CC BY
86
УДК: 630*32
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СУХОЙ топливной ЩЕПЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТИ ПРОИЗВОДИМОГО БИОГЕННОГО ТОПЛИВА
UDC: 630*32
MODELLING OF THE ENERGY SUPPLY SYSTEM OF MOBILE TECHNOLOGICAL LINES FOR THE PRODUCTION OF DRY FUEL WOOD CHIPS WITH THE PARTIAL USAGE OF THE PRODUCIBLE BIOGENIC FUEL
Анисимов Павел Николаевич аспирант
Онучин Евгений Михайлович к.т.н., доцент
Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия
Anisimov Pavel Nikolaevich postgraduate student
Onychin Evgeny Mihailovich Cand.Tech.Sci., assistant professor
Volga State University of Technology, Ioshkar-Ola, Russia
Представлена схема энергетического баланса системы автономного энергообеспечения мобильной технологической линии по производству сухой топливной щепы на базе силовой установки с двигателем Стирлинга, использующей часть производимого биогенного топлива; разработана математическая модель функционирования системы энергообеспечения данной мобильной технологической линии
The scheme of the energetic balance of the autonomous energy supply system of mobile technological lines that produces dry fire wood chips on the basis of the engine installation with the Stirling engine, using a part producible biogenic fuel, is produced; the mathematical model of the functioning of the present energy supply system of mobile technological line is elaborated
Ключевые слова: СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, МОБИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ, ТОПЛИВНАЯ ЩЕПА, ЛЕСНЫЕ МАШИНЫ
Keywords: AUTONOMOUS ENERGY SUPPLY SYSTEM, MATHEMATICAL MODEL, MOBILE TECHNOLOGICAL LINES, FIRE WOOD CHIPS, FOREST EQUIPMENT
Введение
Целью данного исследования является определение параметров функционирования технической системы автономного энергообеспечения мобильной технологической линии по производству сухой топливной щепы на базе силовой установки с двигателем Стирлинга, использующей часть
производимого биогенного топлива. Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи: определение схемы энергетического баланса системы энергообеспечения мобильной технологической линии, разработка математической модели функционирования системы энергообеспечения мобильной технологической линии.
Состояние исследований и актуальность работы
В настоящее время в лесном комплексе используется энергетическое и силовое оборудование, работающее на традиционных ископаемых видах углеводородного топлива (дизельное топливо, бензин, природный газ). Это относится, в том числе и к машинно-технологическому оборудованию по производству древесного биотоплива, в то время как, целесообразно было бы использовать часть производимого топлива на собственные нужды. Следует отметить, что количество необходимой энергии для получения биотоплива не превышает 3% от его теплотворной способности. Для сравнения, уголь и газ требуют до 6 % [1]. Особенно острым является вопрос энергообеспечения на основе древесного топлива для территориально удаленных лесных комплексов. Поэтому актуальность проблем разработки мобильных технологических линий с автономным энергообеспечением на базе биогенного топлива не вызывает сомнений.
Широко известны и используются в настоящее время зарубежные и отечественные мобильные технологические линии по заготовке топливной древесины в виде сырой щепы на лесосеке, энергетическим модулем которых является бензиновый или дизельный двигатели внутреннего сгорания, работающие на традиционном бензиновом или дизельном топливе. Имеются отечественные разработки по переводу дизельных двигателей на генераторный газ, такие установки сложны и материалоемки, так как требуют тонкой очистки
топливного газа. Таким образом, автономное энергоснабжение мобильных технологических линий по производству топливной щепы на основе двигателей внешнего сгорания имеет следующие преимущества: экологичность,
использование биогенного топлива, возможность осуществления каталитического сгорания биогенного топлива, возможность использования бросовой теплоты горячих дымовых газов для подсушки щепы [2].
