CC BY
5УДК 621.039.6:665.7.032.5:536.24
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ БИОГАЗОВОГО РЕАКТОРА НА ВЕЛИЧИНУ МОЩНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ ДЛЯ ПОДОГРЕВА
СЫРЬЯ
Мамонтов А.Ю., Андреев А.Е., Вендин С.В.
ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ
Аннотация: в статье приведены расчеты по оценке величины мощности дополнительных источников теплоты для подогрева сырья от толщины стенки цилиндрического биогазового реактора. В расчетах были использованы результаты общего решения уравнения теплопроводности Фурье в слоистых средах. При этом использовались свойства кирпичной стенки, обладающей не только хорошей теплоемкостью, но и теплопроводностью. На основе проведенных расчетов можно заключить, что влияние толщины стенки реактора на величину мощности дополнительных источников теплоты незначительно. Однако температура наружной среды вне реактора является значимым фактором. Следовательно при строительстве биогазовых реакторов, в первую очередь, необходимо учитывать среднегодовые температуры в конкретной местности. Игнорирование этого фактора даже при достаточной толщине стенок биореактора будет приводить к увеличению энергозатрат на дополнительный подогрев сырья при сбраживании.
Ключевые слова: биогаз, биореактор, источники теплоты, температурное поле, мощность.
Введение.
Переработка органических отходов с получением бигаза является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства. Реализация данных технологий позволяет провести утилизацию отходов и обеспечить получение ценных продуктов.
На практике для переработки органического сырья используются различные конструкции биогазовых реакторов в зависимости от применяемых технологий переработки [1-9]. Необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные положительные результаты исследований в этом направлении, имеется целый ряд нерешенных задач технического и технологического характера. Это особенности перерабатываемого сырья, технологий и методов подготовки его к сбраживанию, а также правильный выбор бактерий с учетом температур их нормального развития. Это правильный выбор конструкции биогазового реактора и учет условий внешней окружающей среды. Кроме того, непосредственно при сбраживании большую роль играют режимы перемешивания сырья отвода биогаза и удаления отработанной фракции сырья. Все эти нюансы технологии должны обеспечиваться системами контроля параметрами и управления работой исполнительных механизмов.
Материалы и методы исследований. В основу приведенных исследований положены методы теории теплопередачи в слоистых средах.
Основные результаты.
Как указывалось ранее, обеспечение высокой эффективности производства переработки органических отходов в биогаз напрямую связано с соблюдением температурных режимов и режимов перемешивания сырья. Температурные режимы при сбраживании могут поддерживаться за счет теплоты выделяющейся в результате химических реакций при сбраживании. Однако, если этого количества теплоты недостаточно, то используется дополнительный теплоподвод (дополнительные источники теплоты).
Величина мощности дополнительных источников теплоты, необходимых для поддержания режимов сбраживания зависит от многих факторов. В первую очередь учитываются теплофизические свойства сбраживаемого сырья (субстрата), а также размеры биореактора, толщина и теплофизические свойства стенок конструкции, условия внешней окружающей среды.
Известно, что толщина теплоизоляции стенки сооружения снижает коэффициент теплопередачи и способствует сохранению тепла. В тоже время, интерес представляет влияние толщины стенки биогазового реактора на величину дополнительных источников теплоты.
Ниже приведены результаты расчетов по оценке влияния толщины стенки цилиндрического биогазового реактора и температуры внешней среды на выбор мощности дополнительных источников теплоты В расчетах были использованы результаты общего решения уравнения теплопроводности Фурье в слоистых средах [10-11].
Физическая и математическая модель биореактора представлялась в форме сплошного цилиндра радиусом (рабочий объем реактора) и высотой Н, окруженного цилиндрической оболочкой (стенкой) с толщиной А с наружным радиусом конструкции й2 = Rl +Д. При этом допускалось, что источники теплоты распределены по объему реактора равномерно, а также учитывали температуру внешней среды и условия теплообмена на внешней поверхности реактора.
На рисунке 1 представлена расчетная поверхность мощности источников теплоты при изменении наружной температуры воздуха Тс и толщины кирпичной стенки А.
Рисунок 1 - Расчетные значения величины дополнительных (сторонних) источников теплоты при изменении наружной температуры воздуха Тс и толщины кирпичной стенки А.
20
30
Наружная температура воздуха, град
На основе проведенных расчетов можно заключить, что влияние толщины стенки реактора А на величину мощности дополнительных источников теплоты незначительно. Однако температура наружной среды вне реактора Тс является значимым фактором. В расчетах использовались свойства кирпичной стенки, обладающей не только хорошей теплоемкостью, но и теплопроводностью. Следовательно при строительстве биогазовых реакторов, в первую очередь, необходимо учитывать среднегодовые температуры в конкретной местности. Игнорирование этого фактора, даже при достаточной толщине стенок биореактора, будет приводить к увеличению энергозатрат на дополнительный подогрев сырья при сбраживании.
Заключение.
Приведены расчеты по оценке величины мощности дополнительных источников теплоты для подогрева сырья от толщины стенки цилиндрического биогазового реактора. На основе проведенных расчетов можно заключить, что влияние толщины стенки реактора А на величину мощности дополнительных источников теплоты незначительно. Однако температура наружной среды вне реактора Тс является значимым фактором. В расчетах использовались свойства кирпичной стенки, обладающей не только хорошей теплоемкостью, но и теплопроводностью. Следовательно при строительстве биогазовых реакторов, в первую очередь, необходимо учитывать среднегодовые температуры в конкретной местности. Игнорирование этого фактора даже при достаточной толщине стенок биореактора будет приводить к увеличению энергозатрат на дополнительный подогрев сырья при сбраживании.
Список использованных источников:
1. Вендин, С. В. Обоснование параметров терморегуляции и перемешивания при анаэробном сбраживании / С. В. Вендин, А. Ю. Мамонтов // Сельский механизатор. 2016. №7. С. 20-22.
2. Вендин, С. В. К выбору теплоизоляции для корпуса биогазового реактора с учетом дополнительного подогрева сырья / С. В. Вендин, А. Ю. Мамонтов, Ю. Н. Ульянцев // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2020. № 2 (26). С. 30 - 36.
3. Вендин, С. В. Анализ свойств теплоизоляционных материалов для условий нестационарной теплопередачи / С. В. Вендин, Ю. Н. Ульянцев // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2019. №4 (24). С. 30-36.
4. Голуб, Н. Б. Получение биогаза при очистке концентрированных сточных вод спиртзавода / Н. Б. Голуб, М. В. Потапова, М. В. Шинкарчук, А. А. Козловец // Альтернативная энергетика и экология. 2018. №25-30. С. 51-59.
5. Зазуля, А. Н. Основные направления использования биогаза в мире / А. Н. Зазуля, Н. А. Хребтов // «Наука в центральной России» Научно-производственный периодический журнал. 2008. № 2. С. 31-35.
6. Ковалёва, М. Ю. Белгородская область: альтернативная энергия - спутник Агропрома / М. Ю. Ковалёва // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 3. С. 112-115.
7. Салюк, А. И. Метановая ферментация куриного помета при пониженной концентрации ингибиторов / А. И. Салюк, С. А. Жадан, Е. Б. Шаповалов, Р. А. Тарасенко // Альтернативная энергетика и экология. 2017. №4-6. С. 89-98.
8. Трахунова, И. А. Эффективность процесса анаэробного сбраживания при различных режимах гидравлического перемешивания / И. А. Трахунова, Г. Р. Халитова, Ю. В. Карасева // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 10. С. 90-94.
9. Чернова, Н. И. Получение газообразных продуктов при пиролизе биомассы водорослей / Н. И. Чернова, С. В. Киселева, О. М. Ларина, Г. А. Сычев // Альтернативная энергетика и экология. 2018. №31-36. С. 23-34.
10. Vendin, S. V. On the Solution of Problems of Transient Heat Conduction in Layered Media / S. V. Vendin //International Journal of Environmental and Science Education. 2016. Т. 11.№ 18. С. 12253-12258.
11. Vendin, S. V. Calculation of nonstationary heat conduction in multilayer objects with boundary conditions of the third kind / S. V. Vendin // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 1993. Т. 65. № 2. С. 823-825.
Мамонтов Артем Юрьевич, аспирант, ФГБОУВО Белгородский ГАУ, elapk@mail.ru
Андреев Артем Евгеньевич, магистрант, ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ, elapk@mail.ru
Вендин Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ, elapk@mail.ru
THE INFLUENCE OF THE WALL THICKNESS OF THE BIOGAS REACTOR ON THE VALUE OF THE CAPACITY OF ADDITIONAL HEAT SOURCES FOR RAW MATERIAL
HEATING
Mamontov A.Yu., Andreev A.E., Vendin S.V.
FGBOU VO Belgorod SAU
Annotation: the article presents calculations to estimate the power value of additional heat sources for heating raw materials from the wall thickness of a cylindrical biogas reactor. The calculations used the results of the general solution of the Fourier heat equation in layered media. In this case, the properties of a brick wall were used, which has not only good heat capacity, but also thermal conductivity. Based on the calculations performed, it can be concluded that the effect of the reactor wall thickness on the power of additional heat sources is insignificant. However, the ambient temperature outside the reactor is a significant factor. Therefore, when building biogas reactors, first of all, it is necessary to take into account the average annual temperatures in a particular area. Ignoring this factor even with a sufficient wall thickness of the bioreactor will lead to an increase in energy consumption for additional heating of raw materials during fermentation. Key words: biogas, bioreactor, heat sources, temperature field, power.
Mamontov Artem Yurievich, postgraduate student, Belgorod State Agrarian University, elapk@mail.ru
Andreev Artem Evgenievich, Master's student, Belgorod State Agrarian University, elapk@mail.ru
Vendin Sergey Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department, Belgorod State Agrarian University, elapk@mail.ru
