Обоснование параметров конструкции и режима работы машины для заготовки щепы на лесосеке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат наук Анисимов Павел Николаевич

• Анисимов Павел Николаевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Анисимов Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Исследования и разработки в области использования топливной древесины

1.2. Исследования в области способов производства топливной щепы

1.3. Исследования и разработки в области оборудования для производства топливной щепы

1.4. Физико-механические свойства и теплотехнические характеристики топливной древесины

1.5. Выводы и задачи исследования

2. Исследование ресурсов и влажности топливной древесины

2.1. Ресурсы топливной древесины в Приволжском федеральном округе

2.2. Цель и задачи полевых наблюдений за изменением влажности древесного сырья топливного назначения в процессе сезонного хранения

2.3. Методика полевых наблюдений за естественной сушкой пачек деревьев на лесосеке

2.4. Результаты полевых наблюдений и условия их корректного использования

2.5. Выводы по разделу

3. Теоретическое исследование измельчающе-транспортной машины для производства сухой топливной щепы на лесосеке

3.1. Описание измельчающе-транспортной машины для заготовки подсушенной топливной щепы на лесосеке

3.2. Математическая модель функционирования ИТМ с газогенераторным двигателем Стирлинга

3.2.1. Математическая модель динамики ИТМ

3.2.2. Математическая модель контейнера-сушилки

3.2.3. Математическая модель газогенератора

3.2.4. Математическая модель двигателя Стирлинга

3.2.5. Математическая модель рубительной установки и манипулятора

3.2.6. Математическая модель природно-производственных условий лесосеки

3.3. Выводы по разделу

4. Теоретическое исследование технологических процессов производства сухой топливной щепы на лесосеке

4.1. Методика расчета мощности двигателя Стирлинга ИТМ

4.2. Системы машин и технология производства сухой топливной щепы на лесосеке

4.3. Обоснование критериев оптимизации параметров ИТМ

4.4. Вычислительный эксперимент на математической модели работы ИТМ

4.4.1. Разработка плана вычислительного эксперимента

4.4.2 Результаты вычислительного эксперимента и их анализ

4.5. Оптимизация основных конструктивных параметров двигателя Стирлинга ИТМ

4.6. Выводы по разделу

5. Экспериментальные исследования физической модели контейнера-сушилки ИТМ

5.1. Цель и задачи экспериментального исследования

5.2. Применение теории подобия и размерности для определения масштабов моделирования при исследовании накопительного контейнера-сушилки ИТМ

5.3. Описание экспериментальной установки

5.4. Планирование эксперимента

5.5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ

5.6. Выводы по разделу

6. Оценка экономической эффективности разработанных решений

6.1. Сравнение системы машин с ИТМ с базовым вариантом системы машин

6.2. Экономический эффект применения ИТМ с двигателем на щепе

6.3. Экономический эффект естественной сушки топливной древесины и конвективной сушки щепы

6.4. Выводы по разделу

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ТАБЛИЦЫ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ИЗМЕРЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РАСЧЁТНЫЕ МОДУЛИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИТМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПЛАНЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИТМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. РАНЖИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ ПОЛНОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

ПРИЛОЖЕНИЕ И. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ К. АКТ О ПРОВЕДЕНИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРОВЕРКИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Л. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ М. РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИТМ ПРИ РУБКАХ УХОДА И САНИТАРНЫХ РУБКАХ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров конструкции и режима работы машины для заготовки щепы на лесосеке»

ВВЕДЕНИЕ

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 [25-27, 47, 120]. Эта древесина и древесные отходы, а также ресурсный потенциал энергетических лесных плантаций [111-113, 116, 118] могут использоваться для производства топливной щепы [8, 21, 28-31, 47] - топлива для экологически чистой энергетики [99, 103]. 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 [15, 20, 63, 92, 103, 110, 146]. 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, САФУ [2, 16-18, 21, 22, 27-31, 36-44, 47, 52, 54-56, 59-72, 77-107, 109-119, 121-138, 140144, 148-173, 175-183, 187-201, 206-210, 183, 185-200, 202-204] и др., ресурсы древесного топлива используются не в полном объеме [36, 37, 53].

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 [6-8, 30, 203, 208-212, 216-219], 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, А. Asikainen, М.В. Гомонай, Ю.А. Ширнин, П.М. Мазуркин, И.Р. Шегельман, С.Б. Васильев, С.О. Глядяев, В.В. Сергеев, Н.Ф. Тимербаев, 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. В известных работах 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 древесного сырья, транспортировки щепы, сушки щепы тепловыми выбросами двигателя.

Задачи исследования:

1 ) 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;

2) 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;

3) разработать методику расчета и оптимизации мощности газогенераторного двигателя Стирлинга ИТМ с использованием критериев эффективности работы при производстве сухой топливной щепы на лесосеке;

4) 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 адекватности и достоверности полученных математических зависимостей и проверки 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.

Научная новизна работы:

1) 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;

2) 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;

3) 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;

4) 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;

5) 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.

Методология и методы исследования. Математическое моделирование механических и теплотехнических систем с использованием уравнений Лагранжа второго рода, тепловых и материальных балансов; физическое моделирование с применением теории подобия и размерностей. При экспериментальных исследованиях использовались методы математического планирования экспериментов и статистической обработки данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) технические и технологические решения по совершенствованию процессов производства топливной щепы с использованием ИТМ, обеспечивающие снижение влажности производимой щепы и повышающие энергоэффективность технологического процесса;

2) математическая модель функционирования ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке с энергообеспечением от газогенераторного двигателя Стирлинга;

3) методика расчета параметров ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке с газогенераторным двигателем Стирлинга и накопительным контейнером-сушилкой;

4) 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 щепы с приводом от газогенераторных двигателей Стирлинга.

Личное участие автора в получении результатов состоит в определении целей и задач исследования, в разработке математических моделей, разработке методики и проведении экспериментов, обработке полученных результатов, анализе выявленных закономерностей и формулировке выводов, а также в разработке технических решений ИТМ.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на всероссийских научных студенческих конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2012-2016 гг.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ (Йошкар-Ола, 20142016 гг.); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2012-2013 гг.); Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2015 г.); образовательном Форуме проектных траекторий в рамках всероссийского конкурса «Моя страна - моя Россия» (Москва, 2015 г.); XXI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2015 г); Поволжском лесном форуме (Йошкар-Ола, 2016 г); 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 изданиях входящих в международные реферативные базы данных Scopus, Web of Science (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.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Исследования и разработки в области использования топливной древесины

Топливная щепа используется непосредственно в качестве твердого биотоплива и в качестве сырья для производства других видов газообразных, жидких и твердых видов топлива на основе древесины. Различные виды древесного топлива, полученные из щепы, находят применение в качестве энергетического и моторного топлива.

Во многих странах, обладающих древесными ресурсами, проводятся исследования в области получения и использования топлив на основе древесины. Наиболее значимые достижения получены в СССР и России, Австрии, Швеции, США, Финляндии, Германии, Дании, Японии, Испании [3; 15; 31; 44; 45; 56; 61-64; 71; 72; 77; 78; 82; 109-112; 130; 154; 160169; 172; 179-183; 185; 188-191; 194-196; 207-209; 211; 238-260]. Достижения в этой области позволяют с достаточно высокой эффективностью использовать энергетический потенциал древесных растений для производства тепловой и электрической энергии.

В настоящее время успешно эксплуатируются в котельных и ТЭЦ различные топочные устройства и котельные агрегаты, предназначенные для сжигания различных видов твёрдого древесного топлива, имеющие широкий диапазон мощностей. Наиболее мощные паровые и водогрейные котлы используют древесное топливо в виде щепы, которая сжигается в топках с подвижной колосниковой решеткой, а также в топках псевдоожиженного слоя и циркулирующего кипящего слоя. Также в котельных и мини-ТЭЦ широкого диапазона мощностей применяются газификаторы биомассы для получения генераторного газа [31] из древесного сырья с целью сжигания в топочных камерах и в тепловых двигателях.

Потребление древесной щепы для получения энергии в настоящее время возрастает во всём мире и в России в частности. Правительством РФ разработан и утвержден в 2013 году план мероприятий по созданию благоприятных условий для использования возобновляемых древесных источников для производства тепловой и электрической энергии.

