沼气池散热量与内部温度场的数值模拟研究

张富强，孟祥睿，魏新利

（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）

温度对沼气池内发酵有着重要的影响[1]，我国的北方地区冬季的温度较低，由于保温等因素，影响了甲烷菌的活性，导致了沼气池的产气量不足或几乎不产气等问题[2]。沼气池在设计过程中，建造沼气池壁一般选用材料为钢筋混凝土，这对沼气池散热量的影响很大。2007年有研究者提出将一种发泡水泥用于建造沼气池[3]，该种材料在许多性能上要优于钢筋混凝土（导热系数小、密度小等）。也有研究者利用Fluent对有无使用该材料以及不同厚度时，对沼气池的散热量和内部温度场的影响进行了研究[4]。针对这些问题，笔者以郑州地区的气象条件为参数，结合当地的可再生能源加热沼气池，使用Fluent软件对沼气池的不同材料、不同厚度的保温层及沼气池内部温度场的数值进行了模拟，旨在为沼气池节能研究提供依据。

1 物理数学模型

1.1 物理模型

笔者以一个年出栏数2 000头的养猪场为例，按照规模化养猪场各猪群的比例[5-7]，将1 d排放的粪污全部处理，建造的沼气池的体积大约134.6 m3。经计算得到沼气池的半径为3.5m，高度为3.5 m。沼气池处于土壤下，仅考虑其与土壤的传热，计算的区域以沼气池的中心圆心，半径为15m。沼气池将热量传给土壤，土壤将能量散到大气中。结合实际情况进行简化模型（图1），将发泡水泥的厚度分别取为250、300、350、400mm，钢筋混凝土外壁为250mm，进行模拟计算。

图1 沼气池简化后模型

1.2 数学模型

土壤之间的传热是一个复杂的传热问题。为了研究问题的方便，需要对模型进行一定的简化：各种材料与发酵液为均值，导热系数各向同性；忽略土壤内水分（水分含量很少）的传热及多孔介质的影响[2]；不考虑辐射方面的影响；加热管简化为一个加热面，即沼气池的内壁面。

数学模型的传热公式：

式中：λ为发泡水泥、混凝土、料液与土壤的导热系数；ρ为发泡水泥、混凝土、料液与土壤的密度；CP为发泡水泥、混凝土、料液与土壤的比热容。

1.3 边界条件

表1、表2为文中用到的参数，为了方便研究，以郑州地区1月份的温度为参考，沼气池的温度设定为15、25、35℃，分析不同材料对沼气池的散热量影响。模型中土壤的外边界定义为绝热边界，其他边界条件采用第一类边界条件。在选用某一材料和一定厚度后，采用不同于前面提到的沼气池的温度，考虑到实际发酵过程，分析沼气池内部温度场时，发酵温度分别取 30、40、50℃。

表1 土壤、混凝土、发泡水泥的物性参数

表2 郑州地区的气象参数 （℃）

2 结果与分析

2.1 不同保温层对沼气池散热量的影响

图2为混凝土、发泡水泥的厚度为250 mm时，沼气池及周围土壤剖面图。沼气池的温度设为25℃，由于保温层的材料不同，沼气池对周围土壤影响范围不同。保温层为混凝土时，与发泡水泥相比，前者内部的大量热量传到土壤中，导致周围土壤的温度升高。由此可见，混凝土的导热系数比发泡水泥的导热系数大，沼气池向外部散失热量更多，使用混凝土的沼气池对周围土壤的温度影响范围更广。此外，沼气池内部的热量损失大，池内温度不能满足发酵温度，也会严重影响沼气的产量。当沼气池维持恒定温度15、25、35℃时，250 mm混凝土建造的沼气池散热量分别为3 175.5、5 440.0、7 704.4W，而250 mm发泡水泥建造的沼气池散热量分别为680.6、1 167.0、1 653.4W，发泡水泥建造的沼气池所需热量仅为混凝土的1/4.66。因此建立沼气池时，应该使用满足结构强度且导热系数较小的材料作为沼气池的保温层。

图2 沼气池及周围土壤温度场分布

2.2 不同厚度的保温层对沼气池散热量的影响

以郑州地区1月份的温度为参考，沼气池的温度设定为15、25、35℃。保温层厚度不同时，沼气池的散热量也不同。图3直观显示了不同厚度保温层单位面积的散热量。可以看出，沼气池发酵温度相同时，保温层为发泡水泥的沼气池随着发泡水泥厚度的增加，单位面积的散热量也逐渐下降。考虑沼气池温度和经济的因素，同时结合相关的参考文献[7]，沼气池保温层发泡水泥的厚度可选择在300mm。

图3 沼气池的单位面积的散热量

2.3 沼气池内部温度场分析

以郑州1月份的温度为参考，沼气池的温度设为30℃，通过沼气池壁面处加热管加热沼气池。图4显示了沼气池内部纵向截面温度分布情况。沼气池内部温度分布很不均匀，从沼气池壁面向中心温度逐渐降低。这种加热的方式达不到沼气池发酵温度的需要。其主要原因是沼气池的体积较大，热量由侧壁传到中心过程中，上下表面会将热量传到土壤里，从而逐渐形成了图中温度梯度。

图4 沼气池内部剖面温度场的分布

图5显示了在不同月份、沼气池内发酵温度不同时，沼气池的水平方向的温度分布情况和沼气池竖直方向的温度分布情况。不同月份、不同发酵温度条件下，沼气池中心的竖直方向温度出现温差很大，主要原因是中心区域距离加热管较远，热量很难传到中心区域且池内的热量通过上下表面传到土壤中，所以温度自上而下先增加后减小的趋势。而沿半径方向温度场的分布显示，中心区域的温度较低，加热管很难加热到中心区域，导致池内温度场分布不均匀。通过对沼气池内温度场的分析得到：沼气池无搅拌时，沼气池内部的温度场分布不均匀，没有达到设定的温度值。因此，有必要对沼气池内的料液进行搅拌处理。

图5 沼气池内部温度场分布

3 结论

（1）沼气池的池壁分别采用混凝土和发泡水泥作为保温结构且保温层的厚度相同时，混凝土沼气池的散热量约为发泡水泥沼气池的4.66倍。因此，选用导热系数小的保温材料发泡水泥建造沼气池更加适宜。

（2）不同厚度的保温层对沼气池的散热量的影响不同。通过模拟研究得到，保温层的厚度对沼气池的散热量的影响不大。但保温层厚度的选择应综合考虑其保温效果及材料的费用来实现最优经济性。

（3）通过对不同的发酵温度的模拟，得到沼气池内部温度场分布不均匀，池内有些区域的温度远远没有达到设定的温度值。因此有必要对沼气池进行搅拌处理，进而有利于沼气的产生。

[1] 张全国.沼气技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 郭甲生，秦朝葵，戴万能.变化气候条件下沼气池散热动态仿真[J].中国沼气，2010，28（3）：8-10，40.

[3] 高德广.一种发泡水泥及其用该水泥建造沼气池的方法[P].中国专利：200710072143，2007-09-26.

[4] 王瑞金，张 凯，王 刚.luent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5] 付秀琴，陈子爱，邓良伟.规模化猪场粪污处理沼气池容积确定[J].中国沼气，2002，20（2）：24-27.

[6] 陈清明，王连纯.现代养猪生产[M].北京：中国农业大学出版社，1997.

[7] 尹海文.太阳能联合沼气锅炉加热沼气池模拟研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.