太阳能加热沼气反应装置的设计及参数选择.doc

太阳能加热沼气反应装置的设计及参数选择 2008年8月农机化研究第8期 太阳能加热沼气反应装置的设计及参数选择 丁羽,. (1.沈阳农业大学,沈阳110161;2塔里木大学农业工程学院,新疆阿拉尔843300) 摘要:温度的变化影响着沼气反应装置的产气率和沼气的使用率.针对这一现象,设计了一种新型的沼气加 热恒温系统.该系统使用太阳能加热,自动控制温度.为此,对该系统的组成和工作原理做了详细的阐述,并介 绍了太阳能加热系统相关参数的计算方法以及对参数的合理选择.通过选择合理的参数,可以确保该系统稳 定,高效地工作,提高能量的经济性,为本系统的加工与制造提供理论依据. 关键词:太阳能;沼气反应器;自动加热;产气率 中图分类号:$216.4文献标识码:A文章编号:1003—188x(2008)08—0069—03 0引言 温度是影响厌氧发酵的关键因素之一.在沼气发 酵的工艺中,根据发酵温度的不同可分为常温发酵, 中温发酵(30～38%)和高温发酵(50～55%)等3种 厌氧发酵方式].在不同温度下发酵,消化器中优势 菌落是不同的,它们有其各自的适宜温度,而且对温 度相当敏感.研究表明,温度突然上升或下降5,产 气量显着降低2].目前,我国农村中的沼气发酵一般 没有增温设施,发酵装置建在地下,发酵料液的温度 随季节的变化受气温和地温的直接影响,波动较大, 从而产气率的变化也较大,严重影响了人们对沼气的 稳定需求. 太阳能是一种清洁的可再生能源,开发和利用太 阳能,既不会出现大气污染,亦不会影响自然界的生 态平衡,而且阳光所及的地方,都有太阳能可以利用. 因此,太阳能以其长久性,再生性和无污染等优点备 受人们的青睐.我国大部分地区位于北纬45.以南, 太阳能资源丰富. 沼气是人类利用历史最悠久的能源,它的利用范 围在不断扩大.太阳能和沼气的联合使用集能源建 设与环境建设于一体的,具有显着的经济,社会与生 态等综合效益,符合可持续发展的战略. 1太阳能加热恒温系统的组成及工作原理 收稿日期:2007—10—24 基金项目:新疆生产建设兵团科委资助项目(~HJ46) 作者简介:丁羽(1974一),男,新疆哈密人,塔里木大学副教授,沈阳 农业大学在读硕士,(E—mail)dyandlsl@sohu.eom. 1.1太阳能加热恒温系统的组成 太阳能加热恒温系统的结构示意图如图1所示. 本系统主要由太阳能热水器,热水缓冲器,螺旋式换 热器,自动控制系统(温度传感器,交流触电器,温控 仪和电磁阀等),循环泵和其它辅助部件组成.其功 能是为中温发酵的沼气反应罐进行加热,发酵的温度 设定为35±0.2. 1.2太阳能加热恒温系统的工作原理 当反应罐内的温度小于设定温度时,由温度传感 器反馈到温控箱,从而开启循环泵,促使热水缓冲器 中的热水流经反应罐中的螺旋管式换热器进行循环, 对液料进行加热,提升反应罐内的温度;当反应罐内 的温度达到设定温度时,再由温度传感器反馈到温控 箱,从而关闭循环泵,循环终止. 热水缓冲器的主要功能是为了控制进入螺旋换热 器中水的温度,防止温度过高.因为温度过高时容易 引起局部污泥温度过高以及螺旋罐外壁结壳,通过热 水缓冲器将进入螺旋管中的温度控制在60cc±2cc. 热水缓冲器的工作原理分为两个循环. 1.2.1第1循环 热水缓冲器的温度高于62cc时,其循环路线为: 热水缓冲器一循环泵一阀3一螺旋换热器一阀4 一 电磁阀3一热水缓冲器 此时,电磁阀1与电磁阀2关闭,切断与太阳能热 水箱的循环;电磁阀3打开,循环水直接通过热水缓 冲器进行循环,促使热水缓冲器中的温度降低. 1.2.2第2循环 热水缓冲器的温度低于58时,其循环路线为: 热水缓冲器一循环泵一阀3一螺旋换热器一阀4 一 电磁阀2一太阳能热水器一电磁阀1一热水缓冲器 2008年8月农机化研究第8期 此时,电磁阀1与电磁阀2打开,联通与太阳能热 水箱的循环;电磁阀3关闭,从而促使热水缓冲器温 度升高. 太阳能加热系统中还设有循环泵的总控装置.当 太阳能水箱中的温度低于40℃时,关闭循环泵,避免 循环泵长时间连续工作,节省电能. 2系统主要参数的计算 图1太阳能加热系统的结构组成示意图 2.1加热过程的计算 该计算主要是确定单位时间与单位面积的螺旋管 换热器和向反应液料传递的热量,以此来确定加热升 温的时间以及校核螺旋加热管的长度.根据傅立叶 定律及串联热阻的叠加原理,计算换热器的热流量Q, 其计算公式为 1 Q.() 十m+ 式中A.一螺旋管外壁表面面积(m); 一 螺旋管外流体温度(℃); 一 螺旋管内流体温度(℃); di一螺旋管的内径(m); d.一螺旋管的外径(m); A一螺旋管壁的导热系数; i一螺旋管内热水与螺旋管壁的散热系数; . 一 螺旋管外壁与发酵