Проектирование системы теплоснабжения предприятия КРС от Биогазовой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО “Государственный аграрный университет Северного Зауралья“

Механико-технологический институт

Кафедра “Энергообеспечение сельского хозяйства”

Специальность 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

Курсовой проект

по: «Проектированию систем энергообеспечения предприятий»

Проектирование системы теплоснабжения предприятия КРС от Биогазовой установки

Выполнил

студент 5 курса

группы Э-057 б

Герасимов Михаил Николаевич

Руководитель проекта

Преподаватель

Злобина С.И.

Тюмень - 2014



1. Климатические условия города Краснодара

помещение вентиляция вытяжной приточный

Климат Краснодара -- умеренно-континентальный, с мягкой зимой и жарким летом.

Климат Краснодара формируется под воздействием воздушных масс приходящих с не замерзающих Черного и Азовского морей. Температура воздуха имеет резко выраженный годовой ход, среднегодовая температура в городе Краснодаре составляет 10,8⁰ С.. Преобладающими ветрами являются восточные, в весенне-летний период носящие суховейный характер. В летний период, как правило, увеличивается повторяемость западных влагонесущих потоков.Средняя температура в Краснодаре зимой в январе колеблется от - -2-5 до + 10 0С, что в значительной степени определяет благоприятный климат. Летом и осеню, вплоть до середины октября, температура воды в море держится на уровне + 22-25⁰С, а воздуха + 25- 35⁰С. Периодические теплые летние дожди не бывают продолжительными.

Рассматриваемая территория характеризуется следующими климатическими параметрами:

- средняя годовая температура воздуха - +12,1 °C;

- средняя температура воздуха самого холодного месяца в году - января, - 0,6 °C;

- средняя температура воздуха самого теплого месяца - июля, +24,1 єС;

- абсолютный минимум температуры воздуха - ?32,9 єС;

- абсолютный максимум температуры воздуха - +40,7 єС;

- годовая абсолютная амплитуда колебания температуры воздуха - 73,6 єС;

- относительная влажность воздуха составляет в среднем 74% (Влажность воздуха изменяется по месяцам от 68% до 83%. Наибольшие величины влажности приходятся на холодные месяцы, наименьшие - на весенние месяцы.);

- сумма осадков за год составляет 735 мм, за теплый период выпадает 365 мм;

- продолжительность периода с устойчивым снежным покровом - 60 дней;

- средняя годовая скорость ветра составляет 2,4 м/сек.

2. Расчет размеров помещения и краткая характеристика технологических процессов и оборудования

Длинна боксового помещения складывается из 2 пристеночных проходов (по 1,5 м), длинны 10 боксов(2м). Длинна = 10*2+2*1,5=23м. Ширина помещения складывается из 2 пристеночных проходов (по 1 м), кормового прохода (2 м), ширины 2 боксов (по 2м) и ширины 2 кормушек (по 1 м). Она составляет 10 м (2х1+2+2х2+2х1).

Площадь стойлового помещения находится умножением длинны на ширину 23х10=230 м².

Так как в проектируемом коровнике имеется чердачное перекрытие, то кубатуру помещения можно рассчитать путем умножения площади помещения на высоту стен (3,5 м). Она составит 805 м ³ (123х3,5).

В проектируемом коровнике содержание беспривязное, в 2 рядах боксов по 10 в каждом ряду. Возле стен расположены пристеночные проходы шириной 1,5 м. Через всю длину здания по центру проходит кормовой проход, который служит для раздачи кормов. Его ширина 2 м.

Ряды боксов разделены между собой центральным проходом, который служит для выхода животных на выгульный дворик и в доильный зал. Его ширина 2 м.

Кормушки расположены возле кормового прохода для удобства раздачи кормов. Ширина кормушки 1 м, высота переднего края 0,7 м, заднего края 0,4 м.

Перекрытие: по балкам, настил из деревянных пластин толщиной 5 см, глинопесчаная смазка 2 см, слой опилок 15 см и сверху слой земли 5 см, без штукатурки. Толщина утеплителя 0,27 м.

