CC BY
13
References
1. Spivakovskiy A.O. Transportiruyuschie mashiny: ucheb. posobie dlya mashinostroitelnyh vuzov. M.: Mashinostroenie, 1983. 487 s.
2. Ivashkov I.I. Montazh, ekspluatatsiya i remont podjoomno-transportnyh mashin: uchebnik dlya mashinostroitelnyh vuzov. M.: Mashinostroenie, 1981. 335 s.
3. Krasnikov V.V. Podjomno-transportnye mashiny. M.: Kolos, 1984. 263 s.
4. Zavrazhnov A.I., Nikolaev D.I. Mehanizatsiyaprigotovleniya i hraneniya kormov. M.: Ag-roproizvodstvo, 1990. 336 s.
5. TitenokA.V. Obespechenie dolgovechnosti uzlov treniya tehnologicheskih, gruzopodjom-nyh i transportnyh mashin: monografiya. Bryansk: Izd-vo Bryanskiy GTU, 2013. 141 s.
6. Titenok A.V., Titenok I.A. Snizhenie tribonapryazhennosti transportiruyuschey i spa-satelnoy tehniki: monografiya. Bryansk: Izd-vo Bryanskiy GAU, 2016. 258 s.
УДК 621.311.182
К ВОПРОСУ ВЫБОРА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ БИОГАЗОВОГО РЕАКТОРА
To the Question of Selecting Thermal Insulation for a Biogas Reactor
Мамонтов А.Ю., д.т.н., профессор, Вендин С.В., к.т.н., Ульянцев Ю.Н.
Mamontov A.Yu., Vendin S.V., Ulyantsev Yu.N.
Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина, Россия Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin, Russia
Реферат. В статье приведены результаты теоретического анализа влияния теплофизи-ческих характеристик теплоизоляции (стенки) биогазового реактора на выбор установленной мощности равномерно распределенных внутри рабочего объема реактора дополнительных (сторонних) источников теплоты и распределение температуры внутри биореактора. В основу анализа положены решения уравнения теплопроводности Фурье в слоистых средах. Оптимизация выбора материала теплоизоляции позволяет экономить значительное количество энергии, расходуемой в зимнее время на обогрев, а в летнее время - на охлаждение и кондиционирование. Химические реакции при брожении в биореакторе способствуют выделению определенного количества теплоты. Даны результаты теоретического анализа влияния теп-лофизических характеристик теплоизоляции на выбор установленной мощности дополнительных источников теплоты и распределение температуры внутри биореактора. Установлено, что в исследуемом диапазоне изменения коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) от 0,03 Вт/(м.К) до 0,05 Вт/(м.К) при выборе мощности дополнительных источников теплоты определяющей является наружная температура среды вне реактора. Анализ поверхности температурного поля внутри биореактора при изменении теплопроводности теплоизоляции (стенки) и наружной температуры воздуха показывает, что перепад температур между центром и внутренней стенкой реактора не превышает 1оС (AT = 0,796оС). Однако, с уменьшением коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) Х_2 абсолютная температура внутри него, хотя и несущественно, но повышается.
Abstract. The article presents the results of the theoretical analysis of the influence of ther-mophysical characteristics of the thermal insulation (wall) of a biogas reactor on the choice of the installed capacity of additional (third-party) heat sources evenly distributed within the working volume of the reactor and the temperature distribution inside the bioreactor. The analysis is based on solutions of the Fourier thermal conductivity equation in the layered media. Optimizing the choice of thermal insulation material allows saving a significant amount of energy spent on heating in winter, and on cooling and air conditioning in summer. Chemical reactions during fermentation in a bioreactor contribute to the release of a certain amount of heat. The results of the theoretical
analysis of the influence of thermophysical characteristics of thermal insulation on the choice of the installed capacity of additional heat sources and the temperature distribution inside the bioreactor are given. It was found that when selecting the power of additional heat sources the external temperature of the medium outside the reactor is a determining factor (in the studied range of changes in the heat conductivity coefficient of the thermal insulation (wall) from 0.03 W/(mK) up to 0.05 W/(mK). The analysis of the temperature field surface inside the bioreactor shows that when the thermal conductivity of the thermal insulation (wall) and the external air temperature change the temperature difference between the center and the inner wall of the reactor does not exceed 1oC (AT = 0.796oC). However, a decrease in the heat conductivity coefficient of the thermal insulation (wall) X_2 leads to an increase (although not significant) in the absolute temperature inside it.
Ключевые слова: биогаз, биогазовый реактор, теплоизоляция, источники теплоты, мощность, температурное поле.
Key words: biogas, biogas reactor, thermal insulation, heat sources, power, temperature
field.
Введение. При производстве биогаза из органического сырья важно учитывать его состав и температурные особенности технологических режимов процесса брожения, среди которых можно выделить: психрофильный (20-25 °С), мезофильный (25-40 °С) и термофильный (свыше 40 °С) [1-4]. Большинство конструкций биогазовых реакторов представляют собой цельную емкость, в которой процесс сбраживания происходит в едином перемешивающем режиме при соблюдении температурно-влажностных режимов брожения. Поэтому необходимость поддержания регламента температурного режима в реакторе накладывает определенные требования к выбору материала теплоизоляции для корпуса биогазового реактора [5].
Надежная теплоизоляция зданий и сооружений позволяет экономить значительное количество энергии, расходуемой в зимнее время на обогрев, а в летнее время - на охлаждение и кондиционирование. Кроме того, с использованием высокотехнологичных качественных теплоизоляционных материалов уменьшается толщина ограждающих конструкций, что дает возможность увеличить полезную площадь помещений и уменьшить нагрузку на основание. Основными свойствами теплоизоляционных материалов являются влажность, водопоглоще-ние, пористость, паропроницаемость, плотность, теплоемкость, максимальная температура эксплуатации и др. Коэффициент теплопроводности для большинства применяемых теплоизоляционных материалов составляет 0,03 - 0,05 Вт/м2, а наименьшим коэффициентом температуропроводности обладают материалы на деревянной основе и пенополеуретан [5].
В ходе химических реакций при брожении в биореакторе, происходит выделение определенного количества теплоты. В тоже время при недостатке теплоты для обеспечения температурного режима используют подогрев массы с помощью дополнительных (сторонних) источников теплоты [3 -4].
Общая постановка задачи. Основная задача исследований состоит в выборе материала теплоизоляции для корпуса биогазового реактора с учетом наличия дополнительных источников теплоты внутри реактора. При этом практическую ценность представляют: взаимосвязь между теплофизическими свойствами теплоизоляции и распределением температурного поля внутри реактора, а также влияние теплофизических свойств теплоизоляции на величину установленной мощности дополнительных источников теплоты.
Теоретический анализ по сути поставленных вопросов может быть проведен на основе решений уравнения теплопроводности Фурье приведенных в работах [6-8]. Физическую модель биореактора можно определить в виде сплошного цилиндра радиусом Rt (рабочий объем реактора) и высотой Н, окруженного цилиндрической оболочкой (стенкой) с толщиной Д. При этом наружный радиус конструкции будет равен R2 = Rt +Д. Необходимо учитывать также, что распределение температурного поля внутри биогазового реактора будет зависеть от установленной мощности дополнительных (сторонних) источников теплоты и от условий теплообмена снаружи объекта.
Возможно-допустимый технологический диапазон изменения температуры при сбраживании определяется, как разница значений температурного поля между центром биореактора Т1 (0) и у внутренней стенки биореактора Т1 (Я):
АТ1 = Т1(0)-Т1(Я), (1)
или как разница значений температурного поля между температурой на оси биореактора Ткр = Т1(0) и температурой снаружи (окружающей среды) Тс:
АТ = Т1(0)-ТС. (2)
Основные результаты исследований. Если внутренние источники теплоты присутствуют только внутри объема реактора, условия теплообмена на наружной поверхности стенки определяются граничными условиями третьего рода, а между внутренней поверхностью стенки и внутренним объемом биомассы внутри реактора обеспечиваются условия сопряжения температурных полей и тепловых потоков четвертого рода, то температурные поля в реакторе описываются выражениями:
Ъ(г) = Тс + ^(Ог- г2) ,0<г<Я1 , (3)
Т2(г) = Тс + ^ № 1п(Я2/г) + И2) ,Я1< г < Я2, (4)
где^, Б2, £3постоянные коэффициенты определяемые согласно выражений
Б1 = 2(11/(12)^2, (5)
И2 = 01(Л2/а)(1/Я2), (6)
Из = Я2 + И^п^/Я^ + 02, (7)
где Т1 (г) - температурное поле внутри реактора; Т2 (г) - температурное поле в стенке реактора; Тс - температура окружающей среды; г- расстояние от оси реактора; Я1 - внутренний радиус реактора; Я2 - внешний радиус реактора; q1 (г) - мощность внутренних (дополнительных (сторонних)) источников теплоты во внутреннем объеме реактора; Л1 - коэффициент теплопроводности биогазовой среды; Л2 - коэффициент теплопроводности стенки реактора.
Для обеспечения возможно-допустимого технологического диапазона изменения температуры при сбраживании АТ1 (1) установленная тепловая мощность источников Р определяется по формуле:
Р = 4-кА^НАТ^ (8)
где Н - высота реактора, А1 - коэффициент теплопроводности биогазовой среды;
Для обеспечения возможно-допустимого технологического диапазона изменения температуры при сбраживании АТ1 (2) установленная тепловая мощность источников Р определяется выражением:
Р = 4пА1НАТР(Я1, А, А2, а), (9)
где Р(Я1,А,А2,а) - безразмерная функция учитывающая свойства стенки и условий теплообмена:
Р(Я1,А,Х2,а) = 1/[1 + 4А1/(ЫиАс) - 2(А1/А2)1п(Я1/(Я1 + А))], (10)
где - А - толщина стенки; Я1- внутренний радиус реактора; Ас - коэффициент теплопроводности внешней среды; А1 - коэффициент теплопроводности биогазовой среды; Л2 - коэффициент теплопроводности стенки реактора; - безразмерный критерий Нусельта для условий теплообмена:
Ми = 2К2а/Ас, (11)
где а - коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности, Я2- внешний радиус реактора.
Ниже приведены результаты теоретического анализа влияния теплофизических характеристик теплоизоляции (стенки) на выбор установленной мощности дополнительных (сторонних) источников теплоты и распределение температуры внутри биореактора. При анализе учитывались теплофизические параметры теплоизоляционных материалов, свойственных материалам на деревянной основе и пенополеуретану [5].
Результаты расчетов установленной мощности дополнительных (сторонних) источников теплоты Р (Вт) по выражениям (9) - (11) при изменении теплопроводности теплоизоляции (стенки) и наружной температуры воздуха приведены на рисунке 1. Расчеты проводились при следующих значениях параметров: А1= 0,6 Вт/(мК), А= 0,5 м, Ас= 0,022 Вт/(мК), Н = 5 м, Я1 = 5 м, = 2, Т1(0)=45 оС.
Рисунок 1 - Установленная мощность дополнительных (сторонних) источников теплоты при изменении коэффициента теплопроводности стенки и наружной температуры воздуха
Заметим, что в исследуемом диапазоне изменения коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) от 0,03 Вт/(мК) до 0,05 Вт/(мК) при выборе мощности дополнительных источников теплоты определяющей является наружная температура среды вне реактора.
Следующим важным аспектом является величина разности температур между центром реактора и внутренней поверхностью стенки.
Результаты расчетов распределения температурного поля внутри биореактора по выражениям (2) - (7) при изменении коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) и наружной температуры воздуха приведены на рисунке 2. Расчеты проводились при следующих значениях параметров: А1= 0,6 Вт/(мК); А = 0,5 м; Ас= 0,022 Вт/(мК); Н = 5 м; Я1 = 5 м; Ткр= 45 оС; Ыи = 2; Тс = 0 оС; Р = 30 Вт.
Для наглядности изменение коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) от 0,03 Вт/(мК) до 0,05 Вт/(мК) в исследуемом диапазоне представлено с убыванием от наблюдателя.
Рисунок 2 - Распределение температурного поля внутри биореактора при изменении коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки).
Анализ поверхности температурного поля внутри биореактора при изменении теплопроводности теплоизоляции (стенки) Л2 и наружной температуры воздуха Тс показывает, что перепад температур между центром и внутренней стенкой реактора не превышает 1 оС (АТ = 0,796оС). Однако с уменьшением коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) Л2 абсолютная температура внутри него, хотя и несущественно, но повышается и составляет: Т1(0) = 46,4 оС при Я2 = 0,05 Вт/(мК); Т1(5) = 47,25оС при Я2=0,03 Вт/(мК).
Выводы
Правильный выбор материала теплоизоляции зданий и сооружений позволяет экономить значительное количество энергии, расходуемой в зимнее время на обогрев, а в летнее время - на охлаждение и кондиционирование.
В ходе химических реакций при брожении в биореакторе, происходит выделение определенного количества теплоты. В тоже время при недостатке теплоты для обеспечения температурного режима используют подогрев массы с помощью дополнительных (сторонних) источников теплоты.
