Дослідження енергетичних витрат на механічне змішування сировини у біогазовому реакторі

Abstract

UK: Мета роботи. Дослідження витрат енергії механічними мішалками та обрання енергетично ефективного пристрою для перемішування із забезпеченням зменшення витрат енергії на процес вироблення біогазу та зростання зацікавленості у подальшій його переробці в інші види енергії. Методи дослідження. Порівняльний аналіз та використання методів математичного моделювання для визначення кількості витраченої енергії на перемішування, узагальнення отриманих результатів. Отримані результати. Формування енергетичної системи полягає у включенні в неї відновлювальних систем альтернативної енергетики, серед яких – біогазові технології. Енергетична ефективність яких залежить від кількості енергії спожитої на процеси інтенсифікації зброджування сировини. Одним із основних засобів інтенсифікації є обережне та часте перемішування сировини у ході зброджування. Наявність різноманітних типів пристроїв для перемішування речовин у реакторах підтверджує актуальність питання розробки енергетично ефективних засобів для пришвидшення зброджування та підвищення рентабельності подальших дій з біогазом та його переробкою. 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. Проаналізовано типи електричних машин, що використовуються у якості електричних приводів перемішуючих пристроїв. Враховуючи системи керування електричними приводами та циклограми їх роботи, а також особливості перемішування речовини, зміну критерію гідродинамічної подоби Ейлера для різних типів механічних змішувачів при однакових геометричних параметрах біогазових реакторів, рівні органічної сировини та однакового швидкісного режиму руху робочого органу мішалки встановлено споживану потужність на технологічний процес – перемішування. Проведено порівняльний аналіз впливу типу та геометричних розмірів механічних мішалок на витрату енергії для перемішування об’єму речовини у замкненому резервуарі при використанні однофазного асинхронного двигуна у якості приводу мішалки. Використовуючи поліноміальну залежність, отримано рівняння, що описує зміну потужності електричного приводу від зміни частоти обертання робочого органу двоярусної мішалки у якої лопаті встановлені під кутом 900. Практична цінність. Наведені у роботі результати можна використовувати для підвищення енергетичної ефективності біогазових установок. 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. EN: Purpose. Study of energy consumption by mechanical mixers and selection of an energy-efficient mixing device to ensure reduction of energy consumption for the biogas production process and increase interest in its further processing into other types of energy. Methodology. Comparative analysis and use of mathematical modeling methods to determine the amount of energy consumed for mixing, generalization of the results obtained. Findings. The formation of the energy system consists in including renewable alternative energy systems, including biogas technologies. The energy efficiency of which depends on the amount of energy consumed for the processes of intensification of the fermentation of raw materials. One of the main means of intensification is careful and frequent mixing of raw materials during fermentation. The presence of various types of devices for mixing substances in reactors confirms the relevance of the issue of developing energy-efficient means to accelerate fermentation and increase the profitability of further actions with biogas and its processing. The most rational ways to increase the energy efficiency of mixing are to establish the dependences of energy consumption by mechanical mixing devices, to choose a rational type of mixer, which includes the search for rational mass-dimensional characteristics that ensure uniform flows of raw materials in the biogas reactor and at the same time spend the least amount of energy for mixing. Performing the above actions ensures the determination of rational mass-dimensional characteristics of the mixer, which significantly reduces energy consumption for mixing and increases the profitability of implementing biogas technologies into the energy system. Originality. The types of electric machines used as electric drives of mixing devices are analyzed. Taking into account the control systems of electric drives and the cycle diagrams of their operation, as well as the features of mixing the substance, the change in the Euler hydrodynamic similarity criterion for different types of mechanical mixers with the same geometric parameters of biogas reactors, the levels of organic raw materials and the same speed mode of movement of the working body of the mixer, the power consumption for the technological process – mixing is established. A comparative analysis of the influence of the type and geometric dimensions of mechanical mixers on the energy consumption for mixing the volume of the substance in a closed tank when using a single-phase asynchronous motor as a mixer drive is carried out. Using a polynomial dependence, an equation was obtained that describes the change in the power of the electric drive from the change in the frequency of rotation of the working body of a two-tier mixer in which the blades are installed at an angle of 900. Practical value. The results presented in the work can be used to increase the energy efficiency of biogas plants. The direction of further research on the consumption of reactive power by electric motors during the technological cycle of the mixer operation has been established, which will allow determining the pattern of changes in reactive power consumption and outlining the directions of movement towards its reduction.