沼氣池散熱量與內(nèi)部溫度場的數(shù)值模擬研究

張富強(qiáng)，孟祥睿，魏新利

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001）

溫度對沼氣池內(nèi)發(fā)酵有著重要的影響[1]，我國的北方地區(qū)冬季的溫度較低，由于保溫等因素，影響了甲烷菌的活性，導(dǎo)致了沼氣池的產(chǎn)氣量不足或幾乎不產(chǎn)氣等問題[2]。沼氣池在設(shè)計過程中，建造沼氣池壁一般選用材料為鋼筋混凝土，這對沼氣池散熱量的影響很大。2007年有研究者提出將一種發(fā)泡水泥用于建造沼氣池[3]，該種材料在許多性能上要優(yōu)于鋼筋混凝土（導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小等）。也有研究者利用Fluent對有無使用該材料以及不同厚度時，對沼氣池的散熱量和內(nèi)部溫度場的影響進(jìn)行了研究[4]。針對這些問題，筆者以鄭州地區(qū)的氣象條件為參數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐目稍偕茉醇訜嵴託獬?，使用Fluent軟件對沼氣池的不同材料、不同厚度的保溫層及沼氣池內(nèi)部溫度場的數(shù)值進(jìn)行了模擬，旨在為沼氣池節(jié)能研究提供依據(jù)。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

筆者以一個年出欄數(shù)2 000頭的養(yǎng)豬場為例，按照規(guī)?；B(yǎng)豬場各豬群的比例[5-7]，將1 d排放的糞污全部處理，建造的沼氣池的體積大約134.6 m3。經(jīng)計算得到沼氣池的半徑為3.5m，高度為3.5 m。沼氣池處于土壤下，僅考慮其與土壤的傳熱，計算的區(qū)域以沼氣池的中心圓心，半徑為15m。沼氣池將熱量傳給土壤，土壤將能量散到大氣中。結(jié)合實際情況進(jìn)行簡化模型（圖1），將發(fā)泡水泥的厚度分別取為250、300、350、400mm，鋼筋混凝土外壁為250mm，進(jìn)行模擬計算。

圖1 沼氣池簡化后模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

土壤之間的傳熱是一個復(fù)雜的傳熱問題。為了研究問題的方便，需要對模型進(jìn)行一定的簡化：各種材料與發(fā)酵液為均值，導(dǎo)熱系數(shù)各向同性；忽略土壤內(nèi)水分（水分含量很少）的傳熱及多孔介質(zhì)的影響[2]；不考慮輻射方面的影響；加熱管簡化為一個加熱面，即沼氣池的內(nèi)壁面。

數(shù)學(xué)模型的傳熱公式：

式中：λ為發(fā)泡水泥、混凝土、料液與土壤的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為發(fā)泡水泥、混凝土、料液與土壤的密度；CP為發(fā)泡水泥、混凝土、料液與土壤的比熱容。

1.3 邊界條件

表1、表2為文中用到的參數(shù)，為了方便研究，以鄭州地區(qū)1月份的溫度為參考，沼氣池的溫度設(shè)定為15、25、35℃，分析不同材料對沼氣池的散熱量影響。模型中土壤的外邊界定義為絕熱邊界，其他邊界條件采用第一類邊界條件。在選用某一材料和一定厚度后，采用不同于前面提到的沼氣池的溫度，考慮到實際發(fā)酵過程，分析沼氣池內(nèi)部溫度場時，發(fā)酵溫度分別取 30、40、50℃。

表1 土壤、混凝土、發(fā)泡水泥的物性參數(shù)

表2 鄭州地區(qū)的氣象參數(shù) （℃）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保溫層對沼氣池散熱量的影響

圖2為混凝土、發(fā)泡水泥的厚度為250 mm時，沼氣池及周圍土壤剖面圖。沼氣池的溫度設(shè)為25℃，由于保溫層的材料不同，沼氣池對周圍土壤影響范圍不同。保溫層為混凝土?xí)r，與發(fā)泡水泥相比，前者內(nèi)部的大量熱量傳到土壤中，導(dǎo)致周圍土壤的溫度升高。由此可見，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)比發(fā)泡水泥的導(dǎo)熱系數(shù)大，沼氣池向外部散失熱量更多，使用混凝土的沼氣池對周圍土壤的溫度影響范圍更廣。此外，沼氣池內(nèi)部的熱量損失大，池內(nèi)溫度不能滿足發(fā)酵溫度，也會嚴(yán)重影響沼氣的產(chǎn)量。當(dāng)沼氣池維持恒定溫度15、25、35℃時，250 mm混凝土建造的沼氣池散熱量分別為3 175.5、5 440.0、7 704.4W，而250 mm發(fā)泡水泥建造的沼氣池散熱量分別為680.6、1 167.0、1 653.4W，發(fā)泡水泥建造的沼氣池所需熱量僅為混凝土的1/4.66。因此建立沼氣池時，應(yīng)該使用滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度且導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料作為沼氣池的保溫層。

圖2 沼氣池及周圍土壤溫度場分布

2.2 不同厚度的保溫層對沼氣池散熱量的影響

以鄭州地區(qū)1月份的溫度為參考，沼氣池的溫度設(shè)定為15、25、35℃。保溫層厚度不同時，沼氣池的散熱量也不同。圖3直觀顯示了不同厚度保溫層單位面積的散熱量。可以看出，沼氣池發(fā)酵溫度相同時，保溫層為發(fā)泡水泥的沼氣池隨著發(fā)泡水泥厚度的增加，單位面積的散熱量也逐漸下降?？紤]沼氣池溫度和經(jīng)濟(jì)的因素，同時結(jié)合相關(guān)的參考文獻(xiàn)[7]，沼氣池保溫層發(fā)泡水泥的厚度可選擇在300mm。

圖3 沼氣池的單位面積的散熱量

2.3 沼氣池內(nèi)部溫度場分析

以鄭州1月份的溫度為參考，沼氣池的溫度設(shè)為30℃，通過沼氣池壁面處加熱管加熱沼氣池。圖4顯示了沼氣池內(nèi)部縱向截面溫度分布情況。沼氣池內(nèi)部溫度分布很不均勻，從沼氣池壁面向中心溫度逐漸降低。這種加熱的方式達(dá)不到沼氣池發(fā)酵溫度的需要。其主要原因是沼氣池的體積較大，熱量由側(cè)壁傳到中心過程中，上下表面會將熱量傳到土壤里，從而逐漸形成了圖中溫度梯度。

圖4 沼氣池內(nèi)部剖面溫度場的分布

圖5顯示了在不同月份、沼氣池內(nèi)發(fā)酵溫度不同時，沼氣池的水平方向的溫度分布情況和沼氣池豎直方向的溫度分布情況。不同月份、不同發(fā)酵溫度條件下，沼氣池中心的豎直方向溫度出現(xiàn)溫差很大，主要原因是中心區(qū)域距離加熱管較遠(yuǎn)，熱量很難傳到中心區(qū)域且池內(nèi)的熱量通過上下表面?zhèn)鞯酵寥乐?，所以溫度自上而下先增加后減小的趨勢。而沿半徑方向溫度場的分布顯示，中心區(qū)域的溫度較低，加熱管很難加熱到中心區(qū)域，導(dǎo)致池內(nèi)溫度場分布不均勻。通過對沼氣池內(nèi)溫度場的分析得到：沼氣池?zé)o攪拌時，沼氣池內(nèi)部的溫度場分布不均勻，沒有達(dá)到設(shè)定的溫度值。因此，有必要對沼氣池內(nèi)的料液進(jìn)行攪拌處理。

圖5 沼氣池內(nèi)部溫度場分布

3 結(jié)論

（1）沼氣池的池壁分別采用混凝土和發(fā)泡水泥作為保溫結(jié)構(gòu)且保溫層的厚度相同時，混凝土沼氣池的散熱量約為發(fā)泡水泥沼氣池的4.66倍。因此，選用導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料發(fā)泡水泥建造沼氣池更加適宜。

（2）不同厚度的保溫層對沼氣池的散熱量的影響不同。通過模擬研究得到，保溫層的厚度對沼氣池的散熱量的影響不大。但保溫層厚度的選擇應(yīng)綜合考慮其保溫效果及材料的費(fèi)用來實現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。

（3）通過對不同的發(fā)酵溫度的模擬，得到沼氣池內(nèi)部溫度場分布不均勻，池內(nèi)有些區(qū)域的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)定的溫度值。因此有必要對沼氣池進(jìn)行攪拌處理，進(jìn)而有利于沼氣的產(chǎn)生。

[1] 張全國.沼氣技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 郭甲生，秦朝葵，戴萬能.變化氣候條件下沼氣池散熱動態(tài)仿真[J].中國沼氣，2010，28（3）：8-10，40.

[3] 高德廣.一種發(fā)泡水泥及其用該水泥建造沼氣池的方法[P].中國專利：200710072143，2007-09-26.

[4] 王瑞金，張 凱，王 剛.luent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[5] 付秀琴，陳子愛，鄧良偉.規(guī)?；i場糞污處理沼氣池容積確定[J].中國沼氣，2002，20（2）：24-27.

[6] 陳清明，王連純.現(xiàn)代養(yǎng)豬生產(chǎn)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[7] 尹海文.太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐加熱沼氣池模擬研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.