一种节能型沼气发酵罐增温恒温装置

1.本实用新型属大中型沼气工程集中供气工程技术领域，尤其涉及一种系统集成毛细管网换热器、太阳能和土壤源热泵技术的节能型沼气发酵罐增温恒温装置。


背景技术：

2.我国每年畜禽粪污、农作物和湿地植物秸秆等农林废弃物产量巨大，当前资源化利用率不高。未处理或未达标排放的畜禽废弃物已成为一些地区湖库水体富营养化的主要污染源，而农林废弃物利用率不高也使环保部门秸秆禁烧和大气环境保护工作压力巨大。这些农林废弃物经过厌氧发酵，不仅可以获得性能优良的清洁燃料沼气，还可以获得沼渣和沼液等优质有机肥，大幅提高其综合利用效率。
3.发酵罐内料液温度及其变化是影响沼气工程高效运行的关键因素，按照沼气发酵温度可分为常温发酵区10℃～26℃,中温发酵区28℃～38℃，高温发酵区46℃～60℃。对同一种沼气原料，35℃条件下1个月的沼气产气总量相当于15℃条件下12个月的产气总量。而且不论何种原因导致反应工质温度的短期突变，都对沼气发酵过程有明显的影响。对于产甲烷反应器，温度波动范围一般一天之中不宜超过
±
2℃，当有
±
3℃的变化时，就会抑制甲烷的产生速率，有
±
5℃的急剧变化时，就会完全抑制甲烷的产生。
4.为实现寒冷地区沼气工程正常运转，在对沼气发酵罐体及相关管路设备的外部添加保温材料基础上，主要通过电加热的形式，对发酵反应器进行热量补充以维持发酵的正常进行。我国北方地区冬季温度偏低，特别是东北地区最低温度达到
‑
30℃，为了保证冬季沼气工程正常运行，沼气发酵罐增温恒温尤为重要，而增温恒温导致的高能耗直接增加沼气工程生产运行的成本，影响沼气工程高效稳定运行。
5.太阳能增温通过太阳能集热器系统进行热能采集和传输，增温后的热水与料液进行传热，该方式节能环保，操作简单，但存在易受天气影响、能流密度低等问题。地源热泵技术系以大地（地下水，土壤，地面光照）为热源对建筑物进行供热的技术，冬季通过地源热泵利用大地中的低位热能对建筑物供暖，同时储存冷量，以备夏用，夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑物进行降温，同时储存热量，以备冬用，地源热泵产热效率高，安装维护便捷，成为沼气池加热系统的较佳选择。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种能耗低、成本低、热量传递效率高、罐内各部位温度调节均匀、稳定的节能型沼气发酵罐增温恒温装置。
7.为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的：
8.一种节能型沼气发酵罐增温恒温装置，包括发酵罐、太阳能集热器、地源热泵、保温水箱及控制模块；
9.在所述发酵罐内壁固定设有毛细管网换热器；所述保温水箱的工质出口经发酵罐工质入口数控阀门与毛细管网换热器的工质入口相通；所述毛细管网换热器的工质出口经
发酵罐工质出口数控阀门与保温水箱的工质入口相通；
10.所述地源热泵的工质出口经地源热泵工质出口数控阀门与保温水箱的工质入口相通；所述保温水箱的工质出口经地源热泵入口数控阀门与地源热泵的工质入口相通；
11.所述太阳能集热器的工质出口经太阳能集热器数控阀门与保温水箱的工质入口相通；所述保温水箱的工质出口与太阳能集热器的工质入口相通；
12.在所述保温水箱内固定设有保温水箱温度传感器；在所述发酵罐内固定设有发酵罐温度传感器；
13.所述控制模块包括cpu、显示电路及输出控制部分；所述显示电路、保温水箱温度传感器、发酵罐温度传感器及输出控制部分的信号传输端口分别与cpu的信号传输端口相通；所述地源热泵、太阳能集热器数控阀门、地源热泵入口数控阀门、地源热泵工质出口数控阀门、发酵罐工质出口数控阀门及发酵罐工质入口数控阀门的信号传输端口分别与输出控制部分的信号传输端口相接。
14.作为一种优选方案，本实用新型所述毛细管网换热器通过固定板固定在预先设定的位置；在所述固定板上有横竖排列的固定支架；所述固定支架由两个分开的半圆组成；所述毛细管网换热器置于固定支架之上。
15.进一步地，本实用新型所述发酵罐与保温水箱建于地下，由保温材料发泡水泥制得。
16.进一步地，本实用新型所述毛细管网换热器的进水温度为45～65℃或70～80℃。
17.进一步地，本实用新型所述毛细管网换热器采用pp
‑
r或pe
‑
rt可热塑性塑料制成；毛细管网换热器由平行设置且间隔为10～30mm的毛细管网栅构成；所述毛细管网换热器内工质流速为0.05～0.2 m/s。
18.进一步地，本实用新型所述毛细管网换热器内的工质为去氧水，充液率为20～85%。
19.进一步地，本实用新型在所述太阳能集热器数控阀门与地源热泵入口数控阀门之间设有分流管。
20.进一步地，本实用新型所述地源热泵的地下采热管道铺设在发酵罐与保温水箱附近。
21.上述节能型沼气发酵罐增温恒温装置的使用方法，包括如下步骤：沼气发酵物由进料口进入发酵罐,由毛细管网换热器对沼气发酵物换热升温，并与发酵液进行混合发酵，发酵完成的剩余物通过溢流出料口流出发酵罐；在换热升温过程中，通过采集发酵罐内温度信号以及沼气发酵物加入量确定升温所需要的热量，再根据供热系统所能提供的最佳温度确定毛细管网换热器的供热温度。
22.进一步地，本实用新型所述供热系统包括太阳能集热器与地源热泵；当太阳能集热器所提供的热量不满足供热需求时，地源热泵通过逆卡诺循环进行供热。
23.使用本实用新型装置，热量传递效率高，且使用低品位能源，故节能环保，发酵罐的温度波动稳定，显著提高沼气发酵的产气量与产气速率，极大的降低运行成本，经济效益显著。
24.与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
25.1、采用太阳能集热器和地源热泵组合供热，相较于其他的供热方式具有经济环保
特性，太阳能供热虽不稳定但节能，与地源热泵的稳定但需消耗少量电能之间形成强烈的互补效益，太阳能多余的热量可以通过地源热泵储存在地底，地源热泵的地下管道部分埋在保温水箱和发酵罐的附近方便余热回收以及储热保温，两者之间的灵活调用，可以极大的节约额外供热的成本。
26.2、以建设区的地理位置和环境因素为前提，确定发酵罐内不同空间位置的毛细管的管排密度，在固定板上确定不同排列间隔，而且固定板可以根据不同需求固定在不同位置，不同的位置固定不同密度的毛细管网，且采用模块化安装，即方便安装维修，还节约成本。
27.3、采用毛细管网作为发热末端，通过较高的换热面积和相对较低的热负荷，既避免了换热器末端较高的温度，有效降低了对发酵液菌种的伤害，同时又方便调节和稳定发酵罐内的温度。通过毛细管7组成间隔10～30 mm 的网栅以及流速控制在0.05～ 0.2 m/s之间，可有效提高发酵罐内的温度均匀程度，优化罐内扰动，显著提高发酵效率。
28.4、本实用新型克服了现有发酵罐加热装置中热量损耗大、增温管易结垢影响换热效率、增温不合理造成的发酵罐内热聚集等问题，促进发酵罐内发酵液的有效扰动，罐内上、中、下部温度分布较为均匀且维修安装方便，减少设备的投入与维修成本，操作维护简单，可靠性高，可保证发酵装置的长期稳定运行，适应了我国沼气工程的科技需求，即节约能源，热量传递效率高，能较好的利用低品位能源解决沼气发酵料液冬春季温度低导致沼气产气量和产气速率大幅下降的难题，是一种高效节能的维持沼气工程稳定运行的方法。
附图说明
29.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。本实用新型的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
30.图1为本实用新型沼气发酵罐主体的结构示意图；
31.图2为本实用新型发酵罐的壁面毛细管排布；
32.图3为本实用新型固定板平面图；
33.图4为本实用新型固定支架剖视图；
34.图5为本实用新型控制部分原理框图。
35.图中：1、进料口；2、发酵罐温度传感器；3、出料口；4、地面；5、发酵罐；6、地源热泵地下采热管；7、毛细管网换热器；8、太阳能集热器；9、太阳能集热器数控阀门；10、地源热泵入口数控阀门；11、地源热泵工质出口数控阀门；12、进水口；13、发酵罐工质出口数控阀门；14、地源热泵；15、保温水箱温度传感器；16、保温水箱；17、发酵罐工质入口数控阀门；18、出水口；19、固定板；20、固定支架。
具体实施方式
36.如图所示，节能型沼气发酵罐增温恒温装置，包括发酵罐5、太阳能集热器8、地源热泵14、保温水箱16及控制模块（未标出，在实际设计时可选择合适位置）；
37.在所述发酵罐5内壁固定设有毛细管网换热器7；所述保温水箱16的工质出口经发酵罐工质入口数控阀门17与毛细管网换热器7的工质入口相通；所述毛细管网换热器7的工质出口经发酵罐工质出口数控阀门13与保温水箱16的工质入口相通；
38.所述地源热泵14的工质出口经地源热泵工质出口数控阀门11与保温水箱16的工质入口相通；所述保温水箱16的工质出口经地源热泵入口数控阀门10与地源热泵14的工质入口相通；
39.所述太阳能集热器8的工质出口经太阳能集热器数控阀门9与保温水箱16的工质入口相通；所述保温水箱16的工质出口与太阳能集热器8的工质入口相通；
40.所述地源热泵14的工质入口与太阳能集热器8的工质出口通过由两个数控阀门连接的分流管连通；
41.在所述保温水箱16内固定设有保温水箱温度传感器15；在所述发酵罐5内固定设有发酵罐温度传感器2；
42.参见图5所示，所述控制模块包括cpu、显示电路及输出控制部分；所述显示电路、保温水箱温度传感器15、发酵罐温度传感器2及输出控制部分的信号传输端口分别与cpu的信号传输端口相通；所述地源热泵14、太阳能集热器数控阀门9、地源热泵入口数控阀门10、地源热泵工质出口数控阀门11、发酵罐工质出口数控阀门13及发酵罐工质入口数控阀门17的信号传输端口分别与输出控制部分的信号传输端口相接。
43.本实用新型cpu 可采用cpu16f73芯片，存有主机控制程序，完成整个系统的控制，具有自动复位功能，保证了系统的稳定性。
44.参见图2、图3及图4所示，本实用新型所述毛细管网换热器7通过固定板19固定在预先设定的位置；在所述固定板19上有横竖排列的固定支架20；所述固定支架20由两个分开的半圆组成；所述毛细管网换热器7置于固定支架20之上。
45.本实用新型所述发酵罐5与保温水箱16建于地下，由保温材料发泡水泥制得。
46.本实用新型所述毛细管网换热器7的进水温度为45～65℃或70～80℃。
47.本实用新型所述毛细管网换热器7采用pp
‑
r或pe
‑
rt可热塑性塑料制成；毛细管网换热器7由平行设置且间隔为10～30mm的毛细管网栅构成；所述毛细管网换热器7内工质流速为0.05～0.2 m/s。
48.本实用新型所述毛细管网换热器7内的工质为去氧水，充液率为20～85%。
49.本实用新型在所述太阳能集热器数控阀门9与地源热泵入口数控阀门10之间设有分流管。
50.本实用新型所述地源热泵14的地下采热管道6铺设在发酵罐5与保温水箱16附近。
51.上述节能型沼气发酵罐增温恒温装置的使用方法，包括如下步骤：沼气发酵物由进料口进入发酵罐5,由毛细管网换热器7对沼气发酵物换热升温，在发酵液参与下进行混合发酵，发酵完成的剩余物通过溢流出料口流出发酵罐5；在换热升温过程中，通过采集发酵罐5内温度信号以及沼气发酵物加入量确定升温所需要的热量，再根据供热系统所能提供的最佳温度确定毛细管网换热器的供热温度。
52.本实用新型所述供热系统包括太阳能集热器8与地源热泵14；当太阳能集热器8所提供的热量不满足供热需求时，地源热泵通过逆卡诺循环进行供热。
53.在实际设计时，本实用新型主要包括发酵罐5；发酵罐5上设置有进料口1、出料口3、进水口12和出水口18。发酵罐5外壁由保温材料建成。发酵罐内壁面设有毛细管网换热器7。毛细管网换热器7的毛细管网外壁与发酵罐5内壁构成厌氧发酵区。毛细管网内壁与外部供热系统通过供热口用数控阀门连接，组成毛细管网换热器7。
54.本实用新型毛细管网换热器7通过固定板19固定在设置好的位置，固定板19采用模块化处理由ppr材料铸造，由横竖排列的固定支架20构成，参见图4所示，固定支架20由两个分开的半圆组成，毛细管网换热器7换热末端固定在固定板19上的固定支架20上，毛细管网换热器7的外壁通过固定支架20固定。
55.本实用新型所述毛细管网换热器7通过固定板19固定在需要的位置，固定板19上的固定支架20纵横排列，毛细管网换热器7之间的安装间隔可通过需求改变。
56.参见图1所示，本实用新型外部供热系统主要由太阳能集热器8、地源热泵14及保温水箱16组成。太阳能集热器8和地源热泵14通过水管与保温水箱16连接，其连接处设有太阳能集热器数控阀门9、地源热泵入口数控阀门10及地源热泵工质出口数控阀门11。两个供热回路中出水口的管道设有太阳能集热器数控阀门9与地源热泵工质出口数控阀门11。
57.参见图1所示，本实用新型发酵罐5和保温水箱16建于地下，由保温材料发泡水泥建造。
58.本实用新型毛细管网换热器7的进水温度为45～65℃或70～80℃，可以使得发酵罐5维持在中温发酵33～38℃或者高温发酵50～55℃。
59.本实用新型毛细管网换热器7的材料为pp
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r、pe
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rt等可热塑性塑料，且该毛细管7组成的间隔为10～30 mm 的网栅，流速都在0.05～ 0.2 m/s之间。
60.本实用新型毛细管网内工质为去氧水，管内需要抽真空处理，工质在循环时要进行过滤，防止大颗粒进入毛细管。毛细管网换热器，可以高效利用低品位热源，具有散热面积大、安装方便、容易维护和具有加温与制冷双效功能等特点，毛细管网换热器具有较大的换热面积以及同换热面积中较低的热负荷，从而保证了温度调节的平缓和均匀，在民用建筑上得到广泛采用。
61.本实用新型保温水箱16内设有保温水箱温度传感器15，太阳能集热器8和地源热泵14组合供热，通过保温水箱温度传感器15反馈的数据，在尽可能多的使用太阳能集热器8供热的情况下，使用地源热泵14进行辅助供热，使得保温水箱16内的温度维持在所需的范围内。
62.本实用新型太阳能集热器数控阀门9、地源热泵入口数控阀门10、地源热泵工质出口数控阀门11、发酵罐工质出口数控阀门13及发酵罐工质入口数控阀门17采用锻造黄铜内外镀镍，可有效防止铜离子对于塑料管道的侵蚀。
63.本实用新型太阳能集热器8所产生的热水在满足保温水箱16的目标过后，会通过供热管道的太阳能集热器数控阀门9经分流管，将产生的多余热量通过地源热泵14储存到地底。
64.本实用新型地源热泵14的地源热泵地下采热管6部分铺设在发酵罐5和保温水箱16附近，方便其余热回收。
65.节能型沼气发酵罐增温恒温装置的使用方法，包括以下步骤：
66.a．沼气发酵物由进料口1进入发酵罐5，由于毛细管网换热器7的换热作用，使得新进原料快速升温，并促进与发酵液的混合，发酵完成的剩余物通过出料口3流出发酵罐，实现发酵液的动态平衡；
67.b.毛细管网换热器工作方式：根据新物料的量和温度计算升温所需要的热量，通过发酵罐5内的发酵罐温度传感器2确定现在温度，根据外在供热系统所能提供的最佳温度
确定毛细管网换热器7的供热温度，通过发酵罐温度传感器2实时数据反馈，对供热温度进行动态调节，使得发酵罐5内的温度处在最佳的温度范围。
68.c．分布式低品位供热系统的工作方式:供热系统由太阳能集热器8、地源热泵14和保温水箱16组成，当光照适宜的时候，太阳能集热器8提供的热水作为主要的热量来源，通过对发酵罐5内温度的实时监控确定保温水箱16内的温度范围，太阳能集热器8作为主要的热源，地源热泵14作为冷源负责温度调节，多余热量通过地源热泵14储存到地下。当光照条件一般时，太阳能集热器8所提供的热量不满足供热需求时，地源热泵14通过逆卡诺循环进行供热，稳定发酵罐5内的温度波动。
实施例
69.本实用新型的目的是利用低品位能源解决沼气发酵料液冬春季温度低导致沼气工程产气量和产气速率大幅下降，加热需额外供电，环保性和经济性低及加热过程中由于加热末端过高的热负荷导致局部温度过高以及温度波动范围大，罐内温度不均匀的难题。
70.节能型沼气发酵罐增温恒温装置主要由发酵罐5、毛细管网换热器7、保温水箱16、太阳能集热器8、地源热泵14及其各个附属部件构成。
71.本实用新型的原理：毛细管网换热器7由导热性良好的ppr材料建造，通过固定板19上的固定支架20固定在设定好的位置，发酵罐5由保温材料发泡水泥建造，以减少发酵罐5内热量散失。毛细管网换热器7内的换热工质为去氧水，防止管道腐蚀以及堵塞，模块化的固定板19也便于毛细管网的更换和安装，在不同的位置安装不同密度的毛细管，这样更加贴合不同情况下的热量需求。太阳能集热器8布于发酵罐上方，方便余热收集，地源热泵14、地下地源热泵地下采热管6分布于发酵罐5和保温水箱16附近，便于余热回收，工质循环回路采用保温保护层设计，即减少热量散失，又防止被破坏。
72.通过发酵罐温度传感器2的实时监控，当沼气发酵罐5进料口1进料时或者出料口3出料时，发酵罐5内的温度会小于所需的温度，此时发酵罐温度传感器2将温度信息反馈中央处理器，此时温度需要升高，中央处理器接收发酵罐温度传感器2中的温度数据，与保温水箱温度传感器15中的数据进行对比，得到此时需要的供热量，通过太阳能集热器8和地源热泵14供给的热水，使得保温水箱16内的热水维持在发酵罐5内毛细管网换热器7供热所需的温度范围内。
73.发酵罐工质出口数控阀门13及发酵罐工质入口数控阀门17打开，按照需要的热负荷，控制流量，将保温水箱16内的热水供入毛细管换热器7中，毛细管换热器7内的热水流动，与发酵罐5内的沼液进行热交换，发酵罐5内部空间温度升高。当沼气发酵罐5内的温度上升到当前所需的最佳温度范围时，发酵罐温度传感器2将相关数据反馈到中央处理器，中央处理器通过输出控制部分向发酵罐工质出口数控阀门13及发酵罐工质入口数控阀门17发出控制信号，此时上述数控阀门减少工质流量，降低供热量，与发酵罐5正常的散热量抵消，以维持罐内温度在最佳的发酵范围内，提高发酵的速率。
74.通过事先对发酵罐5不同位置的分析，即不同空间位置的温度分布情况进行模拟，得到最优的毛细管网分布方式，使得罐体内部物料有效增温并产生扰动（通过对发酵罐5内部温度场的分析得出，沼气池内部中间温度低，两侧温度高，上下温度低，中间温度高，通过壁面的毛细管网u型加热，由于温差产生的密度差会形成环形回流，从而加剧池内扰动），更
能加速物料反应，提高沼气产气量与产气速率。
75.毛细管网换热器7采用模块化处理，当一段毛细管网出现问题时，直接通过固定板19将其取下，更换新的部件，通过防渗处理后进行使用，无需全部更换，节省成本以及缩短维护时间，便于沼气工程的管理。
76.分布式低品位能源系统的使用方法如下：
77.当天气良好的时候，太阳能集热器8通过太阳能集热，产生热水通过循环回路流入保温水箱16中，通过保温水箱温度传感器15，确定保温水箱16内的温度是否到达目标范围，若温度过高将多余的热量通过太阳能集热器数控阀门9、地源热泵入口数控阀门10，将多余的热量经分流管通过地源热泵14循环至地底，将加热后的工质储存在地底。
78.如果天气环境差，温度不够，地源热泵14通过保温水箱温度传感器15确定保温水箱16内的温度，再根据发酵罐温度传感器2中反馈的温度，确定此时地源热泵14所需要供给的热量，地源热泵14通过逆卡诺循环进行供热，稳定发酵罐5内的温度波动。
79.所述的太阳能集热板8的面积需要通过对当地的年平均日照时间以及沼气池所需的热量进行计算，在确保正常情况下，太阳能集热器8不会出现产热过少，使得地源热泵的产热量过载的情况下，尽可能的节约成本。
80.所述的地源热泵14的建造需要考虑热量的平衡，防止采热过度以及储热过度，而且地源热泵地下采热管6部分位于保温水箱16和发酵罐5的附近，便于余热回收以及储热保温。
81.所述的保温水箱16的尺寸，依照供热热量确定，保温水箱16的最高温度不超过80℃，最低温度不小于45℃，在这个温度区间，按照要满足发酵罐的最大散热量确定保温水箱的储存尺度。
82.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
83.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
84.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。