Теоретические исследования системы теплоснабжения животноводческого комплекса

Аннотации

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.

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.

Ключевые слова: каталитическое сжигание, система теплоснабжения, математическое моделирование, энергетическая эффективность.

Keywords: catalytic incineration, heat supply system, mathematical modeling, energy efficiency.

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. теплоснабжение животноводческий сжигание 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.

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 (СрТ 1) и среднего квадратичного отклонения температуры от средней внутри комплекса (СКО 1) 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.

Для полученных значений отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса (СрТ 1) и среднего квадратичного отклонения температуры от средней внутри комплекса (СКО 1) 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.

Рисунок 3 — Параметры равномерности обогрева внутри комплекса.

Для полученных значений отклика средней температуры в зоне пребывания животных (СрТ 2) и среднего квадратичного отклонения температуры от средней в зоне пребывания животных (СКО 2) 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.

Рисунок 4 — Параметры равномерности обогрева в зоне пребывания животных.

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 3.

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 metal-based 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 metal-based 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. 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.