严寒地区利用太阳能加热制沼气的模拟研究

【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。 【关键词】：沼气 太阳能 温室大棚 土壤温度场 FLUENT
【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】：2008
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-18
• 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 课题的意义12-13
• 1.3 国内外在该方向的研究现状及分析13-15
• 1.3.1 国外的研究现状13-14
• 1.3.2 国内的研究现状14-15
• 1.4 本论文的主要研究内容15-18
• 1.4.1 课题前期准备工作15-17
• 1.4.2 本课题的主要研究内容17-18
• 第2章 太阳辐射、土壤、温室大棚及沼气产生的基本理论18-36
• 2.1 太阳辐射18-24
• 2.1.1 太阳辐射基本概念18-21
• 2.1.2 太阳辐射强度计算21-24
• 2.2 土壤热物性及温度变化规律24-26
• 2.2.1 土壤热物性24-26
• 2.2.2 土壤温度的变化规律26
• 2.3 温室大棚基本知识26-29
• 2.3.1 温室大棚基本概念26-27
• 2.3.2 温室大棚的保温27-29
• 2.4 沼气产生及成分测定29-31
• 2.4.1 沼气的产生29-30
• 2.4.2 沼气成分的测定30-31
• 2.5 沼气产生所需的条件31-34
• 2.5.1 沼气发酵原料31-32
• 2.5.2 接种物32
• 2.5.3 严格的厌氧环境32
• 2.5.4 适宜的温度32-33
• 2.5.5 适宜的PH值33
• 2.5.6 适当搅拌33-34
• 2.6 本课题沼气池发酵情况34
• 2.7 本章小结34-36
• 第3章 太阳能加热制沼气系统建立36-48
• 3.1 沼气池的结构36-37
• 3.2 系统的组成37-40
• 3.2.1 太阳能集热器系统37-38
• 3.2.2 沼气产生系统38-39
• 3.2.3 沼气池与温室大棚的结合39-40
• 3.3 模拟前的准备计算40-46
• 3.3.1 模拟分析方法40-41
• 3.3.2 沼气池保温层的计算41-44
• 3.3.3 太阳能辐射强度计算44-46
• 3.3.4 室外温度选择46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 太阳能加热生产沼气系统的数理模型48-61
• 4.1 系统物理模型48
• 4.2 系统数学模型48-50
• 4.2.1 集热器模型48-50
• 4.2.2 沼气池周围土壤温度场模型50
• 4.3 初始条件50-54
• 4.3.1 大气初始温度场分布52-53
• 4.3.2 土壤初始温度场分布53
• 4.3.3 温室大棚内大气温度场分布53
• 4.3.4 受温室大棚影响的土壤温度场分布53-54
• 4.4 FLUENT建模求解理论54-56
• 4.4.1 FLUENT简介54
• 4.4.2 计算流体力学的控制方程和求解过程54-56
• 4.5 模型求解56-60
• 4.5.1 集热器开关控制56-58
• 4.5.2 沼气池周围温度场求解58-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第5章 太阳能加热生产沼气系统的数值模拟61-73
• 5.1 系统模拟框图61-62
• 5.2 系统模拟的初始条件62
• 5.3 系统模拟结果62-67
• 5.3.1 换热器加热量比较63-64
• 5.3.2 沼气池周围土壤温度比较64-67
• 5.4 系统的全年模拟运行67-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 致谢79

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