Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

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	<и 5Г 1 5$ <и АІ АІ + <и
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

Комментарии запрещены.