严寒地区太阳能-土壤源热泵联合加热沼气池的模拟研究

【摘要】： 在严寒地区,由于冬季气温低、地温也低,沼气的生产存在产气率低,使用率低,甚至出现冻裂沼气池的现象。而目前所出现的沼气池增温方法多数是针对户用沼气池的,针对大中型沼气池在严寒地区如何很好的加热保温以保证沼气池的冬季使用率,目前尚且没有很好的方法。由此可见急需寻找一种切实可行的大中型沼气池的增温方法,来满足沼气工程的发展要求。本文针对这一问题,提出了太阳能--土壤源热泵联合加热沼气池的新思路,即利用太阳能—土壤源热泵加热系统制取的热水通过沼气池周边的换热管加热料液,同时结合温控系统,使沼气池内部温度保持在沼气发酵最佳温度。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,验证该系统在严寒地区是可以实现的。 首先针对严寒地区的500m3的沼气池,运用Fluent软件,对沼气池内沼液的加热量、沼气池及周围温度场分别进行模拟,并对沼气池的尺寸和保温层进行优化。在沼气池负荷的基础上对太阳能集热器面积、地下U型换热器面积、热泵机组等部件进行初步选择。 其次用Matlab编写程序对太阳能集热器的面积以及地下土壤U型换热器的换热面积进行优化选择,同时制定了系统各模式的启停条件,对系统全年运行情况进行了模拟。 最后,通过对大中型沼气池加热的三个方案进行经济性分析和比较得出本系统的相对优越性和经济性,从而进一步验证该系统在严寒地区的可行性。 本文的研究成果将对该系统在北方严寒地区设计修建大中型沼气池有一定的参考价值,同时为继续进行该系统的应用研究奠定了初步基础。 【关键词】：沼气池 太阳能 地下土壤U型换热器 土壤温度场 经济性
【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】：2010
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景8-11
• 1.1.1 能源概况8-9
• 1.1.2 太阳能—土壤源热泵系统的概况9-10
• 1.1.3 沼气概况10-11
• 1.1.4 本课题的研究意义11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 现有的沼气池增温保温方式14-16
• 1.3.1 现有的户用沼气池增温保温方式14-15
• 1.3.2 现有的大中型沼气池增温保温方式15-16
• 1.4 本课题主要研究内容16-17
• 第2章 太阳能、土壤热泵以及沼气产生的基本理论17-28
• 2.1 太阳辐射17-22
• 2.1.1 与太阳辐射有关的概念17-20
• 2.1.2 太阳辐射强度20-22
• 2.2 土壤热源的研究22-25
• 2.2.1 土壤热源的特点22
• 2.2.2 土壤的热物性22-24
• 2.2.3 土壤温度的变化规律24-25
• 2.3 沼气产生的基本原理及影响因素25-27
• 2.3.1 沼气产生的基本原理25-26
• 2.3.2 沼气正常产气的影响因素26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 太阳能-土壤源热泵联合加热沼气池系统的设计28-45
• 3.1 太阳能—土壤源热泵联合加热沼气池系统28-29
• 3.2 沼气池全年负荷的模拟计算29-37
• 3.2.1 沼气池池体尺寸的优化设计29
• 3.2.2 沼气池池体保温层的设计29-30
• 3.2.3 物理模型30
• 3.2.4 沼气池及周围土壤的数学模型30-32
• 3.2.5 沼气池导热微分方程的离散32-34
• 3.2.6 沼气池散热量的模拟34-36
• 3.2.7 加热料液所需的热量36-37
• 3.3 系统各部件的初步设计37-41
• 3.3.1 太阳能集热系统37-38
• 3.3.2 热泵机组性能系数的确定38-39
• 3.3.3 土壤换热器39-40
• 3.3.4 板式换热器40-41
• 3.3.5 末端加热装置41
• 3.4 系统的运行模式及工作原理41-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 太阳能—土壤源热泵联合加热沼气池系统的数理模型45-58
• 4.1 物理模型45
• 4.2 数学模型45-55
• 4.2.1 平板太阳能集热器模型45-47
• 4.2.2 热泵机组模型47-48
• 4.2.3 土壤换热器换热模型48-53
• 4.2.4 板式换热器模型53
• 4.2.5 螺旋盘管模型53-55
• 4.3 模式转换条件的确定55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第5章 太阳能—土壤源热泵联合加热沼气池系统的模拟以及经济性分析58-71
• 5.1 系统模拟框图58-59
• 5.2 计算机模拟结果及分析59-66
• 5.2.1 合理选择集热器面积和土壤换热器59-60
• 5.2.2 系统运行主要模拟参数60
• 5.2.3 系统运行结果的统计分析60-64
• 5.2.4 土壤热平衡分析64-65
• 5.2.5 系统性能系数的分析65-66
• 5.3 经济性分析66-70
• 5.3.1 各方案主要设备的选择66
• 5.3.2 费用年值法66-69
• 5.3.3 各方案的经济性比较69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-78
• 致谢78

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