沼氣池的熱傳遞過程相關(guān)因素研究綜述,農(nóng)業(yè)工程論文

沼氣池的熱傳遞過程相關(guān)因素研究綜述,農(nóng)業(yè)工程論文沼氣池的運(yùn)行效率直接關(guān)系到工程的運(yùn)行收益,而溫度是沼氣發(fā)酵的關(guān)鍵性因素。發(fā)酵溫度降低,厭氧微生物酶活性也隨之降低,微生物的生長和代謝也降低,進(jìn)而造成沼氣工程的綜合效益降低。Guo等在實(shí)驗(yàn)室利用10L全混合反響器(CSTR)對豬糞在20、28、38℃條件產(chǎn)氣性能進(jìn)行研究,建立熱適用性經(jīng)濟(jì)模型,以為發(fā)酵液溫度大于26℃才可獲得最佳的能源效益。與此同時,在厭氧生態(tài)系統(tǒng)中,產(chǎn)甲烷菌對溫度改變速率比擬敏感,溫度小幅度變化,可對產(chǎn)甲烷細(xì)菌造成較大的影響;一般以為,發(fā)酵液溫度忽然變化超過3℃,產(chǎn)氣會發(fā)生顯著的變化。因而,怎樣保持發(fā)酵液溫度在適宜溫度和穩(wěn)定性,是沼氣工程研究的重點(diǎn)。要解決這一問題需對沼氣池?zé)岘h(huán)境影響因素、熱流損失狀況、增溫方式和熱經(jīng)過進(jìn)行綜合分析考慮,本文通過對相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述分析,以期為沼氣池的熱傳遞經(jīng)過研究和工程的熱工優(yōu)化提出參考。1、沼氣池?zé)岘h(huán)境影響因素及熱損失影響發(fā)酵溫度的因素較多,熊昌國等采用自制試驗(yàn)裝置發(fā)酵容積為0.75m3的反響器,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探尋求索性試驗(yàn),研究環(huán)境溫度、發(fā)酵料液溫度、保溫層厚度、保溫材料種類和加熱方式對增溫保溫性能的影響。結(jié)論以為影響順序?yàn)?環(huán)境溫度、發(fā)酵料液溫度、保溫層厚度、保溫材料種類和加熱方式。采用中溫發(fā)酵工藝、罐內(nèi)底部加熱方式、發(fā)酵罐保溫層厚度200mm,以及保溫材料為聚氨酯發(fā)泡層的工程參數(shù)配置是推廣應(yīng)用的較佳方案。該研究為沼氣池的熱環(huán)境影響因素指明了方向,但是缺乏熱工基礎(chǔ)理論分析作為支撐。Paquin和Liang通過對沼氣池空間與加熱潛力研究,分析提升發(fā)酵溫度節(jié)省反響器空間和提高產(chǎn)氣效率的影響,以為即便在熱帶地區(qū)沼氣池環(huán)境溫度也是沼氣供熱量需要的最關(guān)鍵因素,增加增溫保溫措施仍然能夠?yàn)檎託夤こ處盹@著的投入回報(bào)比。相關(guān)學(xué)者對沼氣池系統(tǒng)的熱流損失分析表示清楚,主要損失為發(fā)酵剩余物排出時帶走的熱量。邢慧娟等根據(jù)哈爾濱的逐時氣象參數(shù)分析了一個大中型沼氣工程的熱工行為,確定中溫發(fā)酵所需的動態(tài)耗熱量,表示清楚:中溫發(fā)酵用于加熱進(jìn)料的熱量占沼氣工程耗熱的90%以上。El-Mashad等以10m3沼氣池為研究對象,采用熱泵回收發(fā)酵剩余液的熱量,加熱進(jìn)料物料,與利用太陽能共同作用確保發(fā)酵液溫度維持在50℃。李金平等為了提高太陽能恒溫沼氣系統(tǒng)的能源利用率,回流利用發(fā)酵液的熱量,30℃發(fā)酵條件下,天天回?zé)峁ぷ?1min,可把進(jìn)料系統(tǒng)中的水由5℃提升至17.5℃,節(jié)約太陽能集熱器面積24.8m2,降低能耗到原系統(tǒng)總能耗的67.7%。同樣,Yiannopou-los等也以為發(fā)酵熱的熱量回收對沼氣池的熱平衡有重要作用。研究表示清楚,用于發(fā)酵物料原料升溫的能耗投入占沼氣工程總耗投入的比例最大,優(yōu)化發(fā)酵工藝、回收剩余液能源,是沼氣工程能源有效利用的一個重要途徑。2、沼氣工程的增溫方式提高發(fā)酵液溫度最直接的方式方法就是通過外加熱源進(jìn)行增溫,以彌補(bǔ)發(fā)酵液的熱量散失。隨著沼氣工程的發(fā)展,出現(xiàn)了各種因地制宜的增溫方式,包括了發(fā)酵罐內(nèi)增溫和發(fā)酵罐外增溫兩種,如:加熱膜增溫、太陽能增溫、化石能源熱水鍋爐增溫、沼氣鍋爐增溫、太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐增溫、太陽能溫室聯(lián)合增溫、沼氣鍋爐余熱增溫、沼氣發(fā)電余熱增溫、燃池式增溫和地源熱泵式增溫等方式。有試驗(yàn)研究報(bào)道,發(fā)酵罐內(nèi)加熱方式優(yōu)于發(fā)酵罐外側(cè)壁加熱方式;但其試驗(yàn)介質(zhì)為水,傳熱特性和流體力學(xué)性能與發(fā)酵液存在差距,且增溫經(jīng)過和保溫經(jīng)過應(yīng)統(tǒng)籌考慮,增溫相對于經(jīng)過是一個短時間量。