能量平衡分析（精选7篇）
能量平衡分析 篇1
烧结厂是钢铁行业的能耗大户,降低烧结工序能耗是烧结生产中的重要课题,也是降低烧结矿成本的重要途径。在烧结工序中,热能消耗占能耗比例最大,是节能的主攻方向。为此国内外对烧结过程热利用方面进行了深入研究,并将这些研究成果用于指导烧结生产,已取得了明显的节能效果[1,2]。上海宝钢集团、包头钢铁(集团)有限责任公司、鞍山钢铁集团公司、攀枝花钢铁(集团)公司、湖南华菱湘潭钢铁有限公司等国内大型钢铁企业均开展过烧结机热平衡测试,根据测试结果对烧结系统的热利用情况进行分析评价[3,4]。因此,热平衡测试是掌握烧结系统能源利用水平的常用手段。
宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司的烧结工序能耗高于国内其它先进企业。当前不锈钢分公司烧结机的烧结高温废气经除尘净化处理后直接排放,并未对其余热进行回收。为不断节约能源,降低成本,挖掘节能潜力,对烧结工序的余热利用率、能源消耗等主要技术经济指标进行了比较准确和客观地评价与分析,为今后进一步改进烧结机的热工操作,降低烧结机能源消耗,提供了理论依据。北京科技大学于2007 年12月对宝钢不锈钢分公司2号烧结机系统进行了质量和能量平衡诊断测试和理论分析研究。
1 质量和能量平衡测试
1.1 工况条件及测试内容
为保证测试数据的可靠性和代表性,本次质量和能量平衡测试安排在正常生产工况期间,并在保证原料配比不变,设备连续正常运转,生产操作连续稳定4 h后进行;每次在烧结机运行一个完整生产周期内完成热工参数测定。对整个系统进行了两次热平衡测定,取平均值,以减小测试误差。
如图1所示,整个系统的测试范围起于烧结机布料,止于烧结机尾卸矿。本烧结机有效长度L为44 m,宽3 m,有效烧结面积132 m2。在测试期间,机时产量为190 t/h,机速1.36 m/min,料层厚度H为680 mm,装料温度55 ℃。
主要测量参数包括:
(1)各种物料的质量流量;点火煤气、点火空气、废气流量;烧结饼表面风速等。
(2)烧结饼各层温度;煤气、空气和烧结废气温度;烧结饼表面温度;点火保温炉、机尾保温罩表面温度;烧结台车温度。
(3)煤气、空气和废气压力。
(4)煤气、废气成分。
(5)厂房环境的基础数据。
烧结饼表面风速采用热球微风仪测量。考虑烧结饼表面积大,抽风速度不均匀,将烧结饼表面距点火保温炉出口每隔1 m分一区,在每一区中取两点作为测点。这两点位置分别为距台车左边板1 m处、距台车右边板1 m处。取两点速度平均值作为该区段风速,以保证每区段所测风速的可靠性。
在点火保温炉、机尾保温罩等表面处,温度分布不均匀。为了减小测试误差,将每个散热面划分为若干个区域,以各个区域温度的加权平均值作为该表面的散热温度。按矩形对角线将点火保温炉、机尾保温罩、台车边板相应各表面划分为4个区,在每一区各取一点进行测试,测试结果取4个区的加权平均值。对烧结饼表面温度,由于烧结饼很长,先沿台车运行方向,从点火保温炉出口开始,将烧结饼表面每隔1 m分为一区,分区测量;对每一区的烧结饼表面,再沿台车宽度方向在该区烧结饼表面取三点作为测点,这三点位置分别为距台车左边板1/4台车宽度处,距台车左边板1/2台车宽度处,距台车右边板1/4台车宽度处,三点温度平均值作为该区烧结饼表面温度。
由于烧结矿卸矿时温度高且无法直接测量,因此采用红外线测温仪从卸矿防尘罩的窥视孔对卸矿温度进行测量。由于烧结矿布料不均,卸矿处烧结饼内部温度分布不均匀,烧结饼截面内高温区和低温区互相夹杂,因此对卸矿处烧结饼截面进行多点温度测量,以减少误差。
使用烟气分析仪测量各风箱处废气成分。首先从台车下部各风箱的风箱壁热电偶插孔处插入分析仪探头,然后进行抽气测量。插入探头后,对插孔进行密封,防止插孔处吸入外界空气,影响测量准确度。由于烧结机风箱较多,不同风箱内的废气温度、成分不同,为使烟气成分测试数据具有代表性,分别选取机头、机身中部、机尾处的风箱进行烟气分析测试。
测试中选择了以下测试工具:电子温/湿度计,铂铑-铂热电偶,Raytek红外线测温仪,EY3-2型热球微风仪,皮带电子秤,MRU VARIO PLUS烟气分析仪,取样瓶。
1.2 诊断计算方法
根据质量和能量平衡诊断测试的目的,并依据原冶金部1984年6月发布的《烧结机热平衡测定与计算方法暂行规定》中介绍的计算方法,结合本烧结机的具体生产工艺特点,文中采用了如下质量和能量平衡诊断计算公式。
物料平衡和热平衡的质量和热量计算单位分别为t/h和MJ/h。
(1)烧结机质量收入项总和
∑G=GH+Gw+Gd+Gdk+GYK+GLK (1)
式中,GH为干物料质量;Gw为混合料的物理水质量;Gd为点火燃料质量;Gdk为点火助燃空气质量;GYK为烧结用空气质量;GLK为烧结机漏风质量。
其中,GLK=(Vundefined-VYK-VOC-Vundefined)·ρk (2)
式中,Vundefined为主烟道湿废气流量,m3/h;VYK为烧结用空气流量,m3/h;VOC为烧结过程分解产生的废气增量,m3/h;Vundefined为点火产生的湿废气流量,m3/h;ρk为湿空气的密度,t/m3。
(2)烧结机质量支出项总和
∑G′=G′1+Gundefined (3)
式中,G′1为机尾卸矿处烧结矿质量;Gundefined为烧结总废气量。
(3)烧结机能量收入项总和
∑Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+
Q8+Q9 (4)
式中,Q1为点火燃料的化学热量;Q2为点火燃料带入的物理热量;Q3为点火助燃空气带入的热量;Q4为烧结固体燃料的化学热量;Q5为烧结粉、冷返矿、热返矿残碳的化学热量;Q6为烧结混合料的物理热量;Q7为铺底料带入的物理热量;Q8为化学反应放热量;Q9为烧结过程空气带入的物理热量。
(4)烧结机能量支出项总和
∑Q′=Q′1+Q′2+Q′3+Q′4+Q′5+Q′6+Q′7+Q′8 (5)
式中,Q′1为混合料物理水蒸发热量;Q′2为碳酸盐的分解热量;Q′3为烧结饼的物理热量;Q′4为烧结废气带出的物理热量;Q′5为化学不完全燃烧损失的热量;Q′6为烧结矿残碳损失的化学热量;Q′7为主要散热量;Q′8为烧结台车回车道散热量。
其中,主要散热量Q′7按下式计算:
Q′7=Q′7.1+Q′7.2+Q′7.3+Q′7.4+Q′7.5 (6)
式中,Q′7.1为点火炉表面散热量;Q′7.2为保温炉表面散热量;Q′7.3为机尾保温罩表面散热量;Q′7.4为台车边板散热量;Q′7.5为烧结饼表面散热量。
(5)烧结机热效率
undefined
