Использование паровых и водогрейных котлов при производстве сахара

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Во многих странах мира энергетика на биомассе становится эффективной самоокупаемой отраслью, конкурентоспособной по отношению к энергетике на ископаемом топливе. В настоящее время в Дании, например, на долю биомассы приходится около 7 % всей вырабатываемой энергии в стране, в Австрии она составляет 12 %, в Швеции 21 %, в Финляндии - 23 %. В целом в странах Европейского Союза в среднем около 14 % общей энергии получено из биомассы, а в мире этот показатель равен 15 %. И эти цифры с каждым годом растут.

Республика Молдова не обладает какими либо ископаемыми источниками энергии, поэтому вынуждена импортировать энергоресурсы. В связи с тем, что в последнее время цена на энергоресурсы неуклонно растет, встает вопрос об использовании альтернативных источников энергии. Как наиболее подходящим источником такой энергии является, конечно же, биомасса, тем более что Республика Молдова является аграрной страной.

Биомасса пользуется популярностью с древности, но сейчас ее популярность резко возросла, так как при ее использовании можно сэкономить, учитывая неуклонный рост в цене энергоресурсов. Кроме того биомасса является возобновляемым источником энергии и нередко используется как побочный продукт производства, что иногда даже упрощает сам процесс производства. Использование биомассы так же поможет снизить выбросы СО2, так как растения поглощают примерно столько же СО2 во время их роста, сколько выделяется при их сжигании.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы - производство из нее биогаза, состоящего на 50-80 % из метана и на 20-50 % из углекислоты. Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений) и экологическую [13].

Получая из биомассы биогаз, появляется возможность использовать его на нужды предприятия. Так, с 1 m3 биогаза, в зависимости от содержания метана, можно выработать от 1,5 до 2,2 kW электроэнергии [14]. При производстве электрической энергии получается и тепловая энергия, которую также можно направить на нужды предприятия.

В процессе сбраживания получается не только биогаз, но и ценное, высококонцентрированное, лишенное нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры органическое удобрение [15]. Испытания показывают, что использование данного удобрения увеличивает урожайность в 2-4 раза [16].

Производство биогаза позволяет так же предотвратить выбросы метана в атмосферу, снизить применение химических удобрений, сократить нагрузку на грунтовые воды.

Китай уже имеет более 7 млн. биогазовых установок с объемом реакторов 8-10 м3. Это обеспечивает теплом 30 млн. крестьян. Индия имеет примерно 500 тыс. семейных установок. В странах ЕЭС примерно 600 установок, из них 17 перерабатывает в биогаз городской твёрдый мусор. В США во множестве работают крупные биогазовые установки по переработке городского твёрдого мусора со средней мощностью до 100 млн м3 биогаза в год.. В настоящее время биогазовые установки, перерабатывающие в основном отходы животноводческих ферм, имеют Германия, Финляндия, Франция, Бельгия, Швеция, Италия. В каждой эксплуатируются до 100 установок [17].

Так может пора и Республике Молдова воспользоваться огромным мировым опытом в использовании биогазовых технологий?

В данной работе рассматривается биогазовая установка, подобие которой планируется построить на сахарном заводе г.Дрокия в конце 2011 года. В качестве биомассы используется свекольный жом. В период сезона уборки сахарной свеклы, на биогазовом заводе будет использоваться жом Дрокиевского сахарного завода. Вне сезона предлагается использовать жом Фалештского сахарного завода, который так же входит в состав предприятия «Sudzucker Moldova S.A.». Для этого жом будет перевозиться по железнодорожному транспорту и складироваться в силосные ямы для хранения. Биогаз, в период работы завода, будет сжигаться в паровых котлах. Вне сезона биогаз предлагается сжигать в когенерационных модулях. При этом тепловая энергия будет направляться на ГВС поселка.

Наличие такой установки поможет снизить в конечном итоге цену на сахар, и тем самым повысить конкурентную способность сахарного завода не только в Молдове, но и на всем постсоветском пространстве.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ

1.1 Общая информация о предприятии и описание ТЭЦ

Общая информация о предприятии и о сахарном производстве

Сахарный завод города г. Дрокия был построен в 1957 году. Ежегодно это предприятие перерабатывает около 300 тыс.тонн сахарной свеклы. С приходом компании «Sudzucker Moldova S.A.» на заводе проведены существенные изменения: на 47,6% снижен расход теплоэнергии, на 26,0% - известкового камня. В сезон здесь работает около 500 человек. В период становления «Sudzucker Moldova S.A.» именно Дрокиевский сахарный завод стал первой площадкой для внедрения европейских управленческих и технологических инноваций. Фактически с модернизации этого завода началось создание компании, и сегодня этот завод является оперативным администраторским центром «Sudzucker Moldova S.A.». Компания и в дальнейшем собирается модернизировать данное предприятие. Примером этого может послужить проект по постройке на территории предприятия биогазовой установки к сентябрю 2011 года, на который планируется потратить 12,5 млн.€. С помощью этой установки планируется экономить 70-75% природного газа [18].

Дрокиевский сахарный завод представляет собой крупное предприятие, перерабатывающее в сутки 300 тыс.тонн свеклы. Период работы завода составляет 100 дней. На заводе все операции механизированы и выполняются непрерывным поточным способом круглосуточно, без остановок на выходные дни.

Из первичных (бурачных) приемников свеклы или из кагатов свеклу доставляют в здание завода при помощи гидравлических транспортеров, т. е. желобов, в которые подается вода/[1]. Водой свекла уносится на завод. На гидравлическом транспортере обычно устанавливают механические соломоловушки и камнеловушки, отделяющие от свеклы грубые примеси. На заводе свекла поступает в корытообразную мойку, снабженную валом и кулаками, в которой отмывается от земли. Затем свеклу элеватором поднимают на высоту примерно 15 м, чтобы дальнейшие операции осуществлялись самотеком. С элеватора вымытую свеклу подают на автоматические весы, регистрирующие массу сырья, поступившего на завод. Следующей задачей является получение из свеклы сока. В современных диффузионных аппаратах непрерывного действия свекла, изрезанная в стружку, движется навстречу горячей воде, в которую постепенно диффундирует сахар из свекловичной стружки. При таком противоточном высолаживании получают диффузионный сок, содержащий почти весь сахар свеклы, а в обессахаренной стружке («жом») теряется всего лишь около 0,3% сахара по свекле. Диффузионный сок мутный, черного цвета. Для очистки диффузионный сок нагревают паром в особых подогревателях (решоферах) до 90°С и прибавляют к нему известковое молоко (на 100 кг свеклы расход извести составляет от 2 до 3 кг). При нагревании сока и действии на него извести коагулируют белки и черные красящие вещества свеклы. Кроме того, анионы многих солей и кислот, содержащихся в диффузионном соке, образуют осадок с ионом кальция и, таким образом, удаляются из раствора (например, анионы щавелевой, фосфорной и ряда других кислот), происходит, следовательно, очистка сока. Операцию добавления извести для очистки сока называют дефекацией (осаждением). На дефекацию расходуют значительный избыток извести. Затем дефекованный сок вместе со всеми осадками насыщают углекислым газом (это так называемая I сатурация, т.е. насыщение), при этом избыточная известь превращается в нерастворимый мелкий кристаллический осадок СаСО3, на поверхности частиц которого собираются (адсорбируются) некоторые, особенно окрашенные, несахара сока; таким образом, достигается дополнительная очистка сока путем адсорбции.

Отсатурированный сок нагревают до 90 °С, чтобы улучшить фильтрацию, и фильтруют на вакуум-фильтрах, которые отделяют дефеко-сатурационный осадок, содержащий СаСОз и несахара, осажденные на дефекации. Цвет профильтрованного сока светло-желтый. В профильтрованном соке содержится еще в растворе небольшой избыток извести, поэтому его подвергают II сатурации углекислотой и выпавший осадок СаСО3 снова отфильтровывают. Перед II сатурацией сок нагревают в подогревателях до 100 °С, что препятствует вредному образованию на II сатурации растворимого бикарбоната кальция Са(НСОз). Остающуюся в соке тонкую муть удаляют повторной фильтрацией при малом давлении. Полученный сок обрабатывают газом S02 (сульфитация) для дополнительного обесцвечивания его и еще раз фильтруют. Очищенный сок светло-желтого цвета. В нем содержится около 15% сухих веществ и около 14% сахара. Очищенный сок выпаривают на выпарной установке до концентрации 65% сухих веществ, из которых около 60% сахара и 5% несахаров. Сироп еще раз сульфитируют для дополнительного обесцвечивания и фильтруют.

Наконец, очищенный сироп уваривают под разрежением в вакуум-аппаратах до высокой концентрации - около 92,5% сухих веществ (из них около 85% сахара). Этот продукт называется утфелем. Небольшого количества воды, остающейся в утфеле (7,5%), недостаточно, чтобы удержать в растворе весь сахар. Поэтому в процессе уваривания большая часть сахара выкристаллизовывается и утфель содержит более 50% кристаллов сахара. Остается лишь отделить этот сахар от окружающей маточной жидкости, содержащей также сахар в растворе и все несахара.

Кристаллы сахара отделяют из утфеля на центрифугах-быстровращающихся вертикальных барабанах с ситчатой боковой поверхностью (1000 об/мин и более). Утфель, загруженный в центрифугу, под действием центробежной силы располагается по боковой поверхности барабана: межкристальный оттек прогоняется центробежной силой сквозь ситчатую поверхность, и в барабане остаются лишь кристаллы сахара, которые промывают небольшим количеством горячей воды. Полученный сахар-песок высушивают и упаковывают в мешки.

Маточный раствор («зеленый оттек»), отделенный на центрифугах, содержит еще много сахара (примерно 62%), поэтому его еще раз уваривают в вакуум-аппарате до содержания 95% сухих веществ и получают утфель II кристаллизации. Чтобы выкристаллизовать больше сахара, утфель II кристаллизации охлаждают до 40° С при перемешивании в корытообразных кристаллизаторах. Затем кристаллы сахара отделяют на центрифугах. Получается сахар уже худшего качества - «желтый сахар», который возвращают в производство (растворяют в сатурационном соке и прибавляют к сиропу). В маточном растворе, отделенном от утфеля II кристаллизации, хотя и содержится около 50% сахара по массе раствора, но получить этот сахар методом дальнейшего уваривания и кристаллизации уже не удается, так как содержащиеся в нем несахара затрудняют кристаллизацию. Это раствор является отходом производства, называемым мелассой (или кормовой патокой). Он употребляется на производство спирта или дрожжей, частично идет на корм скоту и на получение комбинированные кормов. Кроме того, в настоящее время из мелассы извлекают сахар, применяя химические методы. Действуя известью или окисями стронция или бария («сепарация», т.е. выделение сахара из мелассы), сахар переводят в слаборастворимые соединения.

Итак, свеклосахарное производство, перерабатывая сахарную свеклу, дает обычный белый сахар-песок и в качестве отходов - жом (обессахаренную свекловичную стружку), дефеко-сатурационный осадок, получаемый при очистке сока, и мелассу.

Описание ТЭЦ

Источником тепловой и электрической энергии на сахарном заводе города Дрокия является ТЭЦ. Во время сезона ТЭЦ полностью снабжает завод тепловой и электрической энергией и даже выдает избыток электрической энергии в энергосистему. Вне сезона ТЭЦ не работает и электроэнергия для собственных нужд потребляется из системы.

В котельной находятся четыре вертикально-водотрубных котла фирмы «РАДИАНТ», два из которых находятся в резерве. Технические характеристик котла представлены в Таблице 1.1 Котлы работают на природном газе. В качестве резервного топлива используется мазут.

