CC BY
15
2. Nielsen, J.E. Solar Collectors in plastic materials / J.E. Nielsen, E. Bezzel. - Solar Energy Laboratory, Danish Technological Institute, Duct Plate, 1996.
3. Rekstad, J. Solar Collectors in plastic materials from Norway / J. Rekstad // SolarNor AS and General Electric Plastics, 1997.
4. ВСН 52-86 "Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования".
5. Даффи Д. Бекман У. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. - М. : Изд-во "Мир", 1977. - С. 354.
6. Дорошенко О.В. Сонячш плосга металожшмерш колектори / О.В. Дорошенко, С.С. Титар // Вюник Вшницького жштехшчного шституту : наук. журнал. - Вшниця : Вид-во ВНТУ. - 2010. - № 4.
7. Возняк О.Т. Основи наукових дослщжень у будiвництвi / О.Т. Возняк, В.М. Желих. -Львiв : Вид-во НУ "Львiвська полггехнжа", 2003. - 173 с.
8. Краснощеков Е.А. Задачник по теплопередаче / Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел. -М. : Изд-во "Энергия", 1980. - 288 с.
Пизнак Б.И., Желых В.М. Моделирование тепловых процессов в полимерных солнечных коллекторах
Приведены результаты теоретических исследований тепловых процессов в полимерном солнечном коллекторе. Определен анализ влияния интенсивности солнечного излучения и расхода теплоносителя на тепловую мощность солнечного коллектора.
Ключевые слова: солнечный коллектор, полимерные материалы, сотовая поликарбонатная плита.
Piznak B.I., Zhelykh V.M. Design of thermal processes in polymer solar collectors
The results of theoretical investigations of thermal processes in polymer solar collector. The analysis of the impact of intensity of solar radiation and coolant flow for thermal power of solar collector.
Keywords: solar collector, polymeric materials, cellular polycarbonate plate.
УДК 697.92 А^р. Ю.В. Фурдас; доц. В.М. Желих, канд. техн. наук -
НУ "Львiвська nолiтехнiка "
ОЦ1НКА ТЕПЛОВОГО СТАНУ ПОБУТОВО1 Б1ОГАЗОВО1 УСТАНОВКИ
Виконано аналiз теплових потогав резервуару метантенка побутово! бюгазово! установки для холодного перюду року та встановлено його теплову потужшсть з метою пщтримання постшного температурного режиму. Результати дослщжень пред-ставлеш графiчно та у виглядi емшричних залежностей.
Ключовг слова: бюгазова установка, метантенк, бюгаз, анаеробне бродшня, температурш режими.
Актуальшсть роботи. Бюгазовий реактор - основа будь-яко! бюгазово! установки, тому до його конструкцп висувають досить жорстю вимоги, найголовшшими з яких е теплотехшчш та економ1чш. Це пояснюегься пос-тшним температурним режимом метаноутворення, який мае перебувати у до-пустимих межах 20...55 °С.
За формою резервуари бувають яйцепод1бними; цилщдричними; куле-под1бними; з конусом доверху, донизу, з обох боюв; у вигляд1 транше!; куб1ч-ними; еластичними (рис. 1) [5].
Рис. 1. Основш форми реакторк бюгазових установок: а) яйцеподiбний; б) з конусами доверху, донизу; в) цилтдричний; г) реактор-траншея
Кшьюсть вироблюваного бюгазу значною мiрою залежить вщ темпе -ратури: чим вища температура, тим бiльшi швидкiсть i ступiнь ферментацп оргашчно1 сировини. Саме тому першi установки для одержання бюгазу з'явилися в кра1нах з теплим ктматом. Однак застосування ефективно! тепло-iзоляцп та системи пда^ву дае змогу застосовувати генератори бюгазу в районах, де температура узимку опускаеться до мшус 25 °С.
Процес бродiння вщбуваеться за трьох основних температурних режи-мiв, а саме: психрофiльного - до 20 °С; мезофiльного - 32-33 °С; термофшь-ного - 52-54 °С. Будь-якi рiзкi змши температури впливають негативно на процес бродшня. Для кожного режиму зброджування допустимi коливання температур ±3 °С. Метаболiчна активнiсть анаеробних бактерiй знаходиться в прямш залежностi вiд температури середовища. За амплiтуди коливання температури 15 °С процес бродiння повнютю припиняеться.
Мета та задач1 дослвдження. Визначення кiлькостi теплоти, необхвд-но1 для пiдтримання заданого температурного режиму бюреактора в холод-ний перюд року, за рiзних його об'емiв.
Експериментальн1 досл1дження та 1'х анал1з. Оскiльки тепловтрати прямо пропорцiйно залежать вiд площi зовнiшнього захищення, тодi необхвд-но вибрати форму реактора з мшмальною площею зовшшньо1 поверхш. Зап-ропоновано метантенк зi зрiзаними конусами у верхнiй та нижнш частинах емностi (рис. 2).
Було складено рiвняння теплового балансу бюгазово! установки (БГУ) для холодного перюду року (ХПР), при цьому забезпечувалась рiвнiсть над-ходжень та втрат тепла.
Кшьюсть тепла для пда^ву субстрату QП, який подаеться в бюреак-тор визначають iз залежностi:
де: Обюм, кг - маса завантажувально! сировини; с, Вт/кг °С - питома теп-лоемнiсть оргашчно1 сировини; гб, °С - температура бiомаси до пда^вання; QР =9 Вт з одного юлограма оргашчно1 сировини [1].
Кшьюсть тепла, що виноситься з бюгазом QГ, дорiвнюе:
Qп + Qp + Qco. = Qг + Qв + Qд
(1)
Qп = Оаом ■ С ■ гб , Вт,
(2)
Qг = Ог ■ Сг ■ г Г , Вт,
(3)
5. Тнформацшш технологи галузi
363
де: ОГ, м3 - об'ем утвореного бюгазу; сГ, Вт/м3 °С - питома теплоeмнiсть бь огазу; гГ, °С - температура бюгазу.
Рис. 2. Графiчна ттерпретацш теплових пототв в БГУ:
QП - ктьтсть тепла для
тдггргву субстрату; QР - ктьтсть тепла, що утворюеться в процесг бродтня; Qco. - ктьтсть тепла, що подаеться системою опалення; QГ - ктьтсть тепла, що втрачаеться з бюгазом; Qд - ктьтсть тепла, до втрачаеться зг шламом; QВ - втрати тепла через сттки резервуару
Об'ем бюгазу визначають зi залежносп [2]:
О г = 1,5 • ш6юм • № • Рсбюм • пел • «в.с. м3, (4)
де: Шб„м, - добова маса бюмаси; Ш=0,2-0,9 - волопсть маси екскременпв; Рс.бюм = 0,1 - 0,85 - частка сухо! оргашчно! речовини в сухому гно!; пвл= 0,45 - 0,6 - частка виходу бюгазу вщ початкового матерiалу; пвс = 0,3 - 0,45 - вихщ бiогазу з одного кг сухо! оргашчно! сировини за добу.
Кшьюсть тепла, що втрачаеться з шламом Qд, дорiвнюе:
Qд = Обом • с • 1в, Вт, (5)
де 1в, °С - температура вихщного шламу.
Тепловтрати через зовшшш захищення QВ становлять:
Qв = Р • к • (ге - tз), Вт, (6)
де: Р, м2 - площа зовшшнього захищення резервуару; tз, °С - зовнiшня температура довколишнього середовища; к - коефiцiент теплопередачi через стiнку бiореактора дорiвнюе:
к = 1, Вт/м2 К, К
де К - термiчний отр стiнки резервуару, який визначаеться iз залежностi:
К =
1 1 . d2м 1 , г + 8 1 -+-1п—^ +-1п-+-.
2 • г •ав 2 •Хм ¿1м 2 •Хз г 2 •аз • (г + 8)
м2К/Вт,
(7)
(8)
де: ае- коефщент тепловiддачi внутршньо! поверхш резервуару, Вт/м2К; а3- коефщент тепловiддачi зовшшньо! noBepxHi резервуару, Вт/м2К; d\M, d2M, м - внутршнш та зовнiшнiй дiаметри реактора; Xм, Вт/м2 - коефь цieнт теплопровiдностi металу; Xi3 = 0,07 Вт/м2 - коефщент теплопровiдностi теплоiзоляцп (мiн. вата); 8, м - товщина теплоiзоляцiйного матерiалу.
Термiчний опiр стiнки резервуару в зонах верхнього i нижнього зрiзаних конусiв приймаемо такий же, як i для цжтндрично! поверхш. Термiчний опiр верхньо1 i нижньо! плоских кришок зрiзаних конусiв визначають за формулою
r =_L+XM+aL, м2К/Вт. (9)
ае X м а з
Оскшьки температура та маса попередньо пдагргго! сировини дорiвнюе температурi i масi шламу, що вивантажуеться iз бiореактора, то i кiлькiсть тепла для попереднього пвд^ву бiомаси дорiвнюе юлькосл тепла, що виводить-ся iз шламом. Отже, пiсля деяких перетворень рiвняння теплового балансу (1), отримаемо залежнiсть для визначення потужностi опалювально! системи:
Qco = Gr ■ сГ ■ tr + F ■ к ■ te -F ■ к ■ t3, Вт. (10)
Аналгтичш дослiдження проводили для резервуара зi зрiзаними конусами у верхнш та нижнiй частинах емност в дiапазонi зовнiшнiх температур вщ te =10°С до t3 =-20°С, температурний режим бiомаси брали в межах вщ 20 °С до 50 °С, об'ем метантенка змiнювався вiд 1 до 5 м . Як теплоiзоляцiйний мате-рiал використано мiнеральну вату з оптимальною товщиною 8 = 0,13 м [6]. Результата аналличних дослщжень представлено у виглядi номограми (рис. 3).
