Експериментальне дослідження витрати енергії на процес початкового нагріву субстрату за використання електротепломеханічної системи
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2022-1-5Ключові слова:
експеримент, енергоефективність, початковий нагрів субстрату, електротепломеханічна система, перемішування, енергоспоживання, температура зброджуванняАнотація
Мета роботи. Експериментальне визначення витрат енергії на процес початкового нагріву субстрату до температури анаеробного зброджування у біогазовому реакторі за використання електротепломеханічної системи з автоматичним керуванням для оцінки енергетичної ефективності процесу підігріву субстрату та рентабельності подальшої переробки утвореного біогазу у теплову та електричну енергії.
Методи дослідження. Експериментальні дослідження динаміки зміни температури електричного нагрівального кабелю, розміщеного у електротепломеханічній системі, визначення тривалості процесу і витраченої енергії початкового підігріву субстрату, обробка та порівняльний аналіз отриманих масивів даних, узагальнення отриманих результатів.
Отримані результати. У формуванні сучасної енергетичної системи важливу роль відіграють біогазові технології, рентабельність яких безпосередньо залежить від енергоефективності процесів інтенсифікації анаеробного зброджування. Процес анаеробного зброджування відходів є довготривалим, тому одним з основних методів інтенсифікації біогазового виробництва є перемішування відходів у процесі анаеробного бродіння. Існує необхідність підвищення енергоефективності процесів інтенсифікації анаеробного зброджування та рентабельності подальшої переробки біогазу у теплову та електричну енергії. Способи підвищення енергоефективності здебільшого полягають у скорочені часу підігріву субстрату у біогазовому реакторі, зменшенні витрати електричної енергії на процес термостабілізації анаеробного зброджування, структурному поєднані енергетично ефективних систем перемішування та підігріву сировини у реакторах, впровадженні систем автоматичного керування процесами інтенсифікації біогазового виробництва. Реалізація цих дій дозволить встановити оптимальні геометричні розміри електротепломеханічної системи з автоматичним керуванням для перемішування та підігріву субстрату у біогазовому реакторі та суттєво підвищити енергетичну ефективність біогазових установок і подальшу переробку утвореного біогазу у теплову та електричну енергії.
Наукова новизна. У результаті проведеного експериментального дослідження та аналізу отриманих даних встановлено, що за однакової потужності нагрівальних секцій зміна температури електричного нагрівального кабелю у кожній лопаті відбувається не однаково. Авторами встановлено, що середні значення температури секцій електричного нагрівального кабелю нижніх лопатей більше на 12.9% у порівнянні з верхніми лопатями електротепломеханічної системи. Авторами у ході експериментальних досліджень встановлено, що за використання системи підігріву, виконаної із електричного нагрівального кабелю, що вмонтований у лопаті двоярусної лопатевої мішалки, витрачаєтьсяW2=4.99·106 Джна процес початкового підігріву субстрату з 9.3°С до 35.8°С у біогазовому реакторі об’ємом 40 літрів. Тривалість самого підігріву складає 300 хв. У ході експериментальних досліджень авторами було встановлено енергетичну ефективність від розділення електротепломеханічної системи на секції підігріву, коли кожна лопать є окремою секцією з власним автоматичним регулюванням температури електричного нагрівального кабелю вмонтованого у відповідну секцію, при цьому споживання електричної енергії зменшується на 27.9%.
Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані при проектуванні, будівництві та модернізації систем інтенсифікації біогазового виробництва, а саме, перемішування та підігріву субстрату у біогазових установках. Це дозволить підвищити енергетичну ефективність процесу утворення біогазу та рентабельність його переробки у теплову та електричну енергії.
Посилання
Bereznitskaya, M.V., Butrim, O.V., Panchenko, G.G. (2008). Natsionalny y kadastrantro po gennykh vybrosovizistochnikoviab sorbtsiipoglotitelyamipar-nikovykhgazovvUkraineza 1990–2007 gg. Minister-stvookhranyokruzhayushcheyprirodnoysredyU-krainy, Kyev 2008, 319 p. Rezhimdostupa: http://climategroup.org.ua/upl/ Nac_zvit_p_parn_gazy_90_07.pdf. (inUkrainian)
Ch. McCombie, M. Jefferson. Renewable and nu-clear electricity: Comparison of environmental im-pacts, Energy Policy, 2016, no. 96, pp. 758-769.
D. Weisser. A guide to life-cycle greenhouse gas (GHG) emissions from electric supply technolo-gies, Energy, 2007, no. 32, pp. 1543-1559.
IEA Statistics, 2016.
D.-A. Ciupăgeanu, G. Lăzăroiu, M. Tîrşu. (2017). Carbon dioxide emissions reduction by renewable energy employment in Romania, 2017 Internation-al Conference on Electromechanical and Power Systems (SIELMEN), pp. 281-285.
Nezdoyminov, V. I., Zyatina, V. I., Rozhkov, V. S. (2016). Matematicheskoye opisaniye osnovnykh faktorov. Vliya yushchikhna formirovaniye vzvesh-ennogosloya osadkavi lootdelitele. Sucha snepro-mislove tatsivіlne budіvnitstvo, No.2, pp. 51-58. (in Ukrainian).
Kurіs Yu.V. (2012). Bіoyenergetichnі ustanovki. Obladnannya tatekhnologії pererobki organov mіsnikhen ergoresursіv. Zaporіzhzhya: ZDІA, 348 p. (in Ukrainian).
Vedenev, A.G., Vedeneva, T.A. (2011). Rukovod-stvo po biogazovy mtekhno logiyam. 2011, «DEMI», 84 p.
Baader, V., Donet, E., Brennderfer, M. (1982). Biogas. Theoryandpractice. 148 p.
Seminsky, O.O, Mazepa, Yu.V. (2010). Doslіdna ustanovka dlya oderzhannya bіogazuz vіdhodіv ce-lyulozno-paperovogo virobnictva. VI Vseukr. nauk.-prakt. konf. studentіv, aspіrantіv і molodih vchenih «Obladnannya hіmіchnih virobnictv і pіdpriєmstv budіvel'nih materіalіv» Ukraine, NTUU “KPI”, 96 p. (in Ukrainian).
Polischuk V.N., Titova L.L., Shvorov S.A., Gun-chenko Y.A. (2019). Estimation of Biogas Yield and Electricity Output during Cattle Manure Fermenta-tion and Adding Vegetable Oil Sediment as a Co-substrate. In: Problemele Energeticii Regionale. Vol. 43, No. 2, pp. 117-132.
Vasilevich, S., Malko, M., Shevchik, N. (2016). The Use of the Biomass in the Republic of Belarus. Status and Prospects of Development. In: Problemele Energeticii Regionale. Vol. 32, No. 3, pp. 72–77.
Marks, S., Dach, J., Fernandez Morales, F.J., Mazurkiewicz, J., Pochwatka, P., Gierz, Ł. (2020). NewTrendsinSubstratesand Biogas Systems in Po-land.Journal of Ecological Engineering, Vol. 21, No. 4, pp. 19-25. DOI: /10.12911/22998993/119528.
Zablodskiy, M., Kozyrskyi V., Zhyltsov, A., Savchenko, V., Sinyavsky, O., Spodoba, M., Klendiy, G., Klendiy, P. (2020). Electrochemical Characteristics of the Substrate based on Animal Excrement During Methanogenesis With the Influ-ence of a Magnetic Field. 2020 IEEE 40th Interna-tional Conference on Electronics and Nanotech-nology (ELNANO), pp. 530-535.
Atanasoae, P., Pentiuc, R.D. (2017). The qualifica-tion of electricity production in high efficiency co-generation for the access to the support scheme through green certificates. In: Problemele Energeti-cii Regionale. Vol. 35, No. 3, pp. 58-61.
Ratushnyak, G.S., Anokhіna, K.V., Dzhedzhula, V.V. (2010). Doslіd zhennya parametrіv protsesu peremіshuvannya organіchno masiv bіogazov іyustanovtsі zvertik alnimpro pelernimperemі shu-vachem. Vіnnitsya,VNTU, 170 p. (inUkrainian)
Ward, A.J., Hobbs, P.J., Holliman, P.J., Jones, D.L. (2008). Optimisation of thea naerobi cdigestion of agricultural resources. Bioresour. Technol. No. 99. pp. 7928-7940.
Ameur H. (2016). Mixingo fcomplexflu idswith flat and pitched bladed impellers: effect of blade attack angle and shear-thinning behavior. Food Bioprod. Process. No. 99, pp. 71-77.
Chervoniy, І.F., Kurіs,Yu.V. (2012). Doslіdzhennya pristroї vtaudosko nalennyaprot sesіvpere mіshu-vannyavbі ogazovikhustanovkakh. Energosbere-zheniye. Energetika. Energoaudit, No. 2, 96 p. (in Ukrainian)
Foukrach, M., Bouzit, M., Ameur H. (2020). Effecto fAgitator’s Typesonthe Hydrodynamic Flowinan AgitatedTank. Chin. J. Mech. Eng. No. 33, 37 p. DOI: 10.1186/s10033-020-00454-2.
Spodoba, M.O., Zablodskiy, M.M., Radko, І.P. (2019). Osnovnі skladovі metodologії pobudo viza-glibnogoe lektromekha nіchnogope retvory uvacha dly abіogazovikhkompleksіv. VMіzhnar odnanau-kovo-praktic hnakonferentsі yaprisvy achena-pam’yatі profesora Vіktora MikhaylovichaSinkova «Problemitaperspektiviro zvitkuenergetiki. El-ektrotekhnolo gіytaavtomatikiv APK», Kyiv, NUBіP. (inUkrainian)
Ameur, H. (2018). Modification sin the Rush-tonturbineformix in gvisco plasticfluids. J. FoodEng. ,223, pp. 117-125.
Ratushnyak G.S., Lyalyuk O.G., Koshcheev І.A. (2017). Bіogazovі ustanovki zvіdnovlyuvani mi-dzherela mienergії termostabіlіzatsії protsesufer mentatsії bіomasi. Vіnnitsya: VNTU, 88 p. (in Ukrainian)
Trakhunova I.A., Karayeva Yu.V. (2012). Effek-tivnost gidravlichesko goperem eshivaniyaprira zlichnykhsposobakhzagruzk iorganichesko gosub-stratavreaktor BGU. Molodoyuchenyy, No.4, pp. 45-50. (in Russian)
Marks, S., Jeżowska, A., Kozłowski, K., Dach, J., Wilk, B., Fudala-Książek, S. (2017). Review of mix-ing systems of fermentation liquid used in biogas plants. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna, No. 6, pp. 24-26.
KaraevaYu.V. (2013). Modificiro vannayasi stemagidravli cheskogoperemesh ivaniyavmeta ntenkebio gazovojustanovki. Vestnik Ka-zanskogotek hnologiches kogouniversiteta, No.1, pp. 199-201. (in Russian)
Shayakhmetov, R.G. (2011). Issledovanie sposobo-vpe remeshivaniyav metantenkah. Vodoochistka Vodopodgotovka Vodosnabzhenie. Moscow, Vol. 40, No. 4, pp. 18-20. (in Russian)
Shayakhmetov, R.G. (2011). Vliyanie konstrukcij metantenkovna intensi fikaciyup rocessovanaer obnogosbrazhivaniya. Molodoyuchenyy, Vol. 28, No. 5, pp. 113-116. (in Russian)
Pham, C.H., Vu, C.C., Sommer, S.G., Bruun, S. (2014). Factors Affecting Process Temperature and Biogas Production in Small-scale Rural Biogas Di-gesters in Winter in Northern Vietnam. Vol. 27, No.7, pp. 1050–1056.
Rashed, M. B. (2014). The Effect of Temperature on the biogas Production from Olive Pomace. Uni-versityBulletinISSUE. Vol. 3, No. 16 pp. 135-148.
Zablodsky, M.M., Spodoba, M.O. (2020). Ob-gruntuva nnyastvorenn yaelekt roteplom ekhan-іchnoї sistemi peremіshuvan nyatapі dіgrіvubіomasi. Energetika ta avtomatika, Kyiv, No.5, pp. 136-148. (in Ukrainian)
Zablodsky M.M., Spodoba M.O. (2020). Viznachennya energetichno efektivnogo rіvnya shvidkostі peremіshuval'nogo organu elektromekhanіchnoї sistemi. Elektromekhanіchnі і energozberіgayuchі sistemi. Kremenchuk, Vol. 52, No. 4, pp. 17-26. DOI: 10.30929/2072-2052.2020.4.52.17-26 (in Ukrainian)
Spodoba, M.O., Zablodsky, M.M. (2021). Zalezhnіst' energetichnih vitrat vіd tipu vikoristanoї mekhanіchnoї mіshalki u bіogazovomu reaktorі. Elektrotekhnіka ta elektroenergetika, Zaporіzhzhya, No. 1, pp. 26-33. (in Ukrainian)
Zablodskiy, M., Spodoba, M. (2021). Dynamic Analysis of Energy Consumption During Substrate Fermentation in a Biogas Reactor, 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), pp. 147-152, doi: 10.1109/KhPIWeek53812.2021.9569995.
Mykola, Z., Mykhailo, S. (2020). Mathematical Model Of Thermal Processes During The Fermenta-tion Of Biomass In A Biogas Reactor, 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), pp. 227-231.
Berzan, V., Postolati, V., Bykova, E., Cernei, M., Volconovich, L. (2019). Trends and Risks in the Natural Gas Supply of the Republic of Moldova Tendințe și riscuri în asigurarea cu gaze naturale a Republicii Moldova. Vol. 42, No. 1-3, pp. 94-114. 10.5281/zenodo.3242741.
Postolatiy, V., Babich, V. (2018). Tariff Policy in the Formation of the Price of Thermal Energy. Problemele energeticii regionale, Vol. 38, No. 3, pp. 170–181.
Zablodsky, M.M., Spodoba, M.O. (2020). Metodika provedennya eksperimental'nih doslіdzhen' bіogazovogo reaktora z zaglibnoyu kombіnovanoyu sistemoyu peremіshuvannya ta elektrichnogo pіdіgrіvu.Proceedings of the IX Inter-national Scientific and Technical Conference "Prob-lems of modern energy and automation in the sys-tem of nature management (theory, practice, histo-ry, education)", Kyiv.
Zablodskiy, M.M., Spodoba, M.O. Power supply of measuring sensors when performing experimental studies of electrical thermal mechanical system. En-ergyandAutomation, 0 (4), Kyiv, pp. 39-48. doi:10.31548/energiya2021.04.03
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 Nikolay Zablodskiy, Mykhailo Spodoba, Alexander Spodoba
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