Таблица 1.1 - Основные технические характеристики котла фирмы «РАДИАНT»

N	Наименование показателя	Значение	Единицы
1	Номинальная производительность	30	t/h
2	Давление пара в барабане	4,3	МPa
3	Давление перегретого пара	3,9	МPa
4	Расчетная температура перегретого пара	450	°С
5	Температура питательной воды	105	°С
6	Расчетный КПД брутто	92	%
7	Площадь поверхности нагрева конвективного пучка	321	m2
8	Площадь поверхности нагрева экранов	127	m2
9	Площадь поверхности нагрева пароперегревателя	282	m2
10	Площадь поверхности нагрева водяного экономайзера	262	m2
11	Площадь поверхности нагрева воздухоподогревателя	660	m2

Характеристика дымососов и воздуходувок представлена в Таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Тягодутьевые машины

N	Наименование показателя	Вентилятор	Дымосос
1	Тип	Lonis PRAT	Д15,5	Двустороннего всаса Lonis PRAT
2	Подача, м3/ч	41,6-50	60	56-60
3	Напор, кгс/мг	185-230	200	140-180
4	Мощность электродвигателя, кВт	51,5	73,0	75
5	Частота вращения, об/мин	900	730	950
6	Количество штук	3	1	2

В качестве питательной воды используется конденсат отработавшего и редуцированного (технологического) пара, а также вторичного пара 1-го корпуса выпарной установки. Характеристика питательных насосов представлена в Таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Питательные насосы

N	Наименование показателя	Единицы	ПЭ-65-56	МРСВ-20-11	Турбонасос
1	Подача	m3/h	65	60	30
2	Напор	kPa	5,76	6,62	5,64
3	Мощность	кW	260	-	-
4	Частота вращения	rot/min	2960	3000	3900
5	Количество	-	2	1	2
6	Давление пара	bar	-	-	39
7	Температура пара	°С	-	-	450

Турбинное отделение состоит из двух турбин с противодавлением Р-6-35/3 мощностью 6 МВт каждая. В работе находится одна турбина, вторая в резерве. Технические характеристики турбины представлены в Таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Технические характеристики турбины Р-6-35/3

N	Наименование показателя	Единицы	Значение
1	Мощность	MW	6
2	Давление острого пара	МPa	3,5
3	Температура острого пара	°С	435
4	Частота вращения	rot/min	3000
5	Давление на выхлопе	МPa	0,3
6	Температура на выхлопе	°С	186

1.2 Поверочный расчет котла при сжигании природного газа

Расчет процесса горения

Для сжигания биогаза в котлах, их необходимо переоборудовать под горение на биогазе. Исходя из расхода пара на производство можно рассчитать расход природного газа. Но для этого необходимо рассчитать КПД котла при сжигании природного газа, Так как котлы работают не на полную мощность. Для этого рассчитаем процесс горения в топке.

Состав газа, сжигаемого на ТЭЦ:

CH4= 94 %;

C2H6= 1,2 %;

C3H8= 0,7 %;

C4H10= 0,4 %;

C5H12= 0,2%;

N2= 3,3 %;

CO2= 0,2 %.

Теплота сгорания - ;

Плотность газа - = 0,765 kg/m3.

Теоретическое количество воздуха необходимого для процесса горения найдем по формуле:

m3/m3; (1.1)

где: ,,,, и - процентное содержание соответствующих газов в смеси;

m3/m3.

Теоретические объемы продуктов сгорания рассчитываются по формулам:

объем трехатомных газов:

m3/m3; (1.2)

где: , , , , , - процентное содержание соответствующих газов в смеси;

m3/m3.

объем азота:

m3/m3; (1.3)

где: - содержание азота в воздухе, в %,

- теоретическое количество воздуха, необходимого для процесса горения, в m3/ m3;

- содержание азота в природном газе, в %;

m3/ m3.

объем водяных паров:

m3/m3; (1.4)

где: ,,- соответствующее содержание газов в смеси, в %;

-содержание водяных паров в смеси, в %;

m3/m3 . (1.5)

Потери тепла с химическим недожогом примем равными q3= 1,5 %;

Коэффициент избытка воздуха в топке примем равным ;

Из Таблицы XVII.A [4], примем значения инфильтрации воздуха в элементах котла:

в топке -

в конвективном пучке - ;

в экономайзере - .

Рассчитываем значения коэффициента избытка воздуха в элементах котла:

в конвективном пучке:

; (1.6)

на входе в экономайзер:

????????????????????????????; (1.7)

на выходе из экономайзера:

???????????????????????????????; (1.8)

Расчет процесса горения представлены в Таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Расчет объемов продуктов горения

Наименование показателя	Символ, формула	Значения
		?т=1,10	?к=1,15	?'эк=1,2	?”эк=1,3
Теоретический объем воздуха, m3/ m3	Vв0	9,515
Объем трехатомных газов, m3/ m3	VRO2	1,013
Теоретический объем азота, m3/ m3	VN2	7,55
Значения	Символ, формула	Значения
		?т=1,10	?к=1,15	?'эк=1,2	?”эк=1,3
Теоретический объем паров, m3/ m3	V0H2O	1,976
Избыток воздуха, m3/ m3	?Vв=(?-1)Vв0	0,952	1,43	1,903	2,855
Избыточный объем паров, m3/ m3	?VH2O=0,016?Vв	0,015	0,023	0,030	0,046
Действительный объем сухих газов, m3/m3	Vс.г= VRO2+ VN2+?Vв	9,515	9,99	10,47	11,418
Действительный объем паров, m3/ m3	VH2O= V0H2O+?VH2O	1,991	1,999	2,006	2,022
Общий объем газов, m3/m3	Vг.г= Vс.г+ VH2O	11,506	11,989	12,476	13,44
Объемные доли	трехатомных газов	rRO2= VRO2/ Vг.г	0,088	0,084	0,081	0,075
	паров	rH2O= VH2O/ Vг.г	0,17	0,166	0,160	0,15
	общие	rt= rRO2/rH2O	0,517	0,506	0,506	0,5
Температура точки росы, 0C	tт.р=f(pH2O= rH2O)	58	57	56	55
Плотность газов, kg/m3	?г=(?+1,293?·?Vв0)/ Vг	1,243	1,244	1,245	1,247

Рассчитываем энтальпию газов горения, принимая соответствующие значения температур в каждой части котла по следующей формуле:

kJ/m3, (1.9)

котел природный газ сахарный производство

где: tг - температура газов горения, в 0C;

, , , - теплоемкости соответствующих компонентов, в kJ/(m3·K).

Тепловой баланс котла

Рассчитываем потери теплоты с энтальпией уходящих газов:

; (1.10)

где: - энтальпия уходящих газов, в kJ/m3;

HВ - энтальпия воздуха. kJ/m3.

- определяется из диаграммы H-t по температуре уходящих газов, которые находятся в пределах 160...170 0C. Примем tу.г= 165 0C. Из диаграммы H-t на рисунке 1.1 имеем: = 3050 kJ/m3.

Энтальпия воздуха рассчитывается по формуле:

HВ = ?”экVв0cвtв, kJ/m3; (1.11)

где tв - температура воздуха, 0C; принимаем tв = 30 0C.

cв - теплоемкость воздуха, в kJ/(m3·K). При температуре tв = 30 0C cв = 1,323 kJ/(m3·K).

kJ/m3. (1.12)

Тогда:

=%.

Из графика на Рисунке 1.2 берем значение потерь тепла в окружающую среду через внешнее охлаждение [4]. Для котла производительностью D= 30 t/h q5= 1,2 %.

Рисунок 1.1 - Потери тепла котлом в окружающую среду через внешнее охлаждение в зависимости от паропроизводительности

Так как котел работает не на всю мощность, то необходимо рассчитать потери для реальной мощности:

% ; (1.13)

где - номинальная паропроизводительность, t/h;

- реальная паропроизводительность, t/h;.

Рассчитываем КПД брутто котла:

. (1.14)

Рассчитываем расход топлива на котел по формуле:

(1.15)

где: - паропроизводительность котла, в kg/s;

hv - энтальпия пара на выходе из котла, в kJ/kg;

hп.в-энтальпия питательной воды на входе в котел, в kJ/kg;

- низшая теплота сгорания природного газа, в MJ/m3

.

Для определения объемов продуктов сгорания и воздуха, а так же тепла отданного газами в поверхностях нагрева, вводится расчетный расход топлива, вычисляемый с учетом химического недожога:

. (1.16)

Обоснование выбора темы

Изучение литературных источников

Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Китае, Индии, Ассирии и Персии начиная с XVII века до нашей эры. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII веке нашей эры, спустя почти 3,5 тысячи лет. В 1764 году Бенджамин Франклин в своем письме Джозефу Пристли описал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью-Джерси, США. Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях дал Александр Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе. После открытия химической формулы метана Дальтоном в 1804 году, европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза [20].

Свой вклад в изучение образования биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил Попов в 1875 году. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6°С. С увеличением температуры до 50°С, количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу - 65% метана: 30% углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В.Л. Омельянский детально исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии. Вскоре после этого, в 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. Начиная с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер (Англия) снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости. Двумя годами позже появилось сообщение о получении биогаза в Бомбее, где газ собирался в коллектор и использовался в качестве моторного топлива в различных двигателях.

В начале XX века были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.

Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия... Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. Уже к 1920 году они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки твердых отходов объемом 10 м3 была разработана Неманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 году. В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из навоза. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. Вполне естественно, этот опыт распространялся на соседние страны.

Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира.

1.3 Технические решения по модернизации технологии

Очень важной проблемой сахарного завода г. Дрокия является утилизация жома, который является отходом сахарного производства. Ежедневный выход жома составляет 800 t/zi. Во времена СССР все это количество жома использовалось на корм скоту. Теперь, после развала животноводческих комплексов, скармливать жом некому. Поэтому жом вывозится в жомовые хранилища, где и гниет. За аренду земли, где утилизируется жом, предприятие ежегодно выплачивает около 100 000 lei/an. По словам инженеров завода, если в ближайшие годы не будет решена проблема утилизации жома, предприятие ожидают еще большие затраты.

Поэтому, жом можно направить на биогазовую установку, которая переработает его в биогаз и высококачественные удобрения. Биогаз можно использовать на нужды предприятия, тем самым экономя на энергоресурсах. Удобрения можно направить на поля, где выращивается свекла, что позитивно скажется на выходе урожая.

Для того чтобы сжигать биогаз в уже существующих котлах, их необходимо переоборудовать.

Существует два варианта эксплуатации биогазового завода:

биогаз будет производиться только в период работы сахарного завода, то есть только тогда, когда есть жом;

эксплуатация биогазового завода круглый год. Такая схема может быть реализована при заготовке жома силосованием. Этот жом будет перевозиться железнодорожным транспортом с сахарного завода г.Фалешты в Дрокиевский сахарный завод и заготавливаться там в необходимом для работы биогазовой установки количестве. Биогаз будет сжигаться в когенерационных установках, производя электрическую и тепловую энергию. Часть электроэнергии будет использоваться на нужды завода и биогазовой установки, а другая часть будет продаваться. Часть тепловой энергии будет использоваться для поддержания оптимальной температуры в реакторах, остальная часть будет использоваться для ГВС района города.

Какой из этих вариантов целесообразнее с экономической точки зрения, будет показано в 4-й главе.

Обоснование выбора темы

Использование биогазовых технологий - это большой шаг в развитии Республики Молдова. И дело не только в том, что «Sudzucker Moldova S.A.» будет экономить огромные инвестиции, но и в том, что об этой технологии узнают во всей стране и тяга к экономии поможет заставить население Республики Молдова использовать биогазовые установки в хозяйстве. А это в свою очередь, поможет развитию аграрного и животноводческого сектора Республики. Китай, Индия и многие другие страны могут послужить примером, когда в масштабе страны биогазовые технологии продвигаются и пропагандируются.

Использование биогазовых технологий в условиях Республики Молдова - это наиболее подходящий метод использования биомассы из всех ныне существующих. Объясняется это тем, что этот способ утилизации биомассы является наиболее экологичным, так как сжигание газа является наименее вредным с точки зрения экологии. Кроме того, появляется возможность использовать ценные биоудобрения, экономя на удобрениях химической промышленности.

Реализация данного проекта поможет решить проблему утилизации жома на сахарном заводе. В ближайшие годы предприятие может столкнуться с тем, что некуда будет его вывозить. Жом в свою очередь, при гниении в ямах загрязняет землю, атмосферу (выделяется СН4), и подземные воды.

Бонусом данного проекта является возможность подключения части поселка к горячему водоснабжению.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ БИОГАЗА ИЗ ЖОМА

2.1 Оценка выработки биогаза из жома и описание технологии процесса

2.1.1 Технология выработки биогаза

Биогазовые технологии - радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным получением высококалорийного газообразного топлива - биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений. Биогазовые технологии - это решение проблем энергетики, агрохимии, экологии и капитала [5].

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения сапропеля, навоза или птичьего помета, их смесей и других органических веществ в анаэробных условиях (без доступа воздуха). При этом под воздействием особой группы анаэробных бактерий, происходят процессы сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется "метантенком", или "реактором". При соблюдении оптимального температурного режима брожения, постоянном перемешивании сырья, своевременной загрузке исходного и выгрузке сброженного материала выход биогаза достигает 2-3 м3 с 1 м3 реактора, а при использовании птичьего помета - 6 м3.

Есть несколько видов анаэробных бактерий, каждый из которых максимально эффективно работает при определенной температуре. В связи с этим различают различные температурные режимы брожения. На практике используются два режима: мезофильный (30-40°C) и термофильный (51-55°C).

В термофильном режиме реакция идет в два раза быстрее, и соответственно в два раза быстрее выделяется биогаз. Также термофильный режим имеет преимущества с точки зрения экологии, поскольку в этом режиме уничтожаются почти полностью все болезнетворные микроорганизмы. Но термофильный режим требует больших энергозатрат на поддержание необходимой температуры реакции, а также большей точности поддержания температуры. Кроме того, качество биоудобрений в этом режиме получается хуже, чем в мезофильном.

Мезофильный режим предъявляет менее строгие требования к точности поддержания температуры, но не всегда может подходить с точки зрения экологии. Если нас интересуют прежде всего биоудобрения, то мезофильный режим - это безальтернативный выбор.

Если необходимо существенно сэкономить на стоимости биогазовой установки, то подходит термофильный режим. Ведь установка, работающая в термофильном режиме имеет в два раза большую пропускную способность, и, соответственно, может быть уменьшена в два раза по сравнению с установкой, работающей в мезофильном режиме, при переработке того же количества сырья.

При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов - метана и углекислоты, которые образуются в результате разложения сложных субстратов при участии смешанной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку искомый продукт - это газ, сбор его не составляет труда: он просто выделяется в виде пузырьков. Впрочем, иногда при более сложных способах его использования или распределения по трубам возникает необходимость в очистке от примесей или в компрессии. Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В последнем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удаление углекислоты и сероводорода. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т. е. природного газа или же SNG (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья).

Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана либо соотношением горючего метана (CH4) к „бесполезной" двуокиси углерода (C02). Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стремиться к высокому содержанию метана и как можно низкому содержанию двуокиси углерода. Достигаемое обычно содержание метана колеблется между 50 и 75%.

Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:

Ведение процесса: в то время как в одноступенчатых биогазовых установка весь процесс анаэробного разложения происходит в одном ферментаторе, одним этапом, и таким образом весь газ выделяется как смесь газов, в двухступенчатых установках, выработанный на первом этапе газ, состоит в большой степени из двуокиси углерода и других энергетически малоценных газов, выводящихся в окружающую среду. Вырабатываемый на втором этапе газ имеет высокий процент содержания метана, который может составлять и более 80%.

Состав питательных веществ субстрата. Количество и качество произведенного биогаза зависит от количества внесенных веществ и их состава. Протеины и жиры имеют более высокое содержание метана. Для богатых на углеводы субстратов, как например кукуруза можно рассчитывать на содержание метана в среднем 53% .

Температура субстрата: на практике оказалось, что при высокой температуре ферментатора выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это происходит через различия в растворимости и образованием газовидной двуокиси углеводорода. Чем большее количество CО2 перейдет в газовидную форму, тем меньшей будет процентная доля CH4 в биогазе.

После метана и двуокиси углерода, сероводород (H2S) является важнейшей составляющей газа [5]. Сероводород очень агрессивен и вызывает коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Очищенный от серы биогаз, почти не имеет запаха. Газ, только что поступивший из биогазовой установки насыщен водным паром. Возможно, что пар содержит также следы еще малоисследованных растворенных веществ, способных вызывать проблемы при сжигании биогаза в котлах и двигателях. Например, на биогазовой установке в Рипперсхаузене непонятным образом образовывались пушистые хлопья, которые создавали в топке котла толстые наслоения. Потребовалось длительное время, чтобы установить, что эта «белая сажа» является оксидом кремния, возникающим вследствие коферментации силиконосодержащих косметических мазей как результат сложных химических реакций (образование силанов). Сушка биогаза конденсацией является поэтому очень важным шагом по обогащению газа. С помощью конденсированной воды сепарируют также большое количество содержащегося в биогазе аммиака, вызывающего в противном случае большие повреждения двигателя, особенно на подшипниках из цветных металлов. Теплота сгорания одного кубометра достигает 25 МJ, что эквивалентно сгоранию 0,6 l бензина, 0,85 l спирта, 1,7 kg дров или использованию 1,4 kW·h электроэнергии.

2.1.2 Оценка выработки биогаза из жома

На сахарном заводе города Дрокия планируется построить биогазовую установку по переработке жома. Для того чтобы подсчитать массу жома, которая получится при переработке 3000 тонн свеклы в сутки, необходимо знать количество сухих веществ переходящих в жом. Из 100 kg свеклы в жом переходит около 5 kg сухих веществ [1,2,3]. Прессованный жом содержит 18-25% сухих веществ, а масса прессованного жома, получившегося со 100 kg свеклы будет равна:

; (2.1)

где: - содержание сухих веществ в 100 kg свеклы, в kg;

- содержание сухих веществ в прессованном жоме, в %.

kg.

Отсюда находим количество прессованного жома в сутки:

; (2.2)

где: - масса свеклы, перерабатываемая в сутки, в t/zi.

t/zi.

