Conceptual Model of Energy Efficiency for Environmentally Safe Utilization of Liquid Pig Manure

Texto integral

Введение

Согласно Доктрине продовольственной безопасности удельный объем мясомолочной продукции отечественного производства должен составлять не менее 90 %, зерна – не менее 95 %¹. Одной из отраслей, позволяющих внести существенный вклад в реализацию поставленной задачи, является животноводство, в частности свиноводство. Рост производственных мощностей, необходимый для решения поставленной задачи, требует определения оптимальных параметров операционно-технологических воздействий на всех этапах производственного процесса, при этом необходимы минимальные энергетические затраты и максимальный санитарно-эпидемиологический эффект. Установлено, что существенной составляющей индустриального свиноводства, соответствующей обозначенным критериям, является бесподстилочное содержание [1–3].

Отходы свиноводства (бесподстилочный навоз) с агрохимической точки зрения являются мощным энергоносителем (общее содержание азота N_общ = 4…8 кг/м³; содержание аммиачного аммонийного органического азота NH₄ = 3…6 кг/м³; содержание фосфорного ангидрида (оксида фосфора) P₂O₅ = 3…6 кг/м³; содержание оксида калия К₂О = 2…4 кг/м³; химическое потребление кислорода (ХПК) к массе органического вещества (ОВ) – 1,2; биохимическое потребление кислорода (БПК) к массе – 0,42, эффективное использование которого затруднено необходимостью обеспечения его безопасности в санитарно-эпидемиологическом плане (свежий навоз соответствует 3 классу опасности, а перепревший – 4) [4; 5]. Соответственно, совершенствование утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза как эффективного агрохимического энергоносителя при минимизации энергетических затрат и соблюдении нормативных санитарно-эпидемиологических требований при обеспечении экологической безопасности для био- и агроценозов является актуальной задачей.

На основании анализа информационных источников на рисунке 1 представлена блок-схема экологически безопасного утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза, на повышение энергетической эффективности операционных воздействий которого и направлено данное исследование [1; 5; 6].

 

 

 

 

Рис. 1. Блок-схема энергетически эффективной, экологически безопасной технологии
утилизации свиного бесподстилочного навоза

Fig. 1. Block diagram of energy-efficient and environmentally safe technology for utilization of liquid
pig manure

 

 

Проанализировав блок-схему на рисунке 1, все операции технологического цикла можно разделить на основные и вспомогательные. К основным отнесем операционные воздействия, направленные на преобразование санитарно-эпидемиологических, экологических и энергетических свойств утилизируемого материала: разделение бесподстилочного навоза на фракции 1, системное физико-химическое обеззараживание жидкой фракции в активаторе 2, термическое или вибрационное обезвоживание твердой фракции 3. К вспомогательным – операции, обеспечивающие технологические взаимодействия между основными блоками: транспортировка, накопление, отстаивание, хранение [7; 8]. Очевидно, что с энергетической точки зрения операционные воздействия, отнесенные к основным, будут являться наиболее энергоемкими [9; 10].

Как показал анализ информационных источников, применение системных методов решения проблемы повышения энергетической эффективности и экологизации утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза представлено недостаточно полно, что связано с отсутствием систематизации факторов, способных оказывать влияние на энергетические, санитарно-эпидемиологические и экологические составляющие, что делает затруднительным построение концептуальной модели рассматриваемого объекта [11; 12].

Целью настоящего исследования является разработка концептуальной модели энергетической эффективности операционных воздействий при получении экологически безопасного утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза.

Обзор литературы

Использованию теории потенциальной эффективности как инструмента систематизации факторов, оказывающих влияние на состояние объектов и качество их функционирования, посвящено достаточное количество работ [10; 13–15]. Использование общего инструментария теории потенциальной эффективности в области оценки эксплуатационных свойств технических средств представлено в другой работе [16].

В работе А. Ю. Брюханова и коллег представлено применение инструментария теории потенциальной эффективности для формирования обобщенного критерия в виде эколого-энергетического показателя, характеризующего рациональность применения технических средств при выборе утилизационного цикла куриного помета [8]. Данная работа является развитием исследования, посвященного определению критериев энергоэкологической эффективности потенциальных энергоносителей путем применения системного анализа и интеллектуальных алгоритмов управления отходами агропромышленного комплекса (АПК) как многоуровневой группой, состоящей из энергетических, биологических и технологических аспектов [9]. Исследование вносит существенный вклад в формирование концептуальных моделей энергетической эффективности утилизационных циклов отходов. В работе А. А. Ковалева с помощью инструментария теории потенциальной эффективности, а именно функций соответствия, предложены закономерности, определяющие результативность функционирования технических средств обработки органических отходов [10]. В исследованиях ряда ученых представлены частные методики, демонстрирующие целесообразность использования теории потенциальной эффективности как инструмента минимизации энергетических затрат в зависимости от прилагаемых условий, в области сушки барды пищевых производств – применения жидкой фракции бесподстилочного навоза под яровую пшеницу, очистки воскового сырья в воде при механическом перемешивании и т. д. [11; 13; 17]. Соответственно, можно сделать вывод об унифицированности данного инструмента. Также установлено, что сочетание использования инструментария теории потенциальной эффективности при создании концептуальных моделей операционных воздействий технических средств является перспективным систематизирующим инструментом, применимым во многих областях науки и техники [7; 11; 15; 16].

Поскольку выбор технического средства и его конструктивно-технологических параметров во многом определяет энергетическую эффективность и экологичность утилизационного цикла, стоит рассмотреть принцип действия технических средств, реализующих основные операционные воздействия утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза (рис. 1).

Энергетические затраты утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза в биоорганическое удобрение во многом зависят от эффективности его фракционного разделения [13; 17; 18]. Несмотря на традиционный подход, подразумевающий использование термических воздействий, перспективным решением данной задачи является применение вибрационных воздействий (рис. 2). Реализовать их можно следующим образом: бесподстилочный навоз загружается в рабочую камеру, смонтированную на упруго-диссипативных колебательных элементах, представляющих собой инерционный вибратор с циклической частотой колебаний 15…50 Гц и амплитудой 0,5…9 мм. В процессе вибрационного воздействия бесподстилочный навоз непрерывно подвергается знакопеременным ускорениям, что интенсифицирует два вида движений: возвратно-поступательное и вращательно-циркуляционное движение. От стенок рабочей камеры вибрация передается прилегающей к ней обрабатываемой среде на протяжении всего ее фазово-дисперсного портрета. Под действием комплекса механических сил (центробежной, центростремительной, силы давления потока, силы тяжести в сочетании с приложенным виброинерционным воздействием) реализуется процесс сепарации бесподстилочного навоза на твердую (влажность ≤ 85 %) и жидкую фракции (влажность > 92 %).

 

 

 

 

Рис. 2. Модель вибрационного сепаратора/обезвоживателя: 1 – подача бесподстилочного навоза;
2 – отвод жидкой фракции; 3 – отвод твердой фракции; 4 – дисбалансы, количество и положение
которых определяют режим работы вибрационной системы

 

Fig. 2. Model of vibration separator/dehumidifier: 1 – submission of liquid manure; 2 – removal of the
liquid fraction; 3 – the removal of the solid fraction; 4 – imbalances, the number and position of which
determine the mode of operation of the vibration system

 

 

Отличительной возможностью данного технического средства является возможность его использования в режиме виброобезвоживателя твердой фракции свиного бесподстилочного навоза, полученной в результате разделения утилизируемого энергоносителя путем изменения массы дисбалансов, что в значительной мере повышает степень унификации вибрационного сепаратора/обезвоживателя [19; 20].

На основании серии исследований установлено, что перспективным техническим средством реализации операционного воздействия по дополнительному обеззараживанию жидкой фракции бесподстилочного навоза является использование электромагнитного активатора (рис. 3) [10; 21; 22]. Принцип действия заключается в системном воздействии на жидкую фракцию вращающего переменного магнитного поля совместно с рабочими телами, представляющими собой ферромагнитные стержни совместно с химическим реагентом (наиболее эффективны содержащие хлор реагенты: гипохлорит кальция Ca(Cl)OCl, гипохлорит натрия NaClO, диоксид хлора ClO₂, хлорамин NH₂Cl, в основании которых лежит активный хлор) [23; 24]. В зависимости от условий эксплуатации отношение длины ферромагнитных стержней к диаметру лежит в диапазоне l/d = 5…25, масса составляет от 0,5 до 1,5 кг, уровень магнитной индукции В = 40…60 мТл [22; 25; 26]. Использование данного типа воздействий позволяет существенным образом интенсифицировать тепломассообменные и диффузионные процессы в рабочей зоне активатора, а механические воздействия приводят к лизису клеток бактериальных оболочек² [23].

 

 

Рис. 3. Электромагнитный активатор обеззараживания жидкой фракции

Fig. 3. Electromagnetic activator for liquid fraction disinfection

 

 

Материалы и методы

В качестве объекта исследования при формировании концептуальной модели энергетической эффективности утилизационного свиного бесподстилочного навоза выступали его операционные воздействия, а предметом – функция максимизации энергетической эффективности данного объекта в условиях санитарно-эпидемиологических и агрохимических ограничений.

Стоит рассмотреть основной инструментарий теории потенциальной эффективности. Понятие «эффективность» является комплексным и включает целые категории параметров, значения которых требуют минимизации/максимизации в зависимости от предъявляемых условий. Оптимальной эффективностью считается нахождение определенных соотношений этих параметров, обеспечивающих заданное положение наиболее информативной целевой функции.

