авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Совершенствование технологии и технических средств утилизации навоза крупного рогатого скота

На правах рукописи

Биркин Сергей Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектур но-строительный университет»

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Мариненко Елена Егоровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук Скворцов Александр Константинович кандидат технических наук Попов Геннадий Георгиевич Ведущая организация ФГОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет»

Защита состоится 9 июня 2009 г. в 1015 часов на заседании диссертаци онного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, Универси тетский пр., 26, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Волго градской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат размещен на сайте http://www.vgsha.ru и разослан «27» апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ряднов А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве животноводческие предприятия постоянно сталкиваются с проблемой утилизации и переработки жидкого навоза крупного рогатого скота с учетом соблюдения требований охраны природной среды от загрязнения.

В связи с постоянным ростом цен на энергоносители наиболее перспективным способом обработки и обеззараживания навозной массы является ее переработка в биогазовых установках анаэробной ферментацией.

Применение биогазовых установок (БГУ) позволяет не только перерабатывать бесподстилочный навоз крупного рогатого скота (КРС), но также получать высококачественное минерализованное органическое удобрение и органическое топливо – биогаз.

Для нормального протекания процесса анаэробного метанового сбраживания навоза необходимо: поддержание постоянной, на установленном уровне, температуры в биореакторе;

постоянная подача подготовленного навоза определенной влажности в биореактор;

предварительный подогрев навозной массы в приемном резервуаре до необходимой температуры;

стабилизация температуры сбраживаемого материала в реакторе при его перемешивании с одновременной подачей «свежего» субстрата (навоза).

Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что при всех положительных эффектах биогазовые установки в нашей стране практически не используются, а их применение в качестве источников теплоснабжения и систем утилизации навоза на животноводческих комплексах даже не рассматривается. Это объясняется недостаточной изученностью теплоэнергетической эффективности установок в климатических условиях РФ Работа выполнялась в рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной це левой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» и в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Вол гоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель исследования – совершенствование технологии и технических средств утилизации навоза КРС путем увеличения выхода товарного биогаза и снижения его использования на собственные нужды биогазовой установки.

Объект исследования – технологический процесс энергосберегающей технологии переработки бесподстилочного навоза КРС, основным элементом которого выступает биогазовая установка.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и теории планирования эксперимента.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- усовершенствована схема теплоснабжения БГУ и система обогрева био реактора за счет возможности повышения температуры теплоносителя;

- получены теоретические зависимости для определения среднего коэф фициента теплопередачи системы обогрева биореактора трубчатым металлопо лимерным теплообменником, располагаемым в стенке биореактора;

- получены теоретические и экспериментальные зависимости рациональ ных параметров системы обогрева биореактора: диаметра, шага и длины труб;

- обоснован подбор толщины изоляции биореактора в зависимости от климатических условий эксплуатации биогазовых установок и размеров живот новодческих ферм и комплексов.

Практическая ценность:

- даны рекомендации по расчету систем теплоснабжения БГУ, направлен ные на увеличение выхода товарного биогаза и повышение эффективности БГУ;

- разработана методика подбора параметров систем обогрева биореакто ров из металлополимерных труб при прокладке по наружной поверхности стен ки биореактора, обеспечивающая заданный режим сбраживания;

- разработан типовой модуль системы теплоснабжения БГУ для фермер ского хозяйства на 10 дойных коров;

- предложена схема утилизации тепла сброженного осадка без применения перемешивающих устройств, позволяющая повысить выход товарного биогаза.

Реализация результатов исследований:

- материалы диссертационной работы использованы при разработке проекта системы утилизации жидкого навоза на откормочной ферме размером 100 условных голов по типовым проектным материалам 801-01-103.33.90 для III климатического района.





