Biogaz qurilmasining issiqlik-texnik va geometrik parametrlarini asoslash

Kirish. So‘ngi yillarda respublikaning iqtisodiy va ijtimoiy sohalarida energiya tejamkorlikni ta’minlash hamda ekologik muhitni yaxshilash borasida keng ko‘lamli chora-tadbirlar amalga oshirilmoqda. Ayniqsa, xalq xo‘jaligining turli tarmoqlarida qayta tiklanadigan energiya manbalari asosida ishlaydigan qurilma va texnologiyalardan foydalanishni rivojlantirish borasida olib borilayotgan ishlar ahamiyatga molik bo‘lib, davrning ustuvor talablariga mos keladi. Ana shunday energetik manbalardan biri – biomassa bo‘lib, u qishloq xo‘jaligi chiqindilari, chorva va parrandachilik chiqindilari hamda boshqa biologik mahsulotlar kabi organik materiallarni o‘z ichiga oladi. Biomassa energiyasi to‘g‘ridan to‘g‘ri quyosh, shamol, gidro va geotermal energiyadan keyin beshinchi eng samarali qayta tiklanadigan energetik manba hisoblanadi. Yerda har yili 170 milliard tonnaga yaqin birlamchi biologik massa to‘planadi va taxminan suncha miqdordagi biomassa qayta ishlanib, undan turli maqsadlarda foydalaniladi [1]. Umuman olganda, energiya ishlab chiqish uchun biomassadan foydalanish masalasi, ekologik barqarorlik va samaradorlik jihatlarini hisobga olgan holda hal qilinishi kerak bo‘lgan murakkab masaladir. Bu borada atrof-muhitga minimal ta’sir ko‘rsatadigan va resurslardan eng samarali foydalangan holda maksimal darajada energiya ishlab chiqarish imkonini beradigan yangi qurilma va texnologiyalarni yaratish va ularni amaliyotga tadbiq etish zarur bo‘lmoqda. Hozirgi vaqtda dunyo miqyosida biomassani anaerob sharoitda qayta ishlash asosida biogaz olish imkonini beradigan turli konstruksiyadagi minglab qurilmalardan foydalanilmoqda. Biroq ushbu qurilmalarning aksariyati katta hajmlarga ega bo‘lishi bilan birga nihoyatda katta energiya iste’mol qilgan holda ishlaydi. Qolaversa, bizning respublikamiz sharoitida bunday qurilmalardan keng foydalanishning imkoni yo‘q. Ushbu maqolada qayta tiklanadigan energiya manbalari asosida ishlovchi va yakka tartibdagi iste’molchilarga mo‘ljallangan kichik hajmli biogaz qurilmalarini yaratish, ularning konstruksiyalarini takomillashtirish, ish unumdorligini oshirish hamda issiqlik – texnikaviy parametrlarini optimallashtrishga hamda, ushbu qurulmalarda kechadigan issiqlik almashinuv jarayonlarini modellashtirishga qaratilgan tadqiqotlarni amalga oshirish nazarda tutilgan. Shu bilan birga, organik chiqindilarni anaerob sharoitda meyorlab ishlov berish orqali kechadigan fermentatsiya jarayonining samarali kechishini ta’minlaydigan biogaz qurilmasining energiya tejamkor konstruksiyasini yaratish va ularning asosiy energetik parametrlarini optimallashtirish dolzarb vazifalardan hisoblanmoqda. Tajriba tadqiqot natijalari. Biogaz qurilmalari - bu biogaz va organik o‘g‘it ishlab chiqarish uchun anaerob sharoitda organik moddalarni qayta ishlash uchun uskunalar to‘plami hisoblanadi. Organik massa to‘g‘ridan to‘g‘ri qayta ishlanadigan asosiy element reaktor bo‘lib, u asosan, gorizontal yoki vertikal joylashuvning silindrsimon konteyneridir. Belgilangan ish rejimiga mos keladigan oldindan belgilangan harorat reaktor ichida saqlanadi. Misol uchun, mezofil rejim uchun 35-37 °C harorat tavsiya etiladi. Biomassa fermentatsiyasining butun davri davomida ma’lum bir haroratni saqlab turish muhimdir [1 – 4]. Shunday qilib, biogaz qurilmalarida chorva mollari chiqindilarini qayta ishlash ma’lum bir haroratni saqlab turish uchun issiqlik energiyasini talab qiladi. Biogaz qurilmasining ma’lum ish rejimini saqlash uchun zarur bo‘lgan energiya ko‘pgina omillarga bog‘liq bo‘lib, uning konstruktiv parametrlarini asoslash orqali reaktordagi issiqlik yo‘qotishlarini kamaytirish muhimdir. Issiqlik yo‘qotishlarini kamaytirish uchun reaktor geometrik parametrlarini asoslash kerak. Reaktorning issiqlik balansida uning issiqlik yo‘qotishlari tashqi muhit bilan issiqlik almashinuv yuzasi bilan ifodalanadi [5 – 8]: (1) bu yerda, – issiqlik uzatish koeffitsiyenti, Vt/(m2·K); issiqlik uzatiladigan (yo‘qotiladigan) sirtning yuzasi, m2; – reaktor ichki qismi va tashqi havo orasidagi haroratlar farqi, oC; Fermentatsiya jarayonida reaktor to‘liq to‘ldirilmaydi va uning hajmi bo‘yicha ikki muhitni ajratish mumkin: suyuqlik (fermentatsiya qilinadigan biomassa) va biomassaning parchalanishi “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 11 Техника, технология и оборудование paytida hosil bo‘lgan biogaz. Bunday holda, to‘ldirilmagan reaktor uchun issiqlik balansi tenglamasi quyidagicha yozilishi mumkin: (2) bu yerda, biomassadan tashqi muhitga issiqlik uzatish koeffitsiyenti, Vt/(m2·K); – biomassa orqali tashqi muhitga issiqlik uzatuvchi sirt yuzasi, m2; biogazdan tashqi muhitga issiqlik uzatish koeffitsiyenti, Vt/(m2·K); –tashqi muhitga issiqlik uzatuvchi sirt yuzasi, m2; Ushbu tenglamada birinchi had biomassadan, ikkinchisi esa gaz qismidan issiqlik yo‘qotilishini anglatadi. Biomassa va biogaz uchun harorat farqi bir xil deb qaraladi. Bunday holda, reaktor devori orqali issiqlik uzatish koeffitsiyenti quyidagicha ifodalanishi mumkin [9,10]: (3) Reaktorning biomassa bilan to‘ldirilgan qismi uchun issiqlik berish koeffitsiyenti – , gaz qismi uchun – . – reaktor devoridan tashqi muhitga issiqlik berish koeffitsiyenti bo‘lib, ko‘rilayotgan ikkita hol uchun ham bir hil qiymat olinadi [4]. Bioreaktor xrom-molibdenli po‘latdan tayyorlangan bo‘lib, qalinligi , issiqlik o‘tkazuvchanlik koeffitsiyenti va tashqi izolyatsiya materialining (steklovata) issiqlik o‘tkazuvchanlik koeffitsiyenti tashkil qiladi. 1-rasmda reaktor ichidagi suyuqlik va gaz fazasi uchun tashqi izolyatsiya qatlamining turli qalinliklaridagi issiqlik uzatish koeffitsiyentining qiymatlari ifodalangan. 1-rasmdan ko‘rish mumkinki, tashqi izolyatsiya qatlamining 5 sm qalinligida ikki fazada tashqi muhitga issiqlik uzatish koeffitsiyenti bir hil qiymatga ega bo‘ladi va qalinlikning keyingi qiymatlarida o‘zgarmas saqlanadi. Demak, reaktor uchun izolyatsiyaning optimal qalinligi 5 sm ni tashkil qiladi va izolyatsiya qatlamini oshirgan sari issiqlik yo‘qotishlarni kamaytirib bo‘lmaydi. Issiqlik yo‘qotishlarini kamaytirish uchun nafaqat issiqlik o‘tkazuvchi yuzaning izolyatsiyasini, balki uning maydonini ham hisobga olish kerak, chunki sirtni izolyatsiyalashning o‘zi ham ma’lum xarajatlarni talab qiladi. 