Солнечная электростанция 30кВт - бизнес под ключ за 27000$

15.08.2018 Солнце в сеть




Производство оборудования и технологии
Рубрики

Моделювання підсистеми термостабілізації реактора біогазо — вої установки

Однією з основних особливостей процесу анаеробної біокон — версії органічних речовин в БГУ є суттєва чутливість до зміни тем­ператури всередині біореактора. Основна вимога до підсистеми термостабілізації реактора може бути представлена у вигляді [134]

tpi ;ж + Ліреж ^ tcT. р ^ їрЕж _ Ліреж, ( П. 1)

tpi ;ж + ДїрЕЖ ^ tcT. TO ^ ЇРЕЖ — ДїрЕЖ, (П.2)

де їрЕж — оптимальна температура під час технологічного процесу у визна­ченому режимі, °С ;

ДїрЕж — припустиме відхилення температури субстрату від оптимальної, °С; tCT. p — температура внутрішньої частини зовнішньої стінки реактора, °С; іст. то — температура зовнішньої частини стінки теплообмінника, °С.

За умови розміщення теплообмінного пристрою біля середини реактора, і, враховуючи умови можливості теплообміну між середовищем, теплоносієм та навколишнім середовищем, залежно­сті (11.1), (11.2) трансформуються до вигляду

tpi ;ж ^ tcT. р > tpi ;ж — Лїрі ж, (11-3)

tpi ;ж + ЛїрЕЖ A tcT. TO > tpi Ж-

Іншими словами, перед підсистемою термостабілізації стоїть питання забезпечення реактора тепловою енергією, кількість якої повинна відповідати витратам теплоти за межі реактора, а темпера­тура теплоносія повинна забезпечувати температуру зовнішньої стінки теплообмінника в діапазоні (11.2).

Проведемо оцінки величини площі поверхні теплообміну в процесі термостабілізації реактора БГУ. В якості вбудованого теп­лообмінника використаємо змійовиковий теплообмінник [63]. Крок розташування труб обрано з умови зменшення заносу поверхні тве­рдими частинками. Результати розрахунків за умов різних темпера­турних режимів, температури навколишнього середовища tHC=-20 °С, термічного опору теплоізоляції 2,2 м — К/Вт показані в табл.

11.1. Очевидно, що вільноконвективний теплообмін характеризу­ється невеликою інтенсивністю, що обумовлює встановлення при­строїв із значними поверхнями теплообміну. Окрім витрат на мате­ріали нагрівник займає певну частку об’єму реактора, що впливає на складність монтажу та ремонту вбудованого устаткування [511, 512]. Математична модель підсистеми термостабілізації реактора БГУ включає безрозмірний термоекономічний критерій якості

де Ебіог — кількість ексергії, що вироблена з біогазом;

Schct — величина зведених витрат в ексергетичних одиницях в процесі проектування та експлуатації підсистеми термостабілізації реактора

В такий показник включені зведені витрати ексергії на отри­мання енергоносія (Еен) , його підведення до БГУ (Епід) , трансфор­мацію в потік з необхідними параметрами (Е^нс) , витрати на на­гнітальний (ЕНаг) та теплообмінний (Ет0) пристрої, на живлення на­гнітачів електроенергією (Еел).

Математичний опис побудований на відомих залежностях теплових та матеріальних балансів, рівняннях теплопередачі і гі­дродинаміки. Суттєвою перевагою моделі є врахування мікробіо­логічних особливостей технологічного процесу представлених умовами (11.1) та (11.2).

Математичний опис моделі підсистеми термостабілізації включає 55 рівнянь і складається з чотирьох складових:

1) модуль розрахунку витрат на устаткування;

2) модуль розрахунку виходу біогазу ;

3) модуль розрахунку теплообміну в реакторі;

4) модуль врахування мікробіологічних особливостей середовища.

