Об экономической оценке экологичности технологического процесса и оборудования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 504+664

ОБ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ

12 і М.И. Дмитриченко , Г.В.Алексеев , Е.Ю. Осюхина

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7.

Предложен вариант экономической оценки экологичности технических средств, позволяющих осуществлять более глубокую переработку сырья. Одновременно учитывается вовлечение в основной производственный процесс сырья полученного за счет ресурсосбережения.

Ключевые слова: Экономическая оценка, экологичность, оборудование, производство, жиросодержащие продукты.

Современный период развития отечественной экономики связан с возрастающей ролью предприятий сервиса в жизни нашего общества. Не являются исключением из этой закономерности предприятия торговли и ресторанного бизнеса, многие из которых осуществляют полный цикл переработки от пищевого сырья до готового продукта.

Экономические реалии заставляю такие предприятия решать две взаимосвязанные задачи: более полно перерабатывать используемой сырье и заботиться об уменьшении перерабытывающими производствами экологической нагрузки на окружающую среду.

Пусть, например, некоторое предприятие, имеющее собственное производство, связанное с переработкой жиросодержащей продукции (кондитерское, мясо- или рыбоперерабатывающее и т.д.) озабочено снижением выброса технологических или промывных жиросодержащих стоков воды. Удаляя поверхностный слой жира, собирающийся на поверхности в отстойнике, например с помощью устройства изображенного на рис.1, оно пускает собранную фракцию в основное или вспомогательное производство [1].

Устройство состоит из ванны с разделяемыми жидкостями 1, отжимных валков 2 и транспортирующих валков 3, установленных на входе размещенной на них упругой пористой ленты 4 в ванну, отжимные валки размещены вне ванны, причем один из них выполнен полым и перфорированным, а внутри него диаметрально противоположно зоне контак-

та с упругой пористои лентой и вторым отжимным валком размещен желоб 5 для отвода жировой фракции, причем транспортирующие валки соединены между собой пружиной 6 и установлены на входе в ванну так, что один из них касается своей поверхностью зеркала ванны, а второй размещен в ней и межосевая линия транспортирующих валков составляет угол а с межосевой линией отжимных валков при этом

1---------------------р cos а =----------------у-—^, где R - ради-

l + h

l

v R

к

E у

ус транспортирующего валка; И - толщина упругой пористой ленты; к - коэффициент упругости пружины; Е - модуль упругости пористого материала.

Работает устройство следующим образом. Пористая упругая лента 4 поступает в зону размещения транспортирующих валков 3, где под действием пружины 6 деформируется. При ее сжатии из отдельных пор легко удаляется находящийся там воздух, поскольку поверхности ленты не испытывают на себе никакого дополнительного воздействия. Перемещаясь в ванну 1 с разделяемыми жидкостями, лента за счет упругих свойств начинает восстанавливать свою геометрическую форму, вбирая в себя жировую фракцию. Имея строго заданную толщину, лента воздействует только на определенный удаляемый слой жидкости, не перемешивая его с другими. Приходя по мере перемещения в соприкосновение с подпружиненными отжимными

валками 2, пористая лента снова деформируется, освобождая поры от собранной с поверхности ванны жировой фракции.

Рисунок 1 - Технологическое оборудование для удаления жиросодержащей пленки

Собранная жировая фракция через перфорацию одного из отжимных валков поступает в размещенный в нем желоб 5 и удаляется для дальнейшей переработки. В дальнейшем описанный цикл деформирования упругой ленты с поглощением удаляемой фракции повторяется.

Аналитическую модель описанного оборудования можно представить следующим образом.

Пусть непрерывная лента упругого пористого материала, проходя между двумя валками, установленными по урезу разделяемой эмульсии, сжимается, а после входа в верхний более легкий слой восстанавливает первоначальную структуру с заполнением пор наиболее легкой фракцией расслоившейся эмульсии (рис.2).

Определим основные параметры процесса, влияющего на время ^ необходимое для полной «пропитки» такой ленты толщиной к

Для записи уравнения Навье-Стокса и соответствующих начальных и граничных условий воспользуемся следующими соображениями.

Предположим, что диаметр одного из сжимающих валков значительно

больше диаметра другого валка, то есть d<<D. Будем также считать, что отдельные поры имеют цилиндрическую форму, с диаметром существенно меньшим длины цилиндра, расположены по нормали к поверхности ленты и изолированы одна от другой, в процессе «сухого» деформирования из пор удаляется весь воздух, а восстановление их первоначальной формы осуществляется без притока его извне (рис.3). Пусть также над зеркалом жидкости постоянное атмосферное давление Ро, а слой легкой фракции по толщине соизмерим с к

Для указанных ограничений течение жидкости вдоль продольной оси отдельной поры можно считать одномерным, массовые силы отсутствующими, а движущей силой такого течения - атмосферное давление.

Уравнение Навье-Стокса и начальные условия интегрирования в этом случае будут выглядеть достаточно просто

Граничные условия запишем, пренебрегая изменением длины пор при формообразовании, считая ее равной толщине деформируемой ленты, и выбирая начало координат на оси большого валка на расстоянии h от малого валка. В этом случае на правом торце пор имеем

а граничные условия на левом торце определятся из уравнения Бернулли, записанного для истечения жидкости через насадок под действием постоянного давления Р0

п(И,г)= А, где А = ф^2g(h+Po/p) (3)

Интегрирование произведем используя известную температурновременную аналогию записанной задачи для распространения теплоты в конечном тонком стержне, заменяя температуру Т на скорость и.

В общем случае для граничных и начальных условий, изображенных на рис.2, постановку такой задачи можно записать следующим образом.

Рисунок 2 - Принципиальная схема деформирования упругого пористого материала: 1 - малый валок; 2 - большой валок; 3 - упругая пористая лента

В капилляре конечной длины (с гидроизолированной боковой поверхностью) правый конец гидроизолирован:

ди

= 0, левый поддерживается при

х=0

дx

постоянной скорости: и\ = щ , а началь-

ная скорость постоянна по капилляру: и| = и0. Предварительно определим у

и Уі из уравнений определяющих требование однородности, которые состоят в выполнении равенств

Рисунок 3 - Принципиальная схема формоизменения пор: 1 - зона «сухого» де-

формирования; 2 - зона упругого восстановления формы материала.

*71 = ^ и0 ,

ЬУ + № + к)У1 = ^ .

Так как здесь \ = 0, ^ = ^ , то эти

уравнения принимают вид у = 0, у = щ и

мы имеем и = ж + щ , (х) = и0 - щ .

Для дальнейших преобразований введем новую искомую функцию ж = ж(х, 7), связанную с и формулой [2]

и(х, 7) = ж(х, 7) + у + ух, где у и у - некоторые постоянные коэффициенты, которые мы будем подбирать так, чтобы для функции ж получились однородные

ди дж

краевые условия. Так как — =----------ь у, то

дх дх

условия:

, ди к —

дх

- к

x=0

Du

Dx

= h \u\ - u Г ;

0 I x=0 0 I ’

перепишутся в виде:

к

Dw

Dx

= ho wL=0 + ho у- ^- ho uo;

Dw

- к Ik = hl wx=l + hlу + (lhl + к)уі - hl ul.

x=l

Далее

w(x, t) = Zane

4l2

n=0

по формуле

22

(2n + 1)^x 2l ’

cos

причем начальное условие, в этом случае, записывается так:

4 =0 =Zan cos

n=0

(2n + 1)ra: 2l

= fl( x).

0 < x < l.

Легко проверить, что система функций cos(2n±^ (n = 0,1,2,...) ортогональна на интервале (0, l) . Поскольку

p 2 (2n + 1)rcx . I , ,

1 cos ----:—-—dx = —, то коэффициенты

o 21 2

a n разложения функции /1(x) по ортогональной системе функций находятся по

x=0

от

формулам: ап = 2'/Кх)соБ2 (2” )пхсх.

2І

_ 4(щ0 - и) (2п + 1)п

(-1)”

Подставляя последнее выражение в формулу для ж, получаем искомое решение задачи.

Таким образом, решением будет

4(и — и,) , п

и = иI + ^2 (—1)п х...

^ п=0

(2п + Стасов-------- -- (2п+1)2 л2а27

... х-------2-----415 .

2п +1

При этом, учитывая записанные ранее граничные условия для гидродинамической задачи, в полученном решении

следует заменить параметры ^ и1 ? ^ на

соответствующие величины, взятые из (1), (2) и (3). Преобразованное при такой замене решение будет выглядеть следующим образом

ДА “

и = А — — 2(—1)п х...

^ п=0

СОБ

... X

(2п + 1)пх 2И

(2п+1)2 Л2У г 4 И2

2п +1

Для достаточно больших значений 7 это выражение дополнительно упростится и может быть представлено в ви-

4 А

е

■к2vt 4 И 2

СОБ

Л

пх

2И

Учитывая принятую модель заполнения капилляра и соответствующее выражение для А, окончательно имеем

Р 4 и *ф 2д(И + Р^)(1----------------

\ Р п

л2у?

т пх

е 4И СОБ

2И

).

Полученная модель дает представление об основных параметрах влияющих на процесс заполнения тонкого слоя пористого материала и позволяет произвести оценку основных технологических параметров реализующих его технологических устройств.

Пусть при использовании такого технологического оборудования совершенствование режимов процесса снизило количество отходов жирового сырья при переработке с п0 до п1. Покажем, каким образом использование этих результатов влияет на общую эффективность реализуемого процесса.

Откорректируем объем перерабатываемого сырья с точки зрения получения "на выходе" одного и того же количества готового продукта А. С этой целью можно записать А = а0 (1-п0) = а1(1-п1), откуда следует, что новый объем переработки сырья определится как а1 = а0(1-п0)/(1-п1), где: а0 - первоначальный объем переработки сырья; п0 и п1 -доля отходов на базовом и усовершенствованном оборудовании, соответственно.

Пусть использование новшества привело к увеличению стоимости оборудования с С до С1=А1С.

С учетом этих изменений балансовая стоимость оборудования определится (с затратами на доставку и монтаж) соотношениями А2С и А2С1, для базового и усовершенствованного образцов оборудования, соответственно.

Сопутствующие капитальные вложения в этом случае определятся как Кэ=АэС и К1=АъС1=АзА1С.

В составе эксплуатационных затрат рассмотрим: амортизационные отчисления; затраты на текущий ремонт и техобслуживание; стоимость электроэнергии; стоимость спецодежды.

Амортизационные отчисления и отчисления на капремонт оборудования составят:

Амо =ААзС; Ам1 = А4АзС1 = А4АзА1С; Кро = А5А2С; Кр1 = А5А2С1 = А5А2А1С.

Затраты на текущий ремонт и техобслуживание определяются величиной амортизационных отчислений и составят

Тро = АбА

мо ; Тр1 А6Ам1 .

Затраты на электроэнергию рассчитывают, исходя из потребляемой мощности, годового времени работы оборудования и стоимости киловаттчаса электроэнергии, причем коэффициент загруженности оборудования определяется дневной нормой переработки сырья и производительностью оборудования.

е

Производительность нового оборудования можно определить из следующих соображений. Энергозатраты определяются количеством отделенных при переработке частичек, так как все они вступают в контакт с рабочими органами. При одинаковой мощности используемых электродвигателей за единицу времени на базовом и новом образцах оборудования должно быть отделено одинаковое количество отходов, следовательно Р по = Р1 п1 .

Таким образом, для энергозатрат получаем: Эзо = А7 (а0 /Р); Эз1 = А7 (а1 /Р1 ) = А7 (а0 /Р)(1-щ)щ /[(1-щ)щ].

Заработная плата рабочего, обслуживающего оборудование, с соответствующими начислениями также зависит от фактически отработанного времени, то есть объема переработки сырья и производительности машины Зпо = А8 (а00/Р);

3п1 =А8 (а1/Р1) .

Аналогичным образом определяются затраты на спецодежду: Соо = А9(а$/Р) ; Со1 = АФ1/Р1) .

Учет показателей надежности, в частности долговечности, произведем введением в анализ коэффициентов реновации, определяющихся, как известно, формулой Я = Е/[(1 +Е)Т-1] ,где Е -норматив приведения ; Т - срок службы оборудования, лет.

Используя приведенные соотношения, известную формулу для оценки эффективности нового оборудования

Э = З • lL• Ш + (И1 -И2кЕё(К-К1) -З, которую

'0 В0 (R + Вн)

можно переписать, с учетом стоимости высвобожденного сырья, в виде:

Э = (С (1 - по + Е,) - ^ ь

... + С(1 - А1)(А2 А5 + А3 А4 + А3 А4 А6 + А3 Ен) +.

... +

A( A7 + A + A9) P(1-no )п0

_(пд _ _Ao^^ni^w в

(^A1 (1-n0 )(1-n1))((1+B )Tm -1 ' “н

+ Вн ).

Окончательно, в расчете на суточную норму переработанного сырья, выраже-

ние для экономической эффективности запишется следующим образом:

Э

, где: С - стоимость ба-

Э = '(-^- н,

(1+Е Ут -1

зового образца оборудования; А - объем переработанного сырья "на выходе"; Р -производительность базового образца; Т - срок службы базового образца; т - коэффициент повышения срока службы нового образца; п0 - коэффициент потерь сырья базового образца;п1 - коэффициент потерь сырья нового образца; Ен - нормативный коэффициент эффективности капвложений; А о - стоимость одного килограмма сырья; А- соответствующие коэффициенты.

Соотношения полученного типа целесообразно использовать при оценке экологичности определенных технических решений (технологических процессов или оборудования), имея в виду что выведение из производственных стоков дополнительного количества жиров снижает их вредное воздействие на окружающую среду.

С экологической точки зрения полезность предложенных решений выходит за рамки отраслевых пределов, поскольку такие устройства могут с успехом использоваться, например, для очистки поверхностей водоемов от разлившейся по ним нефти.

Литература

1. Патент РФ №2292936, Устройство для разделения жиросодержащих эмульсий,

Бюллетень изобретений, №2, 2007. Авт. Алексеев Г.В. и др.

2. Биркгоф Г. Гидродинамика. «Иностранная литература», 1963, 244 с.

1 Дмитриченко Михаил Иванович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой товароведения и экспертизы потребительских товаров, тел.: 610-84-06

2 Алексеев Геннадий Валентинович, доктор технических наук, профессор кафедры товароведения и экспертизы потребительских товаров, тел.: 610-84-06

3 Осюхина Екатерина Юрьевна, старший лаборант кафедры товароведения и экспертизы потребительских товаров, тел.: 610-84-06, e-mail: negodjajka@gmai.com