- в крестьянском фермерском хозяйстве в с.Степное Степновского района Ставропольского края реализована БГУ с системой обогрева биореактора из ме таллополимерных труб, предназначенная для утилизации навоза от 10 дойных коров;

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на II Междуна родной научно-технической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Волгоград 2003;

VII, VIII, IX Региональных конференци ях молодых исследователей Волгоградской области по направлению «Эколо гия, охрана среды, строительство», Волгоград 2002-2004;

научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВолгГАСА, Волго град, 2003;

конференциях молодых ученых и специалистов (2005…2007 г.г.) Волгоградской ГСХА и на теоретическом семинаре факультета механизации сельского хозяйства Волгоградской ГСХА (2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре в изданиях рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публи каций 3 п. л., из них на долю автора приходится 2 п. л.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- принципиальные схемы обогрева БГУ животноводческих ферм и комплексов для различных климатических районов территории РФ;

- теоретические зависимости, характеризующие процессы теплообмена в системах обогрева биореакторов при различном расположении труб теплооб менника;

- экспериментальные и аналитические зависимости рациональных пара метров теплообменников системы обогрева биореактора;

- рекомендации по расчету систем обогрева биореакторов и теплоснабже ния животноводческого комплекса на основе БГУ;

- предлагаемый модуль системы теплоснабжения БГУ для фермерских хозяйств с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка су точной производительностью 1 тонна бесподстилочного навоза.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и при ложений. Материал изложен на 151 странице машинописного текста, содержит 20 таблиц и 30 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 150 наименования, из них 28 – на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и изложе ны основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Аналитический обзор и выбор направления исследо ваний» дан анализ применения БГУ для утилизации безподстилочного навоза на животноводческих комплексах, приведены теплоэнергетические показатели работы установки в климатических условиях РФ, оценены различные схемы и системы обогрева БГУ.

Постановка продуктов животноводства на промышленную основу приво дит к росту энергопотребления на животноводческих комплексах. Нехватка энергоресурсов и постоянный рост цен на энергоносители приводит к ускорен ному поиску новых альтернативных источников энергии, которые включают в себя солнечную, ветряную, приливную, геотермальную, а также энергию, полу чаемую из биомассы. В настоящий момент на их долю приходится около 1,3 % общего энергопотребления. Согласно прогнозам экспертов при высоком уровне инвестиций в развитие НИЭ они могли бы обеспечить до 39 % потребностей в энергоресурсах. На долю энергии получаемой из биомассы может приходиться до 4 % общемирового производства энергии.



Одним из способов преобразования энергии из биомассы является ана эробная переработка отходов в биогазовых установках. Применение биогазо вых установок (БГУ) позволяет не только перерабатывать бесподстилочный на воз крупного рогатого скота, но также получать высококачественное минерали зованное органическое удобрение и органическое топливо – биогаз.

Среди несомненных достоинств данного способа преобразования энергии является его экологичность и возобновляемость, простота конструкции, а также низкие эксплуатационные затраты. Среди отрицательных - нестабильность во времени и низкая плотность потока энергии.

Анаэробная переработка требует затрат энергии для поддержания процес са, поэтому часть вырабатываемой энергии требуется направлять на собствен ные нужды установок. Величина этих затрат в значительной мере зависит от климатических условий, размеров установки, выбора схемы теплоснабжения. В зимнее время величина затрат на собственные нужды значительно возрастает.

Доля затрат на собственные нужды установки составляет до 57 % (для не больших установок) от общей производительности и зависит главным образом от климатических условий и размеров биореактора. Основные затраты тепло вой энергии для работы БГУ связаны с теплопотерями биореактора, подогревом свежего субстрата, теплопотерь связанных с выходом биогаза и испарением влаги (рис. 1). При этом соотношение статей расхода зависит от производитель ности БГУ и размеров биореактора. При увеличении объема реактора снижает ся доля теплопотерь в окружающую среду через стенки и уменьшаются затраты на собственные нужды. Как видно из графиков основные затраты связаны с подогревом свежего субстрата, поэтому основным способом снижения затрат является использование утилизации тепла сброженного субстрата. Использова ние утилизации тепла позволяет сэкономить до 40 % затрат на подогрев свеже го субстрата и повысить выход товарной энергии. Средние затраты на соб ственные нужды за год составляют 25,6 %, а при условии применения утилиза ции тепла 17,4 %.

3 4 2,2% 3,6% 1,4% 2 2,3% 14,1% 7,7% 86,5% 82,2% а) б) Рисунок 1 – Распределение затрат на собственные нужды установки в январе месяце (для условий г. Волгограда) при объеме биореактора: а) 60 м3;

б)1500 м Распределение затрат тепла на собственные нужды установок в течение года неравномерно и зависит от климатических условий. Для БГУ с объемом биореактора более 60 м3 при условии полного сбраживания эти затраты состав ляют от 18 до 32 % общего выхода биогаза. При уменьшении объема биореак тора затраты на собственные нужды установки значительно возрастают, и со ставляют около 57 %.

а) б) 31% 43% 57% 69% Рисунок 2 – Изменение выхода товарной энергии (1) и затрат на собственные нужды (2) при расчетной температуре, в зависимости от размеров реакторов (для условий г. Волгограда):

а) биореактор 60 м3;

б) 14 м Использование биогазовых установок наиболее выгодно на крупных комплексах. При этом доля товарного биогаза в энергетическом балансе комплекса составляет до 75 %. Основными факторами, оказывающими влияние на эффективность получения и использования биогаза, являются: исходный субстрат (состав, влажность, гомогенезация);

местность (климатические усло вия, рельеф, наличие транспорта и необходимого оборудования);

технологиче ские данные (конструкция реактора, параметры процесса);

производство биога за (количество, физические и тепловые характеристики, доля использования на собственные нужды);

стоимость производства и др.

Поддержание заданного режима работы БГУ возможно при устройстве систем обогрева. Для реакторов с перемешивающими устройствами примени мы теплообменные нагревательные агрегаты, через которые прокачивается го рячая вода (t60оС) и которые можно извлекать из реактора для очистки. Более высокая температура повышает риск налипания взвешенных твердых частиц на поверхность теплообменника, кроме того, при температуре более 60 oС метано образующие бактерии гибнут. Подогрев субстрата паром ведет к повышению содержания влаги в газе, что недопустимо по технологическим условиям.

При неправильном подборе системы теплоснабжения БГУ (рис. 3), изоля ции и технологии снижается энергоэффективность установки, а при самых не благоприятных условиях ее остановка (размораживание) и выход из строя. По вторный запуск потребует значительных энергетических и экономических за трат. Изучению вопросов теплоснабжения БГУ посвящены работы многих ав торов, однако в этих работах особое внимание было уделено исследованию свойств самого субстрата и влияние этих свойств на процессы теплообмена. Ис следование вопросов повышения тепловой эффективности в аспекте снижения затрат на собственные нужды установки определяет научную новизну работы.

Для снижения затрат на собственные нужды БГУ используется тепловая изоляция биореакторов. Величина тепловых потерь биореактора составляет (для реакторов размером 60 м3) от 7 до 15 % общих затрат. Для небольших установок с объемом реактора ~ 10 м3 эта величина достигает до 52 % общих затрат.

T T Вода t=5-10 °C T5 техническая B T B 5 t=35, 55 °C 11 t=5-10 °C 6 5 t=35, 55 °C t=35, 55 °C t=5-10 °C t=17, 29 °C t=10 °C 1 – место образования отходов;

2 - приемный резервуар;

3 - система обогрева приемного ре зервуара;

4 - теплообменник (теплоутилизатор);

5 – биореактор;

6 - система обогрева биоре актора;

7 – влагоотделитель;

8 - хранилище переработанного субстрата;

9 - очистные соору жения оборотной воды;

10 – котельная Рисунок 3 – Принципиальная схема теплоснабжения БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата Повышение теплоэнергетической эффективности биогазовых установок необходимо рассматривать в контексте решения следующих задач:

1. Изучить различные схемы обогрева биогазовых установок и биореакто ров, способы повышения эффективности и перспективы их применения в кли матических условиях РФ.

2. Обосновать выбор схемы теплоснабжения БГУ в зависимости от клима тических условий, размеров и типов животноводческих ферм и комплексов.

3. Разработать математическую модель обоснования толщины изоляции биореакторов в форме правильных цилиндров с учетом величины допустимых потерь тепла;

4. Определить допустимую температуру теплоносителя с учетом требуемо го термического сопротивления, позволяющего подобрать материал труб теп лообменника и конструкцию его стенки для повышения теплоэнергетических показателей биогазовых установок.

5. Исследовать аналитическую зависимость определения коэффициента теплопередачи теплового потока нагрева субстрата трубами по наружной по верхности биореактора и определить средний коэффициент теплопередачи при различных схемах теплообменников.

6. Разработать методики расчета систем теплоснабжения биогазовой уста новки и параметров системы обогрева биореактора;

7. Выполнить производственную проверку и дать оценку экономической эффективности применения предлагаемой технологии переработки бесподсти лочного навоза КРС в биогазовых установках.

Во втором разделе "Определение рациональных режимов и парамет ров функционирования биогазовых установок" приводятся материалы по обоснованию системы наружного обогрева биореакторов, способам минимиза ции тепловых потерь и затрат на собственные нужды, упрощению конструкции системы обогрева.

Анализ теоретических исследований расходов тепла на собственные ну жды установки показал, что при влажности субстрата 88-93 % наблюдается не значительное увеличение, а при более высокой влажности происходит замет ный рост расходов тепла. При достижении влажности 97-98 % выход товарного биогаза практически будет равен нулю.

Особенность технологии накладывает ряд ограничений на системы тепло снабжения:

- температура поверхности нагрева должна быть не более 60 С;

- при расположении внутри реактора следует обеспечивать герметичность узлов прохода труб;

- субстрат обладает сильной агрессивностью и коррозионной опасностью;

- нежелательно повышать влажность субстрата, так как значительно воз растают объемы биореактора;

- при внутреннем расположении теплообменника возникает дополнитель ная возможность для налипания частиц.

Основная идея работы состоит в изучении схемы наружного обогрева биореакторов, разработка методических основ по расчету систем теплоснабже ния на основе БГУ с наружным обогревом биореакторов. Такой способ широко известен в теплотехнике и применяется в конструкциях "теплого пола", панель ного отопления и др. Эти системы применяются длительное время и достаточно хорошо изучены. Однако в связи со спецификой конструкции установки в су ществующие уравнения следует внести ряд изменений отражающих ее особен ности.

Y X S / S макс i ст. тр.

ст. реак.

dн Рисунок 4 – Геометрическая схема распределения тепловых потоков змеевика системы обо грева, расположенного снаружи реактора Для исследования системы обогрева биореактора был выбран теплооб менник с использованием труб по наружной поверхности стального цилиндра.

Данный способ позволяет значительно повысить температуру теплоносителя, производить ремонт системы без остановки биореактора, исключить герметиза цию узлов прохода, являющихся, звеном снижающим надежность системы, уменьшить налипание частиц в связи с отсутствием дополнительных поверхно стей, значительно упростить конструкцию и монтаж системы обогрева. Однако имеется и ряд недостатков: для сохранения доли затрат на прежнем уровне уве личивается толщина изоляции в месте прокладки труб, увеличивается длина труб в связи с уменьшением коэффициента теплопередачи. Геометрическая схема данной системы обогрева представлена на рисунке (рис. 4).

В области угла тепло передается субстрату. В области угла тепловой поток q1 препятствует распространению тепла q2 от субстрата в окружающую среду и оказывает дополнительное влияние на потоки тепла в окружающую среду и на нагрев субстрата. В области угла тепловой поток направлен в окру жающую среду. Коэффициент теплопередачи при этом изменяется от макси мальной величины при угле i = 0, до минимальной – при угле i = макс.

Поверхность реактора покрывается слоем изоляции. В идеальном случае труба плотно прижата к поверхности стенки реактора, а свободное пространство заполнено изоляцией. Коэффициент теплопередачи на примыкании трубы к стенке реактора будет зависеть от прижимной силы и контактной пары (матери алов). Уравнение коэффициента теплопередачи в зависимости от направления характеризуется уравнением k= dн d н (1).

p + 2 cos 2 + С р cos изол Определение расчетного (среднего) коэффициента теплопередачи, на участке, равном шагу труб, для таких теплообменников сводится к решению определенного интеграла + S / k ( d н, S ) dS. (2) k сред = S / S Изменение коэффициента теплопередачи системы обогрева в зависимости от угла для змеевика из металлопластиковых труб 14 и 32 мм представлено на рис. 5.

Расчеты показали, что если доля теплопотерь через стенки реактора со ставляет до 14 % общих затрат тепла на собственные нужды при расчетной ми нимальной температуре окружающей среды, то БГУ может работать только за счет тепла, получаемого от биогаза.

При этом толщина изоляции биореактора, стремящегося к форме пра вильного цилиндра, определяется по выражению 1 изол = изол 0,2 R 0,12. (3) р k, k, Вт/(м2 °С) Вт/(м2 °С) 104, 82, -90 -60 -30 0 30 60 -90 -60 -30 0 30 60 X, ( ) X, ( ) град.

град.

а) б) Рисунок 5 – Изменение коэффициента теплопередачи и теплового потока в зависимости от направления угла i для металлополимерной трубы: а) диаметром 14 мм;

б) 32 мм T, °C Сброженный осадок Конструкции теплоутилизатора 17, Свежий 5 субстрат 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 58.8, мин.

Рисунок 6 – График изменения температуры сброженного осадка и свежего субстрата в теплоутилизаторе (с учетом потерь в окружающую среду) При различном расположении теплообменников автором рекомендуется учитывать факторы, ускоряющие теплообмен. Для этого вводится поправочный коэффициент, который определяется следующим образом = а+с, (4) При этом толщина изоляции биореактора должна быть скорректирована 1 изол = изол 0,2 R 0,12. (5) р Одним из путей энергосбережения и повышения КПД биогазовой установ ки является применение теплоутилизаторов. Экономия затрат тепла на подогрев субстрата при этом может достигать 45 %. График изменения температуры суб страта при утилизации тепла сброженного осадка представлен на рис. 6.

В третьем разделе "Постановка и анализ результатов эксперимен тальных исследований процесса обогрева биореактора". При проведении ис следований предусматривалось не только определение степени влияния отдель ных параметров на протекание теплового режима, но и нахождение рациональ ных значений для различных геометрических соотношений системы. В качестве критериев оптимизации приняты скорость нагрева субстрата, °С/час, и коли чество затрачиваемой энергии для поддержания заданной температуры Q, кВт.

Для исследования влияния параметров системы наружного обогрева, раз работана экспериментальная установка, которая представляет собой физиче скую модель биореактора (рис. 7).

Т2 1 1 Ткон Т Тсуб 2 Т Тнач Т 7 Т1 – подающий трубопровод, Т2 – обратный трубопровод, 1 – шаровый кран;

2 – вентиль, 3 – циркуляционный насос, 4 – расходомер, 5 – расширитель, 6 – цилиндр (биореактор), 7 – теп ловая изоляция, 8 – змеевик из металлопластиковых (медных) труб, 9 – водонагреватель, 10 – термометр биметаллический. Тнач, Ткон – места измерения температуры пирометром OPTRIS MiniSight;

Тсуб - измерение температуры субстрата прибором ТЕМП-3.2.

Рисунок 7 – Схема экспериментальной установки.

В качестве функции отклика приняты скорость нагрева субстрата, °С/час, и количество затрачиваемой энергии для поддержания заданной темпе ратуры Q, кВт. Определяющими факторами являлись: материал труб теплооб менника (металлопластиковые, медные);

влажность загружаемого субстрата, нач W;

начальная температура субстрата, tсуб ;

скорость движения греющего тепло носителя, ТН;

мощность нагревательной установки, Nнагр;

диаметр (наружный) труб теплообменника, dн;

шаг труб теплообменника, S;

толщина изоляции био реактора, изол;

коэффициент теплопроводности изоляции, изол.;

температура окружающего воздуха, tнар;

количество витков теплообменника, n;

относитель ная высота загрузки реактора, Hсуб/Hреакт.

Экспериментальные исследования планировались по факторному принципу.

На начальном этапе исследований с помощью однофакторного экспери мента определялось влияние материала труб теплообменника на интенсивность нагрева. Определено, что интенсивность нагрева для медных труб выше при мерно в 2 раза, стоимость же их выше в 3-5 раз. Исходя из экономической целе сообразности дальнейшие исследования проводились с использованием метал лопластиковых труб.

При исследовании совместного влияния диаметра труб, температуры и скорости теплоносителя на процесс теплообмена получено уравнение регрес сии, после преобразования, которого получена зависимость для определения необходимого диаметра труб tТН d н = 1,3 tТН 260 17,9 w 16,1. (6) lтр Для определения влияния толщины изоляции и шага труб на коэффици ент теплопередачи в области, близкой к экстремуму, выполнены эксперимен тальные исследования с применением композиционного плана Бокса-Уилсона.

При этом получено уравнение регрессии tсуб = 12,37 5,2 10 3 S 2 + 0,357 S + 0,214 изол. (7) По полученному уравнению регрессии построена зависимость (рис. 8). Из графика видно, что при увеличении шага труб до 65 мм наблюдается незначи тельное увеличение температуры нагрева биореактора, а затем снижение.

Tсуб, °C = 80 мм = 50 мм = 20 мм S, мм 30 Экспериментальные точки Рисунок 8 – Изменение температуры в биореакторе при различной толщине изоляции и шаге труб При исследовании влияния температуры внутри биореактора от темпе ратуры наружного воздуха, толщины изоляции получено уравнение, которое в натуральном масштабе имеет вид tнар + 8 + 3,18 изол tсуб = 39,84 + 3,55 (8) 8 После математических преобразований требуемая толщина изоляции определяется по выражению изол = ( tсуб 0,44 tнар 33,84 ) 6,25. (9) При сравнении экспериментальных и теоретических значений среднего коэффициента теплопередачи змеевика системы обогрева выявлено превыше ние теоретических значений над экспериментальными (рис. 9), особенно для большего шага труб. Несоответствие значений можно объяснить неучтенными теплопотерями оснований, изменениями разности температур в процессе тепло обмена (при теоретических расчетах) и недостаточной прижимной силой змее вика труб к стенке реактора (при экспериментальных исследованиях).

В четвертом разделе "Практическая реализация результатов исследо вания" на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследо ваний разработаны методика расчета систем теплоснабжения БГУ на животновод ческих комплексах и методика подбора параметров системы обогрева биореакто ра (рис. 10).

Методика подбора параметров системы обогрева биореактора заключает ся в определении по заданным параметрам теплоносителя, требуемого его рас хода, диаметр, шаг и длина труб змеевика системы обогрева.

k ср, Вт/(м · °C) 30, Теоретические значения 18, 12, 11, Косвенно определенные 30 100 S, мм Рисунок 9 - Теоретический и экспериментальный графики среднего коэффициента теплопередачи змеевика из металлопластиковых труб О Определение Определение tсуб Определение Задаемся Определение Определение Определение Определение если Уточнение Уточняется если Принимается Уточняется ближайший dтр к Рисунок 10 – Схема выполнения расчета системы обогрева биореакторов По результатам экспериментальных и теоретических исследований был разработан модуль БГУ (рис. 11), с системой теплоснабжения от собственной автономной котельной и применением утилизации тепла в рекуперативном теп лообменнике с естественной конвекцией. Модуль предназначен для перера ботки 1 т в сутки жидкого навоза. Объем биореактора данной установки состав ляет 14 м3. Наибольшего эффекта можно добиться при использовании данных установок на животноводческих фермах с использованием дополнительного оборудования по производству высококачественных органических удобрений.

Представленный модуль БГУ позволяет переработать 298,2 т/год навоза, при этом можно получить до 28105 м3 биогаза на нужды теплоснабжения произ водственных зданий и сооружений фермы и дополнительно 124,1 т/год органи ческих удобрений влажностью 60 %.

