Модель потребления энергии технологическим комплексом производства кислотоупоров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.311

В.С. Саль ников, О. А. Ерзин, С. С. Курских (Тула, ТулГУ)

МОДЕЛЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ПРОИЗВОДСТВА КИСЛОТОУПОРОВ

Предложено математическое описание состояния технологического комплекса производства кислотоупорных изделий в энергетическом пространстве позволяющее получить оценку его энерюэффективности с помощью предложенных показателей: эффективности рабочих операций; эффективности транспортных операций; эффективности ооганизационной структуры.

Анализ и прогнозирование качества функционирования технологических комплексов производства кирпича (ТКПК) в смысле энергопотребления позволяют принять эффективные и своевременные решения по коррекции структуры и организационно-технологических характеристик, обеспечивающих постоянную конкурентоспособность продукции.

На входе в ТКПК материальный поток представляет собой бесформенную массу глин одной или нескольких разновидностей (от 2 до 5). По ходу технологического процесса глины смешиваются между собой, к ним добавляются отощающие добавки в виде шихты и отходов от различных стадий производства. Смеси характеризуются фракциями, имеющими различные размеры, форму и химический состав. Шита готовится на параллельных ветвях основного технологического процесса. Используется как сухое, так и мокрое смешивание. В результате последнего образуется относительно однородна глиномасса определенного фракционного состава. После прессования она превращается в эсктрудат, затем после резки и до-прессовки - в кирпич-сырец и, наконец, после сушки и обжига - в готовое изделие - кирпич [4, 5].

ТК по производству керамических изделий имеют ранородную структуру транспортной системы и используют технологическое оборудование, работающее как в дискретном, так и в непрерывном режимах. Это

затрудняет формализацию сущности материальных потоков, их элементов, принципов преобразования. За элемент материального потока в такого типа производствах используется, например, 1000 шт. условных единиц изделий (кирпича). Это неудобно, поскольку параметры, определяющие такт выпуска технологического оборудования, работающего в дискретном режиме, могут быть не кратны ему и существенно отличаться друг от друга. Например, на ЗАО «Кислотоупор» (г. Щекино) емкость печной вагонетки, определяющая такт выпуска ТКПК, равна 480 шт. В сушильную камеру изделия подаются на других вагонетках, в которых они размещены специальным образом, их емкость равна 320 шт. В то же время такт устройства резки определяется диной экстру дата, которая составляет 15 единиц. До-прессовочный пресс выдает изделия поштучно. Ленточный вакуумный пресс в первом приближении можно также считать, что работает поштучно. Все транспортные системы приготовления смеси и глиномассы работают с бесформенной массой, их такт работы определяется массовой производительностью. К этому следует добавить, что производительности отдельных агрегатов технологической цепочки существенно отличаются друг от друга.

Для обобщения всех фаз сырца введем в качестве основного понятия элемента материального потока на всех этапах преобразования эквивалент одного изделия (кирпича) - сырец-эквивалент. По ходу технологического процесса изменяются его размеры, объем, вес, площадь наружной поверхности, плотность, содержание влаги и прочность.

Для анализа эффективности энергопотребления будем считать, что вся энергия, вводимая в ТКПК, в конце концов переходит в элементы этих потоков, поскольку с точки зрения затрат стоимость всех энергоносителей напрямую входит в себестоимость конечного изделия.

По аналогии с производственным потенциалом и векторной диаграммой оценки технологических процессов будем использовать векторное представление энергопотребления ТКПК [1, 6, 7 ]. Для этого воспользуемся понятием “энергетическое содержание” элемента материального потока - сырца-эквивалента. Чтобы не потерять индивидуальных отличий материального потока и энергетического потока, воздействующего на предметы на операциях технологиеского процесса, целесообразно “энергетическое содержание” представить в виде вектора в некотором “энергетическом” пространстве [7]. Для определения этого пространства в декартовой системе координат по одной координате будем откладывать энергию, накапливаемую в элементах в результате воздействия на ни производственной среды. Она учитывает наследственные признаки метода и способа обработки, технически средств, задействованных в процессе получения готовой продукции, а также условий производства. По второй координате будем откладывать некоторую “собственную энергию” элемента. Под “собственной энергией” сырца-эквивалента будем понимать

показатель его структурно-параметрического состояния, выраженный в энергетически категориях. Он является некоторым комплексным показателем качества, который учитывает его физико-геометрические характеристики. По третьей координате будем откладывать энергию его пространственного расположения.

