太阳能热管沼气发酵加热系统研究

摘要

厌氧发酵制沼气是生物质能的有效利用途径。在影响沼气发酵的各种因素中，温度对厌氧发酵影响尤为明显，温度成为沼气产业发展的瓶颈。为了实现沼气池增温，许多研究者开展了这方面的研究工作，但尚没有一种高效直接沼气池循环增温方式。本文以热管作为传热元件设计太阳能热管沼气发酵加热系统，研究沼气池增温效果。
　　研究内容及成果主要包括以下几个方面:
　　1.太阳能热管沼气发酵加热系统的设计制作，对发酵系统、换热系统和集热系统进行能量分析计算，推导太阳能热管沼气发酵加热系统的设计参数。
　　2.模拟实验。a.在冬季，晴天在换热系统关闭的情况下，集热装置终端（热管冷凝端）能够实现36℃;对太阳能热管沼气发酵加热系统进行增温效果分析，沼气池平均每天升温3℃。夜里降温1.2℃;阴天用灯光模拟实验，在换热系统关闭的情况下，集热装置终端能够实现42℃;对太阳能热管沼气发酵加热系统进行增温效果分析，沼气池平均每天升高4℃，夜里降温0.8℃。b.在春季，晴天在换热系统关闭的情况下，集热装置终端（热管冷凝端）能够实现43℃;对太阳能热管沼气发酵加热系统进行增温效果分析，沼气池平均每天升温6℃，夜里降温1.2℃。
　　3.牛粪作为原料进行厌氧发酵实验。配置175L浓度为6％的沼气发酵料液。a.沼气发酵系统的初始温度21.7℃，系统正常运行下系统发酵温度每天上升一个梯度，随着料液温度的升高梯度会逐渐变小，稳定后能够实现38℃左右。由于持续阴天平均发酵温度降低到33.5℃左右，晴天后再次集热两天实现38℃左右，整个发酵过程温度能够维持在38℃。b.在一定范围内系统产气量随着温度升高不断增加，稳定后平均每天能产生气体70L左右。c.气体成分中甲烷含量随着发酵进行不断升高，甲烷含量稳定后维持在70％左右，二氧化碳含量随着发酵进行开始逐渐增加后开始降低最后处于稳定，二氧化碳含量稳定后维持在17％左右。d.发酵系统装置能够正常运行，晴天平均每天集热5℃，夜里降温0.6℃，阴天系统不能集热，平均每天降温1.2℃，系统每天增温保温效果良好，发酵试验能够正常进行，系统发酵运行效果显著。
　　4.对太阳能热管沼气发酵加热系统进行能量和经济分析，太阳能热管沼气发酵加热系统具有市场推广前景。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 能源现状

1．2 沼气发酵原理及工艺条件

1．3 发酵温度对沼气发酵的影响

1．4 沼气发酵增温控制技术

1．4．1 电加热膜增温保温系统

1．4．2 锅炉水循环沼气池增温系统

1．4．3 太阳能热水器水循环沼气池增温系统

1．4．4 地源热泵沼气池增温系统

1．4．5 城市余热利用

1．5 本文的主要研究内容

2 太阳能热管沼气发酵加热系统设计研究

2．1 热管技术

2．1．1 热管工作原理

2．1．2 热管的基本特性

2．1．3 热管的相容性及寿命

2．1．4 热管设计

2．2 重力热管

2．2．1 重力热管原理

2．2．2 重力热管传热过程

2．2．3 两相闭式热虹吸管的传热极限

2．3 太阳能热管沼气发酵加热系统基本缩略图

2．4 发酵系统设计

2．4．1 沼气发酵系统尺寸确定

2．4．2 发酵系统能量计算

2．5 换热系统设计

2．5．1 换热装置能量平衡分析

2．5．2 换热器总传热系数的选择计算

2．5．3 每天联结式水管的散热量

2．6 集热系统设计

2．6．1 集热装置能量平衡分析

2．6．2．热管工质、材料的选择

2．6．3 计算集热面面积

2．7 太阳能热管沼气发酵加热系统制作

3 太阳能热管沼气发酵加热系统的试验

3．1 太阳能热管沼气发酵加热系统的模拟试验

3．1．1 模拟试验方案

3．1．2 模拟试验结果与分析

3．2 太阳能热管沼气池加热系统的发酵试验

3．2．1 发酵实验方案

3．2．2 发酵试验结果与分析

3．3 太阳能热管沼气发酵加热系统的技术经济分析

4 结论与建议

参考文献