CN102765864A - 温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置及方法 - Google Patents

温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置及方法 Download PDF

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王传奇
杨鲁伟
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Abstract

本发明太阳能干燥装置技术领域，具体公开了一种温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置及方法，该装置包括：具有进气口、出气口的温室；干化床，设置在所述温室中；热泵机组，设置在所述温室外，用于吸收外界介质的热量并利用该热量对液体工质进行加热；地面辐射机构，设置在所述干化床的下方，与所述热泵机组连接，用于利用所述液体工质的热量对所述温室的物料和空气进行加热；控制中心，与所述热泵机组连接，用于根据太阳能强度对热泵机组进行控制。本发明能够节能、高效的利用太阳能和污水的热量对温室中的物料进行加热干燥。

Description

温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置及方法
技术领域
本发明涉及太阳能干燥装置技术领域，特别涉及一种温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置及方法。
背景技术
随着节能减排政策的深入进行，太阳能的利用越来越广泛，在发展太阳能发电等方式的同时，古老的太阳能热利用又重新被人们重视起来。太阳能的热利用使用的太阳能属较低品位的能，除用在热水器上之外，低温(＜100℃)干燥领域内太阳能的作用正被越来越多的发掘出来。太阳能的干燥装置主要分为：温室型、集热型和两者结合的整体型。其中温室型太阳能干燥装置其温室就是干燥室，干燥室直接接受太阳的辐射能。这种干燥装置实际上是具有排湿能力的太阳能温室，其主要持点是集热部件与干燥室结合成一体。工作时，阳光透过玻璃盖板直接照射在待干燥物品上，部分阳光被温室壁吸收，于是室内温度逐渐上升，通过空气对流带走物品蒸发的水分，并从排气囱排出，达到干燥目的。但是这种传统结构排气中的热能直接流失，未能进行回收利用，并且适用于工业干燥时，能量密度太低，连续性差，无法满足生产的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何节能、高效的利用太阳能和污水的热量对温室中的物料进行加热干燥。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，包括：
具有进气口、出气口的温室；
干化床，设置在所述温室中；
热泵机组，设置在所述温室外，用于吸收外界介质的热量并利用该热量对液体工质进行加热；
地面辐射机构，设置在所述干化床的下方，与所述热泵机组连接，用于利用所述液体工质的热量对所述温室的物料和空气进行加热；
控制中心，与所述热泵机组连接，用于根据太阳能强度对热泵机组进行控制。
其中，所述热泵机组包括：
压缩机和膨胀阀；
蒸发器和冷凝器，所述蒸发器分别通过压缩机和膨胀阀与冷凝器连接，所述蒸发器还与污水管连接。
所述地面辐射机构包括：
面层，位于所述干化床的下方；
填充层，位于所述面层的下方；
加热管，位于所述填充层中，其两端伸出所述填充层；
分水器和集水器，分别连接在所述加热管的两端和所述冷凝器之间。
进一步地技术方案中，还包括：绝热层，位于所述填充层的下方。
还包括：防护层，铺设在所述绝热层的下方。
还包括：扰流风机，通过钢架固定在所述温室内顶部。
所述温室上设置有风门及传感器，所述风门及传感器与控制中心连接。
所述温室上设置有进料门和出料门。
所述干化床上安装有翻泥机。
所述分水器和集水器上均安装有平衡水箱和排水管。
所述温室外对应于进气口的位置设置有保护墙。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种温室型太阳能污水源热泵联合干燥方法，包括如下步骤：
步骤S1、控制中心检测太阳能强度并判断是否达到设定值，是则执行步骤S2；否则执行步骤S3；