Известно, что интенсивность энергетически потоков однозначно связана с производительностью системы, и все операции в смысле изменения энергетического содержания можно разбить на три вида. Операции технологически процессов, связанные с изменением размеров и формы, качества поверхностей и внутренней структуры, определим через изменение внутренней или поверхностной энергии элементов потока. Транспортные операции, изменяющие пространственное расположение, определяются через работу перемещения соответствующих масс. Операции ожидания обработки и хранения в заделах и складах определяются как операции, приводящие к увеличению энергетического содержания элементов за счет поглощения некоторого фонового потока энергии. Этот поток необходим для поддержания заданного уровня работоспособности ТК и не зависит от его загрузки. Поскольку люба из первых двух операций обладает определенной продолжительностью во времени, то их можно рассматривать как действующие совместно с третьей операцией.

Все затраты энергии, связанные с изменением физически и геометрических свойств, пространственного расположения сырца-эквивалента, а также ее диссиацией на каждом этапе преобразовани, можно отнести к технологиеским (Жгр). Они направлены на решение

главной задачи ТКПК - преобразование сырца-эквив лента в готовую продукцию - кипи. Фоновые затраты энерги связаны с созданием требуемых условий производства (тепла, света, вентиляции и т. д.), а также с генерацией дополнительных энергоносителей (пара, воздуха и т.д.) (Жр). Все эти затраты энергии (Ж^) определим как I -ю составляющую вектора

энергетического содержания сырца-эквивалента.

Энергию пространственного положени сырца-эквив лента, то есть к -ю составляющую вектора энергетиеского содержания, представим как идеальную работу по его перемещению в пространстве по ходу технологического процесса. Очевидно, что эта составляюща характеризуется накоплением, т. е.

Жт» = Жт» + А Жт» (1)

т(т+1) тт т(т+1) ’ ^ '

где Жтрт , ЖЧрт +1) - энргия, которую необходимо затратить, чтобы

переместить в идельных услових сырец-эквивлент из некоторой исходной точки в т -ю и в (т +1)-ю точки пространства ТКПК соответственно;

А ЖТр^т +1) - энергия, необходима для его перемещени с т -й рабочей

позиции на (т +1)-ю в идеальных условиях, т. е. это энергия преобрлова-ния для транспортной операции,

А Жтр(т+1) =к(т +1)Рс т^(т+1) , (2)

где рс т, Ус т - плотность и объем сырца-экв ив лента на выходе т -й рабочей позиции; g - ускорение свободного падения; к(т +)- коэффициент

учета затрат энергии на перемещение единичной массы в горизонгльной плоскости от т -й до (т + 1)-й рабочей позиции в идеальных условиях;

1(т+1)- длина маршрута транспортной системы от т -й до (т +1)-й рабочей позиции.

В свою очередь, ]-ю составляющую вектора энергетиеского содержания представим через “собственную энергию” сырца-эквиваленга, являющуюся показателем его структурно-параметрических изменений по ходу технологиеского процесса. Для оценочных расчетов определим ее в виде зависимости, учитывающей изменение объема, плотности, фракционного состава и площади их внешни поверхностей. Вырлим ее через приведенное значение поверхностной энергии фракций, идентичной энергии поверхностного натяжения

= ^ов^юв/(^Ст ,рСт ,п)р, (3)

где п - число фракций, входящи в состав едининого сырца-экв ив лента; алов - удельная поверхностна энергия фракции; РГ10в - условная площадь поверхности фракций.

В этом случае вектор энергетиеского содержания сырца-эквив лента после т -й рабочей позиции может быть выражен следующим обрлом:

Можно предположить, что при правильно организованном технологическом продес “собственна энерги” сырца-эквивалента возрастает при его движении от начальной к конечной операции, а, следовательно, во времени. Это объясняется тем, что целью любой операции является улучшение свойств исходного сырья и постепенного его приближения к требуемым свойствам готового изделия.

