Теоретичні дослідження коефіцієнта теплопередачі в системі обігріву біореакторів
Біореактор є основним споживачем енергії в конструкції БДУ. Одна з основних причин витрат тепла при роботі реактора — тепловтрати в навколишнє середовище через конструкцію стінки. Кількість реакторів і їх форма робить великий вплив на величину цих тепловтрат. На практиці найбільше поширення отримали біореак — тори циліндричної форми. На сьогоднішній день вітчизняною промисловістю випускаються біореактори невеликої потужності, що об’єднуються за модульною схемою. Для стабільності роботи всієї установки застосовуються як мінімум два біореактора. До збільшення витрат тепла на власні потреби установки, ускладнення процесу завантаження і вивантаження, загальному подорожченню всієї установки та експлуатації призводить застосування БДУ на основі великої кількості модулів. Такі БДУ можна застосовувати на невеликих фермерських господарствах і тваринницьких комплексах малої продуктивності — Біореактори великих обсягів виготовляють значного діаметру і порівняно невеликої висоти. Це пов’язано з тим, що основні втрати тепла проходять через циліндричні стінки біореактора. Питомі втрати тепла через підстави будуть значно менше з наступних причин:
^ нижня частина знаходиться на поверхні землі, яка є, додатковою перешкодою до поширення тепла в навколишнє середовище;
> внутрішня частина верхнього підстави не стикається з рідким субстратом, тому що реактор завантажується не на всю висоту. Тому коефіцієнт тепловіддачі усередині біореактора буде значно менше, а загальний термічний опір зросте.
Коефіцієнт теплопередачі k на примиканні труби до стінки реактора буде залежати від притискної сили і контактної пари мамо
![]() |
![]() |
теріалів і буде визначатися для теплового потоку спрямованого на нагрів субстрату за такою залежністю.
де атт1 — коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія внутрішньої поверхні змійовика труб, залежить від режиму руху рідини.
Для теплоносія — гарячої води:
«та = 4000 Вт/(м2-°С);
6ст. 6,,ол і 5р — товщина стінки труби теплообмінника, товщина ізоляції на розглянутому напрямів і товщина стінки реактора, відповідно, м;
‘кет, hxn і кр — відповідно, коефіцієнт теплопередачі матеріалу труб, коефіцієнт теплопередачі обраною матеріалу ізоляції і коефіцієнт теплопередачі матеріалу стінки реактора. Вт/(м-°С);
аСув — коефіцієнт тепловіддачі від внутрішньої поверхні стінки реактора субстрату. Залежить від вологості рідини, однорідності середовища, рухливості (швидкості перемішування), для вологості 92 % при ламінарному русі рідини (швидкості перемішування до 2 м/с); Осуб = 240 Вт/(м2 оС) [15].
У зв’язку з тим, що величини а™, Хет, ^ст> Хізол, ^Р. «суб не змінюються по напрямку, то залежність (5.3) можна записати у вигляді
k(a) = k(61Mn, S,.).
Величини 5Р і б, зол змінюються по напрямку’ по залежності
6Р(«) =
(5.8)
де а — кут напрямку поширення теплового потоку; d„ — зовнішній діаметр труб системи обігріву, м.
При заміні постійних коефіцієнтів величиною С
(5.9)
рівняння коефіцієнта теплопередачі буде виглядати наступним чином:
d„ dH • (5.10)
8р + 2 cos а 2_ + с
7Р cosa
Для металополімерних труб величина С буде дорівнюватиме:
С = —*-+^+—!— = 0,0094.
атн ^СТ «СУБ
![]() |
Досліджуючи рівняння (5.10), можна побудувати графік залежності коефіцієнта теплопередачі від кута а. На рис. 5.7 представлені графіки зміни коефіцієнта теплопередачі залежно від ку га a для металопластикових труб і сталевого реактора.
Підставляючи значення діаметра можна одержати залежності для різних діаметрів труб, наприклад, для dH 14 мм:
9,31cosa
2.177-cosa
З графіків видно, шо при значенні кута а більше 75° значення коефіцієнта теплопередачі дуже близько до нуля, незалежно від діаметрів труб.
Величина кута анакс, що визначає межі зони теплового потоку, спрямованого на нагрів субстрату, залежить від кроку труб і може бути представлена наступним рівнянням:
a„«e(S) = arctg^-> (5 12)
де S — крок труб системи обігріву, м.
![]() |
![]() |
До вирішення певного інтеграла (5.12) та побудові залежностей коефіцієнта теплопередачі від кроку труб (рис. 5.7) зводиться визначення розрахункового (середнього) коефіцієнта теплопередачі, на ділянці, що дорівнює кроку труб для таких теплообмінників:
При кроці труб від 16 до 21 см середній коефіцієнт теплопередачі таких систем дорівнюватиме:
(5.14)
З графіка можна встановити, що для меншого діаметра труб коефіцієнт теплопередачі вище на певній ділянці, однак при збільшенні кроку діаметр труб грає істотну роль і середній коефіцієнт теплопередачі у більшого діаметра труби буде вище. Істотно на величину теплового потоку впливає різниця температур теплоносія та субстрату. Різниця температур знижується у зв’язку з обмеженням температури на поверхні стінки теплообміну при застосуванні теплообмінника з більш високим коефіцієнтом теплопередачі.
Необхідна величина коефіцієнта теплопередачі і відповідно параметри теплообмінника визначаються після знаходження необхідної потужності системи обігріву, яка визначається з розрахунку допустимих витрат тепла на власні потреби.