CC BY
10[5] Аксенов В.И., Ладыгичев М.Г., Ничкова И.И., Никулин В.А., Кляин С.Э., Аксенов Е.В. Водное хозяйство промышленных предприятий. Справочное издание в 2-х книгах. Книга 1. - М: Теплотехник, 2005. - 640 с.; ил.
[6] В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер Биогаз, теория и практика. (Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного). М: Колос, 1982 - 148 с.: ил.
[7] Биомасса как источник энергии: Пер. с англ. / Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М: Мир, 1985. - 368 с.; ил.
[8] Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. / Пер. с англ. М.Ф. Пушкарева; под ред. Е.А. Бирюковой. - М: Агропромиздат, 1987. - 152 с.
[9] Яковлев С.В., Волков Л.С., Воронов Ю.В., Волков В.Л. Обработка и утилизация осадков производственных сточных вод. - М.: Химия, 1999. - 448 с.
[10] Катраева И.В. Современные анаэробные аппараты для очистки концентрированных сточных вод // Известия КазГАСУ. - Казань, 2011. - № 2 (16). - С. 179-184.
[11] Курников А.С., Мизгирев Д.С., Молочная Т.В. Метантенк. Патент на полезную модель РФ № 136282 U1, МПК А01С3/00, 0)2F11/04. Заявитель и патентообладатель ООО "МИП "Энергосберегающие технологии" - заявл. 07.02.2013; опубл. 10.01.2014 - 11 с.; ил.
[12] Мизгирев Д.С. Проектирование специальных систем судов комплексной переработки отходов: автореф. дисс. канд. техн. наук / Д.С. Мизгирев; науч. рук. А.С. Курников; ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - Н. Новгород, 2009. - 24 с.
[13] Канализация. Наружные сети и сооружения. Строительные нормы и правила: СНиП 2.04.03-85. - М:. ГУП ЦПП, 1998. - 72 с.
[14] ГюнтерЛ.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. - М.: Стройиздат, 1991. - 128 с.; ил.
[15] Очистка производственных сточных вод: Учеб. Пособие для ВУЗов / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин и др.; под ред. С.В. Яковлева, 2-е изд., перераб. и доп. - М: Стройиздат, 1985. - 335 с.
THE DESIGN OF THE DIGESTER AS PART OF THE MARINE SYSTEMS IWMS
D.S. Mizgirev, A.S. Kurnikov
Keywords: the digester, biogas, biogas plant, renewable energy, marine structures, methods of calculation.
The article discusses the existing designs of digesters of biogas plants for anaerobic digestion of sewage sludge and food waste, the possibility of their use, test results, design features and use on vessels of complex processing of waste (IWMS).
Статья поступила в редакцию 13.04.2017 г.
УДК 629.5.012
Е.П. Роннов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Ю.А. Кочнев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТАНКЕРА СМЕШАННОГО (РЕКА-МОРЕ) ПЛАВАНИЯ
Ключевые слова: танкер, математическая модель, оптимизация.
Приведена математическая модель оптимизации главных размерений танкера смешанного (река-море) плавания. Особенностью модели является непосредственный
расчёт массы металлического корпуса, подробный расчёт ходкости судна. Приведён упрощённый графический метод определения главных размерений на условной линии эксплуатации.
На этапе исследовательского проектирования судна стоит важнейшая задача -определить главные размерения (ГР), которые бы наилучшим образом удовлетворяли всем требованиям, предъявляемым к судну. ГР должны быть оптимальными с точки зрения поставленного заказчиком показателя (критерия сравнения), а также должны удовлетворять минимальным навигационным и эксплуатационным критериям .
Математическая формулировка задачи оптимизации судна в общем виде может быть представлена следующим образом
кор1 = /1 (X, X,, X2, X3 шт(шах) д, (X, X X 2, X з ) = 0 ^ е ^
^(X,X,,X^,Xз)> 0 5 е , (1)
X е X 4 X 2 е X 4
где к - некий критерий оптимальности;
X - вектор известных величин; X 1 - вектор неизвестных величин; X 2 - вектор параметров; X з - вектор нормативов; X 4 - вектор ограничений;
- множество ограничений в виде равенств; 52 - множество ограничений в виде неравенств.
Решение задачи (1) требует достаточно корректной математической модели судна. Применительно к танкеру смешанного (река-море) плавания, разработанная модель имеет вид
о = у р ,
/ - т5 т=9
рgv = О,
Р,1 =Е рк,
рк = I (рк, пк, ак, б, и),
а(Я,и )=[а(Б,и)], (2)
Р (И, V, г,и) = Я(у, Б,и), N = / (V, Ре, г, , Пп и), Ое = Ор (v, Яр, N, и, V, р, К'„, К2),
ко > кШП,
V (Ргр , Рр )< V (X1 ).
Первое уравнение баланса масс определяет водоизмещение судна порожнём в виде суммы масс разделов Рт. Масса разделов, кроме массы раздела корпус Р1, опреде-
ляется по зависимостям, полученным на основе статистического анализа нагрузки масс современных нефтеналивных танкеров [1].
Масса металлического корпуса Р1}1, составляющего основную долю в собственной массе судна, определялась прямым расчётом массы Pk его металлических конструкций. Это реализовывалось путём разработки мат. модели формы корпуса, конструктивного мидель шпангоута и схемы набора корпуса [3]. Определяемые размеры балок набора и листов обшивки соответствуют требованиям Морского и Речного регистров (в зависимости от заданного класса судна) для средней части и оконечностей. При проверке общей прочности по допускаемым напряжениям ст при необходимости связи эквивалентного бруса корректируются.
Особенность модели ходкости [2] состоит в том, что она включает в себя разработанную методику расчёта остаточного сопротивления, учитывающую специфику обводов нефтеналивных танкеров. Геометрические характеристики движителя Бв, Хр, развиваемый упор Pe, мощность энергетической установки N рассчитывается с использованием диаграммы безразмерных гидродинамических характеристик К'п, К2 ,
Пв.
Такие качества как остойчивость, вместимость и непотопляемость рассчитываются по принятым методикам с использованием виртуальной модели формы корпуса.
В качестве критерия оптимальности в задаче 1 рассматривается величина прибыли как разность между получаемыми доходами и эксплуатационными расходами, рассчитываемым по общепринятым методикам. Дополнительно предусмотрена возможность в качестве критерия использовать показатель удельных приведённых затрат.
Ограничения в виде строгих равенств задачи (1) использовались при решении уравнения масс и плавучести, уравнения ходкости. Ограничения второго вида в виде неравенств использовались при оценке общей прочности, вместимости, остойчивости, непотопляемости, минимальной высоты надводного борта.
Разработанная математическая модель и сформулированная задача оптимизации главных элементов танкера реализованы на базе соответствующего алгоритма в виде программного комплекса. В таблице 1 приведены возможные варианты решаемых задач в зависимости от перечня исходных данных и различных сочетаний варьируемых величин.
Таблица 1
Варианты решаемых задач
№ задачи Заданные величины Варьируемые параметры Искомые величины
1 V, Р, р, 1экспл 8, и, В Б, и, В, Т, 8, Н, N
2 V, Р, р, 1экспл 8, 1=Ш, t=T/B D,L,B,T, 8, Н, N
3 V, Р, р, 1экспл 8, и, г=Т/В D,L,B,T, 8, Н, N
4 V, р, 1экспл 8, и, В, Т Б,Ртах, и,В,Т, 8,Н, N
5 N Р, р, 1экспл 8, и, В Б, и, В, Т, 8, Н, V
6 N Р, р, 1экспл 8, 1=Ш, t=T/B D,L,B,T, 8, Н, V
7 N Р, р, 1экспл 8, и, г=Т/В Б,и,В,Т,8 ,Н, V
8 N р, 1экспл 8, и, В, Т Б,Ртах, и,В,Т, 8,Н, V
где Б - масса судна; L,B,T,H - главные размерения; 8 - коэффициент общей полноты; N - мощность; Ртах - максимальная грузоподъёмность; Р - грузоподъёмность; р - плотность груза; V - скорость хода; 1экспл - длина линии эксплуатации.
