Тепломасообмінні та гідродинамічні процеси в елементах систем біоконверсії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет харчових технологій

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тема:

Тепломасообмінні та гідродинамічні процеси в елементах систем біоконверсії

Резидент Наталія Володимирівна

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

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

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кулінченко Віталій Романович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та технологій консервування

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

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.058.05, к.т.н., доц. В.М. Філоненко



Загальна характеристика дисертаційної роботи

Актуальність теми

Використання відходів виробництва, перш за все біомаси, для виробництва теплоти і електроенергії є однією із важливих задач енергозбереження. При цьому не тільки економляться первинні енергоносії, але в більшості випадків зменшуються шкідливі викиди в атмосферу.

Для отримання максимальної кількості біогазу з одиниці об'єму реактора БГУ і досягнення позитивних результатів в енергозбереженні стоїть завдання вибору раціонального температурного режиму в біореакторі, а також методів і засобів його забезпечення без шкоди для навколишнього середовища. В існуючих конструкціях біогазових установок підтримання відповідних температурних режимів супроводжується значною витратою енергії на власні потреби.

Підсистеми термостабілізації систем біоконверсії характеризуються невизначеністю вхідних умов, які пов'язані з різноманітністю робочих середовищ, зміною їх теплофізичних властивостей за часом та впливом великої кількості факторів, які не завжди можна врахувати. Робочими середовищами, в основному, є трифазні колоїдно-дисперсні системи. Їх складові частини - це тверда та рідка фази, а також газ, який утворюється в результаті біохімічних процесів. Внаслідок цього теплофізичні властивості органічних сумішей змінюються в залежності від умов та часу зберігання перед завантаженням в БГУ. Невизначеність вхідних умов вимагає розробляти оригінальні методики розрахунку і специфічні методи замикання математичних моделей для процесів термостабілізації в обладнанні біогазової установки.

Методи визначення коефіцієнтів тепловіддачі до багатокомпонентних органічних сумішей та їх теплофізичних властивостей цікаві не тільки для розробки ефективних БГУ, а й для подальших наукових розробок в інших галузях промисловості, оскільки теплообмін та гідродинаміка багатокомпонентних середовищ не вивчені в такій мірі, як це потрібно для інженерної практики. Тому дослідження процесів теплообміну та гідродинаміки в багатокомпонентних органічних середовищ за умов роботи систем біоконверсії є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Тема дисертації відповідає напрямку наукових досліджень кафедри теплоенергетики Вінницького національного технічного університету “Тепломасообмін та гідродинаміка в теплотехнологічних установках, синтез теплотехнологічних та біотехнологічних систем і установок”. Дисертаційна робота є складовою держбюджетних тем №82-Д-251 “Наукові основи розробки екологічно чистих систем біоконверсії відходів тваринницького виробництва”, яка виконана в період з 01.01.2002 р. по 31.12.2004 р. згідно плану НДР Міністерства освіти і науки України за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки 01 - Охорона навколишнього середовища, затвердженого Постановою Верховної Ради України від 16.10.1992р. №2705-ХІ та №82-Д-276 “Зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище в підсистемах енергозабезпечення систем біоконверсії”, що виконана в період з 01.01.2005 р. по 31.12.2007 р. згідно пріоритетного напрямку “Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток” відповідно до закону “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” №2623-ІІІ від 11.07.2001 р. Тематика дисертаційних досліджень відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”.

Мета і завдання дослідження

Метою дослідження є розробка методів створення енергозбережного теплообмінного обладнання в системах біоконверсії, що має забезпечувати підвищення виходу частки товарного біогазу, зниження витрат матеріальних, енергетичних та інших ресурсів в сферах виготовлення та експлуатації біогазових установок згідно з вимогами про захист здоров'я людей і довкілля.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- здійснити аналіз сучасного стану проблеми і визначити фактори, які впливають на процеси теплообміну та гідродинаміки в елементах БГУ;

- проаналізувати існуючу інформацію щодо визначення теплофізичних властивостей багатокомпонентних середовищ і запропоновувати найбільш придатні співвідношення для розрахунку теплообміну між органічними сумішами різної природи і металевою поверхнею;

- здійснити експериментальні дослідження та проаналізувати закономірності теплообміну в складних органічних сумішах різного походження;

- з урахуванням механізмів і закономірностей теплообміну запропонувати методи для розрахунку теплообміну за умови руху сумішей в круглих трубах, кільцевих каналах та у великому об'ємі;

- запропонувати раціональні методи та засоби термостабілізації систем біоконверсії;

- розробити математичні моделі для конструктивних і перевірних розрахунків теплообмінного обладнання в системі біоконверсії.

Об'єктом дослідження є елементи підсистеми термостабілізації системи біоконверсії.

Предмет дослідження - процеси теплообміну і гідродинаміки в елементах підсистеми термостабілізації в разі вимушеної і вільної конвекції багатокомпонентних середовищ.

Методи дослідження. Математичні моделі ґрунтуються на класичних рівняннях конвективного теплообміну. Використані емпіричні залежності та наближені формули необхідні для моделювання таких складних процесів як теплообмін в багатокомпонентних середовищах. Адекватність математичних моделей реальних систем встановлювалася шляхом порівняльного аналізу результатів числових експериментів з даними натурних досліджень, експериментальних зразків. В роботі використані експериментальні та теоретичні методи дослідження. Обробку експериментальних даних виконували за допомогою комп'ютерної техніки і прикладних програм, пакетів (Statistika, MathCad).

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше експериментально досліджені закономірності тепловіддачі до багатокомпонентних органічних сумішей від металевої поверхні теплообміну в разі вимушеної, природної та періодично вимушеної конвекцій в умовах обмеженої інформації про теплофізичні властивості суміші;

- вперше з урахуванням досягнень в теорії подібності теплових і гідродинамічних процесів одержані результати досліджень закономірностей тепломасообміну в багатокомпонентних середовищах органічних відходів, що застосовуються в системах біоконверсії;

- дістали подальший розвиток уявлення про межі та методи застосування відомих критеріальних залежностей теплообміну для однофазних середовищ;

- вперше застосовані методи експериментальних досліджень неусталеного теплообміну для виявлення закономірностей квазістаціонарних теплообмінних процесів в складних органічних середовищах;

- вперше запропоновано та обґрунтовано застосування експериментально-розрахункового методу (ЕРМ) як нового оригінального аспекту використання теорії подібності для визначення інтенсивності теплообміну в складних органічних середовищах з обмеженою інформацією про їх теплофізичні властивості. Показана правомірність гіпотез, оцінок, які покладені в основу ЕРМ, що допускає перенос властивостей теплообміну з одного класу явищ конвективного теплообміну в другий без втрати цінних якостей теорії подібності;

- вперше із застосуванням ЕРМ розроблена методика конструктивного і перевірного розрахунків теплообмінника, де в якості одного із теплоносіїв є органічна суміш з обмеженою інформацією про теплофізичні властивості.

Практичне значення одержаних результатів

1. Запропоновано нетрадиційний підхід до виявлення закономірностей теплообміну та доступна експериментально-розрахункова методика визначення коефіцієнтів тепловіддачі від твердої стінки до складних нестабільних в часі органічних сумішей в умовах природної і вимушеної конвекції для різних геометричних форм поверхонь теплообміну.

2. Запропонована методика розрахунку теплообмінного обладнання, яка дозволяє з достатньою точністю оцінювати площі поверхонь теплообміну систем теплоутилізації і термостабілізації БГУ, що приводить до мінімізації витрат енергії на підтримання необхідної температури середовища в реакторі БГУ, збільшення виробки товарного біогазу.

Особистий внесок здобувача

Основні результати досліджень отримані автором самостійно. В працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать:

визначення методів оцінки значень теплофізичних параметрів субстрату, проведення числового експерименту, розробка залежностей для визначення інтенсивності теплообміну субстрату в круглих трубах і кільцевих каналах [1], аналіз результатів фізичного та чисельного експериментів за умов вільної конвекції біля горизонтальної труби [13];

розробка експериментальної установки, проведення досліджень, методики обробки експериментальних даних, проведення аналізу результатів експериментальних досліджень тепловіддачі від металевої поверхні до багатокомпонентного середовища для вільної конвекції і для вимушеного омивання трубчастої теплообмінної поверхні [2, 3];

розробка математичної моделі, методики для визначення інтенсивності теплообміну в багатокомпонентних органічних середовищах та аналіз результатів фізичного моделювання [4];

розробка експериментальної установки, проведення експериментальних досліджень теплообміну в органічних сумішах різного походження за умов вільної конвекції біля вертикальної циліндричної стінки, розробка методики обробки дослідів, аналіз результатів експериментальних досліджень [5];

часткова розробка експериментально-розрахункового методу для визначення інтенсивності теплообміну в багатокомпонентних органічних середовищах, розрахунки, експериментальні дослідження та порівняльний аналіз результатів досліджень [6, 9, 12];

пропозиція створення схем установок з утилізацією теплоти збродженої суміші [7], біогазу [8] та аналіз ефективності роботи цих установок [10];

обґрунтування застосування експериментально розрахункового методу визначення коефіцієнтів тепловіддачі в конструктивному розрахунку і числовому експерименті утилізатора теплоти відпрацьованої суміші в системі біогазової установки [11];

аналіз методів організації термостабілізації реактора біогазової установки, проведення оцінки величини необхідної площі поверхні теплообміну для компенсації тепловтрат через стінки реактора за умов розміщення теплообмінного пристрою в реакторі БГУ [14].

Апробація результатів дисертації

Результати досліджень були викладені у наукових статтях, а також доповідались на:

ХХХІІ-ХХХVІІІ-й науково-технічних конференціях співробітників та студентів ВНТУ з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (м. Вінниця, 2003-2009 рр.);

ІІ-й в Україні міжнародній конференції “Енергія з біомаси” (м. Київ, 20-22 вересня 2004 р.);

IV-й Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві” (м. Вінниця, 22-25 жовтня 2003 р.);

ІІІ-й міжнародній науково-практичній конференції „Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні” (м. Львів, 14-15 квітня, 2005р.);

ІІ-й міжнародній науковій конференції „Контроль і управління в складних системах _ 2005” (м. Вінниця 24-27 жовтня, 2005р.); “Автоматика _ 2006” (м. Вінниця, 25-28 вересня, 2006 р.);

І-му Всеукраїнському з'їзді екологів (м. Вінниця, 4-7 жовтня, 2006 р.);

ІІ-й регіональній науково-практичній конференції “Стратегічна реструктуризація регіональної економіки та соціальної сфери” (м. Вінниця, 30 листопада 2006 р.); науково-практичній конференції на тему „Біопаливо та відновлювальні джерела енергії, проблеми і перспективи розвитку” (м. Вінниця, 15 березня 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 друкованих праць. З них 8 наукових праць в журналах, що входять до переліку ВАК України, 1 стаття в збірнику матеріалів міжнародної науково-технічної конференції, 1 стаття в збірнику матеріалів всеукраїнської конференції, 3 патенти України на корисну модель.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Основний матеріал викладено на 130 сторінках машинописного тексту, містить 53 рисунки та 9 таблиць. Список використаних джерел містить 150 найменувань.

багатокомпонентний біоконверсія біогазовий тепловіддача

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об`єкт та предмет дослідження, методи дослідження, наукову новизну і практичне значення, наведено відомості про апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі визначені технологічні основи процесу біоконверсії. При цьому виділено оптимальні параметри факторів метаногенезу, що впливають на процес, розглянута і проаналізована підсистема термостабілізації біогазових установок. Описані властивості середовищ, що використовуються в якості сировини в системах біоконверсії. Для умов вільної та вимушеної конвекції наведено критеріальні рівняння теплообміну однокомпонентних середовищ.

Для виробництва біогазу використовуються такі органічні відходи: зернова і післяспиртова барда, відходи виробництва пива, буряковий жом, фекальний осад, відходи рибного і забійного цеху, трава, побутові відходи, субстрати великої рогатої худоби (ВРХ), свиней, послід курей, відходи молокозаводів - солона і солодка молочна сироватка, жири, відходи виробництва біодизеля - технічний гліцерин від виробництва біодизеля із ріпаку, відходи від виробництва соків - жмих фруктовий, ягідний, овочевий, виноградна вижимка, водорості, відходи виробництва крохмалю і патоки - мезга і сироп, відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів - шкурки, кавова пульпа тощо. Також можуть бути використані суміші цих речовин у різних співвідношеннях.

На даний час відсутні надійні рекомендації щодо визначення теплофізичних властивостей всіх вище названих видів органічних відходів та їх сумішей і розрахунків інтенсивності теплообміну в разі вимушеної та вільної конвекції. Мало уваги в літературі приділяється формуванню енергоефективних схем біоконверсії. Відповідно сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі наведено експериментальний стенд, який складається з двох установок для дослідження закономірностей тепловіддачі: від трубчастої поверхні та від вертикальної циліндричної стінки до органічних сумішей. Описана методика проведення дослідів і вимірювань, методика обробки дослідів. Обґрунтована конструкція і розміри базової експериментальної установки.

Експериментальна установка №1 для дослідження закономірностей тепловіддачі від трубчастої поверхні до органічної суміші складається із двох підсистем. Підсистема І включає закриту зверху циліндричну ємність 2 з теплообмінником 1в та мішалкою. Змійовиковий теплообмінник 1в є одночасно елементом двох підсистем І та ІІ. Підсистема ІІ, яка утворює контур для підготовки і подачі теплоносія в теплообмінник 1в, включає такі елементи: корпус теплогенератора 1а, опускну та підйомну труби 1б, теплообмінник 1в, відцентровий насос 3, повітровідвідник, електронагрівник (ТЕН): Q_ак.м.к, Q_ак.із.к - потужність акумуляції теплоти в металі та ізоляції контуру; Q_{втр к.j} - втрати теплоти в навколишнє середовище з j-их ділянок контуру за одиницю часу; Q_втр.є.1, Q_втр.є.2 - потужність тепловтрат суміші, яка знаходиться в ємності 2; Q_ак.м.є, Q_ак.із.є - потужність акумуляції теплоти в металі та ізоляції ємності 2.

Дослідження теплообміну між змійовиковою поверхнею і сумішшю здійснювались таким чином. Заливалась вода в ємність, включалась підсистема ІІ. Фіксувалась температура води в ємності 2 та температура води, що нагріває внутрішню стінку теплообмінника (в подальшому води), на вході і виході зі змійовикового теплообмінника. В разі досягнення рідиною в ємності 2 температури t_с = 40°С підсистема ІІ відключалась. Після досягнення водою температури навколишнього середовища в неї засипалась органічна речовина в такій кількості, щоб масова концентрація сухих речовин в суміші складала С_с = 4%. Після цього перемішували суміш в ємності за допомогою мішалки з кількістю обертів 40 об/хв. Паралельно включали підсистему ІІ, фіксували всі вказані вище температури. Перемішування суміші здійснювалось періодично з інтервалом в 15 хвилин. Температура вимірювалась перед черговим перемішуванням, тобто через 15 хвилин після попереднього перемішування. Коли температура суміші досягала t_с = 40°С, підсистема ІІ відключалась. Під час проведення досліджень електрична потужність ТЕНа залишалась сталою, масова концентрація сухих речовин С_с в суміші змінювалась від 4 до 14%, а температура суміші - в діапазоні 20...40°С.

Для вибору визначальної температури суміші термопарами вимірювалась температура на різній відстані від поверхні теплообміну. Відношення локальних значень температур по висоті ємності на відстані h від стінки теплообмінника до середньої складає 0,98…1,03. Середня температура суміші визначалась як експериментально так і розрахунком із використанням рівнянь теплових балансів.

Коефіцієнти тепловіддачі від стінки теплообмінника 1в до суміші в певний час ф визначаються за залежністю

, (1)

де Q_ТПЕ - потужність теплопередавального елемента, Вт;

F - площа трубчастої поверхні теплообміну, м²;

- середній температурний напір між зовнішньою стінкою поверхні нагріву та сумішшю, °С.

Середній температурний напір між зовнішньою стінкою поверхні нагріву і сумішшю

, (2)

де - різниця між середньою температурою води в змійовиковому теплообміннику (ЗТО) та осередненою по об'єму 2 температурою суміші;

б_в - коефіцієнт тепловіддачі від води до внутрішньої стінки ЗТО 1в визначається за відомими критеріальними рівняннями;

_ст, л_ст - товщина стінки теплообмінника та теплопровідність матеріалу стінки теплообмінника відповідно.

Потужність Q_ТПЕ визначається за електричною потужністю з урахуванням Q_ак.м.к, Q_ак.із.к і Q_{втр к.j}. Відносна похибка в обчисленнях Q_ТПЕ оцінювалась в 2,5%, що за умов зіставлення з альтернативними методиками виявилась найменшою. Частка втрат теплоти від циркуляційного контуру в навколишнє середовище, які визначені експериментально, по відношенню до потужності ТЕНа складає 1,8…2,7%. Розбіжність між експериментальним та розрахунковим значеннями втрат теплоти від циркуляційного контуру складає = 2...10%.

Проаналізовані і зіставлені коефіцієнти тепловіддачі від трубчастої поверхні до води. Виявлено, що розбіжність між отриманими експериментально в нестаціонарних умовах теплообміну та розрахунковими значеннями коефіцієнтів одержаними за відомими критеріальними залежностями в подібних, але в квазістаціонарних умовах теплообміну не перевищує 20%.

Дослідна установка №2 (рис. 2) для дослідження закономірностей теплообміну від поверхні вертикальних циліндричних стінок до органічних сумішей складається з двох ємностей, які мають гладку теплообмінну поверхню і виконані у вигляді двох ємностей, вкладених одна в одну таким чином, що утворені дві робочі порожнини - внутрішня І та зовнішня ІІ у вигляді кільцевого зазору. З метою зменшення тепловтрат в навколишнє середовище зовні установка ізольована.

Діаметр та висота зовнішньої ємності ІІ складає D_б = 200мм, H_б = 120мм, а розміри внутрішньої ємності - D_м = 96мм, H_м = 88мм, товщина теплообмінної стінки ІІІ - д_ст = 1мм. Термічний опір стінки не перевищує 0,1% від загального термічного опору теплопередачі від води до органічної суміші.

Дослідження теплообміну між вертикальною циліндричною стінкою і сумішшю здійснювались за такою методикою. Вода заливається у внутрішню ємність, а суміш, що нагрівається - в кільцевий канал. Фіксується температура суміші в каналі та температура води через деякі проміжки часу. Після досягнення різниці температур між рідинами в 2…4⁰С дослід закінчували. Передусім тарувалась установка на воді. В контрольних дослідах температури води та суміші вимірювались хромель-копелевими термопарами ІV.

Експериментальні дослідження теплообміну від вертикальної циліндричної стінки виконувались на субстратах ВРХ і свиней, посліді курей та органічних сумішах рослинного походження. В дослідах масова концентрація сухих речовин С_с в рослинній суміші змінювалась від 4 до 14%, а вологість субстратів - W = 86…94%. Температура сумішей (субстратів) змінювалась в діапазоні t_c = 10…40⁰C, загальний температурний напір - = 7…50⁰С. Дослідження теплообміну до багатокомпонентних середовищ виконувались в умовах нестаціонарного режиму. В тарувальних дослідах температура води та суміші вимірювалась у трьох точках в горизонтальній і вертикальній площинах від теплообмінної поверхні. Нестаціонарні умови теплообміну характеризувались такими показниками: температура води, що охолоджується, під час експерименту змінювалась зі швидкістю в часі 1,67·10^-3…0,17°С/с, температура води, що нагрівається, і субстратів - 8,33·10^-4…0,083°С/с.

За умов природної конвекції біля вертикальної циліндричної стінки експериментально одержані криві зміни в часі температури води = f(ф) та субстрату = f(ф). Результати розрахунку температурних напорів , теплоти Q переданої через поверхню теплообміну за час , осереднених в часі коефіцієнтів тепловіддачі від води до теплообмінної стінки та від стінки до субстрату одержані за наведеною нижче методикою з використанням розрахункової схеми.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до суміші (субстрату) осереднений за час Дф_і визначається за формулою

, (3)

де Q_в - теплота, що передається через теплообмінну стінку від гарячого теплоносія до суміші

; (4)

, (5)

де Q_{в. втр.} - втрати теплоти від гарячого теплоносія в навколишнє середовище визначаються розрахунком, а також експериментально.

Температурний напір між стінкою і сумішшю (субстратом) усереднений за час Дф_і

; (6)

. (7)

Усереднені за час Дф_і температури води та суміші (субстрату) відповідно

; (8)

. (9)

Температурний напір між водою і стінкою усереднений за час Дф_і

. (10)

Установка №2 є складовою оригінального експериментально-розрахункового методу запропонованого в дисертації для визначення інтенсивності тепловіддачі від стінки до суміші (субстрату) в умовах обмеженої інформації про теплофізичні властивості цих сумішей. Тому особливу увагу приділено теоретичному та експериментальному обґрунтуванню конструкції установки та методиці вимірювань на установці. Головний елемент експериментальної установки №2, показано гіпотетичний характер розподілу температур у воді, і суміші (субстраті). Показані теплові шари з боку води (В) і субстрату (А).

Вертикальні прямі 1 і 4 показують незмінність температури відповідно субстрату r = 0,5·(D_м + Д) + д_ст і води (r = 0) при ф = 0 по висоті; 2 і 3 якісно характеризують значення температури відповідно субстрату (r = 0,5·(D_м + Д) + д_ст) і води (r = 0) по висоті ф > 0.

Показана зміна температури води (t_гр', t_гр'', t_гр''') і субстрату (t_с', t_с'', t_с''') в горизонтальних площинах (по радіусу r) на трьох висотах (Н = 0; Н = Н_м/2; Н = Н_м) при ф > 0 від початку процесу. Температура в об'ємі води і об'ємі субстрату в процесі експерименту змінювалась за часом і в просторі t_гр = f₁ (x, y, z, ф), t_c = f₂ (x, y, z, ф).

Здійснено оцінку товщини теплового приграничного шару. Найбільша товщина теплового приграничного шару біля стінки в субстраті д_с не перевищує 0,25…0.3 товщини кільцевого зазору між ємностями І і ІІ; біля стінки у воді - д_в/(D_м/2) ? 0,12…0,15.

Орієнтовна оцінка відносних значень товщини приграничного теплового шару д/Д дозволяє, по-перше, вважати ймовірним вимірювання температур води і субстрату відповідно в точках Ц_гр і Ц_с для визначення коефіцієнта теплопередачі між водою і субстратом, що дуже важливо в експериментах з швидкоплинними процесами. По-друге, можливість розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі від води до металевої стінки і від металевої стінки до субстрату за критеріальними залежностями для великого об'єму в умовах природної конвекції. Згідно прийнятої нами гіпотези для розрахунку коефіцієнтів теплопередачі К приймали

, ,

причому , , температурний напір змінювалися в часі . Змінювався в часі також тепловий потік від води до субстрату . Отже, середній за кінцевий проміжок часу коефіцієнт теплопередачі від води до субстрату визначався за рівнянням

. (11)

Інтегрування зійснювали графічним методом з використанням експериментальних кривих.

Проведено аналіз можливих режимів теплообміну до субстратів різної природи в практично цікавому діапазоні параметрів на базовій установці. Встановлено існування на базовій установці в умовах вільної конвекції ламінарної течії в приграничному тепловому шарі, оскільки 10³ < Gr_р,h·Pr_р < 10⁹.

Отже, на дослідній установці проведено експерименти з визначення коефіцієнтів теплопередачі від води (в ємності І) до води і субстратів в ємності ІІ та тепловіддачі. Зіставлені експериментальні та розраховані за відомими залежностями значення коефіцієнта теплопередачі К від води в ємності І до води в ємності ІІ. При зіставленні експериментальних і розрахункових значень коефіцієнтів теплопередачі К на установці, яку ми беремо за базову виявлено:

- коефіцієнти теплопередачі, які отримані експериментально в нестаціонарних умовах теплообміну, мають розбіжність в межах 20% з розрахунковими значеннями коефіцієнтів, одержаними за відомими критеріальними залежностями в подібних, але в квазістаціонарних умовах теплообміну.

- доцільно застосовувати відомі критеріальні рівняння для визначення б в умовах природної конвекції;

- доцільно застосовувати запропоновану нами методику для визначення інтенсивності теплообміну в нестаціонарних теплових і гідродинамічних умовах.

У третьому розділі виконано сумісний аналіз існуючої інформації про теплофізичні властивості сумішей (субстратів), рекомендовані залежності з їх оцінки і наведено результати числових та експериментальних досліджень теплообміну за умов вільної і вимушеної конвекції в багатокомпонентних органічних сумішах.

Для визначення динамічної вязкості стоків свиней і ВРХ з вологістю W = 88...98% (вміст сухих речовин С_с = 2...12%) і температурою t_c = 20...50С використовуються формули

, (12)

для W=86...98%

, (13)

де _в - динамічна вязкість води, Пас;

- коефіцієнт, який залежить від виду стоків і складає =0,7...0,75 для ВРХ, =0,6...0,7 - для свиней.

Літературні експериментальні дані з кінематичної в'язкості н субстрату свиней, ВРХ (криві 1, 5 для субстрату свиней і ВРХ відповідно за t_c = 20С), а також результати розрахунків н за формулами (12) і (13) показані на рис. 5. Криві 3, 2, 4 - розраховані за формулою (12) відповідно для в = 0,75, 0,7 і 0,6; 6 - розрахована за рекомендованою в дисертаційній роботі формулою (13) для в = 0,7. Уявлення наскільки існуюча інформація про в'язкість тваринницьких стоків (субстратів) неоднозначна.

Після проведеного аналізу існуючої інформації для оцінки теплофізичних властивостей субстрату ВРХ і свиней з вмістом сухих речовин С_с = 2...14% в діапазоні температур t_c = 20...55С нами рекомендуються такі залежності.

Орієнтовно густину стоків тварин (субстратів) можна визначити за формулою

= 1000+2,4С_с. (14)

Для оцінки значень теплоємності С_р, теплопровідності субстратів доцільно скористатись існуючими залежностями для потоків рідина-тверді частинки

С_р = С_сухС_с+С_в(1 - С_с), (15)

= _сухС_с + _в(1 - С_с), (16)

де С_в, С_сух - відповідно питома теплоємність води, безводної речовини, кДж/(кгК);

_в, _сух - відповідно теплопровідність води, безводної речовини, Вт/(мК).

Температурний коефіцієнт об'ємного розширення в_V береться таким як і для води в залежності від температури..

У великому об`ємі дослідження теплообміну проводились за таких умов:

1) постійна зовнішня вимушена конвекція вздовж труб змійовикової теплообмінної поверхні створювалася мішалкою, лінійна швидкість її відносно труб 0,3 м/с;

2) періодична зовнішня вимушена конвекція з повздовжнім омиванням труб змійовикової теплообмінної поверхні здійснювалась мішалкою з швидкістю 0,3 м/с, інтервал між перемішуванням складав 5 та 15 хвилин;

3) природна конвекція, тобто вільний рух суміші навколо поверхні теплообміну;

4) природна конвекція біля вертикальної циліндричної стінки.

Зіставлено результати числового експерименту з дослідженнями теплообміну при вимушеному русі субстрату ВРХ в каналах (криві: 1 - експериментальні дані, ВРХ; 5 - розрахунки за критеріальним рівнянням) та експериментальні дані отримані на дослідній установці №1 при постійному (т. 4) та періодичному вимушеному омиванні теплообмінної поверхні сумішшю рослинного походження (т. 2 і 3). При цьому виявлено, що експериментальні та розрахункові значення б співпадають. Це дозволяє застосовувати одну і ту ж відому критеріальну залежність Nu_p,d = АRe_р,d^0,33Pr_р^0,33(Gr_p,dPr_p)^0,1(Pr_р/Pr_ст)^0,25_? для розрахунку теплообміну в потоках субстратів (сумішей) і у великому об`ємі при повздовжньому вимушеному омиванні теплообмінної поверхні сумішшю в діапазоні швидкостей w = 0,2...0,6 м/с, температур t_с = 20...55єС і температурних напорів = 4...35єС.

При дослідженні теплообміну виявлено, що коефіцієнти тепловіддачі від трубчатої теплообмінної поверхні до органічних сумішей з масовими концентраціями С_с = 4...14% у великому об'ємі за умов вільної конвекції в 1,7-7,5 разів менші ніж до води. Інтенсивність теплообміну за умов періодичного перемішування у великому об'ємі суттєво нижча ніж б для постійної вимушеної конвекції.

На експериментальній установці №2 визначені коефіцієнти тепловіддачі від вертикальної циліндричної стінки до субстратів різного походження в умовах зміни температур суміші та теплоносія. В якості досліджуваних середовищ використовувались безпідстилкові субстрати ВРХ, свиней і послід курей. Масова концентрація сухих речовин С_с в рослинній суміші змінювалась від 4 до 14%, а вологість субстратів W = 86…94%. Температура сумішей (субстратів) змінювалась в діапазоні = 7…30⁰C, а загальний температурний напір - = 7…50⁰С. За результатами експериментальних досліджень виявлено, що закономірності теплообміну між стінкою і органічною сумішшю відповідають відомим механізмам і закономірностям теплообміну в умовах природної конвекції.

Узагальнення результатів досліджень у вигляді б_експ/б_розр = f (t_с)

Результати досліджень усереднені за часом і температурою. Розрахункові коефіцієнти тепловіддачі визначалися за критеріальним рівнянням

, (19)

де Nu_p,h = (б·H/л) - критерій Нуссельта;

Gr_p,h = (g·_V··H³)/² - критерій Грасгофа;

Pr_р, Pr_ст - критерій Прандтля для визначальної температури і температури стінки відповідно;

h, Н - визначальний розмір, висота поверхні нагріву.

В розрахунках б_с і q_c використані значення теплофізичних властивостей субстратів, що наведені вище. Відхилення експериментальних б_експ і розрахункових значень б_розр знаходиться в межах ± 40%. Таке відхилення пояснюється тим, що значення теплофізичних властивостей, що використані в даному випадку для розрахунку, доцільно застосовувати лише для оцінки границь режимів теплообміну в органічних сумішах.

Для дослідження теплообміну за умов вимушеної конвекції в круглих трубах і кільцевих каналах залучені результати експериментальних досліджень, які наведені в літературі та аналітичні дослідження авторів. Числові експерименти дозволили для субстратів ВРХ і свиней з вмістом сухих речовин С_с = 12...14% в діапазоні температур t_c = 20...55єС:

1) запропонувати залежності з оцінки теплофізичних властивостей, які можуть бути використані для оцінки границь режимів теплообміну в органічних сумішах;

2) виявити можливість застосування критеріальної залежності

Nu_p,d = АRe_р,d^0,33Pr_р^0,33(Gr_p,dPr_p)^0,1(Pr_р/Pr_ст)^0,25_?

для оцінки коефіцієнтів тепловіддачі від поверхні нагріву до потоку субстрату ВРХ в кільцевих каналах і круглих трубах з еквівалентним діаметром d_е=50...88 мм і довжиною ? = 0,96...12м в діапазоні параметрів Re_p,d = 2,8…3794; Pr_p = 39…9315; Gr_p,d = 0,18·10³…912·10³.

У четвертому розділі викладена суть, обґрунтування і методика ЕРМ, здійснено зіставлення експериментальних коефіцієнтів тепловіддачі від стінки до сумішей різного походження за умов вільної і вимушеної конвекції зі значеннями коефіцієнтів визначених за допомогою ЕРМ. Обґрунтовано застосування ЕРМ в конструктивних розрахунках і числових експериментах утилізаторів теплоти відпрацьованої суміші в системі БГУ. На базі наукових результатів проаналізовані і запропоновані енергозбережні підсистеми термостабілізації БГУ, в яких забезпечується підвищення частки виходу товарного біогазу, знижуються витрати матеріальних, енергетичних та інших ресурсів із забезпеченням вимог щодо захисту здоров'я людей та довкілля.

Організація тепломасообміну в системах біоконверсії відбувається в недетермінованих умовах. Тому нами запропоновано нетрадиційний підхід до визначення закономірностей теплообміну в органічних речовинах, що використовуються в системах біоконверсії. Суть методу викладено нижче.

За базовий режим теплообміну взята природна конвекція рідини (суміші) вздовж вертикальної стінки, режим руху ламінарний, об'єм рідини такий, що вільний рух, який виникає біля інших тіл розташованих в цьому об'ємі, не відбивається на течії. Критеріальне рівняння вибраного базового режиму обґрунтоване як аналітично так і методами теорії подібності і в даному випадку має вигляд

, (20)

де Ra_p,h = Gr_p,h·Pr_p- критерій Релея; С - константа, що залежить від режиму теплообміну.

Структуруємо рівняння (20) до такого вигляду

, (21)

де - температурний напір в базовому режимі.

Комплекс фізичних властивостей рідини, суміші в базовому режимі теплообміну

. (22)

Коли невідомі фізичні властивості рідини, в якій визначається інтенсивність теплообмінних процесів, згідно ЕРМ рекомендується використати експериментальні значення комплексу фізичних властивостей

, (23)

де ,

для оціночних розрахунків приймаємо .

Поправка на напрямок передачі теплоти в субстратах розраховується з використанням теплофізичних властивостей (ТФВ) модельних рідин у вигляді залежності .

Вираз КФВ_Б уточнено таким чином, щоб КФВ_Б відповідний комплексу фізичних властивостей шуканого режиму теплообміну КФВ_ш експериментально можна було визначати витримуючи однаковим лише один параметр - визначальну температуру суміші _ для базового і шуканого режимів. Враховувати напрямок теплообміну на інтенсивність теплообміну нами пропонується за відомим методом, але для оцінки величини відношення (Pr_p/Pr_ст )^0,25 використовувати ТФВ модельних рідин, сумішей.

Реструктурування критеріальних рівнянь для шуканих режимів здійснюємо у вигляді:

_ природна конвекція (п.к.)

, (24)

де t_ш.і, ?_ш.і - температурний напір і визначальний геометричний розмір в шуканому режимі відповідно;

;

;

ТФВ_ш - набір параметрів (л; в; с; н, С_р) в і-ому шуканому режимі;

і = 1, 2,… - режим теплообміну за умов природної конвекції; _ вимушена конвекція (в. к.)

, (25)

де w_ш.j - швидкість потоку в шуканому режимі;

;

;

j = 1, 2,… - режим теплообміну за умов вимушеної конвекції.

Як слідує з попереднього значення КФВ_б одержане експериментально в базовому режимі теплообміну дозволяє визначити КФВ_ш в і-му і j-му шуканих режимах. Перерахунок КФВ_Б в КФВ_ш для субстратів і сумішей субстратів здійснюється введенням поправки П_Ш(Б) = КФВ_ш/КФВ_Б, яка визначається як П_Ш(Б) = f(КФВ_Б). Рівняння має вигляд П_Ш(Б) = 89,962·КФВ_Б^-0,5324 для вимушеного ламінарного руху в круглих трубах і кільцевих каналах (в?язкісно-гравітаційного режиму теплообміну) і - для вільного турбулентного руху вздовж вертикальної пластини. Для побудови залежності П_Ш(Б) = f(КФВ_Б) використовувались модельні рідини з відомими теплофізичними властивостями.

Таким чином, визначення КФВ_ш через КФВ_Б рекомендується здійснювати за допомогою залежностей, в яких для інженерної практики достатнє використання теплофізичних властивостей модельних рідин, сумішей.

Природна конвекція нами досліджувалася на установці (рис. 2, 4а), з такими геометричними параметрами теплообмінної поверхні: Н_м = 116 мм; Н_б = 120мм; D_м = 96 мм; D_б = 200 мм і Д = 52 мм. У внутрішню ємність заливався об'єм води V = 3,6·10^-4 м³ при t_гр = 65…70°С. У зовнішній об'єм V = 3,5·10^-3 м³ заливався субстрат свиней, ВРХ, послід курей, суміш субстратів ВРХ і свиней при t_с = 15°С. Результати досліджень показані на рис. 8.

Діапазон зміни параметрів в експериментах та розрахунках для субстратів:

ВРХ - W = 4, 8, 12%; t_с = 20…40°C;

_б = 18…35°C; _ш = 23…29°C;

свиней - W = 6, 10, 14%;

t_с = 20…40°C; _б = 14…28°C;

_ш = 14…30°C;

суміші субстратів ВРХ + свині (1:1) - W = 6, 10, 14%;

t_c = 20…40°C; _б = 10…30°C;

_ш = 10…30°C;

посліду курей - W = 6, 10, 14%;

t_с = 20…40°C; _б = 10…28°C; _ш = 11…28°C.

Відхилення експериментальних б_експ і експериментально-розрахункових значень б_ЕРМ знаходиться в межах ± 35%. Це пояснюється наступним: експерименти в базовому варіанті експериментальної установки і небазовому виконувались в умовах нестаціонарних теплових і гідродинамічних процесів; забір і приготування сумішей для експериментальних умов і умов ЕРМ був зміщений в часі, розбіжність у вологості субстратів для цих двох типів експериментів оцінюється в діапазоні ДW/W = 0,0208…0,0232.

На рис. 9 зіставлені б визначені за емпіричною формулою і ЕРМ для умов вимушеної конвекції в кільцевому каналі (ламінарний режим течії, в?язкісно-гравітаційний режим теплообміну) та від трубчастої поверхні теплообміну до рослинної суміші.

Розбіжність експериментальних коефіцієнтів тепловіддачі і б, які визначені за ЕРМ, знаходиться в основному в межах ± 35%. Таку розбіжність можна пояснити тим, що властивості субстрату залежать від виду та віку тварини, раціону харчування, міри розведення субстрату водою, а також від природних умов зони.

Для результатів діапазон зміни параметрів:

1, 2 - W = 6, 14%; t_с = 20…40°C; _б = 14…28°C;

_ш = 14…30°C; 3 - W = 4, 8, 12%; t_с = 20…40°C;

_б = 10…35°C; _ш = 10…35°C.

Розбіжність експериментальних і отриманих за ЕРМ коефіцієнтів тепловіддачі від трубчастої поверхні теплообміну до рослинної суміші знаходиться в межах ± 35%. Теплофізичні властивості рослинної суміші нам невідомі. Візуально спостерігалося розшарування компонентів суміші з часом більш інтенсивне ніж в субстратах ВРХ, свиней і посліді курей.

Аналіз зіставлення експериментальних та отриманих за ЕРМ коефіцієнтів тепловіддачі до різних сумішей за умов вільної конвекції біля вертикальної циліндричної стінки і горизонтальної труби та вимушеної ламінарної течії в кільцевому каналі показали правомірність гіпотез, допущень, оцінок покладених в основу ЕРМ.

Обґрунтовано застосування експериментально-розрахункового методу в проектному розрахунку і числовому експерименті утилізатора теплоти відпрацьованої суміші в системі БГУ. Із застосування ЕРМ та традиційної методики виконані конструктивні розрахунки теплообмінників. Розбіжність між значеннями F знаходиться в межах 10%. З використанням ЕРМ виявлені доцільні конструкції теплообмінників-утилізаторів (ТУ) і їх режими роботи. Необхідні поверхні теплообміну вибрані з врахуванням технологічної потреби у воді певної температури. При цьому виявлено, що площі поверхонь теплообміну теплообмінників-утилізаторів з вимушеною конвекцією для утилізації теплоти посліду курей і суміші субстратів в 6…7 разів менші за площі поверхонь ТУ за умов природної конвекції. В числовому експерименті поточні значення температури суміші та води, розраховані за ЕРМ та традиційною методикою практично співпали, що доводить доцільність застосування ЕРМ в конструктивному розрахунку теплообмінників та їх числовому дослідженні (перевірному розрахунку).



висновки

У дисертації одержані теоретично і експериментально обґрунтовані результати, які вирішують важливу проблему створення енергозберігаючого теплообмінного обладнання в системах біоконверсії, що полягає в розробці методів розрахунку тепломасообмінних і гідродинамічних процесів в складних сумішах органічних речовин, по яких обмежена інформація щодо теплофізичних властивостей. На базі наукових результатів проаналізовані і запропоновані енергозбережні підсистеми термостабілізації БГУ, в яких забезпечується підвищення частки виходу товарного біогазу, знижуються витрати матеріальних, енергетичних та інших ресурсів при забезпеченні вимог щодо захисту здоров'я людей та довкілля.

За результатами досліджень, здійснених за темою дисертаційної роботи, одержані наступні наукові та практичні результати і висновки:

1. Організація тепломасообміну в системах біоконверсії відбувається в недетермінованих умовах, що вимагає розробляти оригінальні методи розрахунку процесів термостабілізації в обладнанні.

2. Експериментально визначені коефіцієнти тепловіддачі від змійовикової поверхні, від вертикальної циліндричної стінки до субстратів ВРХ, свиней, посліду курей, їх сумішей (W = 86…94%, t_c = 20…40°С), до рослинної суміші (С_с = 4…14%, t_c = 20…40°С) в об?ємі за умов природної конвекції, з періодичним перемішуванням, з безперервним перемішуванням. Виявлено, що інтенсивність тепловіддачі від трубчатої поверхні та від вертикальної циліндричної стінки до органічних сумішей в 1,7-7,5 разів менша ніж до води. Результати експериментальних досліджень показують, що закономірності теплообміну між стінкою і органічною сумішшю відповідають відомим механізмам і закономірностям теплообміну однокомпонентних однофазних рідин в умовах природної конвекції.

3. Зіставлення результатів числового експерименту, власних експериментальних досліджень і даних інших авторів дозволило: а) виявити залежності для розрахунку теплофізичних властивостей, які можуть бути використані для оцінки границь режимів теплообміну; б) виявити можливість застосування відомих критеріальних залежностей для оцінки інтенсивності теплообміну в субстратах ВРХ за умов течії в круглих трубах і кільцевих каналах та при повздовжньому зовнішньому омиванні теплообмінної трубчастої поверхні сумішшю.

4. Вперше, з врахуванням методів теорії подібності, запропоновано оригінальний експериментально-розрахунковий метод визначення інтенсивності теплообміну в багатокомпонентних середовищах, в рамках якого обґрунтована конструкція і розміри базової експериментальної установки. При цьому експериментально і числовими дослідженнями встановлено:

- у вертикальній циліндричній ємності діаметром D_м = 72 мм і висотою Н_м = 88 мм тепловіддача за умов вільної конвекції від води до металевої стінки і від стінки до субстратів різної природи підпорядковується закономірностям теплообміну у великому об'ємі;

- коефіцієнти тепловіддачі отримані експериментально в нестаціонарних умовах теплообміну мають розбіжність в межах 35% з розрахунковими значеннями коефіцієнтів, які одержані за відомими критеріальними залежностями в подібних, але в квазістаціонарних умовах теплообміну;

- оціночні розрахунки товщини теплового приграничного шару (д/Д < 0,3…0,35), а також експериментальні вимірювання поля температур в ємностях дозволили для визначення коефіцієнта тепловіддачі заміряти температуру лише в двох характерних точках, що дуже важливо в експериментах з неусталеними процесами.

5. Аналіз зіставлення експериментальних результатів теплообміну в субстратах різної природи (вільна та вимушена конвекція) зі значеннями коефіцієнтів тепловіддачі, які одержані з застосуванням ЕРМ, показав: правомірність гіпотез, припущень, оцінок, які покладені в основу ЕРМ; реструктуризація критеріальних рівнянь в рамках одного режиму теплообміну і операції згідно алгоритму ЕРМ не призводять до втрати цінних якостей теорії подібності.

6. Коефіцієнти тепловіддачі від металевої стінки до органічних сумішей за умов вільної та вимушеної конвекції, які визначені за запропонованою методикою б_ЕРМ, зіставлені з власними експериментами та експериментальними даними інших авторів б_експ. Розбіжність б_ЕРМ і б_експ для основної маси точок не перевищує 35%.

7. Проведено обґрунтування застосування експериментально-розрахункового методу в конструктивному розрахунку і числовому експерименті утилізатора теплоти відпрацьованої суміші в системі біогазової установки. При цьому виявлено, що розбіжність між значеннями поверхонь теплообміну F, які розраховані за традиційною та запропонованою в роботі методикою, знаходиться в межах 10%. Результати числового експерименту, отримані з використанням ЕРМ та традиційної методики, практично співпали, що доводить доцільність застосування ЕРМ.

8. Використання розроблених методів визначення інтенсивності теплообміну в багатокомпонентних органічних середовищах дозволило синтезувати схему біогазової установки, в якій суттєво збільшується вихід товарного біогазу за рахунок утилізації теплоти відпрацьованої суміші.



Публікація ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ дисертації

1. Ткаченко С.Й. Залежності для оцінки значень коефіцієнтів тепловіддачі в системах термостабілізації біогазового реактора / С.Й. Ткаченко, Д.В. Степанов, Н.В. Резидент // Вісник ВПІ. - 2004. - №2. - С. 65-70.

2. Ткаченко С.Й. Експериментальне дослідження інтенсивності тепловіддачі до багатокомпонентних органічних сумішей / С.Й. Ткаченко, Н.В. Резидент, Є.П. Ларюшкін // Вісник ВПІ. - 2006. - №1. - С. 35-44.

3. Ткаченко С.Й. Моделювання інтенсивності теплообміну до багатокомпонентних органічних сумішей / С.Й. Ткаченко, Н.В. Резидент // Вісник ВПІ. - 2005. - №6. - С. 187-192.

4. Ткаченко С.Й. Тепловіддача до багатокомпонентного середовища в умовах вимушеної і природної конвекції / С.Й. Ткаченко, Н.В. Резидент // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. - 2006. - №1. - С. 111-114.

5. Ткаченко С.Й. Дослідження теплообміну до багатокомпонентних органічних сумішей в умовах вільної конвекції біля вертикальної циліндричної стінки / С.Й. Ткаченко, Н.В. Резидент // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. - 2006. - № 4. - С. 37-41.

6. Ткаченко С.Й. Ідентифікація закономірностей теплообміну за умов невизначеності вхідних даних / С.Й. Ткаченко, Н.В. Резидент // Вісник ВПІ. - 2006. - №6. - С.142-146.

7. Пат. 15905 України, МПК⁷ С02F11/04. Установка для отримання біогазу / Ткаченко С.Й., Резидент Н.В., Пішеніна Н.В., Гуменюк М.С.; заявник та патентовласник Вінницький нац. техн. університет. - №200601131; заявл. 06.02.06; опубл. 17.07.06, Бюл. №7.

8. Пат. 19219 України, МПК⁷ F26В9/00. Установка для використання та утилізації енергії біогазу / Співак О.Ю., Резидент Н.В., Колесник Н.В.; заявник та патентовласник Вінницький нац. техн. університет. - №200605262; заявл. 15.05.06; опубл. 15.12.2006, Бюл. №12.

...