Имитационная математическая модель функционирования системы теплоснабжения животноводческого комплекса на базе каталитического устройства сжигания

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

1

УДК 66.097.3 UDC 66.097.3

ИМИТАЦИОННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ КАТАЛИТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА СЖИГАНИЯ SIMULATION MATHEMATICAL MODEL OF HEAT SUPPLY SYSTEM OF LIVESTOCK COMPLEX ON THE BASIS OF CATALYTIC COMBUSTION DEVICE

Сидыганов Юрий Николаевич д.т.н., профессор Sidyganov Yuri Nikolaevich Dr.Sci.Tech., professor

Медяков Андрей Андреевич к.т.н. Medyakov Andrei Andreevich Cand.Tech.Sci.

Онучин Евгений Михайлович к.т.н., доцент Onyuchin Evgeniy Mikhailovich Cand.Tech.Sci., assistant professor

Каменских Александр Дмитриевич аспирант Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия Kamenskikh Aleksandr Dmitrievich postgraduate student Volga State University of Technology, loshkar-Ola, Russia

В статье представлена имитационная математическая модель функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса, устанавливающая взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами технико-технологической системы и параметрами, характеризующими эффективность их функционирования в процессе передачи тепловой энергии при теплоснабжении животноводческого комплекса The article presents a simulation mathematical model of technical and technological systems for heating livestock complex, which establishes the relationship between the structural and technological parameters of the technical and technological system and the parameters characterizing the efficiency of their operation in the process of heat transfer at the heat supply of the livestock sector

Ключевые слова: НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС, МЕТОД ЭЛЕМЕНТАРНЫХ БАЛАНСОВ, КАТАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СЖИГАНИЯ, КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Keywords: NONSTATIONARY PROCESS, METHOD OF ELEMENTARY BALANCES, CATALYTIC COMBUSTION DEVICE, CATALYTIC SYSTEMS

Введение

Животноводство (животноводческие комплексы, фермы) и

птицеводство (птицефабрики) являются основными энергопотребляющими отраслями сельскохозяйственного производства, на которые приходится до 68 % от общего потребления энергоносителей в сельском хозяйстве России (без учета энергопотребления жидкого топлива машинно-тракторным парком и транспортом), т.е. от общего энергопотребления стационарных сельхозобъектов [1]. Основной расход энергии происходит при приготовлении кормосмеси, подогрев воды и обеспечение необходимого микроклимата для содержания животных, в частности, стойлового.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

2

Оптимальный микроклимат в животноводческих и птицеводческих помещениях способствует более полной реализации генетического потенциала животных и птицы, профилактике заболеваний, а также удлинению сроков службы построек и установленного в них оборудования.

В условиях центральной части России Поволжья и Урала задача по теплоснабжению объектов животноводческого комплекса стоит особо остро, в связи большой разницей температур в летние и зимние периоды.

При этом использование технико-технологических систем на базе каталитического устройства сжигания углеводородов могут использоваться в существующих системах теплоснабжения различных производственных объектов животноводческого комплекса вместо традиционных устройств факельного сжигания [2-6]. При этом по сравнению с традиционными источниками тепла, каталитические устройства сжигания имеют ряд конструктивных, энергетических и экологических преимуществ. К ним относятся:

1) полнота сжигания топлива, которая способствует повышению эффективности процесса горения;

2) снижение температуры процесса горения, которое обеспечивает конструктивные преимущества каталитических устройств горения;

3) сокращение выбросов вредных газов в атмосферу в связи со снижением температуры горения и более полным сжиганием топлива;

4) снижение минимальной концентрации топлива в смеси до 0,5 % объема [6].

Таким образом, для повышения энергетической эффективности функционирования животноводческих комплексов является важным исследование особенностей использования каталитических устройств сжигания в рамках системы теплоснабжения производственного помещения животноводческого комплекса.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

3

Описание математической модели

Существенным факторами, влияющим на эффективность

функционирования технико-технологических систем на базе

каталитических устройств сжигания для теплоснабжения животноводческого комплекса, являются:

- обеспечение оптимальной и равномерной температуры в

животноводческом комплексе для жизнедеятельности, роста и

размножения продуктивных пород сельскохозяйственных животных;

- обеспечение минимального потребления топлива техникотехнологической системой для теплоснабжения животноводческого комплекса (обеспечения условия энергетической эффективности системы теплоснабжения).

Для оптимизации конструктивно-технологических параметров технико-технологических систем на базе каталитических устройств сжигания для теплоснабжения животноводческого комплекса, необходимо исследовать нестационарный процесс передачи тепловой энергии от системы теплоснабжения к помещению животноводческого комплекса.

