Однако здесь необходимо знать искомую δ2. Для приближенных расчетов при tст1<50°C можно принять

Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле:

где N_i – количество животных определенной видовой и возрастной группы в ферме;

m_j - суточный выход навоза или помета от одного животного или птицы;

n- количество групп животных.

n = 3

N₁ = 150∙ 0, 50 = 75 гол. m₁ = 35 кг/сут

N₂ = 150∙ 0, 2 = 30 гол. m₂ = 15 кг/сут

N₃ = 150∙ 0, 3 = 45 гол. m₃ = 10кг/сут

m_сут = 75∙ 35+30∙ 15+45∙ 10 = 3525 кг/сут

При ежедневной уборке чистого навоза его влажность доходит до 95%. Если уборка осуществляется периодически, то в навозе содержится 12-18% подстилки (опилки, сухой песок, солома); 12-30% остатки корма; 18-20% грунта и других примесей. Для приближенных расчетов содержание прочих примесей учитывается коэффициентом К_п=1, 3-1, 6.

При этом в зависимости от температуры окружающей среды и содержания сухих примесей влажность отходов снижается на 10-15% (за 3-5 дней). С учетом коэффициента К_п суточный выход навозной массы определяется по формуле:

где К_п - принимаем равным 1, 5.

Масса сухого вещества в навозе m_{с. в.}:

где W% - влажность навоза (для свежего навоза W_св=90-95%; для навозной массы через 3-5 дневного сбора W=80-85%; через неделю в бурте на открытом воздухе W=65-70%)

Если принять W_св=85%, тогда

Масса сухого органического вещества m_сов:

гдеР_{с. о. в}- содержание сухого органического вещества; в навозе составляет 77-85%, если принять Р_{с. о. в}=80%, тогда

Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания, V_{в. б. н.}

V_{пол. б.}- выход биогаза при полном сбраживании. n₁ - степень сбраживания субстрата, n₁=60-70%.

Выход биогаза при полном сбраживании -

V_{пол. б.}=m_{c. o. в}∙ n_ск=634, 5∙ 0, 315=200 м³.

n_{с. к}- средний выход биогаза с 1 кг органического вещества n_{с. к} = 0, 315 м³/кг.

м³

Выход биогаза при неполном сбраживании

Для брожения влажность доводим до 92%. Чтобы увеличить влажность биомассы на 1%, на одну тонну навоза надо добавить 100 литров воды. При доведении влажности ежесуточного общего выхода навоза с 85% до 92% вес массы навоза составит:

3525+3525•0, 7=6000 кг

Объём метантенка при полной загрузке:

Принимаем один реактор объемом 90 м³

Тепловой расчет реактора.

Потеря теплоты в метантенке определяется по формуле:

Q_{т. р.}=Q_п+Q_{о. с.}+Q_мех.

гдеQ_п- потери теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;

Q_{о. с}_. - потери теплоты в окружающую среду;

Q_мех - расход энергии на перемешивание биомассы в процессе брожения.

Количество теплоты, которая расходуется на подогрев биомассы загруженной на протяжении суток до температуры брожения, МДж/сутки, равно:

Q_п= С_с∙ (t_б-t_{з. м})=86400МДж/сутки

m_сут - суточная загрузка биомассы доведенной до влажности 90-92%;

С_с - теплоемкость субстрата (принимается равной теплоемкости воды - 4, 18*10-³МДж/(кг*К));

Q_п=6000∙ 4, 8∙ 10^-3 ∙ (50-20)=752, 4 МДж/(кг•К•сут)

Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяется по формуле:

Q_{о. с}=к∙ F∙ (t_б-t_{о. с})•86400.

где к - коэффициент теплопередачи от биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м²*К).

F - площадь наружной поверхности реактора, м².

t_{о. с} - температура окружающей среды, °С. ( t_{о. с}=7, 1°С)

t_Б - температура биомассы, °С. ( t_б=50°С)

Для цилиндрических реакторов, принимая отношение высоты к диаметру H/D=0, 9…1, 3 по значению V_р можно найти F. принимая H=1, 2D находим

Н=1. 2•4. 57=5. 5м

Коэффициент теплоотдачи от биомассы в реакторе к окружающей среде, Вт/(м²*К)

α _в и α _н– коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м²·К). Учитывая, что скорость движения биомассы в процессе её механического перемешивания незначительна (0, 5…1 м/мин) можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. С небольшой погрешность то же самое можно принять для теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции к окружающей среде (в землю, воздух в закрытом помещении, теплоизоляционный слой и т. д. ).

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны биомассы (или воды в водяной рубашке) по упрощенной формуле Нуссельта:

где В' рассчитывается по приближенной формуле:

В'=5700+56t_б-0, 09t_б².

t_б - температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева). Дt=t_б-t_ст1.

Зная, что температура внутренней поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева) могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности наружной обечайки t_ст1принимаем t_ст1=49, 5 °С (при обогреве биомассы водяной рубашкой), Дt=t_ст1-t_б=50, 0-49, 5=0, 5°С. H - высота реактора рассчитанная выше (H=5, 5 м).

Тогда: В'=5700+56·50-0, 09·50²=8275.

После расчета В' и α ₁ находим ориентировочную температуру стенки с наружной стороны (со стороны изоляции или земли).

Здесь - δ _ст - толщина стенки реактора. Для стальных реакторов д_ст=5мм,

λ _ст - коэффициент теплопроводности материала, для стали л_ст=40 ккал/м²*ч*град.

(δ /λ )_загр_.- коэффициент загрязненности поверхности. Для стальной поверхности покрытой битумом (δ /λ )_загр_.=1/1500.

q - тепловое напряжение или тепловой поток, q=δ ₁· Дt.

Зная величины t_ст1, δ _ст, λ _ст, (δ /λ )_загр и q находим t_ст2.

q = δ _1· Дt=7390•0, 5=3695 Вт/м²

Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности изоляции к наружному воздуху или земле α ₂ необходимо знать температуру t_ст3. т. е. температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:

Однако здесь необходимо знать искомую δ 2. Для приближенных расчетов при tст1< 50°C можно принять

Дt_изол. - перепад температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Дt_изол_.=(0, 9…0, 95) t_ст2_.

При Дt_изол_.=0, 95t_ст2=0, 95·42, 7=38, 43°С.

= 42, 7-38, 43=4, 27 °С.

δ _Н=9. 3+0. 465+7V

примем V=2м/с - скорость ветра

δ _Н=9. 3+0. 465•4, 27+7·2=25, 3 Вт/(м²*К).

Q_{о. с}=111. 5·0. 198·(50-7. 1)•86400=81. 83•10⁶Дж/сут=81. 83МДж/сут

Расход энергии на перемешивание субстрата в метантенке определяют по формуле:

Q_мех=g_норм·V_{р. п. з}·t_z

где g_норм - удельная нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и

угла наклона лопастей g_норм=(50…80) Вт/м³·час.

V_{р. п. з} - объём реактора заполненный субстратом, м³. V_{р. п. з}=90 м³;

t_z - продолжительность работы мешалки.

За сутки t_z=t_z'·n', где t_z' - продолжительность перемешивания за один раз, t_z'=3-5 минут;

n' - число перемешиваний, n'=6-12 раз.

Принимаем t_z'=5 мин, n'=12 получим t_z=5·12 = 60 минут =1 час.

Q_мех=80•90•1=7200 Дж/сут=7. 2 кДж/сут

Q_{т. р}_.=752, 4+81, 83+0, 0072=834, 23 МДж/сут

Тепловая энергия, получаемая из биогаза, выделившегося за сутки:

а) При полном брожении:

Q_{б. г}=V_{пол. б}·Нu_{б. г}

где V_{пол. б}=200 м³/сутки; Нu_{б. г}- низшая теплота сгорания биогаза Нu_{б. г}=22-28МДж/м³.

Q_{б. г}=200•25=5000 МДж/сут

б) При неполном брожении субстрата:

Q_{в. б. н}_.= 140•25=3500 МДж/сут

Общая суточная выработка энергии БГУ, МДж.

E_{Б. Г. У}=Q_{б. г} - Q_{т. м} =Q_{б. г} - (Q_п + Q_{о. с} + Q_мех).

E_{Б. Г. У}=3500-834, 23=2665, 77 МДж/сут

КПД БГУ, в %-ах

Считая, что БГУ в год останавливается на техническое обслуживание и ТР не более 20 дней, экономию условного топлива, за счет полученного в течение года биогаза, можно рассчитать по формуле:

Здесь Д_{р. г}_.-дни работы БГУ в году, Д_{р. г}_.=345дн.