РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО УСТРОЙСТВА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

36

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

УДК 662.767.2:005.933

Кильчукова О. Х., Фиапшев А. Г., Хамоков М. М., Темукуев Б. Б.

Kilchukova O. H, Fiapshev A.G., Kapov S.N., Hamokov M. M, Temukuev B. B.

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО УСТРОЙСТВА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

CALCULATION HEAT EXCHANGER OF THE DEVICE OF BIOGAS INSTALLATION

В данной работе проведены теоретические исследования по оптимизации конструктивных и энергетических параметров метантенка, произведен расчёт перемешивающего устройства (мешалки) и нагревательного элемента объединённых в один узел. Это позволяет нагревать и поддерживать заданный температурный режим более равномерно за счет вращения теплообменника и передаче тепла биомассе по всему объему метантенка. Таким образом, при объединении теплообменника и мешалки в один узел одновременно выполняются две операции - нагрев и перемешивание субстрата, что позволяет снизить затраты тепла на 25-30 %.

Theoretical researches are conducted in the given work on optimisation of constructive and power parametresmethane-tank, calculation of the mixing device (mixer) and a heating element association in one knot is made. It allows to heat up and support the set temperature mode in regular more intervals at the expense of rotation of the heat exchanger and transfer of heat to a biomass on all volume methanetank. Thus, at association of the heat exchanger and a mixer in one knot two operations - heating and substratum hashing that allows to lower expenses of heat for 25-30 % are simultaneously carried out.

Ключевые слова: биогаз, альтернативная энергия, ме-тантенк, биогазовая установка, теплообменник, мешалка.

Key words: the biogas, alternative energy, methanetank, biogas installation, the heat exchanger, a mixer.

Кильчукова Олеся Хаутиевна -

старший преподаватель кафедры энергообеспечения предприятий Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова г. Нальчик

Тел.: 8-906-485-22-11 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Темукуев Борис Биязуркаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова г. Нальчик

Тел.: 8(8662) 42-22-98 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Фиапшев Амур Григорьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова г. Нальчик

Тел.: 8-903-490-32-88 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Хамоков Марат Мухамедович -

кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В. М. Кокова г. Нальчик

Тел.: 8(8662) 42-22-98 E-mail: h-mm_1@mail.ru.

Kilchukova Olesya Hautievna -

The senior teacher of chair

of power supply of the enterprises

of the Kabardino-Balkarian state agrarian university

of V.M. Kokova

Nalchik

Tel.: 8-906-485-22-11 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Temukuev Boris Bijazurkaevich -

Cand. Tech. Sci., the senior lecturer

of chair of power supply of the enterprises of the

Kabardino-Balkarian state agrarian university

of V. M.Kokova

Nalchik

Tel.: 8(866)242-22-98 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Fiapshev Amur Grigorevich -

Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of chair

of power supply of the enterprises

of the Kabardino-Balkarian state agrarian university

of V. M. Kokova

Nalchik

Tel.: 8-903-490-32-88 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Hamokov Marat Muhamedovich -

Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of chair

of power supply of the enterprises

of the Kabardino-Balkarian state agrarian university

of V. M. Kokova

Nalchik

Tel.: 8(8662) 42-22-98 E-mail: h-mm_1@mail.ru.

Одна из наиболее острых проблем развития, как фермерского хозяйства, так и всего агропромышленного комплекса является проблема его эффективного энергообеспечения. Если традиционным источникам энергии постоянно уделяется большое внимание, то к использованию нетрадиционных энергетических источников,

до настоящего времени, относились довольно скептически. В большей мере такое отношение было заложено как низкой стоимостью традиционных энергоресурсов, так и достаточно низким научнымобосновани-ем вопросов повышения эффективности нетрадиционных и альтернативных источников энергии. В настоящее время карти-

в

:№ 3(19), 2015

Агроинженерия

37

на меняется в сторону повышенного внимания к использованию альтернативных источников энергии, что в большей мере связано как с повышением их эффективности так и повышением тарифов на традиционные энергоресурсы. В связи с этим актуальность исследований по повышению эффективности использования нетрадиционных источников энергии для фермерских хозяйств значительно возросла. Среди наиболее приемлемых направлений для хозяйств Северного Кавказаможно считать использование таких нетрадиционных источников как энергия, получаемая за счет биотехнологий [1].

Одно из перспективных направлений переработки отходов птицеводства и животноводства является анаэробное сбраживание, позволяющее предотвратить загрязнение окружающей природной среды, а также получить продукты переработки: газообразное топливо - биогаз и высокоэффективное биоудобрение[2,3].

