10806

такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте.

Исходя из приведенного выше определения можно отметить, что при моделировании обязательно замещение моделируемого объекта другим либо материально-вещественным, либо идеальной – мысленно воображаемой моделью. Применениями идеальных моделей являются мысленные модели, возникающие в сознании человека в процессе познавания, а их носительчеловеческий мозг и те процессы, которые связаны с созданием образов.

Эти модели можно разделить на физические, математические и кибернетические мысленные модели. Первые являются как совокупность наглядно-физических понятий: молекулы, давления, энтальпии и т.д.;

Вторыесовокупность математических структур: уравнений, неравенств, схем, графов и т. п., а третьисовокупность образных, знаковых и образно-знаковых понятий для изучения закономерностей процессов управления и передачи информации в объектах.

Геометрические модели дают внешнее представление натуры и служат, как правило, для демонстрации целей. Они показывают принцип действия, взаимное расположение частей, процесс сборки и разборки, компоновку объекта. Примерами геометрических моделей являются макеты различных машин сооружений и т.д.

Физические и математические модели предназначены для определения в них численных значений величин, характеризующих поведение моделируемого объекта в натуре. Математических вид моделей включает аналоговые и структурные модели, цифровые вычислительные машины, комбинированные вычислительные и функционально кибернетические устройства. В отличии от физически подобных моделей, имеющих ту же, что и оригинал, физическую породу, математические подобные модели, при различной их физической природе, основаны на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале.

Кибернетическое моделирование, в отличии от математического,

характеризуется большим разнообразием приемов. Так, в одних случаях кибернетические модели, осуществленные на функциональном подобии с оригиналом, удаляются строить лишь на идентичности выполняемых моделью и оригиналом функций, а изучение их основано на исследовании соотношений входа и выхода моделей

Математическое моделирование является методом описания процессов с количественной и качественной стороны с помощью математических моделей. При построении математической модели реальное явление упрощается, схематизируется, а полученная схема описывается в зависимости от сложности явления с помощью

180

математического аппарата. В модели должны быть учтены все наиболее существенные факторы, влияющие на процесс, и вместе с тем она не должна быть загромождена множеством мелких, второстепенных факторов, учет которых только усложнит математический анализ и сделает исследования трудообозримыми.

Математическое описание, составляющее структуру модели, в зависимости от процесса представляют в виде системы конечных или дифференциальных уравнений. При этом необходимо соблюдать следующие правила:

-уравнений должно быть столько (не больше и не меньше), сколько имеется неизвестных величин, определяющих поведение физической системы;

-любое уравнение может быть решено относительно какой-то неизвестной величины в том случае, когда остальные входящие в него неизвестные величины получены из других уравнений;

-каждое уравнение решается относительно наиболее значимой из входящих в него переменных; при её выборе надо руководствоваться физическими аспектами задачи.

Для определения выходных параметров в зависимости от входных из уравнений, т. е. строгая система вычислений, которая после определенного числа шагов приводит к окончательному решению.

Основные виды математических моделей

Виды математических моделей определяются конкретными условиями осуществления процесса в выбранной аппаратуре. По своей природе процессы разделяются на детерминированные и стохастические.

Детерминированными называют такие процессы, в которых определяющие величины изменяются непрерывно по вполне определенным закономерностям. При этом значение выходной величин, характеризующей процесс, однозначно определяется значением входной величины. Для описания детерминированных процессов применяют методы классического анализа и численные методы.

Стохастическими называются такие процессы, в которых изменение определяющих величин происходит беспорядочно и часто дискретно. При этом значение выходной величины не находится в соответствии с входной. Для описания стохастических процессов используют статистическивероятностные методы.

Основные формулы, использующиеся для расчетов тепловых моделей и процессов:

Уравнение Лапласа для поверхностного натяжения

-Где R1 и R2 – два радиуса кривизны.

181

-Кривизна поверхности считается положительной

-σ-коэффициент поверхностного натяжения

-Pп-давление на жидкость

Закон Фурье

-Знак «минус» обозначает, что векторы теплового потока и градиента температуры разнонаправленные, значит теплота передается в направлении спада температуры.

-q- плотность теплового потока

-λ- коэффициент теплопроводности

Литература

1.М.А. Михеев, И.М. Михеева. Основы теплопередачи. Издательство «Энергия», 1977г. – 344 с.

2.В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейдин. Техническая термодинамика. Издательский дом МЭИ 2008г. – 496с.

Н.А. Ракова, А.А. Смыков

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет», г. Нижний Новгород, Россия

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА О. КРИТ

В связи с сокращением природных запасов ископаемых источников энергии и ухудшением экологической ситуации всё большее распространение получают возобновляемые источники энергии. Также, актуальным, в современной экономике, является вопрос зелёного роста, то есть роста экономик за счёт использования энергоэффективных технологий, в том числе с использованием возобновляемых источников энергии [1].

Согласно Российской нормативной базе, а в частности ст. 3 Федерального закона «Об электроэнергетике» [2], к возобновляемым источникам энергии относятся:

-солнечная энергия;

-энергия ветра;

-энергия различных вод;

-энергия волн;

-тепловая энергия земли;

-энергия воздуха;

-энергия биомасс;

182

- энергия растений.

Также к данной категории относятся отходы производства и потребления, кроме отходов, которые получены в процессе использования углеводородного сырья и топлива.

В России возобновляемые источники получили широкое распространение лишь в разрезе использования энергии рек. В связи с богатыми запасами нефти и газа, и, следовательно, их низкой стоимостью, а также тяжёлыми климатическими условиями, другие виды возобновляемых источников энергии не получили должного распространения.

Наиболее часто возобновляемые источники энергии, в частности ветровая и солнечная энергетика, используются в странах, которые расположены в тропиках и субтропиках, например, в Греции. Наибольший уровень внедрения солнечная и ветровая энергетика получила в одном из регионов Греции – на острове Крит.

Площадь острова составляет 8261,183 км2, на острове постоянно проживают 623065 человек. Среднемесячная температура колеблется от + 12,2 °С в январе до + 26,4 °С в июле по данным метеостанции № 16754, расположенной в аэропорте столицы Крита – г. Ираклион [3]. Статистика плотности солнечной радиации на о. Крит приведена в Таблице и на Рисунке 1.

Таблица. Статистика плотности солнечной радиации на о. Крит

183

Рис. 1. Статистика плотности солнечной радиации на о. Крит

Остров Крит может являться образцовым примером успешной реализации программы возобновляемых источников энергии в Европе. На данный момент возобновляемая энергия составляет 28 % от общей установленной мощности. Установлены ветроэлектрогенераторы общей мощностью 200,31 МВт и солнечные батареи, суммарная мощность которых 78,29 МВт. Также на острове Крит используются одна гидроэлектростанция мощностью 0,3 МВт и завод по производству биогаза, установочная мощностью которого достигает 0,5 МВт [4].

Рис. 2. Ветроэлектрогенераторы в окрестностях города Агиа Варвара, префектура г. Ираклион

184

Рис. 3. Солнечная электростанция в окрестностях города Тимбаки, префектура г. Ираклион

Помимо промышленной энергетики на о. Крит распространено использование бытового оборудования, для получения энергии из возобновляемых источников энергии: солнечных коллекторов, солнечных батарей, малых ветроэлектрогенераторов. По собранной авторами статистике в посёлке Аммудара, префектура г. Ираклион, солнечные коллекторы установлены на 79 % зданий (доверительная вероятность выборки – 90 %, доверительный интервал выборки – 5 %); солнечные батареи установлены на 7 % зданий (доверительная вероятность выборки – 90 %, доверительный интервал выборки – 5 %); использование малых ветроэлектрогенераторов в конкретном посёлке не обнаружено.

Рис. 4. Пример использования бытовых солнечных коллекторов в посёлке Аммудара (префектура г. Ираклион)

Вывод. Использование возобновляемых источников энергии является одним из факторов, обеспечивающих безопасность и независимость государства. Пример о. Крит показывает, что широкое

185

использование возобновляемых источников энергии возможно, и является экономически-обоснованным. Опыт региона Греции – острова Крит можно и нужно использовать для внедрения возобновляемых источников энергии в России, в особенности в южных регионах, таких как Краснодарский край, республики Чечня и Дагестан, а также на территории республики Крым, где вопрос поставок энергии стоит особо остро.

Литература

1.Егорова, М.С. Развитие возобновляемых источников энергии – мировой опыт и российская практика / М.С. Егорова // Вестник науки Сибири.

–2013. – Вып. 3 (9). – С. 146-150. Стройиздат, 1985. – 464 с.

2.Федеральный закон от 26.03.2003 N 35-Ф3 (ред. от 06.12.2011) «Об электроэнергетике» (с изм. и доп., вступающими в силу с 06.01.2012). [Электронный ресурс] URL: www.minenergo.samregion.ru (дата обращения: 01.10.2018).

3.Annual electricity production from a P/V station. [Электронный ресурс] // URL: http://www.aiolikigi.gr (дата обращения 01.10.2018).

4.Christos J. Emmanouilides, Theano Sgouromalli. Renewable Energy Sources in Crete: Economic Valuation Results from a Stated Choice Experiment // Procedia Technology. Volume 8, 2013, Pages 406-415.

Н.А. Сенькова, И.Г. Ведягин

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет», г. Нижний Новгород, Россия

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Альтернативные (возобновляемые) источники энергии все увереннее входят в повседневную жизнь современного человека. К таким нетрадиционным источникам энергии относится биогаз, который получают в специальных установках и используют для получения различных видов энергии, используемых человеком в процессе жизнедеятельности (теплота, электричество). Биогаз, который является экологически чистым топливом, получают в биогазовых установках, представляющих из себя комплекс технических сооружений и аппаратов, объединенных в единый технологический цикл.

Комплектация биогазовой установки может быть различной, в зависимости от ее мощности, вида сырья и получаемого конечного продукта в виде тепловой или электрической энергии, обоих видов энергии или только биогаза. Единственный фактор, который влияет на

186

необходимость и возможность установки подобного агрегата в том или ином месте, это наличие достаточного количества органического сырья, необходимого для работы устройства.

Принцип работы биогазовой установки заключается в переработке органических отходов в условиях отсутствия кислорода (анаэробных условиях). Анаэробное сбраживание или ферментация осуществляется в герметичной емкости обычно цилиндричекой формы (реакторе, метантеке). Для эффективного сбраживания необходимо поддерживать постоянную повышенную температуру субстрата (35-40 °С) и осуществлять перемешивание субстрата.

В настоящей статье авторами представлено описание технологического оборудования и сооружений биогазовых комплексов

Система подачи сырья. Насосное оборудование предназначено для подачи органического сырья в систему биогазовой установки, а также выгрузку перебродившей биомассы и возврата фильтрата.

Оборудование смонтировано таким образом, чтобы к нему всегда был доступ для осуществления сервисных работ. Насосы оборудованы редукторным приводом, а за работу электрического привода отвечают частотные преобразователи. Статор подающего насоса укомплектован приёмной камерой, что позволяет равномерную загрузку. Подающий шнек насоса изготовлен из высокопрочной, износостойкой стали и присоединён специальным сцепляющим механизмом к приводу через мощную подшипниковую стойку с системой самоцентровки. Все насосы системы имеют модульное исполнение и низкие эксплуатационные затраты.

Бетонный ферментатор. Ферментаторы выполнены из монолитного железобетона на сульфатостойком цементе с толщиной стен и днища 250 мм. Перекрытие ферментаторов исполнено в виде деревянного настила из доски по деревянным балкам, в центре ферментатора установлена центральная колонна с капителью. Балки опираются на стены и центральную колонну с капителью. На стену балка опирается при помощи кронштейна, а на капитель – телом. По настилу перекрытия уложен утеплитель из пенополистирольных плит толщиной 50 мм для теплоизоляции ёмкости брожения. Дно резервуара имеет уклон 2 % к центру для улучшения условий разгрузки и перемешивания.

Для полной выгрузки перебродившего субстрата в днище ферментатора предусмотрен трубопровод. Стены и днище резервуара имеют систему отопления для подогрева биомассы в пределах 37-38 °С, для обеспечения процесса брожения в мезофильном режиме.

Свеча сжигания биогаза. Система сжигания биогаза предназначена для его сжигания, в случае если не доступна его утилизация в когенерационной установке, системе очистки биогаза или котле с целью отопления, таким образом, предотвращается возможность утечки биогаза в атмосферу. Излишки газа сжигаются, как только система получает

187

соответствующий сигнал. Обычно этот сигнал подаётся системой контроля заполнения газгольдера. Как только газгольдер достигает максимального уровня заполнения, соответствующий сигнал подаётся на систему сжигания биогаза.

Когенератор. Когенерационная установка (КГУ) – это модуль, который производит электрическую и тепловую энергию одновременно.