式中,β为烧结成品率,%。β按下式计算
undefined
式中,G′ch为成品矿机时产量,t/h。
2 测试结果及分析
2.1 测试结果
在正常工况条件下,利用上述烧结系统质量和能量平衡诊断测试和计算方法对宝钢不锈钢分公司2号烧结机进行了全面的质量和能量平衡诊断测试,测试结果见图3～4。
从图3可以看出烧结机的物流状况。烧结机的物料收入主要来自干物料质量、烧结用空气质量和烧结漏风质量。上述三项物料收入所占比例相当,这三项各占物料总收入的1/3左右,三项之和超过了物料总收入的90%。烧结机的物料支出项目只有两项,分别为烧结矿质量和总废气质量。其中总废气质量占物料总支出的比例比较大,而烧结矿质量所占比例较小。
图4给出了烧结机的能流状况。可以看出烧结机的热量收入主要来自烧结固体燃料(焦炭)的化学热量和点火燃料(煤气)的化学热量,这两项之和超过了总热量的90%,占绝对多数。烧结机的热支出项较多,其中最主要的是卸矿时烧结饼带出的物理热量、烧结废气带走的物理热量、混合料中物理水的蒸发热量和碳酸盐分解所吸收的热量。这四项之和接近总热量的90%,占绝对多数。表1给出了基于质量和能量平衡测试结果分析计算所得的烧结机主要技术经济指标。
2.2 对比分析
为利于了解本烧结系统的热利用水平,评价其技术经济指标,本文采用了文献[4]中使用的数据对比方法,将本次热平衡测试所得的数据和宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司3号450 m2烧结机2003年的热平衡测试数据进行了对比分析[5],对比数据列于表2～4,其中热量计算采用单位质量成品烧结矿所需热量。如表2所示,本烧结机50%的漏风率和宝钢3号烧结机35%的漏风率水平差距相对较大,漏风率较高;烧结机热效率与宝钢3号机相等,均为59%,本烧结系统余热未经回收。
由图3可知,烧结机的漏风质量占物料收入总量的34.09%,而实际用于燃烧的有用空气量的比例为28.44%,漏风的流量已经超过了参与燃烧的有用空气流量。由表1可知,漏风率约为50%,由此可见,漏风量比较大。漏风量过大,会增大主抽风机的负担,使电耗增加,生产率下降,工作环境恶化。
由图4可知,点火燃料的化学热量占总热量的9.17%。如表3所示,与先进的宝钢3号机点火炉2.95%的水平相比,本烧结机点火能耗相对偏高。本烧结机点火助燃空气带入的物理热量占总收入热量的0.08%,与宝钢3号机的4.1%水平相比,明显比例偏低。这主要是因为宝钢3号机对点火助燃空气进行了预热,而本烧结机并未预热点火助燃空气;本烧结机点火燃料带入的物理热量占总收入热量的0.03%,点火煤气也未预热。
由表4可知,烧结饼的物理热量占总热量的34.50%,为534.28 MJ/t。由于没有余热回收装置,烧结饼的显热没有被利用;本烧结机烧结废气带出的物理热量为404.00 MJ/t,与宝钢3号机422 MJ/t的水平相比,这部分热量略微偏低。这主要是因为烧结饼的显热比较高,而废气温度控制的比较低,废气从高温烧结饼中带走的热量相对较少。烧结废气带出的物理热量也没有回收利用。
2.3 讨论
经过对不锈钢分公司2号烧结机质量和能量平衡测试结果的分析,针对存在影响能耗的问题提出以下相关降耗技术措施。
首先,减少漏风量。改进烧结机各漏风部位的密封装置,采用先进的密封技术,强化混匀制粒,使布料更加均匀,同时改善烧结饼表面状况,减少表面不平现象发生,改进点火工艺,减少料面裂缝和料面塌陷情况的出现。烧结机风箱和烟道的风量检测较少,若能实时检测出各段出入口的风量,将有助于掌握控制烧结机的漏风情况。
其次,对废气余热进行回收利用。烧结机可供回收的余热资源主要包括:烧结饼在环冷机内被冷却之后产生的大量高温废气;烧结机机尾最后2～3对风箱内的高温废气。根据已应用的项目实践和余热利用方式的现有技术水平,可将废气余热按不同的温区分为高、中、低三个回收段梯级利用[6]。 300 ℃以上的高温废气换热效率相对较高,可以采用热管式余热锅炉回收余热生产蒸汽。200～300 ℃的中温废气可采用热风点火和热风烧结等直接利用的方式加以回收,也可用于预热点火煤气。150～200 ℃的低温废气可用于矿料预热。此外,可采用新型的节能点火器,以适应煤气预热和热风点火的需要。
3 主要结论
通过对不锈钢分公司2号烧结机进行质量和能量诊断测试,得到了本烧结机的质量、热量各收入支出项目的数据。质量和能量诊断测试结果表明该烧结机生产运行管理基本正常,烧结机热效率比较高。通过本烧结机和宝钢分公司3号烧结机的数据对比分析,可以看出本烧结系统存在一些影响能耗的问题,如漏风量相对偏大、点火燃耗相对偏高、余热未回收等。为提高烧结系统能源利用率,可以采用如下一些措施:加强漏风处的密封;强化制粒;改善点火工艺;增加风量检测;对废气余热梯级利用。本次测试的结果为今后的节能改造提供了重要的数据参考依据。
摘要：基于质量和能量守恒原理,对宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司2号烧结机进行了详细的质量和能量平衡测试。通过对测试结果的分析,全面了解本烧结机的质量和能量收支水平。在此基础上对烧结系统的热利用情况进行了研究,并将测试结果与宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司3号烧结机的热利用情况进行了对比分析,对影响能耗的问题进行了探讨,提出了相应的改进建议。本次测试的原始数据为今后的节能技术改造提供了重要的参考依据。
关键词：烧结机,质量和能量平衡,诊断及测试,节能措施
参考文献
[1]潘宝巨,张成吉.中国铁矿石造块适用技术[M].北京:冶金工业出版社,2000.
[2]王洪顺,成正福.进口铁矿石与烧结[M].北京:兵器工业出版社,2001.
[3]汪智德,石军,陈列希,等.攀钢6#烧结机系统热平衡测试结果分析与降低能耗措施[J].四川冶金,1999(2):19-24.
[4]成正福.450 m2烧结机热平衡分析[J].宝钢技术,1993(3):11-18.
[5]梁浩.一钢烧结机能量利用优化研究[D].鞍山:鞍山科技大学,2006.
[6]凌子愚,孙韬琪,窦宝芬,等.大型烧结设备余热整体利用方案[J].冶金能源,2007,26(4):49-51.LING Zi-yu,SUN Tao-qi,DOU Bao-fen,et al.Whole pro-ject for using waste heat of large-scale sintering equipment[J].Energy for Metallurgical Industry,2007,26(4):49-51.