因而,還需對發(fā)酵周期內(nèi)的熱經(jīng)過進(jìn)行整體分析,以確定適宜的增溫方式。罐內(nèi)增溫的研究多集中在添加盤管加熱,在工程中也得到廣泛應(yīng)用。Axaopoulos等在地上式沼氣池頂部設(shè)置平板型太陽能,通過交換器直接把熱量傳遞到發(fā)酵液中,建立熱傳遞模型計(jì)算以為該方式方法可較少沼氣池的熱量損失,對工程的熱平衡有促進(jìn)作用。王麗穎等在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件下,發(fā)現(xiàn)太陽能沼氣池?zé)峤粨Q器循環(huán)介質(zhì)溫度越高,有效換熱效率越大。盤管加熱也存在弊端性隨著沼氣發(fā)酵經(jīng)過進(jìn)行,發(fā)酵物料在盤管上沉積構(gòu)成污垢,換熱效率將逐步降低。相關(guān)報(bào)道在食品工業(yè)中研究較多,沼氣行業(yè)的分析報(bào)道較少,Cunault等利用發(fā)酵液18天換熱經(jīng)過分析換熱器的性能,以為污垢是影響熱交換的最大因素。Ren等對利用太陽能對沼氣池增溫進(jìn)行文獻(xiàn)綜述后以為,專門用于沼氣池的換熱器幾乎沒有,開發(fā)熱轉(zhuǎn)化效率高、耐腐蝕性能好的熱交換器,才能有效地確保沼氣池的穩(wěn)定運(yùn)行。這講明發(fā)酵罐外增溫相對于罐內(nèi)有其優(yōu)越性,且有利用于提高能源利用效率。王麗麗等基于有限元穩(wěn)態(tài)熱平衡模型,針對黑龍江省某大型沼氣工程,得出日均溫降小于1℃時發(fā)酵罐內(nèi)料液及發(fā)酵罐各部分熱損失比例,以為在酸化罐與產(chǎn)氣罐之間設(shè)置熱交換器來替代常規(guī)發(fā)酵罐體內(nèi)的加熱盤管,可避免加熱盤管出現(xiàn)的結(jié)殼、腐銹漏水等問題,并可節(jié)省能源投入。景全榮等設(shè)計(jì)連續(xù)干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng),在發(fā)酵罐外壁設(shè)置加熱盤管,并采用巖棉材料進(jìn)行強(qiáng)化保溫,5天后,溫度到達(dá)55℃后恒溫運(yùn)行,每日溫度波動范圍在0.5℃以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵物料的均勻傳熱。因而,增溫方式的選擇,應(yīng)該根據(jù)沼氣工程的發(fā)酵工藝,分析熱傳遞經(jīng)過,把握熱量分布規(guī)律后綜合分析,同時還應(yīng)考慮不同地區(qū)的資源稟賦情況。如:裴曉梅等針對太陽能地源熱泵沼氣池最優(yōu)太陽能集熱面積的研究,從經(jīng)濟(jì)和能源環(huán)保兩方面進(jìn)行分析,比擬得出:有效容積69.3m3的沼氣池,在電價低于0.5元/(kWh)時,單獨(dú)地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高,電價0.5~1.0元/(kWh)系統(tǒng)的最優(yōu)太陽能集熱面積為24m2。3、不同方式方法對傳熱經(jīng)過的分析隨著發(fā)酵經(jīng)過的進(jìn)行,消化器內(nèi)的發(fā)酵液近似呈現(xiàn)出理想牛頓流體的物質(zhì)特性,傳熱經(jīng)過也近似于理想牛頓流體。相關(guān)學(xué)者也在這里基礎(chǔ)上,建立熱傳遞經(jīng)過模型,以期分析熱傳遞經(jīng)過。3.1理論推理模型分析理論推理模型多以一維傳熱模型為基礎(chǔ),固然存在一定的計(jì)算誤差,但普遍被學(xué)者所認(rèn)同。劉建禹等基于穩(wěn)態(tài)傳熱理論,建立一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,分析一體式的全地上反響器傳熱經(jīng)過,結(jié)論與實(shí)際值沒有明顯差異,以為可用于反響器耗熱量的計(jì)算。沙微等針對一體式全地上立式圓柱型反響器,用穩(wěn)態(tài)傳熱原理分別對反響器的頂、壁和底部進(jìn)行分析,用黑龍江省雞西市蘭嶺鄉(xiāng)大型沼氣工程中實(shí)際工程監(jiān)測值數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,以為頂部散熱是反響器整體散熱主要部位。Perrigault等根據(jù)一維傳熱原理,基于時間節(jié)點(diǎn)建立熱傳遞模型,在溫室大棚沼氣池內(nèi)進(jìn)行分析,得出模型預(yù)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)溫差的偏離為0.47℃,誤差為2%。