Моделирование функционирования системы энергообеспечения мобильной технологической линии по производству сухой топливной щепы
Одними из производственных объектов лесного комплекса являются стационарные и мобильные производственные линии, в том числе адаптивно-модульного типа [3, 4], которые включают в себя весьма теплоемкий технологический процесс - сушку древесины. Сушка является необходимым процессом для получения практически любого вида качественной продукции из древесины, будь то пиломатериалы или топливная щепа. Далее рассматривается моделирование системы автономного энергообеспечения мобильных технологических линий по производству сухой топливной щепы с использованием части производимого биогенного топлива.
Структура энергетического баланса системы автономного энергообеспечения мобильной технологической линии от когенерационной установки на основе двигателя Стирлинга определяется структурой теплового баланса двигателей Стирлинга (см. рисунок 1). Приводимые процентные соотношения являются усредненными и справедливы для установок с используемыми в настоящее время двигателями Стирлинга мощностью от 1 до 120 кВт.
Если принять за 100 % подведенное к двигателю Стирлинга количество теплоты, то безвозвратные потери теплоты в подогревателе — 3 %,
механические потери — 5 %, потери с отработавшими газами — 14 %, потери с охлаждающей водой — 46 % и примерно 32 % подведенной теплоты превращается в полезную работу двигателя [5].
Структура энергетического баланса рассматриваемой системы приведена на рисунке 2.
Приходная часть энергобаланса:
- Тепловой эквивалент биогенного топлива (части производимой сухой топливной щепы), подаваемого в газогенератор для последующей газификации. Принимаем это количество энергии в системе за единицу (100 %), далее потребление различными агрегатами и устройствами, а также потери количественно будем оценивать в процентном соотношении от этой величины.
Расходная часть энергобаланса:
- Энергия, переданная на вал рубительной машины, максимальная мощность - 21,248 %;
- Мощность на валу насоса гидростанции - 1,28 %;
- Привод шасси - максимальная мощность, при отсутствии нагрузки на рубительной машине и отключенном насосе гидростанции - 22,528 %;
100%
Рисунок 1 — Тепловой баланс двигателя Стирлинга
тепловой эквивалент топлива потребляемого газогенератором
20% подводимой энергии используется в газогенераторе на поддержание реакции и компенсацию теплопотерь
тепловой эквивалент вырабатываемого газогенератором топлива
электрогенератор
вырабатываемой
мощностью
1,53696-
(КПД 60% )
Тепловые потери в окружающую среду с удаляемой в атмосферу паро-газо-воздушной смесью
газово здуш ная смесь
36,8 %-теплов, энергия отводимая охлаждающей водой
8%-тепловые потери в окружающую среду
Рисунок 2 — Схема энергетического баланса системы автономного энергообеспечения мобильной технологической линии по производству сухой топливной щепы на базе когенерационной установки с двигателем Стирлинга, использующей часть производимого биогенного топлива.
Потребление энергии электрогенератором (мощность на валу) максимально
- 2,56 %. Расход электроэнергии технологической линией определяется следующими потребителями: пильная шина захватно- рубительной машины, привод вентилятора системы охлаждения холодильника двигателя Стирлинга, дутьевой вентилятор газогенератора, электроника и автоматика, осветительное и прочее электрооборудование установки.
- Теплота отработавших газов и охлаждающей воды, отводимая от двигателя Стирлинга - 48 %.
Коэффициенты:
КПД электрогенератора - 60%;
КПД механических передач - 97%;
Коэффициент тепловые потерь в теплообменниках, воздуховодах и газоходах- 0,1.
Описание математической модели
Расход тепла потребного для конвективной сушки щепы:
О^суш Qнагр Qucnap 0* пот (1)
где Иагр - тепло затрачиваемое на нагрев материала, испар - тепло затрачиваемое
на испарение влаги, ~пот - потери тепла в окружающую среду через наружные стенки сушилки, 1,1- коэффициент характеризующий неучтенные потери.
(2)
где - производительность рубительной машины, кг/с, = кДж/(кг-К) -теплоемкость щепы при средней температуре и конечной влажности, температура щепы на выходе из сушилки, - температура щепы на входе в http://ej.kubagro.ru/2013/05/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №89(05), 2013 года сушилку, °С.
биспар =ЯГ(го+ Св (^2 - ), ^
где ^ - количество испаряемой воды, кг/с, г° = 2439 кДж/кг - теплота испарения
воды при 0 °С, °в = 1,97 кДж/(кг-К) - теплоемкость водяного пара.
Количество испаряемой воды ^ находится как разность массовой производительности рубительной установки по сырой щепе и массовой производительности сушилки по сухой щепе:
руб суш 5
(4)
где ру6, кг/с, - массовая производительности рубительной установки по
сырой щепе, находится по формуле 5 [6]; ^ , кг/с, - требуемая массовая
производительность сушилки по сухой щепе, находится по формуле 6
г-п-І -к, • рл
щ 1 2 г о
60 (5)
где ъ - число режущих ножей; п - частота вращения барабана, об/мин; 1щ -длина щепы, м; Б - среднее поперечное сечений перерабатываемого сырья, м2; к1
- коэффициент использования машинного времени (для малоножевых машин -
0,5-0,8); к2 - коэффициент использования рабочего времени (0,7-0,8);
плотность древесины, кг/м3.
Требуемая массовая производительности сушилки по сухой щепе
определяется производительностью рубительной установки и зависит от начальной и конечной влажности щепы и вычисляется по формуле 6:
О.
Q _ ____________РУ^_
суш
1 гу и гу к
1 + —---------------
100 (6)
Потери теплоты ~пот через наружные стенки сушилки определяются по формуле (7) [7]:
О'Пот.
с.а.ср. ^окр^^ст
Кт (7)
г де саср- - средняя температура сушильного агента внутри сушилки, окр -
А Я
температура окружающей среды, ст = - площадь наружных стенок сушилки, ст
- термическое сопротивление наружных стенок сушилки.
Термическое сопротивление наружных стенок сушилки формуле (8) [7]:
определяется по
=
ст\ і ст 2
а
вн.ст
А і Ал ос
ст 1 ст2 нар.ст j
(8)
где и а"а,,ст - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной
поверхностей стенок сушилки, Вт/(м2-°С), и - толщина слоев наружных
стенок сушилки и слоя теплоизоляционной краски соответственно, и коэффициенты теплопроводности слоев наружных стенок и слоя теплоизоляционной краски соответственно.
а.
Коэффициент теплоотдачи ~'ш,р-ст наружной поверхности стенок сушилки зависит от условий конвективного теплообмена и теплового излучения и определяется по формуле (9) [7]:
(9)
а нар.ст ~аК
где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, а" - коэффициент теплоотдачи излучением.
Значение аопределяется по формуле Франка [8] (10):
а д. = 7,74у0’656 + 3,78* е~1’91у (10)
где у - скорость ветра, е = 2,718 ' основание натурального логарифма.
Значение аЁ определяется по формуле (11) [7]:
(П)
^ [ (нар.ст + 273 4 г^+2731
1 1 ] нар.ст окр 100 100
г*
где 1 = - коэффициент излучения окрашенной поверхности наружной стенки,
t ~ I
нар.ст _ температура наружной поверхности стенки сушилки; окр — температура наружного воздуха.
Количество вторичной тепловой энергии от двигателя Стирлинга, которую можно использовать для конвективной сушки щепы зависит от мощности на валу двигателя. Мощность на валу двигателя Стирлинга в каждый момент, находится как сумма присоединенных механических нагрузок по формуле (12):
(12)
где Кэг. - мощность электрогенератора, Ынае - мощность насоса гидростанции, ЫруГу - мощность на валу рубительной установки, Ынае -
мощность на привод самоходного шасси, г|эг - КПД электрогенератора, г|мех -КПД механической передачи.
Мощность на валу электрогенератора принимаем условно постоянной, так как изменения электрической нагрузки в процессе работы технологической линии незначительные и сглаживаются с помощью аккумулятора. Мощность на валу насоса гидростанции также принимаем условно постоянной, поскольку в процессе работы в системе поддерживается давление, необходимое для гидравлического привода поворотного механизма, гидроманипулятора с захватным устройством и прижимных подающих валков загрузочного окна рубительной установки. Привод шасси осуществляется периодически при отключении привода рубительной установки, мощность привода равна среднему из диапазона рабочей мощности рубительной установки.
Таким образом, изменение мощности на валу двигателя Стирлинга определяется изменением нагрузки рубительной установки. Мощность на валу барабана (или диска) рубительной установки требуемая для измельчения древесины определенных параметров находится по формуле (13) [6]:
Nруб = Руд ■ ё2 ■ г ■ со / 4 • 2 • сое а1 ■ сое а 2, ^ ^
где Руд - удельная сила резания, (1 - диаметр полена, ъ - число ножей барабана рубительной установки, со - угловая скорость вращения барабана, а! и (*2 - углы соприкосновения полена с режущей кромкой ножа.
Удельная сила резания находится по формуле (14) [6]:
(14)
где РуД(аь а2) - удельная касательная сила резания, зависящая от угла встречи (с^) и угла наклона (а2), ар - коэффициент, учитывающий затупление режущих ножей (при острых ножах ар = 1, при затупленных ар = 1,25), а„ -
коэффициент учитывающий влажность измельчаемой древесины (для влажности 25-30 % аш= 1,1; для влажности 50-57 % а„ = 1,0), ач - коэффициент, вводимый при переработке мороженой древесины (ач = 1,4), а8 - коэффициент, учитывающий породу древесины (для сосны а8 = 1).
Количество вторичной тепловой энергии от двигателя Стирлинга вычисляется как сумма тепловой энергии системы охлаждения двигателя и тепловой энергии уходящих дымовых газов. Объем располагаемой тепловой энергии на сушку определяется спецификой теплового баланса двигателя Стирлинга (рис. 1).
Таким образом, мощность вторичных тепловыделений двигателя Стирлинга составляют 48% от теплового эквивалента топлива, подводимого к системе энергообеспечения или 187,5% от мощности на валу стирлинга. Количество располагаемой тепловой энергии, которую можно направить от стирлинга вместе с сушильным агентом в сушилку производимой щепы находится по формуле
(15):
О-расп ^ стирл ^С ^пот"> (15)
где ]^стиРл - мощность на валу двигателя Стирлинга в каждый момент
времени, определяемая по формуле (12); кс - коэффициент определяющий объем тепловых выбросов от двигателя Стирлинга, зависит от конструкции и
эффективности двигателя (принимается для данной модели к(' = 1,875), ^пот -
коэффициент, учитывающий потери в теплообменниках, газоходах и
воздуховодах (принимается для данной модели =0,1).
Используемые константы:
= 2439 кДж/кг - теплота испарения воды при 0 °С,
= 1,97 кДж/(кг-К) - теплоемкость водяного пара,
ст\ = 57 Вт/м°С - коэффициент теплопроводности металлической стенки
корпуса сушилки-контейнера,
X
см2 = 0,0012 Вт/м°С - коэффициент теплопроводности слоя
теплоизоляционного покрытия.
Выводы
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет оценить влияние на количество тепла потребного для конвективной сушки щепы таких параметров, как начальная и конечная влажность щепы, а также внешних факторов системы, таких как температура окружающего воздуха, скорость ветра; позволяет определять количество располагаемой вторичной тепловой энергии от двигателя Стирлинга, которую можно направить на сушку щепы в зависимости от задаваемых параметров, объем тепловых потерь в зависимости от конструктивных параметров сушилки.
Задаваемые параметры:
Температура окружающей среды, скорость ветра, начальная влажность сырой щепы, температура сушильного агента, геометрические размеры производимой щепы, толщина (диаметр) измельчаемой древесины.
Определяемые параметры установки:
Располагаемая мощность системы теплоснабжения сушилки, производительность мобильной технологической линии, количество тепла потребляемого сушилкой, количество не используемых тепловых потерь.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 16.552.11.7089 от 12 июля 2012 г.) с использованием оборудования ЦКП «ЭБЭЭ» ФГБОУ ВПО «ПГТУ».
