WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Вохмин Вячеслав Сергеевич

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА) Научный руководитель доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович

Официальные оппоненты:

Щеренко Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Процессы, аппараты и теплотехнологии пищевых производств» ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств (ФГБОУ ВПО МГУПП) Дородов Павел Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедры «Теоретической механики и сопротивления материалов» ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ")

Защита состоится «29» марта 2012 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9, ауд. 3-201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Автореферат разослан «28»февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Литвинюк Надежда Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Одним из основных вопросов, стоящих на пути прогресса в современном мире, является вопрос о развитии энергетики, базирующейся на доступе к энергетическим ресурсам.

Задача обеспечения постоянно растущих потребностей мировой и национальных экономик в энергии обусловливает необходимость развития возобновляемой энергетики и, в частности, биоэнергетики. Это также диктуется решением глобальных проблем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и обеспечением экологической безопасности.

На федеральном уровне значительное развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) должна дать государственная программа "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года", утвержденная распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. №2446-р.

На республиканском уровне одним из перспективных разрабатываемых направлений программы "Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010-20годы" является инновационный проект "Использование местных (альтернативных) видов топлива на территории УР".

Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки.

Теоретические вопросы, посвященные переработке отходов АПК, рассматривали в своих работах российские ученые: Лысенко В.П., Гужулев Э.П., Дубровский В.С., Бацанов И.Н., Ковалев Н.Д., Ковалев Д.А., Марченко В.И., Шрамков В.М., Зуев В.А. и др.; и зарубежные ученые: Jan Baptita Helmont, Count Alessandro Volta, Sir Humphry Davy, Anderson P.A., Baker D.N. и др.

В Ижевской ГСХА, начиная с 1995 года, на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции» началось развитие одного из направлений по теме «Утилизация отходов сельскохозяйственного производства». Результатом этих исследований стали выигранные и отмеченные Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и Министерством сельского хозяйства Российской Федерации конкурсы. Поэтому введение новых энергосберегающих электротехнологий на различных этапах энаэробного сбраживания является актуальной научной задачей, решение которой видится в использовании установок поточно-циклического и непрерывного действия.

Цель работы: повышение эффективности анаэробной переработки навоза и интенсификация процесса получения биогаза как источника энергии в энергосберегающей электротехнологии.

Задачи:

- разработать энергосберегающий метод непрерывной утилизации биомасс животного и растительного происхождения с использованием энергии конвективно-индукционного нагрева;

- создать физические модели и дать математические описания процессов сбраживания непрерывного действия с конвективно-индукционным нагревом;

- разработать и изготовить образец биогазовой установки непрерывного действия, реализующий технологию утилизации биомассы с применением объемного конвективно-индукционного нагрева;

- обосновать эффективность разработанной технологии.

Объект исследования: трехстадийный электротехнологический процесс работы биогазовой установки.

Предмет исследования: технологические режимы работы трехстадийной биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии.

Научную новизну работы составляют:

- метод нагрева биомассы на биоэнергетических установках непрерывного действия с конвектитвно-индукционным нагревом, реализующий единый циклический процесс;

- теплофизические модели частных процессов ферментации навоза на биореакторах непрерывного действия с применением ковективно-индукционного нагрева, позволяющие определять режимы и параметры технологического процесса;

- математическая модель рационализации энергоемкости частного процесса энергопроизводства биореактора непрерывного действия.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- опытный образец лабораторной непрерывно действующей биогазовой установки с объемом реактора 40 литров, обеспечивающий эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

- технологический процесс и аналитические зависимости, обеспечивающие оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения индукционного нагрева;

- результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе, используются во всероссийских и зарубежных конкурсах и форумах.

Основные положения, выносимые на защиту:

- энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием индукционного нагревателя;

- механизм расчета и оценки энергоемкости работы биогазовой установки;

- теплофизические модели и математическое описание процессов ферментации непрерывного действия с конвективно - индукционным нагревом;

- технология метанового сбраживания навоза с применением конвективноиндукционного нагрева;

- эффективность разработанной технологии.

