基于燃池利用供热方式的研究

论文摘要

在中国农村地区每年都会产生大量的农作物废弃物,如秸秆、玉米芯、枯枝树叶等,除少量用于炊事外,大部分只能通过烧荒进行处理,这不仅造成环境污染、引发交通事故,同时也是资源的浪费。近几年在中国北方农村地区颇受欢迎的燃池采暖,则充分地利用了这些农作物废弃物,低成本地明显改善了寒冷地区农村住宅的室内热环境。但是,既有燃池采暖住宅大多凭经验搭建,存在热能利用效率较低,热传输方式不合理、有害气体泄漏等问题,因此,针对阴燃和燃池设计的深入研究对改善农村用能现状以及缓解环境压力具有重要的现实意义。首先,本研究对燃池采暖住宅的热湿环境及空气环境实测调查。调查时间为2009年和2010年冬季,实测内容包括燃池采暖房间的温度、相对湿度、燃池采暖地板表面温度、火炕炕表面温度、建筑热工特性、室外温湿度以及生活过程中室内可吸入颗粒物及C02／CO浓度等参数,依据实测结果,针对燃池采暖室内热湿环境、运行控制及存在的问题进行了深入的分析研究,探讨了燃池设计的关键指标及热量传输方式。实测结果表明当室外日平均温度低于-10℃时,燃池采暖房间的温度可以达到15℃左右,但现有的燃池采暖住宅大多凭经验搭建,缺乏专业指导,存在热能利用效率较低,热传输方式不合理、有害气体泄漏等问题。其次,对燃池阴燃过程及传热机理进行了研究。讨论了燃池顶板上下表面温度分布的不均匀程度,发现点火点的位置对长方形截面燃池的顶板上下表面温度分布均匀性的影响不是很大,圆形截面燃池顶板上下表面的温度分布的均匀程度最好。燃池内部同一水平面到峰值的时间也相差很多,燃料的含湿量越大,阴燃速度越低,含湿量增加了60%,阴燃速度减小了19%。燃池两侧侧壁外面没有土壤填充,导致侧壁散热量过大,两次阴燃的效率分别为26.2%和15.4%。积灰可以使阴燃温度降低,一般来说由于积灰覆盖产生的温降不会超过100℃。同时通过对小型阴燃炉所用燃料形式以及运行控制的研究,发现实验炉的密封性越好点火也越困难,需要加强点火热源的强度。实密度为208.83kg/m3、堆积密度为171.65kg/m3的玉米芯可以发生稳定阴燃的条件燃料棒的最大直径为34mmm,直径为40mm玉米芯燃料满足氧气充足的条件下就会出现明火。阴燃炉炉内顶部空间温度最高为200℃左右,并长期维持在100℃左右。实验发现下部进气有利于延长阴燃时间,也有利于长时间维持温度。阴燃炉排烟温度自下而上降低,温度梯度大,温降约为90℃/m。阴燃平均速率为0.155mm/min,是燃池内阴燃速度4-5倍。生物质燃料经过压缩成型制成颗粒燃料以后,密度变得很大,阴燃后灰烬的密度也很大。最后,对燃池的设计提出了初步思路。应用体积法确定燃池的体积,再根据单位面积散热量来校核计算出的面积,直至满足要求；通过计算得到玉米秸发生阴燃的空气量为4.78m3/kg,产生烟气的体积为5.6m3/kg,这可以确定燃池进气口和烟道尺寸；对燃池的控制提出了利用调温板的方法,并以阜新地区一个7m2的燃池为例,当室外平均温度为-14℃时,调温板与与烟道轴线的夹角应调整为68°。研究表明,燃池采暖可以充分利用农村大量废弃的生物质,但是燃池采暖仍然存在一些问题需要进一步完善,尽管这样,燃池对于广大农村地区而言,是一条低成本、资源循环利用、因地制宜地改善居住环境质量的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 北方农村生活用能现状
• 1.1.2 农村现有采暖方式的特点
• 1.1.3 生物质能利用技术的现状
• 1.1.4 农村地区使用燃池采暖方式的可行性
• 1.2 基于燃池利用供热方式的研究现状
• 1.2.1 燃池采暖及其传热机理的研究
• 1.2.2 燃池控制理论以及燃池实际应用的研究
• 1.3 本研究课题的提出
• 1.3.1 目前存在的问题
• 1.3.2 本研究的主要内容
• 1.3.3 研究思路
• 1.4 本章小结
• 2 阴燃过程及燃池传热机理理论基础
• 2.1 阴燃理论基础
• 2.1.1 阴燃的分类
• 2.1.2 阴燃的热过程
• 2.2 燃池传热机理
• 2.2.1 非稳态导热
• 2.2.2 自然对流换热
• 2.2.3 辐射换热
• 2.3 研究方法的选取
• 2.3.1 实测调查方法
• 2.3.2 原型试验方法
• 2.3.3 理论分析方法
• 2.4 本章小结
• 3 传统采暖方式集成应用农村住宅热性能的实测调查研究
• 3.1 实测背景
• 3.2 实测概述
• 3.2.1 实测对象
• 3.2.2 实测方法
• 3.3 采暖方式对室内环境影响的对比分析
• 3.3.1 对室内热湿环境的影响
• 3.3.2 散热面表面温度的均匀性
• 3.3.3 室内空气品质
• 3.3.4 农村住宅适应性热舒适的评价
• 3.4 目前存在的问题
• 3.5 本章小结
• 4 燃池燃烧过程及传热机理的研究
• 4.1 厂房燃池的实验研究
• 4.1.1 实验概况
• 4.1.2 测量参数及测点布置
• 4.1.3 实验工况及使用仪器
• 4.1.4 实验分析
• 4.2 燃池采暖住宅运行过程的实验研究
• 4.2.1 实测概况
• 4.2.2 测量参数及测点布置
• 4.2.3 实验工况及使用仪器
• 4.2.4 点火位置对顶板上表面温度分布均匀性的影响
• 4.3 本章小结
• 5 生物质燃料种类及燃池运行控制优化的实验研究
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 小型阴燃炉及生物质燃料种类
• 5.1.2 实验平台的搭建
• 5.1.3 测点布置
• 5.1.4 实验仪器
• 5.2 影响因素分析
• 5.2.1 燃料形式对温度分布的影响
• 5.2.2 进气位置对阴燃效果的影响
• 5.2.3 不同燃料的灰分量
• 5.3 本章小结
• 6 燃池设计方法研究
• 6.1 既有燃池的设计方法
• 6.1.1 既有设计计算方法对比
• 6.1.2 实际使用燃池的构造
• 6.2 燃池设计方法的改进
• 6.2.1 设计思路
• 6.2.2 燃池本体尺寸的确定
• 6.2.3 燃池结构和构件的设计概要
• 6.3 燃池运行控制方法的初步研究
• 6.3.1 燃池附属设备的设计方法
• 6.3.2 燃池的运行调节方法
• 6.4 本章小结
• 结论
• 创新点
• 参考文献
• 附录 既有设计计算方法的对比
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 攻读硕士学位期间主要参与的科研项目
• 攻读硕士学位期间申请的专利
• 致谢