PDF《寒冷地区能量自给型沼-电-热泵系统模式探索》

2 所示. 沼渣沼液补水热泵地埋管热泵供热水循环 沼气 池 大棚 畜舍

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35 热泵水泵 大棚 畜舍 禽舍 E C 内燃 机 发电机 二级加热器 回热器沼液进料调配池 蓄热池 Figure 2. system skeleton of secondary heating by heat pump 图2. 热泵热水二次加热进料沼气系统原理图 MEHP 模式的沼气系统运行消耗的能量全部由系 统自身提供, 包括池体散热的补充、 进料补水的加热、 循环水泵的电耗、热泵机组的电耗、搅拌电耗等.整 个系统无需消耗额外收费能源,即可实现自身的正常 运转,同时保证沼气能源的稳定高效产出,并实现大 面积蔬菜大棚或畜舍禽舍的采暖越冬.

5 MEHP 系统模式运行特性 (1)沼液回热器 回收出料沼液废热来加热进料补水,是能量自给 型沼气工艺的基本措施.沼液回热器的正确设计是能 量自给型沼气系统成败的关键.但是沼液不是一种常 见的流动换热工质,通过管式流变仪和平板流变仪试 验研究发现沼液具有幂律性非牛顿流变特性: n du K dy ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2) 式中:? 为流体内摩擦力,Pa;

K 为稠度系数, Nsn /m2 ;

n 为流动指数.?? 为剪应变速度,1/s;

? 为 表观粘度函数,Pa?s.不同发酵物产生的不同浓度沼 液的稠度系数和流动指数不同,但稠度系数普遍约为 0.003 左右,流动指数普遍小于 1,即表现为剪切稀化 特性. 沼液回热器是一个非稳态换热器,因为换热流体 不是循环流动,出料和进料都是在较短的时间内完成 的,于是沼液流经换热器的时间与换热运行总时间相 当, 而废热回收又必须在这一较短时间内完成. 因此, 换热器初始阶段的非稳态换热特性就对整个废热回收 过程起着重要的作用. (2)烟气回热器 沼气的主要成分为甲烷(CH4)50%~70%,二氧 化碳 (CO2) 30%~40%, 此外还含有少量的一氧化碳、 氢、硫化氢、氧和氮等气体,其它如灰分、含硫量和 含氮量均很低,燃烧所产生烟气中粉尘含量极少,硫 和氮的氧化物也较少,主要是 CO2 和H2O. 沼气发电的烟气中含有 70%~80%的余热, 这部分 热量必须加以回收利用,才能实现热能利用总量最大 化.烟气/水换热器或烟气散热器是烟气热能回收的主 要措施,合理正确地设计烟气换热器必须对烟气的成 分和对流换热特性进行深入研究.通过相似理论和正 交实验研究发现烟气/水回热器的无量纲传热准则关 联式具有以下形式: Nu Re Pr i k n m s l C d d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3) 式中: Nu 为奴谢尔特(Nusselt)数;

Re 为雷 诺(Reynolds)数;

Pr 为普朗特(Prandtl)数;

d 为 换热管径,mm;

s 为肋片间距,mm;

l 为肋片高度, mm;

C 、 n 、 m 、 i 、 k 为实验数据整理得到的常 数. 其中烟气温度、流速、肋片间距和高度是影响烟 气回热器传热效果的最主要因素. (3)微过热运行 在进、出料热能回收和能量平衡的条件下,沼气 池体热损失主要是池体结构散热,而这一散热量是很 小的, 再考虑发酵反应热, 通过非稳态传热计算发现, 在没有加热措施的条件下池体全天总体降温幅度不超 过1℃. 因此只要将进料温度稍微提高 1℃就能满足池体 长时间的散热而保证池内温度不低于最佳发酵温度, 这一运行模式称之为微过热运行.采用微过热进料运 行模式避免了在池体内布置加热盘管. (4)MEHP 模式的效益评估 MEHP 模式采用两级换热器来加热进料,并保证 反应池维持在高效反应温度区间内.一级换热器保证 了出料废热的充分利用,是能量自给的根本;