Савойський Олександр

аспірант, асистент кафедри

Науковий керівник: к.т.н., професор Яковлєв В.Ф.

Сумський національний аграрний університет

м. Суми

ОСОБЛИВОСТІ НЕСТАЦІОНАРНОГО ТЕПЛООБМІНУ В БІОГАЗОВОМУ РЕАКТОРІ

Виробництво біогазу є одним із пріоритетних напрямів альтернативного енергозабезпечення. Процес анаеробного бродіння протікає при трьох основних температурних режимах: психрофільному – температура бродіння 20 °С, мезофільному – оптимальна температура 32…33 °С, термофільному 52…54 °С [1]. Будь-які різкі зміни температури впливають негативно на процес бродіння. Для кожного режиму зброджування допустимі коливання температур ±3°С. Метаболічна активність анаеробних бактерій знаходиться в прямій залежності від температури середовища [2]. Процес нагрівання субстрату залежить від багатьох чинників: термічного опору стінок реактору, виду й маси субстрату, його теплофізичних властивостей, температури теплоносіїв, розмірів і конструкції теплообмінних апаратів, режиму перемішування субстрату. Тому, важливим питанням, для нормальної роботи БГУ, є дослідження особливостей нестаціонарного теплообміну в біогазових реакторах.

Розглянемо біогазовий реактор, що обладнаний лопатевою мішалкою і трубчастим нагрівником    (рис. 1). По нагрівнику протікає теплоносій максимальна температура якого не повинна перевищувати 60º С для запобігання перегріву зони біля нагрівника і збереження технологічного процесу анаеробного бродіння.

Для дослідження особливостей нестаціонарного теплообміну в біогазових

реакторах створено математичну модель [3], що описує даний процес. В якій  температура середовища в біогазовому реакторі є функцією від часу. Прийнято постійними: температура теплоносія на подачі , який передає субстрату тепло, термічний опір стінки реактора, площу теплообмінної поверхні нагрівника, площу бічної поверхні реактора, через яку відбуваються втрати тепла, об’єм реактора. Змінними величинами є температура зворотної води; коефіцієнт теплопередачі від нагрівника до середовища, що залежить від теплофізичних властивостей субстрату і теплоносія, режиму омивання теплообмінної поверхні; зовнішня температура.

На основі математичної моделі [3] проведено моделювання в математичному пакеті MathCad для біогазового реактора (рис.1), відповідно до початкових умов: температура теплоносія - 60 °С; термічний опір стінки утепленого реактора - 1 м² °С/Вт; площа бічної поверхні реактора - 12 м²; витрата теплоносія - 2 м³/год; площа тепловіддачі нагрівника – 2 м²; об’єм реактора - 4,5 м³ (об’єм субстрату прийнято - 4,0 м³); зовнішня температура -          -5 °С; вміст сухих органічних речовин - 8%, відходи ВРХ; умовний діаметр труби нагрівника - 25 мм. За результатами чисельного моделювання отримано графічну залежність часу нагрівання субстрату біореактора від температури процесу (рис. 2).

При розробці математичної моделі прийнято, що температура субстрату є рівномірною по всьому об’єму. Рівномірності прогрівання субстрату в біореакторі можна досягти тільки при ретельному перемішуванні в межах технологічних швидкостей. При дослідженні температури зворотної води особливу увагу необхідно звернути на робочий температурний перепад, який для нормального функціонування котельного обладнання повинен бути в межах 10…25 °С.

Якщо використовувати погано теплоізольований біореактор (термічний опір стінки - 0,04 м2 °С/Вт) та з неправильно підібраним теплообмінником (площа тепловіддачі нагрівника - 0,2 м2), то деяких необхідних температурних режимів взагалі неможливо досягти (рис. 3), про що свідчить характер залежності tau(t) – недосяжний термофільний режим в неправильно запроектованому біореакторі. Це відбувається тому, що зі збільшенням часу нагрівання субстрату в неутепленому біореакторі температура анаеробного процесу практично не досягає оптимального значення для збереження максимальної продуктивності з виробництва біогазу.

Література

1.     Баадер Б. Биогаз: Теория и практика / Баадер Б., Доне Е., Брендерфер М.; Пер. с нем. М. И. Серебрянного. – М.: Колос, 1982. – 148 с.

2. Ткаченко С. Й. Методичні основи моделювання системи термостабілізації реактора біогазової установки / Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Резидент Н. В. // Праці за матер. IV всеукр. наук–техн. конф. «Сучасні технології, матеріали та конструкції в будівництві». – Вінниця. – 2004. – С. 70–79.

3. Ратушняк Г.С. Енергозберігаючі відновлювальні джерела теплопостачання : навчальний посібник / Г. С. Ратушняк, В. В. Джеджула, К. В. Анохіна – Вінниця : ВНТУ, 2010. − 170 с.