ES1291640U - SLURRY DRYING UNIT - Google Patents
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Abstract
Unidad de secado de purines, para una planta para el tratamiento de purines líquidos de porcino, vacuno lechero y otras especies animales mediante desecación formada por un invernadero (24), un sistema de ventilación regulado, un depósito de homogeneización (14) y acidificación del purín y un filtro natural (12) en la salida del aire de ventilación humedecido con una disolución ácida; donde el invernadero (24) tiene un suelo radiante (100) con unos circuitos de tubo (6) de polietileno reticulado, polietileno multicapa o polibutileno, aislado del suelo con poliestireno expandido u otros materiales, cubierto con mortero o con hormigón; que tiene un punto de captación de energía externa; que tiene uno o varios depósitos de inercia (17) en el circuito radiante que actúan como unidades de almacenamiento de la energía térmica excedentaria no transferida a la masa de purín; y que tiene un recuperador de calor tras el filtro natural (12) para calentar el agua de un circuito de calefacción y para condensar parte del agua evaporada para ser reaprovechada como agua de limpieza, caracterizada por comprender, como elemento de captación de energía externa, al menos, una bomba de calor (30) conectada a un circuito geotérmico (31) que extrae la energía de una balsa (28) de almacenamiento del purín.Slurry drying unit, for a plant for the treatment of liquid slurry from pigs, dairy cattle and other animal species by desiccation consisting of a greenhouse (24), a regulated ventilation system, a homogenization tank (14) and acidification of the slurry and a natural filter (12) at the ventilation air outlet moistened with an acid solution; where the greenhouse (24) has a radiant floor (100) with pipe circuits (6) made of cross-linked polyethylene, multilayer polyethylene or polybutylene, isolated from the ground with expanded polystyrene or other materials, covered with mortar or concrete; having an external energy collection point; having one or more inertial tanks (17) in the radiant circuit that act as storage units for the excess thermal energy not transferred to the slurry mass; and which has a heat recuperator after the natural filter (12) to heat the water from a heating circuit and to condense part of the evaporated water to be reused as cleaning water, characterized by comprising, as an element for capturing external energy, at least one heat pump (30) connected to a geothermal circuit (31) that extracts energy from a slurry storage pond (28).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
UNIDAD DE SECADO DE PURINESSLURRY DRYING UNIT
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a una unidad de secado de purines que aporta, a la función a que se destina, ventajas y características, que se describen en detalle más adelante, que suponen una mejora del estado actual de la técnica.The invention, as expressed in the title of this specification, refers to a slurry drying unit that provides, to the function for which it is intended, advantages and characteristics, which are described in detail later, which represent an improvement of the current state of the art.
Más concretamente, el objeto de la invención se centra en una unidad de secado de purines aplicable en una planta para el tratamiento de purines líquidos de porcino, vacuno lechero y otras especies animales sin emisiones de amoniaco al medio ambiente que, siendo del tipo que comprende un invernadero dotado de un suelo radiante que puede ser alimentado por energías renovables como: termosolar, fotovoltaica, eólica, biomasa, geotermia, u otros sistemas de aporte energético como el gas natural, propano o GLP, presenta una serie de perfeccionamientos que mejoran la eficiencia de la unidad, estando centradas, básicamente, en la inclusión de un sistema de captación de la energía externa que comprende una o varias bombas de calor, una conectada a un circuito geotérmico que extrae la energía de una balsa de almacenamiento del purín, y otra que lo extrae del aire ambiental, y, opcionalmente, un sistema de intercambio de calor para calentar el aire a la entrada del invernadero consistente en placas de cristal o plástico térmico transparente con separaciones de dióxido de titanio.More specifically, the object of the invention focuses on a slurry drying unit applicable in a plant for the treatment of liquid slurry from pigs, dairy cattle and other animal species without ammonia emissions into the environment which, being of the type comprising a greenhouse equipped with underfloor heating that can be powered by renewable energies such as: solar thermal, photovoltaic, wind, biomass, geothermal, or other energy supply systems such as natural gas, propane or LPG, presents a series of improvements that improve efficiency of the unit, being basically centered on the inclusion of an external energy capture system that includes one or several heat pumps, one connected to a geothermal circuit that extracts energy from a slurry storage pond, and another that extracts it from the ambient air, and, optionally, a heat exchange system to heat the air at the entrance of the greenhouse consisting of pla glass or transparent thermal plastic shells with titanium dioxide separations.
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓNFIELD OF APPLICATION OF THE INVENTION
El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector de la industria ganadera, centrándose particularmente en el ámbito de las instalaciones para secado de purines.The field of application of the present invention falls within the livestock industry sector, focusing particularly on the field of manure drying installations.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Las unidades de secado tienen una larga trayectoria en el sector agrícola para la deshidratación de diferentes productos como los hortícolas, maíz, café etc. Estas unidades consisten en invernaderos dotados de una infraestructura de madera o metálica cerrada con lámina de polietileno, copolímero etileno vinilacetato, policloruro de vinilo (PVC), policarbonato o vidrio.Drying units have a long history in the agricultural sector for the dehydration of different products such as vegetables, corn, coffee, etc. These units consist of greenhouses equipped with a wooden or metal infrastructure closed with a sheet of polyethylene, ethylene vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride (PVC), polycarbonate or glass.
Para determinar el intercambio energético se tienen en cuenta: la intensidad de la radiación solar, la velocidad y temperatura del aire, el área del cerramiento del invernadero y los valores de los calores específicos.To determine the energy exchange, the following are taken into account: the intensity of solar radiation, the speed and temperature of the air, the area of the greenhouse enclosure and the values of specific heats.
Existen numerosas publicaciones referentes a diferentes modelos de secaderos, tanto para el secado por lotes como el secado en continuo, utilizando en algunos de ellos electricidad, combustibles fósiles, o incluso la energía solar, pero en todos ellos el elemento a calentar es el aire que circula sobre el producto y que se satura con el agua que se extrae de él.There are numerous publications referring to different models of dryers, both for batch drying and continuous drying, in some of them using electricity, fossil fuels, or even solar energy, but in all of them the element to be heated is the air that circulates on the product and that is saturated with the water that is extracted from it.
