CC BY
24
УДК 66.097.3
05.00.00 Технические науки
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Медяков Андрей Андреевич к.т.н.
SPIN-^=5189-6826, AuthorID= 707819
Онучин Евгений Михайлович к. т. н.
SPIN-^=5242-8873 AuthorID=400607
Каменских Александр Дмитриевич ст. преподаватель SPIN-^=2689-1168 AuthorID= 611232
Ласточкин Денис Михайлович к. т. н.
SPIN-^=7597-7487 ScopusID= 57190291451
Свечников Владимир Николаевич ст. преподаватель SPIN-^= 5168-8533, AuthorID= 846273
Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия MedyakovAA @volgatech. net OnuchinEM@yolgatech. net KamenskihAD@volgatech. net LastochkinDM@volgatech. net SvechnikovVN@volgatech. net
В статье приводится описание процесса моделирования работы системы теплоснабжения животноводческого комплекса. Представлены графики, отражающие влияние технологических параметров системы теплоснабжения животноводческого комплекса с каталитическим устройством сжигания на параметры энергетической эффективности системы и на параметры, характеризующие стабильность температурных условий в животноводческом комплексе
Ключевые слова: КАТАЛИТИЧЕСКОЕ СЖИГАНИЕ, СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Doi: 10.21515/1990-4665-130-068
UDC 66.097.3 Technical science
THEORETICAL STUDIES OF THE HEATING SYSTEM OF A CATTLE-BREEDING COMPLEX
Medyakov Andrei Andreevich Cand.Tech.Sci. SPIN-code= 5189-6826, AuthorID= 707819
Onuchin Evgeniy Mikhailovich Cand.Tech.Sci. SPIN-code=5242-8873 AuthorID=400607
Kamensky Alexander Dmitrievich senior lecturer SPIN-code=2689-1168 AuthorID=611232
Lastochkin Denis Mihajlovich Cand.Tech.Sci. SPIN-code=7597-7487 ScopusID= 57190291451
Svechnikov Vladimir Nikolaevich senior lecturer SPIN-code= 5168-8533, AuthorID=846273
Volga State University of Technology, Ioshkar-Ola, Russia
MedyakovAA @,volgatech. net OnuchinEM@,volgatech. net KamenskihAD@volgatech. net LastochkinDM@volgatech. net SvechnikovVN@volgatech. net
The article describes the modeling process of the heating system operation of a livestock-breeding complex. It presents graphs reflecting the influence of technological parameters of heat supply system of cattle-breeding complex with a catalytic combustion device on the parameters of energy efficiency of the system and the parameters characterizing the stability of the temperature conditions in the livestock sector
Keywords: CATALYTIC INCINERATION, HEAT SUPPLY SYSTEM, MATHEMATICAL MODELING, ENERGY EFFICIENCY
Введение
Предприятия сельскохозяйственного комплекса являются лидерами по объему потребляемой энергии. Значительную долю в общем объеме энергопотребления, занимают объекты, занимающиеся разведением и содержанием животных. В среднем на отопление и вентиляцию животноводческого комплекса на 400 голов КРС расходуется 362 тыс. кВт^ч в год. Однако, существующие технологии и оборудование, применяемые на крупных фермах, не рассчитаны под специфику работы семейных ферм.
Для комплексного решения проблем очистки вентилируемого воздуха, утилизации органических отходов жизнедеятельности животных и повышения эффективности семейных молочных ферм с биогазовыми установками целесообразно применение устройства каталитического окисления биогаза.
Работа устройства каталитического окисления основана на принципе каталитического горения (окисление топлива на поверхности катализатора).
Устройства каталитического окисления биогаза обеспечивают полноту сгорания биогаза и уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу, за счет снижения температуры протекания реакции. При удалении из помещения воздуха с вредными веществами, через устройство каталитического окисления биогаза, происходит его очистка, а после дымовые газы можно использовать для обогрева помещений. [1-10]
Теоретические исследования. При исследовании процессов, протекающих при функционировании системы теплоснабжения животноводческого комплекса с устройством каталитического окисления биогаза, выбран метод математического моделирования, описывающий:
1) состояние объекта, на который оказывает воздействие система отопления с устройством каталитического окисления биогаза;
2) воздействия, оказываемые системой теплоснабжения с устройством каталитического окисления биогаза на объект теплоснабжения.
Существенным факторами, влияющим на эффективность функционирования технико-технологических систем отопления на базе устройств каталитического окисления биогаза для теплоснабжения животноводческого комплекса, являются [11]:
- обеспечение оптимальной и равномерной температуры в животноводческом комплексе для жизнедеятельности, роста и размножения продуктивных пород сельскохозяйственных животных;
- обеспечение минимального потребления биогенного топлива технико-технологической системой для теплоснабжения животноводческого комплекса (обеспечения условия энергетической эффективности системы теплоснабжения).
Для оптимизации конструктивно-технологических параметров технико-технологических систем с устройством каталитического окисления биогенных газообразных топлив для теплоснабжения животноводческого комплекса, необходимо исследовать нестационарный процесс передачи тепловой энергии от системы теплоснабжения к помещению животноводческого комплекса.
Для упрощения описания нестационарных процессов передачи тепловой энергии при функционировании устройства каталитического окисления предлагается использовать метод элементарных балансов. Суть метода в том, что объем помещения животноводческого комплекса разбивается на элементарные геометрические формы, в пределах каждой из которых параметры приближенно принимаются одинаковыми. Величины тепловых потоков, средние за элементарный промежуток времени, являются пропорциональными среднему для этого промежутка температурному градиенту при условии равномерности изменения температур в течение элементарного промежутка времени, а повышение
теплосодержания объема пропорциональным повышению его температуры. Это позволяет представить задачу в виде системы уравнений, решение которой представляет собой состояние системы на следующем элементарном промежутке времени [11,12].
Таким образом, принимаются следующие допущения:
- помещение животноводческого комплекса заменяется дискретной моделью;
- модель времени является дискретной с шагом в интервал моделирования;
- состояние объекта (животноводческого комплекса) изменяется равномерно за интервал моделирования.
В результате помещение животноводческого комплекса и процесс передачи тепловой энергии при обогреве представляются в соответствии со схемой, представленной на рисунке 1. В соответствии со схемой процесс обогрева животноводческого комплекса осуществляется следующим образом. В систему вентиляции подается приточный воздух, который предварительно подогрет в каталитическом устройстве сжигания. Затем воздух распределяется по помещению через централизованную систему воздухораспределения и подается в помещение (1). Схема воздухораспределения между ячейками, принятая при моделировании, показана стрелками. Удаление воздуха из помещения производится через вентиляционное отверстие в крыше здания (2).
В соответствии с принятыми допущениями имитационная математическая модель функционирования технико-технологической системы для теплоснабжения животноводческого комплекса была реализована на ЭВМ в среде Microsoft Office Excel с использование возможностей встроенного пакета Visual Basic for Application. Внешний вид математической модели представлен на рисунке 2.
Рисунок 1 - Общая схема процесса теплоснабжения животноводческого комплекса: 1 - место подачи нагретого воздуха в комплекс; 2 - место выхода воздуха из комплекса
Высота гаталм 2 /цетр снвтнои кр ыши), V Дчетм ¿.1:4.2;4.3
период -моде.-нроазиня, с
Поптеры тепдапроео&аноатю
теплоправодност:. ячеек, Вт/[м'К^
в ояр среду
Темге^втура с-ч э.среды, оС теп/щпрэваднктз стен, Зг/|м'К|
теплопоюдность к.
поступления с аазбрам
'в:хп-д приточного воздуха к помещение, мЗ/ч Темпервтураг^рмточного воадуха, оС (реким- натре:) Тьиг-грнгура грнточно~о воздуха.. оС [решим - охлакд. | Вктмеиие нагрева воздуха ¡¡1гил, С- 5е1пл.) тек. шаг Зклсчеиие нагрева воздуха |1-5нл, О- зыкл.) след. шаг Темгеоатура вил. годогрева притонного зоздуга, оС Темге^атура аьил. -подогрева гриточюго воздуха, оС
7е*»гература приточного воздуха тек>\^ай, оС Плотность приточного зозд^а. кг/«13 иассоаый секундный расход зоздука, кг.'с ООъеиныи секундный расход юти, ив/с
1 0,0261
I ^Т
£,45176 С',¿.»196 ОД 11111
1 2 *
1
2 22 и
3 3,2 3,3
* 4Д 4Д
НЕЕ
13,9ЭВ5СО&9
толщина слоя для теплопроводности, ы по горизонтали__по вертнч
К ысиду гчейкыии, Бт./(и2"К| 10 горизонтали
Плошдди контакта, м2 по горизонтали
13,39532143
13.39555337
13.99563337
13.99535343
13,55533116 13.9955-3111
-109,В34£214 -106,5732273 -106.В633-136
Чотери тспкгы а о<р., Дд
-3,300221043 0,ИИ 221733
2337333333 2337333333
2.013 693 3,46-26 3,462601 -5.2Е-07
оозззбз* Гадззсбз^
Поступмиия воэдутсв за пе риод, кг
0,003063 0,033063
0,033053 0 033063
0,033063 0,033063
Рисунок 2 - Внешний вид математической модели процесса теплоснабжения животноводческого комплекса
На разработанной математической модели была проведена серия вычислительных экспериментов, в рамках которых моделировался суточный цикл работы системы теплоснабжения животноводческого комплекса при температуре наружного воздуха -30оС. В качестве входных факторов вычислительного эксперимента на основании априорного ранжирования были приняты «температура подаваемого воздуха», «расход подаваемого воздуха» на одно животное. Уровни варьирования выбранных входных факторов представлены в таблице 1.
Для полученных значений отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса (СрТ1) и среднего квадратичного отклонения температуры от средней внутри комплекса (СКО1) построены графики, представленные на рисунке 3. При увеличении температуры подаваемого воздуха в 2 раза незначительно снижаются (менее 1%) средняя температура воздуха и среднее квадратичное отклонение температуры от средней внутри животноводческого комплекса. При увеличении расхода воздуха на 27 % увеличивается средняя температура воздуха на 3,3 % и среднее квадратичное отклонение температуры от средней на 9,1% внутри животноводческого комплекса.
Таблица 1 -Уровни варьирования количественных входных факторов вычислительного эксперимента в исследуемой области
№ п/п Фактор Уровни варьирования
1 2 3 4 5
1 Температура подаваемого воздуха, оС 10 12,5 15 17,5 20
2 Расход подаваемого воздуха, м3/ч 50 55 60 65 70
Для полученных значений отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса (СрТ1) и среднего квадратичного отклонения температуры от средней внутри комплекса (СКО1) построены
графики, представленные на рисунке 3. При увеличении температуры подаваемого воздуха в 2 раза незначительно снижаются (менее 0,6 %) средняя температура воздуха и среднее квадратичное отклонение температуры от средней внутри животноводческого комплекса. При увеличении расхода воздуха на 27 % увеличивается средняя температура воздуха на 3,3 % и среднее квадратичное отклонение температуры от средней на 9,1% внутри животноводческого комплекса.
