Прогнозування інтенсивності теплообміну в біогазовому виробництві
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-774X.2022.03.09Анотація
Досліджено інтенсивність теплообміну між внутрішньою тонкостінною посудиною та дослідним рідинним середовищем. В якості дослідного рідинного середовища використовується: дистильований гліцерин, субстрат з діючої біогазової установки, курячий послід – вологістю W = 90 % свіжий, W = 90 % витриманий 5 діб, W = 90 % витриманий 13 діб. Запропоновано експериментально-розрахунковий метод для визначення коефіцієнту тепловіддачі між внутрішньою тонкостінною посудиною та дослідним рідинним середовищем з використанням методу регулярного теплового режиму. Визначено основні проблеми методів визначення інтенсивності теплообміну в багатофазних та багатокомпонентних середовищах в харчовій промисловості та біогазовому виробництві. Методи прогнозування інтенсивності теплообміну в харчовій промисловості займає велике значення в теплоенергетичних розрахунках. Існуючі методи спростовують характеристики середовищ, що суттєво впливає на розрахунок їх теплофізичних властивостей. Харчові продукти в термічних процесах сублімації, випаровування, нагріву, кристалізації мають властивості твердих, рідких та газоподібних тіл, і переходять з одного агрегатного стану в інший, що вагомо впливає на зміну теплофізичних властивостей. Біогазові технології – багатотоннажне виробництво. В них застосовуються великі об’єми субстрату, теплофізичні властивості якого невідомі. На сучасному розвитку біогазових технологій виникають питання по термостабілізації процесу і прогнозуванню інтенсивності теплообміну. На виробництвах – велика увага приділяється питанню сталого температурного режиму в біореакторі. Під час експлуатації біогазової установки необхідно забезпечити стабільний температурний режим за умов різних температур навколишнього середовища. Основним в біореакторі – коливання температур не повинно виходити за визначені діапазони. При обробці відходів різного виробництва, це нагрівання, охолодження, термостабілізація, відбувається техногенне навантаження на навколишнє середовище, за рахунок немодернізованого теплотехнологічного устаткування. Досить важко вирішити дану задачу, тому що обмежено відомі чи невідомі теплофізичні властивості сумішей, рідин, субстратів, їхній хімічний склад, молекулярна будова, невідомо як вони змінюються під час термічної обробки, які фактори навколишнього середовища впливають на їх зміни. Визначені відносні похибки основних величин: коефіцієнту тепловіддачі, коефіцієнту теплопередачі, питомої теплоємності, площі теплообмінної поверхні, темпу охолодження (нагрівання), коефіцієнту нерівномірного розподілу температури, теплового потоку, температурного напору, різниці температур, маси дослідного рідинного середовища, тривалості експерименту, табличних величин.
Посилання
Pogorelov A. I. (2004), Teplomasoobmin (osnovy teorii' i rozrahunku) [Heat and mass transfer (fundamentals of theory and calculation)], New World-2000, Lviv, 144 p.
Vargaftik N. B. (1949), “Teploprovodnost' zhidkostej [Thermal conductivity of fluids]”, Izvestiya VTI, No. 8, pp. 6–11.
Velikonska N. M., Nadtochiy A. A. (2018), Poverhnevi javyshha ta dyspersni systemy [Surface phenomena and dispersed systems], NMetAU, Dnipro, 78 p.
Zheplinska M. M., Vasylov V. P. (2021), Teplofizychni vlastyvosti napivfabrykativ ta harchovyh produktiv [Ther-mophysical properties of semi-finished products and food products], INKOS Company, Kiev, 206 p.
(2018), Teploenergetychni ustanovky i systemy. Metodych-ni vkazivky do vykonannja kursovogo proektu (pryklad roz-rahunku) dlja studentiv 4 ta 2 s.t. kursiv inzhenerno-tehnologichnogo fakul'tetu naprjamu pidgotovky 6.100101 “Energetyka ta elektrotehnichni systemy v APK” [Thermal power plants and systems. Methodical instructions for the implementation of the course project (calculation example) for students of the 4th and 2nd year of study. courses of the Faculty of Engineering and Technology in the field of training 6.100101 “Energy and electrical engineering sys-tems in the agricultural sector”], Sumy National Agrarian University, Sumy, 44 p.
