CN105907635A - 恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恒温发酵沼气池的太阳能‑热泵联合加热系统，包括太阳能集热系统、沼气池恒温保温加热系统、原料加热系统和控制器，太阳能集热系统包括太阳能集热器组、储热水箱、太阳能‑酸化池加热器、酸化池、废液池加热器、废液池；沼气池恒温保温加热系统包括第一热泵换热器、沼气池、外置恒温加热器、储热水箱、第一热泵、PCM模块、保温层；原料加热系统包括太阳能‑酸化池加热器、第二热泵、第二热泵换热器、废液池、余热换热器、热泵‑酸化池加热器、酸化池。本发明具有减小太阳能集热系统储热水箱体积、提高第二热泵和太阳能集热器的集热效率、提高沼气池内沼液温度均匀性、改善发酵罐保温性能和沼气池温度稳定性的有益效果。

Description

恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统
技术领域
本发明涉及沼气池，特别涉及一种恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统。
背景技术
沼气发酵是沼气工程的核心环节，是一个复杂的微生物作用过程，而发酵料液温度及其控制对沼气发酵过程具有很大的影响。可再生能源具有清洁无污染的优点，是沼气池料液厌氧发酵的理想增温能源。
中国专利CN200810163449.4提出一种中高温发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统，该系统以太阳能为主要热源，主要由太阳能集热系统、原料加热系统和厌氧发酵罐恒温加热系统等组成，具有能源利用率高、优先并充分利用太阳能、储热方式更为合理等优点。但也存在一些不足：一是沼液经酸化池后输入发酵罐的温度较低，需在发酵罐内增温；二是发酵罐沼液增温供热管道内热水需要较高的温度，以保证加热盘管有较高的传热效率，但提高增温热水温度会导致太阳能集热器和热泵的热效率降低；三是利用盘管在沼气池内加温会导致沼液的温度均匀性差，不利于沼气发酵，且加热盘管安装在沼气池内部表面易结垢，降低传热效率。
中国专利CN204138656U提出一种集装箱模块式沼气池，集装箱内设有罐体，罐体与集装箱之间设有支撑架，罐体外部缠绕有加热水管，罐体两端分别设有进料口及排料口，罐体内部设有搅动轴，搅动轴的一端设有电机。该沼气池具有使用方便、安装快捷、降低成本、方便运输、减少碳堆积的优点。但是，该系统罐体与集装箱之间有间隔，加热水管在罐体外部，经酸化池后输入沼气池的沼液温度较低，沼液加热需要温度较高的热水，而且向罐体外部的散热大,罐体与集装箱之间的间隔影响水管向罐体内沼液传热。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于酸化池、废液池和水箱联合储热的低温恒温加热、及相变材料（简称PCM）模块保温的恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统，体积小、热效率高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统，包括太阳能集热系统、沼气池恒温保温加热系统、原料加热系统和控制器，
所述太阳能集热系统包括太阳能集热器组、储热水箱、太阳能-酸化池加热器、酸化池、废液池加热器、废液池，由三个分系统组成：第一分系统，所述太阳能集热器组的输出端通过第一循环管道、第九循环管道连通所述储热水箱上部第一进水口，储热水箱下部第一出水口通过第八循环管道、第七循环管道与所述太阳能集热器组的输入端相连，第七循环管道上设有第一循环水泵，当太阳能集热器组的出口端温度高于储热水箱设定温度时，所述控制器启动第一三通转换阀连通第一循环管道和第九循环管道，第一分系统运行；第二分系统，太阳能集热器组通过所述第一循环管道、所述第一三通转换阀、所述第二循环管道和第五循环管道连接到所述太阳能-酸化池加热器的输入端，太阳能-酸化池加热器的输出端通过第六循环管道连接到第七循环管道进入太阳