دانشگاه آزاد اسلامی
واحد بین المللی جلفا
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
رشته مهندسی مکانيک
گرايش تبديل انرژی
عنوان:
طراحی و ساخت یک واحد رآکتور بی هوازی ترکیبی در شهرستان خوی و امکان سنجی استفاده از یک کویل داخلی ، آبگرمکن بیوگاز سوز و آبگرمکن خورشیدی در ساختمان آن
استاد راهنما :
دكتر محمدعلی اشجاری
نگارش :
مهدی آذری کیا
بهمن ماه 1393
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد بین المللی جلفا
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
رشته مهندسی مکانيک
گرايش تبديل انرژی
عنوان:
طراحی و ساخت یک واحد رآکتور بی هوازی ترکیبی در شهرستان خوی و امکان سنجی استفاده از یک کویل داخلی ، آبگرمکن بیوگاز سوز و آبگرمکن خورشیدی در ساختمان آن
استاد راهنما :
دكتر محمدعلی اشجاری
نگارش :
مهدی آذری کیا
بهمن ماه 1393
با توجه به مجوز شماره ……………………………….. در تاریخ …./.11/.93 در جلسه ای در محل ……………………………………………و در حضور هیأت داوران
آقای مهدی آذری کیا دانشجوی رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی به شماره دانشجویی 910887340 از پایان نامه خود تحت عنوان طراحی و ساخت یک واحد رآکتور بی هوازی ترکیبی در شهرستان خوی و امکان سنجی استفاده از یک کویل داخلی ، آبگرمکن بیوگاز سوز و آبگرمکن خورشیدی در ساختمان آن دفاع به عمل آورد. هیأت داوران که قبلاً رساله ایشان را مطالعه نموده اند؛ پس از استماع و پرسشهای لازم در زمینه علمی و تحقیقاتی ایشان، نتیجه را بشرح زیر اعلام می دارد:
1- پایان نامه در وضع فعلی الف) قابل قبول است ( ب) با تصحیحات جزئی قابل قبول است( ج (نیاز به تصحیحاتی دارد که پس از تأیید هیأت داوران قابل قبول است ( و با توجه به عدم امکان ارائه مقاله توسط دانشجو(با توجه به تکمیل فرم شماره 2 موضوع بخشنامه398365/73) نمره نهایی (از 18 نمره) به عدد……………………. به حروف ……………………………………………………………………….. می باشد.
2- پایان نامه در وضع فعلی الف) قابل قبول است ( ب) با تصحیحات جزئی قابل قبول است( ج( نیاز به تصحیحاتی دارد که پس از تأیید هیأت داوران قابل قبول است ( و نمره نهایی (از 18 نمره) به عدد……………………. به حروف ……………………………………………………………………. می باشد و با توجه به ارائه پذیرش مقاله در جلسه دفاع و یا در صورت ارائه پذیرش مقاله در مهلت مقرر مندرج در بخشنامه فوق، نمره نهایی در فرم شماره 3 ثبت و در ذیل این صورتجلسه درج خواهد شد.
3- پایان نامه نیاز به تکمیل دارد که بعد از دفاع مجدد نمره آن اعلام خواهد شد. (
هیأت داوران:
نام و نام خانوادگیسمترشته تحصیلیامضاءمحمدعلی اشجاریاستاد راهنماعلیرضا الهامیاستاد ممتحن داخل دانشکدهاستاد ممتحن خارج دانشکده مدیر گروه محترم : گواهی می شود که تصحیحات لازم در بند (ب) به عمل آمده است. استاد راهنما :محمد علی اشجاری
مدیر گروه محترم : گواهی می شود که تصحیحات لازم در بند (ج) به عمل آمده است.
استادان راهنما:استادان مشاور:استادان داور:
معاونت محترم آموزشی واحد
با سلام، به پیوست دو نسخه از پایان نامه به همراه سایر فرم ها و مدارک تکمیل شده جهت هرگونه اقدام مقتضی ارسال می گردد.
مدیر گروه
توجه: در صورت ارائه مقاله باید فرم شماره 3 ارزشیابی مقاله که به تأیید استاد راهنما و مدیر گروه رسیده است نیز ضمیمه باشد.
معاونت محترم پژوهش و فناوري واحد
با سلام، بدینوسیله مدارک مربوط به پایان نامه دانشجو شامل:
(1- دو نسخه پایان نامه با امضاي تاييد استاد راهنما
(2- فرم شماره 3 ارائه مقاله (در صورت ارائه مقاله)
( 3- فرم شماره 2 عدم امکان ارائه مقاله
( 4- سه عدد سي دي پايان نامه در قالب word , pdf
جهت اقدامات لازم ارسال می گردد. ضمناً با توجه مدارك موجود ،
نمره نهایی دانشجو به عدد……………………………. و به حروف …………………………………………………………………. می باشد.
معاون آموزشي واحد بين المللي جلفا
مدیر محترم آموزش
لطفاً نسبت به ثبت نمره پایان نامه دانشجو اقدام لازم صورت گیرد.
مسئول پژوهش وفناوري واحد
تعهدنامه اصالت پایاننامه
اینجانب مهدی آذریکیا دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته در رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی که در تاریخ ……………از پایان نامه خود تحت عنوان “طراحی و ساخت یک واحد رآکتور بی هوازی ترکیبی در شهرستان خوی و امکان سنجی استفاده از یک کویل داخلی ، آبگرمکن بیوگاز سوز و آبگرمکن خورشیدی در ساختمان آن” با کسب نمره ………………و درجه……………..دفاع نموده ام. بدینوسیله متعهد میشوم:
1)این پایاننامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایاننامه ، کتاب ، مقاله و…. )استفاده نموده ام ،مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کرده ام.
2)این پایان نامه قبلا برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (همسطح، پایین تر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3)چنانچه بعد از فراغت از تحصیل ،قصد استفاده و هر گونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و… از این پایان نامه داشته باشم از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوز های مربوطه را اخذ نمایم.
4) چنانچه در هر مقطعی زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را می پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلی ام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت.
امضا و تاریخ
مهدی آذری کیا
تقدیم به مردم سرافراز وطنم
سپاسگزاری
مفتخرم که در اينجا از همه کساني که مرا در راستای اين پایان نامه ياري نموده اند، تشکر و قدرداني نمايم.
لازم میدانم از استاد راهنماي خود، جناب آقاي دکتر اشجاری ، براي هدايت اين پایان نامه ، حمايت و علاقه ای که در من براي اتمام اين پایان نامه ايجاد نمودند سپاسگذاري نمايم. از جناب آقاي دکتر الهامی ، به خاطر مشاوره ای که در هدايت پایاننامه متحمل شدند تشکر و قدرداني مینمايم.