Yushko S. V., Borshch O. E., Yushko M. A. (2011), Stacionarna teploprovidnist' [Stationary thermal conduc-tivity], NTU “KhPI”, Kharkiv, 80 p.
Fedotkin Yu. M., Tkachenko S. I. (1975), Teplo-gidrodynamichni procesy u vyparnyh aparatah [Thermal and hydrodynamic processes in vaporizers], Technika, Kiev, 21 p.
Tkachenko S. I., Tobilevich N. Yu., Sagan I. I. (1968), “Dejaki zakonomirnosti vidnosnogo ruhu faz dvofaznogo potoku u kruglyh trubah [Some regularities of the relative movement of the phases of the two-phase flow in round pipes]”, Teploenergetyka [Thermal power engineering], No. 3, pp. 46–50.
Pinchuk Y. K., Sagan I. I., Tkachenko S. I. (1970), “Mod-ernizacija vyparnogo apparata s cel'ju usilenija estestven-noj cirkuljacii [Modernization of the evaporation appa-ratus with the goal of strengthening natural circulation]”, Myasnaya industriya SSSR, No. 3.
Tkachenko S. Y., Resident N. V. (2011), Teploobmin v systemah biokonversii' [Heat exchange in bioconversion systems], VNTU, Vinnytsia, 124 p.
Tkachenko S. Y., Stepanov D. V. (2004), Teploobminni ta gidrodynamichni procesy v elementah energozab-ezpechennja biogazovoi' ustanovky [Heat exchange and hydrodynamic processes in the energy supply elements of a biogas plant], Universum-Vinnytsia, Vinnytsia, 132 p.
Angelidaki I., Ellegaard L. (2003), “Codigestion of manure and organic wastes in centralized biogas plants: status and future trends”, Appl. Biochem. Biotechnol, Vol. 109, pp. 95–105, https://doi.org/10.1385/abab:109:1-3:95.
Schnell, S., Maini P. K. (2003), “A Century of Enzyme Kinetics: Reliability of the KM and Vmax Estimates”, Comments on Theoretical Biology, Vol. 8(2–3), pp. 169–187, https://doi.org/10.1080/08948550390206768.
Viamajala S., McMillan J., Schell D. J., Elander R. T. (2009), “Rheology of corn stover slurries at high solids concentrations – Effects of saccharification and particle size”, Bioresource Technology, Vol. 100, Iss. 2, pp. 925–934, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.06.070.
Patent of Ukraine for a utility model No. 24616, (51) IPC (2006.01) G01N25/18. Sposib vyznachennja koeficijenta teploviddachi za umov konvektyvnogo teploobminu organ-ichnoi' sumishi [The method of determining the heat trans-fer coefficient under the conditions of convective heat ex-change of an organic mixture] / Tkachenko S. Y., Resident N. V.; the applicant and owner of the patent Vinnytsia Na-tional Technical University. – No. 200701190; statement 05.02.07; published 10.07.2007, Bull. No. 10.
Patent of Ukraine for an invention No. 105399, (51) IPC (2006.01) G01N25/18. Sposib vyznachennja koeficijenta teploviddachi za umov konvektyvnogo teploobminu organ-ichnoi' sumishi [The method of determining the heat trans-fer coefficient under the conditions of convective heat ex-change of an organic mixture] / Tkachenko S. Y., Pishenina N. V., Dyshlyuk S. V.; the applicant and owner of the patent Vinnytsia National Technical University. – No. a201204878; statement 04/18/2012; published 12.05.2014, Bull. No. 9.
Patent of Ukraine for an invention No. 97021, (51) IPC (2006.01) G01N25/18. Sposib vyznachennja koeficijenta teploviddachi za umov konvektyvnogo teploobminu organ-ichnoi' sumishi [The method of determining the heat trans-fer coefficient under the conditions of convective heat ex-change of an organic mixture] / Tkachenko S. Y., Pishenina N. V., Resident N. V.; the applicant and owner of the patent Vinnytsia National Technical University. – No. a201005661; statement 11.05.2010; published 05/26/2011, Bull. No. 2.
Kress P., Nagele H., Oechsner H., Ruile S. (2018), “Effect of agitation time on nutrient distribution in full-scale CSTR biogas digesters”, Bioresour Technol, pp. 1–6, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.054.
