Tomasz Janusz Teleszewski, Mirosław Żukowski
Bialystok University of Technology
Biogazownie w Polsce są obecnie jednym z najbardziej dochodowych alternatywnych źródeł energii. Wysoką wydajność biogazowni zapewnia przede wszystkim odpowiedni dobór wymienników ciepła w beztlenowej komorze fermentacyjnej. W literaturze brak jest danych dotyczących działania wymienników ciepła stosowanych w beztlenowej komorze fermentacyjnej. Osad w komorze fermentacyjnej często osadza się na rurach wymiennika ciepła, zmniejszając tym samym efektywność wymiany ciepła, co może prowadzić do niebezpiecznego spadku temperatury wewnątrz komory fermentacyjnej. W pracy omówiono wpływ osadu na pracę wymiennika ciepła w biogazowni. W celu wyznaczenia współczynnika przenikania ciepła dla opływanego poprzecznie orurowania wymiennika przyjęto korelacje zaproponowane przez Churchilla i Bernsteina, natomiast wewnątrz orurowania wymiennika ciepła współczynnik przejmowania ciepła obliczono z korelacji Dittusa-Boeltera. Do obliczeń przyjęto zmierzone, rzeczywiste parametry pracy biogazowni. W pierwszym zagadnieniu wyznaczono zależność temperatury na powrocie z wymiennika ciepła oraz wydajności cieplnej wymiennika w zależności do grubości warstwy osadu i współczynnika przewodzenia ciepła osadu. Do obliczeń przyjęto stałą prędkość opływu orurowania substratem: 0.001 m/s oraz następujące współczynniki przewodzenia ciepła osadu: 0.3, 0.5 oraz 1.0 W/(mK). Wraz ze wzrostem grubości warstwy osadu na ściance wymiennika temperatura na powrocie z wymiennika rośnie, co prowadzi do obniżenia wydajności cieplnej wymiennika. W drugim zagadnieniu wyznaczono funkcję temperatury na powrocie z wymiennika ciepła i wydajności cieplnej w zależności od prędkości przepływu substratu w obrębie orurowania wymiennika ciepła oraz od grubości warstwy osadu. Do obliczeń przyjęto stały jednostkowy współczynnik przewodzenia ciepła osadu oraz orurowanie wymiennika bez osadu i z osadem o grubości warstwy osadu 0.005 m i 0.01 m. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu temperatura na powrocie z wymiennika maleje, natomiast wydajność cieplna wymiennika rośnie. Orurowanie wymiennika ciepła jest zainstalowane blisko ściany komory fermentacyjnej, gdzie prędkości przepływu substratu są niewielkie. Wszystkie rezultaty obliczeń zostały przedstawione w formie wykresów. Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności cieplnej wymiennika jest zwiększenie temperatury zasilania. Należy tu zaznaczyć, że zbyt duża temperatura w obrębie orurowania wymiennika może doprowadzić do zniszczenia mikroorganizmów w komorze fermentacyjnej. W pracy przedstawiono również pomiary zużycia energii na cele ogrzania komory fermentacyjnej w latach 2015-2017. Ilości zużytego ciepła na cele ogrzania komory fermentacyjnej rosła wraz z czasem eksploatacji komory fermentacyjnej w wyniku gromadzącego się na komorze fermentacyjnej osadu. Publikację uzupełniają zdjęcia przedstawiające osady na ścianach wymiennika ciepła.
Słowa kluczowe
beztlenowa komora fermentacyjna, wymiennik ciepła, osad
The Influence of Sludge on Thermal Performance of Heat Exchanger Tubes Inside in an Anaerobic Digester
Abstract
Biogas plants in Poland are currently one of the most profitable alternative energy sources. The high efficiency of the biogas plant is guaranteed first of all by the appropriate selection of heat exchangers inside the anaerobic digester. There is no data in the literature regarding the operation of heat exchangers used in an anaerobic digester. The sludge in the digester is often deposited on the tubes of the heat exchanger, thereby reducing the efficiency of the heat transfer which can lead to a dangerous temperature drop inside the digester. This paper discusses the influence of sludge on the operation of the heat exchanger in a biogas plant. In order to determine the heat transfer coefficient for the heat exchanger tubing flowing around, the correlations proposed by Churchill and Bernstein were adopted, while inside the heat exchanger tubing the heat transfer coefficient was calculated from the Dittus-Boelter correlation. The measured actual parameters of the biogas plant operation were used for the calculations. In the first issue, dependence of return temperature from the heat exchanger and thermal efficiency of the exchanger was determined depending on the thickness of the sludge layer and the thermal conductivity of the sludge. For the calculations a constant flow velocity of the substrate was assumed: 0.001 m/s and the following thermal conductivity of sludge were assumed: 0.3, 0.5 and 1,0 W/(mK). Along with the increase of the thickness of the sludge layer on the exchanger wall, the return temperature from the exchanger increases, which leads to a decrease in the thermal efficiency of the exchanger. In the second issue, the function of return temperature from the heat exchanger and thermal efficiency was determined depending on the substrate flow velocity and the thickness of the sludge layer. A constant unit thermal conductivity coefficient of the sludge and piping of the exchanger without sludge and sludge with the thickness of the sludge layer 0.005 m and 0.01 m were assumed for calculations. With the increase of the flow velocity, the return temperature from the exchanger decreases, while the thermal efficiency of the exchanger increases. The heat exchanger piping is installed close to the wall of the digester where the substrate flow rates are small. All calculation results are presented in the form of graphs. One of the ways to increase the thermal efficiency of the exchanger is to increase the supply temperature. It should be noted that too high temperature within the exchanger's piping can lead to the destruction of microorganisms in the fermentation chamber. The paper also presents measurements of energy consumption for heating the digester in 2015-2017. The amount of heat consumed to heat the fermentation chamber increased with the time of exploitation of the fermentation chamber as a result of the sludge accumulating on the fermentation chamber. The publication is supplemented with photographs showing deposits on the walls of the heat exchanger.
Keywords
biogas anaerobic digester, heat exchanger, sludge
Pełny tekst / Full text
PDF (English)