تشکر بیکرانی دارم از همسر صبور خود که با تحمل سختیهای زیاد در تمامي مراحل همراهي نموده و همواره سنگ صبور، مشوق ، يار و غمخوار من بودند. از پدر بزرگوارم که از استراحت خود کم کردند و مادر مهربانم که در جریان پروژه ام با اینکه مریض بودند با ایثار و فداکاری مرا تا انتهای پایان نامه همراهی نمودند کمال تشکر و قدرداني دارم.در اينجا بر خود واجب مي دانم که از جناب آقاي حیدر ولی نژاد و فرزند دلبندشان علیرضا ولی نژاد و سایر اعضای خانواده محترمشان به خاطر حمایت مادی و معنوی احداث رآکتور در ملک شخصیشان و همکاری سازنده شان در جهت انجام هرچه بهتر اين پایان نامه تشکر و قدر داني نمايم. از مدیر هنرستان جناب آقای علی کریمی به دلیل تسهیل در هدایت دوره کارورزی هنرجویان تاسیسات به محل پروژه و اینکه وقت مرا در مواقع لازم آزاد گذاشتند و خود با تحمل کار بیشتر، کار را برای من آسان کردند بینهایت سپاسگذارم. از کارآموزان هنرستان امام رضا (ع) خوی هنرجویان اکبر رجبی ، جواد عباسدوست و رضا شعیبی به خاطر کار عملی که از ابتدا تا انتهای طرح همراه بنده بودند تشکر مینمایم.در خاتمه از مهندس محمد قدیمخانی، حاج حسن کوسه لو، حامد عابدینی و خانم مهندس نرگس حسنی به خاطر آموزش نرم افزار EESو مدیران وبلاگ تراپیپر به آدرس اینترنتی www.terapaper.com به دلیل راهنمایی و آموزش نرم افزار Word و دوستان و آشنایان شهر فیرورق و خوی و کسانی که به هر نحو در این پایان نامه سهیم بودند تشکر مینمایم.
فهرست مطالب
فصل اول کلیات تحقیق2
1-1 تحلیل مساله و ضرورت انجام تحقیق2
1-2 بيوگاز و مشخصات آن3
1-3 انواع واحدهاي بیوگاز4
1-4 زیست توده5
1-5 کارآیی منابع و نگرش اجتماعی6
1-6 رآکتور ترکیبی بیوگاز7
فصل دوم مروری بر کارهای انجام شده8
2-1 تاریخچه بیوگاز8
2-2 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تجربی11
2-3 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تجهیز11
2-3-1 همزن12
2-3-2 سرپوش گازی12
2-3-3 کویل داخلی13
2-3-4 آبگرمکن بیوگازسوز13
2-3-5 آبگرمکن خورشیدی13
2-4 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ علمی14
2-5 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تحلیلی14
2-6 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ نرم افزاری14
2-7 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ سخت افزاری15
2-8 زمان کار دستگاه ها15
2-9 فرآیند رآکتور ترکیبی بیهوازی16
2-9-1 رآکتور اول :رآکتور بیهوازی ترکیبی چینی و هندی17
2-9-2 رآکتور دوم: رآکتور بی هوازی ترکیبی بیوگاز هندی و چینی کویلدار با آبگرمکن بیوگاز سوز18
2-9-3 رآکتور سوم : رآکتور هیبریدی ترکیبی بیوگاز هندی و چینی کویدار با آبگرمکن بیوگازسوز و خورشیدی19
فصل سوم مواد و روش ها20
3-1 روش حل معادلات رآکتور نوع اول: رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی20
3-1-1 بار حرارتی جدارها21
3-1-2 اتلاف حرارتی ازطریق نفوذ هوا21
3-1-3 بار ناشی از آبگرم مصرفی22
3-1-4 بار ناشی از پخت و پز و روشنایی22
3-1-5 مقدار بیوگاز مورد نیاز و تولید شده23
3-1-6 مقدار مواد اولیه یا خوراک روزانه25
3-1-7 روش طراحی هاضم و محاسبه حجم آن25
3-1-8 روش محاسبه حجم مخزن خروجی یا نگهدارنده گاز26
3-1-9 روش محاسبه قطر لوله ورودي مخزن هاضم26
3-1-10 روش محاسبه قطر لوله خروجی مخزن دایجستر27
3-1-11 حل معادلات حاکم و روش ساخت همزن28
3-1-12 روش محاسبه ابعاد سرپوش گازی و بیوگاز تولیدی30
3-1-13 مقدار بیوگاز تولیدی با اضافه شدن همزن31
3-1-14 مقدار بیوگاز تولیدی با اضافه شدن سرپوش32
3-1-15 مقدار بیوگاز تولید شده32
3-2 روش طراحی رآکتور نوع دوم: رآکتور بیهوازی ترکیبی چینی وهندی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز33
3-2-1 بار حرارتی ساختمان33
3-2-2 کویل داخلی و نسبت گاز مصرفی به تولیدی و مجموع بارهای ساختمان33
3-2-3 مقدار بیوگاز ، خوراک و طراحی دایجستر ، همزن و سرپوش34
3-2-4 بیوگاز تولید شده خالص34
3-2-5 ظرفیت حرارتی آبگرمکن و مقدار آبگرم مورد نیاز35
3-3 روش طراحی رآکتور نوع سوم : رآکتور هیبریدی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی35
3-3-1- ظرفیت حرارتی آبگرمکن خورشیدی و مقدار آبگرم مورد نیاز36
3-3-2 ثابت خورشيدي36
4-3-3 مقدار تابش تابش خورشيدي37
3-3-4 زاویه های مورد نیاز محاسبات38
3-3-5 ساعات طلوع و غروب خورشید و طول روز42
3-3-6 جهت تابش خورشید43
3-3-7 میزان تابش خورشیدی بر روی صفحه افقی در سطح خارجی جو43
3-3-8 بیان انرژی و متوسط ماهانه انرژی خورشیدی جذب شده45
3-3-9 مقدار انرژي دریافتی و سطح مورد نیاز46
3-3-10 سطح مورد نیاز برای کلکتور خورشیدی47
3-4 روش های اندازه گیری و ابزار ها48
3-5 روش محاسبه مقدار هزینه ها و بازگشت سرمایه49
3-6-روش اعتبار سنجی نتایج52
فصل چهارم طراحی و نحوه انجام محاسبات53
4-1 مقدمات برنامه53
4-2 بیان مسئله54
4-3 طراحی رآکتور نوع اول54
4-3-1 مقدمات طراحی54
4-3-2- مشخصات ساختمان56
4-3-3 ضرایب انتقال حرارت و بارهای حرارتی56
4-3-4 مقدار بیوگاز مورد نیاز برای جبران بارها58
4-3-5 طراحی هاضم58
4-3-6 طراحی همزن59
4-3-7 طراحی سرپوش59
4-3-8 مقدار تولید بیوگاز در رآکتور نوع اول60
4-3-9 مقدار انرژی تولید شده توسط بیوگاز در رآکتور نوع اول60
4-3-10 هزینه ها و زمان بازگشت سرمایه61
4-4 فلوچارت برنامه EES رآکتور اول61
4-5 طراحی رآکتور نوع دوم63
4-5-1 مقدار بارهای حرارتی63
4-5-2 محاسبات63
4-6 فلوچارت برنامه EES رآکتور دوم64
4-7 طراحی رآکتور سوم65
4-7-1 محاسبه مقدار دبی آبگرمکن خورشیدی برای کویل داخلی65
4-7-2 زاویه های مورد نیاز محاسبات66
4-7-3 ساعات طلوع ، غروب و طول روز66
4-7-4 مقدار متوسط ماهانه تابش روزانه66
4-7-5 بدست آوردن سطح مورد نیاز آبگرمکن خورشیدی (Ac)67
4-7-6 بازدهی گردآورنده67
4-7-7 مقدار بیوگاز تولید شده67
4-7-8- محاسبه هزینه های رآکتور هیبریدی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی68
4-8 فلوچارت برنامه EES رآکتور سوم68
4-8 انتخاب رآکتور مناسب و اتمام برنامه69
4-9 فلوچارت برنامه EES (کل پایان نامه)69
فصل پنجم مدل سازی و ساماندهی نتایج نرم افزاری70
5-1 حل مسئله برای رآکتور نوع اول : رآکتور بیهوازی ترکیبی چینی و هندی70
5-2 حل مسئله برای رآکتور نوع دوم : رآکتور بیهوازی ترکیبی چینی و هندی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز78
5-3 حل مساله برای رآکتور نوع سوم : رآکتور هیبریدی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی82
فصل ششم طراحی و ساخت تجربی رآکتور بی هوازی ترکیبی در روستای فیرورق90
6-1 مقدمات طرح90
6-2 مشخصات منطقه91
6-3 تاثیر شرایط آب و هوایی منطقه بر تولید92
6-4 مشخصات خانوار92
6-5 ابعاد دایجستر و محاسبه قطر لوله اي ورودي93
6-6- هم زن مکانیکی96
6-7 سرپوش گازی98
6-8 زمان بندی ساخت رآکتور آزمایشگاهی100
فصل هفتم نتایج تجربی101
7-1- نتایج تجربی رآکتور نوع اول احداث شده101
7-2 مقایسه نتایج تجربی با محاسبات علمی104
7-3 مقایسه رآکتور ها109
7-4 انتخاب رآکتور مناسب111
فصل هشتم بحث و نتیجه گیری113
8-1 دما113
8-2- ظرفیت اسمی رآکتور113
8-3 از دیدگاه زیست محیطی114
8-4 ارتقای علمی115
8-5 تولید انرژی115
8-6 صرفه جویی در وقت116
8-7 پیشنهادات برای تحقیقات جدید116
فهرست منابع فارسی118
فهرست منابع انگلیسی121
پیوست الف- زمانبدی انجام پروژه رآکتور ترکیبی123
پیوست ب هزینه های غیر مالی پروژه124
پیوست ج- هزینه های مالی پروژه124
فهرست جدول ها
جدول 2-1 مقايسه ويژگي ها و نقاط ضعف و قوت دو مدل هندي و چيني با مدل ترکیبی16
جدول 3-1 خواص انواع مواد خوراک25
جدول 3-2 انتخاب مشخصات هاضم چینی27
جدول 3-3 انتخاب مشخصات هاضم هندی27
جدول 3-4 مقدار روز و زاویه انحراف خورشید برای روز متوسط ماه39
جدول 3-5 متوسط ماهانة تابش روزانة سطح خارجي جو40
جدول 3-6 ترخ گازبهای خانگی در سال 139351
جدول 3-7 نتایج ارائه شده در مقاله دکتر عمرانی52
جدول 4-1 مشخصات اقلیمی شهر خوی54
جدول 4-2 مقدار ضریب انتقال حرارت جدار ها57
جدول 4-3 مقدار ارزش حرارتی سوختها57
جدول 4-4 مقدار بیوگاز تولیدی برای هر کیلوگرم خوراک در روز برای روزهای متوسط ماه ها59
جدول 5-1 مشخصات ساختمان70
جدول 5-2 مشخصات هاضم چینی73
جدول 5-3 مشخصات هاضم هندی73
جدول 5-4 هزینه های رآکتور ترکیبی چینی و هندی76
جدول 5-5 جدول هزینه های صرفه جویی شده و درآمد ها رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی77
جدول 5-6 مقدار زوایا برای روز متوسط فروردین ماه83
جدول 5-7 زوایا برای روز متوسط در طول سال در مدار 38 درجه84
جدول 5-8 متوسط ماهانه تابش روزانه بر روي صفحة افقي براي خوی85
جدول 5-9 مشخصات تابش در شهر خوی86
جدول 5-10 مشخصه های محاسبه سطح و راندمان86
جدول 5-11 هزینه های رآکتور هیبریدی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی89
جدول 5-12 جدول هزینه های صرفه جویی شده و درآمد های رآکتور هیبریدی (تومان)89
جدول 7-1 میزان بیوگاز تولید شده در شرایط آزمایش102
فهرست شکل ها
شکل1-1 واحد مخزن گاز ثابت یا دایجستر چینی4
شکل 1-2 واحد مخزن گاز شناور یا دایجستر هندی5
شکل 2-1 رآکتور نوع اول : رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی17
شکل 2-3 رآکتور نوع سوم : رآکتور بیهوازی هیبریدی19
شکل 3-1 تولید بیوگاز از فضولات تازه گاو بستگی به زمان اقامت و دماي دایجستر23
شکل 3-2 زوایای مختلف خورشیدی41
شکل 3-3 تابش مستقیم بر روی سطوح افقی و شیبدار43
شکل 3-4 کنتور گاز ، تجهیز اندازه گیری دبی بیوگاز49
شکل 3-5 تجهیزات اندازهگیری دما و فشار49
شکل 4-1 روزها و ساعات کار سیستم و منزل55
شکل 4-2 ابعاد و موقعیت طرح56
شکل 4-3 فلوچارت رآکتور اول62
شکل 4-4 فلوچارت رآکتور دوم64
شکل 4-5 فلوچارت رآکتور سوم68
شکل 4-6 فلوچارت کلی نرم افزار69
شکل 5-1 تلفات حرارتی جدار ها (ساعتی) در طول سال برای روز متوسط هر ماه71
شکل 5-2 تلفات حرارتی جدار ها (ماهانه) برای تمام ماه ها در طول سال71
شکل 5-3 مقدار بیوگاز مورد نیاز (روزانه) برای تامین انرژی ساختمان در طول سال72
شکل 5-4 مقدار بیوگاز مورد نیاز (ماهانه) برای تامین انرژی ساختمان در طول سال72
شکل 5-5 تولید روزانه بیوگاز توسط تجهیزات رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی74
شکل 5-6تولید ماهانه بیوگاز توسط تجهیزات رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی74
شکل 5-7 مقایسه تولید و مصرف در رآکتور نوع اول75
شکل 5-8 تلفات حرارتی کویل داخلی رآکتور بی هوازی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز (ساعتی)78
شکل 5-9 تلفات حرارتی کویل داخلی رآکتور بی هوازی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز (روزانه)79
شکل 5-10 تلفات حرارتی کویل داخلی رآکتور بی هوازی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز (ماهانه)79
شکل 5-11 مقدار بیوگاز مورد نیاز روزانه روز متوسط هر ماه تولید شده در سیستم ساده و کویل دار80
شکل 5-12 مقدار بیوگاز مورد نیاز ماهانه در سیستم ساده و کویل دار80
شکل 5-13 تولید روزانه بیوگاز توسط رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز81
شکل 5-14 تولید ماهانه بیوگاز توسط رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز81
شکل 5-15 تولید ماهانه بیوگاز توسط رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی کویلدار با آبگرمکن بیوگازسوز82
شکل 5-16 تولید روزانه بیوگاز توسط رآکتور هیبریدی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی87
شکل 5-17 تولید ماهانه بیوگاز توسط رآکتور هیبریدی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی87
شکل 5-18 مقایسه بیوگاز تولید شده و مورد نیاز رآکتور سوم88
شکل 6-1 پیش بینی تولید بیوگاز در طول ماههای سال برای شهر خوی92
شکل 6-2 حفر گودال رآکتور سمت راست به تاریخ 24/2/93 و سمت چپ به تاریخ 6/3/9394
شکل 6-3 سنگ چینی و بتن ریزی کف مخروطی به تاریخ 8/3/9394
شکل 6-4 قالب بندی و بتن ریزی رآکتور به تاریخ 9/3/9394
شکل 6-5 قالب بندی و بتن ریزی سقف گنبدی به تاریخ 10/3/9395
شکل 6-6 قالب بندی و بتن ریزی مخزن خروجی به تاریخ 11/3/9396
شکل 6-7 حوضچه ورودی تصویر سمت راست مورخه 12/3/93 و مخزن خروجی 14/4/9396
شکل 6-8 جزئیات مهار همزن97
شکل 6-9 جزئیات اندازه همزن97
شکل 6-10 نحوه اتصال شفت همزن به بلبرینگ مورخه 18/3/9398
شکل 6-11 همزن مکانیکی و دفن دایجستر در محوطه مورخه 18/3/9398
شکل 6-12 سرپوش گازی و نحوه آب بندی آن تصویر سمت راست مورخه 17/3/9399
شکل 7-1 دما و فشار اندازه گیری شده تجربی دایجستر101
شکل 7-2 میزان تولید بیوگاز به دست آمده از نتایج تجربی برای کل خوراک موجود103
شکل 7-3 میزان تولید بیوگاز به دست آمده از نتایج تجربی برای واحد خوراک103
شکل 7-4 مقایسه نتایج تجربی با محاسبه شده مورد نیاز ماهانه104
شکل 7-5 مقایسه نتایج تجربی با محاسبه شده مورد نیاز هفتگی104
شکل 7-6 برآورد مقدار تولید در سیستم ترکیبی ساخته شده برای روستای فیرورق106
شکل 7-7 مقایسه میزان تولید بیوگاز نتایج تجربی و برآورد شده106
شکل 7-8 نتایج صحیح آزمایش دکتر عمرانی108
شکل 7-9 میزان فزایش تولید بیوگاز به دلیل تجهیزات به کار گرفته شده بر حسب درصد108
شکل7-10 تحلیل انرژی برای رآکتور اول109
شکل 7-11 تحلیل انرژی برای رآکتور دوم110
شکل7-12 تحلیل انرژی برای رآکتور سوم110
شکل 7-13 مقایسه رآکتور های نوع اول ، دوم و سوم112
چکیده
این پایان نامه به بررسی و تحلیل طراحی رآکتور های بیهوازی میپردازد. سه رآکتور جهت افزایش راندمان پیشنهاد داده شده اند. تمام محاسبات طراحی هر سه رآکتور در نرم افزار EES انجام گردیده است. رآکتور اول، ساخت و بهره برداری یک رآکتور بیوگاز ترکیبی هندی و چینی است. هدر رفت گاز از مخزن خروجی و سفت شدن محلول از دلایل کم بودن راندمان در هاضم‌های بیوگاز میباشند. در طراحی و ساخت رآکتور موجود برای افزایش بازده ، از همزن مکانیکی جهت افزایش تولید و از سرپوش گازی برای استحصال بیوگاز حوضچه خروجی استفاده گردیده است. در رآکتور دوم کویل آبگرم داخلی و آبگرمکن بیوگازسوز تجهیزات ضمیمه شده به رآکتور اول هستند. در رآکتور سوم تجهیز آبگرمکن خورشیدی، به رآکتور دوم اضافه شده است. این رآکتورها با یکدیگر مقایسه گردیده و رآکتور ایده‌آل برای منطقه طراحی انتخاب و ساخته شده است. رآکتورها ، با مدت زمان اقامت 117روز با حجم هاضم 9600 لیتر فضولات که با نسبت یک به یک با آب مخلوط شده اند، طراحی شده اند. هاضم ساده توانایی تولید متوسط بیش از یک مترمکعب گاز را در روز داراست. رآکتور اول با بتن مسلح در مرز شمال غربی کشور (شهرستان خوی-شهر فیرورق) احداث گردیده است. حجم مخزن خروجی دو مترمکعب و سرپوش گازی به حجم 350 لیتر می باشد. در ابتدا میزان بارگیری مخزن 12 تن مخلوط است که از آن پس به صورت متناوب با مقدار خوراک روزانه 40 کیلوگرم فضولات گاوی می باشد. براساس آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های تجربی میزان گاز خروجی با به کار بردن همزن 5/6 درصد ، سرپوش 21 درصد و همزن و سرپوش 5/27درصد افزایش می یابد. نتایج تجربی بر حسب تعداد روزهای آزمایش 1 تا 117 روز ارائه شده است. مدل‌سازی نتایج علمی و تجربی در طول یک سال انجام گرفته است که در راستای آن نیاز انرژی ساختمان و انرژی گاز تولید شده بررسی شده است.
واژه‌گان کلیدی: تبدیل انرژی ، طراحی رآکتور بی‌هوازی ، سیستم بیوگاز، تامین انرژی ، بیوگاز
فصل اول
کلیات تحقیق
1-1 تحلیل مساله و ضرورت انجام تحقیق
با وجود مشکلات عرضه انرژی و هدفمند شدن یارانه ها و گرانی سوخت ، جایگاه انرژی های نو در کشور مشخصتر می شود. حال با معرفی سیستم بیوگاز به عنوان حلال برخی مشکلات مذکور ،برای توجیه بهتر مسئله، (شادی طلب و نایه در، 1388) رآکتور بیوگاز شرح داده شده میشود( تقوي و عباسپور، 1392). هاضم های بیهوازی دارای مشکلاتی هستند که محبوبیت استفاده از آنها را کم میکند. بزرگترین مشکل هاضمها عدم جوابگویی به نیاز انرژی ساختمان می باشد. در پروژه حاضر روشهای علمی جدیدی برای حل این مشکل آورده شده است که نو آوری تحقیق می باشد.
يک دستگاه بيوگاز عموماً و به طور کلي از دو حوضچه ورودي و خروجي, يک مخزن تخمير و يک محفظه گاز تشکيل شده است که با توجه به شرايط خاص اقليمي و امکانات فني و مالي به شکل‌هاي مختلف ساخته شده و مورد بهره برداري قرار مي‌گيرد (احمدي ،1364). براي اينکه فرآيند تشکيل بيوگاز در مخزن تخمير به خوبي صورت گيرد بايد درجه حرارت حدود 20 تا 35 درجه سلسیوس باشد و مواد اوليه تقريباً هم حجم خود با آب مخلوط شده باشند (ساسه ،1374). بیو گاز توسط باکتریهایی که موجب تجزیه ، پوسیدن وشکسته شدن مواد آلی درشرایط بدون اکسیژن میشود لذا چنین فرآیندي را هضم بیهوازي گویند که شامل دو مرحله است (خردمند و همکاران، 1388). اصولاً بیوگاز را می توان از هر مادة آلی به دست آورد. (مهراسبی ، 1376).
