Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов. Вероятностное моделирование энерготехнологических поточных линий для АПК
Покупка
Издательство:
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 157
Дополнительно
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину
В учебном пособии рассмотрены вопросы инженерной практики расчета технической, теоретической и эксплуатационной производительности энерготехнологической поточной линии АПК с учетом параметров надежности - вероятности того, что к заданному моменту времени оборудование будет исправно реализовывать свои технологические функции. Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими программами дисциплины «Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов» и предназначено для обучающихся по направлению «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». Учебное пособие также может быть использовано аспирантами, научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК.
Тематика:
ББК:
- 30: Техника и технические науки в целом
- 6532: Экономика агропромышленного комплекса. Экономика сельского хозяйства
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 35.04.06: Агроинженерия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ С А Н К Т - П Е Т Е Р Б У Р Г С Н И Й Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й АГРАРНЫЙ Н И В Е Р С И Т Е Т М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОЧНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ АПК УЧ Е Б Н О Е П О С О Б И Е для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем» САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2018
УДК 621.311(07) ББК 40.76 М.М. Беззубцева, В.С. Волков. Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов. Вероятностное моделирование энерготехнологических поточных линий для АПК: Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем».- СПб: СПбГАУ, 2018. - 157 с. Р е ц е н з е н т ы: доктор технических наук, профессор НИУ ИТМОА.Г. Новоселов; доктор технических наук, профессор ИАЭП С.А. Ракутько. В учебном пособии рассмотрены вопросы инженерной практики расчета технической, теоретической и эксплуатационной производительности энерготехнологической поточной линии АПК с учетом параметров надежности - вероятности того, что к заданному моменту времени оборудование будет исправно реализовывать свои технологические функции. Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими программами дисциплины «Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов» и предназначено для обучающихся по направлению «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». Учебное пособие также может быть использовано аспирантами, научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК. Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим советом СПбГАУ, Протокол № 4 от 17 марта 2018 г. ISBN © М.М.Беззубцева, © В.С. Волков © СПбГАУ,2018
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие...........................................................................................................................................4 1. Энерготехнологическая линия как объект технического обеспечения современных технологий предприятий АПК............................................................................................................. 7 1.1. Технологическая система........................................................................................................... 7 1.2.Производительность энерготехнологической линии............................................................8 2. Основные положения поточного метода организации производства на предприятиях АПК ........................................................................................................................................................ 17 2.1. Характерные черты поточного метода организации производства..................................17 2.2. Классификация поточных линий............................................................................................ 20 3. Расчет основных показателей поточной линии..........................................................................25 4. Моделирование работы поточной линии....................................................................................33 5. Учет потока случайных событий в энерготехнологической поточной линии АПК........... 40 6. Фиксация и обработка статистических результатов функционирования поточных энерготехнологических линий............................................................................................................ 53 6.1. Вычисление средних величин..................................................................................................53 6.2. Вычисление геометрии распределения..................................................................................55 6.3. Оценка (по Колмогорову) совпадения эмпирического закона распределения с теоретическим........................................................................................................................................59 6.4. Оценка точности статических характеристик..................................................................... 61 7. Основные понятия теории надежности в энергообеспечении поточных линий АПК.......69 7.1. Задачи надёжности электроснабжения..................................................................................69 7.2. Понятия, термины и определения из области надежности................................................ 70 7.3. Необходимые сведения из теории случайных событий..................................................... 81 7.4. Случайные величины и законы их распределения............................................................. 88 7.5. Потоки отказов и восстановлений.......................................................................................... 97 7.6. Количественная оценка показателей надёжности.............................................................105 Список литературы.............................................................................................................................110 Приложение А ..................................................................................................................................... 114
