CC BY
224
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Полученные данные экспериментального исследования свидетельствуют о возможности применения поливного трубопровода на открытых оросительных сетях с напорами на водовыпускных сооружениях от 0,6 м и выше без необходимости применения насосных установок.
Библиографический список
1. Автоматизация водоподачи и учет воды на внутрихозяйственной оросительной системе [Текст]: монография / А.С. Овчинников, А.А. Пахомов, Н.А. Колобанова, В.Ф. Скворцов, В.В. Якубов. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - 188 с.
2. Альтшуль, А. Примеры расчетов по гидравлике [Текст] / Под ред. А.Д. Альтшуля. -М.: Стройиздат, 1977. - 255 с.
3. Гидротехнические сооружения [Текст]/ Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; под ред. Н.П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с., ил. - (Учебники и учебн. пособия для высш. с.-х. учебн. заведений)
4. Колпаков, В.В. Сельскохозяйственные мелиорации [Текст] / В.В. Колпаков, И.П. Сухарев; под ред. И.П. Сухарева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1988. - 319 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений).
5. Оросительные системы России: от поколения к поколению [Текст]: монография / В.Н. Щедрин, А.В. Колганов, С.М. Васильев, А.А. Чураев. - Новочеркасск: Геликон, 2013. -В 2 ч. - Ч. 1. - 283 с.
6. Поливной трубопровод [Текст] : патент на полезную модель №140738 /Пахомов А.А., Ходяков Е.А., Суслин Д.А., Попов П.С., Колобанова Н.А.
7. Шевелев, Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб [Текст]: справочное пособие / Ф.А. Шевелев, А.Ф. Шевелев. - М.: Издательский Дом «Бастет», 2014. - 384 с.
E-mail: [email protected]
УДК 631.3.001.4
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БГУ-М
О.Х. Кильчукова, старший преподаватель А.Г. Фиапшев, кандидат технических наук, доцент
Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им В.М. Кокова, г. Нальчик
Для определения эффективности использования биогазовых установок предложен энергетический метод оценки. При применении такого метода расчета внедрение модернизированной биогазовой установки, с энергетической точки зрения, считается эффективным, если уровень интенсификации процесса будет больше единицы.
Ключевые слова: биогаз, энергия, теплота, коэффициент эффективности.
Одним из важнейших путей повышения экономической эффективности сельскохозяйственного производства является сокращение ресурсоемкости производства, которое не может быть решено без всестороннего анализа факторов интенсификации производства на новой основе. Такой основой может служить энергетический анализ конечных результатов производства. Она не заменяет существующую методику определения экономической эффективности использования новой техники, а дополняет ее новым качественным содержанием, так как использование для оценки эффективности применения новой техники и технологий только стоимостных показателей не позволяет достаточно полно судить об их действительной эффективности.
В соответствии с этой методикой, решение о целесообразности создания и внедрения новой техники должно приниматься на основе комплексной их оценки: стоимостной и энергетической. Необходимость энергетической оценки обусловлена тем,
193
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
что все производственные процессы в природе энергетические и поэтому интенсификация производства находится в прямой зависимости от энергопотребления и полноты их использования.
Аргументом в пользу энергетического критерия служит то, что целью любого производства является создание полезного результата, а средством для этого всегда являются определенные затраты энергии. На основе энергетического критерия производственные процессы получения продукта можно представить как единое целое всех составляющих производства. Это дает основание считать, что энергоемкость производства единицы продукции является важнейшим показателем эффективности внедрения новой техники, а снижение величины энергоемкости служит ключевым показателем степени новизны технических решений.
При использовании энергетического анализа необходимо соблюдать обязательное условие: снижение энергоемкости не должно ухудшать качество продукта и загрязнять окружающую среду. Так, использование органических удобрений, полученных после переработки помёта, позволяет снизить применение минеральных удобрений, тем самым экономить финансы и энергию. При получении одинакового урожая с минеральными удобрениями надо расходовать примерно в три раза больше энергии, чем при использовании местного органического удобрения [6].
В лаборатории «Энергосберегающие технологии» кафедры энергообеспечения предприятий КБГАУ им. В.М. Кокова проводятся научно-исследовательские и опытноконструкторские работы по модернизации биогазовой установки для обеспечения биологическим газом малые крестьянские и фермерские хозяйства, а также работы по оптимизации режимов её работы [4].
Биогаз при сжигании превращается в тепловую энергию, а при использовании более сложной системы - в электрическую. Также биогаз может рассматриваться как топливо для двигателей внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия при его превращении в тепловую энергию составляет 0,7.. ..0,9, а в электрическую - 0,25.. .0,3.
Разработанная биогазовая установка (БГУ-М) состоит из метантенка (биореактора) объёмом 3,5 м3 (рисунок 1), газгольдера, гидрозатвора, фильтра, обратных клапанов, отсе-кателя пламени (искрогасителя), счетчика газа, котла и системы аккумуляции газа [2].
Рисунок 1 - Общий вид биореактора
194
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Для интенсификации процесса сбраживания и оптимизации конструктивных и энергетических параметров метантенка предлагается совместить перемешивающее устройство (мешалка) и нагревательный элемент в один узел, т.е. перемешивающее устройство одновременно является нагревательным элементом. Такое совмещение позволяет нагревать и поддерживать заданный температурный режим более равномерно за счет вращения теплообменника и передаче тепла биомассе (субстрату) по всему объему метан-тенка, так как однородность температуры в движущейся среде непосредственно связана с явлениями, происходящими в тепловом пограничном слое, в отличии от всех существующих теплообменников (водяная рубашка, трубчатые неподвижные), которые позволяют нагревать только ограниченные зоны, что приводит к неравномерному нагреву.
На рисунке 2 представлена технологическая схема работы модернизированной биогазовой установки. Биореактор состоит из герметичного теплоизолированного корпуса 1 с крышкой 2, патрубков подвода 3 и отвода 4 биомассы, патрубка отвода биогаза 5, теплообменника-мешалки 6.
Теплообменник-мешалка 6 выполнен в виде вертикального трубчатого вала с четырьмя лопастями, изготовленными из труб хромомолибденовой стали, при этом лопасти, имеющие скобообразную форму расположены симметрично и жестко прикреплены к вертикальному трубчатому валу с возможностью вращения в горизонтальной плоскости.
Теплообменник-мешалка 6 установлен соосно с камерой сбраживания, верхняя и нижняя части которого жестко установлены в подшипниках качения 7 с сальниковыми уплотнителями 8, прикрепленных к крышке 2 и корпусу 1 биореактора и соединен с источником теплоты посредством неподвижно закрепленных цилиндрических труб 9, одни концы которых соединены с источником теплоты 10 с помощью труб 11 и 12, а в других установлены концы вертикального трубчатого вала с сальниковыми уплотнителями 8.
Посередине верхней части вертикального трубчатого вала жестко прикреплен ведомый шкив 13, связанный с электродвигателем 14 посредством клиноременной передачи 15. Электродвигателем 14 управляет микропроцессорное реле 22.
Из источника теплоты 10 нагретый теплоноситель поступает по подающей трубе 11 через цилиндрическую трубу 9 в вертикальный трубчатый вал теплообменника-мешалки 6 и под напором распределяется по всем его лопастям, нагревая биомассу. Через нижнюю часть теплообменника-мешалки 6 нагретый теплоноситель поступает в нижнюю цилиндрическую трубу 9 и по трубе 12 возвращается к источнику теплоты 10. Происходит постоянный нагрев биомассы и циркуляция теплоносителя.
При включении электродвигателя 14 крутящий момент через клиноременную передачу 15 передается на ведомый шкив 13, который приводит во вращение вертикальный трубчатый вал теплообменника-мешалки 6 с частотой вращения 7...8 мин-1, осуществляя равномерный теплообмен и перемешивание биомассы. Перемешивание биомассы осуществляется через 2.3 часа, продолжительностью 10.15 минут, весь процесс контролируется реле 22. Нагрев биомассы для протекания термофильного процесса не должен превышать 50.60 0С для снижения энергоемкости процесса и увеличения объема выхода биогаза (режим работы выбирается конструктивно в зависимости от вида отходов).
