Для дослідження особливостей нестаціонарного теплообміну розглянемо біогазовий реактор, що обладнаний лопатевою мішалкою і трубчастим нагрівником (рис. 3.2).  По нагрівнику протікає теплоносій максимальна температура якого не повинна перевищувати 60º С для запобігання перегріву зони біля нагрівника і збереження технологічного процесу анаеробного бродіння.

Рисунок 3.2 – Біогазовий реактор з лопатевою мішалкою та теплообмінником:

 

 1 – утеплений корпус; 2 – лопатева мішалка;  3 – трубопровід відводу біогазу; 4 – подаючий трубопровід теплоносія;  5 – зворотний трубопровід теплоносія

Значення коефіцієнта теплопередачі k₂ знайдемо, використовуючи емпіричні рівняння для коефіцієнта тепловіддачі від теплоносія до стінки нагрівника:

де  Re₁ – критерій Рейнольдса при течії теплоносія в трубі;

       Re₂ – критерій Рейнольдса при омиванні субстратом нагрівника;

       Pr₁ – критерій Прандтля для теплоносія при середній його температурі;

       Pr_st1 – те ж саме при температурі стінки;

       Pr₂ – критерій Прандтля для субстрату при середній його температурі;

       Pr_st2 – те ж саме при температурі стінки нагрівника.
Моделювання в математичному пакеті MathCad виконано відповідно до початкових умов: температура теплоносія = 60 °С; термічний опір стінки утепленого реактора R = 1 м² °С/Вт;  площа бічної поверхні реактора F₁ = 12 м²; витрата теплоносія G₂ = 2 м³/год; площа тепловіддачі нагрівника F₂ = 2м²; об’єм реактора W = 4,5 м³ (об’єм субстрату прийнято W’ = 4,0 м³); зовнішня температура t_zv = -5 °С; вміст сухих органічних речовин s = 8%,  відходи ВРХ b_u =0,7; умовний діаметр труби нагрівника 25 мм. За результатами чисельного моделювання  отримано графічну залежність часу нагрівання субстрату біореактора від температури процесу (рис. 3.3).

 

Рисунок 3.3 – Залежність часу нагрівання біореактора від температури процесу

 

При розробці математичної моделі прийнято, що температура субстрату є рівномірною по всьому об’єму. Рівномірності прогрівання субстрату в біореакторі можна досягти тільки при ретельному перемішуванні в межах технологічних швидкостей. При дослідженні температури зворотної води особливу увагу необхідно звернути на робочий температурний перепад , який для нормального функціонування котельного обладнання повинен бути в межах 10…25 °С.

Якщо використовувати погано теплоізольований біореактор  R = 0,04 м² °С/Вт  та з неправильно підібраним теплообмінником F₂ =0,2 м², то деяких необхідних  температурних режимів взагалі неможливо досягти (рис. 3.4), про що свідчить характер залежності tau(t) – недосяжний термофільний режим в неправильно запроектованому біореакторі. Це відбувається тому, що зі збільшенням часу нагрівання субстрату в неутепленому біореакторі температура анаеробного процесу практично не досягає оптимального значення для збереження максимальної продуктивності з виробництва біогазу.

Рисунок 3.4 – Залежність часу нагрівання неутепленого  біореактора від температури процесу

Моделювання відповідно до наведених початкових умов дало змогу визначити, що нагрівання утепленого реактора об’ємом 4,5 м³ до режиму мезофільного бродіння відбудеться за 67 хвилин, а термофільний режим  досягнеться через дві години.