Для покращення протікання процесу бродіння,  термостабілізації, активного перемішування, інтенсифікації теплообміну  між нагрівальним елементом і середовищем авторами пропонується конструкція біореактора з барботажною інтенсифікацією теплообміну [32]. Рециркуляція виробленого біогазу в зону теплообміну позитивно впливає на процес бродіння. Масове барботування є недоцільним, оскільки створює навколо теплообмінника газову «подушку», що погіршує передачу тепла від нагрівника до середовища. Тому рекомендується локальне газорідинне омивання теплообмінної поверхні. Струмини газу будуть створювати підйомні течії і омивати нагрівник двофазним середовищем. Реактор     (рис. 3.9) містить утеплений корпус 1, до якого за допомогою верхньої 4 та нижньої 2 опорних газорозподільних решіток кріпиться робочий резервуар 3. В верхній частині робочого резервуара 3 закріплено газопровід 5.  Газопровід 5 сполучає  низ утепленого корпуса  та верх робочого резервуара. У нижній частині  робочого резервуара 3 розміщено нагрівальний елемент 6 та гребінку 8. До газопроводу приєднано компресор 7, патрубок відведення біогазу на потреби господарства та запірна арматура 9.

Процес вироблення біогазу протікає таким чином. Із накопиченням біогазу він проходить у газопровід 5 і, набуваючи потрібного тиску за допомогою компресора, частина його повертається у робочий резервуар, де розподіляється за допомогою гребінки і струменями обтікає теплообмінну поверхню. Це приводить до інтенсифікації теплообмінних процесів,  активного перемішування та термостабілізації процесу бродіння біомаси.

Конструкція біореактора з прошарком між утепленим корпусом та робочим резервуаром  (рис. 3.12) дозволяє підвищити термічний опір стінки реактора. Підведення виробленого газу в зону розташування теплообмінника дозволить не тільки інтенсифікувати процеси теплообміну між  стінкою нагрівника та середовищем, але й досягти більш рівномірного перемішування середовища.  В результаті досягається покращення процесу анаеробного бродіння біомаси, що приводить до збільшення виходу біогазу і зниження енерговитрат. 

Аналізуючи результати досліджень [9], слід відзначити, що інтенсивність тепловіддачі мало залежить від теплового потоку. Це можна пояснити незначним впливом вільної конвекції.

Рисунок 3.12 −  Біогазовий реактор з барботажною інтенсифікацією теплообміну

Основний фактор інтенсифікації – рух бульбашок, який викликає конвективні потоки. Швидкість циркуляції визначається площею перерізу, якою проходить підйомний потік біогазу. Тому безпосереднє барботування знизу в каналі, що утворений стінками навколо нагрівника, інтенсифікує тепловіддачу від стінки нагрівника до середовища. Оптимальним вирішенням поставленої задачі можна назвати спрямування газових потоків на теплообмінну поверхню без обмежувальних стінок при безпосередньому контакті струменя і стінки теплообмінника.

Результати експериментального дослідження інтенсифікації теплообміну для суспензії з концентрацією сухої речовини С=8% і С=3,5% та води наведені на рис 3.13 [10]. Необхідно відзначити, що коефіцієнт тепловіддачі  для суспензії коливається в діапазоні  53...69% відповідно до показника для води. Попередні дослідження довели незначний вплив теплового потоку та температури середовища  на  інтенсивність теплообміну.

Рисунок 3.13 −  Залежність коефіцієнта тепловіддачі a від приведеної швидкості  газорідинного потоку в субстраті:  

 

 Х – середовище: суспензія С=8 %; О – середовище: вода; V- приведена швидкість газового потоку. 

Як видно з рис. 3.13, коефіцієнт тепловіддачі для води більший коефіцієнта тепловіддачі для суспензії С=8% в 1,3…1,8 раза. Це обумовлено в’язкістю рідини, яка перешкоджає піднімальному руху бульбашок газу в середовищі [10, 39, 44, 72].

Результатами експериментальних досліджень встановлено, що безпосереднє барботування теплообмінної поверхні підвищує коефіцієнт тепловіддачі як для води, так і для суспензії в середньому в 1,5…2,5 раза (рис. 3.13). Безпосереднє барботування в каналі має ще більший вплив на зростання коефіцієнта тепловіддачі, але даний спосіб є недоцільним для реальних умов технологічних реакторів, оскільки буде викликати застійні явища та стінки каналів будуть заважати перемішуванню й вільному руху субстрату.

Використовуючи отримані залежності  і середні значення параметрів питомого теплового потоку (q), швидкості газорідинної фази (w_Г), температури рідини (t_р),  побудовано залежність впливу відстані  від краю ділянки газорідинного омивання на відношення (рис. 3.14), де ∆t_max – різниця температур стінки нагрівального елемента і рідини в точці максимального омивання, ∆t_вк – те ж саме за умов вільної конвекції. Дане

β

співвідношення характеризує вплив струменів газу на тепловіддачу.

 

            Рисунок 3.14 – Розрахункові значення відношення температурних напорів при значеннях параметрів : q = 7,6 кВт/м² ; w_г = 0,052 м/с;  t_р = 30 ⁰С

Згідно з рис. 3.14 найефективніше газові струмені впливають на тепловіддачу в центрі однофазної області на відстані до 50 мм від струменя. На більших відстанях  (Х > 50 мм) крива згладжується, тобто вплив незначний. Таким чином, отвори барботажного пристрою доцільно встановлювати на відстані не більше 100 мм один від одного, що забезпечить високу інтенсивність тепловіддачі від стінки до локального нерівномірного газорідинного середовища.

Використання повітряного прошарку між утепленим корпусом та робочим резервуаром дозволить підвищити термічний опір стінки біореактора в середньому в 1,4…1,8 раза. Повітря, що знаходиться у прошарку, буде виступати не тільки як додатковий теплоізолятор, але й передавати тепло від більш нагрітих зон в менш нагріті. Це дозволить термостабілізувати процес анаеробного бродіння в запропонованій конструкції біореактора (рис. 3.12)  порівняно зі звичайною конструкцією  реактора.