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

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 = 203 850 г/ч.

Влаговыделение с мокрых поверхностей помещения

WИСП = WЖ (1. 6)

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

WИСП = 0,2 · 203 850 = 40 770 г/ч.

Общее влаговыделение равняется

W = 203 850 + 40 770 = 244 620 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 = 35 100 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)) = 97 680 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 · 35 100 · 1,223 · 1 ·(18 — (-22)) = 237 990 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 · 40 770 = 28 222 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 = 184 100 Вт

Значит ФОТ = 97 680 + 237 990 + 28 222 — 184 100 = 179 792 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 = 97 680 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 = 237 990 Вт; t = tХС = -30 0С.

б) Ф = ФВ = 237 990 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

87 841. 9

82 081

41 041

8641. 9

8641. 9

8641. 9

8641. 9

8641. 9

8641. 9

8641. 9

24 481

61 921

, м3

14 881. 4

13 905

6953. 0

1464. 0

1464. 0

1464. 0

1464. 0

1464. 0

1464. 0

1464. 0

4147. 5

10 490

60 626

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 = 30 295 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 · d2 В = 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

17 556

17 556

17 556

14 797

10 534

8026

6270

6834

10 471

14 923

17 556

17 556

QПОТМ, МДж/мес

4066

3971

3404

2479

1765

1345

1051

1145

1755

2500

3204

3740

QОБЩ, МДж/мес

25 010

24 916

24 348

20 665

15 687

12 759

10 709

11 368

15 614

20 811

24 149

24 684

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

20 651

3. Расчет показателей энергетической эффективности биогазовой установки

Потенциальная энергия биогаза QВЫР, вырабатываемого за год определяется по формуле

QВЫР = VБГГОД · qбг = 30 295 · 25 = 757 375 МДж. (3. 1)

Энергетический эффект биогазовой установки Эб за год равняется

ЭБ = VБГ ТОВГОД · qбг = 20 651 · 25 = 516 281 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

30 295

товарная VБГ ТОВГОД

20 651

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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой