Результаты вычислительного эксперимента на имитационной математической модели функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса

Рассмотрение уравнений, устанавливающих связь параметров эффективности функционирования системы теплоснабжения. Анализ зависимости отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса в вычислительном эксперименте от расхода горячего воздуха.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 29.04.2017
Размер файла 360,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поволжский государственный технологический университет

Результаты вычислительного эксперимента на имитационной математической модели функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса

Каменских Александр Дмитриевич, аспирант

Медяков Андрей Андреевич, к.т.н.

Онучин Евгений Михайлович, к.т.н., доцент

Йошкар-Ола

Аннотация

В статье представлены результаты вычислительного эксперимента на имитационной математической модели функционирования.

Представлены уравнения, устанавливающие количественную связь между технологическими параметрами и параметрами эффективности функционирования системы теплоснабжения.

Ключевые слова: теплоснабжение, животноводческий комплекс, вычислительный эксперимент, математическая модель.

Задачей вычислительного эксперимента для теплоснабжения животноводческого комплекса является получение в виде регрессионных уравнений эмпирических зависимостей параметров, характеризующих эффективность функционирования, от конструктивно-технологических параметров системы, являющихся входными регулируемыми факторами активного вычислительного эксперимента [1-4].

На отклик оказывают влияние более 10 факторов, что значительно затрудняет проведение исследования. С целью уменьшения размерности факторного пространства на основе известных данных было произведено априорное ранжирование входных факторов (табл. 1).

Таблица 1 - Априорное ранжирование входных факторов вычислительного эксперимента на математической модели

Ранг фактора

Наименование фактора

1

расход горячего воздуха, температура горячего воздуха, длина комплекса

2

кратность воздухообмена, температура окружающего воздуха, масса теплового аккумулятора, свойства теплоаккумулирующего вещества, коэффициент теплопередачи к окружающей среде, состав биогенного газообразного топлива

3

температура биогенного газообразного топлива, температура окислителя

В результате априорного ранжирования были выбраны 2 фактора 1-го ранга: расход горячего воздуха, температура горячего воздуха. Входные факторы носят количественный характер. Диапазон варьирования выбранных входных факторов, определенный исходя из критерия практической значимости результатов исследования, представлен в табл. 2.

Таблица 2 _ Диапазон варьирования количественных входных факторов вычислительного эксперимента в исследуемой области

№п/п

Фактор

Диапазон варьирования

1

Расход горячего воздуха, м3/с (Х1)

0,1-0,5

2

Температура горячего воздуха, оС (Х2)

50-350

В соответствии с выбранными диапазонами варьирования входных факторов и уровнями варьирования входных факторов (табл. 3) были составлены планы многофакторных вычислительных экспериментов на имитационная математическая модель функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса, представленные в табл. 4 - 6.

Таблица 3 _ Соотношение между натуральными и нормализованными уровнями факторов

№ п/п

Фактор

Обозначение

Уровни варьирования

1

2

3

4

5

1

Расход горячего воздуха, м3

Х1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

2

Температура горячего воздуха, оС

Х2

50

125

200

275

350

Таблица 4 _ Полный план многофакторного вычислительного эксперимента для определения зависимости между входными величинами и средней температурой внутри животноводческого комплекса (Y1)

№ опыта

Входные факторы (значение/уровень)

Отклик, Y1

№ опыта

Входные факторы (значение/уровень)

Отклик, Y1

X1

X2

X1

X2

1

0,1/1

50/1

13,383

14

0,3/3

275/4

26,409

2

0,1/1

125/2

23,406

15

0,3/3

350/5

28,476

3

0,1/1

200/3

26,509

16

0,4/4

50/1

22,724

4

0,1/1

275/4

29,629

17

0,4/4

125/2

23,291

5

0,1/1

350/5

33,823

18

0,4/4

200/3

24,491

6

0,2/2

50/1

22,601

19

0,4/4

275/4

25,533

7

0,2/2

125/2

24,602

20

0,4/4

350/5

26,631

8

0,2/2

200/3

27,054

21

0,5/5

50/1

22,558

9

0,2/2

275/4

29,658

22

0,5/5

125/2

23,345

10

0,2/2

350/5

32,003

23

0,5/5

200/3

24,203

11

0,3/3

50/1

22,764

24

0,5/5

275/4

24,818

12

0,3/3

125/2

23,979

25

0,5/5

350/5

26,225

13

0,3/3

200/3

25,263

Таблица 5 _ Полный план многофакторного вычислительного эксперимента для определения зависимости между входными величинами и средним квадратичным отклонением температуры внутри животноводческого комплекса (Y2)