Використання залежностей по інтенсивності тепловіддачі до

водного середовища дозволяє досліджувати роботу підсистем лише в першому наближенні. Для побудови замкненої моделі є необхідність у проведенні експериментальних досліджень. Теп­ловіддачі від стінки до середовища в умовах, що відповідають реактору БГУ.

Запропонована модель може бути використана для визна­чення ефективності термостабілізації реактора БГУ в умовах різ­них температурних режимів в реакторі, температур навколиш­нього середовища.

За допомогою моделі можливе проведення числового експе­рименту по визначенню ефективності живлення БГУ енергією за умов енергозабезпечення від:

-централізованих систем електро — та газопостачання за допомогою відповідних котлів;

— вторинних джерел низькопотенційної енергії;

— систем охолодження дизель-генераторної установки;

— біогазових котлів;

— баків-акумуляторів із поповненням за рахунок здешевленої в час “провалу споживання” електроенергії;

— інших джерел живлення БГУ тепловою енергією.

Початкові дані моделі підсистеми термостабілізації реактора

1. Властивості сировини: густина твердих частинок ртч, вологість W, зольність А, максимальний вихід біогазу Вмах теплоємність сс.

2. Технологічні параметри: кількість сировини GB, термін зброджу­

вання т, температурний режим їреж, коливання температурного режиму ДїрЄЖ; коефіцієнт заповнення реактора КзаПовн, нижча теплота згорання біо­газу біог; кількість завантажень на добу z.

3. Характеристики устаткування: коефіцієнти тепловіддачі до внут­рішньої сторони стінки елемента устаткування ; товщина стінки та те­плоізоляції елемента устаткування 8^т;, 8^; теплопровідність стінки та теплоізоляції елемента, >47!; площа стінок елемента ; температура середовища в елементі устаткування.

4. Теплофізичні властивості теплоносія при середній температурі: vTH ; ХгН; Ргтн; число Прандтля для теплоносія при температурі t™, а також йо­го швидкість VTH.

5. Температуру навколишнього повітря tHC та теплофізичні властиво­сті при цій температурі vHC; А, нс; Ргнс; Рнс; число Прандтля для повітря при температурі tpT.

6. Характеристики стінок реактора: товщина стінки та теплоізоляції

8РТ, 8?; коефіцієнт теплопровідності стінки та теплоізоляції >4’,, •

7. Теплофізичні властивості води при температурі tpc>K: рв, vB; >W!; Ргв; рв; число Прандтля для води при температурі t™.

8. За умов підведення газу для інтенсифікації тепловіддачі: Витрата газової фази Vr; нерівномірність її підведення щ ; діаметр навивки змійо­вика d3M; густину, ексергетичну вартість матеріалу трубопроводів барботу­вання та коефіцієнт витрат на обробку матеріалу Ртр б, е-гр б, К°рР • Місцеві

опори трубопроводів Z£,M, коефіцієнти тертя Хгр, глибина занурення отворів 1і3, ККД компресора цк, час його роботи тр0б та ексергетична вартість ком­пресора ек.

9. Коефіцієнти, що враховують монтаж та експлуатаційні витрати Км, Ке; строк окупності Ток; ККД отримання електроенергії Кел.

10. За умов використання баків акумуляторів : товщина стінки та те­плоізоляції 8‘^_а , 8Б-а; густина матеріалу стінки та коефіцієнт, що враховує обробку матеріалу рв-д, К’^д; ексергетична вартість матеріалу стінки та теплоізоляції Єб-д, е;:_д; вартість лічильника Еліч, коефіцієнт здешевлення енергії К3дЄШ.

11. Ексергетична вартість та ККД електротена еет, Лет; електрокотла — єек, т|ек; котла на природному газі — Єпг, Лш біогазового котла — ебк, %K; те­пловий ККД дизель-генераторної установки т);'(і.

12. За умови підведення енергоносія з відстані: відстань L^, густина, ексергетична вартість матеріалу, коефіцієнт обробки р^, етр, К°рР; місцеві

опори Z£,M, коефіцієнт опору тертя 7тр, ексергетична вартість нагнітача ен, ККД т|н і час роботи тр0б.