Los secaderos existentes se clasifican en sistemas activos, con ventilación forzada, y sistemas pasivos, con ventilación natural. En todos ellos los componentes principales son: - Un invernadero que actúa como colector de energía solarThe existing dryers are classified into active systems, with forced ventilation, and passive systems, with natural ventilation. In all of them the main components are: - A greenhouse that acts as a collector of solar energy
- Conductos apropiadamente aislados- Properly insulated ducts
- Una superficie de secado- A drying surface
- Una chimenea para la extracción del aire húmedo- A chimney for the extraction of humid air
Y, además, en los sistemas activos:And, in addition, in active systems:
- Ventanas monitorizadas- Monitored windows
- Impulsores de aire (ventiladores)- Air impellers (fans)
El rendimiento de estas instalaciones es adecuado para la deshidratación de productos de origen agrícola, pero no es suficiente para la extracción de grandes cantidades de agua.The performance of these installations is adequate for the dehydration of products of agricultural origin, but it is not sufficient for the extraction of large quantities of water.
Existen las que afrontan este problema, como algunas instalaciones que extraen sal del agua de mar acelerando el proceso de evaporación utilizando energía fotovoltaica, siguiendo el modelo de los secaderos de productos agrícolas, resultando una inversión inviable.There are those that deal with this problem, such as some facilities that extract salt from seawater by accelerating the evaporation process using photovoltaic energy, following the model of dryers for agricultural products, resulting in an unfeasible investment.
En el sector ganadero se han puesto en marcha secaderos de purines que siguen en esencia el mismo modelo, con algunas mejoras. Hay que tener en cuenta que, además del desafío técnico de extraer grandes cantidades de agua de una forma rentable, en el caso de los purines se debe evitar la emisión de amoniaco a la atmósfera durante el proceso. In the livestock sector, slurry dryers have been started up that essentially follow the same model, with some improvements. It must be taken into account that, in addition to the technical challenge of extracting large amounts of water in a profitable way, in the case of purines, the emission of ammonia into the atmosphere during the process must be avoided.
Como mejora de dichos sistemas, por el documento ES1253244U, cuyo titular es el propio solicitante de la presente invención, se conoce una unidad de secado de purines en que el invernadero tiene un suelo radiante con varias capas de distintos elementos, un punto de captación de energía externa que puede ser de distinta índole, uno o varios depósitos de inercia en el circuito radiante que actúan como unidades de almacenamiento de la energía térmica excedentaria no transferida a la masa de purín, y un recuperador de calor para calentar el agua de un circuito de calefacción y para condensar parte del agua evaporada para ser reaprovechada como agua de limpieza.As an improvement to said systems, from document ES1253244U, whose owner is the applicant of the present invention, a slurry drying unit is known in which the greenhouse has a radiant floor with several layers of different elements, a collection point for external energy that can be of different kinds, one or more inertial tanks in the radiant circuit that act as storage units for the excess thermal energy not transferred to the slurry mass, and a heat recovery unit to heat the water in a circuit heating and to condense part of the evaporated water to be reused as cleaning water.
Pues bien, el objetivo de la presente invención es el desarrollo de una nueva unidad de secado de purines que, basada en la descrita en el documento antedicho presenta una serie de perfeccionamientos que mejoran la efectividad de la misma.Well, the objective of the present invention is the development of a new slurry drying unit which, based on the one described in the aforementioned document, presents a series of improvements that improve its effectiveness.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION
La unidad de secado de purines que la presente invención propone, tal como se ha señalado anteriormente, es una planta de secado de purines de alto rendimiento del tipo que, a partir de elementos ya conocidos, como el aprovechamiento de la energía solar captada a través de una estructura tipo invernadero, la acidificación previa con ácido sulfúrico para el control de las emisiones de amoniaco, y la filtración final del aire, incorpora un suelo radiante en dicho invernadero para aumentar la captación de energía del medio y su transferencia a la masa de purín, con la particularidad de que, además se contempla la utilización de diferentes fuentes de energía para alimentar el circuito hidrotérmico y precalentar el aire que entra en el invernadero para transportar el vapor de agua generado.The slurry drying unit that the present invention proposes, as indicated above, is a high performance slurry drying plant of the type that, based on already known elements, such as the use of solar energy captured through of a greenhouse-type structure, the prior acidification with sulfuric acid to control ammonia emissions, and the final filtration of the air, incorporates a radiant floor in said greenhouse to increase the capture of energy from the environment and its transfer to the mass of slurry, with the particularity that, in addition, the use of different energy sources is contemplated to feed the hydrothermal circuit and preheat the air that enters the greenhouse to transport the generated water vapour.
Para ello, preferentemente, se contempla básicamente la inclusión de un sistema de captación de la energía térmica que se produce en una balsa de almacenamiento de purines, normalmente aprovechando las propias balsas de almacenamiento con que cuenta este tipo de plantas, que denominaremos captación puritérmica, a través de un circuito hidráulico y bomba de calor, y opcionalmente, la inclusión adicional de un sistema de captación de la energía que producen los gases de dicha balsa o captación aerotérmica, mediante el uso de otra bomba de calor que extrae la energía del aire ambiental aprovechando dichos gases. For this, preferably, the inclusion of a system for capturing the thermal energy that is produced in a slurry storage pond is basically contemplated, normally taking advantage of the storage ponds that this type of plant has, which we will call puritermal capture, through a hydraulic circuit and heat pump, and optionally, the additional inclusion of a system for capturing the energy produced by the gases of said pool or aerothermal capture, through the use of another heat pump that extracts energy from the air environment by taking advantage of these gases.
