Интенсификация электротехнологических процессов в кормопроизводстве на основе использования электромагнитного поля

Переход сельскохозяйственного производства на рыночные условия хозяйствования, акционирование сельскохозяйственных предприятий, развитие фермерских хозяйств — с одной стороны, убыточность и спад сельскохозяйственного производства, диспаритет цен (так, в 1995 году цены на продукцию сельского хозяйства выросли в 770 раз, а на промышленную продукцию и услуги для села — в 2800 раз, электрическую энергию — в 5400 раз, ГСМ — в 2500 раз) — с другой стороны, требуют от науки и производства создания высокоэффективных технологических процессов обработки и хранения кормовой продукции полеводства и интенсификации выращивания и откорма животных при экономном расходовании кормов и энергоресурсов. Нестабильность в ценовых паритетах коснулась практически всех основных видов сельскохозяйственной продукции. Уже в 1995 г. покупательная способность на энергоресурсы у российских производителей сельскохозяйственной продукции была в 2,5 раза ниже, чем у американских фермеров. Для продукции животноводства при определении ценового паритета целесообразно рассматривать энергоресурсы, используемые, главным образом, в стационарных процессах. С технологической и экологической точек зрения наиболее прогрессивными из них являются электроэнергия и природный газ. Покупательная способность значительно снизилась у производителей крупного рогатого скота, свиней, птицы, молока и молочной продукции. Если, например, рассматривать молоко и молочную продукцию, то в 1996 г. на оплату 1 тыс. кВт-ч. электроэнергии требовалось реализовать ее 165 кг, что примерно в 3 раза больше, чем в 1992 г.

Следует отметить, что решение проблемы диспаритета цен между энергоресурсами и сельскохозяйственной продукцией в условиях России не должно сводиться только к общепринятым в мировой практике экономическим мерам (поддержка цен на сельскохозяйственную продукцию, налоговые льготы и льготные кредиты на приобретаемые энергоресурсы и т. п.). Одним из приоритетных направлений должно стать снижение энергоемкости ее производства, поскольку это уменьшит потребность в дорогостоящих топливно-энергетических ресурсах. По расчетам в 1996;98 г. г. на 1 т условных зерновых единиц сельскохозяйственной продукции в США в среднем расходовалось 1075 МДж в виде моторного топлива и электроэнергии. Сопоставимый показатель по России составлял 5109 МДж, что в 4,8 раза выше. Таким образом, энергосберегающие мероприятия естественно будут способствовать повышению устойчивости энергоресурсного обеспечения аграрного сектора России, а также стабильному росту производства сельскохозяйственной продукции.

В настоящее время очень остро стоит проблема роста цен на корма (доля затрат на их приобретение и подготовку к скармливанию составляет более 70% от общих издержек производства). Электрификация технологических процессов в животноводстве и кормопроизводстве на основе высокоэффективной технологии способствует интенсификации технологических процессов и достижению наиболее выгодных технологических и технико-экономических решений.

Однако широкое и высокоэффективное использование электроэнергии и материальных ресурсов в животноводстве и кормопроизводстве сдерживается не только из-за огромных финансовых трудностей в сельском хозяйстве, да и в целом в стране, но и из-за отсутствия необходимых научно обоснованных методов интенсификации и технических средств, обеспечивающих высококачественную обработку и хранение продукции полеводства, приготовление полнорационных сбалансированных кормов, интенсивному выращиванию и содержанию молочных коров и откорму на мясо различных видов животных.