步骤S2、所述控制中心控制关闭热泵机组，太阳能透过温室产生的热量对污泥物料和室内空气进行加热，翻泥机对污泥物料进行搅翻，扰流风机对室内空气进行翻动，执行步骤S4；
步骤S3、所述控制中心控制开启热泵机组，热泵工质吸收污水的热量并将热量传给液体工质，液体工质将热量传给温室内部，执行步骤S4；
步骤S4、所述控制中心监测温室室内的状态是否达到预设排气点，是则开启风门，所述风门控制排气口打开，所述温室内的空气由排气口排出。
所述步骤S3中热泵工质吸收污水的热量并将热量传给液体工质，液体工质将热量传给温室内部具体包括：
热泵工质在蒸发器中与污水进行热交换，吸收污水所含热量，压缩机对热交换后的热泵工质进行进一步的加压提温，然后在冷凝器中所述热泵工质将热量传递给液体工质，液体工质在加热管中流动，将热量传递给温室内部。
(三)有益效果
上述技术方案具有如下有益效果：
1、本发明属于采用温室作为利用太阳能热干燥污泥的设备，既满足了采集太阳能的面积需要，又起到了污泥仓库的作用，且成本远低于太阳能集热器，高效、节能；
2、本发明将热泵机组做为太阳能不足时候的补充，回收污水处理厂的污水含有的热量，这种工况下的热泵效率会大大提高，进一步地达到了节能的目的；
3、地面辐射的加热方式使污泥内部底部温度高于顶部温度，这在干燥动力学上明显优于污泥表面温度高于内部温度的情况，提高了传质(除湿)速率。
附图说明
图1是本发明实施例的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置的剖面图；
图3是本发明另一实施例的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置的地面辐射机构的结构图；
图4是本发明实施例的温室型太阳能污水源热泵联合干燥方法的流程图。
其中，1：温室；2：排气口；3：风门；4：进气口；5：保护墙；6：干化床；7：污泥物料；8：面层；9：填充层；10：绝热层；11：防护层；12：加热管；13：分水器；14：集水器；15：水泵；16：冷凝器；17：膨胀阀；18：压缩机；19：蒸发器；20：污水泵；21：污水管；22：分水器前水泵；23：排气管；24：平衡水箱；25：进料门；26：出料门；27：翻泥机；28：扰流风机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明实施例的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置的结构示意图，本装置包括温室1、位于温室1内的干化床6、翻泥机27和扰流风机28；位于温室1内的地面辐射机构，用于将外界的热量传导至温室内；位于温室1外的与地面辐射机构连接的热泵机组，用于吸收来自污水处理厂的污水的热量并利用该热量对水进行加热，利用水将热量传导至温室1内。还包括位于温室1外的控制中心(未示出)。地面辐射机构包括绝热层10、填充层9、加热管12、面层8、分水器13、集水器14以及水泵；热泵机组包括压缩机18、蒸发器19、膨胀阀17以及冷凝器16。
其中，温室1采用PC阳光板制作，其侧面开设有进气口4，外界新鲜空气由进气口4自由进入温室1，温室1的顶端开设有排气口2，以供温室1中的气体排出室外。温室1上还开设有进料门25和出料门26，分别用于将污泥物料7送入温室1，以及将干燥后的污泥物料7送出温室1。出风口2的开启关闭状态由设置在温室1顶棚的风门3控制，控制中心监测到温室1内参数(例如室内温度或湿度)达到预设值时控制风门3开启出风口2，并排气。具体地可以设置温度或湿度传感器检测温室内的状态。
温室1中设有干化床6，用于放置污泥物料7。干化床6的下方铺设有面层8，采用水泥砂浆、混凝土等材料制作，用于支撑干化床6；面层8的下面为填充层9，填充层9用于铺设加热管12，同时能够保护加热管12并使其温度均匀，填充层9一般采用C15豆石混凝土制作；填充层9的下方则为绝热层10，用于减少温室1内的热量损失，可采用聚苯乙烯泡沫塑料板制作；优选地，绝热层10的下方还铺设防护层11，以防止地面下的地下水或潮气透过绝热层10渗入到温室1中。
加热管12的两端伸出温室1的部分，一端首先与集水器14连接，然后与从集水器14中引出并与冷凝器16连接，加热管12的另一端首先与循环水泵15连接，然后从水泵15引出并与冷凝器16的另一端连接，冷凝器16的一端与压缩机18连接，压缩机18与蒸发器19连接，蒸发器19通过膨胀阀17与冷凝器16的另一端连接，蒸发器19还分别与污水处理厂的污水管21以及污水泵20连接。
优选地，在对应于进气口4的地方，设置有保护墙5，用于抵挡雨雪灰尘进入温室1。
优选地，干化床6上在进料门25和出料门26之间的位置设置有轨道，轨道上有翻泥机27沿轨道来回运动，不断破坏污泥物料7的干化表面结成的致密结构提高水分排出效率。温室1内顶部通过钢架固定有扰流风机28，向污泥物料7吹风，使得温室1内的空气上下翻腾使得水分在其中充分扩散。
再如图3所示，优选地，在分水器13和集水器14上，均设置有平衡水箱23和排气管23，其中平衡水箱23用于对分水器13中的水量进行自动调节，排气管23用于排出水中的气体。
图3为本发明实施例的另一结构示意图，对于长度较长的温室，用一个供水和回水的加热管布置方式将加大质量要求及成本，且温度的均匀分布难度加大，故需分为若干(具体数量视温室面积)段区域分别供回水，加入分水器和集水器对流量分配做总调控。如图3所示，加热管可以为盘旋结构。
本发明的原理为：温室部分通过自然通风排出室内高含湿量的空气，达到干化污泥物料的目的；当太阳能不充足时，开启热泵机组、加热管循环的阀门和水泵，达到均匀加热温室地面的作用。热泵主要用于回收从污水热源中吸收低品位的热量变为高品位热量通过地面供入到温室当中。
本实施例中热泵机组的工作原理为：污水管21内的污水在污水泵20的作用下进入蒸发器19中，蒸发器19中的热泵工质与污水进行热交换，工质吸收污水的热量，并送入压缩机18将热泵工质压缩成高温高压的状态，然后压缩后的热泵工质进入冷凝器16与液体工质进行热交换，本实施例中的液体工质具体为水，热泵工质放出热量给水，加热后的水通过水泵22进入分水器13，并进一步通过水泵15泵入到加热管12中，加热管12中的水与加热管12周围的填充层9进行换热，换热之后的水进入到集水器14中，集水器14中的水进入到冷凝器16中，进行再一轮的热循环。冷凝器16出来的热泵工质进入膨胀阀17进行进一步地降温降压，然后进入到蒸发器19中进行下一轮的循环。
如图4所示，为本发明实施例的温室型太阳能污水源热泵联合干燥方法的流程图，也即本发明的装置的工作原理，包括如下步骤：
步骤S1、控制中心检测太阳能强度，是否达到设定值，是则执行步骤S2；否则执行步骤S3；
太阳能强度达到设定值是指太阳能强度足够大温室内温度足够高的情况，此时无需热泵机组工作便可以较快较好的完成污水物料的干燥工作；
步骤S2、控制中心控制关闭热泵机组，太阳能透过温室产生的热量对污泥物料和室内空气进行加热，翻泥机对污泥物料进行搅翻，扰流风机对室内空气进行翻动，执行步骤S4；
具体地，光线从PC阳光板制作的温室射入室内，太阳热量对污泥物料和室内空气进行加热，翻泥机对污泥物料进行搅翻，污泥表面水蒸气压差增大，水分不断扩散至污泥表面附近的空气中，由于扰流风机上下翻动温室内的空气，水蒸气便迅速扩散至整个温室内的空气中，达到高温高湿的状态；
步骤S3、控制中心控制开启热泵机组，热泵工质吸收外界介质的热量并将热量传给液体工质，液体工质将热量传给温室内部，执行步骤S4；
具体地，外界介质采用污水处理厂的污水，液体工质采用水。热泵工质在蒸发器中与污水进行热交换，吸收污水所含热量，通过冷凝器将吸收的污水的热量加上压缩机所作的功以较高温度形式传给加热管中的工质水，热水在加热管中流动，通过填充层的均匀分布作用，向上传递，最后热量到达直至干化床对物料污泥进行加热。
步骤S4、控制中心监测温室室内的状态是否达到预设排气点，是则开启风门，风门控制排气口打开；
由于热膨胀上升原理，温室内空气在自然对流作用下由排气口排出，新鲜环境空气由排气的负压引导从进气口进入，达到置换通风的效果，排出水分，新一轮除湿循环开始。
在阴雨天气或夜晚的时候，为了避免温室内热量从屋顶的排气口损失过多，可在温室顶部加盖保温被。
热泵技术可以通过花费少量的电能，从环境或废热热源中获取大量的更高温度热能，这个效率在热回收温差在低温热源温度与获取的温度差值较小时尤其明显。因此，使用污水厂经过其他工艺处理的污水，可以充分利用其低品位热量，同时因其温度高于环境，利用效率高，于是温室与热泵互补既能高效地做好太阳能热利用，又能将热泵在高能效工况下对太阳能进行补充。
由以上实施例可以看出，本发明提供的装置具有如下有益效果：
1、本发明属于采用温室作为利用太阳能热干燥污泥的设备，既满足了采集太阳能的面积需要，又起到了污泥仓库的作用，且成本远低于太阳能集热器，高效、节能；
