Влияние толщины стенки биогазового реактора на величину мощности дополнительных источников теплоты для подогрева сырья

Введение.

Переработка органических отходов с получением бигаза является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства. Реализация данных технологий позволяет провести утилизацию отходов и обеспечить получение ценных продуктов.

На практике для переработки органического сырья используются различные конструкции биогазовых реакторов в зависимости от применяемых технологий переработки [1-9]. Необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные положительные результаты исследований в этом направлении, имеется целый ряд нерешенных задач технического и технологического характера. Это особенности перерабатываемого сырья, технологий и методов подготовки его к сбраживанию, а также правильный выбор бактерий с учетом температур их нормального развития. Это правильный выбор конструкции биогазового реактора и учет условий внешней окружающей среды. Кроме того, непосредственно при сбраживании большую роль играют режимы перемешивания сырья отвода биогаза и удаления отработанной фракции сырья. Все эти нюансы технологии должны обеспечиваться системами контроля параметрами и управления работой исполнительных механизмов.

Материалы и методы исследований. В основу приведенных исследований положены методы теории теплопередачи в слоистых средах.

Основные результаты.

1¹³²                 Агротехника и энергообеспечение. - 2021. - № 4 (33)

Как указывалось ранее, обеспечение высокой эффективности производства переработки органических отходов в биогаз напрямую связано с соблюдением температурных режимов и режимов перемешивания сырья. Температурные режимы при сбраживании могут поддерживаться за счет теплоты выделяющейся в результате химических реакций при сбраживании. Однако, если этого количества теплоты недостаточно, то используется дополнительный теплоподвод (дополнительные источники теплоты).

Величина мощности дополнительных источников теплоты, необходимых для поддержания режимов сбраживания зависит от многих факторов. В первую очередь учитываются теплофизические свойства сбраживаемого сырья (субстрата), а также размеры биореактора, толщина и теплофизические свойства стенок конструкции, условия внешней окружающей среды.

Известно, что толщина теплоизоляции стенки сооружения снижает коэффициент теплопередачи и способствует сохранению тепла. В тоже время, интерес представляет влияние толщины стенки биогазового реактора на величину дополнительных источников теплоты.

Ниже приведены результаты расчетов по оценке влияния толщины стенки цилиндрического биогазового реактора и температуры внешней среды на выбор мощности дополнительных источников теплоты В расчетах были использованы результаты общего решения уравнения теплопроводности Фурье в слоистых средах [10-11].

Физическая и математическая модель биореактора представлялась в форме сплошного цилиндра радиусом R 1 (рабочий объем реактора) и высотой Н, окруженного цилиндрической оболочкой (стенкой) с толщиной Д с наружным радиусом конструкции R 2 = R 1 +Д. При этом допускалось, что источники теплоты распределены по объему реактора равномерно, а также учитывали температуру внешней среды и условия теплообмена на внешней поверхности реактора.

На рисунке 1 представлена расчетная поверхность мощности источников теплоты при изменении наружной температуры воздуха Тс и толщины кирпичной стенки Д.

Рисунок 1 – Расчетные значения величины дополнительных (сторонних) источников теплоты при изменении наружной температуры воздуха Т_с и толщины кирпичной стенки Д.

На основе проведенных расчетов можно заключить, что влияние толщины стенки реактора Л на величину мощности дополнительных источников теплоты незначительно. Однако температура наружной среды вне реактора Т_с является значимым фактором. В расчетах использовались свойства кирпичной стенки, обладающей не только хорошей теплоемкостью, но и теплопроводностью. Следовательно при строительстве биогазовых реакторов, в первую очередь, необходимо учитывать среднегодовые температуры в конкретной местности. Игнорирование этого фактора, даже при достаточной толщине стенок биореактора, будет приводить к увеличению энергозатрат на дополнительный подогрев сырья при сбраживании.

Заключение.

Приведены расчеты по оценке величины мощности дополнительных источников теплоты для подогрева сырья от толщины стенки цилиндрического биогазового реактора. На основе проведенных расчетов можно заключить, что влияние толщины стенки реактора Л на величину мощности дополнительных источников теплоты незначительно. Однако температура наружной среды вне реактора Тс является значимым фактором. В расчетах использовались свойства кирпичной стенки, обладающей не только хорошей теплоемкостью, но и теплопроводностью. Следовательно при строительстве биогазовых реакторов, в первую очередь, необходимо учитывать среднегодовые температуры в конкретной местности. Игнорирование этого фактора даже при достаточной толщине стенок биореактора будет приводить к увеличению энергозатрат на дополнительный подогрев сырья при сбраживании.