ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДЖЕДЖУЛА В’ЯЧЕСЛАВ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 631.331.85

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРIВ обладнання

ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА БІОГАЗУ ПРИ УТИЛІЗАЦІЇ ОРГАНІЧНИХ

ВІДХОДІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ПІДПРИЄМСТВ

Спеціальність 05.05.11 – Машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Ратушняк Георгій Сергійович, завідувач кафедри теплогазопостачання, Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Дубровін Валерій Олександро- вич, директор Інституту екобіотехнологій та біотехніки, Національний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, м. Київ;

кандидат технічних наук, професор Середа Леонід Павлович, ректор, Вінницький державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України.

Захист відбудеться „23” листопада 2007 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.854.02 у Вінницькому державному аграрному університеті (21008, Вінницька обл., Вінницький район, с. Агрономічне, вул. Сонячна, 3, модуль № 4)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького державного аграрного універ- ситету за адресою: 21008, Вінницька обл., Вінницький район, с. Агрономічне, вул. Сонячна, 3

Автореферат розісланий „16” жовтня 2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Берник П.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах погіршення екологічної ситуації та подорожчання енергоносіїв значна увага приділяється енергозберігаючим технологіям утилізації органічних відходів. Наявні в Україні та в Вінницькому регіоні природні ресурси дозволяють використовувати свій потенціал для забезпечення енергією з нетрадиційних джерел життєдіяльність фермерських господарств та сільськогосподарських товариств. Методи анаеробного перероблення біомаси в Україні зараз використовуються вкрай обмежено. Основною причиною є недостатня розробка енерге-тичних питань: великі витрати на термостабілізацію та підігрів субстрату, нераціональне використання біогазу, перевитрати електроенергії на власні потреби біогазової установки (БГУ). Практично відсутні експериментальні та теоретичні дослідження обладнання для енергозберігаючих процесів біоконверсії при утилізації органічних відходів. Тому дослідження процесів утилізації органічних відходів сільськогосподарських виробництв з метою обґрунтування параметрів обладнання і засобів інтенсифікації анаеробного бродіння в біореакторах для отримання біогазу є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації є складовою звіту держбюджетної теми № 82-Д-276 “Зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище в підсистемах енергозабезпечення систем біоконверсії”, що виконана згідно пріоритетного напрямку “Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток” відповідно до закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” № 2623-ІІІ від 11. 07.2001 р. Робота також виконувалась згідно з планом наукових держбюджетних та госпдоговірних робіт кафедр теплоенергетики і теплогазопостачання Вінницького національного технічного університету.

Мета і задачі досліджень. Робота присвячена удосконаленню параметрів робочих органів обладнання та технологічного процесу утилізації органічних відходів сільськогосподарських виробництв шляхом анаеробного бродіння в біореакторах для отримання біогазу.

Для реалізації поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

- провести аналіз стану сучасних технологій, конструктивних рішень обладнання з утилізації органічних відходів сільськогосподарських підприємств;

- встановити закономірності руху робочих органів обладнання коливального перемішування субстрату в біогазових реакторах при утилізації органічних відходів;

- розробити аналітичну модель технологічного процесу отримання біогазу при анаеробному бродінні органічних відходів, що дозволить прогнозувати продуктивність біореактора в залежності від впливаючих факторів;

- обґрунтувати конструктивно-технологічні параметри біогазового реактору з обладнанням коливальної активації для утилізації органічних відходів;

- розробити експериментальну комп’ютеризовану установку з коливальним перемішувачем субстрату, провести експериментальні дослідження з метою визначення впливу параметрів коливань на інтенсифікацію технологічного процесу органічних відходів і перевірити адекватність отриманих теоретичних залежностей експериментальним даним;

обґрунтувати раціональні технологічні схеми роботи біогазових реакторів з коливальним активатором при утилізації органічних відходів, оцінити на конкурентоспроможність та розробити рекомендації щодо його використання в сільськогосподарському виробництві;–

провести дослідження способів підготовки біогазу та запропонувати найбільш раціональні до практичного використання та обґрунтувати їх економічну ефективність.

Об'єктом дослідження є робочий процес перемішування органічних відходів при утилізації їх в біореакторі.

Предметом дослідження є обладнання та залежності показників інтенсифікації технологічних процесів утилізації органічних відходів сільськогосподарських виробництв шляхом анаеробного бродіння від конструктивних параметрів біореакторів.

Методи досліджень. В роботі використовувалися теоретичні і експериментальні методи досліджень. При інформаційно-аналітичному дослідженні методів та обладнання для утилізації органічних відходів застосовували Internet-мережу як джерело інформації. При проведенні експериментів та обробці експериментальних даних використовувалися методи математичної статистики у плануванні експерименту та проведенні регресійного аналізу. Дослідження процесів теплообміну відбувалося методами фізичного експе-рименту і основних положень й гіпотез теоретичних основ механіки, гідродинаміки та тепломасообміну. При побудові математичних моделей також застосовувались теорія нечіткої логіки та лінгвістичної змінної.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично обґрунтовано параметри робочих органів коливального перемішувача субстрату для інтенсифікації технологічних процесів утилізації органічних відходів сільськогосподарських господарств шляхом анаеробного бродіння в біореакторі з активатором.

2. Вперше доведено доцільність використання коливальних полів для підвищення ефективності тепловіддачі від твердої стінки нагрівача до двофазного середовища субстрату та інтенсифікації процесів бродіння і виходу біогазу при утилізації органічних відходів.

3. Розроблена математична модель управління продуктивністю роботи біогазового реактору з активатором при утилізації органічних відходів на базі теорії нечіткої логіки та лінгвістичної змінної, що дозволить прогнозувати продуктивність біореактора в залежності від кількісних та якісних факторів.

4. Запропоновано та використано в теоретичних дослідженнях модель руху пластини активатора при коливальному перемішуванні субстрату в біореакторі, яка дозволила отримати критеріальні рівняння, що описують теплообмінні процеси при коливальному омиванні поверхні нагріву.

5. Вперше експериментально виявлено та встановлено закономірності впливу частоти і амплітуди коливань пластини активатора на інтенсифікацію теплообміну в субстратах та виконано порівняння з вільноконвективними процесами теплообміну від твердої стінки до середовища.

6. Запропоновано раціональні технологічні схеми роботи БГУ при утилізації органічних відходів та підготовки біогазу до використання та оцінена їх конкурентоспроможність.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень була обґрунтована принципова та конструктивна схема, розроблено та виготовлено дослідний зразок біореактора з нагрівачем-активатором. Запропонована методика порівняльних експериментальних досліджень дозволила знайти умови, коли споживана потужність і час бродіння найменші, а продуктивність біореактора більша в порівнянні з існуючими. Результати досліджень є основою для вдосконалення технологічного процесу систем біоконверсії при утилізації органічних відходів. За результатами досліджень розроблена модель управління продуктивністю роботи біогазового реактору з перемішувачем субстрату при утилізації органічних відходів на базі теорії нечіткої логіки та лінгвістичної змінної, що дозволить прогнозувати продуктивність біореактора в залежності від впливаючих кількісних і якісних факторів.

Запропоновано конструкцію біогазового реактора з активацією теплообміну, технічна новизна якого підтверджена патентом України на корисну модель № 7184. За результатами багатофакторного експерименту виведена регресійна залежність, яка дає можливість оцінити вплив параметрів коливань на інтенсифікацію та термостабілізацію теплообміну в біореакторах. Застосування вдосконаленої конструкції біореактора дозволить підвищити продуктивність в середньому на 5…12 %, термін окупності системи термостабілізації та інтенсифікації складає в середньому 4…6 місяців в залежності від об’єму реактора.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- математичному моделюванні процесів руху робочого органу – пластини активатора в біореакторі при коливальній активізації теплообміну між нагрівальним елементом і субстратом;

- проведенні експериментальних досліджень та узагальненні результатів дослідження впливу коливань робочого органу на інтенсифікацію роботи біогазового реактора в діапазонах параметрів, що відповідають умовам експлуатації реакто-рів БГУ при утилізації органічних відходів сільськогосподарських підприємств;

- проведенні числових експериментів на математичних моделях з аналі-зом отриманих результатів по визначенню продуктивності реактора біогазової установки з активатором;

- розробленні технологічних схем, конструкцій біореакторів для утилізації органічних відходів та структурно-логічної схеми вибору способу підготовки біогазу до використання.

Всі основні положення дисертаційної роботи, що винесено на захист, отримані здобувачем особисто.

Впровадження результатів дослідження. Виконані в дисертаційній роботі обґрунтування технологічних параметрів біореакторів для утилізації органічних відходів передано та впроваджено в Управлінні агропромислового розвитку Вінницької облдержадміністрації та використано в навчальному процесі Вінницького національного технічного університету при викладанні дисципліни “Енергозбереження та експлуатація систем теплогазопостачання”.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були предметом доповідей та обговорення на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВНТУ (2000-2007); ІІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції „Індивідуальний житловий будинок" (м. Вінниця, 2001); Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (м. Вінниця, 2005); Міжнародній конференції “Автоматика 2006” (м. Вінниця, 2006); Міжнародній конференції “І Всеукраїнській з’їзд екологів” (м. Вінниця, 2006); 4–й Міжнародній конференції “Сотрудничество для решения проблем отходов” (м. Харків, 2007), Всеукраїнській науково-технічній конференції “Альтернативні екологічно чисті та відновлювальні джерела енергії” (м. Вінниця, 2007).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 наукових праць, в тому числі 7 у фахових виданнях, що входять до відповідного Переліку ВАК України, та отримано 6 патентів України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, бібліографії, додатків. Основний матеріал викладено на 131 сторінках машинописного тексту, ілюстровано 40 рисунками. Бібліографія містить 145 найменувань робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень та основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі „Сучасний стан питання і завдання досліджень ” проведено аналіз сучасних технологій анаеробного перероблення органічних сільськогосподарських відходів та їх енергетичний потенціал, наведено огляд наукових досліджень з інтенсифікації виробництва біогазу. Розглянуто конструктивні особливості сучасних біогазових реакторів та властивості процесу анаеробного бродіння, вимоги до сировини та умови протікання технологічного процесу утилізації органічних відходів. Охарактеризовано температурно-технологічні режими роботи біореактора та властивості отриманого продукту – біогазу.

Проблемами з утилізації органічних відходів та отримання біогазу займались видатні вчені. Основна їх увага приділялася теоретичним і експериментальним дослідженням процесу анаеробного бродіння, підвищенню ефективності роботи біореакторів та дослідженню процесів теплообміну і гідродинаміки в субстратах. Значний вклад у вирішення проблеми з утилізації органічних відходів та у дослідження теплогідродинамічних процесів у багатокомпонентних середовищах зробили вчені Баадер Б., Бойлс Д., Соуфер С., Долінський А.А., Дубровін В.О., Гелетуха Г.Г., Ткаченко С.Й., Ісаченко В.П., Михєєв М.А, Галіцейський Б.М. та ін. Інтенсифікації технологічних процесів з використанням коливальних полів присвячені наукові дослідження Гарькавого А.Д., Берника П.С., Середи Л.П., Ісковича-Лотоцького Р.Д., Ратушняка Г.С., Матвєєва І.Б. та інших вчених.

Виявлено, що обладнання та залежності показників інтенсифікації технологічних процесів утилізації органічних відходів сільськогосподарських виробництв досліджено недостатньо. Відомі конструкції реакторів з утилізації органічних сільськогосподарських відходів потребують модифікації та удосконалення з метою інтенсифікації теплообмінних процесів, підвищення глибини розкладання органічної речовини і ступеню очищення біогазу.

Сформульовано робочу гіпотезу дослідження, яка полягає в тому, що одним із суттєвих шляхів інтенсифікації та термостабілізації процесу анаеробного бродіння органічних відходів при їх утилізації в біореакторах з виробництва біогазу є коливальне перемішування субстрату, що дозволить збільшити вихід біогазу, зменшити площі нагрівальних елементів, здешевити біореактор та дотримуватися технології виробництва.

У другому розділі “Математичне моделювання процесу отримання біогазу при коливальній інтенсифікації процесу анаеробного бродіння в біогазових реакторах” обґрунтовано об’єкт моделювання – біогазовий реактор з коливальним перемішувачем субстрату, який дозволяє інтенсифікувати та термостабілізувати анаеробний процес біоконверсії (рис. 1).

Результати аналітичних досліджень руху пластини-активатора коливального перемішувача субстрату (рис. 2) дозволили поєднати механічні, теплові і гідродинамічні процеси при коливальному омиванні стінки нагрівального елементу в одну математичну модель.

Система, що описує рух пластини коливального перемішувача (рис. 2), базується на рішенні рівняння Лагранжа 2-го роду

. (1)

Розглянувши всі сили, що діють на систему, визначено кінетичні енергії складових механізму коливального перемішувача, які описано у вигляді рівняння (2)

(2)

,

де - кут повороту диску механізму перемішувача, рад; m1, m2, m3- відповідно маси диску, шатуна і повзуна з пластиною активатором; r – радіус диску; l – довжина шатуна; - ексцентриситет, м;

Обчисливши інші складові рівняння (1), отримано нелінійне диференційне рівняння, що описує рух механізму коливального перемішувача субстрату. Рішення рівняння (1) виконано методом Рунге - Кутта в математичному пакеті Mathcad 2001, попередньо перетворивши його в систему диференційних рівнянь першого порядку шляхом заміни .

Використовуючи закон збереження імпульсу, теплофізичні властивості субстрату, та на основі гіпотез Рейнольдса і Прандтля було знайдено критеріальне рівняння (3), що описує теплообмінні процеси при коливальному омиванні субстратом поверхні нагрівального елементу

, (3)

де Nu – критерій Нуссельта; d- діаметр нагрівального елементу, м; - коефіцієнт теплопровідності субстрату, Вт/(м°С); w – коливальна швидкість омивання нагрівального елементу, м/с; - коефіцієнт кінематичної в’язкості субстрату, м2/с; густина субстрату, кг/м3; ср – теплоємність субстрату, кДж/кг °С; s – дотичне напруження, Па.

З використанням теорії нечітких множин та лінгвістичних змінних запропоновано узагальнену математичну модель причинно-наслідкових зв’язків у прийняті рішень з управління технологічними процесами підвищення продуктивності біогазових реакторів з утилізації органічних відходів. Для встановлення ієрархічних зв’язків між факторами впливу на продуктивність біореактора виконано їх класифікація за такими факторами: тип і якість сировини, конструкція реактора та стабільність режиму, кожен з яких є лінгвістичною змінною. Структуру узагальненої моделі представлено у вигляді дерева логічного висновку, в вузлах якого означено номери формул, що описують ієрархічну сукупність співвідношень між факторами впливу. Прогнозована продуктивність біогазового реактора та фактори інтенсифікації та термостабілізації анаеробного бродіння органічних відходів розглядаються як лінгвістичні змінні, що характеризуються за допомогою нечітких термів на відповідних універсальних множинах.

Лінгвістичним висловлюванням відповідає система нечітких логічних рівнянь, які характеризують поверхню належності змінних відповідному терму. Кожному нечіткому логічному рівнянню відповідає база знань у вигляді експертних висловлювань про зв’язки нечітких термів вхідних та вихідних лінгвістичних змінних.

Лінгвістичну змінну Lвих , що характеризує вихід біогазу, представлено у вигляді

Lвих=(X,Y,Z), (4)

де X- лінгвістична змінна (ЛЗ), що описує вплив типу і якості сировини; Y- ЛЗ, що описує вплив конструкції реактора; Z -ЛЗ, що описує вплив стабільності температурного режиму, Q- ЛЗ, що описує вплив типу інтенсифікації технологічного процесу.

Системи нечітких логічних рівнянь, які характеризують поверхню належності зміної Lвих – “вихід біогазу”, відповідному терму, а саме: низька н(Lвих), нижче середньої нс(Lвих), середня с(Lвих), вище середньої вс(Lвих), висока в(Lвих) на системному рівні Lвих= f (X,Y,Z), наступні:

н(Lвих)=н (Х) н (Y) н (Z) нС (Х) нС (Y) нС (Z), (5)

нС(Lвих)=н(Х) н(Y) н(Z) нС(Х) нС (Y) нС(Z) С(Х) С (Y) С(Z), (6)

С(Lвих)= нС (Х) нС (Y) нС (Z) С (Х) С (Y) С (Z) вС (Х) вС (Y) вС (Z), (7)

вС(Lвих)= С (Х) С (Y) С (Z) вС (Х) вС (Y) вС (Z) В (Х) В (Y) В (Z), (8)

В(Lвих)= вС (Х) вС (Y) вС (Z) В (Х) В (Y) В (Z). (9)

Аналогічно складені системи логічних рівнянь на рівні змінних “конструкція реактора”, “стабільність режиму” і “тип і якість сировини”. Визначено функції належності нечітких оцінок впливу таких факторів на вихід біогазу, як тип і якість органічної сировини, конструкція біогазового реактора та стабільність режиму (рис. 3).

Перехід від отриманих нечітких множин до кількісної оцінки впливу цих факторів на вихід біогазу з органічних відходів здійснюється виконанням процедури дефазифікації, тобто перетворенням нечіткої інформації в чітку форму. Модель нечіткого логічного висновку разом з процедурою дефазифікації забезпечує можливість на основі віртуального експерименту отримати прогнозовану оцінку активуючого впливу наведених факторів на продуктивність біореактора при утилізації органічних відходів сільськогосподарських підприємств.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” наведено програму досліджень (рис. 4), описано розроблену експериментальну установку (рис. 5) та методики проведення досліджень теоретично обґрунтованих параметрів інтенсифікації роботи реактора.

Представлено методику проведення дослідів. План проведення досліджень включає експерименти з вільноконвективного теплообміну у суспензіях, а також з теплообміну від нагрівального елементу до субстрату і води за умов коливання середовища (рис. 4). Межі варіювання початкових параметрів досліджень: питомого теплового потоку (500…16000 Вт/м2), температур (20…55 °С), швидкостей руху субстрату (0,1…0,7 м/с), частота коливань (0,5…5 Гц), амплітуда коливань (0,01…0,1 м) - відповідають умовам роботи реактора біогазової установки з утилізації органічних відходів.

Рис. 4. Схема проведення експериментальних досліджень

Експериментальна установка (рис. 5) складається з ємності з прозорими стінками, коливального активатора, нагрівального елементу і термощупів, блоку управління параметрами досліджень та комп’ютера, в якому була закладена програма управління. Ємність з прозорими стінками 1, що має розміри основи 600х320 мм, заповнена середовищем на висоту 190 мм.

На глибині 110 мм під рівнем встановлено нагрівальний елемент 2, в середині якого розміщено електричний нагрівник довжиною 440 мм та електричним опором 38 Ом. Напруга на нагрівник подається через блок живлення 8, а навантаження контролюється вольтметром. Вимірювання температур проводиться за допомогою термодатчиків DALLAS DS 1626S. Проградуйовані термодатчики ізольовано термостійким лаком. Термощупами вимірюється температура в різних місцях об'єму.

Коливання середовища здійснюється за рахунок руху металевої пластини 4, що посередині прикріплена до повзуна кривошипно-шатунного механізму 5, який у свою чергу закріплено на валу двигуна постійного струму 6. Вимірювання кількості обертів валу кривошипно-шатунного механізму 5 виконується імпульсним тахометром 7.

Сигнал від імпульсного тахометра 7 поступає на мікрокомп’ютер. Від мікрокомп’ютера оброблена інформація направляється на стаціонарний комп’ютер, в якому за допомогою спеціально розробленої програми вона представляється у графічному вигляді і записується у текстовий файл. Розроблено та реалізовано схему інформаційних зв’язків експериментальної установки.

Рис. 6. Загальний вигляд експериментальної установки для дослідження впливу коливального перемішування субстрату на інтенсивність тепловіддачі та термостабілізацію

У четвертому розділі „Аналіз та узагальнення результатів експериментальних досліджень коливання середовища на інтенсифікацію та термостабілізацію процесу виробництва біогазу” представлено результати експериментів з визначення впливу коливального перемішування рідини на інтенсивність тепловіддачі від твердої стінки до води і субстрату. За результатами дослідження розподілу температур біля теплообмінної поверхні на різній відстані від стінки у субстраті (рис. 7, 8) обґрунтовано вибір визначальної температури рідини та температури стінки при різних способах організації конвекції. Експериментально встановлено термостабілізаційний ефект коливальної активації (рис. 8).

Досліджено гідродинамічні та теплообмінні особливості у коливальному нерівномірному в’язкому середовищі, що омиває теплообмінну поверхню. Розроблено критеріальні залежності для визначення інтенсивності тепловіддачі до субстрату за умов нерівномірного коливального омивання поверхні (10) субстратом та водою (12). Використовуючи пакет програм статистичної обробки даних Statistica 5.5, виконано регресійний аналіз експериментальних даних.

За результатами аналізу за допомогою методу Хука-Дживіса максимальне значення коефіцієнту детермінації R=0,78 досягнуте для залежностей

, (10)

де Nu – критерій Нуссельта, Pr – критерій Прандтля, – коливальний критерій Рейнольдса, який визначається за формулою

, (11)

де f – частота коливань, Гц; А - амплітуда коливань, м; – діаметр нагрівального елементу, м; - коефіцієнт кінематичної в’язкості, м2/с.

Експериментальна залежність (12) тепловіддачі при коливальному омиванні теплообмінної поверхні водою отримана за допомогою сиплекс - методу з коефіцієнтом детермінації R=0,67

. (12)

Аналіз поверхні впливу факторів активації теплообміну (рис. 9) свідчить, що суттєвий вплив на зростання критерію Нуссельта має критерій Рейнольдса, зв'язок між ними прямо пропорційний.

Виявлено, що коливальне перемішування середовища інтенсифікує у водному середовищі вільноконвективну тепловіддачу в 1,5....3,0 разів, в суспензії С=8% в 1,3...2,5 рази. Таким чином, використання коливальної активації теплообміну у біореакторах дозволяє термостабілізувати та інтенсифікувати процес виробництва біогазу та економити матеріальні ресурси за рахунок зменшення площ теплообмінних пристроїв. Залежність зміни продуктивності біореактора від швидкості коливання субстрату розрахована за допомогою моделі на базі теорії нечіткої логіки та лінгвістичної змінної та показано на рис. 10.

За результатами співставлення результатів аналітичних досліджень (3) з результатами експериментальних досліджень (10) виявлено, що для використання аналітичних результатів в практичних розрахунках теплообмінних процесів в біореакторах необхідно ввести коригуючий коефіцієнт =0,62 в розроблену математичну модель.

У п’ятому розділі „Реалізація результатів досліджень та техніко-економічне обґрунтування ” запропоновано конструкції реакторів, захищені патентами України, що дозволять інтенсифікувати та покращити процес виробництва біогазу з органічних відходів (рис. 11). Обґрунтовано та запропоновано раціональні технологічні схеми роботи біогазових реакторів з рекуперацією тепла шламу та з тепловим насосом (рис. 12).

Рис. 11. Конструкції реакторів для інтенсифікації процесу виробництва біогазу

Рис. 12. Енергозберігаюча технологічна схема вироблення біогазу з тепловим насосом:

1 - реактор установки з конусами доверху і донизу з віброактиватором та нагрівачем;

2 - тепловий насос для рекуперації тепла відпрацьованого шламу;

3 - сервопривід з триходовим клапаном, циркуляційний насос системи теплопостачання БГУ;

4 - резервуар – збірник органічних відходів;

5 - поле висушування сухої частини шламу;

6 - резервуар – збірник органічних біодобрив;

7 - пристрій для видалення сірки;

8 - пристрій для видалення вуглекислого газу;

9 - газгольдер;

10 - фекальний насос для подачі і видалення субстрату;

Обґрунтовано технології, апарати та наведено властивості реагентів для очищення біогазу. Перспективними за економічними, екологічними та технічними показниками є водневе очищення, використання етаноламінів, поташу, метанолу для видалення шкідливих домішок та безупинна безреагентна схема. Запропоновані схеми дозволяють скоротити витрати тепла на нагрівання вхідної сировини в біореактор до 70% - з тепловим насосом і до 50% - з рекуперативним теплообмінником. Розроблено схему автоматизованого управління біореактором з коливальною інтенсифікацією теплообміну. Запропоновано принципові технологічні схеми для підготовки біогазу до використання в теплотехнічному обладнанні.

Виконано техніко-економічне обґрунтування роботи біореактора з коливальною активацією теплообміну в субстраті. Термін окупності активатора для реактора об’ємом 600 м3 складає близько чотирьох місяців. Річний прибуток від впровадження схеми автоматизованого управління та інтенсифікації теплообміну коливальним перемішувачем складає більше 20 000 грн. Виявлено, що запропонована система автоматизованого управління є рентабельною для реакторів середнього і великого об’єму (від 100 м3 і більше).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. За результатами аналізу стану сучасних технологій утилізації відходів сільськогосподарського виробництва встановлено, що найбільш енергозберігаючим є біогазове перероблення органіки, яке дозволяє децентралізувати енергоспоживання та отримати екологічно якісні добрива. На сьогоднішній день відсутні науково-обґрунтовані рекомендації параметрів робочих органів для перемішування субстрату з метою інтенсифікації та термостабілізації анаеробних процесів перероблення органіки в біогазових установках.

2. Розроблено математичну модель процесу активації роботи біореактора при коливальному перемішуванні субстрату. Розв’язанням диференційного рівняння Лагранжа установлено закон руху пластини активатора. На основі законів теплопровідності, конвективного теплопереносу та збереження імпульсів розроблено критеріальне рівняння, що описує теплообмінні процеси між нагрівальним елементом і субстратом при коливальному омиванні стінки нагрівника.

3. Теоретично обґрунтовано вдосконалення конструктивно-технологічних параметрів біогазових реакторів. Розроблено математичну модель управління технологічними процесами підвищення продуктивності біогазових реакторів з утилізації органічних відходів в біореакторах на базі теорії нечіткої логіки та лінгвістичної змінної. Використання цієї методології дозволяє враховувати вплив кількісних та якісних факторів на процес термостабілізації анаеробних процесів. Встановлено, що одним із найсуттєвіших факторів термостабілізації та інтенсифікації анаеробних процесів в біогазових установках при утилізації органічних відходів з метою підвищення їх продуктивності є коливальна активація теплообміну.

4. Для уточнення теоретично обґрунтованих параметрів робочих органів активатора розроблена експериментальна установка. Установка дозволила дослідити вплив робочих параметрів активатора на тепловіддачу від теплообмінної поверхні до середовища в об’ємі за умов зовнішньої задачі теплообміну з коливальною активацією. Комп’ютеризований збір даних та їх оброблення за спеціально розробленою програмою забезпечили достатню достовірність отриманих експериментальних результатів. Похибки визначення питомого теплового потоку від нагрівального елементу до субстрату та коефіцієнту тепловіддачі не перевищують відповідно 2,3…4,7% і 2,8…14,2%.

5. Експериментально доведено, що коливання середовища пластиною активатором інтенсифікує у водному середовищі вільноконвективну тепловіддачу в 1,5...3,0 разів, в суспензії С=8% в 1,3...2,5 рази. Таким чином використання пластини активатора для інтенсифікації теплообміну у біореакторах дозволяє термостабілізувати та інтенсифікувати процес виробництва біогазу та економити матеріальні ресурси за рахунок зменшення площ теплообмінних пристроїв.

6. Обґрунтовано та запропоновано раціональні технологічні схеми роботи біореакторів з рекуперацією теплоти шламу. Запропоновані енергозберігаючі схеми дозволяють скоротити витрати теплоти на нагрівання вхідної органічної сировини в біореактор до 70%. Розроблено схему автоматизованого управління робочими параметрами біореактора з інтенсифікацією теплообміну.

7. Обґрунтовано нові конструкції реакторів, технології, апарати та реагенти для очищення біогазу. Виконано техніко-економічне обґрунтування роботи біореактора з активацією теплообміну при утилізації органічних відходів сільськогосподарських підприємств. Річний прибуток від впровадження схеми автоматизованого управління та інтенсифікації теплообміну для реактора об’ємом 600 м3 складає більше 20 000 грн. Запропонована система утилізації органічних відходів є високорентабельною для реакторів середнього і великого об’єму (від 100 м3).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Ткаченко С.Й., Степанов Д.В., Джеджула В.В. Закономірності розподілу температурних напорів за умов локального газорідинного омивання поверхні //Вісник ВПІ. - 2003. - № 4. – С. 42 – 45.

2. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Контроль параметрів температурних напорів в одно– та багатофазних середовищах //Вісник ВПІ. – 2005. – № 6. – С. 193–195.

3. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Інтенсифікація виробництва та підготовка біогазу до використання в теплотехнічному обладнанні// Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання, КНУБА, К.: 2005.– № 8 – С. 52 – 60.

4. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Моделювання віброінтенсифікуючих процесів в біореакторах на основі лінгвістичної інформації // Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія. – 2006. – № 3. – С. 74 – 80.

5. Pатушняк Г.С., Джеджула В.В. Інтенсифікація теплообміну та термостабілізація біореакторів // Вісник ВПІ.– 2006.– № 2. – С. 26–31.

6. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Підвищення продуктивності біогазового реактора управлінням параметрами вільноконвективних процесів теплообміну// Вісник Хмельницького національного університету. – 2006. – №2. – С. 29–32.

7. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Автоматичне управління в системах біоконверсії// Вісник ВПІ. – 2006. – № 6. – С. 116 121.

8. Деклараційний пат. № 70885 А Україна. Біогазовий реактор// Ратушняк Г.С., Джеджула В.В., Державний департамент інтелектуальної власності. – № 20031213279; Заявлено. від 31.12.2003; Опубл. 15.10.2004; Бюл № 10.

9. Деклараційний пат. № 7938 Україна. Біогазовий реактор// Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Державний департамент інтелектуальної власності. – № 20041210473; Заявлено від 20.12.2004; Опубл. 15.07.2005; Бюл № 7.

10. Деклараційний пат. № 9697 Україна. Біогазовий реактор// Ратушняк Г.С., Джеджула В.В.; Державний департамент інтелектуальної власності. – № u 200502273; Заявлено від 14.03.2005; Опубл. 17.10.2005; Бюл № 10.

11. Деклараційний пат. № 7184 Україна. Біогазовий реактор // Ратушняк Г.С., Джеджула В.В., Державний департамент інтелектуальної власності. – № 20041008416; Заявлено від 18.10.2004; Опубл. 15.06.2005; Бюл № 6.

12. Деклараційний пат. № 15894 Україна. Біогазовий реактор//Ратушняк Г.С., Джеджула В.В., Державний департамент інтелектуальної власності. – № u 2006 01110; Заявлено від 06.02.2006; Опубл. 17.07.2006; Бюл № 7.

13. Деклараційний пат. № 13260 Україна. Експериментальна установка для вимірювання середніх температур стінки та температурних напорів// Ратушняк Г.С., Джеджула В.В., Державний департамент інтелектуальної власності.– № u 2005 09738; Заявлено від 17.10.2005; Опубл. 15.03.2006; Бюл № 3.

14. Pатушняк Г.С., Джеджула В.В. Енергозбереження в системах біоконверсії. Навч. посібник – Вінниця: УНІВЕРСУМ – Вінниця. 2006. – 87 с.

15. Джеджула В.В., Демченко Л.Л. Альтернативні джерела енергозабезпечення фермерських господарств //Індивідуальний житловий будинок. Книга за матеріалами третьої республіканської науково–технічної конференції. – Вінниця. – 2001. – С. 137–141.

16. Ратушняк Г.С., Джеджула В. В. Контроль параметрів температурних напорів в одно– та багатофазних середовищах // Тези доповідей VIII Міжнародної конференції “Контроль і управління в складних системах”, 2005 – С. 240.

17. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Автоматичне управління в системах біоконверсії // Тези доповідей ХІІІ Міжнародної конференції з автоматичного управління. – 2006. – С. 227.

18. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Енергозбереження в системах виробництва біогазу// Тези доповідей Міжнародної конференції “І всеукраїнський з’їзд екологів”, 2006 – С. 229.

19. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Інтенсифікація виробництва та підготовка біогазу до використання в теплотехнічному обладнанні// Нова Тема, УКРІНТЕРМ, К.: 2006.– № 2 – С. 16 – 18.

20. Ратушняк Г.С., Джеджула В.В. Енергозбереження в системах виробництва біогазу // Сотрудничество для решения проблем отходов. Материалы IV Международной конференции. Х.: ЭкоИнформ. 2007.– С. 180 – 182.

АНОТАЦІЇ

Джеджула В.В. Обґрунтування параметрів обладнання для виробництва біогазу при утилізації органічних відходів сільськогосподарських підприємств – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Вінницький державний аграрний університет. Вінниця, 2007.

Дисертація присвячена питанням теоретичного та експериментального дослідження інтенсифікації технологічного процесу анаеробного бродіння. Розроблено математичну модель управління технологічними процесами підвищення продуктивності біогазових реакторів з утилізації органічних відходів на базі теорії нечіткої логіки та лінгвістичної змінної. Використання цієї методології дозволяє враховувати вплив кількісних та якісних факторів на процес термостабілізації та інтенсифікації анаеробних процесів. Встановлено, що одним із найсуттєвіших факторів термостабілізації та інтенсифікації анаеробних процесів в біогазових установках при утилізації органічних відходів з метою підвищення їх продуктивності є коливальна активація теплообміну. Досліджено гідродинамічні та теплообмінні особливості у коливальному нерівномірному в’язкому середовищі, що омиває теплообмінну поверхню. Виявлено, що вібрація середовища інтенсифікує у водному середовищі вільноконвективну тепловіддачу в 1,5...3,0 разів, в суспензії С=8% в 1,3...2,5 рази. Обґрунтовано та запропоновано раціональні технологічні схеми роботи біогазових реакторів з рекуперацією теплоти шламу та з тепловим насосом. Запропоновано принципові технологічні схеми для підготовки біогазу до використання в теплотехнічному обладнанні. Обґрунтовано технології, апарати та реагенти для очищення біогазу. Виконано техніко-економічне обґрунтування роботи біореактора з активацією теплообміну при утилізації органічних відходів сільськогосподарських підприємств.

Ключові слова: біогаз, біогазовий реактор, органічні відходи, утилізація, термостабілізація, інтенсифікація теплообміну, коливання, очищення, моделювання, лінгвістична змінна.

Джеджула В.В. Обоснование параметров оборудования для производства биогаза при утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Винницкий государственный аграрный университет. Винница, 2007.

Диссертация посвящена вопросам теоретического и экспериментального исследования интенсификации технологического процесса анаэробного брожения. Разработана математическая модель управления технологическими процессами повышения продуктивности биогазовых реакторов по утилизации органических отходов на базе теории нечеткой логики и лингвистической переменной. Использование этой методики позволяет рассчитать влияние количественных и качественных факторов на процесс термостабилизации и интенсификации анаэробных процессов. Выявлено, что одним из решающих факторов термостабилизации и интенсификации анаэробных процессов в биогазовых установках при утилизации органических отходов с целью повышения их производительности есть колебательная активация теплообмена. Исследовано гидродинамические и теплообменные особенности в вибрационной неравномерной вязкой среде, что омывает теплообменную поверхность. Установлено, что вибрация среды интенсифицирует в водной среде свободноконвективную теплоотдачу в 1,5…3,0 раза, в суспензии с С=8% в 1,3…2,5 раза. Обосновано и предложено рациональные технологические схемы работы биогазовых реакторов с рекуперацией теплоты шлама и с тепловым насосом. Предложено принципиальные технологические схемы для подготовки биогаза для использования в теплотехническом оборудовании. Обосновано технологии, аппараты и реагенты для очищения биогаза. Сделано технико-экономическое обоснование работы биореактора с колебательной активацией теплообмена при утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий.

Ключевые слова: биогаз, биогазовый реактор, органические отходы, утилизация, термостабилизация, интенсификация теплообмена, колебание, очищение, моделирование, лингвистическая переменная.

The substantiation of equipment parameters for biogas production in organic waste utilization of agricultural enterprises. - A manuscript.

The thesis for getting a scientific degree of Candidate of Technical Science on speciality 05.05.11- Machines and means of mechanization of agricultural production. – Vinnytsia State Agricultural University. - Vinnytsia, 2007

The thesis deals with the problem of theoretical and experimental research of technological process intensification of anaerobic fermentation. There has been developed the mathematical model of technological processes control of productivity improvement of biogas reactors for organic waste utilization on the basis of the theory of unclear logic and linguistic variable. The use of this technique makes it possible to calculate the influence of quantitative and qualitative factors on the process of thermo stabilization and on intensification of anaerobic processes. The vibroactivation of heat exchange has been proved to be one of the determinative factors of thermo stabilization and intensification of anaerobic processes in biogas installations in organic waste utilization for the purpose of their productivity improvement. There have been investigated hydrodynamic and heat exchanging peculiarities in the vibratory nonuniform viscous medium, that surround the heat exchanging surface. There has been determined that the surface vibration intensifies freely convective heat transfer by 1,5 …3,0 times in aqueous medium and by 1,3…2,5 times in the suspension with С=8%. There have been substantiated and offered efficient process flowsheets of biogas reactors with heat recovery of slime and with thermal pump. There have been offered fundamental process flowsheets for biogas preparation for its use in the thermo technical equipment. There also have been substantiated technologies, apparatus and reagents for biogas depuration. There has been made the technical and economic assessment of the work of bioreactor with vibroactivation of heat exchange in organic waste utilization of agricultural enterprises.

Key words: biogas, biogas reactor, organic waste, utilization, thermo stabilization, intensification of heat exchange, vibration, depuration, modeling, linguistic variable.

Підписано до друку 05.10.2007 р. Формат 29,742

Наклад 100 прим. Зам. № 2007-140.

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ВНТУ