2、本发明将热泵机组做为太阳能不足时候的补充，回收污水处理厂的污水含有的热量，这种工况下的热泵效率会大大提高，进一步地达到了节能的目的；
3、地面辐射的加热方式使污泥内部底部温度高于顶部温度，这在干燥动力学上明显优于污泥表面温度高于内部温度的情况，提高了传质(除湿)速率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，包括：
具有进气口、出气口的温室；
干化床，设置在所述温室中；
热泵机组，设置在所述温室外，用于吸收外界介质的热量并利用该热量对液体工质进行加热；
地面辐射机构，设置在所述干化床的下方，与所述热泵机组连接，用于利用所述液体工质的热量对所述温室的物料和空气进行加热；
控制中心，与所述热泵机组连接，用于根据太阳能强度对热泵机组进行控制。
2.如权利要求1所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述热泵机组包括：
压缩机和膨胀阀；
蒸发器和冷凝器，所述蒸发器分别通过压缩机和膨胀阀与冷凝器连接，所述蒸发器还与污水管连接。
3.如权利要求2所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述地面辐射机构包括：
面层，位于所述干化床的下方；
填充层，位于所述面层的下方；
加热管，位于所述填充层中，其两端伸出所述填充层；
分水器和集水器，分别连接在所述加热管的两端和所述冷凝器之间。
4.如权利要求3所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，还包括：绝热层，位于所述填充层的下方。
5.如权利要求4所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，还包括：防护层，铺设在所述绝热层的下方。
6.如权利要求1所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，还包括：扰流风机，通过钢架固定在所述温室内顶部。
7.如权利要求1所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述温室上设置有风门及传感器，所述风门及传感器与控制中心连接。
8.如权利要求1所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述温室上设置有进料门和出料门。
9.如权利要求1所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述干化床上安装有翻泥机。
10.如权利要求1所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述分水器和集水器上均安装有平衡水箱和排水管。
11.如权利要求1-10中任意一项所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥装置，其特征在于，所述温室外对应于进气口的位置设置有保护墙。
12.温室型太阳能污水源热泵联合干燥方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、控制中心检测太阳能强度并判断是否达到设定值，是则执行步骤S2；否则执行步骤S3；
步骤S2、所述控制中心控制关闭热泵机组，太阳能透过温室产生的热量对污泥物料和室内空气进行加热，翻泥机对污泥物料进行搅翻，扰流风机对室内空气进行翻动，执行步骤S4；
步骤S3、所述控制中心控制开启热泵机组，热泵工质吸收污水的热量并将热量传给液体工质，液体工质将热量传给温室内部，执行步骤S4；
步骤S4、所述控制中心监测温室室内的状态是否达到预设排气点，是则开启风门，所述风门控制排气口打开，所述温室内的空气由排气口排出。
13.如权利要求12所述的温室型太阳能污水源热泵联合干燥方法，其特征在于，所述步骤S3中热泵工质吸收污水的热量并将热量传给液体工质，液体工质将热量传给温室内部具体包括：
热泵工质在蒸发器中与污水进行热交换，吸收污水所含热量，压缩机对热交换后的热泵工质进行进一步的加压提温，然后在冷凝器中所述热泵工质将热量传递给液体工质，液体工质在加热管中流动，将热量传递给温室内部。
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