CC BY
15
Л и т е р а т у р а
1. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Определение сил и моментов, действующих на
систему ферромагнитных размольных элементов цилиндрической формы в магнитоожиженном слое рабочего объема электромагнитных механоактиваторов // Фундаментальные исследования. - 2014. - №11 (ч. 3). - С. 504-508.
2. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Компьютерные технологии в научных исследованиях энергоэффективности потребительских энергосистем АПК // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - №10. - С. 71-72.
3. Беззубцева М.М., Платашенков И.С., Волков В.С. Классификация электромагнитных измельчителей для
пищевого сельскохозяйственного сырья // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.-2008. -№10. -С.150-153.
4. Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н. Рекомендации по расчету тепловых режимов аппаратов, реализующих способ формирования силового взаимодействия в магнитоожиженном слое ферротел // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2014. - №8 (ч. 4). - С. 116-117.
5. Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н. Экспериментальные исследования теплового поля в аппаратах с магнитоожиженным слоем//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2014.-№3 (ч. 1).-С.138-139.
6. Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н. Исследование тепловых режимов электромагнитных механоактиваторов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2013. - № 6. - С. 108.
7. Беззубцева М.М., Волков В.С. Рекомендации по проектированию электромагнитных механоактиваторов
// Международный журнал экспериментального образования. - 2014. - № 5. - С. 128-129.
8. Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н. Конструктивная модернизация аппаратов с магнитоожиженным слоем с целью повышения энергоэффективности // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 6. - С. 68-69.
УДК 62-97 Канд. техн. наук Д.С. АГАПОВ
(СПбГАУ, different76@list.ru)
УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ДЛЯ ЕГО ИНТЕГРАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
Теплота, температура, интеграция тепловых процессов
Структурная оптимизация технических систем с целью повышения их термодинамического совершенства является важной и актуальной задачей функционирования современных производств различного назначения.
К настоящему времени существует ряд инструментов для интеграции тепловых процессов, организации регенерации теплоты и её утилизации [1-3]. Одним из наиболее эффективных, простых и надёжных является пинч-технология [3, 4-11].
В современных технических объектах различного назначения широко распространены процессы нагревания и охлаждения. Одни процессы являются необходимыми в силу принципа действия объекта, а другие возникают из-за конструктивных особенностей и не являются необходимыми. Как правило, это потери в окружающую среду.
Проблема эффективного использования энергоресурсов является актуальной задачей современных технологий во всех отраслях промышленности, в том числе и сельском хозяйстве. Разработка технических решений по экономии теплоты возможна на основе технологии интеграции тепловых процессов, получившей широкое распространение за рубежом [1-3].
В случае если подвод и отвод теплоты является необходимым условием функционирования объекта, возникает потребность привлекать внешние теплоисточники и теплоприёмники, так называемые тепловые утилиты, или просто утилиты.
При этом целесообразным является применение регенерации теплоты, когда отводимая от части объекта теплота подводится к другой его части, то есть теплота как бы циркулирует в цикле.
Эффективным инструментом для решения данной задачи является «Пинч-анализ» [1, 2, 3], при котором весь объект представляется как совокупность тепловых потоков нагрева и охлаждения, существующих на различных температурных уровнях. Выявленные потоки нагрева и охлаждения изображаются на диаграмме «энтальпия-температура» в виде по-разному направленных линий. На первом этапе осуществляется сбор сведений обо всех тепловых потоках, имеющих место в рассматриваемой системе. Другими словами, осуществляется экстракция данных обо всех источниках и потребителях теплоты системы. Те потоки, которые нуждаются в охлаждении, называются горячими, а потоки, нуждающиеся в подводе теплоты (нагреве), холодными. В качестве примера на рис. 1 показано построение двух потоков охлаждения на диаграмме «энтальпия-температура».
200
о
га
& 150
I-га а ф с 2
£
100
50
0
/
/
100 200 300
Энтальпия, кВт
Рис. 1. Построение потоков охлаждения на диаграмме «энтальпия-температура»
Из рис. 1 видно, что происходит охлаждение первого потока с 200 до 100° С. Его поточная изобарная теплоёмкость СР (произведение массового расхода на удельную изобарную теплоемкость
Ах
вещества) равна 1 и' Е , следовательно, от потока отводится 100 кВт теплоты. Охлаждение
Ах
второго потока осуществляется от 150 до 50°С и теплоёмкость данного потока СР равна 2 и'Е следовательно, от него отводится 200 кВт теплоты.
