4.1 Контроль та управління процесами анаеробного бродіння

Для процесів анаеробного бродіння  виділяють три температурних режими, дотримання в межах яких є необхідною умовою безперебійного вироблення біогазу і життєдіяльності метаноутворювальних бактерій. Також до обмежувальних умов належить максимальна температура нагрівального елемента, яка не може перевищувати 60°С. Нагрівання субстрату відбувається за рахунок передачі тепла води, що протікає через нагрівальний елемент. Вода гріється в котлі за рахунок спалювання виробленого біогазу. При обертанні пластини активатора відбувається активне перемішування субстрату, вирівнювання полів температур, інтенсифікація теплообміну між нагрівником і субстратом. Для зменшення енерговитрат і збільшення виходу біогазу необхідно контролювати і регулювати такі величини: температуру поверхні нагрівального елемента; температуру субстрату в трьох шарах – верхньому, середньому і нижньому; швидкість вібрування пластини-активатора чи обертання мішалки. Для контролю і управління параметрами анаеробного бродіння в біореакторі пропонується така схема управління (рис. 4.1) [37 - 39]. Управління за даною схемою можливе в реакторі з інтенсифікацією теплообміну, запропонованому авторами (див. рис. 2.3). Температура субстрату відслідковується сенсорамии t₂, t₃, t₄, температура поверхні нагрівника − сенсором t₁. За даними сенсора t₁ сервопривод триходового клапана на подачі теплоносія на нагрівник регулює ступінь підмішування зворотного теплоносія.

За показами всіх температурних сенсорів згідно із закладеною програмою в ЕОМ відбувається управління двигуном – збурювачем  перемішувань субстрату за допомогою частотного регулятора. Кількість обертів двигуна відслідковується тахометром. Для передачі інформації в ЕОМ від датчиків і тахометра слугують пристрої спряження ПС1…ПС3. Для передачі сигналів керування від ЕОМ до сервопривода і частотного регулятора слугують пристрої спряження ПС4…ПС5.

Для інтенсифікації теплообміну вибрано спосіб вібрації середовища, що в окремих випадках дозволяє збільшити тепловіддачу у десятки разів. Вібрація чи перемішування середовища або нагрівального елемента приводить до активного перемішування середовища, вирівнювання температури в об’ємі, інтенсифікації теплообміну. Це в кінцевому випадку приводить до зменшення площ теплообміну, покращення протікання технологічних процесів та енергозбереження.

Рисунок 4.1 − Схема автоматичного управління параметрами реактора для анаеробного бродіння: 

 

ЕОМ – контролер (мікрокомп’ютер),  БЖ – блок живлення, t₁, t₂, t₃, t₄ – сенсори температури, ПС1…ПС5 – пристрої спряження.

 

За показами всіх температурних сенсорів згідно з закладеною програмою в стаціонарному комп’ютері відбувається управління двигуном – збурювачем  перемішувань субстрату за допомогою частотного регулятора. Кількість обертів двигуна відслідковується тахометром. Для передачі інформації в ЕОМ від датчиків і тахометра слугують пристрої спряження ПС1…ПС3. Для передачі сигналів керування від ЕОМ до сервопривода і частотного регулятора слугують пристрої спряження ПС4-ПС5.

Від мікрокомп’ютера (контролера) оброблена інформація направляється на стаціонарний комп’ютер, в якому за допомогою  спеціально розробленої програми вона подається у графічному вигляді і записується у текстовий файл. Принципову схему інформаційних зв’язків експериментальної установки наведено на рис. 4.1. 

 Алгоритм програми автоматичного моніторингу роботи БГУ реалізований на мові програмування Object Pascal з використанням IDE Delphi 7. Робочі вікна програми обробки та збору даних від експериментальної установки наведено на рис. 4.2.

В головному вікні 1 (рис. 4.2)  будуються графіки залежності температур і кількості обертів вала двигуна від часу дослідження. На інформаційній панелі 2 у відповідних комірках динамічно фіксуються дані параметрів у вигляді числових значень.

Кнопки 3 – “R” ,“P”, “S” відповідно: початок зчитування даних,  пауза і стоп – зупинення роботи. У вікнах 4 і 5 відбувається налагодження роботи програми і роботи COM порта:  

- інтервал таймера (1–20 сек, з інтервалом 0,1 сек);

- режим роботи програми (безперервно, дискретно);

- мінімальні значення відображення для всіх параметрів;

- максимальні значення відображення для всіх параметрів.

Параметри настроювання СОМ порту:

-         номер порту;

-         швидкість передачі/прийому  даних;

-         кількість біт інформації;

-         тип контролю достовірності інформації;

-         кількість стоп-біт.

Загальний вигляд експериментального контролера наведено на рис. 4.3.

Структурно-логічні схеми програми обробки та збору даних від експериментальної установки зображено на рис. 4.4.

Всі пристрої спряження конструктивно виконано у вигляді мікрокомп’ютера. Мікрокомп’ютер виконано на базі однокристалічного мікроконтролера  PIC 16F876.

Програма дозволяє записувати дані з інтервалом в 1 секунду у текстовий файл, який потім можна прочитати у табличному редакторі. Запис даних ведеться у форматі: дата, час, кількість обертів валу двигуна, температура першого датчика, температура другого датчика, температура третього датчика, усереднена температура датчиків, що розміщені в нагрівальному елементі.

Рисунок 4.2 − Робочі вікна програми оброблення та збору даних від експериментальної установки

Рисунок  4.3 − Загальний вигляд експериментального контролера

Рисунок 4.4 −  Структурно-логічні схеми програми обробки та збору даних від БГУ

 

Загальний вигляд файла звіту проведеного експерименту зображено на рис. 4.5

 

Рисунок 4.5 − Загальний вигляд файла звіту роботи системи термостабілізації та інтенсифікації БГУ

 

Згідно з [27] рівняння, що узагальнює відносний коефіцієнт тепловіддачі через розмірні величини, апроксимується виразом

де К – коефіцієнт інтенсифікації, що є відношенням коефіцієнта тепловіддачі віброконвекції до  коефіцієнта тепловіддачі при вільній конвекції;

      d – діаметр циліндра теплонагрівального елемента, мм;

     ΔΤ – різниця між температурою стінки нагрівника і середовищем С;

    ΔА – амплітуда коливань нагрівального елемента, мм;

     f − частота коливань нагрівального елемента, Гц.

В промисловості система автоматизованого контролю за роботою БГУ виготовляється в вигляді шафи з набором елементів для роботи установки: контролера, частотних перетворювачів, автоматичних вимикачів тощо (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 – Шафа з пристроями автоматичного керування БГУ