Сохранение качества биодизельного топлива за счет совершенствования технологии его хранения

Современный этап развития АПК характеризуется всевозрастающим увеличением потребления нефтяного топлива, повышением мировых цен на нефтепродукты и ухудшением состояния окружающей среды, вызванным стремительным ростом количества автотракторной техники и различных транспортных средств. Дизелизация моторного парка обусловила опережение производства и потребления дизельного топлива по сравнению с автомобильным бензином. Поэтому во всем мире наблюдается стабильное увеличение мирового спроса на дизельное топливо. Например, в США потребление дизельного топлива увеличивается на 3,5−4,0% в год, в то время как продажа бензина — только на 2% в год. В Европе ожидается, что в 2012 г. дизельными двигателями будет оснащено более 40% легковых автомобилей против 30% в 2005 г. За пределами Европы и США потребление дизельного топлива будет увеличиваться в среднем на 4% в год, в Азии прогнозируется 5%-ный ежегодный прирост.

Стабильное увеличение мирового спроса на дизельное топливо неизбежно приведет к его дефициту. По прогнозам экспертов, дефицит дизельного топлива в Европе к 2015 году может достигнуть 50 млн. т. в год или примерно 1/5 от прогнозируемого объема потребления, а к 2050 г. этот дефицит еще более возрастет, поскольку количество автомобилей в мире должно увеличиться к этому сроку в три раза. Аналогичная ситуация отмечается и в других странах, где также преобладает рост потребления дизельного топлива.

Перевод автотракторной техники на использование дизельного топлива с низким содержанием серы приводит к ухудшению его смазывающих свойств и выходу из строя дорогостоящей топливной аппаратуры. Такое топливо поглощает большее количество воды из воздуха (при больших и малых «дыханий»), вызывая опасность накопления электростатических зарядов изза его повышенной обводненности. Устранить эти негативные факторы мож6 но за счет применения биодизельного топлива. Однако по способности поглощать влагу из воздуха биодизельное топливо намного опережает нефтяное топливо.

Качество биодизеля определяется, прежде всего, параметрами исходного сырья для его производства. Прогнозирование параметров качества позволит оптимизировать режимы получения биодизеля и сократить выпуск некондиционного топлива. Наиболее эффективным инструментом прогнозирования в настоящее время являются нейронные сети.

Следовательно, одна из наиболее насущных для АПК задачразработка способов предупреждения обводненности биодизельного топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах, отвечающих современным экологическим требованиям, является своевременной и весьма актуальной.

Актуальность и перспективность выбранного направления исследований несомненны. Оно включено в перечень критических технологий Российской Федерации среди приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России, утвержденных Президентом Российской Федерации 7 июля 2011 г. Соответствует принятой Европейским Парламентом и Союзом Директиве 2003/30/ЕС «О содействии использованию биогорючего и других видов горючего на транспорте». Отвечает требованиям концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК РФ на период до 2025 года, (утвержденной приказом Минсельхоза России от 25 июня 2007 г. № 342), в соответствии с которой одним из приоритетных направлений развития аграрной науки и научного обеспечения АПК является разработка оборудования с использованием биотоплива.

Исследования проводились в соответствии с программой 09.03.07.02.

Разработать технологию хранения биодизельного топлива".

Россельхозакадемии в ГНУ ВИИТиН и областной целевой программой.

Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия Тамбовской 7 области на 2008 — 2012 годы", утвержденной Законом Тамбовской области № 317-з от 5 декабря 2007 г.

