Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Исследования и разработки в области использования топливной древесины 9
1.2. Исследования в области способов производства топливной щепы 11
1.3. Исследования и разработки в области оборудования для производства топливной щепы 16
1.4. Физико-механические свойства и теплотехнические характеристики топливной древесины 22
1.5. Выводы и задачи исследования 28
2. Исследование ресурсов и влажности топливной древесины 30
2.1. Ресурсы топливной древесины в Приволжском федеральном округе 30
2.2. Цель и задачи полевых наблюдений за изменением влажности древесного сырья топливного назначения в процессе сезонного хранения 32
2.3. Методика полевых наблюдений за естественной сушкой пачек деревьев на лесосеке 34
2.4. Результаты полевых наблюдений и условия их корректного использования 39
2.5. Выводы по разделу 2 49
3. Теоретическое исследование измельчающе-транспортной машины для производства сухой топливной щепы на лесосеке 51
3.1. Описание измельчающе-транспортной машины для заготовки подсушенной топливной щепы на лесосеке 51
3.2. Математическая модель функционирования ИТМ с газогенераторным двигателем Стирлинга 58
3.2.1. Математическая модель динамики ИТМ 58
3.2.2. Математическая модель контейнера-сушилки 62
3.2.3. Математическая модель газогенератора 66
3.2.4. Математическая модель двигателя Стирлинга 68
3.2.5. Математическая модель рубительной установки и манипулятора 70
3.2.6. Математическая модель природно-производственных условий лесосеки 72
3.3. Выводы по разделу 3 73
4. Теоретическое исследование технологических процессов производства сухой топливной щепы на лесосеке 74
4.1. Методика расчета мощности двигателя Стирлинга ИТМ 74
4.2. Системы машин и технология производства сухой топливной щепы на лесосеке 76
4.3. Обоснование критериев оптимизации параметров ИТМ 81
4.4. Вычислительный эксперимент на математической модели работы ИТМ 84
4.4.1. Разработка плана вычислительного эксперимента 84
4.4.2 Результаты вычислительного эксперимента и их анализ 87
4.5. Оптимизация основных конструктивных параметров двигателя Стирлинга ИТМ 92
4.6. Выводы по разделу 4 98
5. Экспериментальные исследования физической модели контейнера-сушилки ИТМ 100
5.1. Цель и задачи экспериментального исследования 100
5.2. Применение теории подобия и размерности для определения масштабов моделирования при исследовании накопительного контейнера-сушилки ИТМ 100
5.3. Описание экспериментальной установки 104
5.4. Планирование эксперимента 106
5.5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 108
5.6. Выводы по разделу 5 119
6. Оценка экономической эффективности разработанных решений 120
6.1. Сравнение системы машин с ИТМ с базовым вариантом системы машин 120
6.2. Экономический эффект применения ИТМ с двигателем на щепе 125
6.3. Экономический эффект естественной сушки топливной древесины и конвективной сушки щепы 126
6.4. Выводы по разделу 6 129
Основные выводы, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы 131
Заключение 133
Список литературы 134
Приложение А. Таблицы с результатами измерений влажности древесины 158
Приложение Б. Расчётные модули математической модели функционирования ИТМ 182
Приложение В. Планы вычислительных экспериментов на математической модели функционирования ИТМ 186
Приложение Г. Ранжирование факторов полнофакторного эксперимента 188
Приложение Д. Патент на изобретение 190
Приложение Ж. Патент на полезную модель 192
Приложение И. Акт об использовании результатов научных исследований 194
Приложение К. Акт о проведении производственной проверки 195
Приложение Л. Акт внедрения результатов диссертационной работы 196
Приложение М. Расчёт экономической эффективности применения ИТМ при рубках ухода и санитарных рубках 197
- Исследования в области способов производства топливной щепы
- Описание измельчающе-транспортной машины для заготовки подсушенной топливной щепы на лесосеке
- Оптимизация основных конструктивных параметров двигателя Стирлинга ИТМ
- Сравнение системы машин с ИТМ с базовым вариантом системы машин
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Комплексное использование древесных ресурсов является важным условием повышения эффективности лесного комплекса России. Значительным резервом в этом направлении является низкокачественная дровяная древесина, составляющая не менее 20-25 % от объема лесозаготовок. Эта древесина и древесные отходы, а также ресурсный потенциал энергетических лесных плантаций могут использоваться для производства топливной щепы – топлива для экологически чистой энергетики. За последние 5 лет в России введено в эксплуатацию несколько десятков достаточно крупных коммунальных котельных на топливной щепе, эксплуатация которых показала перспективность использования топливной щепы. Она также используется для производства топливных гранул, брикетов, газообразных и жидких топлив. В настоящее время, несмотря на работы, выполненные МГУЛом, СПбГЛТА, ЦНИИМЭ, КНИТУ, ВНПОлеспромом, ПетрГУ, ВГЛТА, КарНИИЛПом, ПГТУ, СА-ФУ и др., ресурсы древесного топлива используются не в полном объеме.