1-2 بيوگاز و مشخصات آن
بيوگاز به عنوان يك حامل انرژي ميتواند جايگزين بسيار مناسبي براي سوختهاي فسيلي باشد. بيوگاز سوخت تميزي است كه ايجاد آلودگي زيست محيطي نميكند(عمرانی ق،1363). اين مخلوط گازي كه از تخمير مواد زايد آلي در شرايط بيهوازي حاصل ميشود داراي ميزان60 تا 70 درصد متان،30 تا40 درصد دياكسيدكربن و مقادير ناچيزي از گازهاي ديگر مانند هيدروژن، نيتروژن، اكسيژن، منواكسيدكربن و سولفيد هيدروژن است. بیوگاز مقداري سبکتر از هواست و دماي شعلۀ آن 870 درجه سانتیگراد و دماي احتراق آن 700 در جه سانتی گراد میباشد که در مقایسه، گازوئیل 350 درجه سانتیگراد ، نفت و پروپان در حدود 500 درجه سانتی گراد مناسب است. (ساسه ، 1374)
1-3 انواع واحدهاي بیوگاز
واحد مخزن گاز ثابت با فضاي گاز ثابت مدل چینی غیر متحرك است و گاز حاصل در قسمت فوقانی دایجستر ذخیره می شود. در شکل1-1 واحد مخزن گاز ثابت نشان داده شده است. واحد با مخزن گاز شناور در شکل 1-2 شامل دایجستر و مخزن نگهدارنده گاز متحرك است مخزن نگهدارنده گاز یا بر روي لجن تخمیري یا در پوسته آب مخصوص به خود شناور می باشد گاز همچنان متصاعد شده در مخزن شناور جمع آوري میشود. اگر گاز خارج شود مخزن مجدداً به حالت اول بر می گردد زنگ زدگی سبب کوتاه شدن عمر واحد تا 15 سال و در ناحیه گرمسیر حدود 5 سال می شود. مخارج تعمیر و نگهداري مدام ناشی از هزینههاي رنگ آمیزي و احداث وجود دارد. مخزن هاي از جنس پلیکا به خاطر عدم پایداري آنها در مقابل اشعه ماوراي بنفش مناسب نیستند مخزن گاز شناور را میتوان با بالون بر روي دایجستر جایگزین نمود.
شکل1-1 واحد مخزن گاز ثابت یا دایجستر چینی (وافی محمدی م. 1386)
1 – حوضچه و لولۀ ورودي 2 – دایجستر 3 – مخزن خروجی 4 – مخزن نگهدارنده گاز 5 – لولۀ گاز 6 – در پوش ورودي ( با استفاده از وزنه ها مهار شده است ) 7- اختلاف ارتفاع برابر با اختلاف فشار بر حسب سانتی متر آب 8 – لایۀ زلال 9 – (انباشتگی )لجن غلیظ 10 -(انباشتگی)سنگ و شن 11 -خط مبداء (صفر )ارتفاع پر شدن مخزن بدون فشار گاز
شکل 1-2 واحد مخزن گاز شناور یا دایجستر هندی (وافی محمدی م. 1386)
1-4 زیست توده
بیوگاز می تواند از فضولات حیوانی، انسانی، بقایای گیاهانی همچون باکاس ، کلش(کلوری و همکاران ، 1391)، تفاله‌های چغندر(عزت زادگان ، 1391) ، تفاله‌های گل محمدی (دعاگویی و همکاران ، 1390) و حتی زباله (یزدان داد و همکاران ، 1390) تولید شود. مواد آلي , فضولات حيواني , انساني و گياهي قابل باز يافتند و تحت شرايط ويژه اي مي توان از آنها گاز متان تهيه کرد ( ساسه ، 1374) . زباله‌تر تولیدی در شهر ها و روستاها، فضولات حیوانی و انسانی (روشنی و همکاران ،1391) ، بقایای گیاهی ، بقایای شهری ،( عتابی و همکاران، 1391) پساب صنایع ،تفاله نیشکر( مستعد و همکاران ، 1389)، لندفیل1 ها (اسماعيلي و اسماعيلي ، 1392) (خردمند و همکاران ، 1388) ، تصفیه شیرابه (ذوقی و قویدل، 1388). از چغندر میتوان طی شرایطی بیو اتانول تولید نمود و با نسبت معینی گازوئیل ترکیب کرده به عنوان سوخت استفاده کرد و بدین وسیله از مصرف سوختهای فسیلی کاسته و مانع تولید گازهای گلخانهای میشود.( Eric et al ،2001)

1-5 کارآیی منابع و نگرش اجتماعی
از دیگر دلایلی که مردم را نسبت به استفاده از بیوگاز بدبین نموده راندمان کم دایجسترهای خانگی میباشد که اغلب جوابگوی نیاز ساختمان ها نبوده و بلا استفاده می مانند(آذریکیا و اشجاری، 1393). این امر به دلیل استفاده از روشهای سنتی در طراحی هاضمها اتفاق میافتد( قدیمخانی وهمکاران، 1392). چند مورد از مزایای استفاده از بیوگاز، امکان تولید انرژی در محل مصرف و حذف تلفات شبکه انتقال نفت ، برق و گاز، امکان تحویل انرژی پاک ،ارزان و تحویل انرژی بهفرم آبگرم، سوخت یا روشنایی، ایجاد اشتغال و توسعه صنایع مرتبط، تبدیل زباله شهری و صنعتی و فاضلاب‌های شهری و زائدات کشاورزی، جنگلی و دامی به کود بهداشتی ( آذری کیا و اشجاری، 1392)، تولید همزمان برق و حرارت بيوگاز سوز در كشور (امین صالحی و عبدلی، 1388) و جلوگیری از مهاجرت بیان می‌شود(تقدیسی و احمدی، 1391).
1-6 رآکتور ترکیبی بیوگاز
هاضم بیهوازی می ‌تواند در تمام ساعات و طول مدت سال بیوگاز تولید کند. میتواند به صورت خانگی در مصارف پخت و پز یا روشنایی و یا گرمایش به عنوان منبع انرژی استفاده شود. رآکتور ترکیبی در این تحقیق در سه نوع طبقه بندی شده است که هر سه در فصل دو شرح داده خواهد شد. رآکتور اول داری همزن و سرپوش می باشد که ساخت این رآکتور در این تحقیق انجام شده است. رآکتور دوم دارای امکانات رآکتور اول ، کویل داخلی و یک آبگرمکن بیوگازسوز است که در داخل دایجستر قرار میگیرد. در فصول سرد که دمای زمین پایین است، بیوگاز تولید شده در آبگرمکن تبدیل به آبگرم شده و وارد کویل داخلی شده و کمبود انرژی را جبران میکند. رآکتور سوم دارای امکانات رآکتور دوم و یک آبگرمکن خورشیدی میباشد. هدف از ترکیب انرژی‌ های تجدید پذیر ، افزایش کارایی در سیستم مرکب نسبت به استفاده منفرد از انرژی ها می باشد.
فصل دوم
مروری بر کارهای انجام شده
2-1 تاریخچه بیوگاز
بیشتر تاریخچه موجود در این بخش از (عمرانی ، 1375) و همچنین (عمرانی ، 1376) استفاده شده است لذا از ذکر پیوسته این منابع در متن امتناع میشود. شناسایی و سوزاندن گازها به چند قرن پیش بر می گردد. برای اولین بار در سال 1630 در خصوص شناسایی و کشف گاز دفنگاه دانشمندی به نام وان هلمونت اقدام نمود. او کسی بود که به ماهیت گاز پی برد. ولی کشف بیوگاز در سال 1667 توسط دانشمندی به نام شرلی انجام شد. ولتا دانشمندی بود که در سال 1776 گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز از مواد تخمیر شده را شناسائی کرد. وی اولاً پی برد که بیوگاز تولیدی، بستگی تام به مقدار مواد آلی دارد که توسط گیاهان پوسیده در طبقات زیرین خاک بوجود آمده‌اند و ثانیاً اگر نسبت معینی از این گاز با اکسیژن ترکیب شود تولید انفجار می‌کند. کروئیک شانک در سال 1801 اثبات کرد متان فاقد اکسیژن می‌باشد و در سال 1806 فرمول اصلی گاز متان را کشف کرد.
در سال 1808میلادی، سِر همفری دیوی به وجود گاز متان در فضولات حیوانی پی برد. اولین مخزن هاضم به شکل نوین در سال 1859 در بمبئی هندوستان ساخته شد. این ایده به انگلستان برده شد و شکل بهتری از هاضم طراحی شد و در سال 1895 از بیوگاز حاصل برای روشنایی چراغهای گازی خیابانها که در آن زمان در انگلستان مرسوم بود استفاده شد. با پیشرفت علم میکروبشناسی و تحقیقات بوزول2 و دیگران در1930 باکتریهای بیهوازی و شرایط لازم برای تولید بهینه متان کشف شد و گامهای بیشتری در جهت استفاده از بیوگاز در دنیا برداشته شد. از آن زمان تاکنون شمار زیادی از کشورهای صنعتی و در حال توسعه، در جهت بهبود و توسعه صنعتی و بهره.برداری بهینه از این انرژی ارزان و در دسترس به پیشرفت.های زیادی دست یافته.اند.
در سال 1875 یک زارع آلمانی بنام وترستیر3 برای اولین بار از گاز متان خروجی از اعماق زمین روشنایی تولید کرد. در سال 1895 کامرون در انگلستان از یک گودال عفونی بیوگاز به دست آورد و در بعضی مواقع جهت روشنایی معابر شهر اکستر استفاده می‌کرد. در سال 1897 اولین دستگاه بیوگاز هندی در بمبئی هند ساخته شد. به کار اندازی موتور از طریق کاربرد گاز متان برای اولین بار در سال 1907 مورد آزمایش قرار گرفته و با نتیجه مثبت مواجه گردید. از سال 1930 در چین و هند که پیشتازان استفاده از بیوگاز در دنیا می‌باشند گاز مرداب به صورت عمومی در روستاها و شهرهایشان مورد استفاده بوده و با دارا بودن میلیون‌ها دستگاه کوچک و بزرگ بیشترین استفاده را از بیوگاز می‌کنند. در چین تا پایان سال 2009 حدود 15 میلیون دستگاه کوچک خانگی و در حدود 2,000 هاضم بزرگ و متوسط نصب گردیده و قرار است تعداد 22,570 هاضم دیگر با منبع فضولات دامی و 630 هاضم نیز با منبع زباله‌های شهری و فاضلاب شهری ساخته و نصب گردد.
در آمریکا در سال 2011 در حدود 3/14 تراوات ساعت جذب متان از دفنگاه وجود داشته است و از آن برای تولید انرژی مورد نیاز یک میلیون خانوار استفاده شده است .همچنین  از بیوگاز حاصل از لندفیل های مذکور برای تولید 5 تراوات ساعت انرژی در بخش کشاورزی نیز استفاده شده است .هم اکنون حدود 5/8 گیگا وات برق از زیست توده تامین شده وارد برق سراسری آمریکا میگردد (Kevin&Margaret ، 1996) . مشهورترین نمونه استفاده کاربردی از فاضلاب در ایران در حمام شیخ بهایی است که در دوره ی صفویه قرن 11 هجری توسط شیخ بهایی طراحی شد. گرمای آب خزینه این حمام توسط گازهای ناشی از فاضلاب مسجد جمعه و شعله یک شمع تامین میشده است.اولین دستگاه بیوگاز در سال 1354 در روستاهای نیاز آباد لرستان ساخته شده که ظرفیت آن به گنجایش 5 متر مکعب بوده که فضولات گاوی روستا را به بیوگاز مصرفی حمام تبدیل می‌نماید. در سال 1359 دو واحد آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینا همدان که با فضولات کشتارگاه و کودگاوی تغذیه می‌گردید ساخته شد. دانشگاه صنعتی شریف در سال 1361 یک واحد 3 متر مکعبی را به صورت آزمایشی مورد مطالعه قرار داد که با فضولات گاوی بارگیری می‌شد. در کل از سال 1353 تاکنون مطالعات پراکنده انجام شده توسط 16 موسسه تحقیقاتی و دانشگاهی منجر به ساخت 60 دستگاه آزمایشی گردیده است. مطالعات گسترده دیگری نیز درحال اجراست که نیروگاهها و فن آوری های جدیدی را عرضه خواهد کرد. (عمرانی ، 1376)
درسالهاي 65-1361 مركز تحقيقات انرژي‎هاي نو در سازمان انرژي اتمي ، پژوهشهاي ويژه‎اي را در اين زمينه به انجام رساند كه از جمله مي‎توان به احداث 10 واحد بيوگاز در استانهاي سيستان و بلوچستان، ايلام و كردستان اشاره كرد. در دهه 1360 وزارت جهاد سازندگي نيز در اين راه اقداماتي صورت داد: ابتدا در سال 1363 يك واحد آزمايشي در حيدر آباد كرج ساخته شد، سپس در سال 1364 يك نمونة واقعي در روستاي چين سيبلي از توابع بخش آققلا در منطقة گرگان احداث گرديد. اين وزارتخانه 40 هاضم ديگر در مناطق مختلف كشور ساخت كه 18 واحد آن به مرحله گازدهي رسيد. همچنين مراكز دانشگاهي و تحقيقاتي در اين زمينه گامهايي برداشته‎اند. از جـمله مي‎توان به واحد احداث شده توسط جهاد دانشگاهي دانشكده كشاورزي كرج در سالهاي 65-63 و واحد احداث شده توسط مهندس خليل شيخ قاسمي كارشناس شركت آب و فاضلاب در شاهين دژ آذربايجان غربی در سال 1372 اشاره كرد. متأخرترين واحدهاي ساخته شده، يك واحد بيوگاز براي هضم فاضلاب انساني در جزيره كيش و يك واحد بیوگاز گاوداري در ماهدشت كرج بوده كه هر دو توسط سازمان انرژي اتمي در سالهاي 78-1377 طراحي و ساخته شدهاند. در مورد رآكتور هاي تصفيه بيهوازي در ايران، بايد گفت كه متأسفانه هماكنون از این رآکتورها در هيچ يك از تصفيه‎خانه‎هاي فاضلاب شهري استفاده نمي‎گردد. تعداد رآكتورهاي بيهوازي در کشور كمتر از 10واحد می باشد (عدل و علی قارداشي ، 1380).
2-2 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تجربی
نوع آزمایشات در این تحقیق مطابق تحقیقات محققین دیگر بوده ولی روش ها، تحلیل ها و مقایسات منحصر به فرد می باشند بنابراین نتایجی که استخراج خواهد شد نیز به دلیل موردی بودن منحصر به فرد بوده و دارای ارزش علمی می باشد. در فصل ششم به نتایج تجربی پرداخته خواهد شد.
2-3 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تجهیز
برای افزایش بازده در هاضم بیهوازی، پنج گزینه همزن، سرپوش گازی، کویل داخلی ، آبگرمکن بیوگازسوز و آبگرمکن خورشیدی بررسی شده و سیستم ایدهآل انتخاب گردیده است. همزن دستی طراحی شده برای همگن کردن خوراک و افزایش تولید بیوگاز و سرپوش گازی به منظور جمع آوری گاز مخزن خروجی ، کویل داخلی برای بالا نگه داشتن دمای دایجستر ، آبگرمکن بیوگازسوز و خورشیدی نیز برای گرم کردن کویل داخلی به کار می‌رود.
2-3-1 همزن
تجهیز اول همزن می باشد که می تواند دستی یا برقی باشد و بر اساس تحقیقات انجام شده می تواند تا 40 درصد روند تولید گاز را سرعت بخشد. همزن از یک شفت مرکزی ، پره ها ، بلبرینگ ها ، دسته و سایر قسمت ها تشکیل شده که در بخش طراحی با جزئیات توضیح داده خواهد شد. همزن با به گردش در آوردن خوراک داخل دایجستر موجب همگن شدن خوراک و همچنینپخش شدن باکتری های متان زا در همه جای خوراک به طور مساوی می شود که این عمل موجب افزایش تولید می شود.

2-3-2 سرپوش گازی
سرپوش گازی برای جلوگیری از هدر رفت گاز از حوضچه خروجی استفاده میشود. در هاضمهای چینی ابعاد مخزن خروجی بزرگ است و ناخواسته مقداری بیوگاز از این طریق وارد جو میشود. هر چه هاضم کوچکتر باشد میزان نشت کم بوده و استحصال آن فاقد ارزش می باشد. اگر هاضم بزرگ باشد میزان نشت بیشتر خواهد بود و قابلیت استحصال خواهد داشت.
2-3-3 کویل داخلی
برای اینکه خوراک گرم شود و روند تولید تسریع شود از کویل داخل هاضم استفاده میشود. دما عامل مهمی برای تولید گاز میباشد. هر چه دما بیشتر شود تعداد باکتریهای متانزا افزایش مییابد و مقدار تولید بیشتر میشود. البته این امر تا دمای 33 درجه مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته و دمای بالاتر از 33 درجه تحت بررسی میباشد(ساسه، 1374).
2-3-4 آبگرمکن بیوگازسوز
برای اینکه کویل داخلی بتواند گرمای لازم را به خوراک بدهد باید آب داخل آن توسط منبعی گرم شود. این منبع انرژی میتواند خود بیوگاز باشد که داخل یک آبگرمکن بیوگازسوز سوخته و گرمای خود را به آب بدهد و توسط لوله کشی در گرمایش کویل داخلی استفاده شود.
2-3-5 آبگرمکن خورشیدی
انرژی مورد نیاز کویل داخلی اگر از نور خورشید تامین گردد نیاز به یک صفحه خورشیدی و پمپ می باشد. در این صورت ترکیبی از انرژی بیوگاز و آبگرمکن خورشیدی است که گرمایش کویل را تامین خواهد نمود. این تجهیز تنها به منظور گرم کردن کویل داخلی استفاده می شود و مازاد انرژی جذب شده در مخزن آبگرمکن ذخیره میشود. در این تحقیق منحصرا محاسبات زاویههای خورشیدی و میزان تابش در سطح شیب دار و نهایتا سطح مورد نیاز کلکتور انجام شده است و به محاسبات انتقال حرارت در کلکتور یا تعیین قطر ، جنس ، کیفیت ساخت کلکتور نپرداخته است.
2-4 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ علمی
در این تحقیق سه رآکتور بیهوازی معرفی میگردند که هر کدام تجهیزات متفاوتی دارند. این رآکتور ها بر اساس منطقه طراحی و شرایط آن انتخاب میشوند که هر کدام دارای امکانات خاص هستند. محاسباتی که برای این رآکتورها انجام گردیده است در نوع خود منحصر به فرد و دارای نو آوری بوده و تاکنون به این روش حل نشده اند. برای افزایش کارایی، تجهیزاتی که به کار گرفته شده اند تحلیل ریاضی گردیده و این سیستم موجب ارتقا علم ریاضی سیستم های بیوگاز خواهد شد.
2-5 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تحلیلی
عموما هاضمها با توجه به زیست توده موجود در محل طراحی می شود و در اکثر موارد گاز تولید شده جوابگوی نیاز نبوده و این یکی از عواملی می باشد که موجب بیاعتمادی مردم به این سوخت با ارزش گردیده است. در تحقیق حاضر روشی برای طراحی مورد بررسی قرار گرفته است و از نو آوری های پروژه بوده و تا کنون انجام نشده اند. نیاز ساختمان با استفاده از بارهای آن محاسبه شده و سپس گاز مورد نیاز محاسبه و در انتها با توجه به مقدار خوراک موجود مقدار زمان اقامت خوراک در دایجستر تعیین میشود و ابعاد هاضم با توجه به مقدار خوراک و زمان اقامت به دست می آید. بعد میتوان کویل، آبگرمکن بیوگازسوز و خورشیدی را محاسبه نمود. این تحلیل در فصل سوم ارائه میگردد.
2-6 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ نرم افزاری
در تحقیق حاضر کار با نرم افزار EES 4یکی دیگر از نوآوری ها می باشد که تاکنون انجام نشده است. در فصل چهار الگوریتم EES V9.430 (06/18/2013) و روش حل با این نرم افزار آورده میشود.
2-7 موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ سخت افزاری
در تحقیق حاضر یک هاضم به مدل چینی طراحی شده است که در دهانه خروجی کود یک سرپوش گازی به مدل هندی طراحی شده است که با نام رآکتور نوع اول معرفی میشود. سرپوش بیوگاز هدر رفت مخزن خروجی را گرفته، در خود ذخیره می کند. برای افزایش راندمان از یک همزن مکانیکی دستی استفاده شده است. همزن در هاضمهای دیگر که طراحی شدهاند به صورت جداگانه به کار گرفته شده ولی هر دو تجهیز تا کنون به صورت همزمان به کار گرفته نشده است که این یکی از نوآوری های تحقیق می باشد.
2-8 زمان کار دستگاه ها
در طراحی رآکتور ترکیبی بیوگاز باید توجه داشت که تجهیزات روزانه چه مدت زمانی را کار می کنندو چه مدت زمانی در استراحت هستند؟ یکی از مهمترین قسمت ها در طراحی زمان می باشد. میزان تولید بیوگاز شبانه روزی می باشد. اگر مصرف نیز به تبع آن شبانه روزی باشد تعادل برقرار خواهد بود اما در صورتی که برای سیستم زمان استراحتی وجود داشته باشد بیوگاز تولیدی در مخزن ذخیره می شود و موجب انباشته شدن گاز می شود. باید توجه داشت که ایجاد فشار زیاد در داخل هاضم موجب کم شدن تولید خواهد شد.
2-9 فرآیند رآکتور ترکیبی بیهوازی
در رآکتور بی هوازی ترکیبی طراحی شده ، از دو مدل هندی و چینی استفاده شده است و واژه ترکیبی به همین دلیل در تحقیق استفاده شده است. مراحل انجام هم به طوری بود که بعد از اجرای یک مدل چینی ، مخزن خروجی توسط یک سرپوش به مدل هندی پوشیده شده و گاز این قسمت را جمع آوری می شود. هر کدام از مدل‌هاي هندي و چيني داراي نقاط ضعف و قوتي هستند که به نظر مي رسد با مقايسه محاسن و معايب اين دو روش، مي‌توان الگوي مشخصي را مد نظر قرار داد تا با توجه به مناسبات محلي و کاربرد صحيح، به نتيجه قطعي دست يافت. جدول 2-1 به مقايسه ويژگي‌ها و نقاط ضعف و قوت دو مدل هندي و چيني با مدل ترکیبی پرداخته است.

