太阳能集成高效沼气发酵系统设计

《化工设备机械基础》课程设计

设计厚度?dp??p?C2?247.1?2.0mm?249.1mm

根据?dp?249.1mm查表得C1?0.25mm，圆整后，最后采用?np?250mm厚的钢板制作。

3.7 罐体保温层设计

本装置要在冬季情况下运行，冬季外界环境温度较低，而要使厌氧发酵产气效果较好，必须首先维持料液温度在较高的温度范围，其次应该维持发酵罐内物料温度稳定更为重要。据研究得出，短时间内温度升降5℃沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至会停止产气。同时，温度波动还会影响沼气中甲烷的含量多少。因此在设计消化罐时常采取一定的控温措施，尽可能使发酵罐在恒温下运行，温度变化幅度不超过1℃／d～2℃／d。也有资料表述，一个好的设计应避免使消化罐内温度变化大0.5℃／d，温度变化必须控制在1℃／d以下。 本装置在冬季条件下运行，采用太阳能作为系统的供热装置，为了减少太阳能装置的供热量，降低太阳能集热器的面积，减少系统的投资，必须降低罐体散热损失，则应该给发酵罐加上保温层。保温结构由绝热层和保护层两部分构成：绝热层主要由导热系数小于O.2W／(m·℃)的绝热材料组成，用于增大热阻，降低热损；保护层主要由一些法向反射率低的薄层金属构成，用于保护绝热材料，同时防火、防水、防潮和起到美观作用。保护层一般紧贴绝热层安装。 本装置采用100mm（?2）厚的挤塑聚苯乙烯泡沫板进行外保温处理。挤塑聚苯乙烯保温板(XPS)是以聚苯乙烯树脂为原料，经由特殊工艺连续挤出发泡成型的硬质板材，其内部为独立的密闭式气泡结构，是一种具有高抗压、不吸水、防潮、不透气、轻质、耐腐蚀、使用寿命长、导热系数低等优异性能的环保型保温材料。挤塑板具有连续均匀的表层及闭孔式蜂窝结构，这些蜂窝结构的互联壁有一致的厚度，泡孔间没有任何空隙。这种结构使挤塑板在吸水率、蒸汽渗透系数以及导热系数等方面均低于其它的板状保温材料，同时抗压强度却很高，因此具有优越的保温隔热性能，良好的抗水性能和高抗压性能。材料导热系数较低，导热系数为?2=O.028 W／(m·℃)。保温层外部采用1.0mm厚的薄铁板进行固定。

3.8 支座的简略选择

发酵装置的主要重量来自于料液的重，罐体的重和保温材料的重，气体的 重可忽略，所以，支座所要承担的负荷

Q?Q料?Q罐?Q材 已知，碳钢密度为7.85?103kg/m3,保温材料挤塑聚苯乙烯泡沫板的表观密度为25～32 kg/m3，这里取30 kg/m3，g取10N/kg

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所以，Q料?40?103?20?10?8000KN

Q罐??[(R?0.075)2?R2]?h??碳钢?g??（5.40752?5.42)?10.4?7.85?103?10

?207.9KNQ材??[(R?0.0075?0.1)2?(R?0.075)2]?h??材??（5.50752?5.40752)?10.4?30?10?10.7KNQ?8000?207.9?10.7?8218.6KN

选取B型8号支承式支座，其支座体允许载荷[Q]为550kN,为了能承担整个筒体的重量可以适当增加支座数。

第4章 发酵装置能量平衡分析

对该太阳能发酵系统进行热力学分析，该系统为开口系统，其中系统的输入为生物质能、太阳能，系统地输出为沼气，出渣以及系统向环境散发的热量。假设系统采用连续进料方式，每天都有新物料进入，旧物料排出。因此，系统的能量平衡主要受以下几部分的影响：①维持恒温发酵由太阳能提供的热量；②发酵过程产生的生物热：③罐体的散热损失；④提高进料温度所需的热量(出料带走的热量)；⑤沼气带走的热量。由上述分析可知，沼气发酵罐的热量平衡方程为：

