CN111811304B - 一种智能温度控制的土壤修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能控制温度的土壤修复系统，包括环路热管，土壤中设置温度传感器，用于检测土壤温度，控制器与温度传感器数据连接，控制器根据检测的土壤温度来控制三通阀的开闭。本发明实现土壤的温度智能控制，从而保证土壤的修复效果。

Description

一种智能温度控制的土壤修复系统

技术领域

本发明属于热管领域，尤其涉及一种环路热管。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

随着工业化的飞速发展，土壤污染问题日益严重，寻找一种绿色高效的土壤净化方法迫在眉睫。上世纪八十年代以来，土壤修复行业逐渐兴起。刘阳生、陈同斌等学者在国内开展了土壤修复研究工作，提出利用微生物催化降解有机污染物的方法，并提出通过改变各种环境条件来强化微生物降解作用以达到治理目的。但该方案存在不足:一方面没有做到节能，另一方面受到更多的地域限制和自然条件限制。

本发明的目的是通过环路热管极高的传热效率和精确控制土壤温度，来保证微生物的活性，以达到快速净化土壤，去除污染的效果。装置由太阳能驱动，环路热管(LHP)的使用，对太阳能加以高效利用，将太阳能平板传热效率最大化，减少其余能源的使用。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管结构土壤处理装置，充分利用环路热管热源，降低能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的环路热管土壤修复系统，能够提高热管换热效率，降低能耗。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种智能控制温度的土壤修复系统，包括环路热管，所述热管包括蒸发器盒冷凝器，所述冷凝器设置在土壤中，所述蒸发器和冷凝器通过第一管路和第二管路形成循环管路，所述流体在蒸发器中吸热蒸发，然后通过第一管路进行冷凝器放热，然后流体从冷凝器中通过第二管路循环回到蒸发器，所述蓄热器设置在第二管路中；所述热管还包括三通阀，所述三通阀设置在第一管路上，第三管路一端连接三通阀，另一端连接到蓄热器和冷凝器之间的第二管路上；其特征在于，土壤中设置温度传感器，用于检测土壤温度，控制器与温度传感器数据连接，控制器根据检测的土壤温度来控制三通阀的开闭。

作为优选，当检测的土壤温度过高时，此时控制器控制三通阀打开第一管路和第四管路之间的连通，关闭第一管路，从而使得蒸发器只向蓄热器提供热量。

作为优选，当检测的土壤温度过低时，此时控制器控制三通阀关闭第一管路和第四管路之间的连通，打开第一管路，从而使得蒸发器向冷凝器提供热量。

作为优选，所述热管包括蓄热器，所述蒸发器和冷凝器通过第一管路和第二管路形成循环管路，所述流体在蒸发器中吸热蒸发，然后通过第一管路进行冷凝器放热，然后流体从冷凝器中通过第二管路循环回到蒸发器，所述蓄热器设置在第二管路中；所述热管还包括第一三通阀和第二三通阀，所述第一三通阀设置在第一管路上，第二三通阀设置在蓄热器和蒸发器之间的第二管路上，第三管路一端连接第二三通阀，另一端连接到第一三通阀和蒸发器之间的第一管路上，第四管路一端连接第一三通阀，另一端连接到蓄热器和冷凝器之间的第二管路上。

作为优选，所述蒸发器是太阳能集热器。

作为优选，所述蒸发器吸收太阳能，形成太阳能的集热器，所述蒸发器为平板结构，包括集热区域，所述集热区域包括透明罩板、支撑板、毛细部件和第一空间和第二空间，所述透明罩板设置在上部，第一空间形成在支撑板和蒸发器的下部壁面之间，支撑部件和透明罩板之间形成第二空间，所述支撑部件上设置连通第一空间和第二空间的通孔，所述通孔中设置毛细部件，所述第一空间为液体空间，所述通孔所对应的透明罩板设置透镜，所述通孔位于透镜的焦点上。

作为优选，所述通孔设置为多个，每个通孔在对应的透明罩板上分别对应设置透镜，所述通孔位于对应的透镜的焦点上。

作为优选，所述蒸发器还包括储液区，所述储液区为平板结构，储液区底部连通液体通道，储液区的上壁面的高度高于毛细部件的高度。

作为优选，所述集热区域的横截面是圆形，所述毛细部件包括设置在圆形圆心的中央毛细部件和围绕圆心设置的周围毛细部件。

作为优选，中央毛细部件的毛细力大于周围毛细部件的毛细力。

作为优选，所述周围毛细部件为一层结构，集热区域内壁半径为K，所述中央毛细部件的圆心设置在集热区域的圆心，周围毛细部件的圆心距离集热区域的圆心的距离为M，相邻周围毛细部件的圆心分别与集热区域的圆心进行连线，两根连线形成的夹角为A，单个周围毛细部件的毛细力为F1，单个中央毛细部件的毛细力为F2，则满足如下要求：

L2/L1＝a-b*Ln(K/M)；Ln是对数函数；

a,b是系数，其中1.5599<a<1.5605,0.4358<b<0.4364；

1.23<K/M<2.05；

1.2<F2/F1<1.5。

其中40°<A<100°。

作为优选，四周分布数量为4－8个；优选是4－5个。

作为优选，K为1500-1600毫米，优选是1550mm；M为756-1260毫米，优选为800mm。

进一步优选，a＝1.5602,b＝0.4361。

作为优选，所述集热区域的下部壁面设置辅助加热装置，所述的蒸发器流向冷凝器的管道上设置流量计，测试蒸汽流量，所述辅助加热装置根据测试的蒸汽流量来调节电加热装置进行加热。

作为优选，如果测试的流量低于一定的数值，则辅助加热装置自动启动加热，如果高于一定数值，辅助加热装置停止加热。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明通过设置三通阀根据温度的开闭，实现土壤的温度智能控制，从而保证土壤的修复效果。

2)本发明提供了一种新式的环路热管结构，通过设置三通阀的开闭，可以实现蓄热器蓄热以及、冷凝器散热以及蓄热器箱冷凝器供热操作。

3)本发明提供了一种新的环路热管土壤处理系统，可以实现通过加热来净化土壤。

4)本发明通过在集热区域内选择性的部分位置设置毛细部件，并通过相对应的透镜进行集热，从而有选择性的选择重要的液体出现的区域进行加热，而且减少了毛细结构的成本，从而整体降低成本，提高热能的利用率。

5)本发明通过在集热器中设置储液区，而且使得储液区与集热区域的液体通道连通并且水位明显的高于集热区域的毛细部件的高度，能够增加毛细部件的吸液能力，而且还可以避免集热器的干涸。

6)本发明通过设计了一种新式的毛细部件在加热器中的分布结构，并通过多次试验和数值模拟，得到一个最优的分布结构中毛细力的优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

7)本发明设置了辅助加热装置，将其设置在毛细部件下方管壁上，加热液体通道中的液体，一方面可以提高毛细的吸热能力，另一方面也能避免特殊情况下(例如晚上或者光照强度不大)的太阳能集热能力不足的情况。

附图说明

图1是环路热管结构示意图；

图2是环路热管太阳能集热器系统的示意图

图3是环路热管太阳能集热器俯视结构示意图

图4是图3的太阳能集热器的切面示意图

图5为本发明毛细部件分布结构示意图。

图6是冷凝器分布示意图。

图7是环路热管太阳能集热器系统的示意图。

附图标记如下：

太阳能集热器系统附图标记：蒸发器1，蒸发器2，集热区域1011，透明罩板21、支撑板103，毛细部件24，第一空间104，第二空间105，通孔106，透镜107，压力计109，110，蓄热器3，第一管路4，第二管路5，第二三通阀6，第一三通阀7，第三管路8，第四管路9

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，一种环路热管，包括蒸发器1、冷凝器2和蓄热器3，所述蒸发器1和冷凝器2通过第一管路4和第二管路5形成循环管路，所述流体在蒸发器中吸热蒸发，然后通过第一管路5进入冷凝器2放热，然后流体从冷凝器2中通过第二管路5循环回到蒸发器1，所述蓄热器3设置在第二管路中。通过设置蓄热器，可以将多余的热量储存在蓄热器中，从而更好的实现热量的利用。

作为优选，所述热管还包括第一三通阀7和第二三通阀6，所述第一三通阀7设置在第一管路4上，第二三通阀6设置在蓄热器3和蒸发器1之间的第二管路5上，第三管路8一端连接第二三通阀6，另一端连接到第一三通阀7和蒸发器1之间的第一管路4上，第四管路9一端连接第一三通阀7，另一端连接到蓄热器3和冷凝器2之间的第二管路5上。

上述的环路热管结构，可以实现如下功能：1)将余热储存在蓄热器中；2)通过设置三通阀6、7的开闭，实现蓄热器或者蒸发器向冷凝器供热。例如通过三通阀6关闭蒸发器和蓄热器之间的管路，通过三通阀7关闭第四管路，可以实现蓄热器向冷凝器供热，通过三通阀7关闭第一管路，通过三通阀6打开第二管路，可以实现蒸发器向蓄热器供热。

作为优选，所述蓄热器中设置相变蓄热介质。

作为优选，所述蒸发器是平板结构。

本发明还提供了一种根据需要实际控制三通阀6、7的开闭，从而实现智能控制的蓄热和供热作用。

所述热管还包括控制器，所述控制器与三通阀6、7数据连接。控制器可以控制三通阀6、7的开闭状态。

作为一个优选，当蒸发器供热不足的时候(例如作为太阳能集热器，光线不强或者晚上)，此时控制器控制三通阀6关闭蓄热器和蒸发器之间的连通，打开蓄热器和第三管路8之间连通，控制三通阀7关闭第一管路和第四管路之间的连通，打开第一管路的连通，此时蓄热器和冷凝器形成循环回路，从而使得蓄热器向冷凝器提供热量。

作为一个优选，当冷凝器5不需要热量的时候(例如冷凝器设置在土壤中，土壤温度过高)，此时控制器控制三通阀7关闭第一管路和第四管路之间的连通，关闭蒸发器和冷凝器之间的连通，三通阀6打开蓄热器3和蒸发器之间的连通，关闭第二管路和第三管路之间的连通，从而使得蒸发器只向蓄热器提供热量。

作为优选，所述冷凝器设置在土壤中，用于对土壤进行修复。冷凝器将热传导给周边的土壤。

本发明提供了一种新式结构的环路热管的土壤修复系统，通过设置环路热管作为高效传热工具，原理简单，结构紧凑，显著提高冷却效率。

作为优选，冷凝器是在平面上布置的盘管结构，如图6所示。热流体从外部向中心流动，向土壤中散热。

作为优选，盘管结构从圆形结构的中心伸出，延伸圆形结构的外端，然后向着圆形结构的圆心盘绕，如图6所示。通过如此设置，能够使得热量先从圆形结构的外端开始散热，然后逐渐向内。因为外端的盘管的管径大，需要更多热量。通过上述设置能够使得整体上土壤受热均匀。

作为优选，到沿着圆形结构中心向径向方向，盘管的分布密度越来越大(相邻盘管之间的间距越老越小)。主要原因是将通过如此设置，能够使得热量先从圆形结构的外端开始散热，然后逐渐向内。因为外端的盘管的管径大，需要更多热量，使得整体散热均匀，增强土壤修复效果。使得整体修复均匀。

进一步优选，作为优选，到沿着圆形结构中心向径向方向，盘管的分布密度越来越大的幅度不断增加。通过数值模拟和实验发现，通过上述结构可以进一步提高土壤受热的均匀度。

作为优选，到沿着圆形结构中心向径向方向，盘管的直径越来越大。主要原因是将通过如此设置，能够使得热量先从圆形结构的外端开始散热，然后逐渐向内。因为外端的盘管的管径大，需要更多热量，使得整体散热均匀，增强土壤修复效果。使得整体修复均匀。

进一步优选，作为优选，到沿着圆形结构中心向径向方向，盘管的直径越来越大的幅度不断增加。通过数值模拟和实验发现，通过上述结构可以进一步提高土壤受热的均匀度。增强土壤修复效果，使得整体修复均匀。

作为优选，冷凝器到蒸发器之间设置动力装置。作为优选，动力装置可以是毛细结构或者循环泵。

作为优选，一种环路热管太阳能集热器系统，包括环路热管，所述环路热管就是图1中的环路热管。

利用太阳能加上环路热管进行土壤处理，可以实现在日光充足时利用太阳光的热量直接对装置进行加热，并可以将太阳能储存在蓄热装置中的蓄热介质当中。在没有光照时，利用储存的能量对装置进行加热，做到了完全不需要输入能源，达到土壤升温的目的。

环路热管冷凝器盘绕方式与外部土壤充分接触，提高换热效率。

本发明在进行土壤升温的同时，可以将多余的热量储存在蓄热介质中，用于其他用途。且不需要其他外部能量的输入，能量利用效率高。可以在不同的天气进行工作，且由于该土壤净化装置采用微生物降解不会产生二次污染物，降低了环境污染。

