Таблиця 5.1 – Залежність потужності генератора від річного завантаження

Показники	Потужність генератора, кВА
Річне завантаження, годин
Необхідна кількість газу, м3/доб.
Додаткова кількість теплової енергії, МДж/доб.

 

 

5.2 Розрахунок основних блоків технологічного обладнання біогазових установок.

 

5.2.1 Обладнання підготовки вхідної маси.

Місткість приймальної споруди (V_зб):

 

,

 

де Q – маса сировини, т;

r - густина сировини, т/м³ ;

Густина залежність від вологості. Так для рідкого гною, що отриманий від сільськогосподарських тварин, вона складає:

 

Вологість, %
Густина, кг/м3

 

t_н - час накопичення сировини, діб.;

k_в - коефіцієнт, що враховує зміну густини сировини в залежності від початкової вологості за час накопичення.

Місткість резервуара для нагрівання (V_н):

 

,

 

де L – добовий вихід сировини нормативної вологості, м³;

t₀ – час нагрівання, діб.;

k’_о – коефіцієнт, що враховує зміну густини сировини за час нагрівання;

Поверхня теплообміну (F₁):

 

,

 

де Q₁ – кількість теплоти для нагрівання вхідної маси, Дж;

t_п, t_к – відповідно початкова та кінцева температура сировини, ⁰С;

k – коефіцієнт тепловіддачі, що залежить від виду теплоносія, характеру протікання процесу теплообміну, форми теплообмінника;

t_н – час нагрівання.

5.2.2 Визначення основних параметрів метантенку.

Об’єм метантенка (V_м):

 

,

 

де g – добова доза завантаження метантенка.

Тривалість бродіння (t_б):

 

t_б = 100 / q,

 

де q – питома кількість виходу газу з 1т сировини, що перероблюється.

Добовий вихід газу:

 

G_б= L q, м³

5.2.3 Визначення основних параметрів газгольдера.

Об’єм газгольдера (V_г):

 

,

 

де t_нб – тривалість накопичування газу за добу.

Геометричні розміри газгольдеру визначаються із умов найменших витрат матеріалу. При використанні “мокрого” газгольдера його корисний об’єм визначається:

 

,

 

де D – діаметр ковпака газгольдера;

Н₀ – висота ковпака;

h – висота шару води, що потрапляє під ковпак, як результат балансового відношення тисків;

Дійсне значення тиску під ковпаком складає:

 

р = р₀ – р₁ – р₂ ,

де р₀ – тиск, що виникає за рахунок маси ковпака:

 

,

де G – маса ковпака.

р₁ – зниження тиску за рахунок виштовхуючої сили, що діє на занурену частину ковпака:

,

де G’ – маса ковпака з урахуванням виштовхуючої сили:

 

,

де m – маса стінок ковпака.

р₂ – зменшення тиску за рахунок різниці густини повітря навколишнього середовища та газу під ковпаком:

 

,

 

де G’’ – вертикальна складова підйомної сили, що виникає як результат різниці густини повітря та газу:

 

,

 

де g_п, g_г - відповідно густина повітря та газу.

В “сухому” газгольдері різниця тиску складає:

 

,

 

де h_c - висота газового шару в газгольдері.

Тиск в газгольдері є вихідним параметром установки, тому за його величиною корегуються розміри газгольдеру.

 

5.2.4 Розрахунок кількості теплоти в установці.

Загальна теплова енергія від газу:

 

Q_заг =G_б × С_б,

де С_б - теплотворна здатність газу (с=24 МДж/ м³).

Витрати теплоти на нагрівання сировини

 

,

де t₁ – початкова температура нагрівання;

t₂ - режимна температура (мезофільний або термофільний процес);

С_с - тепломісткість сировини (наприклад, для гною сільськогосподарських тварин 4.06 кДж/ кг⁰С);

h – ККД нагрівача.

Витрати теплоти на власні потреби:

 

,

 

де Q_втр – кількість теплоти на компенсацію тепловтрат.

 

 

5.2.5 Визначення вихідних показників установки.

Загальна кількість газу, що витрачається на власні потреби:

 

G_вп = Q_вп / С_б

Кількість товарного газу:

 

G_т = G_б – G_вп

Коефіцієнт витрат газу на власні потреби:

 

.

 

 

5.3 Приклади розрахунків.

 

Розрахунок біогазової установки.

 

Дано: корівник на 200 голів, видалення гною – транспортерне, утримання – прив’язне.

 

1. Об’єм гноєприймача:

,

де t_н =2 доби – час накопичення гною;

k_в=1–- коефіцієнт, що враховує зміну густини сировини в залежності від початкової вологості за час накопичення.

Q_г – добовий вихід гною з ферми:

де m_e – маса екскрементів від тварин, кг

 

Вид та вікові групи тварин	Загальний вихід на 1 голову за добу,кг
Велика рогата худоба: – корови – нетелі – телята (до 6 міс.)	7,5
Молодняк на відгодівлі, міс – 6 – 9 – 12
Свиноматки	6,0
Поросята, міс. – до 2 – 2...4	3,3 3,6
Підсвинки (до 6 міс.)	4,2
Свині на відгодівлі	5,0
Кури	0,27...0,32
Індики	0,4...0,45
Качки	0,4...0,5
Гуси	0,6...0,7

 

m_в – добова кількість води, що потрапляє в систему гноєсховища;

 

№ п/п	Система видалення	Розрахунковий вираз
	Транспортерне (конвеєрне)	(0,1...0,2) me
	Самосплавна	(0,3...0,5) me
	Лотково-зливна із сухою чисткою	(2,0...2,5) me
	Лотково- зливна з вологою чисткою підлоги	(5,0...6,0) me
	Гідрозмив	(7,0...8,0) me

 

m_п – добова кількість підстилки на 1 гол., кг

Вид і вік тварин	Спосіб утримання
у групових клітках	прив’язний	боксовий	безприв’язний на глибокій підстилці
Велика рогата худоба: – корови – відгодівельне поголів’я – молодняк	–   – 1,0	1,5   1,0 1,5	0,5   – 0,5	3,0   3,0 1,5
Свині	0,5	–	–	–

 

Вологість підстилкового гною:

де W_e – відносна вологість екскрементів:

 

Види тварин	Вологість, %
кал	сеча	суміш
Велика рогата худоба	83...84	94...95	86...87
Свині	76...78	94...95	87...88
Вівці	76...69	94...95	77...79
Коні	71...72	95...96	77...79
Кури	–	–	73...76
Індики	–	–	73...76
Качки, гуси	–	–	83...85

 

W_п – вологість підстилки (солома –19,6%);

Р_п,Р_в – співвідношення у гнойовій масі підстилки і води, %:

 

W_г =86-0,01·2,32 (86-19,6) + 0,01·12,74(100-86) = 86,24%

2. Добовий обсяг завантаження метантенка:

3. Визначення об’єму бродильної камери:

,

де р – добова доза завантаження, %:

– для мезофільного процесу – 7%;

– для термофільного процесу – 15%;

q – коефіцієнт заповнення камери (в межах 0,8..0,95).

4. Добовий вихід біогазу:

де z – стан розкладання органічної речовини, %;

k – коефіцієнт розчинності біогазу (1,1...1,5);

ρ_г – густина біогазу (при СН₄ 60% та СО₂ 35% – 1,17кг/м³).

5. Витрати теплової енергії, що необхідна для підігрівання біомаси:

де – кількість теплоти, що витрачається в теплий період, МДж:

;

– кількість теплоти, що витрачається в холодний період, МДж:

;

,

де t_бр – температура бродіння (для мезофільного 35⁰С);

t_г – температура маси гною (20⁰С в теплий період; 10⁰С в холодний період);

с_г – теплоємкість гною, 4,06 кДж/кг ⁰С;

η – ККД нагрівача.

 

6. Кількість біогазу, що необхідна для підігрівання біомаси:

V_бгу =Q_бгу / q =595247/22=27057 м³,

де q – теплотворна здатність біогазу, МДж/м³;

7. Витрати біогазу на компенсацію тепловтрат:

V_вт =Q_бгу η/ q =595247·0,6/22=16234 м³,

де η = 0,6 – ефективність теплоізоляції системи.

8. Частка біогазу, що йде для підігрівання гною:

.

 

 

Контрольні питання до глави 5.

1. Від яких показників залежить вихід газів, що виділяються в процесі бродіння?

2. Назвіть основні технологічні операції, що забезпечують виконання процесу утворення біогазу?

3. Які технологічні задачі необхідно вирішити при збиранні та підготовці вихідної сировини?

4. Назвіть технологічні схеми, за якими проводиться метанове бродіння?

5. Як поводиться розподілення продукції ферментації?

6. Як проводиться використання продуктів ферментації?

7. За яким виразом обчислюється добовий вихід біогазу?

8. За яким виразом обчислюється частка біогазу, що йде на підігрівання субстрату (сировини)?

 

6 КОНСТРУЮВАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ УСТАНОВОК

 

Використання геотермальних ресурсів, залежить від особливостей конкретного родовища: геотемпературного градієнта, глибини залягання, геологічних і географічних умов, ступеню розвитку господарської і економічної інфраструктури регіону, розміру розвіданих запасів і т. ін.

Перспективним напрямом енергозберігаючої технологічної політики, що дозволяє забезпечити значну економію традиційного палива, є використання геотермальної енергії для опалення, водопостачання і кондиціювання повітря в житлових та громадських будинках і спорудах в містах і сільській місцевості, а також технологічне використання глибинної теплоти Землі в різних галузях промисловості і сільського господарства.

Основним стримуючим фактором розвитку геотермальної енергетики є відносно високі розміри первинних капіталовкладень: розвідка, свердління і обладнання свердловин, на які витрачається біля 50% капіталовкладень. Однак, не дивлячись на це, порівняльні розрахунки показують, що в ряді країн (Угорщина, Ісландія, Нова Зеландія, Росія) безпосереднє використання геотермальної енергії в промисловості, сільському господарстві і для опалення приміщень є значно дешевшим за використання для тих же цілей традиційних видів палива.

 

6.1 Структурні схеми геотермальних установок.

Термальні води класифікуються:

1. За використанням:

– бальнологічні (37…50⁰С);

– для гарячого водопостачання (50…70⁰С);

– теплофікаційні (70…120⁰С);

– електроенергетичні із застосуванням низькокип’ячих рідин (120…170⁰С);

– електроенергетичні на природній сухій парі (> 220⁰С).

2. За температурою:

– слабо термальні (до 40⁰С);

– термальні (40…60⁰С);

– високо термальні (60…100⁰С);

– перегріті (> 100⁰С).

3. За мінералізацією (за сухим залишком в г/л):

– ультра прісні (до 0,1);

– прісні (0,1...1);

– слабо солоні (1...3);

– сильно солоні (3...10);

– солоні (10...35);

– розсільні (> 35).

4. За загальною жорсткістю ( мг-екв/л):

– дуже м’які (до 1,2);

– м’які (1,2...2,8);

– середні (2,8...5,7);

– жорсткі (5,7...11,7);

– дуже жорсткі (> 11,7).

5. За кислотністю, рН:

– сильно кислі (до 3,5);

– кислі (3,5...5,5);

– слабо кислі (5,5...6,8);

– нейтральні (6,8...7,2);

– лужні (> 8,5).

6. За газовим складом – сірчаногідрогенні: сірчаногідрогено-вуглецеві; вуглецевокислі; азотно-вуглецевокислі; метанові; азотно-метанові; азотні.

7. За газонасиченням ( мг/л):

– слабе (до 100);

– середнє (100...1000);

– високе (> 1000).

При використанні термальних вод для теплофікаційних потреб знайшли практичне застосування наступні схеми:

– схема прямого використання термальної води;

– з піковими котельними;

– з додатковим підвищенням температурного рівня геотермальних вод;

– комбіновані схеми.

Порівняння технологічних схем використання термальних вод проводять за значенням перепаду температури вод на виході системи та коефіцієнтом використання теплової потужності свердловини.

Схема прямого використання застосовується при спів паданні температури води із свердловини з технологічно необхідною. При цьому способі найбільш ефективними вважаються:

- схема двоступінчастого паралельно-послідовного під’єднання установок гарячого водопостачання і опалення;

- схема послідовного під’єднання систем панельного та повітряного опалення і систем гарячого водопостачання.

Хоча ці схеми дозволяють досягти значного перепаду температур (табл. 6.1), але коефіцієнт використання теплової потужності свердловини у них низький. Це викликано тим, що продуктивність таких схем різко залежить від річних коливань теплового навантаження.

При не спів паданні можливостей свердловини та вимог споживача, застосовується схема з піковою котельнею, в якій здійснюється догрівання води. Геотермальна свердловина виступає як базове джерело енергії.

Додаткове підвищення температурного рівня термальних вод здійснюється за допомогою теплових помп. В той же час, використання теплової помпи тільки для теплофікаційних цілей, визначається техніко-економічними розрахунками.

Для подолання недоліків попередніх схем, застосовують комбінацію геотермальної свердловини, теплопомпової установки та пікової котельні.