№ опыта

Входные факторы (значение/уровень)

Отклик, Y2

№ опыта

Входные факторы (значение/уровень)

Отклик, Y2

X1

X2

X1

X2

1

0,1/1

50/1

9,044

14

0,3/3

275/4

7,466

2

0,1/1

125/2

13,316

15

0,3/3

350/5

8,143

3

0,1/1

200/3

15,194

16

0,4/4

50/1

4,829

4

0,1/1

275/4

16,272

17

0,4/4

125/2

5,426

5

0,1/1

350/5

18,926

18

0,4/4

200/3

5,927

6

0,2/2

50/1

6,948

19

0,4/4

275/4

6,204

7

0,2/2

125/2

8,289

20

0,4/4

350/5

6,582

8

0,2/2

200/3

9,372

21

0,5/5

50/1

4,339

9

0,2/2

275/4

10,530

22

0,5/5

125/2

4,991

10

0,2/2

350/5

11,741

23

0,5/5

200/3

5,247

11

0,3/3

50/1

5,537

24

0,5/5

275/4

5,471

12

0,3/3

125/2

6,494

25

0,5/5

350/5

5,891

13

0,3/3

200/3

7,048

Таблица 6 _ Полный план многофакторного вычислительного эксперимента для определения зависимости между входными величинами и суточным расходом биогенного топлива на теплоснабжение комплекса (Y3)

№ опыта

Входные факторы (значение/уровень)

Отклик, Y3

№ опыта

Входные факторы (значение/уровень)

Отклик, Y3

X1

X2

X1

X2

1

0,1/1

50/1

17,248

14

0,3/3

275/4

19,354

2

0,1/1

125/2

22,307

15

0,3/3

350/5

18,794

3

0,1/1

200/3

26,593

16

0,4/4

50/1

18,257

4

0,1/1

275/4

30,462

17

0,4/4

125/2

17,007

5

0,1/1

350/5

34,186

18

0,4/4

200/3

18,243

6

0,2/2

50/1

20,652

19

0,4/4

275/4

18,492

7

0,2/2

125/2

17,717

20

0,4/4

350/5

19,753

8

0,2/2

200/3

17,267

21

0,5/5

50/1

18,370

9

0,2/2

275/4

18,896

22

0,5/5

125/2

18,181

10

0,2/2

350/5

24,481

23

0,5/5

200/3

18,665

11

0,3/3

50/1

18,423

24

0,5/5

275/4

20,192

12

0,3/3

125/2

17,037

25

0,5/5

350/5

21,378

13

0,3/3

200/3

17,709

Анализ результатов вычислительных экспериментов на имитационной математической модели функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса. Для полученных значений отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса (Y1), среднего квадратичного отклонения температуры внутри животноводческого комплекса (Y2), суточного расхода биогенного топлива на теплоснабжение комплекса (Y3)построены графики, представленные на рисунках 1 _ 3 отражающие влияние расхода горячего воздуха и температуры горячего воздуха на отклик выходных величин.

Рисунок 1 - Зависимость отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса (Y1) в вычислительном эксперименте от расхода горячего воздуха (м3/с) и температуры горячего воздуха (єС).

Рисунок 2 _ Зависимость отклика среднего квадратичного отклонения температуры внутри животноводческого комплекса (Y2) в вычислительном эксперименте от расхода горячего воздуха (м3/с) и температуры горячего воздуха (єС).

Рисунок 3 _ Зависимость отклика суточного расхода биогенного топлива на теплоснабжение комплекса (Y3) в вычислительном эксперименте от расхода горячего воздуха (м3/с) и температуры горячего воздуха (єС).

Для полученных значений отклика средней температуры внутри животноводческого комплекса (Y1) в нормализованном виде были построены графики зависимости отклика от расхода горячего воздуха (X1) при различных уровнях температуры горячего воздуха (X2). По форме графиков был определен вид регрессионной модели для входного фактора «расход горячего воздуха» (X1): теплоснабжение горячий животноводческий

(1)

Для проверки выбранной для входного фактора «расход горячего воздуха» (X1) модели (1) было произведено спрямление линий. В результате аппроксимации графиков для различных уровней X2 получено что, графики достаточно точно описываются линейными зависимостями с высокой величиной достоверности аппроксимации (большей 0,9). Таким образом, регрессионная модель (1) для входного фактора «расход горячего воздуха» (X1) является адекватной.

Значения коэффициентов a, b и c для модели (1) при различных уровнях входного фактора «температура горячего воздуха» (X2) были получены с помощью программы Microsoft Excel. В результате аппроксимации значений коэффициентов a, b и c в зависимости от входного фактора «температура горячего воздуха» (X2) получены следующие уравнения:

a = 5,5362*X2 + 16,249; достоверность аппроксимации R2 = 0,99;

b = _ 2,0221*X2 + 2,468; достоверность аппроксимации R2 = 0,99;

c = 0,2189*X2 _ 2,02814; достоверность аппроксимации R2 = 0,99.

Таким образом, статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента показала, что зависимость средней температуры внутри животноводческого комплекса (Y1) от входных факторов «расход горячего воздуха» (X1) и «температура горячего воздуха» (X2) может быть описана двухфакторной нелинейной регрессионной моделью в натуральном виде:

(2)

где - средняя температура внутри животноводческого комплекса, T - температура горячего воздуха, G - расход горячего воздуха.

Для полученных значений отклика среднего квадратичного отклонения температуры внутри животноводческого комплекса (Y2) в нормализованном виде были построены графики зависимости отклика от расхода горячего воздуха (X1) при различных уровнях температуры горячего воздуха (X2). По форме графиков был определен вид регрессионной модели для входного фактора «расход горячего воздуха» (X1):

(3)

В результате аппроксимации значений отклика среднего квадратичного отклонения температуры внутри животноводческого комплекса (Y2) в соответствии с видом зависимости (3) для различных уровней входного фактора «температура горячего воздуха» (X2) получены следующие уравнения:

для 1-го уровня X2

Y 2 =10,933-2,4652*X1+0,2303* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

для 2-го уровня X2

Y 2 =13,878-3,477* X1+0,3401* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

для 3-го уровня X2

Y 2 =16,139-4,2243* X1+0,4107* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

для 4-го уровня X2

Y 2 =19,581-5,7235* X1+0,5828* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

для 5-го уровня X2

Y 2 =22,775-6,99* X1+0,727* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

В соответствии с полученными в результате аппроксимации уравнениями были определены значения коэффициентов уравнения (3) в зависимости от входного фактора «температура горячего воздуха» (X2). В результате аппроксимации значений коэффициентов a, b и c в зависимости от входного фактора «температура горячего воздуха» (X2) получены следующие уравнения:

a = 2,9387*X2+7,8451; достоверность аппроксимации RІ = 0,98;

b = -1,1316*X2-1,1832; достоверность аппроксимации RІ = 0,98;

c = 0,1236*X2+0,0874; достоверность аппроксимации RІ = 0,97.

Таким образом, статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента показала, что зависимость среднего квадратичного отклонения температуры внутри животноводческого комплекса (Y2) от входных факторов «расход горячего воздуха» (X1) и «температура горячего воздуха» (X2) может быть описана двухфакторной нелинейной регрессионной моделью в натуральном виде:

(4)

где - среднее квадратичное отклонение температуры внутри животноводческого комплекса, T - температура горячего воздуха, G - расход горячего воздуха.

Для полученных значений отклика расхода биогенного топлива на теплоснабжение комплекса (Y3) в нормализованном виде были построены графики зависимости отклика от расхода горячего воздуха (X1) при различных уровнях температуры горячего воздуха (X2). По форме графиков был определен вид регрессионной модели для входного фактора «расход горячего воздуха» (X1):

(5)

В результате аппроксимации значений отклика расхода биогенного топлива на теплоснабжение комплекса (Y3) в соответствии с видом зависимости (5) для различных уровней входного фактора «температура горячего воздуха» (X2) получены следующие уравнения:

для 1-го уровня X2

Y 3 =27,819 - 4,7991* X1+0,5854* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,96.

для 2-го уровня X2

Y 3 =22,11-3,1099* X1+0,4637* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,98.

для 3-го уровня X2

Y 3 =16,258+0,5099* X1-0,053* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

для 4-го уровня X2

Y 3 =24,369- 4,0045* X1+0,6338* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

для 5-го уровня X2

Y 3 =49,815-17,32* X1+2,3265* X12; достоверность аппроксимации RІ =0,99.