Использование низкокачественной древесины в энергетических целях сдерживается недостаточной эффективностью технологий и технических средств для производства древесного топлива, основанных на использовании машин и оборудования с двигателями внутреннего сгорания на дорогих не возобновляемых топливах, даже когда возможно использование ресурсов имеющегося древесного топлива. Возможность такого использования обеспечивается двигателями внешнего сгорания. Перспективно также применение модульного принципа компоновки технологического комплекса машин для производства щепы на лесосеке, обеспечивающего высокий коэффициент загрузки базового оборудования.
Не решена проблема влажности щепы из лесосечных отходов и древесины энергетических плантаций. Тепловые выбросы двигателей машин для производства топливной щепы имеют достаточный потенциал для подсушки производимой щепы, однако не разработаны технические решения, позволяющие это реализовать на практике, и не исследована их эффективность. Естественная сушка имеет большой потенциал в снижении влагосодержания топливной древесины, но для эффективного её применения при производстве топливной щепы на лесосеке недостаточно эмпирических данных и не установлены математические зависимости для прогнозирования изменения влажности топливной древесины, учитывающие влияние атмосферных осадков при открытом хранении. Разрешению этих научных противоречий посвящено данное исследование.
Разработка технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности производства топливной щепы на лесосеке актуальная задача, имеющая научную и практическую значимость.
Степень разработанности темы. Важный вклад в развитие науки в области технологий и оборудования для производства топливной щепы внесли ученые: Ю.Ю. Герасимов, В.С. Сюнёв, А.П. Соколов,
С.П. Карпачев, Ю.В. Суханов, А.А. Селиверстов, В.Н. Баклагин, L. Sikanen, A. Asikainen, М.В. Гомонай, Ю.А. Ширнин, П.М. Мазуркин, И.Р. Шегельман, С.Б. Васильев, С.О. Глядяев, В.В. Сергеев, Н.Ф. Тимерба-ев, Р.Г. Сафин, Д.А. Плотников, В.Н. Диденко и др. Особое внимание разработке машин для производства древесного топлива уделено в работах А.Н. Сухих, Д.А. Плотникова, В.Н. Диденко, С.В. Фокина. В известных трудах не разработаны технические средства для производства сухой топливной щепы на лесосеке с приводами от двигателей внешнего сгорания, использующими часть производимой щепы в качестве топлива.
Целью работы является повышение эффективности производства топливной щепы на лесосеке путём применения модульной измельчающе-транспортной машины (ИТМ) с двигателем внешнего сгорания, выполняющей операции измельчения древес ного сырья, транспортировки щепы, сушки щепы тепловыми выбросами двигателя.
Задачи исследования:
-
разработать технические и технологические решения ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке с энергообеспечением от двигателя Стирлинга на древесном топливе и утилизацией тепловых выбросов двигателя в накопительном контейнере-сушилке щепы;
-
разработать математическую модель, устанавливающую взаимосвязи между конструктивно-технологическими параметрами ИТМ, режимами её работы, природно-производственными условиями и показателями эффективности работы при производстве сухой топливной щепы на лесосеке;
-
разработать методику расчета и оптимизации мощности газогенераторного двигателя Стирлинга ИТМ с использованием критериев эффек -тивности работы при производстве сухой топливной щепы на лесосеке;
-
провести полевые исследования изменения влагосодержания древесного сырья топливного назначения во время сезонного хранения в зависимости от количества атмосферных осадков, испарения воды с поверхности и среднего диаметра деревьев в пачках;
5) провести лабораторные экспериментальные исследования сушки
щепы в физической модели накопительного контейнера-сушилки ИТМ с
помощью тепловых выбросов двигателя Стирлинга для оценки адекватно
сти и достоверности полученных математических зависимостей и провер
ки работоспособности разработанных технических решений.
Объект исследования: техническая система для переработки древесного сырья в топливную щепу на лесосеке.
Предмет исследования: зависимости между конструктивно-технологическими параметрами, природно-производственными условиями и показателями эффективности ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке с энергообеспечением от двигателя Стирлинга.
Методология и методы исследования. Математическое моделирование механических и теплотехнических систем с использованием уравнений Лагранжа второго рода, тепловых и материальных балансов; физиче-4
ское моделирование с применением теории подобия и размерностей. При экспериментальных исследованиях использовались методы математического планирования экспериментов и статистической обработки данных.
