相变蓄热式太阳能秸秆发酵系统供热装置的热性能研究

摘要

发展沼气应用技术是我国“建设社会主义新农村”的既定能源方针，也是国家“十二五”可再生能源发展战略中确定的解决广大农村地区用能需求的核心技术。但传统的沼气发酵装置在冬春较低的环境温度下使用时，会出现产沼效率降低或者停止产沼的现象。常见的太阳能加热技术有太阳能暖房、太阳池或太阳能热水器等，但由于传统沼气发酵过程是生物质前处理过程和产气过程均在同一装置内进行，导致装置体积较大，维持高效发酵所需的热负荷也相应增加，成本加大，失去了经济性而缺少推广的价值。
　　本文基于两相式秸秆发酵系统设计了太阳能相变保温式供热装置，为系统提供稳定热源，保证恒温发酵过程。两相式发酵即将沼气生产的两个过程分别安排在产酸溶解罐与产气发酵罐中进行。比较而言产酸过程需求温度不高，因此只需维持产气罐内35℃发酵温度即可保证高效发酵，发酵装置体积有效地减小，减少了热负荷需求。
　　首先，以容积1m3的产气罐为供热对象并根据系统的运行参数计算系统热负荷以及所需的太阳能集热器面积。热负荷主要由罐体散热损失和将产酸罐循环至产气罐的水解酸化液加热至发酵温度所需热量两部分组成。以100mm聚氨酯作为保温层，计算热负荷为262W，同时选择了太阳能集热器面积2.75m2。
　　其次，根据热负荷和太阳能集热器面积匹配了供热装置容积，并完成了装置构建。供热装置与太阳能集热器将共同满足系统热负荷，选择供热装置容积1m3。相变保温层厚度30mm，内填充有相变材料54号石蜡并布置有电热阻丝，在白天有阳光时段补充潜热，在夜晚时段释放潜热，实现将供热装置内的散热转移至相变层，同时利用相变材料在释放潜热的过程中温度波动较小的性质，实现供热装置近似恒温蓄热。
　　然后，通过实验研究和数值模拟对比分析了供热装置热性能。在自然降温条件下，石蜡潜热量可维持近18小时，每天对相变层进行补热7小时，相变层温度基本维持在熔点温度54.5℃，水温维持在55℃左右。同时通过数值模拟的方法，对比分析了将石蜡层换成等厚度聚氨酯时与有石蜡层不加热、有石蜡层有加热时水温变化趋势的差异。结果表明，无石蜡层时水箱内水温下降速度较快，经过24小时自然降温后，水温从56.5℃下降至44.5℃，(炯)值下降24.9％，而有石蜡层时仅下降5.8％。
　　最后，通过上述的结果进一步表明了利用太阳能相变保温式供热装置实现稳定供热的可行性，为太阳能稳定蓄热技术与恒温沼气发酵技术的联合使用提供了一种有效的研究思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 太阳能加热沼气发酵技术研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 相变保温式太阳能供热装置的提出

1．4 研究目的及主要内容

1．4．1 项目支撑

1．4．2 研究目的

1．4．3 研究内容及技术路线

1．5 论文组织结构

第二章 太阳能辅助两相式秸秆发酵系统热负荷计算

2．1 系统介绍

2．2 沼气发酵技术原理

2．2．1 两相式沼气发酵过程

2．2．2 两相式沼气发酵装置

2．3 发酵装置及管道保温设计

2．3．1 保温材料选择

2．3．2 罐体保温设计

2．4 系统热负荷计算

2．4．1 散热损失

2．4．2 水解酸化液的加热热负荷

2．5 本章小结

第三章 新型太阳能相变保温式供热装置的构建

3．1 太阳能集热装置选型及安装

3．1．1 当地气象参数

3．1．2 太阳能集热器选型

3．1．3 太阳能集热器集热效率

3．1．4 集热面积计算

3．1．5 太阳能集热器的安装倾角

3．2 蓄热介质及运行方式的选择

3．2．1 蓄热介质的选择

3．2．2 供热装置运行方式

3．3 供热装置相变保温层设计

3．3．1 相变材料选择

3．3．2 相变保温层厚度选择

3．4 蓄热量及装置容积计算

3．5 本章小结

第四章 新型太阳能相变保温式供热装置热性能实验分析

4．1 实验测量系统

4．1．1 实验原理

4．1．2 实验设备

4．1．3 测点布置

4．2 实验结果及分析

4．2．1 供热装置蓄热性能分析

4．2．2 供热装置运行过程分析

4．2．3 供热装置热平衡分析

4．3 数值模拟结果及对比分析

4．3．1 数值模拟结果

4．3．2 有用能分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果