一种堆肥反应器均匀通风系统
技术领域
本发明涉及堆肥通风技术领域，具体涉及一种堆肥反应器均匀通风系统。
背景技术
通风是影响堆肥效果的重要因素之一，其可为堆体提供氧气，并带走水分及热量。当进风温度过低时，通风会带走堆体内部过多的热量，堆肥反应不能够正常进行。当风量供给不足时，堆体便会进行厌氧发酵。因此，要达到良好的堆肥效果，进风温度的控制及通风系统的合理设计显得尤为重要。
通风系统设计主要包括通风量选择、通风管道设计等。通风量的研究已较为成熟，而起到堆体内部气流调控主要作用的通风管道，在实际生产中大多数依据工民建中管道的设计经验。对于堆肥而言，尚无特定的管道设计依据。
在堆肥通风系统中，还需保证一定的出风速度，防止堆体堵塞通风管道上的出风小孔。同时，由于小孔出风方向受静压产生流速与管内流速共同作用，孔口出流方向会发生倾斜，气体会在堆肥反应器内形成涡流。当倾斜角度过大时，致使小孔上方区域为通风弱区或死角。
综合上述因素，堆肥通风系统设计时，在保障一定通风量的情况下，本发明拟在进风温度、风管上小孔的出风角度及出风速度方面进行创新设计，以降低通风弱区，提高通风效率。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种堆肥反应器均匀通风系统，以能够控制进风温度、风管上小孔的出风角度及出风速度，以降低通风弱区，提高通风效率。
本发明的堆肥反应器均匀通风系统，主要包括通风装置、通风控制装置和温度控制装置，其中，所述通风装置包括风机、通风管道和出风口，所述通风管道设于所述堆肥反应器的下方，所述通风管道上设有通风孔；所述出风口设于所述堆肥反应器的上方；所述风机设于所述通风管道的入口；所述通风控制装置包括变频器、流量计和第一控制器，所述变频器与所述风机及控制器连接，所述流量计设于所述通风管道上，所述流量计与所述控制器相连，所述控制器根据所述流量计测得的通风流量计算所述通风管道内的气流速度，并对所述变频器进行控制，以调节所述通风管道内的气流速度；所述温度控制装置包括温度计、加热器及第二控制器，所述温度计的探头安装于所述堆肥反应器内部，所述温度计与所述第二控制器连接，所述第二控制器与所述加热器连接，所述加热器与所述风机相连，所述第二控制器根据所述温度计测得的温度，对所述加热器进行调控。所述第一控制器与第二控制器为同一控制器或不同控制器。
本发明在进风温度、风管上小孔的出风角度及出风速度方面进行创新设计，以降低通风弱区，提高通风效率。其中，温度控制装置实现进风温度的控制，通风控制装置进行出风速度与总压的控制，以达到控制出风速度与出风角度的目的。
进一步地，为了不使堆肥堵塞出风孔，所述通风孔的出风速度大于等于10m/s；为了保证各出风孔处避免形成弱风区，本发明使所述通风孔的出风角度与所述通风孔所在风管的轴线间夹角大于等于80°。
进一步地，为了达到上述的出风速度和出风角度，本发明使所述通风孔所在管道内气流的流速νd小于等于1.7m/s，所述通风孔所在管道内气流静压差产生的流速νj大于等于9.8m/s。
进一步地，所述通风管道可包括干管和支管，所述干管与所述通风控制装置连接，所述支管为一组，一组所述支管分别与所述干管连接，所述通风孔设于所述支管上。如此使得通风更均匀。
进一步地，所述通风孔设于所述支管的上半周面上，所述通风孔沿所述支管轴向方向设有一排或多排。
进一步地，为了达到上述出风速度与出风角度，所述风机提供的总压大于等于63.8n Pa，其中n为所述支管的数量。
进一步地，所述支管与所述干管之间为弧型喇叭口的连接方式，以降低局部阻力。
进一步地，所述温度计为两个，分别安装于第一根所述支管及最后一根所述支管的进风口处，且位于每个支管的第一个所述通风孔前端。
进一步地，为降低局部阻力，所述干管与所述支管的直径比值小于等于2且大于1。
进一步地，所述通风装置还包括密闭空间，所述密闭空间设于所述堆肥反应器的下方，所述密闭空间通过流通孔与所述堆肥反应器连通，所述通风管道设于所述密闭空间内。
本发明将通风气流由通风管道输送至堆肥反应器内，通风管道上开设通风小孔，气流通过小孔进入堆体，通风气流在与堆体进行热量及气体交换后，通过出风口排出。为保证堆体内部无通风弱区，本发明使通风小孔的出风气流方向尽可能与管道轴向垂直；且为了避免堆体堵塞小孔，本发明使通风小孔的出风速度大于等于一定数值。本发明中，为了保证出风速度与角度，本发明设定了出风支管的风速，使所选用的风机满足总压大于等于一定数值(不包括克服摩擦阻力及局部阻力损失的压力)。实施时本发明通过流量计监测各支管的流量，通过变频器对风机风量进行调节。本发明通过温度控制装置对通风温度进行调控。本发明可基本满足进风温度可控、堆体内部无通风死角，起到提高通风效率及堆肥效果的作用，实现了堆肥反应器内部的均匀送风，防止局部堆体产生厌氧反应的效果。
附图说明
图1为本发明一实施例堆肥通风系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例通风控制装置及温度控制装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例支管的结构示意图；
图4为本发明一实施例堆肥反应器内部横截面气流分布模拟云图；
附图标号说明：
101通风管道，102链板，103钢板、104出风口、105风机、1011干管、1012支管、通风孔(通风小孔)10121；
20通风控制装置，201变频器，202流量计，203第一控制器；
301温度计，302加热器，303第二控制器。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
本发明提供一种堆肥均匀通风系统，该系统可根据堆体内部厌氧发酵情况控制进风温度；该系统可达到出风速度大于等于10m/s(经验值)，以避免堆体堵塞通风小孔；该系统可使出风角度与风管轴线间的夹角大于等于80°，使得堆体内部几乎无通风死角。该系统操作简单，实用性强。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
如图1所示，一种堆肥均匀通风系统，主要包括通风控制装置，温度控制装置，及通风装置。通风装置又可包括通风管道101，链板102，钢板103、出风口104及风机105(图2中示出)等。
堆体通过链板102与通风管道101隔开。为减少堆体堵塞通风管道101上通风小孔的风险，链板102开有流通小孔，气流通过该流通小孔进入堆体。流通小孔的孔径大于通风孔的孔径，流通小孔的孔径一般为2-8mm，通风孔的孔径为1-5mm。
出风口104位于堆体的上方。位于堆体下方的链板102、钢板103(钢板上无小孔)与堆肥反应器底部形成密闭空间(如图1)，通风管道101位于此密闭空间内，迫使气流通过链板102上的流通小孔进入堆体，与堆体进行热交换和气体交换后，再通过堆体上方的出风口104流出。如此设计使得进风气流与堆体充分接触，避免气流的短路。
通风管道101又可包括干管1011和支管1012，干管1011与通风控制装置连接，支管1012与干管1011连接(如图2)，为降低局部阻力，干管1011和支管1012间为弧形喇叭口连接，干管1011与支管1012的直径比值小于等于2且大于1。支管优选为一组平行设置的管道，优选均与干管垂直。
空气在风管内部流动，静压作用于管壁，在风管上开小孔(如图3)，由于管内外存在静压差，空气从孔口流出。从小孔出流的气流实际流速受静压产生流速和管内流速共同作用。在管内流速的影响下，孔口出流方向发生偏斜，实际流速为合成速度。
静压产生的流速为
孔口出流与风管轴线间的夹角为α，tanα＝vj/vd
孔口的实际流速为
式中，Pj为风管内空气的静压，Pa；ρ为风管内空气的密度，kg/m3；α为孔口出流与风管轴线间的夹角，°；νj为静压差产生的流速，m/s；νd为管内的流速，m/s；ν为孔口出流的实际流速，m/s。
为保证堆体内部无通风弱区，小孔的出风气流方向应尽可能与管道垂直，可使出风角度与风管轴线间夹角大于等于80°；且为了避免堆体堵塞小孔，小孔的出风速度应大于等于10m/s，将上述数值带入上述的速度计算及角度计算公式，则管内流速νd应小于等于1.7m/s，静压差产生的流速νj应大于等于9.8m/s。静压同样由风机提供。
而风机需提供的总压：
Pq＝Pj+Pd+Pm+Pc
其中，管内动压
管壁静压
式中，Pq为风机的总压，Pa；Pd为管内的动压，Pa；Pj为管壁静压，Pa；Pm为摩擦阻力，Pa；Pc为局部阻力，Pa。
由于摩擦阻力及局部阻力受通风系统材料及主管与支管结构的影响，本通风系统适用材料范围广泛，包括钢板，镀锌铜板，及不锈钢等；本通风系统主管和支管的直径受风量影响，故在此发明中，风机提供总压计算不包括摩擦阻力及局部阻力。在实际生产中，可依据风管材料及主管和支管结构，在选取风机总压时，在本发明的基础上加上摩擦阻力及局部阻力。
风机需提供的总压应大于63.8n Pa，其中n为支管的数量。
当然通风管道包括干管和支管是为了通风更均匀，本发明将该种优选实施方式作为示例进行说明，并不排除通风管道只包括干管的实施方式。仅有干管的通风系数计算可参照上述计算方式进行。
通风控制装置主要包括变频器201、流量计202及第一控制器203如PLC(如图2)。仍以通风管道包括干管和支管的示例进行说明。
如图3所示，流量计202可安装于第一根支管1012及最后一根支管1012的进风口处，且位于第一个通风孔(通风小孔)10121的前端。此处的第一个通风孔是指离干管最近的通风孔。如此可根据两个流量计的测量平均值进行计算。当然测量方式不局限于此。变频器201与风机105及第一控制器203(PLC)连接，流量计202与PLC相连，根据流量计202的读数可计算出风管内气流的速度，计算公式如下。流量计202将监测的流量反馈至PLC，PLC对变频器201进行控制，变频器201再对风机进行调控，从而可调节支管1012内气流的速度。
管内流速νd＝Q/πr2
式中，Q为流量计监测的支管流量，m3/s；r为支管的半径，m。
温度控制装置主要包括温度计301(该温度计包括探头)、加热器302及第二控制器303如PLC(如图2)。温度计301的探头安装于堆肥反应器内部，监测堆肥时堆体的温度。温度计301与第二控制器303(PLC)连接，PLC与加热器302连接，加热器302与风机105相连，PLC根据温度计测取温度，对加热器302的启闭及功率进行调控，加热器又对风机的出风温度进行控制。
本发明中的第一控制器与第二控制器可为两个独立的控制器或为同一控制器。
本发明使得堆肥反应通风系统温度可控，保证进风气流温度满足堆肥反应的要求；本发明使得通风孔的出风速度大于等于10m/s，避免堆体堵塞通风系统；本发明使得通风孔的气流出风角度与风管轴线间夹角大于等于80°，最终使得堆体内部无通风死角，通风效率提高。
实施例
以下通过附图所示的实施例进一步说明。
本实施例的通风系统包括通风控制装置、温度控制装置及通风装置。通风装置又包括通风管道、链板、钢板及出风口及风机等。本实施例各部件结构与上述实施方式类似。
位于堆体下方的链板、钢板(钢板上无小孔)与堆肥反应器底部形成密闭空间，通风管道位于此密闭空间内。出风口位于堆体上方。通风系统启动后，气流通过链板上的小孔进入堆体，与堆体进行热交换和气体交换后，再通过堆体上方的出风口流出。
风管包括干管和支管，干管与通风控制系统连接，支管与干管之间采用弧型喇叭口连接。支管上开设通风小孔。气流流经干管后进入支管，通过支管上小孔进入堆体。
通风控制系统包括变频器、流量计及PLC。流量计安装于第一根支管及最后一根支管的进风口处，且位于第一个通风孔的前端。PLC与流量计及变频器相连，变频器与风机连接，通过改变电压调节风机的出风流量。流量计监测各支管的流量，在PLC内进行处理取平均值，根据以下公式，计算气流的速度νd。PLC根据流量计的读数控制变频器，从而调节风机的风量，使支管内的风速小于1.7m/s。
管内流速νd＝Q/πr2
式中，νd为管内气流的速度，m/s；Q为流量计监测得的支管流量，m3/s；r为支管半径，m。
风机总压按管内动压和管壁静压之和计算，静压差产生流速应大于9.8m/s，风机提供总压应大于63.8n Pa(支管数量以n表示)。
温度控制装置主要包括温度计(其包括温度探头)、加热器及PLC。温度计安装于反应器内部，探头位于堆体内部，监测堆肥时堆体的温度。温度计与PLC连接。PLC与加热器连接，根据温度计测取的温度，对加热器的启闭及功率进行调控。
本实施例，通过使用Solidworks建模，ANSYS ICEM进行网格划分，ANSYS FLUENT进行反应器内部气流的模拟，物理模型为图1。
反应器底部为密闭风管区域，链板为堆肥与密闭空间的隔板，链板上方区域为堆肥反应区域，最上方区域为空余空间。本实施例中堆肥反应器长度约为4.57m，宽度约为1m，高度约为1m。堆肥区域加设保温层，保温层厚度约为0.2m；反应器密闭空间高度约为0.29m，堆肥区域高度约为0.51m，上部空余空间高度约为0.2m。
支管的进风口风速为1.7m/s，静压为62Pa；
支管的直径为0.04m；
链板的厚度为0.002m，粘性阻力系数为3580m-2，惯性阻力系数为2.28m-1；
出风口位于反应器的顶部，呈圆形，直径为0.15m，出风口个数为3个；
通过模拟图4得到结论：此堆肥通风系统堆体好氧发酵区域气流分布较为均匀，基本无通风死角。
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。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
