Использование теплонасосных установок для обогрева субстрата при анаэробном сбраживание в метантенках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование теплонасосных установок для обогрева субстрата при анаэробном сбраживание в метантенках

Наби И.А.

Кошкин И.В.

Темирханова Х.З.

Биогаз - вещество, в процессе брожения метанового или водородного субстрата, получается газ. При метановом разложений органического вещества, участвуют три вида микроорганизмов. Последовательное питания одних видов бактерий заменяются другими видами. В первый вид принимаются гидролизные, ко второму относят кислотообразующие, и к третьим относят вид метанобразующих бактерий. Однако здесь может получаться биоводород, продуктом жизнедеятельности является не метан, а водород.

В статье рассматривается установка для переработки отходов животноводства и получения биогаза с подведением теплоты при помощи теплового насоса.

Биогазовая установка состоит из емкости, куда поступает отходы жизнедеятельности животных, в котором установлен теплообменник. Биореактор с внутренним теплообменником для подержания процесса сбраживания и выгрузным устройством, соединятеся с отстойником, где перебродившая масса делиться на жидкую и твердую фракций.

Теплота от блока утилизаций теплоты используется в зимний период для компенсаций тепловых потерь через стенки реактора с окружающей средой. Компрессорный тепловой насос работает только для предварительного подогрева субстрата, а в летний период для нужд потребителей.

В отстойнике смонтирован теплообменник для отбора теплоты от перебродившего субстрата. Теплообменник соединен с испарителем теплового насоса с помощью трубопроводов. В испарители теплового насоса происходит теплообмен между подготовленной водой и низко потенциальным хладагентом, который отдает свою тепловую энергию и направляется в конденсатор теплового насоса. Теплообменник располагается в емкости для предварительного нагрева, посредством трубопроода и соединен с конденсатором теплового насоса. В конденсаторе теплового насоса происходит теплообмен между высоко потенциальным хладагентом и водой, которая далее направляется в теплообменник, которая находится в емкости предварительного нагрева, где происходит теплообмен между подготовленной водой и поступившим субстратом из фермы. В результате теплообмена субстрат нагревается до определённой температуры, и поочередно поступает в метантенк. Весь выработанный биогаз используется для подогрева в ДВС для привода электрогенератора и компрессорного теплового насоса.

Технологическая схема предлагаемой установки приведена на рисунке 1. Установка состоит из (1) емкости предварительного нагрева, куда поступает субстрат из фермы КРС, (2) насос загрузки который закачивает субстрат в реактор (6) где происходит брожения навоза с выделением биогаза. (3) блок утилизаций теплоты от двигателя внутреннего сгорания, которая идет на частичный нагрев реакторов, (5) теплообменник в метантике по которым подержания теплоты субстрата на определенной температуре. (7) Емкость для сбора перебродившей массы. (8) Лопасти для перемешивания субстрата служат для. (9) тепловой насос. (10) теплообменник охладитель отбирает тепло от перебродившей массы и предает ее тепловому насосу, от куда происходит отдача полученной теплоты в теплообменник нагревать (11), где происходит нагрев подготовленного субстрата до определенной температуре..

Данный способ повышения эффеуктивности эксплуатации биогазовой установки путем отбора тепла от теплового насоса, предполагает рассммотрение теплотехнических параметров.

Рассчитывается величина количество тепла, отбираемая от перебродившего субстрата за характерное время суток.

По формуле [1]:

(1)

где где C_H - теплоемкость субстрата, 4, 18 кДж/(кг⁰С);

с_H- плотность субстрата, 1020 кг/м³;

V_H - суточная доза загрузки, 44010 кг/сут;

T_Н- конечная температура нагрева субстрата, задается технологическим процессом, равна 35⁰С;

T_{ОХ min} - температура эффлюента в отстойнике, необходимая для прекращения остаточного газовыделения, равняется 7 ⁰С.

Решая уравнение получаем, Дж:

Q_eff^max=44010·4, 18*1020 (35 - 7) 10-³/24*3600=60, 8

Среднесуточное количество рекуперируемого тепла по выражению, МДж [1.2]:

(2)

Q_p=1824, 288=6567, 4 МДж

Рисунок 1 - Технологическая схема системы теплоснабжения биогазовой установки. 1 - емкость предварительного нагрева; 2 - насос загрузки; 3 - блок утилизации теплоты от ДВС; 4 - насос циркуляции теплоносителя; 5 - теплообменник в реакторе ; 6 - анаэробный биореактор 7 - отстойник эффлюента; 8 - лопасти для перемешивания субстрата; 9 - компрессионный тепловой насос; 10 - теплообменник-охладитель; 11 - теплообменник

Рассчитается количество среднесуточного расхода тепла, необходимого для компенсаций теплопотерь емкости предварительно нагрева.

По выражению [1]:

Qк= к*F*(Тн-Тв)*10^-3*24(3)

где к-коэффициент теплопередачи Вт/м²*К

F-площадь поверхности емкости

Тн- температура субстра в емкости

Тв- температура наружного воздуха ?С

По формуле (3) строится зависимость необходимой энергий для обогрева емкости в течений года, и результаты отражаются на рисунке 2.

Рисунок 2 - Характеристика зависимости теплоты, требуемой для обогрева емкости тепловым насосом в течений года.

В таблице 1 приведены параметры для установки на 2934 головы скота среднестатистического хозяйства.

Определяется расход энергии на собственные нужды установки. Расход энергии состоит из суммы всех потерь, включая теплопотери трубопроводов в окружающею среду. в результате потери на обогрев составляют 497 МДж,

Потери греющего теплоносителя составили по расчетам 399, 24. МДж

Потери охлаждающего теплоносителя составляют 387 МДж

Суммарные потери составили 1283, 24 МДж

Зная сумарные потери определяется разность рекуперируемого тепла, которая составила 5282, 76 МДж.

На каждый градус энергий для обогрева субстрата в самый холодный период до определенной температуры около 27 Мдж энергий. Для того что бы повысить выделения биогаза в самый холодный период нам необходимо поднять температуру загружаемой массы. Из рисунка 4 мы видим, что температура загружаемой массы в зимний период равняется 5 градусам Цельсия, что в свою очередь большая часть выделяемого биогаза тратится для подержания самого процесса.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 1.

Среднее годовая мощность теплового насоса равняется 312 МДж. При принятии условия, что среднегодовая температура субстрата равно 23 градусам, предполагаемая эффективность установки увеличиться в несколько раз.

В таблице 2 приведены результаты расчетов по расходу энергий биогазовой установки с применением теплового насоса и проанализированы зависимости выходных и входных параметров биогазовой установки.

Как видно по результатам расчетов, если вывести среднегодовое потребления теплоты для загружаемой массы без теплового насоса оно равняется 4, 2 МДж. А так же среднегодовое потребления теплоты с применением теплового насоса равняется 2, 2 МДж. Разности данных числовых значений мы получаем значительную энергоэффективность установки. При определении среднегодовой величины генерируемого товарного и рабочего биогаза с помощью рекуперации тепла, , получили, что без использования теплового насоса она равна 6963 м³/год.

С использованием теплового насоса, значения равняется 9368, 6 м³/год. То есть на 2405, 6 м³/год биогаза сохраняется, и далее может быть использована на необходимые нужды хозяйства. Очевидно, что биогаз, выработанный установкой на подогрев субстрата, тратится в одинаковом количестве на весь период в один год.

Таблица 1 - Расчетные характеристики проектируемой установки

Таблица 2 - Вырабатываемое количество товарного биогаза в течений года

биогазовый тепловой насос энергетический

Литература

1. Биогазовые установки. Практическое пособие. Барбара Эдер, Хайнц Шульц, 2008.

2. Четошникова Л.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. - 69с

Размещено на Allbest.ru