Введение к работе
Актуальность темы. Темпы использования как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов ускоряются из года в год. Однако, большинство ресурсов исчерпаемы и требуют рационального использования. В связи с этим в последние десятилетия интенсивно развиваются и применяются различные ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие производство продукции с минимально возможным потреблением топлива и других источников энергии, а также сырья, материалов, воздуха, воды и прочих ресурсов для технологических целей.
За историю развития человеческого общества потребление энергии, в расчете на одного человека, возросло более чем в 100 раз. Через каждые 10–15 лет мировой уровень потребления энергии практически удваивается. В то же время запасы традиционных источников энергии – нефти, угля, газа истощаются. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому становится очень важным получать энергию с использованием экологически чистых технологий. В себестоимости многих продуктов значительную долю составляют затраты на энергию, в связи с чем, внедрение энергоэффективных технологий могло бы повысить их конкурентоспособность.
В рамках реализации Республиканской Целевой Программы «Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010–2014 г.г.» в Воткинском, Глазовском, Завьяловском, Можгинском, Сарапульском районах вблизи крупных предприятий животноводства и птицеводства предлагается организовать производства биогаза из отходов данных предприятий. Получаемый биогаз планируется использовать для собственных нужд предприятий и поставки тепловой и электрической энергии потребителям в радиусе 10–15 км.
В 2010 году АНО «Агентство по энергосбережению Удмуртской Республики» при содействии Правительства Удмуртской Республики, РЭК УР, начала активную работу по развитию проектирования, строительства и поиска финансовых ресурсов для строительства биогазовых комплексов на базе АПК Удмуртской Республики.
В утвержденной Постановлением Правительства Удмуртии № 75 от 15 марта 2010 года РЦП «Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010–2014 г.г.», планируется разработка в 2011–2012 г.г. инвестиционного проекта «Развитие использования местных и возобновляемых источников энергии», в рамках которого предполагается строительство в Удмуртии трёх биогазовых комплексов. Таким образом, имеется большой потенциал, заложенный в области энергосбережения.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.
Цель исследований. Обоснование и разработка методов и средств оптимального использования энергии трубчатого электронагревателя при метановом сбраживании биомассы.
Задачи исследований:
исследовать теплофизические процессы, влияющие на нагрев биомассы в трехстадийном метантенке;
создать модель процесса нагрева биомассы и дать ее математическое описание;
теоретически обосновать конструктивные параметры трехстадийного метантенка с точки зрения снижения энергопотребления;
минимизировать затраты энергии при работе трубчатого электронагревателя в трехстадийном метантенке;
определить экономическую эффективность разработанной конструкции трехстадийного метантенка.
Объект исследований. Теплофизические процессы, протекающие в трехстадийном метантенке и определяющие выработку биогаза.
Предмет исследований. Экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие процессы, влияющие на энергозатраты.
Теоретической и методической основой диссертационного исследования послужили труды ведущих ученых и специалистов отрасли по исследуемой проблеме, таких как: С.В. Попов, В.Л. Омельянский, Е.С. Панцхава, В.А. Пожарнов, Имхофф, Бланк, М. В. Свалова, И. В. Решетникова и др. В процессе решения отдельных задач применялись аналитический и расчетно-конструкторский методы, а также методики по оценке экономической эффективности работы.
Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература и публикации зарубежных и отечественных изданий.
Научную новизну работы составляют:
математическая модель процесса нагрева биомассы с использованием энергии трубчатого электронагревателя;
исследование электротехнологии процесса нагрева биомассы в биогазовой установке с трехстадийным метантенком, позволяющее определить аналитическую взаимосвязь параметров зон сбраживания и температур биомассы;
обоснование конструктивных параметров зон сбраживания биогазовой установки с трехстадийным метантенком по критериям энергосбережения технологического процесса метанового сбраживания;
метод сокращения энергетических затрат при производстве биогаза.
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Республиканской Целевой Программы «Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010–2014 г.г.»; программы развития сельского хозяйства на 2010–2017гг.
В результате выполнения работы проведены экспериментальные исследования распределения энергии во время нагревания содержимого реактора трехстадийного метантенка. Оптимизирована по предложенной методике лабораторная биогазовая установка с трехстадийным метантенком, что позволило снизить энергоемкость реактора в процессе нагрева сырья. Определены и обоснованы конструктивные параметры биогазовой установки для малых ферм с точки зрения энергосбережения. Разработаны средства позволяющие совершенствовать проектирование биогазовой установки в зависимости от нужд потребителей с учетом требований энергосбережения.
Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Агроинженерия».
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель нагрева биомассы в биогазовой установке с трехстадийным метантенком с использованием энергии трубчатого электронагревателя;
модель процесса распределения теплоты в реакторе;
результаты экспериментальных исследований, анализ которых позволяет обосновать размеры зон сбраживания и повысить эффективность использования энергии трубчатого электронагревателя;
технико-экономическое обоснование конструкции трехстадийного метантенка.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях: «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы» – Ижевск, 2007; «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450-летию вхождения Удмуртии в состав России» – Ижевск, 2008; Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» – Тула, 2009; III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» – Челябинск, 2009; V Всероссийской научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» – Магнитогорск, 2010; VI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии» - Тула, 2010; Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 90-летию государственности Удмуртии «Научное обеспечение инновационного развития АПК» - Ижевск, 2010; II Евразийский Форум Молодежи «Евразия – путь на север» – Екатеринбург, 2011. Работа отмечена дипломом II степени; Республиканский конкурс инновационных проектов по программе «УМНИК» – Ижевск, 2011.
Публикации. Основные положения работы и результаты исследований опубликованы в 10 печатных изданиях, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. Модели, методики, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.
Экспериментальная установка разработана коллективом и аспирантами кафедры ТОППП ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА» при участии автора.
Выбор направлений, методов исследований, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя к.т.н., доцента Игнатьева С. П.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 120 страницах основного текста, содержит 32 рисунка, 10 таблиц и список использованных источников из 137 наименований.
