CC BY
8УДК 662. 997. 534.
К ВОПРОСУ О МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ БИОДИЗЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Н.А. Мурзакулов
к.т.н.,профессор Ошский технологический университет (ОшТУ)
М.М.Ысламов
старший преподаватель Ошский технологический университет (ОшТУ) https://doi.org/10.5281/zenodo. 7227444
Аннотация: В статье рассмотрена информационную технологию на основе математического моделирования динамики биодизельной установки и теплообменника для подогрева масла биодизелем и по получению эталонной информации для принятия решений на изменение количества пластин теплообменника при сохранении постоянными расходы теплоносителей.
Предложена архитектура когенерационной системы, имеющей в своем составе основу- интегрированную динамическую подсистему, включающую когенерационная установку, биодизельную установку и теплообменник для подогрева масла биодизелем.
Ключевые слова: биотоплива, роторно-пульсационные аппараты, энергозатраты, комплексное математическое моделирования, интенсификация тепломассообмена, динамики биодизельной установки, схема логического моделирования, эталонные динамические характеристики, функционирования когенерационных систем.
ON THE QUESTION OF MATHEMATICAL MODELING BIODIESEL PLANT
Abstrackt: The article considers information technology based on mathematical modeling of the dynamics of a biodiesel plant and a heat exchanger for heating oil with biodiesel and obtaining reference information for making decisions on changing the number of heat exchanger plates while maintaining constant coolant costs.The architecture of the cogeneration system is proposed, which has in its composition the basis - an integrated dynamic subsystem, including a cogeneration plant, a biodiesel plant and a heat exchanger for heating oil with biodiesel.
Keywords: biofuels, rotary pulsating devices, energy consumption, complex mathematical modeling, intensification of heat and mass transfer, dynamics of biodiesel plant, logical modeling scheme, reference dynamic characteristics, functioning of cogeneration systems.
ВВЕДЕНИЕ
В проекте Закона «О внесении изменений в некоторые законодательные акты Кыргызской Республики в сфере возобновляемых источников энергии» предусмотрено, что «Производители электрической и тепловой энергии, вырабатываемой с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), и потребители такой энергии имеют следующие преференции:
- производители электрической и тепловой энергии, вырабатываемой с использованием ВИЭ, освобождаются от налога на прибыль в течение пяти лет с момента получения прибыли;
- вся электроэнергия, вырабатываемая с использованием ВИЭ, не потребляемая владельцем установки на собственные нужды и не реализованная другим потребителям на договорной основе, должна быть приобретена самым крупным распределяющим предприятием в том административно-территориальном образовании, в котором
располагается установка по использованию ВИЭ, независимо от того, к сетям какой электроэнергетической компании подключена данная установка по использованию ВИЭ;
- газ и возобновляемое топливо в газообразном состоянии, соответствующие стандартам и требованиям к газопроводным и тепловым сетям, должны быть включены в систему организаций, работающих с газопроводными и тепловыми сетями;
- коэффициенты к максимальному тарифу на электроэнергию для конечного потребителя по каждому виду ВИЭ в течение всего льготного периода устанавливаются в следующих размерах:
для установок, использующих энергию биомассы, коэффициент равен 2,75;
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Поэтому использование биотоплива по реализации произведенной энергии по «зеленому тарифу» является достаточно стимулирующим фактором для производства как электрической энергии, так и теплоты от одного первичного источника энергии на основе когенерационных технологий[2].
Биодизель - метиловый эфир, получаемый в результате процесса этерификации с любого подогретого растительного масла или животных жиров. С этой целью к семи массовым единицам сырья с использованием катализатора добавляют одну массовую единицу метанола. Приобретенный побочный продукт - глицерин применяется для производства моющих средств. При производстве биодизеля используют не всегда достоверные измерения температуры масла. В связи со значительным тепловой аккумулирующей емкостью масла это вносит существенную недостоверность в поддержку процесса этерификации. Регулирующим влиянием в существующих технологиях является изменение расхода масла, которое может нарушить необходимый баланс составляющих процесса для обеспечения постоянного выхода биодизеля. Более того, в поддержку процесса этерификации, в том числе на подогрев масла с использованием электрической энергии, тратят до 20% запланированной мощности производства биодизеля. Круглосуточное же функционирования биодизельных установок позволяет расширить срок функционирования когенерационных систем по дополнительному выработки энергии при гарантированном обеспечении биодизелем[4].
При производстве биодизеля применяют как традиционные, так и новейшие технологии. Так, например, в ультразвуковых реакторах интенсификация тепломассообмена процесса этерификации позволяет уменьшить количественный состав вспомогательных веществ и сократить срок выхода биодизеля, но значительно удорожает производство. Роторно-пульсационные аппараты позволяют локально вводить энергию и дискретно ее распределять по импульсному воздействию на перемешивание составляющих химической реакции. Такой метод снижает энергозатраты на производство биодизеля и сокращает продолжительность процесса, но может вызвать пульсацию потоков рабочих тел, что затрудняет процесс этерификации и работоспособность оборудования [3]. Предложенные системы поддержки функционирования биодизельных установок, в том числе и информационные, не учитывают значительную тепловую аккумулирующую емкость масла и базируются на измерении температуры масла по изменению расхода масла для поддержания процесса этерификации, что может нарушить необходимый баланс потоков по постоянному выхода биодизеля.
Для своевременного принятия решений необходимо, включить в состав биодизельной установки теплообменник для подогрева масла, прогнозировать изменение температуры масла, измеряя температуру биодизеля на выходе из теплообменника, изменение которой происходит раньше, чем изменение температуры масла, и поддерживать температуру биодизеля на входе в теплообменник на основе изменения поверхности теплообмена теплообменника. При затратах до 20% производимой энергии на поддержание процесса этерификации по производству биодизеля необходимо включить в состав биодизельной установки теплообменник подогрева масла биодизелем, что дает возможность не только энергосбережения, но и позволяет устанавливать баланс потоков биодизеля и масла для постоянного выхода биодизеля[4].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Цель работы. Разработать информационную технологию на основе математического моделирования динамики биодизельной установки и теплообменника для подогрева масла биодизелем и по получению эталонной информации для принятия решений на изменение количества пластин теплообменника при сохранении постоянными расходы теплоносителей.
Поставленная цель может быть достигнута при выполнении следующих задач:
- обосновать необходимость прогнозирования изменения температуры масла, измеряя температуру биодизеля на выходе из теплообменника для подогрева масла, для принятия решений на изменение поверхности теплообмена теплообменника;
- разработать структурную схему комплексного математического моделирования динамики биодизельной установки для получения эталонной оценки изменения температуры масла;
- разработать структурную схему логического моделирования по контролю работоспособности биодизельной установки для получения итоговой функциональной оценки изменения температуры масла;
- разработать структурную схему логического моделирования для принятия решений в поддержку функционирования биодизельной установки в составе когенерационной системы;
- разработать структурную схему логического моделирования по идентификации состояния биодизельной установки для подтверждения принятия решений;
- предложить интегрированную систему оценки изменения температуры масла по энергосберегающей технологии функционирования биодизельной установки;
ОБСУЖДЕНИЕ
Предложена архитектура когенерационной системы, имеющей в своем составе основу- интегрированную динамическую подсистему, включающую когенерационная установку, биодизельную установку и теплообменник для подогрева масла биодизелем. В связи со значительным тепловой аккумулирующей емкостью масла получена передаточная функция по каналу: "температура масла - температура биодизеля" по аналитической оценки изменения температуры масла, как во времени, так и вдоль пространственной координаты оси теплообменника.
^ о, в - температура масла, биодизеля, стенки теплообменника, К, соответственно; О - расход вещества, кг./ с; а - коэффициент теплоотдачи, кВт / (м2 • К); h - удельная поверхность, м2 ; С - удельная теплоемкость, кДж / (кг • К); Тм - постоянные времени, характеризующие тепловую аккумулирующую способность масла, металла, соответственно; S - параметр преобразования Лапласа; 5 = ш]; ш - частота, 1 / с; д -удельная масса вещества, кг / м; Тв , т - показатель зависимости коэффициента теплоотдачи от расхода; г - координата длины теплообменника, м.
Индексы: с - внешний поток - биодизель; в - внутренний поток - масло; м -металлическая стенка; 0, 1 - начальные условия, вход в теплообменник, соответственно.
Для этой эталонной оценки изменения температуры масла по принятия решений на изменение количества пластин теплообменника разработана информационная схема, которая представлена для выходных данных биодизельной установки производительностью 24000 л / сутки биодизеля.
В рамках предложенной циклической структуры для подогрева масла с 200С до 450С установлены следующие уровни функционирования биодизельной установки по изменению температуры биодизеля на входе в теплообменник и на выходе из теплообменника: первый уровень: 54°С- 34,160С; второй уровень: 50°С- 300С; третий уровень: 460С- 25,50С, которые соответствуют изменению количества пластин теплообменника: 22, 18, 14. На основе параметров теплообмена и поверхности теплообмена определенны постоянные времени и коэффициенты математической модели динамики температуры масла для установления предельно допустимого изменения температуры масла (табл. 1 , рис. 2).
Таблица 1 - постоянные времени и коэффициенты математической модели динамики температуры масла
Уровни функционирования Тв, с Тм, с 8 8 * Ьз, м. Ьв, М. 1з * Z
Верхний уровень 9,28 6,81 2,35 2,32 86,0 159,96 0,011 1, 13
Средний уровень 8, 13 5,96 2,33 2,30 75,28 140,05 0,013 1,29
Низкий уровень 6, 85 5,03 2,31 2,27 52,38 118,13 0,019 1,41
Выходные данные Q = 24000 л/сутки; G= = 0;245 кг/с; ti= 20°C; b= 45°C; t3= 50°C; U
Определение суммарного теплового потока от биодизеля к маслу, которое нагревается; определение Св = 0 274 кг/с
Установление предельного уровня изменения температуры биоднзеля на входе в теплообменник - 54 0 С ... 46 а С
Уровни функционирования: 54 0 С - 34.16 ° С 50 0 С-30 ° С; 46 0 С-25: 5 0 С
Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи
Поверхность теплообмен}- ^ м2
Постоянные времени коэффициенты математической модели динамики температуры масла
Эталонные динамические характеристики температуры масла
Рисунок 1 - Информационная схема математического моделирования динамики биодизельной установки и теплообменника подогрева масла биодизелем Q -производительность биодизельной установки, л/сутки Gз., Gв. - расход биодизеля, масла, кг/с; 12 - температура масла на входе в теплообменник и на выходе из теплообменника, К, соответственно; tз, 14 - температура биодизеля на входе в теплообменник и на выходе из теплообменника, К
2 9
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Час'
Рисунок 2 - Эталонные динамические характеристики температуры масла:
1, 2, 3 -первый, второй, третий уровни функционирования, соответственно
ВЫВОДЫ
Информационная технология математического моделирования биодизельной установки позволяет принимать решения на изменение количества пластин теплообменника при измерении температуры биодизеля на выходе из теплообменника, что позволяет снизить себестоимость производства биодизеля и срок окупаемости биодизельной установки до 30%.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Osman, S. More efficient production of plant biodiesel [Text] / S. Osman. - Nature Middle East, 2015.
2. Patel, N. K. Biodiesel from Plant Oils [Text] / N. K. Patel, S. N. Shah // Food, Energy, and Water. - 2015. - P. 277-307.
3. Kovacs, A. The effect of biodiesel by - products on germination and plant growth [Text] / A. Kovacs // Applied Ecology and Environmental Research. - 2015. - Vol. 13, Issue 4. - P. 1171-1181.
4. Hawrot-Paw, M. Influence of diesel and biodiesel fuel-contaminated soil on microorganisms, growth and development of plants / M. Hawrot-Paw, A. Wijatkowski, M. Mikiciuk // Plant, Soil and Environment. - 2015. - Vol. 61, Issue 5. - P. 189-194.
5. Lambosi, L. Emission and Performance Characteristic of Biodiesel Burner System [Text] / L. Lambosi, A. Khalid, B. Manshoor // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 773-774. - P. 540-544.