В соответствии с полученными в результате аппроксимации уравнениями были определены значения коэффициентов уравнения (5) в зависимости от входного фактора «температура горячего воздуха» (X2). В результате обработки значений коэффициентов a, b и c в зависимости от входного фактора «температура горячего воздуха» (X2) в программе CurveExpert1.4 получены следующее уравнения:

a = (-1,41+0.3105*X2)*exp(X2)+29,5705; достоверность аппроксимации RІ = 0,94;

b = (0,652 -0,1464* X2)*exp(X2)-5,8263; достоверность аппроксимации RІ = 0,96;

c = (-0,07388+0,01702* X2)*exp(X2)+0,7113; достоверность аппроксимации RІ = 0,95.

Таким образом, статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента показала, что зависимость расхода биогенного топлива на теплоснабжение комплекса (Y3) от входных факторов «расход горячего воздуха» (X1) и «температура горячего воздуха» (X2) может быть описана двухфакторной нелинейной регрессионной моделью в натуральном виде:

(6)

где - расход биогенного топлива на теплоснабжение комплекса, T - температура горячего воздуха, G - расход горячего воздуха.

Таким образом, полученные уравнения регрессии устанавливают количественную связь между технологическими параметрами (температура горячего воздуха, расход горячего воздуха.) и параметрами эффективности функционирования технико-технологической системы для теплоснабжения животноводческого комплекса: средняя температура внутри животноводческого комплекса, среднее квадратичное отклонение температуры внутри животноводческого комплекса, расхода биогенного топлива на теплоснабжение комплекса.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 16.552.11.7089 от 12 июля 2012 г.) с использованием оборудования ЦКП «ЭБЭЭ» ФГБОУ ВПО «ПГТУ».

Библиографический список

1. Сидыганов Ю. Н. Результаты математического моделирования процессов теплового перемешивания при анаэробном сбраживании органических отходов / Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, А. А. Медяков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 24. - С. 332-338.

2. Онучин Е. М. Экспериментальный стенд для исследования процессов каталитического обогрева и перемешивания субстрата при анаэробном сбраживании / Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, Ю. Н. Сидыганов, А. А. Медяков, Р. В. Яблонский // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 24. - С. 348-355.

3. Сидыганов Ю. Н. Математическое моделирование процессов функционирования каталитического подогревателя при обогреве биореактора анаэробного сбраживания органических отходов / Ю. Н. Сидыганов, Е. М. Онучин, Д.В. Костромин, А. А. Медяков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - №25. - С. 231-237.

4. Онучин Е. М. Вычислительный эксперимент работы каталитического подогревателя при обогреве биореактора анаэробного сбраживания органических отходов / Е. М. Онучин, Д. В. Костромин, Ю. Н. Сидыганов, А. А. Медяков// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 25. - С.250-256.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Исследование надежности системы теплоснабжения средних городов России. Рассмотрение взаимосвязи инженерных систем энергетического комплекса. Характеристика структуры системы теплоснабжения города Вологды. Изучение и анализ статистики по тепловым сетям.

    дипломная работа [1,4 M], добавлен 10.07.2017

  • Анализ существующей системы энергетики Санкт-Петербурга. Тепловые сети. Сравнительный анализ вариантов развития системы теплоснабжения. Обоснование способов прокладки теплопроводов. Выбор оборудования и строительных конструкций системы теплоснабжения.

    дипломная работа [476,5 K], добавлен 12.11.2014

  • Способы повышения энергоэффективности производства и распределения электрической энергии путем внедрения установок компенсации реактивной мощности. Совершенствование электрификации животноводческого комплекса с. Большепесчанское Омской области.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 23.06.2011

  • Описание систем теплоснабжения исследуемых помещений. Оборудование, используемое для аудита систем теплоснабжения, результаты измерений. Анализ результатов исследования и план энергосберегающих мероприятий. Финансовый анализ энергосберегающих мероприятий.

    дипломная работа [93,3 K], добавлен 26.06.2010

  • Расчет отопительной нагрузки, тепловой нагрузки на горячее водоснабжение поселка. Определение расхода и температуры теплоносителя по видам теплопотребления в зависимости от температуры наружного воздуха. Гидравлический расчет двухтрубных тепловых сетей.

    курсовая работа [729,5 K], добавлен 26.08.2013

  • Тепловой баланс, характеристика системы теплоснабжения предприятия. Расчет и подбор водоподогревателей систем отопления и горячего водоснабжения. Расчет установки по использованию теплоты пароконденсатной смеси для нужд горячего водоснабжения и отопления.

