Ім'я файлу: Розрахункова БЕ 1808 (2).docx
Розширення: docx
Розмір: 251кб.
Дата: 23.11.2020
скачати
Пов'язані файли:

ЗМІСТ




1. РОЗРАХУНОК ОБ’ЄМУ І ТЕПЛОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ МЕТАНТЕНКА БІОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ 2

1.1 Розрахунок об’єму метантенка біоенергетичної установки 2

1.2 Розрахунок теплового навантаження метантенка біоенергетичної установки (БЕУ) 3

2. РОЗРАХУНОК НЕОБХІДНОЇ КІЛЬКОСТІ ЕНЕРГІЇ НА РОБОТУ БІОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ 10

3. РОЗРАХУНОК ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ 11



1. РОЗРАХУНОК ОБ’ЄМУ І ТЕПЛОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ МЕТАНТЕНКА БІОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ

1.1 Розрахунок об’єму метантенка біоенергетичної установки



Попередньо визначається добовий вихід біомаси для зброджування в метантенку ( кг/добу) за формулою (1.1):

кг/добу,
(1.1)

, кг/добу,
(1.1)

де - кількість тварин даної групи на фермі, шт;

- добовий вихід гною від однієї тварини, кг (табл.);

- кількість груп тварин;

- коефіцієнт, який враховує підстилку і залишки корму, =1,3…1,6.

Одним з основних параметрів, який підлягає визначенню при проектуванні біогазової установки, є необхідна місткість метантенка ( ), яка забезпечує умову переробки органічних відходів, що накопичуються за добу.

Таблиця Добовий вихід гною від однієї тварини

Вид тварин
, кг

Дійні корови
50

Телята (до 6 місяців)
15

Телята на відгодівлі (6-12 місяців)
25

Нетелі (12-18 місяців)
35

Свині
15

Кури яєчного напрямку
0,2

Кури м’ясного напрямку
0,3


Потрібний об’єм метантенка визначається за формулою (1.2)

,
(1.2)

, м3,
(1.2)


де - тривалість зброджування, діб;

- густина біомаси, яку зброджують, кг/м3. Враховуючи вологість завантаженої біомаси, густина приймається в межах =925…975 кг/м3;

- коефіцієнт об’ємного розширення зброджуваної біомаси.

Значення коефіцієнта визначається в залежності від вмісту сухої речовини в біомасі, його можна приймати по експериментально визначеній залежності (рис. 1)

Вміст сухої речовини в біомасі ( , %) визначається за формулою (1.3):
(1.3)

, %,
(1.3)


де вологість (задана в вихідних даних) завантаженої в метантенк біомаси, %.



Рис.1 Залежність коефіцієнта об’ємного розширення від вмісту в біомасі сухої речовини ( , %)
Після знаходження потрібного об’єму метантенка за формулою (1.2) визначаємо корисний об’єм метантенка (об’єм завантаженої в метантенк біомаси):

м3,
(1.4)

, м3,
(1.4)


де - коефіцієнт заповнення метантенка, =0,7…0,9.

1.2 Розрахунок теплового навантаження метантенка біоенергетичної установки (БЕУ)


Теплове навантаження метантенка (МТ) з неперервним режимом зброджування визначається згідно з динамікою теплопотреби (рис.2) за річний період експлуатації БЕУ

Представлені (рис.2) графічні залежності базуються на наступних рівняннях теплового балансу для кожного з періодів роботи метантенка, згідно з розрахунковою схемою теплового навантаження (рис.3):

1) для періоду І нагріву біомаси в МТ до температури обраного режиму зброджування:

Дж,
(1.5)

, Дж,
(1.5)

2) для періоду ІІ циклічного зброджування біомаси в МТ:

Дж,
(1.6)

, Дж,
(1.6)

3) для періоду ІІІ неперервного режиму зброджування біомаси:

Дж,
(1.7)

, Дж,
(1.7)

де , , – потреба метантенка в тепловій енергії, відповідно, для періоду І (нагріву біомаси до температури обраного режиму зброджування), в період ІІ (роботи в циклічному режимі) і період ІІІ (режим неперервного зброджування), Дж;

– кількість теплоти, яка необхідна для нагріву повного об’єму завантаженої в метантенк біомаси до температури обраного режиму зброджування, Дж;

– кількість втрат теплоти через поверхню метантенка, Дж;

– кількість втрат теплоти, пов’язані з виділення біогазу, Дж;

– кількість теплоти, що необхідна для нагріву добової дози вихідної біомаси, Дж;

– кількість втрат теплоти з добовою дозою збродженого субстрату, яку вивантажують з метантенка, Дж.


Рис. 2 Динаміка теплопотреби метантенка з неперервним режимом зброджування:

І – період початкового нагріву біомаси (БМ); ІІ - період циклічного зброджування без завантаження нової дози БМ; ІІІ - період неперервного зброджування з завантаження/вивантаженням добової дози БМ.



Рис.3 Розрахункова схема теплового навантаження метантенка

1- метантенк з теплоізоляцією; 2 – зброджувана біомаса
Для МТ циліндричної форми з відомим, попередньо розрахованим за формулою (1.4) корисним об’ємом складові рівнянь теплового балансу (1.5-1.7) визначаються наступним чином.

Кількість теплоти ( , Дж), яка необхідна для нагріву повного об’єму біомаси в метантенку до температури обраного режиму зброджування (1.8):

Дж,
(1.8)

, Дж,
(1.8)

де – середня питома масова теплоємність зброджуваної біомаси у визначному інтервалі температур, Дж/(кгК). Враховуючи високу вологість завантаженої в метантенк біомаси можна прийняти це значення рівним теплоємності води, тобто  =4,18103 Дж/(кгК);

– температура обраного (заданого) режиму зброджування, °С;

– вихідна температура завантаженої в метантенк біомаси, яка залежить від способу завантаження біомаси в метантенк, °С. Якщо біомаса завантажується безпосередньо з ферми, то її температура така ж як в приміщенні. Якщо біомасу для зброджування беруть з приміщення, то її температура рівна температурі повітря довкілля.

Тепловтрати метантенка ( , Дж) через непрозорі огороджувальні поверхні визначаються за формулою (1.9):

Дж,
(1.9)

, Дж,
(1.9)


де – площа зовнішньої поверхні метантенка, м2;

– температура повітря довкілля, °С;

– тривалість, за яку розраховуються втрати теплоти метантенка, с. В нашому випадку за добу: =24360=86400с.

– коефіцієнт теплопередачі від зброджуваної біомаси в довкілля, Вт/(м2К).

Коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою (1.10):

, Вт/(м2К),
(1.10)

, Вт/(м2К),
(1.10)

де 1/α1 – опір теплосприймання, величину опору теплосприймання можна прийняти 1/α1 =0,05 (м2К)/Вт;

1/α2 – опір тепловіддачі, величину опору тепловіддачі можна прийняти 1/α2 =0,05 (м2К)/Вт;

– товщина i-го шару елементу огородження (стінки і шарів теплоізоляції метантенка), м;

– коефіцієнт теплопровідності i-го шару елементу огородження (матеріалів стінки і теплоізоляції метантенка), Вт/(мК).

Співвідношення називається термічним опором стінки (одиниця вимірювання (м2К)/Вт).

Стінки, які складаються з кількох однорідних шарів, називаються багатошаровими. Зазвичай стінка метантенка багатошарова і складається з трьох різнорідних, але щільно прилеглих одне до одного шарів (рис.4).

Товщина першого шару (основної стінки біореактора) рівна , другого шару і третього шару – . Тут необхідно обирати матеріали окремих шарів стінки і визначити товщину окремих шарів. При цьому враховувати:

- матеріал і товщина першого шару стінки мають обиратися з врахуванням того, що саме цей шар відчуває вагове навантаження завантаженої біомаси (наприклад, якщо обираємо сталеву стінку, то товщина повинна обиратися із діапазону 3…20 мм пропорційно об’єму метантенка);

- матеріал і товщина другого шару стінки мають обиратися із сучасних високоефективних теплоізоляційних матеріалів з врахуванням того, що цей шар зменшує тепловитрати через непрозорі огороджуючі поверхні метантенка;

- матеріал і товщина третього зовнішнього шару стінки мають обиратися з врахуванням того, що цей шар захищає від пошкоджень теплоізоляційний матеріал другого шару.


Рис. 4 До визначення термічного опору стінки метантенка
Значення коефіцієнтів теплопровідності для матеріалів окремих шарів стінки метантенка ( ) знаходимо з теплотехнічних довідників.

Площу поверхні метантенка ( ) визначаємо з наступних міркувань. Як правило, метантенки мають циліндричну форму, при цьому співвідношення висоти метантенка (h, м) до його внутрішнього діаметру (d, м) приймається в межах h/d=0,9…1,3.

Попередньо приймаючи співвідношення висоти циліндру до його діаметра рівною 1, по значенню можна визначити значення діаметра метантенка (1.11):

м.
(1.11)

, м.
(1.11)

Враховуючи, що площа поверхні циліндра рівна сумі його бічної поверхні і подвійної площі основи, площа поверхні метантенка розраховується з виразу (1.12):

м2,
(1.12)

м2,
(1.12)

де - площа бічної поверхні циліндричного метантенка, м2;

– площа основи циліндричного метантенка, м2.

Кількість втрат теплоти пов’язані з виділенням біогазу ( , Дж) визначаються в залежності від добового об’єму біогазу, який виділився, і розраховується за формулою (1.13):

Дж,
(1.13)

, Дж,
(1.13)

де – добовий об’єм біогазу, який виділився, м3;

– об’ємна теплоємність біогазу, Дж/(м3°С);

– температура біогазу на виході з метантенка, °С. Значення можна прийняти рівною температурі обраного режиму зброджування.

Тут величина добового об’єму біогазу, який виділився, визначається з наступних міркувань.

Вихід біогазу з 1 кг сухої речовини зброджуваної біомаси (гною тварин) за добу пропорційно температурі зброджування складає приблизно =0,2÷0,4 м3/кг.

Вміст сухої речовини ( , %) визначений за формулою (1.3) і з врахуванням величини об’єму зброджуваної в метантенку біомаси ( , м3) (див. формулу 1.4), добовий об’єм біогазу, що виділився ( , м3) можна визначити за формулою (1.14)

м3,
(1.14)

, м3,
(1.14)

де - густина біомаси, яку зброджують, кг/м3.

Значення об’ємної теплоємності біогазу визначається як об’ємна теплоємність суміші газів, яка складається з 70% метану (CH4) та 30% вуглекислого газу (CO2).

Дж/(м3°С),
(1.15)

, Дж/(м3°С),
(1.15)

де – об’ємна доля i-го компоненту в складі біогазу;

- об’ємна теплоємність i-го компоненту в складі біогазу,Дж/(м3°С). Значення для CH4 та CO2 визначаємо за довідниками, враховуючи залежність теплоємності від температури.

Об’єм газгольдера з врахуванням накопичення біогазу протягом 8 годин розраховуємо за формулою (1.16):

м3,
(1.16)

, м3,
(1.16)

де – тривалість накопичення біогазу, год.

Кількість теплоти, яка необхідна для нагріву добової дози завантаженої біомаси до температури зброджування ( , Дж), розраховуємо за формулою (1.17)

Дж,
(1.17)

, Дж,
(1.17)

де – об’єм добової дози завантаженої біомаси в метантенк, який, в свою чергу, визначається як м3.

Кількість втрат теплоти з вивантаженням добової дози збродженого субстрату ( , Дж) розраховується за формулою (1.18)

Дж.
(1.18)

, Дж.
(1.18)



2. РОЗРАХУНОК НЕОБХІДНОЇ КІЛЬКОСТІ ЕНЕРГІЇ НА РОБОТУ БІОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ


Необхідну кількість енергії на роботу біоенергетичної установки визначаємо як суму теплового навантаження метантенка і витрат енергії на механічне перемішування зброджуваної біомаси в метантенку.

Добові витрати енергії на механічне перемішування зброджуваної біомаси в метантенку ( , Дж) визначаємо за формулою (2.1)

Дж,
(2.1)

, Дж,
(2.1)

де – питомі витрати енергії на роботу мішалки, МДж/(м3добу). Рекомендоване значення =1,45…2,5 МДж/(м3добу) пропорційно робочому об’єму метантенка.

Припускаючи, що початкове нагрівання біомаси буде здійснено протягом доби, необхідна кількість енергії на початковий період нагріву повного об’єму біомаси в метантенку складає:

Дж.
(2.2)

, Дж.
(2.2)

Необхідна кількість енергії для періоду циклічного режиму зброджування за проміжок часу складає:

Дж.
(2.3)

, Дж.
(2.3)

Необхідна кількість енергії для періоду встановленого стаціонарного неперервного режиму зброджування за рік складає:

Дж,
(2.4)

, Дж,
(2.4)

де – число днів в році, приймаємо 365 діб;

– час, який відводиться на профілактичне технічне обслуговування і ремонт установки, 15 діб.

Загальну необхідну кількість енергії на роботу БЕУ за рік розраховуємо за формулою (2.5)

, Дж.
(2.5)

, Дж.
(2.5)



3. РОЗРАХУНОК ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ


Маємо на увазі, що біоенергетична установка виробляє біогаз протягом 350 діб. На профілактичний ремонт установки відводиться 15 діб.

Потенційна енергія біогазу ( , Дж), яка виробляється установкою за рік визначається за формулою (3.1):

Дж,
(3.1)

, Дж,
(3.1)

де – теплота згорання біогазу, Дж/м3. Рекомендоване значення теплоти спалювання біогазу =22…25 МДж/м3.

Енергія біогазу ( , Дж), необхідна для компенсації власних енергетичних потреб установки за рік визначається за формулою (3.2)

Дж,
(3.2)

, Дж,
(3.2)

де – ККД топково-пальникового пристрою, =0,65.

Кількість товарного біогазу, який виробляється установкою, за рік ( , м3) розраховуємо за формулою (3.3):

м3.
(3.3)

, м3.
(3.3)

Енергетичний ефект біоенергетичної установки ( , Дж) складає:

Дж.
(3.4)

, Дж.
(3.4)

Розраховуємо річне значення зекономлених традиційних паливно-енергетичних ресурсів ( , кг умовного палива) за формулою (3.5):

кг у.п.,
(3.5)

, кг у.п.,
(3.5)

де – теплота спалювання умовного палива, Дж/кг.

Розраховуємо економію енергії за рахунок отриманих екологічно чистих добрив у вигляді збродженого субстрату по формулі (3.6)

Дж,
(3.6)

, Дж,
(3.6)

де – питомі енергетичні витрати на виробництво 1м3 рідких добрив, МДж/м3. В розрахунках рекомендується приймати = 400 МДж/м3.


скачати

© Усі права захищені
написати до нас