作为一个优选，土壤中设置温度传感器，用于检测土壤温度，控制器与温度传感器数据连接。控制器根据检测的土壤温度来控制三通阀的开闭。

当检测的土壤温度过高时，此时控制器控制三通阀7打开第一管路和第四管路之间的连通，关闭蒸发器和冷凝器之间的连通，三通阀6打开蓄热器3和蒸发器之间的连通，关闭第二管路和第三管路之间的连通，从而使得蒸发器只向蓄热器提供热量。

当检测的土壤温度过低时，此时控制器控制三通阀7关闭第一管路和第四管路之间的连通，关闭蒸发器和冷凝器之间的连通，三通阀6关闭蓄热器3和蒸发器之间的连通，打开第二管路和第三管路之间的连通，从而使得蒸发器向冷凝器提供热量。

如图7所示，展示了设置一个三通阀7的土壤修复系统。作为优选，当检测的土壤温度过高时，此时控制器控制三通阀打开第一管路和第四管路之间的连通，关闭第一管路，从而使得蒸发器只向蓄热器提供热量。

作为优选，当检测的土壤温度过低时，此时控制器控制三通阀关闭第一管路和第四管路之间的连通，打开第一管路，从而使得蒸发器向冷凝器提供热量。

如图2所示的利用图1的环路热管太阳能集热器系统，所述蒸发器1吸收太阳能，形成太阳能的集热器101，如图2、3所述蒸发器1为平板结构，包括集热区域1011，所述集热区域1011包括透明罩板21、支撑板103、毛细部件24、第一空间104和第二空间105，所述透明罩板21设置在上部，第一空间104形成在支撑部件103和蒸发器1的下部壁面之间，支撑部件103优选为支撑板，支撑部件103和透明罩板21之间形成第二空间105，所述支撑部件103上设置连通第一空间104和第二空间105的通孔106，所述通孔106中设置毛细部件24，所述第一空间105为液体空间，所述通孔106所对应的透明罩板21设置透镜107，所述通孔106位于透镜107的焦点上。

本发明通过在集热区域内选择性的部分位置设置毛细部件，即只在集热的部分设置毛细部件，并通过设置在透明罩板上的相对应的透镜进行集热，从而有选择性的选择重要的液体出现的区域进行加热，而且上述的结构布置的毛细部件的面积少，减少了毛细结构的成本，从而整体降低成本，提高热能的利用率。

上述的支撑结构，能够起到支撑毛细部件的作用，相对于仅仅设置毛细部件来说，能够避免毛细部件下沉，保持良好的吸液能力。

作为优选，毛细部件占集热区域1011截面面积的60－80％。

作为优选，毛细部件是多孔材料。

作为优选，如图2－3所示，所述通孔106设置为多个，每个通孔106在对应的透明罩板21上分别对应设置透镜107，所述通孔106位于对应的透镜107的焦点上。通过设置多个毛细部件以及相对应的透镜，能够进行多点加热，进一步提高加热能力。

作为优选，如图3所示，所述蒸发器还包括储液区28，所述储液区28为平板结构，储液区28底部连通液体空间105，储液区28的上壁面的高度高于毛细部件24的高度。

作为优选，储液区28的上壁面的高度高于毛细部件5mm。

作为优选，通过动力装置将水打入储液区内。

本发明通过在集热器中设置储液区，而且使得储液区与集热区域的液体通道连通并且水位明显的高于集热区域的毛细部件的高度，这样使得水位明显高于毛细部件的上部，能够通过水位高度的压差增加毛细部件的吸液能力，而且还可以避免集热器的干涸。

作为优选，所述集热区域1011的横截面是圆形，所述毛细部件24包括设置在圆形圆心的中央毛细部件和围绕圆心设置的周围毛细部件。本发明通过设计了一种毛细部件在加热器中的新式的分布结构，能够进一步促进毛细部件的吸液能力，避免不同位置的毛细力吸液能力的不足，而且针对不同位置针对性的设置和合理布局毛细部件。

作为优选，中央毛细部件的毛细力大于周围毛细部件的毛细力。因为中央的流体向四周分布，影响范围广泛，周围毛细部件仅仅辐射周边，无法实现全局的辐射，因此通过设置中央的毛细能力大，能够使得吸上去的液体通过中部向周围流动，保证流体的分不均匀，同时正常情况下中央的集热能力大，也能够使得加热液体的能力强，保证集热能力，充分利用太阳能。

作为优选，在第二空间内，流体要达到均匀的加热，避免换热分布不均匀，导致部分区域干涸，因为中央的流体向四周辐射，能够影响全局，而周围的流体仅仅影响周围区域。因此需要通过合理分配不同的毛细部件的毛细能力的大小，实现内部换热的均匀分布。通过实验发现，中央毛细部件与周围毛细部件的毛细能力与两个关键因素相关，其中一个就是周围毛细部件与集热区域的圆心的间距以及集热区域的直径相关。因此本发明根据大量数值模拟和实验，优化了最佳的毛细力的比例分配。

作为优选，所述周围毛细部件为一层结构，集热区域内壁半径为K，所述中央毛细部件的圆心设置在集热区域的圆心，周围毛细部件的圆心距离集热区域的圆心的距离为M，相邻周围毛细部件的圆心分别与集热区域的圆心进行连线，两根连线形成的夹角为A，单个周围毛细部件的毛细力为F1，单个中央毛细部件的毛细力为F2，则满足如下要求：

F2/F1＝a-b*Ln(K/M)；Ln是对数函数；

a,b是系数，其中1.5599<a<1.5605,0.4358<b<0.4364；

作为优选，1.23<K/M<2.05；

作为优选，1.2<F2/F1<1.5。

其中40°<A<100°。

作为优选，四周分布数量为4－8个；优选是4－5个。

作为优选，K为1500-1600毫米，优选是1550mm；M为756-1260毫米，优选为800mm。

进一步优选，a＝1.5602,b＝0.4361。

作为优选，所述集热区域的下部壁面设置辅助加热装置23，所述的蒸发器流向冷凝器的管道上设置流量计，测试蒸汽流量，所述辅助加热装置根据测试的蒸汽流量来调节辅助加热装置进行加热。通过设置辅助加热装置，将其设置在毛细部件下方管壁上，加热液体通道中的液体，一方面可以提高毛细的吸热能力，另一方面也能避免特殊情况下(例如晚上或者光照强度不大)的太阳能集热能力不足的情况。

作为优选，如果测试的流量低于一定的数值，则辅助加热装置自动启动加热，如果高于一定数值，辅助加热装置停止加热。

作为优选，当毛细部件的吸液能力不足的时候，例如，毛细液的工作能力超出了额定的工作年限，或者在阳光充足的情况下，蒸汽流量明显不足，可以启动加热部件进行加热。

通过加热，使得液体空间内的液体的温度升高，可以间接的提高毛细部件的工作能力。

作为优选，冷凝器设置在水箱中。

作为优选，所述集热器进口和出口设置压力传感器，检测进口和出口的压力。

作为优选，储液区的上壁与支撑部件是一体化结构，如图4所示。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种智能控制温度的土壤修复系统，包括环路热管，所述热管包括蒸发器和冷凝器，所述冷凝器设置在土壤中，所述蒸发器和冷凝器通过第一管路和第二管路形成循环管路，流体在蒸发器中吸热蒸发，然后通过第一管路进行冷凝器放热，然后流体从冷凝器中通过第二管路循环回到蒸发器，蓄热器设置在第二管路中；所述热管还包括三通阀，所述三通阀设置在第一管路上，第四管路一端连接三通阀，另一端连接到蓄热器和冷凝器之间的第二管路上；其特征在于，土壤中设置温度传感器，用于检测土壤温度，控制器与温度传感器数据连接，控制器根据检测的土壤温度来控制三通阀的开闭；所述蒸发器吸收太阳能，形成太阳能的集热器，所述蒸发器为平板结构，包括集热区域，所述集热区域包括透明罩板、支撑板、毛细部件和第一空间和第二空间，所述透明罩板设置在上部，第一空间形成在支撑板和蒸发器的下部壁面之间，支撑部件和透明罩板之间形成第二空间，所述支撑部件上设置连通第一空间和第二空间的通孔，所述通孔中设置毛细部件，所述第一空间为液体空间，所述通孔所对应的透明罩板设置透镜，所述通孔位于透镜的焦点上。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当检测的土壤温度过高时，此时控制器控制三通阀打开第一管路和第四管路之间的连通，关闭第一管路，从而使得蒸发器只向蓄热器提供热量。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当检测的土壤温度过低时，此时控制器控制三通阀关闭第一管路和第四管路之间的连通，打开第一管路，从而使得蒸发器向冷凝器提供热量。

Images