能集热器组的输入端，第五循环管道上设有第三电磁阀和第三循环水泵，当太阳能比较充足，储热水箱内热水温度达到储热水箱设定温度时，所述控制器启动第一三通转换阀连通第一循环管道和第二循环管道，同时启动第三电磁阀，第二分系统运行；第三分系统，太阳能集热器组通过所述第一循环管道、第一三通转换阀、第二循环管道和第四循环管道连接到所述废液池加热器的输入端，废液池加热器的输出端通过第三循环管道连接到所述第七循环管道进入太阳能集热器组的输入端，当酸化池中的料液温度达到酸化池设定温度时，所述控制器启动第一三通转换阀连通第一循环管道和第二循环管道，同时关闭第三电磁阀，启动第二电磁阀，第三分系统运行，所述第四循环管道上设有第二电磁阀和第二循环水泵，所述第三循环管道、所述第六循环管道、所述第七循环管道和所述第八循环管道之间通过四通连接；
所述沼气池恒温保温加热系统包括第一热泵换热器、沼气池、外置恒温加热器、储热水箱、第一热泵、PCM模块、保温层，所述储热水箱下部第三出水口通过第十一循环管道连通所述外置恒温加热器的进水口，所述外置恒温加热器的出水口通过第十循环管道连通储热水箱的上部第三进水口，所述第十循环管道上设有第八循环水泵和第五电磁阀；外置恒温加热器的加热管紧贴沼气池壁，在外置恒温加热器外面有一层保温层，所述保温层内侧均匀布置PCM模块；所述第一热泵高温端的两个水管接口分别连接储热水箱上部第二进水口和储热水箱下部第二出水口，所述第一热泵的低温端低温水入口通过第十二循环管道连接废液池中的第一热泵换热器的低温水出口，第一热泵的低温水出口通过第十三循环管道连接所述第一热泵换热器的低温水入口，第一热泵与所述储热水箱上部第二进水口的连接管道上设有第一电磁阀，第一热泵与储热水箱下部第二出水口的连接管道上设有第九循环水泵，所述第十二循环管道上设有第十循环水泵；
所述原料加热系统包括所述太阳能-酸化池加热器、第二热泵、第二热泵换热器、废液池加热器、所述废液池、余热换热器、热泵-酸化池加热器、酸化池，废液从所述沼气池的出料口通过出料管道连接所述余热换热器的输入端，换热后经余热换热器的输出端进入所述废液池，所述出料管道上设有第七水泵；所述第二热泵的低温水入口和低温水出口分别连接所述第二热泵换热器的低温水出口和低温水入口，第二热泵的高温水出口连接所述热泵-酸化池加热器的高温水入口，第二热泵的高温水入口连接热泵-酸化池加热器的高温水出口，第二热泵与热泵-酸化池加热器的高温水入口连接管道上设有第四循环水泵，第二热泵与热泵-酸化池加热器的高温水出口连接管道上设有第四电磁阀，第二热泵与所述第二热泵换热器的连接管道上设有第五循环水泵，新鲜料液进入所述酸化池加热后通过进料管道从沼气池的进料口进入沼气池，所述进料管道上设有第六水泵。
所述保温层采用加气混凝土块、泡沫混凝土块、聚苯板或者聚氨酯。
所述相变材料模块采用十二水磷酸-氢钠，封装成圆台状的模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、利用酸化池、废液池与储热水箱三个部分联合储存太阳能热量，太阳能集热器组首先给储热水箱加热，直至达到储热水箱加热设定温度，其次加热酸化池中的沼液，直至酸化池中的沼液达到沼液发酵温度，最后加热废液池中的废液，三者同时用来储存太阳能可以将太阳能热量分散储存，减小太阳能集热系统储热水箱体积，酸化池储存的太阳能初步加热进入沼气池中的沼液，达不到沼液发酵温度时利用第二热泵吸收废液池中的热量传递给酸化池进一步加热，废液池作为储存太阳能的第三个部分吸收太阳能热量后温度升高可以提高第二热泵的热效率；2、改发酵罐内沼液增温为发酵罐外保温加热，沼液在进入沼气池前已经在酸化池中加热到发酵温度，沼气池只需要保持沼气池内部沼液温度维持恒定即可，这样可降低储热水箱提供给沼气池换热器中的热水温度，提高太阳能集热器的集热效率，外置恒温加热器在沼气池外均匀排布可使沼气池内沼液温度更为均匀；3、采用PCM模块和外保温层改善发酵罐保温性能和沼气池温度稳定性。
附图说明
图1 为本发明结构示意图；