Наибольшая доля выработки тепловой энергии за счет древесного топлива в Северо -западом и Сибирском федеральных округах [203]. Лидерами в области лесной биоэнергетики являются республики Коми, Карелия; Архангельская, Вологодская и Ленинградская области. В республике Коми в настоящее время 35 отопительных котельных работают на биотопливе, к 2021 их количество году планируется увеличить до 96; при этом объем потребление топливной щепы в республике возрастет с 55 до 141 тыс. пл. м3 [44]. В Архангельской области в настоящее время с угля на биотопливо переведено 43 муниципальных котельных, построено 8 котельных изначально спроектированных для биотоплива; планируется и дальше переводить угольные

котельные на древесное топливо [15]. В Вологодской области планируется перевести на пеллеты и брикеты порядка восьми десятков отопительных котельных, построить 20 новых котельных и увеличить производство электроэнергии из древесного сырья на мини-ТЭЦ до 22 МВт [185].

В последние годы в России, в том числе и в Марий Эл, малые угольные котельные повсеместно реконструировались и переводились на природный газ [203], стоимость доставки угля в оставшиеся котельные значительно возросла. Для населенных пунктов, в которых отсутствует централизованное газоснабжение, реальной альтернативой является реконструкция отопительных котельных в мини-ТЭЦ с переводом на местное древесное топливо, а именно щепу из лесосечных отходов и отходов лесопильных и деревообрабатывающих производств.

В настоящее время в республике функционирует 43 поселковых угольных отопительных котельных. Кроме двух котельных, имеющих автоматизированную подачу угля, все котельные имеют твердотопливные котлы с ручной загрузкой топлива с низким КПД порядка 55-70%. Большинство угольных котельных в обозримом будущем не планируется переводить на природный газ. Общая установленная мощность данных котельных 57 МВт, отпуск тепловой энергии 200 тыс. Гкал/год, потребление угля 40-50 тыс. т у.т. /год.

С учетом КПД производства тепловой энергии, энергетический потенциал лесосечных отходов и отходов лесопиления при текущих объёмах лесозаготовки в Марий Эл составляет -540 тыс. Гкал в год или -100 Гкал/час или -116 МВт установленной тепловой мощности в отопительный период. Следовательно, энергетического потенциала местного возобновляемого топлива достаточно, чтобы все угольные котельные Марий Эл были реконструированы с увеличением мощности в мини-ТЭЦ или водогрейные котельные на топливной щепе.

Существующие в республике твердотопливные котельные централизованного теплоснабжения предназначены для сжигания кускового угля на колосниковой решетке. Также способны работать со снижением мощности и КПД на дровах и не приспособлены для сжигания топливной щепы. Переоборудование существующих угольных котельных в автоматизированные котельные на топливной щепе и организация производства и доставки топливной щепы до котельных требует существенных капиталовложений. Однако высокая стоимость угля, наличие морально и физически устаревших котельных с ручной загрузкой угля и наличие местного древесного топлива позволяют сделать вывод о перспективности данного вопроса. Следует разработать план по переводу нескольких наименее эффективных угольных котельных территориально расположенных наиболее близко к источнику древесного топлива.

Вне зависимости от конструктивных особенностей котельных агрегатов отопительные котельные ТЭЦ на древесном топливе имеют общие недостатки. Это высокие удельные затраты на транспортировку топлива, большие площади хранения древесного топлива, риски связанные

с ухудшением теплотехнических характеристик топлива в процессе хранения, дополнительные затраты при хранении топлива, связанные с его повышенной влажностью (ворошение, предварительная сушка), конструктивная сложность топочных устройств.

Перечисленные недостатки древесного топлива, кроме больших площадей топливных складов, являются следствием высокой влажности древесного топлива и могут быть сведены к минимуму благодаря производству подсушенной топливной щепы.

Современные стационарные и мобильные энергетические установки на древесном топливе имеют высокий КПД, сравнимый с эффективностью установок, работающих на каменном угле.

Для энергообеспечения лесных машин могут быть использованы двигатели внешнего и внутреннего сгорания на генераторном газе. При этом двигатели внешнего сгорания, работающие по термодинамическому циклу Стирлинга, отмечаются как наиболее перспективные для использования низкокачественного биотоплива в энергоустановках малой мощности.

Опыт использования древесного топлива показал перспективность топливной щепы и генераторного газа в качестве топлива энергетических установок, как стационарных, так и предназначеных для энергообеспечения специализированных лесных машин.

1.2. 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: Сюнёв 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; 194196]; 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 ёмкостью от 10 до 30 м3, который после заполнения разгружается в контейнер щеповоза большей ёмкости;

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:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Анисимов Павел Николаевич, 2017 год

п - я

где wil - фактические результаты измерений, w)l - теоретические значения параметра вычисленные с использованием корреляционно-регрессионной модели, g - число независимых факторов модели, в нашем случае для модели сушки сосны g =3 (суммарные атмосферные

осадки Р, суммарное испарение с поверхности воды Е, диаметр древесины Б), для модели сушки березы g =2 (факторы Р и Е).

8е

Величина ошибки -^—^ • 100% и значения влажности древесины представлены в

теап^ц)

таблице 2.4.

Таблица 2.4

Сравнение фактических и теоретических значений влажности древесины

Пачка №1 Пачка №2 (сосна Пачка №3 (сосна Пачка №4

(сосна D=7 см) D=11 см) D=15 см) (береза D=14 см)

Факт. Теор. Факт. Теор. Факт. Теор. Факт. Теор.

влажн, влажн., влажн, влажн., влажн, влажн., влажн, влажн.,

% % % % % % % %

Дата Щз ™г4

01.апр 53,0 51,5 49.8 46

01.май 53,8 55,3 52,4 53,7 50,5 51,9 46,8 47,2

01.июн 36,3 35,9 37,2 36,4 37,3 36,4 34,7 34,9

01.июл 25,6 26,1 27,8 28,1 29,2 29,4 28,6 27,7

01.авг 38,1 36,9 39,6 38,2 39,9 38,8 35,8 35,3

01.сен 32,6 34,7 34,6 36,7 35,6 37,4 31,5 33,2

01.окт 23,7 22,3 26,3 25,4 27,8 27,5 25 24,5

Ошибка

Эе е ч • 100% теап^ц) 5,335 4,926 4,263 3,59

Все зарегистрированные параметры окружающей среды были приведены к среднемесячным значениям, остальные косвенные параметры были вычислены по формулам (2.2-2.4), все они представлены в таблице 2.5. Суммарным за период времени (ъ+1 - т) количеством атмосферных осадков ХР, мм, в эксперименте является суммарное количество дождя выпавшего за 1-й месяц сушки древесины. В эксперименте и моделировании в качестве XЕ было принято суммарное прямое испарение воды с поверхности за 1-й месяц. В эксперименте и моделировании в качестве I принималась среднемесячная температура окружающего воздуха, измеряемая вблизи пачки деревьев. Поскольку высота пачек примерно одинакова, то скорость движения воздуха была замерена на середине высоты пачки, на уровне 0,55 метра от земли.

Поскольку все пачки деревьев находились на одной лесосеке, то все параметры окружающей среды (таблица 2), влияющие на процесс естественной сушки, приняты одинаковыми для всех 4-х экспериментальных пачек деревьев.

Параметры окружающей среды в процессе естественной сушки

Ф, средняя 1Р, Рп, парц. и, средняя 1Е,

средняя относит. месячное Рн, давление скорость месячное

1 Месяц темпер. влажность коли- давление вод. движения испарение

окруж. окруж. чество насыще- пара в воздуха с открытой

воздуха, воздуха, осадков, ния, кПа воздухе, около поверхн.,

°С % мм кПа пачки, м/с мм

0 Март -2,1 - - - - - -

1 Апр. 3,95 74 66 0,81 0,6 1,2 47,9

2 Май 16 57 22,1 1,82 1,04 1 169,3

3 Июнь 18,75 66,5 54,2 2,17 1,44 0,8 139

4 Июль 17,1 90 138,7 1,95 1,76 1,3 48

5 Авг. 15,35 75,4 64,1 1,74 1,32 1 93,3

6 Сент. 14,5 65 30,8 1,65 1,07 0,9 115,9

Сумма - - 375,8 - - - 613,5

Результаты измерения влажности древесины в процессе естественной сушки представлены на графиках 1-4 рисунка 2.8. Точками на графике обозначены измеренные значения влажности древесины, вычисленные по формуле (2.1), столбчатая диаграмма показывает месячное количество осадков.

