Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Потік енергії, що витрачаються на підтримку температури зброджування в БЕУ, обумовлений втратами тепла через стінку біореактора. Тому важливо розглянути теплові потоки, що проходять через накопичувальні біореактор (рис. 7.2):

Qe Qudi

— fr

Рис. 7.2.Схема теплових потоків біоенергетичної установки в накопичувальному режимі роботи: 0ГН — кількість теплоти, укладеної в гної, що піддається анаеробного зброджування; QHAB — кількість теплоти, що йде на підтримку температури зброджування в 6iopeaKTopi;QllABK втрати тепла в навколишнє середовище через стінки біореактора, Qum — кількість теплоти, що виходить з біореактора зі шламом, QG — кількість теплоти, що виходить з біогазом.

Вхідна частина теплового балансу складається з кількості теплоти, ув’язненої у вихідному гної (Qhab) І кількості теплоти, що йде на підтримку температури зброджування в біореакторі (Qhatp) — втрати тепла йтимуть через стінки біореактора (Qhabk) з вивантажуваним шламом (Qum) і з біогазом, що відводиться (QQ. Таким чином, рівняння теплового балансу запишеться у вигляді:

Qhab + Qhatp ~ Qhabk + Qs+Qum (7.24)

Кількість теплот и Qph укладена у вихідному гної, залежить від температури навколишнього середовища, обсягу зброджуваного гною, виду тваринного і їх віку, часу зберігання гною до обробки та ін. Виходячи з цього, для QrH можна визначити за такою формулою [65, 74, 75];

Qhab + Quuт ~ Qhabk +Qb+ Qum (7.25)

де GrH — маса завантаження гною, кг; Сгн — питома теплоємність гною, Дж/кг К; trH — температура гною, К, t0KP — температура навколишнього середовища, К.

Кількість тепла Qra що йде на нагрів зброджуваного гною і підтримання температури зброджування в біореакторі:

Йыв = гн ^НАВ — 6/>v ) (7-26)

де GrH — маса зброджуваного гною, кг; Сщ — питома теплоємність гною, Дж /кг К; tHAB — температура нагріву гною в предсбражівателе, К;Їсбр — температура зброджування в біореакторі, К.

Теплові втрати біореактора крім ступеня теплоізоляції і площа поверхні, яка віддає тепло, більшою мірою залежать від температури, потрібної для нормального перебігу процесу. Загальна кінетична залежність для процесів тепловіддачі, що виражає зв’язок між тепловим потоком Qhabk і поверхнею теплообміну F, являє собою основне рівняння теплопередачі [5, 37, 48, 53]

QlLW = kFAtCiJT (7.27)

де k — коефіцієнт теплопередачі, що визначає середню швидкість передачі тепла вздовж всієї поверхні теплообміну, Вт / (м2К); F — площа поверхні біореактора, яка віддає тепло, м2; Atcp — середня різниця температур між зброджуваний субстратом і стінкою біореактора, К;т — час роботи біоенергетичної установки.

У рівнянні (7.27) важко обумовленим є коефіцієнт теплопередачі к. Це пов’язано з тим, що на його значення надають вплив велика кількість факторівЛри вирішенні даної задачі можна скористатися методом ітерації, який полягає у визначенні навантажувальної характеристики апарату.

У наших дослідженнях приймемо біореактор як вертикальний циліндричний посудину, що складається з трьох різнорідних шарів — на основному сталевому (залізному) шарі з одного боку накладено внутрішнє покриття, з іншої — зовнішній теплоізоляційний шар (рис. 7.3):

Рис. 7.3 — Схема передачі теплоти через тришарову циліндричну стінку: t3EP — температура зброджуваного субстрату, К; Їнавк — температура навколишнього середовища, К; «і — коефіцієнт

тепловіддачі з боку збродженного середовища, Дж / (м2К); а2 — коефіцієнт тепловіддачі з боку навколишнього середовища, Дж / (м2К);Х|, Х2, h — коефіцієнти теплопровідності стінок біореактора, Вт/(мК).