Chen J., Wu J., Ji X., Lu X., Wang C. (2017), “Mechanism of waste-heat recovery from slurry by scraped-surface heat exchanger”, Applied Energy, Vol. 207(C), pp. 146–155, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.05.111.
Li Y., Xu F., Li Y., Lu J., Li S., Shah A. et al. (2018), “Reactor performance and energy analysis of solid state anaerobic co-digestion of dairy manure with corn stover and tomato residues”, Waste Management, Vol. 73, pp. 130–139, https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.11.041.
El-Mashad H. M., van Loon W. K. P., Zeeman G., Bot G. P. A. (2005), “Rheological properties of dairy cattle ma-nure”, Bioresource Technology, Vol. 96, Iss. 5, pp. 531–535, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.06.020.
Geletukha G., Kucheruk P., Matveev Yu., Khodakovskaya T. (2011), “Perspektivy proizvodstva biogaza v Ukraine [Prospects of biogas production in Ukraine]”, Vozobnovljaemaja jenergetika [Renewable energy], No. 3, pp. 73–77.
Müller, C. (2007), Anaerobic Digestion of Biodegradable Solid Waste in Low- and Middle Income Countries. Over-view over existing technologies and relevant case studies, 63 p, Access mode: https://www.eawag.ch/fileadmin/Domain1/Abteilungen/sandec/publikationen/SWM/Anaerobic_Digestion/Mueller_2007.pdf (accessed 25 November 2022).
Zareei S., Khodaei J. (2017), “Modeling and optimization of biogas production from cow manure and maize straw using an adaptive neuro-fuzzy inference system”, Renew-able Energy, Vol. 114, Part B, pp. 423–427, https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.07.050.
Tkachenko S. Y., Pishenina N. V. (2017), Novi metody vyznachennja intensyvnosti teploobminu v systemah pererobky organichnyh vidhodiv [New methods for deter-mining the intensity of heat exchange in organic waste processing systems], VNTU, Vinnytsia.
Тkachenko S., Vlasenko O., Resident N., Stepanov D., Stepanova N. (2021), “Cooling and of the fluid in the cy-lindrical volume”, Acta Innovations, No. 42, pp. 15–26, https://doi.org/10.32933/ActaInnovations.42.2.
Tkachenko S. Yo., Vlasenko O. V., Stepanova N. D., Pav-lovych Ye. O. (2022), “Non-stationary Heat Exchange in a Vertical Cylindrical Volume Filled with Liquid”, Visnyk of Vinnytsia Polytechnical Institute, No. 1, pp. 16–20.
Tkachenko S., Vlasenko O., Rezydent N. (2021), “Heat Exchange of the Cylindrical Liquid Body of a Limited Height with the Environment”, Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Power and heat engineering processes and equipment, no. 2(6), pp. 27–30, ISSN 2078-774X (print), ISSN 2707-7543 (on-line), https://doi.org/10.20998/2078-774X.2021.02.05.
Tkachenko, S. Y., Vlasenko O. V. (2019), “Doslidzhennja tempu nagrivannja geterogennogo ridkogo seredovyshha [Studying the Temple of Heating of Heterogeneous Related Environment]”, Modern Technologies, Materials and De-sign in Construction, Vol. 26, No. 1, pp. 127–133, ISSN 2311-1429 (print), ISSN 2311-1437 (on-line), https://doi.org/10.31649/2311-1429-2019-1-127-133.
Tkachenko S. Yo., Vlasenko O. V., and Tkachuk V. S. (2022), “Using the Regular Thermal Regime for Predicting the Intensity of Heat Exchange in Poultry Waste”, Visnyk of Vinnytsia Polytechnical Institute, Vol. 5, pp. 45–51, https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-164-5-45-51.
Ploskonos V. G. (2012), Osnovy teorii' pohybok : metod. vkazivky do praktychnoi' i samostijnoi' roboty ta vy-konannja DKR studentiv naprjamu pidgotovky 6.051301 – “Himichna tehnologija” special'nostej 7.05130110 ta 8.05130110 “Himichni tehnologii' pererobky derevyny ta roslynnoi' syrovyny” [Basics of error theory : method. in-structions for practical and independent work and imple-mentation of the DKR of students of the training direction 6.051301 – “Chemical technology” specialties 7.05130110 and 8.05130110 “Chemical technologies of processing wood and plant raw materials”], NTUU “KPI”, Kiev, 51 p.