Общеизвестно, что использование электромагнитного поля (ЭМП) в сельскохозяйственной электротехнологии позволяет успешно решить целый комплекс различных проблем, стоящих перед производителями сельскохозяйственной продукции. Вообще для современного общества становится аксиомой положение о том, что дальнейший прогресс непосредственно связан с все более интенсивным применением электромагнитной энергии. Возможность использования специфического (теплового, биологического, электрофизического и электрохимического) воздействия электромагнитной энергии на объект обработки способствует быстрому развитию электротехнологических методов обработки биологических материалов сельскохозяйственного производства. Даже достаточно глубоко исследованная электронно-ионная обработка материалов в промышленном производстве продолжает развиваться и совершенствоваться, а разработка эффективной электротехнологии в сельскохозяйственном производстве, становление и развитие которой происходит последние 25- 30 лет, сопряжена с целым рядом трудностей не только в экономическом аспекте, но и в том, что объектом обработки являются довольно сложные по своим физико-химическим свойствам биологические материалы. Механизм воздействия ЭМП на такие материалы требует дальнейшего исследования и тщательного изучения. Так как при такой технологии основным воздействующим фактором является ЭМП, то, естественно, для раскрытия механизма воздействия и оптимизации параметров обработки необходимо достоверно представлять картину электрического поля в объекте обработки. Применение же существующих методов расчета ЭМП для анализа процессов, протекающих в такой сложной системе, и оптимизации режимов и параметров обработки не обеспечивает построение физико-математических моделей, адекватных сложности исследуемых процессов, протекающих в пространственно-временном континууме в биологической системе. В таких ситуациях необходимо применять фундаментальные теоретические модели, баs зирующиеся на теории ЭМП и учитывающие нелинейные, неоднородные, анизотропные и поляризационные свойства объекта обработки, какими характеризуются корма растительного происхождения (КРП).

Бесспорно, основополагающим трудом в теории ЭМП является мак-свелловский «Трактат по электричеству и магнетизму», теоретически обобщивший в свое время все известные электрические и магнитные явления. В становлении и развитии теории ЭМП и ее приложении в различных областях работали и продолжают свои исследования многие известные ученые: Бинс К., Бреббия К., Демирчян К. С., Зенкевич О., Иванов-Смоль-ский A.B., Кухаркин Е. С., Курбатов П. А., Кулон Ж. Л., Колтон Д., Кресс Р., Львов Е. Л., Лауренсон П., Маергойз И. Д., Нейман Л. Р., Нетушил A.B., Поливанов K.M., Стреттон Дж. А., Тамм И. Е., Татур Т. А., Тозони О. В., Сухорукое В. В., Чечурин В. Л., Флетчер К. И. другие.

Проблемы анализа и синтеза ЭМП в разнообразных устройствах достаточно актуальны и требуют дальнейшего развития в аспекте построения сложных теоретических моделей электромагнитных процессов, когда необходимо учитывать пространственно-временной континуум, неоднородные свойства материалов, оптимизацию режимов для различных технологических процессов. В настоящее время имеются необходимые предпосылки для создания физико-математических моделей таких процессов: разработаны, в известной мере, универсальные численные методы анализа ЭМП и соответствующие им алгоритмы и программы численных расчетов характеристик и параметров ЭМП на персональных ЭВМ.

Одновременно следует отметить, что до настоящего времени не имеется в достаточной мере универсальных и эффективных решений для целого ряда актуальных взаимосвязанных проблем синтеза ЭМП, особенно в области сельскохозяйственной электротехнологии. Существующие же в области фундаментальных исследований теории ЭМП и разработки в области промышленной электротехнологии требуют существенного уточнения, особенно по отношению к объекту обработки ввиду значительного отличия электрофизических свойств материалов, подвергающихся воздействию ЭМП. В этом отношении в значительной мере открытыми остаются проблемы разработки универсальных численных методов теории ЭМП для сред с существенно нелинейными электрофизическими свойствами. Такого рода проблемы обусловлены отсутствием универсальной теории материальных связей между векторами ЭМП, без которых система уравнений Максвелла является неполной (не замкнутой). До настоящего времени остается актуальной проблема развития методов теории ЭМП для расчета переменных полей в неоднородной анизотропной среде с комплексными электрофизическими параметрами. Настоятельно требуется углубленное физико-математическое моделирование ЭМП в средах, характеризующихся поляризованностью, в том числе и для полей сложного временного характера. По-прежнему актуальной остается проблема граничных условий в ЭМП, без учета которых не может быть обеспечена единственность решения. Имеются научные разработки, в которых проблемы граничных условий так или иначе решены для однозначно определенного случая, но, тем не менее, требуется дальнейшая разработка этого вопроса, особенно в области сельскохозяйственной и перерабатывающей электротехнологии, так как в этом случае необходимо рассматривать электрическое поле в реальной среде, характеризующейся как диэлектрическими, так и проводящими свойствами, что затрудняет использование известных и разработанных методов. В связи с этим детальный расчет ЭМП и соответствующая оптимизация для названных технологий остаются актуальными проблемами не только сельскохозяйственной электротехнологии, но и современного приложения в различных областях теории ЭМП. Совершенно очевидно, что оптимизация такой технологии в настоящее время должна выполняться на базе современных численных методов теории ЭМП. Однако непосредственное применение таких методов для анализа указанных проблем без адекватной трансформации электрофизических свойств материалов со сложной структурой в теоретической модели приводит к очень громоздким вычислительным процедурам и не обеспечивает требуемой точности расчетов.