v=5mj v=4m' v=3mj v=2mj v=1mj
5900 NM 3300 3030 2700 2<00 2100 1303 1 500 1 200 303 600510 300 010 0 -S -10 -23
Q.BT b,*C
Рис. 3. Номограма для визначення HeoöxidHoi потужностг системи nidizpiey бюреактора залежно eid його об'ему, зовтшньоь температури та внутрШнього температурного режиму: t3, °С - зоетшня температура оточуючого середоеища; te, °С - температура eихiдного шламу; Qco., Вт - кыьюсть тепла, що подаешься системою опалення; V, м - об'ем бюреактора
5. 1нформацшш технолог'' ra.y3i
365
З номограми видно, що в pa3i зниження 30BHrnHb0ï температури в ХПР та постшного температурного режиму метаноутворення, збшьшення об'ему резервуару, а саме площi контакту з довколишнiм середовищем, необхщна теплова потужнiсть системи пiдiгрiву зростае. Лiнiйнi залежностi номограми було функцюнально описано за допомогою матричного методу [3] i3 застосу-ванням комп'ютерноï програми GRAPHER та зведено в одне рiвняння:
Q = 10,3 + 67,7-V + (9,92 +111,95•V)• (-0,97 + 0,1-te-0,103• t3), Вт. (11)
З рiвняння (11) випливае, що необхщна кiлькiсть тепла для пщгр1ву бiомаси в процесi ферментацiï бшьшою мiрою залежить вiд об'ему метантен-ка, а меншою - вщ внутрiшньоï та зовнiшньоï температури.
Висновки. Наведено результати дослщжень теплових потоков бюреак-тора в холодний перюд року. На основi складеного теплового балансу встанов-лено необхщну теплову потужнють опалювальноï системи за оптимальноï тов-щини тепловоï iзоляцiï з метою забезпечення постшного температурного режиму. Результати наведено у виглядi номограми для рiзних об'емiв бюреактора.
Л1тература
1. Ратушняк Г.С. Моделювання теплового режиму на початковш фаз1 бродшня в бюга-зовш установщ з пропелерною мшалкою / Г.С. Ратушняк, К.В. Анохша // Вюник Хмель-ницького нацюнального ушверситету : наук. журнал. - Сер. : Техшчш науки. - Хмельницький : Вид-во ХНУ. - 2010. - № 4.
2. Дубровш В.О. Виробництво бюгазу з оргашчних вщход1в в умовах окремого госпо-дарства / В.О. Дубровш, В.Г. Мироненко, В.В. Криворучко, В.1. Тимошенко, 1.В. Мельник // Науковий вюник Нацюнального ушверситету бюресурав i природокористування Украши : зб. наук. праць / редкол. Д.О. Мельничук. - К. : Вид-во НУБПУ, 2009. - Вип. 134, ч. 2. - С. 96-100.
3. Возняк О.Т. Основи наукових дослщжень у будiвництвi / О.Т. Возняк, В.М. Желих. -Львiв : Вид-во НУ "Львiвська полiтехнiка", 2003. - 173 с.
4. Биомаса как источник энергии / ред. С. Соуфер, О. Заборски : пер. с англ. - М., "Мир", 1985.
5. Ракушняк Г.С. 1нтенсифжащя бюконверсп коливальним перемiшуванням субстрату / Г.С. Ракушняк, В.В. Джеджула. - Вшниця : УН1ВЕРСАМ - Вiнниця, 2008. - 117 с.
6. Желих В.М. Оцшка теплово!' стiйкостi метантенка бюгазово!' установки / В.М. Желих, Ю.В. Фурдас // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львiв : РВВ НЛТУ Украши. - 2011. - Вип. 21.3.
Фурдас Ю.В., Желих В.М. Оценка тепловой устойчивости бытовой биогазовой установки
Выполнен анализ тепловых потоков резервуара метантенка бытовой биогазовой установки для холодного периода года и установлена его тепловая мощность с целью поддержания постоянного температурного режима. Результаты исследований представлены графически и в виде эмпирических зависимостей.
Ключевые слова: биогазовая установка, метантенк, биогаз, анаэробное брожение, температурные режимы.
Furdas Yu.V., Zhelykh V.M. Evaluation of heat household biogas plant
The analysis of heat flow tank metantenka household biogas plant for cold season, and set its thermal capacity to maintain constant temperature. The research results are presented graphically and in the form of empirical relationships.
Keywords: biogas plant, bioreactor, biogas, anaerobic fermentation temperatures.
