Покращення технологічних показників роботи біогазової установки шляхом інтенсифікації тепломасообмінних процесів

Литвин, Денис Олексійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7647

Title:	Покращення технологічних показників роботи біогазової установки шляхом інтенсифікації тепломасообмінних процесів
Authors:	Плахотний, Олександр Петрович Литвин, Денис Олексійович
Keywords:	біогазова установка;теплообмін
Issue Date:	30-Jan-2026
Abstract:	У першому розділі наведено аналітичні дослідження енергоефективності установок для отримання біогазу й тепломасообмінних процесів у них. Виконано огляд існуючих метантенків і технології анаеробної переробки органічних відходів при виробництві біогазу, фактори впливу на зброджування біомаси в метантенку. У другому розділі виконано матмоделювання процесів тепломасообміну в розробленій конструкції метантенку: тепловіддача від біогазу та зброджуваної маси до внутрішніх поверхонь метантенка, теплообмін між зовнішніми поверхнями МТ та навколишнім середовищем. У третьому розділі виконано дослідження процесів теплообміну в метантенке: фізичне моделювання об'єкта дослідження, хід проведення експерименту, економічне обґрунтування розробленої інтенсифікації регулювання температури гріючого теплоносія. У четвертому розділі визначено потенційно небезпечні та шкідливі фактори, що виникають при виробництві та спалюванні біогазу. Встановлено, що основною небезпекою при цьому є виток газу чи вибух. Для дослідження складу газів запропоновано використовувати testo-350.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7647
Appears in Collections:	144 Теплоенергетика (Теплоенергетика)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Диплом Литвин.pdf Restricted Access		3.56 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

2

АНОТАЦІЯ

На магістерську кваліфікаційну роботу на тему: «Покращення технологічних
показників роботи біогазової установки шляхом інтенсифікації тепломасообмінних
процесів».
Виконавець: ст. гр. мТЕ-35 ЛИТВИН Денис Олексійович.
Керівник: д.т.н., професор Плахотний Олександр Петрович.
Захищено: "____"____________2024 р.
111 с.; 16 рис.; 5 таблиць; 36 літературних джерел, 16 плакатів.
У першому розділі наведено аналітичні дослідження енергоефективності
установок для отримання біогазу й тепломасообмінних процесів у них. Виконано
огляд існуючих метантенків і технології анаеробної переробки органічних відходів
при виробництві біогазу, фактори впливу на зброджування біомаси в метантенку.
У другому розділі виконано матмоделювання процесів тепломасообміну в
розробленій конструкції метантенку: тепловіддача від біогазу та зброджуваної маси
до внутрішніх поверхонь метантенка, теплообмін між зовнішніми поверхнями МТ
та навколишнім середовищем.
У третьому розділі виконано дослідження процесів теплообміну в метантенке:
фізичне моделювання об'єкта дослідження, хід проведення експерименту,
економічне обґрунтування розробленої інтенсифікації регулювання температури
гріючого теплоносія.
У четвертому розділі визначено потенційно небезпечні та шкідливі фактори, що
виникають при виробництві та спалюванні біогазу. Встановлено, що основною
небезпекою при цьому є виток газу чи вибух. Для дослідження складу газів
запропоновано використовувати testo-350.

3

ЗМІСТ

ВСТУП ............................................................................................................................ 5
РОЗДІЛ 1. АНАЛІТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ
УСТАНОВОК ДЛЯ ОТРИМАННЯ БІОГАЗУ ТА ТЕПЛОМАСООБМІННИХ
ПРОЦЕСІВ У НИХ ....................................................................................................... 7
1.1. Аналіз досвіду використання біоустановок ........................................................... 8
1.2. Принцип роботи БГУ .............................................................................................. 11
1.3. Аналіз конструкцій МТ та технології анаеробної переробки органічних
відходів при виробництві біогазу ................................................................................. 16
1.4. Параметри, що впливають на процес зброджування біомаси в метантенку .... 20
1.5. Способи інтенсифікації теплообміну в метантенку ............................................ 23
Висновки по першому розділу ...................................................................................... 29
РОЗДІЛ 2. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ
ТЕПЛОМАСООБМІНУ В ЗАПРОПОНОВАНОМУ МЕТАНТЕНКУ .................. 30
2.1. Тепловіддача від біогазу та зброджуваної маси до внутрішніх поверхонь
метантенку ...................................................................................................................... 31
2.2. Теплообмін між навколишнім середовищем та зовнішніми поверхнями
метантенку....................................................................................................................... 41
2.3. Теплообмін при нагріванні зброджуваної маси.................................................... 45
2.3.1. Тепловіддача від гріючого теплоносія до стінок змійовика ......................... 47
2.3.2. Тепловіддача від ЗМ при перемішуванні зброджуваної маси ...................... 48
2.3.3. Тепловіддача від змійовика при природньому перемішуванні зброджуваної
маси ............................................................................................................................... 52
2.4. Визначення часу нагрівання свіжої порції біомаси ............................................. 58
Висновки до другого розділу ........................................................................................ 62

МКР 24.144.95 ПЗ
З мн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Литвин
Зміст Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний
Реценз. магістерської

Н. Контр. кваліфікаційної роботи ЧДТУ, мТЕ-35
Затверд. Калейніков
4

РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ТЕПЛООБМІНУ В МЕТАНТЕНКУ ... 63
3.1. Фізичне моделювання об'єкта дослідження ......................................................... 64
3.2. Хід проведення експерименту ............................................................................... 68
3.3. Планування та обробка результатів досліджень .................................................. 70
3.4. Економічне обґрунтування розробленої інтенсифікації регулювання
температури гріючого теплоносія ................................................................................ 83
Висновки до третього розділу ....................................................................................... 90
РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ
....................................................................................................................................... 92
4.1. Вплив біогазу ........................................................................................................... 93
4.2. Основні правила експлуатації біогазових установок .......................................... 98
4.3. Визначення вмісту газів........................................................................................ 101
Висновки до четвертого розділу ................................................................................. 106
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ........................................................................................... 107
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ ........................................ 108

5

ВСТУП

Використання палива та утворення при цьому парникових газів (ПГ) вплинуло
на навколишнє середовище та розвиток альтернативних видів палива, біоресурсів.
Кількість викидів ПГ в атмосферу зростає. Основним компонентом ПГ є
вуглекислий газ. З метою зниження витрат природного палива стрімко
розбудовується альтернативна енергетика. Світовий попит на енергію стрімко
зростає. Близько 88% отриманої енергії в цей час отримується з вугілля, нафти,
газу. Застосування альтернативного палива залежить від технологічних та
кліматичних факторів. Газифікація тваринницьких підприємств пов'язана з
фінансовими витратами, що пов'язано з будівництвом газопроводів,
газорегуляторними пунктами. Метан і окис азоту утворюється в результаті
розкладання біомаси на птахівницьких та тваринницьких фермах при її зберіганні
або переробці в системах, що впливає на виникнення анаеробних умов.
Біогаз, що отримується при розкладанні відходів, може надати великий вплив в
при газифікації птахівницьких та тваринницьких ферм.
Зростає інтерес до альтернативних видів палива, що пов'язано з рядом причин:
зростаюча недостача традиційного палива, використання природних джерел енергії,
вимоги діючих програм по енергозбереженню. Для тваринницьких підприємств
використання біотехнологій за рахунок анаеробної переробки відходів є доцільним.
Шляхом утилізації відходів тваринницьких ферм може стати анаеробне
зброджування, при якому відбувається знешкодження біомаси, утворення біогазу.
Біогазом можна замінити природний газ, що витрачається на потреби
тваринницького підприємства.
Для протікання процесу зброджування відходів тваринницьких ферм потрібне
дотримання всіх техпараметрів, що мають вплив на об’єм одержаного біогазу.
Одним із головних параметрів є температура зброджування. Зниження, підвищення
температури зброджування в метантенку (МТ) може привести до зменшення об’єму
отриманого біогазу. Для підтримки температури зброджування попередньо
необхідно нагріти МТ теплоносієм, що циркулює по змійовику (ЗМ). Визначення
6

теплової потужності, що необхідна для нагрівання зброджуваної маси з
врахуванням основних факторів є обов'язковим для регулювання температури
гріючого теплоносія.
Мета роботи: збільшення об’єму отриманого біогазу при зброджуванні
відходів тваринницьких ферм у МТ за рахунок підвищення ефективності процесів
тепломасообміну в біоустановці.
Об'єкт дослідження – метантенк біоустановки для отримання газів при
зброджуванні відходів тваринницьких ферм.
Предмет дослідження – підвищення ефективності процесів тепломасообміну в
метантенку між зброджуваною масою та гріючим елементом.
Завдання дослідження:
- виконати аналіз конструкцій метантенка та аналітичні дослідження
технологічних особливостей виробництва біогазу шляхом зброджування біовідходів
тваринницьких ферм у МТ;
- розробити матмодель процесів тепломасообміну в метантенку при
зброджуванні біовідходів тваринницьких ферм;
- розробити експериментальну установку та виконати експериментальні
дослідження впливу товщини відкладань в гріючому змійовику (ЗМ), температури
зовнішнього повітря на інтенсивність теплообміну в МТ;
– виконати дослідження впливу на температури зброджуваної маси на
утворення біогазу;
- обґрунтувати економічну ефективність розробленої методики інтенсифікації
процесів тепломасообміну в біоустановці;
- оцінити потенційно небезпечні та шкідливі виробничі фактори, при
виробництві, акумулюванні та спалюванні біогазу.

7

РОЗДІЛ 1. АНАЛІТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ
УСТАНОВОК ДЛЯ ОТРИМАННЯ БІОГАЗУ ТА ТЕПЛОМАСООБМІННИХ
ПРОЦЕСІВ У НИХ

МР 24.144.95 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Литвин Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний РОЗДІЛ 1. АНАЛІТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ УСТАНОВОК
Реценз. ДЛЯ ОТРИМАННЯ БІОГАЗУ Й
Н. Контр. ТЕПЛОМАСООБМІННИХ ПРОЦЕСІВ У ЧДТУ, мТЕ-35
Затверд. Калейніков НИХ
8

1.1. Аналіз досвіду використання біоустановок

Однією із основних проблем тваринництва є утилізація відходів ферм.
Тваринництво є одним із джерел викидів ПГ в атмосферу. Забруднення атмосфери
походить від двох джерел на тваринницьких фермах. Першим джерелом
забруднення є ферментація тварин, в результаті чого в атмосферу надходить метан
(СH4). Другим джерелом N2O та викидів метану є системи зберігання біомаси [1, 2,
3].
Метан утворюється в результаті розкладання біомаси на птахівницьких та
тваринницьких фермах при її зберіганні або переробці в системах, що сприяють
розвитку анаеробних умов.
За даними Global Methane Initiative світовий об’єм викидів метану становить
близько 244 млн. т, що дорівнює CO2 за 2010 рік з відходів сільського господарства.
При подорожчанні видобутку, транспортування природних енергоносіїв
(природного газу, нафти) вирішення цієї проблеми набуває значення, тому що
біовідходи ферм є сировиною для біотехнологій.
Біотехнології передбачають декілька стадій розкладання органічних речовин
(ОР) з подальшим виробництвом біогазу. До складу біогазу входять вуглекислий
газ 30-60%, метан 40-60% та невелика кількість сірководню до 3% та водню до 1%.
Після очищення до стану біометану, ним частково можна замінити природний газ,
без перенаналагоджування газоспалюючого устаткування [3, 4].
Технологія отримання біогазу за рахунок переробки біовідходів (біомаси) в
анаеробних умовах давно успішно застосовується в ряді країн з розвинутою сферою
сільського господарства ЄС, США, Індія, Китай, Бразилія є лідерами по
виробництві БГ [1, 2, 4-9].
На сьогодні відновлювані джерела енергії (ВДЕ) займають особливе місце в
енергетичному балансі країн.
Використання теплоти та електроенергії, виробленої за рахунок анаеробної
переробки біомаси, використовується в основному в Фінляндії, Австрії, Німеччині,
Великобританії та Данії. В Європі Германія є лідером по виробництву біогазу. В
9

Німеччині в 1992 році налічувалося близько 140 біоустановок, а в даний момент
працює понад 7000 установок анаеробного зброджування біовідходів. Найбільша
БГУ розташована в Німеччині, що може переробити до 120 т біовідходів на місяць.
Площа, займана БГУ становить 3 га. Корпус МТ виконаний з кислотостійкого
залізобетону висотою 6 м та діаметром 15 м. Отриманий БГ спалюють для
отримання електроенергії та теплоти [10-12].
В Австрії працює понад 110 БГУ з об’ємами реакторів понад 2000 м3. Близько
25 установок перебувають у стадії будівництва чи проектування [1-13].
Високий ступінь розвитку ринку біогазових технологій має місце в
підприємствах очищення індустріальних стічних вод, утилізації стічних вод, і
утилізації сільгоспвідходів. В Англії за допомогою БГ ще в 1990 р. вдалося покрити
всі енерговитрати в сільському господарстві. У Швеції енергія біомаси становить
близько 50 % необхідної теплоти. У Лондоні діє один із найбільших комплексів по
переробці стічних побутових вод [12-13].
У США перша БГУ по переробці тваринницьких відходів була побудована в
1939 р. та працювала понад 30 років. В 1955 р. був побудований перший завод по
переробці комунальних відходів з одержанням БГ у Форт-Додже, штат Айова.
Біогаз подавався у двигун внутрішнього згоряння для вироблення електроенергії
при потужності електрогенератора 175 кВт. Зараз у США виробництво БГ
підтримується законодавчо на державному рівні. Налічується кілька сотень великих
БГУ, що переробляють відходи тваринництва та тисячі установок, що утилізують
міські стічні води. Біогаз використовується в основному для отримання електрики,
опалення будинків і теплиць. Найбільше біогазових фермерських установок
перебуває в Каліфорнії, Пенсільванії, Вісконсіні та Нью-Йорку.
Серед розвиваючих країн поширено виробництво енергії та теплоти за
допомогою переробки відходів на невеликих БГУ. Близько 16 мільйонів сільських
господарств використовують енергію, вироблену в БГУ, для висвітлення,
обігрівання та приготування їжі. Це 12 млн. господарств у Китаї, 140 тисяч
господарств у Непалі та 3,7 млн. господарств в Індії [1, 7, 11].
У Китаї наприкінці 90-х років експлуатувалося понад 10 млн. малих
10

біогазових установок. Вони робили понад 7 млрд. м3 біогазу в рік.
У сільських районах Китаю в 2006 році діяло 17 млн. біогазових установок, що
дозволило замінити понад 10 млн. т умовного палива, при цьому понад 50
мільйонів людей користуються біогазом у якості палива. Типова БГУ має об’єм
реактора 6-8 м3, що виробляє 300 тис. м3 біогазу за рік, працюючи щорічно від 3
до 8 місяців, і, залежно від провінції, коштує близько $200-250. Більшість
установок дуже проста й, після певного навчання фермери будують і експлуатують
установки самостійно [1, 8, 12, 13, 14].
З 2002 р. уряд Китаю виділяє щорічно до 200 млн. доларів на підтримку
будівництва БГУ. Дотація на кожну установку становить близько 50 % середньої
вартості. Таким чином, уряд Китаю добився річного росту кількості БГУ до 1 млн. в
рік. На індустріальній основі в Китаї працюють кілька тисяч середніх і великих
установок, і планується збільшення їх кількості.
В цей час ставиться завдання досягти до 2020 р. рівня 25 млрд. м3 біогазу в
рік, що дасть можливість забезпечити їм до 300 млн. чоловік.
В Україні існують одиничні приклади впровадження БГУ. Перша з нині
працюючих на відходах тваринництва БГУ промислового типу була побудована в
1993 р. на свинофермі комбінату «Запоріжсталь» (8000-10000 поголів'я) у
м. Запоріжжя за технологіями Bigadanltd”. Об’єм МТ становить близько 600 м3,
мезофільний температурний режим.
На свинофермі з 15000 свиней корпорації «АгроОвен» Дніпропетровської обл.
побудована БГУ компанії «Biomass Technology Group» в 2003 р. БГУ складається з
двох реакторів об’ємом близько 1000 м3 кожний. Шляхом когенерації отриманого
БГ проводиться 180 кВт електроенергії.
В 2009 р. введена в експлуатацію БГУ, побудована за технологією компанії
LIPP для сільськогосподарської компанії «Еліта», Київської обл. з поголів'ям 1000
голів. Об’єм МТ становить близько 1500 м3 при мезофільному режимі, потужність
250 кВт.
Однієї із провідних компанією на Україні, що займається проєктуванням і
будівництвом БГУ є «Зорг Біогаз Україна». В 2009 р. запущена в експлуатацію
11

БГУ на фермі ВРХ «УМК», с. В. Круполь, Київська обл. з поголів'ям 6000 голів
ВРХ, що переробляє силос кукурудзи та біовідходи ВРХ в трьох реакторах
об’ємом 2400 м3 кожний і один - 1000 м3. Потужність установки 955 кВт [15, 16].
В 2013 р. компанією запущено в експлуатацію 4 БГУ, три з яких призначені для
роботи з біовідходами тваринницьких ферм.

1.2. Принцип роботи БГУ

Біогазова установка є високотехнологічною системою, що забезпечує
автоматизацію процесів для ефективного виробництва біогазу з органічних
відходів. Робота БГУ припускає максимальну автоматизацію та мінімум витрат
людської праці. Принципова схема БГУ наведена на рис. 1.1 [8, 10, 22, 24]. Відходи
надходять у прийомний резервуар для здрібнювання великих включень.
Прийом та підготовка відходів: відходи надходять у прийомний резервуар, де
вони проходять через кілька етапів підготовки:
− здрібнення великих включень, що може запобігти забрудненню інших
елементів системи;
− попереднє нагромадження для накопичення необхідної кількості матеріалу;
− гомогенізація — забезпечення рівномірної консистенції сировини;
− перемішування — для досягнення однорідної маси;
− осадження важких фракцій, що дозволяє видаляти нерозчинні частинки та
інші тверді компоненти.
Подача сировини в метантенк: подача сировини в основний реактор МТ
здійснюється 1-2 рази на день за допомогою спеціального насоса для рідких і
в'язких субстратів. Це дозволяє забезпечити рівномірне завантаження та стабільну
роботу установки.
Метантенк як основний елемент установки: Метантенк — це герметичний
резервуар, який забезпечує анаеробні умови для зброджування біомаси. Внаслідок
цього процесу утворюється БГ. Підтримка стабільної температури в метантенку
критична для оптимальної активності мікроорганізмів, що забезпечують бродіння.
12

Для цього в ньому використовується система обігріву у вигляді змійовика, через
який циркулює теплоносій.
Перемішування субстрату: для забезпечення рівномірного зброджування та
ефективної взаємодії мікроорганізмів з органічним матеріалом, субстрат
перемішується 2 рази на добу за допомогою турбінної мішалки. Це також
допомагає запобігти утворенню осадів, що можуть вплинути на ефективність
процесу.
Вивантаження збродженого субстрату: зброджений матеріал вивантажується
автоматично, за тією ж періодичністю, що й завантаження, що забезпечує
безперервний цикл роботи установки.