Систематические расчёты с использованием изложенного программного комплекса позволили решить ряд исследовательских задач, а именно: установить влияние из-
менения длины, ширины и коэффициента полноты на оптимальность рассматриваемого типа танкеров, обосновать рациональные области проектирования судна на две осадки, носовое расположение надстройки, вальность энергетической установки.
Прикладное значение данной задачи, прежде всего, в том, что разработанный программный комплекс позволяет для заданных условий эксплуатации (характеристик линии, грузопотока, скорости или мощности энергетической установки, грузоподъёмности и т.д.) находить оптимальные элементы танкера. Однако доступность к программе всегда имеет те или иные ограничения, особенно в условиях решения оперативных задач. В связи с этим предлагается универсальный график (рис. 1), построенный на основе систематических расчётов, выполненных по названной программе. На рисунке приведены связанные между собой оптимальные главные размерения танкера заданной грузоподъёмности и скорости хода при его работе на некоторой осреднён-ной линии.
I., м 140-
У
/
\ у
V 90-
*
\ ч у
\ \ /
3, м 0 е 4 \ 2 0 1
\ г;. 00 4С 00 6( 00
ч \
г_ г>=1/ п=2С ,5 км ,0 км 'ч /ч Чч \ \ N
и=22 ,5км/ ч Ч \ \ N
\\ \ NN Л
\ Ч \
л \\ \\ \ \
Ч \ \
\ N
Т, м
Рис. 1. Зависимость главных размерений от грузоподъёмности и скорости хода на условной линии эксплуатации
Стрелками на рисунке показана методика определения оптимальных искомых величин.
Значение коэффициента полноты во всех случаях необходимо принимать максимально близким к 0,9, для обеспечения наибольшего водоизмещения при меньших главных размерениях.
По приведённому рисунку можно решать не только задачу определения размеров судна по заданной грузоподъёмности, но и обратную, когда необходимо спроектировать так называемое судно класса «макс».
Из анализа график видно, что уже при грузоподъёмности танкера больше 1000 т, его осадка превышает 3,5 м. Для судна смешанного (река-море) плавания, при наличии существенных ограничений по глубине судового хода, такая осадка недопустима и требуется её снижение, что, в свою очередь, повлечёт изменение длины, ширины и коэффициента полноты для удовлетворения ограничений.
Зависимость главных размерений от ограниченной осадки для ряда грузоподъём-ностей, наиболее вероятных у малых танкеров смешанного (река-море) плавания, приведена в таблице 2.
Таблица 2
Оптимальные главные размерения танкеров при наличии ограничений по осадке
P 3000 4000 5000
Tmax 2,5 3 3,5 4 4,5 3 3,5 4 4,5 5 3,5 4 4,5 5
v=18,6 км/ч
L - 110 110 95 95 - 120 115 110 110 - 135 125 125
B - 16 15 15,4 15,4 - 15,4 16 16 16 - 15,6 16,4 16,4
T - 2,993 3,46 3,8 3,8 - 3,49 3,87 4,03 4,03 - 3,96 4,17 4,17
d - 0,91 0,83 0,83 0,83 - 0,87 0,84 0,83 0,83 - 0,86 0,83 0,83
N - 1124 1148 1124 1124 - 1148 1124 1236 1236 - 1124 1236 1236
D - 4913 4857 4730 4730 - 5751 6131 6034 6034 - 7351 7273 7273
Осадка судна при увеличении габаритов судового хода увеличивается до некоторой величины, равной осадке танкера на «условной» линии эксплуатации, которая определяется по рисунку 1. Длина, ширина и коэффициент общей полноты танкера постепенно уменьшаются до оптимальных значений.