Рисунок 2.8 - Значения относительной влажности древесины в пачках 1-4, полученные в результате измерений (график) и количество осадков (столбики)

Связь между влажностью древесины в процессе её естественной сушки и параметрами

окружающей среды является статистической. Отклонение теоретических значений влажности

древесины, вычисленных по формуле (2.1), от экспериментальных значений составляет менее 6%. Спрогнозированные значения влажности берёзы, вычисленные по формуле (2.1) с коэффициентами ки, к2 для сушки сосны (по формулам 2.16 и 2.17) имеют большее отклонение от фактических значений. При моделировании сушки берёзы подстановка экспериментальных коэффициентов ки, к2, полученных для сосны приводит к увеличению погрешности до 10%, что подтверждает влияние породы древесины на процесс сушки.

Спустя 7 месяцев эксперимента потеря коры не значительна и составила около 6%, осыпалось 95% хвои у сосны. Кора начала отслаиваться и стала хрупкой.

Что касается определения продолжительности времени сушки, то для параметров окружающей среды, приведенных в таблице 2.5, построив график (рисунок 2.8) изменения теоретической влажности древесины, вычисленной по формуле (2.1), можно сделать вывод, что оптимальным будет закончить процесс сушки в конце июня или в конце сентября.

Необходимо учитывать ограничения и условия корректного использования результатов исследования. Предлагаемые математические зависимости для определения влажности древесины в процессе сушки целых деревьев, уложенных в пачку на открытом воздухе, справедливы только для теплого времени года с положительной среднесуточной температурой окружающего воздуха, когда суммарное испарение XЕ за период сушки превышает суммарные осадки в виде дождя ХР. Регрессионные зависимости (2.16 и 2.17) для определения коэффициентов ки, к2 применимы для целых деревьев или их частей длинной более 7 метров породы сосна обыкновенная, уложенных под открытым небом приведенным на рисунке 2.1 способом без защиты от атмосферных осадков. Поскольку пачки деревьев были уложены непосредственно на грунт, то два нижних дерева выполняют функцию подкладочных, и их влажность не учитывалась при определении средней влажности пачки.

Полученные регрессионные зависимости и коэффициенты применимы при естественной сушке в условиях лесосеки деревьев сосны и березы среднего диаметра от 0,05 до 0,18 метров, при среднемесячной температуре окружающего воздуха от +3 до + 35, при среднемесячной скорости движения, воздуха обдувающего пачку деревьев, от 0,1 до 3,5 м/с. Для других пород деревьев, а также древесного сырья с параметрами, значения которых находятся за предела обозначенных диапазонов, следует провести дополнительно полевые наблюдения с целью уточнения коэффициентов регрессии.

2.5. Выводы по разделу 2

По результатам наблюдений получены математические зависимости, описывающие изменение содержания влаги в деревьях сосны и берёзы в процессе их естественной сушки в

пачках на лесосеке. Полученное уравнение регрессии определяет зависимость средней влажности древесины в пачке от диаметра древесины, количества атмосферных осадков, влажности и температуры окружающего воздуха, продолжительности сезонного хранения.

Отклонение теоретических значений влажности древесины, вычисленных по предлагаемым зависимостям, от экспериментальных данных составляет менее 6%, что подтверждает адекватность предложенной регрессионной зависимости (2.1) и полученных экспериментальных коэффициентов к}, к2 (табл. 2.3, формулы 2.16 и 2.17).

Максимальное снижение влажности древесины за всё время хранения наблюдалось в первой пачке с древесиной среднего диаметра 0,07 м, с марта по сентябрь относительная влажность снизилась с 53,5% до 23,7%. Чем больше диаметр древесины, тем меньше снизилась влажность. В пачке деревьев с диаметром 0,15 м влажность снизилась с 50,1% до 27,8%.

На протяжении всех периодов между измерениями во всех пачках в среднем наблюдалось снижение влажности древесины, кроме июля месяца, когда количество атмосферных осадков XР значительно превышало суммарное теоретическое испарение с поверхности воды ХЕ и всех пачках наблюдалось повторное увлажнение сохнущей древесины. Таким образом, для свободно уложенных пачек в условиях, когда ХР не превышает ХЕ, покрытие пачки деревьев сверху от атмосферных осадков не является обязательным.

Использование естественной сушки топливной древесины во время летнего хранения без защиты от атмосферных осадков в условиях климата ПФО эффективно, когда суммарное испарение с поверхности превышает суммарные осадки и позволяет снизить влажность свежесрубленной древесины на 20-50%.

Полученные математические зависимости могут быть использованы на практике для прогнозирования изменения влагосодержания и для определения оптимальной продолжительности естественной сушки древесины целых деревьев, уложенных в 4-6 рядов в пачки объемом до 5 м3 без покрытия от дождя под открытым небом. Для прогнозирования с помощью предлагаемой математической модели влагосодержания целых деревьев и круглых лесоматериалов длиной более 7 метров в процессе естественной сушки, можно использовать статистические данные о климате конкретного района, например из [ 108, 184, 214].

В математической модели функционирования ИТМ для производства сухой топливной щепы с автономным энергоснабжением от газогенераторного двигателя внешнего сгорания, представленной в разделе 3, использованы полученные в данном разделе результаты полевых наблюдений изменения влажности древесного сырья после сезонного хранения на лесосеке.

3. Теоретическое исследование измельчающе-транспортной машины для производства

сухой топливной щепы на лесосеке

Предложено устройство измельчающе-транспортной машины (ИТМ) для производства сухой топливной щепы на лесосеке с накопительным контейнером-сушилкой и автономным энергоснабжением от двигателя Стирлинга на древесном топливе. Предложено устройство накопительного контейнера-сушилки, позволяющей производить подсушку щепы за счёт теплоты смеси охлаждающего двигатель Стирлинга воздуха и уходящих дымовых газов.

3.1. 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, соединённый 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 подаётся 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.

Рисунок 3.1 - Структурно-компоновочная схема ИТМ:

1 - базовая машина; 2 - кабина оператора; 3 - двигатель Стирлинга; 4 - газогенератор;

5 - рубительный модуль; 6 - рубительный агрегат; 7 - приемное окно рубительного агрегата;

8 - щепопровод; 9 -манипулятор; 10 - рабочий орган гидроманипулятора; 11 - прицеп;

12 - накопительный контейнер-сушилка; 13 - воздуховод; 14 - гибкий шнековый транспортёр

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 подаётся 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.

Рисунок 3.2 - Принципиальная схема энергетической установки на древесном топливе для ИТМ для производства подсушенной топливной щепы

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 нём, 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.

окружающуюсреду

Рисунок 3.3 - Схема энергетического баланса (с ориентировочными значениями) системы автономного энергообеспечения ИТМ по производству сухой топливной щепы на базе газогенераторного двигателя Стирлинга, использующего часть производимой щепы

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 счёт 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 нём 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.

Электрогенератор переменного напряжения 15 вырабатывает электрическую энергию на собственные нужды машины. Поскольку частота вращения вала не стабильна, а также с целью аккумулирования, переменное напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя 16. При запуске раскрутка вала двигателя Стирлинга осуществляется от вращающегося маховика 20 либо с помощью стартера - электродвигателя постоянного тока 18.

В силу инерционности системы состав оборудования энергетической установки должен позволять двигателю Стирлинга работать с колебаниями мощности в диапазоне нагрузок близких к номинальной при мгновенных изменениях потребления механической энергии. Таким образом, с целью повышения КПД энергетической установки ИТМ с двигателем внешнего сгорания на топливной щепе, имеющей не равномерное потребление энергии в течение времени, предусмотрено аккумулирование топлива и энергии. Некоторый запас твердого топлива постоянно находится в газогенераторе, незначительный запас генераторного

газа находится в газогенераторе и циклоне. Механическая энергия, вырабатываемая двигателем, аккумулируется с помощью маховика. Кроме того, двигатель, работающий без нагрузки, заряжает аккумулятор. Аккумулированная электроэнергия позволяет производить автономный запуск всей машины.

