Дослідження енерговитрат на перемішування сировини у біогазовому реакторі з використанням механічних мішалок
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2026-2-6Ключові слова:
енергетичне споживання, порівняльний аналіз, енергоефективність, поліном, критерій Ейлера, механічне перемішування, потужність електричного двигунаАнотація
Мета роботи. Дослідження енергетичних витрат на підтримку врівноваженого стану сировини у біогазовому реакторі за використання механічних мішалок для встановлення ефективної конструкції механічної мішалки.
Методи дослідження. Порівняльний аналіз та використання методів математичного моделювання для визначення кількості витраченої енергії на перемішування, узагальнення отриманих результатів.
Отримані результати. Формування новітньої та збалансованої енергетичної системи полягає у впровадженні до її складу відновлювальних систем енергетики, серед яких і біогазові технології. Енергоефективність біогазових технологій залежить від величини витраченої енергії на підтримку анаеробного зброджування. Саме цей фактор, є одним із основних при розгляді інвесторами можливостей фінансування проектів щодо будівництва або модернізації біогазових технологій. Одним із основних засобів інтенсифікації анаеробного зброджування є підтримка температури сировини у заданих межах та врівноважений стан сировини у об’ємі біогазового реактора, що досягається шляхом перемішування. Найбільш раціональними шляхами для підвищення енергоефективності перемішування є встановлення залежностей витрати енергії механічними змішуючими пристроями, виборі раціонального виду мішалки, що включає пошук раціональних масо-габаритних характеристик, які забезпечують рівномірні потоки сировини у біогазовому реакторі та при цьому витрачають найменшу кількість енергії для перемішування. Виконання вищезазначених дій, забезпечує визначення раціональних масогабаритних характеристик мішалки, що значно знижує споживання енергії на перемішування та підвищує рентабельність впровадження біогазових технологій у енергетичну систему.
Наукова новизна. Авторами виведено критеріальні рівняння, що дозволяють математичним шляхом визначити зміну споживаної потужності електричного приводу від частоти обертання валу механічних мішалок. Встановлено аналітичні залежності між споживаною потужністю електропривода та частотою обертання валу механічних мішалок для біогазових реакторів, що враховують реологічні властивості субстрату. Отримано графічні залежності зміни витраченої потужності від частоти обертання робочого органу механічних мішалок для біогазових реакторів циліндричної форми.
Практична цінність. Отримані у роботі результати дозволяють розраховувати величину споживаної енергії математичним шляхом, не проводячи додаткових експериментальних досліджень, що суттєво скорочує фінансові витрати та час проектування систем перемішування сировини у біогазових реакторах. Встановлено напрямок проведення подальших досліджень, щодо споживання реактивної потужності електричними двигунами за час технологічного циклу роботи мішалки, що дозволить визначити картину зміни споживання реактивної потужності та окреслити напрямки руху до її зменшення.
Посилання
WBA. (2019). Global Potential of Biogas; World Bio-gas Association: London, UK.
EBA. (2023). EBA Statistical Report 2023; European Biogas Association: Brussels, Belgium.
Marks, S., Dach, J., Fernandez Morales, F.J., Mazur-kiewicz, J., Pochwatka, P., Gierz, Ł. (2020). New Trends in Substrates and Biogas Systems in Poland. Journal of Ecological Engineering, 21, 4, 19-25. DOI: 10.12911/22998993/119528
Balussou D. McKenna R., Möst D. Fichtner W. (2018). A model-based analysis of the future capacity ex-pansion for German biogas plants under different le-gal frameworks. Renew. Sustain. Energy Rev. 96, 119–131. DOI: 10.1016/j.rser.2018.07.041
Ward, A.J., Hobbs, P.J., Holliman, P.J., Jones, D.L. (2008). Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresour. Technol. 99, 7928. DOI: 10.1016/j.biortech.2008.02.044
Ratushnyak, G.S., Lyalyuk, O.G., Koshcheev, І.A. (2017) Bіogazovі ustanovki z vіdnovlyuvanimi dzherelami energії termostabіlіzatsії protsesu fer-mentatsії bіomasi. [Biogas plants with renewable en-ergy sources for thermal stabilization of the biomass fermentation process] Vіnnitsya: VNTU, 84.
Holub S., Shinkaruk N. (2021). Principles of legal regu-lation of bioenergy use in the European Union. Law. Human. Environment, Kyiv, 12(4), 72-77. DOI:10.31548/law2021.04.09
Zablodskiy M., Spodoba M., Spodoba O. (2022). Ex-perimental study of energy losses of a biogas reactor to the environment in the mesophilic mode of fer-mentation. Energy and automation, 2, 18-32. DOI: 10.31548/energiya2022.02.018
M. Zablodskiy, M. Spodoba, О. Spodoba. (2022). Ex-perimental investigation of energy consumption for the process of initial heating of a substrate for the use of electric heat-mechanical system. Electrical Engi-neering and Power Engineering, 1, 49–59. DOI: 10.15588/1607-6761-2022-1-5
Zablodskiy M.M., Spodoba M.O. (2020). Rationale for creating an electrothermomechanical system for mixing and heating biomass. Energy and Automa-tion, Kyiv, 5, 136-148. DOI: 10.31548/energiya2020.05.136
Foukrach, M., Bouzit, M., Ameur, H. (2020). Effect of Agitator’s Types on the Hydrodynamic Flow in an Agitated Tank. Chin. J. Mech. Eng. 33, 37. DOI: 10.1186/s10033-020-00454-2
Kurіs, Yu.V. Bіoyenergetichnі ustanovki. Oblad-nannya ta tekhnologії pererobki organovmіsnikh en-ergoresursіv. [Bioenergy plants. Equipment and tech-nologies for processing organic energy resources]. Zaporіzhzhya: ZDІA, 348.
Ratushnyak, G.S., Anokhіna, K.V., Dzhedzhula, V.V. (2010) Doslіdzhennya parametrіv protsesu peremіshuvannya organіchnoї masi v bіogazovіy ustanovtsі z vertikalnim propelernim peremіshu-vachem. [Research of parameters of the process of mixing organic mass in a biogas plant with a vertical propeller mixer]. Vіnnitsya: VNTU, 170.
Chervoniy, І.F., Kurіs, Yu.V. (2012) Doslіdzhennya pristroїv ta udoskonalennya protsesіv peremіshu-vannya v bіogazovikh ustanovkakh. [Research on devices and improvement of mixing processes in bio-gas plants]. Kh.: Energosberezheniye. Energetika. Energoaudit. 2, 96.
Spodoba, M.O., Zablodskiy, N.N., Radko, І.P. (2019) Osnovnі skladovі metodologії pobudovi zaglibnogo elektromekhanіchnogo peretvoryuvacha dlya bіogazovikh kompleksіv [Main components of the methodology for constructing a submerged electro-mechanical converter for biogas complexes]. V In-ternational scientific and practical conference dedi-cated to the memory of Professor Viktor Mykhailo-vych Synkov “Problems and prospects for the devel-opment of energy, electrical technologies and auto-mation in the agricultural complex». K.: NUBіP.
D. Deublein and A. Steinhauser, "Biogas from Waste and Renewable Resources. An Introduction" in, Weinheim:KGaA, pp. 450, 2008.
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, 6, 24.
Lunyaka, K., Vus, D., Chumakov, G. (2008) Doslіdzhennya masoperedachі pri peremіshuvannі turbіnnoyu mіshalkoyu v posudinakh z vіdbivnimi peregorodkami. [Mass transfer studies during mixing with a turbine mixer in vessels with reflecting baffles]. Ternopil: Vіsnik Ternopіlskogo derzhavnogo tekhnіchnogo unіversitetu, 13,171-176.
Zakomorniy, D.M., Povodzinskiy, V.M. (2015) Klas-ifіkatsіya ta analіz roboti fermenterіv z mekhan-іchnimi peremіshuyuchimi pristroyami v ayerobnikh protsesakh bіotekhnologії. [Classification and analy-sis of the operation of fermenters with mechanical stirring devices in aerobic biotechnology processes]. ScienceRise, 5 (2), 24-32.
