Для подогрева субстрата и поддержания его температуры на нужном уровне в биореакторах устанавливают нагревательные устройства. В первом приближении допустимо принять для расчетов потребностей в тепле такую
величину: 1кг субстрата нагревается на 1 ° С при передаче ему 4200 Дж тепла. Теплота расходуется на подогрев массы и компенсации тепловых потерь. К теплообменников систем биоконверсии предъявляются следующие требования: они должны быть компактны и не забирать пространство реактора, их поверхность должна иметь минимальную шероховатость и предотвращать налипание частиц среды; должны гибко руководствоваться извне и иметь небольшую тепловую инерционность [7, 28, 39, 40, 68, 72].
Для подогрева субстрата теплообменные устройства могут находиться как внутри реактора, так и снаружи. Нагреватели первого типа - это нагревательные трубы или пластины, подогреваемые горячей водой или электрическим током. Внешние нагреватели подогревают субстрат еще до поступления его в реактор. Таким образом, нагреватель, находящийся в установке, должен лишь компенсировать тепловые потери. Кроме непосредственного нахождения нагревательного элемента в субстрате допускаются схемы встраивания их в стенки реактора. Такие установки обычно небольшие и подбираются по теплотехническим расчетом. Для нормальной жизнедеятельности анаэробных бактерий температура поверхности нагревательного элемента не может превышать 60 ° С.
Еще один способ нагрева субстрата заключается в непосредственном введении пара или горячей воды в реактор. Этим достигается доведение влажности среды до необходимых 88 ... 98%.
Трубчатые нагреватели являются самыми распространенными в современных биогазовых установках. Теплообмен между нагревательным элементом и субстратом в условиях свободной конвекции авторами исследованы экспериментально (рис. 2.9) [10, 70, 79]. Усредненные результаты расчетов для теплоотдачи от горизонтального цилиндра к субстрату с С = 1 ... 17% при температуре +35 ° С представлены на рис. 2.9. Рекомендуемый температурный режим системы теплоснабжения биогазового реактора 60 ° С/40 ° С, т.е. температура Грийн воды максимально возможная 60 ° С, обратной - 40 ° С. Теплоснабжение может быть выполнено от газового котла, работающего на природном газе или произведенном биогазе, который прошел предварительную очистку от вредных примесей. Рекомендуемая схема обвязки показана на рис. 2.12. Данная схема выполнена двокильцевою:
- Большое кольцо: котел - теплообменник;
- Малое кольцо: трехходовой клапан - насос - теплообменник.
Схема обвязки выполнена из байпасовой линией и двумя контурами циркуляции - малым и большим. В случае, когда температура нагревателя и среды становится больше необходимую величину, трехходовой клапан подмешивает оборотную воду в подачу. Когда температура поверхности нагревателя и субстрата начинает уменьшаться - клапан работает на прямоток. Для спуска воды при необходимости отключения системы служат спусникы 1. Для предотвращения образования воздушных пробок установлен автоматический повитроспусник. В случае, когда происходит поломка котла для предотвращения замерзания теплоносителя в контуре и остановки реактора трехходовой клапан работает в режиме малого контура циркуляции теплоносителя, поддерживая температуру выше температуры замерзания. Отслеживание аварийных ситуаций с котлом происходит с помощью датчика, который вмонтирован в обратный трубопровод. Когда температура в нем понижается до +10 ... +15 ° С, подается сигнал на закрывание сервоприводом клапана.
Отслеживание аварийных ситуаций с газовым оборудованием происходит с помощью датчика t1. Когда температура на нем снижается до +10 ... +15 градусов, подается сигнал на закрывание сервоприводом клапана. В случае, когда температурный градиент между нагревательной поверхностью и субстратом начинает расти, активизируется перемешивания среды за счет увеличения частоты вращения двигателя. Регуляция количества оборотов двигателя осуществляется при помощи частотного преобразователя. Определение количества оборотов двигателя производится индукционным тахометром. По материалу изготовления насосы чаще всего изготавливают из чугуна, бронзы или нержавеющей стали. Питание их происходит от сети 220 и 380 В. Максимальное рабочее давление - до 20 бар.
Сервоприводы для трехходовых клапанов идут в комплекте с клапанами и работают от напряжения 220 В или 24 В зависимости от схемы управления. Основная задача сервопривода с плавным или дискретным регулированием - обеспечить расчетный расход воды обратной магистрали для подмешивания в прямую воду. Данный тип регулирования является качественным и позволяет экономить энергоносители в период небольших морозов и переходный.