嚴(yán)寒地區(qū)太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合加熱沼氣池的模擬研究

【摘要】： 在嚴(yán)寒地區(qū),由于冬季氣溫低、地溫也低,沼氣的生產(chǎn)存在產(chǎn)氣率低,使用率低,甚至出現(xiàn)凍裂沼氣池的現(xiàn)象。而目前所出現(xiàn)的沼氣池增溫方法多數(shù)是針對戶用沼氣池的,針對大中型沼氣池在嚴(yán)寒地區(qū)如何很好的加熱保溫以保證沼氣池的冬季使用率,目前尚且沒有很好的方法。由此可見急需尋找一種切實可行的大中型沼氣池的增溫方法,來滿足沼氣工程的發(fā)展要求。本文針對這一問題,提出了太陽能--土壤源熱泵聯(lián)合加熱沼氣池的新思路,即利用太陽能—土壤源熱泵加熱系統(tǒng)制取的熱水通過沼氣池周邊的換熱管加熱料液,同時結(jié)合溫控系統(tǒng),使沼氣池內(nèi)部溫度保持在沼氣發(fā)酵最佳溫度。論文以模擬分析計算為主,對聯(lián)合加熱系統(tǒng)在全年不同氣象條件下進行計算模擬,驗證該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)是可以實現(xiàn)的。 首先針對嚴(yán)寒地區(qū)的500m3的沼氣池,運用Fluent軟件,對沼氣池內(nèi)沼液的加熱量、沼氣池及周圍溫度場分別進行模擬,并對沼氣池的尺寸和保溫層進行優(yōu)化。在沼氣池負(fù)荷的基礎(chǔ)上對太陽能集熱器面積、地下U型換熱器面積、熱泵機組等部件進行初步選擇。 其次用Matlab編寫程序?qū)μ柲芗療崞鞯拿娣e以及地下土壤U型換熱器的換熱面積進行優(yōu)化選擇,同時制定了系統(tǒng)各模式的啟停條件,對系統(tǒng)全年運行情況進行了模擬。 最后,通過對大中型沼氣池加熱的三個方案進行經(jīng)濟性分析和比較得出本系統(tǒng)的相對優(yōu)越性和經(jīng)濟性,從而進一步驗證該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的可行性。 本文的研究成果將對該系統(tǒng)在北方嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)計修建大中型沼氣池有一定的參考價值,同時為繼續(xù)進行該系統(tǒng)的應(yīng)用研究奠定了初步基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：沼氣池 太陽能 地下土壤U型換熱器 土壤溫度場 經(jīng)濟性
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 緒論8-17
• 1.1 課題背景8-11
• 1.1.1 能源概況8-9
• 1.1.2 太陽能—土壤源熱泵系統(tǒng)的概況9-10
• 1.1.3 沼氣概況10-11
• 1.1.4 本課題的研究意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 現(xiàn)有的沼氣池增溫保溫方式14-16
• 1.3.1 現(xiàn)有的戶用沼氣池增溫保溫方式14-15
• 1.3.2 現(xiàn)有的大中型沼氣池增溫保溫方式15-16
• 1.4 本課題主要研究內(nèi)容16-17
• 第2章 太陽能、土壤熱泵以及沼氣產(chǎn)生的基本理論17-28
• 2.1 太陽輻射17-22
• 2.1.1 與太陽輻射有關(guān)的概念17-20
• 2.1.2 太陽輻射強度20-22
• 2.2 土壤熱源的研究22-25
• 2.2.1 土壤熱源的特點22
• 2.2.2 土壤的熱物性22-24
• 2.2.3 土壤溫度的變化規(guī)律24-25
• 2.3 沼氣產(chǎn)生的基本原理及影響因素25-27
• 2.3.1 沼氣產(chǎn)生的基本原理25-26
• 2.3.2 沼氣正常產(chǎn)氣的影響因素26-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第3章 太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合加熱沼氣池系統(tǒng)的設(shè)計28-45
• 3.1 太陽能—土壤源熱泵聯(lián)合加熱沼氣池系統(tǒng)28-29
• 3.2 沼氣池全年負(fù)荷的模擬計算29-37
• 3.2.1 沼氣池池體尺寸的優(yōu)化設(shè)計29
• 3.2.2 沼氣池池體保溫層的設(shè)計29-30
• 3.2.3 物理模型30
• 3.2.4 沼氣池及周圍土壤的數(shù)學(xué)模型30-32
• 3.2.5 沼氣池導(dǎo)熱微分方程的離散32-34
• 3.2.6 沼氣池散熱量的模擬34-36
• 3.2.7 加熱料液所需的熱量36-37
• 3.3 系統(tǒng)各部件的初步設(shè)計37-41
• 3.3.1 太陽能集熱系統(tǒng)37-38
• 3.3.2 熱泵機組性能系數(shù)的確定38-39
• 3.3.3 土壤換熱器39-40
• 3.3.4 板式換熱器40-41
• 3.3.5 末端加熱裝置41
• 3.4 系統(tǒng)的運行模式及工作原理41-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第4章 太陽能—土壤源熱泵聯(lián)合加熱沼氣池系統(tǒng)的數(shù)理模型45-58
• 4.1 物理模型45
• 4.2 數(shù)學(xué)模型45-55
• 4.2.1 平板太陽能集熱器模型45-47
• 4.2.2 熱泵機組模型47-48
• 4.2.3 土壤換熱器換熱模型48-53
• 4.2.4 板式換熱器模型53
• 4.2.5 螺旋盤管模型53-55
• 4.3 模式轉(zhuǎn)換條件的確定55-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第5章 太陽能—土壤源熱泵聯(lián)合加熱沼氣池系統(tǒng)的模擬以及經(jīng)濟性分析58-71
• 5.1 系統(tǒng)模擬框圖58-59
• 5.2 計算機模擬結(jié)果及分析59-66
• 5.2.1 合理選擇集熱器面積和土壤換熱器59-60
• 5.2.2 系統(tǒng)運行主要模擬參數(shù)60
• 5.2.3 系統(tǒng)運行結(jié)果的統(tǒng)計分析60-64
• 5.2.4 土壤熱平衡分析64-65
• 5.2.5 系統(tǒng)性能系數(shù)的分析65-66
• 5.3 經(jīng)濟性分析66-70
• 5.3.1 各方案主要設(shè)備的選擇66
• 5.3.2 費用年值法66-69
• 5.3.3 各方案的經(jīng)濟性比較69-70
• 5.4 本章小結(jié)70-71
• 結(jié)論71-73
• 參考文獻73-78
• 致謝78

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