Указанным проблемам посвящены в основном первые три главы диссертационной работы.

Но расчеты пространственных вариаций векторов ЭМП не позволяют полностью обосновать электротехнологические процессы, так как здесь необходимо учитывать силовое воздействие ЭМП на обрабатываемый материал — КРП. Если проблемы анализа и синтеза ЭМП в разнообразных электромагнитных преобразователях в большей степени решены, то электротехнологические процессы, протекающие в пространственно-временном континууме, требуют дальнейшего изучения, так как достоверная и детальная информация о названных процессах может быть получена только на базе фундаментальной теории силовых взаимодействий ЭМП. Актуальной и довольно сложной проблемой теории ЭМП является проблема расчета силовых взаимодействий в электрических, магнитных и переменных электромагнитных полях. В настоящее время этой теме уделяется значительное внимание, но, однако, часть вопросов в этой проблеме остается открытыми. В значительной мере дискуссионной остаются вопросы обоснованности применения тех или иных основополагающих концептуальных соотношений для построения теории электрических, магнитных и электромагнитных сил и моментов в средах с поляризованными материалами. В широко известных работах эти взаимодействия рассматриваются на основе законов Кулона и (или) Ампера, что справедливо для электродинамики сплошных сред, а для субмикроскопической области необходимо классическую электродинамику заменять квантовой электродинамикой. Поэтому фундаментальные законы Кулона и (или) Ампера в дифференциальной форме являются основополагающими при построении теории для расчета интегральных сил и моментов в пространственно-временном континууме, свойственном классической электродинамике. Этой комплексной проблеме, основанной на дифференциальной формулировке законов Ампера и Кулона для поляризованных сред, посвящена четвертая глава диссертационной работы.

В пятой главе на основе полученных данных построены комплексные математические модели, позволяющие учитывать сложность и разнообразность электрофизических свойств КРП, подвергающихся электротехнологической обработке, и выполнить оптимизацию параметров и режимов обработки в зависимости от поставленной цели, выполнены различных электротехнологических процессов.

Разработанные в диссертации методы интенсификации в определенной мере восполняют пробел исследований как в области сельскохозяйственной электротехнологии, так и в области моделирования ЭМП в сложной с точки зрения электрофизических свойств среды. Эти методы позволяют при широком внедрении такой технологии получать высокие технико-экономические показатели развития животноводства (за счет использования качественного корма), что особенно важно при дефиците материальных и энергетических ресурсов.

Следует отметить, что все рассмотренные в диссертационной работе проблемы и соответствующие решения этих проблем являются взаимосвязанными и взаимодополняющими. Математические модели описания свойств нелинейной, неоднородной, анизотропной и поляризованной сред (КРП) позволяют описать распределение векторов ЭМП, что в свою очередь дает возможность построить решение силовых взаимодействий ЭМП поля на КРП и получить математические оптимизационные модели электротехнологических процессов кормопроизводства.

