【正文】 度變化大0．5℃／d，溫度變化必須控制在1℃／d以下。本裝置在冬季條件下運(yùn)行，采用太陽(yáng)能作為系統(tǒng)的供熱裝置，為了減少太陽(yáng)能裝置的供熱量，降低太陽(yáng)能集熱器的面積，減少系統(tǒng)的投資，必須降低罐體散熱損失，則應(yīng)該給發(fā)酵罐加上保溫層。保溫結(jié)構(gòu)由絕熱層和保護(hù)層兩部分構(gòu)成：絕熱層主要由導(dǎo)熱系數(shù)小于O．2W／(m℃)的絕熱材料組成，用于增大熱阻，降低熱損；保護(hù)層主要由一些法向反射率低的薄層金屬構(gòu)成，用于保護(hù)絕熱材料，同時(shí)防火、防水、防潮和起到美觀作用。保護(hù)層一般緊貼絕熱層安裝。本裝置采用100mm（）厚的擠塑聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行外保溫處理。擠塑聚苯乙烯保溫板(XPS)是以聚苯乙烯樹(shù)脂為原料，經(jīng)由特殊工藝連續(xù)擠出發(fā)泡成型的硬質(zhì)板材，其內(nèi)部為獨(dú)立的密閉式氣泡結(jié)構(gòu)，是一種具有高抗壓、不吸水、防潮、不透氣、輕質(zhì)、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)異性能的環(huán)保型保溫材料。擠塑板具有連續(xù)均勻的表層及閉孔式蜂窩結(jié)構(gòu)，這些蜂窩結(jié)構(gòu)的互聯(lián)壁有一致的厚度，泡孔間沒(méi)有任何空隙。這種結(jié)構(gòu)使擠塑板在吸水率、蒸汽滲透系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等方面均低于其它的板狀保溫材料，同時(shí)抗壓強(qiáng)度卻很高，因此具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，良好的抗水性能和高抗壓性能。材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱系數(shù)為=O．028 W／(m℃)。第4章 發(fā)酵裝置能量平衡分析對(duì)該太陽(yáng)能發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，該系統(tǒng)為開(kāi)口系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的輸入為生物質(zhì)能、太陽(yáng)能，系統(tǒng)地輸出為沼氣，出渣以及系統(tǒng)向環(huán)境散發(fā)的熱量。假設(shè)系統(tǒng)采用連續(xù)進(jìn)料方式，每天都有新物料進(jìn)入，舊物料排出。因此，系統(tǒng)的能量平衡主要受以下幾部分的影響：①維持恒溫發(fā)酵由太陽(yáng)能提供的熱量；②發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的生物熱：③罐體的散熱損失；④提高進(jìn)料溫度所需的熱量(出料帶走的熱量)；⑤沼氣帶走的熱量。由上述分析可知，沼氣發(fā)酵罐的熱量平衡方程為：[7]式中；——加熱裝置一天內(nèi)的熱負(fù)荷，J；——每天由發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的生物熱，J；——罐體一天向周圍空氣的散熱量，J，一天按16小時(shí)算；——每天添加的物料升溫所需總熱量，J；——沼氣所帶走的熱量，J。其中，沼氣帶走的熱量很小，可以忽略不計(jì)。而對(duì)于發(fā)酵過(guò)程是否產(chǎn)生的熱量，仍是一個(gè)具有爭(zhēng)議的問(wèn)題。現(xiàn)有的研究普遍認(rèn)為發(fā)酵過(guò)程活性不強(qiáng)，由生物質(zhì)發(fā)酵所產(chǎn)生或者吸收的熱量引起的系統(tǒng)溫度變化很小，且沒(méi)有確切數(shù)值，可以將厭氧發(fā)酵過(guò)程看成是一個(gè)不產(chǎn)熱的過(guò)程，這部分熱量也忽略不計(jì)。因此，能量的平衡主要由太陽(yáng)能集熱器吸收的太陽(yáng)能，一天內(nèi)罐體向外界散失的熱量，出料帶出的熱量三部分組成。因此，一天內(nèi)的能量平衡方程可以簡(jiǎn)化為以下公式：[4]發(fā)酵罐置于空氣之中，因此時(shí)刻在通過(guò)外壁向外界空間進(jìn)行散熱。發(fā)酵罐為圓柱形，圓柱體表面積散熱分為2個(gè)部分，分別是2個(gè)圓底面以及圓柱壁面散熱，罐體一天內(nèi)的散熱損失為。[7] （）式中：——罐體底面單位時(shí)間內(nèi)散熱量，w；——罐體圓柱面單位時(shí)間散熱量，W；—— 一天內(nèi)的總時(shí)間，s。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以根據(jù)實(shí)際情況做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：假設(shè)1：在發(fā)酵過(guò)程中計(jì)算熱損失時(shí)，可假設(shè)消化池內(nèi)所有物質(zhì)(氣體和發(fā)酵原料)都處于相同的溫度。由此，則可假設(shè)發(fā)酵罐中氣體空間和發(fā)酵原料溫度均處于相同的溫度；假設(shè)2：發(fā)酵罐設(shè)計(jì)了攪拌裝置，因此假設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)物料由于經(jīng)常攪拌而各點(diǎn)溫度均勻一致； ．假設(shè)3：在原料溫降小于5℃／h的保溫結(jié)構(gòu)中，物料各點(diǎn)溫度變化緩慢，可將其內(nèi)部溫度看成穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)‘741。因此，本厭氧發(fā)酵物料在保溫過(guò)程中的溫度場(chǎng)可看成是穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，物料溫變一致；假設(shè)4：保護(hù)層材料一般導(dǎo)熱系數(shù)較大，而厚度相對(duì)較小(常小于lmm)，故在計(jì)算時(shí)可忽略其熱阻。1） 底部熱損失計(jì)算圓柱體底部為平面，平板每秒鐘的散熱量可通過(guò)以下公式計(jì)算：[7] （）式中：一散熱面面積，m2K一平板導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m2K)一發(fā)酵罐內(nèi)部料液溫度，25℃一外部環(huán)境溫度，取冬季低溫7℃散熱面積A的大小由圓柱體半徑?jīng)Q定：一罐體半徑，m。多層平壁的總導(dǎo)傳熱系數(shù)K通過(guò)以下公式計(jì)算 [7] （）式中：一內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)，=1800 w／(m2℃)；一保溫層外表面與環(huán)境間換熱系數(shù)，= w／(m2℃)，計(jì)算中，可取常數(shù)值，對(duì)于金屬保護(hù)層，／(m2℃)；對(duì)于非金屬保護(hù)層，／(m2℃)；一罐體材料導(dǎo)熱系數(shù)，～／(m℃)，本文取52 W／(mK)。一保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，= W／(m℃)；一罐體鋼板厚度，m；一保溫材料厚度。將各參數(shù)代入公式（），通過(guò)計(jì)算可以求出多層平板總傳熱系數(shù)℃)本裝置在西北地區(qū)室外條件下運(yùn)行，冬季氣候寒冷，按發(fā)酵罐內(nèi)部料液溫度取發(fā)酵溫度25℃進(jìn)行計(jì)算，環(huán)境溫度取冬季一個(gè)較冷氣溫7℃，將以上各項(xiàng)參數(shù)代入公式（）進(jìn)行計(jì)算：。2）圓柱壁散熱損失通過(guò)圓柱壁單位時(shí)間內(nèi)向外界的散熱的熱量可以通過(guò)以下公式計(jì)算： [7] （）式中：一罐體內(nèi)徑，；一發(fā)酵罐罐體外壁半徑，；一保溫層外壁半徑。將各項(xiàng)參數(shù)代入公式（），可以得 將各部分的熱損失相加，可以求出罐體一天內(nèi)的散熱損失Qs： 加熱料液需要的熱量假設(shè)連續(xù)型發(fā)酵裝置需要每天出部分舊料，同時(shí)每天添加進(jìn)相同質(zhì)量的新料，由于這部分新料從環(huán)境中進(jìn)入，為維持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定，需要提供熱量供其升溫。通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算： [7] （）式中：C一料液的比熱，J／（kg℃），因?yàn)榱弦汗毯繛?％，料液的大部分仍是水，因此其值可以取水的比熱4200J／(kg℃)；一未進(jìn)發(fā)酵罐的料液溫度，取冬季自來(lái)水的溫度10℃m一每天添加的物料的質(zhì)量，kg，將參數(shù)帶入公式（）進(jìn)行計(jì)算，求得 所以，加熱裝置一天的總的熱負(fù)荷為：第5章 結(jié) 論 結(jié)論 表5 沼氣發(fā)酵罐設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)設(shè)計(jì)溫度25℃發(fā)酵罐高 進(jìn)料量40t/d設(shè)計(jì)壓力 發(fā)酵料液濃度 8%發(fā)酵罐壁厚 發(fā)酵周期 20d封頭厚度250mm時(shí)間 16h/d罐體散熱量 料液密度 加熱料液所需熱量2520MJ/d 發(fā)酵罐有效容積 m3加熱料液熱負(fù)荷發(fā)酵罐容積1001 m3罐體材料Q235B發(fā)酵罐直徑 保溫層厚度100mm本設(shè)計(jì)針對(duì)我國(guó)西北地區(qū)冬季氣溫、地溫低，沼氣的生產(chǎn)存在產(chǎn)氣率低、使用率低的現(xiàn)象。結(jié)合西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn)，將太陽(yáng)能中、低溫集熱系統(tǒng)和沼氣發(fā)酵裝置結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，得出以下結(jié)論：1）根據(jù)本裝置的設(shè)計(jì)分析，一套發(fā)酵罐容積為的太陽(yáng)能加熱的戶用型沼氣發(fā)酵裝置可以滿足用戶在冬季對(duì)沼氣的需求量。2）本裝置可以保證在本地區(qū)冬季氣候條件下正常產(chǎn)氣，裝置內(nèi)料液溫度可以維持在25℃左右，發(fā)酵料液每天的溫度變化最多不超過(guò)2℃，不會(huì)對(duì)產(chǎn)氣量產(chǎn)生巨大影響。發(fā)酵周期20天。只要不出現(xiàn)連續(xù)陰天情況或者極端惡劣的氣候條件，本實(shí)驗(yàn)裝置在冬季情況下正常運(yùn)行。 尚待解決的問(wèn)題由于研究時(shí)間和個(gè)人知識(shí)的限制，本設(shè)計(jì)存在以下幾方面的問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)行充分的探討，建議再以后的研究中，對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行更深入的研究：1）本套裝置的成本較高，投資回報(bào)期較長(zhǎng)。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)選擇低成本新型材料以及改進(jìn)施工的方法，使沼氣發(fā)酵裝置的成本進(jìn)一步降低，更利于本裝置在農(nóng)村的推廣。2）進(jìn)行不同發(fā)酵工藝條件的發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析各個(gè)因素對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響，確定出本套裝置的最佳發(fā)酵工藝條件，進(jìn)一步提高裝置的產(chǎn)氣率。3）設(shè)計(jì)出一套沼氣發(fā)酵裝置的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，使沼氣發(fā)酵過(guò)程中，太陽(yáng)能加熱裝置能夠維持發(fā)酵罐內(nèi)料液溫度在一個(gè)最佳的發(fā)酵溫度，且運(yùn)行中能夠盡量減小溫度的波動(dòng)范圍，最終實(shí)現(xiàn)恒溫發(fā)酵。參考文獻(xiàn)[1]楊增玲，基于物理指標(biāo)快速預(yù)測(cè)豬糞尿肥料成分含量的試驗(yàn)研究[D].北京:中國(guó)科技論文在線,2004.[2]邵紅艷，貴州農(nóng)村沼氣池結(jié)構(gòu)改進(jìn)及建池鋼模設(shè)計(jì)[D].貴州：貴州大學(xué)，2008.[3]譚蔚，化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)．第一版．天津：天津大學(xué)出版社，83．93．[4]刁玉韋，：大連理工大學(xué)出版社，2006：.[5]GB4750～4752—84．農(nóng)村家用水壓式沼氣池標(biāo)準(zhǔn)圖集、農(nóng)村家用水壓式沼氣池質(zhì)量檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、農(nóng)村家用水壓式沼氣池施工操作規(guī)程．[6]董大勤，袁鳳隱，：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：186.[7][D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.[8]唐受印，戴友芝，：化學(xué)工業(yè)出版社，2002，8.[9]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.[10]于海明，周嶺,[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(2)：53．56.[11]：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，.[12]繆則學(xué)，[J].江蘇沼氣，1988，6：1114.[13]王榮光，：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[14]， and ，Simulation andexperimental performance of a solar—heated anaerobic digester[J]Solar ，70(2)：155一l 64.[15][J].福建建設(shè)科技，2006，1：58—59.致謝值此本設(shè)計(jì)完成之際，我謹(jǐn)向所有關(guān)心、支持和幫助作者的老師、同學(xué)表示由衷的感謝!歲月冉冉，光陰似箭!化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)這門(mén)課已經(jīng)結(jié)束了。在這段學(xué)習(xí)時(shí)間中，我在郜老師的諄諄教導(dǎo)下完成了這個(gè)課程設(shè)計(jì)，以此為化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)這門(mén)課的學(xué)習(xí)劃上一個(gè)完滿的句號(hào)。不論從做人、做事還是做研究，都受到郜華萍老師的深深影響，這些都讓我受益終身!郜老師在教學(xué)過(guò)程中教導(dǎo)我們要善于把握可再生能源開(kāi)發(fā)和利用的宏觀發(fā)展方向，注重培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐和獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力。老師務(wù)實(shí)和勇于開(kāi)拓的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)和育人風(fēng)范都給作者留下了深刻的印象，使我們不論是在治學(xué)方面還是為人處世方面都受益匪淺，在此郜老師表示衷心的感謝!我以后一定會(huì)好好學(xué)習(xí)，不辜負(fù)老師和家人的期望，最后，我再一次向所有給予我指導(dǎo)、幫助、關(guān)心和支持的老師、同學(xué)、朋友和親人表示衷心的感謝! 孫梅娟 2010年5月于昆明30