13. При встановленні пристрою трансформації (котла тощо) в безпо­середній близькості від реактора Lm i=0.

Математичний опис моделі підсистеми термостабілізації ре­актора зроблено авторами [375] показаний в таблиці 11.2.

Величина

Позначення

Розмірність

Метод визначення

Модуль розрахунку виходу біогазу

Г устина субстрату

Рс

кг/м3

ртч-100/[100 + W-(pT4-10“3-l)l

Поправочний множник

Р

t=20 °С; Р=0,95; t = 35 °С; P=l,01; t = 53 °С; P=l, l

Питомий вміст органічних речовин

S

кг/м3

рс-(Ю0-wxioo-Ayio-4

Коефіцієнт пропорційності

Кг

м3,добу/кг

(38-S — 205)-Р/[100-Дюеж -17,8)1

Питомий вихід біогазу

В

м3/кг

ВМах-(Кг/т)

Навантаження на метантенк

d

кг/(м ’доба)

S/x

Добова швидкість виходу біогазу

Ь/т

3 3

м /(м ’доба)

Bd

Загальний об’єм реактора

vP

3

м

GB * т /Кзаповн

Вибір висоти, діаметра, площі стін реактора

Г7Р

Ь г] ^СТ ААР ир

м, м, м2

За оцінками

hD=( 1,5… 2)-dD — оптимально.

Добовий вихід біогазу

УбІОІ

м3/добу

Убіог = (Ь/т)-УР

Виробка ексергії з біогазом

Ебіог

кДж/добу

V — Ор

біог ^н. біог

Кількість сировини в порції

біпорц

Кг

Vp-pc/(x-z)

Теплова потужність підігріву порції субстрату

Qnopu;

Вт

G порц’ сс ■ (їрЄЖ—tHC) ‘z/(24’3600)

Модуль врахування мікробіологічних особливостей технологічного процесу

мпература внутрішньої сторони стінки реактора

tP

ст

°С

1

5$

АІ

АІ

+

Температура зовнішньої стінки теплообмінника

.то

^ст

°С

§

АІ

АІ

і

+

*

0)

402

Величина

Позна­

чення

Розмірність

Метод визначення

Модуль теплообміну в реакторі

Критерій Грасгофа для навколишнього середовища

GrHC

8’hp ‘Рнс'(ГтР tHC)/vHC

Критерій Нусельта

NuHC

0.15-(Gr™ — РГнс)0,33 ■(Pf. c/P^)”’25

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки реактора до навколишнього середовища

Otnc

Вт/(м2,К)

NuHC • A«c/hp

Критерій Грасгофа для вільної конвекції біля

стінки в водному середовищі

GrBp

ё-Ч’Рв-^реж-С)^

Критерій Нусельта для води

NuB

0,15-(GrB-PrB)0’33-(Pr,/Prc’;)0-25

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки реактора до водного середовища

<

Bt/(m2 *K)

Niils->4!/hp

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до субстрату

<

Bt/(m2 *K)

освр-КПопр, (Кпопр визначається за даними [375])

Коефіцієнт теплопередачі через стінку реактора

ТГР

JVCT

Bt/(m2 *K)

(l/aP +рРтДсі +8із Аь + VaHc)

Температурний напір через стінку

Atp

Vr

°С

tpOK tIIC

Тепловий потік втрат через стінку реактора

Qp

^-BTp

Вт

Fp — Kp • Atp

Cl CT CT

403

Величина Позначення Розмірність Метод визначення

Тепловий потік, що підводиться з теплоносієм, визначається схемою підігріву порції сировини.

