При переработке органических отходов в биогаз необходимо учитывать особенности конструкции оборудования, состав сырья и технологические режимы его сбраживания [1–4]. При этом выделяют психрофильный (20–25 °С), мезофильный (25–40 °С) и термофильный (свыше 40 °С) режимы сбраживания.
Технологическим регламентом необходимо также выдерживать определенные требования по колебаниям температуры в течение определенного времени, которые в зависимости от рекомендуемых режимов могут составлять от ±0,5 °С/ч (при термофильном режиме) до ±2 °С/ч (при психрофильном режиме). Диапазон изменения температуры определяется конкретной температурой при брожении.
При недостатке теплоты производимой во время химической реакции брожения для обеспечения технологического режима используют дополнительные (сторонние) источники теплоты [5]. Это могут быть различные теплообменные аппараты или электрические нагреватели (ТЭНы). Проблема состоит в правильном выборе мощности дополнительных источников теплоты.
Сбраживание органического сырья осуществляется в биогазовых реакторах, простейшая конструкция которых представляет цилиндрическую емкость, оснащенную перемешивающими устройствами, а также устройствами подачи свежего сырья, отбора биогаза и выгрузки отработанного сырья.
Расчет мощности дополнительных источников теплоты может быть проведен на основе решения уравнения теплопроводности Фурье в слоистых средах [6–8].
Для математической постановки задачи физическую модель биореактора можно представить в виде сплошного цилиндра радиусом R1 (рабочий объем реактора) и высотой Н, окруженного цилиндрической оболочкой (стенкой) с толщиной Δ. При этом наружный радиус конструкции будет равен R2 = R1 + ∆.
Мощность дополнительных (сторонних) источников теплоты, которые можно расположить внутри рабочего объема реактора, будет зависеть от распределения температурного поля внутри конструкции и условий теплообмена снаружи.
Технологический диапазон изменения температуры при сбраживании, в первом приближении, можно определить двумя способами: как разницу значений температурного поля между центром биореактора T1 (0) и у внутренней стенки биореактора T1 (R):