Анлогиными свойствами обладают и составляющие Жж и ЖТр ,

поскольку они отражают возрастание затрачиваемой энергии и энергии пространственного положения по ходу технологиеского продес.

Для упрощения математиески выкладок и облегчения обозначения индексированных переменных предположим, что число рабочи позиций равно числу транспортных операций и операций хранения. После каждой рабочей позиции следует транспортная операция, а затем операция

хранения. Отсутствие той или другой эквивалентно наличию нулевых операций, т. е. операции с нулевыми значениями Жж , ЖТр и Жр .

Каждую составляющую можно представить в виде прерывистой функции времен

т=п

Жтр(0 = X АЖтрт ('“'трн,,, )[1(')_1('“V,,, )];

т=0

ш=п

Жр(') = X АЖРт(' -'рн )[1(' ___) ~1(' )];

т =0

т=п

’И

т

’И

т

т

ЖЖ (І ) = £ АЖЖрт ~%т )[1(І —И т ) “1(1 —к,,, )] +

т=0

+ АЖжтр ( “Тнт )[1(і “тРнт ) 1(1 “ТРкт )]

+

+ АЖ

жХ (І-Хн )[1(І —хн ) _1(І _-ХК )],

лтп ппг п пг ^пг

(5)

) -

з атраты

Где &ЖЖр„, (' - 'Рн, )’ АЖЖт>,„ (' - Нт )’ А ЖЖк„, ('' хНт энергии соответственно на т -х операциях рабочей, транспортной и хранения; АЖр (' ~'р ), АЖТр (' -'тр )- изменение собственной энергии

т Н, ±т г Н,

и энергаи пространственного положения на соответствующих т -х опера-

циях; ірн , ірг , І

т

к

т

т нт ’ 1Т К

І

т

X

н

І

т

X

к

т

время начала и окончания

т -х операций соответственно рабочей, транспортной и хранения.

Очевидно, что между временами соответствующих операций существует еле дующая взаимосвязь:

н (т +1) Оп р =

1 ги

Ітр к ; 1 тр н г Г11т

ІХ

к

т

ІХ

кт

нт

ІО

п

І

н (да+1) -І

к

т

(6)

ІОпх =Хк -Хн ’

лт Лда 11т

где ІоПр , Оп , ОПХ - длительности т -х операций соответственно ра-

рт Тр>т Хт

б очей, транспортной и хранения.

Энергия преобраования (АЖр) выступает как единственная полезна работа, совершаема в течение всего технологического процесса. Для операций формо обраования ее целесообрано связать только с изменением площади поверхности, внутренней структуры и плотности. Такие характеристики, как точность рамеров и формы, являются обычно не свойством воздействия, а определяются возможностями конкретной технологии и оборудования его реаизующего. Качество поверхности, безус-

ловно, связано с площадью, образуемой в процессе обработки поверхности, однако на него оказывают влияние и условия реализации конкретной технологии.

Скорость изменения энергии преобразования характеризует интенсивность соответствующих операций, а, следовательно, их эффективность. Очевидно, что для транспортных операций АЖТрда (' _'Тря )является линейной функцией от времен коэффициент пропорциональности определяется производительностью линии. Для рабочих операций АЖр (' ~'рН )имеет более сложную зависимость, например для опера-

т Нт

ций смешивания, дробления, сушки и обжига, вероятно, это экспоненциальные зависимости, которые отражают постепенно замедляющееся улучшение характеристик сырца-эквивалента по мере увеличения длительности обработки. Для операций прессования можно также предположить линейную зависимость от времен.

Затраты энергии на соответствующих операциях определяются через КПД и коэффициент использования технологического оборудования и транспортных систем [8, 9]. Затраты энергии на хранение определяются через фоновый поток энергии, действующий на соответствующее подразделение ТКПК [7].

Годограф вектора энергетического содержания в таком представлении является оперативным инструментом оцени эффективности функционирования ТК. Он обладает высоким уровнем нформативности, хорошей наглядностью и комплексным характером представленя возможных нарушенй режима энергопотребления. Он отражает днамику энергопотребления по мере продвижени элементов материальных потоков по ходу технологиеского процесса.

В качестве частных криериев в этом случае могут выступать производные:

8Жж дЖР

Кжр = - показатель эффективности рабочи операций;

раций;

г дЖж 11

Кж =-------- показатель эффектиности транспортных опе-

дЖт

Ктр =-— - показатель эффективности органзационой

дЖр

структуры ТК, отражает соотношение транспортных и рабочих операций.

К этому следует добавить, что нтлии скачков в фунци Жж (')

может быть обусловлено наичием операций храненя. Велиина скачков определяется интенсивностью соответствую щи фоновых потоков и емкостью наконтелей.

где Рхт - приведенное к заданной производственной площади значение

интенсивности фонового потока энергии; АУнт - полезный объем накопителя; QrTтт - массовая производительность транспортной системы, подающей материал в накопитель.

Приведенный подход позволяет сделать вывод: технологическому процессу, отвечающему требованию эффективного энергопотребления, соответствует годограф, имеющий минимальные значения показателей К^Е , К-ф , КтЕ и скачков затрат энергии.

Сле дет заметить, что для сравнительного анализа технологических маршрутов все траектории могут начинаться в начале системы координат, т. е. предполагаются нулевые исходные данные. Это нисколько не нарушает общности рассуждений, поскольку вектор энергетического содержания будет характеризовать изменение его приращения по мере движения сырья в ТКПК по ходу технологического процесса.

Представляет интерес оценка чувствительности годографа вектора энергетического содержания сырца-эквиваента и предлагаемых критериев к изменению эффективности энергопотребления ТКПК при изменении параметров технологического процесса, (рисунок).

тр

Оценка чувствительности годографа вектора энергетического содержания сырца-эквивалента

Для целей анализа условно взяты одна т -я технологическа операция с энергоемкостью АЖф-р , одна транспорта - с и одна опе-

г

т

тт

рация хранения - с АЖЖх . Подраделение ТКПК, где они выполняются,

хт

характеризуется постоянством приведенного значения энергии фонового потока.

Пусть, например, в исходном технологическом процессе уменьшена установлена мощность дробилки грубого помола. Тогда энергоемкость этой технологической операции также станет меньше:

АЖж < АЖж . Если никаких изменений в системе больше не произво-

Рт} Рт

дилось, то есть остаись неизменными АЖW и АЖЖ , то в результате

тр т хт

такого подхода все покаатели системы с энергетической точки зрения улучшатся.

Конечный участок годографа вектора энергетического содержания опустится вниз на величину

АЖж = АЖжр - АЖж Р , (8)

Рт Рт\

т. е. обща энергоемкость обработки уменьшится.

Поскольку по условию модернизация затрагивает только одну операцию, то говорить о возможности изменения энергии пространственного положения невозможно. Сырец должен попасть на следующую операцию в то же место. Однако, если к задаче модернизации подходить комплексно, то она может затронуть и средства транспортирования сырца-эквивалента. В частности, в результате применения более современных транспортных систем или уменьшения дины траекторий перемещения может быть снижена энергоемкость этих операций [2, 3]. Кроме этого, она может затронуть и средства обеспечения условий функционирования ТКПК, например, рациональное использование выбросов тепла, в случае, откаа коте льни как генератора вторичных энергоресурсов [3, 9]. Только в этом случае можно ожидать существенного улучшения покаателей системы с энергетической точки зрения. Конечный участок годографа вектора энергетического содержания опустится вниз на величину

Д% =АЖЖ -АЖЖ + Шж_ -А%т + АЖЖХ ~АЖЖх >(9)

гт Гт1 ч?т тРт^ лт лт\

т. е. обща энергоемкость обработки уменьшиться.

Анаогичные рассуждения можно привести и при замене нескольких операций. Единственное отличие, которое возникает в этом случае, связано с возможностью уменьшения энергии пространственного положения за счет сокращения протяженности маршрутов перемещения сырца между рабочими позициями.

Предложенный подход к моделированию ТКПК дает возможность оценить ее управляемость по энергозатратам и провести наглядный и опе-

ративный анализ эффективности использования ресурсов на всех иерархически уровня, т. е. произвести его оперативное диагностирование.

На основании проведенных исследований можно выделить следующие параметры ТКПК, оказывающие доминирующее влияние на энергопотребление :

- режимы обработки, энергия обраованя новой поверхности фракции (аГ10в), коэффициент, характеризующий долю энергии воздействия, идущую на преобразование сырца;

- согласованность производительности всех элементов ТКПК;

- КПД исполнительных органов ТКПК в функци режима работы;

- соотношение перерабатываемых объемов сырья и габаритных рамеров рабочей зоны ТКПК, доля вспомогательного времени в общем времени обработки;

- отклонение загрузки ТКПК отноминаьных значений.

Проведенные исследования позволяют наметить целый комплекс

реаьных средств повышения эффективности энергопотребления ТКПК:

- оптимизация параметров режима обработки, влияние на характеристики обрабатываемого материаа, например, путем введения дополнительных потоков энергии в зону воздействия (вибрации);

- оптимизация, с точки зрения затрат энергии, интенсивности матер ильных потоков и конфиурации транспортных систем;

- повышение КПД и оптимизация потоков энергии на исполнительные органы ТКПК, модульное построение маши;

- минмизация вспомогательного времени, например, путем, пространств ено-временного наожения рабочих и вспомогательных циклов;

- функциональна декомпозиция ТКПК и структурна адаптация и к загрузке.

Все предлагаемые средства можно рабить на три фунциональные группы, обусловленные рановидностью используемых методов решеня поставленных задач: конструкторских, агоритмических и технологие-ских. Первые предполагают привлечене болыли капитшьных вложени и могут быть рекоменованы при существеных и достаточно длительных изменених в условиях функционировани ТКПК. Алгоритмиеские средства обладают значительно большим динамизмом, требуют меньших средств для реаизаци и подвергают измененю наиболее гибкую часть ТКПК - программню и иформационую среду, приципы управленя и т.д. Технологиеские средства позволяют наиболее гибко и оперативно реагировать на изменение условий функционрованя. Однако и применение часто не позволяет добиться необходимых результатов в обеспече-ни эффективного энергопотребления. Интересно отметить, что одн и те же параметры ТКПК могут быть изменены с помощью раличных методов. Применене любого из ни определяется требуемым минмаьно необхо-

димым изменением ТКПК, адекатным изменению условий функционировани и обеспечтающим экономичное энергопотребление.

Таким образом, предложенное описание состояния сырца-эквиалента ТКПК в энергетическом пространстве является не только оперативным инструментом оценки эффективности его функционирования, но и средством формализации адекватных управляющих воздействий. Оно отлиается высоки уровнем информативности, хорошей наглядностью и комплексным характером представления возможных нарушений режима энергопотребления, позволяет проанализировать динамиу энергопотреб-леня по мере продвижения cырцa-эливaлeнтa по ходу технологиеского процесса.

Библиографический список

1. Автоматизация дискретного производства / под общ. ред. проф. Е. И. Семенова и проф. Л. И. Волчкевича. - М.: Машиностроение, София: Техниа, 1987. - 520 с.

2. Механическое оборудование керамических заводов / И.В. Бахталовский [и др.]. - М.: Наука, 1982. - 247 с.

3. Гуревич М.И. Пути повышения эффективности производства кирпича / М.И.Гуревич - Л.: Высш. шк., 1972. - 93 с.

4. КошлякЛ.Л. Производство строительной керамии/

Л.Л. КошлякВ.В. Калиновский. - М.: Машиностроене, 1983. - 278 с.

5. Мороз И.И. Технологи строительной керамии / И.И. Мороз -Киев, 1980. - 382 с.

6. Основы автоматизации управлени производством / под ред. чл.-корр. АН СССР И. М. Макрова. - М.: Высш. шк., 1983. - 504 с.

7. Сальниов В.С. Технологические основы эффективного энерго-потребленя производственых систем / В.С. Сальнков. - Тула: Изд-во “Тульский полиграфист”, 2003. - 187 с.

8. Федор в А. А. Эле кросна бже не промышленных предприятий / А. А. Федоров, Э. М. Ристхейн. - М.: Энерги, 1981. -360 с.

9. Энергосберегающа технология производства стеновой керамик / Д.И. Швайк [и др.]. - Киев: Высш. шк., 1987. - 385 с.

10. Энергосберегающа технология. Электроснабжение народного хозяйства в 5 кн. / под редакцией В. А. Венкова. - М.: Высш. шк., 1990.

Получено 24. 10.08.