產(chǎn)沼氣厭氧發(fā)酵罐的溫度場(chǎng)分析

林國慶, 時(shí) 黛

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

產(chǎn)沼氣厭氧發(fā)酵罐的溫度場(chǎng)分析

林國慶, 時(shí) 黛

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

沼氣發(fā)酵過程中，產(chǎn)氣量與溫度有較大關(guān)系，確保發(fā)酵罐內(nèi)的適宜溫度是保證原料中的微生物能夠形成穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)種群的必要因素，且有利于提高產(chǎn)氣量，文章通過利用ANSYS軟件對(duì)發(fā)酵罐的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，可得到罐底、罐頂及整體罐體的溫度沿罐壁截面溫度的分布情況，得到罐體和罐頂是整個(gè)發(fā)酵罐熱量損失的主要部分，而罐底由于有保溫措施，熱量損失相對(duì)較少；同時(shí)罐體的進(jìn)料是影響熱量損失的主要原因。

ANSYS； 發(fā)酵罐； 熱量損失； 溫度場(chǎng)分析

沼氣既是清潔能源也是可再生能源的生物質(zhì)能，在很多場(chǎng)合都可應(yīng)用沼氣，比如沼氣發(fā)電、沼氣燃料電池以及民用等，隨著國家對(duì)新能源的重視與相關(guān)政策法規(guī)的出臺(tái)，其應(yīng)用勢(shì)必會(huì)越來越廣泛。而在沼氣實(shí)際發(fā)酵中，溫度是影響發(fā)酵的主要因素之一，特別是在我國的北方寒冷地區(qū)，冬季溫度低，無論是采用地?zé)峁芑蛘咴诎l(fā)酵罐體內(nèi)設(shè)置加熱盤管，保證發(fā)酵原料在運(yùn)行中的溫度都是亟待解決的問題，文章采用ANSYS軟件，對(duì)某厭氧發(fā)酵罐進(jìn)行分析，探討沼氣工程在實(shí)際建設(shè)和運(yùn)行過程中的一些關(guān)鍵參數(shù)，獲得罐體的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，為北方高寒地區(qū)大中型沼氣工程增溫保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。

1 發(fā)酵系統(tǒng)介紹

在整個(gè)厭氧發(fā)酵裝置工藝中，厭氧發(fā)酵罐具有舉足輕重的作用，根據(jù)最初設(shè)計(jì)方案，整套工藝中共有4個(gè)發(fā)酵罐，其中包含3個(gè)產(chǎn)氣罐以及1個(gè)備用罐[1]，其結(jié)構(gòu)尺寸、工作條件等均相同，故只需對(duì)其中1個(gè)罐體進(jìn)行分析，罐體的高度l=20 m，單個(gè)罐體的有效容積為1000 m3，罐頂設(shè)有直徑為0.6 m的頂孔，罐頂與罐體水平夾角為20°，忽略罐體上其他接管與內(nèi)構(gòu)件對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響；罐底部分半徑為5 m且埋入地下2 m深的土壤中，由鋼筋混凝土和普通紅磚組成，并采取相應(yīng)的保溫措施，以減少熱量的損失；發(fā)酵罐罐體及罐頂材料由里至外的材料依次是搪瓷鋼板、橡塑棉、苯板、橡塑棉和彩鋼板，材料的具體參數(shù)見表1所示。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及文獻(xiàn)中記載，無論是采用干法發(fā)酵技術(shù)還是采用濕法發(fā)酵技術(shù)，溫度為中溫發(fā)酵[3]時(shí)微生物可以達(dá)到較理想的生長環(huán)境，即溫度控制在30℃～45℃之間時(shí)，有利于微生物穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)種群的形成，并能提供一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的生長代謝環(huán)境，有利于提高沼氣的產(chǎn)量[4]，因此，保持發(fā)酵罐內(nèi)的物料溫度維持在該區(qū)間范圍內(nèi)對(duì)發(fā)酵的質(zhì)量都是至關(guān)重要的，筆者在模擬時(shí)取物料溫度為t1=35℃，罐體外溫度為t6=-12.4℃，其它單位均采用國際單位制。

表1 發(fā)酵罐所用材料[2]參數(shù)表

2 溫度場(chǎng)分析

2.1 問題分析及建模

由于發(fā)酵罐的形狀、幾何特點(diǎn)、受載情況及邊界條件等均是軸對(duì)稱分布的，因此該問題可以按軸對(duì)稱問題進(jìn)行求解，為便于計(jì)算取罐體的二維平面結(jié)構(gòu)，建立相應(yīng)的幾何模型進(jìn)行分析求解。在分析時(shí)采用了二維實(shí)體四節(jié)點(diǎn)四邊形平面熱分析PLANE55單元[5]，假設(shè)罐體在冬季最低平均氣溫下工作，周圍空氣的對(duì)流系數(shù)為12.5 W·m-2℃-1，將所有已知條件輸入到ANSYS中，建立有限元模型，施加相應(yīng)載荷即可對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析[6]。

2.2 有限元熱分析結(jié)果

經(jīng)過有限元熱分析后，得到發(fā)酵罐體的整體溫度分布情況，從圖1中可以明顯的看出，由于不同材料的熱交換系數(shù)是不一樣的，因此整個(gè)發(fā)酵罐的溫度也隨著不同位置的變化而變化，溫度數(shù)值與半徑之間呈反比關(guān)系，最高溫度為35.0221℃，分布在整個(gè)罐體的內(nèi)表面和罐底的內(nèi)側(cè)，也就是和物料進(jìn)行直接接觸的部位；最低溫度為-12.299℃，分布在整個(gè)罐體外部，但由于受熱傳導(dǎo)的作用，罐體外表面溫度要略高于周圍的空氣溫度。具體溫度分布情況如圖1所示。

圖1 罐體整體溫度分布圖

利用ANSYS 定義路徑功能，分別定義罐體、罐頂、罐底的溫度沿徑向、軸向變化情況，最終溫度分布變化曲線和分布云圖如圖2～圖7所示，3部分結(jié)構(gòu)的溫度擴(kuò)散[7]程度是不相同的，從圖2和圖3中可看出罐體的溫度變化隨著半徑的增加而減少，幾乎呈線性變化，在內(nèi)壁處溫度最高，由內(nèi)向外溫度逐漸降低，大約在厚度3/4處是溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，溫度從零上降至零下，最后降至外壁處溫度為-12.1315℃，與環(huán)境溫度接近，是所選擇路徑中外壁溫度最低的，可見該罐體的溫度在沿徑向的變化是很大的，在設(shè)計(jì)建造時(shí)應(yīng)引起重視并適當(dāng)采取相應(yīng)保溫措施。

圖2 罐體沿徑向路徑溫度分布變化曲線

圖3 罐體沿徑向路徑溫度分布云圖

由于罐頂空間流動(dòng)的是發(fā)酵后的氣體產(chǎn)物，而且罐頂是錐形結(jié)構(gòu)，氣體與液體的傳熱系數(shù)不同，加之在發(fā)酵罐頂內(nèi)部空間沒有相應(yīng)的保溫措施，所以其頂部溫度要略低于罐體內(nèi)溫度，從圖4～圖7可看出，罐頂內(nèi)壁溫度為25℃，而經(jīng)過氣體及罐頂材料的熱量損失之后，到達(dá)外壁處時(shí)溫度降至在-11.9586℃；同時(shí)罐頂溫度沿徑向與軸向分布不同，罐頂溫度沿徑向變化的速度要比軸向變化的小，沿軸向分布的溫度大約在罐頂壁厚的一半位置處溫度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，而沿徑向分布的溫度在大于罐頂壁厚的一半才出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，即從零上降至零下，同時(shí)前者溫度變化基本滿足線性變化關(guān)系，后者溫度變化呈現(xiàn)出凹曲線形式，二者的曲線斜率不同。

圖4 罐頂沿徑向路徑溫度分布變化曲線

圖5 罐頂沿徑向路徑溫度分布云圖

圖6 罐頂沿軸向路徑溫度分布變化曲線

圖7 罐頂沿軸向路徑溫度分布云圖

從圖8和圖9可知底部溫度沿軸向變化相對(duì)較小，溫度在距離土層約1/5罐底厚度位置處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，溫度由原來的零上降至零下，其變化速度均小于罐體和罐頂溫度的變化，主要是由于在罐底部鋼筋混凝土與基礎(chǔ)之間有保溫措施，且罐底埋在地下，很好地抑制了熱量的損失。經(jīng)圖1～圖9綜合分析可知，罐體和罐頂是整個(gè)發(fā)酵罐熱量損失的主要部分。

圖8 罐底沿軸向路徑溫度分布變化曲線

圖9 罐底沿軸向路徑溫度分布云圖

2.3 獲取各接觸面節(jié)點(diǎn)溫度

2.3.1 利用ANSYS軟件獲取節(jié)點(diǎn)溫度

以上述計(jì)算內(nèi)容為基礎(chǔ)，在模型材料的各接觸面上分別任取一節(jié)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)(各接觸面之間分別取一點(diǎn)以及在罐體內(nèi)外表面各取一點(diǎn))分別獲取所選節(jié)點(diǎn)的溫度[8](由于罐體在整個(gè)熱量損失中占有很大比例，所以在取節(jié)點(diǎn)時(shí)以罐體為例)，從罐體的內(nèi)表面至外部的各接觸面之間的溫度如圖10所示：

