РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО

где - коэффициент теплопередачи от более теплой зоны к холодной зоне метантенка (вследствие значительных размеров диаметров всех трех поверхностей метантенка, значение коэффициентов теплопередачи с достаточной степенью точности можно определить для случая плоской поверхности), который определяем следующим выражением

(3)

где - коэффициент теплоотдачи от более горячей биомассы в зоне I к теплопередающей поверхности, Вт/(м20С); - коэффициент теплоотдачи от поверхности к нагреваемой биомассе в зоне II, Вт/(м20С); - толщина стенки, м; - теплопроводность материала стенки, (Вт/м·0C); и - средние температуры горячей и нагреваемой биомасс, 0С; - площадь поверхности отделяющая зоны, м2.

Полное количество теплоты, генерируемой индуктором для нагрева биомассы во всех зонах метантенка с учетом потерь теплоты в окружающую среду, с уходящими субстратом и биогазом определится:

(4)

Количество теплоты, необходимое для нагрева биомассы в каждой из зон метантенка можно определить из уравнений теплового баланса зоны:

для третьей зоны ; (5)

для второй зоны ; (6)

для первой зоны (7)

потери теплоты в окружающую среду , (8)

где - коэффициент теплопередачи от биомассы III зоны в окружающую среду; - средняя температура окружающей среды вокруг метантенка, 0С; - площадь внешней поверхности метантенка, м2; - удельная теплоемкость субстрата в зоне, Дж/(кг·К); – массовый расход субстрата в зоне, кг/с.

Количество теплоты, теряемой с отходами производства – субстратом и уходящим из установки биогазом можно определить из следующих уравнений:

, (9)

– массовый расход выгружаемого субстрата, кг/с; – удельная теплоемкость субстрата, Дж/(кг·К); – температура выгружаемого субстрата из термофильной зоны, 0С.

, (10)

– массовый расход получаемого газа, кг/с; – удельная теплоемкость уходящего биогаза, Дж/(кг·К); – температура уходящего биогаза, 0С.

Поверхность нагрева между зонами определим по формуле:

(11)

Также определяем поверхность индуктора, чтобы она была достаточной для обеспечения величины теплоты.

Площадь индуктора будет определяться:

(12)

где – температура поверхности индуктора, 0С.

Распределение температуры от поверхности индуктора до окружающей среды и схемы движения биомассы, и направления тепловых потоков представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – График распределения температуры от поверхности индуктора до окружающей среды и схемы движения биомассы, и направления тепловых потоков

Определив полную теплоту расходуемую на обогрев метантенка, можно рассчитать мощность индуктора, которая будет обеспечивать необходимый температурный режим для непрерывной работы установки.

Нагрев субстрата осуществляем конвективно-индукционным нагревателем со следующими параметрами.

Частоту тока принимаем 50 Гц, так как ряд особенностей заставляет выделить эту отдельно, хотя основные закономерности и методы расчета те же, что и на средних частотах. Главным преимуществом использования частоты 50 Гц являются то, что происходит снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты.

Условием правильного выбора частоты при нагреве различных материалов является:

(13)

где D - диаметр нагреваемого тела, м; zа - глубина проникновения тока в нагревательный элемент, м.

Подставив численные значения, получим:

Проверка показала, что применение частоты 50 Гц более целесообразно для конвективно - индукционого нагрева метантенка.

Далее определяем электрические параметры индуктора. Задача расчета - определить напряжение на индукторе UH, ток индуктора IН, число витков индуктора W, коэффициент мощности cosн, коэффициент полезного действия и, мощность, подводимую к индуктору PИ.

Напряжение на индукторе:

(14)

где IН - ток индуктора, А; ZН - полное сопротивление индуктора с числом витков W, Ом.

Ток индуктора:

(15)

где - ток в одновитковом индукторе, А.

Число витков индуктора:

(16)

где UИ – заданное напряжение на индукторе, В; - напряжение на индуктирующем проводе одновиткового индуктора, В.

Электрический КПД индуктора:

(17)

где rН- активное сопротивление нагруженного индуктора, Ом; r1- активное сопротивление пустого индуктора, Ом.

Коэффициент мощности:

(18)

Мощность, подводимая к индуктору:

(19)

где РП - средняя полезная мощность за время нагрева, Вт; И - электрический КПД индуктора.

Расчет выполняем на примере условного одновиткового индуктора. В конце расчета определяем количество витков W к требуемой расчетной конструктивной поверхности индуктора и пересчитываем параметры индуктора на это количество витков.

Для расчета энергоемкости всей установки разработали математическую модель. Для этого схему физической модели установки метанового сбраживания (рисунок 3), изображаем в виде формализованного изображения процесса энергопотребления и энергопроизводства на основе которого, разрабатываем математическую модель энергоемкости, как отдельных стадий работы метантенка, так и всей установки в целом.

В формализованном изображении (таблица 1) энергопотребления энергопроизводства, показаны энергоемкости зон метанового сбраживания и энергоемкость полученного биогаза и выгружаемого субстрата. Для обеспечения работоспособности оборудования необходимо, чтобы система управления поддерживала в метантенке необходимые режимы, заданные технологическим процессом.

Предварительно биомасса получаемая животноводческими комплексами должна подготавливаться к сбраживанию, получая при этом энергоемкость q1.

Таблица 1- Формализованное изображение процесса энергопотребления и энергопроизводства

qу	qi		qij1		qij2		qij3			qij
Параллельно всему процессу	Подготовка биомассы к сбраживанию q1
	Биомасса (влажность 90…93%)   q2	Подвод электро-энергии		Питание насоса		Насос				q21
Подвод электро-энергии
	Загрузка  q3		Подвод электро-энергии	Питание насоса		Насос				q31
	Психрофильный режим, перемешивание биомассы  q4		Подвод электро-энергии	Питание устрой-ства		Перемешивающее устройство				q41
Питание шкафа управления
	Мезофильный режим, перемешивание биомассы  q5		Подвод электро-энергии	Питание устрой-ства		Перемешивающее устройство				q51
Шкаф управления
	Термофильный режим, перемешивание биомассы  q6		Подвод электро-энергии	Питание нагрева		Конвективно -индукционный нагрев		Подвод электро- энергии	q61	q62
								Питание устройства
Система управления	Выгрузка отработанной массы q7
Контроль качества биогаза								Перемешивающее устройство
	Биогаз / переработанная биомасса q8		Подвод электро-энергии	Питание затвора		Затвор				q71