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浅谈厌氧罐的热平衡计算
- 2022-08-29-

  厌氧罐罐体向周围空气的对流换热会损失一部分热量,为了保持发酵温度的稳定,厌氧消化罐需要加热,为了简化罐体对空气散热的计算,假设罐内原料得到充分搅拌,每次进料能及时与罐内原料混合,罐内原料的温度均匀分布。

  1、罐体对空气的散热

  由于罐体的直径远大于壁厚,可将其简化视为大平壁,平壁的两侧分别是搅拌流动的原料和流动的空气,从内到外的传热依次是原料与罐体内壁的对流换热,罐体及保温材料内的导热,保温材料外壁与空气的对流换热。其中传热方程为:

  式中:k为换热系数,KW/(m2· K)。A为换热面积,包括罐体侧壁及罐顶的面积,m2;tstf和tair分别为原料平均温度、空气平均温度,℃;hstf 和hair 分别为原料与内壁对流换热系数和外壁与空气对流换热系数,KW/(m2·K);δc 和δpu分别为罐体壁厚、保温材料壁厚,m;λc和λpu分别为罐体材料和保温材料的导热系数,分别取75KW/(m·K)与0.03KW/(m·K)。

  其中对流换热系数hstf和hair 以通过努谢尔数得到:

  Nu =hl/λ

  努谢尔数根据流体外掠平板对流换热公式求得:

  Nu=(0.037Re0.8-817)Pr1/3

  (Re ≤107,0.6≤Pr≤60)

  式中:Nu为层流、湍流的平均努谢尔数;Re为流体雷诺数;Pr为普朗特数。

  厌氧罐周围环境空气的计算温度及风速取自《采暖通风与空气调节室外气象参数》,其他物性参数取自标准的研究所(NIST)数据库,罐内原料的物性随鸭粪含量、消化程序的不同而变化,为计算方便以水的物性参数代替,搅拌流动速度取0.1m/s。

  2、罐体从加热带的得热

  从发动机余热换热器出来的高温热水通过加热带向罐内原料放热,此换热过程原料与内壁的换热继续视为大平板对流换热,计算方程与散热方程相同,热水侧换热视为管内对流换热,传热方程为:

  式中:Qh和Qh′分别为加热带向罐体内原料的传热量和罐体通过保温材料向空气散热量,KW。kHz和kh′分别是加热的换热系数和散热换热系数,KW/(m2·K);ah为环绕罐体的加热带的换热面积,m2;hw为水侧对流换热系数,KW/(m2·K);Δtm 为 平 均 温 差,℃;Δtmax和 Δtmin为外流体的大温差和小温差,℃由于该方程组为非封闭方程组而且未知量多,所以要添加水侧的进出口热平衡方程:

  Qw= QmCpΔtw

  式中:Qw为水流带入的热量,KW;Qm为进水流量,kg/h;cp为定压比热容,J/(g·K);Δtw 为进出口水温差,℃。

  先假设水侧出口温度,进行试算,当Qh+Qh′与Qw之差实现时,可认为计算实现平衡,整个系统热平衡计算过程为:

  ①假设厌氧罐罐内原料温度t0和水侧出口温度tw2,计算进料后混合原料的温度t1;

  ②根据定性温度,计算换热方程的各参数,如Re、Nu、h、k,得到换热量Q;

  ③根据Qh+Qh′与Qw之差调整水侧出口温度tw2,直至两者误差在0.1%以内;

  ④按 Δtetf=Qw/(mstf·Cstf)得到原料在进料周期内的温升;

浅谈厌氧罐的热平衡计算