CN109502868B - 一种三位一体结构污水处理的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三位一体结构污水处理的控制方法，包括以下步骤，初始化单根热流管所能提供的热量；建立进水量与蒸发量平衡方程；建立不同环境条件下太阳能板式集热器集热效率公式；电热补偿器根据步骤二和步骤三，结合当前环境条件对太阳能板式集热器进行热能补偿；步骤五：根据上述步骤，调节污水流速，进而调节进水量，使进水量和蒸发量始终维持平衡，实现“三位一体”结构污水处理装置的控制，本发明利用超声波技术，通过超声波的空化作用，降解污水中的有机污染物，通过热流管的高温将其蒸发为水蒸气，水蒸气冷凝为纯净水，通过污水进水流速根据进水量和蒸发量平衡公式确定，便于水量和蒸发量始终维持平衡。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，是一种三位一体结构污水处理的控制方法。
背景技术
随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口日益增大，日益严重的水污染蚕食大量可消费的水资源。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位，我国的城市污水或生活污水一般通过管道收集进入污水处理厂进行处理，按照处理程度划分，可分为一、二、三级处理，传统污水处理方法存在成本高、效率低、不环保、净化不彻底、处理方法冗杂等弊端，缺乏装置一体的一次性处理手段。
目前使用污水处理装置的控制方法时，污水处理装置的控制方法不便于控制水量和蒸发量始终维持平衡，影响污水处理装置的控制方法使用效果，同时，使用污水处理装置的控制方法时，污水处理装置的控制方法难以智能电热补偿器补偿水温，还需使用者先进行消毒，以及使用污水处理装置的控制方法时，污水处理装置的控制方法难以控制进水量和蒸发量始终维持平衡，影响污水处理装置的控制效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三位一体结构污水处理的控制方法，以解决使用现有的使用污水处理装置的控制方法时，污水处理装置的控制方法不便于控制水量和蒸发量始终维持平衡以及污水处理装置的控制方法难以智能电热补偿器补偿水温，同时污水处理装置的控制方法难以控制进水量和蒸发量始终维持平衡的问题。
一种三位一体结构污水处理的控制方法包括以下步骤：
步骤一：初始化单根热流管所能提供的热量；
步骤二：建立进水量与蒸发量平衡方程；
步骤三：建立不同环境条件下太阳能板式集热器集热效率公式；
步骤四：电热补偿器根据步骤二和步骤三，结合当前环境条件对太阳能板式集热器进行热能补偿；
步骤五：根据上述步骤，调节污水流速，进而调节进水量，使进水量和蒸发量始终维持平衡，实现“三位一体”结构污水处理装置的控制。
优选的，步骤一单根热流管所能提供的热量：
Q＝πR2×λ×L×ΔT
其中R为单根热流管半径，L为热流管长度亦即蒸发槽长度，λ为材料导热系数，ΔT为管内外温差。
所有热流管所能提供的总热量为：
Q总＝πR2×λ×L×ΔT×N
其中N为热流管总根数。
优选的，步骤二当污水进水量达到超声波雾化片设定高度H时，超声波雾化片开始工作，之后进水量根据下式计算：
V进＝v×s×t
其中v为进水流速，s为进水口横截面积，t为进水时间；
为了计算和讨论方便，现作如下假设：
(1)雾化液滴为球形，半径为r，液滴的蒸发以球对称进行；
(2)液滴内部温度均匀分布，且环境温度高于液滴温度；
(3)不考虑雾化液滴与周围空气的辐射换热；
(4)瞬时相平衡，液滴和空气交界面上的水蒸气浓度为该温度下水蒸气的饱和浓度；
超声波雾化后的微粒的平均直径根据下式计算：
D＝0.34(8πσ/ρf2)1/3
其中σ为水面表面张力，ρ为污水密度，f为超声雾化片频率；
根据已有研究，直径为D液滴蒸发速率根据下式计算：
其中，D为液滴直径；
及cρ,α分别是含雾空气的导热系数和比热容。
进水量和蒸发量平衡根据下式计算：
v×s×d×t＝vd×t×L×B
其中B为蒸发槽宽度。
优选的，根据权利要求1所述的一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，步骤三热流管中水的水吸收的热量根据下式计算：Q吸＝c×m×ΔT′
其中，c为水的比热容，m为热流管中水的质量总和，ΔT′为水吸收热量前和吸收热量后的温度差值；
太阳能在不同环境条件下提供的热量为：
Q′s＝Qs×β
其中Qs为理想状况下太阳能提供的热量，β为不同环境条件下的集热效率；
环境条件主要分为三类：
晴天，β取最大βmax，介于0.8～0.9之间；
夜晚，β取最小βmin，为0；
不利天气条件如雨天、阴天、雾天、雪天，β介于0～0.3之间。
优选的，步骤四电热补偿器根据下式进行热补偿：
晴天，取βmax＝0.8～0.9，
Q补≥(1-βmax)Qs；
夜晚，取βmin＝0，
Q补≥Qs；
雨天、雾天、阴天等，β介于0～0.3之间，
Q补≥(1-β)Qs；
其中Q补为电热补偿器所需补偿的热量。
优选的，步骤五污水进水流速根据进水量和蒸发量平衡公式确定，根据下式计算：
使进水量和蒸发量始终维持平衡。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明利用超声波技术，通过超声波的空化作用，降解污水中的有机污染物，并将污水空化成颗粒非常细小的小液滴，通过热流管的高温将其蒸发为水蒸气，水蒸气冷凝为纯净水，通过污水进水流速根据进水量和蒸发量平衡公式确定，便于水量和蒸发量始终维持平衡。
(2)本发明可根据不同环境条件下太阳能板式集热器收集热量的多少，通过电热补偿器补偿水温，实现能源的高效利用。
(3)本发明通过调节污水流速，进而调节进水量，使进水量和蒸发量始终维持平衡，实现“三位一体”结构污水处理装置的控制。
(4)本发明全程可以通过计算机实现全自动化控制，并且可以与浮球阀的机械控制相协调，双重保障进水量和蒸发量平衡。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的太阳能储热单元结构示意图；
图3为本发明的超声波雾化槽外观图；
图4为本发明的超声波雾化槽结构示意图；
图5为本发明的筛网结构示意图；
图6为本发明的盖板结构示意图；
图7为本发明的冷却塔循环单元结构示意图；
图8为本发明的控制流程示意图；
图9为本发明的操作流程示意图。
图中：1-水箱、2-抽水泵、3-板式太阳能集热器、4-电热补偿器、5-热流管、501-热流管连接管、502-热流回流管、6-超声波雾化槽、7-保温隔板、8-净化水进水口、9-冷凝槽、10-冷凝管、101-导流保温管、102-保温回流管、11-净化水出水口、12-水槽、13-冷却塔、14-导水管道、15-抽风扇、16-过滤网、17-过滤蒸汽盖板、18-超声波雾化片、19-筛网、20-抽泥口、21-浮球阀、22-盖板、23-玻璃罩、24-紫外线灯。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-9所示，本发明提供如下技术方案：一种城市污水的三位一体处理装置，包括太阳能储热单元、超声波雾化蒸单元和冷却塔循环单元，其特征在于：超声波雾化蒸单元包括超声波雾化槽6、热流管5、冷凝管10、超声波雾化片18和保温隔板7，超声波雾化槽6的内部安装有保温隔板7，超声波雾化槽6的内部贯穿有热流管5和冷凝管10，热流管5位于保温隔板7的一侧，冷凝管10位于保温隔板7的另一侧，保温隔板7的内侧设置有抽风扇15，抽风扇15的进风口处设置有过滤网16，保温隔板7的远离冷凝管10的一侧固定连接有筛网19，筛网19的另一端与超声波雾化槽6的内部固定连接，筛网19的顶端安装有超声波雾化片18，超声波雾化槽6的靠近热流管5的一侧开设有净化水进水口8，超声波雾化槽6的另一侧开设有净化水出水口11，太阳能储热单元的出水口通过热流管连接管501连接到超声波雾化蒸单元，超声波雾化蒸单元的冷凝管10通过导流保温管101连接到冷却塔循环单元。
超声波雾化蒸单元的冷凝管10通过导流保温管101连接到冷却塔循环单元的水槽12的入流储水槽，超声波雾化蒸单元的冷凝管10的另一端通过保温回流管102连接到冷却塔循环单元的水槽12的回流储水槽，水槽12的入流储水槽和回流储水槽通过隔板隔开。