1-rasm. Reaktor ichidagi suyuqlik va gaz fazasi uchun tashqi izolyatsiya qatlamining issiqlik uzatish koeffitsiyentiga bog‘liqligi Keyin uni maqbul variantini tanlash uchun issiqlik o‘tkazuvchi sirtini kamaytirish kerak. Gorizontal joylashuvga ega reaktordagi issiqlik yo‘qotishlarni ifodalovchi qiymatni minimal bo‘lishiga nisbatan optimal diametrni tanlash mumkin. Reaktorning suyuq (biomassa) qismi bilan chegaralangan yuzasi 2 ta yon segment va segment hamda silindr uzunligi bilan ifodalanuvchi old yuzalar yig‘indisiga teng bo‘lib, uni quyidagicha ifodalash mumkin [10, 11]: “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 12 Техника, технология ва жиҳозлар (4) Reaktorning biomassa bilan to‘lish darajasiga bog‘liq ravishda silindr yon tomonida hosil bo‘ladigan segment yuzasini quyidagicha yozish mumkin (5) Biomassa to‘lish darajasida old yuzani quyidagicha ifodalaymiz: (6) Reaktorning suyuqlik egallamagan qismi ya’ni biogaz qismi uchun ham (4)-(6) ifodalar o‘rinli bo‘lib sektor yoyi tiralgan burchak ( bilan ifodalanadi u quyidagicha yoziladi , , (7) (4)-(7) ifodalarni (2) tenglamada qo‘yib quyidagini hosil qilamiz (8) Silindrdagi suyuq biomassa va silindr umumiy hajmi uchun quyidagilarni yoza olamiz: , , , , (8) Bundan , , , , , (9) (8) va (9) ifodalarni (10) ifodaga qo‘yib ekanligini hisobga olib quyidagini hosil qilamiz (10) Maqbul radiusni topish uchun biz ushbu funksiyani ekstremumga tekshiramiz, ya’ni yo‘qotilgan issiqlik miqdoridan radius bo‘yicha hosila olib nolga tenglashtiramiz: (11) Soddalashtirishlardan so‘ng maqbul radiusni quyidagicha yoza olamiz: (12) Reaktor hajmidagi biomassani ulushi markaziy sektor burchagi bilan ifodaladi ya’ni to‘la holatda 90 % to‘lgan holatda 80 % to‘lgan holatda 70 % to’lgan holatda va hokazo. Yuqoridagilarni hisobga olib, turli qalinlikdagi izolyatsiya qoplamasi uchun 30 m3 hajmli reaktor maqbul diametrini aniqlaymiz (4-rasm). Ushbu diametr asosida termofil va mezofil rejimlari uchun (3), (8) formulalar orqali izolyatsiya qatlamiga bog‘liq holda issiqlik yuklamalarini hisoblaymiz (2,3-rasm). 4-rasmdan ko‘rish mumkinki, 30 m3 hajmli bioreaktor uchun biomassaning qancha ulushda solinishi va izolyatsiya qatlamining qancha bo‘lishidan qat’i nazar o‘rtacha maqbul diametr 2800 mm tashkil qiladi. U holda reaktor uzunligi o‘rtacha L=4900 mm bo‘lishi mumkin. Ya’ni izolyatsiya qatlami qalinligi 50 mm (2-3-rasm) va reaktor diametri D=2800 mm bo‘lganda tashqi muhitga issiqlik yo‘qotilishlari minimal bo‘ladi (4-rasm). “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 13 Техника, технология и оборудование 2-rasm. V=30m3 hajmli reaktorga turli ulushda solingan biomassa uchun issiqlik yuklamasini izolyatsiya qatlami qalinligi bo‘yicha o‘zgarishi (termofil rejimi) 3-rasm. V=30m3 hajmli reaktorga turli ulushda solingan biomassa uchun issiqlik yuklamasini izolyatsiya qatlami qalinligi bo‘yicha o‘zgarishi (mezofil rejimi) 4-rasm. V=30m3 hajmli reaktorga turli ulushda solingan biomassa uchun maqbul diametrni izolyatsiya qatlami qalinligi bo‘yicha o‘zgarishi “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 14 Техника, технология ва жиҳозлар “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 15