WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

1. Изучить различные схемы обогрева биогазовых установок и биореакторов, способы повышения эффективности и перспективы их применения в климатических условиях РФ.

2. Обосновать выбор схемы теплоснабжения БГУ в зависимости от климатических условий, размеров и типов животноводческих ферм и комплексов.

B3. Разработать математическую модель обоснования толщины изоляции биореакторов в форме правильных цилиндров с учетом величины допустимых потерь тепла;

4. Определить допустимую температуру теплоносителя с учетом требуемого термического сопротивления, позволяющего подобрать материал труб теплообменника и конструкцию его стенки для повышения теплоэнергетических показателей биогазовых установок.

5. Исследовать аналитическую зависимость определения коэффициента теплопередачи теплового потока нагрева субстрата трубами по наружной поверхности биореактора и определить средний коэффициент теплопередачи при различных схемах теплообменников.

6. Разработать методики расчета систем теплоснабжения биогазовой установки и параметров системы обогрева биореактора;

7. Выполнить производственную проверку и дать оценку экономической эффективности применения предлагаемой технологии переработки бесподстилочного навоза КРС в биогазовых установках.

Во втором разделе "Определение рациональных режимов и параметров функционирования биогазовых установок" приводятся материалы по обоснованию системы наружного обогрева биореакторов, способам минимизации тепловых потерь и затрат на собственные нужды, упрощению конструкции системы обогрева.

Анализ теоретических исследований расходов тепла на собственные нужды установки показал, что при влажности субстрата 88-93 % наблюдается незначительное увеличение, а при более высокой влажности происходит заметный рост расходов тепла. При достижении влажности 97-98 % выход товарного биогаза практически будет равен нулю.

Особенность технологии накладывает ряд ограничений на системы теплоснабжения:

- температура поверхности нагрева должна быть не более 60 С;

- при расположении внутри реактора следует обеспечивать герметичность узлов прохода труб;

- субстрат обладает сильной агрессивностью и коррозионной опасностью;

- нежелательно повышать влажность субстрата, так как значительно возрастают объемы биореактора;

- при внутреннем расположении теплообменника возникает дополнительная возможность для налипания частиц.

Основная идея работы состоит в изучении схемы наружного обогрева биореакторов, разработка методических основ по расчету систем теплоснабжения на основе БГУ с наружным обогревом биореакторов. Такой способ широко известен в теплотехнике и применяется в конструкциях "теплого пола", панельного отопления и др. Эти системы применяются длительное время и достаточно хорошо изучены. Однако в связи со спецификой конструкции установки в существующие уравнения следует внести ряд изменений отражающих ее особенности.

Y X ст. тр.

ст. реак.

dн Рисунок 4 – Геометрическая схема распределения тепловых потоков змеевика системы обогрева, расположенного снаружи реактора Для исследования системы обогрева биореактора был выбран теплообменник с использованием труб по наружной поверхности стального цилиндра.

Данный способ позволяет значительно повысить температуру теплоносителя, производить ремонт системы без остановки биореактора, исключить герметизацию узлов прохода, являющихся, звеном снижающим надежность системы, уменьшить налипание частиц в связи с отсутствием дополнительных поверхностей, значительно упростить конструкцию и монтаж системы обогрева. Однако имеется и ряд недостатков: для сохранения доли затрат на прежнем уровне увеличивается толщина изоляции в месте прокладки труб, увеличивается длина S /S м а к с i труб в связи с уменьшением коэффициента теплопередачи. Геометрическая схема данной системы обогрева представлена на рисунке (рис. 4).

В области угла тепло передается субстрату. В области угла тепловой поток q препятствует распространению тепла q от субстрата в окружающую 1 среду и оказывает дополнительное влияние на потоки тепла в окружающую среду и на нагрев субстрата. В области угла тепловой поток направлен в окружающую среду. Коэффициент теплопередачи при этом изменяется от максимальной величины при угле = 0, до минимальной – при угле =.

i i макс Поверхность реактора покрывается слоем изоляции. В идеальном случае труба плотно прижата к поверхности стенки реактора, а свободное пространство заполнено изоляцией. Коэффициент теплопередачи на примыкании трубы к стенке реактора будет зависеть от прижимной силы и контактной пары (материалов). Уравнение коэффициента теплопередачи в зависимости от направления характеризуется уравнением k = d d н н. (1) p 2cos + + С cos р изол Определение расчетного (среднего) коэффициента теплопередачи, на участке, равном шагу труб, для таких теплообменников сводится к решению определенного интеграла + S / (dн, k S)dS.

(2) - S / kсред = S Изменение коэффициента теплопередачи системы обогрева в зависимости от угла для змеевика из металлопластиковых труб 14 и 32 мм представлено на рис. 5.

