CN107879590B - 一种用于干燥淤泥的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环保节能领域，公开了一种用于干燥淤泥的系统和方法，利用太阳能聚热以更好、更有效地实现对淤泥的干燥处理，在废弃淤泥处理中达到无害化、减量化及资源化的目的；该系统包括：主控装置，用于计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息；驱动装置，驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，第一驱动装置用于根据太阳位置信息驱动集热装置调整角度，第二驱动装置用于根据焦点轨迹信息驱动干燥装置追踪集热装置的焦点；集热装置，用于对太阳能进行热量聚集；干燥装置，用于盛放淤泥，并追踪集热装置的焦点获得热量以实现对淤泥的干燥处理。

Description

一种用于干燥淤泥的系统和方法

技术领域

本发明涉及环保节能领域，尤其涉及一种用于干燥淤泥的系统和方法。

背景技术

近年来，随着我国工业的快速发展与城镇建设的不断推进，由污水处理厂产生的具有腐烂、恶臭、难运输、难处置等问题的城市废弃淤泥必须进行减量化、稳定化、无害化和资源化等处理。而淤泥脱水成为解决上述废弃物污染的关键所在。目前对废弃淤泥脱水的所有方法中，生物法脱水的成本虽然低，但效果差、效率低；化学法脱水存在二次污染，但是脱水率低，并且成本高；此外，作为淤泥干燥最清洁的物理法，因运行成本太高而给企业的淤泥处理带来了沉重的负担，无法实现企业的低碳、环保生产。而太阳能作为一种清洁、安全、廉价、可再生的绿色能源，取之不尽，用之不竭，不仅符合资源节约型、环境友好型社会发展，而且利用太阳能聚光形成局部高温，破除覆盖淤泥表面的膜，杀死淤泥中的微生物，破坏活性淤泥体系中胞外聚合物(EPS)高度亲水团，从而实现对废弃淤泥的快速、无害化、干化处理。由此，如何利用太阳能聚光实现高温干燥淤泥，实现淤泥高效热解，促进重金属有效固定以及产物可再利用方面均具有一定的优势，为废弃淤泥处理处置的无害化、减量化及资源化提供了一种新的有效途径，具有节能降耗和减碳的现实意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于干燥淤泥的系统和方法，利用太阳能聚热以更好、更有效地实现对淤泥的干燥处理，在废弃淤泥处理中达到无害化、减量化及资源化的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于干燥淤泥的系统，包括：

集热装置：具有一定边缘角和开口高度，用于对太阳能进行热量聚集，其中，所述集热装置的设计方程为：

式中，(x,y,z)表示集热装置上的点，f表示集热装置的焦距；

且，所述集热装置在进行热量聚集时形成焦斑，所述焦斑的计算公式为：

式中，d表示焦斑的直径，ζ表示太阳径角，φ表示碟式抛物面的边缘角；

主控装置：用于计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，所述焦点轨迹信息表示为：

x₀＝f·cos(h)·cos(A)；

y₀＝f·cos(h)·sin(A)；

z₀＝f·sin(h)+H；

式中，(x₀,y₀,z₀)表示焦点位置坐标，H表示集热装置的旋转中心距离地面的高度；

驱动装置：所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置用于根据所述太阳位置信息驱动集热装置调整角度，所述第二驱动装置用于根据所述焦点轨迹信息驱动干燥装置追踪所述集热装置的焦点；

所述干燥装置：根据所述集热装置的边缘角确定自身的高度和直径大小，用于盛放淤泥，并追踪所述集热装置的焦点获得热量以实现对所述淤泥的干燥处理。

优选地，所述主控装置设为单片机；

所述第一驱动装置设为双轴驱动电机，所述第二驱动装置设为驱动电机；

所述集热装置设为集热器，所述集热器为碟式抛物面集热器；

所述干燥装置设为干燥桶，所述干燥桶包括桶体和搅拌爪。

为实现上述目的，本发明还提供一种应用于上述用于干燥淤泥的系统的干燥方法，包括：

以获得最大聚光比为目标设计具有一定边缘角和开口高度的集热装置，并根据所述集热装置的边缘角确定干燥装置的高度和直径大小；

计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，然后根据所述太阳位置信息和所述焦点轨迹信息产生相应控制指令；

根据所述控制指令驱动集热装置调整角度，同时控制干燥装置追踪所述集热装置的焦点；

由所述集热装置对太阳能进行热量聚集；

将待干燥的淤泥放入所述干燥装置，由所述干燥装置追踪所述集热装置的焦点获得热量以实现对所述淤泥的干燥处理。

优选地，单片机根据系统所在经纬度和使用的起止时间计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下所述集热装置的焦点轨迹信息，并产生相应控制指令；

双轴驱动电机根据所述控制指令驱动所述集热装置调整角度，驱动电机控制所述干燥装置在焦点轨迹上运动；

所述集热装置在所述双轴驱动电机的控制下调整角度并始终保持碟式抛物面的开口平面与太阳光线方向垂直，并在碟式抛物面的焦点处形成有焦斑；

所述干燥装置在所述驱动电机的作用下运动在焦点轨迹上，并通过所述干燥装置的搅拌爪加速搅动使淤泥受热均匀。

优选地，所述太阳位置信息包括时角、高度角、方位角以及赤纬角。

优选地，所述时角ω的计算公式为：

ω＝15(t_s-12)°；

式中，ω表示时角，t_s表示真太阳时；

所述高度角h的计算公式为：

式中，h表示高度角，δ表示赤纬角，表示当地的纬度；

所述方位角A的计算公式为：

式中，A表示方位角；

所述赤纬角δ的计算公式为：

式中，n表示日期序号。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种用于干燥淤泥的系统和方法，设有单片机、双轴驱动电机、驱动电机、碟式抛物面集热器以及干燥桶，通过单片机计算太阳位置信息，并计算基于该太阳位置信息下碟式抛物面集热器的焦点轨迹信息，控制双轴驱动电机驱动碟式抛物面集热器调整角度以对太阳能进行更好地热量聚集，还控制驱动电机驱动干燥桶在该焦点轨迹上运动以最大程度上接收热量，且，干燥桶内还设有搅拌爪，使淤泥受热均匀，以更好、更有效地实现对淤泥的干燥处理，在废弃淤泥处理中达到无害化、减量化及资源化的目的。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于干燥淤泥的系统的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的碟式抛物面集热器的焦点轨迹图；

图3是本发明优选实施例的优选方式中对搅拌爪进行电动控制的控制电路图。

附图标记：

1、搅拌爪；2、桶体；3、碟式抛物面集热器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种用于干燥淤泥的系统，包括：

集热装置：具有一定边缘角和开口高度，用于对太阳能进行热量聚集，其中，集热装置的设计方程为：

式中，(x,y,z)表示集热装置上的点，f表示集热装置的焦距；

且，集热装置在进行热量聚集时形成焦斑，焦斑的计算公式为：

式中，d表示焦斑的直径，ζ表示太阳径角，φ表示碟式抛物面的边缘角；

主控装置：用于计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，焦点轨迹信息表示为：

x₀＝f·cos(h)·cos(A)；

y₀＝f·cos(h)·sin(A)；

z₀＝f·sin(h)+H；

式中，(x₀,y₀,z₀)表示焦点位置坐标，H表示集热装置的旋转中心距离地面的高度；

驱动装置：驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，第一驱动装置用于根据太阳位置信息驱动集热装置调整角度，第二驱动装置用于根据焦点轨迹信息驱动干燥装置追踪集热装置的焦点；

干燥装置：根据集热装置的边缘角确定自身的高度和直径大小，用于盛放淤泥，并追踪集热装置的焦点获得热量以实现对淤泥的干燥处理。

作为本实施例优选的实施方式，主控装置设为单片机；第一驱动装置设为双轴驱动电机，第二驱动装置设为驱动电机；集热装置设为集热器，该集热器为碟式抛物面集热器3；干燥装置设为干燥桶，干燥桶包括桶体2和搅拌爪1，该搅拌爪1用于搅拌淤泥，使淤泥受热均匀，以加快对淤泥的干燥处理。作为优选的实施方式，该干燥桶处还设有湿度传感器、电机以及控制电路。湿度传感器设置在搅拌爪1上用于实时测量桶体2内的淤泥的干燥程度，电机通过齿轮与搅拌爪1传动连接用于电动控制搅拌爪1对淤泥进行搅拌。

实施例2

本实施例提供一种应用与上述用于干燥淤泥的系统的干燥方法，包括：

计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，然后根据太阳位置信息和焦点轨迹信息产生相应控制指令。

以长沙市为例，测取长沙市在地理位置上的经纬度为(112.59°E，28.12°N)，优选地，选取每天的上午9点至下午4点作为一天中太阳光集热最大的时间段，并将相关数据输入到单片机中，由单片机计算太阳位置信息。需要说明的是，地理位置相差大的地区由于经度不同，所以存在一定的时差，在本实施例中，计算太阳位置信息时，以长沙市的时间为准，其中，长沙市的地方时与北京标准时间存在0.54h的时差，若要将该系统运用在其他地区，在计算太阳位置信息时，需通过北京标准时间进行具体换算。

具体地，太阳位置信息包括时角、高度角、方位角以及赤纬角。其中，时角的计算公式为：

ω＝15(t_s-12)°；

式中，ω表示时角，t_s表示真太阳时。

高度角的计算公式为：

式中，h表示高度角，δ表示赤纬角，表示当地的纬度。

方位角的计算公式为：

式中，A表示方位角。

赤纬角的计算公式为：

式中，n表示日期序号，需要说明的是，在计算该日期序号时，后一个月份在前一个月份上累加计算，如：1月份有31天，则2月份的第一天的日期序号为32，2月份的第二天的日期序号为33，依此类推进行累加计算。

进一步地，计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，并产生相应控制指令。

具体地，先对集热器的碟式抛物面进行设计，其中计算碟式抛物面集热器3的旋转方程为：

式中，(x,y,z)表示碟式抛物面上的点，f表示碟式抛物面的焦距，优选地，f为0.5m。

需要说明的是，碟式抛物面集热器3通过角度的调整达到聚热最大化的目的，具体地，角度调整包括仰角调整和开口角调整，所以该碟式抛物面集热器3需采用双轴驱动电机对其进行控制。该双轴驱动电机的其中一轴用于控制该碟式抛物面集热器3调整自身仰角。值得说明的是，该仰角为地平线与碟式抛物面集热器3的中心轴线形成的夹角；另一轴用于控制该碟式抛物面集热器3调整自身方位角，即开口方位。通过仰角的调整和方位角的调整始终保持碟式抛物面的开口平面与太阳光线的方向垂直，在太阳光的作用下，碟式抛物面集热器3的焦点处会形成有焦斑。其中，该焦斑直径的计算公式为：

式中，d表示焦斑直径，ζ表示太阳径角，φ表示碟式抛物面的边缘角。

优选地，在该实施例中，将碟式抛物面集热器3的边缘角设为40°，开口高度b设为0.067m，以能得到最大的聚光比，但本发明并不仅限于此，在能达到同样目的的情况下，还能在一定范围内调整该边缘角的度数。在该设计下碟式抛物面集热器3的焦点处形成的焦斑直径在1cm-3cm之间，由于焦斑处的聚光比最大，热量最高，所以综合上述有关参数，计算得到焦点轨迹信息为：

x₀＝f·cos(h)·cos(A)；

y₀＝f·cos(h)·sin(A)；

z₀＝f·sin(h)+H；

式中，(x0,y0,z0)表示焦点位置坐标，f表示碟式抛物面的焦距，H表示碟式抛物面的集热器的旋转中心距离地面的高度,优选地，在本实施例中H为0.3m。其具体焦点轨迹参见图2。

优选地，驱动电机控制干燥桶在该焦点轨迹上运动，以使该干燥桶能获得最大的热量，结合干燥桶内的搅拌爪1搅动淤泥，能达到快速且有效地干燥淤泥的目的。

作为优选的实时方式，干燥桶可以通过电动控制。具体地，在搅拌爪1上设有湿度传感器，并设有与该搅拌爪1通过齿轮传动连接的电机，还设有控制电路，参见图3，该控制电路包括主控单元MCU51、驱动器及相关外围电路，其中，主控单元MCU51的P0.0引脚和P0.1引脚与湿度传感器相连。在具体工作时，湿度传感器实时检测桶体2中的淤泥湿度值并将该湿度值传输给主控单元MCU51，由主控单元MCU51根据该湿度值判断淤泥的干湿情况，当判断为湿时，发送指令控制电机转动，并在齿轮传动的作用下，带动搅拌爪1搅动淤泥，在该情况下，淤泥逐渐干燥，当主控单元MCU51判断淤泥已成功干燥时，发送指令控制电机停止转动，完成对搅拌爪1的电动控制过程，在加速干燥的基础上提升了智能程度并能节约人力成本。

此外，干燥桶的高度和直径大小也是影响桶内获得热量的因素，所以，优选地，将干燥桶的直径设为0.12m，干燥桶高度设为0.22m。但本发明并不仅限于此，由于干燥桶是配合碟式抛物面集热器3的焦点处形成的焦斑而设置，所以当该碟式抛物面集热器3的设计或相关参数发生变化时，焦斑也会在一定程度上发生改变，干燥桶也应该随之相应发生设计变化，但始终以能最大化获得焦斑处的热量为设计目的。

如上所述，本发明提供一种用于干燥淤泥的系统和方法，设有单片机、双轴驱动电机、碟式抛物面集热器3以及干燥桶，通过单片机计算太阳位置信息，并计算基于该太阳位置信息下碟式抛物面集热器3的焦点轨迹信息，控制双轴驱动电机驱动碟式抛物面集热器3调整角度以对太阳能进行更好地热量聚集，同时控制干燥桶在该焦点轨迹上运动以最大程度上接收热量，且，干燥桶内还设有搅拌爪1，使淤泥受热均匀，以更好、更有效地实现对淤泥的干燥处理，在废弃淤泥处理中达到无害化、减量化及资源化的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于干燥淤泥的系统，其特征在于，包括：

集热装置：具有一定边缘角和开口高度，用于对太阳能进行热量聚集，其中，所述集热装置的设计方程为：

式中，(x,y,z)表示集热装置上的点，f表示集热装置的焦距；

且，所述集热装置在进行热量聚集时形成焦斑，所述焦斑的计算公式为：

式中，d表示焦斑的直径，ζ表示太阳径角，φ表示碟式抛物面的边缘角；

主控装置：用于计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，所述焦点轨迹信息表示为：

x₀＝f·cos(h)·cos(A)；

y₀＝f·cos(h)·sin(A)；

z₀＝f·sin(h)+H；

式中，(x₀,y₀,z₀)表示焦点位置坐标，H表示集热装置的旋转中心距离地面的高度；

驱动装置：所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置用于根据所述太阳位置信息驱动集热装置调整角度，所述第二驱动装置用于根据所述焦点轨迹信息驱动干燥装置追踪所述集热装置的焦点；

所述干燥装置：根据所述集热装置的边缘角确定自身的高度和直径大小，用于盛放淤泥，并追踪所述集热装置的焦点获得热量以实现对所述淤泥的干燥处理。

2.根据权利要求1所述的用于干燥淤泥的系统，其特征在于，

所述主控装置设为单片机；

所述第一驱动装置设为双轴驱动电机，所述第二驱动装置设为驱动电机；

所述集热装置设为集热器，所述集热器为碟式抛物面集热器；

所述干燥装置设为干燥桶，所述干燥桶包括桶体和搅拌爪。

3.一种应用于上述权利要求1-2任一所述的用于干燥淤泥的系统的干燥方法，其特征在于，包括：

以获得最大聚光比为目标设计具有一定边缘角和开口高度的集热装置，并根据所述集热装置的边缘角确定干燥装置的高度和直径大小；

计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下集热装置的焦点轨迹信息，然后根据所述太阳位置信息和所述焦点轨迹信息产生相应控制指令；

根据所述控制指令驱动集热装置调整角度，同时控制干燥装置追踪所述集热装置的焦点；

由所述集热装置对太阳能进行热量聚集；

将待干燥的淤泥放入所述干燥装置，由所述干燥装置追踪所述集热装置的焦点获得热量以实现对所述淤泥的干燥处理。

4.根据权利要求3所述的干燥方法，其特征在于，

单片机根据系统所在经纬度和使用的起止时间计算太阳位置信息，并计算在该太阳位置信息下所述集热装置的焦点轨迹信息，并产生相应控制指令；

双轴驱动电机根据所述控制指令驱动所述集热装置调整角度，驱动电机控制所述干燥装置在焦点轨迹上运动；

所述集热装置在所述双轴驱动电机的控制下调整角度并始终保持碟式抛物面的开口平面与太阳光线方向垂直，并在碟式抛物面的焦点处形成有焦斑；

所述干燥装置在所述驱动电机的作用下运动在焦点轨迹上，并通过所述干燥装置的搅拌爪加速搅动使淤泥受热均匀。

5.根据权利要求3所述的干燥方法，其特征在于，所述太阳位置信息包括时角、高度角、方位角以及赤纬角。

6.根据权利要求5所述的干燥方法，其特征在于，所述时角ω的计算公式为：

ω＝15(t_s-12)°；

式中，ω表示时角，t_s表示真太阳时；

所述高度角h的计算公式为：

式中，h表示高度角，δ表示赤纬角，表示当地的纬度；

所述方位角A的计算公式为：

式中，A表示方位角；

所述赤纬角δ的计算公式为：

式中，n表示日期序号。