CN103145311A

CN103145311A - 太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统

Info

Publication number: CN103145311A
Application number: CN2011104016005A
Authority: CN
Inventors: 杨鲁伟; 吕君; 张振涛; 王传奇; 庞卫科
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: CN103145311B

Abstract

本发明涉及太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，属于污泥干化技术领域。为提高太阳能污泥干化技术的能量利用率，所提供的系统包括：太阳能暖房子系统，包括暖房围护模块、底板模块及气体导流模块；热泵子系统，其热源包括外部环境大气以及中水，其连接气体导流模块，内设由蒸发器组、膨胀阀组、冷凝器、变频压缩机及管道构成的封闭循环系统，导入热空气并对湿空气除湿；还设有阀门调节器，其控制一个以上膨胀阀同时开启时各膨胀阀的开启量。该系统利用变频压缩机及阀门调节器来控制热泵子系统的运转，可保证热泵始终在较小的高低温热源温差之间运行，提高了太阳能干化系统的运行效率以及能量利用率。

Description

太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统

技术领域

本发明属于污泥干化技术领域，涉及一种太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统。

背景技术

污泥干化是市政污水处理的重要环节，也是一个能耗较大的工艺过程。通过干化处理来降低污泥的含水率可以达到资源化、稳定化、减量化和无害化的目的。目前有利用太阳能来干化污泥的技术思路，由于可以无偿地使用丰富的太阳能资源，因此能够节约大量的常规能源，具有较大的经济与环境效益。

其中，太阳能利用的主要特点包括：

(1)普遍性：太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输；

(2)无污染性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的；

(3)能源巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨的标煤，其总量是现今世界上可以开发的最大能源；

(4)长久性：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

但同时，在目前的现有技术条件下，应用太阳能也同样存在如下几点缺陷：

(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米的面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的；

(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。

基于上述原因，正是由于太阳能存在能流密度低、非连续性以及受天气影响大等各项缺点，所以仅使用太阳能则无法保证在一段时间内完成所需的污泥处理量。由此，如何更加合理并有效地利用太阳能进行污泥干化处理，是目前市政污水处理系统中一个非常有价值的课题与待完善的技术。

与此同时，目前存在一些利用热泵作为太阳能辅助能源的技术思考，其中，热泵是一种消耗少量电能或燃料能来制取大量热能的装置。主要部件为压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。然而在与太阳能系统结合应用的过程中，传统的热泵都通过控制定频压缩机的启停来维持暖房内温度的恒定。在启停机时，系统存在很大的能量损失，这完全没有充分发挥热泵的技术优势，使得能量利用率方面仍存在相当大的缺陷。

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提高太阳能污泥干化技术的能量利用率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，包括：

太阳能暖房子系统，其包括暖房围护模块、底板模块及气体导流模块；所述暖房围护模块构成所述太阳能暖房子系统的外部框架，所述底板模块用于承载待干化的污泥，所述气体导流模块用于从外部向太阳能暖房子系统内部导入热空气并将太阳能暖房子系统内部的湿空气排出；

热泵子系统，其热源包括外部环境大气以及中水，其与所述气体导流模块相连接，内设有由蒸发器组、膨胀阀组、冷凝器、变频压缩机及相应的管道构成的封闭循环系统，用于通过所述气体导流模块向所述太阳能暖房子系统内导入热空气并对从太阳能暖房子系统排出的湿空气进行除湿；

其中，所述热泵子系统中还设有阀门调节器，用于控制膨胀阀组中一个以上的膨胀阀同时开启时各个膨胀阀的开启量。

其中，所述暖房围护模块包括由对太阳光具有选择透过性的保温材料组成的围护结构。

其中，所述底板模块包括两层，下层为保温层，上层为污泥承载层。

其中，所述太阳能暖房子系统还包括保温膜层，所述保温膜层设置于所述暖房围护模块上方，所述保温膜层连接有用于将其摊开或收起的驱动装置。

其中，所述太阳能暖房子系统还包括翻泥模块，所述翻泥模块设置于污泥层上方，其中心部位设置有转筒，所述转筒上固定安装有螺纹梳刀，并连接驱动电机以在电机驱动下进行自转及直线方向上的移动。

其中，所述气体导流模块包括轴流风机、暖房排风口及暖房进风口。

其中，所述膨胀阀组的第一膨胀阀与所述蒸发器组的第一蒸发器串联设置、所述膨胀阀组的第二膨胀阀与所述蒸发器组的第二蒸发器串联设置、所述膨胀阀组的第三膨胀阀与所述蒸发器组的第三蒸发器串联设置，从而形成三组串联子管道。

其中，所述三组串联子管道并联设置，形成并联子管道。

其中，所述并联子管道与冷凝器、变频压缩机串联设置，所形成的管道与所述气体导流模块的暖房排风口及暖房进风口分别连通。

(三)有益效果

本发明技术方案与现有技术相比较，具备如下几点特征：

(1)本发明采用太阳能暖房作为污泥干化的场所，维护简单，可靠性高，且利用气体导流模块来与热泵子系统之间作湿气外排、热气内输的工作，系统结构紧凑，并利用热泵的加热、除湿功能，从而提高了污泥干化过程的能量利用率。

(2)本发明利用变频压缩机的热泵子系统，通过控制供电频率来调节变频压缩机的转速，结合阀门调节器来调整不同情况下膨胀阀的开启量进而调整蒸发器之间的能量比例，使热泵子系统的制热量随着暖房内负荷的变化而变化。由此使得变频压缩机的启动次数仅为定频压缩机的十分之一左右，使用寿命得到了延长，而且消除了定速压缩机启停时带来的能量损失。此外，在高频运行时可缩短干燥室内空气的升温时间。

(3)进一步地，根据热泵子系统的结构设置，能够实现在不同季节、不同热源需求下污泥干化系统的全年高效运行。从而克服现有的太阳能利用过程中所存在的因太阳能自身导致的诸项不足，满足了处理污泥所需要的热负荷要求，并尽可能的利用太阳能、外界空气热源及中水热源，因此，显然更进一步提高了能量利用率。

附图说明

图1为本发明所提供的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统的结构示意图。

其中：

1、暖房排风口；2、风机；3、蒸发器；4、蒸发器；5、水泵；6、进中水口；7、蒸发器；8、风机；9、室外大气进风口；10、室外大气出风口；11、变频压缩机；12、膨胀阀；13、出中水口；14、膨胀阀；15、膨胀阀；16、冷凝器；17、暖房进风口；18、驱动装置；19、保温膜层；20、围护结构；21、轴流风机；22、翻泥模块；23、污泥层；24、污泥承载层；25、保温层。

图2是本发明的污泥干化系统在以环境空气为热源的热泵子系统运行情况下的系统示意图。

图3是本发明的污泥干化系统在以中水为热源的热泵子系统运行情况下的系统示意图。

图4是本发明的污泥干化系统在同时以环境空气和中水为热源的热泵子系统运行情况下的系统示意图。

图5是本发明的污泥干化系统在除湿运行状态下的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，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。

为了提高太阳能污泥干化技术的能量利用率，本发明提供一种太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，如图1所示，所述系统包括：太阳能暖房子系统及热泵子系统；其中，

所述太阳能暖房子系统包括暖房围护模块、底板模块、气体导流模块、保温膜层19以及翻泥模块22。

所述暖房围护模块构成所述太阳能暖房子系统的外部框架，其包括由对太阳光具有选择透过性的保温材料组成的围护结构20，所述保温材料优选为玻璃或塑料薄膜或聚碳酸酯中空板，当太阳光照射到这类材料上时，由于这类材料对小波长，比如波长低于2.2μm的辐射能的穿透比很大，从而使大部分太阳能可以进入暖房。同时由于暖房中的物体温度较低，其辐射能绝大部分位于波长大于3μm的红外范围内。而玻璃或塑料薄膜对于波长大于3μm的辐射能穿透比很小，从而阻止了辐射能向暖房外的散失。因此采用太阳能暖房作为污泥干化的场所，一方面可以使大部分太阳能穿过它们进入暖房，另一方面又能阻止暖房内物体的辐射能向暖房外散失，从而达到保温效果。

所述底板模块位于暖房的底面，用于承载待干化的污泥，其分为上下两层，下层为优选由聚苯乙烯板铺成的保温层25，可以有效防止热量通过地下大量散失，上层为优选由混凝土构成的污泥承载层24，所述污泥承载层24上放置待干化的污泥层23。

所述气体导流模块用于从外部向太阳能暖房子系统内部导入热空气并将太阳能暖房子系统内部的湿空气排出；其包括轴流风机21、暖房排风口1及暖房进风口17。

所述保温膜层19设置于所述暖房围护模块上方，所述保温膜层19连接有用于将其摊开或收起的驱动装置18。优选地，所述保温膜层19为保温被，所述驱动装置18为卷帘机；在保温被收起状态下，其包裹于卷帘机的电动轴承上，白天让阳光直接透过围护结构20，加热暖房内的空气。加热后的空气通过安装在暖房中部的轴流风机21被源源不断地送到污泥层23的表层上方，和污泥层23进行热湿交换。傍晚则通过操作卷帘机将保温被摊开，覆盖在围护结构20的外侧，可以有效减少暖房内热量的散失，延缓室内空气的降温速度。

为了强化污泥和空气的热湿交换过程，暖房内还设置有翻泥模块22，所述翻泥模块22设置于污泥层23上方，其中心部位设置有转筒，所述转筒上固定安装有螺纹梳刀用来翻动污泥，并连接频率驱动电机以在电机驱动控制下进行自转及直线方向上的移动。

热泵子系统，其热源包括外部环境大气以及中水，其与所述气体导流模块相连接，内设有由蒸发器组、膨胀阀组、冷凝器16、变频压缩机11及相应的管道构成的封闭循环系统，用于通过所述气体导流模块向所述太阳能暖房子系统内导入热空气并对从太阳能暖房子系统排出的湿空气进行除湿；其中，所述热泵子系统中还设有阀门调节器(未图示)，用于控制膨胀阀组中一个以上的膨胀阀同时开启时各个膨胀阀的开启量。

其中，所述蒸发器组包括蒸发器3、蒸发器4及蒸发器7；所述膨胀阀组包括膨胀阀12、膨胀阀14及膨胀阀15。

其中，所述膨胀阀15与所述蒸发器3串联设置、所述膨胀阀组的膨胀阀14与所述蒸发器4串联设置、所述膨胀阀12与所述蒸发器7串联设置，从而形成三组串联子管道，然后，所述三组串联子管道并联设置，形成并联子管道，最后，所述并联子管道与冷凝器16、变频压缩机11串联设置，所形成的管道与所述气体导流模块的排风口1及进风口17分别连通。

下面，结合附图对该系统的工作流程进行具体描述。

为了保证在一段时间内完成所需的污泥处理量，在干化过程开始时必须一次性输入足够的热量。因此除了太阳能提供部分热负荷之外，本发明还设置有多联式热泵子系统作为辅助热源来提高能量的利用效率。多联式热泵机组由多个并联的蒸发器组成，每个蒸发器的负荷可以独立调节，因此多联式热泵具有节能、运行平稳等优点，通过和太阳能联合用于污泥的干化，还可以克服太阳能的不足，满足处理污泥所需的热负荷要求。下面，根据不同的应用情况来说明本系统的工作流程。

首先，在我国夏季当环境大气温度比污水处理厂中水的温度高时，空气源热泵子系统运行。如图2所示，开启风机2和风机8，分别从暖房排出湿空气并从室外导入热空气，然后打开膨胀阀12，保持膨胀阀14和膨胀阀15处于关闭状态。此时室外空气不断地被吸入蒸发器7除湿，蒸发器7内的制冷工质吸收大气环境中的热量而蒸发，由低温低压的液体变成低温低压的气体，经变频压缩机11升压后变成高温高压的气体，在冷凝器16中高温高压的制冷工质气体放出热量加热暖房内的空气，工质自身冷凝成液体，经膨胀阀12节流后变成低温低压的液体进入蒸发器7开始下一次循环。暖房的空气升温后被送去干化污泥层23。

然后，在我国冬季当环境大气温度比污水处理厂中水的温度低时，以中水为热源的热泵子系统运行。如图3所示，开启风机2和水泵5，打开膨胀阀14，保持膨胀阀12和膨胀阀15处于关闭状态。此时中水经由水泵5不断地送入蒸发器4，蒸发器4内的制冷工质吸收中水中的热量而蒸发，由低温低压的液体变成低温低压的气体，经变频压缩机11升压后变成高温高压的气体，在冷凝器16中高温高压的制冷工质气体放出热量加热暖房内的空气，工质自身冷凝成液体，经膨胀阀14节流后变成低温低压的液体进入蒸发器4开始下一次循环。暖房的空气升温后被送去干化污泥层23。采用中水作为热泵的低温热源是因为中水水质好于污水，对热泵蒸发器的腐蚀小，结垢慢，有利于系统长期可靠运行。

当春秋季节环境大气温度和污水处理厂中水的温度相差不大时，热泵子系统同时以空气源和中水作为热源来运行。如图4所示，开启风机2、风机8以及水泵5，打开膨胀阀12和膨胀阀14，保持膨胀阀15处于关闭状态。此时热泵同时从室外环境和中水中采集热量，通过调节变频压缩机的压缩比以及膨胀阀12、膨胀阀14的开启量，进而调节蒸发器7和蒸发器4之间的能量比例，达到节能的目的。

由此可见，无论是在哪个季节，都可以保证热泵始终在一个较小的高低温热源温差之间运行，提高了太阳能干化系统的运行效率以及能量利用率。

此外，当暖房进风口17的送风温度达到设定值后，暖房需要除湿时，热泵子系统的运行状态切换至除湿运行模式，如图5所示，开启膨胀阀15，使膨胀阀12和膨胀阀14处于关闭状态，暖房内排出的湿空气不断地被吸入蒸发器3除湿，蒸发器3内的制冷工质吸收湿空气中的热量而蒸发，由低温低压的液体变成低温低压的气体，经变频压缩机11升压后变成高温高压的气体，在冷凝器16中高温高压的制冷工质气体放出热量加热除湿后的空气，工质自身冷凝成液体，经膨胀阀15节流后变成低温低压的液体进入蒸发器3开始下一次循环。暖房的空气升温后被送去干化污泥层23，由此通过不断回收暖房排气中的热量来提高能量利用率。

综上所述，本发明提出的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，充分利用空气以及污水厂中水的热能，采用变频方式消除了传统定频压缩机启停时的能量损失，加热和除湿工况可以同时进行，系统结构紧凑，提高了污泥干化系统的全年运行效率。此外，采用太阳能暖房作为污泥干化的场所，维护简单，可靠性高。因此，整个系统节能明显，能量利用率得到显著提高。

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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，包括：

热泵子系统，其热源包括外部环境大气以及中水，其与所述气体导流模块相连接，内设有由蒸发器组(3、4、7)、膨胀阀组(12、14、15)、冷凝器(16)、变频压缩机(11)及相应的管道构成的封闭循环系统，用于通过所述气体导流模块向所述太阳能暖房子系统内导入热空气并对从太阳能暖房子系统排出的湿空气进行除湿；

2.如权利要求1所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述暖房围护模块包括由对太阳光具有选择透过性的保温材料组成的围护结构(20)。

3.如权利要求1所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述底板模块包括两层，下层为保温层(25)，上层为污泥承载层(24)。

4.如权利要求1所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述太阳能暖房子系统还包括保温膜层(19)，所述保温膜层(19)设置于所述暖房围护模块上方，所述保温膜层(19)连接有用于将其摊开或收起的驱动装置(18)。

5.如权利要求1所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述太阳能暖房子系统还包括翻泥模块(22)，所述翻泥模块(22)设置于污泥层(23)上方，其中心部位设置有转筒，所述转筒上固定安装有螺纹梳刀，并连接驱动电机以在电机驱动下进行自转及直线方向上的移动。

6.如权利要求1所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述气体导流模块包括轴流风机(21)、暖房排风口(1)及暖房进风口(17)。

7.如权利要求6所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述膨胀阀组的第一膨胀阀(15)与所述蒸发器组的第一蒸发器(3)串联设置、所述膨胀阀组的第二膨胀阀(14)与所述蒸发器组的第二蒸发器(4)串联设置、所述膨胀阀组的第三膨胀阀(12)与所述蒸发器组的第三蒸发器(7)串联设置，从而形成三组串联子管道。

8.如权利要求7所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述三组串联子管道并联设置，形成并联子管道。

9.如权利要求8所述的太阳能和多联式热泵联合的污泥干化系统，其特征在于，所述并联子管道与冷凝器(16)、变频压缩机(11)串联设置，所形成的管道与所述气体导流模块的暖房排风口(1)及暖房进风口(17)分别连通。