Таким образом, рассмотренные в данной диссертационной работе проблемы образуют органично связанную комплексную проблематику, имеющую не только прикладное значение, но развивают основные положения теории электромагнитного поля в различных средах.

Целью данной диссертационной работы является обоснование и разработка методов интенсификации электротехнологических процессов в кормопроизводстве на основе использования ЭМП различного диапазона частот, обеспечивающих улучшение качества получаемой продукции при снижении энергозатрат и себестоимости и сохранности экологической чистоты окружающей среды.

Для достижения установленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Провести системный анализ электротехнологических процессов в сельском хозяйстве, изучить механизм воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на корма растительного происхождения (КРП) в процессе электротехнологической обработки и определить возможности интенсификации этих процессов на основе воздействия ЭМП на обрабатываемый материал.

2. На основе системно-аналитических исследований разработать обобщенную информационно-энергетическую классификацию электротехнологических процессов в кормопроизводстве, позволяющую определить не только тип электротехнологического процесса, но и прогнозировать различные методы электротехнологического воздействия на КРП.

3. Изучить электрофизические свойства растительных кормов, построить математические модели, позволяющие описывать эти свойства.

4. Построить математические модели для расчета ЭМП в неоднородной, нелинейной, анизотропной и поляризованной средах, какими являются КРП.

5. Разработать методы расчета силовых взаимодействий ЭМП при электротехнологической обработке КРП.

6. Разработать методы расчета моделирования и прогнозирования структуры электротехнологических процессов в кормопроизводстве на основе использования ЭМП различного диапазона частот.

7. Обосновать практические рекомендации к расчету и проектированию электротехнологических процессов в кормопроизводстве на основе использования ЭМП различного диапазона частот.

Научная новизна. Решение вышеперечисленных задач определило научную новизну выполненной работы, которая заключается в следующем:

— информационно-энергетическая классификация электротехнологических процессов в кормопроизводстве, построенная на основе системно-аналитических исследований зависимости частоты ЭМП, времени обработки, скорости ввода и количества вводимой энергии поля в объект обработки, позволяющая обосновать не только тип электротехнологического процесса, но и прогнозировать различные методы электротехнологического воздействия на обрабатываемые КРП;

— комплексные математические модели, позволяющие описывать электрофизические свойства КРП;

— комплексные математические модели расчета ЭМП в различных средах, позволяющие описывать ЭМП в обрабатываемых КРП (нелинейная, неоднородная, анизотропная, поляризованная среда);

— теория силовых взаимодействий ЭМП в биологическом растительном объекте обработки (КРП), посредством которой производится расчет сил электрического происхождения при реализации различных электротехнологических процессов;

— оптимизационные алгоритмы различных электротехнологических процессов, позволяющие на основе целевой функции, связывающей основные показатели обработки, исследовать различные электротехнологические процессы и режимы.

Практическая ценность работы.

Разработанная информационно-энергетическая система электротехнологических процессов в кормопроизводстве дает возможность выбирать наиболее эффективную технологию подготовки кормов к скармливанию и прогнозировать различные методы электротехнологического воздействия на КРП. Предложенные математические модели позволяют осуществить выбор технологических и технических параметров обработки для различных КРП. На основании полученная методики оптимального математического эксперимента выполняются комплексные исследования электротехнологических процессов в сельскохозяйственном кормопроизводстве, и при соответствующей модификации эта методика может быть распространена на другие объекты обработки (в пищевой и перерабатывающей промышленности). Разработанный пакет программ позволяет моделировать ЭМП практически для любой сколько угодно сложной (нелинейной, неоднородной, анизотропной, поляризованной) среды — КРП. Разработанные основы для научно-методической и проектно-технологической базы необходимы при проектировании эффективных электротехнологических установок для обработки различных КРП.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанная научно-методическая и проектнотехнологическая база принята к использованию в Алтайском научно-техническом и проект-но-технологическом институте животноводства (АНИПТИЖ) СО РАСХН,.

Сибирском филиале НПО «Агроприбор», Сибирском физико-техническом институте аграрных проблем СО РАСХН (СибФТИ), Сибирском научно-исследовательском и проектно-технологическом институте переработки сельскохозяйственной продукции (СибНИПТИП) СО РАСХН.

Методика выбора технологии обработки растительного сырья в ЭМП и практические рекомендации по выбору технических и технологических параметров электротехнологической обработки приняты к использованию в Главное управление сельского хозяйства Алтайского края для проектирования новой техники и технологии в сельскохозяйственном производстве.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства» и «Теоретические основы электротехники», а также в курсовом и дипломном проектировании в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ), Алтайском государственном агроуниверситете (АГАУ), Красноярском государственном агро-университете (КрГАУ), Новосибирском государственном агроуниверситете (НГАУ).

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях и выставках и конкурсах, в частности:

— на международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс -6−2000)» (г. Томск, 2000 г.) — - на 12—ht Micdzynarodowa konferercja naukowa — techniczna. «ELECTRICAL SAFETY», (г. Вроцлав, Польша, 1999 г.) — - на международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (г.Москва, 1998 г.) — - на 10—ht Micdzynarodowa konferercja nau-kowo — techniczna. «Ochrona przeciwporazeniowa w urzadzeniach elek-tryczych.» (г.Вроцлав, Польша, 1995 г.)—на ежегодных научно-технических конференциях АлтГТУ (г.Барнаул, 1991;99 г. г.) — - на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАУ (ЧИМЭСХ) (г.Челябинск, 1986—91 г. г.) — — на научно-практической конференции «Горы и человек: в поисках путей устойчивого развития» (г.Барнаул, 1996 г.) — - на выставке Российского фонда поддержки малых предприятий в науке и научном обслуживании — «Малое научное предпринимательство в науке и научном обслуживании». Разделы: «сельское хозяйство, пищевая промышленность» и «экология, медицина». (Государственный комитет РФ по высшему образованию, г. Москва, 1993 г.) — - на краевом конкурсе Алтайского фонда «Лекарство и здоровье» при краевой администрации (г. Барнаул, 1993 г.).

На защиту выносятся:

— обобщенная информационно-энергетическая классификация электротехнологических процессов в кормопроизводстве, построенная путем системно-аналитических исследований зависимости частоты ЭМП, скорости ввода и количества вводимой энергии ЭМП в объект обработки, позволяющая определить не только тип электротехнологического процесса, но и прогнозировать различные методы электротехнологического воздействия КРП;

— комплексные математические модели, описывающие электрофизические свойства КРП;

— математические модели расчета ЭМП для различных КРП (нелинейная, неоднородная, анизотропная, поляризованная);

— модифицированная теория силовых взаимодействий ЭМП в КРП;

— математические модели электротехнологического процесса, позволяющие проводить математический эксперимент с высокой степенью достоверности полученных результатов, прогнозировать результаты электротехнологической обработки различных КРП и оптимизировать эти электротехнологические процессы;

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Диссертация представляет собой системное исследование процесса воздействия электромагнитных полей на биологический объект. Главным ее итогом является разработка теоретических положений, методов и технических рекомендаций, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов в кормопроизводстве при воздействии электромагнитных полей на растительные материалы. Полученные результаты представляют собой научно обоснованные технические и технологические разработки в виде технологического процесса воздействия электромагнитных полей на растительный материал, внедрение таких технологий вносит значительный вклад в развитие сельскохозяйственного производства (кормопроизводство, животноводство) и перерабатывающей промышленности. Теоретические положения раскрывают закономерности распределения электрических полей в объекте обработки и влияние на качество обработки.

