太阳能联合沼气锅炉加热沼气池模拟研究

【摘要】： 在严寒地区,由于冬季气温,沼气的生产存在产气率低、使用率低等问题,甚至会出现冻裂沼气池的现象。本文针对这一问题,提出利用太阳能联合沼气锅炉加热系统,加热沼气池以提高池温。太阳能联合沼气锅炉加热系统制取的热水通过沼气池底部及周边的地热管来加热料液,结合温控系统,保持池体内部温度在最佳发酵温度:冬季保持在35℃,夏季保持在55℃。论文以模拟分析计算为主,对联合加热系统在全年不同气象条件下进行计算模拟,验证系统在严寒地区是可行的。 在理论方面,详细介绍了太阳辐射、土壤温度场、温度对沼气产气率的影响、太阳能集热器等基本理论知识,同时建立了沼气池周围土壤传热数学模型,确定模型边界条件。 在分析计算方面,对系统进行设计分析,优化计算池体容积、太阳能集热器面积;在全年不同的气象条件下,确定系统运行工况。 在模拟方面,利用FLUENT软件对沼气及周边土壤温度场进行模拟,根据模拟结果确定池体散热量;并对池体内部、保温层及周边土壤的温度场进行分析,据此对系统进行优化分析设计。 最后选取最冷月做为计算月,详细计算太阳能辐射量、集热器集热量、池体散热负荷,确定系统在全年不同月份的太阳能保证率,并对系统的可靠性进行分析,进一步验证了联合加热系统在严寒地区是可行的。 本文提出的系统对北方严寒地区设计修建大中型沼气池有一定的参考价值。 【关键词】：沼气 太阳能 沼气锅炉 土壤温度场
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 国外的研究现状10-12
• 1.2.2 国内的研究现状12-14
• 1.3 本课题的主要研究内容及意义14-16
• 1.3.1 本课题的主要研究内容14
• 1.3.2 本课题研究的意义14-16
• 第2章 太阳能、土壤、沼气产生的基本理论16-24
• 2.1 太阳辐射的基本理论16-19
• 2.1.1 太阳辐射基本概念16-17
• 2.1.2 太阳辐射强度17-19
• 2.2 土壤的基本理论19-22
• 2.2.1 土壤的热物性19-21
• 2.2.2 土壤温度的变化规律21-22
• 2.3 沼气产生基本原理及影响因素22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 太阳能联合沼气锅炉加热系统24-44
• 3.1 太阳能联合沼气锅炉加热沼气池系统的设计24-25
• 3.1.1 系统运行方案25
• 3.2 太阳能联合沼气锅炉加热沼气池数学模型25-28
• 3.2.1 太阳能单热源加热沼气池工况25-27
• 3.2.2 沼气锅炉单热源加热沼气池工况27
• 3.2.3 太阳能沼气锅炉联合加热沼气池工况27-28
• 3.3 太阳能集热器模型的建立28-35
• 3.3.1 集热器的能量平衡方程29-32
• 3.3.2 太阳能集热器的效率32
• 3.3.3 并联集热器的能量输出32-33
• 3.3.4 太阳能保证率33-35
• 3.4 沼气池容积计算35-43
• 3.4.1 沼气池容积设计初始参数35
• 3.4.2 大型养殖场粪污处理量的概率统计计算35-40
• 3.4.3 沼气潜在产气量确定40-41
• 3.4.4 池容的确定41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 沼气池及周边土壤数理模型建立44-50
• 4.1 物理模型的建立44-45
• 4.2 数学模型的建立45
• 4.3 初始条件45-47
• 4.3.1 土壤初始温度场分布45-46
• 4.3.2 模型边界条件46-47
• 4.4 导热微分方程的离散47-48
• 4.4.1 空间区域的离散化方法47
• 4.4.2 沼气池网格的划分47-48
• 4.5 利用FLUENT软件的求解方法48-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第5章 太阳能沼气锅炉联合加热系统计算模拟研究50-71
• 5.1 计算初始条件50
• 5.2 太阳能辐射计算50-55
• 5.2.1 太阳能逐时入射量的计算50-52
• 5.2.2 一月份月平均日总辐射量的计算52-55
• 5.2.3 全年月平均日总辐射量的计算55
• 5.3 沼气池散热量的模拟55-60
• 5.3.1 材料物性55-56
• 5.3.2 模型边界条件56-57
• 5.3.3 池体内部温度场模拟分析57
• 5.3.4 保温层的温度场分布模拟分析57-59
• 5.3.5 池体及周边土壤温度场分布模拟分析59
• 5.3.6 沼气池散热量的模拟分析59-60
• 5.4 加热新投料液热负荷的计算60-62
• 5.4.1 一月份新投料热负荷计算60-61
• 5.4.2 全年新投料月热负荷计算61-62
• 5.5 沼气池全年月总负荷的计算62
• 5.6 系统太阳能保证率的计算62-65
• 5.6.1 太阳能集热器总热损失系数计算63-65
• 5.6.2 集热器面积与太阳能保证率的函数关系确定65
• 5.7 太阳能集热器面积计算65-68
• 5.7.1 系统日产气量66-67
• 5.7.2 日富裕沼气量67
• 5.7.3 富余沼气的加热量67
• 5.7.4 系统集热器面积确定67-68
• 5.8 系统在全年运行工况分析68-70
• 5.8.1 系统在全年太阳能保证率68-69
• 5.8.2 沼气锅炉在全年的加热配比69-70
• 5.8.3 系统可靠性分析70
• 5.9 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76

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