Информативность целевой функции определяется путем введения глобального критерия эффективности процесса и локальных параметров, обеспечивающих наиболее рациональные условия операций. При этом применение теории эффективности подразумевает формализацию цели за счет многопараметрического целеполагания У_ТР (требуемый результат), обеспечивающего требуемый условиями результат. Очевидно, что многопараметрическое целеполагание может быть эффективно обеспечено только путем применения перечня количественных и качественных параметров, оказывающих влияние на обозначенную цель в рамках проблемной ситуации. Под проблемной ситуацией в теории эффективности принято понимать разницу несоответствия реального и ожидаемого состояний технических систем. Разрешить проблемную ситуацию с точки зрения теории эффективности можно путем выполнения комплекса мероприятий по преобразованию некоторого объема имеющихся ресурсов (энергетических, технологических, временных и т. п.), направленных на достижение требуемого результата. Такую совокупность действий принято называть операцией. Реальный результат У_Re операции (фактический и ожидаемый) есть тот результат, который получен или может быть получен при проведении операции. В силу влияния различного рода факторов реальный результат У_Re операции может отличаться от требуемого У_ТР. При этом эффективность операций определяется соответствием реального результата выполнения преобразования ресурсов требуемому и позволяет оценивать этот процесс как степень достижения цели³.

Вне зависимости от категории рассмотрения инструментарий теории эффективности включает в себя определение показателя эффективности, характеризующего степень достижения соответствия реального состояния объекта к требуемому. Нахождение данного показателя осуществляется следующим образом. Определяется показатель достижения результата выполнения n-й операции в виде мерного вектора Q, представляющего целевой эффект, характеризуемый затратами времени t и ресурсов P:

${У}_{Re}^n=\left\{Q_{Re}^n, t_{Re}^n, P_{Re}^n\right\}$ .

Затем формулируются граничные условия вектора целеполагания, позволяющие определить область допустимых значений с качественной точки зрения для n-й операции:

${У}_{ТР}^n=\left\{Q_{ТРО}^n, t_{ТРО}^n, P_{ТРО}^n\right\}$ .

где  $Q_{ТРО}^n$ – целевой эффект n-ой операции утилизационного цикла; $t_{\text{TPO}}^n$  – временные затраты реализации n-ой операции утилизационного цикла; $P_{\text{TPO}}^n$ – ресурсные затраты реализации n-й операции утилизационного цикла.

$\begin{array}{l}{Q}_{\text{TPO}}^n=\{Q_{\text{TPmin}}^{n1}\le Q_{\text{TP}}^{n1}\le Q_{\text{TPmax}}^{n1};\\ Q_{\text{TPmin}}^{n2}\le Q_{\text{TP}}^{n2}\le Q_{\text{TPmax}}^{n2};Q_{\text{TPmin}}^{n3}\le Q_{\text{TP}}^{n3}\le Q_{\text{TPmax}}^{n3};\\ Q_{\text{TPmin}}^{n\dots }\le Q_{\text{TP}}^{n\dots }\le Q_{\text{TPmax}}^{n\dots };Q_{\text{TPmin}}^n\le Q_{\text{TP}}^n\le Q_{\text{TPmax}}^n. \end{array}$

 

$\begin{array}{l}{t}_{\text{TPO}}^n=\{t_{\text{TPmin}}^{n1}\le t_{\text{TP}}^{n1}\le t_{\text{TPmax}}^{n1};\\ t_{\text{TPmin}}^{n2}\le t_{\text{TP}}^{n2}\le t_{\text{TPmax}}^{n2};t_{\text{TPmin}}^{n3}\le t_{\text{TP}}^{n3}\le t_{\text{TPmax}}^{n3};\\ t_{\text{TPmin}}^{n\dots }\le t_{\text{TP}}^{n\dots }\le t_{\text{TPmax}}^{n\dots };t_{\text{TPmin}}^n\le t_{\text{TP}}^n\le t_{\text{TPmax}}^n. \end{array}$

 

$\begin{array}{l}{P}_{\text{TPO}}^n=\{P_{\text{TPmin}}^{n1}\le P_{\text{TP}}^{n1}\le P_{\text{TPmax}}^{n1};\\ P_{\text{TPmin}}^{n2}\le P_{\text{TP}}^{n2}\le P_{\text{TPmax}}^{n2};P_{\text{TPmin}}^{n3}\le P_{\text{TP}}^{n3}\le P_{\text{TPmax}}^{n3};\\ P_{\text{TPmin}}^{n\dots }\le P_{\text{TP}}^{n\dots }\le P_{\text{TPmax}}^{n\dots };P_{\text{TPmin}}^n\le P_{\text{TP}}^n\le P_{\text{TPmax}}^n. \end{array}$

 

После того как определены показатели достижения результата и их граничные условия, необходимо ввести функцию соответствия, характеризующую в некоторой матричной шкале степень достижения цели операции:

$\rho =f\left\{{У}_{Re}^n, {У}_{ТР}^n\right\}$ .

