严寒地区利用太阳能加热制沼气的实验研究

【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新思路,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。论文以实验研究为主,通过对实验数据的分析和整个系统的数值模拟,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、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,并用控制容积法对数学模型进行了离散。 在实验方面,介绍了实验系统的组成和设备的选取准备,并选取实验中夏季和冬季运行比较稳定的两段时间,进行数据分析处理,通过分析可知沼气池周围土壤温度、料液内温度以及换热器加热量的变化情况,同时,还计算出了钢管换热器的传热系数。 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和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,并通过实验值和模拟值的对比,验证了模型的正确性。 【关键词】：沼气 太阳能 土壤温度场 控制容积法 传热系数
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景9-12
• 1.1.1 世界能源状况9-10
• 1.1.2 太阳能概况10-11
• 1.1.3 沼气概况11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外的研究现状12-14
• 1.2.2 国内的研究现状14-15
• 1.3 本课题的主要研究内容及意义15-17
• 1.3.1 本课题的主要研究内容15
• 1.3.2 本课题研究的意义15-17
• 第2章 太阳辐射、土壤有关知识及沼气产生的基本理论17-34
• 2.1 太阳辐射17-23
• 2.1.1 与太阳辐射有关的基本概念17-20
• 2.1.2 太阳辐射强度的计算20-23
• 2.2 土壤有关参数和土壤温度变化规律23-25
• 2.2.1 土壤的热物性23-25
• 2.2.2 土壤温度的变化规律25
• 2.3 沼气产生的基本原理25-26
• 2.4 沼气产生的条件26-32
• 2.4.1 厌氧环境27
• 2.4.2 沼气发酵原料27-30
• 2.4.3 接种物30-31
• 2.4.4 温度31
• 2.4.5 pH值与碱度31-32
• 2.4.6 搅拌32
• 2.5 本实验沼气发酵条件32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 太阳能加热制沼气的实验研究34-53
• 3.1 实验系统的组成34-38
• 3.1.1 太阳能集热系统34-35
• 3.1.2 沼气产生系统35-36
• 3.1.3 测试仪表的选择及测点布置36-38
• 3.2 实验数据处理与分析38-45
• 3.2.1 实验分析方法38-39
• 3.2.2 系统运行的数据分析39-45
• 3.3 沼气的收集、点燃与成分测定45-49
• 3.3.1 沼气的收集45
• 3.3.2 沼气的点燃45-46
• 3.3.3 沼气成分的测定46-49
• 3.4 误差分析49-52
• 3.4.1 误差综述49
• 3.4.2 误差传递公式49-51
• 3.4.3 实验误差计算51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 太阳能加热制沼气系统数理模型53-65
• 4.1 物理模型53-54
• 4.2 数学模型54-56
• 4.2.1 集热器模型54-55
• 4.2.2 沼气池周围土壤温度场模型55-56
• 4.3 初始条件56-57
• 4.3.1 土壤初始温度场分布56
• 4.3.2 模型的边界条件56-57
• 4.4 导热微分方程的离散57-61
• 4.4.1 空间区域的离散化方法57-58
• 4.4.2 沼气池网格的划分58
• 4.4.3 控制方程的离散58-59
• 4.4.4 本课题控制方程的离散59-61
• 4.5 边界条件的处理61-64
• 4.5.1 第二类边界条件的处理61-62
• 4.5.2 第三类边界条件的处理62
• 4.5.3 绝热边界条件的处理62-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第5章 太阳能加热制沼气系统数值模拟65-74
• 5.1 系统模拟框图65-66
• 5.2 系统模拟的初始条件66
• 5.3 模拟结果与实验结果的比较66-71
• 5.3.1 换热器加热量的比较67-68
• 5.3.2 沼气池周围土壤温度变化的比较68-71
• 5.4 系统全年运行工况的模拟71-73
• 5.5 本章小结73-74
• 结论74-75
• 参考文献75-80
• 致谢80

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