CC BY
102
Современные технологии - транспорту
УДК 62 5
Н. Ю. Лизунов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ТЕПЛОПОТЕРИ И ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ МЕТАНТЕНКА МОБИЛЬНОГО БИОГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ КАЗАХСТАНА
Описан горизонтальный мобильный метантенк для переработки отходов и получения биогаза. Брожение в нем происходит поэтапно в две стадии, каждая из которых протекает в отдельной секции устройства. По результатам анализа теплопотерь метантенка введен алгоритм их определения, рассчитана эффективность 4-х типов теплоизоляции и обоснована целесообразность ее применения в летний и зимний периоды. В результате исследования на основе анализа стоимости за 1 м2 и итоговых данных о теплопотерях была подобрана оптимальная теплоизоляция метантенка.
биогазовая установка, метантенк, выработка биогаза, теплоизоляция, тепловые потери, теплопроводность, теплопередача.
Введение
Метантенк представляет собой резервуар для биологической переработки путем анаэробного (без доступа воздуха) сбраживания бытовых, сельскохозяйственных и других пригодных для переработки сырья и получения биогаза отходов.
Применение биотехнологий для производства электрической и тепловой энергии актуально во всем мире, однако для развивающихся стран, таких как Бразилия, Индия, Казахстан, - это хорошее решение проблемы утилизации отходов с получением большого количества положительных эффектов.
1 Переработка биоотходов
в метантенке
Распад органических веществ в метан-тенках протекает в две фазы. В первой фазе из углеводов, жиров и белков образуются жирные кислоты, водород и аминокислоты. Во второй - происходит разрушение кислот с образованием преимущественно метана и углекислого газа. В качестве сырья для переработки в метантенк подаются измельченные отходы. Для улучшения процесса выхода сбраживаемую массу подогревают и пере-
мешивают. Различают мезофильное (при температуре 30...35 °C) и термофильное (при температуре 50.55 °C) сбраживание. При термофильном сбраживании процесс распада проходит быстрее. Биогаз - смесь газов, выделяющихся при сбраживании, состоит преимущественно из метана (до 70 %) и углекислого газа (до 30 %).
Для поддержания однородности бродящей массы в метантенках предусмотрена система перемешивания. Гидравлическое перемешивание (насосами, гидроэлеваторами) применяют для небольших объемов, если объем более 2000 м3, используют пропеллерные мешалки.
Схема исследуемого горизонтального метантенка представлена на рис. 1 [1].
Так как одним из основных условий выработки биогаза является поддержание определенной температуры процесса брожения, большое внимание нужно уделить вопросу теплопотерь через ограждающие конструкции метантенка.
В климатических условиях Казахстана стационарные биогазовые установки, так же как и мобильные, нуждаются в дополнительной теплоизоляции. В комплексе на железнодорожном ходу актуальность ее применения обуславливается не только возможностью использования станции при отрица-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/1
12
Современные технологии - транспорту
тельных температурах, но также особенностью ее эксплуатации, а именно омыванием метантенка встречными потоками воздуха, которые увеличивают интенсивность теплообмена между поверхностью и окружающей средой.
2 Расчет теплопотерь мобильного метантенка в зимний и летний периоды
Примем, что метантенк - это цельнометаллическая конструкция (рис. 2), выполненная из котельной стали толщиной 5 =
ст
= 28 мм. В качестве утеплителя применены четыре вида теплоизоляции, покрытые стеклотканью толщиной 5 = 5 мм. Параме-
тры материалов приведены в табл. 1. Расчетные габаритные размеры:
D = 2,444 м D = 2,5 м
н 5
D = 2,7 м
из 5
DK = D = 2,71 м
В расчете учитывали теплоотдачу от боковых поверхностей и цилиндрической части мобильного метантенка, движущегося в составе комплекса со скоростью 70 км/ч к воздуху, и температуры воздуха для:
- зимнего периода: t = -40 °С;
- летнего периода: t = +30 °С.
Теплообмен рассмотрен для случаев отсутствия тепловой изоляции и ее наличия. Теплофизические характеристики воздуха для выбранной температуры приняты по работе [2].
По значению числа Рейнольдса определяем характер течения:
Re4 =
^воз •/ц
V
воз
где Увоз - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; ^воз - скорость движения воздуха, м/с; 1ц - длина метантенка.
ТАБЛИЦА 1. Параметры теплоизоляции [5] - [7]
Изоляция Коэффициент теплопроводности, X Вт/м град Толщина, мм
PAROC UNS 37 0,037 100
ТЕХНОНИКОЛЬ 100 0,039 100
ISOVER ВентФасад Оптима 0,034 100
URSA GLASSWOOL M-15 0,04 100
2014/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
13
Рис. 2. Элемент метантенка с теплоизоляцией
Для определение условий протекания процессов омывания поверхности определяем число Нусельта [3]:
Nu ц = 0,037 • Re0,8.
Значение коэффициента теплоотдачи цилиндрической части к воздуху ац [3]:
ац = 7,34 • v0’656.
где tсом - температура внутри бака для сбраживания, °С.
Теплообмен боковых поверхностей ме-тантенка с воздухом рассматриваем как поперечное омывание жидкостью плоской стенки.
Тепловой поток через стенку:
Об =
_ Кб -П- (*сом -воз )
4
Коэффициент теплопередачи через цилиндрическую часть мобильного метантен-ка имеет вид:
К =
1 + ^ст
аЦом А.и
8,
К
а
ств ц
1
где ацсом - коэффициент теплоотдачи внутри метантенка, Вт/(м2град); (асом = 1,3 Вт/ (м2 град) [4]).
Тепловой поток (Q Вт) через цилиндрическую часть мобильного метантенка определяем уравнением:
°ц Кц • П • Ац • 1ц • (^сом ^воз ),
Общий тепловой поток наружных поверхностей метантенка:
бобщ = 2 • Q6 + бст.
Сводные результаты расчетов представлены в табл. 2 и 3.
Применяя данную методику расчета, можно определить теплопотери мобильного ме-тантенка при определенных условиях, что позволит рассчитать необходимый расход греющего теплоносителя и определить количество биогаза, необходимого для поддержания температурного режима сбраживания биомассы.
На рис. 3 представлена средняя стоимость теплоизоляции. Исходя из расчетов тепло-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/1
14
Современные технологии - транспорту
ТАБЛИЦА 2. Теплопотери метантенка в окружающую среду при применении различной теплоизоляции в зимний период
Теплоизоляция Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) Тепловой поток, Вт Суммарный тепловой поток, Вт
без изоляции цилиндр 52,4 1,27 12691 13875
суммарная торцевая поверхность 52,4 1,27 1184
PAROC UNS 37 цилиндр 52,4 0,85 8494 9286
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,85 792
ТЕХНО- НИКОЛЬ 100 цилиндр 52,4 0,86 8594 9396
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,86 802
ISOVER ВентФасад Оптима цилиндр 52,4 0,84 8394 9176
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,84 782
URSA GLASS- WOOL M-15 цилиндр 52,4 0,87 8694 9504
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,87 810
ТАБЛИЦА 3. Теплопотери метантенка в окружающую среду при применении различной теплоизоляции в летний период
Теплоизоляция Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) Тепловой поток, Вт Суммарный тепловой поток, Вт
без изоляции цилиндр 52,4 1,27 3340 3652
суммарная торцевая поверхность 52,4 1,27 312
PAROC UNS 37 цилиндр 52,4 0,85 2235 2443
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,85 208
2014/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
15
Окончание табл. 3
Теплоизоляция Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) Тепловой поток, Вт Суммарный тепловой поток, Вт
ТЕХНО- НИКОЛЬ 100 цилиндр 52,4 0,86 2262 2474
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,86 212
ISOVER ВентФасад Оптима цилиндр 52,4 0,84 2209 2415
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,84 206
URSA GLASS- WOOL M-15 цилиндр 52,4 0,87 2288 2502
суммарная торцевая поверхность 52,4 0,87 214
Стоимость 1 м2
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
4000
PAROC UNS 37 ТЕХНОНИКОЛЬ ISOVER URSA
100 ВентФасад GLASSWOOL
Оптима M-15
Цена, руб.
Рис. 3. Средняя стоимость 1 м2 теплоизоляции толщиной 100 мм [5] - [7]
потерь и стоимости изоляции можно подобрать наиболее рациональный материал для изолирования ограждающих конструкций метантенка.
Заключение
1. Применение тепловой изоляции позволяет снизить тепловые потери в окружаю
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/1
16
Современные технологии - транспорту
щую среду, следовательно сократить расход греющего теплоносителя.
2. Теплоизоляция позволяет уменьшить количество тепловой энергии, необходимой для поддержания стабильного процесса переработки отходов, следовательно обеспечивает более стабильное сбраживание, при котором образование биогаза происходит быстрее и без остатка его в переработанной массе.
3. В качестве теплоизоляции рекомендуется применять PAROC UNS 37, так как у него наилучшее соотношение цены и изолирующих свойств.
4. Использование теплоизоляции в летний период также считается целесообразным.
Библиографический список
1. Изобретение Патент Российской Федерации RU2250878. Метантенк [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.shram.kiev. ua/top/patents_gas/gas_3/gas_60.shtml.
2. Теплотехника на подвижном составе железных дорог / И. Г. Киселев. - Москва : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2008. - 278 с.
3. Теплообменные процессы при эксплуатации вагонов / Б. Н. Китаев. - Москва : Транспорт, 1984. - 184 с.
4. Теплообмен с окружающей средой метан-тенка для сбраживания биомассы / О. В. Чеботарева, В. А. Сербин, Н. В. Колосова // Вюник Донбасько! нацюнально1 академп будiвництва i архггектури. - 2010. - № 6. - С. 86.
5. Прошивной мат технониколь [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://spb. pulscen.ru/products/tekhnonikol_4000kh1200 kh100_7570706.
6. Web сайт Группа Компаний СТРОИТЕЛЬ [Электронный ресурс] / URSA GLASSWOOL M-15. - Режим доступа: http://linspb.ru/URSA-GLASSWOOL-M-15-URSA-GEO-M-15.html.
7. Web сайт Группа Компаний СТРОИТЕЛЬ [Электронный ресурс] / Изовер ВентФасад Оп-тима. - Режим доступа: http://linspb.ru/Изовер-ВентФасад-Оптима.Мт!.
УДК 621.316.722.076.12
А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Рассмотрена одна из проблем тягового электроснабжения на переменном токе - наличие реактивной составляющей мощности в сети. Предложен перспективный способ компенсации на основе управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа. Описан принцип работы компенсатора и приведена его электрическая схема, на основе которой создана математическая модель устройства, реализованная в программе MATLAB Simulink.
Результаты моделирования представлены в виде графиков и гистограмм токов и напряжений в контактной сети. По ним сформулированы выводы об эффективности работы устройства в сетях тягового электроснабжения. Предложен вариант улучшения конструкции компенсатора с помощью введения в схему фильтров высших гармоник с целью увеличения энергоэффективности.
компенсация реактивной мощности, тяговая сеть переменного тока, шунтирующий реактор.
2014/1
Proceedings of Petersburg Transport University