Степень достижения цели при выполнении операции определяется с помощью математического ожидания показателя эффективности n-й операции:

$W_i^{\text{O}\Pi }=M\left[f\left\{{У}_{Re}^n,{У}_{ТР}^n\right\}\right]$ ,

где М – математическое ожидание, определяемое через интеграл Лебега:

$M=M\left[f\left\{{У}_{Re}^n, {У}_{ТР}^n\right\}\right]=\underset{x}{\overset{}{}}\left[f\left\{{У}_{Re}^n, {У}_{ТР}^n\right\}\right]P_{\left[f\left\{{У}_{Re}^n, {У}_{ТР}^n\right\}\right]}\left(dx\right),$

где x – множество всех возможных значений $\left[f\left\{{У}_{Re}^n, {У}_{ТР}^n\right\}\right]$ .

Энергетическая эффективность – комплексный показатель результативности реализации операции или процесса, подразумевающий минимизацию удельных энергетических затрат при соблюдении накладываемых технологических ограничений. Рост энергетической эффективности технического средства или операции заключается в проведении комплекса системных мероприятий, направленных на максимизацию активной составляющей общих удельных энергетических затрат, то есть эффективного преобразования энергии из одной формы в другую, сопровождающегося достижением технологического эффекта при общей минимизации реактивных (паразитных) составляющих удельных энергетических затрат.

Первым этапом оценки энергетической эффективности является создание концептуальной модели, позволяющей определить целевые функции, факторы, способные оказывать наиболее существенное влияние на них, и ограничения, предъявляемые к исследуемому объекту с точки зрения качества.

Согласно ГОСТу Р 52777-2007 комплекс мероприятий энергетической оценки стационарных агрегатов с приводом от асинхронных электрических двигателей сводится к определению следующих показателей: активной и реактивной мощности; среднего коэффициента мощности и удельных энергозатрат (удельной энергоемкости)⁴. Однако для оценки энергетической эффективности необходимо рассмотреть конструктивно-технологические составляющие каждой операции, способные оказывать влияние на параметры назначения, регламентируемые рассмотренным ГОСТом.

Общая (номинальная) потребляемая энергия чаще всего складывается из трех основных составляющих, однако для повышения адекватности модели в ряде случаев уместно введение дополнительных параметров⁵:

N_gen = N₁ + N₂ + N₃ + … + N_n,

где N₁ – мощность, затрачиваемая на выполнение операции с требуемым технологическим эффектом, кВт; N₂ – мощность, затрачиваемая на привод рабочих органов технологических систем, кВт; N₃ – мощность, затрачиваемая на подачу технологического материала в соответствующее устройство, кВт; N_n – мощность, затрачиваемая на дополнительные технологические операции, Вт.

В общем виде мощность, затрачиваемая на выполнение операции с требуемым технологическим эффектом при утилизации свиного бесподстилочного навоза, может быть представлена как:

N₁ = N_fs + N_da+ N_sfd ,          (1)

где N_fs – удельная мощность фракционного сепаратора, кВт·час/м³; N_da – удельная мощность активатора обеззараживания жидкой фракции, кВт·час/м³; N_sfd – удельная мощность обезвоживателя твердой фракции, кВт·час/кг.

Результаты исследования

Для разработки аналитической модели энергетической эффективности рассматриваемого утилизационного цикла стоит воспользоваться тремя составляющими ее мощности, которые в общем виде представлены формулой (1).

Рассмотрим составляющие удельной мощности фракционного сепаратора свиного бесподстилочного навоза:

$N_{fs}=f\left(P_{fs},Q_{fs},\text{cos}\phi \right),$           (2)

где Р_fs – активная мощность, кВт; Q_fs – реактивная мощность, кВАр; cos φ – коэффициент мощности.

Активная мощность фракционного сепаратора свиного бесподстилочного навоза характеризуется энергией, совершившей необратимое преобразование из одной формы в другую, и определяется как интеграл, равный периоду мгновенной мощности фракционного сепаратора свиного бесподстилочного навоза p_фр.сеп.:

$P_{fs}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{{\displaystyle \int }}}{p}_{fs}dt$ ,                       (3)

$=u_{fs}\cdot i_{fs}=U_{mfs}{I}_{mfs}{\text{sin}}^2\left(\omega t+\phi \right),$     (4)