В лаборатории «Энергосберегающие технологии» КБГАУ им. В. М. Кокова проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы помодернизации биогазовой установки для малых сельскохозяйственных предприятий. В частности разработана установка с метантенком объемом 3,5 м3[4], рассчитанная на среднее хозяйство, имеющее до 400 голов птицы, а также лабораторная экспериментальная установка для проведения теоретических и экспериментальных исследований [5].

Для проведения лабораторных экспериментов был использован помет из птичника КФХ «Хьэмзэт» Терского района КБР, произведен химический анализ в лаборатории станции агрохимической службы «Кабардино-Балкарская» (ведомость результатов анализов от 09.12.2013 года). Полученные результаты показывают, что содержание общего азота (^ более 100 мг/кг (высокое), оксида фосфора (Р205) более 60,0 мг/кг (высокое), оксида калия (К20) более 600,0 мг/кг (высокое), зольность составляет 34,5 % и кислотность 7,4 рН, что является слабощелочной.

Лабораторная установка (рис.1) работает следующим образом: исходная масса (20 % -птичий помет, 80 % - вода) объемом 33 литра через горловину загружается в метантенк, в систему отопления заливается теплоноситель, к электрической сети подключается оборудование системы регулирования температурного режима установки и электродвигатель привода мешалки. В бродильной камере метантенка происходит анаэробное сбраживание по термофильному режиму (50-55 оС) при котором-выделение газа происходит более интенсивно и требуется меньше времени до полного разложения субстрата.

При достижении заданного температурного режима и начала брожения происходит выделение биогаза, который заполняет газголь-

дер, поднимая подвижный газовый колпак. После первой загрузки и начала выделения газа производится ежесуточная загрузка исходной массы в метантенк, которое должно составлять 20 % от первоначальной загрузки, (т.е. 6,7 литра), а перебродившая масса, в таком же объёме, всплывает и поступает самотеком через загрузочное устройство в емкость для перебродившей массы.

Рисунок 1 - Общий вид биореактора лабораторной установки

Для предотвращения расслаивания массы (субстрата) и интенсификации процесса сбраживания необходимо производить перемешивание установленной в метантенке мешалкой имеющей как механический так и электрический привод.Интенсификация теплообмена в сбраживаемой среде возможна при замене свободного движения на вынужденное, причем в пределах теплового пограничного слоя, который определяет закономерности теплообмена. Определяющей величиной режима движения является частота вращения мешалки.В экспериментах линейная скорость мешалки менялась в пределах 0,2-0,45 м/с[1].

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 метантенка, 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 не-

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

естник ЛПК

Ставрополья

подвижные) которые позволяют нагревать только ограниченные зоны, что приводит к неравномерному нагреву.

Показанный на рисунке 2 биореактор, состоит из герметичного теплоизолированного корпуса 1 с крышкой 4, патрубков подвода 5 и отвода 6 биомассы, патрубка отвода биогаза 7, электрического привода 17 и теплообменника - мешалки 2 выполненной из труб хромомо-либденовой стали. Теплообменник - мешалка

2 имеет четыре симметричные лопасти, расположенные на вертикальном трубчатом вале

3 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости.

Теплообменник - мешалка 2 устанавливается в биореактор соосно с корпусом 1 и в верхней и нижней частях крепится в подшипники качения 13 с сальниковыми уплотнителями 11, соединение с источником теплоты 8 осуществляется с помощью неподвижно закрепленной цилиндрической трубы 10, одна сторона которой соединена с источником теплоты 8, а в другой установлен вал 3 мешалки с сальниковым уплотнителем 11.

Нагретый теплоноситель поступает по подающей трубе 14 в вал 3 мешалки и под напором распределяется по всем лопастям тем самым нагревая биомассу, после чего по трубопроводу 15 поступает в водонагреватель 8. Происходит постоянная циркуляция теплоносителя.

В верхней части вала теплообменника - мешалки 2 установлен шкив 12 связанный с электродвигателем 17 клиноременной передачей 9. Электродвигатель 17 приводит во вращение теплообменник - мешалку 2 в горизонтальной плоскости и тем самым происходит интенсивный и равномерный теплообмен и перемешивание биомассы.

Рисунок 3 - Общий вид экспериментального теплообменника - мешалки

Для данной конструктивной схемы (для ме-тантенка объёмом 3,5 м3) проведены расчёты энергетических параметров.

Тепловая нагрузка биогазовой установки определяются потерями с поверхности метантенка:

({1 ~ {2)^общ

82 1 , Вт

е=-

+—+

а.

а2

где

г1 = 55 0С - температура биомассы при термофильном режиме;

г2 = -18 0С - расчетнаятемпература наружного воздуха в зимний период в г. Нальчике; $обЩ = 11,86 м2 - общая площадь поверхности метантенка биогазовой установки с учетом толщины тепловой изоляции; Вт

с^ = 500 —2— - коэффициент теплоотда-

м , К

чи от биомассы к внутренней поверхности метантенка, 0С;

Л = 37,7

Вт ~мГК

-коэффициент теплопрово-

дности хромомолибденовой стали (12 МХ, С 0,12 %, Ог 1 %, Мо 0,5 %) стенки ментан-тенка при температуре до 100 0С; 51 = 0,003 м - толщина стальной стенкиме-тантенка; - „ Вт

Лг = 0,05 - - коэффициент теплопро-

м ■ К

водности изоляции метантенка; принимаем теплоизоляционный материал марки «ШИБА» теплопроводностью 0,04 Вт/мК, толщиной 10 см.

- толщина изоляцииметантенка;

Вт - коэффициент теплоотда-

52 = 0,1 м а2 = 9 -

м2 • К

чи от наружной поверхности метантенка к воздуху.

Теплопотери с поверхности метантенка биогазовой установкиопределим для двух режимов: а) при расчетной температуре минус 18 оС:

(55 +18)11,86

^шах

1 0,003 0,1 1 50 37,7 0,05 9

= 410,5 Вт;

б) при средней температуре зимнего периода плюс 0,6 оС:

(55 - 0,6)11,86

1

0,003 0,1 1 — + —-+ + -

50 37,7 0,05 9

= 312,6 Вт

Рисунок 2 - Схема биореактора

Составим тепловой баланс теплообменника, совмещенного с мешалкойметантенка биогазовой установки:

в

:№ 3(19), 2015

0 = еО(г\- г "2>,

где с=4060 - теплоемкость биомассы, Дж/(кгК);

О - расход теплоносителя в теплообменнике, кг/с;

г', г" - температура теплоносителя на входе и выходе теплообменника, оС.

Максимальный расход теплоносителя в расчетном режиме при температуре -18 оС:

= ■

6m

410,5

• = 0,004 кг / с.

Qpa6 _

Q3 _ 137,035

24 • 3,6

= 1,58 кВт.

Агроинженерия

39

Коэффициент теплопередачи теплообменника-мешалки метантенка биогазовой установки:

k = -

1

1

1 S 1 1 0,003 1

+ — + — — + —— +

■ = 41,7

с(Г[ - г"2) 4060 • 25

Количество тепла, необходимое на подогрев М3 кг биомассы[4]., загружаемого один раз в сутки:

01 = Ы3 €(гр - гн)= 290 • 4,06 (53 - 5) = 56,5 МДЖ,

где гр - рабочая температурабиомассы в ме-тантенке биогазовой установки, оС; гн - температура наружного воздуха, оС.

Количество тепла, затрачиваемое за одни сутки, на поддержание рабочей температуры биомассы в биогазовой установке:

02 = 0Т-24-36ОО = 0,4105Ф24^3,6 = МДж/сут.,

где г - количество суток, 24 - число часов в сутках.

Суммарные суточные затраты тепладля поддержания рабочей температуры биомассы в метантенке биогазовой установки:

03 = 0 + 02 = 56,5 + 35,47 = 9" МДж.

Суммарные суточные затраты тепла для поддержания рабочей температуры биомассы в метантенке биогазовой установки с подогревом с помощью водяной рубашки(при прочих равных условиях) составляет [4]: 0з.в=\"9,9МДж .

Соответственно экономия затрат тепла составит:

Э = 100-(03 /0зе-100) = "9,2%.

Средняя расчетная мощность теплообменника-мешалки метантенка биогазовой установки:

Вт

м2 • К

а, 'к' аг 84 40 87

где а1, а2 - коэффициенты теплоотдачи от внутренней и наружной поверхностей теплообменника, Вт/(м2-К); Л - коэффициент теплопроводности теплообменника, Вт/(м-К); 3 - толщина стенки теплообменника, м.

Площадь поверхности теплообменника -

мешалки:

F =

Q

где

t * =

k-К - tp У

t'1 +t"2 _ 85 + 60

М

= 72,50 C

2 2 температура теплоносителя.

410,5

средняя

F =-

- = 0,505 мА

41,7 -(72,5 - 53) При диаметре трубы dmp = 0,032 м ее длина

определится:

l =

F

0,505

■ = 5,2 м.

л- d 3,14 • 0,032 При диаметре трубы d = 0,025 м ее длина

составит:

, 0,505

l =---= 6,4 м.

3,14 • 0,025

Для обеспечения подогрева и поддержания заданного температурного режима (протекание термофильного процесса) определены суммарные суточные затраты тепла и мощность теплообменника-мешалки,определены диаметры труб для изготовления теплообменника, совмещенного с мешалкой, а так же общая ее длина. 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 %.

Литература

1. Определение параметров и режимов работы биогазовой установки для крестьянских (фермерских) хозяйств / А. Г Фиапшев, Ю. А. Шекихачев, М. М. Ха-моков, О. Х. Кильчукова // Технология колесных и гусеничных машин - Technology of whe eledandtrackedmachines. Обзорно-аналитический и научно-технический журнал Review-analyticalandscientific-technical journal. М., 2014. № 4 (14), С. 16-24.

2. Фиапшев А. Г,Кильчукова О. Х., Фиапше-ва К. А. Источники альтернативной (воз-

References

1. Fiapshev A. G., Shekihachev J. A., Kilchukova O. H, Hamokov, M. M. Opredelenie of parametres and operating modes of biogas installation for country (farmer) economy. [Text] / A. G. Fiapshev, J. A. Shekihachev, M. M. Hamokov, Island Х of Kilchukova// Technology wheel and tracklaying vehicles-Technology of wheeled and tracked machines. Obzorno-analytical and scientific and technical magazine Review-analytical and scientific-technical journal. - Moscow, Open Company «НИКА», 2014 г. № 4 (14), p. 16-24.

40

,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

обновляемой) энергии на Северном Кавказе / /Сб. науч. стат. по итогам всерос. науч.-практ. конф. «Научный взгляд на современный этап развития общественных, технических, гуманитарных и общественных наук. Актуальные проблемы». СПб. 2014. С. 64-67.

3. Фиапшев А. Г, Хамоков М. М., Кильчуко-ва О. Х. Разработка альтернативных источников энергосбережения фермерских хозяйств //Владимирский земледелец. 2012. № 2. С. 35-36.

4. Кильчукова О. Х., Фиапшев А. Г., Хамо-ков М. М. Расчёт параметров биогазовой установки // Актуальные проблемы в энергетике и средствах механизации АПК : материалы Всерос. науч.-практ. конф. / ДальГАУ. Благовещенск, 2014. С. 139-144.

5. Фиапшев А. Г., Кильчукова О. Х., Хамо-ков М. М. Экспериментальные исследования модернизированной биогазовой установки // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве : материалы Междунар. науч.-практ. конф. М., 2014. Т. 4. С. 273-278.

2. Fiapshev A. G., Kilchukova O. H., Fiapsheva K. A. source of alternative (renewed) energy in the North Caucasus. [Text] / A. G. Fiapshev, Island Х of Kilchukova, K. A. Fiapsheva // Sb. науч. стат. Following the results of the All-Russia scientifically-practical conference «the Scientific view on the present stage of development public, technical, humanitarian and social studies. Actual problems» SPb.: «КультИнформ-Пресс», 2014 г. стр 64-67

3. Fiapshev A. G. Working of alternative sources of power savings of farms [Text] / A. G. Fiapshev, M. M. Hamokov, Island Х of Kilchukova // Magazine «Vladimir farmer» № 2, 2012. with. 35-36.

4. Kilchukova O. H, Fiapshev A. G., Hamokov M. M. Raschyot of parametres of biogas installation. [Text] / O. H. Kilchukova, A. G. Fiapshev, M. М. Hamokov // Materials of the All-Russia scientifically-practical conference withthe international participation «Actual problems in power and means of mechanisation of agrarian and industrial complex». - DalGAU, Blagoveshchensk 2014, p. 139-144.

5. Fiapshev A. G., Kilchukova O. H, Hamokov M. M. Eksperimental nyeissledovanie of the modernised biogas installation. [Text] / A. G. Fiapshev, O. H. Kilchukova, M. М. Hamokov // Materials of the International scientifically-practical conference «Power supply and the power savings in agriculture», Moscow, GNU ВИ-ЭСХ, 2014, т. 4, p. 273-278.