… О =Ор +0 . О =Ор Якщо підігрів проводиться в реакторі, то ™ втр порц. В іншому випадку ™ втр

Температура теплоносія на вході та виході з теплообмінника

Сні

Сн2

°С

Сні ~tpC>K+AtpC>K Сн2 —Сеж~^б,5

Витрата теплоносія

GTH

кг/с

Qth/[ ( Сні—Сн2 )" Сіп]

Розрахунковий діаметр теплообмінної труби

d-то

м

О’ГО

вибираємо стандартні розміри dT0, °ст,

Л ТО

а також теплопровідність матеріалу ст і ето

Середній температурний напір

AtCTT0

°С

(Сні Итн2) ■ 0,5 —Сеж

Критерій Релея при вільній конвекції в воді

Ra

ё dT0 Рв (ірЄЖ tcl

)-pr,/v’

Зведена швидкість газової фази

wrT

м/с

Vr/(dTO-3,14-d3M)

Коефіцієнт тепловіддачі до субстрату в умовах: вільної конвекції підведення газу для інтенсифікації теплообміну

°С

Вт/(м2,К)

(0,8…0,88)-0,5-Re

ґ х 0,033 WrT 1Л

l(v»-g) J

°’2 ( Y/3 •(Рг.) К) — т

V ’в /

404

Величина

Позна­

чення

Розмірність

Метод визначення

Критерій Рейнольдса для теплоносія в трубі

ReTH

Утн’СІ. тс/Утн

Критерій Нусельта

NuTH

0,021 • Re“- Pr”3- (Pr^/Pr” )025

Коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія в трубі

ОС-гн

Вт/(м2-К)

N UTHe ^тн! ^то

Коефіцієнт теплопередачі теплообмінника

ХГШ

Кст

Вт/(м2,К)

(1/«™+8”Д” + 1/аГ)_1

Площа поверхні теплообмінника

V

А то

2

М

Q™/(K”-AtS)

Перевірка температури стінки теплообмінника на вході теплоносія

|_ТО

^стД

°С

tT0

tTHi-QTH/(FTo • остн), якщо величина стД не задово­льняє вимогам, що представлені в попередньому модулі, то розрахунок повторюють приймаючи нову tTHi ■

Модуль тепловтрат в устаткуванні

Враховуються тільки трубопроводи та устаткування підсистем підготовки сировини та енергозабезпечення

Лінійний тепловий потік втрат і-того трубопроводу

Qi

Вт/м

(tcep-tHc) • л/[(авн — di) l+I[ln(d1+|/d1)/>4] + (анс • dn) ‘)]

Тепловий потік втрат в трубопроводах

Q гр

^<втр

Вт

^[Пі-(Ьтр)і]

Коефіцієнт теплопередачі через зовнішню стінку і-того елемента устаткування

ТУ-уст Кст, і

Вт/(м2,К)