Научная новизна работы:
-
разработаны новые технические и технологические решения ИТМ для производства топливной щепы на лесосеке, отличающиеся применением газогенераторного двигателя Стирлинга и накопительного контейнера-сушилки с утилизацией тепловых выбросов двигателя для сушки щепы;
-
разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязи между конструктивно-технологическими параметрами ИТМ, режимами её работы, природно-производственными условиями и показателями эффективности функционирования при производстве сухой топливной щепы на лесосеке, отличающаяся учетом особенностей газогенераторного двигателя Стирлинга для привода ИТМ и сушки щепы его тепловыми выбросами;
-
разработана методика расчёта и оптимизации необходимой мощности газогенераторного двигателя Стирлинга ИТМ, отличающаяся использованием удельной материалоёмкости процесса производства щепы на лесосеке и его суммарного КПД в качестве критериев оптимизации;
-
на основе полевых наблюдений получены регрессионные уравнения, характеризующие изменение влагосодержания древесного сырья топливного назначения при сезонном хранении в зависимости от испарения воды с поверхности с учётом среднего диаметра деревьев в пачках, отличающиеся учетом влияния количества атмосферных осадков;
-
на основе лабораторных экспериментальных исследований физической модели накопительного контейнера-сушилки ИТМ получена регрессионная зависимость снижения влажности щепы от параметров сушильного агента и её начальной влажности, отличающаяся учетом особенностей предложенной конструкции контейнера-сушилки.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
технические и технологические решения по совершенствованию процессов производства топливной щепы с использованием ИТМ, обеспечивающие снижение влажности производимой щепы и повышающие энергоэффективность технологического процесса;
-
математическая модель функционирования ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке с энергообеспечением от газогенераторного двигателя Стирлинга;
-
методика расчета параметров ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке с газогенераторным двигателем Стирлинга и накопительным контейнером-сушилкой;
-
результаты полевых исследований естественной сушки древесного сырья топливного назначения и лабораторных исследований сушки щепы в контейнере-сушилке ИТМ, уточняющие математические зависимости показателей эффективности машины от конструктивно-технологических параметров машины и природно-производственных условий.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Результаты диссертации по паспорту специальности 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» соответствуют пунктам: 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» и 7 «Разработка технологий и систем машин, обеспечивающих комплексное использование древесного сырья и отходов в технологических и энергетических целях».
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена их не противоречием имеющимся знаниям в области переработки древесины в топливную щепу, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические положения базируются на законах механики, тепломассообмена, закономерностях функционирования технологических машин при выполнении лесосечных работ. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена использованием методов теории подобия и математического планирования.
Теоретическая значимость работы заключается в определении математических зависимостей, позволяющих решать оптимизационные задачи, касающиеся эффективности производства топливной щепы на лесосеке с применением ИТМ, имеющей энергообеспечение от газогенераторного двигателя Стирлинга; регрессионных зависимостей, позволяющих определять оптимальную продолжительность сезонного хранения древесного сырья топливного назначения при различных параметрах окружающей среды.
Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке технических и технологических решений ИТМ, обеспечивающих повышение эффективности производства топливной щепы на лесосеке; полученные экспериментальные и аналитические зависимости могут быть использованы при проектировании машин для производства сухой топливной щепы с приводом от газогенераторных двигателей Стирлинга.
Личное участие автора в получении результатов состоит в определении целей и задач исследования, в разработке математических моделей функционирования ИТМ, методик исследований, проведении экспериментов, обработке результатов, анализе выявленных закономерностей и формулировке выводов, а также в разработке технических решений ИТМ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Международных научных молодежных конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2012-2017 гг.); научных конференциях ППС, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ (Йошкар-Ола, 2014-2017 гг.); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2012-2013 гг.); Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2015); Международной научно-технической конференции «Лесозаготовительное производство: проблемы и решения» (Минск, 2017).
Реализация результатов работы. Разработанные математические модели, технические и технологические решения использовались ООО «Мартрэйд», учебно-опытным лесхозом ФГБОУ ВО «ПГТУ». Разработанные математические модели используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «ПГТУ» при подготовке бакалавров направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» в курсе «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».
Публикации. Основные результаты опубликованы в 19 работах объемом 8,92 п.л., авторский вклад 6,39 п.л., в т.ч. 3 статьи в научных изданиях, из перечня ВАК РФ (2,18 п.л.), 2 статьи в журналах из Web of Science и Scopus (1,4 п.л.), 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 260 наименований, из них 26 на иностранном языке; содержит 157 страниц печатного текста, 47 иллюстраций, 32 таблицы, 10 приложений на 48 страницах.
Исследования в области способов производства топливной щепы
Исследованиями проблем совершенствования технологий получения древесной щепы занимались ученые МГУЛ, ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, Северный (Арктический) федеральный университет, ПетрГУ, КарНИИЛП, Воронежская ГЛТА, ПГТУ, Братский государственный университет, Тихоокеанский государственный университет и др., в частности этими вопросами занимались: Сюнв В.С., Карпачев С.П., Суханов Ю.В., Плотников Д.А., Орлов В.В, Герасимов Ю.Ю., Соколов А.П., Баклагин В.Н. (разработка технологий и технических средств производства топливной щепы) [21-23; 36; 45; 59; 60; 63-68; 70-74; 154; 174; 175; 178; 191; 194 196]; Васильев С.Б. (технологии и оборудование производства щепы [28-30]); Гомонай М.В. (ресурсосберегающие технологии измельчения древесины на щепу [48]); Мазуркин П.М., Шегельман И.Р., Щеголева Л.В., (моделирование технологических процессов и функциональный анализ технологий производства топливной щепы) [83; 85-87; 220-222; 233]; Полянин И.А. (технологии производства щепы из пневой древесины [137]); и др.
Использование древесного сырья топливного назначения включает несколько этапов: заготовку, транспортировку, обработку, непосредственное использование с получением энергии [131]. Механическая переработка топливной древесины выполняется всегда и предшествует последующей обработке. Прежде всего это измельчение древесины до частиц примерно одинакового размера, что делается для удобства и эффективности транспортировки и последующего использования. Измельчение производится с помощью специальных рубительных машин. В последние десятилетия в мире, в особенности в странах Американского континента, а также в некоторых европейских (в т. ч. скандинавских) странах рынок мобильных рубительных машин активно развивается, техника совершенствуется, и пользователям предлагаются все более удобные и производительные мобильные рубительные машины для различных областей применения [215]. Широко распространены мобильные рубительные машины, способные измельчать деревья на лесосеке целиком [61; 112; 174; 194; 257]. Вырабатываемая щепа при этом подается в большегрузные автощеповозы [112; 195].
В настоящее время получение топливной щепы может быть как самостоятельным производством, так и побочным. Сырьем может являться: древесное сырье, полученное в результате санитарных рубок и рубок ухода; порубочные остатки (кора, сучья, пни, верхушки деревьев, тонкомеры, дефектная древесина); древесина специальных энергетических плантаций; отходы лесопиления и деревообработки (щепа, горбыль, кусковые отходы) [30].
Рассмотрим технологические процессы, осуществляемые при заготовке щепы из порубочных остатков и из целых деревьев.
Сейчас применяются несколько технологий производства топливной щепы из порубочных остатков при сортиментной заготовке:
1. Сбор порубочных остатков различными подборщиками и трелевка их на верхний склад, погрузочную площадку или терминал с помощью форвардера, трактора с манипулятором и прицепом или специальным подборщиком лесосечных отходов, рубка остатков в щепу передвижной рубительной машиной и вывозка щеповозом.
2. Сбор порубочных остатков и трелевка их на погрузочную площадку, складирование в куче у дороги, погрузка у дороги в автопоезд, рубка остатков в щепу рубительной машиной у потребителя или на нижнем складе [188; 189; 194].
3. Сбор порубочных остатков, обвязка и уплотнение с помощью специальной пакетирующей машины [62], вывозка пакетов форвардером, складирование пакетов у дороги и доставка потребителю плотно обвязанных пакетов отходов лесозаготовок с помощью грузового автотранспорта, измельчение в щепу с помощью стационарной рубительной машины [188; 189; 194].
4. Сбор порубочных остатков и измельчение непосредственно на лесосеке с помощью самоходной рубительной машины на базе форвардера с контейнером или другой мобильной рубительной машины, доставка потребителю топливной щепы щеповозом. Данная технология различается по способу транспортировки щепы: а) мобильная рубительная машина имеет накопительный бункер для щепы мкостью от 10 до 30 м3, который после заполнения разгружается в контейнер щеповоза большей мкости;
б) также был предложен вариант загрузки щепы мобильной рубительной машиной на базе трактора в мягкие контерейнеры, которые оставляются на лесосеке в том месте, где были заполнены и находятся там некоторое время. Контейнеры со щепой собираются и доставляются потребителю [54]. К недостаткам такого способа можно отнести трудоемкость процесса загрузки и выгрузки щепы из мягкого контейнера, а также необходимость для этого дополнительного оборудования.
При разработке энергетических плантаций при сплошной рубке деревья срезаются и укладываются в пачки, в которых лежат некоторое время, для того чтобы опала зелень и произошла естественная сушка древесины. Например, в Дании [72] спиленные деревья оставляют на месте на срок от 3 до 6 месяцев. Тот факт, что иголкам хвойных деревьев дают возможность опасть перед разделкой срубленного леса, позволяет максимально завершить экологический цикл, поскольку эти иголки содержат много питательных веществ. Это также сводит к минимуму выбросы оксидов азота в энергоустановках. Кроме того, при понижении влагосодержания, транспортировка и хранение сухого продукта осуществляется проще и дешевле. В среднем влагосодержание ели понижается с 58% с момента рубки леса до 45% через несколько месяцев, когда из нее получают щепу [72]. Затем возможны несколько вариантов последующей обработки:
1) Если это тонкомерные деревья, то возможна обвязка и уплотнение с помощью специальной пакетирующей машины, вывозка пакетов форвардером, складирование пакетов у дороги и доставка потребителю плотно обвязанных пакетов отходов лесозаготовок с помощью грузового автотранспорта, измельчение в щепу с помощью стационарной рубительной у потребителя.
К недостаткам этого способа следует отнести высокую стоимость специальной пакетирующей машины, а к преимуществам довольно высокую плотность пакетов сравнимую с насыпной плотностью щепы и то, что не измельченная древесина в отличие от щепы способна долго храниться даже на открытом воздухе.
2) Трелевка деревьев на площадку, примыкающую к дороге, складирование в штабеле, измельчение с помощью передвижной рубительной машины и транспортировка щепы.
3) Измельчение деревьев на лесосеке с помощью самоходной рубительной машины с накопительным контейнером и манипулятором, трелевка с помощью не щепы до погрузочной площадки, выгрузка в больший по объму контейнер и транспортировка потребителю щеповозом. К преимуществам этого варианта следует отнести наименьшее количество машин в системе.
4) Измельчение деревьев на лесосеке с помощью передвижной рубительной машины, заполнение пустых контейнеров, сбор полных контейнеров трактором и транспортировка их на площадку у дороги, доставка с площадки к рубительной машине пустых контейнеров, сбор на полощадке полных контейнеров с помощью тягача или трактора и доставка щепы потребителю.
К преимуществам этого варианта следует отнести отсутствие холостых ходов рубительной машины, практически безостановочную е работу и, следовательно, высокую производительность. К недостаткам следует отнести многочисленные операции отцепления и прицепления контейнеров при вывозке щепы.
Общим для всех технологий использования порубочных остатков является измельчение древесины до фракций определенного размера.
Известно, что с повышением влажности древесины выше предела гигроскопичности е объем увеличивается, а при изменении влажности в пределах от 0% до 30% объм увеличивается незначительно - на 2-4% [47; 72]. Следовательно снижение затрат на транспортировку сухой щепы обусловлено не только снижением е массы, но и уменьшением занимаемого объма. Таким образом, целесообразным является производство сухой топливной щепы непосредственно на лесосеке.
Описание измельчающе-транспортной машины для заготовки подсушенной топливной щепы на лесосеке
Разработана конструкция ИТМ по производству подсушенной топливной щепы с энергообеспечением от двигателя Стирлинга [125, 126]. Устройство ИТМ представлено на рисунке 3.1. ИТМ включает базовую машину 1, на которой размещены кабина оператора 2, двигатель Стирлинга 3 и газогенератор 4; рубительный модуль 5, на котором установлены рубительный агрегат 6 с приемным окном 7, щепопровод 8, манипулятор 9 с рабочим органом 10; и прицеп 11, на котором установлен накопительный контейнер-сушилка 12, соединнный с двигателем Стирлинга воздуховодом 13, а с газогенератором гибким шнековым транспортером 14.
В процессе работы ИТМ в агрегате с прицепом и рубительным модулем подъезжает к дереву, срезает его и валит (манипулятор с захватно-срезающим устройством); или подъезжает к уже сформированной пачке деревьев и захватывает одно дерево (манипулятор с грейферным захватом). Манипулятором обрабатываемое дерево податся в приемное окно рубительного агрегата для измельчения в щепу. Далее щепа по щепопроводу направляется в контейнер-сушилку. Воздух после охладителя двигателя в смеси с дымовыми газами подается по воздуховоду в контейнер-сушилку в качестве сушильного агента. Периодически щепа подается из контейнера в газогенератор для его дозагрузки с помощью гибкого шнекового транспортера. При заполнении контейнера-сушилки рубительный модуль отцепляется от базовой машины, и машина транспортирует щепу к погрузочному пункту, где она перегружается в контейнер автощеповоза.
Применение в конструкции ИТМ двигателя Стирлинга обусловлено его лучшей приспособленностью к работе на генераторном газе из древесного топлива. Генераторный газ производится в газогенераторе, в котором происходит термохимическая реакция газификации древесного топлива. Полученный генераторный газ без охлаждения сжигается частично этой же газогенераторной установке, основная часть сжигается в камере сгорания нагревателя двигателя Стирлинга.