где u_fs – мгновенное значение напряжения в энергетической цепи фракционного сепаратора, В; i_fs – мгновенное значение силы тока в энергетической цепи фракционного сепаратора, А; U_mfs – амплитудное значение напряжения в энергетической цепи фракционного сепаратора, В; I_mfs – амплитудное значение силы тока в энергетической цепи фракционного сепаратора, А; ω – угловая частота колебаний электрического тока в сети, Гц;  φ – угол сдвига фаз между силой тока ϕ_i и напряжением ϕ_u:

 $\phi ={\phi }_u-{\phi }_i.$                    (5)

При этом активная мощность является функцией зависимости от группы конструктивно-технологических параметров сепаратора:

$\begin{array}{l}{P}_{fs}=f\{W_{in},Se{d}_{in},{\rho }_{in},k_{in},W_{lf},\\ Se{d}_{lf},{\rho }_{lf},k_{lf},W_{sf},Se{d}_{sf},{\rho }_{sf},k_{sf},\\ V_{wafs},t_s,n_{sfq},\left.m_{db}\right\},\end{array}$(6)

где W_in – исходная влажность свиного бесподстилочного навоза, подаваемого в сепаратор, %; Sed_in – седиментационный коэффициент, характеризующий однородность фазового портрета сепарируемого свиного бесподстилочного навоза; ρ_in – исходная плотность подаваемого в сепаратор бесподстилочного навоза, кг/м³; k_in – коэффициент, характеризующий исходное истечение свиного бесподстилочного навоза во фракционный сепаратор;W_lf – влажность жидкой фракции, отводимой из сепаратора, %; Sed_lf – седиментационный коэффициент, характеризующий однородность фазового портрета жидкой фракции; Sed_sf – седиментационный коэффициент, характеризующий однородность фазового портрета твердой фракции; ρ_lf – плотность жидкой фракции, отводимой из сепаратора, кг/м³; k_lf – коэффициент, характеризующий истечение отводимой из сепаратора жидкой фракции; W_sf – влажность твердой фракции, отводимой из сепаратора, %; ρ_sf – плотность твердой фракции, отводимой из сепаратора, кг/м³; k_sf – коэффициент, характеризующий истечение твердой фракции, отводимой из сепаратора; V_wafs – объем рабочей зоны фракционного сепаратора, м³; t_s – продолжительность сепарации, мин; n_sfq – частота вращения вала фракционного сепаратора, мин^–1; m_db – масса дисбалансов на валу фракционного сепаратора, кг.

Реактивная мощность фракционного сепаратора свиного бесподстилочного навоза характеризуется энергией, циркулирующей в контуре и каждую четверть полупериода возвращающейся к источнику при условии использования синусоидального источника напряжения промышленной циклической частоты колебаний электрического тока, и определяется как интеграл равный периоду мгновенной реактивной мощности фракционного сепаратора свиного бесподстилочного навоза q_фр.сеп.:

$Q_{fs}=\underset{0}{\overset{T}{{\displaystyle \int }}}{q}_{fs}dt,$  (7)

$=U_{mfs}{I}_{mfs}co{s}^2\left(\omega t+\phi \right)$ .         (8)

При этом реактивная мощность является функцией зависимости от группы конструктивно-технологических параметров сепаратора:

 $\begin{array}{c}{Q}_{fs}=f\{W_{in},Se{d}_{in},{\rho }_{in},k_{in},W_{lf},Se{d}_{lf},{\rho }_{lf},\\ k_{lf},W_{sf},Se{d}_{sf},{\rho }_{sf},k_{sf},V_{wafs},t_s,n_{sfq},\left.m_{db}\right\}.\end{array}$ (9)

Коэффициент, характеризующий энергетическую эффективность выполняемой операции, определяется отношением мгновенных значений активной мощности к полной, представляющей корень квадратный из суммы квадратов мгновенных значений активной и реактивной мощностей:

$\text{cos}\phi =\frac{\frac{1}{T}{{\displaystyle \int }}_0^{T}pdt}{\sqrt{{\left(\frac{1}{T}{{\displaystyle \int }}_0^{T}pdt\right)}^2+{\left({{\displaystyle \int }}_0^{T}qdt\right)}^2}}.$  (10)

Удельная мощность активатора обеззараживания жидкой фракции характеризуется функцией от энергии, совершившей необратимое преобразование из одной формы в другую, и энергии, циркулирующей в колебательном энергетическом контуре:

$N_{da}=f\left(P_{da},Q_{da},\text{cos}\phi \right).$         (11)

При этом активная мощность является функцией зависимости от группы конструктивно-технологических параметров активатора:

 $\begin{array}{l}{P}_{da}=f\left\{W,\right.Se{d}_{in},Se{d}_{lf},K_1,\\ p{H}_1,\omega ,{\rho }_{wa1},m_{wb1},K_2,p{H}_2,\\ NPK, ХПК,БПК,\text{cos}\phi ,V_{wada},\\ t_d,{\rho }_{wa2},m_{wb2},В,f_i,\left.Q_{tr}\right\}, \end{array}$ (12)