Л
а
га а. а> с 5 .0)
200
150
100
50
Ж Ж 1 л/ | ' ж а/ ж Ж Ж
■ ^^^ г
а ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
100
200 300
Энтальпия,кВт
Рис. 2. Общая кривая охлаждения на диаграмме «энтальпия-температура»
Затем строится общая составная кривая охлаждения путём суммирования отводимых теплот для каждого диапазона температур (рис 2).
На рис. 2 отчётливо просматриваются три участка кривой. Действительно, из рис. 1 видно, что в диапазоне от 200 до 150°C существует лишь один поток, с поточной теплоёмкостью Cp = 1
Ах
и'Е ив этом диапазоне температур отводится 50 кВт теплоты. В диапазоне от 150 до 100°C
Ах
имеются два потока охлаждения с суммарной поточной теплоёмкостью Cp = 3 и'Е и общее количество теплоты в данном диапазоне температур составляет 150 кВт. При одинаковых масштабах диаграмм на рис. 1 и 2 общая кривая на участке температур 150-100°C (рис. 2) будет более пологой, так как суммарная величина Cp в этом диапазоне больше, чем в предыдущем диапазоне 200-150° C. В
Ах
диапазоне температур от 100 до 50°C есть опять только один поток, имеющий Cp = 2 и'Е , т. е. в этом диапазоне температур отводится 100 кВт теплоты.
Аналогичным образом строится общая составная кривая нагрева. В объектах количество потоков нагрева и охлаждения, как правило, значительно больше, но принцип построения тот же, что и в этом упрощенном примере.
Если составные кривые потоков нагрева и охлаждения построить на одной и той же диаграмме «температура - энтальпия» (рис. 3), то эти кривые будут представлять собой совокупные потребности в охлаждении и нагреве.
Qu min 4-
rt
G.
f
ni а
(У
с
s
CJ
Энтальпия
Рис. 3. Составные кривые потоков нагрева и охлаждения на диаграмме «температура - энтальпия»
Задаются величиной минимальной разности температур ДТ для работы теплообменных аппаратов [10, 11]. Затем путём сдвигания одной кривой относительно другой по оси абсцисс добиваются такого их взаимного расположения, чтобы минимальное расстояние между кривыми по вертикали соответствовало значению ДТ (рис 1).
Чтобы обеспечить это условие, предварительно горячую композитную кривую смещают на величину ДТ/2 вниз, а холодную композитную кривую смещают на величину ДТ/2 вверх. После этого такие смещённые на величину ДТ/2 кривые сдвигают уже по горизонтали до касания. Затем кривым возвращаются их истинные температуры, то есть горячую композитную кривую смещают на величину ДТ/2 обратно вверх, а холодную композитную кривую смещают на величину ДТ/2 обратно
Qc.min
вниз. В результате мы имеем максимально возможное перекрытие кривых по горизонтали, при условии, что температурный пинч равен необходимой величине ЛТ (рис. 3).
На рис. 3 место, где наблюдается минимальное расстояние между кривыми по оси температуры, называется «пинч» (англ. pinch — сжатие, сужение).
Из рис. 3 видно, что проекции кривых на ось энтальпии перекрываются, что свидетельствует о возможности использования теплоты, отводимой от потоков, изображаемых составной кривой охлаждения (совокупности потоков охлаждения), для нагрева потоков, изображаемых составной кривой нагрева (совокупности потоков нагрева), посредством организации передачи теплоты между потоками.
У каждой из составных кривых на рис. 3 есть участки, проекции которых на ось энтальпии не перекрыты проекцией второй кривой. Это означает, что в своей верхней части составная кривая нагрева нуждается во внешнем источнике теплоты (мощностью QH,min), а составная кривая охлаждения в своей нижней части нуждается во внешнем отводе теплоты (охлаждении) (мощностью QC,min), (рис 3). Другими словами, в точке пинча разность температур между кривыми минимальна - ATmin, а область перекрытия проекций двух кривых на ось энтальпии характеризует возможность передачи теплоты между потоками (то есть рекуперации теплоты). Значения QH,mm и QC,mm представляют собой минимальные теоретические потребности в энергоресурсах. Таким образом, определяются величины теоретических потребностей в горячих и холодных энергоресурсах [1, 2, 3].
