые на техническое оборудование, находятся по формуле, представленной ниже:
здесь З – фонд заработной платы за год, руб.; А – амортизационные отчисления, руб.;  – затраты, распределяемые на ремонт и необходимое техническое обслуживание, руб.; – годовые затраты распределяемые на оплату электроэнергии, руб.; –годовые затраты распределяемые на оплату топлива, руб.; – возникающие прочие затраты, руб.Фонд заработной платы за год обслуживающего персонала находится по формуле:
 – трудоемкость работы за год, чел ; –коэффициент, учитывающий премии сотрудникам по фонду оплаты труда, чаще всего принимается в размере 1,2…1,4 – коэффициент, включающий отчисления на все виды страхования, составляет 1,26; – тарифная ставка по часу и составляет 150 руб.Трудоемкость работы рабочих за год, оценивается формуле (83)
 – число дней работы в году; – продолжительность работы в день, ч; –кол-во обслуживающего персонала, чел.;Годовая трудоемкость по техническому обслуживанию и предлагаемому оборудованию находится по формуле (84):
 – численное значение одной y.e.э., чел ч/y.e.э.Амортизационные отчисления находятся по формуле (85)
 – балансовая стоимость оборудования, руб.; – норматив по годовым организационным отчислениям по оборудованию, %;Отчисления на ремонт, а также техническое обслуживание находят, укрупнено по выражению:
Затраты на потребленную электроэнергию вычисляются по нижней формуле
 –мощность установки, кВт; – суточная работа установки, ч/день; – число дней работы установки в году, день; – тариф электроэнергии, руб/ кВт ч – кпд потребителя о.е;Затраты на топливо вычисляются по формуле:
 –цена топлива, руб./кг;Прочие затраты вычисляются по формуле:
Удельные расходы (эксплуатационные) по применению технологического оборудованию вычисляются по формуле:
 – суммарные эксплуатационные затраты по применению технологического оборудования, руб.; – объём работы за год, л;Степень уменьшения удельных эксплуатационных затрат,  , %, по применению технологического оборудования находим по формуле:
здесь  – удельные эксплуатационные затраты при использовании базового оборудования и предлагаемого варианта, руб./т.Экономия по эксплуатационным затратам,  , руб, находится по формуле:
 – годовой объём работы в рассматриваемом варианте, л.Энергозатраты на процесс электрогидравлической обработки воды,  , кВт ч/л находится по формуле:
здесь  – потребление электроэнергии для электрогидравлического воздействия, кВт ч.Степень снижения энергоемкости, находится по формуле:
Таблица 4.2 – Исходные данные для проведения расчета экономической эффективности использования ЭГ установок для обеззараживания воды
Сводные показатели экономической эффективности приведены в таблице 4.3. Таблица 5.6 – Сводные показатели экономической эффективности ЭГ установок
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
–кол-во потребляемого топлива;
