<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="print">2071-7318</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">17074</article-id>
   <article-id pub-id-type="doi">10.12737/article_5940f019aa52b7.22230196</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>Химическая технология</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject>Chemical technology</subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>Химическая технология</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">CALCULATION OF CAPACITY OF ADDITIONAL SOURCES OF HEAT FOR HEAT BIO-MASS IN BIOGAS REACTOR</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ  ДЛЯ ПОДОГРЕВА БИОМАССЫ В БИОГАЗОВОМ РЕАКТОРЕ</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Вендин</surname>
       <given-names>Сергей Владимирович</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Vendin</surname>
       <given-names>Sergey Vladimirovich</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <bio xml:lang="ru">
      <p>доктор технических наук;</p>
     </bio>
     <bio xml:lang="en">
      <p>doctor of technical sciences;</p>
     </bio>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Мамонтов</surname>
       <given-names>Артем Юрьевич</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Mamontov</surname>
       <given-names>Artem Yur'evich</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <aff-alternatives id="aff-1">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина</institution>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Belgorod State Agricultural University named after V. Gorin</institution>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <volume>2</volume>
   <issue>7</issue>
   <fpage>97</fpage>
   <lpage>99</lpage>
   <self-uri xlink:href="https://naukaru.ru/en/nauka/article/17074/view">https://naukaru.ru/en/nauka/article/17074/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>Рассмотрены вопросы расчета мощности дополнительных источников теплоты для подогрева биомассы в биогазовом реакторе. На основе уравнения теплопроводности Фурье получено решение для осесимметричной цилиндрической задачи при граничных условиях пер-вого рода и проведен расчет мощности дополнительных источников теплоты в цилиндриче-ском биогазовом реакторе.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>The issues of calculating the capacity of additional heat sources for heating biomass in a biogas reactor are considered. Based on the Fourier heat equation, a solution is obtained for an axisymmetric cylindrical problem with boundary conditions of the first kind and a calculation is made of the power of additional heat sources in a cylindrical biogas reactor</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>биомасса</kwd>
    <kwd>биогаз</kwd>
    <kwd>реактор</kwd>
    <kwd>уравнение теплопроводности Фурье</kwd>
    <kwd>источники теплоты</kwd>
    <kwd>тем-пературное поле</kwd>
    <kwd>граничные условия первого рода.</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>biomass</kwd>
    <kwd>biogas</kwd>
    <kwd>reactor</kwd>
    <kwd>Fourier heat equation</kwd>
    <kwd>heat sources</kwd>
    <kwd>temperature field</kwd>
    <kwd>boundary conditions of the first kind</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p>Эффективная переработка органических отходов в биогаз является актуальной научно-технической задачей [1–4]. Традиционная конструкция биогазового реактора представляет собой цельную емкость, в которой процесс сбраживания происходит в едином перемешивающем режиме при соблюдении определенных температурно-влажностных режимов в зависимости от типа брожения.  оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза выделяют три температурных режима: 1) психрофильный – до 20–25 °С; 2) мезофильный – 25–40 °С; 3) термофильный – свыше 40 °С.Психрофильный режим не требует дополнительного подогрева и проходит без дополнительного контроля за температурой, используется в соответствующих климатических зонах, с показателями среднегодовой температуры, составляющими не менее 18–20 °С. Мезофильный и термофильный процессы требуют наличия внешнего источника тепла и строгого контроля за температурой. При этом чем выше температура, тем быстрее и с большей производительностью идет образование биогаза. Поэтому на практике в основном востребован мезофильный режим бактериологического производства биогаза, так как при обеспечении максимально возможной доли метана, в результате на выходе имеется еще и удобрение с высоким содержанием общего азота. Требования к допустимым пределам колебания температуры для оптимального газообразования тем жестче, чем выше температура процесса сбраживания: при психрофильном температурном режиме – ±2 °С в час; мезофильном – ±1 °С в час; термофильном – ±0,5 °С в час [2].Поэтому для обеспечения температурного режима и управляемости процессом сбраживания биомассывесьма важно выбрать мощность дополнительных источников теплоты.Расчет мощности дополнительных источников теплоты может быть проведен на основе решения уравнения теплопроводности Фурье [5-10].В первом приближении физическая расчетная модель биогазового реактора может быть представлена цилиндром радиуса R и высотой H, а для расчета температуры можно предположить осесимметричное распределение температурного поля, когда температура внутри реактора зависит только от координаты R, т.е. рассматривать одномерную задачу.Распределение температурного поля определяется общим уравнением теплопроводности Фурье,             (1)где  –­ соответственно температуропроводность, плотность, теплоемкость материала;  – мощность внутренних источников теплоты; -оператор Лапласа, в случае осесимметричного распределения температурного поля.                (2)Для установившегося режима (стационарного случая) уравнение (1) приобретает вид,                        (3)где λ – теплопроводность материала.Будем полагать также, что объект является изотропным, т.е. теплофизические параметры постоянны и однородны по всему занимаемому ими объему.Граничные условия на внутренней поверхности r = R определим как граничные условия первого рода.                   (4)Решением уравнения (3) является функция [8],                (5)где ,  – постоянные коэффициенты определяемые граничными условиями,,                             (6)                  (7)Для независимых от пространственной координаты r источников теплоты (равномерно распределенных по объему)  , а функция определяемая интегралом (7) имеет вид.                          (8)С учетом ограниченности решения при  следует полагать . Тогда для температурного поля (5) с учетом (8) получим.                  (9)Значение коэффициента  определяется из условия (4).                       (10)Из выражений (9) и (10) получаем распределение температурного поля в объекте.         (11)В рекомендациях по температурным режимам сбраживания биомассы обычно указывают рекомендуемую температуру или диапазон температур, например для мезофильного температурного режима - 34 - 37°С. В этом случае диапазон температур в первом приближении можно принимать в качестве значений температурного поля у стенок реактора  и в центре реактора .Тогда для поддержания диапазона температур  из выражения (11) получим .   (12)Мощность дополнительных (внутренних) источников теплоты определяется выражением.                      (13)С учетом предположений, что мощность источников P распределена по всему объему реактораV, то для  получим                  (14)Объема цилиндрического реактора равен,                             (15)где  – высота реактора.Окончательно с учетом (14) и (15) получаем выражение для расчета тепловой мощности источников P.                     (16)Из выражения (16) следует, что мощность равномерно распределенных дополнительных источников теплоты, необходимая для поддержания разницы температур  между стенкой и центром реактора зависит от высоты реактора и теплопроводности биомассы  и не зависит от его радиуса R.На рис. 1 представлены расчетные значения мощности источника теплоты в зависимости от высоты реактора  при различных значениях  для биомассы с теплопроводностью =0,6 Вт/(м.К).   Рис. 1. Расчетные значения мощности источника теплоты в зависимости от высоты реактора В заключение отметим, что полученное выражение (16) позволяет оценить тепловую мощность равномерно распределенных по объему дополнительных источников теплоты для подогрева биомассы в биогазовом реакторе цилиндрической формы.</p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Трахунова И.А., Халитова Г.Р., Караева Ю.В. Эффективность процесса анаэробного сбра-живания при различных режимах гидравличе-ского перемешивания // Альтернативная энер-гетика и экология. 2011.  № 10. С. 90-94.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Trahunova I.A., Halitova G.R., Karaeva Yu.V. Effektivnost' processa anaerobnogo sbra-zhivaniya pri razlichnyh rezhimah gidravliche-skogo peremeshivaniya // Al'ternativnaya ener-getika i ekologiya. 2011.  № 10. S. 90-94.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Садчиков А.В., Кокарев Н.Ф. Оптими-зация теплового режима в биогазовых уста-новках // Фундаментальные исследования. 2016. № 2-1. С. 90-93.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Sadchikov A.V., Kokarev N.F. Optimi-zaciya teplovogo rezhima v biogazovyh usta-novkah // Fundamental'nye issledovaniya. 2016. № 2-1. S. 90-93.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B3">
    <label>3.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Вендин С.В., Мамонтов А.Ю. Обосно-вание параметров терморегуляции и переме-шивания при анаэробном сбраживании // Сельский механизатор. 2016.  №7. С. 20-22.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V., Mamontov A.Yu. Obosno-vanie parametrov termoregulyacii i pereme-shivaniya pri anaerobnom sbrazhivanii // Sel'skiy mehanizator. 2016.  №7. S. 20-22.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B4">
    <label>4.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Вендин С.В., Мамонтов А.Ю. Автома-тизация механических и тепловых процессов в многокамерном биогазовом реакторе не-прерывной загрузки сырья // Вестник Феде-рального государственного образовательного учреждения высшего профессионального об-разования Московский государственный аг-роинженерный университет им. В.П. Горяч-кина. 2016. №4 (74). С. 55-60.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V., Mamontov A.Yu. Avtoma-tizaciya mehanicheskih i teplovyh processov v mnogokamernom biogazovom reaktore ne-preryvnoy zagruzki syr'ya // Vestnik Fede-ral'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo ob-razovaniya Moskovskiy gosudarstvennyy ag-roinzhenernyy universitet im. V.P. Goryach-kina. 2016. №4 (74). S. 55-60.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B5">
    <label>5.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел: Учеб. Пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп.  М.: Высшая школа, 2001. 550 с</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Kartashov E.M. Analiticheskie metody v teorii teploprovodnosti tverdyh tel: Ucheb. Posobie. Izd. 3-e, pererab. i dop.  M.: Vysshaya shkola, 2001. 550 s</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B6">
    <label>6.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Вендин С.В. К расчету нестационарной теплопроводности в многослойных объектах при граничных условиях третьего рода // ИФЖ. 1993. Т.65. №1. C. 98-100.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V. K raschetu nestacionarnoy teploprovodnosti v mnogosloynyh ob'ektah pri granichnyh usloviyah tret'ego roda // IFZh. 1993. T.65. №1. C. 98-100.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B7">
    <label>7.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Вендин С.В, Щербинин И.А. К реше-нию задач нестационарной теплопроводности в слоистых средах // Вестник Белгородского государственного технологического универ-ситета им. В.Г. Шухова. 2016. №3. С. 96-99.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V, Scherbinin I.A. K reshe-niyu zadach nestacionarnoy teploprovodnosti v sloistyh sredah // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo univer-siteta im. V.G. Shuhova. 2016. №3. S. 96-99.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B8">
    <label>8.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Вендин С.В. Теория и математические методы анализа тепловых процессов при СВЧ обработке семян. Москва; Белгород: ОАО «Центральный коллектор библиотек «БИБ-КОМ», 2016. 143 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V. Teoriya i matematicheskie metody analiza teplovyh processov pri SVCh obrabotke semyan. Moskva; Belgorod: OAO «Central'nyy kollektor bibliotek «BIB-KOM», 2016. 143 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B9">
    <label>9.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Vendin S.V. Calculation of nonstationary heat conduction in multilayer objects with boundary conditions of the third kind/ Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 1993. Т. 65. № 2. С. 823.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V. Calculation of nonstationary heat conduction in multilayer objects with boundary conditions of the third kind/ Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 1993. T. 65. № 2. S. 823.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B10">
    <label>10.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Vendin S.V. On the Solution of Prob-lems of Transient Heat Conduction in Layered Media // INTERNATIONAL JOURNAL OF EN-VIRONMENTAL &amp; SCIENCE EDUCATION. 2016. Vol. 11, № 18. 12253-12258.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vendin S.V. On the Solution of Prob-lems of Transient Heat Conduction in Layered Media // INTERNATIONAL JOURNAL OF EN-VIRONMENTAL &amp; SCIENCE EDUCATION. 2016. Vol. 11, № 18. 12253-12258.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