Построенная диаграмма (рис. 3) позволяет рассматривать весь процесс функционирования объекта как две отдельные системы, одна из которых располагается выше пинча, а другая ниже его (рис. 4). Система, которая выше пинча, нуждается в подводе теплоты от внешнего источника и является стоком теплоты, а система, которая ниже пинча, требует отвода теплоты и представляется её источником (рис. 5).
Пинч-анализ устанавливает три основных правила:
— отсутствие передачи теплоты через пинч;
— отсутствие внешнего охлаждения системы, находящейся выше пинча;
— отсутствие подвода теплоты от внешних источников к системе, находящейся ниже пинча.
В случае нарушения первого правила, то есть если через пинч будет передаваться некоторое
количество теплоты а, то такое же количество теплоты (а) должно быть дополнительно подведено к «верхней» системе и дополнительно отведено от «нижней» системы. Аналогичная ситуация складывается и при нарушении второго и третьего правил, т. е. любое внешнее охлаждение системы-стока и любое подведение теплоты извне к системе-источнику связано с дополнительными потребностями в энергоресурсах по сравнению с минимальными теоретическими значениями.
Рис.4. Разделение системы на две подсистемы: выше и ниже пинча
Рис. 5. Организация тепловых потоков
В случае нерациональной организации тепловых потоков (рис. 5) фактическое энергопотребление технологического процесса будет больше теоретического на величину потока энергии через пинч [1, 2, 3].
А = Т + а, (1)
где А - фактическое энергопотребление, Дж/с. Т - теоретическое минимальное энергопотребление, Дж/с. а - поток энергии через пинч, Дж/с.
О СП
9ПП 0
200 О О
& 1 эи ^ га с^ ш с £ 1ПП
н 100 ш .0 £ I Ш
о эи п
0 с э и 1С Ю 15 50 2С Тепловой поток Ю 25 сети (кВт)
Рис. 6. Большая композитная кривая
Несколько сложнее обстоит дело с анализом, если технологический процесс не непрерывный, а циклический. В этом случае для достижения энергосбережения и снижения затрат ни в коем случае нельзя прибегать к использованию усреднённых данных, а необходимо детальное измерение необходимых характеристик (в т. ч. временных) всех цикличных потоков в составе технологического процесса.
Для удобства анализа и дальнейших расчётов часто пользуются не композитными кривыми, представленными на рис. 3, а большой композитной кривой (рис. 6). Она также наглядно демонстрирует локализацию пинча и значение горячих и холодных утилит.
Однако этим функциональность данной диаграммы не исчерпывается, и она используется в дальнейшем для определения утилитного пинча при выборе и размещении холодных и горячих внешних источников и потребителей теплоты (утилит).
Действительно, одно и то же количество подведённой теплоты при высокой и низкой температуре имеет существенную разницу в цене, а потому возможна замена одного внешнего источника теплоты с высокой темпратурой на несколько других с различными температурами.
Далее, пользуясь правилом эвристической отметки (галочки), приступают к проектированию теплообменной сети. Этот простой и доступный метод эвристической отметки или правило галочки позволяет решить задачу проектирования теплообменной сети без применения мощных вычислительных сред [4, 5, 8]. Результатом является схема размещения теплообменных аппаратов и внешних утилит на данных потоках теплоты (рис. 4).
Рис. 7. Сеточная диаграмма теплообменной сети
Данное решение позволяет наиболее рационально использовать всю теплоту системы и минимизировать потери теплоты в окружающую среду.
Достоинством пинч-анализа является широкая область применения и высокая эффективность предлагаемых технических решений по оптимизации процессов функционирования сложных объектов. Пинч-анализ может применяться при проектировании новых объектов, а также предприятий или производственных единиц, при модернизации производственных мощностей, где используются технологические потоки, имеющие различные температуры. На основе данного подхода можно осуществлять оптимизацию и интеграцию тепловых процессов для рационального использования различных энергоресурсов.
Применение пинч-анализа к деятельности различных предприятий в большинстве случаев улучшало характеристики производственного процесса, повышало гибкость производства, «расширяло» узкие места в технологических процессах, увеличивало производительность и снижало негативные эффекты (например, образования накипи).
Недостатком пинч-анализа является дороговизна и сложность в применении методологии. Расчеты несложных процессов могут выполняться вручную или при помощи программных инструментов. В сложных процессах может потребоваться консультация опытных специалистов.
Кроме того, пинч-анализ, как было показано выше, оперирует сугубо стационарными потоками. Вообще большинство аналогичных инструментов ориентировано исключительно на стационарные потоки и не применимы или условно применимы к потокам, переменным по времени
[3].
Тем не менее нередко встречаются нестационарные процессы, имеющие высокий термодинамический потенциал, исключение из рассмотрения которых приведёт к существенным потерям теплоты в окружающую среду. Характерными примерами таких процессов являются технологические этапы производства — остывание или охлаждение объектов или зависимость температуры отработавших газов от режима работы оборудования [12].
Предлагаемое в данной статье устройство (рис. 9) позволяет преобразовывать нестационарный поток (рис. 8) в несколько стационарных (рис. 10).
Рассматриваемый случай нестационарного потока (рис. 8) является наиболее общим, сложным и нечасто встречающимся. Чаще всего температура по времени имеет характер логарифмической кривой или в первом приближении линейный характер.
Рис. 8. Нестационарный поток
Устройство преобразования (рис. 9) состоит из теплообменников, тепловых труб и тепловых аккумуляторов фазового перехода, число которых равно числу тепловых труб.
Рис. 9. Конструкция преобразователя
Температуры фазовых переходов материала тепловых аккумуляторов разные, равно как и ёмкость самих тепловых аккумуляторов (то есть количество теплоаккумулирующего материала). Наибольшую температуру фазового перехода имеет материал первого теплового аккумулятора, то есть тот, через который нестационарный поток проходит первым (на рис. 9 крайний справа).
Важным условием является то положение, что тепловые трубы работают в этой схеме как термодиоды, то есть пропуская теплоту лишь в одном направлении. Таким образом, если температура разделяемого нестационарного потока снизилась ниже температуры фазового перехода материала первого теплообменника, то работают уже другие секции, а именно те, чьи температуры фазовых переходов не превышают текущую температуру нестационарного потока.
Рис. 10. Преобразованный нестационарный поток в несколько стационарных потоков
Итогом работы представленной конструкции является несколько стационарных тепловых потоков (рис. 3), отбираемых в разных трубопроводах.
Следует отметить, что суммарная теплота этих стационарных потоков будет равна теплоте разделяемого нестационарного потока, из которого они получились. То есть:
т 1=п
Q = Г2 T dr = V T -тА (Vi = 1 ...п); i е Z
1 i=i
(2)
где Т — текущее значение температуры нестационарного потока, К; т — время, с; Tz — значение температуры фазового перехода теплоаккумулирующего материала i-ой секции, К; т — продолжительность по времени зарядки/разрядки i-ой секции, с.
Вообще говоря, с помощью данной конструкции возможно преобразование всех имеющихся в технологической линии потоков, как стационарных, так и нестационарных. Однако в таком случае желательно всё же провести анализ всех потоков системы для того, чтобы характеристики конструкции, представленной на рис. 9, наилучшим образом подходили к имеющейся системе, что позволит существенно снизить капитальные затраты на создание конструкции.
Таким образом, в работе представлена конструкция устройства, позволяющая преобразовывать нестационарные тепловые потоки в стационарные для обеспечения возможности интеграции теплоты средствами пинч-технологии.
Литература
1. Linnhoff B., Ahmad S. Cost Optimum Heat Exchanger networks - 1. Minimum Energy and Capital Using Simple Models for Capital Cost // Computers Chem. Engng. 1990. Vol. 14, No. 7. P. 729 - 750.
2. Linnhoff B., Dhole V.R. Shaftwork Target for Low Temperature Process Design // Chem. Engng. Sci. 1992. Vol. 47, No. 8. P. 2081 - 2091
3. Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский Л.Л., и др. Основы интеграции тепловых процессов / ХНТУ "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ", 2000. - 458 с.