Личный вклад автора. Модели, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы определены совместно с научным руководителем. Макет установки и нагревательного элемента, используемые при экспериментальных исследованиях, разработаны коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» при активном участии автора.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научнопрактических конференции в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008 г; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет им. Г.И.Носова» на Всероссийской научно-практической конференции "Качество продукции, технологий и образования", 2010 г.; в ГНУ «Всероссийский научноисследовательский институт электрификации сельского хозяйства» на Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ВИЭСХ и 100-летию со дня рождения основоположника науки по электроснабжению, электрификации и автоматизации сельского хозяйства академика И.А. Будзко «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010 г.; II Евразийский Форум Молодежи «Евразия – путь на север» - Екатеринбург, 2011 г.; Всероссийский конкурс научных работ в области возобновляемых источников энергии «Стипендия BELLONA – 2011» - Санкт-Петербург, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 публикаций, в том числе 4 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК, одной монографии и одного патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 1страниц, 33 рисунка, 10 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 2наименований, в том числе 8 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы, цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса утилизации биомасс животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве» на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема утилизации отходов животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве. Ежегодное количество органических отходов в сельскохозяйственном производстве Российской Федерации составляет 250 млн. тонн из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн на растениеводство.

Технология производства электроэнергии из биомассы на сегодняшний день является актуальным направлением переработки отходов.

Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза, получающегося при утилизации отходов сельскохозяйственных производств.





Рассмотрены технологии и установки мировых и российских производителей биогазовых установок, разновидности наиболее применяемых форм реакторов сбраживания биомассы, методы и способы подогрева сырья.

Проведенный анализ позволил установить:

актуальность переработки отходов животноводства и растениеводства с целью получения дополнительного источника энергии (высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92 %, получение тепловой энергии до 1,0 МВт и электрической до 0,4МВт);

предпочтительность представляет использования шаровидного (яйцеобразного) биореактора с точки зрения прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата (затрат энергии на перемешивание), отвода осадков и разрушения плавающей корки (снижение времени подогрева навоза 1,5 …2 раза);

неэффективность использования одного режима сбраживания навоза с прямым видом подогрева (КПД от 65 % и ниже, повышение стоимости в 1,5… 2 раза);

неэффективность использования внешнего подогрева с помощью теплообменника с теплопроводящими элементами на поверхности стен реактора (повышение затрат электроэнергии и времени нагрева в 2,5 раза).

Во второй главе «Теоретические и лабораторные исследования интенсивных методов сбраживания отходов с.-х. производства» предложено объединить в единый цикл три стадии метанового сбраживания с целью интенсификации и оптимизации равномерного разогрева шаровидного метантенка. На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при конвективно-индукционном нагреве включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных механических, теплофизических и энергетических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа, получение и распределение электроэнергии.

Для изучения этих процессов была разработана установка, состоящая из трехстадийного метантенка с индукционным нагревателем, шлангов, манометра, жидкостного манометра, счетчика электрической энергии, термодатчиков, емкости для сбора газа, отверстия для залива субстрата, сливного патрубка, емкости под перебродивший шлам. Проводились эксперименты с образцом коровьего навоза.

Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом, показана на рисунке 1.

б ) а) а) экспериментальная установка: 1 – трехстадийный метантенк с конвективно - индукционным нагревателем; 2 - шланги; 3 – манометр; 4 – жидкостный манометр; 5 - счетчик электрической энергии; 6 - термодатчики; 7 - емкость для сбора газа; 8 - отверстие для залива субстрата;

9 - сливной патрубок; 10 - емкость под перебродивший шлам;

б ) экспериментальный индукционный нагреватель: 1- ферромагнитная труба;

2 - электротеплоизоляционная прокладка; 3 - индукционная катушка; 4 – стержень; 5 – крышка.

Рисунок 1 – Установка для проведения экспериментальных опытов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом Рассмотрено влияние конвективно-индукционого энергоподвода на процесс нагрева навоза и выход биогаза с двумя наиболее рациональными типами форм метантенка.

На рисунке 2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора.

Рисунок 2 – Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора Анализируя кривые рисунка 2 получили, что при одних и тех же температурах нагрева процесс образования биогаза более эффективнее в ректоре шаровидной формы.

Также в ходе эксперимента выявили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация возможна за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55оС и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит тепло высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.

За критерии оптимизации работы биореактора принимаем минимизацию затрат энергии и максимальный выход биогаза. На основе теоретических и экспериментальных данных разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с конвективно-индукционным нагревом, которая представлена на рисунке 3.

Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с конвективно - индукционным нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофильную и психрофильную зоны за счет конструктивных элементов реактора, а именно сужение зоны выгрузки переработанного навоза, приводит к интенсивным теплофизическим процессам передачи тепла вновь поступающему сырью. Также разогрев биомассы осуществляется контактным нагревом через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.

В период нагрева навоза температура в центральной части биореактора о увеличивается до 55 С и поддерживается постоянной в заданном режиме, далее происходит конвективный нагрев с соседними секциями метантенка. Это распределение тепла происходит равномерно по всему объему реактора. Нагрев в пределах температур о 40…55 С осуществляется в центральной секции метантенка индукционным нагревателем с частотой тока 50 Гц, что соответствует термофильному режиму сбраживания.

40-55 0C 40-55 0C 40-55 0C 40-55 0C Рисунок 3 – Схема физической модели процесса метанового сбраживания Заданная температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь мезофильного и психрофильного режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют массообменный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит в средней секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается о температура в пределах 25…40 С. Крайней секции реактора соответствует психрофильному режиму, где температура сбраживания находится в пределах 8…25оС.

Исходя из проведенных экспериментов, обосновали применение конвективноиндукционного нагрева для предлагаемой шаровидной конструкции метантенка, объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания, и выявили о основные режимы сбраживания (психрофильный при 8…25 С, мезофильный при 25…40оС и термофильный при 40…55 оС).

В третьей главе «Теоретическое обоснование интенсификации и энергосбережения при метановом сбраживании навоза» разработаны модель расчета теплопередачи метантенка и математическая модель энергетических составляющих процесса сбраживания.

Процесс передачи теплоты субстрату, заключается в том, что энергия, подводимая к индуктору посредством электромагнитного воздействия на нагреватель, переходит в тепловую, тем самым происходит разогрев метантенка путем послойной передачи теплоты. Используя уравнение Ньютона - Рихмана определим полную теплоту передаваемую индуктором в первую I зону:

полн = инд. - ср , (1) где - коэффициент теплоотдачи от горячей поверхности индуктора к биомассе термофильной зоны, Вт/(м20С); инд. – температура поверхности индуктора, С; ср – средняя температура I зоны, 0С; - площадь поверхности теплоотдачи индуктора, м2.

Далее, используя основное уравнение теплопередачи, определим количество теплоты, передаваемую из более нагретой термофильной зоны через стенку в мезофильную зону.

= К ср - ср , (2) где К - коэффициент теплопередачи от более теплой зоны к холодной зоне метантенка (вследствие значительных размеров диаметров всех трех поверхностей метантенка, значение коэффициентов теплопередачи с достаточной степенью точности можно определить для случая плоской поверхности), который определяем следующим выражением К =, (3) г н где г - коэффициент теплоотдачи от более горячей биомассы в зоне I к теплопередающей поверхности, Вт/(м20С); н - коэффициент теплоотдачи от поверхности к нагреваемой биомассе в зоне II, Вт/(м20С); - толщина стенки, м; - теплопроводность материала стенки, (Вт/м·0C); ср и ср - средние температуры горячей и нагреваемой биомасс, С; - площадь поверхности отделяющая зоны, м2.

Полное количество теплоты, генерируемой индуктором для нагрева биомассы во всех зонах метантенка с учетом потерь теплоты в окружающую среду, с уходящими субстратом и биогазом определится:

отход. газ полн. = + + + + потер. + потер. (4) Количество теплоты, необходимое для нагрева биомассы в каждой из зон метантенка можно определить из уравнений теплового баланса зоны:

( ) для третьей зоны = вых - вх ; (5) ( ) для второй зоны = вых - вх ; (6) ( ) для первой зоны = вых - вх. (7) потери теплоты в окружающую среду = К ср - окр.ср. , (8) где К - коэффициент теплопередачи от биомассы III зоны в окружающую среду; окр.ср. - средняя температура окружающей среды вокруг метантенка, 0С; - площадь внешней поверхности метантенка, м2; - удельная теплоемкость субстрата в зоне, Дж/(кг·К); – массовый расход субстрата в зоне, кг/с.

Количество теплоты, теряемой с отходами производства – субстратом и уходящим из установки биогазом можно определить из следующих уравнений:

отход.

потер. = субстр.вых. Ссубстр. вых.из термоф. зоны, (9) где субстр.вых. – массовый расход выгружаемого субстрата, кг/с; Ссубстр. – удельная теплоемкость субстрата, Дж/(кг·К); вых. из термоф.зоны – температура выгружаемого субстрата из термофильной зоны, 0С.

газ потер. = газа. Сгаза газа, (10) где газа. – массовый расход получаемого газа, кг/с; Сгаза – удельная теплоемкость уходящего биогаза, Дж/(кг·К); газа – температура уходящего биогаза, 0С.

Поверхность нагрева между зонами определим по формуле:

= ср, (11) Также определяем поверхность индуктора, чтобы она была достаточной для обеспечения величины теплоты полн.

Площадь индуктора будет определяться:

полн = ( инд. ср. ), (12) где инд. – температура поверхности индуктора, 0С.

Распределение температуры от поверхности индуктора до окружающей среды и схемы движения биомассы, и направления тепловых потоков представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – График распределения температуры от поверхности индуктора до окружающей среды и схемы движения биомассы, и направления тепловых потоков Определив полную теплоту расходуемую на обогрев метантенка, можно рассчитать мощность индуктора, которая будет обеспечивать необходимый температурный режим для непрерывной работы установки.

Нагрев субстрата осуществляем конвективно-индукционным нагревателем со следующими параметрами.

Частоту тока принимаем 50 Гц, так как ряд особенностей заставляет выделить эту отдельно, хотя основные закономерности и методы расчета те же, что и на средних частотах. Главным преимуществом использования частоты 50 Гц являются то, что происходит снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты.

Условием правильного выбора частоты при нагреве различных материалов является:

(13) где D - диаметр нагреваемого тела, м; zа - глубина проникновения тока в нагревательный элемент, м.

Подставив численные значения, получим:

Проверка показала, что применение частоты 50 Гц более целесообразно для конвективно - индукционого нагрева метантенка.

Далее определяем электрические параметры индуктора. Задача расчета - определить напряжение на индукторе UH, ток индуктора IН, число витков индуктора W, коэффициент мощности cosн, коэффициент полезного действия и, мощность, подводимую к индуктору PИ.

Напряжение на индукторе:

(14) где IН - ток индуктора, А; ZН - полное сопротивление индуктора с числом витков W, Ом.

Ток индуктора:

(15) / где И- ток в одновитковом индукторе, А.

Число витков индуктора:

(16) где UИ – заданное напряжение на индукторе, В; - напряжение на индуктирующем проводе одновиткового индуктора, В.

Электрический КПД индуктора:

(17) где rН- активное сопротивление нагруженного индуктора, Ом; r1- активное сопротивление пустого индуктора, Ом.

Коэффициент мощности:

(18) Мощность, подводимая к индуктору:

(19) где РП - средняя полезная мощность за время нагрева, Вт; И - электрический КПД индуктора.

Расчет выполняем на примере условного одновиткового индуктора. В конце расчета определяем количество витков W к требуемой расчетной конструктивной поверхности индуктора и пересчитываем параметры индуктора на это количество витков.

Для расчета энергоемкости всей установки разработали математическую модель.

Для этого схему физической модели установки метанового сбраживания (рисунок 3), изображаем в виде формализованного изображения процесса энергопотребления и энергопроизводства на основе которого, разрабатываем математическую модель энергоемкости, как отдельных стадий работы метантенка, так и всей установки в целом.

В формализованном изображении (таблица 1) энергопотребления энергопроизводства, показаны энергоемкости зон метанового сбраживания и энергоемкость полученного биогаза и выгружаемого субстрата. Для обеспечения работоспособности оборудования необходимо, чтобы система управления поддерживала в метантенке необходимые режимы, заданные технологическим процессом.

Предварительно биомасса получаемая животноводческими комплексами должна подготавливаться к сбраживанию, получая при этом энергоемкость q1.

Таблица 1- Формализованное изображение процесса энергопотребления и энергопроизводства qу qi qij1 qij2 qij3 qij Подготовка биомассы к сбраживанию qПараллельно всему Биомасса Подвод процессу Питание (влажность электро- Насос qнасоса 90…93%) qэнергии Подвод Загрузка qПитание Подвод электро- Насос qнасоса электроэнергии энергии Психрофильный Подвод Питание режим, электро- устрой- Перемешивающее устройство qперемешивание энергии ства Питание биомассы qшкафа Мезофильный управления Подвод Питание режим, электро- устрой- Перемешивающее устройство qперемешивание энергии ства биомассы qШкаф Термофильный управления режим, Подвод Конвективно перемешивание Питание электро- индукционный биомассы qнагрева энергии нагрев qСистема Выгрузка управления qотработанной массы qКонтроль Биогаз / Подвод качества Питание переработанная электро- Затвор qбиогаза затвора биомасса q8 энергии Субстрат (биомасса) с энергоемкостью q2 загружается в метантенк. Далее масса последовательно проходит секции реактора и приобретает по завершению всех процессов энергоемкость q8.

Математическая модель расчета энергоемкости технологии метанового сбраживания биомассы на установках непрерывного действия с конвективно - индукционным нагревом определяет общую энергоемкость работы системы метантенка (20).

Энергоемкость параметров технологического процесса есть произведение энергоемкостей энергетических параметров обеспечивающих их работу (q21- q71).

Вх Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых · · · · + · ( + ) + · · · · + · ( + ) = · + Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых · · · · + · ( + ) + Вх Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых · · · · + · ( + ) + · · · · + · ( + ) + · + Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых · · · · + · ( + ) + Вх Вх Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вх Вх Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вх ( )· · · · ·( ) ( )· · · · · (20) + · Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых Вых · · · · ·( ) где q1 – начальная энергоемкость сырья; Вх, Вых – входная и выходная мощности i – го процесса работы реактора.

Подвод энергии электроПитание устройства ющее устройство Перемешива В соответствии с правилом расчета энергоемкости последовательных и параллельных звеньев определим общую энергоемкость q8, которая дает возможность определять энергоемкости как отдельных элементов, так и всей энергетической цепи.

Из уравнения (20) выделим элемент отвечающий за работу индукционного нагревателя в центральной (термофильной) секции метантенка:

Вх Вх и =, (21) Вых Вых Адекватность математической модели энергопотребления проверенна путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными по критерию Фишера.

Экспериментальные и расчетные данные энергопотребления установки с конвективноиндукционным нагревом представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Энергопотребление установки с конвективно-индукционным нагревом Модель адекватна с надежностью 95%. Расчеты осуществлялись в математическом пакете программ Microsoft Excel.