Тепловая энергия, выделяющаяся в процессе горения генераторного газа в газогенераторе, используется для осуществления термического разложения древесного топлива, находящегося в газогенераторе. Тепловая энергия, выделяющаяся в процессе горения генераторного газа в камере сгорания нагревателя двигателя Стирлинга, используется для подвода тепловой энергии в цикл двигателя Стирлинга. Образовавшиеся после сжигания генераторного газа дымовые газы увлекаются по принципу эжекции потоком воздуха, предварительно подогретым в холодильнике двигателя Стирлинга. Получившаяся смесь теплого воздуха и горячих дымовых газов податся в накопительный контейнер-сушилку для щепы по воздуховоду, где используется в качестве сушильного агента.
Предлагается использовать часть производимой топливной щепы на собственные нужды установки. Для этого разработаны и запатентованы схемно-конструктивные решения энергетической установки на древесном топливе (рисунок 3.2) [9-11, 127] для энергообеспечения ИТМ.
Энергетическая установка на древесном топливе для ИТМ по производству подсушенной топливной щепы состоит из двигателя Стирлинга 1 с камерой сгорания 2 и холодильником 3, газовой горелки 4, камеры сгорания 2, газогенератора 5, соединенного магистралью генераторного газа 6 с газовой горелкой 4, циклона 7 для очистки генераторного газа, установленного в газовой магистрали 6 на выходе генераторного газа из газогенератора, магистрали уходящих дымовых газов 8, по которой дымовые газы из камеры сгорания 4 через рекуператор 9 направляются в накопительный бункер топливной щепы 10, компрессора 11, нагнетающего атмосферный воздух через рекуператор 9 в газогенератор 5 и горелку 4, рекуператора 9, служащего для передачи теплоты от уходящих дымовых газов к воздуху, подаваемому к газовой горелке 4 и в газогенератор 5, шнекового питателя 12, транспортирующего щепу из накопительного бункера топливной щепы 10 в газогенератор 5, клапана 13, регулирующего расход воздуха в газогенератор, маховика 14, соединен с валом двигателя Стирлинга 1, электрогенератора переменного напряжения 15, выпрямителя напряжения 16, аккумулятора электроэнергии 17, электрического двигателя постоянного тока 18 запитанного от аккумулятора электроэнергии, выводов электрической энергии постоянного напряжения 19, раздаточной коробки 20, которая обеспечивает передачу механической энергии от маховика 14 к электрогенератору 15, к валу отбора мощности на гидростанцию 21, к валу отбора мощности на движитель 22, к валу отбора мощности на рубительную установку 23, вентилятора охлаждения 24 нагнетающого охлаждающий атмосферный воздух в холодильник 3, магистрали охлаждающего воздуха 25, по которой воздух из холодильника 3 направляется в бункер топливной щепы 10, смеситель теплообменника 26, в котором охлаждающий воздух из магистрали 25 и уходящие дымовые газы смешиваются перед поступлением в бункер 10.
Схема энергетического баланса системы автономного энергообеспечения ИТМ для производства сухой топливной щепы во время измельчения (шасси не задействовано) представлена на рисунке 3.3.
Энергетическая установка (рис. 3.2) на древесном топливе для ИТМ для производства сухой топливной щепы работает следующим образом: Запуск установки начинается с загрузки газогенератора 5 топливной щепой. Загрузка щепы в газогенератор производится с помощью шнека 12, подающего щепу из накопительного бункера топливной щепы 10. Далее происходит розжиг газогенератора 5. В процессе розжига, а также в процессе работы газогенератора, воздух, необходимый для термо-химических реакций происходящих в нм, нагнетается с помощью вентилятора 11. Регулирование интенсивности происходящих реакций преобразования топлива в газогенераторе осуществляется с помощью регулирования расхода воздуха клапаном подачи воздуха 13. Воздух перед подачей в газогенератор и горелку 4 нагревается в рекуператоре 9, который является теплообменником-утилизатором теплоты уходящих дымовых газов двигателя.
Генераторный газ, полученный в газогенераторе, сначала проходит очистку в циклоне 7 от твердых частиц, далее поступает через магистраль генераторного газа 6, на сжигание в горячем состоянии с помощью газовой горелки 4 в камере сгорания 2 двигателя Стирлинга. В зависимости от режима работы установки может быть различие между мгновенной производительностью газогенератора по выработке топливного газа и моментальным потреблением его двигателем Стирлинга, поэтому некоторое количество генераторного газа может быть аккумулировано в циклоне. Таким образом обеспечивается некоторая маневренность двигателя Стирлинга.
Двигатель Стирлинга 1 осуществляет свой рабочий цикл за счт нагрева в камере сгорания 2 и охлаждения холодильника 3. Охлаждение происходит с помощью атмосферного воздуха нагнетаемого в холодильник 3 вентилятором 24. Охлаждающий воздух после нагрева в холодильнике 3 по магистрали 25 направляется в смесительный теплообменник 26. Дымовые газы, образовавшиеся в камере сгорания 2, после рекуператора 9 по магистрали уходящих газов 8 также направляются в смесительный теплообменник 26, в котором они смешиваются с охлаждающим двигатель Стирлинга воздухом. Получившаяся газовая смесь поступает в бункер 10 для подсушки находящейся в нм щепы. Таким образом, утилизируется тепловая энергия охлаждающего воздуха и дымовых газов.
Механическая энергия, производимая двигателем Стирлинга 1, передается на маховик 14. Маховик 14 аккумулирует механическую энергию, вырабатываемую двигателем Стирлинга. Вал маховика соединен с раздаточной коробкой 20. Раздаточная коробка распределяет механическую энергию с маховика и двигателя Стирлинга между потребителями. Потребителями механической энергии в мобильной рубительной машине являются: электрогенератор, насосы гидростанции, движитель (самоходное шасси) и рубительная установка. Электрогенератор работает практически постоянно насосы гидростанции во время работы гидравлических приводов механизмов, движитель во время перемещения движения машины, рубительная установка во время измельчения.
Оптимизация основных конструктивных параметров двигателя Стирлинга ИТМ
Использование газогенераторного двигателя Стирлинга для энергообеспечения ИТМ обуславливает необходимость определения его основных конструктивных параметров с учетом особенностей щепы в качестве топлива. Методом Шмидта для анализа двигателей работающих по циклу Стирлинга произведн расчт оптимального конструктивного параметра – фазового угла. Представленная ниже информационная модель, позволяет определять основные конструктивные параметры двух поршневого двигателя Стирлинг компоновочной модификации альфа.
Основными независимо выбираемыми друг от друга конструктивными параметрами являются: отношение температур в полости сжатия и расширения, отношение рабочих объемов в полостях сжатия и расширения, отношение мертвого объема к рабочему объему, фазовый угол (это определяющий угол, на который изменение объема полости расширения опережает изменение объема полости сжатия), максимальное давление рабочего тела, частота вращения вала двигателя, диаметр и ход поршня в полости расширения. Имеется прямая зависимость мощности двигателя Стирлинга любой модификации от максимального давления рабочего тела и рабочего объема, чем больше рабочий объм, описываемый поршнями в цилиндрах и чем больше давление в системе, тем выше мощность. Кроме того, на мощность двигателя влияют и другие вышеперечисленные основные конструктивные параметры, однако влияние этих параметров не так очевидно.
Существуют оптимальные значения отношения рабочих объемов и фазового угла, при которых двигатель имеет наибольшую удельную мощность параметров. Оптимальные значения этих параметров зависят от отношения температур и отношения мертвого объема к рабочему. Рассчитанные на ЭВМ оптимальные значения этих параметров приведены в частности в работе [179]. Сначала задатся отношение температур в полости сжатия и расширения и отношения суммарного мертвого объема к суммарному рабочему объему. Это объясняется тем, что варьирование данных параметров ограничено внешними условиями и материалами. Максимальная температура в полости расширения ограничена температурой горения топлива и пределом напряжений в материале из которого изготавливается нагреватель и горячий цилиндр. Величина суммарного мртвого объема (нижний е предел) ограничена необходимой поверхностью теплообмена в нагревателе, холодильнике и рекуператоре.
Далее приведена информационная модель двигателя Стирлинга, реализованная в Mathcad, позволяющая подбирать оптимальные конструктивные параметры двигателя ИТМ для производства сухой топливной щепы, нагреватель которого предназначен для работы на генераторном газе.
Температура газа в регенераторе, К 2
Температура газа в мертвом объеме, К
TD := TR
Удельная газовая постоянная, Дж/(кгК)
R;= 28"
Рабочий объем полости расширения, м3
VSE:= 0.0013
Рабочий объем полости сжатия, м3
VSC:= 0.000
Объем полости нагревателя, м3
VH:= 0.0002
Объем полости регенератора, м3
VR:= 0.0001
Объем полости холодильника, м3
VK:= 0.0004
Фазовый угол, рад
а := 0,0.1..2- тг
Угол поворота кривошипа, отсчитывается от нижней мертвой точки горячего поршня по часовой стрелке, рад
ф := 0,0.1..2- тг
Суммарная мощность двигателя по Шмидту, Вт PSRa) := 4 P(a)
На рисунке 4.12 представлена зависимость мощности двигателя Стирлинга от фазового угла. По данной диаграмме можно определить оптимальный фазовый угол при прочих неизменных конструктивных параметрах двигателя, соответствующий максимальной мощности.
Определение оптимального фазового угла, соответствующего максимальной полезной мощности, рад
График на рисунке 4.12 представляет собой кривую близкую к синусоиде с областями положительной и отрицательной работы.
