沼氣池散熱量與內部溫度場的數值模擬研究

張富強，孟祥睿，魏新利

（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

溫度對沼氣池內發酵有著重要的影響[1]，我國的北方地區冬季的溫度較低，由于保溫等因素，影響了甲烷菌的活性，導致了沼氣池的產氣量不足或幾乎不產氣等問題[2]。沼氣池在設計過程中，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泡水泥用于建造沼氣池[3]，該種材料在許多性能上要優于鋼筋混凝土（導熱系數小、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部溫度場的影響進行了研究[4]。針對這些問題，筆者以鄭州地區的氣象條件為參數，結合當地的可再生能源加熱沼氣池，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部溫度場的數值進行了模擬，旨在為沼氣池節能研究提供依據。

1 物理數學模型

1.1 物理模型

筆者以一個年出欄數2 000頭的養豬場為例，按照規模化養豬場各豬群的比例[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。結合實際情況進行簡化模型（圖1），將發泡水泥的厚度分別取為250、300、350、400mm，鋼筋混凝土外壁為250mm，進行模擬計算。

圖1 沼氣池簡化后模型

1.2 數學模型

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

數學模型的傳熱公式：

式中：λ為發泡水泥、混凝土、料液與土壤的導熱系數；ρ為發泡水泥、混凝土、料液與土壤的密度；CP為發泡水泥、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，為了方便研究，以鄭州地區1月份的溫度為參考，沼氣池的溫度設定為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，考慮到實際發酵過程，分析沼氣池內部溫度場時，發酵溫度分別取 30、40、50℃。

表1 土壤、混凝土、發泡水泥的物性參數

表2 鄭州地區的氣象參數 （℃）

2 結果與分析

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。保溫層為混凝土時，與發泡水泥相比，前者內部的大量熱量傳到土壤中，導致周圍土壤的溫度升高。由此可見，混凝土的導熱系數比發泡水泥的導熱系數大，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，沼氣池內部的熱量損失大，池內溫度不能滿足發酵溫度，也會嚴重影響沼氣的產量。當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發泡水泥建造的沼氣池散熱量分別為680.6、1 167.0、1 653.4W，發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，應該使用滿足結構強度且導熱系數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1月份的溫度為參考，沼氣池的溫度設定為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，沼氣池發酵溫度相同時，保溫層為發泡水泥的沼氣池隨著發泡水泥厚度的增加，單位面積的散熱量也逐漸下降。考慮沼氣池溫度和經濟的因素，同時結合相關的參考文獻[7]，沼氣池保溫層發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顯示了沼氣池內部縱向截面溫度分布情況。沼氣池內部溫度分布很不均勻，從沼氣池壁面向中心溫度逐漸降低。這種加熱的方式達不到沼氣池發酵溫度的需要。其主要原因是沼氣池的體積較大，熱量由側壁傳到中心過程中，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 沼氣池內部剖面溫度場的分布

圖5顯示了在不同月份、沼氣池內發酵溫度不同時，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、不同發酵溫度條件下，沼氣池中心的豎直方向溫度出現溫差很大，主要原因是中心區域距離加熱管較遠，熱量很難傳到中心區域且池內的熱量通過上下表面傳到土壤中，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，中心區域的溫度較低，加熱管很難加熱到中心區域，導致池內溫度場分布不均勻。通過對沼氣池內溫度場的分析得到：沼氣池無攪拌時，沼氣池內部的溫度場分布不均勻，沒有達到設定的溫度值。因此，有必要對沼氣池內的料液進行攪拌處理。

圖5 沼氣池內部溫度場分布

3 結論

（1）沼氣池的池壁分別采用混凝土和發泡水泥作為保溫結構且保溫層的厚度相同時，混凝土沼氣池的散熱量約為發泡水泥沼氣池的4.66倍。因此，選用導熱系數小的保溫材料發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綜合考慮其保溫效果及材料的費用來實現最優經濟性。

（3）通過對不同的發酵溫度的模擬，得到沼氣池內部溫度場分布不均勻，池內有些區域的溫度遠遠沒有達到設定的溫度值。因此有必要對沼氣池進行攪拌處理，進而有利于沼氣的產生。

[1] 張全國.沼氣技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，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仿真[J].中國沼氣，2010，28（3）：8-10，40.

[3] 高德廣.一種發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技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5] 付秀琴，陳子愛，鄧良偉.規模化豬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.現代養豬生產[M].北京：中國農業大學出版社，1997.

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