ПРЕДИСЛОВИЕ Инновационный процесс в агропромышленном комплексе связан с формированием новых знаний и динамичным технологическим освоением научных открытий, изобретений, результатов исследований и разработок, внедрением в поточные энерготехнологические линии прорывных, критически важных энергоэффективных технологий и прогрессивной техники, обеспечивающих снижение энергоемкости продукции. Совокупность множества разнородных процессов в энерготехнологических машинах и аппаратах - это технологическая система в виде технологического потока, имеющего свою пространственно- временную структуру. Учебное пособие посвящено математическому моделированию вероятностных систем и состоит из двух частей: теоретической и практической. Учебное пособие составлено с учетом современных образовательных стандартов, предусматривающих модульный и метопредметный подход при изучении дисциплин. В связи с этим учебное пособие ставит своей целью развитие способности у магистрантов применять знания теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов и других дисциплин, в частности основ математического моделирования систем, управления вычислительным экспериментом с моделью, обработки результатов исследований и др. Это позволит сформировать профессиональные компетенции, такие как способность выполнять эксперименты на действующих энерготехнологических линиях АПК по заданным методикам и обрабатывать результаты с применением современных информационных технологий и технических средств, а также способность проводить вычислительные эксперименты с использованием стандартных программных средств с целью получения математических моделей процессов и объектов автоматизации и управления. 4
Приведены основные понятия, связанные с моделированием сложных систем - энерготехнологических поточных линий АПК, представлена классификация моделей и методов формализованного представления систем, в том числе и вероятностных моделей, а также рассматриваются этапы имитационного моделирования. В частности, подробно рассмотрены различные виды статистического анализа и обработки результатов стохастического моделирования. В настоящее время более 1/3 парка машин и оборудования, включенных в поточные энерготехнологические линии АПК, отработало уже два и более амортизационных срока. Степень износа основных средств составляет 70 %. Обновление парка оборудования в настоящее время не превышает 3.. .4 % (вместо необходимых 8... 10 % в год). В этой связи основой любого анализа экспериментальных данных на этих линиях является решение задач идентификации параметров распределений, статистического оценивания и проверка гипотез с применением критериев согласия, поэтому этим задачам уделяется определенное внимание. Поэтому представленный в учебном пособии материал является актуальным. Благодаря проблемному изложению материала учебного пособия у магистрантов должны формироваться навыки научно-технического мышления, творческого применения полученных знаний в будущей инженерной деятельности. Этому в значительной мере будет способствовать то, что каждая глава завершается резюме, в котором сконцентрирована сущность рассмотренного материала. Кроме того, во второй части учебного пособия приведены контрольные задания, которые позволят преподавателю организовать практические занятия, а студенту — самостоятельную работу. Такой методологический подход к изложению учебного материала обусловлен тем, что на данном этапе развития предприятий АПК происходит усложнение научной и инженерной деятельности. Объект становится принципиально иным. Этот объект - поточная энерготехнологическая технологическая линия, системообразующим фактором которой является стабильность входных и 5
выходных параметров процессов в машинах и аппаратах. Материал учебного пособия способствует формированию у обучающихся следующих компетенций: ОПК-7 способность анализировать современные проблемы науки и производства в агроинжерии и вести поиск их решения; ПК-7 способность проведения инженерных расчетов для проектирования систем и объектов. Учебное пособие «Вероятностное моделирование энерготехнологических поточных линий для АПК» предназначено для оказания теоретической и практической помощи магистрантам, обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профилю «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». 6
1. ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ КАК ОБЪЕКТ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК 1.1. Технологическая система Часть большого производственного процесса, выполняющая действия по изменению и последующей фиксации состояния обрабатываемой среды, называется технологической операцией. В перерабатывающих производствах АПК можно выделить тринадцать типовых процессов обработки сред, включенных в поточные энерготехнологические схемы: - соединение без сохранения поверхности раздела (смешивание сред); соединение с сохранением поверхности раздела (образование слоя); - разделение на фракции; измельчение; - сложный процесс преобразования (комплекс физических, ориентирование (в частности, предметов); - термостатирование (поддержание постоянной температуры); - нагревание; - охлаждение; изменение агрегатного состояния; - хранение. Каждый из перечисленных типовых процессов может быть частью или целым технологической операции, границы которой, как правило, совпадают с границами конкретной машины или аппарата в поточной технологической линии. Объединение как минимум двух технологических операций обеспечивает образование технологической подсистемы, соответствующей определенному комплексу энерготехнологического оборудования (агрегату, установке) или набору оборудования в границах производственного участка. Объединив несколько подсистем, реализующих все стадии переработки сырья и выпуска готовой продукции, можно сформировать технологическую 7
энергосистему в целом. Такая система соответствует всей совокупности оборудования, входящего в состав энерготехнологической линии. Формирование технологической энергосистемы новой линии связано с комплексным решением задач технического прогресса, направленного на увеличение производительности труда и экономии материальных и энергетических ресурсов при одновременном повышении качества выпускаемой продукции. Изучая вопросы организации поточных энерготехнологических линий, целесообразно рассмотреть их классификацию по функциональным признакам, характеризующим строение и принцип действия этих линий. 1.2. Производительность энерготехнологической линии Основная мера функциональной полезности и эффективности энерготехнологической поточной линии — ее производительность, а гарантия достижения высокой эксплуатационной производительности — надежность конструкции линии. Под производительностью энерготехнологической поточной линии понимают способность ее перерабатывать или выпускать то или иное количество продукции за определенный промежуток времени. Различают три вида производительности: техническую П, теоретическую Пт и эксплуатационную Пэ. Техническая производительность. Она характеризует технические возможности энерготехнологической поточной линии, обусловленные технологическим процессом и конструкцией оборудования. При определении технической производительности принимают в расчет количество переработанной или выпущенной продукции, длительность непосредственной работы оборудования, а также дополнительные затраты сырья и рабочего времени, необходимые для успешного функционирования оборудования. Дополнительные затраты зависят от конструктивных особенностей оборудования, они предусмотрены технической документацией и учитывают наличие регламентированных 8
возвратных отходов, дефектной продукции и потерь сырья, а также необходимость дополнительных затрат времени на выполнение вспомогательных операций и обслуживание оборудования. Техническая производительность — главный технико-экономический показатель. По значению этого показателя, прежде всего, решают вопрос, можно ли использовать конкретную конструкцию в составе проектируемой линии. При создании новой энерготехнологической поточной линии значение технической производительности устанавливает заказчик и она указывается в исходных требованиях и техническом задании. По значению этой производительности при проектировании линии необходимо рассчитать теоретическую производительность как линии в целом, так и ее составных частей. Теоретическая производительность. Ее рассчитывают по количеству переработанной или выпущенной продукции за период непосредственной работы оборудования без учета дополнительных затрат сырья и рабочего времени. Теоретическая производительность — важнейшая характеристика любой конструкции. Именно по ней выполняют кинематический и тепловой расчеты, определяют скорости движения рабочих органов, деталей, хладо- и теплоносителей, вычисляют потребляемую мощность, нагрузки, рабочие объемы, габаритные размеры и в конечном итоге основной показатель - энергоэффективность энерготехнологической поточной линии. Поэтому в процессе разработки линии важно проанализировать взаимосвязь между заданной технической производительностью и проектируемой, теоретической производительностью. Эту взаимосвязь характеризуют коэффициентом использования К и теоретической производительности: П — ПТКИ (1.1) Согласно вышеизложенным определениям, теоретическую и техническую 9
производительность можно представить в виде следующих зависимостей: Пг — Мк. г1 Н ( n \ Мн - 2 М, П — i —1 Тн +1 TJ J—1 J (1.2) где МН — номинальное (заданное) количество продукции, подлежащее переработке или выпуску; ТН — номинальная (заданная) продолжительность непосредственной работы линии 2 М t — M1 + M2 +...+Mn — сумма i—1 регламентированных потерь 1-го, 2-го, ...n-го компонентов сырья и m материалов, составляющих продукцию 2 T — T1 + T2 +... + Tm — сумма j —1 дополнительных затрат времени 1-го, 2-го, m-го этапов технологического процесса, где выполняются дополнительные операции и обслуживание оборудования. Каждое отдельное значение потерь и дополнительных затрат времени можно выразить в долях номинальных значений М„ и Г„, тогда предыдущая формула приобретает вид: П — ( n ' Мн 1- 2м , у ,—1 у ( H л Mн П — 1+2 t У J—1 J ( n 1 - 2 m, у ,—1 у (1.3) г H 1+2 t л У J—1 J n где 2 Mi—m+m + ..+Mn — сумма долей регламентированных потерь 1 -го, 2-го, i —1 . n -го компонентов сырья и материалов относительно величины МН; 10
'Yjt — t + 1 +...+tm — сумма долей дополнительных регламентированных затрат J—1 времени 1-го, 2-го, ... m-го этапов технологического процесса относительно величины ТН. Тогда согласно первой формуле величину Ки можно определить из выражения У j 1 У Соответственно вторую формулу можно преобразовать в более удобный для ее анализа вид: Из этой формулы видно, что значения теоретической и технической производительности совпадают только при одном условии - полном отсутствии регламентированных потерь сырья и дополнительных затрат рабочего времени. При увеличении этих потерь и затрат для обеспечения заданной технической производительности необходимо проектировать линию с повышенной теоретической производительностью. Для этого требуется увеличить интенсивность обработки продукта, скорости и размеры рабочих органов, поверхность теплообмена и др. В конечном счете при постоянном значении технической производительности приходится увеличивать габаритные размеры и материалоемкость, потребление электроэнергии, хладо- и теплоносителей, производственные площади и расход сырья. Таким образом снижаются практически все технико-экономические показатели линии. Напротив, если при проектировании удается свести к минимуму регламентированные потери сырья и дополнительные затраты рабочего времени, то значение коэффициента использования теоретической производительности приближается к единице, а значения технико - экономических показателей линии повышаются. (1.4) m г (1.5) 11
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину