Анаеробне перероблення органіки з метою отримання біогазу відбувається при заданих температурних режимах: кріофільному, мезофільному та термофільному [3 - 5]. Ці режими з оптимальними параметрами важко підтримувати, особливо при від’ємних температурах. Термостабілізація та інтенсифікація процесу анаеробного бродіння можуть бути забезпечені шляхом зниження тепловтрат через захисні конструкції біогазової установки.

При виробництві біогазу шляхом анаеробного бродіння органіки метаболічна активність і репродуктивна здатність мікроорганізмів знаходяться в функціональній залежності від температури в біогазовому реакторі. Температура впливає на об’єм газу, який можна отримати із певної кількості органічної речовини протягом заданого часу в реакторі, а також на технологічний час процесу зброджування, необхідний для вивільнення певної кількості газу при відповідній температурі [40].

Залежно від температурного інтервалу, що підтримується в біогазовій установці в процесі роботи, розрізняють режими зброджування [11, 30]:

 

- кріофільний (T < 23°С; T_опт = 20°С);

- мезофільний (T = 25 … 45°С; T_oпт = 32… 42°С);

- термофільний (T = 45 … 55°С; T_опт = 48 … 51°С).

Кріофільний режим зброджування не вимагає спеціального підігріву субстрату, протікає при температурі навколишнього середовища і використовується на невеликих індивідуальних установках у країнах з теплим кліматом.

Мезофільний режим зброджування, як це підтверджено численними дослідженнями і практикою  експлуатації  установок,  протікає  найбільш  інтенсивно  в  температурному  інтервалі 32…42°С [3, 61]. При цьому найбільш активно «працюють» метаногенні бактерії з максимальним утворенням біогазу. Підігрівання і підтримування стабільної температури зброджування здійснюється, як правило, прокачуванням нагрітої води через спеціальні теплообмінники, що змонтовані в біогазовій установці. Нагріту воду одержують у котельному агрегаті, використовуючи для його роботи частину виробленого біогазу, витрати якого складають 30 – 40% загального виходу.

Термофільний режим дає можливість одержувати максимальну кількість біогазу за короткий термін зброджування. Інтенсивність зброджування вдвічі вище, а час перебування субстрату в біогазовій установці вдвічі менший, ніж при мезофільному.

Отже, визначення складових теплового балансу біогазової установки та тепловтрат через захисні конструкції при різних режимах зброджування залежно від зовнішніх температур є актуальною задачею.

Згідно з рівнянням теплового балансу (3.4) біогазової установки умови оптимізації складових цього рівняння для забезпечення заданого процесу анаеробного бродіння такі.

Витрати теплоти  для  термостабілізації  потребують  додаткових витрат енергоносіїв  у  процесі  регулювання  реакцій  анаеробного  бродіння  в  біогазовому реакторі [8, 9]. Вони повинні бути мінімальними, тобто наближатись до нуля:
                                                  (3.11)
Втрати теплоти з реактора у зовнішнє середовище також повинні бути мінімальними для забезпечення оптимального процесу бродіння та зменшення енерговитрат на процес термостабілізації:
                                            (3.12)
Теплота, що акумулюється в середовищі біогазової установки, повинна набути оптимального значення при відповідному режимі зброджування для забезпечення найбільшої продуктивності біогазової установки:
                                          (3.13)
Одним  із  варіантів  оптимізації  складових  рівняння теплового балансу (3.4) біогазової установки є зменшення втрат теплоти внутрішнього середовища реактора у зовнішнє навколишнє середовище через захисні конструкції корпусу установки [32, 33]. Ці втрати мають прямо пропорційну залежність від коефіцієнта теплопередачі матеріалу захисних конструкцій реактора. Для оптимізації складової теплового балансу, яка відображає втрати тепла у зовнішнє середовище, коефіцієнт теплопередачі матеріалу повинен наближатись до свого мінімального значення:
                                             (3.14)
Величина тепловтрат із внутрішнього середовища (Вт) характеризується термічним опором матеріалу захисних конструкцій, різницею температур між внутрішнім і зовнішнім середовищем реактора та обчислюються за формулою [34]:
                                  (3.15)

Для різних теплових режимів анаеробного бродіння проведено числові експерименти із визначення тепловтрат через захисні конструкції при різних зовнішніх температурних режимах за формулою (3.15), результати яких наведено в табл. 3.1 – 3.3.

 

 

Таблиця 3.1 − Тепловтрати для кріофільного режиму зброджування

(T < 20°С; T_опт = 5–15°С)

Термічний опір та режим роботи	Температура зовнішнього середовища Тзовн,оС
	20	15	10	5	0	-5	-10	-15	-20
R=1 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=10оС	-10,0	-5,0	0,0	5,0	10,0	15,0	20,0	25,0	30,0
R=1 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=15оС	-5,0	0,0	5,0	10,0	15,0	20,0	25,0	30,0	35,0
R=2 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=10оС	-5,0	-2,5	0,0	2,5	5,0	7,5	10,0	12,5	15,0
R=2 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=15оС	-2,5	0,0	2,5	5,0	7,5	10,0	12,5	15,0	17,5
R=3 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=10оС	-3,3	-1,6	0,0	1,7	3,3	5,0	6,7	8,3	10,0
R=3 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=15оС	-1,6	0,0	1,7	3,3	5,0	6,7	8,3	10,0	11,7
R=4 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=10оС	-2,5	-1,2	0,0	1,3	2,5	3,8	5,0	6,3	7,5
R=4 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=15оС	-1,2	0,0	1,25	2,5	3,8	5,0	6,3	7,5	8,8

 

Графічно зміни тепловтрат від зовнішніх температур при кріофільному, мезофільному  та  термофільному  режимах  зброджування  зображено  на рис. 3.5 – 3.7. Також визначені зони втрат при оптимальних температурних режимах T_опт  анаеробного бродіння.

Рисунок 3.5 − Тепловтрати для кріофільного режиму залежно від зовнішніх температур

 

 

Таблиця 3.2 −Тепловтрати для мезофільного режиму зброджування

(T = 25–45°С; T_oпт =32 – 42°С)

Термічний опір та режим роботи	Температура зовнішнього середовища Тзовн,оС
	20	15	10	5	0	-5	-10	-15	-20
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R=1 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=32оС	12,0	17,0	22,0	27,0	32,0	37,0	42,0	47,0	52,0
R=1 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=45оС	25,0	30,0	35,0	40,0	45,0	50,0	55,0	60,0	65,0
R=2 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=32оС	6,0	8,5	11,0	13,5	16,0	18,5	21,0	23,5	26,0
R=2 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=45оС	12,5	15,0	17,5	20,0	22,5	25,0	27,5	30,0	32,5
R=3 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=32оС	4,0	5,7	7,3	9,0	10,6	12,3	14,0	15,6	17,3
Продовження таблиці 3.2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R=3 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=45оС	8,3	10,0	11,6	13,3	15,0	16,6	18,3	20,0	21,7
R=4 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=32оС	3,0	4,3	5,5	6,8	8,0	9,3	10,5	11,7	13,0
R=4 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=45оС	6,3	7,5	8,8	10,0	11,2	12,5	13,7	15,0	16,3

 

 

Таблиця 3.3 − Тепловтрати для термофільного режиму зброджування

(T = 45 … 55°С; T_опт = 48 … 51°С)

Термічний опір та режим роботи	Температура зовнішнього середовища Тзовн,оС
	20	15	10	5	0	-5	-10	-15	-20
R=1 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=50оС	30,0	35,0	40,0	45,0	50,0	55,0	60,0	65,0	70,0
R=1 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=55оС	35,0	40,0	45,0	50,0	55,0	60,0	65,0	70,0	75,0
R=2 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=50оС	15,0	17,5	20,0	22,5	25,0	27,5	30,0	32,5	35,0
R=2 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=55оС	17,5	20,0	22,5	25,0	27,5	30,0	32,5	35,0	37,5
R=3 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=50оС	10,0	11,7	13,3	15,0	16,7	18,3	20,0	21,7	23,3
R=3 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=55оС	11,7	13,3	15,0	16,7	18,3	20,0	21,7	23,3	25,0
R=4 (м2·оС)/Вт, ТоптБГУ=50оС	7,5	8,8	10,0	11,3	12,5	13,8	15,0	16,3	17,5
R=4 (м2·оС)/Вт, ТмахБГУ=55оС	8,8	10,0	11,3	12,5	13,8	15,0	16,3	17,5	18,8

 

Рисунок  3.6 − Тепловтрати для мезофільного режиму залежно від зовнішніх температур

 

Аналіз даних чисельного експерименту щодо тепловтрат в системах біоконверсії свідчить про те, що при кріофільному режимі (рис. 3.2) анаеробний процес, який протікає в біогазовій установці при від’ємних температурах та термічному опорі, що дорівнює одиниці, є неефективним. При кріофільному режимі тепловтрати захисних конструкцій установки досягають 20...35 Вт. Для мезофільного режиму (рис. 3.3) при від’ємних температурах і термічному опорі, який дорівнює одиниці, вони досягають величини 45...65 Вт.

Рисунок 3.7 − Тепловтрати для термофільного режиму залежно від зовнішніх температур

Найбільш суттєві  тепловтрати  при  термофільному  режимі    (рис. 3.7)  при  температурі  -20 ^оС можуть досягати величини 75 Вт.  З        рис. 3.5 – 3.7 видно, що  найменші  тепловтрати  досягаються  при  термічному  опорі  більше 3 (м²·^оС)/Вт. Це свідчить про те, що оптимальний тепловий баланс (2.4) може бути забезпечений шляхом підвищення термічного опору захисних конструкцій та зменшення тепловтрат з біогазової установки.