图2 为保温层横切面图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统，包括太阳能集热系统、沼气池恒温保温加热系统、原料加热系统和控制器。沼气池总容量是500m3，酸化池容量是75m3，废液池容量是1000m3，太阳能集热器面积是60m2，第一热泵和第二热泵额定功率均为4kw，沼气池内部温度在夏季可设置为55℃，冬季设置为35℃。
夏季整个控制方式与冬季的区别仅仅在于设定温度的不同，在夏季，沼气池和酸化池的设定温度均为55℃，储热水箱设定温度是57℃；在冬季，沼气池和酸化池的设定温度均为35℃，储热水箱设定温度是37℃。以冬季为例说明具体实施方式。
太阳能集热系统包括太阳能集热器组1、储热水箱14、太阳能-酸化池加热器2、酸化池10、废液池加热器5、废液池7，包括三个分系统，采用温差方式运行，将太阳能集热器组收集到的热量用热水方式分别储存在储热水箱、酸化池和废液池中。
当太阳能集热器组1的出口端温度高于37℃时，所述控制器启动第一三通转换阀S1连通第一循环管道K1和第九循环管道K9，第一分系统运行。
第一分系统，太阳能集热器组首先给储热水箱加热储能。太阳能集热器组1输出的热水经第一循环管道K1、第九循环管道K9、储热水箱14的上部第一进水口14a进入储热水箱14，储热水箱14下部第一出水口14b通过第八循环管道K8、第七循环管道K7与太阳能集热器组1的输入端相通，第七循环管道K7上设有第一循环水泵B1，集热水按上述回路进行流动，直到储热水箱14内的热水温度达到37℃。
当太阳能比较充足，储热水箱14内热水温度达到37℃时，所述控制器启动第一三通转换阀S1连通第一循环管道K1和第二循环管道K2，同时启动第三电磁阀D3，第二分系统运行。
第二分系统，太阳能集热器组给酸化池加热储能。太阳能集热器组1中的热水经第一循环管道K1、第一三通转换阀S1、第二循环管道K2、第五循环管道K5进入太阳能-酸化池加热器2的输入端2a，太阳能-酸化池加热器2的输出端2b连接第六循环管道K6、第七循环管道K7进入太阳能集热器组1的输入端，第五循环管道K5上设有第三电磁阀D3和第三循环水泵B3，直到酸化池10内的料液温度达到35℃。
当酸化池10中的料液温度达到酸化池设定温度35℃时，所述控制器启动第一三通转换阀S1连通第一循环管道K1和第二循环管道K2，同时关闭第三电磁阀D3，启动第二电磁阀D2，第三分系统运行。
第三分系统，太阳能集热器组给废液池加热储能。太阳能集热器组1中的热水经第一循环管道K1、第一三通转换阀S1、第二循环管道K2、第四循环管道K4进入废液池加热器5的输入端5a，废液池加热器5的输出端5b通过第三循环管道K3、第七循环管道K7进入太阳能集热器组1的输入端，第四循环管道K4上设有第二电磁阀D2和第二循环水泵B2。第三循环管道K3、第六循环管道K6、第七循环管道K7和第八循环管道K8之间通过四通连接。
通过如下运行方式，对沼气池进行恒温保温：
沼气池恒温保温加热系统包括第一热泵换热器6、沼气池11、外置恒温加热器12、储热水箱14、第一热泵13、PCM模块16、保温层17，当储热水箱14的热水温度达到37℃且外置恒温加热器12的出水口12a处的温度低于35℃时所述控制器启动第五电磁阀D5，热水从储热水箱14下部第三出水口14f经第十一循环管道K11、第五电磁阀D5第八循环水泵B8进入外置恒温加热器12的进水口12b，外置恒温加热器12出水口12a通过第十循环管道K10进入储热水箱14的上部第三进水口14e，第十循环管道K10上设有第八循环水泵B8和第五电磁阀D5。
当太阳能不足，储热水箱14中的热水温度低于37℃时，所述控制器启动第一电磁阀D1和第一热泵13，储热水箱14中的水经下部第二出水口14d进入第一热泵13，经热泵加热后从储热水箱14上部第二进水口14c进入储热水箱14。第一热泵13低温端低温水入口13a通过第十二循环管道K12连接废液池7中的第一热泵换热器6的低温水出口6a，第一热泵13低温水出口13b通过第十三循环管道K13连接第一热泵换热器6的低温水入口6b，第一热泵13与储热水箱14上部第二进水口14c的连接管道上设有第一电磁阀D1，第一热泵13与储热水箱14下部第二出水口14d的连接管道上设有第九循环水泵B9，第十二循环管道K12上设有第十循环水泵B10。
沼气池外置恒温加热器12的换热盘管外有一层保温层17，保温层17选用加气混凝土块、泡沫混凝土块、聚苯板或者聚氨酯，并且保温层17上均匀排布PCM模块16，PCM模块16由相变材料制成，封装成圆台状的模块，上下底圆直径分别为40mm和65mm，高为25mm。可选择相变温度与沼气池发酵温度相近的相变材料，本例中选取十二水磷酸-氢钠。
当外置恒温加热器12换热盘管温度达到PCM模块16相变温度35℃时，PCM模块16吸热产生相变由固态变成液态，储存热量；当外界供热不足，外置恒温加热器12换热盘管温度低于PCM模块16的相变温度35℃时，PCM模块16固化逐渐放热，维持沼气池温度场稳定。
通过如下运行方式对原料进行加热：
原料加热系统包括所述太阳能-酸化池加热器2、第二热泵3、第二热泵换热器4、所述废液池7、余热换热器8、热泵-酸化池加热器9、酸化池10，原料加热在酸化池10中完成，一部分从太阳能-酸化池加热器2处得热，其他部分热量的获得来自余热换热器8和热泵-酸化池加热器3。沼气池废液从沼气池11的出料口11b通过出料管道L2进入余热换热器8的输入端8a，经过换热后由余热换热器8的输出端8b进入废液池7，出料管道L2上设有第七水泵B7。
当酸化池10中料液温度低于35℃时，所述控制器启动第四电磁阀D4和第二热泵3。第二热泵3的低温水入口3c和低温水出口3d分别连接第二热泵换热器4的低温水出口4a和低温水入口4b，第二热泵3的高温水出口3a连接热泵-酸化池加热器9的高温水入口9a，第二热泵3的高温水入口3b连接热泵-酸化池加热器9的高温水出口9b，第二热泵3与热泵-酸化池加热器9的高温水入口9a连接管道上设有第四循环水泵B4，第二热泵3与热泵-酸化池加热器9的高温水出口9b连接管道上设有第四电磁阀D4，第二热泵3与第二热泵换热器4的连接管道上设有第五循环水泵B5，新鲜料液进入酸化池10加热后通过进料管道L1从沼气池11的进料口11a进入沼气池，进料管道L1上设有第六水泵B6。
各三通转换阀、循环水泵、电磁阀均由检测控制系统进行自动控制，从而实现热水按照不同的回路自动流通。

Claims (3)

1.一种恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统，包括太阳能集热系统、沼气池恒温保温加热系统、原料加热系统和控制器，其特征在于：
所述太阳能集热系统包括太阳能集热器组（1）、储热水箱（14）、太阳能-酸化池加热器（2）、酸化池（10）、废液池加热器（5）、废液池（7），由三个分系统组成：第一分系统，所述太阳能集热器组（1）的输出端通过第一循环管道（K1）、第九循环管道（K9）连通所述储热水箱（14）上部第一进水口（14a），储热水箱（14）下部第一出水口（14b）通过第八循环管道（K8）、第七循环管道（K7）与所述太阳能集热器组（1）的输入端相连，所述第七循环管道（K7）上设有第一循环水泵（B1），当太阳能集热器组（1）的出口端温度高于储热水箱（14）设定温度时，所述控制器启动第一三通转换阀（S1）连通第一循环管道（K1）和第九循环管道（K9），第一分系统运行；第二分系统，太阳能集热器组（1）通过所述第一循环管道（K1）、所述第一三通转换阀(S1)、所述第二循环管道(K2)和第五循环管道(K5)连接到所述太阳能-酸化池加热器（2）的输入端(2a)，太阳能-酸化池加热器（2）的输出端(2b)通过第六循环管道(K6)连接到第七循环管道（K7）进入太阳能集热器组（1）的输入端，所述第五循环管道(K5)上设有第三电磁阀(D3)和第三循环水泵(B3)，储热水箱（14）内热水温度达到储热水箱（14）设定温度时，所述控制器启动第一三通转换阀（S1）连通第一循环管道（K1）和第二循环管道（K2），同时启动第三电磁阀（D3），第二分系统运行；第三分系统，太阳能集热器组（1）通过所述第一循环管道（K1）、第一三通转换阀（S1）、第二循环管道（K2）和第四循环管道（K4）连接到所述废液池加热器（5）的输入端（5a），废液池加热器（5）的输出端（5b）通过第三循环管道（K3）连接到所述第七循环管道（K7）进入太阳能集热器组（1）的输入端，当酸化池（10）中的料液温度达到酸化池（10）设定温度时，所述控制器启动第一三通转换阀（S1）连通第一循环管道（K1）和第二循环管道（K2），同时关闭第三电磁阀（D3），启动第二电磁阀（D2），第三分系统运行，所述第四循环管道（K4）上设有第二电磁阀（D2）和第二循环水泵(B2)，所述第三循环管道(K3)、所述第六循环管道(K6)、所述第七循环管道（K7）和所述第八循环管道（K8）之间通过四通连接；
所述沼气池恒温保温加热系统包括第一热泵换热器（6）、沼气池(11)、外置恒温加热器(12)、储热水箱（14）、第一热泵(13)、PCM模块(16)、保温层(17)，所述储热水箱（14）下部第三出水口(14f)通过第十一循环管道(K11)连通所述外置恒温加热器(12)的进水口(12b)，所述外置恒温加热器(12)的出水口(12a)通过第十循环管道(K10)连通储热水箱（14）的上部第三进水口(14e)，所述第十循环管道(K10)上设有第八循环水泵(B8)和第五电磁阀(D5)；外置恒温加热器(12)的加热管紧贴沼气池壁(15)，在外置恒温加热器(12)外面有一层保温层(17)，所述保温层(17)内侧均匀布置PCM模块(16)；所述第一热泵(13)高温端的两个水管接口分别连接储热水箱（14）上部第二进水口（14c）和储热水箱（14）下部第二出水口(14d)，所述第一热泵(13)的低温端低温水入口(13a)通过第十二循环管道(K12)连接废液池（7）中的第一热泵换热器（6）的低温水出口(6a)，第一热泵(13)的低温水出口(13b）通过第十三循环管道（K13）连接所述第一热泵换热器（6）的低温水入口(6b)，第一热泵(13)与所述储热水箱（14）上部第二进水口（14c）的连接管道上设有第一电磁阀（D1），第一热泵(13)与储热水箱（14）下部第二出水口(14d)的连接管道上设有第九循环水泵（B9），所述第十二循环管道（K12）上设有第十循环水泵（B10）；
所述原料加热系统包括所述太阳能-酸化池加热器（2）、第二热泵（3）、第二热泵换热器（4）、所述废液池（7）、余热换热器（8）、热泵-酸化池加热器（9）、酸化池（10），废液从所述沼气池(11)的出料口（11b）通过出料管道（L2）连接所述余热换热器（8）的输入端（8a），换热后经余热换热器（8）的输出端（8b）进入所述废液池（7），所述出料管道（L2）上设有第七水泵（B7）；所述第二热泵（3）的低温水入口（3c）和低温水出口（3d）分别连接所述第二热泵换热器（4）的低温水出口（4a）和低温水入口（4b），第二热泵（3）的高温水出口(3a）连接所述热泵-酸化池加热器（9）的高温水入口（9a），第二热泵（3）的高温水入口（3b）连接热泵-酸化池加热器（9）的高温水出口（9b），第二热泵（3）与热泵-酸化池加热器（9）的高温水入口（9a）连接管道上设有第四循环水泵（B4），第二热泵（3）与热泵-酸化池加热器（9）的高温水出口（9b）连接管道上设有第四电磁阀（D4），第二热泵（3）与所述第二热泵换热器（4）的连接管道上设有第五循环水泵（B5），新鲜料液进入所述酸化池（10）加热后通过进料管道（L1）从沼气池(11)的进料口（11a）进入沼气池，所述进料管道（L1）上设有第六水泵（B6）。
2.根据权利要求1所述的恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统，其特征在于：所述保温层（17）采用加气混凝土块、泡沫混凝土块、聚苯板或者聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的恒温发酵沼气池的太阳能-热泵联合加热系统，其特征在于：所述相变材料模块（16）采用十二水磷酸-氢钠，封装成圆台状的模块。
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