Розглянемо передачу теплоти через тришарову циліндричну’ стінку [75, 113,114, 115].

Відомі температура зброджування t,6p і температура навколишнього середовища tHaBK. Y Місцях зіткнення шарів температури t„i, tCT2> ten і tCT4 невідомі.

Переймаючись поруч значень tm, обчислюємо:

<?і = а Ол, р ~ ten) (7.28)

де qi — питома теплова навантаження з боку сбраживаемой середовища, Дж / м;

О] — коефіцієнт тепловіддачі, Дж / (м К);

ізБР-тсмпература зброджування, К;

tCTl — температура стінки з боку середовища зброджування, К.

За величиною термічного опору стінки розрізняють температуру стінки з іншого її боку за формулою:

‘in = Xn-Q-f — (7.29)

Аст

де tCT2 — температура стінки в місці зіткнення різнорідних циліндричних шарів, К;

бет — товщина стінки реактора, м;

Act — коефіцієнт теплопровідності стінки реактора. Вт/(м К)

Після чого визначаємо’.

Чг~аг^стг~ІНАж) (7.30)

де q2 — питома теплова навантаження з боку навколишнього середовища, Дж/м2;

а2 — коефіцієнт тепловіддачі, Дж / (м-К);

Їнавк — температура навколишнього середовища, К.

Визначивши значення qj і q2 в залежності від прийнятих ten. знаходиться навантажувальна характеристика. При досягненні рівності qi ~ q2 з достатньою точністю визначається розрахункова величина питомої теплового навантаження q.

Коефіцієнт тепловіддачі складе:

де At-середня різниця температур між зброджуваний субстратом і стінкою біореактора, К.

Визначаємо температури tCT1 і tcr4, а також температури в МІСЦЯХ зіткнення різнорідних циліндричних шарів ten І ЙЛЗ — При сталому тепловому стані системи кількість теплоти, віддана гарячіше і сприйняте холодним середовищем, одне і те ж. Отже, рівняння для лінійної щільності теплового потоку q, можна записати:

(7.32)

ql—a2ndA(tCT4 ІнавкУ

Визначаємо приватні температурні напори:

, -/ =-й_

‘ .№ ‘(ТІ,

а^л-й,

о. 1 . rf,

^СТІ -*гг2 = —

я 2/, й,

, -/ =5l-L Ini

*СГ2 #ГУ з m J

п 2/^ а2

t — t =&JL

*СТ4 lHABh,

/г а2аА

де ten — температура стінки біореактора з боку середовища зброджування, К;

ten. tcn-температури в місцях зіткнення різнорідних циліндричних шарів стінки біореактора, К;

tcT4 — температура стінки біореактора з боку навколишнього середовища, К.

Складаючи, ліві і праві частини рівнянь (7.33) отримуємо повний температурний напір:

Коефіцієнт тепловіддачі сц характеризує інтенсивність переносу тепла між поверхнею тіла. Вона є складною функцією

багатьох змінних і залежить від наступних чинників: швидкості зброджуваного субстрату соСУБ; температури нагріву стінки біореактора tCT; температури зброджування t3EP; фізичних властивостей зброджуваного субстрату — коефіцієнта теплопровідності Лсуе, ПИТОМОЇ теплоємності субстрату Ссуб, щільності Рсуб, коефіцієнта в’язкості рсуб; форми Ф і геометричних розмірів 11, J2 … біореактора та ін [116,117, 118]:

<Х — ї{в>суе^ст£сбі’іА(-уЄ, СсуБ, р1уЄ, ііСуЄ, а,Ф, Іі,12…) (7.40)

де а — коефіцієнт температуропровідності, що характеризує швидкість зміни температури в збражуваної субстраті, м2 / с.