Расчеты показали, что если доля теплопотерь через стенки реактора составляет до 14 % общих затрат тепла на собственные нужды при расчетной минимальной температуре окружающей среды, то БГУ может работать только за счет тепла, получаемого от биогаза.

При этом толщина изоляции биореактора, стремящегося к форме правильного цилиндра, определяется по выражению = - 0,изол изол. (3) 0,2R р k, k, Вт/(м °С) Вт/(м °С) 104,82,-90 -60 -30 0 30 60 90 -90 -60 -30 0 30 60 X, ( ) X, ( ) град. град.

а) б) Рисунок 5 – Изменение коэффициента теплопередачи и теплового потока в зависимости от направления угла i для металлополимерной трубы: а) диаметром 14 мм; б) 32 мм T, °C Сброженный осадок Конструкции 20 теплоутилизатора 17,Свежий 5 субстрат 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 58., мин.

Рисунок 6 – График изменения температуры сброженного осадка и свежего субстрата в теплоутилизаторе (с учетом потерь в окружающую среду) При различном расположении теплообменников автором рекомендуется учитывать факторы, ускоряющие теплообмен. Для этого вводится поправочный коэффициент, который определяется следующим образом = а+с, (4) При этом толщина изоляции биореактора должна быть скорректирована = - 0,изол изол. (5) 0,2R р Одним из путей энергосбережения и повышения КПД биогазовой установки является применение теплоутилизаторов. Экономия затрат тепла на подогрев субстрата при этом может достигать 45 %. График изменения температуры субстрата при утилизации тепла сброженного осадка представлен на рис. 6.

В третьем разделе "Постановка и анализ результатов экспериментальных исследований процесса обогрева биореактора". При проведении исследований предусматривалось не только определение степени влияния отдельных параметров на протекание теплового режима, но и нахождение рациональных значений для различных геометрических соотношений системы. В качестве критериев оптимизации приняты скорость нагрева субстрата, °С/час, и количество затрачиваемой энергии для поддержания заданной температуры Q, кВт.

Для исследования влияния параметров системы наружного обогрева, разработана экспериментальная установка, которая представляет собой физическую модель биореактора (рис. 7).

Т1 Ткон Т Тсуб 2 Т Тнач ТТ1 – подающий трубопровод, Т2 – обратный трубопровод, 1 – шаровый кран; 2 – вентиль, 3 – циркуляционный насос, 4 – расходомер, 5 – расширитель, 6 – цилиндр (биореактор), 7 – тепловая изоляция, 8 – змеевик из металлопластиковых (медных) труб, 9 – водонагреватель, 10 – термометр биметаллический. Т, Т – места измерения температуры пирометром OPTRIS нач кон MiniSight; Т - измерение температуры субстрата прибором ТЕМП-3.2.

суб Рисунок 7 – Схема экспериментальной установки.

В качестве функции отклика приняты скорость нагрева субстрата, °С/час, и количество затрачиваемой энергии для поддержания заданной температуры Q, кВт. Определяющими факторами являлись: материал труб теплообменника (металлопластиковые, медные); влажность загружаемого субстрата, W; начальная температура субстрата, tнач ; скорость движения греющего теплосуб носителя, ; мощность нагревательной установки, N ; диаметр (наружный) ТН нагр труб теплообменника, d ; шаг труб теплообменника, S; толщина изоляции бион реактора, ; коэффициент теплопроводности изоляции, ; температура изол изол.

окружающего воздуха, t ; количество витков теплообменника, n; относительнар ная высота загрузки реактора, H /H.

суб реакт Экспериментальные исследования планировались по факторному принципу.

На начальном этапе исследований с помощью однофакторного эксперимента определялось влияние материала труб теплообменника на интенсивность нагрева. Определено, что интенсивность нагрева для медных труб выше примерно в 2 раза, стоимость же их выше в 3-5 раз. Исходя из экономической целесообразности дальнейшие исследования проводились с использованием металлопластиковых труб.

При исследовании совместного влияния диаметра труб, температуры и скорости теплоносителя на процесс теплообмена получено уравнение регрессии, после преобразования, которого получена зависимость для определения необходимого диаметра труб tТН dн = 1,3 tТН - 260 - 17,9 w - 16,. (6) lтр Для определения влияния толщины изоляции и шага труб на коэффициент теплопередачи в области, близкой к экстремуму, выполнены экспериментальные исследования с применением композиционного плана Бокса-Уилсона.

При этом получено уравнение регрессии tсуб = 12,37 - 5,2 10- 3 S2 + 0,357 S + 0,изол. (7) По полученному уравнению регрессии построена зависимость (рис. 8). Из графика видно, что при увеличении шага труб до 65 мм наблюдается незначительное увеличение температуры нагрева биореактора, а затем снижение.

Tсуб, °C = 80 мм = 50 мм = 20 мм S, мм 30 Экспериментальные точки Рисунок 8 – Изменение температуры в биореакторе при различной толщине изоляции и шаге труб При исследовании влияния температуры внутри биореактора от температуры наружного воздуха, толщины изоляции получено уравнение, которое в натуральном масштабе имеет вид tнар + - изол tсуб = 39,84 + 3,55 + 3, (8) 8 После математических преобразований требуемая толщина изоляции определяется по выражению изол = (tсуб - 0,44 tнар - 33,84) 6,. (9) При сравнении экспериментальных и теоретических значений среднего коэффициента теплопередачи змеевика системы обогрева выявлено превышение теоретических значений над экспериментальными (рис. 9), особенно для большего шага труб. Несоответствие значений можно объяснить неучтенными теплопотерями оснований, изменениями разности температур в процессе теплообмена (при теоретических расчетах) и недостаточной прижимной силой змеевика труб к стенке реактора (при экспериментальных исследованиях).

В четвертом разделе "Практическая реализация результатов исследования" на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика расчета систем теплоснабжения БГУ на животноводческих комплексах и методика подбора параметров системы обогрева биореактора (рис. 10).

Методика подбора параметров системы обогрева биореактора заключается в определении по заданным параметрам теплоносителя, требуемого его расхода, диаметр, шаг и длина труб змеевика системы обогрева.

k, ср Вт/(м · °C) 30,Теоретические значения 18,12,11,Косвенно определенные 30 S, мм Рисунок 9 - Теоретический и экспериментальный графики среднего коэффициента теплопередачи змеевика из металлопластиковых труб О Определение tсуб Определение Определение Задаемся Определение Определение Определение Определение если Уточнение Уточняется если Принимается Уточняется ближайший dтр к Рисунок 10 – Схема выполнения расчета системы обогрева биореакторов По результатам экспериментальных и теоретических исследований был разработан модуль БГУ (рис. 11), с системой теплоснабжения от собственной автономной котельной и применением утилизации тепла в рекуперативном теплообменнике с естественной конвекцией. Модуль предназначен для переработки 1 т в сутки жидкого навоза. Объем биореактора данной установки составляет 14 м3. Наибольшего эффекта можно добиться при использовании данных установок на животноводческих фермах с использованием дополнительного оборудования по производству высококачественных органических удобрений.

Представленный модуль БГУ позволяет переработать 298,2 т/год навоза, при этом можно получить до 28105 м3 биогаза на нужды теплоснабжения производственных зданий и сооружений фермы и дополнительно 124,1 т/год органических удобрений влажностью 60 %.

/ d14x2 V = 2./ d14x2, 1 5 4610 (T n ITIdustries) 200 1000 3720 1200 200 / 1- / d14x2, 0, Рисунок 11 – Предлагаемый модуль БГУ с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка 4 130 х=Стоимость полного комплекта оборудования для выработки биогаза и производства удобрений с учетом строительно-монтажных работ для БГУ с объемом биореактора 14 м3 составит 1851,05 тыс. руб.

Экономический эффект от выработки тепловой энергии установкой с объемом биореактора 14 мЭ = = 0,с учетом реализации удобрений Э = = 0,Срок окупаемости биогазовой установки составит То = = 2 года 0,ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Рассмотрены процессы потребления энергии на животноводческих комплексах, использующих биогазовые установки, в зависимости от температуры наружного воздуха и времени года. При этом затраты на собственные нужды установок изменяются от 18 до 31%. На основании изучения климатических условий эксплуатации и размеров биогазовых установок составлена классификационная таблица для выбора ее схемы обогрева.

2. Усовершенствована схема обогрева биогазовой установки, позволяющая снизить затраты на собственные нужды на 4..5% и повысить температуру свежего навоза на выходе из теплоутилизатора на 1,2…1,4 оС (для мезофильного режима). Обоснованы способы повышения эффективности системы обогрева биогазовых установок и перспективы их применения.

3. С учетом величины допустимых потерь тепла биореактором и уравнения теплового баланса, получено математическое выражение для определения толщины изоляции биореакторов в форме правильных цилиндров.

4. Проведены теоретические исследования по повышению теплоэнергетических показателей системы обогрева биогазовых установок. Предложено уравнение требуемого термического сопротивления, которое позволяет подобрать конструкцию системы обогрева биореактора.

5. Выведена аналитическая зависимость определения коэффициента теплопередачи теплового потока, направленного на нагрев субстрата трубами, расположенными по наружной поверхности биореактора, дающая возможность определить средний коэффициент теплопередачи, который находится в предео лах от 6 до 35 Вт/(м2· С).

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»