Разработано устройство ИТМ, позволяющей производить сухую топливную щепу на лесосеке с использованием части готового продукта для самоэнергообеспечения установки.

При разработке ИТМ соблюден принцип модульности, позволяющий снижать энергоёмкость и материалоемкость перемещения произведенной щепы по лесосеке.

Разработано устройство энергетической установки с газогенераторным двигателем Стирлинга для автономного энергообеспечения ИТМ от части производимой топливной щепы.

С целью определения основных параметров установки, а также проведения вычислительных экспериментов для определения показателей эффективности необходимо разработать математическую модель функционирования ИТМ.

3.2. Математическая модель функционирования ИТМ с газогенераторным двигателем

Стирлинга

Структура разработанной математической модели, описывающей процесс функционирования ИТМ, показана на рисунке 3.4. Модель включает основные блоки, отражающие динамические процессы (I), связанные с работой машины, теплотехнические процессы (II), связанные с подсушкой производимой щепы, и вспомогательные блоки (III-VI), обобщённо описывающие соответственно работу газогенератора, двигателя Стирлинга, рубительной установки с манипулятором и взаимодействие ИТМ со структурными элементами лесосеки.

Математическая модель динамики ИТМ (I) описывает наиболее энергоёмкий режим работы машины, связанный с выполнением транспортных операций при полной загрузке, и разработана на базе уравнений Лагранжа второго рода. Решением составленной системы уравнений блока (I) определяется необходимый момент и соответственно мощность привода движителя ИТМ Ыдвиж. Необходимая мощность на валу двигателя Стирлинга Ыстирл складывается также из мощностей на валах вентилятора системы охлаждения двигателя Ывент, рубительной установки Ыруб, насосов гидростанции Ынас и электрогенератора ЫЭГ, определяемых по упрощенным моделям в блоке (V). Подставляя Nстирл=dA/dt в блок (IV) двигателя Стирлинга, определяется необходимая теплота сгорания топлива, подводимая в нагревателе Qh и соответствующий расход генераторного газа gгаз, возможность обеспечения которого проверяется в блоке газогенератора (III). Расход щепы на собственные нужды

энергообеспечения ИТМ gсн находится из уравнения углеродного баланса газификации. Состав генераторного газа находится решением системы уравнений материального баланса газификации.

Рисунок 3.4 - Модули математической модели ИТМ

Математическая модель динамики ИТМ (I) описывает наиболее энергоёмкий режим работы машины, связанный выполнением транспортных операций при полной загрузке, и разработана на базе уравнений Лагранжа второго рода. Решением составленной системы уравнений блока (I) определяется необходимый момент и соответственно мощность привода движителя ИТМ Ыдвиж. Необходимая мощность на валу двигателя Стирлинга Ыстирл складывается также из мощностей на валах вентилятора системы охлаждения двигателя Ывент, рубительной установки Ыруб, насосов гидростанции Ынас и электрогенератора ЫЭГ, определяемых по упрощенным моделям в блоке (V). Подставляя Ысптрл=ёЛ/Л в блок (IV) двигателя Стирлинга, определяется необходимая теплота сгорания топлива, подводимая в нагревателе Qh и соответствующий расход генераторного газа gгаз, возможность обеспечения которого проверяется в блоке газогенератора (III). Расход щепы на собственные нужды энергообеспечения ИТМ gсн находится из уравнения углеродного баланса газификации. Состав генераторного газа находится решением системы уравнений материального баланса газификации.

Мощность на рубительную установку и её производительность Пруб, по щепе определяется природно-производственными условиями и параметрами технологического процесса производства щепы на лесосеке, а именно начальной относительной влажностью древесного

сырья Ы], средним диаметром стволов Бд и их высотой Нд, запасом qд, густотой насаждений пд, описываемыми в блоке (VI).

Тепловые выбросы от двигателя Стирлинга используются в качестве сушильного агента в накопительном контейнере-сушилке, работа которого моделируется в блоке (II). Расход сушильного агента ¥са = ¥ндг + ¥охл, где ¥ндг - расход дымовых газов нагревателя и ¥охл -воздуха охлаждения двигателя могут регулироваться, тем самым изменяя температуру и количество сушильного агента направляемого в контейнер. Количество влаги, удаляемое из щепы в контейнере-сушилке mв=gруб*Aw, где Аы зависит от (¥са) и определятся регрессионным уравнением (5.20), полученным по результатам лабораторных экспериментальных исследований.

Подробное содержание расчетных модулей математической модели функционирования ИТМ при производстве щепы, представленных на рисунке 3.4, приведено в параграфах 3.2.1 -3.2.6.

3.2.1. Математическая модель динамики ИТМ

С целью определения мощности на валу двигателя Стирлинга во время движения ИТМ была составлена математической модель динамики движения колесной лесной машины с передним модулем и прицепом.

Рассмотрим расчетную модель ИТМ, изображенную на рисунке 3.5. Базовая машина с колесной формулой 4x4 имеет 2 полурамы шарнирно соединенных между собой для осуществления поворотов. Спереди к базовой машине с помощью шарнира присоединен рубительный модуль на одной паре колес. Базовая машина имеет крюковую нагрузку в виде колесного прицепа на одной паре колес. Динамическая модель движения машины основана на регуляторных характеристиках двигателя, массо-геометрических параметрах, упругих характеристиках колес проектируемой измельчающе-транспортной машины.

Математическая модель движения ИТМ с газогенераторным двигателем Стирлинга необходима для расчета мощности Ыдтж на валу двигателя Стирлинга, которая обеспечит движение базовой машины с рубительным модулем и груженым прицепом с заданной скоростью ибм. Соответствующий этой мощности крутящий момент на валу двигателя Стирлинга Мкр = Ыдтж1п, где п - частота вращения вала, определяемая заданной скоростью движения. Также математическая модель ИТМ позволит рассчитать производительность установки.

Математическая модель динамики ИТМ (I) описывает наиболее энергоёмкий режим работы машины, связанный выполнением транспортных операций при полной загрузке, и

разработана на базе уравнений Лагранжа второго рода для расчётной схемы, представленной на рисунке 3.5. Для описания других операций технологического процесса, связанных с работой манипулятора и рубительной машины использованы упрощенные модели в соответствующем блоке. В ИТМ выделяется две подсистемы: двигатель-трансмиссия-ведущие колеса и остов-шины. Первая подсистема имеет одну степень свободы (угол поворота вала двигателя), вторая -5 степеней свободы, которым соответствуют обобщенные координаты: х и z - горизонтальное и вертикальное перемещения центра масс базовой машины; а - угол отклонения от горизонтали остова базовой машины, в и у - углы отклонения рубительного модуля и прицепа относительно положения базовой машины.

Для определения положения машины в вертикальной плоскости введем 2 взаимно перпендикулярные координаты Х и Ъ. Ось Х принадлежит к горизонтальной плоскости, от которой отсчитываются ординаты высот микропрофилей и вертикальной плоскости. Машина движется вдоль оси х со скоростью центра масс, а также во время движения перемещается вверх-вниз вдоль оси г. Система координат Охх принимается неподвижной.

В математической модели системы, используемой для тягово-динамического расчета и проектирования на его основе ИТМ, предполагается, что траектория движения центра масс базовой машины описывается случайной функцией, центры масс рубительного модуля и прицепа повторяют траекторию базового модуля; движение считается устойчивым.

При разработке математической модели машины примем следующие допущения: остовы базовой машины и модулей - твердые тела, имеющие продольную плоскость симметрии; цент масс остова в процессе движения не отклоняется от продольной неподвижной плоскости; продольным скольжением и продольной деформацией шин ведомых колес пренебрегаем;

Рисунок 3.5 - Расчетная схема ИТМ

уравнения связей между угловыми и линейными отклонениями точек остова и мостов машины при колебаниях линейны.