圖10 罐壁由內(nèi)向外各接觸面上溫度分布情況

2.3.2 理論公式計(jì)算獲取節(jié)點(diǎn)溫度

在化工生產(chǎn)中，通過多層壁的導(dǎo)熱過程也是很常見的，對(duì)于定態(tài)一維熱傳導(dǎo)，熱量在平壁內(nèi)沒有積累，因而數(shù)量相等的熱量依次通過各層平壁[9]，假定各相鄰壁面緊密接觸，接觸兩側(cè)溫度相同，各層熱導(dǎo)率皆為常量，則有：

(1)

或

(2)

公式(2)中：

(3)

式中：l為罐體高度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

替對(duì)數(shù)平均值，而由此導(dǎo)致的誤差為<4%，作為工程設(shè)計(jì)計(jì)算，可?。?/p>

通過上式可以看出，對(duì)于多層壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)，其傳熱推動(dòng)力和熱阻可以按照代數(shù)和疊加的，即總推動(dòng)力等于各層推動(dòng)力之和，總熱阻亦等于各熱阻之和[10]。

根據(jù)公式(2)可算得單位面積的熱量損失為：

這樣就可以得出罐體材料兩兩接觸面之間的溫度：

同理可求得:t4=-6.0589℃；t5=-12.348℃。

2.3.3 對(duì)兩種方法獲取的節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行對(duì)比

通過表2可知，理論計(jì)算所獲得的節(jié)點(diǎn)溫度相對(duì)有限元軟件獲得的節(jié)點(diǎn)溫度偏于保守，雖然ANSYS軟件在模擬溫度場(chǎng)分布時(shí)假定了，通過計(jì)算可知，最大誤差出現(xiàn)在第3層即苯板與橡塑棉之間的誤差，誤差最大值為7.39%，因?yàn)樵谡託夤こ讨?，通常中溫發(fā)酵的溫度在30℃～45℃之間，所以該誤差不會(huì)造成太大的影響。

2.4 罐內(nèi)加溫時(shí)物料的溫度場(chǎng)分析

由于該發(fā)酵罐是中溫發(fā)酵，為了維持罐內(nèi)物料的溫度保持恒定，需要在罐中設(shè)置加溫裝置，同時(shí)為了使罐體當(dāng)中不同高度的物料溫度盡量保持一致，所以在加溫的同時(shí)需要對(duì)物料進(jìn)行攪拌，假設(shè)攪拌裝置以同一轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)[11]，忽略轉(zhuǎn)速不均勻影響。通常在沼氣發(fā)酵工程中，用來對(duì)發(fā)酵罐加溫的方式主要有內(nèi)盤管加溫、地源熱泵加溫、太陽能加溫、沼氣發(fā)電余熱加溫等，筆者通過發(fā)酵罐采用內(nèi)盤管加溫[12]方式來保證物料發(fā)酵溫度始終處于中溫發(fā)酵溫度范圍，在測(cè)量此種加溫方式下罐體內(nèi)物料的溫度時(shí)采用設(shè)置溫度探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將罐體距離地面每隔5米劃分1層，共計(jì)3層(5 m,10 m,15 m)，每層同一圓周每隔120°設(shè)置溫度探頭采集溫度，同一層共有7個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)在罐體的位置取法示意圖如圖11所示，每兩小時(shí)測(cè)試1次，記錄同一測(cè)試點(diǎn)24小時(shí)的溫度。各層溫度測(cè)試點(diǎn)采集數(shù)據(jù)記錄如表3～表5所示。

表2 各接觸面節(jié)點(diǎn)溫度對(duì)比

由表3～表5可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于發(fā)酵罐所選的處于不同位置的3個(gè)層面的溫度測(cè)試點(diǎn)所體現(xiàn)出的溫度分布不同，對(duì)于上中下3個(gè)層面所選的21個(gè)測(cè)試點(diǎn)，上層、中層和下層的同點(diǎn)偏差最大值分別是0.5℃,0.8℃和1.3℃，說明物料在攪拌裝置的作用下，對(duì)于同一點(diǎn)始終有不同溫度的物料混合，導(dǎo)致同一點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)不同的溫度；而上層、中層和下層的同層偏差逐漸增加，從0.8℃逐漸增加至2.1℃，這由不同位置的物料熱量的擴(kuò)散速率不同所致，上層偏差最小，說明擴(kuò)散速率在同一層面基本相同，熱量損失最少，相反下層散熱損失是最多的。而在1,8,15這3個(gè)測(cè)試點(diǎn)(位于罐體中心區(qū)域)與同層的其他測(cè)試點(diǎn)相比，平均溫度略低，主要原因是由于中心部位距離加溫盤管較遠(yuǎn)導(dǎo)致熱量不能均勻地分布到中心區(qū)域[13]。

圖11 測(cè)試點(diǎn)在罐體中分布示意圖

表3 內(nèi)盤管加溫在下層層面溫度測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù) (mm)

表4 內(nèi)盤管加溫在中層層面溫度測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù) (mm)

表5 內(nèi)盤管加溫在上層層面溫度測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù) (mm)

圖12 上中下3層測(cè)試點(diǎn)平均溫度變化曲線

從圖12中可以看出(每層7個(gè)測(cè)試點(diǎn)，為方便在曲線圖上對(duì)比，假設(shè)3層測(cè)試點(diǎn)編號(hào)均為1～7)，上層的平均溫度要高于中層和下層的，而且上層和中層的平均溫度差異相對(duì)較小，而下層與中層的平均溫度相差較大，這是由于物料在進(jìn)入罐體時(shí)是自下而上自動(dòng)升高的，大量與外界環(huán)境溫度相近的物料進(jìn)入發(fā)酵罐，使罐內(nèi)溫度有了明顯的降低，而且罐體當(dāng)中的加溫盤管也是從下向上布置，導(dǎo)致下部積累的熱量低于上部的熱量。因此可以得出，進(jìn)料是影響整個(gè)罐體熱量損失的主要原因[14]，進(jìn)料以后溫度又會(huì)上升逐漸趨于新的穩(wěn)定點(diǎn)。

3 結(jié)論

(1)利用有限元軟件ANSYS對(duì)沼氣工程中的厭氧發(fā)酵罐進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得了溫度在各層接觸面之間的分布，最高溫度為35.0221℃，沿著罐體內(nèi)壁和罐底均勻分布；最低溫度為-12.299℃，在發(fā)酵罐的外側(cè)均勻分布。

(2)在穩(wěn)態(tài)熱分析的基礎(chǔ)上，獲得罐體、罐頂沿徑向及罐頂、罐底沿軸向的溫度變化曲線，得到溫度在相應(yīng)方向的變化情況，通過分析得出結(jié)論，罐體和罐頂是整個(gè)發(fā)酵罐能量損失的主要部分。在各接觸面間選取節(jié)點(diǎn)，定義路徑，獲得了各接觸面間的溫度值；該值與化工上常用的熱傳導(dǎo)理論計(jì)算公式進(jìn)行比較，得出相應(yīng)的計(jì)算誤差，通過計(jì)算可知，最大的是橡塑棉與苯板之間的誤差，誤差值為7.39%，而此誤差在沼氣工程中并不會(huì)造成嚴(yán)重的影響。

(3)通過對(duì)罐中物料的分層處理進(jìn)行溫度分析得出，處于同層的物料溫度雖有偏差，但波動(dòng)不大；在罐體中，不同高度的物料其溫度分布是不同的，溫度自下而上逐漸升高，處于進(jìn)料位置附件的底部是溫度最低的部位，從而得出進(jìn)料是影響罐體熱量損失的主要原因。

通過筆者對(duì)溫度場(chǎng)的模擬可以很好的與實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行比較，為發(fā)酵罐的穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行提供了理論依據(jù)。目前該設(shè)備已成功投入到遼寧某地區(qū)的沼氣生產(chǎn)運(yùn)行中，運(yùn)行情況良好并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了相應(yīng)貢獻(xiàn)。

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TemperatureFieldAnalysisinAnaerobicFermentationTankforBiogasProduction

LINGuo-qing,SHI-Dai

(Collegeofmechanicalandelectricalengineering,JilinInstituteofChemicalTechnology,Jilin132022,China)

the biogas production have a great relation with temperature in biogas fermentation process, an optimum temperature is necessary to ensure dominant microbe population for biogas production.Through analyzing the temperature field of fermentation tank adopting ANSYS software, the bottom temperature, top temperature, and the whole tank temperature distribution along the tank wall and across tank section,were obtained.And it was found that the heat loss was mainly from tank body and top of tank.The tank bottom had small heat loss due to the insulation measures.In the meantime, the feeding for tank was always the main cause for the heat loss.

ANSYS; fermentation tank; heat loss; temperature analysis

2017-01-15

2017-04-21

項(xiàng)目來源： 吉林化工學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉化院合字[2017]第038號(hào))

林國慶(1986- ),男，吉林農(nóng)安人，講師，研究方向?yàn)檫^程裝備安全評(píng)定技術(shù)及能源工程， E-mail：lgq0726@126.com

時(shí) 黛,E-mail：10dai@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)06-0021-06