Цель настоящей работы — сохранение качества биодизельного топлива за счет совершенствования способа предупреждения его обводненности при хранении в стальных горизонтальных резервуарах.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1) разработка программного обеспечения для построения и обучения многослойной нейронной сети;

2) построение оптимальной архитектуры нейронной сети для прогнозирования плотности, кинематической вязкости, содержания механических примесей по физико-химическим показателям исходного масла;

3) разработка экологически чистой системы предупреждения обводнения биодизельного топлива при его хранении в стальных резервуарах с использованием вихревых труб и теплообменника;

4) расчет эффективного теплообменника для конденсации паров влаги;

5) математическое моделирование процессов, протекающих в системе предупреждения обводнения;

6) расчет экономической эффективности системы и разработка методик по ее применению в сельском хозяйстве.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований закрученных потоков в вихревых трубах. Теоретические исследования проводились на основе известных положений законов классической механики жидкости и газа, термодинамики, теплои массообмена, теории искусственных нейронных сетей, технического анализа, методов объектноориентированного проектирования, программирования, математического моделирования. Программная реализации разработанных алгоритмов и 8 программных имитационных моделей выполнена на языке Pascal в среде разработки Borland Delphi 5.0. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения обоснованности выбранных направлений исследований и построения оптимальной архитектуры нейронной сети. Достоверность полученных результатов исследования обусловлена применением современного исследовательского оборудования и приборов, методов регрессионного анализа, результатами испытаний.

На защиту выносится:

— разработанная экологически чистая система предупреждения обводненности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах с использованием вихревых хладогенераторов;

— прогнозирование показателей качества биодизеля по технологическим параметрам исходного сырья с применением нейронных сетей;

— определение показателей качества биодизеля по технологическим параметрам рапсового масла для обучения нейронной сети;

— разработка алгоритма расчета теплообменного аппарата для конденсации влаги из атмосферного воздуха.

Научная новизна. по специальности 05.20.01.

Заключается в комплексном подходе к решению задачи сокращения энергозатрат при производстве биодизельного топлива и обеспечению экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве, в результате которого разработаны: метод повышения надежности процесса и эффективности функционирования экологически чистой системы предупреждения обводенности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах;

— архитектура нейронной сети для прогнозирования предела плотности, кинематической вязкости, содержания механических примесей в биодизеле по физико-химическим показателям исходного масла, обеспечивающая наименьшую ошибкупо специальности 05.20.03.

Заключается в комплексном подходе к решению задачи предупреждения снижения качества биодизельного топлива в процессе его получения и хранения, в результате которого разработаны:

— закономерности влияния давления и температуры входного потока вихревого хладогенератора на температуру холодного и горячего выходных потоков;

— алгоритм расчета теплообменного аппарата для конденсации паров воды из воздуха.

Практическая значимость. Заключается в улучшении качества биодизельного топлива за счет совершенствования способа предупреждения его обводненности при хранении в стальных горизонтальных резервуарахв разработке алгоритма расчета теплообменного аппарата для конденсации влаги из атмосферного воздуха, установлении критериев и правил выбора материала для теплообменника, способа оценки эффективности его оребрений, уравнений теплового и гидравлического расчетов. В разработке методики создания моделей технологического процесса производства биодизеля, базирующейся на основе теории искусственных нейронных сетей, формальные методы и правила которой позволяют полностью автоматизировать процесс контроля качества биодизеля. Создаваемые модели отражают функциональные зависимости между технологией производства и качеством получаемой. С использованием универсальных инструментов и методик построения нейросетевых моделей можно стабилизировать и проверить любую технологию производства биодизеля.

На базе вихревых труб можно собрать экологически чистую холодильную установку, которая обеспечит конденсацию паров воды при хранении биодизельного топлива в стальных резервуарах. Показано, что вихревая труба сможет работать в качестве источника холода для достижения необходимой температуры конденсации воды. Главным достоинством применения вихревых труб является их отказоустойчивость, долговечность и экологичность использования, а также безопасность (так как не используется электричество и нет ни движущихся механических частей, ни опасных химических соединений в конструкции). Отказоустойчивость и экологическая чистота оборудования является главными критериями возможности применения в сельском хозяйстве. Численные эксперименты показывают, что применение данной установки позволяет практически на 100% исключить попадание влаги в резервуар хранения биодизеля. по специальности 05.20.01 разработана экологически чистая система предупреждения обводненности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах с использованием вихревых хладогенераторов. по специальности 05.20.03 установлены критерии и правила выбора материала для теплообменника, способ оценки эффективности его оребрения, уравнения теплового и гидравлического расчетов;

— разработан алгоритм расчета теплообменного аппарата для конденсации влаги из атмосферного воздуха.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение внедрено в ГНУ ВНИИТиН. Данное программное обеспечение используется в качестве инструмента для прогнозирования качества биодизеля по физико-химическим параметрам исходного сырья.

