Расчет температурного режима процесса сбраживания субстрата в биогазовой установке

k	F	Tкон	Tнач	τ
Q
47	1,256	100	54	1	2715,5
47	1,256	95	54	1	2420,3
47	1,256	90	54	1	2125,2
47	1,256	85	54	1	1830
47	1,256	80	54	1	1534,8
47	1,256	75	54	1	1239,7
47	1,256	70	54	1	944,51
47	1,256	65	54	1	649,35
47	1,256	60	54	1	354,19
47	1,256	55	54	1	59,032

Рисунок 2.

Для нахождения площади нагревателя воспользуемся формулой нахождения площади боковой поверхности цилиндра. Наш нагреватель представляет собой трубу высота которого равна 4 м (Рисунок 2).

Рисунок 3. Параметры нагревательной трубы биогазовой установки

где, –среднее значение диаметра нагревателя; – длина окружности.

где, - внутренний диаметр цилиндрической трубы; – наружный диаметр цилиндрической трубы.
= (0,094 + 0,1)/2 = 0,097

где, – радиус нагревателя.
= 2 · 3,14 · 0,05 = 0,314
Тогда площадь нагревателя будет равна: = 3,14 · 0,097 · 0,314 = 0,0956
Для нахождения коэффициента теплопередачи для цилиндрических поверхностей воспользуемся формулой [2]:

где, коэффициент теплоотдачи от более горячей биомассы в зоне ІІІ к теплопередающей поверхности;
- толщина перегородки;
- теплопроводность материала, из которого сделана перегородка;
коэффициент теплоотдачи от поверхности к нагреваемой биомассе в зоне ІІ;
– диаметр внутренней цилиндрической стенки;
– диаметр наружной цилиндрической стенкки.
Так как термическое сопротивление материала теплопроводности приближено к нулю, упрощаем формулу:

где, – толщина нагревателя;
– теплопроводность материала, из которого сделан нагреватель.
= 0,1/45,4 = 0,0022 → 0

Для вычисления коэффициентов теплопередач воспользуемся формулами:


где, - температуры стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей. При термическом сопротивлении стремящимся к нулю .
Для расчета теплового потока, отдаваемого теплоносителем, воспользуемся формулой:

где, объемный расход, м³/с;
-плотность горячего теплоносителя, кг/м3;
С- удельная изобарная теплоемкость горячего теплоносителя, Дж/(кгК)
-средние по сечению трубы температуры горячего теплоносителя на входе и выходе соответственно, ⁰С
= 3,14 · 0,094² · 4 · 985,73 · 4184 · 54 = 24166 кДж
= 24166/((55 - 10) · 3,14 · 0,094 · 0,314) = 5794 кВт
= 24166/((54 - 10) · 3,14 · 0,094 · 0,314) = 5926 кВт
Тогда коэффициент теплопередачи равен:


= 1/((1/5794) + (1/5926)) 3·10⁶
= 3·10⁶ · (54 - 35) · 0,0956 = 5449 кДж

Далее, с помощью основного уравнения теплопередачи, вычислим количество теплоты, передаваемое из более теплой III зоны в более холодную II зону [3].

= 378,7 · (35 - 20) · 3,14 · ((2 + 1,997)/2) · 2 · 3,14 · 1 = 224 кДж
Определим полное количество теплоты требуемое для нагрева всей биомассы в основном метантенке.

Для определения количества тепла, необходимого для нагрева смеси для II и III зоны воспользуемся формулами:



где, удельная теплоемкость субстрата в зоне; m - массовый расход субстрата в зоне; - температура биомассы находящегося в зоне III; – температура биомассы входящей из зоны IIв III-ю зону; - температура биомассы находящегося в зоне II; – температура биомассы входящей из зоны Iв II-ю зону; - температура биомассы находящегося в зоне I; – температура биомассы входящей из стадии подготовки биомассы к сбраживанию в I-ю зону.
Температура входящей биомассы будет равна средней температуре сбраживания в предыдущей зоне. Для температуры входа определим среднюю температуру окружающей среды [4].
= 4190  1500  (54 - 35) = 119415 кДж
= 4190  1500  (35 - 20) = 94275 кДж
= 4190  1500  (20 - 10) = 62850 кДж
Чтобы подсчитать количество тепла уходящего в окружающую среду, нужно воспользоваться формулой:

где, K - коэффициент теплопередачи от биомассы ІІІ зоны в окружающую среду;
средняя температура окружающей среды вокруг метантенка;
площадь внешней поверхности метантенка.
Для температуры окружающей среды возьмем среднегодовое значение температуры в Жамбылской области.
= 1/((1/135835) + (1/133687)) = 67736
= 67736 (35 - 10)  2 3,14  1,5  4 = 63,81 МДж
Определим количество тепла, теряемое при выгрузке субстрата из метантенка.

где, - масса субстрата выходящего из метантенка.
= 4190  1500  54 = 339 Мдж
Определим количество тепла, теряемое при выходе биогаза из метантенка.

где, с - удельная теплоемкость газа; масса полученного за сутки газа;
- значение температуры выходящего из метантенка биогаза.
= 120  0,55  1000  54 = 3,6 МДж
Скорость распространения тепла приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. График распространения тепла в биогазовой установке

Рисунок 5. Распределение температуры в ІІ и ІІІ зоне метантенка

Список литературы

1. В.В.Бухмиров, В.Ракутина определение коэффициента теплопередачи через гладкую и оребренную трубы. Методические указания к выполнению лабораторной работы. Иваново 2010.
2. Вохмин Вячеслав Сергеевич Разработка энергосберегающей электротехнологии сбраживания навоза с использованием индукционного нагрева. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ижевск – 2012.
3. А.В.Лывков Теория теплопроводности Издательство "Высшая школа" Москва, 1967.
4. Моделирование химико-технологических объектов управления. Учебное пособие, В.Ф.Беккер. 2014.-142с.
CALCULATION OF A TEMPERATURE MODE OF THE PROCESS OF DIGESTION OF THE SUBSTRATE IN A BIOGAS PLANT
Annotation: This article is devoted to calculation of a temperature mode of the process of digestion of the substrate in a three-stage biogas plant for enhanced biogas yield. Calculated temperature of fermentation substrate in the biogas plant and found the area of the heaters installed in the center of the 1-St and 3-nd stage of the fermentation substrate.
Keywords: biogas plant, the mode of psychrophilic, mesophilic mode, the cylindrical heater, thermal conductivity, heat capacity at constant pressure.