在沼气工程中,螺旋盘管因具有结构简单、制作方便、换热系数大等优点,被广泛应用于厌氧发酵系统的增温加热,使用方式主要是内盘管和外盘管两种。两种盘管因安装位置的不同而各有优劣,同时也造成了传热过程的差异,进而影响了换热系数和加热效果。目前,国内外盘管增温研究对象主要是TS值较低的发酵原料,对内盘管主要研究其布置方式、温度场的模拟和管内流动特性等方面,而对外盘管加热厌氧发酵系统的研究相对较少,且多为整体换热性能研究和设计计算。在不同工况下内外盘管增温效果对比和差异性方面的研究较少,对干发酵盘管加热过程的研究更是寥寥无几。本文比较研究了在10℃、-10℃环境温度下,TS值分别为0%,8%,20%时,内、外盘管两种加热方式对发酵系统的加热过程和恒温运行过程的影响。对比分析发酵罐加热过程中,内外盘管的总传热系数、加热时长、罐内温度场分布、迪恩数De和场协同数F_c等参数,得到了总传热系数对加热时长、升温速率以及温度均匀性的影响,同时得到内外盘管在增温过程中,升温速率、温度均匀性、总传热系数以及管内速度场和温度场协同性等方面的优劣和差异性以及在长期加热增温的情况下,盘管外侧结垢对盘管总传热系数的影响。对比分析了发酵罐恒温运行过程中,不同环境温度和TS值,对内外盘管循环水泵运行时间和控温经济性等参数的影响,得到了内外盘管在维持发酵系统稳定性方面的差异性。本文主要的研究结论如下:(1)以水为加热原料时,环境温度、供热量和热水进出口位置是影响罐内升温速率和温度场不均匀程度的3个关键因素,而且对外盘管增温过程影响更为明显。供热量是对内外盘管的加热过程影响最大的因素,将供热量从11.2 kJ提高到35.1 kJ,内外盘管的总传热系数分别从70 W/(m~2·K)和9 W/(m~2·K)增加到105 W/(m~2·K)和12 W/(m~2·K),升温速率分别由0.2℃/min和0.03℃/min提升到0.5℃/min和0.05℃/min。通过对比分析内外盘管的加热时长,加热效果和抗环境干扰能力等参数得到内盘管加热方式优于外盘管方式。(2)以不同TS值的牛粪为加热原料时,原料TS值是影响内外盘管总传热系数、升温速率和罐内温度场不均匀程度的主要因素。与原料TS值相比,环境温度对内外盘管加热过程的影响最小,只是罐内温度场的不均匀程度有一定下降,同时外盘管加热的温度场不均匀程度始终低于内盘管。随着原料TS值从8%提高到20%,内外盘管的加热时长和罐内温度场不均匀程度的增幅分别为4.2倍、1.7倍和0.25℃、0.14℃,总传热系数和升温速率分别降为原来的23%、54%和7%、40%。因此,内盘管增温速率优于外盘管,但外盘管加热的罐内温度均匀性要优于内盘管。(3)随着盘管内迪恩数De的增加,盘管内温度场和速度场的协同性会变得更好,管内对流换热系数也随之增加,同时因为外盘管的曲率小于内盘管,所以加热原料为水时,外盘管的场协同数始终大于内盘管的场协同数,外盘管内对流换热系数始终大于内盘管。相同迪恩数De下,随TS值的增大,内盘管管内场协同数逐渐减小,管内对流换热系数逐渐减小,而外盘管管内场协同数逐渐增大,管内对流换热系数逐渐增大。(4)内盘管外侧的污垢热阻并不是逐渐产生的,而是在发酵罐中加入发酵原料后就存在了,之后污垢热阻随时间逐渐增大。整个试验期间,内盘管外侧污垢热阻从0.0062(m~2·K)/W增长到0.0085(m~2·K)/W,外侧对流换热系数从1640 W/(m~2·K)降低到了1520W/(m~2·K),且随着加热原料TS值的不断增大,盘管外侧污垢热阻也在不断增加,同时污垢热阻的增幅也在随之增大。(5)通过对不同环境温度下发酵罐恒温运行时,内外盘管的循环水泵运行时间和控温经济性分析,内外盘管的循环水泵运行时间和控温费用均随着环境温度的下降和加热原料TS值的增大而增长,其中外盘管始终大于内盘管,其增量也远大于内盘管。对于正常运行的高TS值恒温发酵罐,内盘管加热方式的能耗与控温经济性均优于外盘管。