2.2. Математичне моделювання динаміки біогазової установки

Основою для контролю працездатності біогазової установки є здобута в результаті розв’язання системи нелінійних диференційних рівнянь передатна функція за каналом “температура зброджування сировини – витрата теплоносія, що гріє” 9-12.

д е

Температура роздільної стінки :

,

де

,

де C — питома теплоємність, кДж /кгК;

D — витрата речовини, кг/с;

T_в,, T_м — постійні часу, що характеризують теплову акумулюючу здатність робочого тіла, металу, с;

g — питома маса речовини, кг/м;

h — питома поверхня, м²/м;

t — температура робочого тіла, К;

z — координата довжини теплообмінника, м;

δ — товщина стінки теплообмінника, м;

 — коефіцієнт тепловіддачі, кВт/м² К;

λ — теплопровідність металу стінки теплообмінника, кВт/м К;

,  — температура роздільної стінки, теплоносія, що гріє, К;

S(ωj) — параметр перетворення Лапласа;

 - частота;

 — час, с.

Індекси: 0 — стаціонарний режим;

1, 2 — вхід, вихід із теплообмінника;

в — потік робочого тіла;

н — потік теплоносія, що гріє;

м — металева стінка.

2.3. Логічне моделювання у складі технологічної системи

К онтроль працездатності та ідентифікація стану біогазової установки відбувається на основі графа причинно-наслідкових зв’язків динамічної підсистеми як основи технологічної системи (рис.2) [9-12].

Рис.3. Граф причинно-наслідкових зв’язків динамічної підсистеми:

CT - контроль події; Z - логічні відношення; ST – ідентифікація події. Індекси:1 – впливи; 2- внутрішні параметри, що діагностуються;

3- коефіцієнти рівнянь динаміки; 4 – істотні параметри,

що діагностуються; 5 – динамічні параметри; C - контроль працездатності; S – стан

Зміна властивостей динамічної підсистеми - біогазової установки обумовлена зміною початкових умов функціонування у зв’язку із появою впливів, що обурюють. Це є причиною здобуття інформації щодо стану внутрішнього параметра, що діагностується - температури стінки теплообмінника для підігріву субстрату, коефіцієнта передатної функції К_з, істотного параметра, що діагностується – температури зброджування, динамічних параметрів динамічних характеристик істотного параметра, що діагностується. Результуюча інформація, що здобута за рахунок логічних відносин у динамічній підсистемі, дозволяє отримати нові властивості біогазової установки в результаті відповідного прийняття рішень та проведенні ідентифікаційних заходів в нових умовах функціонування. Більш того, логічні відносини між динамічною підсистемою та блоками у складі експертної системи дозволяють на основі оцінки стану параметрів, що діагностуються у цих блоках, підтверджувати нові умови функціонування біогазової установки [9-12].

3. Практична частина

3.1. Приклад реалізації

3.2. Вихід біогазу

Добовий вихід біомаси для зброджування в метантенку:

де N_i - кількість тварин щодо розподілу на групи за віком та видом;

m_i - добовий вихід гною від однієї тварини, кг/добу;

n - кількість тваринних груп.

кг/добу.

Залежно від умов утримання тварин до їх гною може бути додана певна кількість домішок: вода, залишки корму, підстилка і ін.

Згідно [2-6 ] щодо аналізу складу гною тваринницьких ферм: в ньому міститься до 20-95% технічної води; підстилки — 12-18%; залишків корму 8-12%, грунту й інших домішок до 18%. Залишки корму і підстилки впливають на сумарний вміст сухої органічної речовини в біомасі, а кількість води визначає її вологість. Для оціночних розрахунків можливо використовувати поправочні коефіцієнти, а зміст сухих речовин і вологість сусла визначити за табл.3, 4.

Таблиця 3

Склад побічних продуктів у відсотках до сухої речовини

Компонент	Компонент
	Солома				Баділля
	ячменю	пшениці	жита	Кукурудзи дза	Буряку	картоплі
Органічна маса	93,8	94,4	95,4	91,7	98,5	78,9
Азот	0,6	0,5	0,5	1,2	2,0	2,3
Фосфор	0,1	0,1	0,1	0,2	0,3	0,2
Калій	1,4	0,8	0,9	2,3	3,6	1,7
Кальцій	0,3	0,1	0,2	0,8	1,4	2,6
Клітковина (сира)	43,5	45,5	47,5	33,3	11,5	23,8
Лігнін	15-20	15-20	15-20	5,5	.	-
С/N	84	90-165	80-150	30-65	18	17

Таблиця 4

Склад екскрементів тварин у відсотках до сухої речовини

Компонент	Вид тварин
	Велика рогата худоба на відгодівлі	Дійні корови
Органічна маса	77-85	77-85
Азот	2,3-4,0	1,9-6,5
Фосфор	0,4-1,1	0,2-0,7
Калій	1,0-2,0	2,3-2,4
Кальцій	0,6-1,4	2,3-4,9
Клітковина (сира)	27,6-50,6	27,6-50,6
Лігнін	13-30	16-30
С/N	9-15	9-15

Добовий вихід гною з урахуванням вмісту інших домішок (залишок корму, підстілка і ін.):

де к_п - поправочний коефіцієнт (1,3-1,6), що враховує підстілку і залишки корму.

, кг/добу.

Маса сухої речовини в гної:

,

де W%- вологість гною;

кг/добу.

Маса сухої органічної речовини:

,

де Р_{с.о.в, .}% - вміст сухої органічної речовини в гної;

, кг/ добу.

Об'єм метантенка за біомасою при повному завантаженні:

,

де 15 годин - час переробки сировини в реакторі (рідкий гній великої рогатої худоби);

р_сус-- щільність сусла (можливо приймати рівній щільності води, оскільки його вологість ≈ 90 %.), кг / м³;

м³.

Виходячи з того, що V_п.з./V_м повинно бути в межах 0,7 - 0,9 повний об'єм метантенку з куполом становить:

V_м = 900 /0,82 = 1100 м³.

Вихід біогазу при повному розкладанні (зброджуванні):

,

де n_ск - вихід біогазу на кг сухої речовини (гній ВРХ з урахуванням вмісту інших домішок: 0,25 – 0,40 м³);

від

м³ / добу

до

м³ / добу

м³ / добу.

Умовна кількість біогазу (відношення виходу біогазу до повного об'єму метантенка), м³ / м³:

від м³ / м³

до м³ / м³.

Розрахункове середнє значення:

м³ / м³

Вихід біогазу при неповній тривалості зброджування:

,

де n_i – ступінь зброджування субстрату при неповній тривалості зброджування - 60-70%.

Представлені|уявлені| практичні дані по виробництву біогазу в одному з трьох біореакторів демонстраційної БУ| |схильний| поблизу м. Каунас (Литва) [1], дозволяють зробити висновок: вихід біогазу коливається|вагатися| в широких межах, що залежить насамперед від забезпечення стабільності протікання технологічного процесу і контролю основних параметрів, що впливають на ефективність роботи біогазової установки:

від м³ / добу

до м³ / добу

м³ / добу.

Умовна кількість біогазу при неповній тривалості зброджування:

від м³ / м³

до м³ / м³.

Розрахункове середнє значення при неповній тривалості зброджування:

м³ / м³.

Енергія біогазу, яка виробляється протягом доби:

,

де Q_нр = 21 - 28 ≈ 23 МДж / м³ .

ГДж / добу ;

ГДж / добу;

ГДж / добу

.