基于太阳能热水器的沼气池温控系统设计

[摘 要]如今，沼气池以及太阳能热水器在北方农村家庭逐渐普及，由于四季温度变化，沼气池产气非常不均匀，本系统采用单片机控制，在沼气池温度低的时候用太阳能中的热水给沼气池加热，使其多产气；在沼气池温度高的时候用冷水给沼气池降温。可以解决北方农村家庭冬日里产气量不足，夏季里产气量太多造成浪费以及沼气池里的污秽物流出进而污染环境的问题。

[关键词]太阳能热水器 沼气池 单片机控制 温度

中图分类号：S216.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0266-01

一.研制背景及意义

冬日气温低，沼气池几乎不产气，而夏日气温高，产气量过大，使沼气无法充分利用，甚至溢出沼液，带来了生活不便。本装置旨在通过调节沼气池温度调节沼气产量，力求实现沼气池均衡产气。系统对比太阳能中的水温和沼气池温度，当他们达到热平衡时，系统自动关闭，避免不必要的能量浪费。

二.设计方案

控制部分为自动控制和手动控制。

2.1 自动控制

温度传感器检测水温，当水温达到平衡或者循环时间为冬季三个小时，夏季两个小时，系统自动关闭。当进料口水位过高，水位开关工作，报警系统启动。

2.2 手动控制

产气量不满足用户需要时，可手动增加或减少循环时间（每次调整15分钟）。本系统单片机的执行机构为一台300w的抽水泵，两个电磁阀控制循环电路的选择。

2.3 系统设计原理图

如图1所示，其中1，2，1’，2’代表电磁阀

2.4 系统控制原理图

画出系统控制方框图如图2所示

三.工作原理

3.1 控制模块设计

首先选择冷热循环，然后开启系统，用户选择冷热循环以及系统运行时间。若用户需要修改冷热模式，需要重新启动才可生效。温度传感器的信号通过温度变送器经A/D转换器和采样电路转后送入单片机。单片机对比沼气池中的温度和冷、热贮水箱中的温度，当达到以下要求时系统运行：

（1）若用户选择冷循环，则冷水中温度须低于沼气池温度

（2）若选择热循环，则热水箱温度须高于沼气池温度

当首先达到以下两者之一条件时系统自动关闭，等待用户操作：

（1）当用户设定时间到达时；

（2）当达到热平衡时；

3.2 报警模块设计

由于在夏天温度较高，沼气池产气量较多，对于水压式沼气池来说，会有沼液溢出的可能。为了防止这种情况的发生，本系统采用一个发光二极管和水位开关来作为报警装置。当水位达到一定警示高度时，水位开关动作，点亮警示灯，提醒用户采取对应措施，该警示灯不受单片机控制。

3.3 LED数码管设计

LED数码管用来显示沼气池、太阳能热水器以及冷水桶的当前温度，在用户需要自定义系统运行时间时数码管显示用户的调节结果，实现良好的人机交互。

3.4 温度采样模块设计

采样电路先把变送器的电流信号转为电压信号，然后通过差分放大电路降压，最后送A/D转换器，并且该模块电路与电源隔离，防止电源噪声干扰采样。

四.传热理论设计原理

4.1 沼气池需要的热量

对沼气池需要的热量进行一定的简化，忽略一些因素的影响，将沼气池所需的热量分为2部分：一部分是Q1为升高物料所需的热量；另一部分Q2为沼气池散失的热量。

（1）

（2）

式中：发酵物料密度，比热C，物料填充系数；

目前土壤系统的传热问题尚无令人满意的解析式，作为一种估算，可将散热量视为恒温半无限大导热问题。

（3）

A―液体层表面积；t-传热时间，λ-土壤传热系数，取0.5w/（m・k）；

ρ-土壤密度，约取1500；-土壤热容，取1.9；

4.2 对流传热原理

管内单相流体的强迫对流传热是工程上普遍的传热现象，比如：冷却水在内燃机气缸冷却夹套和散热器中的对流传热，机油在机油冷却系统中对流传热，由牛顿冷却公式，单管内单相流体强迫对流传热的热流量

（4）

―对流传热温差。

对流传热温差是流体温度和壁面温度之差沿整个传热面的积分平均值。如流体温度写成过余温度形式，即，流体入口和出口处流体与壁面的温差分别为和，对流传热温差为

（5）

系统可根据不同情况不同流态选择对应的对流换热实验特征关联式进行分析计算。传热机理与沉浸式热交换器相似，是使管子沉浸在装液体的容器或池内，池内的液体体积大，流速极低；管外的对流系数很小，忽略不计。可采用常用的直管或称蛇管或螺旋。该模型仅为假设的一个理想化模型，根据实际情况不同设计值与形状应有所变动。

五、结语

本系统利用太阳能，结合太阳能热水器普及性改变沼气池的温度，达到节能减排的目的，系统操作简单智能化，实现人机交互。同时我国沼气池保有量大，推广性较强。本系统的原理也可推广到更多供热领域。

参考文献

[1] 陶文铨编著.传热学.西安：西北工业大学出版社，2006.12.

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[3] 史美中，王中铮编.热交换器原理与设计.南京：东南大学出版社，

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[4] 魏新利，张富强.温度对沼气池的需热量和月份产气率的影响.湖北农机化，2011（1）.

[5] 李莉莉，施伟.太阳能沼气池自动控制系统设计与仿真 《传感器与微系统》2011年第30卷第9期.