能量平衡分析 篇2
关键词：变电站,母线,电能量不平衡,原因,方法
母线输入电能量减去输出电能量的差与输入电能量之比即为电能量不平衡率。近年来, 变电站母线电能量不平衡的现象经常发生。变电站母线电能量不平衡的原因较多, 针对原因提出具体的解决方法, 能够保证变电站母线电能量平衡、提高计量的精准度。
1 变电站母线电能量不平衡的原因分析
导致变电站母线电能量不平衡的原因虽然很多, 但原因归结起来大致分为三方面, 一是设备方面, 二是人为方面, 三是环境方面。具体原因分析如下:
1.1 设备方面的原因
设备方面影响变电站母线电能量不平衡的原因主要有:电能表、电压互感器、电流互感器的计量出现偏差;电压互感器二次降压、电流互感器二次回路产生的计量偏差;变电站电气绝缘性能差[1]。
电能表计量出现偏差:传统电能表早已不能满足人们发展的需要, 现阶段变电站的电能表具有功能齐全、智能化的特点。新式电能表虽然功能丰富, 但是稳定系数较低, 经常发生表尾电压误示、黑屏、路线衔接错误等现象;电压互感器二次降压产生的超差:二次回路导线超长使截面积缩短、连接点繁多使电阻加大, 电压互感器二次负荷过大;电流互感器二次回路故障产生的偏差:线路衔接效果较差、导线氧化、短线、接地障碍;变电站电气设备绝缘性能差:由于变电站建立时间较长, 使电气设备运行过久, 进而影响电气设备的绝缘效果。
1.2 人为方面的原因
人为方面影响变电站母线电能量不平衡的原因主要有:人们更换电能表、电流互感器后, 计算电量时没有考虑倍率及表底的数据更新, 仍然用原数据进行电能量计算, 从而导致计算出现误差;抄表时间、抄表方式不合乎要求, 进而导致人们对电能表的数据抄写出现失误;用电负荷发生变化后, 人们在忽略其变化情况的基础上, 进而扩大电流互感器的计算偏差。
1.3 环境方面的原因
变电站周围受酸碱盐等腐蚀性强的物体影响后, 计量端子会发生排锈蚀变化, 进而加大电阻, 导致电压互感器二次回路的计算发生偏差, 影响了电流互感器二次回路的改进、提高了变电站母线电能量不平衡率, 进而使变电站的供电需求出现故障, 影响人们的生产生活及社会经济的发展。由此可见, 变电站的用电环境对母线电能量平衡具有重要影响[2]。
2解决变电站母线电能量不平衡的具体方法
2.1 由于设备原因而采取的解决方法
对于电能表在计量中出现的偏差, 首先要全方面的检查电能表的运行情况, 然后对其定期校验, 减少超差现象的发生;对于电压互感器二次降压产生的超差现象, 要从三个方面进行处理。第一, 留取适当长短的导线, 增大截面积。第二, 减少线路衔接点, 及时更换新的接线端子箱, 进而减少电阻阻力。第三, 电压互感器随变电站的更新、变动而满足其发展要求, 与此同时废弃不符合规定的电气设备, 从而减少二次负荷;对于电流互感器二次回路故障产生的偏差现象:在对电流互感器的二次回路进行全面、彻底检查的同时, 应用专属仪器对端子排进行温度测量, 进而能够及时、方便的确定故障发生的位置。应用相位表对电流导线的毁损情况进行排查, 从而分析其电能量计量是否出现误差、表尾电流是否平衡;对于变电站电气绝缘性能差的现象:注重检修的质量, 提高耐压试验的成功率及绝缘水平的检测机制, 加强处理异常状况的时效性。
2.2 由于人为原因而采取的解决方法
对于电能表更换产生的误差现象:如果发现偏差较大的电能表, 人们要做到及时更换;使用时间较长的电能表, 人们要做到定期更换;更换后的电能表, 务必进行首次检验, 在电量计算的时候, 按照最新表底和最新倍率进行计算, 进而减少计量偏差。对于电能表抄写导致差错的现象:人们可以采用现场实时抄表的方法, 在尽量短的时间内记录下总表和各个分表的电能量。此外, 可以通过人工的方法算出母线电能量的不平衡率。对于用电负荷变化导致的计量失误现象:适当的发挥相关部门的调节作用, 即针对用电负荷所产生的变化情况, 相关部门通过对电流互感器交流比的有效调节、稳定性较高失误电流互感器的调换, 进而将问题快速解决。
2.3 由于环境原因而采取的解决方法
变电站选址的过程也是电网有效规划的过程, 变电站的选址对电网后期的发展、当地人们生活水平的提高等方面具有重要影响。因为人们对电能量的需求越来越大, 所以变电站的位置选址具有重要意义。变电站在选址的时候, 要综合当地的自然因素和人文因素, 其中自然环境因素尤为重要, 选址时尽量避免酸盐碱地, 在节约土地资源的同时, 发挥变电站的功能作用。合理的变电站选址, 能够减少变电站母线电能量的不平衡, 优化电能质量[3]。
3 结论
综上所述, 由于变电站母线电能量不平衡的原因较多, 所以相关人员要提高重视程度, 针对变电站母线电能量不平衡的原因采取切实可行的解决办法。设备原因方面, 相关人员要做好首测和监测, 对故障及时处理;人为原因方面, 相关人员要保持严谨的生活态度, 冷静客观的面对问题;环境原因方面, 提高相关工作人员对变电站的选址能力。通过对变电站母线电能量不平衡的原因进行有效处理, 能够促进电力事业的持续发展。
参考文献
[1]李广虎, 王盼星, 李青华.变电站母线电能量不平衡常见原因分析与处理[J].农村电工, 2013, 03:34.
[2]张洪涛, 白雪峰.PDM2000电能量计量系统在500k V变电站母线电量不平衡中的具体实践[J].电子世界, 2013, 11:55-56.
能量平衡与代谢疾病 篇3
关键词：能量,平衡,代写疾病
生命科学与物理学和化学等学科发展密切相关。美国物理学家纳尔逊指出:“要将生命系统视为一种特殊的物理系统,强调要从物理学基本原理去理解各种生命现象和预言新的生命现象”。定量化的物理学观点是掌握当代一系列生命科学的不可缺少的理念和方法[1]。
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一,任何物质都是具有能量的。人体作为一个系统的有机整体,自然也遵从这一定律。地球上数以亿计的各种生物,包括各种植物和动物,共同居中在一个地球,共同构筑了遗传和表观遗传的生态系统。通过此生态系统,各种生物相互适应、相互生存[2]。
当人体正常状态的能量平衡被破坏,不论是在分子水平,细胞水平,或整体水平均可导致能量的异常流动,机体产生一系列适应性的反应,这一过程却与疾病的发生、发展有关。如心血管系统疾病的发生,与血管中血液流动的动能,血液中不同分子的化学能及血管壁的弹性势能平衡的改变有关;先天畸形儿的发生,与胎儿在胚胎发育过程中,其发育时间和空间的能量平衡被破坏有关,人体受到外界抗原物质的刺激,是对机体刺激的一种能量;精神心理疾病的发生,由于人体受到外界各种能量刺激,导致机体内部能量失衡而引起;骨折的发生则可因为人体与其他物体碰撞,所产生的动能传导到骨和肌肉组织中,与机体自身的骨强度不适应所致。在人类,不利的环境条件,如贫困、压力、酒精、营养不良、暴露于各种工业化的污染物、人造化学物质等,均可导致与表观遗传不适应而产生的相关疾病,即特定基因不同寻常的被激活或抑制所导致的各种疾病[2]。
近来,发展了一个新的理论称为多哈理论(即成人疾病的发育起源),其与达尔文的观点相同,反映了当今科学认识的变化,对人类未来的疾病的认识提供了科学应用。在历史长河中,我们的祖先是在提供最基本的食物中,考虑如何打猎、耕耘。而当今,我们有丰富的食物和现代的医药供给,却考虑怎样提高生命质量,考虑环境与疾病的危险。人类在早期发育过程中(包括胎儿期、婴儿期、儿童时期)经历不利因素,子代的组织器官在结构和功能上会发生永久性或程序性的改变,影响成年人糖尿病、代谢综合征、心血管疾病、精神行为异常等慢性非传染性疾病的发生发展,成为成年人慢性非传染性疾病病因研究的重要组成部分,这些的因素均可笼统视为作用于人体的能量。在与表观遗传相关的新陈代谢中,营养和饮食是十分重要的一个方面。在特定的“表观遗传-营养学”中,可稳定表观遗传基因的表达,即已知的表观遗传的作用,如DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重组。总之,在基因组相对静态的DNA结构中,表观遗传的变化具有潜在可逆性,有望达到治疗的效果,或饮食干预效果,即可改变表观遗传编程的不良作用,从而成为预防或治疗疾病的一种措施[2]。肥胖的发生是由于机体摄入的能量与消耗的能量不平衡所致,早期生活环境的质量是决定肥胖和代谢疾病风险的一个重要因素,而表观遗传的修饰过程参与代谢疾病的风险[3],同时,日常的机体活动决定于能量平衡,而不是能量平衡决定于机体活动[4]。
在每一个生态系统中,生物群体与其周围的非生物环境相互形成的有机综合体,是一个开放的综合体,在其内部各组分之间,依次进行着能量流动、物质循环和信息传递[5]。近年来,对代谢性疾病的分子生物学机制的研究已经达到了一个新的高度,由分子-细胞-整体的医学研究方法也越来越被研究者所采纳。如人的机体的能量平衡被外界的力量或自身问题被打破,导致机体能量的转化或者传递的异常,即能量的流动异常。影响机体的分子,细胞的代谢变化,由量变产生质变,最后作用于整个机体。与疾病相关的表观遗传标志物,是疾病危险度的生物标志物,在临床上,具有潜在的干预效应指标[3]。是否对机体造成某些有利或者有害的影响,从而使机体表现出一些相应的病理的现象或一些适应性的改变,中医学的众多研究进展中,能量结和能量平衡疗法也越来越被人接受。本文将从分子-细胞-整体的角度来简述能量的平衡与疾病的关系。
1能量平衡与糖代谢紊乱疾病
正常人体内存在一整套精细的调节糖代谢的机制,在一次性食入大量葡萄糖之后,血糖水平不会出现大的波动和持续升高。当人体糖代谢发生障碍时可导致高血糖或低血糖,糖尿病是最常见的糖代谢紊乱疾病。2型糖尿病又称非胰岛素依赖型糖尿病,多在35~40岁后发病。2型糖尿病患者早期症状不明显,仅有轻度乏力、口渴,常在明确诊断之前,一般多以饮食治疗和口服降糖药即可。另一部分患者以胰岛素分泌缺陷为主,临床上需补充外源性胰岛素。
肝脏的ATP合成能力降低与2型糖尿病患者胰岛素抵抗有关[5],当其合成能力下降,储存ATP受损,或其ATP所耗损时,均可引起2型糖尿病。2型糖尿病所致的肥胖患者中,更多的脂质暴露增加人体的氧化应激,可使慢性胰岛素抵抗的人群肝线粒体功能恶化,导致ATP合成能力的减弱[6]。若肝脏ATP合成能力的减弱,则可引起2型糖尿病,即2型糖尿病与能量的合成与消耗的平衡直接相关,因此,人体内能量的平衡是2型糖尿病发生和发展的重要机制。2型糖尿病的治疗主要为控制饮食,减少糖类的摄入量,及应用降血糖药物等,以平衡能量的产生与利用。
2能量平衡与脂类代谢疾病
动脉粥样硬化(AS)是一组动脉硬化的血管病中常见的最重要的一种,其特点是受累动脉病变从内膜开始。一般先有脂质和复合糖类积聚、出血及血栓形成,纤维组织增生及钙质沉着,并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化,病变常累及弹性及大中等肌性动脉,一旦发展到足以阻塞动脉腔,则该动脉所供应的组织或器官将缺血或坏死。由于在动脉内膜积聚的脂质外观呈黄色粥样,则称为动脉粥样硬化。在临床中,大多数的AS患者,血中胆固醇比正常人高,而AS的严重程度随血浆胆固醇水平的升高而加重,特别是低密度脂蛋白,极低密度脂蛋白的水平。
神经肽Y(NPY)是一种在生物体内中枢神经及外周神经广泛表达的肽类物质,有收缩血管、促进血管平滑肌有丝分裂的作用。神经肽Y的改变在动脉粥样硬化及相关的心血管并发症中起重要作用,神经肽Y有促进动脉粥样斑块形成的作用,而其Y1受体拮抗剂可阻断此种作用[7,8],细胞内神经肽Y的存储可导致升高血压和血清胆固醇,可促进动脉内膜平均厚度的增加[9],可见,神经肽Y是机体的血脂含量与AS发生、发展的重要调控信息之一,神经肽Y的受体拮抗剂的研究,为人类治疗心血管疾病可提供有效手段[10]。
动脉粥样硬化人群中常常伴有高胆固醇血症,胆固醇的异常增高则由饮食中摄入过量所致。能量代谢产生的ATP,若被耗竭,摄入过量的胆固醇及脂类,则可导致能量代谢失去平衡,引发脂类代谢失调,细胞内神经肽Y的含量增高和动脉粥样硬化等一系列变化。同理,从能量平衡的观点,在治疗或预防AS时,应使人体的能量失衡状态逆转,如规范饮食,减少胆固醇摄入量[11],加强锻炼,应用促进脂类代谢、扩张血管等药物,以改变机体能量失衡的程度。
能量平衡分析 篇4
在自然条件下, 麝鼠的营养代谢可分为3个时期, 即繁殖期 (4-9月) 、准备过冬期 (10-11月) 和过冬期 (12月至翌年3月) 。此外, 在仔麝鼠生长过程中还有育成期, 从断乳到育成大约需要3个月。冬天麝鼠的营养代谢处于低水平, 即处于维持状态, 这时不同月龄的麝鼠所消耗的总热能基本相同, 每千克体重产热平均为394.1千焦, 或每只麝鼠产热543.9-585.8千焦。到繁殖期能量消耗增加, 雄麝鼠产热可提高1倍, 雌麝鼠产热可提高0.6-0.8倍。
2 麝鼠的营养需求
麝鼠在繁殖期对蛋白质的需要量较高, 每100g干物质中需含20g左右的蛋白质, 而冬季大约需要8-12g。秋季第二、第三窝的幼龄麝鼠应保持夏季时期的营养水平。在全年各时期的日粮中, 粗脂肪不要超过干物质的3.7%, 春季和夏季粗纤维不要超过饲料日粮配方的30%。在自然条件下, 冬季日粮中也不应含有高蛋白和高脂肪, 以免动物过肥。试验证明, 粗料中干物质消耗为饲料日粮配方的1倍, 对麝鼠的生育是无益的。
全年日粮中无机盐成分没有大的变化, 钙磷比近于1:1, 每100g日粮干重含0.4g钙和0.66g磷。此外, 日粮中还应含42mg锰、1.1mg铜、31.1mg锌和4.6mg铁。
3-4月份, 按麝鼠每千克体重喂干草90g, 杨、柳树枝和树叶对麝鼠的繁殖和提高仔麝鼠成活率有良好的作用。繁殖期投喂动物性饲料是十分必要的, 在自然条件下, 可以喂给软体动物。在笼养条件下, 每日每只供应5-10g动物性饲料。
3 麝鼠饲养的能量平衡
麝鼠采食的饲料中三大有机物即蛋白质、碳水化合物和脂肪在体内进行生物氧化, 释放出分子内潜藏的化学能量, 再转化成维持生命活动和从事肉、乳、毛等生产所需的能。其中, 碳水化合物在植物性饲料中占60%左右, 是麝鼠能量的主要来源。据中国 (辛集) 麝鼠养殖基地实验表明, 饲料中的能量蕴藏在营养物质之中, 麝鼠营养物质的代谢必然伴随着能量代谢, 之所以把能量单提出来作为麝鼠的营养需要的一项, 是因为能量水平在麝鼠饲养标准中占有很重要的地位。实践证明, 饲养效果与能量水平密切相关, 即能量水平直接影响生产水平。