El secado se produce por el resultado del balance de calor. Las necesidades térmicas son el resultado de sumar la entalpia del agua para que se produzca la evaporación, la energía necesaria para elevar la temperatura inicial del purín a la temperatura de consigna, y la energía necesaria para calentar la temperatura del aire que entra en el invernadero para transportar el vapor de agua que se produce durante el proceso de deshidratación.Drying occurs as a result of heat balance. The thermal needs are the result of adding the enthalpy of the water for evaporation to take place, the energy needed to raise the initial temperature of the slurry to the set temperature, and the energy needed to heat the temperature of the air entering the greenhouse. to transport the water vapor that is produced during the dehydration process.
La energía de la que dispondremos será la radiación que incide en la cubierta del invernadero, la energía del aire que incorporemos al invernadero, y la energía que transfiramos a la masa de purín a través del suelo radiante.The energy that we will have will be the radiation that affects the greenhouse cover, the energy of the air that we incorporate into the greenhouse, and the energy that we transfer to the mass of manure through the radiant floor.
El suelo radiante está compuesto en esencia por varios conductos en serpentín que transportan agua. El agua es impulsada por motores de bombeo, cuya potencia y número dependerá de los metros lineales de serpentín por los cuales debe circular. La tecnología para este sistema está ampliamente desarrollada en los sistemas de calefacción residencial. El agua circulante dispone de uno o varios depósitos de inercia que permiten almacenar energía excedentaria en forma de agua caliente.Underfloor heating is essentially made up of several serpentine ducts that carry water. The water is driven by pumping motors, whose power and number will depend on the linear meters of coil through which it must circulate. The technology for this system is widely developed in residential heating systems. The circulating water has one or more buffer tanks that allow surplus energy to be stored in the form of hot water.
El agua del suelo radiante forma parte de un circuito cerrado estanco que incorporará y transferirá energía por intercambio de calor.The radiant floor water forms part of a sealed closed circuit that will incorporate and transfer energy by heat exchange.
La captación de energía puede ser de diferentes maneras:The capture of energy can be in different ways:
- La energía contenida en la balsa de almacenamiento de purines. Todas las granjas almacenan los purines líquidos en balsas de recepción con capacidad mínima para 3 meses. El purín es un elemento inestable, produciéndose en su interior reacciones anaeróbicas con generación de calor, gases nocivos como el amoniaco y gases de efecto invernadero como el metano y óxido nitroso. Esta energía se aprovecha para su uso en la planta de secado gracias a la captación realizada por una bomba de calor, que transfiere toda la energía al depósito de inercia que contiene el fluido del circuito radiante del invernadero. El campo de captación lo conforman tubos de polietileno en el interior de la balsa a media altura, sin dejar que se posen en el fondo para evitar que solidifique el sedimento y bloquee de esta manera la captación energética. La bomba de calor se programa para que deje de funcionar cuando la temperatura del purín descienda a 4°C, permitiendo que la masa de purín recupere energía térmica por la irradiación solar y las reacciones anaeróbicas interiores. Esta forma de captación tiene dos ventajas: la primera es el aprovechamiento energético para el secado de purines de una manera muy eficiente, con un Coeficiente de Eficiencia Energética de 5-6, y la segunda, al disminuir la temperatura de la masa de purín se ralentiza la actividad microbiana anaeróbica y las reacciones enzimáticas responsables de las emisiones de amoniaco, metano y óxido nitroso, disminuyéndolas de forma significativa. Adicionalmente, para aumentar la producción energética de la balsa de purines, se utiliza un tubo difusor de oxígeno que circula por el interior de la misma y un equipo de ozonización, productor del oxígeno. La activación aeróbica permite extraer más energía interna y adicionalmente tiene un efecto fijador del nitrógeno presente en el purín- The energy contained in the slurry storage pond. All farms store liquid manure in reception ponds with a minimum capacity of 3 months. Slurry is an unstable element, producing anaerobic reactions inside it that generate heat, harmful gases such as ammonia and greenhouse gases such as methane and nitrous oxide. This energy is harnessed for use in the drying plant thanks to the capture carried out by a heat pump, which transfers all the energy to the buffer tank that contains the fluid from the greenhouse's radiant circuit. The collection field is made up of polyethylene tubes inside the pool at medium height, without allowing them to settle on the bottom to prevent the sediment from solidifying and thus blocking energy collection. The heat pump is programmed to stop working when the slurry temperature drops to 4°C, allowing the slurry mass to recover thermal energy through solar irradiation and internal anaerobic reactions. This form of collection has two advantages: the first is the use of energy for drying of slurry in a very efficient way, with an Energy Efficiency Coefficient of 5-6, and the second, by lowering the temperature of the slurry mass, the anaerobic microbial activity and the enzymatic reactions responsible for ammonia, methane emissions slow down. and nitrous oxide, reducing them significantly. Additionally, to increase the energy production of the slurry pond, an oxygen diffuser tube is used that circulates inside it and an ozonation equipment, which produces oxygen. Aerobic activation allows more internal energy to be extracted and additionally has a fixing effect on the nitrogen present in the slurry.
- La aerotermia gracias a la captación realizada por una bomba de calor que utiliza el gas propano o similares como refrigerante en el circuito. Esta bomba de alto rendimiento es complementaria a la bomba de calor anterior, permitiendo seguir el suministro energético cuando se agote energéticamente el procedente de la balsa de purín.- Aerothermics thanks to the capture carried out by a heat pump that uses propane gas or similar as refrigerant in the circuit. This high-performance pump is complementary to the previous heat pump, allowing the energy supply to continue when the energy from the slurry pond runs out.
- Intercambiadores de calor de alto rendimiento que captan la irradiación solar y la transfieren a la corriente de aire que se introduce en el invernadero por la depresión generada por un ventilador. La dimensión y potencia del intercambiador de calor dependerá de la temperatura de consigna de entrada.- High performance heat exchangers that capture solar radiation and transfer it to the air current that is introduced into the greenhouse by the depression generated by a fan. The size and power of the heat exchanger will depend on the input setpoint temperature.
El purín en fresco, sin homogeneizar, llega a un depósito cerrado con un batidor de hélice, donde se incorpora el ácido sulfúrico para su acidificación, y se controla con un medidor de pH continuo.The fresh slurry, without homogenizing, reaches a closed tank with a propeller mixer, where the sulfuric acid is incorporated for its acidification, and is controlled with a continuous pH meter.
Una vez homogeneizado y acidificado a pH 5,5-6, se impulsa mediante una bomba al invernadero de purines, repartiéndose por la superficie del suelo radiante hasta formar una capa de 3-15 cm de espesor. Dicho espesor dependerá de la superficie del invernadero, de la densidad del purín y el intervalo de tiempo deseado entre secados.Once homogenized and acidified to a pH of 5.5-6, it is pumped into the slurry greenhouse, spreading over the surface of the underfloor heating until it forms a layer 3-15 cm thick. Said thickness will depend on the surface of the greenhouse, the density of the slurry and the desired time interval between drying.
Se incorpora un equipo difusor de radicales OH para sustituir o complementar la acidificación del purín. Se trata de un emisor de radiación ultravioleta que excita las moléculas de peróxido de hidrógeno procedentes de un depósito interior equipado con un difusor pasivo, generando radicales OH-. Dichos radicales OH- son muy reactivos y aunque su vida media se mide en picosegundos, producen una reacción en cadena con las moléculas de agua en forma de vapor, generando más radicales OH-. Los radicales OH-reaccionan con los microorganismos presentes en el purín inactivándolos, y rompe las moléculas de amoniaco, metano y compuestos orgánicos volátiles, permitiendo una extracción de vapor baja en emisiones y sin olores.An OH radical diffuser equipment is incorporated to replace or complement the acidification of the slurry. It is an ultraviolet radiation emitter that excites hydrogen peroxide molecules from an internal tank equipped with a passive diffuser, generating OH- radicals. These OH- radicals are very reactive and although their half-life is measured in picoseconds, they produce a chain reaction with water molecules in the form of steam, generating more OH- radicals. The OH-radicals react with the microorganisms present in the slurry, inactivating them, and break the molecules of ammonia, methane and volatile organic compounds, allowing steam extraction with low emissions and no odours.
El diseño de la planta está especialmente orientado a purines con un gran contenido acuoso. En pruebas realizadas por los inventores en 2017 con una pequeña planta piloto de 2 m2, este tipo de purines, al contener entre un 3,5 y un 16% de materia seca, no generan el efecto “crosta” cuando el espesor de la lámina no supera los 6 cm, llegando a deshidratarse hasta valores de humedad de un 20%.The design of the plant is especially oriented to slurry with a high water content. In tests carried out by the inventors in 2017 with a small 2 m2 pilot plant, this type of slurry, containing between 3.5 and 16% dry matter, does not generate the "crust" effect when the thickness of the sheet does not exceed 6 cm, becoming dehydrated to humidity values of 20%.
Cuando alcanza este valor de humedad el purín se convierte en un producto manipulable que se puede apilar en un espacio techado anejo al invernadero y puede ser retirado posteriormente por las empresas de compostaje. La deshidratación hasta estos niveles permite también que no se produzcan emisiones adicionales de amoniaco.When it reaches this humidity value, the slurry becomes a manipulable product that can be stacked in a covered space attached to the greenhouse and can be later removed by the composting companies. Dehydration to these levels also allows no additional ammonia emissions to occur.
El purín, una vez deshidratado, puede retirarse del invernadero de forma manual o con maquinaria agrícola y un accesorio de arrastre de goma hasta evacuarlo por uno de los extremos del invernadero.The slurry, once dehydrated, can be removed from the greenhouse manually or with agricultural machinery and a rubber drag accessory until it is evacuated through one of the ends of the greenhouse.
Pueden, asimismo, implementarse sistemas automatizados de recogida mediante un puente grúa que discurra a lo largo de los laterales del invernadero con un accesorio de goma y escobones que lo introduzca en una canal en cuyo interior se active un tornillo sinfín, transportando el deshidratado a un espacio exterior techado donde se pueda apilar.Likewise, automated collection systems can be implemented by means of a bridge crane that runs along the sides of the greenhouse with a rubber accessory and brooms that insert it into a channel inside which an endless screw is activated, transporting the dehydrated material to a covered outdoor space where it can be stacked.
La automatización incluye el control del bombeo de purín desde la balsa de almacenamiento hasta el depósito de homogeneización o directamente dentro del invernadero, con un sensor de llenado que detiene el funcionamiento de la bomba cuando se ha alcanzado el nivel deseado; control del caudal de ventilación a través de los ventiladores electrónicos; control de la bomba de circulación del circuito hidrotérmico en el suelo radiante; control del nivel de secado con aviso de final del proceso; inyectado del ácido sulfúrico en el depósito de homogeneización y tiempo de batido; control de la bomba de vaciado del depósito de homogeneización hacia el invernadero con sensor de llenado del mismo; control de la instalación fotovoltaica con nivel de llenado de las baterías. Todo ello regulado por un PLC adaptado a las necesidades de cada unidad de secado.The automation includes the control of the slurry pumping from the storage basin to the homogenization tank or directly inside the greenhouse, with a filling sensor that stops the operation of the pump when the desired level has been reached; ventilation flow control through electronic fans; control of the circulation pump of the hydrothermal circuit in the underfloor heating; control of the level of dryness with notice of the end of the process; injected sulfuric acid in the homogenization tank and mixing time; control of the emptying pump from the homogenization tank to the greenhouse with a sensor that fills it; control of the photovoltaic installation with battery fill level. All this regulated by a PLC adapted to the needs of each drying unit.
El secado necesita de un aporte controlado de aire. El aire actúa como elemento de transporte del vapor de agua que se genera, entrando con una humedad relativa, determinada por la temperatura de entrada y por la carga de humedad ambiental de la zona geográfica donde se ubique el invernadero. En el interior del invernadero, el aire subirá su temperatura hasta la temperatura de consigna, aumentando su capacidad para saturarse de humedad.Drying requires a controlled supply of air. The air acts as a transport of the water vapor that is generated, entering with a relative humidity, determined by the inlet temperature and by the environmental humidity load of the geographical area where the greenhouse is located. Inside the greenhouse, the air temperature will rise to the setpoint temperature, increasing its capacity to become saturated with moisture.
El aporte de aire está controlado por dos sistemas de ventilación forzada de bajo consumo sincronizados entre sí, uno de entrada, y otro de extracción. El régimen de funcionamiento de ambos sistemas está controlado por un software que recoge datos de temperatura y humedad relativa exteriores.The supply of air is controlled by two synchronized low consumption forced ventilation systems, one for intake and the other for extraction. The operating regime of both systems is controlled by software that collects external temperature and relative humidity data.
El aire cargado de humedad ya fuera del invernadero, pasa por un filtro de material biológico. Este filtro consiste en un depósito cilíndrico o poliédrico con una rejilla por debajo de la cual se evacúa el aire húmedo procedente del invernadero. Encima de la rejilla se acumula material poroso de origen biológico: corteza de pino, viruta gruesa de aglomerado, astillas de madera etc. Este material biológico se rocía con una dilución de ácido sulfúrico y agua, de tal manera que actúa como trampa ácida para el residuo amoniacal del flujo de aire. Una vez saturado, este material puede triturarse y añadirse al purín deshidratado como estructurante.The moisture-laden air outside the greenhouse passes through a filter of biological material. This filter consists of a cylindrical or polyhedral tank with a grid below which the humid air from the greenhouse is evacuated. Porous material of biological origin accumulates on top of the grid: pine bark, thick chipboard chips, wood chips, etc. This biological material is sprayed with a dilution of sulfuric acid and water, in such a way that it acts as an acid trap for the ammoniacal residue of the air flow. Once saturated, this material can be crushed and added to the dehydrated manure as a structuring agent.
Tras el filtro biológico, el vapor caliente pasa a través de un intercambiador de calor que, en el caso de las granjas, puede hacer circular agua del sistema de calefacción. Aprovecharemos este calor para precalentar el agua de calefacción de maternidades, lechoneras, agua para la leche rehidratada de mamones en el caso de ganado bovino u otros usos. El vapor de agua extraído del invernadero condensará parcialmente, y se recogerá en una balsa desde donde se reaprovechará como agua de limpieza de las instalaciones.After the biological filter, the hot steam passes through a heat exchanger which, in the case of farms, can circulate water from the heating system. We will take advantage of this heat to preheat the heating water for farrowing houses, piglets, water for rehydrated milk from suckling pigs in the case of cattle, or other uses. The water vapor extracted from the greenhouse will partially condense and will be collected in a pool from where it will be reused as cleaning water for the facilities.
En definitiva, la unidad objeto de la presente invención se distingue, esencialmente, por comprender sistema de captación de la energía externa que comprende una o varias bombas de calor conectadas a un circuito geotérmico que extrae la energía de una balsa de almacenamiento del purín y, opcionalmente, un sistema de intercambio de calor para calentar el aire a la entrada del invernadero consistente en placas de cristal o plástico térmico transparente con separaciones de dióxido de titanio. In short, the unit object of the present invention is essentially distinguished by comprising an external energy capture system comprising one or more heat pumps connected to a geothermal circuit that extracts energy from a slurry storage pond and, optionally, a heat exchange system to heat the air at the greenhouse inlet consisting of glass plates or transparent thermal plastic with titanium dioxide separations.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un plano en que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, this description is attached, as an integral part of it, of a plan in which, with an illustrative and non-limiting nature the following has been represented:
La figura número 1.- Muestra una vista esquemática en planta superior de un ejemplo de realización de la unidad de secado de purines objeto de la invención, apreciándose en conjunto completo de la planta en que se instala y las principales partes y elementos que comprende.Figure number 1.- Shows a schematic top view of an embodiment of the slurry drying unit object of the invention, showing the complete set of the plant in which it is installed and the main parts and elements it comprises.
Y la figura número 2.- Muestra una vista esquemática de una porción de la planta en que se implementa la unidad de secado de la invención, concretamente una porción que muestra la caseta de equipos que comprende en que se incorporan algunos de los principales elementos caracterizadores de la misma.And figure number 2.- Shows a schematic view of a portion of the plant in which the drying unit of the invention is implemented, specifically a portion that shows the equipment shed that includes in which some of the main characterizing elements are incorporated. Of the same.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización no limitativa de la unidad de secado de purines de la invención, la cual comprende lo que se indica y describe en detalle a continuación.In view of the aforementioned figures, and according to the adopted numbering, a non-limiting example of embodiment of the slurry drying unit of the invention can be seen, which includes what is indicated and described in detail below. continuation.
Así, tal como se aprecia en dicha figura, la unidad de la invención se instala en una planta que comprende, de manera ya conocida, esencialmente, un invernadero (24), un sistema de ventilación regulado, un depósito de homogeneización (14) y acidificación del purín y un filtro natural (12) en la salida del aire de ventilación, donde incluye un extractor (27), humedecido con una disolución ácida, contando dicho invernadero (24) con un suelo radiante (100) que, a su vez, comprende unos circuitos de tubo (6) de polietileno reticulado, polietileno multicapa o polibutileno, integrado entre capas de distinta índole, entre ellas una de aislamiento, con poliestireno expandido u otros materiales de baja conductividad que lo mantiene aislado del suelo, y cubierto con mortero o con hormigón y una malla, y que dispone de, al menos, un punto de captación de energía externa de naturaleza variable, por ejemplo de tipo termosolar a base de paneles térmicos (22), comprendiendo asimismo, varios depósitos de inercia (17) en el circuito radiante que actúan como unidades de almacenamiento de la energía térmica excedentaria no transferida a la masa de purín; y por tener un recuperador de calor tras el filtro natural (12) para calentar el agua de un circuito de calefacción y para condensar parte del agua evaporada para ser reaprovechada como agua de limpieza.Thus, as can be seen in said figure, the unit of the invention is installed in a plant that essentially comprises, in a known manner, a greenhouse (24), a regulated ventilation system, a homogenization tank (14) and manure acidification and a natural filter (12) at the ventilation air outlet, where it includes an extractor (27), moistened with an acid solution, said greenhouse (24) having a radiant floor (100) which, in turn , comprises tube circuits (6) made of cross-linked polyethylene, multilayer polyethylene or polybutylene, integrated between layers of different kinds, including an insulation layer, with expanded polystyrene or other low-conductivity materials that keep it isolated from the ground, and covered with mortar or with concrete and a mesh, and that has at least one external energy capture point of a variable nature, for example of a solar thermal type based on thermal panels (22), also comprising several tanks of inertia (17) in the radiant circuit that act as storage units for the surplus thermal energy not transferred to the slurry mass; and for having a heat recuperator after the natural filter (12) to heat the water from a heating circuit and to condense part of the evaporated water to be reused as cleaning water.
Y, a partir de dicha configuración, la unidad de secado, según la presente invención, se distingue esencialmente por contar, como punto de captación de energía externa, con una o varias bombas de calor (30, 32) conectadas, una a un circuito geotérmico (31) que extrae la energía de una balsa (28) de almacenamiento del purín, y la otra que lo extrae del aire ambiental.And, based on said configuration, the drying unit, according to the present invention, is essentially distinguished by having, as an external energy collection point, one or more heat pumps (30, 32) connected, one to a circuit geothermal (31) that extracts energy from a slurry storage pond (28), and the other that extracts it from the ambient air.
Para ello, y más concretamente, la unidad de secado contempla la inclusión de una balsa (28) de purines que, ubicada junto al invernadero (24), permite ofrecer un medio adicional de captación de energía.For this, and more specifically, the drying unit contemplates the inclusion of a slurry pond (28) which, located next to the greenhouse (24), allows it to offer an additional means of capturing energy.
En concreto, la unidad comprende un sistema de captación puritérmica que, a su vez, comprende, alojados en una caseta de equipos (29) ubicada junto al invernadero (24) y a dicha balsa (28):Specifically, the unit comprises a puritermal capture system which, in turn, comprises, housed in an equipment shed (29) located next to the greenhouse (24) and to said pool (28):
- Una bomba de calor (30) o máquina de puritermia, que estará dimensionada al potencial energético de la balsa (28) de purines de la planta, midiéndose éste por su capacidad de almacenamiento y que además cuenta con:- A heat pump (30) or puritermia machine, which will be sized to the energy potential of the plant's slurry pond (28), measuring it by its storage capacity and which also has:
- Evaporador- Evaporator
- Compresor- Compressor
- Condensador- condenser
- Válvula de expansión- Expansion valve
- Tubos de circulación de agua de polietileno en U, constitutivos de un circuito geotérmico (31), que circulan por el interior de la balsa (28) de purines sujetos a una estructura superior que los mantiene a media altura del purín líquido acumulado- U-shaped polyethylene water circulation tubes, constituting a geothermal circuit (31), which circulate inside the slurry pond (28) subject to an upper structure that maintains them at half height from the accumulated liquid slurry
- Cuadro eléctrico- Distribution panel
- Centralita de control- Control unit
Además, preferentemente, también comprende un sistema de captación aerotérmica, que extrae energía del aire ambiental aprovechando los gases que se producen en la balsa (28), en este caso comprende: In addition, preferably, it also comprises an aerothermal capture system, which extracts energy from the ambient air taking advantage of the gases produced in the pool (28), in this case it comprises:
- Una segunda bomba de calor (32) o máquina aerotérmia, dimensionada a las necesidades energéticas de la unidad de secado de purines con los siguientes elementos:- A second heat pump (32) or aerothermal machine, sized according to the energy needs of the slurry drying unit with the following elements:
- Evaporador- Evaporator
- Compresor- Compressor
- Condensador- condenser
- Válvula de expansión- Expansion valve
- Cuadro eléctrico- Distribution panel
- Centralita de control- Control unit
Preferentemente, además, la unidad cuenta con medios de captación de energía fotovoltaica, a través de un conjunto de paneles fotovoltaicos (33) montados sobre una estructura (34) en un pavimento de gravilla (35) que se conectan, a través de una caja de stings o empalmes (36), a un inversor (37) de la caseta de equipos (29).Preferably, in addition, the unit has photovoltaic energy collection means, through a set of photovoltaic panels (33) mounted on a structure (34) on a gravel pavement (35) that are connected, through a box of stings or joints (36), to an inverter (37) of the equipment booth (29).
Preferentemente, la unidad comprende, asimismo, medios de captación de energía termosolar, para lo cual cuenta con un conjunto de paneles térmicos (22) de tubos de vacío. Preferentemente dichos paneles térmicos (22) son de 24 tubos de vació por unidad instalados con:Preferably, the unit also comprises means for capturing solar thermal energy, for which it has a set of thermal panels (22) made of vacuum tubes. Preferably said thermal panels (22) have 24 vacuum tubes per unit installed with:
- Estructura soporte de paneles a 45° de inclinación- Panel support structure at 45° inclination
- Tubería de 5 capas con barrera de oxígeno- 5-layer tubing with oxygen barrier
- Colector para varios circuitos que conducen a la caseta de equipos (29)- Manifold for various circuits leading to the equipment booth (29)
- Depósito de inercia (17)- Buffer tank (17)
- Bombas de impulsión para cada uno de los circuitos (18, 19) de ida y retorno- Discharge pumps for each of the supply and return circuits (18, 19)
- Vaso de expansión solar (16)- Solar expansion vessel (16)
- Fluido caloportador- Heat transfer fluid
- Tubo con aislamiento desde los paneles térmicos al depósito de inercia- Insulated tube from the thermal panels to the buffer tank
- Tubo con aislamiento desde el depósito de inercia a los circuitos del suelo radiante del invernadero- Insulated tube from the buffer tank to the underfloor heating circuits in the greenhouse
- Batería (39) para los disipadores de calor y el correspondiente regulador (45) - Cuadro eléctrico- Battery (39) for the heat sinks and the corresponding regulator (45) - Electrical panel
- Centralita de control- Control unit
Preferentemente, además, la unidad de secado, según la presente invención, se distingue por comprender, como sistema intercambiador de calor (40) del aire de entrada en el invernadero (24), un sistema de placas de cristal térmico o películas de plástico térmicas transparentes con separadores interiores de dióxido de titanio. Se colocan en serie y en paralelo y su número depende de las necesidades térmicas que precise la unidad de secado de purines en cada caso.Preferably, furthermore, the drying unit, according to the present invention, is distinguished to comprise, as a heat exchanger system (40) for the air entering the greenhouse (24), a system of thermal glass plates or transparent thermal plastic films with internal titanium dioxide separators. They are placed in series and in parallel and their number depends on the thermal needs required by the slurry drying unit in each case.