/ d14x2 V =2.25 / d14x2, 4 3 1 1 5 7 4610 (T I IT ndustries) 200 1000 3720 1200 200 / 1- / d14x2, 130 х 4= 0,25 Рисунок 11 – Предлагаемый модуль БГУ с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка Стоимость полного комплекта оборудования для выработки биогаза и производства удобрений с учетом строительно-монтажных работ для БГУ с объемом биореактора 14 м3 составит 1851,05 тыс. руб.

Экономический эффект от выработки тепловой энергии установкой с объемом биореактора 14 м Э= = 0, с учетом реализации удобрений Э= = 0, Срок окупаемости биогазовой установки составит То = =2 года 0, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Рассмотрены процессы потребления энергии на животноводческих комплексах, использующих биогазовые установки, в зависимости от темпера туры наружного воздуха и времени года. При этом затраты на собственные ну жды установок изменяются от 18 до 31%. На основании изучения климатиче ских условий эксплуатации и размеров биогазовых установок составлена клас сификационная таблица для выбора ее схемы обогрева.

2. Усовершенствована схема обогрева биогазовой установки, позволяющая снизить затраты на собственные нужды на 4..5% и повысить температуру све жего навоза на выходе из теплоутилизатора на 1,2…1,4 оС (для мезофильного режима). Обоснованы способы повышения эффективности системы обогрева биогазовых установок и перспективы их применения.

3. С учетом величины допустимых потерь тепла биореактором и уравнения теплового баланса, получено математическое выражение для определения тол щины изоляции биореакторов в форме правильных цилиндров.

4. Проведены теоретические исследования по повышению теплоэнергети ческих показателей системы обогрева биогазовых установок. Предложено уравнение требуемого термического сопротивления, которое позволяет подо брать конструкцию системы обогрева биореактора.

5. Выведена аналитическая зависимость определения коэффициента тепло передачи теплового потока, направленного на нагрев субстрата трубами, рас положенными по наружной поверхности биореактора, дающая возможность определить средний коэффициент теплопередачи, который находится в преде лах от 6 до 35 Вт/(м2· оС).

6. Обоснована зависимость для определения шага и диаметра труб системы обогрева биореактора при расположении труб теплообменника по наружной поверхности биореактора, позволяющая подобрать ее с требуемой тепловой мощностью. Для сравнения процесса обогрева биореактора различными тепло обменниками предложен коэффициент эффективности нагрева.

7. Представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию влажности навоза, расположения теплообменника, температуры теплоносите ля, диаметра и шага труб, толщины изоляции, температуры и скорости тепло носителя на процессы теплообмена в биореакторах, на основании которых вы ведены зависимости для определения диаметра и шага металлопластиковых труб, толщины изоляции, влияющих на коэффициент теплопередачи. Установ лено, что наиболее эффективный шаг труб теплообменника составляет 50 мм.

Расхождение значений среднего коэффициента теплопередачи системы наруж ного обогрева, определяемого по теоретическим зависимостям и эксперимен тальным данным составили соответственно: для шага труб 30 мм - 30,6 и 18, Вт/(м2· оС);

для шага труб 100 мм – 12,9 и 11,3 Вт/(м2· оС).

8. Усовершенствована методика теплового расчета системы теплоснабже ния животноводческого комплекса на основе биогазовых установок и системы обогрева биореакторов.

9. Для теплоснабжения фермерского хозяйства предлагается модуль БГУ с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка суточной производительностью по переработке 1 тонны бесподстилочного навоза.

10. Годовой экономический эффект от внедрения биогазовых установок, с учетом реализации полученных после анаэробной переработки навоза удобре ний, составил 939,59 тыс. руб. Срок окупаемости 2 года.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ q1, 2 – удельный тепловой поток, Вт/м, на нагрев субстрата и от субстрата в окружающую среду соответственно;

,, – углы направления распростране ния теплового потока от системы обогрева, град.;

i – компонент;

р, изол – соот ветственно толщина стенки реактора и изоляции, мм;

S – шаг труб змеевика си стемы обогрева, мм;

р, изол – соответственно коэффициент теплопроводности материала стенки реактора и изоляции, Вт/(м · °С);

dн – наружный диаметр труб змеевика, мм;

С – праметр зависящий от материала труб змеевика, теплоносите ля и субстрата;

kср – средний коэффициент теплопередачи змеевика системы обогрева, Вт/(м2 · °С);

Rр – радиус биореактора;

– поправоный коэффициент для учета влияния параметров системы обогрева при подборе толщины изоля ции;

а, с – коэффициенты, учитывающие температуру теплоносителя и конструкцию теплообменника;

– коэффициент эффективности нагрева;

скорость нагрева субстрата, °С/час;

Q – количество теплоты, Дж, тепловой по нач ток, Вт;

W – влажность (влагосодержание) субстрата, %;

tсуб - начальная темпе ратура сбстрата, °С;

w – скорость греющего теплоносителя, м/с;

Nнагр – мощ ность водонагревателя, кВт;

tнар – температура окружающего воздух, °С;

n - ко личество витков змеевика системы обогрева;

Н – высота биореактора, м.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ Биркин С. М. Обоснование применения биогазовых установок на живот 1.

новодческих фермах и комплексах. [Текст] / С.М. Биркин, Н.М. Антонов // Вестник КрасГАУ – Красноярск, 2009. – Вып. 5. – С. 195-199.

Биркин С. М. Совершенствование схемы анаэробной переработки отхо 2.

дов животноводства. [Текст] / С.М. Биркин, Н.М. Антонов // Вестник Крас ГАУ – Красноярск, 2009. – Вып. 4. – С. 197-202.

Биркин С. М. Переработка отходов животноводства в фермерских хозяй 3.

ствах. [Текст] / С.М. Биркин // Сельский механизатор – М., 2009. – № 4. – С.

26-30.

Биркин С. М. Особенности систем теплоснабжения биогазовой установки 4.

на животноводческих комплексах. [Текст] / С.М. Биркин, Т. В. Ефремова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Техниче ские науки – Новочеркасск, 2008. – Вып. 3(145). – С. 83-87.

Статьи в других изданиях Биркин С. М. Теоретические исследова ния коэффициента теплопереда 5.

чи систем обогрева биогазовых установок [Текст] / С.М. Биркин // Вестник Волгоградского государственного архитектурного университета. Серия Строительство и архитектура. – Волгоград, 2008. – Вып. 9(28). – С. 119-124.

Мариненко Е.Е. Экологические показатели работы сельскохозяйствен 6.

ных биогазовых установок [Текст] / Е. Е. Мариненко, Т. В. Ефремова, С.М.

Биркин и др. // V Международная научная конференция «Качество внутрен него воздуха и окружающей среды». – Волгоград, 2007. – С. 49-52.

Мариненко Е.Е. Экологические аспекты применения биогазовых техноло 7.

гий в коммунальном секторе и сельском хозяйстве [Текст] / Е.Е, Мариненко, С.М. Биркин // III Международная научная конференция «Качество внутрен него воздуха и окружающей среды». – Волгоград, 2005. – С. 206-209.

Биркин С.М. Снижение энергопотребления биогазовых установок путем 8.

утилизации тепловой энергии сброженного субстрата [Текст] / С. М. Биркин/ / ВолГАСУ. - Волгоград, 2004. – 10 с.:– Деп. в ВИНИТИ, 26.01.2004, № 136 В2004.

Биркин С.М. Влияние влажности исходного субстрата на эффективность 9.

биогазовой установки [Текст] / С.М. Биркин // IX регион. конф. мол. исслед.

Волгогр. обл. - Волгоград, 2004. – С. 58-60.

Биркин С.М. Снижение теплопотребления биогазовых установок на соб 10.

ственные нужды при применении утилизаторов тепла [Текст] / С.М.

Биркин// VIII регион. конф. мол. исслед. Волгогр. обл. - Волгоград, 2003. – С. 63-65.

Биркин С.М. Оценка теплоэнергетической эффективности сельскохозяй 11.

ственных биогазовых установок [Текст] / С.М. Биркин// VII регион. конф.

мол. исслед. Волгогр. обл. - Волгоград, 2002. – С. 9-11.

Подписано в печать 24.04.09. Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № ИПК ВГСХА "Нива" 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т,

 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.