相變蓄熱式太陽能秸稈發(fā)酵系統(tǒng)供熱裝置的熱性能研究

【摘要】：發(fā)展沼氣應(yīng)用技術(shù)是我國“建設(shè)社會主義新農(nóng)村”的既定能源方針,也是國家“十二五”可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略中確定的解決廣大農(nóng)村地區(qū)用能需求的核心技術(shù)。但傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵裝置在冬春較低的環(huán)境溫度下使用時(shí),會出現(xiàn)產(chǎn)沼效率降低或者停止產(chǎn)沼的現(xiàn)象。常見的太陽能加熱技術(shù)有太陽能暖房、太陽池或太陽能熱水器等,但由于傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵過程是生物質(zhì)前處理過程和產(chǎn)氣過程均在同一裝置內(nèi)進(jìn)行,導(dǎo)致裝置體積較大,維持高效發(fā)酵所需的熱負(fù)荷也相應(yīng)增加,成本加大,失去了經(jīng)濟(jì)性而缺少推廣的價(jià)值。本文基于兩相式秸稈發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)了太陽能相變保溫式供熱裝置,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定熱源,保證恒溫發(fā)酵過程。兩相式發(fā)酵即將沼氣生產(chǎn)的兩個(gè)過程分別安排在產(chǎn)酸溶解罐與產(chǎn)氣發(fā)酵罐中進(jìn)行。比較而言產(chǎn)酸過程需求溫度不高,因此只需維持產(chǎn)氣罐內(nèi)35℃發(fā)酵溫度即可保證高效發(fā)酵,發(fā)酵裝置體積有效地減小,減少了熱負(fù)荷需求。首先,以容積1m3的產(chǎn)氣罐為供熱對象并根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)熱負(fù)荷以及所需的太陽能集熱器面積。熱負(fù)荷主要由罐體散熱損失和將產(chǎn)酸罐循環(huán)至產(chǎn)氣罐的水解酸化液加熱至發(fā)酵溫度所需熱量兩部分組成。以l00mm聚氨酯作為保溫層,計(jì)算熱負(fù)荷為262W,同時(shí)選擇了太陽能集熱器面積2.75m2。其次,根據(jù)熱負(fù)荷和太陽能集熱器面積匹配了供熱裝置容積,并完成了裝置構(gòu)建。供熱裝置與太陽能集熱器將共同滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷,選擇供熱裝置容積1 m3。相變保溫層厚度30mm,內(nèi)填充有相變材料54號石蠟并布置有電熱阻絲,在白天有陽光時(shí)段補(bǔ)充潛熱,在夜晚時(shí)段釋放潛熱,實(shí)現(xiàn)將供熱裝置內(nèi)的散熱轉(zhuǎn)移至相變層,同時(shí)利用相變材料在釋放潛熱的過程中溫度波動較小的性質(zhì),實(shí)現(xiàn)供熱裝置近似恒溫蓄熱。然后,通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對比分析了供熱裝置熱性能。在自然降溫條件下,石蠟潛熱量可維持近18小時(shí),每天對相變層進(jìn)行補(bǔ)熱7小時(shí),相變層溫度基本維持在熔點(diǎn)溫度54.5℃,水溫維持在55℃左右。同時(shí)通過數(shù)值模擬的方法,對比分析了將石蠟層換成等厚度聚氨酯時(shí)與有石蠟層不加熱、有石蠟層有加熱時(shí)水溫變化趨勢的差異。結(jié)果表明,無石蠟層時(shí)水箱內(nèi)水溫下降速度較快,經(jīng)過24小時(shí)自然降溫后,水溫從56.5℃下降至44.5℃,(?)值下降24.9%,而有石蠟層時(shí)僅下降5.8%。最后,通過上述的結(jié)果進(jìn)一步表明了利用太陽能相變保溫式供熱裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供熱的可行性,為太陽能穩(wěn)定蓄熱技術(shù)與恒溫沼氣發(fā)酵技術(shù)的聯(lián)合使用提供了一種有效的研究思路。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 沼氣發(fā)酵 相變保溫層 穩(wěn)定蓄熱
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S216.4;TK519
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 研究背景及意義9-12
• 1.2 太陽能加熱沼氣發(fā)酵技術(shù)研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 相變保溫式太陽能供熱裝置的提出16-17
• 1.4 研究目的及主要內(nèi)容17-18
• 1.4.1 項(xiàng)目支撐17
• 1.4.2 研究目的17
• 1.4.3 研究內(nèi)容及技術(shù)路線17-18
• 1.5 論文組織結(jié)構(gòu)18-19
• 第二章 太陽能輔助兩相式秸稈發(fā)酵系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算19-32
• 2.1 系統(tǒng)介紹19-20
• 2.2 沼氣發(fā)酵技術(shù)原理20-21
• 2.2.1 兩相式沼氣發(fā)酵過程20
• 2.2.2 兩相式沼氣發(fā)酵裝置20-21
• 2.3 發(fā)酵裝置及管道保溫設(shè)計(jì)21-27
• 2.3.1 保溫材料選擇21-23
• 2.3.2 罐體保溫設(shè)計(jì)23-27
• 2.4 系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算27-30
• 2.4.1 散熱損失29
• 2.4.2 水解酸化液的加熱熱負(fù)荷29-30
• 2.5 本章小結(jié)30-32
• 第三章 新型太陽能相變保溫式供熱裝置的構(gòu)建32-50
• 3.1 太陽能集熱裝置選型及安裝32-40
• 3.1.1 當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)32-34
• 3.1.2 太陽能集熱器選型34-37
• 3.1.3 太陽能集熱器集熱效率37-39
• 3.1.4 集熱面積計(jì)算39-40
• 3.1.5 太陽能集熱器的安裝傾角40
• 3.2 蓄熱介質(zhì)及運(yùn)行方式的選擇40-43
• 3.2.1 蓄熱介質(zhì)的選擇41-43
• 3.2.2 供熱裝置運(yùn)行方式43
• 3.3 供熱裝置相變保溫層設(shè)計(jì)43-46
• 3.3.1 相變材料選擇44-45
• 3.3.2 相變保溫層厚度選擇45-46
• 3.4 蓄熱量及裝置容積計(jì)算46-48
• 3.5 本章小結(jié)48-50
• 第四章 新型太陽能相變保溫式供熱裝置熱性能實(shí)驗(yàn)分析50-63
• 4.1 實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)50-53
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)原理50
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備50-52
• 4.1.3 測點(diǎn)布置52-53
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析53-59
• 4.2.1 供熱裝置蓄熱性能分析53-56
• 4.2.2 供熱裝置運(yùn)行過程分析56-58
• 4.2.3 供熱裝置熱平衡分析58-59
• 4.3 數(shù)值模擬結(jié)果及對比分析59-61
• 4.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果59-60
• 4.3.2 有用能分析60-61
• 4.4 本章小結(jié)61-63
• 第五章 總結(jié)與展望63-65
• 5.1 總結(jié)63-64
• 5.2 展望64-65
• 致謝65-66
• 參考文獻(xiàn)66-69
• 攻讀碩士期間取得的研究成果69

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