一种高寒地区太阳能强化储热传热制肥反应器

1.本发明涉及旱厕反应器储热及cfd数值计算技术领域，特别是涉及一种使高寒地区旱厕制肥反应器有效运行的装置。


背景技术：

2.根据2019年中国统计年鉴数据，2018年中国城镇人口总数为83137万人，占全国总人口数比重为59.58%，乡村人口总数为56401万人，占全国总人口数比重为40.42%。在总的城乡人口中，乡村人口基数仍然较大，厕所作为乡村的基础设施建设之一仍是重点，应不断完善基础设施建设，满足群众基本需求。
3.目前对于乡村地区而言，旱厕仍是主要厕所建设类型，地区性经济发展不平衡的限制，使得乡村地区基础设施建设完善度较低，如与城市污水连接的排水系统，在乡村地区的覆盖率仍是呈现较低水平，这也就限制了水厕在乡村地区的应用发展。而从经济、资源、人文等方面综合考虑，旱厕是较为合适的选择。且基于近年来的诸多研究成果，旱厕的使用是能带来一定程度的经济效益，如干旱地区可实现节水目标，同时发酵产生的沼气可用于居民日常生活使用，剩余的残渣，可用于农业生成的肥料来源，这种传统模式，至今在较多地方仍有保留。但对于高寒地区而言，旱厕的使用将受到低温限制，而这是过往许多研究学者所忽视的，解决该问题，是具有重要意义的。


技术实现要素：

4.为有效地解决旱厕在高寒地区运行时，受低温限制的影响，同时获得高效的制肥率，本发明提出一种高寒地区太阳能强化储热传热制肥反应器，通过在旱厕反应器底部，建设储热床层结构，提出使用相变材料作为储热介质，将白天收集的太阳能存储起来，用于旱厕反应器的夜间供热，以保障旱厕反应器在夜间的有效运行。
5.本发明提出了一种高寒地区太阳能强化储热传热制肥反应器，该太阳能制肥反应器包括：太阳能集热器，其于白天收集太阳能，通过水力循环，将热量供给于反应器，实现了低能耗目标；相变储热床层，在夜间，太阳能集热器停止工作时，将白天存储的热量进行释放，达到全天候供热目的。在该设计情况下，反应器在高寒地区，有效地满足了制肥条件，提高了制肥效率。
6.本发明创新点一在于，设计了一种使高寒地区旱厕制肥反应器有效运行的装置——相变储热床层，该相变储热床层包括床层顶部与反应器底部的相接层1、装有相变材料的填充柱2、内嵌于相变储热床层中的加热盘管3，旱厕建筑顶部的太阳能集热器4，其中：所述床层顶部与反应器底部的相接层1为混凝土结构，除该相接层外，其他墙体面添加有隔热层，以减少热量散失；装有相变材料的填充柱2的结构材料为pvc管，内部相变材料为六水氯化钙，其相变温度点相对适合，相变潜热值较大，较为适合作为高寒地区的储热介质；内嵌于相变储热床层中的加热盘管3，其结构材料为pvc管，管径30mm，传热介质为水；旱厕建筑顶部的太阳能集热器4为真空集热管，即热效率相对较高。该装置较好地解决了旱
厕在高寒地区全天候运行的问题。
7.本发明创新点二在于，提出了相变储热床层的传热增强方法，即在相变储热床层中加入高电导介质，提高了相变储热床层整体的传热和储热性能，满足了旱厕反应器的供热需求。
8.与现有建设旱厕类型相比，本发明提出的一种使高寒地区旱厕制肥反应器的装置——相变储热床层，能够很好的解决旱厕反应器在高寒地区的低温限制的问题，并且旱厕反应器供热的主要能源，来源于太阳能，建筑能耗低，能够较好地应用于基础设施完善度低的地区，提升人们的旱厕使用体验，利于旱厕使用的推广，水资源的节约，粪便的资源化转化。
附图说明
9.图1是本发明的旱厕反应器系统示意图;图2是本发明的相变传热储热床层计算模型示意图；图3是不同体积分数下的纳米颗粒掺混位置对供热量的影响；附图标记：1、床层顶部与反应器底部的相接层，2、装有相变材料的填充柱，3、内嵌于相变储热床层中的加热盘管，4、旱厕建筑顶部的太阳能集热器。
具体实施方式
10.下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
11.首先，太阳能集热器，其于白天收集太阳能，通过水力循环，将热量供给于反应器，实现了低能耗目标；相变储热床层，在夜间，太阳能集热器停止工作时，将白天存储的热量进行释放，达到全天候供热目的。
12.其次，通过cfd计算，科学设计了相变储热床层，其吸热过程考虑了加热盘管入口速度和入口温度的影响，通过多工况的计算结果分析，得出入口速度对吸热过程的影响相对较小，而入口温度对吸热过程的影响相对较大，所以，在相变储热床层的初始充热中，应尽量增大太阳能集热器的出口温度，以求减少充热时长；此外，通过模拟计算多工况下的吸、放热动态过程，得出相变储热床层并不能满足粪池反应器的耗热量需求，而这主要是由于相变储热床层整体传热性能低下所导致的。
13.最后，为满足粪池反应器的耗热量需求，提出在相变储热床层中加入高电导介质，对相变储热床层进行增强传热。本发明以氧化铝颗粒为例，将其内嵌于混凝土层，对相变储热床层进行增强传热。由于储热床层的传热阻值来源于相变材料和混凝土填充层两方面，先是对纳米颗粒的掺混位置进行了计算分析，结果表明纳米颗粒掺混于混凝土填充层比掺混于相变材料中，其所产生的增强传热效果要更好，并得出能够满足粪池反应器耗热量的纳米颗粒体积分数为0.4，且纳米颗粒增强传热效果，相比无纳米颗粒掺混的现状，也使得吸热过程的时长减少了45%-50%。