Lunyaka K.V., Vus D.N., Rusanov S.A., Klyuyev O.I. (2009) Rozchinennya tverdoї rechovini pri peremіshuvannі mіshalkami v posudinakh z vertikalnimi peregorodkami. [Dissolution of a solid substance by stirring with stirrers in vessels with verti-cal partitions]. Kherson, 36-39.
Ameur H. (2016). Mixing of complex fluids with flat and pitched bladed impellers: effect of blade attack angle and shear-thinning behavior. Food Bioprod. Process. 99, 71-77.
Ameur H. (2018). Modifications in the Rushton tur-bine for mixing viscoplastic fluids. J. Food Eng. 223, 117-125. DOI: 10.1016/J.JFOODENG.2018.04.005
M. Spodoba and O. Spodoba (2023). Mathematical Model of Changes in Energy Costs for Thermostabi-lization of the Substrate and Objects in a Biogas Re-actor," 2023 IEEE 5th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES), Kre-menchuk, Ukraine, 1-6, doi: 10.1109/MEES61502.2023.10402431
M. Zablodskiy and M. Spodoba (2020). Determina-tion of energy efficient level of the speed of mixing body of electromechanical system, Kremenchuk: Electromechanical and energy saving systems, 4, 52, 17-26. DOI: 10.30929/2072-2052.2020.4.52.17-26
Spodoba M.O., Spodoba О.O., Kovalchuk S.I., Oliinik Yu.O. (2025). Determination of the Energy Efficient Speed of the Working Body of the Agitator for Small Biogas Reactors. Problemele energeticii re-gionale, 3, 141-152. DOI: 10.52254/1857-0070.2025.3-67.12
Spodoba M. Zablodskiy M. (2021). Dependence of energy costs on the type of mechanical stirrer used in a biogas reactor. Electrical engineering and power en-gineering, 1, 26-33. DOI: 10.15588/1607-6761-2021-1-3
Spodoba, M., Spodoba, O. (2025). Research of ener-gy expenditures for mechanical mixing of raw mate-rials in a biogas reactor. Electrical Engineering and Power Engineering, 2, 18–25. DOI: 10.15588/1607-6761-2025-2-2
A.G. Skliar, R.V. Skliar (2019). Analysis of methods and means for mixing the substrate in the methane kit of biogas plants. Machinery & Energetics, 10(4), 19. DOI: 10.31548/machenergy.2019.04.019-026
Cherevko, O.І., Poperechniy, A.M. (2014) Protsesi і aparati kharchovikh virobnitstv [Food production processes and equipment]: pіdruchnik 2-e vidannya. dop. ta vipr. Kh.: Svіt Knig, 495
Peresada S.M., Kovbasa, S.M., Dymko, S.S., Blagodir, V.O. (2015). Porivnialnyi analiz ener-hetychnoi efektyvnosti alhorytmiv priamoho vektornoho keruvannia momen-tom asynkhronnykh dvyhuniv z maksymizatsiieiu spivvidnoshennia moment-strum. [Comparative analysis of energy ef-ficiency of algorithms for direct vector torque control of asynchronous motors with maximization of the torque-current ratio]. Technical Electrodynamics. 4. 36-40.
Kvitka S.O., Bezmennikova L.M., Vovk O.Yu., Kvit-ka O.S. Metody upravlinnia ta aparatna realizatsiia su-chasnykh peretvoriuvachiv chastoty [Control methods and hardware implementation of modern frequency converters]. Proceedings of the Tavria State Agrotechnological University: scientific profes-sional publication. Melitopol: TGATU, 2013. Issue 3, vol. 2. P. 164-171.
A. V. Degtyarev, M. G. Kokodiy, V. O. Maslov, V. O. Timanyuk. Postanovka eksperymentu ta obrobka rezul-tativ: navchalnyi posibnyk dlia studentiv fizych-nykh spetsialnostei vyshchykh navchalnykh zakladiv. [Experiment setup and results processing: a textbook for students of physics majors of higher educational institutions]. KhNU named after V. N. Karazin, 2017. 176 p.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 M.O. Spodoba, O.O. Spodoba
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 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.