Внаслідок складної залежності коефіцієнта тепловіддачі від великого числа факторів неможливо отримати розрахункове рівняння для О], придатне для всіх випадків тепловіддачі. Лише шляхом узагальнення дослідних даних за допомогою теорії подібності можна отримати узагальнені рівняння для типових випадків тепловіддачі, що дозволяють розраховувати аі для умов конкретного завдання.

Величина Ц], обумовлена в задачах по конвективному теплообміну, входить в критерій Нуссельта, який характеризує подібність процесів теплопереносу на кордоні між стінкою і потоком рідини.

Nu є мірою співвідношення товщини граничного шару 5 і визначального геометричного розміру:

Лгув

де Хсуб — коефіцієнт теплопровідності эбродж) ваного субстрату, Вт/(м-К);

1 — характерний геометричний розмір, м.

Для нестаціонарних процесів рівняння подібності для тепловіддачі при спільному вільно-вимушеному русі прийме вигляд:

Nu = f(F0, Re, Gr, Pr) (7.42)

де Fo-число Фур’є;

Re — критерій Рейнольдса;

Gr — критерій Грасгофа;

Pr — критерій Прандтля.

У замкнутому просторі біореактора нагрівання і охолоджування субстрату протікають поруч один від одного і не можна їх розділити. Тому весь процес слід розглядати як одне ціле. Умови руху в біореакторі залежать від форми і геометричних розмірів, від роду субстрату і температурного напору.

Для полегшення розрахунку і спрощення обробки даних складний процес конвективного теплообміну прийнято розглядати як елементарний процес передачі шляхом теплопровідності, вводячи при цьому еквівалентний коефіцієнт теплопровідності [116, 117]:

&ctQ

At

Якщо зміна ХЕКВ розділите на коефіцієнт теплопровідності середовища, то отримаємо безрозмірну величину єк, що характеризує вплив конвекції і звану коефіцієнтом конвекції:

(7.44)

Так як циркуляція субстрату обумовлена різницею густин нагрітих і холодних частинок і визначається твором Gr-Pr, то г. к повинно бути функцією того ж аргументу, тобто:

єк =f(Gr-Pr) (7.45)

На величину сц впливають також енергії бульбашок газу.

Середній рівень тепловіддачі в бульбашковій режимі руху багатокомпонентних рідин у великому обсязі можна оцінити як [18, 124]:

&

(7.46)

voscrcyt^s J

Р — Р

де р1 і р11 — щільності субстрату і газу;

Хсуб, Усуб, Ос у б — властивості субстрату: коефіцієнт

теплопровідності, кінематична в’язкість, поверхневий натяг; Ts — температура насичення.

При визначенні а 2 біореактор слід розглядати:

— як циліндр, обтічний потоком повітря — з одного боку і з іншого боку — верх і днище біореактора як горизонтальні поверхні, також обтічні повітрям;

— як циліндр, обтічний потоком повітря — з одного боку і з іншого боку — верх і днище біореактора сферичні поверхні, також обтічні повітрям; БЕУ розташоване в приміщенні.

Своєрідність обтікання тіл істотно позначається і на їх тепловіддачі. Інтенсивність тепловіддачі по периметру поперечно обтічного біореактора різко змінюється в міру наростання прикордонного шару від максимуму в лобовій точці (ф = 0) до мінімального значення в області ф = 80 ..100 °, а потім у кормовій частині знову зростає за рахунок інтенсивного вихрового руху повітря. За інших рівних умовах тепловіддача максимальна, коли напрям набігаючого потоку перпендикулярно осі біореактора. Зі зменшенням кута атаки зменшується коефіцієнт тепловіддачі [113]:

Ш = 0,5 Re’" ’ Prt, Jf 1	>r Y125 cj	5 < Re < 103
№/ = 0,025 Re0‘,Pr<M’|	, ,0.25 Ik)	103 <Re < 2 105
№/ = 0.023 Re0,8 Pr0’’7	r .2S Ik)	3 • 105<Re<2 • 10(

Верх і днище приймемо за пластини, обтічні повітрям, коли Рг = 0,71 і розрахункова формула для середньої тепловіддачі прийме

вигляд:

Верх і днище реактора — сферичні поверхні. У цьому випадку їх можна прийняти за обтічні кулі:

Nu = 2 + 0,03 Re”’’4 ■ Рг°-Зї + 0,3 5 Re0’58 Рг036

Re<3-105

0,6<Рг<8103

Згідно ОНТІІ 1 — 77 [17] швидкість руху повітря в тваринницької приміщеннях приймається WonT = 0,5 .. .1,0 М / с.

