Мощность системы отопления и приточной вентиляции свинарника-откормочника и затраты топлива на теплоснабжение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В контрольной работе определена мощность системы отопления и приточной вентиляции свинарника-откормочника и затраты топлива на теплоснабжение.

Произведен расчет параметров биогазовой установки, работающей в мезафильном режиме, а также полезный выход биогаза. Определены показатели энергосбережения в системе подогрева приточного воздуха и горячего водоснабжения коровника за счет использования вырабатываемого на ферме биогаза.

В связи с истощением запасов органического топлива и его удорожанием добычи ведется поиск альтернативных путей энергообеспечения потребителей. Одним из таких направлений является внедрение энергосберегающих систем, использующих местные энергетические ресурсы.

Животноводческие помещения требуют значительного расхода топлива и электроэнергии, т.к является энергоемким. Навоз животных по определенной технологии может быть использован для получения биогаза и органического удобрения. Во многих случаях этот метод энергетического самообеспечения животноводческих ферм обладает рядом преимуществ.

На животноводческих фермах накапливается большое количество навоза, который может энергию быть полезно использован потребителем, при этом снижается загрязнение окружающей среды. Анаэробное сбраживание обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как удобрения при одновременном получении локального источника энергии - биогаза. Полученный биогаз можно использовать в системах теплоснабжения различных объектов. После дополнительной очистки биогаз можно использовать для работы газовых электрогенераторов, вырабатывающих электрическую энергию.

Эффективность биогазовых установок существенно зависит от выбора технологической схемы переработки навоза, а также способа обогрева и термостатирования метантанков.

В курсовой работе произведен расчет параметров биогазовой установки для свинарника-откормочника на 1000 голов. Определены основные параметры и энергопроизводительность установки. Произведен расчет технико-эксплуатационных и энергетических параметров. Определены показатели энергосбережения от применения биогазовой установки.

1. Расчет параметров отопительно-вентиляционой установки и энергозатрат на теплоснабжение свинарника

1.1 Расчет воздухообмена и тепловой мощности системы отопления

Расчет объема приточного воздуха определяют из условия растворения углекислоты до допустимой концентрации и предельно-допустимой концентрации и предельно допустимого содержания водяного паров. В этом случае происходит удаление и других вредностей (аммиак, сероводород и др.), выделяющихся в помещении в меньших количествах.

Подача приточного воздуха, необходимая для понижения концентрации углекислоты, вычисляется по формуле

, м3/ч, (1.1)

где	ci		количество углекислого газа, выделяемое одним животным или птицей данного вида, л/ч;
	ni		количество животных данного вида в помещении;
	k		число видов животных;
	c1		предельно допустимая концентрация CO2 в воздухе помещения, л/м3;
	c2		концентрация CO2 в наружном воздухе (c2 = 0,3…0,4 л/м3).

м3/ч,

Подача приточного воздуха, необходимая для растворения водяных паров, определяется по формуле

, м3/ч, (1.2)

где	?в, ?н	-	соответственно плотность внутреннего и наружного воздуха при соответствующей температуре.
	,	-	соответственно относительная влажность внутреннего и наружного воздуха.
	dв, dн	-	влагосодержание воздуха в помещения и наружного воздуха, г/кг.

Плотность воздуха определяют из следующей зависимости:

(1.3)

где р - расчетное барометрическое давление в данном районе, кПа.

Общее влаговыделение W, г/ч, в помещение для содержания животных определяется по формуле

W = WЖ + WИСП, (1.4)

где WЖ - влаговыделение от животных, г/ч;

WИСП - влаговыделение с мокрых поверхностей, г/ч.

Влаговыделение от животных определяется по формуле:

WЖ = n · w · kt, (1.5)

где w - выделение водяных паров одним животным, г/ч.

kt - коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых животным водяных паров в зависимости от температуры воздуха внутри помещения.

WЖ = 151 · 1000 · 1,35 = 203850 г/ч.

Влаговыделение с мокрых поверхностей помещения

WИСП = WЖ (1.6)

где - коэффициент, для коровников равный 0,1…0,25.

WИСП = 0,2 · 203850 = 40770 г/ч.

Общее влаговыделение равняется

W = 203850 + 40770 = 244620 г/ч.

Подача приточного воздуха, необходимая для растворения водяных паров равняется

м3/ч;

Необходимый воздухообмен L принимается по наибольшей из двух величин: LW и LCO2. В нашем случае расчетный воздухообмен равняется

L = LW = 35100 м3/ч

Кратность воздухообмена равняется

(1.7)

где V - объем помещения, V = 6000 м3.

В животноводческих помещениях следует предусматривать воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией. Тепловую мощность системы воздушного отопления определяют на основании уравнения теплового баланса, составленного для холодного периода года /1/:

Фоm = Фогр + Фв + Фисп - Фж, (1.8)

оток теплоты Фогр, теряемой помещением через наружные ограждения определяется по формуле

Фогр = qОТ ·VП · (tВ - tH), Вт, (1.9)

где qОТ - удельная характеристика теплопотерь помещения

qОТ =1Bm/м С /1/.

Фогр = 0,407 · 6000 · (18 - (-22)) = 97680 Вт

Тепловой поток ФВ, расходуемый на нагрев приточного воздуха, определяем по формуле

Фв = 0,278 · L · с· Cp ·(tв - tн ), Bm, (1.10)

где с - плотность воздуха при tв, кг/м3

Cp - удельная теплоемкость воздуха, Ср =

Фв = 0,278 · 35100 · 1,223 · 1 ·(18 - (-22)) = 237990 Вт

Поток теплоты Фисп, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей помещения определяется по формуле

Фисп = 0,278 · 2,49 ·Wucn, Вт (2.11)

где 2,49 - скрытая теплота испарения воды,

Wисп - масса влаги, испаряющейся с поилок, кормушек и пола, г.

Фисп = 0,278 · 2,49 · 40770 = 28222 Вт

Поток теплоты Фж выделяемой животными

Фж = n · q · kt, Вт, (1.12)

где q - поток свободной теплоты, выделяемой одним животным,

q = 263 Вт;

n - количество животных;

kt - поправочный коэффициент, зависящий от температуры в помещении,

kt = 0,75.

Фж = 1000 · 263 · 0,75 = 184100 Вт

Значит ФОТ = 97680 + 237990 + 28222 - 184100 = 179792 Вт.

1.2 Определение годового расхода топлива на теплоснабжение коровника

1.2.1 Расход теплоты на горячее водоснабжение животноводческого помещения

Среднюю тепловую мощность системы горячего водоснабжения определим из по среднесуточным нормам расхода горячей воды:

, Вт, (1.13)

где сВ - теплоемкость воды, сВ = 4,19 кДж/(кг 0С);

qГВ - среднесуточная норма потребления горячей воды животными, кг/сутки;

n - число животных данной группы;

tГВ - температура горячей воды, tГВ = 60 0С;

tХВ - температура холодной воды, tХВ = 5 0С.

Значит

1.2.2 Годовой расход теплоты для создания микроклимата в животноводческом помещении

Для определения потребности в тепловой энергии по месяцам года построим годовой график потребления тепловой энергии. График строится следующим образом:

1) тепловой поток, теряемый через ограждения прямопрапорционален температуре наружного воздуха, следовательно зависимость ФОГР = f(tВ) будет представлен прямой линией, построенной по двум точкам:

а) Ф=0, t = tВ = 15 0С;

б) Ф = ФОГР = 97680 Вт, t = -22 0С.

2) график зависимости теплового потока, идущего на подогрев приточного воздуха от температуры наружного воздуха ниже расчетной вентиляционной температуры идет параллельно оси абсцисс из-за того, что при понижении температуры наружного воздуха происходит подмешивание подогретого воздуха к приточному. Строится график по трем точкам:

а) Ф = ФВ = 237990 Вт; t = tХС = -30 0С.

б) Ф = ФВ = 237990 Вт; t = tНВ = -8 0С.

в) Ф = 0; t = tВ = 10 0С.

где tХС - средняя температура наиболее холодных суток, 0С.

3) Тепловой поток, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей помещения не зависит от температуры наружного воздуха, следовательно, принимается ФИСП = const

4) Теплового потока, выделяемого животными также не зависит от температуры наружного воздуха, ФЖ = const. Он проходит ниже оси абсцисс из-за того, что этот тепловой поток поступает в помещение.

5) Суммарный тепловой поток, идущий на отопление помещения

Ф = Фогр + Фв + Фисп - Фж (1.14)

По графику определяется тепловая мощность системы отопления для каждого месяца в зависимости от средней месячной температуры.

Суммарное количество теплоты определяется по формуле

Ф = ФОТ + ФГВ, Вт. (1.15)

Месячный расход теплоты на создание микроклимата в животноводческом помещении

Qоm М = Ф ·tмес, кBmч, (1.16)

tмес - количество часов в данном месяце, tмес = 720 ч.

Расход биогаза на создание микроклимата в животноводческом помещении

(1.17)

где Qom - расход теплоты на создание микроклимата, кВт·ч

вн - КПД воздухоподогревателя на биогазе, вн = 0,8…0,9

qбг - теплотворная способность биогаза,qбг = 20…25 МДж/м3

Находим годовую потребность в биогазе: qбгГОД = .

Результаты расчета сведем в таблицу 1.

Таблица 1 - Потребное количество биогаза по месяцам года

месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Итого
tCP, 0С	-5.7	-4.8	0.6	9.4	16.2	20.2	23	22.1	16.3	9.2	2.5	-2.6
ФОТ, кВт	110	102	45	0	0	0	0	0	0	0	22	74
Ф, кВт	122.0	114.0	57.0	12.0	12.0	12.0	12.0	12.0	12.0	12.0	34.0	86.0
Qоm М кВтч	87841.9	82081	41041	8641.9	8641.9	8641.9	8641.9	8641.9	8641.9	8641.9	24481	61921
, м3	14881.4	13905	6953.0	1464.0	1464.0	1464.0	1464.0	1464.0	1464.0	1464.0	4147.5	10490	60626

2. Расчет параметров биогазовой установки

2.1 Выбор технологической схемы

Современный уровень развития анаэробной ферментации навозных стоков позволяет покрыть за счет биогаза 30-35% потребностей животноводческих ферм в тепловой энергии. В современных конструкциях биогазовых установок благодаря подогреву встроенными источниками теплоты, надежной теплоизоляции метантенков и непрерывной подачи подогретого свежего субстрата обеспечивается постоянная температура при сбраживании. Предусматривается механическое перемешивание субстрата для интенсификации сбраживания и отвода биогаза.

Большинство биогазовых установок основано на поточном принципе действия, т.е поступающее в них сырье немедленно вытесняет отработанное. Свежая порция навоза поступает непрерывно порционно (2-10 раз в сутки), а отбор биогаза и удаление ила производят по мере необходимости /2,4/.

Биогазовая установка, состоит из следующих элементов: приемной емкости, камеры сбраживания (метантанк, реактор), нагревательного устройства (теплообменника), устройства для перемешивания субстрата, газгольдера и газового водоподогревателя.

Технологическая схема биогазовой установки приведена на листе 2 графической части.

Сырье из бункера загрузки поступает в метантанк, где происходит его сбраживание, в результате чего образуется биогаз, поступающий через водяной затвор в газгольдер. Часть биогаза направляется в котел для поддержания необходимой температуры в метантанке. Перемешивание биомассы происходит при помощи мешалки, приводимой в движение электродвигателем. Отработанное сырье из метантанка поступает в хранилище биоудобрений.

2.2 Расчет конструктивно-технологических параметров

Определяем суточное поступление биомассы mБМ по формуле

кг/сут, (2.1)

где NЖ - количество животных j-го вида, гол;

mУДj - суточный выход экскрементов от j-го животного, кг/гол.

Определяется доля сухого вещества в биомассе mСВ:

(2.2)

где цБМ - влажность биомассы, %.

Определяем долю сухого органического вещества mСОВ по формуле

mСОВ = mСВ·сСОВ, (2.3)

где сСОВ - доля органического вещества в сухом веществе, о.е.

mСОВ = 500 · 0,8 = 400 кг/сут.

Определяем объем метантанка VМТ по формуле

(2.4)

где tБ - продолжительность брожения, сут;

сБМ - плотность сбраживаемой биомассы, кг/м3.



Определяют выход биогаза VПОЛ, м3, при полном разложении сухого органического вещества

VПОЛ = mСОВ · nЭК, (2.5)

где nЭК - выход биогаза из 1 кг СОВ, для свинарников nЭК = 0,415 м3/кг

VПОЛ = 400 · 0,415 = 166 м3.

Определяем объем полученного биогаза Vб, м3, при выбранной продолжительности метанового брожения:

(2.6)

где nt - доля выхода биогаза при данной продолжительности брожения,

nt = 50%.

Месячная выработка биогаза равняется

VБГМ = 30 · VБ = 30 · 83 = 2490 м3. (3.7)

Годовая выработка биогаза равняется

VБГГОД = 365 · VБ = 365 · 83 = 30295 м3. (3.8)

Определим размеры метантанка

Как правило, метантанки имеют цилиндрическую форму, отношение высоты к его внутреннему диаметру принимается равным h/d = 0,9…1,3. Принимаем h/d = 1.

Так как , то

 (2.9)

теплоснабжение свинарник биогазный установка

Определение среднемесячного количества вырабатываемого биогаза

Количество теплоты, QПОД, МДж, требуемое для подогрева загружаемой массы до температуры процесса брожения:

QПОД = mБМ·сБМ(tПР - tЗАГР) 10-3 (2.10)

где cБМ - средняя теплоемкость биомассы, cБМ = 4,18 кДж/(кг· 0С);

tПР - температура процесса брожения, 0С;

tЗАГР - температура загружаемой биомассы, 0С. Принимается равной среднемесячной температуре окружающего воздуха, если меньше 5 0С, то принимается 5 0С.

Среднемесячное количество теплоты определится из выражения:

QПОДМ = QПОД tСУТ.М, (2.11)

где tСУТ М - количество дней в месяце, tСУТ.М = 30 суток.

Количество теплоты QПОТ, Вт, теряемое в процессе теплоотдачи через стенку метантанка в окружающую среду:

QПОТ = kF(tПР - tСР), (3.12)

где k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·0С);

F - площадь поверхности метантанка, м2;

tСР - средняя месячная температура воздуха, 0С.

Коэффициент теплоотдачи k, Вт/(м2·0С), определяется по формуле

где 1/б1 - сопротивление тепловосприятию, 1/б1 = 0,05 (м2·0С)/Вт;

1/б2 - сопротивление теплоотдачи, 1/б2 = 0,05 (м2·0С)/Вт;

i - толщина i-го слоя элемента ограждения, м;

i - коэффициент теплопроводности i-го слоя элемента ограждения, м0C/Вт.

Площадь поверхности метантенка определится из выражения:

F = SБОК + 2· SОСН, м2, (2.13)

где SБОК - площадь боковой поверхности метантанка, м2;

SОСН - площадь основания метантанка, м2.

(2.14)

SБОК = р · dВ · h = р · d2В = 3,14 · 4,642 = 67,6 м2. (2.15)

F = 67,6 + 2 · 16,9 = 101,4 м2.

Принимаем бетонный метантанк толщиной 0,3 м, теплоизоляция выполнена в виде шлакобетона (0,1 м) и земляного вала (1 м).

Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен

Вт/(м2·0С)

Переведем количество теплоты, теряемое в окружающую среду в МДж/мес:

QПОТМ = 3,6 · 10-3 QПОТ · tЧМ, (2.16)

где tЧМ - количество часов в месяце, tЧМ = 720 ч.

Общий расход энергии на механическое перемешивание субстрата в метантанке QМЕХ определим по формуле

Qмех = qнорм·VМТ ·z, кВm·ч (2.17)

где qнорм - удельная нагрузка на мешалку, ;

VМТ - объем метантенка, м3;

z - продолжительность работы мешалки, z = 8 часов в сутки.

