Имитационная математическая модель функционирования системы теплоснабжения животноводческого комплекса на базе каталитического устройства сжигания

Животноводство (животноводческие комплексы, фермы) и птицеводство (птицефабрики) являются основными энергопотребляющими отраслями сельскохозяйственного производства, на которые приходится до 68% от общего потребления энергоносителей в сельском хозяйстве России (без учета энергопотребления жидкого топлива машинно-тракторным парком и транспортом), т. е. от общего энергопотребления стационарных сельхозобъектов [1]. Основной расход энергии происходит при приготовлении кормосмеси, подогрев воды и обеспечение необходимого микроклимата для содержания животных, в частности, стойлового. Оптимальный микроклимат в животноводческих и птицеводческих помещениях способствует более полной реализации генетического потенциала животных и птицы, профилактике заболеваний, а также удлинению сроков службы построек и установленного в них оборудования.

В условиях центральной части России Поволжья и Урала задача по теплоснабжению объектов животноводческого комплекса стоит особо остро, в связи большой разницей температур в летние и зимние периоды.

При этом использование технико-технологических систем на базе каталитического устройства сжигания углеводородов могут использоваться в существующих системах теплоснабжения различных производственных объектов животноводческого комплекса вместо традиционных устройств факельного сжигания [2−6]. При этом по сравнению с традиционными источниками тепла, каталитические устройства сжигания имеют ряд конструктивных, энергетических и экологических преимуществ. К ним относятся:

• 1) полнота сжигания топлива, которая способствует повышению эффективности процесса горения;
• 2) снижение температуры процесса горения, которое обеспечивает конструктивные преимущества каталитических устройств горения;
• 3) сокращение выбросов вредных газов в атмосферу в связи со снижением температуры горения и более полным сжиганием топлива;
• 4) снижение минимальной концентрации топлива в смеси до 0,5% объема [6].

Таким образом, для повышения энергетической эффективности функционирования животноводческих комплексов является важным исследование особенностей использования каталитических устройств сжигания в рамках системы теплоснабжения производственного помещения животноводческого комплекса.

каталитическое сжигание углеводород теплоснабжение Существенным факторами, влияющим на эффективность функционирования технико-технологических систем на базе каталитических устройств сжигания для теплоснабжения животноводческого комплекса, являются:

обеспечение оптимальной и равномерной температуры в животноводческом комплексе для жизнедеятельности, роста и размножения продуктивных пород сельскохозяйственных животных;

обеспечение минимального потребления топлива технико-технологической системой для теплоснабжения животноводческого комплекса (обеспечения условия энергетической эффективности системы теплоснабжения).

Для оптимизации конструктивно-технологических параметров технико-технологических систем на базе каталитических устройств сжигания для теплоснабжения животноводческого комплекса, необходимо исследовать нестационарный процесс передачи тепловой энергии от системы теплоснабжения к помещению животноводческого комплекса.

Для упрощения описания нестационарных процесса передачи тепловой энергии при функционировании каталитических систем предлагается использовать метод элементарных балансов, который заключается в том, что объем помещения животноводческого комплекса разбивается на элементарные геометрические формы, в пределах каждой из которых параметры приближенно принимается 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.

Таким образом, принимаются следующие допущения:

помещение животноводческого комплекса заменяется дискретной моделью;

модель времени является дискретной с шагом в интервал моделирования;

состояние объекта 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.

Рисунок 1. Общая схема, принятая при моделировании Для моделирования был выбран метод, представленный на рисунке 2. Сначала осуществляется ввод входных величин, которые представляют собой конструктивные и технологические параметры технико-технологической системы теплоснабжения животноводческого комплекса. Шаг моделирования выбирается с учетом требуемой точности моделирования. При расчетах в рамках шага моделирования принимается, что условия являются постоянными, и расчет ведется по формулам для стационарных процессов передачи тепловой энергии. Полученные на текущем шаге результаты необходимо записываются в отдельную таблицу ввиду того, что в результате повторения циклов моделирования текущие значения многократно переписываются. Измененные в течение шага входные параметры подставляются в расчетную часть на следующем шаге моделирования.

Рисунок 2. Общий принцип имитационного моделирования функционирования технико-технологической системы для теплоснабжения животноводческого комплекса 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. Вид окна математической модели приводится на рисунке 3.