Según otra característica de la invención, la unidad de secado comprende asimismo un sistema de activación aeróbica del purín (41) que comprende:According to another feature of the invention, the drying unit also comprises a manure aerobic activation system (41) comprising:
- Equipo de ozonización- Ozonation equipment
- Tubos con microperforaciones para la difusión de oxígeno en el interior de la masa líquida de purín.- Tubes with microperforations for the diffusion of oxygen inside the liquid mass of manure.
Además, de manera conocida comprende un intercambiador de calor agua/aire: a la salida del chorro de vapor interior para conectarlo con el intercambiador de calor de entrada y recoger el agua condensada para su utilización como agua de limpieza de la granja.In addition, in a known manner, it comprises a water/air heat exchanger: at the outlet of the internal steam jet to connect it with the inlet heat exchanger and collect the condensed water for use as farm cleaning water.
Por otra parte, en la forma de realización preferida, la unidad según la presente invención presenta además las siguientes particularidades:On the other hand, in the preferred embodiment, the unit according to the present invention also has the following characteristics:
En cuanto al suelo radiante (100), consiste en un suelo con dos posibles formas de construcción:As for the radiant floor (100), it consists of a floor with two possible forms of construction:
- Suelo radiante construido in situ.- Underfloor heating built on site.
- Suelo radiante prefabricado construido en piezas encajables de diferentes medidas, según las dimensiones finales del invernadero.- Prefabricated radiant floor built in interlocking pieces of different sizes, according to the final dimensions of the greenhouse.
En cuanto al invernadero (24), preferentemente, es un invernadero plano, con paredes rectas para superficies inferiores a 16 metros cuadrados en un solo módulo, con estructura metálica galvanizada en caliente protegida con una capa de zinc para evitar la corrosión. La estructura queda insertada en zapatas de hormigón que formarán parte de la estructura del suelo radiante.As for the greenhouse (24), it is preferably a flat greenhouse, with straight walls for surfaces of less than 16 square meters in a single module, with a hot-dip galvanized metal structure protected with a layer of zinc to prevent corrosion. The structure is inserted into concrete footings that will form part of the underfloor heating structure.
Este tipo de invernadero está diseñado para facilitar la retirada manual del residuo seco resultante del proceso de deshidratación This type of greenhouse is designed to facilitate the manual removal of the dry residue resulting from the dehydration process.
Finalmente, en cuanto a los elementos de control de la unidad objeto de la invención, cabe señalar que, además de: un equipo de medición continua de pH en el depósito de homogeneización y en el depósito de dilución para la aspersión del filtro natural, una estación meteorológica exterior que mide: temperatura, humedad relativa, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, unos termómetros interiores que miden: temperatura de la masa de purín y temperatura del aire en el invernadero, y una sonda de medición continua de amoniaco, con registrador de datos (datalogger), en el conducto de recogida del aire tras el filtro natural, preferentemente, también comprende:Finally, regarding the control elements of the unit object of the invention, it should be noted that, in addition to: a continuous pH measurement equipment in the homogenization tank and in the dilution tank for spraying the natural filter, a outdoor weather station that measures: temperature, relative humidity, atmospheric pressure, wind speed and direction, some indoor thermometers that measure: temperature of the slurry mass and air temperature in the greenhouse, and a continuous ammonia measurement probe, with data logger, in the air collection duct after the natural filter, preferably also includes:
- Un PLC de control para:- A control PLC for:
Llenado automático del depósito de homogeneizaciónAutomatic filling of the homogenization tank
Control del caudal de ventilaciónVentilation flow control
Control de la bomba de impulsión del circuito hidrotérmicoControl of the hydrothermal circuit impulsion pump
Control del secadodrying control
- Una aplicación informática para el control integral de todo el proceso.- A computer application for comprehensive control of the entire process.
Atendiendo a las figuras, se aprecia también la ubicación del depósito de homogeneización (14), que incluye un batidor, el depósito de ácido sulfúrico (13), y sendas bombas de impulsión (42) instaladas en un circuito de purines (43), para la impulsión del purín desde la balsa (28), así como un ventilador de aportación (44) instalado en el lado opuesto de invernadero (24).Taking into account the figures, the location of the homogenization tank (14) can also be seen, which includes a mixer, the sulfuric acid tank (13), and two impulsion pumps (42) installed in a slurry circuit (43), for the discharge of slurry from the pool (28), as well as a supply fan (44) installed on the opposite side of the greenhouse (24).
El ejemplo preferente de ejecución será un invernadero modular autónomo con suelo radiante construido in situ o con piezas prefabricadas encajables, con captación termosolar, aerotérmica, puritérmica, y con intercambiadores de calor.The preferred example of execution will be an autonomous modular greenhouse with underfloor heating built in situ or with interlocking prefabricated parts, with solar thermal, aerothermal, puritermal collection, and with heat exchangers.
Un ejemplo sería una explotación de ganado porcino que desea poder tratar 1000 metros cúbicos al año de purines, que sería el equivalente al 75% de la producción de purines de una explotación de engorde de 1000 plazas.An example would be a pig farm that wants to be able to treat 1,000 cubic meters of slurry per year, which would be the equivalent of 75% of the slurry production of a fattening farm with 1,000 places.
Cada zona geográfica tiene sus características. Para saber el aporte de radiación disponible utilizaremos el software PV-GIS (Photovoltaic Geographical Informatic System), que provee datos en abierto de radiación solar y temperatura.Each geographical area has its characteristics. To find out the amount of radiation available, we will use the PV-GIS (Photovoltaic Geographical Informatic System) software, which provides open data on solar radiation and temperature.
Para los cálculos de balance térmico tendremos en cuenta las aportaciones de la radiación solar por m2 de superficie de la cubierta del invernadero, la temperatura y humedad relativa del aire de entrada, la energía aportada por la puritermia, la aerotermia y la eficiencia de los captadores de tubos de vacío; en el lado del consumo energético tendremos en cuenta la entalpía del agua, la energía necesaria para el salto de temperatura de la masa de purín desde la temperatura de ingreso hasta la temperatura de consigna, las pérdidas de energía a lo largo del circuito térmico y la temperatura del aire de entrada cuando es inferior a la temperatura de consigna.For the thermal balance calculations we will take into account the contributions of radiation solar energy per m2 of surface area of the greenhouse cover, the temperature and relative humidity of the inlet air, the energy provided by purithermy, aerothermy and the efficiency of the vacuum tube collectors; On the energy consumption side, we will take into account the enthalpy of the water, the energy required for the jump in temperature of the slurry mass from the input temperature to the setpoint temperature, the energy losses along the thermal circuit and the inlet air temperature when it is lower than the setpoint temperature.
La superficie de secado del invernadero debe ser suficiente para efectuar un secado total de una lámina de 3-15 cm de espesor cada 12 horas en invierno. En este caso, la superficie de invernadero será de 16 m2, con una superficie de cubierta de 50,3 m2.The drying surface of the greenhouse must be sufficient to completely dry a sheet 3-15 cm thick every 12 hours in winter. In this case, the greenhouse area will be 16 m2, with a cover area of 50.3 m2.
La captación termosolar será de 51 m2de tubos de vacío, equivalente a 17 paneles de 3 m2.The solar thermal capture will be 51 m2 of vacuum tubes, equivalent to 17 panels of 3 m2.
El equipo o máquina de puritermia será una bomba de calor de 22 kW.The purithermy equipment or machine will be a 22 kW heat pump.
El equipo o máquina de aerotermia será una bomba de calor de 18 kW.The aerothermal equipment or machine will be an 18 kW heat pump.
El intercambiador de calor de entrada del aire al invernadero tendrá una potencia de 20 kWThe heat exchanger for entering the air into the greenhouse will have a power of 20 kW
Habrá dos circuitos que se alimentarán desde un depósito de inercia que acumulará 200 litros de agua (el equivalente a un llenado del invernadero).There will be two circuits that will be fed from a buffer tank that will store 200 liters of water (the equivalent of filling the greenhouse).
La instalación fotovoltaica contará con un campo solar de 45 kW, un inversor de 40 kW, reguladores-cargadores y una bancada de baterías con capacidad para 140 kWh.The photovoltaic installation will have a 45 kW solar field, a 40 kW inverter, regulator-chargers and a battery bank with a capacity of 140 kWh.
La instalación funcionará en continuo: llenado del depósito de homogeneización; batido con el ácido sulfúrico que se incorporará hasta bajar el pH a 5,5 - 6; bombeo a la superficie del invernadero; adecuación del caudal de ventilación a las condiciones ambientales exteriores; activación del equipo de radicales OH; paso por el filtro natural; paso por el intercambiador de calor; recogida del agua de condensación en una balsa o depósito adyacente.The installation will work continuously: filling of the homogenization tank; beaten with the sulfuric acid that will be incorporated until the pH drops to 5.5 - 6; pumping to the surface of the greenhouse; adequacy of the ventilation flow to the external environmental conditions; activation of the OH radical team; passage through the natural filter; passing through the heat exchanger; collection of condensation water in an adjacent basin or tank.
Durante la noche, la instalación seguirá funcionando, aprovechando la energía térmica de las bombas de calor. During the night, the installation will continue to work, taking advantage of the thermal energy of the heat pumps.
La energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del invernadero con todos sus equipos será suministrada por una instalación fotovoltaica de 50 kW con baterías suficientes para 140 kWh de acumulaciónThe electrical energy necessary for the operation of the greenhouse with all its equipment will be supplied by a 50 kW photovoltaic installation with enough batteries for 140 kWh of accumulation.
Tras el periodo de secado, se recogerá la fracción deshidratada (70 kg por cada secado en este ejemplo), y se volverá a llenar con un nuevo aporte de purín fresco acidificado.After the drying period, the dehydrated fraction will be collected (70 kg for each drying in this example), and it will be filled again with a new supply of fresh acidified manure.
Todo el proceso estará controlado por:The whole process will be controlled by:
- Medidor de pH en continuo- Continuous pH meter
- Reguladores de ventilación según temperatura y humedad relativa exterior- Ventilation regulators according to external temperature and relative humidity
- Sondas de amoniaco en la salida del filtro natural- Ammonia probes at the natural filter outlet
- Termómetros registradores de datos (datalogger) de temperatura y humedad relativa interiores- Indoor temperature and relative humidity data logger thermometers
- PLC-PLC
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental. Having sufficiently described the nature of the present invention, as well as the way of putting it into practice, it is not considered necessary to make its explanation more extensive so that any person skilled in the art understands its scope and the advantages derived from it, stating that, within its essentiality, it may be put into practice in other forms of embodiment that differ in detail from the one indicated by way of example, and to which it will also reach the protection that is sought as long as its fundamental principle is not altered, changed or modified. .
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Cited By (1)
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Also Published As
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| ES1291640Y (en) | 2022-09-01 |
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