где W – влажность подаваемой фракции, %; Sed_in, Sed_lf – седиментационный коэффициент, характеризующий однородность фазового портрета фракции до и после технологического воздействия; K₁ = f (КОЕ ОКБ₁, БОЕ₁, ТТКБ₁, ТКФСТК₁) – уровень экологической нагрузки (бактериологическая обсемененность) подаваемой в активатор жидкой фракции, шт; K₂ = f (КОЕ ОКБ₂, БОЕ₂, ТТКБ₂, ТКФСТК₂) – уровень экологической нагрузки (бактериологической обсемененности) фракции до и после технологического воздействия, шт; pH₁, pH₂ – уровень рН фракции до и после технологического воздействия; ρ_wa1, ρ_wa2 – уровень заполненности рабочими телами рабочей зоны активатора до и после технологического воздействия, %; m_wb1, m_wb2 – масса рабочих тел до и после технологического воздействия, кг; ω – концентрация химического реагента, мг/л; V_wada  – объем рабочей зоны активатора обеззараживания, м³; NPK – группа параметров оценки удобрительной агрохимической ценности, %; ХПК – химическое потребление кислорода, мг/л; БПК – биологическое потребление кислорода, мг/л; t_d – продолжительность воздействия, мин; В – уровень магнитной индукции в рабочей зоне индуктора активатора, мТл; f_i – циклическая частота колебаний электрического тока в энергетической цепи устройства, Гц; Q_tr – реактивная мощность трансформатора тока энергетической цепи активатора обеззараживания, ВАр.

Физическая природа реактивной составляющей активатора обеззараживания соответствует зависимостям (7), (8), являясь при этом функцией зависимости от группы конструктивно-технологических параметров активатора обеззараживания:

$\begin{array}{l}{Q}_{da}=f\{W,Se{d}_{in},Se{d}_{lf},K_1,p{H}_1,\\ \omega ,{\rho }_{wa1},m_{wb1},K_2,p{H}_2,NPK,\\ ХПК, БПК,\text{cos}\phi ,V_{wada},t_d,\\ {\rho }_{wa2},m_{wb2},В,f_i,\left.Q_{tr}\right\}. \end{array}$ (13)

Удельная мощность обезвоживателя твердой фракции характеризуется энергией, совершившей необратимое преобразование из одной формы в другую, энергией, циркулирующей в колебательном энергетическом контуре, и их коэффициентом мощности:

$N_{sfd}=f\left(P_{sfd},Q_{sfd},\text{cos}\phi \right),$        (14)

Активная мощность обезвоживателя твердой фракции является функцией зависимости от группы конструктивно-технологических параметров:

$\begin{array}{l}{P}_{sfd}=f\{W,Se{d}_{in},Se{d}_{lf},K_1,p{H}_1,\\ K_2,p{H}_2,NPK,ХПК,БПК,ф\\ V_{wasfd},t_{sfd},f_i,n_{ssfd},\left.m_{db}\right\},\end{array}$  (15)

где V_wasfd  – объем рабочей зоны обезвоживателя твердой фракции, м³; t_sfd – продолжительность воздействия, мин; f_i – циклическая частота колебаний электрического тока в энергетической цепи обезвоживателя твердой фракции, Гц; n_ssfd  – частота вращения вала обезвоживателя твердой фракции, мин^–1.

Физическая природа реактивной составляющей обезвоживателя твердой фракции соответствует зависимостям (7), (8), при этом также являясь функцией зависимости от группы конструктивно-технологических параметров обезвоживателя твердой фракции:

$\begin{array}{l}{Q}_{sfd}=f\{W\text{,}Se{d}_{in}\text{,}Se{d}_{lf}\text{,}{K}_1\text{,}p{H}_1\text{,}\\ K_2\text{,}p{H}_2\text{,}NPK\text{,}\text{\hspace{0.17em}ХПК},БПК\text{,}\\ V_{wasfd}\text{,}{t}_{sfd}\text{,}{f}_i,n_{ssfd}\text{,}\left.m_{db}\right\}.\end{array}$ (16)

Удельные затраты мощности, направленные на вспомогательные операции (подачу свиного бесподстилочного навоза в соответствующие технические средства, реализующие основные операции, а также системы накопления/хранения и т. п.), могут складываться из следующих составляющих:

N₂ = N_trlm + N_pump + N_hom, (17)

где N_trlm – удельная мощность транспортеров бесподстилочного свиного навоза, кВт·час/м³; N_pump – удельная мощность насосов, обеспечивающих перекачивание свиного бесподстилочного навоза, кВт·час/м³; N_hom – удельная мощность гомогенизирующих устройств и других технических систем, обеспечивающих поддержание требуемого фазового состояния при отстаивании/накоплении/хранении утилизируемого материала, кВт·час/м³.