Таким образом, решение комплексной задачи электротехнологической обработки растительных материалов в сельскохозяйственном кормопроизводстве позволяет, выработать рекомендации для использования такой технологии и сделать следующие выводы по проделанной работе:

1. Проведенная классификация биологических растительных объектов обработки с точки зрения воздействия ЭМП позволила выявить основные их электрофизические свойства, при этом растительные материалы модельно можно представить в виде трехфазной неоднородной системы: одна фаза — межклеточная ткань — полупроводник с ионной проводимостью, вторая фаза — внутриклеточное вещество — электролит, третья фаза — оболочка растительной клетки — несовершенный диэлектрик. Следовательно, воздействие электрического поля на растительные материалы будет проявляться в различной степени на каждую составляющую клетки, так как эти составляющие имеют различные показатели диэлектрической проницаемости и электропроводности. С исследованием электрофизических свойств веществ, у которых диэлектрическая проницаемость в различных частях объема различна (неодинакова), самым тесным образом связаны вопросы расчета картины электрического поля в макроскопических неоднородных материалах.

2. Практически все сельскохозяйственные растительные материалы, подвергающиеся обработке в электрическом поле, можно разделить на две большие группы: к первой группе будем относить растительные материалы с влажностью 12.35%, ко второй — материалы, у которых влажность составляет более 35%, что определяется связью влаги с твердым веществом.

3. Математическое описание свойств обрабатываемой биологической растительной среды, характеризующейся неоднородными, нелинейными, анизотропными свойствами, показало, что не любая однозначная зависимость может описывать диэлектрические свойства среды, так как еще необходимым условием является симметричность матрицы Якоби для зависимостей.

Следовательно, если зависимость 1>{Е) является однозначной и для этой зависимости матрица Якоби Я (Е^ симметрична, то этой зависимостью можно с достаточно высокой степенью достоверности описать диэлектрические свойства среды.

4. Большой информационной емкостью обладает теория описания поляризующихся сред, в которой объединены энергетическая концепция и статистическое усреднение электрофизических свойств таких материалов, что позволяет моделировать реальную поляризованную среду.

5. Очень сложной проблемой в математическом описании свойств поляризующихся материалов является проблема введения в расчет вероятностных характеристик, без которых невозможно статистическое описание усредненных свойств макрообъема исследуемого материала. Полученные статистические модели поляризованных сред на основе континуального подхода к проблеме математического моделирования дали возможность получить модель, где типичному элементарному объему приписываются реальные физические свойства, по которым в дальнейшем определяется плотность распределения и параметры гистеронов, входящие в статистическую модель реального вещества.

6. Основные энергетические соотношения электрофизических свойств поляризованной среды позволили получить универсальную модель, в которой распределение единичного вектора а, коллинеарного с искомым вектором поляризации Р может быть аппроксимировано по методу конечных элементов. При этом для расчета узлового распределения, а необходимо минимизировать энергетический функционал, состоящий из выявленных составляющих энергии поляризованного тела.

7. Для проведения процедуры условной минимизации энергетического функционала определены гамильтонианы и гессианы всех составляющих этого функционала и получены алгоритмы оптимизации на основе гибридных вариантов метода Ньютона и методов спуска. На основании минимизации энергетического функционала построены характеристики, позволяющие получать материалы с заранее заданными свойствами в зависимости от поставленной цели электротехнологической обработки растительного материала.

8. Изменение диэлектрической проницаемости от плотности и частоты показывают, что уплотнение дисперсного материала уменьшает эффект поляризации, изменяет соотношение фаз неоднородной структуры. Воздействие частоты на неоднородный диэлектрик приводит к аномальной дисперсии, т. е. уменьшению диэлектрической проницаемости с ростом последней. Поведение неоднородного материала при воздействии электрического поля различных частот подчинено закономерностям сложного характера аддитивной поляризации, т. е. постепенным выпадением звеньев цепи задержанных видов поляризации из общей их суммы. Тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается с увеличением частоты. Электрическая неоднородность структуры компонентов, наличие адсорбированной влаги на поверхности материала, влияние частоты на все виды поляризации обуславливают диэлектрические потери сложных диэлектриков. Чем выше влажность, тем больше значение тангенса угла диэлектрических потерь. Увеличение потерь можно объяснить высвобождением структурной влаги, а также объемным и фазовым соотношениями компонентов. Из анализа зависимостей видно, что увеличение напряженности электрического поля сокращает продолжительность обработки и увеличивает плотность тока, однако общая закономерность сохраняется, а при измельчении сырья обработка происходит при значительно меньшей напряженности электрического поля. Это можно объяснить повышением проницаемости растительного материала за счет его измельчения. Таким образом, растительные материалы характеризуются неоднородными, анизотропными и нелинейными электрофизическими свойствами, и под воздействием электрического поля происходят сложные процессы поляризации.

