CN106190791A - 一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置 - Google Patents

一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，包括沼气池、相变材料、染料、增透膜和保温被；在沼气池外壁覆盖相变材料，染料混合在相变材料中，在相变材料的外侧均匀包裹增透膜，当相变材料吸收热量完毕后需要放出热量时，在增透膜的外侧覆盖保温被。本发明不但可以为沼气池内的微生物发酵提供适合的温度环境，提高产气连续性，增大产气量，而且工艺简单，易操作。

Description

一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置
技术领域
本发明涉及沼气装置领域，特指一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置。
背景技术
沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。沼气可以作为生活燃料，随着我国经济的不断发展，沼气技术的利用也在不断的普及和发展，越来越多的人开始使用沼气池或者沼气罐。将粪便等物料放入沼气池或者沼气罐内，进行发酵，产生沼气，通过管道运输供人们使用，但是沼气池或者沼气罐易受外界温度影响，特别是在冬季，温度低其内部发酵不充分，尤其是在北方，沼气池或者沼气罐的表面经常都会结冰，沼气的产量大大减少，将影响人们的使用。
因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，本案由此产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，不但可以为沼气池内的微生物发酵提供适合的温度环境，提高产气连续性，增大产气量，而且工艺简单，易操作。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，包括沼气池、相变材料、染料、增透膜和保温被；在沼气池外壁覆盖相变材料，染料混合在相变材料中，在相变材料的外侧均匀包裹增透膜，当相变材料吸收热量完毕后需要放出热量时，在增透膜的外侧覆盖保温被。
进一步，染料为偶氮染料。
进一步，染料为黑色。
进一步，相变材料为十二水合磷酸氢二钠、六水合硝酸锌或者六水合氯化钙中一种或多种混合。
进一步，保温被包括毛毡层、防火布层、铝箔层和聚乙烯泡沫层；在毛毡层的上下两面分别粘合了防火布层，在毛毡层和防火布层之间粘合了聚乙烯泡沫层，铝箔层粘合在防火布层的外侧。
进一步，染料为两种或者两种以上不同颜色染料混合。
进一步，染料与相变材料的重量配比为：染料2-8%，相变材料92-98%。
采用上述方案后，由于本发明相变材料可以充分吸收包括紫外光在内所有波长的太阳光，同时，向相变材料中加入染料来增强相变材料的吸光性能。增透膜可以透射包括紫外光在内所有波长的太阳光。保温被提供优良隔热，具有很好的保温效果。使得本发明具有以下效果：
一、相变材料充分吸收太阳光，加入染料能够充分地利用太阳能，大大提高了相变材料的吸光效率，另外具有全谱吸收能力的染料具有一定的粘稠度，能够在一定程度上缓解相分离的情况从而提高结晶效果，继而来增强相变材料的吸光性能；
二、通过保温被的优良隔热、保温效果防止夜晚相变材料对沼气池外部放热，确保沼气池内温度变化缓慢，始终提供适合微生物发酵的温度环境，提高产气连续性，增大产气量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明保温被的结构示意图；
图3是本发明验证相变材料保温效果装置图；
图4是本发明验证加入与不加入染料的相变材料分组在太阳光照射后对比；
图5是本发明验证相变材料和染料的紫外可见吸收光谱图；
图6是本发明验证添加染料的十二水合磷酸氢二钠在日晒后的步冷曲线；
图7是本发明验证加入染料的十二水合磷酸氢二钠测量后的结晶状况；
图8是本发明验证添加染料的六水合硝酸锌在日晒后的步冷曲线；
图9是本发明验证加入染料的六水合硝酸锌测量后的结晶状况；
图10是本发明验证添加染料的六水合氯化钙与5%水在日晒后的步冷曲线；
图11是本发明验证加入染料的六水合氯化钙与5%水测量后的结晶状况；
图12是本发明验证内部水的温度变化曲线图；
图13是本发明验证相变材料结晶程度图。
沼气池1 相变材料2 增透膜3 保温被4
毛毡层41 防火布层42 铝箔层43 聚乙烯泡沫层44
温度计51 冰水混合物52 水53。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。如图1所示，为本发明的较佳实施例，一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，包括沼气池1、相变材料2、染料（图中未画出）、增透膜3和保温被4；在沼气池1外壁覆盖相变材料2，在相变材料2的外侧均匀包裹增透膜3，在增透膜3的外侧覆盖保温被4，具有全谱吸收能力的染料混合在相变材料2中。当白天或者温度高，相变材料2吸收热量（太阳光）时，保温被4不用覆盖在增投膜3的外侧，当夜间或者温度低，相变材料2放出热量时，在增透膜3的外侧覆盖保温被4。
由于在实际应用中需要相变材料2吸收太阳光并且将太阳辐射能转化为热能储存，而单纯的相变材料2在吸收光能的能力较差，效率较低，因此考虑向相变材料2中加入染料来增强相变材料2的吸光性能。
进一步，染料采用的是含有偶氮基 （-N=N-）的偶氮染料。这类偶氮染料具有合成工艺简单、成本低廉、染色性能突出等优点，是具有庞大数量和种类的工业染料。需要注意的是这些染料符合GB19601-2004标准，各种有害物质的含量都低于限值，检测结果合格，也就是说不存在毒性、腐蚀性等问题。
进一步，染料为黑色。选用黑色的染料是考虑到黑色的吸光效果较好，能够吸收全波段的光。
进一步，染料也可以为两种或者两种以上不同颜色染料的混合染料。因为不同颜色的光其波长是不同的，所以其颜色改变了，吸收光的波长也随之改变了。因此，当多种不同颜色染料混合后，其吸收光的波段就更加广泛，吸收效率高。
进一步，染料与相变材料的重量配比为：染料2-8%，相变材料92-98%。此配比范围染料的加入不影响相变材料的成核结晶。
本实施例中，相变材料2具体为十二水合磷酸氢二钠、六水合硝酸锌或者六水合氯化钙中一种或多种混合。
如图2所示，保温被4包括毛毡层41、防火布层42、铝箔层43和聚乙烯泡沫层44；在毛毡层41的上下两面分别粘合了防火布层42，在毛毡层41和防火布层42之间粘合了聚乙烯泡沫层44，铝箔层43粘合在防火布层42的外侧。这种保温被优点是结构简单，具有良好的防水防火保温性、抗拉性、可机械化传动操作、省工省力、使用周期长。
需要考虑到添加了染料之后是否会影响相变材料的成核结晶以及相变放热效果。因此将实验中测量的十二水合磷酸氢二钠、六水合硝酸锌以及六水合氯化钙三种相变材料分别称量10g放置于不同试管内，并且分别向试管中添加0.2g选用的染料。将这三个装有相变材料和染料混合试样的试管放置于太阳光下曝晒4h，之后测量其温度，15s记录一次温度并且绘制步冷曲线。
实施例一：相变材料为十二水合磷酸氢二钠，如图4所示，加入染料以及未加入染料的相变材料在经过一天的太阳光照射后的对比，两个试管内均装有十二水合磷酸氢二钠，右侧试管内加入了染料（浓度为0.001g/mL）。可以看出左侧试管内的材料几乎没有熔化，即吸收的光能过少没有足够的热量；而右侧试管内的材料几乎完全熔化，可以看出加入染料能够充分地利用太阳能，大大提高了材料的吸光效率，另外染料具有一定的粘稠度，能够在一定程度上缓解相分离的情况从而提高结晶效果。
另外使用紫外可见分光光度计分别测定相变材料、染料、染料和相变材料的紫外可见吸收光谱。如图5为这三种材料的吸收光谱图，其中最底下的曲线为十二水合磷酸氢二钠，其在各个波长范围内的吸光度较低，可见吸光效率较差；中间的曲线为本次实验中使用的染料浓度为0.001g/mL，其吸光度较大；最上面的曲线则是加入浓度为0.001g/mL的染料的十二水合磷酸氢二钠，其吸光度比单纯的染料还略大，可见加入染料之后的相变材料性能有了很大的提升。可以认为是相变材料具有的储热性能与染料的吸光性能结合起来使其吸光度相比于纯染料有所提升。
添加染料后的十二水合磷酸氢二钠在日晒4h后充分吸收光能（材料在接受日晒时气温大约在29~30℃左右），因此在测量时的初始温度为32.6℃。根据图6的步冷曲线可以看出，在随后的冷却过程中，材料的温度持续下降至22.3℃才开始出现相变放热升温的过程。材料相变结晶后温度从22.3℃上升至27℃左右，结晶情况如图7所示，在肉眼可以观察的范围内充分结晶。
相变材料在升温放热过程后温度在27℃左右，与理论相变温度之间有不小的差值。可能是由于过冷度太大（过冷度在10℃以上接近15℃），导致相变材料释放出来的潜热的一部分用来加热由于过冷导致温度过低的相变材料。也就是说染料对于减小十二水合磷酸氢二钠的过冷度没有什么帮助；不过相变材料的结晶状况不错，基本上成核结晶，说明染料确实缓解了相分离的情况，不仅不会阻碍相变材料发生相变，反而是帮助相变材料更好地结晶。
实施例二：相变材料为六水合硝酸锌
加入染料的六水合硝酸锌在经过4h的日晒之后，由于是第二组测量，在测量时相变材料的初始温度为29.4℃可能会稍微低了一些。从图8上的步冷曲线可以看出，相变材料在冷却过程中温度降低到26.8℃时才出现了升温过程，温度从26.8℃上升至30.7℃。六水合硝酸锌的理论相变温度按照36.4℃计算，吸光加入染料后整体材料的过冷度为9.6℃，通过与之前的测量的六水合硝酸锌的步冷曲线图对比，可以认为加入5%的染料能够略微减小六水合硝酸锌的过冷度，大约减小3-4℃的过冷度。另外加入染料后的相变温度符合实际应用要求，接近微生物保持活性的反应温度，对生物反应器中的微生物活性来说较为适宜。如图9所示，相变材料在肉眼可以观察的范围内充分结晶，也就是说染料的加入不会影响或阻碍六水合硝酸锌的成核结晶。
实施例三：相变材料为六水合氯化钙添加5%水与染料混合
和之前测量六水合氯化钙和水合物混合的步冷曲线时类似，通过加入5%的水来改良六水合氯化钙的相变温度等性能。
加入染料的六水合氯化钙在日晒4h后充分吸收光能。相变材料在测量时的初始温度为32.2℃，相变材料完全熔化。从图10上的步冷曲线可以看出，相变材料在冷却过程中温度降低到26.8℃时才出现了升温过程，相变材料从26.8℃放热升温至30.1℃后温度缓慢下降。图11是加入染料后的六水合氯化钙的结晶状况，肉眼仔细观察后，加入染料的六水合氯化钙处于充分结晶的状态。可以认为染料的加入不影响六水合氯化钙的结晶。
由于相变材料2应用在沼气池1（即生物反应器）外层保温，需要了解其对于内层材料和物质的保温效果。为此需要进行实验检测一下相变材料2的保温效果如何，采用如图3中的实验装置，在装有相变材料2的烧杯中放入装有水的试管，并且在最外层放置装着冰水混合物的烧杯。通过测量内部水的温度变化然后绘制曲线图并以此来确定相变材料的保温效果。实验过程与测量相变材料2的步冷曲线类似，只不过是把15s记录一次温度改为每10s一次记录内部水的温度。
相变材料选用的是六水合硝酸锌加上染料，比例为20g六水合硝酸锌加上0.4g染料与之前的实验一致。根据图12中的曲线变化分析，在进行实验之前将试管放置一段时间测量内部水的温度为26.5℃，外层的冰水温度为6℃。之后将试管放入烧杯的瞬间记录初始温度为28.3℃。在相变材料被冷却的同时，内部水的温度也在下降，随后相变材料结晶相变时内部水的温度随之上升至29.1℃，之后内部水的温度缓慢下降，到实验结束时温度仍保持在27.0℃左右，外层烧杯原本装的冰水温度变为26.8℃。整个实验测量了15分钟后结束。从图13可以看出相变材料充分结晶，也就是可以认为相变材料充分放热。可以认为相变材料对于内层材料还是具有保温效果的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (7)

1.一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：包括沼气池、相变材料、染料、增透膜和保温被；在沼气池外壁覆盖相变材料，染料混合在相变材料中，在相变材料的外侧均匀包裹增透膜，当相变材料吸收热量完毕后需要放出热量时，在增透膜的外侧覆盖保温被。
2.根据权利要求1所述的一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：染料为偶氮染料。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：染料为黑色。
4.根据权利要求1所述的一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：相变材料为十二水合磷酸氢二钠、六水合硝酸锌或者六水合氯化钙中一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：保温被包括毛毡层、防火布层、铝箔层和聚乙烯泡沫层；在毛毡层的上下两面分别粘合了防火布层，在毛毡层和防火布层之间粘合了聚乙烯泡沫层，铝箔层粘合在防火布层的外侧。
6.根据权利要求1所述的一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：染料为两种或者两种以上不同颜色染料混合。
7.权利要求1所述的一种提高太阳能利用的相变蓄热沼气装置，其特征在于：染料与相变材料的重量配比为：染料2-8%，相变材料92-98%。
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