冷却塔循环单元包括冷却塔13和水槽12，水槽12的入流储水槽通过导水管道14连接到冷却塔13的出水口，水槽12的回流储水槽通过导水管道14连接到冷却塔13的入水口。
太阳能储热单元包括板式太阳能集热器3、水箱1和电热补偿器4。
水箱1的顶端连接有板式太阳能集热器3，板式太阳能集热器3的底端通过管道连接有电热补偿器4。
电热补偿器4的一侧的出水口通过管道连接有热流管连接管501，热流管5的出水口连接有热流回流管502，热流回流管502的末端连接有水箱1。
导水管道14的连接端、导流保温管101与水槽12的连接处、保温回流管102与冷凝管10的连接处、电热补偿器4与热流管连接管501的连接处、热流回流管502与水箱1的连接处、板式太阳能集热器3与水箱1的连接处均设置有抽水泵2。
净化水进水口8处设置有浮球阀21。
保温隔板7与超声波雾化槽6形成区域为冷凝槽9,冷凝槽9的顶端设置有盖板22,超声波雾化槽6的顶端设置有过滤蒸汽盖板17，过滤蒸汽盖板17位于盖板22的一侧，滤蒸汽盖板17位于热流管5的上方位置处，盖板22位于冷凝管10的上方位置处，盖板22的底端安装有紫外线灯24，紫外线灯24的外侧罩设有玻璃罩23，超声波雾化槽6的底端开设有抽泥口20，抽泥口20位于筛网19的下方位置处。
净化水出水口11处安装有可更换滤水网
一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：初始化单根热流管所能提供的热量；
步骤二：建立进水量与蒸发量平衡方程；
步骤三：建立不同环境条件下太阳能板式集热器集热效率公式；
步骤四：电热补偿器根据步骤二和步骤三，结合当前环境条件对太阳能板式集热器进行热能补偿；
步骤五：根据上述步骤，调节污水流速，进而调节进水量，使进水量和蒸发量始终维持平衡，实现“三位一体”结构污水处理装置的控制。
进一步的，其特征在于，步骤一单根热流管所能提供的热量：
Q＝πR2×λ×L×ΔT
其中R为单根热流管半径，L为热流管长度亦即蒸发槽长度，λ为材料导热系数，ΔT为管内外温差。
所有热流管所能提供的总热量为：
Q总＝πR2×λ×L×ΔT×N
其中N为热流管总根数。
进一步的，步骤二当污水进水量达到超声波雾化片设定高度H时，超声波雾化片开始工作，之后进水量根据下式计算：
V进＝v×s×t
其中v为进水流速，s为进水口横截面积，t为进水时间；
为了计算和讨论方便，现作如下假设：
(1)雾化液滴为球形，半径为r，液滴的蒸发以球对称进行；
(2)液滴内部温度均匀分布，且环境温度高于液滴温度；
(3)不考虑雾化液滴与周围空气的辐射换热；
(4)瞬时相平衡，液滴和空气交界面上的水蒸气浓度为该温度下水蒸气的饱和浓度；
超声波雾化后的微粒的平均直径根据下式计算：
D＝0.34(8πσ/ρf2)1/3
其中σ为水面表面张力，ρ为污水密度，f为超声雾化片频率；
根据已有研究，直径为D液滴蒸发速率根据下式计算：
其中，D为液滴直径；
及cρ,α分别是含雾空气的导热系数和比热容。
进水量和蒸发量平衡根据下式计算：
v×s×d×t＝vd×t×L×B
其中B为蒸发槽宽度。
进一步的，根据权利要求1所述的一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，步骤三热流管中水的水吸收的热量根据下式计算：Q吸＝c×m×ΔT′
其中，c为水的比热容，m为热流管中水的质量总和，ΔT′为水吸收热量前和吸收热量后的温度差值；
太阳能在不同环境条件下提供的热量为：
Q′s＝Qs×β
其中Qs为理想状况下太阳能提供的热量，β为不同环境条件下的集热效率；
环境条件主要分为三类：
晴天，β取最大βmax，介于0.8～0.9之间；
夜晚，β取最小βmin，为0；
不利天气条件如雨天、阴天、雾天、雪天，β介于0～0.3之间。
进一步的，步骤四电热补偿器根据下式进行热补偿：
晴天，取βmax＝1，
Q补≥0；
夜晚，取βmin＝0，
Q补≥Qs；
雨天、雾天、阴天等，β介于0～1之间，
Q补≥(1-β)Qs；
其中Q补为电热补偿器所需补偿的热量。
进一步的，步骤五污水进水流速根据进水量和蒸发量平衡公式确定，根据下式计算：
使进水量和蒸发量始终维持平衡。
本发明的工作原理及使用流程：本发明在使用时，通过抽水泵2从水箱5抽到板式太阳能集热器3加热后，通到电热补偿器7通过热流管连接管501输送到超声波雾化蒸发槽6的热流管5并通过热流回流管502和抽水泵2与水箱1构成回路，循环使用，冷却塔循环单元，从冷却塔13的进水口进水，经过冷却后，通过抽水管14抽至水槽19的入流储水槽，水槽中的水通过抽水泵2抽至导流保温管101输送至冷凝槽9的冷凝管10而后通过保温回流管102回到水槽12，再由抽水管14抽至冷却塔13完成循环。冷凝槽9中冷凝管10相互平行且间隔相等，净化时，待净化的水通过水槽12的净化水进水口8流入水槽12，水槽12内的水经过超声波雾化片18空化和热流管5加热后快速气化，同时，高温的热流管5可对气化的水蒸气进行初步消毒，保温隔板7上装有一排抽风扇15，用以将雾化后的水蒸气抽至冷凝槽9中，气化的水蒸气通过抽风扇15传输到冷凝槽9，蒸发的水蒸气经过冷凝槽9顶端的紫外线灯24消毒后被冷凝管10冷凝为液态水经过水槽12的净化水出水口11流出，水槽12一侧箱壁开有三个净化水出水口11，净化水出水口11装有可更换滤水网可对净化后的水进行最后一次过滤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：初始化单根热流管所能提供的热量；
步骤二：建立进水量与蒸发量平衡方程；
步骤三：建立不同环境条件下太阳能板式集热器集热效率公式；
步骤四：电热补偿器根据步骤二和步骤三，结合当前环境条件对太阳能板式集热器进行热能补偿；
步骤五：根据上述步骤，调节污水流速，进而调节进水量，使进水量和蒸发量始终维持平衡，实现三位一体结构污水处理装置的控制；
步骤五污水进水流速根据进水量和蒸发量平衡公式确定，根据下式计算：
使进水量和蒸发量始终维持平衡。
2.根据权利要求1所述的一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，步骤一单根热流管所能提供的热量：
Q＝πR2×λ×L×ΔT
其中R为单根热流管半径，L为热流管长度亦即蒸发槽长度，λ为材料导热系数，ΔT为管内外温差；
所有热流管所能提供的总热量为：
Q总＝πR2×λ×L×ΔT×N
其中N为热流管总根数。
3.根据权利要求1所述的一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，步骤二当污水进水量达到超声波雾化片设定高度H时，超声波雾化片开始工作，之后进水量根据下式计算：
V进＝v×s×t
其中v为进水流速，s为进水口横截面积，t为进水时间；
超声波雾化后的微粒的平均直径根据下式计算：
D＝0.34(8πσ/ρf2)1/3
其中σ为水面表面张力，ρ为污水密度，f为超声雾化片频率；
直径为D液滴蒸发速率根据下式计算：
其中，D为液滴直径；
及cρ,α分别是含雾空气的导热系数和比热容：
进水量和蒸发量平衡根据下式计算：
v×s×d×t＝vd×t×L×B
其中B为蒸发槽宽度。
4.根据权利要求1所述的一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，步骤三热流管中水的水吸收的热量根据下式计算：Q吸＝c×m×ΔT′
其中，c为水的比热容，m为热流管中水的质量总和，ΔT′为水吸收热量前和吸收热量后的温度差值；
太阳能在不同环境条件下提供的热量为：
Q′s＝Qs×β
其中Qs为理想状况下太阳能提供的热量，β为不同环境条件下的集热效率；
环境条件主要分为三类：
晴天，β取最大βmax，介于0.8～0.9之间；
夜晚，β取最小βmin，为0；
不利天气条件如雨天、阴天、雾天、雪天，β介于0～0.3之间。
5.根据权利要求1所述的一种三位一体结构污水处理的控制方法，其特征在于，步骤四电热补偿器根据下式进行热补偿：
晴天，取βmax＝0.8～0.9，
Q补≥(1-βmax)Qs；
夜晚，取βmin＝0，
Q补≥Qs；
雨天、雾天、阴天，β介于0～0.3之间，
Q补≥(1-β)Qs；
其中Q补为电热补偿器所需补偿的热量。
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