Из графика видно, что оптимальное значение фазового угла находится в диапазоне 1,35– 2,2 радиан (77,3-126 град.). Максимальное значение мощности соответствует фазовому углу в 1,808 рад. (103,64 град.).
Изменение фазового угла может быть использовано в качестве способа регулирования мощности двигателя Стирлинга в процессе его работы.
В таблице 4.7 представлены результаты вычислительного эксперимента осуществленного с помощью представленной выше информационной модели двигателя Стирлинга альфа модификации.
Сравнение системы машин с ИТМ с базовым вариантом системы машин
Рассчитан экономический эффект от использования ИТМ с автономным энергообеспечением от двигателя Стирлинга в системе машин для производства топливной щепы на лесосеке при санитарных рубках и рубках ухода интенсивностью более 30%.
Выбор базового варианта систем машин для сравнения и оценки эффективности разработанной ИТМ основан на результатах исследований и рекомендациях по выбору систем машин опубликованных в современных работах. Отмечается, что при машинизации рубок ухода с учетом биоэнергетики в хвойных древостоях III и IV бонитетов целесообразно использование двух технологий лесозаготовок: а) заготовка древесины целыми тонкомерными деревьями с использованием валочно-пакетирующей машины (работа харвестера в режиме ВПМ) и форвардера, трелюющего древесину на погрузочную площадку, где она перерабатывается рубительной машиной в щепу; б) альтернативой выступают системы машин, где вместе с валочно-пакетирующей машиной работает мобильная рубительная машина с накопительным контейнером, непосредственно передвигающаяся по делянке [188, 189].
Таким образом, за базовый вариант производства щепы из лесосечных отходов при сплошных и выборочных санитарных рубках, рубках ухода, проходных рубках и сплошных рубках в энергетических лесных плантациях выбрана система машин, состоящая из харвестера с валочно-пакетирующей головкой с накопителем стволов, форвардера, передвижной рубительной машины на погрузочной площадке, автощеповоза с двумя контейнерами.
Предлагается 2 варианта систем машин для производства щепы на лесосеке с использованием ИТМ. Вариант 1 системы машин состоит из харвестера с валочно-пакетирующей головкой с накопителем стволов, ИТМ с захватным устройством, рубительным модулем и накопительным контейнером и автощеповоза с двумя контейнерами. Вариант 2 системы машин состоит из ИТМ с захватно-срезающим устройством, рубительным модулем и накопительным контейнером и автощеповоза с двумя контейнерами.
В таблице 6.1 представлен сравнительный расчт потребного количества машин и рабочей силы в лесозаготовительной бригаде по базовому и предлагаемым вариантам комплектования системы машин.
Схема технологического процесса для указанных двух вариантов систем машин представлена в таблице 6.2.
Показатели работы машин и механизмов по рассматриваемым вариантам, приведены в Приложении М в таблицах М.1, М.3 и М.5 Производительность машин принята на основе имеющихся данных.
Основные параметры сравниваемых инвестиционных проектов приведены в табл. 6.3–6.8.
Предполагается покупка техники с использованием замных средств по лизингу на 7 лет.
Суммарные прямые издержки на производство единицы продукции по двум сравниваемым вариантам инвестиционных проектов представлены в таблице 6.8.
Таблицы расчта основных экономических показателей рассматриваемых инвестиционных проектов представлены в таблицах М.2, М.4 и М.6 Приложения М.
Интегральные показатели рассматриваемых инвестиционных проектов, рассчитанные на период 84 месяца, приведены в табл. 6.9.
Сравнительный анализ основных финансовых показателей инвестиционных проектов с базовой системой машин и предложенными системами машин показал, что базовый вариант системы машин при производстве только топливной щепы при проведении рубок ухода и санитарных рубках экономически не целесообразен из-за высоких капитальных вложений, значительных эксплуатационных издержек и не высокой производительности.
Проектируемые варианты экономически более выгодны из-за снижения затрат на покупку моторного топлива благодаря энергообеспечению ИТМ от газогенераторного двигателя Стирлинга на топливной щепе. При стоимости топливной щепы отгружаемой на склад потребителю в 750 рублей за плотный кубический метр предприятие может получать чистой прибыли по сравнению с существующей технологией на 2097 тыс. р. в год больше при использовании первого предлагаемого варианта системы машин и на 4643 тыс. р. в год больше при использовании второго предлагаемого варианта системы машин.
Чистый приведнный (дисконтированный) доход за 7 лет при внедрении ИТМ с автономным энергообеспечением от двигателя Стирлинга и накопительным контейнером-сушилкой для производства сухой топливной щепы от рубок ухода и санитарных рубок при объеме производства в 23 тыс. м3 в год составит 4411 тыс. р по первому предлагаемому варианту системы машин и 19217 тыс. р по второму предлагаемому варианту системы машин.