С учетом этих допущений уравнения позиционных связей системы имеют вид

zпр= z-h6M + hnp -l2 -a-lпр -P;

. (3.1)

z рм= z - h6M + hl + ll + 1рм-Г,

где znp, zpM - координаты центров тяжести прицепа и рубительного модуля по оси 0z, выраженные через координаты центра тяжести базового модуля; Ибм, hnp и hi - высота расположения соответственно центров тяжести базовой машины, прицепа и высота расположения оси шарнира; l2, lnp, li, 1рм - расстояния соответственно вдоль остова базовой машины между центром тяжести базовой машины и крюком, вдоль остова прицепа между крюком и центром тяжести прицепа, вдоль остова базовой машины между центром тяжести базовой машины и осью шарнира, вдоль рубительного модуля между осью шарнира и центром тяжести рубительного модуля.

При определении кинетической энергии сложной механической системы целесообразно выделять её инерционные элементы дифференцированно, с учетом их возможных относительных движений в принятых обобщенных координатах. Это позволяет упростить вид получаемых дифференциальных уравнений. В поступательном движении относительно оси Oz рассмотрим три твердых тела - базовый модуль, рубительный модуль и прицеп.

Кинетическая энергия полноприводной базовой машины с передним рубительным модулем и прицепом в обобщенных координатах имеет вид

2 '2 '2 '2 '2 '2 Ек = 0,5 • (Шпр -X +тпр -Z пр +Jnp P ) + 0,5 • (Шбм -x +тбм -z +Jбм -a ) + ^

+ 0,5 • (трм -x2 +Шрм -zp^+Jрм •Г2 ) + 0,5 • Jep -x2,

где Jw - осевой момент инерции прицепа, Збм - осевой момент инерции базовой машины, Зрм -осевой момент инерции рубительного модуля, J^ - осевой момент инерции вращающихся частей двигателя и трансмиссии.

За положительное направление углов а, в, Y выбирается направление, откладываемое против часовой стрелки от оси х.

Потенциальная энергия рассматриваемой системы в обобщенных координатах

? ? ? ?

Еп = 0,5 • Скпр • (Акпр )2 + 0,5 • С3к • (Азк)2 + 0,5 • Спк • (АпкУ + 0,5 • Скрм • (Акрм Г, (3.3)

где скпр, сзк, спк и скрм - приведенная жесткость шин колес рубительного модуля , задней и передней пары колес базовой машины и шин колес прицепа соответственно;

Акпр, Азк, Апк, Акрм - деформации шин.

Деформации шин определяются выражениями

^ кпр ~ Чкпр +2 пр+1кпр ' Р; ^ зк ~ Чзк + 2 + 1зк ' а; ^пк ~ Чпк + 2 — 1пк ' а;

^ крм ~ Чкрм +2 рм 1крм ' У

где цкпр, цзк, цпк и цкрм - случайное возмущение, характеризующее микро профиль дороги или грунта под колесами соответственно прицепа, задними и передними базовой машины и рубительного модуля; 1кпр, 1зк, 1пк и 1крм - расстояния по оси х соответственно между крюком и осью колеса прицепа, между центром тяжести базовой машины осью заднего и переднего колеса и между осью шарнира и осью колеса рубительного модуля;

Для получения динамических уравнений движения системы для принятой расчетной

схемы (рис. 3.5) воспользуемся уравнением Лагранжа второго рода:

( \

, + ^ = Qai (3.5)

д Чг

Л , ■ ^

где Ек - кинетическая энергия системы; Ер - потенциальная энергия системы; qi - обобщенные координаты масс системы; q— обобщенные скорости масс системы; Qqi - обобщенные силы.

В результате дифференцирования выражений для кинетической и потенциальной энергии по пяти обобщенным координатам масс получена система дифференциальных уравнений Лагранжа второго рода, которая состоит из пяти уравнений (по числу обобщенных координат системы)

(тбм + тпр + т рм ) • 2 + (с

пк ( Чпк + 2 1 пк

•а) + сзк (Ч зк + 2 +1 зк •а) +

+ скпр • (—Ьбм + Ьпр + Чкпр + 2— • а + 1 кпр • Р — 1 кпр • Р) + • + скрм • (Ь1 - Ьбм + Чкрм + 2 + 11 •а -1 крм • У +1 рм ■У) = (тбм + тпр + трм ) • §

(^ вр + тбм + тпр + т рм ) • х ~ N зк • Фзк + ^пк • Фпк — N кпр • Чкпр — N зк • Ч3к — ^пк • Чпк — N крм • Чкрм; (-/бм —12 • тпр +11 •трм) • а+ ((спк (Чпк — 2 +1 пк •а) + сзк(Чзк + 2 +1 зк •а) — (36)

— скпр -12 Ьбм + Ьпр + Чкпр + 2 —12 а+1 кпр р— 1пр Р) + •

+ скрм — Ьбм + Чкрм + 2 +11 а— 1 крм У +1 рм •У) = трм •§Ч11 +1 рм)-тп𠕧Ч12 + 1пр);

пр — 1 пр • тпр ) • Р+ скпр • (1 кпр — 1 пр ) • (-Ьбм + Ьпр + Чкпр + 2 — 12 • а+ 1 кпр • Р— 1 пр • Р) _ трм • § •1 рм ; рм + 1 рм 'т рм ) У + с крм '(—1 крм + 1 рм )ЧЬ1 — Ь бм + Ч рм + 2 + 11 'а— 1 крм 'У+ 1 рм • у) ~ тпр ' §'1 пр ■

где Ыкпр, Ызк, Ыпк и Ыкрм - нормальные силы реакции поверхности грунта под колесами

соответственно прицепа, задних и передних базовой машины и рубительного модуля, кН; фзк и фпк - коэффициенты сцепления ведущих задних и передних колёс базовой машины.

Система уравнений (3.6) позволяет определить энергию системы при движении, и соответственно необходимая мощность привода движителя ИТМ Ыдвиж (рис. 3.4), которая обеспечит движение базовой машины с рубительным модулем и груженым прицепом с заданной скоростью и ускорением. Определение минимальной мощности двигателя осуществляется из условия достаточности мощности движителя при движении ИТМ с грузом на максимальной заданной скорости и ускорением движения по лесной дороге. Необходимая мощность на валу двигателя Стирлинга Ыстирл, кВт, помимо Ыдвиж складывается из мощности на валах вентилятора системы охлаждения двигателя Ывент, рубительной установки Npy6, насосов гидростанции NHac и электрогенератора N^.

3.2.2. Математическая модель контейнера-сушилки

Тепловые выбросы от двигателя Стирлинга используются в качестве сушильного агента в накопительном контейнере-сушилке, работа которого моделируется в блоке (II). Расход сушильного агента определяется выражением

Vca = Гдг + ГоХЛ, (3.7)

где ¥дг - расход дымовых газов и ¥охЛ - воздуха охлаждения двигателя могут регулироваться, тем самым изменяя температуру и количество сушильного агента направляемого в контейнер. Оптимальный объёмный расход сушильного агента - Vca был определён по результатам экспериментов, представленных в разделе 5.

Количество влаги, удаляемое из щепы в контейнере-сушилке mB=gpy6*AXm, где АХщ -изменение влажности щепы зависит от Vca. Зависимость АХщ от Vca была определена в результате лабораторных экспериментальных исследований и определятся регрессионным уравнением (5.20).

Для математического моделирования процессов, происходящих в контейнере-сушилке ИТМ воспользуемся подходами к математическому моделированию сушки влажных древесных отходов изложенными в работах Сафина Р.Г. [52, 163] и теорией сушки Лыкова А.В. [81].

В контейнере-сушилке происходит процесс стационарного и нестационарного тепломасообмена между древесной щепой и сушильным агентом, состоящим из смеси охлаждающего двигатель Стирлинга воздуха и дымовых газов. Время, в течение которого происходит сушка щепы в контейнере, находится по формуле (4.5), оно равно продолжительности работы ИТМ при выполнении операций между разгрузками накопительного контейнера (за исключением холостого хода машины).

Щепа подается в контейнер-сушилку сверху периодически и постепенно заполняет его, а сушильный агент подается снизу контейнера непрерывно, но с переменными температурой, влажностью, составом и расходом.