Рисунок 3. Внешний вид имитационной математической модели Для описания изменения температуры внутри каталитической системы в расчетной части имитационной модели использовались следующие зависимости.

Общий тепловой баланс для ячеек дискретной модели помещения животноводческого комплекса и аккумулятора, расположенного под комплексом, с учетом принятых допущений будет иметь следующий вид:

(1).

где — количество теплоты, поступившей в ячейку; - теплота, поступившая от соседних ячеек с помощью теплопроводности; - теплота, поступившая с входящим в ячейку потоком воздуха; - теплота, поступившая от окружающей среды;.

При этом количество теплоты, поступившей в ячейку () за единицу времени может быть выражено через изменение ее энтальпии следующим образом:

(2).

где — масса ячейки, в случае помещения принимается масса воздуха в ячейке, в случае аккумулятора — масса галечной засыпки в ячейке; - теплопроводность ячейки; - изменение температурного состояния ячейки за интервал моделирования ().

Количество теплоты, поступившей от соседних ячеек в процессе передачи теплоты теплопроводностью, () может быть выражено следующим образом:

(3).

где — количество соседних ячеек; - коэффициент теплопередачи n-ой соседней ячейке; - площадь контакта с n-й соседней ячейкой; - температурный перепад между текущей и n-й соседней ячейкой; - период моделирования.

Количество теплоты, поступившей с входящим в ячейку потоками нагретого воздуха, () для ячеек помещения будет выражаться следующим образом:

(4).

где — массовый расход потока воздуха; - теплоемкость входящего воздуха; - температурный перепад между воздухом текущей ячейки и ячейки, из которой он приходит.

Количество теплоты для аккумулятора, поступившей с входящим в ячейку потоками нагретого воздуха, (), будет выражаться следующим образом:

(5).

где — коэффициент теплопередачи от воздуха к аккумулятору; - площадь контакта воздуха с аккумулятором; - температурный перепад между воздухом, проходящим через аккумулятор, и наполнителем аккумулятора.

При этом составляется еще тепловой баланс для определения изменения состояния воздуха при прохождении через аккумулятор:

(6).

где — расход горячего воздуха через ячейку аккумулятора; - теплоемкость горячего воздуха; - изменение температуры воздуха при прохождении через аккумулятор.

Количество теплоты, переданной в окружающую среду, () можно выражается следующим образом:

(7).

где — площадь контакта окружающей среды с ячейкой; - коэффициент теплопередачи к окружающей среде; - температурный перепад между ячейкой и окружающей средой.

С использованием зависимостей для ячеек модели (1−7) была составлена часть математической модели, основанная на возможностях итеративных вычислений Microsoft Office Excel, в рамках которой описываются изменения температуры внутри животноводческого комплекса.

Вывод

Разработанная имитационная математическая модель функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса позволяет установить взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами технико-технологической системы и параметрами, характеризующими эффективность их функционирования в процессе передачи тепловой энергии при теплоснабжении животноводческого комплекса.

Статья подготовлена в рамках выполнения исследований, поддержанных стипендией Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам на 2012;2014 годы.

• 1. Сазонов С. Н. Методология эффективного формирования и использования производственных ресурсов в крестьянских (фермерских) хозяйствах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Саратов, 1998. — 48 с.
• 2. Медяков А. А. Разработка новых каталитических систем для процессов получения биогаза / Медяков А. А., Каменских А. Д. // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. — 2011. — № 3. — С.88−94.
• 3. Онучин Е. М. Наноструктурированные наполнители каталитических систем для установок анаэробной переработки органических отходов / Онучин Е. М., Медяков А. А. // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. — 2011. — № 3. — С.95−100.
• 4. Онучин Е. М. Нестационарные каталитические системы для утилизации биогаза / Е. М. Онучин, А. А. Медяков, А. Д. Каменских, П. Н. Анисимов // 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, 1,000 у. п. л.
• 5. Онучин Е. М. Повышение эффективности разрабатываемых каталитических систем для утилизации биогаза / Е. М. Онучин, А. А. Медяков, А. Д. Каменских, П. Н. Анисимов // 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, 0,875 у. п. л.
• 6. Лукьянов, Б. Н. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах / Б. Н. Лукьянов, Н. А. Кузин, В. А. Кириллов, В. А. Куликов, В. Б. Шигаров, М. М. Данилова // Химия в интересах устойчивого развития. — 2001. — № 9. — С.667−77.