Q?Qb?Qs?Qw?Qg【9】

式中；Q——加热装置一天内的热负荷，J；

Qb——每天由发酵过程产生的生物热，J；

Qs——罐体一天向周围空气的散热量，J，一天按16小时算；

Qw——每天添加的物料升温所需总热量，J；

Qg——沼气所带走的热量，J。

其中，沼气带走的热量很小，可以忽略不计。而对于发酵过程是否产生的热量，仍是一个具有争议的问题。现有的研究普遍认为发酵过程活性不强，由生物质发酵所产生或者吸收的热量引起的系统温度变化很小，且没有确切数值，可以

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将厌氧发酵过程看成是一个不产热的过程，这部分热量也忽略不计。因此，能量的平衡主要由太阳能集热器吸收的太阳能，一天内罐体向外界散失的热量，出料带出的热量三部分组成。因此，一天内的能量平衡方程可以简化为以下公式：

Q?Qs?Qw【9】

4.1发酵罐罐体热损失计算

发酵罐置于空气之中，因此时刻在通过外壁向外界空间进行散热。发酵罐为圆柱形，圆柱体表面积散热分为2个部分，分别是2个圆底面以及圆柱壁面散热，罐体一天内的散热损失为Qs。

Qs?(2Q底?Q柱）Ts【9】

（4.1）

式中：Q底——罐体底面单位时间内散热量，w；

Q柱——罐体圆柱面单位时间散热量，W；

Ts—— 一天内的总时间，s。

为简化计算，可以根据实际情况做出以下几点假设：

假设1：在发酵过程中计算热损失时，可假设消化池内所有物质(气体和发酵原料)都处于相同的温度。由此，则可假设发酵罐中气体空间和发酵原料温度均处于相同的温度；

假设2：发酵罐设计了搅拌装置，因此假设发酵罐内物料由于经常搅拌而各点温度均匀一致； ．

假设3：在原料温降小于5℃／h的保温结构中，物料各点温度变化缓慢，可将其内部温度看成稳态温度场‘741。因此，本厌氧发酵物料在保温过程中的温度场可看成是稳态温度场，物料温变一致；

假设4：保护层材料一般导热系数较大，而厚度相对较小(常小于lmm)，故在计算时可忽略其热阻。 1）底部热损失计算 圆柱体底部为平面，平板每秒钟的散热量可通过以下公式计算：

Q底?KA(t1?t0)【9】

（4.2）

式中：A一散热面面积，m2

K一平板导热系数，W／(m2·K)

t1一发酵罐内部料液温度，25℃

t0一外部环境温度，取冬季低温-7℃ 散热面积A的大小由圆柱体半径决定：

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A??R2

R一罐体半径，m。

多层平壁的总导传热系数K通过以下公式计算

K?11n?i1???h1i?1?ih2?11?1?21???h1?1?2h2 【9】 （4.3）

式中：h1一内部对流换热系数，h1=1800 w／(m2·℃)；

w／(m·℃)，计算中，h2h2一保温层外表面与环境间换热系数，h2=6.812

可取常数值，对于金属保护层，h2取6.812w／(m2·℃)；对于非金属保护层，h2可取11.63w／(m2·℃)；

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?1一罐体材料导热系数，即钢板材料导热系数在46.5～58.2W／(m·℃)，本

文取52 W／(m·K)。

?2一保温材料导热系数，?2=O.028 W／(m·℃)；

?1一罐体钢板厚度，m；

?2一保温材料厚度，0.1m。

将各参数代入公式（4.3），通过计算可以求出多层平板总传热系数

K?117.5?100.11???1800520.0286.812?3?0.269w/(m2?℃)

本装置在西北地区室外条件下运行，冬季气候寒冷，按发酵罐内部料液温度

取发酵温度25℃进行计算，环境温度取冬季一个较冷气温-7℃，将以上各项参数代入公式（4.2）进行计算：

Q底?K?R2(t1?t0)?0.269?3.14?5.42?(25?7)?778.17w 可以求出单位时间内发酵罐圆底部散热量Q底为778.17W。

2）圆柱壁散热损失

通过圆柱壁单位时间内向外界的散热的热量可以通过以下公式计算：

Q柱?2r0(t1?t0) 【9】 （4.4）

11r1r1?ln1?ln2?2?h1r02??1r02??2r12?h2r2式中：r0一罐体内径，5.4m；

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