Рис. 1.1. Принципова схема біогазової установки: 1 - резервуар, 2 - МТ, 3 - насос,
4 - турбінна мішалка, 5 - ЗМ, 6 - система автоматики, 7 - газгольдер, 8 - газопровід,
9 – пристрій відведення конденсату, 10 - запобіжний клапан, 11 - станція очищення
БГ, 12 – компресор, 13 – теплогенеруюча установка, 14 - ємність збору збродженої
біомаси, 15 - сепараторна, 16 - шнековий сепаратор, 17 - ємність збору твердої
фракції, 18 - ємність для рідкої фракції.
13

Прийомний резервуар (1) – це перший етап, куди надходять органічні відходи
для попереднього підготовлення: здрібнення великих часток, перемішування,
осадження важких фракцій. У цьому резервуарі відбувається накопичення
сировини, готової до подачі в метантенк.
Метантенк (2) – це основний компонент системи, герметичний резервуар, у
якому відбувається анаеробне зброджування органічних матеріалів. Це серце
біогазової установки, де утворюється біогаз.
Насос (3) – спеціальний насос, що подає сировину в метантенк, допомагаючи
перекачувати рідкі та в'язкі матеріали.
Турбінна мішалка (4) – мішалка, що двічі на добу перемішує субстрат у
метантенку для забезпечення рівномірного зброджування і запобігання осадженню
органічних матеріалів.
Змійовик (5) – система обігріву, що підтримує оптимальну температуру
всередині метантенка для ефективного процесу зброджування біомаси.
Система автоматики (6) – управляє усіма процесами біогазової установки,
включаючи подачу сировини, підтримку температури, перемішування,
вивантаження збродженого субстрату, контроль газових показників та інші функції
для забезпечення безперебійної роботи.
Газгольдер (7) – резервуар для зберігання зібраного біогазу, що утворюється в
метантенку. Газгольдер дозволяє накопичувати біогаз для подальшого використання
або транспортування.
Газопровід (8) – система труб, що транспортує біогаз з метантенка або
газгольдера до місць його використання або очищення.
Обладнання для відводу конденсату (9) – пристрої для видалення водяної пари,
яка утворюється при охолодженні біогазу, щоб уникнути забруднення газу і
пошкодження обладнання.
Запобіжний клапан (10) – клапан для автоматичного скидання надлишкового
тиску в системі біогазової установки, що запобігає аваріям і пошкодженням
обладнання.
Станція очищення біогазу (11) – система для очищення біогазу від домішок,
14

таких як сірководень та волога, щоб покращити його якість і зробити безпечним для
подальшого використання або транспортування.
Компресор (12) – пристрій, що стискає біогаз, забезпечуючи його подальшу
подачу в газгольдер або на потреби споживача.
Теплогенеруюча установка (13) – використовує біогаз для генерації тепла, що
може бути використано для обігріву метантенка чи інших частин системи, а також
для виробництва гарячої води чи енергії.
Ємність для збору збродженої біомаси (14) – ємність для збору біомаси, що
вийшла з метантенка після зброджування, яка може бути використана для
виробництва добрив або як корм для тварин.
Сепараторна (15) – система, що відповідає за подальшу обробку збродженої
біомаси, включаючи розділення рідкої та твердої фракцій.
Шнековий барабанний сепаратор (16) – обладнання для механічного поділу
твердої та рідкої фракції збродженої біомаси, що дозволяє отримати різні продукти
для подальшого використання.
Ємність для твердої фракції (17) – резервуар для зберігання твердих залишків
після сепарації, які можуть бути використані як органічні добрива або для інших
потреб.
Ємність для рідкої фракції (18) – резервуар для збору рідкої фракції, що є
результатом процесу сепарації. Ця фракція може бути використана як рідке добриво
або для інших екологічних цілей.
Керування роботою БГУ відбувається по команді системи автоматики.
Отриманий БГ збирається в газгольдер. Відведення БГ відбувається по газопроводу,
що оснащений обладнанням відведення конденсату та запобіжними обладнанням,
що захищають газгольдер від перевищення припустимого тиску. З газгольдеру йде
безперервна подача БГ на станцію очищення біогазу (СОБ), потім через ГРП до
котельні. Перероблена ОР подається у шнековий барабан-сепаратор. Описаний
процес механічного поділу збродженого субстрату у шнековому барабанному
сепараторі є важливим етапом для отримання двох окремих фракцій — твердої і
рідкої — після процесу біогазування. Обезводнений шлам не містить патогенну
15

мікрофлору та є знезараженим, висококонцентрованим, дезодорованим органічним
добривом, що можна використовувати для внесення в ґрунт. Фугат застосовується
як органічна добавка для поливу або зрошення сільськогосподарських культур. Ця
рідина містить велику кількість поживних речовин, таких як азот і фосфор, що
можуть позитивно вплинути на ріст рослин, різних сільськогосподарських культур
[1, 26].
Автоматична система, що керує БГУ, контролює роботу мішалки, насосів,
системи підігріву, автоматики. Використання БГ як альтернативного палива
можливе після попереднього очищення БГ від сірководню, води та діоксида
вуглецю [1, 4, 8].
Біогаз, що містить значну кількість вологи, після виділення з метантенку має
бути охолоджений, щоб вивести зайву вологу. Це часто здійснюється в
конденсаційному колодязі, де частина водяної пари конденсується і відводиться.
Вода, яка конденсується, може бути використана для інших потреб або очищена
перед відведенням у довкілля. Після охолодження біогаз підігрівається для
подальшого зменшення вмісту водяної пари. Зниження вологості в біогазі є
важливим, оскільки зменшується ризик корозії обладнання та покращується якість
газу. Сірководень (H2S) є небажаним компонентом біогазу, оскільки він не лише має
неприємний запах, але й є агресивним, здатним утворювати сірчані кислоти при
взаємодії з водою. Це викликає корозію металевих елементів в установках та може
знижувати ефективність роботи обладнання. Тому важливо видаляти сірководень з
біогазу перед його використанням.
Найбільш ефективним методом очищення біогазу від сірководню є сухе
очищення в спеціальних фільтрах, де біогаз проходить через абсорбенти, що
реагують із сірководнем. У якості десульфуризаторів використовуються різні
хімічні абсорбенти, які здатні поглинати сірководень і не дозволяють йому
потрапити в газ, який далі використовуватиметься.
Очищення біогазу від сірководню та діоксиду вуглецю є критичним етапом для
забезпечення його якості та безпечного використання в енергетичних цілях.
Процеси охолодження, підігріву та десульфуризації дозволяють значно покращити
16

характеристики біогазу та знизити ризик пошкодження обладнання, а також
дозволяють отримати корисні побічні продукти, такі як вапняний карбонат або
очищений вуглекислий газ.
Одержаним біогазом можна замінити природний газ, що витрачається на
потреби фермерського господарства. На нагрівання метантенку витрачається
біогазу до 10 % влітку та до 20 % узимку.

1.3. Аналіз конструкцій МТ та технології анаеробної переробки органічних
відходів при виробництві біогазу

1.3.1. Біохімічні процеси розкладання біомаси при утворенні біогазу

Анаеробне зброджування є ефективним методом утилізації відходів
тваринницьких ферм, який дозволяє не лише знешкодити біомасу, але й отримати
біогаз. Процес відбувається в метантенку, який є основним елементом біогазової
установки. Тут органічні відходи розкладаються за відсутності кисню, внаслідок
чого утворюється біогаз і відбувається знезараження матеріалу.
Розкладання органічної речовини (ОР) у МТ є складним анаеробним процесом.
При зброджуванні складні ОР розкладаються на більш прості, утворюється БГ та
знешкоджена органічна маса. Зброджена біомаса є якісним органічним добривом.
Процес зброджування ділиться на 4 етапи, у кожному з яких використовуються різні
групи бактерій [1, 19-27].
На першому етапі аеробні бактерії перетворюють на високомолекулярні
органічні субстанції (вуглеводи, білки, жири, целюлозу) у низькомолекулярні
з'єднання, такі як амінокислоти, цукор, жирні кислоти та воду. Гідроліз протікає
повільніше. На процес впливає рівень рН та тривалість зброджування.
На другому етапі розкладання активізуються кислотоутворюючі бактерії. Вони
з'єднуються з молекулами речовин, продовжуючи процес розпаду всередині своїх
клітин. В цьому процесі частково задіяні анаеробні бактерії, які використовують
залишки кисню, створюючи умови, сприятливі для метанових бактерій. При рівні
17

рН 6-7,5 утворюються нестійкі жирні кислоти (оцтова, масляна, мурашина,
пропіонова кислоти), низькомолекулярні спирти, такі як етанол, а також гази —
вуглець, вуглекислий газ, аміак, сірководень. Цей етап називається фазою
окиснення, оскільки рівень рН знижується.
На третьому етапі кислотоутворюючі бактерії перетворюють органічні кислоти
на вихідні продукти для синтезу метану, такі як оцтова кислота, вуглекислий газ та
вуглець. Ці бактерії, що сприяють зниженню рівня вуглецю, є дуже чутливими до
температури.
На завершальному етапі утворюються метан, вуглекислий газ та вода. При
цьому близько 90% усього метану виробляється саме на цьому етапі, причому 70%
його походить із оцтової кислоти. Таким чином, утворення оцтової кислоти на
третьому етапі розщеплення є визначальним чинником для швидкості утворення
метану. Метанові бактерії є виключно анаеробними, а оптимальний рівень рН для
їхньої активності становить 7. Схематичне зображення біохімічних реакцій, що
відбуваються в процесі зброджування наведено на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Біохімічні реакції процесу розкладання біомаси.

Ці реакції відбуваються одночасно, причому метаноутворюючі бактерії мають
вищі вимоги до умов існування порівняно з кислотоутворюючими. Вони
потребують анаеробного середовища та більше часу для свого відтворення.
Швидкість та масштаби росту й життєдіяльності метаноутворюючих бактерій
залежать від їхньої метаболічної активності.
Співвідношення та взаємодія різних груп мікроорганізмів забезпечують
18

стабільність процесу переробки. Для нормального перебігу цього процесу необхідно
створити оптимальні умови для життєдіяльності бактерій. До таких умов належать
певні властивості сировини, температура зброджування, концентрація поживних
речовин, вологість субстрату, рівень рН, анаеробне середовище, тиск у МТ,
інтенсивність перемішування субстрату, тривалість зброджування, конструкція МТ
тощо [1, 3, 22, 25, 38, 39]..
Отже, до роботи МТ висуваються високі вимоги, серед яких основні —
гідравлічні, технологічні, теплотехнічні та інші.

1.3.2. Існуючі конструкції МТ для зброджування відходів ОР

За формою відрізняють МТ: циліндричні, яйцеподібні, траншейні, кулясті,
кубічні та ін.
Для створення оптимальних умов для змішування рідкого субстрату,
накопичення газу, видалення опадів і руйнування кірки на поверхні субстрату
доцільно використовувати резервуари яйцеподібної форми (рис. 1.3, а) [11, 18, 20].
Великі реактори цієї форми зазвичай будують із бетону, що значно збільшує їхню
вартість виробництва та обмежує можливості застосування.
Циліндричний резервуар з конусоподібними верхньою та нижньою частинами
(рис. 1.3, б) має, як і овальний резервуар, обмежений простір для накопичення газу
через наявність плаваючої кірки, а також забезпечує хороший відвід шламу. Проте
умови для перемішування рідкого субстрату в таких резервуарах менш сприятливі.
Великі резервуари такої форми, що застосовуються у комунальних установках для
очищення та розкладання стоків, як і овальні реактори, виготовляються з бетону,
але є трохи дешевшими. У приватних господарствах резервуари цієї форми часто
роблять зі сталі.
Циліндричні резервуари (рис. 1.3, в) відносно прості у виробництві, що
пояснюється значним досвідом у будівництві таких ємностей для
сільськогосподарських потреб (бетонні, сталеві, склопластикові цистерни-бункери
для кормів та силосу).
19

Рис. 1.3. Найрозповсюджені форми метантенка: а) овальна; б) циліндрична з з
конусоподібними верхньою та нижньою частинами; в) циліндрична; г) циліндрична
з перекладиною; д) у вигляді паралелепіпеда (з перекладиною) - свіжа біомаса;
- тверді ОР; - переброджена біомасса; - БГ.

Однак у порівнянні з резервуарами інших форм, у циліндричному резервуарі
складніше забезпечити належні умови для переміщення субстрату. Це призводить
до підвищених витрат на видалення осаду та руйнування кірки, що вимагає
додаткових витрат енергії для перемішування маси.
Для циліндричних резервуарів, розділених поперечною вертикальною
перегородкою на дві камери (рис. 1.3, г), можливо організувати систему для
почергового використання камер з метою отримання біогазу. Така конструкція
знижує потребу в теплоізоляції зовнішніх стінок резервуара, а також дозволяє
вбудувати нагрівальне обладнання в теплопровідну перегородку, що додає
установці конструктивні переваги.
У простих невеликих БГУ МТ має форму паралелепіпеда (рис. 1.3, д). Для
підвищення ефективності такий реактор розділяють вертикальною перегородкою,
утворюючи бродильну камеру та камеру для остаточного зброджування та
осадження шламу. В установках цього типу важко забезпечити рівномірне
перемішування маси, контроль завантаження робочого об’єму резервуара, а також
дотримання необхідного часу перебування маси в реакторі.

20

1.4. Параметри, що впливають на процес зброджування біомаси в
метантенку

Метаногенні бактерії є чутливими анаеробами, тому для ефективного
отримання біогазу необхідно дотримуватись анаеробних умов. Активність
метаболізму та інтенсивність виробництва метану залежать від складу субстрату,
температури та її стабільності, часу витримки, перемішування та вологості
субстрату [1, 5–9, 31–32].
Виробництво біогазу може відбуватися в широкому температурному діапазоні.
Залежно від температурного режиму, який підтримується в метантенку під час
роботи виділяють три режими зброджування: психрофільний (10–20 ºC),
мезофільний (30–45 ºC) та термофільний (50–65 ºC).
Зброджування біомаси в психрофільному режимі в кліматичних умовах із
низькими температурами не використовується, оскільки цей режим подовжує
процес зброджування і характеризується низькою продуктивністю біогазу.
На практиці застосовують мезофільний та термофільний режими
зброджування, кожен із яких має свої переваги та недоліки. Перевагами
термофільного режиму є висока швидкість розкладання біомаси і збільшений обсяг
отриманого біогазу. Однак цей режим вимагає значної кількості тепла для
підтримання високої температури в метантенку, а також підвищує чутливість
бактерій до мінімальних коливань температури, що може призводити до зменшення
обсягу біогазу. Тому робота при високих температурах потребує використання
систем автоматизації та точного контролю процесу. Ще одним недоліком
термофільного режиму є те, що при високих температурах двоокис вуглецю,
розчинений у біомасі, інтенсивніше переходить у газову фазу, що призводить до
зниження вмісту метану у біогазі.
Чутливість бактерій до змін температури залежить від температурного режиму,
за якого відбувається зброджування біомаси. У процесі зброджування допускаються
коливання температури в таких межах: для психрофільного режиму — ±2 °C на
годину, для мезофільного — ±1 °C на годину, для термофільного — ±0,5 °C на
21

годину [4].
Більшість біогазових установок працюють у мезофільному режимі при
температурі зброджування 40 ºC, що сприяє активному розмноженню метаногенних
бактерій і максимальному утворенню БГ.
Для підтримання постійної температури в метантенку встановлені нагрівальні
елементи. Існують різні способи нагрівання субстрату: гарячою водою через
змійовики, електронагрівом або парою. Кількість тепла, необхідного для підтримки
заданої температури, складається з тепла, витраченого на нагрівання свіжої порції
біомаси та тепла для компенсації тепловтрат.
Ефективне розкладання біомаси в біореакторі також залежить від масообміну
між твердою та рідкою фазами субстрату. Перед завантаженням у метантенк,
біомасу слід подрібнити, оскільки свіжа біомаса містить значну кількість рослинних
залишків. Після подрібнення біомасу ретельно перемішують. Для цього на
тваринницьких фермах навозозбірники обладнують пристроями для перемішування
осаду та гомогенізації гною [20].
Рівномірний розподіл температури у всьому об’ємі досягається завдяки
перемішуванню біомаси. Розрізняють гідравлічне, механічне перемішування та
барботаж.
Для невеликих реакторів використовують механічні мішалки з ручним
приводом, основним завданням яких є запобігання утворенню кірки на поверхні
зброджуваної маси та випадання осаду у вигляді твердих часток.
Важливим фактором, що впливає на процес метанового зброджування, є
співвідношення азоту (N) та вуглецю (C) у сировині. Оптимальне співвідношення
C:N для мікробіологічної конверсії органічних речовин у біогаз становить 10–16.
Якщо співвідношення C/N надто велике, то нестача азоту обмежуватиме процес
метанового зброджування. Якщо ж співвідношення занадто низьке, утворюється
надлишок аміаку, що стає токсичним для бактерій [4].
Щоб процес зброджування в МТ проходив рівномірно, необхідно забезпечити
такі умови [1, 4, 29, 31]:

22

- вміст летких жирних кислот: 3–8 мг-екв/л;
- рН: 6,0–7,5;
- концентрація амонійних солей азоту: 500–600 мг/л;
- вміст лугів: 70–76 мг-екв/л;
- підтримання стабільного температурного режиму.
Щоб забезпечити рівномірність процесу, подачу та вивантаження осаду в
метантенк рекомендується здійснювати рівномірно протягом доби, застосовуючи
прямоточну схему експлуатації. Метантенки можуть працювати в таких режимах:
періодичному, неперервному або квазінеперервному (із завантаженням,
вивантаженням зброджуваної маси через короткі проміжки часу).
Під час зброджування тверді частки біомаси осідають на дно, утворюючи осад,
а легкі матеріали піднімаються на поверхню, утворюючи кірку, що знижує
ефективність газоутворення. Тому, перед завантаженням біомаси в МТ її необхідно
гомогенізувати та максимально зменшити вміст твердих часток у сировині.
Вологість субстрату є важливим фактором у процесі зброджування. Для
забезпечення рівномірного перемішування та стабільного розкладання біомаси
вологість має становити 85–95%.
Робочий тиск у метантенку впливає на утворення біогазу мінімально, тому
більшість МТ працюють при тиску, що лише незначно перевищує атмосферний.
Отже, для досягнення максимальної кількості біогазу необхідно дотримуватись
усіх технологічних параметрів, серед яких основними є температура зброджування,
режим перемішування, тривалість процесу та вологість біомаси.
Розвиток БГУ показав, що конструктивні особливості метантенку мають велике
значення для ефективної організації процесу зброджування біомаси.
МТ повинен відповідати таким вимогам:
- стійкість до корозії внутрішньої поверхні під впливом біомаси;
- міцність і надійність під час експлуатації;
- підтримання технологічних режимів зброджування;
- мінімальні теплові втрати через зовнішні поверхні;
- простота завантаження свіжої біомаси і вивантаження відпрацьованого
23

субстрату.
Для стабільної роботи МТ необхідне постійне дотримання технологічних
факторів.
Одним з основних недоліків сучасних МТ великого об'єму є нерівномірне
нагрівання біомаси. У нижній частині МТ виникає непрогрітий шар, який
призводить до локального перегрівання, що стимулює розвиток метаногенних
бактерій у певних зонах і, як наслідок, знижує об’єм виробленого біогазу. Це
викликає інтерес до вдосконалення та інтенсифікації процесів термостабілізації в
МТ.

1.5. Способи інтенсифікації теплообміну в метантенку

Аналіз конструкцій МТ показав, що для підвищення ефективності процесу
утворення біогазу важливими є теплообмін між нагрівальним елементом і
зброджуваною масою, рівномірний розподіл температури по всьому об'єму при
перемішуванні, а також мінімізація тепловтрат між зовнішніми поверхнями МТ і
навколишнім середовищем.
Метантенки широко застосовуються в системах водовідведення для
знезараження стічних вод. Найчастіше для підігрівання осаду використовується
пара низького тиску з температурою 110–112 ºС, яка подається насосом у
всмоктувальну трубу або безпосередньо в МТ через паровий інжектор. Однак цей
метод має кілька недоліків: отвори паровпускних труб інжектора можуть
засмічуватися відкладеннями солей, а при раптовому зниженні тиску пари можливе
потрапляння осаду в паропровід, що може призвести до аварійної ситуації.
Головний недолік цього методу — висока температура пари, що може викликати
загибель бактерій, які беруть участь в утворенні метану, знижуючи продуктивність
біогазу.
У роботі [29] запропонована схема та математична модель теплообміну в
метантенку з теплообмінником та лопатевою мішалкою (рис. 1.4).
У запропонованій схемі біогазового реактора досліджувалися особливості
24

нестаціонарного теплообміну, де нагрівання субстрату забезпечувалось теплоносієм
із температурою 60 °С, який циркулював у трубопроводах 4, 5. Перемішування
субстрату здійснювалося за допомогою лопатевої мішалки 2.
Основний недолік цієї конструкції полягає в тому, що нагрівання всього об’єму
зброджуваної маси залишається нерівномірним, оскільки нагрівальний елемент
розташований лише в нижній частині реактора. Коли лопатева мішалка вимкнена,
виникає ризик перегріву нижньої частини реактора, тоді як температура
зброджуваної маси у верхній частині знижується.
У роботі [30] пропонується конструкція квазінеприривного типу з
трисекційним метантенком. Для нагрівання субстрату в установці використовують
трубчастий електронагрівник. Схема цієї установки наведена на рис. 1.5. Така
конструкція дозволяє більш ефективно контролювати процес нагрівання та
покращити теплообмін між нагрівальним елементом і зброджуваною масою,
забезпечуючи рівномірніше прогрівання всього об’єму.

Рис. 1.4. Біогазовий реактор з мішалкою та теплообмінником: 1 - корпус;
2 – лопатева мішалка; 3 – трубопровід відведення БГ; 4 – трубопровід для подачі
теплоносія; 5 – зворотний трубопровід теплоносія; Q1 – тепловтрати корпуса;
Q2 – кількість теплоти, що передається від теплоносія до зброджуваної маси.
25

У описаній установці трисекційного типу для підтримки температурного
режиму застосовується трубчастий електронагрівник 5, який підігріває сировину в
термофільній камері 4. Сировина завантажується через прийомне обладнання та
проходить через різні зони реактора, де здійснюється її переміщення та
перемішування мішалками 8. Однак, як зазначено, конструкція має недолік у
вигляді нерівномірного розподілу тепла, що може призводити до додаткових витрат
електроенергії.
Для покращення цього процесу в роботі [31] запропоновано використання
конвективно-індукційного нагрівання, що забезпечує більш ефективний і
рівномірний розподіл тепла всередині реактора (рис. 1.6). Цей метод покращує
теплообмін між сировиною та нагрівальним елементом, що дозволяє зменшити
витрати електроенергії та оптимізувати процес зброджування.

Рис. 1.5. Схема біогазової установки з трьохстадійним метантенком:
1 – трьохстадійний метантенк; 2 – психрофільна камера; 3 – мезофільна камера;
4 – термофільна камера; 5 - трубчастий електронагрівник; 6 – насос подачі; 7 – насос
відкачки; 8 – обладнання для змішування; 9 – манометр.

У розробленій фізичній моделі процесу безперервного метанового
зброджування з конвективно-індукційним нагріванням передбачено, що
термофільна зона розташовується в центрі метантенку. Ця зона відповідає за
26

підтримку високих температур, які потрібні для оптимальної роботи метаногенних
бактерій у термофільних умовах. Завдяки конструктивним елементам реактора,
теплова енергія центральної зони передається до мезофільної й психрофільної зон,
що дозволяє підтримувати необхідний температурний режим у цих зонах
зброджування.
У результаті звуження зони вивантаження біомаси утворюються інтенсивні
теплофізичні процеси, що сприяють передачі тепла між зонами, що підвищує
ефективність нагрівання. Розігрів біомаси досягається контактним нагріванням
через перегородки, що розділяють ці зони, а також завдяки дифузії субстрату між
ними, що дозволяє рівномірно розподіляти тепло по всьому об’єму зброджуваної
маси. Така схема дозволяє забезпечити ефективне й рівномірне зброджування
біомаси, знижуючи енергетичні витрати на нагрівання.
У період нагрівання ЗМ температура в центральній частині біореактора
збільшується до 55 оС і підтримується постійною в заданому режимі. Далі
відбувається конвективне нагрівання сусідніми секціями МТ. Розподіл тепла
повинен відбуватися рівномірно по всьому об’єму реактора.
Нагрівання в межах температур 40…55 оС здійснюється в центральній секції
МТ індукційним нагрівачем із частотою струму 50 Гц, що відповідає
термофільному режиму зброджування. Задана температура підтримується постійно
для забезпечення безперервного режиму роботи реактора. При підтримці заданого
максимуму температури відбувається теплообмін біомаси, при якому повинен
досягається мезофільний і психрофільний режим зброджування в середній і
зовнішній секціях МТ. Теплообміну сприяє масообмінний процес при
завантаженні й вивантаженню сировини, а також циклічне перемішування
субстрату. Мезофільний режим зброджування відбувається в середній секції МТ, де
за рахунок конвективного нагрівання досягається температура в межах 25…40 оС.
Крайній секції реактора відповідає психрофільний режим, де температура
зброджування перебуває в межах 8…25 оС.
Так, підтримка різних температурних режимів у кожній секції реактора може
бути технологічно складною, оскільки вимагає точного контролю температури і
27

забезпечення рівномірної теплопередачі по всьому об’єму зброджуваної маси. Це
може призвести до додаткових витрат енергії і ускладнення конструкції реактора. З
цієї причини більшість біогазових установок функціонують в одному, зазвичай
мезофільному або термофільному, температурному режимі, де спостерігається
стабільний вихід БГ.
Такі установки здебільшого працюють за принципом постійного
температурного режиму, оскільки це забезпечує оптимальні умови для
метаногенних бактерій, які є основними виробниками біогазу, і дозволяє
мінімізувати коливання, що можуть впливати на ефективність процесу
зброджування. Мезофільний температурний режим, зокрема, є найпоширенішим,
оскільки він забезпечує хорошу швидкість метанового зброджування та високу
продуктивність при порівняно низьких енергетичних витратах. У реакторах з
поділами на секції з різними температурними режимами зброджування
технологічно проблематично підтримувати розрахункові температури в кожній зоні.
На практиці більшість установок працюють в одному заданому температурному
режимі зброджування, тому що при цьому спостерігається стабільний вихід біогазу.
У роботі [22] розглядається циліндричний МТ, у якому нагрівання
здійснюється через сорочку. Дана конструкція є неефективною з погляду
енергозбереження. Тому що тепловий потік буде направлятися як вбік ЗМ так і убік
навколишнього середовища. При цьому площа внутрішніх стінок буде мати
підвищену температуру, що приведе до налипання ЗМ на внутрішні стінки, а також
до зменшення життєдіяльності бактерій, що буде супроводжуватися зменшенням
виходу біогазу. Через зовнішні нагріваючі поверхні збільшуються тепловтрати в
навколишнє середовище. Враховуючи цей факт, можна зробити висновок, що
необхідно розташовувати нагрівальний елемент всередині МТ.
У роботах [14, 22-31] розглядаються теплові процеси, що відбуваються в різних
конструкціях метантенков і різних режимах зброджування й перемішування.
Закордонними вченими, що проводили дослідження в області теплообмінних
процесів у МТ. Д. Флемінг розробив механічну та динамічну модель процесу
анаеробного зброджування, що включає перемішування пухирців, рух рідини,
28

біологічні реакції, внутрішній теплообмін та теплообмін з навколишнім
середовищем. Технологічні параметри зброджування, такі як обов'язкове
перемішування й нагрівання, аналогічні процесам, що застосовуються у хімічній
промисловості. У зв'язку з цим аналітичні дослідження торкнулися й аналізу
апаратів, що використовуються у хімічній промисловості з підігрівом і
перемішуванням реагуючих речовин [22].
Вертикальні циліндричні апарати є найпоширенішим видом апаратів, що
застосовуються у хімічній промисловості [23]. Корпус апарата виконаний з листової
сталі. Конструкція з даного матеріалу з'єднується болтами або зварюється з аркушів
заліза, згорнутих у рулон. Оболонка реактора ставиться на фундамент із бетону. Для
підтримки температурного режиму апарат ізолюється. У конструкції передбачені
отвори для завантаження та вивантаження реактора, а також доступ до його
внутрішнього простору для обслуговування. У конструкції передбачений змійовик
для нагрівання речовини й мішалка для його перемішування.
Корпус апарата складається із циліндричної частини й днища. Всередині
корпуса змонтовані змійовик і лопатева мішалка. Корпус закриває кришку з
технологічними отворами для валу мішалки, відведення та підведення води.
Оскільки елементи готуються попередньо, то залізні резервуари
виготовляються більш технологічно ніж резервуари з монолітного бетону. На місці
установки, виготовлені з листового заліза, товщиною 4-6 мм, зовні захищені від
корозії, розміщаються на фундаменті.
Аналізувавши теплофізичні властивості ЗМ, можна зробити припущення, що на
гріючій поверхні будуть мати місце відкладання твердої фракції ЗМ. У результаті
аналітичних досліджень опублікованих матеріалів по виробництву біогазу
визначено, що вплив шару відкладань на інтенсивність теплообміну між гріючим
елементом і масою не вивчалося.
Розробка конструкції МТ, що забезпечить підтримку всіх технологічних
параметрів процесу анаеробного зброджування, буде легкою у виготовленні та
експлуатації, а також енергоефективною, що є важливим і актуальним науковим
напрямом.
29

Висновки по першому розділу

1. Проведено огляд літератури щодо технологічних процесів анаеробного
зброджування. На його основі можна стверджувати, що для стабільного
зброджування біомаси та отримання біогазу необхідно строго дотримуватись усіх
технологічних параметрів роботи метантенку.
2. Аналіз технологічних процесів анаеробного зброджування показав, що
одним з ключових факторів, що впливають на ефективність роботи метантенку є
температурний режим зброджування, для дослідження якого потрібно
вдосконалити матмодель процесів тепломасообміну в метантенку.
3. Вплив відкладень твердих часток на поверхні змійовика вивчений
недостатньо. Тому необхідно провести дослідження впливу відкладань на
ефективність теплообміну між гріючим теплоносієм та зброджуваною масою.

30

РОЗДІЛ 2. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ
ТЕПЛОМАСООБМІНУ В ЗАПРОПОНОВАНОМУ МЕТАНТЕНКУ

МКР 24.144.95 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Литвин РОЗДІЛ 2 МАТЕМАТИЧНЕ Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ
Реценз. ТЕПЛОМАСООБМІНУ В
Н. Контр. ЗАПРОПОНОВАНОМУ МЕТАНТЕНКУ ЧДТУ, мТЕ-35
Затверд. Калейніков
31

2.1. Тепловіддача від біогазу та зброджуваної маси до внутрішніх
поверхонь метантенку

На основі аналізу літературних даних встановлено, що конструкція метантенку
повинна відповідати всім необхідним технологічним вимогам для забезпечення
ефективного процесу зброджування. Однією з ключових умов є підтримка
стабільної температури зброджування. Для досягнення цієї мети необхідно
інтенсифікувати процеси теплообміну в МТ. Для аналізу процесів теплообміну в
МТ запропонована відповідна схема (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема метантенку для фермерського господарства: 1 - циліндрична частина
МТ, 2 - дно МТ, 3 - лопатева мішалка, 4 - ЗМ, 5 - кришка, 6 - патрубок подачі
біомаси, 7 - патрубок для виведення збродженої маси.

Прототип запропонованої конструкції метантенку базується на апаратах, що
застосовуються в хімічній промисловості. Найбільш ефективною та довговічною є
конструкція МТ, виготовлена з монолітного кислототривкого бетону для
виробництва біогазу. Бетон має перевагу завдяки своїй здатності витримувати
великі статичні та динамічні навантаження від важкого обладнання. Такі резервуари
зазвичай встановлюються тільки на поверхні. Основними компонентами МТ є
корпус, що складається з циліндричної частини 1 і дна 2, в середині якого
32

розташовані лопатева мішалка 3 та зброджувана маса 4.
Корпус метантенку закривається кришкою 5, яка має технологічні отвори для
валу мішалки, підведення і відведення води, а також для виведення біогазу. Для
забезпечення герметичності з’єднання між корпусом та кришкою укладається
ущільнювальний матеріал. Свіжа біомаса подається в МТ через патрубок 6, а
зброджена біомаса видаляється через патрубок 7 в нижній частині. До якості бетону
висуваються вимоги щодо водостійкості та стійкості до агресивних середовищ.
Особливу увагу слід приділяти кривій аналізу наповнювачів, водоцементному
відношенню, а також ретельному ущільненню бетону, що дозволяє уникнути
робочих швів і усадочних тріщин.
Сірковмісні кислоти, що утворюються над рівнем субстрату в зоні накопичення
газу, можуть викликати корозію бетону. Тому важливо дотримуватися вимог щодо
якості бетону, що відповідають рецептурі виготовлення матеріалу. Крім того, можна
встановити спеціальний захист у верхній частині метантенку. Для цього стіни
верхньої частини, а інколи й нижня частина кришки, покриваються
поліетиленовими панелями або шаром з х-компонентного матеріалу.
Метантенки з бетону повинні бути газонепроникними. Усадочні тріщини та
мікропори, що утворюються під час затвердіння бетону через випаровування води,
можуть призвести до газовтрат під час експлуатації, якщо конструкція не має
додаткового покриття всередині. Місця з'єднання кришки та циліндричної частини
повинні бути оснащені еластичними ущільнювальними стрічками. Як додатковий
захист рекомендується застосовувати аерозольне покриття або шпаклівку з
ущільнювальними масами на основі поліуретану, силікон-каучуку або бітуму-
каучуку.
Для проведення досліджень обрана конструкція МТ з бетону без теплоізоляції.
Для досягнення необхідної температури для анаеробного зброджування й
підтримки її на постійному рівні, потрібно через змійовик (4) нагрівати
зброджувану масу до температури зброджування (t 0
збр=40 C). Після досягнення
стаціонарного режиму роботи метантенку, необхідно підтримувати цю температуру
з урахуванням тепловтрат. Коли завантажується свіжа біомаса з температурою
33

нижче температури зброджування, необхідно збільшити подачу тепла через
змійовик, у поєднанні з інтенсивним перемішуванням біомаси. Це сприятиме
стабілізації температури по всьому об’єму МТ.
В процесі експлуатації на поверхні ЗМ утворюються відкладення твердих
часток, що знижують тепловіддачу від змійовика до ЗМ. Хоча інтенсивне
перемішування допомагає частково видаляти ці відкладення, перемішування
проводиться лише після завантаження свіжої біомаси, тому на поверхні ЗМ
відкладення будуть присутні певний час. Це веде до збільшення потужності
нагрівання теплоносія, а, отже, до зростання витрат паливно-енергетичних ресурсів
на його нагрівання.
Для підвищення ефективності роботи метантенку, зокрема забезпечення
високого та стабільного обсягу біогазу, необхідно дослідити температурний режим
установки, включаючи вплив товщини відкладень на інтенсивність тепловіддачі між
ЗМ і теплоносієм. Оптимізація температурного режиму зброджування дозволить
зменшити витрати палива на отримання біогазу та підвищити ефективність
експлуатації установки.
Процес анаеробного зброджування відходів тваринницьких ферм можна
описати наступними рівняннями:

dT dS dP
= (µ − µ)T ; =τjsT −V −V ; =τjpT −M −M , (2.1)
dτ dτ dτ

де τ – тривалість анаеробного зброджування; T, S, P – відповідно
концентрації зброджуваного гною, субстрату й продукту метаболізму, кг/т; js і jp –
швидкості розкладання субстрату та утворення продукту метаболізму, доб-1; μ та ?̃?�� –
швидкості росту та метаболізму біомаси зброджуваного субстрату, доб-1; М і M –
швидкості масообміну субстрату та продуктів метаболізму при переході з однієї
фази в іншу, кг/т·доб; V і V – швидкості розкладання субстрату й утворення
продукту метаболізму, кг/т·доб.
У цій моделі, згідно з третім рівнянням (2.1), враховуються кінематичні
34

залежності швидкості продуктів метаболізму та швидкості масообміну субстрату,
які є основними факторами, що впливають на ефективність процесу розкладу ОР у
зброджуваній масі ЗМ.
Для забезпечення стабільного зброджування в розглянутій конструкції
метантенку (МТ) необхідно, щоб втрати тепла в навколишнє середовище Qвт і
витрати тепла на підігрів свіжої біомаси Qсв.бм були компенсовані теплом, що
надходить через змійовик від гріючого теплоносія Qнагр, а також теплом, що
виділяється в результаті екзотермічної реакції розкладу біомаси та утворення
біогазу Qзбр (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Розподіл потоку теплоти в метантенку: Qнагр – кількість підведеної до
метантенку теплоти, кДж/доб; Qзбр – кількість теплоти, що утворюється при
анаеробному розкладанні біомаси, кДж/доб; Qвт – втрати теплоти в навколишнє
середовище через стінки МТ, кДж/доб; Qсв.бм – теплота, необхідна для нагрівання
свіжої порції біомаси, кДж/доб.

Тепловий баланс у метантенку можна записати у вигляді рівняння:

Qнагр + Qзбр=Qсв.бм+ Qвт, (2.2)

У біохімічних процесах анаеробного зброджування біомаси відбувається
виділення теплоти, що виникає під час розщеплення органічних речовин анаеробними
бактеріями та утворення оцтової кислоти. Однак загальна кількість виділеної теплоти є
незначною, тому її величину Qзбр можна не враховувати. Для визначення теплових
35

втрат потрібно здійснити розрахунок габаритних розмірів метантенку (МТ).
Враховуючи цей факт, вираз (2.2) приймає вигляд:

Qнагр =Qсв.бм+Qвт. (2.3)

Приймаючи час нагрівання свіжої порції ЗМ до tзбр рівним τнагр, потібна
теплова потужність нагрівання складає:

Q Q'cв.бм
cв.бм = , (2.4)
τ нагр

Оскільки температура введеної порції біомаси tвв завжди нижча за температуру
зброджування tзбр та дорівнює температурі навколишнього повітря, для нагрівання
свіжої порції біомаси до необхідної температури потрібно витратити певну кількість
теплоти. Цю кількість можна розрахувати за допомогою відповідної формули для
теплового балансу Q'cв.бм , кДж:

Q'cв.бм = mвв ⋅сзм ⋅ (tзбр − tвв ), (2.5)
tвв

де сзм – питома теплоємність зброджуваної маса при tвв, кДж/(кг·К); mвв – маса
tвв
введеної свіжої порції біомаси, кг; tзбр – температура зброджування, °С; tвв –
температура введеної свіжої порції біомаси, оС.
Маса введеної порції зброджуваної маси mвв складає:

mвв =Vвв ⋅ ρ , (2.6)
tвв

де Vвв - об’єм введеної біомаси, м3; ρ
t - густина порції свіжої зброджуваної
вв
маси при температурі введення tвв, кг/м3.
36

Величина Vвв залежить від тривалості зброджування τ і частоти n операцій
заміни зброджуваної маси у МТ:

V
Vвв =V р
пит = , (2.7) τ ⋅n

де τ - тривалість зброджування, доба; Vр - робочий об’єм МТ, м3; n - частота
заміни зброджуваної маси, 1/доба.
Теплові втрати МТ можна визначити за рівнянням теплопередачі:

Qвт =K⋅ F⋅ (tзбр-tвх), (2.8)

де F – площа зовнішніх стінок МТ; K – коефіцієнт теплопередачі від
зброджуваної маси через стінки МТ до навколишнього повітря; tвх – температура
зовнішнього повітря.
Для аналізу теплообміну між МТ та навколишнім середовищем
використовується запропонована конструкція метантенку. Оскільки конструкція МТ
є циліндричним резервуаром з плоскою кришкою та овальним днищем, доцільно
розглядати тепловтрати окремо для корпусу, днища та кришки. Це дозволяє більш
точно оцінити теплові втрати кожної частини установки та забезпечити ефективний
контроль температурного режиму.
Між зброджуваною масою і кришкою МТ перебуває газова фаза товщиною δ,
швидкість руху біогазу в якій незначна. Тому процес теплообміну в цьому випадку
був розглянутий як вільна конвекція БГ у замкненому об’ємі.
Коефіцієнт тепловіддачі α k
1 від біогазу до кришки МТ визначаються за
виразом:

α k λ ⋅ε
= б к
1 ,
δ (2.9)

37

де λб - коефіцієнт теплопровідності біогазу, Вт/(м∙К); δ - відстань від поверхні
зброджуваної маси до кришки МТ, м; ε к - коефіцієнт конвекції.
Біогаз складається в основному із двох газів: метану СН4 і діоксиду вуглецю
СО2. Кількість інших складових не перевищує 5% і практично не впливає на
теплофізичні характеристики суміші. Тому можна вважати, що БГ складається з
метану й діоксиду вуглецю, об'ємні частки яких rCH і rCO , а їх мольні маси µCH та
4 2 4
µCO . Мольна маса біогазу дорівнює:
2

µб = rCH ⋅ µ + r ⋅ µ
4 CH4 CO2 CO .
2 (2.10)

Масові частки компонентів gCH і gCO визначаються за виразом:
4 2

µ
gCH = CH4 (2.11)
4 µб
µ
g = CО2
CО (2.12)
2 µб

Для розрахунків коефіцієнта теплопровідності суміші газів рекомендується
рівняння

λCH ⋅ g λ
λ = 4 CH4 + CO ⋅ g
2 CO2
б . (2.13)
gCH + g ⋅ψ g + g ⋅ψ
4 CO2 CH4−CO2 CO2 CH4 CO2−CH4

де λCH і λCO - коефіцієнти теплопровідності чистих газів при температурі
4 2
суміші, Вт/(м∙К); ψ CH −CO і ψ CO −CH - безрозмірні поправочні коефіцієнти, які
4 2 2 4
характеризують взаємний вплив компонентів.
Залежність коефіцієнтів теплопровідності від температури після обробки
табличних даних була отримана у вигляді:
38

λCH ⋅103 = 30,589+ 0,155t + 5,708 ⋅10−5 ⋅ t 2; r = 0,999 (2.14)
4
λ 3
CH ⋅10 =14,168+ 0,089t −1,689 ⋅10−5 ⋅ t 2; r = 0,999 (2.15)
4

Безрозмірні поправочні коефіцієнти визначали по рівнянням:
µСН4
 0,5 0,25 2
µ  µ ' 
ψ = СО2 ⋅ 1+  СН   µ ' 
4   СО2 
CH4−CO2 0,5
    µ '  ⋅   ;
µ '  (2.16)
8 ⋅ 
µ СО СН
1+
СН    2   
4 4 
µ 
 СО2 
µСО2
 0,5 0,25 2
µСН  µ 'СО  
   µ

ψ = 4 ⋅ 1+ 2 ⋅ СН 
4 
CH CO 0,5 
4−
;
2  µСО      
    µ 'СН   µ4 СО   (2.17)
8 ⋅ 1+
2 2
µ 
 СН4 

де µ 'СН і µ 'СО - коефіцієнти динамічної в'язкості при заданій температурі
4 2
зброджування, Па∙с.
Залежність коефіцієнтів динамічної в'язкості від температури має вигляд:

µ ' ⋅106
СН =10,743+ 0,0245 ⋅ t,r = 0,999 (2.18)
4
µ 'СО ⋅106 =14,741+ 0,0374 ⋅ t,r = 0,999 (2.19)
2

Коефіцієнт конвекції ε к залежить від значень чисел подібності Грасгофа Gr і
Прандтля Pr і визначається за виразом:

ε к = 0,105 ⋅ (Gr ⋅Pr)0.3, якщо 103 ≤ Gr ⋅Pr ≤106. (2.20)

За визначальний розмір за форм. (2.9) приймається товщина газової фази δ.
Технологія роботи МТ припускає періодичне часткове вивантаження
39

збродженого субстрату й завантаження свіжої маси в реактор. У цей час у МТ
відбувається змішування зброджуваної біомаси й додатковий підігрів для
стабілізації й підтримки постійної температури в МТ. Весь інший час роботи МТ
механічне змішування відсутнє, тому потрібний окремий розгляд визначення
коефіцієнтів тепловіддачі від зброджуваної маси до внутрішніх стінок МТ.
Теплообмін між зброджуваною масою та циліндричною стінкою МТ для умов
руху потоку зброджуваної маси паралельно стінці діаметром D (окружна складова
WT) можна розглядати як омивання пластини, характерним розміром якої буде
периметр циліндра розміром lц = π ⋅D.
Для такого випадку використовується рівняння [28]:

0,25
 
Nu 0,8 0,43  PrЗМ 
ц = 0,037 ⋅Re ⋅PrЗМ ⋅   , (2.21)
 PrЗМ pм 
α ц ⋅ l W ⋅ l
де Nu 1 ц
ц =
λ (t) - число подібності Нусельта; Re = T ц
v (t) - число Рейнольдса;
ЗМ ЗМ
PrЗМ і PrЗМ – числа Прандтля при температурі зброджуваної маси і температурі
см
циліндричної стінки.
В умовах, коли відсутнє перемішування, теплообмін між зброджуваною масою
і вертикальною стінкою носить інший характер. Прийнято, що температура стінки
на кілька градусів менша температури зброджуваної маси і характерним розміром є
(погонний метр) висота стінки. Процес передачі теплоти розглядається як вільна
конвекція у вертикальної стінки.