Проведенные расчеты энергетических параметров позволяют сделать вывод, что суммарные затраты тепла на подогрев и поддержание заданной температуры при использовании совмещенного теплообменника и мешалки снижаются, по сравнению с существующими способами на 25-30 %.
195
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Корпус биореактора имеет теплоизоляцию полиуретановым пенопластом ППУ-ЭТ. Нижняя часть метантенка представляет собой скошенный цилиндр, в нижней части которого имеется разгрузочное устройство для удаления отработанной массы в виде ила и твердого осадка. Такой вариант конструкции метантенка освобождает от застойных зон рабочую часть, что позволяет использовать весь объем метантенка. Объём скошенной части, то есть геометрические параметры, определяются исходя из объёма отработанного субстрата, подлежащего удалению из метантенка в течение суток.
Исходная масса - птичий помет, через загрузочное устройство поступает в бродильную камеру метантенка, где происходит анаэробное сбраживание по термофильному режиму (50-55 0С), влажность массы составляет 80 % (20 % - птичий помет, 80 % - вода). При этом происходит преобразование углерода и азота птичьего помета в метан при незначительных потерях азота. Образование газа переходит в устойчивый режим на 10-12 сутки после загрузки массы.
После первой загрузки и начала выделения газа производится ежесуточная загрузка исходной массы в метантенк, а перебродившая масса всплывает и поступает самотеком через загрузочное устройство в емкость для перебродившей массы.
Газовая камера
Рисунок 2 - Технологическая схема работы модернизированной
биогазовой установки:
1 - корпус биореактора (метантенка), 2 - съемная крышка корпуса, 3 - загрузочная горловина, 4 - выгрузная горловина, 5 - выход биогаза, 6 - теплообменник-мешалка,
7 - подшипник, 8 - сальник, 9 - неподвижная цилиндрическая труба, 10 - газовый котёл для подогрева метантенка, 11, 12 - подающий и обратный трубопровод, 13 -шкив, 14 - электродвигатель, 15 - приводной ремень, 16 - вентиль, 17 - термоизоляция, 18 - термодатчик ДТС-105-50М, 19 - резервуар для отработанной массы (биоудобрений), 20 - газопровод, 21 - гидрозатвор, 22 - измеритель регулятор микропроцессорный - ТРМ 202, 23 - фильтр, 24 - газовый счетчик, 25 - обратный клапан, 26 - газгольдер, 27 - манометр, 28 - сливной штуцер, 29 - искрогаситель, 30 -автоматический переключатель, 31 - потребитель газа, 32 - компрессорная установка, 33 - аккумулятор биогаза, 34 - резервуар для перебродившей массы
196
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Необходимо также отметить преимущества биоустановок: они удовлетворяют потребность хозяйства в энергоносителях; способствуют охране окружающей среды, так как в процессе анаэробной переработки отходов получается экологически чистое органическое удобрение; разрушается клетчатка, значительное количество белкового азота переходит в аммиачный, доступный растениям; ускоряется процесс разложения помёта, по сравнению с обычным перегреванием в буртах, при этом гибнут семена сорных растений, гельминты, снижается порог запаха. Применение сброженной массы позволяет повысить урожайность полевых культур. Если эффективность процесса разделить на энергетическую (от использования биогаза) и экологическую (охрана окружающей среды), то соотношение составляет 22 % на 78 %.
Для определения эффективности внедрения данной установки была проведена ее оценка энергетическим методом [3].
Получаемый результат (выход биогаза) должен превышать дополнительные затраты на изготовление установки, т.е. эффективность будет иметь место при условии:
В В +АВ
— <—----,
Э Э + АЭ
(1)
где В - производство биогаза на существующей установке (аналоге), м3; В1 - производство
биогаза на БГУ-М, м3; АВ - производство дополнительного биогаза на разработанной установке, м3; Э - энергетические затраты на производство существующей биогазовой установки (аналоге), мДж/ м3; Э1 - энергетические затраты на производство БГУ-М, мДж/ м3; АЭ - дополнительные энергетические затраты на производство разработанной установки, мДж/ м3.
Энергетические затраты на производство биогазовых установок можно определить с использованием коэффициента перевода металлоемкости в энергетический эквивалент [1] по формуле:
Э = муд • К (2)
где Муд - удельная металлоемкость конструкции биогазовой установки, м3/т; К - энергетический эквивалент биогазовой установки, мДж/кг-год, К=104 мДж/кгтод.
Если применять энергетический метод расчета, то производство биогазовой установки будет оправдано только тогда, когда коэффициент воспроизводства энергии будет больше единицы К >1, в противном случае, если К < 1, то нецелесообразно вкладывать деньги в ее промышленную разработку. Так как коэффициент воспроизводства энергии К52 = 1,22 > 1, то проектирование объекта по производству биологического газа считается эффективным [5].
Уровень процесса интенсификации оценивается коэффициентом эффективности
А (в^ъавщэ+АЭ)-Э
В / Э Э/
При А >1 процесс эффективен.
По результатам исследований был проведен сравнительный анализ разработанной установки БГУ-М с аналогичной установкой ИБГУ-1, выпускаемой ЗАО «ЭкоРос».
Определим удельную металлоемкость установок по формуле:
Муд - М / В, (4)
где М- масса установки, кг.
197
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39) 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Для БГУ-М удельная металлоемкость конструкции определяется:
М 1уд = 1400/14,2 = 98,59кг • ч / м3.
Для установки ИБГУ-1:
М2уд = 1300/12 = 108,3кг • ч/м3.
Тогда:
31 = 98,59104 = 10253,36мДж / м3;
32 = 108,3 • 104 = 11263,2мДж / м3.
Тогда:
ЛЭ = Э2 - Э1; (5)
АЭ = 1009,84мДж / м3;
ЛВ = В2 - Bj; (6)
ЛВ = 2,2м3 / суда .
Уровень процесса интенсификации:
Э
А=t (7)
А = 1,1.
Так как А=1,1>1 внедрение модернизированной биогазовой установки БГУ-М с энергетической точки зрения считается эффективным.
Переход на энергетический метод оценки себестоимости производства биологического газа предполагает определенные сложности, но даже при постепенном переходе дает возможность реального представления об эффективности данной системы энергообеспечения хозяйства.
Библиографический список
1. Капустин, И.В. Проектирование комплексной механизации в животноводстве [Текст] / И.В. Капустин. - Ставрополь: Агрус, 2003. - С. 244-250.
2. Кильчукова, О.Х. Расчёт параметров биогазовой установки [Текст] / О.Х. Кильчуко-ва, А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков // Актуальные проблемы в энергетике и средствах механизации АПК: материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Благовещенск: ДальГАУ, 2014. - С. 139-144.
3. Темукуев, Т.Б. Энергетические методы оценки себестоимости тепловой и электрической энергии [Текст] / Т.Б. Темукуев. - Нальчик: Полиграфсервис и Т, 2007. - 84 с. ISBN 593680-213-0.
4. Фиапшев, А.Г. Экспериментальные исследования модернизированной биогазовой установки. [Текст] / А.Г. Фиапшев, О.Х. Кильчукова, М.М. Хамоков // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды международной научно-технической конференции. - М., 2014. - Т. 4. - С. 281-284.
5. Энергетическое обоснование использования биогаза [Текст] / А.Г. Фиапшев, О.Х. Кильчукова, Т.Б. Темукуев, М.М. Хамоков //Известия ГГАУ. - 2014. - Т. 51. - №4. -С. 207-211.
6. Юров, А.И. Ресурсосбережение и экология - стимул экономического роста и основа безопасности жизнедеятельности региона. [Текст] / А.И. Юров, А.Г. Фиапшев, О.Х. Кильчукова // Вестник АПК Ставрополья. - 2014. - №3(15). - С. 81-86.
E-mail: [email protected]
198