Приведены результаты теоретического анализа влияния теплофизических характеристик теплоизоляции (стенки) на выбор установленной мощности дополнительных (сторонних) источников теплоты и распределение температуры внутри биореактора. При анализе учитывались теплофизические параметры теплоизоляционных материалов, свойственных материалам на деревянной основе и пенополеуретану.
Установлено, что в исследуемом диапазоне изменения коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) от 0,03 Вт/(м.К) до 0,05 Вт/(м.К) при выборе мощности дополнительных источников теплоты определяющей является наружная температура среды вне реактора.
Анализ поверхности температурного поля внутри биореактора при изменении теплопроводности теплоизоляции (стенки) и наружной температуры воздуха показывает, что перепад температур между центром и внутренней стенкой реактора не превышает 1 оС (AT = 0,796оС). Однако с уменьшением коэффициента теплопроводности теплоизоляции (стенки) Л2 абсолютная температура внутри него, хотя и несущественно, но повышается.
Библиографический список
1. Трахунова И.А., Халитова Г.Р., Карасева Ю.В. Эффективность процесса анаэробного сбраживания при различных режимах гидравлического перемешивания // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 10. С. 90-94.
2. Линднер И.Ф., Леммер А., Мирошниченко И.В. Увеличение метановой продуктивности богатой лигноцеллюлозой биомассы путем механической и энзимной подготовки при ее повторной переработке в биогаз // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2015. № 2 (6). С. 111-117.
3. Вендин С.В., Мамонтов А.Ю. Электрооборудование биогазового реактора // Сельский механизатор. 2017. № 5. С. 26-27.
4. Вендин С.В., Мамонтов А.Ю., Каплин А.В. Программа расчета геометрических и конструкционных параметров биогазового реактора // Промышленная энергетика. 2017. № 3. С. 51-55.
5. Вендин С.В., Ульянцев Ю.Н. Анализ свойств теплоизоляционных материалов для условий нестационарной теплопередачи // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. 2019. № 1 (18). С. 412-419.
6. Вендин С.В. К расчету нестационарной теплопроводности в многослойных объектах при граничных условиях третьего рода // ИФЖ. 1993. Т. 65, № 8. C. 249-251.
7. Шустов А.Ф. Социальная оценка и социальная ответственность развития техники // Проблемы современного антропосоциального познания. Брянск, 2003. С. 74-82.
8. Вендин С.В., Мамонтов А.Ю. Расчет мощности дополнительных источников теплоты для подогрева биомассы в биогазовом реакторе // Вестник Белгородского ГТУ им. В. Г. Шухова. 2017. № 7. С. 97-99.
References
1. Trakhunova I.A., Khalitova G.R., Karaseva Yu.V. Efficiency of the anaerobic digestion process under various modes of hydraulic mixing // Alternative energy and ecology. 2011. No. 10. Pp. 90-94.
2. Lindner I.F., Lemmer A., Miroshnichenko I. V. Increasing the methane productivity of lig-nocellulose-rich biomass by mechanical and enzyme preparation during its re-processing into biogas //Innovations in agriculture: problems and prospects. 2015. No. 2 (6). Pp. 111-117.
3. Vendin S. V., Mamontov A.Yu. Electric equipment of a biogas reactor // Selsky mechaniza-tor. 2017. No. 5. Pp. 26-27.
4. Vendin S.V., Mamontov A.Yu., Kaplin A.V. Program for calculating geometric and structural parameters of a biogas reactor // Industrial power engineering. 2017. No. 3. Pp. 51-55.
5. Vendin S.V., Ulyantsev Yu.N. Analysis of properties of thermal insulation materials for conditions of non-stationary heat transfer // Design, use and reliability of agricultural machines. 2019. No. 1 (18). Pp. 412-419.
6. Vendin S. V. To the calculation of non-stationary thermal conductivity in multilayer objects under boundary conditions of the third kind // Journal of Engineering Physics and Thermophysics [Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal]. 1993. Vol. 65. No. 8. Pp. 249-251.
7. Shustov A. F. Social assessment and social responsibility of technology development // Problems of modern anthroposocial cognition. Bryansk, 2003. Pp. 74-82.
8. Vendin S.V., Mamontov A. Yu. Calculation of the power of additional heat sources for heating biomass in a biogas reactor // Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov. 2017. No. 7. Pp. 97-99.