Виходячи з цього, середню допустиму швидкість руху повітря у тваринницькому приміщенні приймемо wB03fl = 0,5 м / с.

При визначенні поверхні теплообміну F, виходимо з умови її мінімізації, яка досягається в тому випадку, коли діаметр циліндра d буде дорівнює його висоті h. У зв’язку з тим, що теплові втрати
через бічні стінки циліндра, а також через верх і днище різні, визначаємо їх площини окремо.

Площа розгортки бічних стінок: F=2n r d, т. к d = h (7.47)

nd1

Площі верху і дна циліндра — кола: (7.48)

4

Площі верху і дна циліндра — сегменти: є2 — — а — h (7.49) де d = АВ; h = МС (рис. 7.4):

У всіх випадках поверхню теплообміну виражена через діаметр, котрий залежить від об’єму реактора:

К

d = 2л— V 2л

де Vp — обсяг реактора біоенергетичної установки, м3.

Щільність зброджуваного субстрату перш за все залежить від вмісту в ньому сухої речовини [85]:

р = 1000 + 2,4(100-В)

де В — вологість зброджуваного су бстрату,%.

Отже, кількість тепла, шо витрачається на підтримку температури зброджування в метантенку, обумовлена втратами тепла через стінку і конструкцію БЕУ, що захищає, т. е.:

Qhabk = f( г, Л, twp, tHABK, Л г > $т ’wnoB>F) (7-52)

де т — час, протягом якого буде працювати БЕУ;

k — коефіцієнт теплопередачі, що визначає середню швидкість пе -• редачи тепла вздовж всієї поверхні теплообміну, Вт / (м2 К); tc6p — температура зброджування, К;

toKp-температура навколишнього середовища, К;

Аст — коефіцієнт теплопровідності стінки біореактора, Вт / (м-К);

8СТ — товщина стінки біореактора, м;

wri0B — швидкість повітряних потоків, що омивають біореактор, м/с;

F — поверхня теплообміну біореактора, м2.

Деяка частина кількості теплоти Qqui вийде з реактора із збродженим субстратом

Qmn ~ Gшлсшл {hsp ~~і швк) (7.53)

де Сщл — маса вивантажується збродженого субстрату (шламу), кг;

Сщл — питома теплоємність шламу, Дж / кгК.

Частина кількості теплоти Q6, що виходить з біореактора з виділеним біогазом можна визначити з наступного рівняння:

Qe &бсб {?зьр 1 навк ) (7-54)

де G„ — обсяг отримуваного біогазу, м3;

СБ — теплота згоряння 1 м3 біогазу.

Отримуємо теплотехнічну модель процесу анаеробного зброджування в накопичувальній біоенергетичної установці в наступному вигляді:

Qlll + QhATP = QhaBK + Qb + Qllrl Qm = <~’гнсгн і? гн навк)

Qhatp ~ GГНСГН if НАТР ^ ЗБР)

QhaBK = f(r Д, tJEp, tmRK — X(1,8CT, wliOB’ ^ ) Qb = (‘bCl (Чв> — l HABK )

Qim = Gшлсш. ч {hbp ~ t навк )

Qhait = Qm ~ Qhabk ~ Qun ~ Qb

Теплотехнічна модель дозволяє визначати кількість теплоти онагр, необхідну для підігріву вихідного гною в предсбражівателі і підтримання постійної температури зброджування в біореакторі.

Комментарии запрещены.