Изменение влагосодержания сушильного агента - Xсa, кгводы/кгса, (смеси дымовых газов и воздуха) по высоте слоя щепы в контейнере-сушилке - Л, м и изменение температуры сушильного агента Тса определяются из уравнений материального баланса

dXca _ j'/щ ■ Gpq

(3.8)

dh Рщ0'(1 -В)' wщ ' Gca 0 '

(3.9)

dTca _ Q'

dh cca 'Pca0 wca

где7 - поступление влаги в сушильный агент от щепы, кг/м2; /щ - площадь поверхности щепы,

м2; Gp0 - производительность рубительной машины по сухой щепе, кг/с; рщ0 - плотность

абсолютно сухой щепы кг/м3; 8 - порозность слоя щепы; wm - скорость движения щепы, м/с; Gca0 - расход сухого сушильного агента, кг/с; Q - тепловой поток от сушильного агента к щепе Вт/м2; сса - теплоемкость сушильного агента, Дж/кгК; рса0 - плотность сухого сушильного агента, кг/м3.

Изменение влажности и температуры щепы по высоте контейнера-сушилки в рамках дифференциальных уравнений полученных А.В. Лыковым можно определить уравнениями

dXщ 1 d ( -Хщ _ dT.щ Л „ 1ЛЛ

_ „ , А „ (3.1U)

dh dx

щщ

aщ • ^ * • . -

dx dx

-Тш 1 d ( dTm Л

-Тщ =-1--— Ящ -тщ , (3.11)

dh сщ • Рщ0 dx У щ dx )

где ащ - коэффициент массопроводности, м/с; ё - термоградиентный коэффициент древесины, %; Хщ - коэффициент теплопроводности щепы, кВт/(м К).

Если в качестве сушильного агента используется смесь воздуха охлаждающего двигатель и дымовых газов образующихся при сгорании генераторного газа в количестве необходимом для работы двигателя, то начальные условия для решения системы уравнений (1) -(4) запишутся следующим образом

Хса(Л) = ХсаН;

Тса(Л) = ТсаН; (3.12)

Хщ(Л) = Хщн; Тщ(Л) = Тщн,

где ХсаН - влагосодержание сушильного агента на входе в контейнер-сушилку определяется материальным балансом процесса горения (то есть составом продуктов сгорания) и составом

атмосферного воздуха охлаждающего двигатель; Тсан — начальная температура сушильного агента на входе в контейнер-сушилку определяется температурой продуктов сгорания и охлаждающего воздуха, а также их количественным соотношением в смеси; ХщН и ТщН -влагосодержание и температура щепы подаваемой рубительной установкой в контейнер -сушилку ИТМ.

Если же осуществляется дополнительный расход генераторного газа с целью повышения температуры сушильного агента, то начальные условия для уравнений (1)-(4) запишутся в виде

Хса(Ь) = ХсаК;

Тса(Ь) = ТсаК; (3.13)

Хщ(И) = Хщн;

Тщ(И) = Тщн,

где ХсаК и ТсаК - влагосодержание и температура сушильного агента на выходе из контейнера-сушилки определяются желаемой скоростью сушки (то есть задается относительная влажность сушильного агента на выходе из сушилки). Поскольку скорость сушки зависит от температуры, влажности и скорости сушильного агента, то при постоянной скорости сушильного агента и атмосферном давлении р в контейнере-сушилке параметры ХсаК и ТсаК при заданной насыщенности пара ф в воздухе определяются из системы уравнений

' 0,622- р ■ рн

(3.14)

ХсаК - ■

(РРн)

-5800,2206 +1,з91499-0,04864024■ ТсаК+4,176477 ■ 10-5-ТсаК1 -1,445209■ 10-8-ТсаК3 +6,545967 ■ 1п ТсаК

Рн - е

ТсаК

где рн - давление насыщения водяного пара над поверхностью воды при температуре от 0 до 200 °С находится по выражению опубликованном в [201].

Граничные условия для выражений (3) и (4) на поверхности частицы щепы

] - Рщ0 ■ащ

йХ

щ

йх

+ 5-

йТ

щ

П

йх

П )

(3.15)

д - -4 щ

щ

йх

П

(3.16)

при условии симметрии в центре частицы щепы

йТ

щ

йх

йХ

щ

Ц

йх

- 0;

Ц

(3.17)

Испарение влаги с поверхности щепы определяется выражением

j -Р- Р- (Хщ - ХщР ^

где в - коэффициент массоотдачи, м/с; ХщР - равновесное влагосодержание щепы, кг/кг.

(3.18)

Равновесное влагосодержание щепы зависит от температуры Тса и относительной влажности сушильного агента ф

X щР

0,131 • exp (1,848 • р-Тш )/Z^'451 при Хщр < ХсЖр

, (3.19)

ХсаКР при X щР > XсаКР где ХсаКР - критическая влажность сушильного агента в зависимости от температуры.

Тепловой поток Вт/м2 от сушильного агента к щепе определяется прогревом щепы и испарением воды с её поверхности

Q-Qn + QhOT • (Tea -Тщ)- j-r. (3.20)

Коэффициент теплоотдачи а определяется с помощью критериального уравнения,

предложенного W.E. Ranz и W.R. Marshal

—

а — —а • (2 + 0,6Re1/2Pr1/3), (3.21)

d щ

где Хса - коэффициент теплопроводности, кВт/(мК); йщ - диаметр частицы щепы, м. Скорость движения щепы в контейнере сушилке

Wщ —-о (3.22)

Рщ0 Ч1 -£)■ Як

где - площадь поперечного сечения контейнера-сушилки, м2.

Максимальное количество сушильного агента подаваемого в контейнер-сушилку определяется исходя из верхнего предела допустимой скорости, при которой частицы высушенного материала наименьшего размера не будут уноситься наружу потоком газа. Скорость уноса равняется скорости свободного витания, которая определяется по уравнению [32]

(3.23)

где ¡¿¡-ср - динамическая вязкость сушильного агента при средней температуре в контейнере-сушилке; ¿¿т;п - эквивалентный диаметр частицы материала имеющей наименьший размер, принимаем равным — 0,5 сЕе;.

Топливная щепа, используемая в котлах слоевого сжигания, котлах кипящего слоя и в газогенераторах в среднем имеет следующие размеры: толщина щепки 10мм; длина 40мм, ширина 25мм. Эквивалентный размер такой частицы равен 28,6 мм.

Контейнер-сушилка может работать в двух режимах: режиме сушки и режиме утилизации тепловых выбросов. В первом случае осуществляется гибкое регулирование параметров сушильного агента с целью сушки щепы до заданной влажности, изменяется температура и количество сушильного агента поступающего с контейнер-сушилку. При этом увеличение температуры сушильного агента обеспечивается дополнительным сжиганием топлива. Во втором случае количество и температура сушильного агента ограничены параметрами составляющих его компонентов, причём объём сгораемого топлива определяется только потребностями двигателя. При этом температура сушильного агента зависит от его расхода и может быть повышена только уменьшением доли воздуха системы охлаждения.

Расход охлаждающего - ¥охл, м/с, в выражении 3.5 определяется уравнением

Уохл =--г, (3.24)

свозд (t хол t окр)

где Qow - теплота, которую необходимо забирать в холодильнике двигателя Стирлинга, кВт; Стзд - удельная теплоёмкость окружающего воздуха, кДж/(м3К); ^ - необходимая температура холодильника двигателя Стирлинга, °С; toKp - температура окружающего воздуха,

к - коэффициент тепловых потерь, учитывающий несовершенство теплообменников.

Расход дымовых газов в выражении 3.5 определяется уравнением материального баланса процесса горения генераторного газа в нагревателе двигателя Стирлинга. При этом расход топлива определяется в расчетном блоке (IV) математической модели.

Решая систему уравнений 3.7-3.10 определяется изменение параметров (температуры и влагосодержания) сушильного агента и щепы в процессе функционирования контейнера-сушилки ИТМ.

3.2.3. Математическая модель газогенератора

В моделируемой системе используется газогенератор обращенного типа, в который загружается щепа из контейнера с помощью шнекового питателя. Газогенератор служит для производства горючего газа, который сжигается в нагревателе двигателя Стирлинга. Расчётный модуль газогенератора математической модели с числовыми значениями входных и выходных параметров газогенератора, реализованный в Excel представлен в приложении 2. За основу приняты методики расчета газогенераторов изложенные в работах Токарева Г.Г. [ 211], Равича М Б. [139], Zainal [260].

Цель расчета - определение расхода твердого топлива gCH для получения заданного количества генераторного газа g^,, удельные затраты электрической энергии необходимой для

работы газогенератора (привод вентиляторов, питающего шнека), определение КПД процесса газификации, определение основных размеров газогенератора.

В зависимости от состава генераторного газа определяется удельная низшая теплота сгорания его рабочей массы. Расход щепы на собственные нужды энергообеспечения ИТМ gcN находится из уравнения углеродного баланса газификации. Состав генераторного газа находится решением системы уравнений материального баланса газификации. Содержание углерода в генераторном газе и содержание его компонентов можно найти, решая систему уравнений описывающих химические реакции, происходящие в газогенераторе. Пример реализации алгоритма расчета состава генераторного газа в Mathcad представлен на рисунке 3.6.

Состав генераторного газа можно найти, используя равновесное моделирование, как предложено в работе (Zainal 2001). Также в работе (Zainal 2001) (таблица 6, стр. 1513) экспериментальным путем были получены коэффициенты х1...х5. Таким образом, по уравнениям углеродного, водородного, кислородного балансов химических реакций, происходящих в газификаторе обращенного типа, можно моделировать состав получаемого газа в зависимости от влажности исходной древесной биомассы.

Согласно (Zainal 2001) [260] общее уравнение реакции газификации древесины записывается формулой:

= Х\Н2 + х2СО + х3С02 + х4Н20 + х5СН4 +3.76mN2, ^ ^

где w - содержание воды на кмоль древесины; m - содержание кислорода на кмоль древесины; х1, х2, х3, х4, х5 - коэффициенты характеризующие состав генераторного газа. Также в работе [260] (таблица 6, стр. 1513) экспериментальным путем были получены коэффициенты х1, х2, х3 при газификации древесины в газогенераторе обращенного типа (х1=0,575; . х2=0,798; х3=0,176).

Из уравнения углеродного баланса можно найти коэффициент х5 по формуле:

Из уравнения водородного баланса можно найти коэффициент х4 по формуле:

Хл = w + 0.72 - х, - 2хг

Ц-П/ТУ.^-Л,-^ (3.27)

Удельный расход щепы в газогенераторе в кг для получения 1 кг генераторного газа находится из уравнения углеродного баланса процесса газификации [139, 211]:

§сн=Сщ/ Сг.газ. (3.28)

где Сщ - содержание углерода в твердом топливе, Сг.газ - содержание углерода в генераторном газе.

^.36.752/

Рисунок 3.6 - Алгоритм расчета состава генераторного газа в МаШсаё

Представленный расчетный блок газогенератора позволяет определять состав генераторного газа в зависимости от состава и влажности загружаемой в него щепы, а также расход в щепы в газогенератор на собственные нужды ИТМ - gсн по необходимому расходу топлива в нагреватель двигателя Стирлинга - gгаз, определённому в расчетном блоке (IV) математической модели.

3.2.4. Математическая модель двигателя Стирлинга

Необходимая мощность на валу двигателя Стирлинга Ыстирл складывается из мощностей на валах привода движителя ИТМ Ыдвиж, вентилятора системы охлаждения двигателя Ывент, рубительной установки Ыруб, насосов гидростанции Ынас и электрогенератора Ыэг, определяемых по упрощенным моделям в блоке (V) и находится из выражения:

N = N -V + N -V + N ст-л + -V + N -V (3.29)

стирл вент 'мех нас 'мех руб 'мех овиж 4 мех эг 'эг' 4 у

где щэ.г. - КПД электрогенератора; цмех. - КПД механической передачи.

Подставляя Ыспшр11=ёЛ/Ж в систему уравнений адиабатического анализа (3.31), предложенную I. ипеН и D. Berchowitz [244], определяется необходимая теплота сгорания топлива, подводимая в нагревателе Qк и соответствующий расход генераторного газа gгаз, возможность обеспечения которого проверяется в блоке газогенератора (III).

Расход топлива dQ в двигатель Стирлинга с учетом КПД нагревателя щнагрев определяется

dQ = dQh * Пнагрев. (3.30)

Также решением системы уравнений (3.30) определяется Qk - количество тепловой энергии отводимой в холодильнике двигателя Стирлинга к охлаждающему воздуху входящему в состав сушильного агента.

шЯ

Р =

У^ + Ук_ + V, + П + К

Т Ти т

Тс т

к тг ТН те

( йУс йК Л -уР —- + -

йР = ■

V

Ткс

Ткс )

Тск

РУ_ ЯТ

+у

(п К Ул

+ —+ — V тк Тг Тк)

+

У

Т

Не

Л = с, к, г, И, е;

РйУе + Уе

йше = ■

йр У .

ЯТ

Не

РйУс + Ус

йшс =

йр У .

ЯТ

(3.31)

ск

йш = ш, йР, I = к, г, И;

йте = те

Р

йр йУе

\У (

йш

У

ш

йТс = Тс

йр йУс

йш

е) Л

у Ус

ш

с)

й0,к = Уксй + ср (тск (йшс- ткг (йшс + йшк)));

У с йР

йQГ = --+ ср {Ту (йшс + йшк) - Тгн(йшс + йшк + йшг));

Я

^И = Кс^Р + ср(ТгН(йшс + йшк + йшг) - ТНе(-йше));

йАе = РйУе; йАс = РйУс; йА = йАе + йАс,

где Р - давление рабочего тела в системе, Па; т - масса рабочего тела в системе, кг; V - объем рабочего тела в системе, м3; Т- температура рабочего тела в системе, К; индексы с, к, г, к, е -пространство в котором находится рабочее тело (конструктивную часть двигателя Сирлинга)

ш =

соответственно ограниченную цилиндром сжатия и поршнем полость сжатия, полость холодильника, полость регенератора, полость нагревателя, ограниченную цилиндром расширения и поршнем полость расширения; ко, ко, ек, гк, кв - двойные индексы обозначают температуры рабочего тела между соответствующими полостями; су и ср - изохорная и изобарная теплоемкости рабочего газа, кДж/м3К и кДж/кгК; у - отношение удельных теплоемкостей; Я - газовая постоянная; Qк - тепловая энергия, подводимая в нагревателе, Дж; Ав и Ае - работа совершаемая в процессе расширения и сжатия соответственно, Дж.

3.2.5. Математическая модель рубительной установки и манипулятора

В данном расчетном блоке определяется мощность необходимая для привода рубительной установки Ыруб, насосов гидростанции Ынас для расчетного блока (IV) и производительность рубительной установки по щепе Пр. Определяющими параметрами являются природно-производственные условия и параметры технологического процесса производства щепы на лесосеке представление в блоке (VI).

В составе мобильных рубительных машин используются дисковые и барабанные рубительные агрегаты. Поскольку для самоходной рубительной машины, предназначенной для работы в условиях лесосеки, важное значение имеют массо-габаритные характеристики, то при моделировании выбран более легкий и компактный дисковый рубительный агрегат.

Мощность, которую необходимо подводить к рубительной установке от двигателя Стирлинга, находится выражением

2 —3 2

N ^ = р° -10— -п-г + Пруб - (°л п) + 0,03 - N н- (3.32)

руб 4-^(а1)-^(а2) рУб 2 , руб

где р - удельная сила резания для конкретных условий работы рубительной установки, Н/м ; Б - диаметр измельчаемого древесного ствола, м; а] и а2 - углы соприкосновения полен а с режущей кромкой ножа в радианах, рад, а] - угол наклона к горизонту, а2 - угол наклона к измельчающему диску; п - частота вращения измельчающего диска рубительной установки, г - число режущих ножей; Пр. - производительность рубительной установки, кг/с; Бл - диаметр середины вентиляционных лопаток диска рубительной установки, м; М1омруб - номинальная мощность рубительной установки, кВт.

Удельная сила резания для конкретных условий работы рубительной установки, с учетом поправочных коэффициентов находится по формуле

(3.33)

где р' - удельное усилие резания, Н/м, определенное по номограмме ЦНИИМЭ (рисунок 3.7), представленной в работе, к примеру, составляет 140000 Н/м, при угле встречи £ = 90°, при угле

наклона кромки ножа ^„=90° к направлению скорости его движения; кр - коэффициент учитывающий затупление режущих ножей (от кр=1, при затупленных кр=1,25), к№ -коэффициент учитывающий влажность измельчаемой древесины (для относительной влажности ^<23% кц=1,1; для влажности ^>33% к„=1,0; а для значений относительной влажности ^=23-33% к№=1,1-0,1/10(ЕСЛИ(^<33;^;33)-23), к - коэффициент, для мороженой древесины (к=1,4), к* - коэффициент, учитывающий породу древесины (для сосны к* = 1).

Рисунок 3.7 - Номограмма для определения удельной работы и силы резания при различных

значениях угла встречи и угла наклона [27]

Производительность рубительного агрегата Пруб, кг/ч, находится по формуле

'ст1 • Кт2,

Пруб = т • -

ж-Б2

■ • • 1щ • п • г • кгл • кт

4 • 008(^2) 1 щ 11 ^ (3.34)

где т - масса плотного кубометра древесины, кг/плотн. м3; Б - диаметр условного ствола измельчаемого дерева, м; к - коффициент неравномерности длины щепы; 1щ - длина щепы, м; кп1 - коффициент использования рабочего времени рубительной установки учитывающий особенности процесса измельчения древесины в рубительной машине, по данным [27] на основе практических данных принимается для тихоходных малоножевых машин - (0,7-1); кп2 -коэффициент использования рабочего времени машины, учитывающий время необходимое на подачу сырья в приемное окно рубительной машины - (0,7-0,9).

Расчет мощности привода насосов гидростанции Ышс осуществляется использованием стандартной методики расчета гидроприводов.

3.2.6. Математическая модель природно-производственных условий лесосеки

Природно-производственными условиями и параметрами технологического процесса производства щепы на лесосеке являются начальная относительная влажность древесного сырья средний диаметр стволов Б и их высота Нд, запас qд, густота насаждений пд, температура окружающей среды ¿окр.

К задаваемым параметрам древесного сырья топливного назначения также относятся следующие параметры: порода измельчаемой древесины, плотность, относительная влажность и средняя внутренняя зольность измельчаемой древесины, её средняя температура, максимальный, минимальный и средний диаметр ствола измельчаемого дерева. Известно, что порода древесины влияет на её физические свойства, такие как твердость и плотность, поэтому при моделировании используются все известные из литературы параметры для породы «сосна обыкновенная».

Значения относительной влажности измельчаемой в рассматриваемых производственных условиях древесины породы сосна обыкновенная получены в Разделе №2 и находятся в диапазоне от ^ = 50% свежесрубленной древесины до =30% подсушенной при летней атмосферной сушке в штабеле на лесосеке. Плотность стволовой древесины сосны при стандартной влажности 12% равна р}2 = 500 кг/м3 [47]. Значение средней внутренней зольности целого дерева сосны, вычисленное методом пропорции по известным значениям зольности стволовой древесины и зольности коры, приведено в разделе №1 и равно Ар = 1,16%.

Температура измельчаемого в условиях лесосеки древесного сырья принимается равной температуре окружающей среды. Учитывая все особенности топливного использования древесины, производство основного объема топливной щепы из различного сырья, будь то отходы лесозаготовки, неделовая древесина рубок ухода, отходы лесопиления или же древесина специальных энергетических плантаций экономически целесообразно осуществлять в тёплое время года. Это обусловлено несколькими основными причинами: во первых, мороженная древесина имеет повышенную твердость и удельная сила резания в этом случае до 1,4 раз больше [27, 47, 223]; во вторых, в холодный период потребление топлива максимально и к этому времени у потребителя или поставщика уже должен быть сформирован достаточный запас топливной щепы; в третьих, с целью снижения влагосодержания древесины энергетического назначения, срубленные в холодный период зимой и ранней весной деревья укладывают в штабели для летней просушки и осыпания зелени [ 72]. Таким образом, средняя температура измельчаемой древесины принимается равной среднемесячной температуре окружающего воздуха.

3.3. Выводы по разделу 3

Разработана математическая модель функционирования ИТМ для производства сухой топливной щепы в условиях лесосеки с автономным энергоснабжением от газогенераторного двигателя Стирлинга. Данная модель имитирует процессы, происходящие при функционировании разработанной установки. Позволяет проводить вычислительные эксперименты с целью определения параметров эффективности работы, как отдельных элементов, так и всей ИТМ при производстве щепы на лесосеке; позволяет оптимизировать режимы работы машины и параметры её конструкции.

Представленная математическая модель позволяет рассчитывать необходимую мощность газогенераторного двигателя на щепе, для привода движителя ИТМ и других исполнительных механизмов в процессе производства щепы на лесосеке.

4. Теоретическое исследование технологических процессов производства сухой топливной

щепы на лесосеке

Разработана методика расчета и оптимизации параметров ИТМ для производства сухой топливной щепы на лесосеке учитывающая особенности автономного энергоснабжения от двигателя Стирлинга и использования тепловых выбросов двигателя для сушки производимой щепы. Представлен анализ результатов математического моделирования её работы для типовых технологических схем. Обоснованы использованные в работе критерии оптимизации параметров ИТМ.

4.1. Методика расчета мощности двигателя Стирлинга ИТМ

При инженерном проектировании и расчете ИТМ для заготовки сухой топливной щепы в условиях лесосеки с автономным энергоснабжением от двигателя Стирлинга с газогенератором за исходные данные следует принимать следующие параметры:

1) рельеф и почвенно-грунтовые условия - влияет на выбор типа движителя и соответственно минимальной мощности двигателя и газогенератора, при разработке лесосек со слабыми переувлажненными грунтами рекомендуется использовать гусеничный движитель или шины сверхнизкого давления;

2) технология производства топливной щепы и соответствующая система машин, в составе которой будет работать разрабатываемая машина - в зависимости от этого выбираются максимальная длина вылета манипулятора и тип грейфера (клещевой захват, захватно -срезающее устройство или харвестерная головка);

3) параметры исходного древесного сырья перерабатываемого ИТМ в топливную щепу, такие как средний и максимальный диаметр стволов - влияют на выбор минимальной и номинальной мощности измельчающего оборудования, двигателя, газогенератора, гидростанции и грузоподъемности манипулятора;

4) параметры готового продукта, такие как размеры и требуемая конечная влажность топливной щепы - влияют на параметры рубительного устройства, контейнера-сушилки и производительность газогенератора;

5) расстояния преодолеваемые машиной за один рабочий ход - влияют на выбор минимальной мощности газогенератора между пунктами заготовки биомассы и проходимый путь при транспортировке готового продукта с помощью ИТМ от места заготовки до пункта разгрузки;

6) прочие особенности объектов заготовки и переработки древесного сырь топливного назначения, таких как средняя температура и влажность окружающего воздуха.

Проектирование и расчет ИТМ для заготовки подсушенной топливной щепы из древесного сырья топливного назначения осуществляется с целью определения таких параметров технологического и энергетического оборудования, которые бы обеспечили функционирование машинно-технологического комплекса с приемлемыми показателями эффективности, при этом должны учитываться особенности предмета труда и прочих условий функционирования. Основным параметром является мощность оборудования.

Блок-схема, отражающая методику расчета мощности технологического и энергетического оборудования установки, представлена на рисунке 3.8.

Последовательность расчета мощности двигателя Стирлинга, используя математическую модель, приведенную в параграфе 3.2 следующая:

1) расчет мощности на привод рубительной установки Ыруб при заданных производительности и параметрах перерабатываемого древесного сырья;

2) выбор типа движителя и определение мощности на его привод Ыдвиж из расчета динамики движения машины;

3) расчет мощности на привод вспомогательного оборудования, а именно вентилятора охлаждения двигателя Ывент, насос гидростанции Ынас, электрогенератор ЫЭГ;

4) определение минимальной требуемой мощности двигателя Стирлинга в первом приближении по формуле

Nстирл ~ тах руб; Nдвиж ^вент + ^нас + ^ЭГ ; (41)

5) расчет минимальной производительности по газу газогенератора и мощности его вспомогательного оборудования;