Зная массу жома, можем определить количество биогаза, вырабатываемого из него:

; (2.3)

где: - выход биогаза из 1 t жома, в m3/t; ( m3/t).

m3/zi;

Кроме этого в этой установке будут перерабатываться примерно 100 t/zi свекольной ботвы и 60 t/zi мелассы. Определим выход биогаза из этих компонентов:

Из свекольной ботвы:

; (2.4)

где: - выход биогаза из 1 t свекольной ботвы; ( m3/t);

- масса ботвы, в t/zi;

m3/zi;

Из мелассы:

; (2.5)

где: - выход биогаза из мелассы, в m3/t;

- масса мелассы, в t/zi;

m3/zi.

Теперь можем найти суммарный выход биогаза из биогазовой установки:

m3/zi. (2.6)

2.1.3 Описание технологии процесса

Полученный отходы сахарного производства, будут направляться на биогазовый завод. При этом будет вырабатываться биогаз, состав которого будет примерно таким: CH4-55%, CO2-45%, H2S-140 ppm.

Биогазовая установка состоит из пяти ферментаторов емкостью 6 тыс.м3 каждый, по два ферментатора в ряду. Пятый ферментатор используется как дозреватель.

Установка работает следующим образом:

Жом подается по транспортеру ленточного типа (Рисунок 2.1), где установлены весы, в измельчитель.

Рисунок 2.1 - Транспортировка жома

Измельченный жом подается в смеситель, где смешивается с илом, который подается с дозревателя в объеме 1200 м3/день. Так как жом после прессов выходит нагретым в среднем до 55 °С, то смесь необходимо предварительно охладить до 37 °С. Эта смесь разделяется на две части и подается на две линии ферментаторов, которые работают параллельно. В линии находятся два ферментатора (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Ферментаторы

Ферментатор разделен снизу на три зоны и смесь подается равные промежутки времени (20 минут) в каждую зону (Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Дозировка биомассы

С определенной высоты смесь с двух ферментаторов забирается и одна ее часть направляется в пятый ферментатор, где происходит окончательная ферментация, а другая часть подается в смеситель. С пятого ферментатора смесь перекачивается в ямы, где раньше хранился жом. Перед началом следующего сезона, этот ил распыляют на полях как удобрение.

Газ с верхней части всех пяти ферментаторов направляется в газгольдер (Рисунок 2.4), где поддерживается постоянное давление и объем.

Рисунок 2.4 - Газгольдер

При переполнении газгольдера, автоматически включаются факельная установка, которая сжигает излишки газа. После газгольдера газ осушается и направляется к компрессорам, которые повышают его давление от 21 mbar до 940 mbar. При сжатии газ нагревается до 63,°С. Его охлаждают водой до 25 °С. Далее газ направляется на котлы.

2.2 Поверочный расчет котла при сжигании смеси природного газа и биогаза

2.2.1Определение процентного содержания природного газа и биогаза в смеси

Имея расход природного газа, можем определить пропорциональное соотношение подаваемых газов в топку.

При сжигании всего биогаза (110 000 m3 /сут) поверхностями котла воспринимается:

MW; (2.7)

где: - расход биогаза, в m3/s;

- низшая теплота сгорания биогаза, в MJ/m3;

- КПД котла.

Для паропроизводительности 22 t/h необходимо:

MW; (2.8)

где: - расход природного газа на котел (см. п.1.2.2), в m3/s;

- низшая теплота сгорания природного газа, в MJ/m3

Сравнивая (2.1) и (2.2) делаем вывод, что необходимо сжигать дополнительно природный газ, чтобы получить недостающую мощность:

MW. (2.9)

Находим количество природного газа:

м3/s. (2.10)

Определяем процентное содержание природного газа в смеси:

. (2.11)

Для того чтобы рассчитать процесс горения двух топлив, необходимо определить процентное содержание газов в смеси. Для этого необходимо процентное содержание природного газа и биогаза умножить на соответствующие доли газов, содержащихся в них:

или 58,5%;

или 40,9%;

или 0,1%;

или 0,06%;

или 0,04%;

или 0,02%;

или 0,3%.

2.2.2 Расчет процесса горения

Из предыдущего пункта имеем следующий состав сжигаемого газа:

CH4= 58,5 %;

CO2= 40,9 %;

C2H6= 0,1%;

C3H8= 0,06 %;

C4H10= 0,04 %;

C5H12= 0,02%;

N2= 0,3 %.

Рассчитаем процесс горения для смеси биогаза и природного газа. Удельная теплота сгорания смеси рассчитывается по формуле:

 MJ/m3; (2.12)

где - объемная доля горючих составляющих в топливе, в %;

- удельная теплота сгорания горючих составляющих топлива, MJ/m3

MJ/m3.

Плотность топлива рассчитываем по формуле:

(2.13)

где: , , , , , , , - процентное содержание газов смеси;

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения находим по формуле (1.1):

m3/ m3.

Теоретический объем трехатомных газов находим по формуле (1.2):

m3/ m3.

Теоретический объем азота находим по формуле (1.3):

m3/ m3.

Теоретический объем водяных паров находим по формуле (1.4):

m3/ m3.

Общий объем газов:

m3/ m3.

Потери тепла с химическим недожогом примем равным q3= 1,5 %.

Коэффициенты избытка воздуха в конвективных системах котла примем как в п.1.2.1.

Расчеты процесса горения представлены в Таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Расчет процесса горения

Наименование показателя	Символ, формула	Значения
		?т=1,10	?к=1,15	?'эк=1,2	?”эк=1,3
1	2	3	4	5	6
Теоретический объем воздуха, m3/ m3	Vв0	5,62
Объем трехатомных газов, m3/ m3	VRO2	1,00
Теоретический объем азота, m3/ m3	VN2	4,44
Теоретический объем паров, m3/ m3	V0H2O	1,18
Избыток воздуха, m3/ m3	?Vв=(?-1)Vв0	0,562	0,843	1,124	1,686
Избыточный объем паров, m3/ m3	?VH2O=0,016?Vв	0,009	0,013	0,018	0,027
Реальный объем сухих газов, m3/m3	Vс.г= VRO2+ VN2+?Vв	6,002	6,283	6,564	7,126
Реальный объем паров, m3/ m3	VH2O= V0H2O+?VH2O	1,189	1,193	1,198	1,207
Общий объем газов, m3/m3	Vг.г= Vс.г+ VH2O	7,191	7,476	7,762	8,333
Объемные доли	трехатомных газов	rRO2= VRO2/ Vг.г	0,139	0,133	0,128	0,12
	паров	rH2O= VH2O/ Vг.г	0,164	0,158	0,152	0,142
	общие	rt= rRO2/rH2O	0,848	0,842	0,842	0,845
Температура точки росы, 0C	tт.р=f(pH2O= rH2O)	58	57	56	55
Плотность газов, kg/m3	?г=(?с+1,293?·?Vв0)/ Vг.г	1,31	1,312	1,310	1,307

Рассчитываем энтальпию газов горения по формуле (1.9), принимая соответствующие значения температур в каждой части котла:

Рисунок 2.1 - Н-t диаграмма для определения энтальпии уходящих газов.

2.2.3 Тепловой баланс котла

Примем температуру уходящих газов как и в предыдущем пункте равной 165 °С. Из диаграммы на рисунке 2.5 видно, что энтальпия газов при данной температуре равна=1920 kJ/m3. Учитывая это рассчитаем потери теплоты с энтальпией уходящих газов по формуле (1.10):

=%.

Потери тепла через внешнее охлаждение поверхностей котла примем как в предыдущем пункте q5=1,636 %.

Рассчитываем КПД брутто котла по формуле (1.14)

.

Рассчитываем расход топлива на котел по формуле (2.15):

m3/s.

Для определения объемов продуктов сгорания и воздуха, а так же тепла отданного газами в поверхностях нагрева, вводится расчетный расход топлива, вычисляемый с учетом химического недожога по формуле (1.16):

m3/s.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА ДЛЯ КОГЕНЕРАЦИИ

3.1 Выбор и расчет ДВС при сжигании биогаза

3.1.1 Выбор ДВС

Как уже было сказано, в период работы сахарного завода биогаз будет сжигаться в паровых котлах. В остальное время, биогаз предлагается сжигать в когенерационных установках. Делается это из следующих соображений:

во-первых, вырабатываемого биогаза не хватит для работы паровых котлов и турбоагрегата;

во-вторых, для повышения КПД выработки электрической и тепловой энергии.

Для того чтобы определить мощность когенерационных установок, необходимо рассчитать количество биогаза, которое будет выработано за 265 дней (время, которое сахарный завод не работает). Данное количество биогаза зависит от количества жома, которое предполагается перевозить с сахарного завода города Фалешты. Перевезено будет примерно 60 000 t жома. Рассчитаем примерное количество биогаза, которое может быть выработано с этого количества жома по формуле (2.3):

m3.

А это примерно 0,36 m3/s (учитывая, что данное количество биогаза будет сжигаться за 265 суток).

Изучив рынок газопоршневых установок, было принято решение использовать в данном проекте когенерационные модули австрийской фирмы Jenbacher, так как данная фирма предлагает линейку установок, специально предназначенных для сжигания биогаза. Исходя из рассчитанного выше расхода топлива, было выбрано две когенерационные установки Jenbacher 420 GS-B.LC, Biogas 1416 kW (Австрия), специально предназначенные для сжигания биогаза. На этих установках можно так же сжигать и природный газ. Характеристики установки представлены в Таблице 3.1:

Таблица 3.1 - Характеристика установки Jenbacher 420 GS-B.LC, Biogas 1,416 kW

Характеристики установки	Значение	Единицы
1.	Номинальная мощность установки	1416	kW
2.	Тепловая мощность	1460	kW
3.	Электрическй КПД	42,0	%
4.	Термический КПД	43,2	%
5.	Общий КПД установки	85,2	%
Характеристики мотора GE Jenbacher Gasmotor J 420 GS A21
6.	Тип
7.	Дизайн	V 70°
8.	Количество цилиндров	20	шт
9.	Диаметр поршня	145	mm
10.	Ход поршня	185	mm
11.	Частота вращения коленвала	1500	rot/min
12.	Скорость поршня	9,25	m/s
13.	Коэффициент сжатия	12,5
14.	Расход масла	0,3	g/kW
15	Расход топлива	612	m3/h
16.	Сухой вес мотора	6,600	kg
Храктеристики генератора PE 734 F2
17.	Модель
18.	КПД при cosц=1,0	97,6	%
19.	КПД при cosц=0,8	96,8	%
20.	Частота	50	Hz
21.	Напряжение	400	V
22.	Масса	3807	kg

На данных установках биогаз будет сжигаться вне сезона работы сахарного завода. Во время же работы сахарного завода на ДВС будет сжигаться природный газ, с целью более полного использования его энергии. Электрическая энергия, будет продаваться в сеть, а тепловая использоваться для ГВС поселка и на нужды биогазового завода (когда необходимо).

3.1.2 Расчет процессов наполнения и сжатия в камере сгорания ДВС

Процесс наполнения

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Ve находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Давление остаточных газов чуть меньше атмосферного. После прохождения верхней мертвой точки (ВМТ), поршень начинает двигаться к нижней мертвой точке (НМТ). В этот момент механизмом газораспределения открывается впускной клапан. Благодоря движению поршня к НМТ, камера сгорания наполняется новой порцией рабочей смеси.

Определим основные параметры смеси в процессе наполнения камеры сгорания. Давление смеси после компрессора находится по формуле:

Pa; (3.1)

где: - давление окружающей среды, в Pa.

Pa.

Темература смеси на входе в камеру сгорания:

K;(3.2)

где:- температура окружающей среды, в K;

n - показатель политропы;

K.

Давление в начале процесса сжатия:

 Pa, (3.3)

Pa.

Коэффициент наполнения:

; (3.4)

где: - степень сжатия;

- температура остаточных газов, в K; для газовых двигателей K.

- повышение температуры смеси от стенок цилиндра, в K;

.

Температура смеси в начале сжатия:

K;(3.5)

где: - коэффициент который показывает какое количество газов осталось в цилиндре после завершения процесса выпуска, для четырехтактных двигателей он равен примерно 0,2.

K.

Процесс сжатия

Во-время второго такта, в цилиндре имеет место процесс сжатия, кроме этого, в начале процесса продолжается наполнение камеры рабочим телом из камеры сгорания, а в конце сжатия начинается процесс горения топлива.

Процесс сжатия в камере сгорания - это адиабатный изоэнтропный процесс, отсюда следует что n=k1.

;(3.6)

где: k - показатель адиабаты;

a, b - эмпирические значения, a= 20,16, ;

- температура смеси в начале сжатия, в K;

-степень сжатия в адиабатном процессе.

.

Давление в конце сжатия:

Pa;(3.7)

где: - давление в начале процесса сжатия, в Pa;

Pa.

Температура в конце сжатия:

K;(3.8)

K.

3.1.3 Расчет процесса горения

Расчет процесса горения в двигателях внутреннего сгорания проведем так же как и для энергетических котлов, так как используется один и тот же тип топлива, но при большем коэффициенте избытка воздуха.Теоретический объем воздуха необходимый для процесса горения рассчитывается по следующей формуле (1.1):

m3/m3.

Реальный объем воздуха, необходимый для процесса горения найдем по формуле:

m3/m3; (3.9)

где: - коэффициент избытка воздуха;

m3/m3.

Теоретический объем трехатомных газов рассчитаем по формуле (1.2):

m3/m3.

Теоретический объем водяных паров найдем по формуле (1.4):

m3/m3.

Реальный объем водяных паров находится по формуле:

m3/m3. (3.10)

Теоретический объем азота рассчитываем по формуле (1.3):

m3/m3.

Теоретический объем кислорода:

m3/m3; (3.11)

m3/m3.

Общий объем газов находится как сумма всех газов входящих в смесь:

m3/m3; (3.12)

 m3/m3.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения находим по формуле:

; (3.13)

.

Действительный коэффициент молекулярного изменения расчитываемпо формуле:

; (3.14)

.

Примем среднюю температуру смеси в процессе горения равной Tz=1900 K. Коэффициен повышения давления в камере сгорания находим по формуле:

; (3.15)

где: - температура в конце сжатия, в K;

.

Максимальное давление в верхней мертвой точке:

Pa; (3.16)

где: - давление в конце сжатия, в Pa;

Pa.

3.1.4 Процесс расширения

В процессе расширения газы давят на поршень до достижения им нижней мертвой точки. Давление и температура газов при этом уменьшаются. Когда поршень достиг нижней мертвой точки начинается процесс выхлопа газов из цилиндра.

Степень предварительного расширения найдем по следующей формуле:

; (3.17)

.

Степень последующего расширения:

; (3.18)

.

Показатель политропы расширения найдем по формуле:

rot/s; (3.19)

где n2 - частота вращения, в rot/s;

rot/s.

Температура газов в конце расширения находится по следующей формуле:

K;(3.20)

.

Давление газов в конце процесса расширения:

Pa; (3.21)

Pa.

3.1.5 Тепловой баланс двигателя

Известно, что из всей энергии, выделившейся в процессе сгорания топлива, только часть преобразуется в полезную механическую работу, остальная энергия тратится на покрытие различных потерь. Распределения энергий, переданных мотором в окружающую среду, выражается через тепловой баланс.

В самом простом случае тепловой баланс может быть представлен с помощью уравнения, в котором представлены только значения энергий, подведенных к мотору и переданных мотором окружающей среде:

kW, (3.22)

где: - тепловой поток, подведенный с топливом, в kW;

- тепловой поток, преобразованный в полезную механическую энергию, соответствующая мощности двигателя, в kW;

- потери тепла с уходящими газами, в kW;

- потери тепла с охлаждающей водой, в kW;

- остальные потери (потери излучением с поверхности двигателя и т.д.), в kW

Тепловой поток, выделившаяся при сжигании топлива находится по следующей формуле:

kW; (3.21)

где: - расход топлива, m3/s;

- низшая теплота сгорания топлива, kJ/m3.

kW.

Поток тепла, который произвел полезную механическую работу:

kW. (3.22)

где: - КПД генератора;

- мощность на клеммах генератора.

Потери тепла с уходящими газами:

kJ/m3; (3.23)

где: - энтальпия уходящих газов, в kJ/m3;

- энтальпия воздуха, в kJ/m3.

Температура уходящих газов дана в характеристике двигателя и равна °С. Имея температуру газов, можно определить энтальпию уходящих газов по формуле (1.9):

kJ/m3.

Энтальпия воздуха рассчитывается по формуле (1.11):

kJ/m3.

Подставляя полученные данные в формулу (3.23), получим:

kW.

Потери тепла с охлаждающей водой расчитывается по формуле:

kW;(3.24)

где: - расход охлаждающей воды, в kg/s;

- удельная теплоемкость охлаждающей воды, в kJ/(kg·K);

, - температура воды на входе и на выходе теплообменника соответственно, в ;

kW.

Неучтенные потери найдем по следующей формуле:

kW;(3.26)

где: - поток тепла, который произвел полезную механическую работу, в ;

kW.

Коэффициенты полезного действия находятся по формулам:

эффективный КПД:

; (3.27)

где: - поток тепла, который произвел полезную механическую работу, в ;

- поток тепла, подведенный с топливом;

.

термический КПД:

; (3.28)

где k - показатель адиабаты;

.

относительный внутренний КПД:

; (3.29)

где - механический КПД двигателя:

.

индикаторный КПД:

; (3.30)

.

электрический КПД:

; (3.31)

где: - КПД генератора;

.

коэффициент использования тепла топлива:

; (3.32)

.

3.2 Расчет ДВС при сжигании природного газа

3.2.1 Расчет процесса горения

Как уже было сказано ранее, во время сезона работы сахарного завода, ДВС будут работать на природном газе. Рассчитаем только процесс горения топлива, так как в пункте 3.1 уже был более подробный расчет двигателя.

Теоретический объем воздуха найдем по формуле (1.1):

m3/m3;

Реальный объем воздуха, необходимый для процесса горения найдем по формуле (3.9):