Библиографический список
1. Интернет - журнал «Лесопромышленник» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.url: http://www.lesopromyshlennik.ru/bioenergia/bio_4.html. -01.11.2012.
2. Анисимов П.Н Онучин Е. М. Способы повышения эффективности производства топливной щепы в условиях лесосеки с помощью мобильных технологических линий с автономным энергообеспечением на базе древесного топлива [Электронный ресурс] / П. Н. Анисимов, Е. М. Онучин // Научный журнал «Аспект». - 2013. - Режим доступа: www.url : http://asconf.com/index.php?lang=rus. - 01.05.2013.
3. Онучин, Е. М. Адаптивно-модульные технические средства для лесного комплекса [Текст] / Е. М. Онучин, В. А. Грязин // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование [Текст]. - 2011. - № 3. - С. 45-49.
4. Сидыганов, Ю. Н. Модульные машины для рубок ухода и лесовосстановления: монография [Текст] /Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д. М. Ласточкин, - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2008. - 336 с.
5. Уокер, Г. Двигатели Стирлинга [Текст] : пер. с англ. Б В. Сутугина и Н В.Сутугина. — М.: Машиностроение, 1985.—408 с.: ил.
6. Шелгунов, Ю.В. Машины и оборудование лесозаготовок, лесосплава и лесного хозяйства [Текст] : учеб для вузов. - М.: Лесн. пром-сть, 1982. - 520 с.
7. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент [Текст] / под. общей ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.: ил.
8. Леденев, В. И., Матвеева И. В. Физико-технические основы эксплуатации наружных кирпичных стен гражданских зданий [Текст] / В.И. Леденев, И.В. Матвеева —Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2005 —160 с.
References
1. Internet - zhurnal «Lesopromyshlennik» [Jelektronnyj resurs], - Rezhim dostupa: www.url : http://www.lesopromyshlennik.ru/bioenergia/bio_4.html. - 01.11.2012.
2. Anisimov P.N. Onuchin E. M. Sposoby povyshenija jeffektivnosti proizvodstva toplivnoj
shhepy v uslovijah lesoseki s pomoshh'ju mobil'nyh tehnologicheskih linij s avtonomnym jenergoobespecheniem na baze drevesnogo topliva [Jelektronnyj resurs] / P. N. Anisimov, E. M. Onuchin // Nauchnyj zhurnal «Aspekt». - 2013. - Rezhim dostupa: www.url
http://asconf.com/index.php?lang=rus. - 01.05.2013.
3. Onuchin, E. M. Adaptivno-modul'nye tehnicheskie sredstva dlja lesnogo kompleksa [Tekst] / E. M. Onuchin, V. A. Grjazin // Vestnik Marijskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija: Les. Jekologija. Prirodopol'zovanie [Tekst], - 2011. -№ 3. - S. 45-49.
4. Sidyganov, Ju. N. Modul'nye mashiny dlja rubok uhoda i lesovosstanovlenija: monografija [Tekst] / Ju. N. Sidyganov, E. M. Onuchin, D. M. Lastochkin. - Joshkar-Ola: Marijskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, 2008. - 336 s.
5. Uoker, G. Dvigateli Stirlinga [Tekst] : per. s angl. В V. Sutugina i N V.Sutugina. — М.: Mashinostroenie, 1985.—408 s.: il.
6. Shelgunov, Ju.V. Mashiny i oborudovanie lesozagotovok, lesosplava i lesnogo hozjajstva [Tekst] : ucheb dlja vuzov. - М.: Lesn. prom-st', 1982. - 520 s.
7. Teoreticheskie osnovy teplotehniki. Teplotehnicheskij jeksperiment [Tekst] / pod. obshhej red. V. A. Grigor'eva, V. M. Zorina. - M. : Jenergoatomizdat, 1988. - 560 s.: il.
8. Ledenev, V. I., Matveeva I. V. Fiziko-tehnicheskie osnovy jekspluatacii naruzhnyh kirpichnyh sten grazhdanskih zdanij [Tekst] / V.I. Ledenev, I.V. Matveeva —Tambov: Izd-vo TGTU, 2005 —160 s.