    курсовая работа [194,9 K], добавлен 18.04.2012

  • Выполнение расчетов параметров воздуха, теплопотерь через стены, пол, перекрытие, расходов тепла на нагревание инфильтрующегося воздуха через ограждения помещений, вентиляцию, горячее водоснабжение с целью проектирования системы теплоснабжения завода.

    курсовая работа [810,6 K], добавлен 18.04.2010

  • Параметры наружного воздуха. Расчет нагрузок потребителей теплоты. Выбор системы теплоснабжения. Определение расходов сетевой воды. Построение пьезометрического графика. Температурный график регулирования закрытой независимой системы теплоснабжения.

    курсовая работа [321,4 K], добавлен 23.05.2014

  • Параметры системы теплоснабжения. Определение расхода теплоносителя. Разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности системы теплоснабжения. Расчет технико-экономической эффективности от регулировки ТС. Автоматизация котельного агрегата.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 20.03.2017

  • Расчет нагрузок отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий жилого микрорайона. Гидравлический и тепловой расчет сети, блочно-модульной котельной для теплоснабжения, газоснабжения. Выбор источника теплоснабжения и оборудования ГРУ и ГРПШ.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.03.2013

  • Эффективность водяных систем теплоснабжения. Виды потребления горячей воды. Особенности расчета паропроводов и конденсатопроводов. Подбор насосов в водяных тепловых сетях. Основные направления борьбы с внутренней коррозией в системах теплоснабжения.

    шпаргалка [1,9 M], добавлен 21.05.2012

  • Характеристика теплового хозяйства предприятия. Расчет тепловых нагрузок и подбор теплогенераторов пара и горячей воды, вспомогательного теплотехнического оборудования. Себестоимость теплоэнергии. Расчет теплоизоляционных конструкций наружных проводов.

    курсовая работа [267,0 K], добавлен 23.02.2015

  • Расчет и анализ основных параметров системы теплоснабжения. Основное оборудование котельной. Автоматизация парового котла. Предложения по реконструкции и техническому перевооружению источника тепловой энергии. Рекомендации по осуществлению регулировки.

    дипломная работа [1,4 M], добавлен 20.03.2017

  • Элементы и принципы функционирования систем отопления и горячего водоснабжения. Принцип работы теплосчетчика. Регуляторы давления прямого действия. Устройство тепловых пунктов. Регуляторы перепада давлений, работающие без постороннего источника энергии.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 14.01.2015

  • Исследование и проектирование геотермальных установок, а также системы отопления, работающих на геотермальных источниках теплоснабжения. Расчет коэффициента эффективности для различных систем геотермального теплоснабжения. Подбор отопительных приборов.

    контрольная работа [139,6 K], добавлен 19.02.2011

  • Определение понятия тепловой энергии и основных ее потребителей. Виды и особенности функционирования систем теплоснабжения зданий. Расчет тепловых потерь, как первоочередной документ для решения задачи теплоснабжения здания. Теплоизоляционные материалы.

    курсовая работа [65,7 K], добавлен 08.03.2011

  • Рассмотрение экспериментальных зависимостей температуры горячего потока от входных параметров. Расчет показателей расхода хладагента и горячего потока и их входной температуры. Определение толщины отложений на внутренней поверхности теплообменника.

    лабораторная работа [52,4 K], добавлен 13.06.2019

  • Потери тепла, их основные причины и факторы. Классификация и типы систем теплоснабжения, их характеристика и функциональные особенности: централизованные и децентрализованные, однотрубные, двухтрубные и бифилярные. Способы циркуляции воды в теплосети.

    научная работа [1,3 M], добавлен 12.05.2014

  • Подготовка к отопительному периоду. Режимы теплоснабжения для условий возможного дефицита тепловой мощности источников тепла, повышение надежности системы. Давления для гидравлических испытаний, графики проведения аварийно-восстановительных работ.

    реферат [65,6 K], добавлен 01.03.2011

  • Оценка расчетных тепловых нагрузок, построение графиков расхода теплоты. Центральное регулирование отпуска теплоты, тепловой нагрузки на отопление. Разработка генерального плана тепловой сети. Выбор насосного оборудования системы теплоснабжения.

    курсовая работа [2,5 M], добавлен 13.10.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.