На основании анализа информационных источников установлено, что энергозатраты N₂ будут определяться прежде всего зависимостью от физико-механических свойств утилизируемого энергоносителя для всех технических средств, выполняющих вспомогательные операции [6; 7; 9; 16]:

$N_2=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{{\displaystyle \int }}}{p}_{2}dt$ ,              (18)

$=\left(U_{mtrlm}{I}_{mtrlm}{\text{sin}}^2\left(\omega t+\phi \right)\right)+$

$\begin{array}{c}+\left(U_{mpump}{I}_{mpump}{\text{sin}}^2\left(\omega t+\phi \right)+\right.\\ \left.+(U_{mhom}{I}_{mhom}{\text{sin}}^2\left(\omega t+\phi \right)\right).\end{array}$     (19)

Активная мощность технических средств, реализующих вспомогательные операции технологического цикла утилизации свиного бесподстилочного навоза, определяется:

$p_2=\frac{N_2}{\sqrt{2}}=f\left(W,t,Se{d}_{in},K_1,pH,NPK,ХПК,ХБК\right).$   (20)

Реактивная мощность технических средств, реализующих вспомогательные операции технологического цикла утилизации свиного бесподстилочного навоза, определяется:

$q_2=\frac{Q_2}{\sqrt{2}}=f\left(W,t,Se{d}_{in},K_1,pH,NPK,ХПК,ХБК\right).$ (21)

Удельные затраты мощности на привод рабочих органов технологических систем, реализующих основные операции цикла утилизации свиного бесподстилочного навоза, могут составлять порядка 25…30 % от удельной мощности, затрачиваемой на выполнение технологических воздействий, однако для уточнения этих значений необходимо провести дополнительные исследования [16; 22; 25; 26]:

N₃ = 25…30 % (N₁ + N₂).      (22)

Обсуждение и заключение

Разработка систем рационального природопользования напрямую зависит от рациональности использования потенциальных энергоносителей, таких как свиной бесподстилочный навоз. Неоспоримой является важность повышения энергетической эффективности и экологизации утилизационных циклов подобных систем.

Обобщив результаты анализа составляющих энергетической эффективности при экологически безопасном утилизационном цикле свиного бесподстилочного навоза, получили концептуальную модель, включающую следующие составляющие:

$\begin{array}{l}{N}_{ulm}^{m+a}=\{N_{fs}=f\left(P_{fs},Q_{fs},\text{cos}\phi \right),\\ N_{da}=f\left(P_{da},Q_{da},\text{cos}\phi \right),\\ N_{sfd}=f\left(P_{sfd},Q_{sfd},\text{cos}\phi \right),\end{array}$    (23)

где N_fs – концептуальная модель удельной мощности фракционного сепаратора свиного бесподстилочного навоза:

$\begin{array}{l}Nfs=\frac{1}{T}{\displaystyle {\int }_0^T{p}_{fs}dtf}\left(W_{in},Se{d}_{in},{\rho }_{in},\right.k_{in},W_{lf},Se{d}_{lf},{\rho }_{lf},k_{lf},W_{sf},Se{d}_{sf},{\rho }_{sf},k_{sf},\left.V_{wafs},t_s,n_{sfq},m_{db}\right)+\\ +\underset{0}{\overset{T}{{\displaystyle \int }}}{q}_{fs}dtf\left(W_{in},Se{d}_{in},{\rho }_{in},k_{in},\right.W_{lf},Se{d}_{lf},{\rho }_{lf},k_{lf},W_{sf},Se{d}_{sf},\left.{\rho }_{sf},k_{sf},V_{wafs},t_s,n_{sfq},m_{db}\right)+\frac{P_{fs}}{\sqrt{{\left(P_{fs}\right)}^2+{\left(Q_{fs}\right)}^2}}\end{array}$(24)

N_da – концептуальная модель удельной мощности активатора обеззараживания жидкой фракции:

$\begin{array}{l}{N}_{da}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{{\displaystyle \int }}}{p}_{da}dtf\left(W,Se{d}_{in},Se{d}_{lf},\right.K_1,p{H}_1,\omega ,{\rho }_{wa1},m_{wb1},K_2,p{H}_2,NPK,ХПК,ХБК,\text{cos}\phi ,V_{wada},\left.t_d,{\rho }_{wa2},m_{wb2},\text{B},f_i,Q_{tr}\right)+\\ +\underset{0}{\overset{T}{{\displaystyle \int }}}{q}_{da}dtf\left(W,Se{d}_{in},Se{d}_{lf},K_1,\right.p{H}_1,\omega ,{\rho }_{wa1},m_{wb1},K_2,p{H}_2,NPK,ХПК,ХБК,\text{cos}\phi ,V_{wada},\left.t_d,{\rho }_{wa2},m_{wb2},\text{B},f_i,Q_{tr}\right)+\\ +\frac{P_{da}}{\sqrt{{\left(P_{da}\right)}^2+{\left(Q_{da}\right)}^2}}. \left(25\right)\end{array}$

Удельная мощность N_drWB, затрачиваемая на привод рабочих органов, будет составлять:

$N_{drWB}=25\dots 30\%(N_{ulm}^{m+a}),$        (26)

$N=N_{ulm}^{m+a}+N_{drWB}$ .           (27)

Концептуальная модель операционных воздействий при получении экологически безопасного утилизационного свиного бесподстилочного навоза позволяет определить составляющие удельных энергетических затрат при определенных факторах.

