太阳能热管加热系统在生态校园沼气工程中的应用研究

摘要

沼气增温技术是沼气科学领域的一个研究热点，也是一个难点。沼气科技工作者在利用生物质、煤炭等热源为沼气池加热增温方面做了大量的工作，取得了明显的增温效果，但因这些方法都需使用不可再生能源，而且容易产生污染。因此，研究者都把目光投向取之不尽、用之不竭的清洁能源-太阳能作为沼气增温热源，太阳能增温技术必将成为沼气工程领域的一个研究重点。 农村生态校园沼气系统是沼气技术在农村中小学中的应用新模式，由于起步晚，在实践中有一些工程技术还存在缺陷，相关理论还不成熟。其中，冬季增温问题是该系统的难点。针对这些问题，本文以农村中学生态校园为研究对象，重点设计了太阳能热管加热系统，首先对太阳能热管加热系统进行了理论验算，计算出每月沼气池料液温度预计可达到的理论值，在理论上保障系统的可行性，并为实验检验提供参照对比；然后采用先进的温度测量仪在润镇中学进行为期3个月的太阳能增温试验，然后对试验结果进行分析，在实践中检验系统的增温效果；最后从经济学角度对太阳能增温技术进行评价，为农村生态校园的示范和推广提供科学依据。 本文主要研究工作和结论如下： (1)针对农村中小学粪污特点和传统沼气系统存在的问题，设计出适合北方农村中小学校的太阳能热管加热系统。其中，着重设计了太阳能热管加热系统的系统方案，选择了集热器，确定了集热面积，设计了系统的附属设施及控制系统。 (2)利用传热学的基本理论，根据相关集热参数、外部环境参数、当地太阳能辐射强度、沼气系统的散热、吸热参数建立了沼气系统(太阳能热管加热系统为其中一子系统)的热平衡方程，并通过理论计算，分析了沼气系统和太阳能热管加热系统是否匹配，结果表明太阳能热管加热系统的供热能力完全可以满足沼气系统在冬季对热量的需求。 (3)选择润镇中学生态校园示范点作为研究对象，对太阳能热管加热系统的增温效果进行了试验。在试验过程中，采用温度自动记录仪，测试了集热器和沼气系统内外6个点的温度数据，绘制了相关温度变化曲线，该曲线表明太阳能热管加热系统在冬半年能够完成其供热任务，系统设计合理。 (4)利用经济学方法对太阳能双效增温系统评价分析，并与热水锅炉增温系统比较，结果表明太阳能增温系统具有良好的经济效益和环境效益。

目录

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第一章导论

1.1农村沼气生态校园产生的背景

1.1.1节能减排是农村沼气生态校园产生的动力

1.1.2沼气技术进步是农村沼气生态校园产生的基础

1.1.3废弃物资源化利用是农村沼气生态校园产生的目标

1.2农村沼气生态校园实施内容与意义

1.2.1农村沼气生态校园模式主体内容

1.2.2农村沼气生态校园模式配套系统

1.2.3农村沼气生态校园建设的意义

1.3课题的提出

1.3.1生态校园沼气工程亟待解决的问题

1.3.2现有的沼气池增温保温技术

1.4研究内容

1.5技术路线

1.6创新点

第二章太阳能热管加热系统的设计

2.1沼气系统的构建组成

2.2太阳能热管加热系统的设计

2.2.1设计的原始依据

2.2.2系统方案的确定

2.2.3集热器的选型

2.2.4集热器连接方式的确定

2.2.5集热面积的确定

2.2.6集热器放置角度的选择

2.2.7水箱容积的设计

2.2.8换热器的设计参数选择

2.2.9连接管道

2.2.10水泵、控制仪器及温度传感器的选择

2.2.11电加热补偿方式

2.2.12控制系统的设计

2.3 小结

第三章生态校园沼气工程热平衡分析

3.1厌氧消化器热平衡方程

3.2厌氧消化器吸热分析与计算

3.2.1太阳能热管加热系统的热平衡计算

3.2.2温室提供的热量Q1

3.2.3生成甲烷的反应热Q2

3.2.4厌氧消化器每天可获得的总热量

3.3厌氧消化器散热分析与计算

3.3.1消化器散热Qh

3.3.2沼液冲厕热量损失

3.3.3消化池进出料所消耗的热量

3.3.4消化器每天总的散热量

3.4厌氧发酵器热量平衡分析计算

3.5沼气系统太阳能热利用分析

3.6小结

第四章太阳能热管加热系统对沼气工程的增温试验

4.1实验目的

4.2材料与方法

4.2.1实验地点

4.2.2测试时间及测试参数

4.2.3测试仪器

4.2.4测试方法

4.3结果与分析

4.3.1日光温室内外气温日变化规律

4.3.2集热器内的温度变化规律

4.3.3沼气池内的料液温度变化规律

4.3.4沼气池内的各点料液温度对比变化规律

4.3.5沼气池内的月份内料液日均温度对比变化规律

4.4小结

第五章太阳能热管加热系统的经济分析

5.1加热系统的经济分析

5.1.1评价方法

5.1.2系统经济性计算

5.2太阳能加热系统的环境效益

5.3小结

第六章结论与讨论

6.1结论

6.2讨论

参考文献

致 谢

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