严寒地区利用太阳能加热制沼气的模拟研究

论文摘要

在严寒地区,由于冬季气温、地温低,沼气的生产存在产气率低、使用率低等问题,甚至会出现冻裂沼气池的现象,本文针对这一现象,提出了利用太阳能加热制取沼气的思路,即利用太阳能集热系统生产的热水通过沼气池底部的换热器来加热料液,使料液升温进行发酵,产生沼气,同时对沼气池保温,减少能耗,提高池温。论文以模拟研究为主,通过一些数据的计算确定,验证了在严寒地区利用太阳能加热制取沼气是可以实现的。在理论方面,详细介绍了太阳辐射、土壤温度场、温室大棚、沼气产生的基本理论知识,同时建立了沼气池周围土壤不稳定传热数学模型,并用FLUENT进行模拟计算,与一维传热影响下的情况作出比较,最后得出沼气池侧壁及底面土壤温度的变化规律。在模拟准备方面,通过前期的调研工作,了解沼气池设计与施工的一些相关知识。经过对比分析建立了与温室大棚相结合实验系统模型。根据理论知识计算得出沼气池壁面保温层厚度、哈尔滨地区太阳能辐射强度和逐时室外温度。建立模拟分析方法,利用换热器加热量的变化来验证系统模拟的正确性。最后,运用MATLAB编制程序,对沼气池内换热器的加热量、沼气池周围土壤的温度场冬季和夏季的典型日进行相关模拟,验证了模型的正确性。最后对系统全年运行情况进行了模拟,分析了换热器的加热量和沼气池周围土壤温度的变化规律,并通过对有无温室大棚下沼气池的对比,得出结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 世界能源状况
• 1.1.2 太阳能概况
• 1.1.3 沼气概况
• 1.2 课题的意义
• 1.3 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.3.1 国外的研究现状
• 1.3.2 国内的研究现状
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.4.1 课题前期准备工作
• 1.4.2 本课题的主要研究内容
• 第2章 太阳辐射、土壤、温室大棚及沼气产生的基本理论
• 2.1 太阳辐射
• 2.1.1 太阳辐射基本概念
• 2.1.2 太阳辐射强度计算
• 2.2 土壤热物性及温度变化规律
• 2.2.1 土壤热物性
• 2.2.2 土壤温度的变化规律
• 2.3 温室大棚基本知识
• 2.3.1 温室大棚基本概念
• 2.3.2 温室大棚的保温
• 2.4 沼气产生及成分测定
• 2.4.1 沼气的产生
• 2.4.2 沼气成分的测定
• 2.5 沼气产生所需的条件
• 2.5.1 沼气发酵原料
• 2.5.2 接种物
• 2.5.3 严格的厌氧环境
• 2.5.4 适宜的温度
• 2.5.5 适宜的PH值
• 2.5.6 适当搅拌
• 2.6 本课题沼气池发酵情况
• 2.7 本章小结
• 第3章 太阳能加热制沼气系统建立
• 3.1 沼气池的结构
• 3.2 系统的组成
• 3.2.1 太阳能集热器系统
• 3.2.2 沼气产生系统
• 3.2.3 沼气池与温室大棚的结合
• 3.3 模拟前的准备计算
• 3.3.1 模拟分析方法
• 3.3.2 沼气池保温层的计算
• 3.3.3 太阳能辐射强度计算
• 3.3.4 室外温度选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 太阳能加热生产沼气系统的数理模型
• 4.1 系统物理模型
• 4.2 系统数学模型
• 4.2.1 集热器模型
• 4.2.2 沼气池周围土壤温度场模型
• 4.3 初始条件
• 4.3.1 大气初始温度场分布
• 4.3.2 土壤初始温度场分布
• 4.3.3 温室大棚内大气温度场分布
• 4.3.4 受温室大棚影响的土壤温度场分布
• 4.4 FLUENT建模求解理论
• 4.4.1 FLUENT简介
• 4.4.2 计算流体力学的控制方程和求解过程
• 4.5 模型求解
• 4.5.1 集热器开关控制
• 4.5.2 沼气池周围温度场求解
• 4.6 本章小结
• 第5章 太阳能加热生产沼气系统的数值模拟
• 5.1 系统模拟框图
• 5.2 系统模拟的初始条件
• 5.3 系统模拟结果
• 5.3.1 换热器加热量比较
• 5.3.2 沼气池周围土壤温度比较
• 5.4 系统的全年模拟运行
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