Для упрощения описания нестационарных процесса передачи тепловой энергии при функционировании каталитических систем предлагается использовать метод элементарных балансов, который заключается в том, что объем помещения животноводческого комплекса разбивается на элементарные геометрические формы, в пределах каждой из которых параметры приближенно принимается одинаковыми. Величины тепловых потоков, средние за элементарный промежуток времени, являются пропорциональными среднему для этого промежутка температурному градиенту при условии равномерности изменения температур в течение элементарного промежутка времени, а повышение теплосодержания объема пропорциональным повышению его температуры. Это позволяет представить задачу в виде системы

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

4

уравнений, решение которой представляет собой состояние системы на следующем элементарном промежутке времени.

Таким образом, принимаются следующие допущения:

- помещение животноводческого комплекса заменяется дискретной моделью;

- модель времени является дискретной с шагом в интервал моделирования;

- состояние объекта изменяется равномерно за интервал моделирования.

В результате помещение животноводческого комплекса и процесс передачи тепловой энергии при обогреве представляются в соответствии со схемой, представленной на рисунке 1.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

5

Для моделирования был выбран метод, представленный на рисунке 2. Сначала осуществляется ввод входных величин, которые представляют собой конструктивные и технологические параметры техникотехнологической системы теплоснабжения животноводческого комплекса. Шаг моделирования выбирается с учетом требуемой точности моделирования. При расчетах в рамках шага моделирования принимается, что условия являются постоянными, и расчет ведется по формулам для стационарных процессов передачи тепловой энергии. Полученные на текущем шаге результаты необходимо записываются в отдельную таблицу ввиду того, что в результате повторения циклов моделирования текущие значения многократно переписываются. Измененные в течение шага входные параметры подставляются в расчетную часть на следующем шаге моделирования.

Рисунок 2. Общий принцип имитационного моделирования функционирования технико-технологической системы для теплоснабжения животноводческого

комплекса

http://ej .kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

6

В соответствии с принятыми допущениями имитационная математическая модель функционирования технико-технологической системы для теплоснабжения животноводческого комплекса была реализована на ЭВМ в среде Microsoft Office Excel с использование возможностей встроенного пакета Visual Basic for Application. Вид окна математической модели приводится на рисунке 3.

Входные величины Плотность кг/мЗ кг/с

Расход гор. воздуха, мЗ/с ОД 1,078061303 0,10780613

Температура воздуха, оС 50

длина комплекса, м 50 объем пом, м3 расход мЗ/ч

кртаность воздухообмена, 1/ч ОД 1750 175

Масса аккумулятора, т 500

регулирование (1-да,0-нет) 1

температура регулировани, оС 18

Пеирод моделирования, с 60

Окружающая температура, оС -25 СрТ.оС 12,97501976

температура включения, оС 20 ско 9,479807393

температура выключения,оС 25

ность, кг/мЗ кг/с 1,403890832 0,068245 воздух

аккум

воздух

Число циклов, шт. Счетчик циклов, и

1440 регулирование 1439

<.,оС

температура воздуха т<

Расчетные величины

ширина комплекса, м размер ячейки а, м размер ячейки Ь, м высота ячейки С, м плотность аккумулятора, кг/мЗ объем аккумулятора, м3 глубина заглубления аккумулятора, л/ Площадь ab, м2 Площадь ас, м2 Площадь Ьс, м2 Площадь аккум а*глуб.м2

3,333333333

16,66666667

1,75

2000

250

0,5

55,55555556

5,833333333

29,16666667

1,666666667

аккум

воздух

аккум

воздух

Температура текущая 8,574667 12,78141 8,574667

30,58605 37,17571 30,58605

7,41372 11,8654 7,41372 25,70337 33,43257 25,70337

7,935947 13,4995 7,935947 32,09821 38,14544 32,09821

6,223903359 10,867 6,223903 29,73238 37,1219 29,73238

6,965511154 11,96179 6,965511 36,98892 41,7498 36,98892

32,78254787 39,12958 32,78255

42,53864216 45,28919 42,53864

Температура следующая 8,574667 12,78141 8,574667

30,58605 37,17571 30,58605

7,41372 11,8654 7,41372 25,70337 33,43257 25,70337

7,935948 13,4995 7,935948 32,09821 38,14544 32,09821

6,223903726 10,867 6,223904 29,73238 37,1219 29,73238

6,965511695 11,96179 6,965512 36,98892 41,7498 36,98892

32,78254794 39,12958 32,78255

42,53864219 45,28919 42,53864

Температура средняя за шаг 8,574667 12,78141 8,574667

30,58605 37,17571 30,58605

7,41372 11,8654 7,41372 25,70337 33,43257 25,70337

7,935948 13,4995 7,935948 32,09821 38,14544 32,09821

6,223903542 10,867 6,223904 29,73238 37,1219 29,73238

6,965511425 11,96179 6,965511 36,98892 41,7498 36,98892

32,7825479 39,12958 32,78255

42,53864217 45,28919 42,53864

Площадь аккум Ь*глуб.м2 8,333333333 Притоки теплоты, дж 1146,876 -1494,63 1092,754 -1770,53 1146,876 -1494,63

Притоки теплоты 86,61177 -40,646 86,61177 3322,656 -5142,29 3322,656

теплопроводность ячеек, Вт/(м*К) 0,026 2214,14 2111,79 2214,14

теплопров. аккумулятора, Вт/(м*К) 2,4 воздух 100,7552043 -71,9935 100,7552 493,8901 -7677,2 493,8901

К между ячейками пс ) А, Вт/(м2*К) 0,0078 2581,227373 2492,825 2581,227

К между ячейками пс ) В, Вт/(м2*К) 0,00156 аккум -308,2147438 -7281,38 -308,215

К между ячейками пс ) С, Вт/(м2*К) 0,014857143 воздух

К между ячейками и аккум, Вт/

К между аккум по В, Вт/

Потери теплоты

теплопроводность грунта, Вт/

К подземный, Вт/

Притоки воздуха

расход через ячейки

К от гальки, Вт/(м2*К) средний диаметр гальки, м

0,029622597

0,72

0,144

Потери теплоты, дж 2790,034 2128,387 2790,034

1785,322 332,8283 1785,322

2520,048 1879,44 2520,048 13930,89 2675,751 13930,89

881,5351 881,5351

2594,686701 2020,54 2594,687 12531,56 12531,56

1026,673451 197,8575 1026,673

15875,90909 2936,629 15875,91

схема движения

0,035935377

0,03472669

0,022748231

1006

920

8

0,02

аккум

воздух

Притоки воздуха, дж 1643,176 1035,664 1643,176

3279,975 2103,397 3279,975

2433,466 1920,15 2433,466

-1332,49 -2111,4 -1332,49 10608,24| 7818,057| 10608,24

2493,977257 2092,645 2493,977

-1554,486513 -2294,79 -1554,49 12037,68| 7677,17| 12037,68

16184,1278б| | 10218,02| 16184,13

Рисунок 3. Внешний вид имитационной математической модели

Для описания изменения температуры внутри каталитической системы в расчетной части имитационной модели использовались

следующие зависимости.

http://ej .kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

7

Общий тепловой баланс для ячеек дискретной модели помещения животноводческого комплекса и аккумулятора, расположенного под комплексом, с учетом принятых допущений будет иметь следующий вид:

Фяч Фтеплопр. "3" Qbx.boz Qo

жр

где Фяч- количество теплоты, поступившей в ячейку

теплопр. _ теплота,

поступившая от соседних ячеек с помощью теплопроводности; Qbx.boz~

теплота, поступившая с входящим в ячейку потоком воздуха; ^окР-теплота, поступившая от окружающей среды;.

При этом количество теплоты, поступившей в ячейку (^дтз) за единицу времени может быть выражено через изменение ее энтальпии следующим образом:

С?яч ^яч * ^"яч *

где яч- масса ячейки, в случае помещения принимается масса воздуха в

- - - С

ячейке, в случае аккумулятора - масса галечной засыпки в ячейке; -

теплопроводность ячейки; изменение температурного состояния

д* ___ т1! _ тО

ячейки за интервал моделирования (и:яч. 1 1 ).

Количество теплоты, поступившей от соседних ячеек в процессе

передачи теплоты теплопроводностью, (^те[1ЛС,[1Р ) может быть выражено следующим образом:

G

теплопр,

тгт ги о, г о.

Г * Т

ьиодел

где m - количество соседних ячеек; ^ - коэффициент теплопередачи п-ой

соседней ячейке; ^ - площадь контакта с n-й соседней ячейкой; -

^ ^ ^ ^ ^ ^ т

температурный перепад между текущей и n-и соседней ячейкой; модм' -

период моделирования.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

8

Количество теплоты, поступившей с входящим в ячейку потоками

нагретого воздуха, (Фбх.боз) для ячеек помещения будет выражаться следующим образом:

Фбх.боз "^модел. * С^воз * ^воз) *

г с

где в°з _ массовый расход потока воздуха; в°з - теплоемкость

входящего воздуха; ^еоз- температурный перепад между воздухом текущей ячейки и ячейки, из которой он приходит.

Количество теплоты для аккумулятора, поступившей с входящим в

ячейку потоками нагретого воздуха, (Фвх.воз а.к)5 будет выражаться следующим образом:

= к * F * At * т

бх.боз ак “-ак л ак i-lLaK ь и одел.

где коэффициент теплопередачи от воздуха к аккумулятору; ^ -

площадь контакта воздуха с аккумулятором; - температурный перепад между воздухом, проходящим через аккумулятор, и наполнителем аккумулятора.