Разработанная модель позволит повысить энергетическую эффективность при разработке, проектировании и эксплуатации технологии переработки жидкого свиного навоза путем выявления факторов способных оказывать влияние на операционные воздействия на каждом из этапов.

Зависимости (24), (25), (26) представляет собой исходные данные для проведения факторного анализа и определения их влияния на обозначенные целевые функции с последующим получением статистических моделей, позволяющих определить рациональные параметры операционных воздействий.

Полученные концептуальные основы энергетической эффективности при экологически безопасной утилизации свиного бесподстилочного навоза позволяют предложить системную методику определения целевых функций в виде векторов целеполагания, граничных условий и условий достижения на основании теории потенциальной эффективности.

Следующим этапом развития данного направления является разработка автоматизированного программного комплекса, формирующего концептуальную модель энергетической эффективности в зависимости от накладываемых условий в виде графоаналитического представления распределения удельных энергетических затрат по категориям.

Практическая значимость работы подтверждена выявленными и категорированными системами факторов в зависимости от типа функционального воздействия операции утилизационного цикла свиного бесподстилочного навоза, что может представлять исходные данные для формирования частных методик исследования и создания статистических моделей при экологически безопасной утилизации.

 

 

¹           Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации: Указ Президента РФ от 21 января 2020 г. № 20 [Электронный ресурс]. URL: http://base.garant.ru/73438425/ (дата обращения: 03.08.2020).

²           Логвиненко Д. Д., Шеляков О. П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Техника, 1976. 113 с.; Вершинин И. Н., Вершинин Н. П. Аппараты с вращающимся электромагнитным полем. Сальск, 2007. 368 с.; Адошев А. И. Ферровихревой аппарат для обеззараживания жидкого свиного навоза: дис. ... канд. техн. наук. Ставрополь, 2011. 190 с.

³           Кокорев Г. Д. Повышение эффективности системы технической эксплуатации автомобилей в сельском хозяйстве на основе инженерно-кибернетического подхода: дис. ... д-ра. техн. наук. Саранск, 2014. 457 с.; Надежность и эффективность в технике. Методология. Организация. Терминология: справочник / Под ред. А. И. Рембезы. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

⁴           ГОСТ Р 52777-2007. Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки.

⁵           Успенский И. А. Основы совершенствования технологического процесса и снижения энергозатрат картофелеуборочных машин: дис. ... д-ра. техн. наук. Москва, 1997. 396 с.

 

Sobre autores

Nikolay Byshov

Ryazan State Agrotechnological University Named after P. A. Kostychev

Email: byshov@rgatu.ru
ORCID ID: 0000-0002-4619-6446
Researcher ID: B-8363-2019

Professor of Chair of Machine Park Operation, D.Sc. (Engineering)

Rússia, 1 Kostychev St., Ryazan 390044

Ivan Uspenskiy

Ryazan State Agrotechnological University Named after P. A. Kostychev

Autor responsável pela correspondência
Email: ivan.uspensckij@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-4343-0444
Scopus Author ID: 57193743041
Researcher ID: B-7990-2019

Head of Chair of Technical Operation of Transport, D.Sc. (Engineering), Professor

Rússia, 1 Kostychev St., Ryazan 390044

Ivan Yukhin

Ryazan State Agrotechnological University Named after P. A. Kostychev

Email: vestnik_mrsu@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-3822-0928
Researcher ID: Q-8188-2017

Head of Chair of Machine Park Operation, D.Sc. (Engineering), Associate Professor

Rússia, 1 Kostychev St., Ryazan 390044

Mikhail Chatkin

National Research Mordovia State University

Email: chatkinm@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-3758-7066
Researcher ID: O-7004-2018

Professor of Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery, D.Sc. (Engineering)

Rússia, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Nikolay Limarenko

Don State Technical University

Email: limarenkodstu@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0003-3075-2572
Researcher ID: O-5342-2017

Associate Professor of Chair of Electrical Engineering and Electronics, Ph.D. (Engineering),

Rússia, 1 Gagarin Square, Rostov-on-Don 344000

Bibliografia

Arquivos suplementares