技术特征：
1.一种高寒地区太阳能制肥反应器，其特征在于，该太阳能制肥反应器包括：太阳能集热器，其于白天收集太阳能，通过水力循环，将热量供给于反应器，实现了低能耗目标；强化传热储热相变储热床层，在夜间，太阳能集热器停止工作时，将白天存储的热量进行释放，达到全天候供热目的。2.相变储热床层，其特征在于，该相变储热床层包括：床层顶部与反应器底部的相接层1、装有相变材料的填充柱2、内嵌于相变储热床层中的加热盘管3，旱厕建筑顶部的太阳能集热器4，其中：所述床层顶部与反应器底部的相接层1为混凝土结构，除该相接层外，其他墙体面添加有隔热层，以减少热量散失；装有相变材料的填充柱2的结构材料为pvc管，内部相变材料为六水氯化钙，其相变温度点相对适合，相变潜热值较大，较为适合作为高寒地区的储热介质；内嵌于相变储热床层中的加热盘管3，其结构材料为pvc管，管径30mm，传热介质为水；旱厕建筑顶部的太阳能集热器4为真空集热管，即热效率相对较高。3.相变储热床层的传热增强方法，其特征在于，该方法，考虑在相变储热床层中加入高电导介质，提高了相变储热床层整体的传热和储热性能，满足了旱厕反应器的供热需求。

技术总结
本发明公开了一种高寒地区太阳能强化传热储热制肥反应器，该制肥反应器包括：通过水力循环，太阳能集热器将热量供给反应器相变储热床层，夜间储热床层将白天存储的热量释放，达到全天反应器供热的目的。本发明创新点一，设计了一种保障高寒地区旱厕制肥反应器有效运行的相变储热床层装置，包括床层顶部与反应器底部的相接层1、相变材料填充层2、相变储热床层内嵌的加热盘管3。工作时太阳能集热器4，将循环管道中的水加热，循环泵使水循环，加热底部相变储热床层，解决了制肥反应器在高寒地区运行限制。本发明创新点二，提出了在相变储热床层中加入高热导介质，提高了相变储热床层的传热和储热性能，满足了旱厕反应器的供热需求。求。求。


技术研发人员：尤学一 吴小武
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2020.12.03
技术公布日：2022/6/7