جدول 2-1 مقايسه ويژگي ها و نقاط ضعف و قوت دو مدل هندي و چيني با مدل ترکیبی
اهدافمدل هندي سادهمدل چيني سادهمدل ترکیبی1اولويت گاز ، کودکود ، گازهر دو2ساختمان
روش ساخت ساده ، مشکل تهيه سرپوشساختمان يکپارچه بوده و مشکلات پوشش طاق ساختمان ساده و يکپارچه بوده و مشکل تهيه سرپوش و همزن 3خوراککود گاوي مخلوط کود گياهي وحيواني مخلوط کود گياهي وحيواني 4خروجبه صورت اتوماتيک به وسيله پمپ يا دستي (سطل) به صورت اتوماتيک 5فشار گاز150-70 ميلي متر آب حدود 1,000 ميلي متر آب 150-350 ميلي متر آب7هزينههزينه نسبتاً بالاهزينه پايينهزينه بالا 8ظاهر قسمت زيادي نمايان قسمت اعظم پنهان قسمتي نمايان و قسمتی پنهان 10مقدار گازتقریبا یک متر مکعب در روزتقریبا یک متر مکعب در روزتقریبا یک ونیم متر مکعب در روز2-9-1 رآکتور اول :رآکتور بیهوازی ترکیبی چینی و هندی
رآکتور اول مربوط است به طراحی ، ساخت و تحلیل یک رآکتور بیهوازی ترکیبی که از تجهیزات همزن و سرپوش تشکیل شده و برابر شکل 2-1 می باشد. تحلیل گاز تولید شده ساده نسبت به همزندار و سرپوشدار و یا ترکیبی از هر دو انجام خواهد شد و درصد افزایش گاز هاضم ساده نسبت به رآکتور ترکیبی با تجهیز سرپوش ، همزن و هر دو بررسی می شود. هدف اصلی در این قسمت این است که با استفاده از یک سرپوش گازی که از مدل های هندی اقتباس گردیده گازی را که از دریچه تخلیه هاضم چینی هدر می رود در اختیار گرفته و از هدر رفتن آن جلوگیری شود. در وهله بعدی یک همزن مکانیکی به کار گرفته شده که با همگن کردن خوراک تولید بیوگاز تا حد قابل توجهی افزایش می دهد. رآکتور اول به صورت علمی توسط نرم افزار و همچنین به صورت عملی در یک کیس موردی کار شده و تمام نتایج علمی با عملی (تجربی) به دست آمده بررسی شده و نتایج نهایی ارائه می شود.
شکل 2-1 رآکتور نوع اول : رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی
2-9-2 رآکتور دوم: رآکتور بی هوازی ترکیبی بیوگاز هندی و چینی کویلدار با آبگرمکن بیوگاز سوز
رآکتور دوم شامل رآکتور اول به همراه تجهیز کویل و آبگرمکن معمولی بیوگاز سوز می باشد. با تعبیه یک کویل آبگرم داخلی که آب آن در آبگرمکن گرم می شود ،در داخل رآکتور دمای خوراک را بالا برده و تولید گاز تغییر می کند. این قسمت به صورت علمی توسط نرم افزار انجام شده به طوریکه نتایج قسمت اول در صورتیکه کویل دمای داخل دایجستر به 33 درجه برساند تغییر کرده و افزایش میابند اما در این صورت مقداری از بیوگاز تولید شده در آبگرمکن می سوزد. تحلیل گاز تولید شده رآکتور قسمت اول با قسمت دوم و همچنین نسبت گاز تولید شده ساده نسبت به کویلدار و همچنین مقدار گاز اضافه تولید شده در طول سال بررسی خواهد شد. در شکل 2-2 شماتیک این سیستم مشاهده می شود.
شکل 2-2 رآکتور نوع دوم : رآکتور بیهوازی ترکیبی چینی و هندی کویلدار با آبگرمکن بیوگاز سوز
2-9-3 رآکتور سوم : رآکتور هیبریدی ترکیبی بیوگاز هندی و چینی کویدار با آبگرمکن بیوگازسوز و خورشیدی
رآکتور سوم شامل رآکتور دوم و آبگرمکن خورشیدی می باشد. در این سیستم از همان گاز که توسط رآکتور تولید گردیده در یک آبگرمکن جهت گرم کردن کویل استفاده میشود اما از یک آبگرمکن خورشیدی که بر اساس ظرفیت حرارتی کویل طراحی شده استفاده می گردد. در این صورت بخشی از انرژی در روزهای ابری توسط خود بیوگاز تولید می شود و در روزهای غیر ابری از خود بیوگاز استفاده می شود. این یک سیستم هیبریدی خواهد بود که از انرژی بیوگاز و خورشیدی حاصل می شود. تحلیل مسئله نیز براساس تحلیل قسمت دوم به اضافه انرژی آبگرمکن خورشیدی می باشد. (ریاحی و طاهریان ، 1384)در شکل 2-3 شماتیک این سیستم مشاهده می شود.
شکل 2-3 رآکتور نوع سوم : رآکتور بیهوازی هیبریدی
فصل سوم
مواد و روش ها
3-1 روش حل معادلات رآکتور نوع اول: رآکتور بی هوازی ترکیبی چینی و هندی
در این بخش که مربوط به رآکتور اول در بخش 2-9-1می باشد ، محاسبات سیستم شرح داده شده و فرمولاسیون مسئله مدل می شود. در این سیستم گاز تولید شده در داخل یک بخاری بیوگاز سوز وظیفه گرم کردن ساختمان و تحمل بارها را بر عهده دارد. بار حرارتی ساختمان شامل بار جدارها ، بار نفوذ هوا ، بار پخت و پز ، بار آبگرم مصرفی و همچنین بار حرارتی کویل داخلی می‌باشد. برای حل معادلات از روش‌های محاسبات تاسیسات ساختمان (طباطبایی م. 1392) جهت حل استفاده می‌شود.
3-1-1 بار حرارتی جدارها
اتلاف حرارت ازطریق دیوارها ، سقف ، کف ، پنجره و درب مقدار حرارت تلف شده از طریق سطوح ، از روابط 3-1 تا 3-3 به دست می آید .
رابطه (3-1)H_wall=UA(T_i-T_o )رابطه (3-2)U=1/Rرابطه (3-3) R = 1/f_i + x_1/k_1+ x_2/〖k 〗_2+ x_3/k_3+ … + x_n/〖k 〗_n+ 1/f_o H_wall مقدار حرارت انتقال یافته بر حسب کیلوکالری در ساعت، U ضریب انتقال حرارت برحسب kcal/hr.m^2°C ، A  سطح عبور جریان حرارت برحسب متر مربع، Ti,To درجه حرارت خارج و داخل ساختمان °C ، K قابلیت هدایت حرارتی برحسب kcal/hr.m^2°C ، R مقاومت بر حسب kcal/hr.m^2°C
3-1-2 اتلاف حرارتی ازطریق نفوذ هوا
حرارت هوای داخل به سه طریق ممکن است به خارج منتقل شود: از راه سطح دیوارها و سایر جدارها(حتی اگر دیوار اندود باشد).از راه درز پنجره ها و درها و نظایر آن. از راه باز و بسته شدن در و پنجره ها و تجدید هوا. نفوذ هوا از راه جدار ،



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید