Ресурсоощадні теплогідродинамічні процеси термостабілізації систем біоконверсії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український державний університет харчових технологій

УДК 536.24 : 628.477

Ресурсоощадні теплогідродинамічні процеси термостабілізації систем біоконверсії

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Степанов Дмитро Вікторович

Київ 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор Ткаченко Станіслав Йосипович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри теплоенергетики

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор Кулінченко Віталій Романович, Український державний університет харчових технологій, професор кафедри “Процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування”

кандидат технічних наук, доцент Пуховий Іван Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри теоретичної і промислової теплотехніки

Провідна установа

Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 27 “ березня 2002 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05. при Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68, ауд. А-311

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці УДУХТ за адресою:м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розіслано “ 19 ” лютого 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Філоненко

реактор біогазовий теплогідродинамічний енергозбереження

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Екологічно небезпечними наслідками діяльності людини є накопичення органічних відходів тваринництва. Їх неефективна утилізація призвела до значного погіршення екологічної ситуації навколо тваринницьких об'єктів. Біоконверсія органічних речовин в біогазовому реакторі є одним з найбільш ефективних методів переробки відходів. Але методи анаеробної біоконверсії в Україні зараз використовуються мало. Основною причиною є недостатня розробка енергетичних питань: термостабілізація реактора, підігрів субстрату, раціональне використання біогазу. Тому дослідження процесів теплообміну в реакторі, моделювання підсистем енергозабезпечення біогазових установок (БГУ) є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є подальшим розвитком наробок держбюджетної теми 82-Г-101 “Экологически чистые процессы утилизации отходов” (№ держ. реєстр. 0194У016748) у відповідності з програмою “Ноосфера” Міносвіти України №12-03/38 від 04.11.92. Підґрунтям та джерелом вхідної інформації для роботи є держбюджетна тема №82-Г-165 “Исследование многофакторного влияния органических отходов на экологическое состояние окружающей среды и разработка его улучшения при помощи биоконверсии” (№ держ. реєстр. 0197У012876). Дисертаційна робота виконана у відповідності до держбюджетної теми № 82 Д-219 “Синтез методів моделювання складної біотехнологічної системи, що самоорганізується, з метою зменшення впливів керування” (№ держ. реєстр. 0100U002935). Теми №82-Г-165 і № 82 Д-219 виконані згідно з тематичним планом НДР Міністерства освіти і науки України у відповідності до приоритетного напрямку “Охорона навколишнього середовища” затвердженого Постановою Верховної Ради України від 16.10.1992 р. № 2705 - ХІ.

Мета дослідження - розробка методів організації теплогідродинамічних процесів в реакторі БГУ з метою ресурсо- і енергозбереження.

Для реалізації цієї мети автор розв'язує наступні задачі :

Аналіз існуючих підсистем енергозабезпечення БГУ та відповідного устаткування.

Розробка елементів синтезу підсистеми енергозабезпечення БГУ. Розробка математичної моделі підсистеми термостабілізації реактора з урахуванням мікробіологічних особливостей технологічного процесу.

Дослідження вільноконвективної тепловіддачі від твердої стінки до об'єму води та суспензії за наявності теплообміну об'єму з навколишнім середовищем.

Дослідження впливу різних варіантів підведення газової фази на тепловіддачу від твердої стінки до одно-, дво- та трифазного середовища.

Дослідження гідродинамічної ситуації і тепловіддачі від твердої стінки до локального нерівномірного газорідинного середовища, створеного в області теплообмінної поверхні.

Узагальнення отриманих результатів. Розробка методики розрахунків підсистем термостабілізації та енергозабезпечення біогазових установок.

Об'єктом дослідження є біогазова установка.

Предметом дослідження є теплогідродинамічні процеси в реакторі БГУ.

Дослідження теплообміну здійснювалося методами фізичного експерименту, обробка результатів - методами прикладної статистики, дослідження роботи підсистем за допомогою числових експериментів.

Наукова новизна :

Набули подальшого розвитку методи синтезу БГУ в аспекті підсистем термостабілізації та енергозабезпечення.

Вперше досліджено та у співставленні проаналізовано вплив різних способів організації конвекції в об'ємі на інтенсивність тепловіддачі від твердої стінки до дво- і трифазного середовища.

Вперше виявлено та встановлено закономірності впливу нерівномірності підведення газу на тепловіддачу від твердої стінки до локального нерівномірного газорідинного середовища.

Практичне значення та реалізація результатів досліджень. Результати роботи є основою для розробки і вдосконалення роботи систем біоконверсії, підсистем термостабілізації реакторів харчової, переробної, хімічної промисловості. Вони передані для впровадження в процесі розробки підсистем термостабілізації та енергозабезпечення БГУ з переробки відходів тваринницьких об'єктів ТОВ “Господарство Голубівка” Калинівського району та агрофірми “Світанок” с. Непедівка Козятинського району Вінницької області.

