CN103923819B - 一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池 - Google Patents

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Abstract

一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，属于太阳能与生物质能利用技术领域，特别是涉及一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池。本发明利用冷、热水密度差产生的虹吸力实现了太阳能热水系统的自然循环，提高了沼气发酵池内沼气的发酵温度，且提高了沼气的发酵产气率。本发明包括太阳能热水循环系统和沼气发酵池，太阳能热水循环系统由太阳能集热器、上升管、蓄热水箱、下降散热管组、回水集水箱及回水管组成，太阳能集热器顶部的出水口通过上升管与蓄热水箱相连通，蓄热水箱通过下降散热管组与回水集水箱相连通，回水集水箱通过回水管与太阳能集热器底部的进水口相连通。

Description

一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池
技术领域
本发明属于太阳能与生物质能利用技术领域，特别是涉及一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池。
背景技术
利用太阳能提高沼气池内沼气发酵温度，是目前沼气池增温常用的技术手段，使沼气保持在中温与高温发酵阶段，提高发酵产气率。但目前，关于太阳能沼气池的设计几乎都是利用循环水泵来提供管路内热水循环的动力，如太阳能恒温沼气池（申请号为201210055393.7的中国专利）、太阳能沼气池（申请号为201110063984.4的中国专利）等；水泵在长时间的运行过程中消耗电能，增加运行成本，在控制维护上也会产生问题，与太阳能沼气池的减少电能消耗的设计理念相悖。
实际上管路内的循环水作为热的载体，在太阳能集热器被加热升温，在沼气池内散热降温，温度的变化使水的密度随之改变，不同的密度差会在热水循环管路内产生一定的虹吸力，促使热水在管路中自然对流循环。若管路结构设置恰当，自然对流循环即可满足循环动力要求。传统太阳能沼气池将太阳能集热器（热源）设置于沼气池上部，加热盘管设置于沼气池底部，无法形成有效虹吸力，抑制了水的自然对流循环形成。
黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所王玉峰、付尚志等在《中国沼气》发表论文《地上、地下不同深度对沼气罐产气的影响》，其中通过实验表明北方地区地下各月地温和年平均地温都较低,无论是产酸菌或产甲烷菌都受到严重抑制,产气率极低,无利用价值。北方寒冷地区沼气池的修建,尤其是大中型沼气池离地表很浅，所以本发明主要解决北方地上太阳能沼气池热水系统自然循环的问题。
这种利用水的密度差所产生的虹吸力进行循环的方法在很多领域都早有应用和研究，在传统热水供暖系统中利用水的密度差进行循环的系统，称为重力循环系统，其单栋建筑作用半径可达50米（《供热工程》、贺平、中国建筑工业出版社）。自然循环系统在太阳能热水领域的应用也早有研究（参见陆维德、《太阳能学报》、自然循环式太阳能热水系统的设计研究；刘群生、《新能源及工艺》、自然循环平板式太阳能热水系统的设计计算等）。但目前未见将自然对流水循环应用于太阳能沼气池的方法及装置设计。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，该沼气池利用冷、热水密度差产生的虹吸力实现了太阳能热水系统的自然循环，提高了沼气发酵池内沼气的发酵温度，且提高了沼气的发酵产气率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，包括太阳能热水循环系统和沼气发酵池，太阳能热水循环系统由太阳能集热器、上升管、蓄热水箱、下降散热管组、回水集水箱及回水管组成，太阳能热水循环系统的上升管、蓄热水箱、下降散热管组及回水集水箱均设置在沼气发酵池的内部，太阳能集热器和回水管设置在沼气发酵池的外部，且太阳能集热器设置在太阳能热水循环系统的底部；蓄热水箱设置在沼气发酵池的顶部，回水集水箱设置在沼气发酵池的底部，太阳能集热器顶部的出水口通过上升管与蓄热水箱相连通，蓄热水箱通过下降散热管组与回水集水箱相连通，回水集水箱通过回水管与太阳能集热器底部的进水口相连通。
所述蓄热水箱的上部与上升管相连通，蓄热水箱的下部与下降散热管组相连通。
所述蓄热水箱采用立式蓄热水箱。
所述蓄热水箱的底部与太阳能集热器的顶部之间的距离为0.7～1.5米。
在所述上升管的外侧壁上设置有第一保温层。
在所述回水管的外侧壁上设置有第二保温层。
在所述沼气发酵池的外侧壁上设置有沼气池外保温层。
所述下降散热管组呈弧线设置，且贴近沼气发酵池的内壁设置。
本发明的有益效果：
1、本发明利用冷、热水密度差产生的虹吸力实现了太阳能热水循环系统的自然循环，提高了沼气发酵池内沼气的发酵温度，使沼气保持在中温与高温的发酵阶段，提高了沼气的发酵产气率，达到充分利用太阳能与生物质能的目的，促进北方农村生态农业的可持续发展；
2、由于本发明充分利用太阳能集热器提供的热量，使太阳能热水循环系统实现了自然循环，而无需采用循环水泵提供循环动力，在运行过程中没有产生水泵的运行电耗，节省了装置水泵在运行过程中产生的电耗费用，具有很大的经济效益，对太阳能沼气发酵池的推广和使用有积极的影响；
3、本发明采用的太阳能热水循环系统与沼气发酵池的一体化设计使日常维护更加方便，运行的可靠性提高，同时由于在运行中没用水泵的使用，无需控制水泵的开启与关闭，使沼气发酵池在日常维护方面的工作量大为减少。
附图说明
图1是本发明的可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池的结构示意图；
图中，1--太阳能集热器，2--沼气发酵池，3--上升管，4—第一保温层，5--蓄热水箱，6--下降散热管组，7--回水集水箱，8--回水管，9—第二保温层，10--沼气池外保温层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例应用于北方城市沈阳。
如图1所示，一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，包括太阳能热水循环系统11和沼气发酵池2，太阳能热水循环系统11为闭合回路，由太阳能集热器1、上升管3、蓄热水箱5、下降散热管组6、回水集水箱7及回水管8组成，太阳能热水循环系统11的上升管3、蓄热水箱5、下降散热管组6及回水集水箱7均设置在沼气发酵池2的内部，沼气发酵池2的结构为直径两米的玻璃钢球体，太阳能集热器1和回水管8设置在沼气发酵池2的外部，且太阳能集热器1设置在太阳能热水循环系统11的底部；太阳能集热器1采用真空管太阳能集热器1，真空管规格为直径47mm、长度1.2m，共12支，其排列形式为单侧水平排列，集热面朝向为南向，且集热面与水平面的夹角和当地纬度相同；蓄热水箱5设置在沼气发酵池2的顶部，由于蓄热水箱5的散热有助于增加水自然对流所产生的虹吸力，同时热量散入沼气发酵池2内有助于提高沼气发酵池2内温度，所以蓄热水箱5无需设置保温层，蓄热水箱5采用的是高度为0.5m、直径为0.4m的圆柱型不锈钢水箱；回水集水箱7设置在沼气发酵池2的底部，回水集水箱7采用的是高度为0.2m、直径为0.4m的圆柱型不锈钢水箱；太阳能集热器1顶部的出水口通过上升管3与蓄热水箱5相连通，蓄热水箱5通过下降散热管组6与回水集水箱7相连通，下降散热管组6用于向沼气发酵池2内散热加温，下降散热管组6由并列排布的10根外径为22mm、壁厚为2mm的不锈钢管组成，回水集水箱7的底部中心通过回水管8与太阳能集热器1底部的进水口相连通；上升管3和回水管8均采用内径为32mm的PPR管。
为保证蓄热水箱5内热水的冷热分层效果，上升管3通过蓄热水箱5距顶面20mm处的侧壁与蓄热水箱5的内部相连通；下降散热管组6的一端通过蓄热水箱5距底面20mm处的侧壁与蓄热水箱5的内部相连通，下降散热管组6的另一端通过回水集水箱7距顶面20mm处的侧壁与回水集水箱7的内部相连通。
为增加热水在自然对流形成过程的虹吸力，蓄热水箱5采用立式蓄热水箱5。
为增加热水在自然对流形成过程的虹吸力和保证蓄热水箱5内水的冷热分层效果，蓄热水箱5的底部与太阳能集热器1的顶部距离为0.79米。
为了防止热水在上升过程中温降，减小浮升力，在所述上升管3的外侧壁上设置有第一保温层4，第一保温层4采用的是厚度为25mm的橡塑保温棉。
为了防止回水管8无益散热，在所述回水管8的外侧壁上设置有第二保温层9，第二保温层9采用的是厚度为25mm的橡塑保温棉。
为了防止沼气发酵池2无益散热，在所述沼气发酵池2的外侧壁上设置有沼气池外保温层10，沼气池外保温层10采用的是厚度为30mm的橡塑保温棉。
为了增大散热面积，所述下降散热管组6呈弧线设置，且贴近沼气发酵池2的内壁设置。
下面结合附图说明本发明的使用过程：
如图1所示，水在太阳能集热器1内被加热，密度变小，产生浮升力，进入与太阳能集热器1相连通的上升管3，热水在上升过程无散热，并通过上升管3进入蓄热水箱5内；热水在蓄热水箱5内向沼气发酵池2散热降温，密度加大，产生下降的虹吸力，并进入下降散热管组6；热水通过下降散热管组6向沼气发酵池2内散热，为沼气发酵池2内的物料提供发酵所需的热量，在下降散热管组6内的热水随着水流流向温度快速降低，密度变大，增加向下的虹吸力，并进入到回水集水箱7内，最后经回水管8返回太阳能集热器1内重新加热。

Claims (3)

1.一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，其特征在于：包括太阳能热水循环系统和沼气发酵池，太阳能热水循环系统由太阳能集热器、上升管、蓄热水箱、下降散热管组、回水集水箱及回水管组成，太阳能热水循环系统的上升管、蓄热水箱、下降散热管组及回水集水箱均设置在沼气发酵池的内部，太阳能集热器和回水管设置在沼气发酵池的外部，且太阳能集热器设置在太阳能热水循环系统的底部；蓄热水箱设置在沼气发酵池的顶部，回水集水箱设置在沼气发酵池的底部，太阳能集热器顶部的出水口通过上升管与蓄热水箱相连通，蓄热水箱通过下降散热管组与回水集水箱相连通，回水集水箱通过回水管与太阳能集热器底部的进水口相连通；
所述蓄热水箱的上部与上升管相连通，蓄热水箱的下部与下降散热管组相连通；
所述蓄热水箱采用立式蓄热水箱；
所述蓄热水箱的底部与太阳能集热器的顶部之间的距离为0.7～1.5米；
在所述上升管的外侧壁上设置有第一保温层；
所述下降散热管组呈弧线设置，且贴近沼气发酵池的内壁设置。
2.根据权利要求1所述的可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，其特征在于：在所述回水管的外侧壁上设置有第二保温层。
3.根据权利要求1所述的可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池，其特征在于：在所述沼气发酵池的外侧壁上设置有沼气池外保温层。
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