Merlin等利用有效容積為46m3的UASB反響器對證明了環(huán)境溫度對反響器產(chǎn)氣率的影響,并基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理,建立熱傳遞模型,假設(shè)熱交換率為0.7~0.8,預(yù)測沼氣工程的能量平衡經(jīng)過,但計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果仍然存在10%的誤差。馬飛和劉宇把厭氧反響器的罐壁簡化為無限大平壁,平壁兩側(cè)分別為流動原料和流動空氣,反響器由內(nèi)向外熱傳遞經(jīng)過依次為:物料與內(nèi)壁的對流換熱、壁及保溫層導(dǎo)熱、保溫層與空氣的對流換熱3個經(jīng)過。建立傳熱模型,計(jì)算進(jìn)料周期系統(tǒng)得熱量和散熱量,其經(jīng)過分析較為完善;但模型假設(shè)發(fā)酵液得到充分?jǐn)嚢?、溫度均勻分?與實(shí)際情況有所出入,計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。陳志光等將戶用沼氣池土壤溫度變化看作半無限大物體周期性變化邊界條件,建立數(shù)學(xué)模型,對系統(tǒng)冬季運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算分析,得出家用太陽熱水器對沼氣系統(tǒng)進(jìn)行加熱,可有效提高沼氣池溫度;但是在最冷季節(jié)沼氣池溫度基本維持在15℃左右。3.2數(shù)值計(jì)算方式方法分析Andres等對厭氧消化經(jīng)過研究構(gòu)建的相關(guān)模型、參數(shù)估計(jì)方式方法和模型驗(yàn)證手段進(jìn)行歸納總結(jié)后以為,簡單而有效的模型,才能正確指導(dǎo)沼氣工程的高效運(yùn)行。利用數(shù)值計(jì)算方式方法可把繁重的計(jì)算經(jīng)過交給計(jì)算機(jī),有利于減少人力投入,提高計(jì)算精度。王麗麗等以Vensim和Ansys等分析軟件為分析工具,應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)和有限元熱平衡分析方式方法,分析沼氣池能量供需平衡,結(jié)果表示清楚:罐體散熱損失、水分蒸發(fā)熱損失、沼氣排出帶走的顯熱損失、管路熱損失占發(fā)酵系統(tǒng)總熱損失的比例分別為85.59%~90.22%、2.05%~8.42%、3.93%~4.78%、2.06%~2.96%,以為提高加熱配料熱水的熱效率,可減少牛糞與熱水混合攪拌經(jīng)過中的熱損失。Muscio等利用MatLab程序中的AnaerobicPlantEmulator工具箱對反響器熱傳遞經(jīng)過進(jìn)行分析,并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對分析經(jīng)過進(jìn)行驗(yàn)證,以為可用于工程指導(dǎo)。Wu和Bibeau以低溫情況下2000m3反響器作為模型,建立三維傳熱模型,用Fluent6.1進(jìn)行分析,表示清楚三維傳熱模型與一維傳熱模型能夠較好的吻合,以為圓柱體罐體、池冠為平面、池底為平面的發(fā)酵罐熱流損失最小,最有利于冬季保溫;同時也證明了一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型具有一定的普遍使用性。賈玲等根據(jù)呼和浩特地區(qū)的氣象數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)換熱管進(jìn)口溫度為50℃,利用Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,以為6m3戶用沼氣池加熱到發(fā)酵溫度35℃時,系統(tǒng)需要運(yùn)行4.5h,對應(yīng)的全真空管太陽能集熱器的面積為4.25m。綜上所述,沼氣工程采用不同的研究方式方法對熱傳遞經(jīng)過進(jìn)行了深切進(jìn)入研究,在遵循基本熱工原理的基礎(chǔ)上建立個多種數(shù)學(xué)模型,各有優(yōu)劣,具有重要的互相借鑒意義;但基本上都沒有對沼氣池內(nèi)的溫度場展做出具體描繪敘述,相關(guān)研究還有待進(jìn)一步開展。建議利用成熟的數(shù)值計(jì)算方式方法對熱傳遞經(jīng)過進(jìn)行分析,并結(jié)合工程運(yùn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)化完善計(jì)算模型。4、總結(jié)與