При этом составляется еще тепловой баланс для определения изменения состояния воздуха при прохождении через аккумулятор:

С?бх.еоз ак @боз

О = G * С *

VB03 ^боз ^боз

* т

'воз. ь и одел.

S' г

где *^Боз _ расход горячего воздуха через ячейку аккумулятора; в°з -

теплоемкость горячего воздуха; ^воз.- изменение температуры воздуха при прохождении через аккумулятор.

Количество теплоты, переданной в окружающую среду, (^окр) можно выражается следующим образом:

О = к * F * At * т

Vosp. “-окр J окр i-lL0Kp ьмодел.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

9

где

окр—

площадь контакта окружающей среды с ячейкой;

-окр —

коэффициент теплопередачи к окружающей среде; окр - температурный перепад между ячейкой и окружающей средой.

С использованием зависимостей для ячеек модели (1-7) была составлена часть математической модели, основанная на возможностях итеративных вычислений Microsoft Office Excel, в рамках которой описываются изменения температуры внутри животноводческого комплекса.

Вывод

Разработанная имитационная математическая модель функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса позволяет установить взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами технико-

технологической системы и параметрами, характеризующими эффективность их функционирования в процессе передачи тепловой энергии при теплоснабжении животноводческого комплекса.

Статья подготовлена в рамках выполнения исследований, поддержанных стипендией Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам на 2012-2014 годы.

Список литературы

1. Сазонов С.Н. Методология эффективного формирования и использования производственных ресурсов в крестьянских (фермерских) хозяйствах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Саратов, 1998. -48 с.

2. Медяков А. А. Разработка новых каталитических систем для процессов

получения биогаза / Медяков А.А., Каменских А.Д. // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология.

Природопользование. - 2011. - № 3. - С. 88-94.

3. Онучин Е.М. Наноструктурированные наполнители каталитических систем для установок анаэробной переработки органических отходов / Онучин Е. М., Медяков

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf

Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года

10

А. А. // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. - 2011. - № 3. - С. 95-100.

4. Онучин Е.М. Нестационарные каталитические системы для утилизации

биогаза / Е.М. Онучин, А.А. Медяков, А.Д. Каменских, П.Н. Анисимов //

Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №04(78). - Режим

доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/46.pdf, 1,000 у.п.л.

5. Онучин Е.М. Повышение эффективности разрабатываемых каталитических

систем для утилизации биогаза / Е.М. Онучин, А.А. Медяков, А.Д. Каменских, П.Н. Анисимов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №04(78). - Режим

доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/47.pdf, 0,875 у.п.л.

6. Лукьянов, Б. Н. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах / Б. Н. Лукьянов, Н. А. Кузин, В. А. Кириллов, В. А. Куликов, В. Б. Шигаров, М. М. Данилова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2001. - № 9. - С. 667-77.

References

1. Sazonov S.N. Metodologija jeffektivnogo formirovanija i ispol'zovanija proizvodstvennyh resursov v krest'janskih (fermerskih) hozjajstvah. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni doktora tehnicheskih nauk. Saratov, 1998. - 48 s.

2. Medjakov A.A. Razrabotka novyh kataliticheskih sistem dlja processov poluchenija biogaza / Medjakov A.A., Kamenskih A.D. // Vestnik Marijskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija: Les. Jekologija. Prirodopol'zovanie. - 2011. - № 3. - S. 8894.

3. Onuchin E.M. Nanostrukturirovannye napolniteli kataliticheskih sistem dlja ustanovok anajerobnoj pererabotki organicheskih othodov / Onuchin E.M., Medjakov A.A. // Vestnik Marijskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija: Les. Jekologija. Prirodopol'zovanie. - 2011. - № 3. - S. 95-100.

4. Onuchin E.M. Nestacionarnye kataliticheskie sistemy dlja utilizacii biogaza / E.M. Onuchin, A.A. Medjakov, A.D. Kamenskih, P.N. Anisimov // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2012. -№04(78). - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/46.pdf, 1,000 u.p.l.

5. Onuchin E.M. Povyshenie jeffektivnosti razrabatyvaemyh kataliticheskih sistem dlja utilizacii biogaza / E.M. Onuchin, A.A. Medjakov, A.D. Kamenskih, P.N. Anisimov // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2012. - №04(78). - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/47.pdf, 0,875 u.p.l.

6. Luk'janov, B. N. Jekologicheski chistoe okislenie uglevodorodnyh gazov v kataliticheskih nagrevatel'nyh jelementah / B. N. Luk'janov, N. A. Kuzin, V. A. Kirillov, V. A. Kulikov, V. B. Shigarov, M. M. Danilova // Himija v interesah ustojchivogo razvitija. -2001. - №9. - s. 667 - 677.

http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf