УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ ВИЗНАЧЕННЯ ІНТЕНСИВНОСТІ ТЕПЛООБМІНУ В ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕРОБКИ ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ

Краткое содержание

Основний зміст роботи

            У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, наведені відомості про
апробацію отриманих результатів.

            У першому розділі проведено аналіз конструкцій і схемних рішень існуючих на даний час дієздатних СПОВ на прикладі біогазової установки (БГУ), огляд робочих процесів, що відбуваються в елементах СПОВ. Виконано класифікацію рідин та сумішей, що підлягають переробці в СПОВ, огляд і аналіз
існуючих методів та способів аналітичного та експериментального дослідження теплофізичних властивостей рідин і обладнання для їх реалізації. Також визначено проблеми математичного моделювання теплообмінних процесів у елементах СПОВ.

Створення систем переробки органічних відходів і отримання з них енергоносіїв для України є актуальним. Існуючі науково-методичні основи недостатні для створення сучасних біогазових установок третього покоління.

Низька продуктивність, значна матеріаломісткість обладнання, експлуатаційні витрати енергії, вартість установок обмежує впровадження СПОВ в Україні. Продуктивність СПОВ визначається якістю роботи теплообмінного обладнання, так як стабільність біохімічних і теплообмінних процесів пов’язані між собою.

Такі особливості вимагають удосконалення методів проектування основного обладнання СПОВ, розробку функцій якості, за якими можна було б оцінювати як екологічну так і енергетичну ефективність системи.

Виконуючи синтез СПОВ (БГУ) доцільно використати досвід в створенні

теплоенергетичних систем, установок (Попирін Л. С., Рижкін В. Я.), теплотехнологічних і хіміко-технологічних систем в харчовій та хімічній промисловості (Кафаров В. В., Тобілевич Н. Ю., Попов В. Д., Прядко М. О., Василенко С. М.), в розробках технології біоенергоконверсії (Дубровін В. О., Гелетуха Г. Г., Панцхава Є. С., Забарний Г. М., Калетнік Г. М., Мельничук М. Д., Мироненко В. Г., Таргоня В. С., Баадер Б., Доне Є., Семененко І. В., Ратушняк Г. С. та ін.).

Органічні суміші, субстрати тваринного походження, суміші субстратів, що переробляються в БГУ є полікомпонентними, багатофазними колоїднодисперсними, структурно-в’язкими середовищами, які в окремих випадках можна від-
нести до неньютонівських реонестабільних тиксотропних рідин з псевдоплас-
тичною текучістю. Ідентифікація реальних сумішей в біогазових установках складна, їх фізичні властивості можуть змінюватись на протязі технологічного процесу. На практиці утворюється безліч варіантів сумішей відходів, а отже, традиційна побудова баз даних по теплофізичним властивостям (ТФВ) робочих сумішей біогазової установки не вирішує проблему визначення інтенсивності теплообміну в них.

На даний час відсутній надійний математичний опис теплообмінних процесів в складних неоднорідних реонестабільних сумішах. Відомі методи розрахунку теплообміну в реологічних складних середовищах (Кутателадзе С. С., Шульман З. П., Chen Y. R. та ін.) в основному вимагають додаткових досліджень реології речовини, не враховують реонестабільність, невизначеність теплофізичних властивостей теплоносія.

Кількість експериментальних досліджень теплообміну в реонестабільних, багатофазних середовищах, наприклад, у рідких середовищах БГУ, відходах тваринництва, вкрай обмежена (Байрамов Р. Б., Бердиєв О., Богданов П. В., Chen Y.R., Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Резидент Н. В. та ін.). Проведення таких експериментів вимагає створення особливих умов, спеціалізованих приміщень, обладнання, великої кількості натурної суміші. Отже, традиційні методи дослідження і експериментальні установки не забезпечать багатоваріантні дос-
лідження процесів теплообміну в складних сумішах в залежності від їх передісторії.

Раніше запропонований оригінальний експериментально-розрахунковий метод (ЕРМ) для розрахунку теплообміну в складних сумішах дозволяє визначити коефіцієнти тепловіддачі до сумішей з невизначеними ТФВ шляхом нетрадиційного застосування теорії подібності та завдяки проведенню базового експери-
менту зі зразком натурної суміші на портативному експериментальному стенді.

Однак, існуючий ЕРМ для оцінювання інтенсивності теплообміну в складних сумішах не враховує з достатньою для практики точністю реонестабільність неньютонівських сумішей, напрям передачі теплоти.

В кінці розділу сформульовано мету і завдання досліджень.

У другому розділі викладено методичні основи синтезу систем виробництва енергоносіїв із органічних відходів. Запропоновано за функцію якості СПОВ приймати техногенне навантаження або зменшення техногенного навантаження (ТН) на навколишнє середовище протягом життєвого циклу , яке визначає ступінь впливу техногенних факторів на довкілля (шкідливі викиди, скиди тощо)

,

де К1 — вплив на людське здоров’я; К2 — вплив на якість екосистеми; К3 — вичерпання запасів мінералів і викопних палив. Життєвий цикл (ЖЦ), етапи: І — видобуток копалин; ІІ — виготовлення елементів та монтаж СПОВ; ІІІ — експлуатація і ремонт СПОВ; IV — утилізація обладнання.

За показники якості БГУ в дослідженнях приймалися також: відносна частка біогазу на власні потреби ;  — питомий вихід біогазу на одиницю маси металу реактора БГУ, м³/(добу кг); q — питомий вихід біогазу з одиниці об’єму реактора БГУ за добу, м³/(добу×м³).

За результатами синтезу СПОВ формуються початкові дані для роботи програми оцінювання ТН ЖЦ, яка реалізується в програмному продукті SimaPro 7.2. Вплив життєвого циклу виробу за методом Ei–99 визначається в безрозмірних величинах Eco–indicator point (Pt).

Математичне формулювання задач проектування теплотехнологічної системи СПОВ включає: функцію мети, систему балансових рівнянь, систему рівнянь, що описують кінетичні процеси, систему обмежень. Рівняння матеріальних, теплових балансів і рівняння тисків враховують особливості режимів роботи БГУ.

Система обмежень представлена у вигляді рівностей і нерівностей по термодинамічним, витратним, конструктивним параметрам. Показник q, що характеризує біотехнологічні процеси, приймаємо в заданому діапазоні 0,8 £ q £ 2, швидкість руху суміші — w £ 0,6 м/с згідно вимог біотехнології.

На основі всіх типів рівнянь утворюються розрахункові модулі БГУ, за допомогою яких можна описати всі можливі типи елементів БГУ в рамках заданої
системи обмежень. В якості об’єкт-гіпотези для дослідження прийнята прогре-
сивна схема БГУ третього покоління, окремі підсистеми, окремі елементи.

Побудована математична модель дозволяє розв’язувати наступні задачі: визначати зовнішні і внутрішні матеріальні і теплові потоки, тепловтрати, площу поверхні теплообміну, теплову потужність теплообмінника, якщо задана площа поверхні теплообміну, споживання енергії (біогазу) на власні потреби, вихід товарного біогазу та інше.

Для математичного опису теплообмінних процесів запропоновано використати ЕРМ але після його суттєвого вдосконалення. Оскільки, дослідження показали, що результуюча похибка існуючого ЕРМ становить ±36% — тобто підтвердилась точність, яка гарантується її авторами, в той же час, для деяких складних рідин похибка визначення коефіцієнта тепловіддачі може виходити за ці межі.