Окна: раздельные с двойным остеклением.

Ворота: сплошные деревянные наружные ворота в количестве 2 двойных размером 2,2х2,2 м и 2 одинарных размером 2,2х2,0 м.

Стены: из обыкновенного кирпича на тяжелом растворе в 2,5 кирпича. Толщина кирпичей 0,665 м.

Раздача кормов механизирована при помощи кормораздатчика.

Вентиляция осуществляется на естественной тяге. Приток воздуха через подоконные щели, отток через вытяжные шахты.

3. Расчет объема вентиляции помещения

Вентиляция помещений производится с целью создания благоприятного микроклимата для здоровья и продуктивности животных, а также для сохранения строительных материалов и конструкций зданий.

В плохо вентилируемых помещениях у животных более часто возникают незаразные и заразные заболевания, что бывает связано с большими непроизводительными потерями для хозяйств.

Коровник на 20 животных с беспривязным содержанием коров.

Поголовье животных:

1 группа - нетели, живой массой 400 кг, их количество 20 голов;

Внутренние размеры коровника с чердачным перекрытием (без учета тамбуров): длина - 23 м, ширина -10 м, высота стены - 3,5 м, высота в коньке - 3 м.

Животноводческое помещение находится в г. Краснодаре. Нормативная температура в коровнике 10 ^ОС, относительная влажность 70%. Необходимо определить:

1. Часовой объем вентиляции (L) по влажности воздуха.

2. Кратность воздухообмена в час.

3. Объем воздухообмена на 1 центнер живой массы животного данного помещения (или на 1 голову животного или у кур на 1 кг живой массы).

4. Общую площадь сечения вытяжных и приточных каналов, а также их количество при вентиляции с естественным побуждением.

1. Часовой объем вентиляции (L) по влажности воздуха определяем по формуле:

(1.1),

где

L - количество воздуха (в м³), которое необходимо удалить из помещения за час, чтобы поддержать в нем относительную влажность в пределах нормы (40-85%), м³/ч;

Q - количество водяных паров (в г), которое выделяют находящиеся в помещении животные с учетом влаги испаряющейся с поверхности пола, кормушек, поилок, стен и других ограждений в час, г в час;

% - процентная надбавка от Q на испарение влаги со стен, ограждающих конструкций, пола и т.д.

q₁- абсолютная влажность воздуха помещений (в г/м³), при которой относительная влажность остается в пределах норматива;

q₂- средняя абсолютная влажность наружного воздуха (в г/м³) вводимого в помещение в переходный период (ноябрь и март) по данной климатической зоне.

Значение Q определяем по таблице: "Нормы выделения тепла, углекислого газа и водяных паров сельскохозяйственными животными и птицами" (средний удой коров примем за 15 л):

одна корова живой массой 400 кг и удоем 15 л выделяет 295 г/ч, тогда 20 голов выделяют 5900 г/ч

Для определения процентной надбавки используем таблицу: "Процентные надбавки к количеству влаги, выделяемой животными, на испарение воды с пола, кормушек, поилок, стен и перегородок". При удовлетворительном санитарном режиме, исправно действующей канализации, регулярной уборке навоза и применения соломенной подстилки в коровнике она составляет 10 %. Величину определим составив пропорцию:

Q - 100 %

x - 10%

(г/ч)

В коровнике температура воздуха 10°С и относительная влажность 70 % (таблица "Параметры микроклимата помещений для крупного рогатого скота").

Для расчета абсолютной влажности (q₁) используем таблицу: "Максимальная упругость водяного пара".

Нормативная температура воздуха в коровнике 10°С. Ей соответствует максимальная влажность 9,17. для определения абсолютной влажности при нормативной 70% составим пропорцию:



9,17 - 100%

q₁ - 70%

Значение q₂ берем как средние показатели температуры и абсолютной влажности в г. Краснодаре.

Абсолютная влажность наружного воздуха в г. Краснодаре. в ноябре 4,7 г/м³, в марте - 5,6 г/м³.

Полученные данные подставим в формулу (1.1)

Кратность воздухообмена в помещении определим по формуле:

(1.2),

где

Кр - кратность воздухообмена, показывает сколько раз в течение часа воздух в помещении необходимо заменить на новый, чтобы температура и влажность поддерживались на уровне нормативов;

L - часовой объем вентиляции, м³/ч;

V - объем помещения, м³.

V = 23х10х3,5 = 805 м³

раз в час

Определение объема вентиляции на 1 ц живой массы производим по формуле:



(1.3),

где

V₁ - объем вентиляции на 1 ц живой массы, м³/ч;

L - часовой объем вентиляции, м³/ч;

m - живая масса животных, ц.

m =20х4= 80 ц

Определение общей площади сечения вытяжных и приточных каналов, а также их количество при вентиляции с естественным побуждением.

Общую площадь сечения вытяжных шахт, обеспечивающих расчетный воздухообмен, определяим по формуле:

(1.4),

где

S₁ - общая площадь поперечного сечения вытяжных шахт, м²;

v - скорость движения воздуха в вытяжной шахте, м/с;

3600 - количество секунд в одном часу.

Для определения скорости движения воздуха в вентиляционной шахте (v) применяют таблицу: "Скорость движения воздуха в вентиляционных трубах (м/с) при разной высоте труб и при различных температурах воздуха внутри помещения и наружного воздуха".

Примем высоту вытяжных шахт 7 м. Разность температур рассчитаем по формуле:

t= t_вн -t_нар,



где

t - разность температур;

t_вн - температура воздуха внутри помещения;

t_нар - наружная температура воздуха.

Средняя температура наружного воздуха в переходный период в г.Краснодаре ноябрь - (9)°С, март - (7,6)°С, средняя температура

Следовательно, разница этих температур составит:

t = + 10°С - 8,3°С =1,7°С.

По таблице "Скорость движения воздуха в вентиляционных трубах (м/с) при разной высоте труб и при различных температурах воздуха внутри помещения и наружного воздуха" определим, что при данной разнице температур (1,7°С) и высоте вытяжной шахты (7 м) скорость движения воздуха составит:

v = 1,25 м/с.

Подставим все значения в формулу 1.4.

Таким образом ,общее сечение вытяжных шахт равно 1,13 м².

Количество вытяжных шахт (n₁) определяют по следующей формуле:

, (1.5),

где

S₁ - общая площадь сечения вытяжных шахт, м²;

s₁ - площадь сечения одной вытяжной шахты, м².

Эффективнее работают в коровнике трубы с сечением большим чем 1 м², поэтому можно установить 1 вытяжную шахту сечением 1,13 м.

вытяжная шахта

Общая площадь приточных каналов (S₂) составляет 60 % от общей площади вытяжных шахт и определяется по формуле:

S₂ = S₁ х 0,6 (1.7)

S₂= 1,13 x 0,6 = 0,7 м²

Количество приточных каналов (n₂) рассчитывается по следующей формуле:

(1.6),

где

S₂- общая площадь сечения приточных каналов, м ²

s₂ - площадь сечения одного приточного канала, м².

В коровнике приточные каналы могут быть выполнены в виде форточек, подоконных или надоконных щелей. Если подоконная щель имеет площадь 2,35 м х 0,12 м = 0,28 м², то подоконных щелей по 1 с каждой стороны.

4. Расчет теплового баланса

Для того, чтобы правильно решить вопрос оптимизации микроклимата в коровнике в холодный период года, проводим расчет теплового баланса. Под тепловым балансом понимают соотношение прихода (теплопродукции) и расхода (теплопотери) тепла в животноводческом помещении. Тепловой баланс можно представить в виде следующей формулы:

Qж = Qв + Qисп. + Qзд (2.10),

где

Qж - количество тепла, поступающего в помещение от животных, ккал/ч;

Qв - количество тепла, расходуемое на нагревание вентиляционного воздуха, ккал/ч;

Qисп. - количество тепла, необходимое на испарение влаги с пола, кормушек, оборудования здания, ккал/ч;

Qзд - количество тепла, которое теряется через ограждающие конструкции здания в наружную атмосферу, ккал/ч.

1. Расчет прихода тепла в помещении.

Расчет количества тепла, выделяемого животными, ведут по таблице "Количество тепла, углекислого газа и водяного пара, выделяемых сельскохозяйственными животными и птицей".

Определение количества тепла, выделяемого животными.

Таблица 1

Количество животных, голов	Живая масса, кг	Продуктивность, л	Свободного тепла от 1 животного, ккал/ч	Всего, ккал/ч
20	400	15	716	14320

Следовательно, от всех животных в помещение поступит свободного тепла Q жив. = 14320 ккал/ч.

2. Расход тепла на обогрев поступающего воздуха в помещение рассчитываем по формуле:

Qв = 0,24 х G х (t_вн - t_н) (2.11),



где

где 0,24 - теплоемкость воздуха, т.е. количество тепла в ккал, расходуемое на нагревание 1 кг воздуха на 1°С, ккал/кг/град;

G - количество воздуха в кг, удаляемого из помещения вентиляцией или поступающего в него в течение часа в январе месяце, кг/ч;

t_вн - температура воздуха удаляемого из помещения, °С;

t_н - температура воздуха поступающего в помещение в холодный период года (январь), °С.

Для перевода удаляемого воздуха из объемных единиц в весовые используем таблицу: «Объемная масса воздуха (м³/кг) при различной температуре и различном барометрическом давлении». В данном случае 1 м³ воздуха при нормативной температуре в коровнике 10 °С и нормативном барометрическом давлении 760 мм рт. ст. весит 1,274 кг. А также при расчете теплового баланса проводим корректировку расчета вентиляции на январь. q₂ определим по климатическим условиям Краснодара составит 5.15 г/ м³ .следовательно, часовой объем вентиляции в январе будет:

А масса воздуха, удаляемого из помещения в течение часа, соответствует G=5110х1,274=6510.4 кг. Средняя температура воздуха в Краснодаре в январе составляет +0.6°. Подставим полученные данные в формулу 2.11:

Qв=0,24х6510.4х(10-0.6)=14687.5 ккал/ч

3. Расчет расхода тепла на испарение влаги с поверхности пола и других ограждений (Q исп.) производят путем умножения количества испаряющейся с пола и других ограждений влаги на 0,595 ккал, т.е. на количество тепла в ккал, расходуемого на испарение 1 г влаги.

Q исп. = 590 х 0,595 = 351,05 ккал/ч.

4. Теплопотери на обогрев здания рассчитываются по формуле:

Q_.з.д..= ?k*F*(t_вн - t_н) (2.12),

где

- показатель того, что все произведения k x F суммируются;

k - коэффициент общей теплопередачи материала (в ккал/ч/м²/град);

F - площадь ограждающей конструкции, м²;

t_вн - температура воздуха удаляемого из помещения, °С;

t_н - температура воздуха поступающего в помещение в холодный период года (январь), °С.

Коэффициент общей теплопередачи (k) отдельных конструкций определяют по таблице: «Термические сопротивления и коэффициенты теплопередачи некоторых строительных ограждений. Значение R₀ и К для наружных стен с внутренней штукатуркой».

Коэффициент общей теплопередачи (k) отдельных конструкций находят в приложении (таблицы 16-19). Для нашего примера k бесчердачного перекрытия составляет 0,65, стен - 1,01, окон - 2,5, ворот и дверей - 2,0.

Площадь ограждающих конструкций рассчитывается следующим образом:

1. Площадь потолка (помещение с чердачным перекрытием) - путем умножения внутренних размеров длины и ширины помещения.

2. Площадь стен (помещение с чердачным перекрытием) - путем умножения наружного периметра помещения на высоту стен с учетом толщины потолка (толщины утеплителя) за минусом площади окон и ворот.

3. Площадь пола - по зонам:

1 зона - до 2 метров от стен;

2 зона - от 2 метров до 4 метров;

3 зона - от 4 метров до 6 метров и т.д.

При этом, в первой 2-х метровой зоне площадь пола примыкающая к углам наружных стен, учитывается дважды, т.е. при определении площади этой зоны берут полностью длину обеих наружных стен, образующих углы (по внутреннему периметру). Для удобства расчетов цифровой материал сводим в таблицу.

5. Определение теплопотерь через ограждающие конструкции здания

Таблица 2

Название ограждающей конструкции	k	F	к х F	t	Теплопотери, ккал/ч
Перекрытие	0,39	10х23=230 м2	89.7	9.4	843.2
Окна	2,3	3 х 0.7 х 6 = 12.6 м2	29	9.4	272.4
Ворота	2,0 4,0	2,2 х 2,2 х 2 = 9,68 м2 2,2 х 2,0 х 2 = 8,8 м2	19,36 35,2	9.4	982,08
Стены	0,89	Наружный периметр: ((10+0,665х2)+(23+0,665х2))х2= 51,32 м высота стен с учетом толщины потолка: 3,5+0,27=3,77 м площадь стен:51,32х3,77= 193.5 м2 за вычетом площади окон и ворот: 193.5-12.6-(9,68+8,8)= 162,4 м2	144,5	9.4	1358,6
Пол
1 зона	0,4	(23 х 2 х 2) + (10 х2 х2) = 132м2	52.8	9.4	469.3
2 зона	0,2	[ (23-4) х 2 х2] + [(10 -4) х 2 х2] = 100 м2	20	9.4	188
3 зона	0,1	(23-8) х (10-8) =30 м2	3	9.4	28.2
			?=4141.8

Перекрытие: по балкам, настил из деревянных пластин толщиной 5 см, глинопесчаная смазка 2 см, слой опилок 15 см и сверху слой земли 5 см, без штукатурки. Толщина утеплителя 0,27 м.

Окна: раздельные с двойным остеклением.

Ворота: сплошные деревянные наружные ворота в количестве 2 двойных размером 2,2х2,2 м и 2 одинарных размером 2,2х2,0 м.

Стены: из обыкновенного кирпича на тяжелом растворе в 2,5 кирпича. Толщина кирпичей 0,665 м.

Таким образом, теплопотери через ограждающие конструкции составляют 4141.8ккал/ час.

В зависимости от расположения здания к направлению господствующих ветров, по сторонам света и рельефу местности, помещение теряет дополнительно за счет обдувания еще 13 % тепла от теплопотерь ограждающих конструкций (стен, окон, ворот, дверей), т.е.

4141.8x 0,13 = 538.4ккал/ч.

Следовательно, общий расход тепла, необходимого на нагрев всех ограждающих конструкций коровника составит:

4141.8ккал/ч + 538.4ккал/ч = 4680.2ккал/ч.

Суммируем все теплопотери в помещении: на обогрев вентиляционного воздуха - 14687.5 ккал/ч, на испарение влаги с поверхности пола и ограждающих конструкций 351,05 ккал/ч, на обогрев ограждающих конструкций - 4680.2 ккал/ч. Расход тепла равен 19718.8 ккал/ч.

Подставляя полученные данные в формулу (2.10), определяем тепловой баланс помещения.

14320 ккал/ч = 14687.5ккал/ч + 351,05 ккал/ч + 4680.2 ккал/ч

Расчет показывает, что расход тепла превышает теплопоступления на 5399 ккал/ч(6,3 кВт/ч) (14320 ккал/ч - 19718.8 ккал/ч), что свидетельствует об отрицательном тепловом балансе коровника. Допускаются отклонения ± 10% к расчетным данным.

6. Расчет ГВС

Для животноводческих помещений максимальный поток теплоты, Вт/ч, расходуемой на горячее водоснабжение для санитарно-технических нужд (подмывание вымени, мытье молочной посуды, доильных аппаратов, молокопроводов, шлангов и другого оборудования, уборка помещений), подсчитывают по формуле

где Gv - часовой расход горячей воды, м3/ч; в - плотность воды, принимается равным 983 кг/м3; Св - удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кгоС); tг - расчетная температура горячей воды, равная 45 оС; tх - расчетная температура холодной (водопроводной) воды, принимаемая в зимний период равной 5 оС, а летний период 15 оС, - коэффициент неравномерности потребления горячей воды в течение суток, принимают = 2,5; ni - число животных данного вида в помещении; qi - среднесуточный расход воды на одно животное, кг, принимают для коров 15 кг, телят и молодняка 2 кг, свиноматок 3 кг, свиней на откорме 0,5 кг.

Ф_г.в.=2,5*20*(0,278*4,19*(45-5)/24)*15=1456,025 Вт/ч

Расчет биогазовой установки

Разность теплового баланса переведём в кВт/ч(12341,123ккал/ч = 6,3кВт/ч)

Прибавим потребность в горячей воде 6,3кВт/ч + 1,46кВт/ч = 7,76 кВт/ч

Определяем объем единовременной загрузки метантенка. Принимаем непрерывный способ загрузки. Объем метантенка рассчитан на все поголовье. Суточный объем загрузки определяется как масса суточных экскрементов, кг:



где - количество животных; - удельный выход экскрементов в сутки.

Суточный выход экскрементов:

m_сутэк=20·55=1100, кг.

Навоз загружается с подстилкой, необходимо применять поправочный коэффициент , учитывающий органическую массу подстилки.

Принимаем величину поправочного коэффициента .Выход навоза, кг/сут:

m'_сутэк=1100·1,5=1650, кг/сут.

В зависимости от условий содержания животных в навоз попадают вода, остатки корма, подстилка, земля. Анализ состава навоза с животноводческих ферм показал, что в нем в весовой доле от экскрементов может быть: технической воды от 20 до 100%, подстилки от 12 до 18%, остатков корма от 8 до 12% и земли до 10%.

При точном расчете необходимо определять долю каждого компонента, так как от их общей массы зависят затраты на подогрев. Остатки корма и подстилка влияют на суммарное содержание сухого органического вещества, а от количества воды напрямую зависит влажность всей смеси.

Однако для приближенных (оценочных) расчетов можно принять во внимание поправочный коэффициент, а содержание СВ, СОВ и влажность определяется по справочной литературе.

Определяем долю сухого вещества (СВ) в загружаемом материале, кг:



где - влажность массы экскрементов, %.

m_CB=1650 ·=1650 кг/сут.

Определяем долю сухого органического вещества (СОВ) в навозе, кг:

где - доля СОВ в сухом веществе навоза.

m_COB=1650·=1320 кг/сут.

Определяем выход биогаза при полном разложении СОВ навоза, м³:

где - выход биогаза из 1 кг СОВ различного исходного материала, м³/кг.

V_пол=0,045 · 1320=60 м³/сут.

Полезные характеристики установки:

Средний общий объём сырья: 1 т/сут.

Общий объем получаемого биогаза: 60 м3/сут.

Эквивалент возможной вырабатываемой эл. энергии, до 6 кВт/час

Дополнительно вырабатываемая тепловая энергии, до 7 кВт/час

Кол-во вырабатываемой только тепловой энергии, до 16 кВт/час

Технические характеристики установки:

Диаметр биореактора: 3.6 м

Конструкция биореактора модульная, длина модуля: 6 м

Полезный объем биореактора: 17 м3

Общая длина зигзагообразной конструкции биореактора: 2 м

Кол-во модулей (может наращиваться или уменьшатся): 1 шт.

Режим брожения: мезофильно-термофильный

Технологический процесс брожения: непрерывный

Время брожения: от 12 до 18 суток

Влажность загружаемого субстрата: 75 %

Избыточное давление биогаза: 2 кПа (200 мм. вод. ст.)

Температура брожения в мезофильной секции: от 30С до 40С

Температура брожения в в термофильной секции: от 45С до 57С

Количество жидких удобрений на выходе: 1 т/сут.

Период перемешивания: 4 раза в сутки по 10 минут

Размещено на Allbest.ru

...