В четвертой главе «Разработка технологии утилизации биомасс животного и растительного происхождения с применением биогазовых установок с конвективно-индукционным нагревом и экспериментальные исследования процесса» представлен технологический процесс метанового сбраживания навоза и обработка экспериментальных исследований метанового сбраживания при объемном конвективно-индукционном нагреве.

Технологический процесс сбраживания биомасс животного и растительного происхождения и структурная схема линии представлены на рисунке 6. Исходным сырьем, поступающим в линию, является коровий навоз.

1 - предприятие АПК; 2- метантенк; 3 – хранилище биогаза; 4 – энергетический преобразователь; 5 – хранилище биоудобрений Рисунок 6 – Структурная схема линии по переработке навоза По окончании технологического процесса переработки навоза в метантенке получаем органический субстрат и биогаз. Важным условием для анаэробного сбраживания является оптимальная температура вещества в метантенке, поддержание которой обеспечивается конвективно-индукционным нагревом.

Исходя из теоретических и практических исследований выявили, что для строительства биогазовой установки будет лучше, если метантенк будет напрямую соединен с полом фермы.

Уровень пола фермы должен располагаться выше уровня емкости для подготовки сырья, тогда навоз и урина животных будут попадать в эту емкость под действием сил гравитации самостоятельно. Если узел выгрузки биогазовой установки будет расположен выше уровня ближайших полей, это будет способствовать более легкому распределению биоудобрений по этим полям.

Принцип работы трехстадийного метантенка биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом, представленной на рисунке 7, происходит следующим образом, подготовленная для сбраживания масса поступает в первую секцию 2 (психрофильную с диапазоном температур 8...25 °С) биореактора.

1 – шаровидный метантенк; 2 - психрофильная камера сбраживания; 3 - мезофильная камера сбраживания; 4 - термофильная камера сбраживания; 5 – насос подачи сырья; 6 – насос откачки переработанного шлама; 7 – перемешивающие устройства; 8 – устройство конвективно-индукционого нагрева; 9 - манометр; 10 – блок контроля работы метантенка.

Рисунок 7 – Функциональная схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом Перемешивание в данной камере при помощи мешалок 7 и при подаче следующей партии сырья, и осуществляется частотой 1 раз в 2 часа с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42…55 об/мин. Затем биомасса по принципу сообщающихся сосудов перемещается во вторую 3 (мезофильную с диапазоном температур - 25...40 °С) в которой перемешивание осуществляется таким же образом как и в первой секции, и за счет собственного перемещения массы сырья; и третью (термофильную с диапазоном температур - 40...55 °С) частотой перемешивания субстрата 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 51…60 об/мин.

Трехстадийный метантенк биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом состоит из реактора, систем контроля и управления. Сбраживаемая масса подогревается в центральной секции устройством конвективно-индукционного нагрева до температуры 40…55 °С, послойной передачи теплоты субстрату и конструктивного исполнения секции, позволяющая отдавать тепло выгружаемого субстрата вновь поступающему сырью, температура процесса контролируется термодатчиками нижнего и верхнего уровня блока контроля работы метантенка 10.

Перемешивание происходит периодически 2...3 раза в сутки при помощи перемешивающих устройств 7. Выделяющийся биогаз, собирают и хранят в резервуар низкого давления. Получившийся в процессе сбраживания шлам поступает для дальнейшей переработки. Реактор сконструирован так, что идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.

Разработав функциональную схему автоматизации установки были построены временные диаграммы работы разработанной установки с конвективно - индукционным нагревом (рисунок 8).

Рисунок 8 – Временные диаграммы работы установки с конвективно – индукционным нагревом Для реализации процесса сбраживания навоза, согласно схемы на рисунке 7, был изготовлен опытный образец установки непрерывного действия объемом реактора 1,0 м3.

Установка для получения биогаза непрерывного действия с конвективноиндукционным нагревом состоит из реактора, который разделен на три секции.

Загрузка и выгрузка осуществляется при помощи насосов. Переход биомассы из секции в секцию происходит по принципу сообщающих сосудов. Получаемый в процессе метанового сбраживания биогаз, поступает в емкость для сбора газа.

Количество выделяемого газа контролируется газовым счетчиком.

На данной экспериментальной установке с реактором шаровидной формы проверена и подтверждена возможность объединения психрофильного, мезофильного и термофильного режимов метанового сбраживания в единый трехстадийный цикл.

65 1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Время сбраживания, сут кривая нагрева индукционного нагрева выход биогаза при индукционном нагреве Рисунок 9 - Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания при конвективно – индукционном нагреве Результаты экспериментальных исследований метанового сбраживания при конвективно-индукционном нагреве коровьим навозом, показали, что процесс сбраживания биомассы происходит интенсивнее по всему объему метантенка, за счет мгновенного нагрева поверхности нагревателя (рисунок 9).

В пятой главе «Технико-экономические показатели и экономическая эффективность разработанных методов, установок и технологий» показана технико-экономическая оценка проведенных мероприятий, на основе методики расчета экономической эффективности, разработанный во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства.

Результаты основных технико-экономических показателей биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные технико-экономические показатели выхода биогаза в биогазовой установке при конвективно-индукционном нагреве Показатели Конвективно-индукционный нагрев Капитальные вложения, руб. 3 111 0Годовые издержки, руб. 697 0Стоимость произведенного биогаза, руб. 1 452 5Срок окупаемости, год 4,Годовой экономический эффект, руб. 755 4Выход биогаза, тыс. м3/год 4Проведенные мероприятия дают годовой экономический эффект 755 480 руб.

Срок окупаемости биогазовой установки около пяти лет.

ВЫВОДЫ 1. Предложена энергосберегающая технология метанового сбраживания навоза позволяющая наиболее полно использовать энергетический и питательный потенциал исходного сырья, может быть перспективна для получения новых продуктов Выход биогаза, м /сут Температура нагрева, С функционального назначения и кормов, конкурентоспособных на отечественном рынке (подана заявка на патент).

2. Разработана конструкция биореактора (патент № 2404240 РФ), позволяющая рационально организовать энергообеспечение технологического процесса сбраживания за счет непосредственного высокоскоростного преобразования электрической энергии в тепловую и значительного снижения тепловых потерь, используя трехзонную стадийность конвективно - индукционно нагрева биомассы (подана дополнительная заявка на патент).

3. Предложены теплофизические и математические модели технологического процесса сбраживания, позволяющие производить расчеты его режимов по заданным количественным и качественным показателям перерабатываемого сырья и конструктивные параметры оборудования для заданной производительности биогаза.

4. Разработана экспериментальная биогазовоая установка метанового сбраживания непрерывного действия, на которой реализован стадийный подвод энергии разных видов и экспериментально установлены рациональные энергетические параметры:

психрофильное сбраживание (первая стадия) при температуре 8…25оС, обеспечиваемое за счет: загрузки исходного сырья с температурой 0…10°С, конвективного и контактного нагрева от материала следующей стадии и перемешивания (частотой 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42…55 об/мин);

мезофильное сбраживание (вторая стадия) при температуре 25…40оС, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны первого периода сбраживания с температурой 20…25°С, конвективного и контактного нагрева от материала следующей стадии и перемешивания таким же образом как и в первой зоне, и за счет собственного перемещения массы сырья;

термофильное сбраживание (третья стадия) при температуре 40…55оС, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны второго периода сбраживания с температурой 25…40°С, объемного конвективно-индукционного и контактного нагрева от источника индукционного нагревателя и перемешивания.

в качестве нагревательного элемента в центральной секции применение индукционного нагревателя с частотой рабочего тока 50 Гц.

5. В работе получены режимы организации технологического процесса сбраживания, обеспечивающие минимальную энергоемкость, которые использованы при выполнении Государственного контракта № 1664/13 от 11.11.2008 г. с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации.

6. Экономический эффект от применения конвективно-индукционного нагрева в биогазовой установке за счет мер по энергосбережению составит 755 480 руб. при сроке окупаемости установки около пяти лет.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Журналы, указанные в перечне ВАК:

1. Савушкин, А.В. Альтернативное топливо в сельском хозяйстве /А.В.Савушкин, В.С. Вохмин, И.В. Решетникова //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - №4. - С.37-38.

2. Вохмин, В.С. Исследование конвективно - индукционного нагрева при анаэробном сбраживании отходов животноводческих ферм / В.С. Вохмин // Политематический сетевой электронный журнал научный журнал Кубанского аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – №06(70). С. 35 – 47. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/06/pdf/04.pdf.

3. Вохмин, В.С. Применение технологии анаэробной переработки отходов АПК в России / В.С. Вохмин, М.В. Кошкин, С.В. Петров, А.С. Линкевич// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – №09(73). С. 193 – 202. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/09/pdf/17.pdf.

4. Вохмин, В.С. Разработка технологической линии утилизации биомасс животного и растительного происхождения / В.С. Вохмин, А.С. Линкевич, В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар:

КубГАУ, 2011. – №09(73). С. 320 – 329. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/09/pdf/30.pdf.

Другие издания:

5. Решетникова, И.В. Биогаз и установки по использованию биогаза для предприятий АПК / И.В.Решетникова, М.А. Валиулин, М.В. Кошкин, В.С. Вохмин //Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г. ФГОУ ВПО ИжГСХА. - Ижевск: Издво ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. – Т.IV. - С.188-195.

6. Вохмин, В.С. Разработка структурной схемы линии получения биотоплива / Качество продукции, технологий и образования. Материалы V Всероссийской научнопрактической конференции// Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г. И. Носова», 2010.- С.185-187.

7. Вохмин, В.С. Интенсификация и энергосбережение при метановом сбраживании навоза / В.С.

Вохмин, И.В. Решетникова, Р.Р. Якупов, С.В. Петров // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 4./М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010.- С. 325-329.

8. Петров, С.В. Интенсификация переработки навоза с применением диэлектрического нагрева /С.В. Петров, В.С. Вохмин, И.В. Решетникова// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 4./М.:

ГНУ ВИЭСХ, 2010.- С. 335-338.

9. Вахрушев, С.А. Разработка установки для переработки отходов сельхозпроизводства с подогревом /С.А. Вахрушев, Н.Ю. Литвинюк, И.В.Решетникова, В.С. Вохмин// Инновационному развитию АПК – научное обеспечение. Труды международной научнопрактической конференции, посвященной 80-летию Пермской ГСХА имени академика Д.Н.

Прянишникова. Часть 1./Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010.- С. 182-185.

10. Касаткин, В.В. Технология переработки помета /В.В. Касаткин, С.А. Вахрушев, Н.Ю.

Литвинюк, А.И. Евсеев, В.С. Вохмин// Инновационному развитию АПК – научное обеспечение.

Труды международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Пермской ГСХА имени академика Д.Н. Прянишникова. Часть 1./Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010.- С. 207-211.

11. Решетникова, И.В. Разработка энергосберегающей электротехнологии сбраживания навоза с использованием объемного СВЧ – нагрева / И.В. Решетникова, В.В. Касаткин, С.В. Петров, В.С.

Вохмин//Монография – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010.- 119 c.

12. Пат. № 2404240 Российская Федерация, МПК C12М1/107. Биогазовая установка / С.В.

Свалова, ФМ. Бурлакова, В.В. Касаткин, С. П. Игнатьев, И. В. Решетникова, М.В, Кошкин, В.С.

Вохмин.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - № 2404240/10;

заявлено 02.03.2009; опубл. 20.11.2010, Бюл. № 35. – 12 с.

Сдано в производство 24.02.2012 г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84 1/.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4384.

Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.






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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.