Темп. под. воздуха, °С
Рисунок 3 - Параметры равномерности обогрева внутри комплекса
Для полученных значений отклика средней температуры в зоне пребывания животных (СрТ2) и среднего квадратичного отклонения температуры от средней в зоне пребывания животных (СКО2) построены
графики, представленные на рисунке 4. При увеличении температуры подаваемого воздуха в 2 раза незначительно снижаются (менее 1,5%) средняя температура воздуха и среднее квадратичное отклонение температуры от средней в зоне пребывания животных. При увеличении расхода воздуха на 27 % увеличивается средняя температура воздуха на 3,4 % и среднее квадратичное отклонение температуры от средней на 8,5% в зоне пребывания животных.
СрТ2,°
15,90
15,80
15,70
15,60
15,50
15,40
15,30
15,20
15,10
15,00
Темп. под. воздуха, °С 20 воздуха,
м3/ч
Рисунок 4 - Параметры равномерности обогрева в зоне пребывания
животных
Темп. под. воздуха, ¿С'5 20 воздуха,
м3/ч
Для полученных значений расхода топлива для обогрева животноводческого комплекса (Расход топлива) построен график, представленный на рисунке 5. При увеличении температуры подаваемого воздуха в 2 раза увеличивается на 4% расход топлива для обогрева животноводческого комплекса. При увеличении расхода воздуха на 27 % расход топлива увеличивается с нулевых значений до 10 м .
Темп. под. воздуха,
Рисунок 5 - Расход топлива для обогрева животноводческого
комплекса
Выводы.
1. Была разработана и программно реализована математическая модель процесса работы системы теплоснабжения животноводческого комплекса на базе каталитического устройства сжигания биогаза, которая позволяет оценить эффективность работы системы в зависимости от технологических параметров.
2. По результатам вычислительного эксперимента установлено, что температура подаваемого в помещение воздуха (в выбранном диапазоне моделирования) существенно не влияет на среднюю температуру внутри животноводческого комплекса и на расход потребляемого биогаза, однако изменение расхода подаваемого воздуха оказывает заметное влияние на
среднюю температуру внутри животноводческого комплекса и существенное влияние на количество потребляемого топлива.
Библиографический список
1. Лукьянов Б. Н. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах // Химия в интересах устойчивого развития. - 2001. - №9. - с. 667 - 677
2. van Giezen J.C., Intven M., Meijer M. D. et al. The development of novel metalbased combustion catalysts // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 191-197
3. Zhi-yong P., Chao-yang D. A novel two-stage process for catalytic oxidation of methane to synthesis gas // Ranliao Huaxue Xuebao. - 2000. - № 4. - p. 348.
4. Theophilos P., Xenophon V. Development of a novel heat-integrated wall reactor for the partial oxidation of methane to synthesis gas // Catal. Today. - 1998. - № 46. - p. 71-81.
5. Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН - РЕВЕРС-ПРОЦЕСС -Каталитическая очистка отходящих газов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.catalysis.ru/block/index.php?ID=3&SECTION_ID=1483, свободный (дата обращения 7.05.2013).
6. Ismagilov Z. R., Kerzhentsev M. A. Fluidized bed catalytic combustion / // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 339-346.
7. Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Каменских А.Д., Анисимов П.Н. Нестационарные каталитические системы для утилизации биогаза // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №04(78). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/46.pdf, свободный (дата обращения 7.05.2013).
8. Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Каменских А.Д., Анисимов П.Н. Повышение эффективности разрабатываемых каталитических систем для утилизации биогаза // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №04(78). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/47.pdf, свободный (дата обращения 7.05.2013).
9. Медяков А.А., Каменских А.Д. Разработка новых каталитических систем для процессов получения биогаза // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. - 2011. - № 3. - С. 88-94.
10. Сидыганов, Ю.Н. Каталитические устройства сжигания для аварийной и технологической утилизации газообразных углеводородов / Ю.Н. Сидыганов, А.А. Медяков, А.Д. Каменских // Химическое и нефтегазовое машиностроение: 9/2014 -Москва: ООО «ТисоПринт», 2014. - С. 34-37.
11. Сидыганов, Ю.Н. Имитационная математическая модель функционирования системы теплоснабжения животноводческого комплекса на базе каталитического устройства сжигания / А.А. Медяков, Е.М. Онучин, А.Д. Каменских // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского
государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №07(101). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/122.pdf.
12. Сидыганов Ю.Н. Имитационная математическая модель функционирования каталитических систем для производства и преобразования энергии при анаэробной переработке органических отходов животноводства / Ю.Н. Сидыганов, А.А. Медяков, Е.М. Онучин, А.Д. Каменских // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №07(91). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/07/pdf/25.pdf.
References
1. Luk'janov B. N. Jekologicheski chistoe okislenie uglevodorodnyh gazov v kataliticheskih nagrevatel'nyh jelementah // Himija v interesah ustojchivogo razvitija. - 2001. - №9. - s. 667 - 677
2. van Giezen J.C., Intven M., Meijer M. D. et al. The development of novel metalbased combustion catalysts // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 191-197
3. Zhi-yong P., Chao-yang D. A novel two-stage process for catalytic oxidation of methane to synthesis gas // Ranliao Huaxue Xuebao. - 2000. - № 4. - p. 348.
4. Theophilos P., Xenophon V. Development of a novel heat-integrated wall reactor for the partial oxidation of methane to synthesis gas // Catal. Today. - 1998. - № 46. - p. 7181.
5. Institut kataliza im. G. K. Boreskova SO RAN - REVERS-PROCESS -Kataliticheskaja ochistka othodjashhih gazov [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http://www.catalysis.ru/block/index.php?ID=3&SECTION_ID=1483, svobodnyj (data obrashhenija 7.05.2013).
6. Ismagilov Z. R., Kerzhentsev M. A. Fluidized bed catalytic combustion / // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 339-346.
7. Sidyganov Ju.N., Medjakov A.A., Kamenskih A.D., Anisimov P.N. Nestacionarnye kataliticheskie sistemy dlja utilizacii biogaza // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2012. - №04(78). - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/46.pdf, svobodnyj (data obrashhenija 7.05.2013).
8. Sidyganov Ju.N., Medjakov A.A., Kamenskih A.D., Anisimov P.N. Povyshenie jeffektivnosti razrabatyvaemyh kataliticheskih sistem dlja utilizacii biogaza // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2012. - №04(78). - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/47.pdf, svobodnyj (data obrashhenija 7.05.2013).
9. Medjakov A.A., Kamenskih A.D. Razrabotka novyh kataliticheskih sistem dlja processov poluchenija biogaza // Vestnik Marijskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija: Les. Jekologija. Prirodopol'zovanie. - 2011. - № 3. - S. 88-94.
10. Sidyganov, Ju.N. Kataliticheskie ustrojstva szhiganija dlja avarijnoj i tehnologicheskoj utilizacii gazoobraznyh uglevodorodov / Ju.N. Sidyganov, A.A. Medjakov, A.D. Kamenskih // Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie: 9/2014 - Moskva: OOO «TisoPrint», 2014. - S. 34-37.
11. Sidyganov, Ju.N. Imitacionnaja matematicheskaja model' funkcionirovanija sistemy teplosnabzhenija zhivotnovodcheskogo kompleksa na baze kataliticheskogo ustrojstva
szhiganija / A.A. Medjakov, E.M. Onuchin, A.D. Kamenskih // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2014. -№07(101). - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/ 122.pdf.
12. Sidyganov Ju.N. Imitacionnaja matematicheskaja model' funkcionirovanija kataliticheskih sistem dlja proizvodstva i preobrazovanija jenergii pri anajerobnoj pererabotke organicheskih othodov zhivotnovodstva / Ju.N. Sidyganov, A.A. Medjakov, E.M. Onuchin, A.D. Kamenskih // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2013. - №07(91). - Rezhim dostupa: http://ej .kubagro.ru/2013/07/pdf/25.pdf.