麝鼠和其他单胃动物一样, 能自动地调节采食量以满足其对能量的需要。不过, 麝鼠消化道的容量是有一定限度的, 因此其自动调节能力也是有限度的。当日粮能量水平过低时, 虽然它能增加采食量, 但仍不能满足其对能量的需要, 则会导致麝鼠的健康恶化, 能量利用率降低, 体脂分解多导致酮血症, 体蛋白分解多而致毒血症。研究表明, 若日粮中能量过高, 谷物饲料比例过大, 则会出现大量易消化的碳水化合物由小肠进入大肠, 从而增加大肠的负担, 出现异常发酵, 其恶果轻则引起消化紊乱, 重则发生消化道疾病。
能量平衡分析 篇5
关键词：水稻谷粒,机械损伤,能量平衡原理,图像处理技术
0 引言
稻谷是世界上最主要的三大粮食作物之一,世界年产量几年来一直稳定在4亿～4.5亿t。稻谷也是我国重要的粮食作物,在我国国民经济中占极其重要的地位,我国稻谷年产量约为1.8亿～1.9亿t,约占世界总量的40%。长期以来,我国大米质量达不到国际市场的质量标准,因而出口份额不高。评价大米的质量时,除了色泽、杂质含量外,主要还是看整精米率,这是国际通用标准。在国际大米市场上,高等级大米(碎米率低于10%)与低等级大米(碎米率高于20%)的差价约为100$/t。由于我国大米的碎米率偏高,难于达到高等级大米指标,因而很难占领国际市场,特别是欧美国家市场[1]。
造成大米整精米率低的原因,除品种、收获时间等因素外,一是由于收获、储运、加工过程中外界机械力的影响造成水稻谷粒(本文中以下简称谷粒)的损伤(包括脱壳、破碎与内部损伤);二是由于干燥(或吸湿)过程中内外水分分布不均等因素造成谷粒损伤[2]。长期以来,人们把精力集中于水稻干燥方面的研究,取得很多成果[3,4],相对忽视了收获、运输和加工过程中的机械损伤。
能量平衡原理在农业物料损伤方面的应用起源于澳大利亚学者J.E. Holt和D. Schoor。他们在对苹果损伤的长期研究中,提出了较著名的苹果损伤的能量原理[2,5,6]。该原理认为,苹果的损伤量与其吸收的,能量成正比。本文将能量平衡原理运用于谷粒机械损伤的研究中。
1 损伤形式为形成裂纹时的能量平衡式
在断裂力学研究中,Griffith首先采用能量平衡原理研究材料断裂问题,认为裂纹的出现使固体材料产生一个新表面。此表面同液体表面一样具有自由表面能,其值为表面张力(单位面积上的表面能)与表面面积的乘积,并根据能量平衡原理导出了脆性材料的Griffith裂纹扩展的能量判据,奠定了断裂力学的能量法基础[7]。
在谷粒收获、储运和加工过程中,受力的大小、方向和作用点均具有随机性,很难从受力角度来分析谷粒的裂纹形成和扩展。但从水稻的实际结果可以看出,成熟的谷粒在收获、储运和加工过程中没有塑性变形,损伤的主要形式是谷粒产生沿短轴方向的裂纹,因此可以用断裂力学能量平衡原理进行分析研究[8,9]。
设一静止谷粒在外载荷作用下无塑性变形,外载荷仅导致其产生裂纹,根据能量平衡原理[10]有
δUi=δUo (1)
式中 δUi―谷粒的输入能量;
δUo―谷粒的输出能量。
如果沿某一方向X的位移δUx引起能量的变化,则可表示为
如用于讨论裂纹面积扩展δA而引起的能量变化,则有
设谷粒产生的裂纹面积为B,在整个裂纹面积上对式(3)两端积分可得
式中,
W=2γB (5)
式(5)表明,在外载荷仅导致谷粒产生裂纹的条件下,谷粒形成新表面的表面积的大小B与其吸收能量W成正比。
2 谷粒机械损伤能量平衡式的验证
2.1 验证试验材料及设备
验证试验稻谷品种为武粳13,谷粒的尺寸为:长6.5～7.5mm,宽3.4～3.8mm,厚2.2～2.6mm。千粒质量为28～32g。采样地点为江苏镇江市郊区,中等肥力土地, 适收期取样,取样时测定谷粒含水率为22.5%[11]。样品采集后,立即用双层保鲜袋密封后放入冷藏柜0℃保存。试验前24 h取出装水稻的塑料袋,放入室内进行室温平衡[12]。所用的主要验证设备如下:
1)长春科新试验仪器有限公司生产的WDW30005型微机控制试验机。该试验机的力测量范围为2～500N,测量准确度为示值的±0.5%,分辨力为满量程的1/240 000,位移测量范围为0～999mm,测量准确度为示值的±0.5%,分辨力为0.001mm。试验装置示意图如图1所示。
1.横梁 2.传感器 3.压头 4.谷粒5.底座 6.计算机 7.打印机
2)日本尼康SMZ1000型体视显微图像工作站。该设备的摄像头为500万像素。显微镜物镜的放大倍数为0.8～8倍,与目镜配合可以达到4～480倍,如图2所示。
1.光源 2.光纤 3.显微镜 4.CCD成像系统5.被观测物 6.底座 7.控制部件 8.计算机
2.2 验证方法及步骤
2.2.1 验证方法
验证能量平衡式(5)亦即证明谷粒在外载荷作用下吸收的能量与其损伤形成新表面的表面积成正比,需确定作用过程中谷粒吸收的能量及谷粒产生新表面的表面积。
由于谷粒仅产生内部裂纹时形成新表面的表面积难以计算,本研究的验证方法是在WDW30005型微机控制农业物料机械特性试验机上对谷粒加载直到其断裂。通过试验机压力―位移曲线,计算出加载中谷粒吸收的能量。同时,通过图像采集与处理获取谷粒断裂后断面的面积,计算不同断面面积所吸收的能量,以确定吸收能量是否与断面面积成正比。
由预作试验得知,弯曲断裂的谷粒断面较光滑,细胞内淀粉组织未遭破坏,塑性变形较小。因此,本文在试验机上对谷粒进行了弯曲破坏。
由于谷粒长度小,本文结合实际情况,特设计弯曲夹具(见图3所示)。该夹具加载压头顶端圆弧,半径为r1,夹角为 30°,厚度为5mm,宽度为48mm,支座间距可调。
1.加载压头 2.谷粒 3.支座
2.2.2 验证步骤
2.2.2.1 对谷粒加载直到其断裂
根据谷粒长度,试验时支座间距取为3mm,根据预作试验将加载速率为2mm/min[13]。试验时,目测保证压头压在谷粒的中间位置。
典型谷粒的弯曲状态的压力-位移曲线如图4所示。图4中,压力、位移为试验机加载压头的压力和位移。
由图4可知,载荷增大到A点时谷粒断裂。因此,A点力的大小即为谷粒的弯曲破坏力, OA曲线下的面积(阴影部分)为谷粒的弯曲破坏能,亦即弯曲破坏前谷粒吸收的能量。
谷粒吸收能量的计算方法用VB编程计算OA曲线下的面积。计算公式为
式中 W—谷粒的破坏能(N·mm);
Fi—第i次压力计算机采样数据(N);
li—第i次位移计算机采样数据(mm);
n—OA曲线段计算机采样数据总数。
2.2.2.2 糙米粒断面图像的采集
用日本尼康研究型体视显微图像SMZ1000工作站,采集上述试验被破坏糙米粒断面图像。采集糙米粒断裂面图像的具体方法是:用黑色橡皮泥将糙米粒固定于载物台上,目测保证其断面与载物台平行;采集图像时,通过光纤将光线自上而下照射(图2中,α角大于70°),用摄像头摄取断裂面的反射光,将所摄图像转换为256个灰度等级的灰度图像,结果如图5所示。
2.2.2.3 获取糙米粒断裂面面积
本文分别通过图像处理和测量长短轴的办法来确定样品破坏面面积,并进行了比较。
1)图像法。由于数字图像是由一个个像素点组成,要想知道数字图像代表的真实面积,首先需知道每个像素代表的真实面积。因此,本文对摄像系统进行了标定,以确定每个像素代表的真实面积。标定方法是参照物法[14],标定结果:图像每10 000个像素代表的真实面积为2.021 0mm2,标准差为0.040 3mm2。
为得到糙米粒图像的面积须将灰度图像转换为二值图像。本文用MATLAB图像处理技术对图像进行转换,转换后的二值图像结果如图6所示。采用MATLAB软件编程,以获取图5中取糙米粒断裂面图像的面积[15]。
2)测量法。为验证图像法获取的面积,同时也为使结果更可靠,本文在假设谷粒的断裂面为椭圆形的基础上,用游标卡尺分别测量谷粒断裂面的长短轴,并计算其面积。
2.3 验证结果及讨论
通过上述办法进行10次试验,分别得到了10个弯曲破坏断面面积和其吸收的能量,如表1所示。
由表1可知,图像处理法与测量法相差不大。对表1中用图像处理法获得的糙米断面面积数据与吸收能量数据进行回归分析,得回归方程为
y=0.494 0x (7)
式中 x―图像处理法获得的糙米断面面积(mm2);
y―谷粒吸收的能量(N·mm)。
为说明回归方程(7)的精度,对回归方程进行了显著性检验,结果见表2所示。
表中面积数值*2是因为断裂面为2个。
检验结果为回归方程显著,说明回归方程(7)与试验数据拟合得较好。因此,弯曲破坏断面面积和其吸收的能量成正比,从而说明能量平衡原理可以应用于谷粒损伤形式为形成裂纹的机械损伤研究中。
需说明的是:上面给出的是谷粒断裂情况下的证明,不同谷粒断裂时表面状况相差不大。若谷粒没有断裂,由于内部组织分布不同,不同地方裂纹单位面积表面能不同。同样能量吸收在不同地方可能导致不同大小的裂纹面积,但可以说谷粒的损伤量(裂纹扩展程度)取决于裂纹表面能的大小,与吸收能量成正比。
3 结论
1)可以从能量角度分析谷粒收获、储运和加工过程中水稻谷粒的损伤现象。
2)经过理论推导,建立了在外载荷仅导致谷粒产生裂纹的条件下谷粒形成新表面的表面积大小与其吸收能量成正比的数学关系,并进行了试验验证,为水稻谷粒收获、储运和加工中的机械损伤研究提供了一种新方法。
能量平衡分析 篇6
关键词：水声网络,路由协议,能量平衡,延迟约束
1 引言
水声通信网络在海洋监测、石油勘探等方面有巨大的应用前景, 因而受到研究者的广泛关注[1,2]。路由协议是水声通信网络的关键技术之一。由于水声通信网络具有动态性、节点能量有限、高传播延迟、带宽窄等特点, 因此传统的无线移动网络协议无法直接应用到水声网络中。
传统的无线ad-hoc网络的路由协议一般以最短跳数或距离为衡量路由的主要代价。而在水声通信网络当中, 由于海洋环境使得节点能量更换困难, 因此在路由协议中考虑能量节省和整个网络的能量平衡更为重要。另一方面, 水声通信网络的带宽有限, 当数据量较大时, 极易发生拥塞现象, 从而大大增加数据包的端到端延迟, 因此, 数据包的端到端延迟也是一个必须考虑的问题。
目前, 基于地理信息的水声路由协议设计引起了研究者的广泛关注[3,4,5,6]。本文从能量平衡和延迟约束的角度出发, 以一般的地理式路由协议为基础, 提出了综合距离、节点能量和节点区域负载的路由代价计算方法, 同时针对采用传统节点信息维护方法难以及时获知区域负载的问题, 提出了一种更为实时有效的节点间信息交换的方法。
2 能量平衡和延迟约束的路由协议
水声网络能量受限的特点使得能量节约成为水声网络的重要研究内容, 而在路由协议的层次上, 能量受限又引入了一个新的问题即能量均衡。由于水声网络的各个节点需要协同工作才能保证数据的传输, 因此在水声网络中不仅要尽量节省各个节点的能量消耗, 而且还要尽量保证网络个节点能量消耗速度的一致性, 避免某些节点过早的能量耗尽而引起网络的失效。
另一方面, 水声网络是一个高传播延迟的网络, 数据的端到端延迟也是一个必须考虑的问题。当网络的负载较轻时, 数据的端到端延迟主要受路径长度、中继节点个数的影响, 一般不会有太大的差异, 但是当数据负载较重时, 数据的端到端延迟还要受到数据包在各中继节点处等待时间的影响, 此时, 中继节点的队列长度成为影响端到端延迟最重要的因素。因此在路由设计当中, 还要充分考虑队列长度对端到端延迟的影响。
针对以上两点, 本文设计了一种能量平衡和延迟约束的路由协议, 该协议是一种基于位置的贪婪路由协议, 每个节点根据邻居节点的状况进行局部的最优中继节点选取, 衡量标准主要有距离、能量和队列长度。当网络负载较轻时, 该协议主要以能量平衡为主要目的, 当负载较重时, 该协议会进行延迟约束, 使数据包传输尽量避开拥塞区域, 从而有效降低端到端延迟。
2.1 节点转发规则
假设节点能够获知一跳邻居节点的位置信息、能量信息和MAC层队列长度信息。假设任一节点i的位置为Si, 能量为Ei, MAC层队列长度为Li。当节点S有数据包发送给节点D时, 它将采取以下方法选取中继节点:
(1) 根据位置信息选择节点S的转发节点集FSs。
其中, j代表节点S的任一邻居节点, d (j, D) 表示节点j和节点D之间的距离, d (S, D) 表示节点S和节点D之间的距离, 只有离目的节点更近的节点才可能成为中继节点。
(2) 计算FSs中每个节点的距离权值。
其中, R为单跳的最大距离。
(3) 计算FSs中每个节点的能量权值。
其中, ej为节点j的剩余能量, einia为节点的初始能量。
(4) 计算FSs中每个节点的区域负载权值。
其中lj表示节点j的队列长度, lm为节点j的邻居节点的队列长度。
(5) 计算FSs中每个节点的转发代价。
(6) 选择Cost最小的节点为转发节点。
2.2 路由信息更新方法
路由算法的正确执行需要知道邻居节点的位置、剩余能量和区域负载。邻节点的位置和剩余能量都是一跳信息, 通过周期性的路由信息更新数据包即可获得。但是节点的区域负载不仅包括节点自身的数据包队列长度, 还包含节点可通信范围内的节点的数据包队列长度, 如果某一节点要计算出自己邻节点的区域负载, 则不仅仅要知道自己一跳邻节点的队列长度, 还需要知道两跳邻节点的队列长度, 这在水声网络中是十分困难的。首先, 两跳邻节点信息的维护会大大增加协议的开销, 其次, 在水声网络中, 能量和位置在较长的时间内才会发生显著的变化, 因此, 进行较长的周期的维护即可, 而对于节点的队列长度, 时时刻刻都在变化, 因此要实时维护两跳邻居节点的队列长度信息需要进行频繁的路由信息交互, 这会进一步加重负载。因此, 传统的路由信息维护方法无法满足本协议算法的需求。为了实时的获得节点的区域负载信息, 本文设计了一种路由和MAC层联合的路由信息更新方法。
首先, 定义节点邻接表, 节点邻接表维护路由决策所需的邻居节点的信息。邻接表中的任一项的结构如表1所示。
对于一个邻节点, 表项每次被更新, 都会将有效期设置为当前时间加上一个更新周期的长度, 如果有效期到期仍未被更新, 则删除该节点。每个节点的区域负载因子都是根据自身邻接表中所有邻节点的队列长度计算而得到。
路由层周期性的进行本节点的信息广播, 广播内容包括节点位置、节点剩余能量百分比、节点的队列长度、节点的区域队列长度, 包类型定义为HELLO。
与传统方法不同的是:在本协议中, 节点监听到的任何数据包都可以帮助进行邻接表更新。则为了使得任意数据包都能辅助邻接表更新, 需要对数据包格式进行扩展。在MAC帧头加入节点位置、节点剩余能量百分比、节点的队列长度、节点的区域队列长度。修改后的MAC帧格式如表3, 表4所示:
由于节点发送出的任何数据包都有路由更新信息, 因此每次节点发出数据包, 都要重置路由层的路由更新定时器, 只有在一个更新周期内, 节点未发出任何数据包的情况下, 节点才会发送路由层的路由更新数据包。
3 仿真结果
仿真试验在NS2仿真环境中进行。仿真参数如下:节点个数为25, 声速取1500m/s, 节点最大通信距离为600, 网格距离为400, 通信速率为1000bit/s, MAC协议采用带ACK的ALOHA协议。主要比较了协议的接收率、端到端延迟和能量均衡情况。仿真主要比较了三种情况:只考虑距离因素 (a=1, b=0, c=0) , 同时考虑距离因素和能量因素 (a=1, b=1, c=0) , 考虑距离、能量和负载因素 (a=1, b=1, c=1) 。
图2为不同数据包发送间隔下, 三种情况下的接收率情况, 从图中可以看出, 负载较轻时, 接收率都接近100%。负载较重时, 只考虑距离因素的路由协议的接收率最低, 而综合考虑距离、能量和负载因素时, 接收率最高。这是因为当负载较重时, 只考虑距离因素的路由协议中, 数据包逐渐向距离最优路径上汇聚, 导致数据包队列长度很长, 拥塞不断加重。而考虑能量因素后, 开始数据包仍然在在距离最短的路径上汇聚, 但是, 一段时间后最短路径上节点的能量会少于其它路径上的节点, 当能量的差异大于距离的差异时, 节点会选择能量更高的路径进行传输, 这样就缓解了拥塞, 而综合考虑了距离、能量以及负载因素的协议由于能动态的计算节点的区域负载, 可以更为及时的避开负载重的区域, 因此能获得最高的接收率。
图3为不同发送间隔下数据包端到端延迟的情况。从图中可以看出, 端到端延迟随着负载加重而迅速增加。负载较重时, 只考虑距离的路由协议端到端延迟最高, 因为随着负载加重, 最短距离路径上的节点的队列长度不断加大, 导致数据包等待时间过长, 考虑能量因素后, 由于节点能量的差异, 缓解了一部分数据包的拥塞, 因此端到端延迟也得到了降低, 而考虑负载因素后, 节点的队列长度得到有效控制, 因此节点的端到端延迟进一步降低。
图4是三种情况下的各节点能量消耗情况。从图中可以看出, 只考虑距离因素的协议的能量消耗集中在某几个节点上, 而考虑能量均衡后, 除了发送源节点外, 其他节点的能量消耗比较平均。
4 结束语
针对水声网络的能量和延迟两方面的限制, 本文提出了一种能量平衡和延迟约束的路由算法, 并对该算法进行了仿真分析。仿真结果表明, 该算法能有效均衡网络节点能量, 同时在负载较重时, 能让数据包有效避让拥塞区域, 从而提高数据包的到达率, 降低数据包端到端延迟。
参考文献
[1]Akyildiz F, Pompili D, and Melodia T.Underwater acoustic sensor networks:research challenges.Elsevier’s Journal of Ad Hoc Networks, 2005, 3 (3) :257-279
[2]Aldawibio O.O.A Review of current Routing Protocols for Ad Hoc Underwater Acoustic Networks[C].Applications of Digital Information and Web Technologies, 2008:431-434
[3]Carlson E.A, Beaujean P.-P, and An E.Location-Aware Routing Protocol for Underwater Acoustic Networks[C].in Proceedings, OCEANS 2006, (Boston) , IEEE/MTS, Sept.2006.
[4]Othman A.K.GPS-less Localization Protocol for Underwater Acoustic Networks.Wireless and Optical Communications Networks[C].2008:1-6
[5]Carlson E.A, Beaujean P.-P, and An E.An Improved Location-Aware Routing Protocol for Underwater Acoustic Networks[C].in Proceedings, OCEANS 2007, (Vancouver) , IEEE/MTS, Sept.2007:1-7
能量平衡分析 篇7
1 激素水平与能量负平衡
1.1 血液激素的作用
反刍动物能量代谢的调节主要受胰岛素 (INS) 和胰高血糖素 (GN) 等激素的控制。围产期奶牛血液中的胰高血糖素、胰岛素及其胰岛素与胰高血糖素比值都逐渐降低, 胰岛素与胰高血糖素比值可降至0.10以下, 启动脂肪动员和糖异生作用, 此时能量负平衡奶牛胰岛素水平继续降低, 胰高血糖素水平明显升高, 有利于糖异生作用和脂肪动员。因此, 能量负平衡促进了奶牛脂肪动员和糖异生作用, 随着干物质摄入的逐渐增加, 也促进血糖恢复至正常水平。
1.2 围产期生殖激素的作用
孕激素增加食欲, 雌激素抑制食欲, 其机制还不清楚。产前几天孕激素增加, 妊娠后期雌激素增加, 分娩后又迅速下降。去除鼠卵巢后可引起3～4周暂时性摄食增加, 而给予生理剂量的雌激素则可消除这种作用, 而孕激素的作用几乎与雌激素相反。围产期生殖激素发生剧烈变化, 影响健康奶牛干物质的摄入及糖、脂肪和蛋白质等物质的代谢, 使机体适应各种生理变化, 围产期奶牛干物质摄入减少的时间比其他动物和人长且幅度大, 这可能与生殖激素有关。
2 糖异生、脂肪动员关键酶基因表达与能量负平衡
2.1 PEPCK基因表达
PEPCK活性及生糖先质控制糖异生的速率。酮病奶牛肝脏的PEPCK mRNA表达明显增加, 脂肪肝奶牛明显降低。尽管酮病奶牛肝脏的PEPCK mRNA表达明显增加, 但由于食欲下降, 生糖先质供应不足, 其糖异生速率降低。而脂肪肝糖异生能力的减弱可能与肝脏PEPCK mRNA表达降低有关。
2.2 三酰甘油脂肪酶 (HSL) 基因表达
围产期奶牛脂肪组织中三酰甘油脂肪酶基因表达水平随着分娩的临近逐渐降低, 产后第1天降至谷底, 而后逐渐回升, 指示脂肪动员减弱[2]。同时还可观测到非酯化脂肪酸 (NEFA) 和酮体浓度随着分娩的临近逐渐升高, 产后第1天和第14天达到最高点, 而后逐渐降低, 标志脂肪动员加强和能量负平衡。围产期奶牛脂肪组织中三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平下降, 这是机体通过神经内分泌因子加强妊娠后期和泌乳初期能量的储备, 还是能量负平衡状态下非酯化脂肪酸和酮体等代谢产物对脂肪动员的负反馈作用所致还不清楚[2]。
3 神经内分泌因子与能量负平衡
3.1 瘦蛋白 (LP) 的作用
瘦蛋白也称瘦素, 是由肥胖基因编码、脂肪细胞分泌的一种多功能激素, 具有调节摄食行为、减少能量消耗和降低动物采食量的作用, 对机体的脂肪沉积、能量平衡、神经内分泌等过程具有调节作用。Halase报道, 瘦素具有抑制食欲和降低体重的作用。
研究发现, 干乳期低能饲喂, 产后血液中瘦素浓度高于高能饲喂牛, 神经肽酪氨酸 (NPY) 出现的时间早于高能饲喂牛, 表明瘦素和神经肽酪氨酸是调控围产期奶牛干物质摄入和能量负平衡的重要因子。
3.2 神经肽酪氨酸的作用
神经肽酪氨酸是1982年由Tatemoto首次从猪脑中分离得到的, 存在于哺乳动物的大脑中, 在中枢的神经肽酪氨酸具有促进摄食的功能, 近年来对神经肽酪氨酸促进摄食的直接作用已有一定研究。在动物中枢注射神经肽酪氨酸可提高采食量, 在鼠、鸡、羊、猪中已得到证实。
神经肽酪氨酸对围产期奶牛摄食及能量调控的研究现已得出结论, 干乳期低能饲喂牛神经肽酪氨酸出现的时间早于高能饲喂牛, 表明神经肽酪氨酸是调控围产期奶牛干物质摄入和能量负平衡的重要因子。
4 载脂蛋白与能量负平衡
脂肪肝是脂肪大量动员的直接后果。有近一半的多胎奶牛在分娩时存在中度或重度脂肪肝, 其主要原因是三酰甘油生成增多, 超过了肝脏利用三酰甘油的能力。肝脏对三酰甘油的利用有两个途径:一是经水解作用生成脂肪酸;二是以极低密度脂蛋白 (VLDL) 的形式运出肝外。与其他单胃动物不同的是, 反刍动物肝脏分泌极低密度脂蛋白的速率很低, 这也可能是围产期奶牛易发脂肪肝的原因之一。肝脏apoB100的合成可能受营养和激素等因素的调节, 但其确切机制尚不清楚。研究发现, apoB100的合成和分泌受代谢状态的调节, 自然发生脂肪肝奶牛血清apoB100浓度降低, 因此奶牛血清apoB100浓度降低是脂肪肝的主要原因。孙玉成研究发现, 干乳期高能饲喂奶牛肝脏apoB100 mRNA基因表达水平产犊后显著低于产犊前, 说明围产期奶牛易患脂肪肝与apoB100降低有密切关系。
5 脂肪细胞因子与能量负平衡
脂联素 (ADPN) 是近几年发现的脂肪细胞因子, 在脂肪细胞中特异性表达, 在血清中以较高浓度存在。脂联素参与葡萄糖和脂肪的代谢调节, 与肥胖呈负相关。重组脂联素可加速脂肪代谢, 表现为血浆三酰甘油水平下降, 肝脏和肌肉中贮存的三酰甘油减少, 与脂肪酸氧化清除相关的蛋白表达水平上调。尽管结论不尽一致, 但可以肯定脂肪细胞因子脂联素参与了脂肪的代谢。
围产期奶牛能量负平衡的必然结果是脂肪动员。三酰甘油脂肪酶是脂肪动员的启动因子, 三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平可反映脂肪动员的状态。研究发现, 随着分娩的临近, 脂肪组织脂联素mRNA和三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平逐渐下降, 产后第1天降到最低值, 而后又逐渐回升。围产期健康奶牛脂肪组织脂联素mRNA与三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平呈正相关 (r=0.72, P<0.01) , 初步可以认为脂联素对脂肪代谢的调节是通过三酰甘油脂肪酶实现的。
围产期奶牛干物质摄入产前增高, 产后逐渐降低, 体重产前增加产后降低。脂肪组织脂联素mRNA和三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平的变动与围产期奶牛干物质摄入减少和体重减轻等反映能量负平衡指标的改变一致, 脂肪组织脂联素mRNA和三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平与围产期奶牛体况呈正相关 (r=0.68, P<0.01) 。非酯化脂肪酸和β羟基丁酸 (BHBA) 浓度随着分娩的临近逐渐升高, 产后第1天和第14天达到最高点, 而后逐渐降低, 标志脂肪动员加强和能量负平衡。脂肪组织脂联素mRNA和三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平与血清非酯化脂肪酸和β羟基丁酸浓度呈负相关 (r=-0.91, P<0.01; r=-0.64, P<0.01) 。鉴于此, 可以认为脂肪组织脂联素mRNA和三酰甘油脂肪酶mRNA表达水平可反映围产期奶牛的能量代谢状态。
6 瘤胃微生物发酵生成丙酸与能量负平衡
干物质摄入减少是围产期奶牛能量负平衡的始发因素, 其实质是生糖先质丙酸缺乏。因此, 补充生糖先质是防治酮病、脂肪肝的主要手段, 其缺点是费时、费力、费用高。这样就需要研制和建立一种新的补充生糖先质的方法和技术。
根据反刍动物主要是靠瘤胃发酵产生的乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸供能和围产期奶牛生糖先质丙酸供不应求这一特点, 运用微生态理论, 通过筛选、改造与丙酸生成有关的瘤胃发酵菌, 调控瘤胃微生物发酵产生丙酸的比例, 可使在妊娠后期和泌乳初期及疾病状态下采食量减少时瘤胃内发酵菌的数量和比例发生改变, 进而使丙酸生成减少, 乙酸生成增加[3]。恢复和重建瘤胃微生物区系, 不仅可增强围产期奶牛的消化功能, 增加采食量, 还可提高生糖先质丙酸的生成量, 纠正或缓解围产期奶牛能量负平衡。
7 能量储备、摄入与能量负平衡
7.1 干乳期能量储备与能量负平衡
干乳期奶牛过于肥胖, 产后干物质摄入明显减少, 这可能与能量代谢的调控机制有关。在一定的生理条件下, 干物质摄入与机体储备呈负相关, 瘦牛比肥胖牛利用脂类物质更迅速。分娩体重与产后脂肪动员呈正相关, 体重超过40 kg可明显抑制摄食。能量贮备和摄食调节与脂肪状态调节食欲的理论相一致, 表明在奶牛围产期, 能量储备与产后能量负平衡关系密切。
7.2 干乳期能量摄入与能量负平衡
高产奶牛在泌乳前几周常存在能量负平衡, 此时母牛处于酮病和脂肪肝的危险期[1]。Garnsworthy等报道, 干奶期给奶牛饲喂高能日粮产后食欲减退更加明显, 导致的泌乳初期能量短缺高于限制饲喂的奶牛, 产后体重下降, 平均产奶量降低。产前低能饲喂可以降低产后奶牛血液三酰甘油、非酯化脂肪酸和总酮体水平, 提示干乳期能量摄入水平是影响和调节产后能量平衡状态的重要因素。
干乳期高能饲喂, 产前体重增加明显, 产后失重也明显, 能量负平衡严重;干乳期低能饲喂, 产前体重增加不明显, 产后失重少, 能量负平衡程度轻, 且持续时间明显缩短。
摘要：围产期奶牛能量代谢特点是能量摄入减少而需求增加所致的能量负平衡。探寻围产期奶牛能量负平衡的调控作用和机制是防治该病的重要基础。文章对近几年来围产期奶牛能量负平衡调控作用和机制的研究进展进行了归纳和总结, 旨在为寻找防治该疾病的途径提供新的思路。
关键词：围产期奶牛,能量负平衡,调控作用,调控机制
参考文献
[1]刘国文, 王哲.围产期奶牛能量代谢障碍性疾病的研究进展[J].黑龙江畜牧兽医, 2004 (8) :78-79.
[2]张辉.脂联素对围产期奶牛脂肪动员的调控作用[D].长春:吉林大学, 2007.