Створені в процесі досліджень фізичні моделі використовуються в лабораторних роботах “Дослідження вільноконвективної тепловіддачі до об'єму рідини за наявності теплообміну об'єму з навколишнім середовищем”, “Дослідження теплообміну в умовах локального нерівномірного газорідинного середовища”, “Біогазова установка” для студентів спеціальності 7.090510 - теплоенергетика в рамках дисциплін “Тепломасообмін”, “Системи виробництва та розподілу енергоносіїв промислових підприємств”.

Особистий внесок здобувача полягає у :

розробці математичної моделі підсистеми термостабілізації реактора БГУ з урахуванням мікробіологічних особливостей технологічного процесу;

проведенні досліджень та узагальненні результатів вільноконвективного теплообміну в об'ємі середовища за наявності впливу теплообміну об'єму з навколишнім середовищем;

проведенні досліджень та узагальненні результатів досліджень теплообміну та гідродинаміки за умов створення одно-, дво- і трифазного середовища в діапазонах параметрів, що відповідають умовам експлуатації реакторів БГУ;

проведенні числових експериментів на математичних моделях з аналізом отриманих результатів.

Апробація роботи. Основні положення роботи були предметом доповідей та обговорення на наукових конференціях ВДТУ, VIII Всеукраїнській науково-технічній конференції аспірантів та студентів “Охрана окружающей среды и рациональное природопользование” (Донецьк, 1998р.), VI Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розробки та впровадження енергоефективного обладнання в харчовій та переробній промисловості” (Київ, 1999 р.), VIII Всеукраїнській конференції з міжнародною участю “Екологія, людина, суспільство” (Київ, 2000 р.), І Міжнародній конференції “Нетрадиційні поновлювальні джерела енергії як альтернативні первинним в регіоні” (м. Львів, 2001р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць, в тому числі 5 у журналах, що входять до відповідного Переліку ВАК України.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, бібліографії, додатків. Основний матеріал викладено на 115 сторінках машинописного тексту, ілюстровано 49 рисунками. Бібліографія містить 204 найменування робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, показано значення роботи, результати її впровадження в наукову та промислову практику.

У першому розділі розглянуті основи технологічного процесу анаеробної біоконверсії. Розглянуто апаратно-схемне оформлення і характеристики ряду БГУ. Особливу увагу приділено підсистемам термостабілізації реактора, розглянуті різні методи та устаткування. Оцінено розробки по моделюванню систем з БГУ.

Зроблено аналіз процесів теплообміну та гідродинаміки в елементах установки. Розглянуто методи та розрахункові залежності для визначення інтенсивності вільноконвективного теплообміну в об'ємі рідини та суспензії. Проаналізовані методи інтенсифікації теплообміну, виявлено, що найбільш доцільний - підведення газової фази в об'єм середовища. Розглянуті методи та розрахункові залежності для визначення інтенсивності теплообміну від твердої стінки до газорідинного та трифазного трикомпонентного середовища.

Показано, що недостатня увага до теплоенергетичних питань унеможливлює досягнення ефективної роботи установки. Встановлено, що недостатність інформації про методи визначення інтенсивності теплообміну в умовах, які відповідають теплообміну в реакторі БГУ, не дає змоги підтримувати ресурсо- та енергоощадні режими роботи теплотехнологічного устаткування. Сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі показана розробка елементів синтезу підсистеми енергозабезпечення БГУ. В процесі аналізу системи біоконверсії запропоновано використовувати багатокритеріальні методи. Одним з основних критеріальних обмежень є витрати на енергозабезпечення БГУ. В процесі синтезу підсистеми енергозабезпечення доцільно користуватися ітерактивним методом, що полягає у формуванні схем живлення евристичними методами на основі узагальненої схеми з подальшим аналізом гіпотетично сформованих варіантів. Критерієм якості ланцюга узагальненої схеми обрано термоекономічний критерій, але й можливе використання показників в грошових одиницях. Аналіз гіпотетичних варіантів схем живлення енергією БГУ з вибраним температурним режимом, конструкцією та поверхнею теплообмінного пристрою, характеристиками та розмірами теплової ізоляції доцільно проводити, використовуючи дворівневу структуру: 1) вибір оптимального ланцюга від кожного з можливих джерел до БГУ; 2) вибір джерела з оптимальною величиною критерія ефективності.

Найважливішою складовою процесу забезпечення тепловою енергією є термостабілізація реактора БГУ. Попередня оцінка виявляє необхідність встановлення значних площ теплообмінних поверхонь в реакторі, тому особливу увагу приділено підсистемі термостабілізації. В її складі - устаткування для підготовки носія з визначеними параметрами, теплоізоляція реактора, теплообмінне устаткування для безпосереднього підведення енергії до субстрату.

Математична модель підсистеми термостабілізації реактора базується на відомих залежностях, але специфіка об'єкту потребує врахування мікробіологічних особливостей середовища - чутливості субстрату до коливання температури в об'ємі

t_реж + t_реж t_ст.р > t_реж - t_реж , t_реж + t_реж t_ст.то > t_реж - t_реж , (1)

де t_реж , t_реж , t_ст.р , t_ст.то - температурний режим в реакторі, допустимі відхилення для даного режиму, температура стінки реактора, температура стінки теплообмінника.

Для побудови замкненої моделі є необхідність у проведенні експериментальних досліджень тепловіддачі від стінки до середовища в умовах, що відповідають реактору БГУ.

Запропонована модель може бути використана для визначення ефективності термостабілізації реактора БГУ в умовах різних температурних режимів в реакторі, температур навколишнього середовища, джерел живлення.

Третій розділ присвячений опису експериментальної установки і методики проведення досліджень.

Ємкість з прозорими стінками 1, що має розміри основи 600 320 мм заповнена середовищем на висоту 190 мм. На глибині 110 мм під рівнем встановлений тепловидільний елемент (ТВЕ) 2, в середині якого розміщений прямий електричний нагрівник довжиною 340 мм, електричним опором 40 Ом, зовнішнім діаметром 14 мм. Він встановлений в товстостінну трубку, виготовлену із сталі Ст3. Зовнішній діаметр трубки 25 мм, внутрішній 16 мм. Найменша відстань від теплообмінної поверхні до огороджувальних стінок складає 145 мм.

Напруга на нагрівник подається через блок 3 живлення ЛИПС - 68, навантаження контролюється лабораторним амперметром Э59 і вольтметром Щ4313. Вимірювання температур здійснюється за допомогою 15 хромель-копелевих термопар (типу L), з індивідуальним градуюванням. Діаметр дротів 0,2 мм. Термопари зварені під дистильованою водою. Індивідуальне градуювання здійснювалось в термостаті ТЛ-4. Як зразковий термодатчик використовувалась термопара ПП10/0 (типу S) ІІ розряду.

Проградуйовані термопари ізольовані термостійким лаком. Для зменшення тепловідводу по дротах термопар, що вимірюють температуру стінки, вони розміщені в повздовжних канавках, профрезерованих на трубі. Зверху канавки закриті пластинами із електродної сталі. Поверхня трубки зачищена. Гарячі спаї термопар прикріплені на метал труби і місце контакту вкрите лаком. Холодні спаї дванадцяти термопар на трубі і трьох термощупів 4 для вимірювання температури середовища в ємкості термостатовані за температури 0 ⁰С. Подовжувальні дроти зведені на перемикач марки ПТИ-М. Температура повітря в приміщенні вимірюється термометром ТЛ-4. Вимірювання термо-ЕРС проводиться компенсаційним методом за допомогою потенціометра Р330 і цифрового вольтметра марки Щ300. Термопарами вимірюється температура в різних місцях стінки елементу та в різних місцях об'єму рідини. Координата щупа визначається за допомогою метричної лінійки. В основному досліджено поле температур в горизонтальній та вертикальній площинах, що проходять через вісь ТВЕ.

В процесі створення газорідинного середовища виникла проблема рівномірного розподілу невеликої витрати газу вздовж ТВЕ. На наш погляд, недоцільно використовувати барботувальний пристрій (БП) з великою кількістю малих отворів з діаметром значно менше 1 мм. Тому в об'ємі середовища на відстані 10 мм від дна ємкості встановлена гребінка з рівномірно розташованими по довжині ТВЕ отворами діаметром 1,5 мм. На отвори повітря надходить з двох протарованих скляних посудин , звідки воно витісняється почергово з водопровідної мережі. Загальний об'єм посудин 33 літри. Температура води, якою витісняється повітря, несуттєво відрізняється від температури води в ємкості з ТВЕ. Тиск в резервуарах виміряється диференціальними манометрами, об'ємна витрата води - за допомогою мірної лінійки та секундоміра. Частка поверхні, що омивається газорідинним середовищем визначається за допомогою мірної лінійки з ціною позначки 2,5 мм. Попередні експерименти виявили, що використання повітря, недогрітого до температури середовища в об'ємі, не призводить до значного відхилення коефіцієнта тепловіддачі. В процесі дослідження в якості середовища в ємкості використовувалась вода та суміш води з хлібними крихтами масовою концентрацією С = 3,5 % і С = 8 %.

За визначальний розмір в процесі досліджень вільноконвективного теплообміну та теплообміну за умови природної циркуляції середовища в каналі, прийнято зовнішній діаметр ТВЕ. За умови тепловіддачі від стінки до газорідинного та трифазного середовища прийнято масштаб товщини пристінного в'язкого шару L . Відносна похибка визначення питомого теплового потоку 2,1…4,3 %. Похибка вимірювання температур середовища та стінки складає до 0,1 ⁰С, похибка визначення температурного напору 0,68…12 %. Відносна похибка визначення коефіцієнту тепловіддачі 2,78…14,5 %.

У четвертому розділі проведений аналіз і узагальнення результатів експериментальних досліджень вільноконвективної тепловіддачі від твердої стінки до об'єму середовища, за умови сталого теплового потоку і теплообміну об'єму з навколишнім середовищем. Врахування останнього пов'язано з тим, що за умови встановлення теплообмінної поверхні біля зовнішньої стінки реактора БГУ на тепловіддачу від нагрівника до субстрату впливає конвекція, викликана потоком втрат теплоти через зовнішні стінки в навколишнє середовище.

Дослідження розподілу температур на відстані від елемента виявило , що для умов експерименту визначальну температуру рідини слід приймати на відстані 2 діаметрів від вісі елемента в горизонтальному напрямку. Для оцінки впливу теплообміну рідини з навколишнім середовищем через огороджувальні стінки на вільноконвективну тепловіддачу від нагрівного елементу до середовища проведено порівняння результатів експерименту із відомою розрахунковою залежністю П.Н. Брдліка, В.С. Купцової, В.Г. Малініна для умов сталого теплового потоку q = const

, (2)

де Nu, Pr - критерії Нусельта та Прандтля ; R, d - радіус та діаметр ТВЕ ; , , - коефіцієнти об'ємного розширення, теплопровідності та кінематичної в'язкості, що вибираються за температурою середовища вдалині від стінки.

Дослідження проводилися за умов q = 0,5…17 кВт/м², t_р = 22…35 ⁰С. Для даної установки розроблена поправка на вплив теплообміну з навколишнім середовищем

, (3)

де _розр - інтенсивність тепловіддачі, розрахована із використанням залежності (2);

q_* - теплове навантаження на об'єм посудини, Вт/м³.

Результати показали, що вплив теплообміну з навколишнім середовищем призводить до підвищення інтенсивності тепловіддачі від стінки ТВЕ до об'єму рідини. Тому температура стінки теплообмінника за наявності такого впливу менше розрахункової температури без нього, а питомий тепловий потік - більший розрахункового.

Результати дослідження вільноконвективної тепловіддачі до водного середовища та суспензії в діапазоні параметрів q = 0,5…17 кВт/м² , t_с = 23…43 ⁰С показали, що коефіцієнти тепловіддачі до суспензії з С = 3,5 % відрізняються не більше ніж на 12 %, а до суспензії з С = 8 % - не більше ніж на 20 % від коефіцієнтів тепловіддачі до водного середовища.

В п'ятому розділі наведені результати дослідження гідродинамічної ситуації та теплообміну за умов підведення газової фази в об'єм середовища. Підведення газу в об'єм середовища можна реалізувати різними способами. Для оцінки впливу способу організації конвекції в об'ємі проведені експериментальні та розрахункові дослідження для різних варіантів компонування теплообмінної поверхні і отворів БП.

Дослідження інтенсивності тепловіддачі приводилися в водному середовищі та суспензії. Ступінь нерівномірності підведення газової фази характеризує параметр n_L . Він визначається як відношення довжини ТВЕ в 1 м до довжини відстані між сусідніми отворами БП. Зведена швидкість газової фази w_гт визначається відношенням витрати газу V_г до добутку довжини елемента на його діаметр. Основні параметри змінювалися в діапазоні: q = 1…17 кВт/м² , t_р = 22…40 ⁰С, n_L = 17,6, w_гт = 0,005…0,016 м / с .

Таблиця

Методи організації теплообміну в умовах зовнішньої задачі в одно-, дво- і трифазному середовищах

№ п/п	Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2К)	Ефект інтенсифікації тепловіддачі в порівнянні з значенням	Примітка
		розр	V, Q
1	Вода	300…500 550…700	1	1	за (2)*
	Суспензія	550…700 400…600			С=3,5% С=8%
2	Вода	1350…1500	2,7…5	1,93…2,73	*
	Суспензія	1000…1100 900…1020	2...3,67 1,5…2,55	1,43…2 1,8…3,4	С=3,5% С=8%
3	Вода	2500…2750 1900…2100	5…9,17 3,6…6,9	3,57…5 2,6…3,76	** *
	Суспензія	1350…1500 1150…1300	2,7…5 1,92…3,25	1,93…2,73 2,3…4,33	С=3,5% С=8%
4	Вода	350…600	1,17…1,2	---	***
	Суспензія	---	---	---	---
5	Вода	1750…1850 1900…2200	3,5…3,17 3,8…7,33	2,5…3,36 2,71…4	* ****
	Суспензія	1080…1250 950…1100	2,16...4,17 1,58…2,75	1,54…2,27 1,9…3,67	С=3,5% С= 8%
6	Вода	2100..2400	4,2…8	3…4,36	*
	Суспензія	1560…1750 1450…1560	3,12…5,83 2,42…3,9	2,23…3,18 2,9…5,2	С=3,5% С=8%

Позначення: * - результати експериментальних досліджень даної роботи; ** - розрахунок за формулою (5); *** - розрахунок за формулами Сперроу, Пфайля; **** - розрахунок за формулами Жукаускаса для вимушеного поперечного омивання на основі орієнтовної швидкості підйомного потоку рідини

В процесі проведення досліджень на суспензіях з варіантами, що відповідають схемам пп. 3 та 6 таблиці візуально спостерігалася відсутність налипання твердих частинок на теплообмінну поверхню. Коефіцієнти тепловіддачі від стінки до суспензії з концентрацією сухих речовин С = 3,5 % складали 61…77 % , а з С = 8 % відповідно 54…69 % від показника для води.

Більш детально досліджувались гідродинаміка та теплообмін для варіанту локального підведення газової фази в область теплообмінної поверхні (п. 3 таблиці).

Гідродинамічною характеристикою локального по об'єму посудини і нерівномірного по довжині ТВЕ газорідинного середовища є частка поверхні ТВЕ , що омивається газорідинним середовищем за умов нерівномірного підведення газової фази. За допомогою програми статистичної обробки даних Statistica 5.0, використовуючи метод Квазі-Ньютона з коефіцієнтом детермінації R = 0,986, для n_L = 2,94…17,6 , w_гт = 0,005…0,015 м/с отримано

(4)

Дослідження тепловіддачі до локального нерівномірного газорідинного середовища проводилися в діапазоні параметрів: n_L = 2,94…17,66 , w_гт = 0,005…0,015 м / с, t_р = 22…34 ⁰С, q = 0,5…15 кВт/м² . Аналіз розрахункових залежностей інших авторів показав відсутність надійних методів визначення тепловіддачі для умов даних досліджень. В наведеному діапазоні параметрів залежності різних авторів для інтенсивності теплообміну в умовах масового барботування відрізняються незначно. Для порівняння з експериментальними коефіцієнтами тепловіддачі обрано залежність Мухльонова та ін.

(5)

В процесі побудови емпіричної залежності за лінійний розмір доцільно приймати масштаб прикордонного шару . В процесі обробки результатів, виявилося, що вплив питомого теплового потоку на інтенсивність теплообміну незначний. Основний фактор, що впливає на тепловіддачу, - конвективні токи, утворені підйомом газових потоків.

Основний фактор, що впливає на тепловіддачу, - конвективні токи, утворені підйомом газових потоків. Нерівномірність підведення газової фази викликає нерівномірність температурних напорів на різних ділянках по довжині ТВЕ. Через дискретність встановлення термопар ускладнюється визначення осередненого температурного напору. В роботі визначені і враховані відповідні поправки до показників інтенсивності тепловіддачі.

Нерівномірність підведення газової фази викликає нерівномірність температурних напорів на різних ділянках по довжині ТВЕ. Через дискретність встановлення термопар ускладнюється визначення осередненого температурного напору. В роботі визначені і враховані відповідні поправки до показників інтенсивності тепловіддачі.

Використовуючи програму Statistica 5.0, за допомогою метода Хука-Дживиса з коефіцієнтом детермінації R = 0,975 отримана залежність (6), а для узагальнення результатів з залежністю (5) методом Квазі-Ньютона з R = 0,961 отримано вираз (7).

, (6)

(7)

Співставлення коефіцієнтів залежностей (5) і (7) дозволяє оцінити, що для барботажного колонного апарату розрахункова величина n_L = 80…100 . А це відповідає геометричним характеристикам стандартних перфорованих граток колонних газорідинних апаратів.

Виходячи з фізичного змісту, осереднена різниця температур між стінкою та середовищем за умови локального нерівномірного газорідинного середовища визначається

t_ср = q / _ср = t_дф + (1 - ) t_оф , (8)

де t_дф , t_оф - середня різниця температур в областях двофазного та однофазного омивання поверхні, які визначаються за виразами t_дф = q / _дф , t_оф = q / _оф .

Під час розрахунку величини _оф в якості початкових даних вибрані умови проведення дослідів, інтенсивність тепловіддачі _дф визначається за рівнянням (5), а осереднена інтенсивність тепловіддачі _ср розрахована за (6). Виявлено, що тепловіддача на ділянках однофазного омивання складає 1050…1700 Вт/(м²К). Візуальними спостереженнями виявлено, що в області ТВЕ, де відсутні потоки газової фази, виникають підйомні токи рідини. Використовуючи відомі підходи до визначення інтенсивності теплообміну за умов вимушеного поперечного омивання горизонтальної циліндричної поверхні, оцінено, що орієнтовна середня швидкість підйомного руху рідини складає 0,05…0,1 м/с. А розрахункова швидкість підйому бульбашок складає 0,244 м/с. Таке співвідношення швидкостей, на нашу думку, допустиме. Підстановка апроксимованої залежності для швидкості підйомного руху рідини біля ділянок з однофазним омиванням, а також залежностей (4), (5) та (6) в (8) дасть вираз



(9)

На даному етапі досліджень тепловіддачі до локального нерівномірного газорідинного середовища, на нашу думку, для визначення коефіцієнту тепловіддачі доцільніше використовувати

регресійну напівемпіричну залежність (7) або розрахункову залежність (9).

У шостому розділі наведений аналіз результатів числових експериментів на моделях підсистем енергозабезпечення БГУ та термостабілізації реактора. Представлені і проаналізовані результати моделювання підсистеми термостабілізації реактора БГУ. Розраховані величини витрат енергетичного характеру та зведених витрат в ексергетичних одиницях на термостабілізацію реакторів різних об'ємів в різних температурних режимах.

Виявлено, що раціональні процеси термостабілізації можливі за наявності теплоізоляційного шару з термічним опором біля 2,5 м²К/Вт. Розрахунки показують, що можливо проводити процеси стабілізації температури з витратами біогазу не більше 30%. Показано, що частка ексергії, що витрачається на підсистему термостабілізації від виробленої з біогазом найбільша для психрофільного режиму зброджування, а найменша для термофільного, але враховуючи витрати на попередній підігрів субстрату перед зброджуванням витрати на цей режим будуть також значними.

Числовий експеримент на моделі підсистеми енергозабезпечення БГУ дозволяє оцінити зведені витрати на підсистему за умов різних джерел енергії. Крім того, проведений аналіз доцільності застосування методу інтенсифікації тепловіддачі, схема якого показана в п. 5 таблиці.

За умов використання корозійностійкого матеріалу для теплообмінного пристрою економія витрат на теплообмінній поверхні більше витрат на барботування газом. За умов встановлення теплообмінника з вуглецевої сталі є межі доцільності, пов'язані з глибиною занурення отворів БП.

За результатами проведених досліджень побудована замкнена модель підсистеми термостабілізації реактора та енергозабезпечення БГУ. Математичний опис оснований на відомих залежностях, але з урахуванням мікробіологічних особливостей процесу і оригінальних формул отриманих в даній роботі.

Особливості методики полягають в наступному:

Використовується ітеративний метод побудови схеми живлення з урахуванням особливостей базової теплотехнологічної системи.

Температурне поле в реакторі нерівномірне, ступінь нерівномірності визначається рівнем теплоізоляції, її термічним опором, збереженням якості.

Теплова потужність підсистеми термостабілізації реактора змінюється від 10% до 100 % в залежності від пори року.

Необхідно витримати діапазони коливань температури на стінках реактора та теплообмінника.

Методика дозволяє теплогідродинамічну ситуацію в реакторі БГУ розв'язувати, змінюючи топологію теплообмінника і режими таким чином, щоб забезпечити потрібний тепловий потік, витримати температури стінок, і швидкості теплоносія в межах допустимих значень.

ВИСНОВКИ

На даний час для систем біоконверсії процеси термостабілізації досліджені недостатньо.

Побудова математичних моделей підсистем енергозабезпечення БГУ та термостабілізації реактора виявила недостатність інформації для розрахунку теплообміну в елементах систем біоконверсії і зумовила проведення відповідних досліджень.

За допомогою створеної експериментальної установки проведені дослідження теплогідродинамічних процесів в умовах, що відповідають особливостям роботи реактора БГУ.

Дослідження проведені з використанням напрацьованого досвіду теплотехнічного

експерименту, за допомогою сучасних методів статистичної обробки експериментальних даних.

5. В процесі аналізу результатів досліджень:

встановлено закономірності впливу теплообміну рідини з навколишнім середовищем через огороджувальні стінки на інтенсифікацію вільноконвективної тепловіддачі від твердої теплообмінної поверхні до об'єму рідини;

відзначено, що коефіцієнти вільноконвективної тепловіддачі від твердої стінки до суспензії в діапазоні концентрації сухих речовин 3,5 … 8 % на 12…20 % менші коефіцієнтів тепловіддачі до водного середовища;

виявлено та проаналізовано вплив 6 методів організації конвекції на тепловіддачу від твердої стінки до одно-, дво- і трифазного середовища;

встановлено, що інтенсивність тепловіддачі від твердої стінки до локального нерівномірного газорідинного середовища визначається кількістю та мірою нерівномірності підведення газової фази в об'єм середовища, причому інтенсивність тепловіддачі збільшується із збільшенням подачі газу і зменшенням нерівномірності його підведення.

6. В роботі запропоновані :

емпірична залежність для врахування впливу теплообміну рідини з навколишнім середовищем через огороджувальні стінки на вільноконвективну тепловіддачу від нагрівної поверхні до рідини за умови q = const в діапазоні параметрів Gr* = (0.98…57)10⁶ , Рr = 4,87…6,7 ;

залежності для визначення інтенсивності тепловіддачі від твердої стінки до локального нерівномірного газорідинного середовища в діапазоні параметрів q = 1…15 кВт/м², w_гт = 0,005…0,015 м/с, Рr = 4,87…6.7, міра нерівномірності n_L = 2,94…17,66 ;

оцінки інтенсифікації вільноконвективної тепловіддачі від твердої стінки до водного середовища та суспензії з концентраціями твердих частинок 3,5 % та 8 % за умов різних методів підведення газової фази в об'єм середовища, причому найбільша інтенсифікація тепловіддачі відбувається за умови підведення газової фази в область теплообмінної поверхні огородженої вертикальними стінками і складає 3…4,36 рази для водного середовища, 2,23…3,18 рази для суспензії з С = 3,5 % і 2,9…5,2 рази для суспензії з С = 8 %;

замкнена математична модель підсистеми термостабілізації реактора БГУ, яка побудована з урахуванням мікробіологічних особливостей технологічного процесу і отриманих в роботі залежностей;

методика розрахунку підсистеми термостабілізації реактора;

методика розрахунку підсистеми енергозабезпечення БГУ в складі теплотехнологічної системи господарства.

Отримані в роботі результати дозволяють розраховувати теплогідродинамічні процеси в одно-, дво- і трифазних середовищах, можуть бути застосовані в процесі розробки підсистеми термостабілізації реактора та енергозабезпечення БГУ та інших об'єктів харчової, переробної, хімічної галузей.

ПУБЛІКАЦІЯ ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ ДИСЕРТАЦІЇ

Ткаченко С.Й., Степанов Д.В. Мінімізація витрат ексергії на живлення біогазової установки енергією. //Вісник ВПІ, № 4, 2000, - С. 50 - 56.

Степанов Д.В. Моделювання системи термостабілізації реактора біогазової установки. //Вісник ВПІ, № 6, 2000. - С. 25 - 29.

С.Й. Ткаченко, Д.В. Степанов. Потенційні можливості виробки енергії методами біоконверсії // Вісник ВПІ, № 1, 2001, - С. 20 - 24.

Ткаченко С.Й., Степанов Д.В., Співак О.Ю. Стабілізований теплообмін в системі : нагрівальний елемент - обмежений об'єм рідини - навколишнє повітря // Вісник ТУП, № 1, 2001, - С. 134 - 139.

Ткаченко С.Й., Степанов Д.В. Дослідження інтенсивності тепловіддачі при встановленні теплообмінної поверхні в локальному нерівномірному газорідинному середовищі //Вісник ВПІ, 2001, № 3. - С. 54 - 59.

Ткаченко С.Й., Степанов Д.В., Ларюшкін Є.П. Теплогідродинамічні процеси в маловитратних системах біоконверсії //Нетрадиційні та поновлювальні джерела енергії як альтернативні первинним джерелам в регіоні : Збірник наук. тр. І Міжнародної конф. - Львів. - 2001. - С. 228 - 232.

Степанов Д.В. Ефективність трицільової біогазової установки /Збірник доповідей VIII Всеукраїнської наукової конференції аспірантів та студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. Том. 1. - Донецьк: ДонДТУ, ДонДУ, ДонДАУ, 1998. - С. 158 - 159.

Ткаченко С.Й., Степанов Д.В. Енергозберігаючі природоохоронні методи переробки органічних відходів присадибних господарств/ Книга за матеріалами другої республіканської науково-технічної конференції ”Індивідуальний житловий будинок”, 1998. - С.163 - 167.

Ткаченко С.Й., Степанов Д.В. Стабілізація енергопостачання за допомогою біогазової установки. //Проблеми і перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості: Матеріали Шостої міжнародної науково-технічної конференції, 19-21 жовтня 1999 р. - У 3 ч. - К.: УДУХТ, 2000 - Ч.ІІІ - С. 68 - 69.

Степанов Д.В. Теплообмінне устаткування в природозберігаючих системах біоконверсії //Збірка тез доповідей учасників ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”. (11 - 12 травня 2000р. м. Києв) -К.: НТУУ “КПІ”, 2000. - С. 151 - 152.

АНОТАЦІЇ

Степанов Д.В. Ресурсоощадні теплогідродинамічні процеси термостабілізації систем біоконверсії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Український державний університет харчових технологій, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено дослідженню теплогідродинамічних процесів за умов зовнішньої задачі в одно-, дво- і трифазному середовищі, а також дослідженню підсистем термостабілізації реактора і енергозабезпечення систем біоконверсії.

Досліджено вплив 6 варіантів організації конвекції на тепловіддачу від твердої стінки до одно-, дво- та трифазного середовища. Встановлено закономірності тепловіддачі від твердої стінки до локального нерівномірного газорідинного середовища, створеного в області теплообмінної поверхні.

Розроблені математичні моделі підсистем термостабілізації реактора та енергозабезпечення систем біоконверсії.

Ключові слова: біогазова установка; однофазне, двофазне і трифазне середовище; тепловіддача; зовнішня задача теплообміну; термостабілізація біореактора.

Степанов Д.В. Ресурсосберегающие теплогидродинамические процессы термостабилизации систем биоконверсии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2001.

Диссертация посвящена исследованию теплогидродинамических процессов в условиях внешней задачи в одно-, двух- и трехфазной среде, а также исследованию подсистем термостабилизации реактора и энергообеспечения систем биоконверсии.

Построение математических моделей подсистем термостабилизации и энергообеспечения выявило недостаток информации для расчета теплообмена в элементах систем биоконверсии, что обусловило проведение соответствующих исследований.

Для исследований теплоотдачи от твердой стенки к одно-, двух и трехфазной среде создана опытная установка. Оценено влияние теплообмена воды и суспензии с окружающей средой через ограждающие стенки на свободноконвективную теплоотдачу от стенки тепловыделяющего элемента к воде и суспензии. Рассмотрены методы интенсификации свободноконвективного теплообмена, наиболее эффективным выявлен метод вдувания газовой фазы в объем среды. Проанализированы и сопоставлены разные методы локального подведения газа в объем среды с тепловыделяющим элементом.

Исследована гидродинамическая ситуация при вдувании небольшого количества газа в область теплообменной поверхности с созданием неравномерного газожидкостного омывания стенки. Основные гидродинамические показатели - приведенная скорость и степень неравномерности подведения газа. Установлены закономерности теплоотдачи от твердой стенки тепловыделяющего элемента к локальной неравномерной газожидкостной среде. Учтены поправки, связанные с неравномерностью температур стенки и дискретностью установки термопар. На основе анализа физической сущности выведена зависимость для определения осредненного значения коэффициента теплоотдачи. Для этих же условий получены критериальные регрессионные зависимости для расчета интенсивности теплоотдачи. Проведена систематизация и сравнение методов организации теплоотдачи от твердой стенки к одно-, двух- и трехфазной среде в условиях внешней задачи.

Использование полученных зависимостей и оценок позволило получить замкнутую модель подсистемы термостабилизации реактора, которая учитывает микробиологические особенности среды в биореакторе. Предложенные модели позволяют определять эффективность подсистем термостабилизации реактора и энергообеспечения биогазовой установки в условиях разных температурных режимов, температур окружающей среды, источников энергообеспечения.

Ключевые слова: биогазовая установка; однофазная, двухфазная и трехфазная среда; теплоотдача; внешняя задача теплообмена; термостабилизация биореактора.

Stepanow D.V. Resourcessafe thermohydrodynamic processes of thermostabilization of bioconversion systems. - Manuscript.

Thesis is presented for candidate degree in speciality 05.14.06 - technical thermophysics and industrial heat power engineering. - Ukrainian state university of food technologies, Kiev, 2001.

The thesis is devoted to research of thermohydrodynamic processes in conditions of external problem in one-, two- and three-phase mediums, and research of subsystems of reactor thermostabilization and energymaintenance of bioconversion systems.

Influencing 6 versions of organisation convection on heatrejection from a firm wall to one-, two- and three-phase mediums is investigated. Heatrejection regularity from a firm wall by local irregular gas liquid medium built in the field of a heattransfer surface are investigated.

The mathematical models of subsystems reactorthermostabilisation and energy maintenance of bioconversion systems are designed.

Keywords: biogas installation; onephase, twophase and threephase medium; heat rejection; external problem of heattransfer; thermostabilisation of bioreactor.

Размещено на Allbest.ru

...