Отличительной чертой КГУ является высокий показатель КПД по общей производимой энергии, который может достигать 80-85 %.

Принцип работы КГУ основан на производстве электрической энергии при помощи генератора и двигателя внутреннего сгорания, при этом отбирается полезная тепловая энергия, которая снимается с рубашки охлаждения двигателя и горячих выхлопных газов.

Смешивающее оборудование. Системы перемешивания предназначены для тщательного перемешивания субстратов и производства биогаза в бетонных ферментаторах, ёмкостях для хранения переброженой массы. Для оптимальной работы ферментатора и производства биогаза необходима эффективная циркуляция субстрата внутри ферментатора. Системы перемешивания разработаны специально для работы в биогазовых ферментаторах. Оптимальное перемешивание, которое не вредит бактериям, достигается при помощи специальной конструкции винта. С помощью перемешивания не образовывается плотный верхний слой, что позволяет биогазу легко выходить на поверхность, а субстрат не осаждается.

Газгольдер. Система газгольдера имеет двухслойную конструкцию. Внешний купол-чехол, устойчив к ультрафиолетовому излучению и атмосферным осадкам.

Внутренняя мембрана, которая непосредственно контактирует с биогазом. Она растягивается под давлением вырабатываемого биогаза. В пространство между внешним и внутренним куполом закачивается воздух для создания давления на внутренний газгольдер, а также для придания формы внешнему защитному куполу. Давление биогаза внутри газгольдера составляет от 200 до 500 Па

Сепаратор. Шнековый сепаратор используется для разделения твёрдой и жидкой фракции переброженой массы. Подача на сепаратор производится насосом. Лопасти шнека продвигают сепарируемый слой к выходу сепаратора. Трение твёрдой пробки в цилиндрической насадке и двойной клапан регулятора выхода создают сопротивление на выходе твёрдой фракции и обеспечивают прессование.

Технические показатели рассмотренной биогазовой установки. Данная биогазовая установка будет перерабатывать 20 т/сутки природного навоза крупного рогатого скота как основного сырья для производства биогаза. Суточное производство биогаза составит 1220 м3. Количество энергии и органических удобрений будет следующим:

188

–электрическая энергия 1 012 600 кВт∙ч в год;

–тепловая энергия 1 477 400 кВт∙ч в год;

–твёрдые удобрения (вл. 70 %) 2372 тонн в год;

–жидкие удобрения (вл. 99 %) 4416 тонн в год.

Производимая электрическая энергия может подаваться в общую сеть энергоснабжения или использоваться для собственных нужд предприятия. Тепловая энергия будет использоваться для нужд биогазовой установки и молочного цеха. Органические удобрения после биогазовой установки могут быть сразу использованы без необходимости дополнительной подготовки либо хранения. Как ценный продукт органические удобрения могут реализовываться местным фермерам либо на своих землях для замены минеральных удобрений.

Экономическая эффективность использования биогазовой установки. Биогазовые установки могут быть экономически выгодными при условии реализации всех продуктов установки: электроэнергии, теплоты, органических удобрений. Биогазовые технологии не только поддерживают государственную экономику и качество окружающей среды, но и предоставляет местному населению возможности для улучшения жизненных условий и благосостояния. Улучшаются санитарные условия и здоровье населения, а также качество продуктов питания, выращенных без химических препаратов.

Анализ проведения авторами результатов расчетов экономического эффекта при применении биогазовых установок позволил установить следующее.

1.Стоимость проектной документации, пуско-наладки и авторского надзора 69 000 €.

2.Стоимость строительной части БГУ – 276 000 €.

3.Стоимость оборудования – 522 000 €.

4.Эксплутационные затраты в год с учетом зарплат сотрудников и персонала – 10 000 € в год.

5.Затраты на покупку сырья для работы станции – 0 €.

6.Доход от реализации электроэнергии и удобрений – 321 721 €.

7.Ориентировочная прибыль за год - 311 721 €.

8.Срок окупаемости проекта – 2,8 лет.

Выводы по проведенным исследованиям. Биогазовые установки обеспечивают утилизацию отходов и прямым образом улучшают санитарную и гигиеническую ситуацию в стране и для индивидуальных фермерских хозяйств в частности.

Литература 1. Мариненко, Е.Е. Основы получения и использования биотоплива

для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в

189