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太阳能玻璃钢沼气池的设计与性能试验 石磊，邓春岩，郑玉才，马淑英，陈立东，张亮，郑立新 （河北科技师范学院 机械电子系，河北 秦皇岛，066600） 摘要：沼气池内的温度对沼液发酵产气起着重要的作用。为了消除气候对发酵的影响，提高冬季沼气产量，依据北方地区生产实践研究设计出一种新型太阳能玻璃钢沼气罐，结合目前国际上先进的玻璃钢罐螺旋工艺技术，采用分体结构，并用太阳能热水循环系统提高玻璃钢沼气池的罐体温度，有效地提高产气率。 关键词：太阳能；玻璃钢；沼气池；热水循环系统; 设计 中图分类号： 文献标志码：A 文章编号：1672-7983（2008） 沼气作为一种清洁能源，越来越为社会所接受，农村户用沼气池被作为新农村建设的重点工程，被列入第十一个国民经济和社会发展五年规划纲要。目前推广的沼气池主要以混凝土沼气池结构为主，存在建池周期长，建池质量难以得到保证，沼气池的产气率和原料利用率低，冬天难以实现正常产气，综合性能不高等诸多问题[1]，难于形成商品，成为形成和培育沼气产业的瓶颈，影响了沼气池的推广速度。采用玻璃钢结构建造的沼气池，具有强度高、耐酸碱、抗老化、重量轻、无渗漏、施工简单等优点[2][3]；虽然目前部分地区已经有了成型的玻璃钢沼气池产品，但都没有很好的解决北方冬季产气问题。为此笔者设计了一种具有太阳能热水循环加热系统的分体式玻璃钢沼气池，该沼气池由太阳能系统和玻璃钢沼气罐体两部分组成，采用保温材料在罐体外设保温层，罐体内壁嵌入PVC导热管作为水循环管路，利用风动力将太阳能热水不断循环到罐内，增加沼液温度，能较好的解决北方冬季产气问题。 1 玻璃钢沼气池的总体结构 玻璃钢沼气池为曲流布料沼气池，罐体容积为6m3，产气率为0.25m3/m3·d，-15~ -5℃环境条件下，罐内沼液温度≥25℃；主要应用于华北地区，发酵原料为动物粪便及秸秆，同时在沼气池的设计中增加了太阳能增温装置，根据正常贮气量为日产气量的50%，可设计出水压间的容积，这样正常运转情况下就能与之相适应。 罐体的结构如图1所示，由出料口，入料口及水压间，罐体上、下半球及太阳热水循环管路组成。罐体上下半球用螺栓连接，并在上下半球连接面和螺栓两头的外表面上涂上与玻璃钢的机体材料相同的聚酯树脂，同时起到密封和防锈的效果。导热装置内嵌在玻璃钢罐体下半球夹层内，并填入聚酯树脂，增强罐体的强度及导热性。 2 沼气池罐体的设计 2.1 沼气池罐体的受力分析 基金项目：河北省科技厅新产品开发项目（课题编号。 玻璃钢沼气池处于工作状态时，对罐体上、下半球进行受力分析。罐体上半球受力分析如图2所示，罐体下半球受力如图3所示[4]。 沼气池罐体的壁厚 罐体作为压力容器承受内压力作用是，在壁上将产生2个相互垂直的主应力，它们是环向应力和径向应力。因罐体的壁厚与其内经D的比值小于1/20，所以沼气池罐体可以按照薄壁压力容器计算，参照国家标准，设计时要求罐体满足内压2个大气压，外压1个大气压下不破坏为条件，即内压为2×105 Pa，外压为1×105 Pa。 球形罐体壁厚[5]为： 式中： t—球形罐体壁厚（cm）； P—设计压力(kgf／cm2)； R—球的半径（cm）； [σy]—设计温度下所用玻璃钢的环向许用拉伸应力(kgf／cm2)。 经计算，球形罐体的壁厚应大于3.2mm，本设计取4mm。 2.3 玻璃钢沼气池罐体的强度校核 在对玻璃钢沼气池罐体上下半球进行校核时，分别求出载荷单独作用时的应力值，最后进行叠加，沼气池某一截面的应力值并不是所有载荷同时作用时最为不利，因此，对于不同部位就有不同的组合[6]。 对于罐体上半球的径向应力而言，空池状态为最不利情况，此时的载荷有：池盖自重（）+覆土载荷（）+地面活载荷（）。对于池盖环向应力而言，无地面活载荷的产气状态为最不利情况，此时的载荷有：池盖自重（）+覆土载荷（）+气压载荷（）。 根据玻璃钢罐体的加工工艺，其抗压强度大于等于160MPa，抗拉强度大于等于60MPa；所以只要使池盖最大内力处满足强度要求即可,最大应力位于池盖下边沿处。 式中： —径向应力，10512.1 N/ m； —环向应力，10512.1 N/ m； —抗压强度，MPa； —抗拉强度，MPa； S —安全系数，一般取4~6。 经计算，160 MPa， 60 MPa，故满足强度要求。 3 太阳能热水循环系统的设计 罐体内的沼液的温度主要通过太阳能热水循环系统进行控制，其热水循环系统原理如图4所示。罐体下半球布置螺旋形的密封加热管路，当罐体内温度过低时，打开热水循环阀，太阳能热水器中的热水通过螺旋形的PVC导热管进行循环，利用风动力带动低转速热水循环泵，加速太阳能热水循