(і/<Сі +РГ, А”,+8ыАы+1/«„сГ

405

Величина

Позна­

чення

Розмірність

Метод визначення

Тепловий потік втрат в навколишнє середовище

через стінки устаткування

QVCT

^<втр

Вт

QVCT _ Гт^уст а Г^УСТ в /|VCT _ І ~|

^втр / А ^ст. і ^стД у^вн, і Цов

Сумарний тепловий потік втрат через трубопроводи та устаткування

Qinp

Вт

оуст + отр

^<втр ^<втр

Модуль витрат на устаткування

Діаметр трубопроводів барботування

d-грБ

м

[4-Vr/(3,14-vr)]0:> приймаємо стандартний з розмірами dTD Б, 8тоб

Приймаємо довжину трубопроводів барботування

ЕтрБ

м

ЕтрБ—3*dp

Витрати на трубопроводи барботування

Е-гр Б

кДж

^ ^тр. Б ЕТр б ^тр. Б Ртр. Б ®тр. Б Е^тр

Втрати тиску в трубопроводах

ДР

Па

p-JilZu+Xn-LJ&n )/2+h3-pc-g

Потужність компресора барботування

nhE

Вт

AP-Vr/гік

Витрати ексергії на електроенергію для компресора

ЕєлБ

кДж/рік

NH Б" ^роб/Кел

Витрати ексергії на компресор

Енб

кДж

NhE-Єн

Загальні витрати ексергії на барботування

Еб

кДж/рік

Еел б +(ЕН в+Етр б)’Кє-Км/Ток

Загальні витрати на теплообмінник

F

Мго

кДж/рік

ТТ-обр

К — К F -8 — о — є •го /Т

lve 1 ТО иТО кто сТО ‘ 1 OK

Розміри баків-акумуляторів

Vb-a,

3

м

(Отн+ОвТО+Опоюи)/[ртн-Стн-(80-Сеж)1«6-(УБ-А)2/3

Fe-a

2

м

406

Величина

Позна­

чення

Розмірність

Метод визначення

Витрати на баки-акумулятори

Еб-а

КДж

ту*обр сіз із

FE-A’SE-A’ Рб-а’ЄБ-А’ e-a+Fe. a — л • Л

Витрати на електроТЕНи

F

І_^ет

кДж

( Q-ni+Qirm+Qiionn)" Єет/ Р ет

Діаметр трубопроводів підведення енергоносія

dip

м

dip dT0

Витрати на трубопроводи підведення носія

F

Мгр

кДж

J^o6p

^■dip’LTp-Sip-pip-eip — тр

Втрати тиску в трубопроводах

ДР

Па

Pb’Vb ■(S^m+^td-Ltd/dip)/2

Потужність нагнітача

К

Вт

ДР" GTH / (Pn* Pth)

Витрати на трансформацію енергії

з використанням електрокотлів

Етранс

кДж/рік

Ke * KM — ( От„+Оі! ТО+Оію, ж) " Єек/ (Ток — Рек)

з використанням котлів на

природному

газі

Ke"KM" ( Qni+Qmp+Qnopr ()" Єї ц/ (Ток-Ліп)

з використанням котлів на біогазі

Ке * Км — ( Q’m+Qmp+Qnomi) * Єбк/ ( Т0к’ Р бк)

з використанням бросових джерел низькопотенційної теплоти

0

з використанням систем охолодження дизель-генераторної установки

Кє-Км-Ее. а/Ток

з використанням баків-акумуляторів, електротенів і тризонних лічильників електроенергії

Ке-Км — (ЕБ. А+Еет+Ешч)/Т ок

407

Величина

Позна­

чення

Розмірність

Метод визначення

Витрати ексергії на електроенергію для насосу

Еел

кДж/рік

* т роб/Кел

Витрати ексергії на насос

Ен

кДж

NhE-Єн

Витрати ексергії на теплоізоляцію трубопроводів

ртр

кДж

8тр етр Tc-dop-Lxp — із • із

Загальні витрати на підведення енергоносія

F

ьшд

кДж/рік

тг — ги ч-^ь+F VT +F

14 С 1VM y^TV 1 OK 1 J-^ЄЛ

Витрати на отримання енергоносія

з використанням електрокотлів

F

^ЄІІ

кДж/рік

Кел" (ОтіДОвпДОпОш) *^Шб! Рек

з використанням котлів на природному газі

( Q-ni+Qinp+Qi. opi () " ^ ]Х)б! Рпг

з використанням котлів на біогазі

( Q-ni+Qirm+Q. ioni l)" ^ )Х)б/ ЦСж

з використанням бросових джерел низькопотенційної теплоти

0

з використанням систем охолодження дизель-генераторної установки

т

( Qth+Qbtp+Qi Ю]Л 1,) " рХ)б/ ^дг

з використанням баків-акумуляторів, електротенів і тризонних лічильників електроенергії

Кел-Е-ідсп • ( Qni+Qinp+Qi юрі д’Т роб / Лет

Загальні витрати підсистеми енергозабезпечення

SCHCT

кДж/рік

Еен^Ещц+Ехранс+Ехо+Еб

Критерій якості підсистеми

Y

^СИСт/ЕбІОГ

408

Оставить комментарий