Приведённый алгоритм позволяет оценить главные размерения, к которым необходимо стремиться при проектировании танкера смешанного (река-море) плавания. Наиболее близкое приближение к графическим данным позволит повысить транспортную эффективность судна, снизив издержки при его эксплуатации.
Список литературы:
[1] Кочнев Ю.А. Анализ элементов и характеристик «малых» танкеров/ Ю.А. Кочнев // 11-й международный научно-промышленный форум «Великие реки '2009». Труды конгресса. Том 2. - Н.Новгород: ННГАСУ 2010. - с. 300-302.
[2] Кочнев Ю.А. Обоснование модели расчёта ходкости судна / Ю.А. Кочнев //12-й международный научно-промышленный форум «Великие реки '2010». Труды конгресса. Том 2. -Н.Новгород: ННГАСУ 2011. - с. 300-302.
[3] Кочнев Ю.А. Методика расчёта массы металлического корпуса танкера смешанного (река-море) плавания / Ю.А. Кочнев, Е.П. Роннов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, Новосибирск. -2010. № 1.- с. 114-118.
GRAPHIC METHOD OF REPRESENTATION OF THE OPTIMAL ELEMENTS OF THE TANKER OF MIXED (RIVER-SEA) NAVIGATION
E.P. Ronnov, Yu.A. Kochnev
Key words: tanker, mathematical model, optimization.
The mathematical model of optimization of the main dimensions of the tanker of mixed (river-sea) navigation. A feature of the model is the direct calculation of the mass of the metal case, a detailed calculation of the propulsion of the vessel. Simplified graphic method of determining the main dimensions for conventional line operation.
Статья поступила в редакцию 19.06.2017 г.
УДК 502.3; 656.6
B.Л. Этин, д.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ»
C.В. Васькин, доцент, к.т.н. ФГБОУ ВО «ВГУВТ» М.С. Дмитриева, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ВЫБОР ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДНА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ КАК ЭЛЕМЕНТА ВНЕСУДОВОЙ ПРИРОДООХРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Ключевые слова: внесудовая очистка, предотвращение загрязнения водоемов, судовые отходы, проектирование судов экологического назначения
Одним из аспектов загрязнения водных объектов является эксплуатация судов. Для предотвращения загрязнения водоемов используют разные способы обработки судовых отходов. Одним из них является применение внесудовых природоохранных средств, включающих суда-сборщики и суда комплексной переработки отходов (СКПО). В настоящее время отсутствует методика проектирования таких судов, учитывающая особенности используемой техники и технологии, а также интенсивность судоходства в районе плавания.
Основным источником загрязнения водных объектов при эксплуатации судов являются сточные (СВ), нефтесодержащие (НВ) воды и мусор.
Предотвращение загрязнения водной среды указанными видами отходов предусматривается различными нормативно-правовыми и нормативно-техническими документами, такими как Водный кодекс РФ, Кодекс внутреннего водного транспорта РФ, Санитарные правила и нормы, Правила Российского Речного Регистра, Правила Морского Регистра Судоходства и др.
Существует два основных способа избавленияот образующихся на судне загрязнений: обработка непосредственно на борту судна и передача на внесудовые природоохранные средства.
Первый способ предполагает применение специальных судовых систем для очистки сточной и нефтесодержащей воды, а также устройств для обработки мусора (инсинераторов, установок для прессования и измельчения). Достоинствами этого способа являются большая автономность плавания судна по условиям экологической безопасности, сокращение простоев, минимальные объемы накопительных емкостей, что увеличивает экономическую эффективность судов, имеющих на борту природоохранное оборудование. К недостаткам относятся сложность и высокая стоимость подобных систем, необходимость дополнительных затрат энергии и расходных материалов. Данный способ получил распространение преимущественно на морских судах и судах смешанного («река-море») плавания [1].
Выбор оптимальных технологических схем очистки загрязнений с судов - достаточно сложная задача, обусловленная широким интервалом варьирования начальных