Qмех = qнорм·VМТ ·z,=50 · 78,4 · 8 = 31,4 кВт·ч.

Переводим полученные значения в МДж/мес:

QМЕХМ = 3,6 · QМЕХ · tСУТ М = 3,6 · 31,4 · 30 = 3388 МДж/мес. (3.18)

Общие затраты энергии на поддержание процесса за месяц:

QОБЩ = QПОДМ + QПОТМ + QМЕХМ, МДж/мес, (3.19)

Количество биогаза, необходимое для поддержания процесса:

VБГ ЗМ = QОБЩ/ qбг, м3/мес, (3.20)

Товарное количество биогаза VБГ ТОВМ, м3/мес равняется

VБГ ТОВМ = VБГМ - VБГ ЗМ, (3.21)

Результаты расчетов сводим в таблицу 2.

Таблица 2 - Выработанное количество биогаза по месяцам года:

месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	итого
tЗАГР 0С	5	5	5	9.4	16.2	20.2	23	22.1	16.3	9.2	5	5
QПОД, МДж/мес	17556	17556	17556	14797	10534	8026	6270	6834	10471	14923	17556	17556
QПОТМ, МДж/мес	4066	3971	3404	2479	1765	1345	1051	1145	1755	2500	3204	3740
QОБЩ, МДж/мес	25010	24916	24348	20665	15687	12759	10709	11368	15614	20811	24149	24684
VБГ ЗМ, м3/мес	1000	997	974	827	627	510	428	455	625	832	966	987
VБГ ТОВМ, м3/мес	1490	1493	1516	1663	1863	1980	2062	2035	1865	1658	1524	1503	20651

3. Расчет показателей энергетической эффективности биогазовой установки

Потенциальная энергия биогаза QВЫР, вырабатываемого за год определяется по формуле

QВЫР = VБГГОД · qбг = 30295 · 25 = 757375 МДж. (3.1)

Энергетический эффект биогазовой установки Эб за год равняется

ЭБ = VБГ ТОВГОД · qбг = 20651 · 25 = 516281 МДж (3.2)

Коэффициент товарности биогазаовой установки

(3.3)

Годовая экономия условного топлива составит:

. (3.4)

Таблица 3 - Показатели энергетической эффективности биогазовой установки для свинарника-откормочника на 1000 голов

Объем (метантенка), VМТ, м3	78,4
Производительность по биогазу, м3 / год
общая VБГГОД	30295
товарная VБГ ТОВГОД	20651
Удельный годовой выход товарного биогаза, м3 / гол · год	20.65
Удельный суточный выход товарного биогаза, м3 / гол · сут	0.06
Экономия традиционного топлива т.у.т	17.62

Заключение

На основе выполненных расчетов получено, что использование биогазовой установки позволяет сэкономить 17,6 т.у.т на теплоснабжение свинарника. Энергетический анализ показал, что на собственные нужды вырабатываеся 34% биогаза.

В холодный период года биогаз используется для работы воздухоподогревателей К-100 в системе приточной вентиляции, а также для получения горячей воды на технологические нужды с отбором из теплового контура биогазовой установки. Недоиспользованная часть биогаза может частично храниться в резервуарах в сжатом состоянии для последующего использования в необходимых случаях. Кроме того, в результате анаэробного сбраживания субстрата вырабатывается значительное количество ценного органического удобрения. Его использование позволяет повысить рентабельность сельхозпроизводства.

Таким образом, биогазовая установка является средством ресурсо- и энергосбережения в сельскохозяйственных технологиях.

Литература

1. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты и теплоснабжению в сельском хозяйстве, М., Колос, 1985 г.

2. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х.. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства, Краснодар, 2001 г.

3. Брагинец, Полишкин Курсовое и дипломное проектирование по механизации животноводства, М., 1991 г.

4. Шишкин Н.А. Малые энергоэкономические комплексы и возобновляемые источники энергии, М., Готика, 2000 г.

5. Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям, М, Энергоатомиздат, 1985 г.

Размещено на Allbest.ru