Установка для защиты биодизеля от обводнения при его хранении используется на сельскохозяйственных предприятиях п.г.т. Добринка Липецкой области.

— в ООО «Агроинжиниринг»;

— в колхозном хозяйстве «Чара»;

— в ООО «Крупской»;

— используется кафедрой «Автомобильная и аграрная техника» ФГБОУ ВПО ТГТУ по направлению подготовки магистров по программам 110 300.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства и 190 600 — Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (г. Тамбов, ГНУ ВНИИТиН, 2011) — VII Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2011) — 1 Международной конференции «Опыт внедрения и перспективы развития биоэнергетических проектов в АПК» (г. Москва, ВВЦ, 2011) — VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные научные разработки — 2012» (г. София, Болгария, 2012) — VIII Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения — 2012» (г. Прага, Чехия, 2012) — Всероссийской выставке «Энергосбережение и энергоэффективность» (25−29 августа, г. Тамбов, 2010;2011) — Российских агропромышленных выставках «Золотая осень» (г. Москва, ВВЦ, 2010;2011) — на заседаниях Ученого совета ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 106 наименований, и приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 15 таблиц, 40 рисунков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Предложена гипотеза температурной стратификации газового потока в вихревой трубе, основанная на модификации гипотезы взаимодействия вихрей А. П. Меркулова, предполагающая в качестве механизма теплопереноса микрохолодильные циклы, совершаемые крупной вихревой структурой.

2. Разработана и решена в пакете Р1о" уУ1зюп система уравнений математической модели процессов в вихревой трубе в трехмерной постановке. Результаты вычислений показали наличие радиального поля температур, подтверждающее возможность теплообмена и возникновения температурной стратификации.

3. Сравнение результатов натурных экспериментальных исследований процессов течения воздуха в вихревых трубах с результатами численного моделирования показывают адекватность модели с точностью не хуже ± 5% по относительным значениям интегральных температур. Сходимость параметров радиального температурного поля не хуже ± 1% по абсолютным значениям.

4. Показана возможность применения многослойных персептронных нейронных сетей для моделирования процесса получения биодизеля. Исследовано влияние различной архитектуры на результат прогноза качества биодизеля. Лучший результат прогноза показателей качества биодизеля показала нейронная сеть с 15 нейронами в скрытом слое. Показано, что среднеквадратичная ошибка прогноза нейронной сетью с архитектурой 7−153 для плотности будет равна 0,64 кг/м, для кинематической вязкости — 0,07 мм2/с, для содержания механических примесей — 0,76 мг/кг.

5. Разработанные алгоритмы и программные средства с использованием нейронных сетей для контроля параметров биодизеля по физико-химическим свойствам исходного сырья позволили устранить появление некондиционного биодизельного топлива при его получении.

6. Разработаны методики построения и применения нейросетевых моделей, позволяющих анализировать технологические причины возникновения несоответствующей продукции, исследовать влияние химического состава, физических показателей исходного сырья на параметры качества биодизеля.

7. Разработан алгоритм для расчета теплообменного аппарата для конденсации паров воды из воздуха.

8. Показана эффективность использования вихревых труб в качестве источника холода для конденсации водяных паров.

9. Разработана экологически чистая установка для защиты биодизельного топлива от обводнения при его хранении в стальных резервуарах, применение которой позволит практически на 100% исключить попадание воды в топливо.