0,25
Nu 0,15 (Gr Pr )0,6 Pr 
в.ст = ⋅ ⋅  tзбр 
в.ст. ,
t  Pr  (2.22)
збр
 
tст

α ⋅ l 3
де Nu = в.ст. ст g ⋅ l t − t
в.ст λ - число Нусельта; Gr cт зм ст
зм = 2 ⋅
Т - число
40 (v )
t зм
збр
Грасгофа;
40

Pr - критерій Прандтля при температурі стінки.
tст
Конвективний теплообмін зброджуваної маси із овальним дном обумовлений
внутрішнім омиванням днища потоком, який рухається паралельно утворюючої. В
літературі відсутні критеріальні рівняння, які описують такий рідкий випадок
конвективного теплообміну. Тому для аналізу прийнято обтікання циліндричної
пластини площею, рівній площі внутрішньої поверхні овального днища, яка для
конкретного МТ може бути розрахована за формулою [30]:

S = π (h2 + 2a2
д ), м (2.23)

Характерний розмір такої пластини дорівнює, м:

lп = 0,629 4S
⋅Dn = 0,629 д = 0,7097 ⋅Sд. (2.24)
π

Середня швидкість омивання пластини принята Wпл, м/с:

W W
пл =
г
2 , м/с. (2.25)

Для розрахунку конвективного теплообміну для тіл довільної форми
рекомендується рівняння [31]:

NuL = 0,662 ⋅Re0,5⋅Pr1/3
l ЗМ , (2.26)

де l – довжина омиваного тіла, (l = lп).
Днище МТ являє собою кульовий сегмент, що має глибину h і хорду, рівну
внутрішньому діаметру МТ 2а=DМТ .
Площа бічної поверхні визначається за формулою [30]:

М = π (h2 + a2 ), м2 (2.27)

41

Для аналізу теплообміну між зброджуваною масою і дном в умовах
природнього перемішування умовно ухвалювали плоский диск, площа поверхні
якого S дорівнює площі поверхні кульового сегмента, тобто S=M. Умовний
діаметр такого диску Dу дорівнює Dy = 4М /π , а характерний розмір становить
lдн = 2Dy /π .
Вид критеріального рівняння теплообміну при вільній конвекції між ЗМ і
умовним диском визначається величиною числа Релея [31]:

Re = Grдн. ⋅Pr ,
t (2.30)
збр

3
де Gr g ⋅ lcт tзм − tст
зм = ( )2 ⋅
Т - число Грасгофа.
v
t зм
збр
Якщо Gr >2·107, то потрібно використовувати критеріальне рівняння [32, 33]:

Nuдн = 0,135 ⋅Rа0,33. (2.31)

2.2. Теплообмін між навколишнім середовищем та зовнішніми поверхнями
метантенку

Розглянемо процес передачі тепла від зброджуваної маси до навколишнього
повітря через стінки резервуара МТ.
При аналізі теплообміну враховували специфіку тепловіддачі до повітря від
плоскої кришки, циліндричної частини резервуара МТ та дна при їх омиванні
повітряним потоком, що рухається зі швидкістю wвх і має температуру tвх.
Передача тепла від плоскої кришки до повітря є частковим випадком
конвективного теплообміну — омивання горизонтальної плоскої поверхні потоком
рідини. При цьому розмір омиваної поверхні lк дорівнює:

42

l 2Dк
к = , м, (2.32)
π

де D - діаметр кришки МТ, м.
Теплофізичні властивості повітря для зовнішньої температури наведені в
роботі [34]. За значенням числа Рейнольдса встановлюється режим потоку:
Re w
= вхlк , м, (2.33)
vвх

де vвх – коефіцієнт кінематичної в'язкості повітря, м2/с.
Критеріальне рівняння при омиванні кришки при розрахунку числа Нусельта
має вигляд [31]:

Nuк=0,032·Re 0,8
к , (2.34)

а значення коефіцієнта тепловіддачі до повітря від кришки дорівнює [32]:
α к Nu
= kλвх
2 , м, (2.35)
lк
к
де λвх – коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/(м·К); Nu α ⋅ l
= 2 к
k - число
λвх
Нусельта.
Коефіцієнт теплопередачі через кришку метантенку визначається за формулою:

К 1
к = . (2.36)
1/α k
1 +δ к /λк +1/α к
2

Тепловий потік через кришку МТ дорівнює:

Кк ⋅π ⋅D
2
к ⋅ (t − t )
Q = збр вх
к . (2.37)
4

Теплообмін між циліндричною частиною резервуара МТ і повітрям
43

розглядалися як процес омивання потоком рідини (вітром) окремого циліндра. Як
характерний розмір був прийнятий діаметр цього циліндра.
Після визначення числа Рейнольдса Reц:

w
Re = вхDц , м, (2.38)
vвх

де Dн – діаметр циліндра (зовнішній).
Число Нуссельта Nuц [31]:

Nu =0,22Re 0,5
ц ц (2.39)

Коефіцієнт тепловіддачі до повітря від зовнішньої поверхні циліндра
визначається:

Nu λ
αц =
ц вх , м, (2.40)
Dн

де Dн –діаметр циліндричної частини (зовнішній), м.
Оскільки відношення внутрішнього до зовнішнього діаметрів n=Dн/Dв<1,4, для
розрахунку коефіцієнта теплопередачі циліндричної частини Кц було використано
рівняння (2.36), яке застосовується для плоскої стінки [35].
Тепловий потік через циліндричну стінку визначається за формулою:

Qц = Кк ⋅π ⋅Dн ⋅Н (tзбр − tвх ). (2.41)

При аналізі теплообміну між дном резервуара МТ та повітрям було прийнято,
що овальне днище має форму сферичного сегмента. Як характерний розмір
використовували діаметр зовнішньої поверхні Dн.
Після розрахунку числа Рейнольдса RеД отримаємо:
44

w D
Re Д =
вх Д , м, (2.42)
vвх

число Нуссельта для випадку обтікання кулі визначали за формулою [26]:

Nuд=2+0,03·Re 0,5
Д ·Pr 0,33
вх +0,035·Re 0,58·Pr 0,35
Д вх , (2.43)

коефіцієнт тепловіддачі до повітря від дна α Д
2 визначається за формулою:

Д NuДλα2 = вх , м, (2.44)
DД

Коефіцієнт теплопередачі через кульову поверхню Кд, [Вт/м2·К] визначається
за формулою [36]:

К 1
д = . (2.45)
1 + 1 
⋅ 1 − 1 
 + 1
α д 2   д 2
1 ⋅Dв 2 ⋅λст  Dв Dн  α2 ⋅Dн

де α д
1 – коефіцієнт тепловіддачі від зброджуваної маси до внутрішньої
поверхні дна, Вт/(м2К).
Бічна поверхня сегмента Fд дорівнює:

 D 2 
FД = π
 Д   + h2
д , (2.46)
 2  

D
де Д і hд – хорда і стріла кульового сегмента, м.
2
Тепловий потік через дно до повітря можна визначити з рівняння:

45

Q К F
Д = Д ⋅ (t д
збр − tвх ) ⋅ , (2.47)
Fш

де Fш – площа поверхні кулі, м2.
Сумарний тепловий потік через зовнішні поверхні розглянутого МТ дорівнює:

Qпот = Qк +Qц +Qд. (2.48)

З рівняння (2.2) теплового балансу випливає, що кількість тепла, необхідна для
підтримання температури в резервуарі МТ, витрачається на компенсацію теплових
втрат у навколишнє середовище та на нагрівання нової порції біомаси. Під час
завантаження свіжої біомаси для рівномірного розподілу температури в усьому
об’ємі резервуара вмикається механічна мішалка. Коли температура всієї
зброджуваної маси досягає заданої температури бродіння, мішалка вимикається.
Для встановлення температурних режимів процесу зброджування необхідно також
визначити час нагрівання зброджуваної маси, який буде дорівнювати тривалості
роботи механічної мішалки, тобто τнав=τпер. Процес передачі тепла в цих режимах
роботи резервуара МТ різний, тому необхідно розглянути процес нагрівання
зброджуваної маси для двох режимів: перший – з механічним перемішуванням, і
другий – з природним перемішуванням біомаси під дією пухирців утвореного
біогазу.

2.3. Теплообмін при нагріванні зброджуваної маси

Під час роботи резервуара МТ спостерігається налипання органічної біомаси у
вигляді відкладень на нагрівальний елемент. Це відбувається через те, що
зброджувана маса є сумішшю сухої органічної речовини та води. Незважаючи на
перемішування зброджуваної маси, на поверхні ЗМ утворюється шар відкладень.
Дослідження показали [27], що після перемішування товщина відкладень
змінюється нерівномірно вздовж ЗМ. На ділянках, розташованих на рівні мішалки,
46

відкладення незначні, тоді як у верхній та нижній частинах ЗМ спостерігаються
значні нашарування твердих часток біомаси. Це пов'язано з тим, що при
перемішуванні осьова компонента потоку менша за окружну та радіальну [28].
Зміна швидкості обертання мішалки не має суттєвого впливу на товщину
відкладень, що свідчить про незначну залежність товщини від швидкості
перемішування.
За даними [29], коефіцієнт теплопровідності сухої ОР становить 0,15-0,25
Вт/м∙К. Налипання сухої ОР призводить до зниження теплопередачі через низьку
теплопровідність відкладень, що, в свою чергу, збільшує час нагрівання біомаси.
Тому при дослідженні теплового потоку від гріючого теплоносія до
зброджуваної маси необхідно враховувати термічний опір шару відкладань на ЗМ.
Процес теплопередачі від гріючого теплоносія до зброджуваної маси можна
розділити на чотири процеси при дотриманні закону збереження енергії.
Перший процес — це тепловіддача від нагрітого теплоносія до стінки ЗМ;
другий процес — передача тепла теплопровідністю через стінку самого ЗМ; третій
— передача тепла теплопровідністю до зовнішньої стінки ЗМ; четвертий процес —
тепловіддача від зовнішньої стінки ЗМ до зброджуваної маси.
У разі відсутності відкладень на зовнішній стінці ЗМ третій процес не
враховується. Тепловий потік для кожного із зазначених процесів визначається
наступним чином:

Qнав =α1 ⋅F ⋅ (tср − tср1); (2.49)
Q π ⋅ l ⋅ (t
= ст1 − tст2 )
нав 1 d ; (2.50)
ln 2
2λзм d1
Q π ⋅ l ⋅ (tст2 − t
= відкл )
нав 1 ; (2.51)
ln d3
2λвідкл d2
Qнав =α2 ⋅F ⋅ (tвідкл − tзм ), (2.52)

де F – площа поверхні ЗМ; α1 - коефіцієнт тепловіддачі від гріючого теплоносія
47

до внутрішньої стінки ЗМ; tср – середня температура гріючого теплоносія, °С,
визначається як:

tср = (t1 + t2 ) / 2, (2.53)

tст1 та tст2 – температура на внутрішній і зовнішній стінці ЗМ відповідно; t1 і t2
– температури гріючого теплоносія на вході й виході із ЗМ відповідно; tвідкл –
температура на поверхні відкладань; tзм – температура зброджуваної маси; l –
довжина ЗМ, м; λзм і λвідкл - коефіцієнти теплопровідності відповідно матеріалу ЗМ і
відкладань, Вт/(м·К); d1, d2, d3 – відповідно внутрішній діаметр ЗМ, зовнішній
діаметр ЗМ, діаметр ЗМ з врахуванням товщини відкладань, м:

d3=d2+2·δвідкл, м. (2.54)

α2 - коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої стінки ЗМ до зброджуваної маси,
Вт/(м2·К).
Рівняння (2.49) описує тепловий потік від нагрітого теплоносія до внутрішньої
стінки ЗМ через конвективний теплообмін. Рівняння (2.50) та (2.51) визначають
тепловий потік через стінку ЗМ та через шар відкладень на ній відповідно. Рівняння
(2.52) описує тепловий потік від зовнішньої поверхні відкладень до зброджуваної
маси.

2.3.1. Тепловіддача від гріючого теплоносія до стінок змійовика

При визначенні α1 потрібно знати режим руху теплоносія. Для цього
визначається швидкість руху води в ЗМ:

W 4m'
в =
в
2 , м / с, (2.55)
ρв ⋅π ⋅d
t 1
в

де ρв - густина води при її середній температурі в ЗМ, кг/м3; m'в - витрата
tв
48

гріючої води через ЗМ для компенсації втрат теплової потужності може бути
визначена з рівняння теплового балансу:

m' Q
= пот
в , кг / с, (2.56)
Cв ⋅ (t
t вхід − tвих )
в

де Cв – питома теплоємність води при її середній температурі в ЗМ,
tв
кДж/(кг·К); tвхід, tвих - температура теплоносія на вході та виході з ЗМ, оС.
Критеріальне рівняння конвективного теплообміну між водою та внутрішньою
стінкою ЗМ приймає вигляд [28]:

0,25
 
Nu 0,021 Re0,8 Pr 0,43 Pr
в = ⋅ в ⋅ ⋅  tв  ⋅ε ,
tв   R (2.57)
 Pr
tст 

α
де Nu = 1 ⋅λв tв
в - число Нусельта; Re w d
= в в - число Рейнольдса; α1 -
dв vв tв
коефіцієнт тепловіддачі до внутрішньої стінки труби ЗМ від гріючої води,
Вт/(м2·К); ε d
R =1+1,77 ⋅ в - поправочний коефіцієнт для вигнутих труб; Pr -
RЗМ
критерії Прандтля для води при середній температурі в ЗМ та температурі
внутрішньої стінки змійовика; λв , vв – коефіцієнти теплопровідності та
tв tв
кінематичної в'язкості води при середній температурі в ЗМ, Вт/(м·К) і м2/с.
Температура внутрішньої стінки tст.вн. дорівнює середній температурі води:
Pr ≅ Pr .
tв tзм

2.3.2. Тепловіддача від ЗМ при перемішуванні зброджуваної маси

Розглянемо режим передачі теплоти від ЗМ до зброджуваної маси при її
механічному перемішуванні. Перемішування зброджуваної маси здійснюється двічі
на добу. Для визначення інтенсивності тепловіддачі від ЗМ до зброджуваної маси
49

були прийняті наступні умови.
ЗМ зброджуваної маси складається з ряду витків, кожен з яких можна
розглядати як замкнене кільце, що омивається трьома складовими потоку рухомої
зброджуваної маси: радіальною, окружною і осьовою, з відповідними швидкостями
wр, wт, wа.
На рис. 2.3 зображена схема одного кільця ЗМ і напрямки руху складових
потоку зброджуваної маси.

Рис. 2.3. Схема омивання витка ЗМ потоку зброджуваної маси: wт - окружна
швидкість потоку зброджуваної маси, м/с, wр - радіальна швидкість потоку
зброджуваної маси, м/с, wа - осьова швидкості потоку зброджуваної маси, м/с.

Згідно рис. 2.3, окружна потоку спрямована паралельно утворюючому витка,
радіальна складова — перпендикулярно до неї, а осьова складова — вертикально
відносно окружної складової.
У роботі [10] було встановлено:

wт = 2 wр =10 wа . (2.58)

З врахуванням співвідношення (2.58) були визначені швидкості wр, wт, wа та
відзначено, що внесок осьової складової в результуючу досить незначний, і тому в
подальшому аналізі нею нехтуємо.
На рис. 2.4 схематично представлений напрямок радіальної і окружної потоку
50

на фрагмент кільця ЗМ.

Рис. 2.4. Схема напрямків швидкісних потоків зброджуваної маси відносно труби
ЗМ: wΣ - сумарний потік зброджуваної маси; Ψ - кут омивання труби ЗМ; wт, wр – те
ж, що на рис. 2.3.

Аналіз розподілу швидкостей (рис. 2.4) виконаний для кільця ЗМ, з
врахуванням правила додавання векторів показав, що сумарний потік зброджуваної
маси має швидкість:

wΣ = w2
m + w2
p , м / с (2.59)

омиває трубу ЗМ під кутом:

 w 
ψ = arctg p
 . (2.60)
 wm 

Отже, теплообмін між зовнішньою стінкою зброджуваної маси та ЗМ можна
розглядати як тепловіддачу при омиванні труби потоком рідини під кутом атаки ψ,
для якого критеріальне рівняння визначається за формулою [28]:

0,25
 Pr 
Nuз = 0,28 ⋅Re0,6 0,36 р
зм ⋅Prзм ⋅   ⋅εψ , (2.61)
 Prст 

де Nu α
= 1 ⋅d з
в - число Нусельта; Re w d
= Σ з - число Рейнольдса; Prзм і Prст -
λЗМ v
t ЗМ
зб tзм
51

числа Прандтля для зброджуваної маси при температурі зброджування та
температурі зовнішньої стінки труби ЗМ, прийнятій середній температурі води; dз -
зовнішній діаметр труби ЗМ, м; λЗМ , vЗМ - коефіцієнти теплопровідності та
tзб tзм
кінематичної в'язкості зброджуваної маси при температурі зброджування tзм,
Вт/(м·К) і м2/с; εψ - поправочний коефіцієнт, що враховує зміну інтенсивності
Nuн ⋅λтепловіддачі залежно від кута атаки; α = ЗМ tзм
2 – коефіцієнт тепловіддачі від
dн
зовнішньої стінки труби ЗМ до зброджуваної маси, Вт/(м2·К).
В результаті обробки графічних і табличних даних [26, 28] отримана
математична залежність для визначення εψ = f (ψ ) у вигляді:

εψ =0,423+2,453·10-3·ψ+3,35·10-4·ψ2 – 5,238·10-6·ψ3, (2.62)

при коефіцієнті кореляції r=0,9905.
Результати експериментальних даних в [10] показали, що вплив окружної та
радіальної складових потоку на замкнену трубу сприяє інтенсивній турбулізації, що,
в свою чергу, збільшує інтенсивність тепловіддачі в 1,5 рази. Тому значення
коефіцієнта тепловіддачі від ЗМ до зброджуваної маси прийнято:

α р =1,5α , Вт / м2
2 2 ⋅К , (2.63)

За умов переносу теплоти від гріючої води до зброджуваної маси через стінку
ЗМ, за умови, що в тонкостінних трубах відношення внутрішнього до зовнішнього
діаметрів менше 1,4, коефіцієнт теплопередачі K можна розрахувати за рівнянням,
характерним для плоскої стінки:

К 1
= ; (2.64)
1/α1 +δ ЗМ /λЗМ +δвідкл /λвідкл +1/α2

52

де λЗМ - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки ЗМ, Вт/(м·К); δзм –
товщина стінки труби ЗМ, м.

2.3.3. Тепловіддача від змійовика при природньому перемішуванні
зброджуваної маси

Під час роботи МТ коли виключена лопатева мішалка механізм переносу
теплоти зброджуваної маси змінюється. Це пов'язано з тим, що виникаючі пухирці
БГ при спливанні перемішують зброджувану масу, а також сприяють поширенню
теплоти й конвективному переносу мас по всьому об’єму зброджуваної маси.
Розв'язок даного завдання виконується з урахуванням складу біогазу,
теплофізичних характеристик зброджуваної маси залежно від температури й
розмірів МТ. Біохімічні процеси утворення біогазу в роботі не розглядалися.
Пухирці біогазу утворюються на днищі, стінках МТ і твердих частках
зброджуваної маси, на яких є пори радіусом Rп, що є центрами зародження
пухирців біогазу. Відрив пухирців біогазу від місць утворення можливий за
умови, що його діаметр do перевищує критичний d кр.
Для визначення величини do, м, використовували рівняння [11-15]:

1/3

d 2 2 Rn ⋅σ 
0 = ⋅  ⋅ ; (2.65)
3 g ⋅ (ρ − ρ 
зм біо )
d σ
0 = 0,0201⋅θ ⋅ ; (2.66)
g(ρ зм − ρбіо )

де Rп - радіус кромки мікрозападини, м; σ - поверхневий натяг зброджуваної
маси, Н/м; ρ зм - густина зброджуваної маси при температурі зброджування, кг/м3;
ρбіо - густина біогазу в пухирці, кг/м3; g - прискорення сили ваги, м/с2; θ - кут
змочування, град.
Для розрахунків поверхневого натягу зброджуваної маси, Н/м,
використовували залежність:
53

σ ⋅103 =119,96−1,69СР − 0,02Т , (2.67)

де СР - вміст сухої речовини в зброджуваній масі, %; Т - абсолютна температура
зброджування, К.
Густина біогазу ρбіо, пухирці якого утворюються на дні МТ, може бути
визначена з рівняння стану ідеального газу:

Рбіо = Rбіо ⋅T ; (2.68)
ρбіо

де Rбіо – газова постійна біогазу, Дж/кг·К; Pбіо – тиск в пухирці.
Тиск Pбіо містить у собі барометричний тиск В і тиск стовпа рідини над
пухирцем, тобто ρ зм ⋅ g ⋅H

Рбіо = B + ρ ⋅ g ⋅H , Па (2.69)
зм ЗМ

У першому розділі зазначено, що БГ складається в основному із двох газів
СН4 і СО2. Тоді:

R = r , Па (2.70)
біо CH ⋅ µ
4 CH + r ⋅ µ
4 CO2 CO2

де r
CH4 – об'ємні частки СН4 і СО2 у біогазі; µCH = 16 і µCO = 44 - мольна маса
4 2
СН4 і СО2, кг/кмоль.
Кут змочування зброджуваної маси поверхонь МТ прийнятий таким, як для
води (θ=50°) [32].
Піднімальна сила пухирця біогазу при його вспливанні витрачається на
подолання в’язких сил зброджуваної маси. У процесі спливання пухирця в
ізотермічних умовах тиск стовпа зброджуваної маси зменшується, а його об’єм
54

збільшується з рідкою фазою.
Зміна об’єму пухирця визначається співвідношенням [17]:

ρ dV β
= ∆P ⋅S , (2.71)
біо dτ R T біо біо
біо

де β – коефіцієнт масовіддачі від зброджуваної маси до біогазу; Т – абсолютна
температура біогазу; ∆Pбіо - різниця парціальних тисків газу, Па; Sбіо – площа
поверхні пухирця, м2.
Коефіцієнт масовіддачі від зброджуваної маси до пухирця біогазу можна
визначити по рівнянню Бусінеска [17, 18]:

Sh =1,13 ⋅Re1/ 2⋅Sc1/ 2 , (2.72)

де Sh – число Шервуда, визначається за виразом:
Sh β ⋅d
= , (2.73)
D

d - середній діаметр біогазу, м; D – коефіцієнт дифузії біогазу в зброджуваній
масі; Sс – число Шмідта, визначається за формулою:

Sc v
= зм , (2.74)
D

υзм – коефіцієнт кінематичної в'язкості зброджуваної маси.
Діаметр пухирця в момент спливання може бути визначений за рівнянням [12]:

1/3
 m ⋅R ⋅Т 
d = 2 ⋅  пух біо
всп   , м, (2.75)
 0,34 ⋅π ⋅Рбіо 
55

де mпух – маса пухирця біогазу, кг.
Маса пухирця може бути розрахована за формулою:

m (2.76)
пух = ρбіо ⋅Vбіо , кг.

За умови, що:

V = π ⋅d 3 / 6; (2.77)
біо 0
ρ (2.78)
біо = Рбіо / Rбіо ⋅Т .

Приймаючи середній діаметр пухирця біогазу за час спливання:

d = 0,5 ⋅ (d + d ), м, (2.79)
0 вспл

Практичні дослідження показали, що середній діаметр пухирця біогазу
становить до 2 мм. Швидкість спливання можна оцінити за рівнянням [12]:

1/ 2

W d ρ зм − ρбіо 12σ  (2.80)
вспл = g ⋅ ⋅ + , м / с
 2 ρ зм + ρбіо d ⋅ (ρ зм − ρ

біо )

або по залежності [16]:

W µзм ⋅ Ar ⋅ We
= , м / с (2.81)
вспл d0 ⋅ ρ зм ⋅ (18 ⋅ We + 0,6 Ar )

3
де Ar g ⋅d0 ρ − ρ
= ⋅ зм біо σ
2 - число Архімеда; We = 2 - число Вебера;
υзм ρ зм g ⋅ (ρ зм − ρбіо ) ⋅d0
µ , υ - коефіцієнти динамічної й кінематичної в'язкості
зм біо зброджуваної маси.
У процесі спливання в ізотермічних умовах кожний пухирець робить роботу
56

[12, 22, 29]:

L = m ⋅R B (2.82)
пух біо ⋅T ⋅ ln , Дж
Рбіо

Тоді кількість пухирців, що залишають зброджувану масу nτ буде дорівнювати:

nτ =V 1
біо /Vвспл , шт, (2.83)

де Vвспл - об’єм одного пухирця біогазу, що залишає зброджувану масу, м3.
Загальна сумарна робота пухирців біогазу, витрачена в одиницю часу на
перемішування зброджуваної маси, становить:

LΣτ = nτ ⋅L, Дж. (2.84)

Робота, здійснена піднімальної силою пухирців біогазу, витрачається на
збільшення кінетичної енергії зброджуваної маси, тобто її перемішування.
Питома потужність перемішування зброджуваної маси дорівнює:

L = LΣτ / М зм , Дж / кг, (2.85)

де Мзм - маса зброджуваної маси в МТ.
Раніше було відзначено, що робота спливаючих пухирців затрачається на
перемішування рідини й зміну швидкості її руху. При цьому зміна кінетичної
енергії 1 кг зброджуваної маси буде відповідати:

L = (w2 −w2
2 1 ) / 2, Вт. (2.86)

Якщо прийняти, що без барботажу швидкість руху зброджуваної маси w1=0, то
при русі пухирців біогазу швидкість переміщення зброджуваної маси складає:
57

w2 = 2L , м / с. (2.87)

Цю швидкість доцільно прийняти для розрахунків інтенсивності теплообміну в
МТ в умовах перемішування зброджуваної маси пухирцями біогазу.
При омиванні ЗМ зброджуваної маси, що рухається зі швидкістю спливання
пухирців біогазу режим руху визначається по величині числа Рейнольдса Reзм:

Re wспл ⋅d
зм =
3 . (2.88)
υ
40

В умовах Reзм=1·103–2·105 режиму при омиванні одиночної труби критеріальне
рівняння має вигляд [28]

0,25
 Pr 
Nu' 'зм = 0,28 ⋅Re0,6⋅Pr0,36
зм ⋅ 
р  . (2.89)
 Prзм 

За значенням числа Nu' 'зм визначається коефіцієнт тепловіддачі α ' 'зм при
барботажі зброджуваної маси. Згідно з рівняннями 2.49-2.52 температура гріючого
теплоносія визначається за формулою:

t Qнав
ср = , ºС. (2.90)
К ⋅Fнав

Температура на виході зі змійовика визначається по наступній формулі [10]:

К ⋅F
− нав
tзм − е W ⋅ tзм − 2tзм − 2t
t = ср
2 К ⋅F , ºС, (2.91)
− нав
е W −1

де W – водяний еквівалент гріючого теплоносія.
Знаючи температуру гріючого теплоносія на виході з ЗМ, за формулою (2.53)
58

можна визначити необхідну температуру води на вході в ЗМ.
Розроблена методика визначення теплових втрат МТ і визначення потужності
нагрівання зброджуваної маси дає можливість на стадії проектування МТ визначити
потужність теплогенеруючої установки. З метою економії паливно-енергетичних
ресурсів, що спалюються в теплогенеруючій установці, необхідне якісне
регулювання температури гріючого теплоносія залежно від температури
зовнішнього повітря.
У процесі зброджування на зовнішній поверхні змійовика, по якому рухається
гріючий теплоносій, утворюються відкладання зброджуваної маси, що має досить
низький коефіцієнт теплопровідності. Шар відкладань на зовнішній поверхні, що
представляє значний термічний опір буде знижувати теплопередачу від гріючого
теплоносія до зброджуваної маси.
Необхідне експериментальне дослідження впливу цих двох факторів на зміну
температурного режиму зброджуваної маси.

2.4. Визначення часу нагрівання свіжої порції біомаси

При аналізі технологічних процесів зброджування виявлено, що 2 рази на добу
в метантенк завантажується частина свіжої біомаси, при цьому така ж частина
збродженої маси віддаляється (рівняння 2.6-2.7).
За одну операцію зміни сировини з МТ одночасно віддаляється й виводиться
ЗМ, дорівнює:

m m М
пит = вв = , (2.92)
n ⋅τ зб

де mпит=mвв – кількість зброджуваної маси, що віддаляється з МТ, і свіжа
порція, що вводиться в нього, кг; М – кількість зброджуваної маси у МТ при
нормальному режимі зброджування, кг.
Початкова ентальпія зброджуваної маси у МТ становить:
59

Нн = М ⋅С ⋅ tзбр , (2.93)
tзбр

де С
t - питома теплоємність зброджуваної маси при температурі
збр
зброджування, кДж/(кг·К).
Ентальпія віддаленої частини зброджуваної маси:

Нпит = mпит ⋅С ⋅ t
t збр. (2.94)
збр

Ентальпія свіжої введеної порції має температуру tвв<tзбр складає:

Нвв = mвв ⋅С ⋅ tвв , (2.95)
tвв

де tвв - температура введеної порції 0С; С - питома теплоємність сировини tвв, tвв
кДж/(кг·К).
Оскільки tвв завжди менше робочої температури зброджування tзбр, загальна
температура зброджуваної маси у МТ понизиться й складає tх.
Ентальпія суміші Нх може бути визначена за рівнянням:

Н х = М ⋅С ⋅ tх = Нн − Н
t пит + Нвв , (2.96)
х

де С – питома теплоємність зброджуваної маси при температурі tх, кДж/(кг·К).
tх
Температуру tх і відповідне значення С можна визначити методом
t
х
послідовних наближень, задавшись для початку умовою, що С = С . У цьому
tх tзб
випадку з рівнянь (2.92-2.95) випливає:

С   С
t = tвв
х ⋅ t 1 1 1
зб  −  + ⋅ tвв
 ⋅ tвв . (2.97)
С  n ⋅τ
t зб  n ⋅τ зб С
зб tзб
60

Визначена по (2.96) величина tх дає можливість уточнити значення С і
tх
повторним розрахунком отримати більш точне значення температури зброджуваної
маси у МТ. Цикл необхідно продовжувати до досягнення заданої відмінності tх двох
послідовних значень tх, тобто:

tх − t ≤ ∆t . (2.98)
п+1 х п х

Для компенсації охолодження й забезпечення оптимального температурного
режиму до зброджуваної маси потрібно підвести додаткову теплоту в кількості:

Q = Н м − Н х , (2.99)

для чого короткочасно збільшити тепловий потік від зовнішньої поверхні змійовика
до зброджуваної маси, що відповідає збільшенню коефіцієнта теплопередачі «К» від
гріючого теплоносія (води, що рухається в змійовику) через стінку до зброджуваної
маси.
З аналізу теплообміну всередині МТ випливає, що основний вплив на
величину «Кзм» виявляє коефіцієнт тепловіддачі α2 від зовнішньої стінки змійовика
до зброджуваної маси, тому що інтенсивність тепловіддачі від гріючого теплоносія
до внутрішньої стінки змійовика α1 на порядок вище.
Тому доцільно збільшувати значення α2 шляхом перемішування зброджуваної
маси за допомогою мішалки. Отже, кількість додаткової теплоти, переданої до
зброджуваної маси в одиницю часу складає:

∆Qτ = (α2пер −α2 ) ⋅ (tпов − tx )Fзм. (2.100)

Процес нагрівання зброджуваної маси після змішування зі свіжою порцією
біомаси до температури зброджування розглядається як нестаціонарний процес
конвективного теплообміну між гріючим елементом і масою сировини [11,12].
61

Введемо допущення, що зброджувана маса у МТ нагрівається при повному
перемішуванні, а гріючий теплоносій наприкінці деякої ділянки f поверхні понизить
свою температуру від tв1 до tв2.
Для елемента поверхні df можна написати наступне рівняння теплопередачі:

dQ = −W1 ⋅dtв 2 = Кзм (tв 2 − tзм )df , (2.101)
звідки:

dtв 2 
 Кзм = −
(t − t  df , (2.102)
в 2 зм )  W1 

де W1 – водяний еквівалент гріючого теплоносія Дж/(с·К).
Інтегруючи рівняння (2.102) у межах від tв1 до tв2 і від 0 до f, знаходимо:

(tв 2 − tзм ) 
ln К
= − зм 
    f . (2.103)
(tв 2 − tзм )  W1 

Середнє значення tв − tзм для будь-якого моменту часу по всій поверхні
теплообміну F визначається за формулою:

1    
F 1 F  К
− зм  f W  К
− зм
 W  1    f 
(t  1   W1  
в 2 − tзм )ср = ∫ (tв 2 − tзм ) ⋅df = (t − t ) ⋅e =(t − t ) ⋅ ⋅ 1− e (2.104)
F 0 F ∫ в1 зм в1 зм
0 К  
зм f  

Кількість теплоти, що передається через всю поверхню теплообміну F за час dτ,
складає:

 
 К
− зм 
  f 
dQ =W2dt = КзмF (tв 2 − tзм )ср ⋅dτ =W1(tв1 − tзм ) ⋅ 1− e  W1  
 ⋅dτ , (2.105)
 

Звідки:
62

τ tx
∫dτ
W2 dt
= ⋅ (2.106)
 
 Кзм  ∫
0 −  f  t t − t
W ⋅ 
зм
1 1− e  W1   в1 зм

 

Отже, тривалість нагрівання зброджуваної маси в МТ від температури після
змішування до температури зброджування визначаємо за формулою:

 
 
 W2  
τ ln tв1 − t 
=    К  
х
 , с (2.107)
 −
зм
  f t − t
W ⋅ 1− e  W1    в1 зм 
 1  
  

Визначення часу нагрівання зброджуваної маси після завантаження свіжої
порції біомаси до температури зброджування дозволить визначити необхідний час
роботи мішалки для складання температурного режиму роботи МТ.
Висновки до другого розділу

1. У результаті аналітичного огляду складений тепловий баланс потоків
теплоти в метантанке, згідно з яким теплота, що підводиться до субстрату
витрачається на компенсацію тепловтрат та нагрівання свіжої біомаси.
2. Запропонована математична модель тепломасообміну в метантенке, що
враховує наявність відкладань зброджуваної маси на зовнішній поверхні гріючого
змійовика та вплив барботажного газу, що виділяється при цьому.
3. На основі математичної моделі тепломасообміну в метантенке пропонується
виконати чисельні дослідження впливу температури навколишнього середовища та
товщини відкладань в змійовику на інтенсивність теплообміну в установці.
4. Вірогідність розробленої математичної моделі процесів тепломасообміну в
МТ повинна бути підтверджена експериментальними дослідженнями.

63

РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ
ТЕПЛООБМІНУ В МЕТАНТЕНКУ

МКР 24.144.95 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Литвин Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ
Реценз. ТЕПЛООБМІНУ В МЕТАНТЕНКУ
Н. Контр. ЧДТУ, мТЕ-35
Затверд. Калейніков

64

3.1. Фізичне моделювання об'єкта дослідження

З метою підтвердження адекватності проведеного математичного моделювання
процесів теплообміну в МТ, проведені експериментальні дослідження.
Визначені основні завдання даних досліджень:
1. Експериментальні дослідження необхідної температури теплоносія в
змійовику залежно від коливань температури зовнішнього повітря й товщини
відкладань на змійовику.
2. Отримання регресійної математичної моделі, що дозволяє визначити
температуру теплоносія залежно від температури навколишнього середовища й
товщини відкладань на змійовику.
Об'єктом дослідження становлять теплові процеси в метантенку, виникає
необхідність доведення адекватності розроблених у другому розділі матмоделей.
Для цього була розроблена експериментальна установка МТ (рис. 3.1).
Згідно з першою теоремою подібності [13], два явища вважаються фізично
подібними, якщо характеристики одного явища можна отримати з характеристик
іншого простим множенням на коефіцієнти, що залежать від розмірностей. Тобто
при фізичній подібності природа процесу в явищах зберігається. Це дозволяє
зробити висновок, що для перевірки адекватності розробленої матмоделі процесів
тепломасообміну експериментальні дослідження необхідно провести на установці,
яка зберігає фізичну та геометричну подібність з об'єктом моделювання [14-16].
Наведемо відношення габаритних розмірів у такий спосіб:

D D
H Н
= H = H ЗМ = m = const, (3.1)
DЕ НЕ DЕ ЗМ

де DН і DЕ – внутрішні діаметри натурної й експериментальної установки, м;
DН ЗМ і DЕ ЗМ – діаметри витків змійовика натурної й експериментальної установки, м;
HН і HЕ – загальна висота метантенка натурної та експериментальної установки, м;
m - масштаб, відношення лінійних розмірів натурної установки до лінійних розмірів
65

експериментальної установки.

Рис. 3.1. Експериментальна установка МТ.

Підставимо значення габаритних розмірів МТ у (3.1) та отримаємо:
− внутрішні діаметри метантенку:
m DH 4,885
= = =17,14;
DЕ 0,285
− загальна висота метантенку,
m НH 5,880
= = =17,04,
НЕ 0,345
− діаметри витків змійовика:
D
m H ЗМ 1,390
= = =17,37.
DЕ ЗМ 80

Оскільки значення лінійного масштабу є практично однаковими для всіх
характерних розмірів МТ, згідно з першою теоремою подібності можна вважати
експериментальну установку геометрично подібною до натурної установки.
Ця експериментальна установка дозволяє вимірювати температуру
66

зброджуваної маси всередині метантенка та регулювати температуру гріючого
теплоносія, залежно від товщини відкладань на ЗМ, температури навколишнього
середовища. Дослідження проводилися з використанням відходів великої рогатої
худоби (ВРХ).
На рис. 3.2 наведено схему експериментальної установки.
а)

б)

Рис. 3.2. Схема експериментальної установки з електросхемою підключення
приладів: а) схема експериментальної установки; б) електросхема підключення
приладів: 1 – МТ; 2 – змійовик; 3 – лопатева мішалка; 4 – електродвигун мішалки;
5 – бак з гріючою водою; 6 – насос для подачі гріючого теплоносія;
7 – термометр; 8, 9 – електричні термометри; 10 – блок живлення.

67

Для забезпечення необхідного температурного режиму всередині МТ було
змонтовано ЗМ, по якому циркулював гріючий теплоносій. Всередині метантенку
знаходиться лопатева мішалка для рівномірного перемішування зброджуваної маси,
при цьому швидкість перемішування становила 2 м/с.
Об’єм метантенку складає 19 літрів, а гріючий змійовик виготовлений з
латунної труби з зовнішнім діаметром 3,5 мм. Площа поверхні нагрівання змійовика
становить 0,86 м². Коефіцієнт теплопровідності стінки метантенку дорівнює
0,1 кДж/м²·К. Планова вологість субстрату, що використовується, становить 90 %.
Для вимірювання температури гріючого теплоносія використовується
лабораторний ртутний термометр (ДСТУ 2823-2003), для вимірів температури ЗМ у
МТ – електронний термометр T-0,36DS. Для вимірювання температури
навколишнього повітря використовується також термометр T-0,36DS. Згідно з
технічним паспортом термометрів T-0,36DS похибка вимірювань становить ±0,1 ºС.
Два рази на добу включається електродвигун на валу з лопатевою мішалкою та
перемішується зброджувана маса.
При проведенні дослідів на експериментів на поверхні ЗМ спостерігається
утворення відкладань твердої фракції ОР. Утворення шару відкладань відбувається
навіть коли зброджувана маса не набирала потрібної температури. Тобто, в процесі
експлуатації на нагрівальному елементі буде утворюватися шар відкладань. Однак,
жодна фізична модель не може бути повністю пропорційна об'єкту моделювання.
На рис. 3.3 наведено фото відкладань на змійовику.

Рис. 3.3. Відкладання на зовнішній стінці змійовика.

68

За результатами вимірювань визначена середня товщина відкладань на
зовнішній стінці ЗМ твердої фракції субстрату, що становила близько 2 мм.

3.2. Хід проведення експерименту

На МТ 1 завантажувалася зброджувана маса, яка розбавлялася водою до
вологості 90%. У баку 5 знаходилася гаряча вода, температура якої контролювалася
термометром 7. За допомогою вимикача 11 вмикався насос 6, що подавав гарячу
воду в ЗМ. Вода, проходячи через ЗМ, поверталася через шланги назад у бак 5, де
підтримувалася постійна температура. Коли температура зброджуваної маси у МТ
досягала 40 °С, температуру теплоносія фіксували на постійному рівні та
записували в журнал. Досліди проводилися за умов різних температур
навколишнього повітря: -25, -20, -15, -10, -5, 0, 5, та 10 °С. При кожній температурі
вимірювалася товщина відкладень на поверхні ЗМ від 0 до 2 мм з кроком 0,5 мм,
використовуючи товщиномір. Щоб уникнути похибки, проводили три паралельні
досліди за однакових умов [17-18].
Було проведено повний двофакторний експеримент. У табл. 3.1 наведені
результати експерименту, а також середні значення кожної групи з трьох дослідів.
Це дозволило визначити фактичну температуру теплоносія залежно від двох
факторів.
За підсумками експерименту побудовано графіки, що відображають вплив
температури навколишнього повітря та товщини відкладень на фактичну
температуру теплоносія (рис. 3.4).
Відповідно до цієї залежності, чим нижча температура навколишнього повітря і
більша товщина відкладень ОР, тим вищою повинна бути температура теплоносія
на вході в ЗМ. Через значний термічний опір, який створює шар відкладень,
температура на його поверхні не перевищує 50 ºС.

69

Таблиця 3.1
Результати проведення експерименту
Х2 Х1
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
0 42,9 43,4 43,5 43,7 43,2 43,0 42,5 43,0 42,4 42,6 42,0 42,3 41,8 42,0 41,0 41,6
42,9 42,7 42,4 42,9 42,6 42,4 42,1 41,8
44,5 44,8 43,5 43,5 43,5 42,7 42,3 42,0
0,5 47,6 49,0 48,5 48,6 47,1 47,8 46,3 47,0 45,5 46,3 44,9 45,6 44,3 45,1 43,5 44,2
49,2 47,3 47,8 47,1 46,4 45,7 45,0 44,3
50,3 50,0 48,4 47,8 47,0 46,3 46,1 44,8
1 52,3 54,2 52,4 53,4 50,8 52,2 50,0 51,2 49,0 50,1 47,8 48,9 46,7 47,8 45,5 46,7
54,6 53,5 52,4 51,2 50,1 49,0 47,9 46,8
55,7 54,3 53,5 52,3 51,3 50,0 48,9 47,8
1,5 57,1 59,4 56,5 58,2 55,3 56,8 53,9 55,3 52,3 53,8 50,8 52,2 49,2 50,7 47,5 49,1
60,0 58,5 56,9 55,4 53,9 52,3 50,8 49,2
61,3 59,8 58,3 56,8 55,3 53,5 52,3 50,6
2,0 62,3 64,5 61,5 63,2 59,1 61,3 57,1 59,3 55,5 57,4 53,7 55,5 51,7 53,8 49,8 51,6
65,4 63,5 61,5 59,5 57,6 55,6 53,7 51,7
65,8 64,5 63,3 61,3 59,3 57,3 55,4 53,5

Рис. 3.4. Графік залежності температури гріючого теплоносія від температури
навколишнього повітря та товщини відкладань.

Метою регулювання температури гріючого теплоносія є забезпечення
стабільного температурного режиму всередині МТ. У процесі експерименту
проводили вимірювання температури зброджуваної маси. На рис. 3.5 представлені
результати залежності температури зброджуваної маси від товщини відкладань і
температури навколишнього повітря.
70

Рис. 3.5. Залежність температури зароджуваної маси від товщини відкладань і
температури навколишнього повітря.

Згідно рис. 3.5 температура зброджуваної маси при підвищенні середньої
температури гріючого теплоносія до 65 °С не перевищує 41,5 °С. Це пов'язано з
тим, що товщина відкладань на гріючому ЗМ перешкоджає нагріванню
зброджуваної маси.
Зміна температури зброджуваної маси на 1-2 °С, у свою чергу, не впливає на
життєдіяльність метаногенних бактерій і, відповідно, не знижує об’єм отримуваного
біогазу протягом усього циклу зброджування.

3.3. Планування та обробка результатів досліджень

Складений факторний простір (рис. 3.6) проведеного повного двофакторного
експерименту першого порядку з рівностоячими рівнями.
Фактор х1 – температура зовнішнього повітря, на 8 рівнях -25,-20, -15, -10, -5, 0,
5, і 10 оС. Фактор х2 – товщина відкладань, змінюється у п'ятьох рівнях, приймаючи
значення 0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,2 мм. У кожній вузловій точці факторного простору
було рандомно проведено по три досліди, по кожному з 2-х факторів.
71

Рис. 3.6. Факторний простір експерименту.

Виходячи з перерахованого вище план є ортогональним.
Перевіримо гіпотезу про відтворюваність дослідів за допомогою критерію
Кохрена, розрахункове значення якого визначимо за формулою:

max S 2
Gp =
j
N , (3.2)
∑S 2
j
j=1

де S 2
j - оцінка дисперсії для кожної j-ої точки факторного простору,
визначається за формулою:

m
S 2 1
j = ∑ (y
m −1 j − y j ,cр ),
j=1

де m – кількість паралельних дослідів; yj – значення вихідного параметра в j-ому
рядку; y j ,cр – середнє значення параметра в j-ому рядку.
Критичне значення критерію Gр визначалося для кожної серії дослідів з різною
товщиною відкладань. Визначаючи по табл. розподілу Кохрена при рівні значимості
72

α=0,05 отримаємо Gкр=0,516. Критичне значення критерію Gр для дослідів без
відкладань дорівнює Gр1=0,381, для дослідів з товщиною відкладань 0,5 мм
Gр2=0,270, для дослідів з товщиною обкладань 1 мм Gр3=0,243, для дослідів з
товщиною відкладань 1,5 мм Gр4=0,225, для дослідів з товщиною відкладань 2 мм
Gр5=0,156. Оскільки для кожної серії дослідів Gр<Gкр, то досліди можна вважати
відтвореними. Немає необхідності проводити експеримент повторно.
Експериментально-статистична математична модель, отримана на основі
експериментів, записується у вигляді полінома другому ступеня [19-23]:

yp = a0 + a1 ⋅ X1 + a2 ⋅ X 2 + a12 ⋅ X1 ⋅ X 2 + a11 ⋅ X 2 + a ⋅ X 2
1 22 2 , (3.2)

де а0 – значення y у центрі плану; а1 і а2 – коефіцієнти, що характеризують
ступінь впливу факторів x1 і x2 на функцію y; а12 – коефіцієнт, що характеризує
вагомість цього впливу взаємодії І-го й ІІ-го факторів на y; а11 – характеризує
вагомість впливу Х 2
1 ; а22 - характеризує вагомість впливу Х 2
2 .
Побудова статистичної моделі зводиться до визначення значень невідомих
коефіцієнтів за результатами експерименту а0, а1, а2, а12, а11, а22. Для регресійного
аналізу складемо таблицю експериментальних даних з перетвореними
координатами вузлових точок (табл. 3.2).
У табл. 3.2 наведено наступні позначення: U – кількість вузлових точок
експерименту, U=1, 2, 3…N; де N – кількість вузлових точок, а також число дослідів;
Х0U – фіктивна змінна, рівна 1.
Змінні Х3U, Х4U, Х5U визначаються за формулою:

Х3U= Х1·Х2; (3.3)
Х4U= X 2
1 ; (3.4)
Х = X 2
5U 1 . (3.5)

73

Таблиця 3.2 – Вихідні дані з перетвореними координатами вузлових точок

Для знаходження невідомих а0, а1, а2, а12, а11, а22 потрібно визначити частки
похідні суми квадратів:
74

Частинна похідна а0 для першого рядка буде виглядати:

2a0x01x01 + 2a1x01x11 + 2a2x01x21 + 2a12x01x31 + 2a11x01x41 + 2a22x01x51 − 2x01Y1.

Для всіх інших рядків табл. 3.2 частинна похідна а0 буде виглядати аналогічно.
Після цього провели підсумовування по всім рядкам, потім виконали аналогічні дії
по іншим похідним і отримали систему нормальних рівнянь.
Для спрощення запису системи нормальних рівнянь введемо позначення:

N N
∑ xij x ju = ij, ∑ xiu yu = iy,
U U

де i і j - лічильники кількості членів регресії, i=0, 1, 2…5; j=0, 1, 2…5.
Коефіцієнти рівняння (3.2) знаходимо методом найменших квадратів. Для
чого запишемо систему нормальних рівнянь у матричній формі (ij)=(jy).
Тоді матриці ij та jy приймають наступний вигляд:

У цьому випадку неважко переконатися, що:

75

Систему (3.5) можна розв'язати за допомогою зворотної матриці (Сij)

Тоді невідомі коефіцієнти регресії можна розрахувати за формулою:

m
аі = ∑Cij (ij). (3.7)
j=0

Отримаємо регресійну модель:

умод = 44,65− 0,14Х1 +134,59Х 2 −3,16Х Х 2
1 2 − 0,004Х1 −11,57Х 2
2 . (3.8)

Проведемо дисперсний аналіз побудованої регресійної моделі. Для чого
попередньо розрахуємо дисперсії відтворюваності й адекватності по формулам:

N N
∑ ∑ (y − y)
S 2 i
1 1
відт = ,
N (n −1) (3.9)
76

N
∑ (y − y )2
S 2 мод
1
ад = , (3.10)
f

де y - середнє арифметичне значення параметра оптимізації із трьох
повторних дослідів (значення наведені в табл. 3.1); f - число ступенів вільності,
визначається за формулою:

f=N-(K+1), (3.11)

K - число членів регресії. У цьому випадку S 2
відт =15,33, S 2
ад =1,27.
Перевіримо адекватність отриманого рівняння регресії (3.8)
експериментальним даним за допомогою критерію Фішера:

F = S 2 / S 2
розр ад відт = 0,0831. (3.12)

Для перевірки гіпотези про адекватність моделі порівняємо отримане значення
Fрозр із табличним значенням при 5% рівні значимості [24-27].
Fтабл=F(0,05;5;34)=2,4932.
Оскільки розраховане значення критерію Фішера не перевищує табличне
Fрозр<Fтабл, то з відповідної довірчою ймовірністю модель (3.8) можна вважати
адекватною. При порівнянні значень по рівнянню (3.8) з експериментальними
даними, можна зробити висновок, що значення температури гріючого теплоносія
отримані по рівнянню (3.8) є недостатньо точними. Тому слід повторити
експерименти при переносі центру плану в іншу точку факторного простору [19,
21]. Для цього скористаємося формулою:

* xі ,н − 0,5(xі ,max + x
x = і ,min )
i , (3.13)
0,5∆хі

де x*
i - нова координата; xі ,н - стара координата х1 і х2; хi,max, xi,min –
77

максимальний і мінімальний рівні факторів хi.
Знайдені нові змінні за формулою:

* xі ,н − 0,5(10+ (−25)) xі ,н + 7,5 * x2,н − 0,5(2+ 0) x −1
x1 = = ; x2 = = 2,н . (3.14)
0,5 ⋅ (10− (−25)) 17,5 0,5 ⋅ (2− 0) 1

Згідно (3.2) перерахуємо значення рівнів у нових змінних:

x*
1 = −1; 5
− ; 3
− ; 1 ; 1 ; 3 ; 5
− ;+1; x*
2 = −1;−0,5;0;0,5;1.
7 7 7 7 7 7

Тоді вихідні дані з перетвореними координатами вузлових точок після
переносу центру плану наведено в табл. 3.3.
Значення змінних Х3U, Х4U, Х5U визначаються за формулами (3.2-3.4)
Нормальна матриця ij та матриця iy у такому випадку буде мати вигляд:

В ортогональній матриці (ij) усі коефіцієнти коваріації I(ai,aj)=0, значить
коефіцієнти регресії будемо визначати за формулою:

N
∑ хIU yU
а = 1
і N . (3.16)
∑ х2
IU
1

Скориставшись виразом (3.14), обчислимо коефіцієнти регресії:

а0=61,1, а1=-7,62, а2=15,55, а12=-5,42.

78

Таблиця 3.3
Вихідні дані з перетвореними координатами вузлових точок після переносу центру
плану

Підставивши знайдені значення коефіцієнтів аi в експериментально-
статистичну математичну модель отримаємо:
79

ур = 61,1− 7,62х'1+15,55х'2−5,42х'1 x'2. (3.17)

Перевіряємо адекватність отриманого рівняння регресії (3.17)
експериментальним даним за допомогою критерію Фішера [24-27]. Дисперсія
адекватності дорівнює S 2
ад = 0,0868. Експериментальне значення критерію Фішера
дорівнює Fексп=0,0056.
При рівні значимості Fтабл=F(0,05;3;36)=2,8666, α=0,05, Fексп<Fтабл, отже, отримана
статистична модель є адекватною. Для запису експериментально-статистичної
математичної моделі в реальних фізичних величинах зробимо перехід від
стандартизованого до натурального масштабу:

х
у = 61,1− 7,62 1,н + 7,5 х −1 х + 7,5 х −1
р +15,55 2,н −5,42 1,н ⋅ 2,н . (3.18)
17,5 1 17,5 1

Провівши у формулі (3.18) елементарні математичні перетворення, отримаємо:

ур = 44,62− 0,12х1 +13,18х2 − 0,31х1x2. (3.19)

Математична модель у реальних фізичних величинах:

ур = 44,62− 0,12tокр +13,18δ відх − 0,31tокрδ відх.

Для кожної серії дослідів з різною товщиною відкладань була зроблена гіпотеза
про нормальність розподілу даних.
Математичне очікування нормально розподіленої випадкової величини, а ми
можемо вважати, що в нашому випадку ми маємо справу з нормальним розподілом
відповідно центральної теореми, яка застосовна, оскільки об’єм вибірки великий
(n=40), довірчий інтервал обчислюється за формулою:
80

у − t σ a у t σ
y ≤ ≤ + y , (3.20)
n n

де у - вибіркове середнє значення; ty - квантиль розподілу Стьюдента рівня
значимості α=0,95 при рівні ступенів вільності f=n-1 приймається ty=4,30; а -
середнє значення генеральної сукупності; σ - середньоквадратичне відхилення; n -
число дослідів.
З метою перевірки адекватності аналітичної математичної моделі проведемо
порівняння даних отриманих по рівнянню (3.19) з даними, отриманими при
розрахунках по аналітичній математичній моделі й експериментальними даними.
Результати наведено на рис. 3.7-3.11.

Рис. 3.7. Порівняння розрахункових і дослідних значень температури гріючого
теплоносія без відкладань: – дослідні дані; – дані, отримані по
експериментально-статистичній математичній моделі; – дані, отримані по
аналітичній моделі.

81

Рис. 3.8. Порівняння розрахункових і дослідних значень температури гріючого
теплоносія при товщині відкладань 0,5 мм: – дослідні дані; – дані, отримані по
експериментально-статистичній математичній моделі; – дані, отримані по
аналітичній моделі.

Рис. 3.9. Порівняння розрахункових і дослідних значень температури гріючого
теплоносія при товщині відкладань 1,0 мм: – дослідні дані; – дані, отримані по
експериментально-статистичній математичній моделі; – дані, отримані по
аналітичній моделі.
82

Рис. 3.10. Порівняння розрахункових і дослідних значень температури гріючого
теплоносія при товщині відкладань 1,5 мм: – дослідні дані; – дані, отримані по
експериментально-статистичній математичній моделі; – дані, отримані по
аналітичній моделі.

Рис. 3.11. Порівняння розрахункових і дослідних значень температури гріючого
теплоносія при товщині відкладань 2,0 мм: – дослідні дані; – дані, отримані по
експериментально-статистичній математичній моделі; – дані, отримані по
аналітичній моделі.

Згідно рис. 3.7-3.11 значення температури гріючого теплоносія отримані по
83

аналітичній математичній моделі й по експериментально-статистичній
математичній моделі (3.19) попадають у довірчий інтервал та подібні зі значеннями,
отриманими дослідним шляхом.
За результатами проведених експериментальних досліджень і значенню числа
Фішера можна зробити наступний висновок, що отримана математична залежність
(3.19), після переносу центру плану, що описує вплив двох факторів на температуру
гріючого теплоносія є більш адекватної, ніж модель (3.8).
Згідно рис. 3.7-3.11 лінії температур гріючого теплоносія близькі, що говорить
про збіжність експериментальних та теоретичних значень, а різниця між
значеннями не перевищує 5,8%. Це говорить про адекватність аналітичної
математичної моделі, розробленої в другому розділі.

3.4. Економічне обґрунтування розробленої інтенсифікації регулювання
температури гріючого теплоносія

Для економічного обґрунтування запропонованої інтенсифікації теплообмінних
процесів у МТ за допомогою регулювання температури гріючого теплоносія та
забезпечення стабільної температури був проведений порівняльний розрахунок двох
варіантів. Згідно з літературними даними [11, 19, 28], температура води в ЗМ не
повинна перевищувати 60 ºС, щоб уникнути пригнічення життєдіяльності
метаногенних бактерій. Водночас температура води на виході не повинна бути
нижче температури зброджування.
Для першого варіанту розглядався режим роботи МТ без регулювання
температури теплоносія, де температура води на вході в ЗМ tвх=60 °С, а на виході
tвих=40 °С. У другому варіанті температура гріючого теплоносія визначалася згідно з
аналітичною моделлю, наведеною в другому розділі, яка враховує залежність від
температури зовнішнього повітря та товщини відкладань на ЗМ.
Для кожного варіанту було розраховано витрату біогазу, що використовується
для забезпечення потреб БГУ (зокрема, для нагрівання гріючого теплоносія)
шляхом його спалювання в теплогенераторі [29].
84

Розрахунки проводились для господарства, у якому є 100 голів ВРХ.
Вихідними даними для розрахунків є:
- тривалість зброджування: 15 діб;
- температура зброджування: tзб=40 ºС,
- вологість зброджуваної маси 90%;
- частота заміни зброджуваної маси - один раз на добу;
- габаритні розміри МТ: робочий внутрішній діаметр D=4,8 м; об’єм робочої
частини при tзб,Vр=117,9 м3; діаметр ЗМ dзм=3,5 м; діаметр мішалки dм=1,4 м,
загальна висота циліндричної частини Hцил=5,8 м; діаметри труби ЗМ dн=32 мм і
dв=28 мм.; площа поверхні ЗМ F=19 м2.
Розрахунки проводилися для середньомісячної температури повітря згідно
кліматичних даних [13].
Результати зведено в табл. 4.1-4.2.
Таблиця 4.1
Варіант 1. Температура теплоносія в змійовику не регулюється
Місяць Середньо- Температура Середня Добовий Місячний Теплова Кількість
місячна гріючого температура об’єм об’єм потужність біогазу, що
температура теплоносія на всередині МТ, біогазу, біогазу, нагрівання спалюється,
навк.повітря, вході в ЗМ, °С м3/доба м3/місяць ЗМ, Дж/с м3/місяць
°С °С
січень -5,2 60 35,9 241,18 7476,58 12949 2007,40
лютий -4,4 60 36,3 246,5 6902 12949 2007,40
березень 0,7 60 38,9 276,41 8568,71 12949 2007,40
квітень 9,4 60 43,3 279,59 8387,7 12949 2007,40
травень 15,4 60 46,3 223,36 6924,16 12949 2007,40
червень 19 60 48,1 151,8 4554 12949 2007,40
липень 21,2 60 49,2 82,3 2551,3 12949 2007,40
серпень 19,8 60 48,5 108,4 3360,4 12949 2007,40
вересень 14,9 60 46,1 220,25 6607,5 12949 2007,40
жовтень 8 60 42,6 285,39 8847,09 12949 2007,40
листопад 1,8 60 39,5 281,32 8439,6 12949 2007,40
грудень -2,9 60 37,1 256,83 7961,73 12949 2007,40
∑ 80580,77 24088,9

85

Таблиця 4.2
Варіант 2. Температура теплоносія в змійовику регулюється залежно від товщини
відкладань на змійовику та температури зовнішнього повітря
Місяць Середньо- Температура Середня Добовий Місячний Теплова Кількість біогазу,
місячна гріючого температура об’єм об’єм потужність що спалюється,
температура теплоносія на всередині МТ, біогазу, біогазу, нагрівання м3/місяць
зовн. вході в ЗМ, °С м3/доба м3/місяць ЗМ, Дж/с
повітря, °С °С
січень -5,2 65,8 41,37 288,88 8955,28 16734 2594,2
лютий -4,4 65,4 41,34 288,87 8088,36 16435 2547,8
березень 0,7 62,4 41,19 288,76 8951,56 14530 2252,5
квітень 9,4 57,4 40,93 288,34 8650,2 11295 1751,0
травень 15,4 54 40,75 287,87 8923,97 9071 1406,2
червень 19 52 40,64 287,53 8625,9 7740 1199,9
липень 21,2 50,7 40,57 287,28 8905,68 6927 1073,9
серпень 19,8 51,5 40,61 287,42 8910,02 7444 1154,0
вересень 14,9 54,3 40,76 287,9 8637 9256 1434,9
жовтень 8 58,2 40,97 288,42 8941,02 11814 1831,5
листопад 1,8 61,8 41,16 288,73 8661,9 14120 2188,9
грудень -2,9 64,5 41,3 288,85 8954,35 15874 2460,8
∑ 105205,2 21895,6

На рис. 4.1–4.2 показані графіки середньої температури всередині МТ та
середньої температури гріючого теплоносія в залежності від місяця року.

Рис. 4.1. Залежність середньої температури гріючого теплоносія від місяця року:
- з регулюванням температури теплоносія; - без регулювання температури
теплоносія.
86

Рис. 4.2. Залежність середньої температури всередині МТ від місяця року:
- з регулюванням температури теплоносія; - без регулювання температури
теплоносія.

