一种太阳能热管沼气罐增温一体化装置及方法

本发明涉及沼气技术领域，具体涉及一种太阳能热管沼气罐增温一体化装置及方法。

背景技术：

厌氧消化技术是最重要的沼气利用技术之一，它使固体有机物变为溶解性有机物，再将蕴藏在废弃物中的能量转化为沼气用来燃烧或发电，以实现资源和能源的回收。厌氧消化极大地改善了有机废弃物处理过程的能量平衡，在经济上和环境上均有较大优势。

温度是影响厌氧消化效率的主要因素，温度适宜才能保证厌氧细菌发育正常，有机物分解完全，产气量高。文献表明厌氧消化适宜的中温消化温度范围为30～35℃。我国北方高寒地区冬季室外温度较低，为提高厌氧消化效率，沼气罐罐体需设置增温及保温设施。

与传统利用太阳能集热器增温的太阳能-沼气系统相比，利用太阳能热管集热器中工质与沼气罐内料液直接换热具有传热效率高的优势。本发明主要涉及利用太阳能热管集热器对沼气罐进行增温，通过对现有的太阳能-沼气系统进行检索后发现：“太阳能集热沼气系统”(专利号：201921413188.7)公开了一种利用太阳能集热板吸收太阳能转换为热能，将热量储存于流道的工质，通过工质为沼气罐提供热能的方法。该发明的太阳能集热沼气系统热量的传递需要通过流道进行一次输运，造成能量损失，能源利用率低。“太阳能集热配合沼气热风炉补温寒地恒温沼气生产系统”(专利号：201520630006.7)公开了一种在高寒地区利用太阳能集热和沼气热风炉燃烧沼气产生热能，从而实现沼气池恒温的沼气生产系统。该发明的太阳能集热系统和沼气热风炉系统与沼气池分别布置，集成化程度低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能热管沼气罐增温一体化装置及方法，利用太阳能热管集热器中工质与沼气罐内部料液直接换热达到增温增效目的，以解决现有技术装置运行费用高，能源利用率低，集成化程度低等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种太阳能热管沼气罐增温一体化装置，包括热管式真空管太阳能集热器1和沼气罐罐体2，所述沼气罐罐体2内部放置有料液8，所述热管式真空管太阳能集热器1竖直设置于沼气罐罐体2外壁向阳侧，用于接受太阳辐射，将太阳能转换为热能，热管式真空管太阳能集热器1中包括热管5，通过热管5中的工质将热能传递至罐体2内部与料液8换热。

所述热管5设置有多根，各热管5竖直且平行设置，每根热管5都通过平行四边形形状的工质流通管与沼气罐体2内部相连。

所述热管5包括热管冷凝段6和热管蒸发段7两部分，热管蒸发段7的工质吸收热量后汽化成蒸汽，携带热量上升；工质流经沼气罐罐体2内部与料液8换热，流入热管冷凝段6，热管冷凝段6的蒸汽工质放出热量后冷凝成液体，流回热管蒸发段7，工质依此过程在流道管内不断重复循环。

所述沼气罐罐体2是圆柱体结构，外侧设置有保温层。

所述热管式真空管太阳集热器1包括内层的金属吸热板4和外层的玻璃管3，所述金属吸热板4表面沉积有光谱选择性吸收涂层，玻璃管3与金属吸热板4之间为真空夹层。

所述玻璃管3两侧通过金属封盖9封接。

所述太阳能热管沼气罐增温一体化装置中的热管式真空管太阳集热器1采用两端开口的形式，即贯通结构。

一种太阳能热管沼气罐增温一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

白天设置于沼气罐罐体2向阳侧壁面的热管式真空管太阳集热器1接收太阳辐射，热管式真空管太阳集热器1吸收部分太阳辐射将太阳能转化为热能，热能通过金属吸热板4传至内置热管5，将热管蒸发段7内的工质加热汽化，汽化工质沿流道管进入沼气罐罐体2内部与料液8换热，蒸汽工质放出热量后冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发段7，接受集热管的热量后，再次上升汽化，与料液8换热后再次冷凝回流，循环往复工作，热管式真空管太阳集热器1通过热管5内工质的汽-液相变循环过程，连续不断的吸收太阳辐射能为系统提供热能。

本发明的有益效果：

1、能量利用率高：热管式真空管太阳集热器1接受太阳辐射，将太阳能转换为热能，通过工质的汽-液相变循环过程直接加热沼气罐内部料液8。太阳能转换为热能再得以利用的过程，减少了能量损失，提高了能量利用率。

2、产气率增加：热管5内工质循环往复流动，连续不断的吸收外部太阳辐射能为沼气罐内部提供热能。料液8吸收热量温度上升，且罐体2具有一定的保温性能，确保了沼气罐内厌氧细菌良好的活性，从而保持较高的产气率。

3、运行成本低：与传统商品能源(电、燃煤、燃气)增温系统相比，以太阳能作为系统的能源具有资源丰富、免费使用、用之不竭的特点，因此利用太阳能集热器将太阳能转换为热能加热沼气罐运行费用较低。

4、节约空间：相比于集热系统和沼气系统分别布置的分体式系统，太阳能热管沼气罐增温一体化装置中的太阳能热管集热器直接设置于沼气罐外表面，且集热管与沼气罐内连通，因此太阳能热管集热器与沼气罐集成为一整体，节省了空间。

附图说明

图1为本发明的太阳能热管沼气罐增温一体化装置剖面图。

图2为本发明的太阳能热管沼气罐增温一体化装置俯视图。

图3为本发明的热管式真空管结构示意图。

图4为本发明的太阳能热管沼气罐增温一体化装置能量流动原理图。

图中各标号表示为：1-热管式真空管太阳集热器、2-罐体、3-玻璃管、4-金属吸热板、5-热管、6-热管冷凝段、7-热管蒸发段、8-料液、9-金属封盖、10-弹簧支架。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

参见附图1-附图3，详细说明太阳能热管沼气罐增温一体化装置结构。太阳能热管沼气罐增温一体化装置集成化程度高，工质流通管连接沼气罐外部集热器热管与沼气罐体1内部，使整个装置成为一整体。参见附图2，热管式真空管太阳能集热器1设置于沼气罐体2外壁面向阳侧，由若干根热管5组成，热管5之间竖直且平行设置。每根热管5都通过平行四边形形状的工质流通管与沼气罐体2内部相连，如附图1所示。

参见附图4，详细说明太阳能热管沼气罐增温一体化装置能量流动原理及传热过程。设置于沼气罐向阳侧的热管式真空管太阳集热器1接受太阳辐射，将太阳能转化为热能，金属吸热体4吸收热能传至热管5，热管5底部热管蒸发段7的液态工质吸收热量汽化为蒸汽状态，热能以蒸发潜热的形式储存在工质中随之循环。蒸汽工质沿流动管从沼气罐外部沿一定坡度流入沼气罐内，与温度较低的料液8接触进行换热，蒸汽工质遇冷在流道管内表面凝结释放出蒸发潜热，料液8吸收热量温度上升。凝结后的液态工质依靠自身重力流回到热管蒸发段7。热管5内工质作为传热媒介循环往复流动，连续不断的吸收外部太阳辐射能为沼气罐内部提供热能。

如图1-图4所示：

热管式真空管太阳集热器1的核心部件是真空管，它主要由内层的金属吸热板4和外层的玻璃管3组成。热管式真空管太阳集热器1并没有吸收全部的太阳光，金属吸热板4表面沉积有光谱选择性吸收涂层，选择性吸收特定波长范围的光线将太阳能转化为热能。玻璃管3与金属吸热板4之间为真空夹层，有效抑制真空管内空气热传导和对流换热损失。光谱选择性吸收涂层在太阳光谱内具有高的吸收率，在热辐射波长范围内具有低的发射率，因此降低了金属吸热板4的辐射热损失。热管式真空管太阳集热器1在真空管集热器的基础上采用了热管技术，具有耐冰冻、启动快、保温性能好、耐热冲击性能好的优点。

与普通的太阳能真空管采用的单端开口形式相比，太阳能热管沼气罐增温一体化装置中的热管式真空管太阳集热器1采用两端开口的形式，即贯通结构。单端开口形式真空管中汽态工质与液态工质在同一端进出，不能进行有效的工质循环，影响集热管热效率。而采用贯通结构的真空管中汽态工质上升、液态工质下降的单向工质循环过程符合流体动力学，有效地改善工质循环动力，提高装置的热效率。

采用金属吸热板4是热管式真空管太阳集热器1的另一个特点。由于金属和玻璃的热膨胀系数相差较大，因此采用热压封技术，实现玻璃与金属之间气密封接。热压封也称为固态封接，属于玻璃-金属封接技术，它是利用一种塑性较好的金属作为焊料，在加热加压的条件下将金属封盖9和玻璃管3封接在一起，具有封接温度低、封接速度快、封接材料匹配要求低的优点。

热管5与沼气罐罐体2内部相连的工质流道管为平行四边形形状。热管冷凝段6为流道管的上半段部分，热管5吸收热能使工质汽化从集热器顶部流出，汽化工质沿一定坡度上升进入罐体2内部，流道管转为与外部集热管平行的下降管，蒸汽工质与料液8换热放出热量冷凝成液体，在重力作用下沿一定坡度由罐体2内部流至外部集热器热管5底部，完成一次工质在平行四边形形状流道管的循环。

外部太阳能转换为热能加热罐体2内部料液8的过程基于热管5内工质的汽-液相变循环。热管冷凝段6的工质由热管5顶部流出进入沼气罐内部，与温度较低的料液8换热，蒸汽工质遇冷在流道管内表面凝结释放出蒸发潜热，料液8吸收热量温度上升，确保了厌氧细菌良好的活性，从而保持较高的产气率。凝结后的液态工质依靠自身重力流回到热管蒸发段7。工质循环往复流动，连续不断的吸收外部太阳辐射能为沼气罐内部提供热能。

实施例：

假设太阳能热管沼气罐增温一体化装置中设置于沼气罐向阳侧的热管式真空管集热器设多根热管，竖直放置。集热器接受太阳辐射，吸收部分太阳能转换为热能，热能通过工质传递至沼气罐内部料液，使料液温度升高，达到提高产气率的目的。

集热器能量守恒：

s＝q+r(1)

式中：

s为照射于集热器的总太阳能，mj；

q为集热器吸热量，mj；

r为集热器反射的太阳能，mj。

总太阳辐射照度：

式中：

g为总太阳辐射照度，w/m²；

hd为当地年平均日辐照量，mj/(m²·d)；

sd为当地12月的月平均每日的日照小时数，h。

照射于集热器的总太阳能:

s＝fhd×10³(3)

式中：

f为总集热面积，m²。

集热器吸热量：

q＝ηcds(4)

式中：

ηcd为集热器平均集热效率，％。

料液初始温度与加热后温度的温差：

式中：

△t为料液初始温度与加热后温度的温差，k；

c为料液比热容，kj/(kg·k)；

m为料液质量，kg。

根据以上公式，在已知气象参数、沼气罐尺寸、料液物性参数以及集热器技术参数的情况下，可计算得到在冬季太阳能热管沼气罐增温一体化装置稳定运行一天后沼气罐内料液初始温度与加热后温度的温差，从而体现太阳能热管沼气罐增温一体化装置的增温效果。

假设在大同设置一太阳能热管沼气罐增温一体化装置，冬季室外计算温度为-8.9℃；年平均日辐照量hd为17.346mj/(m²·d)；当地12月的月平均每日的日照小时数sd为5.6h。

假设沼气罐为高1.8m，直径1.5m的圆柱体结构。沼气罐内料液量为70％，料液初始温度为15℃，密度为1.0×10³kg/m³，比热容c为4.2kj/(kg·k)。

假设选用规格为φ65×1800mm的热管式真空管集热器集热器，设置28根热管，单根集热管集热面积为0.167m²，总集热面积f为4.676m²，平均集热效率ηcd为60％。

将上述数值代入式(2)(3)(4)计算得到总太阳辐射照度g为914.0w/m²；照射于集热器的总太阳能s为81.1mj；集热器吸热量q为48.7mj。

计算得到料液体积为2.2m³，从而得到料液质量m为2.2×10³kg；料液比热容c取4.2kj/(kg·k)。

最后，假设集热器吸收的热量全部用于加热沼气罐内料液，且沼气罐保温性能良好可忽略罐体散热损失，将上述数值代入式(5)计算得到料液初始温度与加热后温度的温差△t为5.3℃，即将料液加热至20.3℃。得到结论：在冬季光伏沼气罐一体化增温装置稳定运行一天后沼气罐内发酵料液的温度增加了5.3℃。总体而言，本装置具有一定的增温效果。