寒区大型沼气工程地源热泵加热增温系统的试验研究

论文摘要

在北方高寒地区,由于冬季漫长,气温和地温相对较低,如果不对沼气发酵系统进行加热增温,势必会出现沼气发酵周期长,产气率低,原料降解缓慢等问题,沼气发酵系统难以实现全年连续正常运行。如何解决沼气周年生产问题,最大限度降低沼气发酵系统加热能耗,确保沼气发酵系统正能输出,是沼气工程能否在北方高寒地区进行推广和普及的关键所在。为此,本文针对这一制约沼气发展的重点和难点问题,提出了利用地源热泵并增设辅助热源锅炉(燃煤和沼气两用)为沼气发酵系统加热增温的新思路,即利用地源热泵(或锅炉)加热循环系统中的循环水,再通过沼气反应器和发酵料液池中的加热盘管为发酵料液加热增温,使发酵温度维持在20℃以上,保证了沼气发酵系统全年的正常运行。本文首先对发酵料液的物性参数,包括料液的密度、粘度、比热容和导热系数等进行了系统的测定,为今后的沼气发酵加热增温系统设计计算提供了基础数据。其次,本文针对黑龙江省鸡西市兰岭乡700m~3的大型沼气发酵工程,详细计算出在冬季采暖温度下发酵系统正常进料的耗热负荷,反应器散热负荷、管道沿途散热损失及阻力损失、热源的供热负荷,确定了热源和循环水泵的型号,并设计出一套与沼气发酵系统相匹配的地源热泵加热增温系统。再次,本文利用基于力控软件的数据监测系统,对沼气发酵地源热泵加热增温系统进行了试验研究。通过对采暖期的试验数据分析,得出了地源热泵加热增温系统在正常工作条件下,可以保证沼气的发酵温度;得到了沼气反应器和整个发酵系统的供热能耗随大气温度的变化情况;计算出使沼气发酵系统达到正能输出的最低产气量。同时,对地源热泵加热增温系统的节能性进行了分析。最后,建立了沼气发酵反应器的传热模型,并通过试验验证了传热模型的可行性。同时,利用度日法对沼气发酵反应器全年正常运行的能耗进行了预测,预测结果与试验结果趋势基本一致。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1.引言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 能源消耗现状
• 1.1.2 沼气能源概况
• 1.1.3 沼气增温技术的概况
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题研究的意义及主要内容
• 1.3.1 本课题的主要研究意义
• 1.3.2 本课题的主要研究内容
• 2.发酵料液的物性参数实验研究
• 2.1 密度
• 2.1.1 实验原理
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 实验数据及结果分析
• 2.2 粘度
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 实验数据及结果分析
• 2.3 比热容
• 2.3.1 实验原理
• 2.3.2 实验装置
• 2.3.3 实验数据及结果分析
• 2.4 导热系数
• 2.4.1 实验原理
• 2.4.2 实验装置
• 2.4.3 实验数据及结果分析
• 2.5 本章小结
• 3.沼气发酵加热增温系统的设计
• 3.1 大型沼气厌氧发酵系统工艺流程
• 3.2 加热增温系统设计供热负荷的计算
• h'>3.2.1 料液温度升高所需耗热量Φ_h
• f'>3.2.2 厌氧反应器的散热负荷Φ_f
• y'>3.2.3 管道的沿途热损失Φ_y
• 3.2.4 加热增温系统的设计热负荷计算
• 3.3 混料池和反应器内加热盘管的设计计算
• 3.3.1 热水循环管道内水流量计算
• n'>3.3.2 加热盘管内受迫对流换热系数h_n
• f'>3.3.3 加热盘管外对流换热系数h_f
• 3.3.4 加热盘管传热系数计算
• 3.3.5 加热盘管的管道长度计算
• 3.4 加热增温系统热水循环水泵的选取
• 3.4.1 加热增温循环热水管线的水力计算
• 3.4.2 循环水泵的选取
• 3.5 加热增温系统热源的配备
• 3.6 加热增温系统的总体设计
• 3.7 本章小结
• 4.沼气发酵工程加热增温系统的试验研究
• 4.1 沼气发酵工程加热增温系统的组成
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 测试仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 实验数据处理及分析
• 4.3.1 温度状况分析
• 4.3.2 厌氧发酵反应器采暖期实际得热量计算及分析
• 4.3.3 加热增温系统采暖期内热源实际供热量计算及分析
• 4.3.4 沼气中甲烷含量的测定
• 4.3.5 采暖期地源热泵加热增温系统的节能性分析
• 4.4 实验误差分析
• 4.4.1 误差
• 4.4.2 误差传递公式
• 4.4.3 试验误差计算
• 4.5 本章小结
• 5.厌氧发酵反应器散热模型建立与检验
• 5.1 大型沼气工程厌氧发酵反应器介绍
• 5.2 发酵反应器散热模型建立
• 5.2.1 沼气反应器顶部散热模型建立
• 5.2.2 沼气反应器壁面散热模型的建立
• 5.2.3 沼气反应器底部散热模型的建立
• 5.2.4 反应器总散热模型建立
• 5.3 反应器散热模型的修正与验证
• 5.3.1 反应器散热模型的修正
• 5.3.2 反应器散热模型的验证
• 5.4 沼气发酵反应器全年正常运行的耗能模拟分析
• 5.4.1 度日法
• 5.4.2 沼气反应器耗能模拟分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文