WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Обоснование и разработка средств повышения энергоэффективности работы трехстадийного метантенка

На правах рукописи

Кудряшова Анастасия Геннадьевна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТРЕХСТАДИЙНОГО МЕТАНТЕНКА

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2011

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»(ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Игнатьев Сергей Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юран Сергей Иосифович

кандидат технических наук

Валиуллин Марат Анварович

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится « 16 » декабря 2011г. в 10 часов на заседании диссертационного совета КМ220.030.02 в ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» по адресу: 426069, г.Ижевск, ул.Студенческая, 9-201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», а с авторефератом на сайте www.izhgsha.ru, http://vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.11, Диссертационный совет. Телефон/факс: 58-99-47.

Автореферат размещен на сайте и разослан 14 ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Темпы использования как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов ускоряются из года в год. Однако, большинство ресурсов исчерпаемы и требуют рационального использования. В связи с этим в последние десятилетия интенсивно развиваются и применяются различные ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие производство продукции с минимально возможным потреблением топлива и других источников энергии, а также сырья, материалов, воздуха, воды и прочих ресурсов для технологических целей.

За историю развития человеческого общества потребление энергии, в расчете на одного человека, возросло более чем в 100 раз. Через каждые 10–15 лет мировой уровень потребления энергии практически удваивается. В то же время запасы традиционных источников энергии – нефти, угля, газа истощаются. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому становится очень важным получать энергию с использованием экологически чистых технологий. В себестоимости многих продуктов значительную долю составляют затраты на энергию, в связи с чем, внедрение энергоэффективных технологий могло бы повысить их конкурентоспособность.

В рамках реализации Республиканской Целевой Программы «Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010–2014 г.г.» в Воткинском, Глазовском, Завьяловском, Можгинском, Сарапульском районах вблизи крупных предприятий животноводства и птицеводства предлагается организовать производства биогаза из отходов данных предприятий. Получаемый биогаз планируется использовать для собственных нужд предприятий и поставки тепловой и электрической энергии потребителям в радиусе 10–15 км.

В 2010 году АНО «Агентство по энергосбережению Удмуртской Республики» при содействии Правительства Удмуртской Республики, РЭК УР, начала активную работу по развитию проектирования, строительства и поиска финансовых ресурсов для строительства биогазовых комплексов на базе АПК Удмуртской Республики.

В утвержденной Постановлением Правительства Удмуртии № 75 от 15 марта 2010 года РЦП «Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010–2014 г.г.», планируется разработка в 2011–2012 г.г. инвестиционного проекта «Развитие использования местных и возобновляемых источников энергии», в рамках которого предполагается строительство в Удмуртии трёх биогазовых комплексов. Таким образом, имеется большой потенциал, заложенный в области энергосбережения.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Цель исследований. Обоснование и разработка методов и средств оптимального использования энергии трубчатого электронагревателя при метановом сбраживании биомассы.

Задачи исследований:

  • исследовать теплофизические процессы, влияющие на нагрев биомассы в трехстадийном метантенке;
  • создать модель процесса нагрева биомассы и дать ее математическое описание;
  • теоретически обосновать конструктивные параметры трехстадийного метантенка с точки зрения снижения энергопотребления;
  • минимизировать затраты энергии при работе трубчатого электронагревателя в трехстадийном метантенке;
  • определить экономическую эффективность разработанной конструкции трехстадийного метантенка.

Объект исследований. Теплофизические процессы, протекающие в трехстадийном метантенке и определяющие выработку биогаза.

Предмет исследований. Экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие процессы, влияющие на энергозатраты.

Теоретической и методической основой диссертационного исследования послужили труды ведущих ученых и специалистов отрасли по исследуемой проблеме, таких как: С.В. Попов, В.Л. Омельянский, Е.С. Панцхава, В.А. Пожарнов, Имхофф, Бланк, М. В. Свалова, И. В. Решетникова и др. В процессе решения отдельных задач применялись аналитический и расчетно-конструкторский методы, а также методики по оценке экономической эффективности работы.

Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература и публикации зарубежных и отечественных изданий.

Научную новизну работы составляют:

  • математическая модель процесса нагрева биомассы с использованием энергии трубчатого электронагревателя;
  • исследование электротехнологии процесса нагрева биомассы в биогазовой установке с трехстадийным метантенком, позволяющее определить аналитическую взаимосвязь параметров зон сбраживания и температур биомассы;
  • обоснование конструктивных параметров зон сбраживания биогазовой установки с трехстадийным метантенком по критериям энергосбережения технологического процесса метанового сбраживания;
  • метод сокращения энергетических затрат при производстве биогаза.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Республиканской Целевой Программы «Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010–2014 г.г.»; программы развития сельского хозяйства на 2010–2017гг.

В результате выполнения работы проведены экспериментальные исследования распределения энергии во время нагревания содержимого реактора трехстадийного метантенка. Оптимизирована по предложенной методике лабораторная биогазовая установка с трехстадийным метантенком, что позволило снизить энергоемкость реактора в процессе нагрева сырья. Определены и обоснованы конструктивные параметры биогазовой установки для малых ферм с точки зрения энергосбережения. Разработаны средства позволяющие совершенствовать проектирование биогазовой установки в зависимости от нужд потребителей с учетом требований энергосбережения.

Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Агроинженерия».

Основные положения, выносимые на защиту:

  • математическая модель нагрева биомассы в биогазовой установке с трехстадийным метантенком с использованием энергии трубчатого электронагревателя;
  • модель процесса распределения теплоты в реакторе;
  • результаты экспериментальных исследований, анализ которых позволяет обосновать размеры зон сбраживания и повысить эффективность использования энергии трубчатого электронагревателя;
  • технико-экономическое обоснование конструкции трехстадийного метантенка.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях: «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы» – Ижевск, 2007; «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450-летию вхождения Удмуртии в состав России» – Ижевск, 2008; Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» – Тула, 2009; III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» – Челябинск, 2009; V Всероссийской научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» – Магнитогорск, 2010; VI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии» - Тула, 2010; Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 90-летию государственности Удмуртии «Научное обеспечение инновационного развития АПК» - Ижевск, 2010; II Евразийский Форум Молодежи «Евразия – путь на север» – Екатеринбург, 2011. Работа отмечена дипломом II степени; Республиканский конкурс инновационных проектов по программе «УМНИК» – Ижевск, 2011.

Публикации. Основные положения работы и результаты исследований опубликованы в 10 печатных изданиях, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Модели, методики, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.

Экспериментальная установка разработана коллективом и аспирантами кафедры ТОППП ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» при участии автора.

Выбор направлений, методов исследований, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя к.т.н., доцента Игнатьева С. П.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 120 страницах основного текста, содержит 32 рисунка, 10 таблиц и список использованных источников из 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит актуальность исследуемой проблемы, цель и научную новизну исследования, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса» на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема переработки навоза и использования биогаза как источника энергии. Существующие технологии не позволяют масштабно решать проблемы утилизации отходов с целью получения возобновляемых источников энергии.

Особое внимание уделяется анализу конструкций существующих биогазовых установок. Все они имеют ряд существенных недостатков, в результате которых снижается энергоэффективность процесса переработки навоза.

Конструкция трехстадийного метантенка позволяет объединить в единый цикл три стадии сбраживания навоза, что ведет к интенсификации процесса газообразования.

Анализ фермерских хозяйств, расположенных на территории Удмуртской Республики позволил выявить самый распространенный размер животноводческих ферм, на основе которого рекомендуемый объем биогазовой установки составляет 500м3.

Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивных параметров биогазовой установки» рассматривается влияние конструктивных параметров биогазовой установки на ее энергоэффективность. На основании изученных теоретических исследований выявлено, что процесс выработки биогаза определяется связью конструктивных и теплофизических параметров биогазовой установки, в которой происходит сбраживание биомассы.

Изучаемая установка представляет собой систему из шести неоднородных концентрически расположенных цилиндров. При этом, в центре конструкции имеется нагреватель – ТЭН, который сообщает тепло биомассе теплопередачей. Определение теплового поля сведем к задаче теплопроводности цилиндра при граничных условиях третьего рода.

Уравнение теплопроводности в общем виде, представленное в цилиндрических координатах, имеет вид:

, (1)

где a – коэффициент температуропроводности, м2/с; ; Т – температура, °С

Процесс распространения тепла в установке разобьем на 2 этапа. На первом этапе цикла происходит нагрев от момента включения электронагревателя до заданной температуры, на втором этапе происходит поддержание температуры постоянной.

Рассматриваемая задача центрально-симметричная и значащей является только координата r, таким образом, в общем случае дифференциальное уравнение распределения тепла в цилиндре с электронагревателем будет представлено формулой

, (2)

где a – коэффициент температуропроводности, м2/с; u – температура жидкости, °С; r – координата радиуса, м; w – функция электронагревателя.

Задачу сводим к решению уравнения разложением в ряд Фурье.

Функцию, описывающую нагреватель, вводим как

, (3)

где W – мощность нагревателя, Вт; с – теплоемкость биомассы Дж/(кг· 0С).

Зная функцию распределения тепла в каждой зоне реактора можно вычислить значение энергии

. (4)

Уравнение (4) отражает зависимость количества теплоты, затраченное системой от размеров слоя жидкости, находящегося в каждой зоне.

Уравнение теплового баланса биогазовой установки с трехстадийным метантенком запишется как

, (5)

где – энергия, полученная в результате газообразования, Дж; – энергия необходимая на нагрев сырья, Дж; – энергия теплопотерь в реакторе, Дж.

Энергия, полученная в результате газообразования

, (6)

где – объем выделившегося газа, м3; – теплотворная способность газа, Дж/м3.

Распишем количество теплоты, учтенное при потерях исходя из условий работы метантенка.

В ходе анализа были приняты следующие допущения, влияющие на потери тепла в установке:

  • не учитываются потери тепла с выходящим газом;
  • процесс теплопередачи учитывается, как через многослойную стенку.

Общее количество теплоты, потребленное в процессе нагрева каждой зоны метантенка, определяем системой уравнений

(7)

где Qмех1, Qмех2, Qмех3 – количество теплоты, затраченное на перемешивание субстрата, Дж; Qос1, Qос2, Qос3 – количество теплоты, переданное в окружающую среду, Дж; Qнагр – количество теплоты, необходимое на подогрев сырья, Дж; Qст2, Qст3 – количество теплоты, переданное через стенки реактора, Дж.

Рассмотрим полученную систему более подробно.

Так как реактор метантенка состоит из трех концентрических окружностей соединенных по принципу сообщающихся сосудов, то процесс разогрева биомассы в средней и крайней камерах сбраживания происходит при помощи конвекции и теплопередачи через стенки реактора.

Тепло, передаваемое в процессе теплоотдачи через стенки метантенка

Qст = kF(tк – tн) (8)

где k – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·0С); F – площадь поверхности стенки, м2; – время, с.

Количество теплоты, теряемое в окружающую среду, сведены к минимуму за счет теплоизоляции наружных стенок и низкого градиента температур по обе стороны наружной стенки реактора.

При обосновании размеров зон сбраживания затраты энергии на механическое перемешивание субстрата в метантанке Qмех не изменяются, т.к. объем метантенка и физико-механические свойства сырья считаем постоянными.

Количество теплоты, требуемое для нагрева загружаемой массы до температуры брожения, определяется формулой

Qнагр = mбм·сбм­(tпр – tзагр), (9)

где cбм – средняя теплоемкость биомассы, cбм = 4190 Дж/(кг· 0С); tпр – температура процесса брожения, 0С; tзагр – температура загружаемой биомассы, 0С. Принимается равной среднемесячной температуре окружающего воздуха, если меньше 5 0С, то принимается 5 0С.

Для поддержания теплового баланса биогазовой установки обоснуем выбор трубчатого электронагревателя.

Мощность электронагревателя, необходимая для нагрева биомассы

, (10)

где - плотность биомассы, кг/м3; - время нагрева биомассы до конечной температуры, с.

Количество теплоты вырабатываемое ТЭНом

, (11)

где – удельное сопротивление потоку теплоты с 1 м2 поверхности провода, м2К/Вт; F – площадь электронагревателя, м2; - время нагрева, с.

Температура нагревательного сопротивления определяем по формуле

, (12)

где Ф – полезный тепловой поток (или мощность) нагревателя в установившемся тепловом режиме, Вт;

– общее термическое сопротивление нагревателя, К/Вт;

– температура теплоотдающей поверхности корпуса, К.

Температура теплоотдающей поверхности определяется условиями нагреваемой среды. В случае расчета для биогазовой установки принимаем материал оболочки нагревателя медь и латунь, соответственно принимаем равным 453 К.

Проведенный расчет трубчатого электронагревателя позволил подобрать ТЭН для проведения экспериментальных исследований, однако изменение конструктивных параметров каждой из зон позволяет подобрать такие значения высоты и радиусов зон, при которых распределение температур будет эффективным и позволит снизить потребление энергии ТЭНом.

Общее суточное количество теплоты системы, исходя из формулы 5, получено равным 2292,4 МДж.

Минимизируем потери тепла, описанные формулой (7), используя функцию Лагранжа

, (13)

где и - множители лагранжа; – толщина слоя жидкости, м; h – высота реактора, м; V – объем реактора, м3.

При решении уравнения учитываются следующие ограничения: h>0, >0, 0,таким образом:

(14)

Проведенные теоретические расчеты позволили выявить и обосновать конструктивные параметры зон сбраживания биогазовой установки с точки зрения энергосбережения.

Получили диапазоны значения высоты и радиуса каждой зоны реактора экспериментальной установки с размерами внутреннего цилиндра R1 = 0,09 – 0,13м и H1 = 0,35 – 0,5м и среднего цилиндра R2 = 0,11 – 0,16м и H2 = 0,35 – 0,5м

При этом крайняя зона реактора занимает объем равный 1/5 объема метантенка и выполняет роль теплоизоляционной прослойки. Наибольший объем имеет средняя зона мезофильного сбраживания с поверхности, которой происходит наибольшая выработка биогаза.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа экспериментальных исследований, методика проведения опытов. Проведен анализ экспериментов, позволяющий выявить распределение температур в зонах реактора и их влияние на потери тепла и выход биогаза с точки зрения энергосбережения.

Для изучения исследуемых процессов была изготовлена лабораторная установка с трехстадийным метантенком, представленная на рисунке 1.

 а) б) Экспериментальная установка: а – внешний вид-49
а) б)

Рисунок 1 – Экспериментальная установка: а – внешний вид установки;

б – схема перемещения субстрата и распространения энергии

Установка представляет собой трехстадийный метантенк, изготовленный в виде цилиндра 1. Каждая зона сбраживания разделена цилиндрическими перегородками, в центральной зоне реактора расположен трубчатый электронагреватель мощностью 1 кВт. Электронагреватель снабжен датчиком температуры. С наружи установлен счетчик электрической энергии. Общий объем реактора составляет 0,083м3, наружный радиус установки 0,2м, высота 0,63м.

Сырье при помощи насоса загружается через приемное устройство 2, попадая в крайнюю зону метантенка. Далее, по принципу сообщающихся сосудов, под действием давления сырье перемещается в центральную зону реактора, где подогревается электронагревателем до температуры 55 °С. В каждой зоне сбраживания установлены термодатчики 7, при помощи которых, осуществляется контроль температур в реакторе. Подогреваемое сырье перемешивается при помощи мешалки 5. Образовавшийся газ отводится шлангом 3. Давление в реакторе контролируется при помощи манометра 4. Так же установлен счетчик электрической энергии 6, позволяющий измерять расход электроэнергии, затраченной на нагрев биомассы.

Функциональная схема управления биогазовой установкой приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема управления биогазовой установкой. 1 – датчик давления; 2, 14 – реле; 3 – насос загрузки сырья; 4 – индикатор загрузки; 5, 10 – реле времени; 6 – индикатор перемешивания; 7,8,9 – мешалки; 11 – насос выгрузки биомассы; 12 – индикатор выгрузки; 13 – датчик температуры; 15 – ТЭН; 16 – индикатор нагрева; 17,18,19 – камеры сбраживания биогазовой установки; 20 – газоэлектрогенератор.