9. Проведенная классификация методов расчета решения дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих ЭМП при электротехнологической обработке растительных материалов, позволила выявить основные методы расчета, которые характеризуются достаточно высокой точностью расчета и обладают высокой скоростью сходимости построенного решения. Эти методы и были использованы для расчета ЭМП в нелинейных, неоднородных, анизотропных и поляризованных средах.

10. Из наиболее разработанных методов выбран метод интегральных уравнений (метод вторичных источников), который позволяет не только построить решение в исследуемой области, но и, что особенной важно, проводить расчет для различной сколько угодно сложной с точки зрения воздействия ЭМП среды и при разнообразных границах раздела сред.

11. Полученные интегральные уравнения позволили описать картину поля. К этим уравнениям был применен итерационный метод расчета на основанный на модифицированном метода Галеркина и методе конечных элементов. Полученные алгоритмы дали возможность не только составить программы расчетов для различных сред, но и позволили получить обобщенные показатели, характеризующие электротехнологическую обработку растительных материалов.

12. Выполнена программная реализация двумерной математической модели электростатического поля и силовых взаимодействий на межмолекулярном уровне в биологическом растительном объекте обработки. Разработана логическая структура программы и определены ее характеристики. В описании программы детализирован способ задания геометрической структуры и электрофизических свойств. При программной реализации установлено, что разработанная физико-математическая модель не только качественно, но и количественно достаточно точно описывает силовые взаимодействия в исследуемой системе. Для минимизации вычислительных ресурсов при расчете характеристик в программе расчета задействована современная технология обработки разреженных матриц, связанная с применяемым для расчета модифицированного методом Галеркина с конечными элементами.

13. Анализ межмолекулярных взаимодействий в биологических растительных объектах позволил выявить основные взаимодействия. Под воздействием сильных и слабых взаимодействий происходит формирование клеточных оболочек, следовательно, изменение внешних условий приводит к изменению указанных сил, а значит, и к изменению проницаемости мембран, и в предельном случае, -к их разрушению.

14. В результате проведенного анализа установлено, что прочность оболочки растительной клетки определяется межмолекулярными силами, обуславливающими величину энергии взаимодействия в структуре, следовательно, для эффективного воздействия ЭМП на обрабатываемый материал необходимо, чтобы внешние возмущающие воздействия превысили межмолекулярные взаимодействия. Наибольший технологический эффект достигается в том случае, когда выявлены наиболее значимые действующие факторы для конкретного материала и максимально используется информация об электрофизических свойствах растительного материала.

15. Предложена модификация универсальной теории силовых взаимодействий в электрических полях, базирующаяся на концепции удельных объемных сил. Эта теория включает в себя расширенную формулировку закона Кулона сред в дифференциальной форме для силовых взаимодействий электрических полей в поляризованной среде и справедлива для основополагающих законов в рамках электродинамики сплошных сред. Базисом универсальной теории является концепция удельных объемных электрических сил, опирающаяся на фундаментальные определения силового вектора напряженности электрического поля.

16. Разработана универсальная физико-математическая модель, реализующая электротехнологическую обработку растительных материалов, на основе численного метода теории электромагнитного поля — модифицированного метода конечных элементов. Выполнена модификация предложенного метода расчета, в результате чего получено интегральное матричное уравнение электростатического поля в цилиндрических координатах. Построены выражения для компонент двухмерного симплексэлемента и решена глобальная система алгебраических уравнений относительно потенциала. Определено элементное распределение напряженности электрического поля, которое является основой для последующего расчета силовых характеристик электрического поля.

17. Детальный анализ исследуемых технологических процессов, основанных на использовании ЭМП для подготовки кормов к скармливанию в сельскохозяйственном кормопроизводстве, позволил утверждать, что исследуемые задачи относятся к классу обратных задач математической физики с математической точки зрения. Для исследования и математического моделирования такого класса задач наиболее эффективным является математический эксперимент, поставленный на основе различных регуляри-зирующих алгоритмах. Анализ возможностей проведения математического эксперимента для исследуемого класса обратных задач позволил провести математическое моделирование процессов электротехнологической обработки растительных материалов. Математические модели включают как технические, так и технологические параметры и позволяют исследовать электротехнологические процессы в большом диапазоне изменения этих параметров.

18. Использование различных регуляризирующих алгоритмов в результате математического эксперимента позволяет не только исследовать основные показатели электротехнологических процессов, но и получать достоверную недостающую информацию о свойствах исследуемого объекта обработки в широком диапазоне изменения входных параметров исследуемой технологии. Проведенные исследования на основе математического эксперимента позволили построить оптимизационные модели электротехнологических процессов и выделить все основные показатели, характеризующие исследуемые технологические процессы.

19. Обосновано применение подхода на базе основополагающей теории оптимизации для решения задачи выявления оптимальных показателей электротехнологической обработки растительных материалов на использовании различных регуляризирующих алгоритмов.

20. Показано, что никакие иные способы и средства не позволяют построить математические модели исследуемых процессов с широкими вариациями технических и технологических параметров обработки, при этом учитывается вся совокупность электрофизических свойств обрабатываемого материала, что представляется в виде матрицы исходных данных, а также возможность регулирования множества характеристик и условий функционирования исследуемых технологий. Доказано, что в основу формирования процедуры оптимизации в исследуемой задаче должны быть положены принципы устойчивости решения с обязательным анализом погрешностей полученного решения.

21. Доказана необходимость применения модифицированного метода оптимизации, связанного с ограниченностью и неопределенностью исходных данных в исследуемой задаче. Такой подход, связанный с разработкой и применением корректирующих алгоритмов оптимизации, является и достаточным при функционировании оптимизирующей схемы вида «исходный материал — технология обработки — конечный продукт», процедурно оформленный как интерактивная замкнутая система. Показано, что формирование корректирующих процедур в такой задаче оптимизации остается эффективным и при использовании сопоставления теоретических (желаемых) и практических значений и характеристик исследуемых объектов обработки с обязательным определением мер близости исходных информационных массивов.

22. Исследования электротехнологических процессов в кормопроизводстве по обобщенной частотно-энергетической системе показали, что для различного диапазона частот в качестве обобщенного показателя, характеризующего конкретный технологический процесс, можно использовать удельную энергию ввода, при этом представление удельной энергии ввода в виде четырех групп позволяет не только выполнить характеристику конкретного электротехнологического процесса, но, и что очень важно, прогнозировать различные новые технологии обработки растительного сырья.

23. Разработанная научно-методическая и проектнотехнологическая база с апробацией технологии показала следующие основные результаты исследований:

— интенсификация электротехнологических процессов в кормопроизводстве определяется сокращением времени на подготовку кормов к скармливанию, улучшения качества корма при экономически эффективной технологии;

— улучшение качества корма доказано результатами научно-хозяйственных балансовых опытов на животных: коэффициенты переваримости грубого корма увеличиваются на 9%, поедаемость кормана 15,3%;

— снижение энергозатрат и себестоимости, выраженное в полученном экономическом эффекте в размере 17 тыс. руб. (в ценах 1991 г.) на одну установку производительностью 1,5 т/ч, определено в результате апробации технологии в хозяйствах;

— экологическая чистота предложенных технологий заключается в исключении химических реагентов из технологического процесса и определяет социальный эффект.