4. Агапов Д.С. Методика проведения пинч-анализа // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2013. - №32. - С. 247-256.
5. Агапов Д.С. Правило эвристической отметки при проектировании теплообменной сети // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2012. -№ 29. -С. 264-269.
6. Агапов Д.С. Снижение энергетических затрат системы путём глубокой интеграции тепловых процессов // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2012. - №30. - С 263-266.
7. Агапов Д.С., Картошкин А.П. Пинч-анализ при проектировании перспективных технологий переработки продукции сельского хозяйства // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: Мат. междун. науч.-практ. конференции. /БГАТУ. - Минск, 2013. - С. 183-186.
8. Агапов Д.С. Методика интеграции тепловых двигателей в технологические процессы предприятий производства и переработки сельскохозяйственной продукции // Альтернативные источники энергии: проблемы и перспективы рационального использования: Электронный сборник / МНПК. - М., 2014.
9. Агапов Д.С. Термодинамическое совершенствование энергетических установок интеграцией тепловых процессов на основе эксергетического анализа // Актуальные проблемы морской энергетики: Мат. II всерос. межотрасл. науч-техн. конференции СПбГМТУ. - СПб., 2013. - С. 254-255.
10. Агапов Д.С. Оптимальное значение пинча при интеграции тепловых процессов // Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий: Сб. науч. тр. ХХХ отрасл. науч.-техн. конференции молодых специалистов МПО-МС-2012. - С. 242-251.
11. Агапов Д.С. Определение оптимального минимума разности температур между композитными кривыми при проведении пинч-анализа энергетических систем сельскохозяйственного назначения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2012. - № 28. - С. 386-391.
12. Колпаков В.Е., Шкорлаков Р.В. Исследования зависимости температуры выпускных газов от мощностных режимов автотракторных дизелей // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета - 2014 - № 35 - С. 289-294.
УДК 631.22 Канд. физ.-мат. наук С.И. ПЛАКСИН
(НГПУ, nspu.fnk.plaksin@mail.ru) Науч. сотрудник И.Е. ПЛАКСИН (ФГБНУ ИАЭП РАН , ilyaplaxin@gmail.com) Науч. сотрудник В.И. БАЗЫКИН
(ФГБНУ ИАЭП РАН, valentin-bazykin@mail.ru)
ОПТИМАЛЬНОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ РЕНТАБЕЛЬНОГО МЕЛКОТОВАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА СВИНИНЫ
Свиноводство, эффективность, рентабельность, модульная ферма, размещение, кооператив
Восстановление и развитие личных приусадебных и крестьянско-фермерских хозяйств сельской местности является важнейшей задачей для обеспечения продовольственной безопасности России. Отсутствие рабочих мест либо низкая заработная плата на предлагаемых местах трудоустройства, ведут к исчезновению деревень, а вместе с ними и мелкотоварного производства свиноводческой продукции, доля производимой свиноводческой продукции которого на сегодняшний день составляет порядка 25%, что делает малые свиноводческие предприятия значительной частью аграрной экономики.
Основной проблемой при решении изложенной задачи является непривлекательность малого свиноводческого бизнеса для фермеров. Высокая цена фермерской продукции, по сравнению с продукцией крупных свинокомплексов, делает малые свиноводческие предприятия неконкурентоспособными, цена предлагаемой продукции которых напрямую зависит от показателей эффективности и рентабельности производства малого свиноводческого предприятия.
Эффективность функционирования свиноводческого производства на малых предприятиях в рыночных условиях хозяйствования в значительной степени зависит от его рационального размещения, обеспечивающего наиболее целесообразное использование ресурсов для производства продукции. Вместе с тем определяющим фактором размещения свиноводческого производства выступают экономические условия, такие как стоимость доставки производственных ресурсов.
Процесс размещения может быть представлен в виде общей схемы (рис. 1), из которой видно, что он состоит из отдельных секторов, основным из которых является репродукторный сектор, от мощности которого зависит количество предприятий в секторе товаропроизводителей. Также представлены блоки сектора обслуживания, к которым относятся ветеринарное обслуживание, материально-техническая база и консультационный центр.