Входное напряжение с газоэлектрогенератора 20 поступает на реле 2 с датчиком давления 1, реле времени 5, реле времени 10, реле 14 с датчиком температуры 13. При срабатывании датчика давления 1 (низкое давление – необходима догрузка биомассы), реле 2 включает индикатор загрузки 4 и насос загрузки 3. Реле 5 в установленный промежуток времени включает мешалки 7, 8 и 9, и индикатор перемешивания 6. Реле 10 в определенный промежуток времени включает насос выгрузки отработанной биомассы 11 и индикатор выгрузки 12. При снижении температуры ниже порогового значения датчик 13 подает сигнал на реле 14, которое включает ТЭН 15 и индикатор нагрева 16, при превышении температурой порогового значения датчик температуры 13 подает сигнал на реле 14, которое отключает ТЭН 15 и индикатор нагрева 16. При включенном насосе загрузки 3 биомасса подается через него в крайнюю камеру 17, далее из крайней камеры 17 переходит в среднюю камеру 18, из средней камеры 18 - в центральную камеру 19, при включенном насосе выгрузки 11 из центральной камеры 19 отработанная биомасса выгружается из установки. От камер 17, 18 и 19 отводится газ к газогенератору 20.

Для проведения эксперимента был выявлен ряд параметров, изменение которых влияет на результат исследования. Связь этих параметров и их варьирование позволят повысить энергоэффективность работы метантенка.

В ходе проведения исследований опытным путем установлены оптимальные температуры сбраживания биомассы в каждой из зон. Температура в центральной части реактора поддерживается в пределах 40...55°С, в средней зоне метантенка диапазон температур колеблется в пределах 25...40°С, и в крайней зоне реактора температура поддерживается в пределах 8...25°С.

Для определения оптимальных параметров требуется обеспечить в реакторе необходимые параметры сбраживания, сведя к минимуму затраты энергии.

Входными параметрами оптимизации процесса являются: радиусы зон сбраживания R1, R2, м соответственно; высоты зон сбраживания H1, H2 м. В качестве критерия оптимизации выбрана энергоемкость процесса.

Датчики располагаются в каждой из исследуемых зон сбраживания на высоте 8, 38 и 58 см. Нагрев происходит до температуры 55°С в центральной зоне. Загрузка-выгрузка продукта производится в объеме 10% от объема установки (8л). Замеры температур во время нагрева производились с интервалом в 2 минуты. Процесс распространения теплоты в биогазовой установке, показывающий разогрев каждой зоны реактора представлен на рисунке 1б.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены и проанализированы результаты исследований процесса электронагрева массы в реакторе при различных величинах факторов варьирования. Получены математические зависимости, отражающие изменение температурного поля в реакторе.

На рисунке 3 представлена зависимость, показывающая скорость роста температуры в зонах сбраживания с течением времени.

Значения t1ср, t2ср, t3ср показывают температуры в центральной, средней и крайней зонах реактора соответственно.

 а) б) График распределения температур по зонам: -52
а) б)

Рисунок 3 – График распределения температур по зонам:

а – распределение температур; б – распределение скоростей

В результате анализа представленных на рисунке 3 зависимостей, выявлено, что с течением времени скорость нагрева центральной зоны возрастает, а скорость нагрева крайней зоны возрастает, скорость нагрева средней зоны остается равномерной с течением времени. Связано это с перераспределением теплоты за счет конвективного теплообмена и теплопередачи через стенки зон реактора. Изменение значений температуры в центральной и средней зонах остаются в пределах допустимой для термофильного и мезофильного режимов сбраживания, а температура крайней зоны высока для психрофильного режима сбраживания.

Процесс распространения теплоты сопровождается постоянным изменением энергии. Распределение энергии по зонам является важной составляющей процесса энергосбережения. За счет равномерного изменения теплоты можно добиться снижения энергетических затрат.

На рисунке 4 представлены графики распределения энергии процесса нагрева сырья по зонам сбраживания и свободного распространения энергии после отключения ТЭНа, при варьировании радиусов зон сбраживания.

 – Распределение энергии при нагреве сырья и при-54  – Распределение энергии при нагреве сырья и при-55
 – Распределение энергии при нагреве сырья и при-56  – Распределение энергии при нагреве сырья и при отключенном-57

Рисунок 4. – Распределение энергии при нагреве сырья и при отключенном ТЭНе и варьировании радиусов зон сбраживания: а - при нагреве и изменении радиуса средней зоны; б – при нагреве и изменении радиуса центральной зоны; в – при отключении ТЭНа и изменении радиуса средней зоны; г – при отключении ТЭНа и изменении радиуса центральной зоны.

Анализ рисунка 4 показывает прямую зависимость между увеличением выделившегося тепла в процессе нагрева сырья и увеличением размеров зон сбраживания. При отключенном трубчатом нагревателе распространение энергии при увеличении радиуса зон сбраживания снижается в обеих зонах.

Представленные на рисунке 5 графики распределения температур по зонам метантенка позволили выявить основные направления оптимизации его параметров. Расчет оптимального объема каждой зоны реактора позволит сократить потери тепла в процессе теплообмена и оптимально использовать работу трубчатого электронагревателя и, соответственно, снизить затраты энергии.

Процесс распространения тепла в реакторе представлен на рисунке 5. По рисунку видно, что наименее нагретой зоной является нижняя крайняя, а наиболее нагретой – верхняя центральная зоны. Таким образом видно, что имея ограничения температур в каждой зоне (55С, 40С, 25С по верхнему пределу), можно варьировать размеры зон сбраживания в указанных пределах, влияя на эффективность установки.

а) б) в)

Рисунок 5 – термограмма процесса распространения теплоты в зонах реактора в зависимости от времени: а – в момент загрузки-выгрузки сырья, б – разогрев реактора, в – поддержание температуры.

Аналитическая взаимосвязь параметров зон сбраживания выражается зависимостью представленной формулой 15:

где Ri – радиусы зон сбраживания, м, Hi – высота зоны сбраживания, м – время, мин.

Определены оптимальные конструктивные параметры биогазовой установки R1 = 0,1м и H1 = 0,4м и среднего цилиндра R2 = 0,16м и H2 = 0,45.

КПД составит 83% и повысится на 8%.

Проведенные исследования подтвердили теоретическое обоснование размеров зон сбраживания в трехстадийном метантенке.

На рисунке 6 представлен график работы электронагревателя до и после обоснования конструктивных параметров метантенка.

 График работы электронагревателя Из рисунка видно, что-62

Рисунок 6 – График работы электронагревателя

Из рисунка видно, что количество потребленной энергии ТЭНом после оптимизации конструкции реактора снизилось при одинаковом времени нагрева биомассы. Таким образом можно сделать вывод, о том, что вследствие равномерного распределения теплоты в реакторе, снижается время нагрева сырья и тем самым снижаются затраты энергии на его разогрев. В остальное время ТЭН работает только на поддержание необходимых температур в каждой зоне реактора.

Обработка эксперимента проводилась при помощи ПО Microsoft Excel, математических пакетов Maple9, Wolfram Mathematica6, GNU Octave. Адекватность математической модели проверена по критерию Фишера.

В результате анализа выявили следующие параметры зон сбраживания обоснованной установки представленные в таблице1

Таблица 1 – Параметры зон сбраживания обоснованной (промышленной) установки

Зона сбраживания Высота зоны h, м Радиус зоны R, м
Центральная 6,0 1,5
Средняя 5,5 3,0
Крайняя 8,0 3,7

Результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность расчетов конструктивных параметров метантенка. Таким образом, создана модель процесса нагрева биомассы и дано ее математическое описание.

В пятой главе «Экономическая эффективность» дана оценка эффективности результатов.

Результаты расчетов технико-экономических показателей, приведенные в таблице 2, подтверждают экономическую эффективность от оптимизации процесса выработки биогаза за счет обоснования конструктивных параметров биогазовой установки.

Таблица 2 – Экономические показатели

Показатели Варианты
базовый предлагаемый
Стоимость установки, руб. 732000 732000
Энергетический эффект, МДж 6622,56 6722,21
Годовая экономия, руб. - 22148,19

Таким образом, можно отметить, что экономическая эффективность от использования результатов оптимизации биогазовой установки с трехстадийным метантенком с реактором на 500 м3 составит 22148,19 рублей.


ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Итогом проведенной работы явилось совершенствование работы биогазовой установки с трехстадийным метантенком посредством оптимального использования энергии трубчатого электронагревателя биомассы. По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1.Проведен анализ состояния биогазовой отрасли. Исследован потенциал использования биогаза на территории Удмуртской Республики. Проведен анализ конструкций существующих установок и применяемых ТЭНов, выявлена необходимость совершенствования исследуемой конструкции трехстадийного метантенка, для повышения эффективности работы трубчатого электронагревателя. Использование биогазовых установок перспективно с точки зрения получения энергоресурсов, сбережения природных ресурсов, а также для улучшения экологической обстановки.

2. Разработана математическая модель нагрева биомассы, описывающая распределение тепла в метантенке и позволяющая обосновать граничные условия зон варьирования параметров оптимизации. Для экспериментальной установки эти зоны составили R1 = 0,09 – 0,13м и H1 = 0,36 – 0,5м и среднего цилиндра R2 = 0,11 – 0,16м и H2 = 0,35 – 0,5м.

3.В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями теплофизических процессов сбраживания биомассы получены аналитические зависимости нагрева, отражающие взаимосвязь влияния размеров зон сбраживания установки и распределения температур в реакторе.

4. Определены оптимальные конструктивные параметры биогазовой установки R1 = 0,1м и H1 = 0,4м и среднего цилиндра R2 = 0,16м и H2 = 0,45. Эффективность работы трубчатого электронагревателя в трехстадийном метантенке повысится на 8 %.

5. Предложены оптимальные размеры промышленной установки на 500м3 и размеры зон сбраживания, которые составляют: для центральной зоны R1 = 1,5м и H1 = 6,0 м для среднего цилиндра R2 = 3,0м и H2 = 5,5м, для крайней зоны R3= 3,7м и H3 = 8м

6.Рассчитана экономическая эффективность от внедрения биогазовой установки с трехстадийным метантенкомна 500 м3. В результате оптимизации энергетический эффект составляет 6722,21 МДж.

Ожидаемый экономический эффект – 22148,19руб.


Основные положения диссертации

опубликованы в следующих работах:

Журналы, рецензируемые в перечне ВАК.

      1. Касаткин, В.В. Метановое сбраживание с точки зрения ресурсосбережения / В.В. Касаткин, С.П. Игнатьев, А.Г. Ларионова // Хранение и переработка сельхозсырья. - № 1. – 2009. – С.53 – 55.
      2. Ларионова А.Г., Повышение эффективности технологии переработки вторичного сырья / Ларионова А.Г., Игнатьев С.П., Гадлгареева Р.Р., Храмешин А.В. // Пищевая промышленность. – Москва, 2010. - №7 – с. 15
      3. Р.Р. Гадлгареева, Транспортная логистика как элемент системы качества на предприятиях общественного питания / Р.Р. Гадлгареева, В.В. Касаткин, А.Г. Ларионова // Пищевая промышленность. – Москва, 2010. – №1. – с. 26

Другие издания.

      1. Ларионова А.Г., Игнатьев С.П. Ресурсосберегающие технологии в сельском хозяйстве. // Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА. Т.IV.- Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. – c.156-158.
      2. Игнатьев С.П., Ларионова А.Г. Органические отходы – источник дополнительного вида топлива // АвтоГазоЗаправочный Комплекс плюс Альтернативное топливо — 2009, - №5 — с.30-32.
      3. Ларионова А.Г. Исследование методик оптимизации при получении биогаза // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады всероссийской научно-технической конференции; под общ. Ред. Э.М. Соколова. – Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2009 – с. 118-119.
      4. Ларионова А.Г. Повышение эффективности предприятий при переработке вторичного сырья. // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: в 3 т. / Том III: Качество. Экономика. Образование: сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, г. Челябинск, 11 декабря 2009 г. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ - 2010. – с. 116-117.
      5. Ларионова А.Г. Оптимизация параметров биогазовой установки // Качество продукции, технологий и образования: Материалы V всероссийской научно-практической конференции. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова», 2010. – с 193-195.
      6. Ларионова А.Г. Обоснование конструктивных параметров трехстадийного метантенка // Научное обеспечение инновационного развития АПК: материалы Всероссийской научн. - практ. конф. В 4-х т. Т. 3/ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010. – 260 с.
      7. А.Г. Ларионова, Совершенствование образовательного процессов студентов, обучающихся по направлению «Технология продуктов питания» / А.Г. Ларионова, Р.Р. Гадлгареева, Т.С. Копысова, Н.Ф. Ушакова // Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии: доклады VI Всероссийской науч.-техн. конф. – Тула: Изд-во «Инновационные технологии» – 2010 – с. 62– 64.

Подписано в печать 10.11.2011г.

Тираж 100 экз

Заказ № 4218. Формат60х841/24.Печ.л.1.

Гарнитура Times New Roman.

Издательство ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11




 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

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.