Згідно з рис. 4.2, у варіанті 2 коливання температури в МТ протягом року
становить лише 1–2 °С, що сприяє стабільній життєдіяльності метаногенних
бактерій і забезпечує постійний вихід біогазу. У варіанті 1 середня температура в
МТ змінюється від 27 до 41 °С протягом року, що призводить до нестабільності
об’єму отриманого біогазу.
На рис. 4.3–4.4 представлені графіки середньодобового та середньомісячного
об’ємів біогазу в залежності від середньої температури в МТ протягом року.

Рис. 4.3. Залежність середньодобового об’єму біогазу від місяця року:
- з регулюванням температури теплоносія; - без регулювання температури
теплоносія.
87

Рис. 4.4. Залежність середньомісячного об’єму біогазу від місяця року:
- з регулюванням температури теплоносія; - без регулювання температури
теплоносія.

У варіанті з регулюванням температури гріючого теплоносія забезпечується
стабільний біогаз протягом всього річного циклу експлуатації.
На рис. 4.5 показано графік теплової потужності нагрівання в залежності від
місяця року. У І варіанті, коли температура гріючого теплоносія у ЗМ підтримується
постійною, теплова потужність нагрівання залишається незмінною і становить
12,9 кВт. У ІІ варіанті, завдяки регулюванню температури теплоносія,
спостерігається збільшення теплової потужності нагрівання в осінньо-весняний та
зимовий періоди року.

Рис. 4.5. Залежність теплової потужності нагрівання від місяця року:
- з регулюванням температури теплоносія; - без регулювання температури
теплоносія.
88

На рис. 4.6 наведена залежність середньомісячної витрати отриманого БГ на
нагрівання теплоносія.

Рис. 4.6. Залежність середньомісячної витрати отриманого біогазу на нагрівання
теплоносія від місяця року: - з регулюванням температури теплоносія;
- без регулювання температури теплоносія.

Для отримання теплоти на нагрівання зброджуваної маси в запропонованому
варіанті 21895,6 м³/рік отриманого біогазу спалюється в котлоагрегаті. Кількість БГ,
що спалюється для отримання теплоти, визначається за формулою:

V ' = Q 3
БГ нав /QН .БГηК , м / с,

де V 'БГ - витрата БГ, що спалюється в котлоагрегаті, м3/с; Qнав – необхідна
потужність нагрівання, Вт; QН .БГ –теплота згоряння біогазу, Дж/м3; ηК - ККД
котлоагрегату.
Для визначення економічного ефекту від запропонованої інтенсифікації
гріючого теплоносія визначена різниця між річним обсягом отриманого біогазу й
річною витратою біогазу на вироблення теплоти по двом варіантам.
Таким чином, товарний об’єм біогазу по кожному з варіантів складає:
- варіант без регулювання температури теплоносія
V Т
БГ1 =VБГ −V 'БГ1= 80580,77 − 24088,9 = 56491,9м3 / год;

89

- варіант із регулюванням температури теплоносія:

V Т
БГ 2 =VБГ −V 'БГ 2 =105205,2− 21895,6 = 83309,7м3 / год;

Різниця між товарними об’ємами біогазу по двом варіантам становить:

V Т Т
БГ =V БГ 2 −V Т
БГ1 = 83309,7 −56491,9 = 26817,7м3 / год.

Збільшення об’єму товарного біогазу по другому варіанту становить:

V Т
БГ 100% 26817,7
Т = 100% = 32,2%.
V БГ 2 83309,7

Економічний ефект другого варіанта із пропонованим регулюванням
температури теплоносія становить:

V =V Т Q
⋅ Н .БГ  = 83309,7 17,6
⋅ 
т. у.т БГ 2     = 50042,7т.у.т.
 29,3   29,3 

Можна зробити висновок, що запропонований метод інтенсифікації
температури гріючого теплоносія збільшує об’єм біогазу на 32,2 % у рік і становить
83309,7 м3/рік.
Отриманий БГ акумулюється в газгольдері для вирівнювання коливань об’єму
виходу біогазу. Запропонована методика регулювання температури гріючого
теплоносія дозволяє добитися стабільності утворення біогазу ще на стадії
проектування біогазової установки й визначити необхідний об’єм газгольдеру.

90

Висновки до третього розділу

1. Проведені експериментальні дослідження температури гріючого теплоносія
в залежності від температури навколишнього середовища, товщини відкладань на
змійовику дозволили розробити статистичні (регресійні) моделі з врахуванням цих
двох факторів.
2. Значення, отримані за експериментально-статистичною моделлю після
переносу центру в іншу точку факторного простору, не виходячи за межі інтервалу.
Тому для визначення температури гріючого теплоносія після перенесення плану
була обрана експериментально-статистична модель.
3. Проведені експериментальні дослідження показали, що підвищення
температури гріючого теплоносія вище 60 °С за наявності відкладань не призводить
до зменшення життєдіяльності метаногенних бактерій, оскільки температура
зброджуваної маси не перевищує 42 °С.
4. Порівняння значень, отриманих за формулами аналітичної математичної
моделі основних процесів тепломасообміну, що відбуваються в біогазовій
установці, зі значеннями по статистичній моделі мають високу збіжність, тому
можна вважати розроблену аналітичну математичну модель адекватною.
5. На основі аналітичної моделі основних процесів тепломасообміну, що
відбуваються в біогазовій установці, розроблена методика, що дозволяє визначати
конструктивні, технологічні та теплотехнічні параметри запропонованого МТ з
інтенсифікацією теплообміну.
6. Розроблені методики розрахунків дійсної температури гріючого теплоносія
в циклі зброджування залежно від товщини відкладань та температури
навколишнього середовища на гріючому змійовику дозволяють регулювати подачу
теплоти для біогазових установок різних конструктивних виконань МТ.
7. Використання методу регулювання температури гріючого теплоносія
забезпечує постійну підтримку температури всередині МТ протягом року, що
призводить до рівномірного газовиділення. Сталий об'єм отриманого БГ дозволяє
оптимально підібрати об'єм газгольдеру.
91

8. Встановлено, що при застосуванні методу регулювання температури
гріючого теплоносія вихід біогазу для цього фермерського господарства
збільшується на 32,2 %.
9. Проведений розрахунок екологічної ефективності застосування анаеробної
технології переробки біомаси з метою отримання біогазу доводить, що застосування
такої технології приводить до зниження викидів СH4 та N2O в атмосферу, тим самим
зменшуючи парниковий ефект.

92

РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА
БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ

МКР 24.144.95 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Литвин Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Цикановський РОЗДІЛ 4.
Охорона праці та безпека
Н. Контр. в надзвичайних ситуаціях
ЧДТУ, мТЕ-35
Затверд. Калейніков
93

4.1. Вплив біогазу

Безпека поводження з біогазом - це найважливіший аспект, який слід
враховувати при очищенні очисних споруд. Йдеться як про життя тих, хто
експлуатує біогазову систему, так і про життя людей навколо установки з
виробництва та використання біогазу. В цьому розділі представлені ризики,
пов'язані з функціонуванням однієї з цих систем, а також заходи, що застосовуються
для зменшення ймовірності аварій.
Перше, на що потрібно звернути увагу це компоненти біогазу. Адже при витоку
газу, велика концентрація газу може призвести до вибуху, смерті персоналу через
отруєння або витіснення кисню. Основні компоненти біогазу та їх потенційний
вплив наведено в табл. 4.1.
Таблиця 4.1
Небезпечні компоненти біогазу та їх вплив [19]
Особливості Щільність Реактивність Шкода здоров'я Концентрація
СН4 Без запаху Більш легкий Легкозаймистий Витісняє повітря,
чим повітря (вибухонебезпечний Можливий вибух
(густина між 5-15% об. в
0,72 кг/нм3) повітрі)
СО2 Прогірклий Важчий за Можливе 6-10% викликають 5000 ppm =
запах повітря накопичення в проблеми з диханням 0.5% vol.
свердловинах або та підвищенням
порожнинах артеріального
тиску, збудження,
серцебиття,
головний біль
H2S 100-250 ppm Важчий за Легкозаймистий Ефекти впливу: 10 ppm
Запах гнилих повітря (вибухонебезпечний <100 ppm - життя
яєць > 250ppm між 4,3-4,5% об. в загрожує через
без запаху повітрі) кілька годин
> 100 ppm: життя
загрожує менш ніж
за 1 год~ 500 ppm:
життя загрожує
менш ніж за 30 хв
NH3 Різкий запах, Більш легкий Легкозаймистий їдкий для вологої 50 ppm
викликає чим повітря (вибухова речовина шкіри та слизових
печіння очей при 15-30 об.% у оболонок.
повітрі). При Смертельний до
контакті з парою він 0,5% (500 ppm) через
утворює туман, 30-60 хвилин
важчий за повітря
94

Зважаючи на склад біогазу та його властивості, можна виділити 3 основні
ризики при роботі на БГУ:
- асфіксія шляхом витіснення повітря в обмежених просторах або присутністю
газових компонентів із задушливою дією;
- ризики для здоров'я від деяких компонентів газу, такі як отруєння під
впливом біогазу з високою концентрацією H2S;
- вибух внаслідок утворення вибухонебезпечних газоподібних сумішей.
Якщо ми враховуємо ці ризики, обладнання та процеси в біогазовій лінії
повинні бути спроектовані, побудовані, експлуатовані та контролюватися
відповідно до технічних вимог безпеки.
Одним із сценаріїв аварії на БГУ це вибух і для нього потрбне виконання таких
умов:
- наявність вибухонебезпечної горючої/повітряної суміші.
- наявність джерела займання достатньої енергії.
Якщо є джерело займання, небезпека вибуху виникає, якщо:
- достатня кількість біогазу з установок, що працюють із надлишковим тиском,
проникає в обмежені простір.
- достатня кількість повітря проникає в агрегати, що працюють з невеликим
вакуумом, утворюючи вибухонебезпечні суміші; які за звичайних умов геометрично
закриті
- вибухові газоподібні суміші всмоктуються (наприклад, на звалищах
надмірним всмоктуванням мулу).
Незважаючи на вміст метану, легкозаймистого газу, біогаз сам по собі не має
вибухових властивостей. Для утворення вибухонебезпечної суміші метан і повітря
повинні поєднуватися в певному діапазоні концентрацій. Крайністю цього інтервалу
є нижня і верхня межі вибуховості, а сам інтервал називається вибуховим
інтервалом; неможливо, щоб вибухи відбувалися поза межами вибухонебезпеки.
Щоб розпочати процес горіння, повітря слід впорскувати контрольовано вище
верхньої межі вибуховості. Нижче нижньої межі вона не є ні займистою, ні
вибухонебезпечною.
95

Наявність сірководню (H2S) та окису вуглецю (СО) може збільшити діапазон
вибухонебезпеки. Вуглекислий газ, азот (N2) та водяна пара впливають на
навколишнє середовище інертним, що нейтралізує вибуховість. Оскільки водяна
пара конденсується і видаляється охолодженням, лише СО2 і N2 обробляються як
інертні гази для визначення границь вибуховості.
Наслідки вибуху руйнівні з точки зору матеріальних та грошових втрат, але
перш за все людських життів. Враховуючи велике значення захисту від вибуху та
пожежі, а також великі витрати, пов'язані з аварією, ці аспекти необхідно
враховувати на етапі проекту. Для попередньої підготовки проекту протипожежного
та вибухового захисту слід найняти кваліфікованих фахівців.
Очевидно, що очисні споруди зі спорудами для переробки біогазу включають
ризикову діяльність, тому необхідно переглянути зазначені процедури.
Так само перед запуском системи повинні бути передбачені відповідні заходи
захисту, продиктовані кваліфікованими експертами для районів, де існує
ймовірність атмосфери з ризиком вибуху.
Як правило, необхідно максимально уникати виникнення вибухонебезпечної
атмосфери за допомогою таких захисних заходів, як вентиляція та герметизація
обладнання. У випадках, коли неможливо повністю уникнути можливості такого
типу атмосфери, навколишнє середовище повинно бути виміряне та достатньо
обмежене (наприклад, вихід газу з запобіжних пристроїв). У цих районах повинні
бути вжиті заходи щодо гасіння джерел вогню. Блискавка є важливим джерелом
займання, тому система блискавковідводу повинна бути встановлена для захисту від
атмосферних розрядів. Тип системи захисту залежить від ступеня захисту,
необхідного від блискавки, як це визначається місцевими умовами. Класифікація в
певному класі захисту та рейтинг встановленої блискавкозахисної системи повинні
бути перевірені та перевірені фахівцем.
Під час ремонту, що проводиться на заводі, необхідно вжити додаткових
заходів безпеки, які повинні визначатися в кожному випадку дозволом в зоні
ризику.
Результати оцінки ризику слід відображати на плані для потенційно
96

вибухонебезпечних районів. Обидва документи, як оцінка, так і план, повинні бути
доступними перед введенням обладнання в експлуатацію.
В залежності від ймовірності вибуху різні частини установки розділені на так
звані «вибухонебезпечні зони». Зони з ризиком вибуху повинні бути класифіковані
відповідно до ймовірності присутності вибухонебезпечних атмосфер та їх
тривалості, як зазначено нижче:
- зона 0. Вибухонебезпечна атмосфера утворюється постійно, особливо при
порушенні робочих режимів
- зона 1. При нормальній експлуатації іноді може утворитись
вибухонебезпечна атмосфера.
- зона 2. В звичайному режимі неможливе вибухонебезпечне середовище газів.
З цих класифікацій зазначається, що зони 0, в якій небезпечна та
вибухонебезпечна атмосфера виникає постійно або протягом тривалого періоду,
слід завжди уникати. Наприклад, зона 0 може бути внутрішньою частиною датчика
або газометра, включаючи весь трубопровід біогазу з його компонентами. Зона 1
відповідає місцю, де при нормальній роботі присутній газ, який визначається в
радіусі 3 метрів навколо точки випромінювання: пристрій для скидання газу, злив
або клапан. Зона 2 спостерігається з меншою частотою зустрічальності, або вона
також поширюється на 3 метри поза зоною 1, за винятком певних особливих умов
[19]. Вибухонебезпечні зони (1 і 2) обов'язково документуються на плані
вибухонебезпечних зон. План подається в відповідальні органи разом з планом
будівництва для видачи дозволу на будівництво. На рис 4.1 наведені зони ризику на
прикладі газгольдеру.

Рис. 4.1. Запропоновані зони ризику для газгольдера.
97

Також існує збірник «Правила техніки безпеки для біогазових установок» який
розроблений спеціально для обладнання з виробництва біогазу. Всі біогазові
установки підлягають цим нормам техніки безпеки і повинні виконувати закладені в
них вимоги які наведені в табл. 4.2.
Таблиця 4.2
Документи, що регулюють експлуатацію біогазових установок
Регульовані питання Закони, розпорядження
Безпека під час будівництва Закон про безпеку при роботі з електрообладнанням і
і експлуатації на виробництві; Норми з безпеки при роботі 3
вибуховими речовинами BGR 104, BGR 132;
Безпека експлуатації підприємства; Європейські
нормативи 94/9/ЄС; Норми щодо запобігання
нещасних випадків і профспілкові вимоги.
Безпека при роботі з Закон про безпеку при роботі з технікою і на
технікою на виробництві. виробництві, Європейські норми.
Норми для роботи з технікою і на виробництві:
мінімальні вимоги GPSGV 1 норми при роботі з
низькою напругою GPSGV 9;
Норми щодо поводження з технікою. GPSGV 11 і 14.
Техніка безпеки працівників Закон про захист праці. Норми про безпеку роботи
на робочому місці. підприємства.
Норми про роботу з біоречовинами. Норми щодо
запобігання нещасних випадків на робочому місці.
Норми по техніці безпеки і збереженню здоров'я.

Правила та виконання заходів проти вибуху повинні застосовуватися
відповідно до того, що вказано в дослідженні аналізу ризику, такому як HAZOP
(Аналіз небезпеки та працездатності). Згідно з цим дослідженням, заходи захисту
класифікуються як [20]:
- первинні заходи противибухового захисту;
- вторинні заходи противибухового захисту;
- конструктивний противибуховий захист.
Первинні заходи противибухового захисту призначені для запобігання або
обмеження утворення небезпечної атмосфери з потенційним вибухом. З точки зору
безпеки, ці заходи повинні мати пріоритет.
Вторинні заходи спрямовані на уникнення займання потенційно
98

вибухонебезпечної атмосфери. Перш ніж вводити їх в експлуатацію, необхідно
визначити зони з ризиком вибуху. Залежно від призначення, вторинні заходи
можуть застосовуватися для захисту як внутрішньої, так і зовнішньої
(навколишнього середовища) обладнання або установок, що містять газ.
Конструктивний захист від вибуху включає заходи, що обмежують наслідки
вибуху до нешкідливих рівнів. Завдання цих конструктивних заходів полягає у тому,
щоб у разі вибуху всередині біогазової установки уникнути небезпечних наслідків
для навколишнього середовища. Цього можна досягти, побудувавши деякі елементи
установки з певною стійкістю до вибухів та використовуючи вогнегасники для
захисту частин установки, які не стійкі до вибухів. Бажано підготувати проект
безпеки, щоб передбачити заходи захисту.
Вибух вибухонебезпечної газової суміші відбувається лише тоді, коли
подається певна енергія займання, яка, по суті, залежить від складу зазначеної
суміші. Самозаймання також залежить від складу суміші. Мінімальна температура
для самозаймання суміші метану та повітря складає орієнтовано 595 °С.
Джерела займання включають наступне:
- нагріті поверхні (Т>500 °С.);
- відкрите полум’я;
- іскри механічного походження;
- іскри електричного походження;
- блискавки;
- І т.д.

4.2. Основні правила експлуатації біогазових установок

До цих правил додаються вимоги з охорони праці, оскільки на біогазових
установках працює окремий персонал.
Роботодавець зобов'язаний надати документ з вибухонебезпечними зонами, по
якому можна було б визначити:
1. наскільки велика небезпека освіти вибухонебезпечних сумішей на
99

виробництві і місце їх можливого виникнення;
2. заходи вживаються для мінімізації цієї небезпеки.
Робота з біогазовою установкою вимагає суворого дотримання спеціальних
правил, що визначається двома основними положеннями.
Працівники повинні дотримуватися таких правил.
1. Кожен робітник працює на постійному місці, виконуючи завдання
індивідуально.
2. На робочому місці не повинно бути сторонніх предметів.
3. Робітник повинен працювати тільки в чистих халатах, волосся повинне
бути підібрані, не падати на плечі.
4. При роботі з культурами мікроорганізмів необхідно дотримуватися всіх
правил мікробіологічної техніки.
5. Всі предмети, використані при роботі з живими культурами, повинні бути
знезаражені або обпаленням в полум'я пальника (петлі, голки), або занурені в
дезінфікуючий розчин (предметні і покривні скла, піпетки, шпателі).
6. Всі засіяні пробірки, чашки збожеволіють в термостат. Відпрацьований
матеріал (пробірки, чашки Петрі) також міститься в певні ємності для їх подальшого
знезараження.
7. У лабораторії забороняється куріння, прийом їжі, зайве ходіння по
лабораторії.
Запірна арматура і газопроводи повинні проходити перевірку на непроникність.
Вони повинні бути корозійностійкими до робочого середовища, на практиці
зазвичай виготовляються з нержавіючої або оцинкованої стали, полівінілхлориду та
поліетилену (витримує високий тиск). Кольорові метали не застосовуються,
зважаючи на їх нестійкості до вприву біогазу.
Трубопроводи зі штучних матеріалів дозволяється застосовувати і в якості
сполучних ліній ферментатора і газгольдера. Трубопроводи і арматура призначені
для рівня номінального тиску PN 6 і повинні перебувати в тепловій зоні.
Запірна арматура повинна бути забезпечена безпечним доступом. Вентилі для
газозабора повинні мати запобіжники від несанкціонованого відкривання.
100

Шибери в насосних шахтах повинні бути виконані, так щоб їх можна було
обслужити без заходження в шахту.
Сепаратори для конденсату і запобіжні пристрої повинні знаходиться
доступному місці. Доступ до працюючих під тиском пристроїв, повинен бути
простим для обслуговування, а також ці прилади зобов'язані мати захист від
промерзання і витікання робочої рідини.
Газгольдери і газові резервуари повинні забезпечуватися обмежувачами
граничного тиску газу. Гідрозапори повинні бути захищені від промерзання і
витікання. Зливний трубопровід запобіжника граничного тиску повинен виходити в
навколишнє середовище. Територія, на відстані 1 м навколо горловин є захисною
зоною 1.
Установка газових котлів повинна відповідати технічним правилам по
установці газового обладнання. Приміщення для генераторів повинні мати площі,
що дозволяють мати вільний доступ до генетору з 3 сторін.
Двері повинні відкриватися у напрямку виходу з приміщення. Донні сливи
повинні бути оснащені сепараторами масла.
Приміщення, в яких установлюються обладнання і генератори повинні мати
перехресну вентиляцію з припливом.
Вимикачі генератора і газозапірна вентиляція повинні знаходиться поза
технічного приміщення, щоб була можливість відключити агрегат в будь-який час.
Вогнегасник на 12 кг порошку і захисний ковпак для пожеж категорій А, В і С
згідно DIN EN 319 повинен знаходиться в добре видному місці у приміщенні біля
генератора.
Перед запуском біогазова установка проходить експертний висновок. Орган,
який видає дозвіл перед запуском біогазової установки повинен отримати свідоцтво
про перевірку на непроникність газгольдера з вказівками міцності на розрив, щодо
метану і стійкості використаного матеріалу плівки до температури, необхідно
надати зразок матеріалу плівки.
Також обов'язковим є наявність протоколу про прийняття з боку експерта в
газовій галузі, яке б свідчило що газова установка, включаючи всі газопроводи
101

відповідає всім загальноприйнятим правилам техніки безпеки, а також вимагає
підтвердження цього з боку фахівця з електротехніки про те, що електричне
обладнання відповідає вимогам безпечної експлуатації.
Дотримання всіх правил безпеки дозволить зменшити небезпеку при роботі з
газовим обладнанням та мінімізує можливість отримання травм на виробництві.

4.3. Визначення вмісту газів

Газоаналізатор testo-350 - 6-ти компонентний (О2, СО, NO, SO2, NO2, CxHy або
H2S) промисловий газоаналізатор для професійного аналізу димових газів.
Газоаналізатор testo-350 вирізняє універсальність застосування (як портативного так
і квазі-стаціонарного газоаналізатора), можливість програмування на конкретну
вимірювальну задачу, особливості якої вже забезпечені попередніми настройками та
закладені в пам'ять приладу, широкий вибір опцій та додаткових функцій,
універсальні сенсори, зонди та принтери, спільні з іншими серійними
газоаналізаторами (testo 330-LL, testo 340), максимальна точність і надійність,
простота в користуванні - все це практично міняє звичне уявлення про промисловий
газоаналізатор.
Газоаналізатор testo-350 з використанням новітніх інженерних рішень та
технологій, з урахуванням багаторічного досвіду декількох поколінь
аналізаторів димових газів дійсно став гідною заміною своїх попередників testo
350-M, S, XL.
Основні сфери застосування та питомі переваги:
− аналіз димових газів при виконанні пуско-налагоджувальних робіт,
налаштуванні, оптимізації режимів горіння або перевірці функціональності
промислових пальників, котлоагрегатів, стаціонарних промислових двигунів,
газових та дизельних турбін, систем очистки димових газів;
− моніторинг та контроль відповідності нормативам гранично допустимих
викидів у відпрацьованих газах;
102

− перевірка функціонування стаціонарних приладів контролю промислових
викидів;
− вимірювання викидних концентрацій 10-ти газів: О2, СО, NO, NO2, SO2, CH,
H2S, СО2, у т.ч. 6-ти газів одночасно.
− високоточне вимірювання СО та NO при низьких концентраціях.
− автоматичне розширення діапазону (методом розбавлення проби) при
високих концентраціях газу.
− контроль та моніторинг концентрації газів в промислових печах на різних
стадіях процесу.
Модуль керування газоаналізатора testo-350 - ручний модуль керування
вимірювальною системою testo-350, програмування та відображення даних
вимірювань, має великий кольоровий графічний дисплей - справжнє світлове табло з
високою чіткістю зображення.
Програмне меню дозволяє обирати різні об'єкти вимірювань: пальники, котли,
газові турбіни, двигуни тощо. Для кожного з обраних об'єктів в приладі закладено
спеціальну програму зі специфікою видів палива, зручною послідовністю виводу
параметрів на дисплей, відповідними розрахунками теплотехнічних характеристик,
варіантами попередньої настройки приладу (наприклад, включення функції
розбавлення в разі роботи на промислових газових двигунах, які регулюються
по λ≤1). Вбудована пам'ять, що забезпечує збереження даних вимірювань які
передаються з газоаналізатора в модуль керування.
Оснащений вбудованим літій-іонним акумулятором для забезпечення
автономності роботи окремо від газоаналізатора. Може також працювати через
кабельний зв'язок з боксом-аналізатором, як від блоку акумуляторів газоаналізатора,
так і від мережі 220В.
За наявності декількох газоаналізаторів, ними можна керувати одним модулем
керування. Блок аналізатора (бокс-аналізатор) – промисловий стандарт, міцність та
надійність. В блоці аналізатора містяться газові сенсори, потужні газові насоси, блок
пробопідготовки та осушки газу з холодильником Пельт'є (опційно), газовий тракт,
фільтри, електронні плати, система живлення, у т.ч. літій-іонні акумулятори.
103

Корпус оснащений спеціальною гумовою протиударною вставкою, яка
запобігає механічним пошкодженням та забезпечує безперебійну роботу в жорстких
виробничих умовах. До того ж поліпшено герметизацію камер та відсіків проти
потрапляння пилу та бруду.
"Інтелектуальний" дизайн - керування за допомогою модуля керування або
через пряме підключення до ПК (ноутбука). Після відповідного задавання
конфігурації блок аналізатора працює автономно та зберігає в пам'яті дані
вимірювань. Можливість дистанційно керувати газоаналізатором та отримувати дані
вимірювань - додаткова зручність при вимірах, наприклад, на промислових
пальниках. Нема необхідності постійно носити за собою бокс-аналізатор та зонди;
достатньо зняти модуль керування зі станини й віднести його в зручне для обробки
інформації місце. Захист дисплея та кнопок управління при транспортуванні -
модуль керування кріпиться до станини як "догори лицем", так і зворотнім боком.
Програмне забезпечення ("Еasy Emission"). Замовивши ПЗ "Еasy Emission",
Ви зможете документувати, обробляти, архівувати та аналізувати дані
вимірювань на ПК.
Відображення даних вимірів у вигляді таблиці або графіка. Вибір періодичності
вимірів (від 1с до 1год.). Вимірювання в режимі реального часу (BLUETOOTH або
USB-під'єднання). Створення так званих протоколів вимірювань з урахуванням
специфічних вимог замовників та особливостей окремих сфер застосування.
Структура даних та відомості про виміри можуть бути передані з ПК (ноутбука)
в газоаналізатор. Конфігурування та налаштування газоаналізатора за допомогою
ПЗ. Експорт даних в файли формату Excel та PDF.

Рис. 4.1. Тesto-350.
104

Можливість введення індивідуальних формул розрахунку низки параметрів.
Контроль системи шин даних з можливістю підключення до 16 блоків-
аналізаторів. Можливість введення в програму аналізатора індивідуальних
параметрів (напр. корекція перехресної чутливості сенсорів газу).
Інтерфейси передачі даних:
− bluetooth 2.0 (до 100 м за відсутності перешкод);
− USB;
− інфрачервоний інтерфейс (принтери Testo);
− шина даних Testo (довжина кабелю – до 800 м) для одночасного
під'єднання до 16 блоків аналізатора.
Таблиця 4.1
Модуль керування
Параметри Модуль керування Блок аналогових виходів (мА)
Робоча температура -5…+45 0С -5…+45 0С
Температура зберігання -20…+50 0С -20…+50 0С
Тип акумулятора Літій-іонний
Ресурс акумулятора 58 год.
Об’єм памяті 2 мБт
Вага 440/850 г. 305/850 г.
Розміри 88/252х115х58 мм. 200/252х115х58 мм
Клас захисту ІР 40

Таблиця 4.2
Блок аналізатора
Параметри Вимірювання Вимірювання Вимірювання Вимірювання NO
О2 СО2 (з Н2-компенсацією) СО2 (з Н2-
компенсацією)
Діапазон 0…25% О2 0…10000 ппм СО 0…500 ппм СО 0…4000 ппм NO
вимірювання
Похибка ±0,8% ±5% (200…2000ппм) ±5%(40…500ппм) ±5%
±10% (2001…10000ппм) ±2 ппм СО (100…1999,9ппм)
±10 ппм СО (0…199ппм) (0…39,9ппм) ±10%
(2000…3000ппм)
±5% (0…99ппм)
Дозвіл 0,01% О2 1 ррм СО 0,1 ппм СО 1 ппм NO
(0…25% О2) (0…10000 ррм СО) (0…500 ппм СО) (0…3000 ппм)
Швидкодія 20 с. 40 с. 40 с. 30 с.
Параметр t95 t90 t90 t90
швидкодії

105

Таблиця 4.3
Блок аналізатора
Параметри Вимірювання Вимірювання NО2 Вимірювання Вимірювання Вимірювання
NОниз SО2 CO2 H2S
Діапазон 0…300 NО 0…500 NО2 0…5000 ппм SО2 0…50% CO2 0…300 H2S
вимірювання
Похибка ±5% ±5% (100…500ппм) ±5% ±0,3% CO2 ±5%
(40…300ппм ±5 ппм NО2 (100…2000ппм) +1% (0…25% (40…30 ппм)
NО) (0…99,9ппм) ±10 ппм SО2 CO2) ±2 ппм
±2% ппм NО (2001…5000ппм) +1,5% (>25%) (0…39,9 ппм)
(0…39,9 ±5 ппм SО2
ппм) (0…99ппм SО2)
Дозвіл 0,1ппм 0,1 ррм СО 1 ппм SО2 0,01 ппм CO2 0,1 ппм
(0…300 ппм) (0…+500 ррм) (0…+5000 ппм) (0…25%) (0…+300ппм)
0,1% (>25%)
Швидкодія 30 с. 40 с. 30 с. 10 с. 35 с.
Параметр t90 t90 t90 t90 t90
швидкодії

Технічні характеристики:
Розміри: 330х128х438 мм.
Вага 4800 гр.
Температура зберігання -20…+50 0С
Робоча температура -5…+45 0С
Матеріал корпуса ABS
Живлення АС, блок живлення 90В… 260В
Подача постійного струму 11В…40В
Розрахунок температури роси 0…99 0С роси
Можливість програмування газоаналізатора на тривалий період вимірювань, що
дозволяє проводити моніторинг димових газів на протязі декількох днів поспіль і
перетворює цей портативний газоаналізатор у "квазістаціонарний".
Надійна система автоматичного захисту, самодіагностики та попередження про
можливі помилки: світловий кольоровий індикатор стану приладу, який видно
здалеку; доступне й легко зрозуміле меню діагностики "відмов" та помилок, яке
заздалегідь попереджує користувача про стан сенсорів та інші ризики; автоматичний
контроль рівню конденсату при вимірюваннях дуже вологого газу з миттєвим
оповіщенням оператора про необхідність зливу конденсату та примусовою
зупинкою процесу вимірювань; ізольований контур зовнішнього охолодження
106

приладу. Можливість роботи в широкому діапазоні зовнішніх температур: від -5 до
+45 0С.
Функція вимірювання диференційного тиску (крім стандартної тяги та
розрідження), швидкості потоку (з трубкою Піто) та розрахунку валових (масових)
викидів. В разі замовлення версії з ІЧ-модулем СО2 - вимірювання СО2 прямим
методом (0-50% об.). Проста й швидка процедура заміни електрохімічних сенсорів,
яка може виконуватися користувачем. Невеликі габарити: 330х128х438 мм та вага:
4,8 кг (без зондів) та безліч інших переваг та зручностей.

Висновки до четвертого розділу

В даному розділі було виявлено та оцінено потенційно небезпечні і шкідливі
виробничі фактори, при виробництві, акумулюванні та спалюванні біогазу. В ході
дослідження було встановлено, що основними небезпеками є виток газу або вибух.
У результаті оцінки потенційних небезпек розроблено інструкцію з техніки
безпеки при експлуатації біогазових установок. Тому слід слідувати всім правилам
експлуатації, адже це мінімізує вірогідність аварійних ситуацій.
Для дослідження складу газів запропоновано використовувати testo-350.

107

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження конструкцій МТ, технологічних параметрів процесу
зброджування показали, що вплив коливань температури зовнішнього повітря та
відкладань на поверхні гріючого елемента на інтенсивність теплообміну в
метантенку недостатньо вивчений.
2. Розроблено математичну модель теплообмінних процесів у метантенку БГУ,
яка дозволяє коригувати інтенсивність теплообміну при утворенні відкладань на
зовнішній поверхні гріючого ЗМ та зміні температури зовнішнього повітря.
3. Створено експериментальну установку та проведено експериментальні
дослідження впливу товщини шару відкладань на стінці змійовика, коливань
температури зовнішнього повітря на інтенсивність теплообміну в МТ та
температуру ЗМ.
За результатами дослідження отримано математичну модель
(експериментально-статистичну), що дозволяє визначати температуру гріючого
теплоносія залежно від величини тепловтрат МТ у навколишнє середовище та
термічного опору відкладань.
4. Запропонований метод впливу на температуру теплоносія економічно
вигідний у порівнянні з варіантом без регулювання температури теплоносія.
Збільшення виходу біогазу становить 32,2 %.
5. Розглянуто основні заходи з охорони праці та охорони навколишнього
середовища, які потрібно враховувати на підприємстві по виробництву БГ або
роботі з БГУ. Для дослідження складу газів запропоновано використовувати testo-
350.

108

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1. Енергобіотехнологія: [курс лекцій для студ. сільськогосп. вузів] / В.Г.
Мироненко, В.О. Дубровін, В.М. Поліщук, С.В. Драгнєв, І.В. Свистунова. К.:
Холтех, 2010. 248 с.
2. Технології виробництва біогазу: [курс лекцій для студ. сільськогосп. вузів]
/В.Г. Мироненко, В.О. Дубровін, В.М. Поліщук, С.В. Драгнєв, І.В. Свистунова. К.:
Холтех, 2010. 84 с.
3. Технології виробництва біодизеля: [курс лекцій для студ. сільськогосп.
вузів] / В.Г. Мироненко, В.О. Дубровін, В.М. Поліщук, С.В. Драгнєв. К.: Холтех,
2009. 100 с.
4. Енергобіотехнологія: [курс лекцій для студ. сільськогосп. вузів] / В.Г.
Мироненко, В.О. Дубровін, В.М. Поліщук. К.: Холтех, 2011. 356 с.
5. Технології виробництва біогазу: [курс лекцій для студ. сільськогосп. вузів]
/ В.Г. Мироненко, В.О. Дубровін, В.М. Поліщук, С.В. Драгнєв, І.В. Свистунова. К.:
Холтех, 2010. 84 с.
6. Eder Barbara. Biogas-Praxis: Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele,
Wirtschaftlichkeit / Barbara Eder, Heinz Schulz; mit Beiträgen von Andreas Krieg. 3.
vollständig überarbeitete und erweiterte Aufl. Staufen bei Freiburg: Ökobuch, 2006.
238str.
7. ATMega8 data sheet/ [Електронний ресурс] / Atmel corporation // Режим
доступу до журн.: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf.
10. FT232R USB UART IC Datasheet / [Електронний ресурс] / FTDI // Режим доступу
до журн.: http://www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/DS_FT232R_V205.pdf.
8. Environmentally Conscious Alternative Energy Production / під ред. Myer Kutz
John Wiley & Sons, 2007. - 308 p.
9. Achinas, S. A technological overview of biogas production from biowaste
[Текст] /S. Achinas, V. Achinas, G. j W. Euverink //Engineering. - 2017. – №3(3), –
p. 299–307.
10. Lehner, A. Optimierung der Verfahrenstechnik land wirt schaft
109

licherbiogasanlagen [Електронний ресурс] / A. Lehner, M. Effenberger, A. Gronauer. -
Bayern: Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, 2010. – 82 p. – Режим доступу:
www.LfL.bayern.de.
11. Mandy Gerber An analysis of available mathematical models of anaerobic
digestion of organic substances for production of biogas [Текст] / Mandy Gerber, Roland
Span // International Gas Union Research Conference Paris, 2008. - p. 30.
12. Anaerobic Digestion Process of Food Waste for Biogas Production: A
Simulation Approach [Текст] / Noorlisa Harun, Zuraini Hassan, Norazwina Zainol, Wan
Hanisah, Wan Ibrahim, Haslenda Hashim // Chemical Engineering and Industrial. - 2019. -
V.42, №9. - р. 1834-1839.
13. Fleming J.G. Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluid
dynamics [Текст] / J.G. Fleming // Department of Mechanical Engineering North Carolina
State University. - 2002.
14. Liebetrau, J. Messmethodensammlung Biogas: Methoden zur Bestimmung von
analytischen und prozessbeschreibenden Parametern im Biogasbereich [Текст] / J.
Liebetrau, D. Pfeiffer, D. Thrän. - Leipzig: DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige Gmbh, 2015. - p. 212.
15. Karakashev, D. Influence of environmental conditions on methanogenic
compositions in anaerobic biogas reactors [Текст] / D. Karakashev, D.J. Bastone, I.
Angelidaki // Appl Environ Microbiol. - 2005. - №71(1). - p. 331-338.
16. B. Wu Three-dimensional numerical simulation model of biogas production for
anaerobic digesters [Текст] /B.Wu, E.L. Bibeau, K.G. Gebremedhin. // Сanadian
biosystems engineering. - 2009. - №51. - p. 8.1-8.7
17. Ferrer, I. Increasing biogas production by thermal (70 ◦C) sludge pretreatment
prior to thermophilic anaerobic digestion [Текст] / I. Ferrera, S. Ponsa, F. Vazquez, X.
Font // Biochemical Engineering Journal. - 2008. - №42. - p. 186-192.
18. Chen, Y.R. Energy requirements for anaerobic fermentation of livestock wastes
[Текст] / Y.R. Chen, A.G. Hashimoto // Livestock waste: a renewable source;
proceedings, 4th International Symposium on Livestock Wastes. Livestock Waste. - 1980,
p. 117-121.
110

19. Zábranská, M. Thermophilic process and ˇ enhancement of excess activated
sludge degradability-two ways of intensification sludge treatment in Prague Central
Wastewater Treatment Plant [Текст] / J. Zábranská, М. Dohányos, Р. Jenícek, J. Kutil //
Water Sci. Technol. - 2000. - №41. - p. 265-272,
20. Teleszewski, T.J. Analysis of Heat Loss of a Biogas Anaerobic Digester in
Weather Conditions in Poland [Текст] / T.J. Teleszewski, M. Żukowski // Journal of
Ecological Engineering. - 2018. - №19. - p. 242-250.
21. Rynkowski, P.Heat loss analysis in the semi-buried anaerobic digester in
Northeast Poland [Електронний рессурс]/ P. Rynkowski //10th Conference on
Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering EKODOK. -
2018. - №44. - Режим доступу: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20184400156
22. Gebremedhin, K. G. Heat transfer model for plug-flow anaerobic digesters
[Текст] /K.G. Gebremedhin, B.Wu, C. Gooch, P. Wright, S. Inglis //American Society of
Agricultural Engineers. - 2005. - №48(2). - p. 777-785.
23. Lindorfer, H. Self-heating of anaerobic digesters using energy crops [Текст] /
H. Lindorfer, R. Kirchmayr, R. Braun // Water Sci Technol. - 2006. - №53(8). - p.159-
166.
24. Fleming J.G. Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluid
dynamics [Текст] / J.G. Fleming // Department of Mechanical Engineering North Carolina
State University. - 2002.
25. UN World Water Development Report 2017. Javier Mateo-Sagasta, Liqa
Raschid-Sally, Anne Thebo/ Global Wastewater and Sludge Production, Treatment and
Use// 2015, pp. 20.
26. Wang, Q., Wei, W., Gong, Y., Yu, Q., Li, Q., Sun, J., Yuan, Z./ Technologies
for reducing sludge production in wastewater treatment plants: State of the art. Sci//Total
Environ. 2018 p. 510-521, 587-588.
27. Valentina Stazi, Maria Concetta Tomei/ Enhancing anaerobic treatment of
domestic wastewater: State of the art, innovative technologies and future perspectives
2018- pp. 4-5.
28. Guia tecnica para el manejo у aprovechamiento de biogas en plantas de
111

tratamiento de aguas residuales / 2017. pp. 25-29.
29. Semarnat у Conagua, 2015с. Manual de Agua Potable, Alcantarillado у
Saneamiento (MAPAS). En: Diseno de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
Municipales: Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (Libro 28). Mexico: Secretaria
de Medio Ambiente у Recursos Naturales. Comision Nacional del Agua. p. 5.
30. Anna Karlsson, Annika Bjom, Sepehr Shaken Yekta, Bo H. Svensson
/Improvement of the biogas production process. Explorative project (EP1)// 2014. p.54.
31. Bischofsberger, W., Dichtl, N., Rosenwinkel, K.H., Seyfried, C.F., Bohnke, B.І.
Anaerobtechnik. Heidelberg, Berlin: Springer-Verlag//2005-p.50.
32. Appels, L., Baeyens, J., Degreve, J., Dewil, R./ Principles and potential of the
anaerobic digestion of waste-activated sludge. Progress in Energy and Combustion
Science// 2008 p. 254-260.
33. Andreoli, C.V., Von Sperling, М., Fernandes, F., 2010. Lodos de esgoto:
tratamento e disposicao final. 4th ed. Bello Horizonte: Universidad Federal de Minas
Gerais//2010 p. 411.
34. SEMARNAT y CONAGUA, 2015c. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y
Saneamiento (MAPAS). En: Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
Municipales: Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (Libro 28). México: Secretaría
de Medio Ambiente y Recursos Naturales. Comisión Nacional del Agua. p. 5.
35. Metcalf & Eddy, 2003. Wastewater Engineering - Treatment and Reuse. 4th Ed.
New York: McGraw-Hill Companies, pp.72-77.
36. Pfeifer, В.І. International Biogas Operating and Engineering Course.
Troubleshooting//2015-p. 81-82.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets