Рисунок 2.9 – Залежність коефіцієнта тепловіддачі від концентрації сухої  речовини

Для визначення інтенсивності тепловіддачі до суспензії використано залежності для чистої рідини з підстановкою теплофізичних властивостей субстрату, що розраховані за формулами  (1.1-1.3).

У загальному випадку тепловіддачу від нагрівального елемента до середовища розраховують за формулами теплопереносу за умов вільної конвекції від горизонтального циліндра [8, 64, 65, 70].

Коефіцієнт тепловіддачі розраховується за законом Ньютона-Ріхмана  і визначається як:

де q – питомий тепловий потік, Вт/м²;

     Δt – температурний напір, який визначається як різниця температур між температурою стінки нагрівника t_сm і середовищем t_р.

У випадку, коли нагрівник електричний, то питомий тепловий потік визначається як

де I – величина сили струму, A; 

    U – величина напруги  на нагрівнику, В

     F – площа теплообмінної поверхні, м².

Коли дійсний тепловий потік невідомий, використовують емпіричні залежності для визначення критерію Нуссельта [10-12]:

де b_u - коефіцієнт температурного розширення рідини,

    _p − теплофізичний критерій Прандтля, взятий при температурі рідини;

  Pr_c − теплофізичний критерій Прандтля, взятий при температурі стінки нагрівального елемента;

     m_в − динамічна в’язкість води,

     С − концентрація сухої речовини в субстраті,

     С – теплоємність сухої речовини;

     Dt − температурний напір між грійною стінкою і рідиною.

Отримавши значення коефіцієнта Нуссельта, легко перейти до коефіцієнта тепловіддачі за формулою:

де l − коефіцієнт теплопровідності рідини (субстрату),

     a − коефіцієнт тепловіддачі від грійної стінки до субстрату,

     d −  характерний розмір нагрівника (діаметр).

        

Енергозбереження та ресурсозбереження в системах альтернативної енергетики є пріоритетним завданням. Економія енергії та ресурсів при виробленні біогазу досягається за рахунок:

-         термостабілізації процесу бродіння;

-         утилізації теплоти виробленого біогазу;

-         утилізації теплоти відпрацьованого шламу;

-         тепло- і гідроізоляції реакторів;

-         гнучкої системи теплопостачання;

-         зменшення розмірів теплообмінних апаратів;

-         оптимізації конструкцій реакторів;

-         використання інформаційно-вимірювальних систем для контролю та дотримання  максимальної продуктивності реактора.

Утилізація тепла відробленого шламу для нагрівання свіжої біомаси може виконуватись за схемою, що зображена на рис. 2.10. Це теплообмінний апарат типу «труба в трубі», по якому у внутрішній трубі тече відпрацьований шлам, а в міжтрубному просторі - свіжий. Обмін теплоти відбувається через металеву стінку.

Рисунок 2.11 – Теплообмінні пристрої для рекуперації тепла виробленого біогазу

Рекомендований температурний режим системи теплопостачання біогазового реактора 60°С/40°С, тобто температура грійної води максимально можлива 60°С, зворотної – 40 °С. Теплопостачання може бути виконано від газового котла, який працює на природному газі чи виробленому біогазі, котрий пройшов попереднє очищення від шкідливих домішок. Рекомендована схема обв’язки показана на рис. 2.12. Дана схема виконана двокільцевою:

- велике кільце:  котел - теплообмінник;

- мале кільце:  триходовий клапан  - насос – теплообмінник.

Схема обв’язки виконана з байпасовою лінією і двома контурами циркуляції – малим і великим. У випадку, коли температура нагрівника і середовища стає більшою за необхідну величину, триходовий клапан підмішує оборотну воду у подачу. Коли температура поверхні нагрівника і субстрату починає зменшуватися − клапан працює на прямотечію. Для спускання води при необхідності відключення системи слугують   спусники 1. Для запобігання утворенню повітряних пробок встановлено автоматичний повітроспусник.

 

Рисунок 2.12 – Схема обв’язки  нагрівального елемента біореактора:

 

1 − спусник води, 2 − триходовий клапан з сервоприводом  “BELIMO”; 3 − перепускний диференційний клапан, 4 − насос циркуляційний “WILO”; 5 – вентиль шаровий, 6 – автоматичний спусник повітря

У випадку, коли трапляється поломка котла, для запобігання замерзання теплоносія у контурі циркуляції і зупинки реактора триходовий клапан працює у режимі малого контуру циркуляції теплоносія, підтримуючи температуру вищою за температуру замерзання. Відслідковування аварійних ситуацій з котлом відбувається за допомогою  датчика, який вмонтовано в зворотний трубопровід.  Коли температура у ньому знижується до +10…+15°С, подається сигнал на закривання сервоприводом клапана.

Відслідковування аварійних ситуацій з газовим обладнанням відбувається за допомогою  датчика t₁. Коли температура на ньому знижується до +10…+15, подається сигнал на закривання сервоприводом клапану. У випадку, коли температурний градієнт між нагрівальною поверхнею і субстратом починає зростати, активізується перемішування середовища за рахунок збільшення частоти обертання двигуна. Регуляція кількості обертів двигуна здійснюється за допомогою частотного перетворювача.  Визначення кількості обертів двигуна виконується індукційним тахометром.

 

Рисунок 2.13 − Загальний вигляд циркуляційного насоса Grundfos UPS та сервопривода  з триходовим клапаном

За матеріалом виготовлення насоси найчастіше виготовляють з чавуну, бронзи чи нержавіючої сталі. Живлення їх відбувається від мережі 220 і 380 В. Максимальний робочий тиск − до 20 бар.  

Сервоприводи для триходових клапанів йдуть в комплекті з клапанами і працюють від напруги 220 В або 24 В залежно від схеми керування. Основна задача сервопривода  з плавним або дискретним регулюванням - забезпечити розрахункову витрату води зворотної магістралі для підмішування в пряму воду. Даний тип регулювання є якісним і дозволяє  економити енергоносії в період невеликих морозів і перехідний. На рис. 2.13 зображено загальний вигляд сервопривода з триходовим клапаном виробництва швейцарської компанії BELIMO