CN102393136A - 温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置 - Google Patents

温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用太阳能对物料进行烘干的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，包括烘干单元、由自集热单元和外集热单元构成的太阳能集热单元、由热泵构成的辅助加热单元、冷凝除湿余热回收单元以及自动化监测控制单元。该烘干装置有效提高了太阳能的利用率，克服了太阳能的不稳定性，保证了烘干过程的连续性，并提高了烘干效率。干燥脱水过程干净、卫生、节能，可以有效克服农副产品等采用常规太阳暴晒和传统能源烘干造成的污染、脱色、变质和耗能的弊端。对于开发新能源、提高农副产品加工质量、促进循环经济和保护生态环境具有积极意义。

Description

温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，涉及一种利用太阳能对物料进行烘干的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置。
背景技术
干燥作业在工农业生产的许多部门都有着广泛的应用，农副产品加工、食品工业、化工、医药等行业中，为了便于使用、运输和储存，许多产品都必须经过干燥加工，需要耗费巨大的常规能源。据有关资料报道，用在工农业生产干燥作业的能耗要占国民经济总能耗的5%--10%。通常情况下对物质的烘干方法大都采用燃煤、燃油、电力等常规能源提供热能，一方面是耗能大、烘干成本高、环境污染严重，更重要的是在当今常规能源短缺的情况下，不符合低碳经济、可持续发展的要求。利用丰富的太阳能是解决能源危机的重要途径之一。我国是个太阳能丰富的国家，有效利用太阳能对我国意义重大。近年发展起来的利用太阳能作为热源的烘干技术，普遍存在对太阳能的利用率低，效率不高，烘干周期长，投资大等问题。如专利：太阳能药材烘干装置（ZL200320105243.9）由预热室，烘干室，准备室等组成，用于海产品的太阳能烘干装置（ZL200820201812.2）由玻璃房，海产品烘干架，抽湿装置，吸热地板等组成，以上装置存在太阳能集热源单一，集热效果不理想，保温效果差，无法保证夜间或阴雨天连续烘干，余热回收利用程度不高等问题。专利：新型太阳能果品烘干室（200820105243.9）采用燃煤热风炉作为辅助热源，消耗常规能源，污染环境，不符合低碳经济的发展。因此，发展新型太阳能烘干技术，显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种太阳能利用率高、烘干速度快且能连续烘干的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，包括烘干单元与太阳能集热单元，其中，所述太阳能集热单元由自集热单元和外集热单元构成，所述自集热单元位于烘干单元上方，所述外集热单元位于烘干单元一侧，
所述烘干单元包括烘干室、吸光外壳及设在烘干室内的物料支架；
所述自集热单元包括透光板及太阳能温室，所述太阳能温室由透光板与烘干单元的吸光外壳围成；
所述外集热单元包括太阳能集热器、水泵、保温水箱、循环泵及散热片，所述太阳能集热器、水泵及保温水箱通过水管连通并形成一闭合回路，所述循环泵、散热片及保温水箱通过水管连通并形成另一闭合回路，且所述散热片设在烘干单元的烘干室内。
本发明中，整个烘干装置采用狭长的温室型结构，故所述烘干室呈隧道式结构，方便了物料支架的推进和推出。
所述外集热单元还包括控制阀，且所述控制阀连入于由太阳能集热器、水泵及保温水箱构成的闭合回路中，方便了对外集热单元的控制。
所述保温水箱内的储热介质除水外，还可采用水与离子液体混合物、联苯混合物或导热油类等。所述太阳能集热器集热后将热量储存在保温水箱中的储热介质中，当遇到阴雨天或夜晚的时候，保温水箱可通过散热片对烘干单元继续加热，此时保温水箱即可作为烘干装置的一辅助热源。
所述透光板可由聚碳酸酯阳光板或双层玻璃板构成，所述吸光外壳由涂有太阳能选择性吸收涂料的铝板构成。为增加保温夜间保温效果，所述透光板顶部设有保温被。夜晚降温时可将保温被打开并覆盖于整个透光板的表面。
所述烘干室的底部设置有保温地面，且所述保温地面由聚苯板构成。
所述透光板、太阳能温室及保温被组成烘干装置的外保温层，所述吸光外壳与保温地面组成烘干装置的内保温层，它们在构成自集热单元与烘干单元的同时又一同构成了烘干装置的双保温单元。
所述温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置还包括辅助加热单元，所述辅助加热单元包括热泵及循环泵，所述热泵由热泵主机与热泵辅机组成，所述热泵主机、循环泵及保温水箱通过水管连通并形成闭合回路，所述热泵辅机位于烘干室内。所述热泵是以热泵主机周围空气及保温水箱中的储热介质为热源的双热源热泵，所述热泵主机吸收热源中的低品位热量，并将其转换为高品位热量，然后将热量传递到热泵辅机中，热泵辅机再通过热风的形式对烘干单元进行辅助加热。
所述温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置还包括冷凝除湿余热回收单元，所述冷凝除湿余热回收单元包括排湿通道、变频排湿风机、冷凝室、热交换管道、冷凝导管及热风导管；所述冷凝室上设有循环工质入口及循环工质出口，所述热交换管道位于冷凝室内并与冷凝室底部连通，所述排湿通道一端位于烘干单元的烘干室内，另一端经变频排湿风机与热交换管道连通，所述冷凝导管从冷凝室底部伸出并与保温水箱连通，所述热风导管从冷凝室底部伸出并与烘干室连通。烘干过程中产生的湿热空气经排湿通道进入热交换管道进行冷凝，冷凝后的产生的水滴落至冷凝室底部并经冷凝导管进入保温水箱，除湿后的干热空气则经热风导管继续进入烘干室中。为提高冷凝效率，所述热交换管道在冷凝室内交错排布。所述冷凝除湿余热回收单元可及时将湿热空气进行冷凝并将除湿后的热风导入烘干室，最大程度地实现余热回收利用和物料的快速脱水。
所述冷凝室所采用的循环工质为水和乙醇的混合液或热泵主机工作时排出的冷风，且所述水和乙醇的体积配比为1：1～6。
所述温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置还包括自动化监测控制单元，所述自动化监测控制单元由设在保温水箱上的温度传感器、设在烘干室内的温度传感器和湿度传感器、设在热泵主机旁边的温度传感器及总控制器组成。该自动化监测控制单元，可在线监测并记录烘干过程中温度与湿度的变化，实时掌握烘干情况，并通过设定一定的温度、湿度值控制变频排湿风机及辅助加热单元的工作，还可根据物料的特性设置分段烘干的工作模式，间隙排湿，优化了烘干工艺，减少了劳动力投入。
综上，本发明的有益效果在于：采用双集热、双保温系统，有效提高了太阳能的利用率；采用保温水箱和双热源热泵作为辅助热源，可克服太阳能的不稳定性，保证了烘干过程的连续性并进一步提高了太阳能利用率；采用冷凝除湿余热回收单元可最大程度地实现热风继续利用，加速物料脱水，进一步减少能量损耗，提高烘干效率；采用自动化监测控制单元，可根据温度、湿度的变化，对烘干过程作出实时调整，优化烘干工艺。
此外，本发明主要使用太阳能提供热源，物料在密闭的烘干室内烘干脱水，适合于各种农副产品、海产品、中药材等物料的低温干燥脱水。而且所烘干的物料无论是从产品品质、色泽、有效成分等都在最大程度上进行了保留或保持。干燥脱水过程干净、卫生、节能，可以有效克服农副产品等采用常规太阳暴晒和传统能源烘干造成的污染、脱色、变质和耗能的弊端。对于开发新能源、提高农副产品加工质量、促进循环经济和保护生态环境具有积极意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明冷凝室的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1、图2所示，一种温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，包括烘干单元、太阳能集热单元、辅助加热单元、冷凝除湿余热回收单元及自动化监测控制单元，所述太阳能集热单元由自集热单元和外集热单元构成，所述自集热单元位于烘干单元上方，所述外集热单元位于烘干单元一侧；所述烘干单元由烘干室14、吸光外壳12及设在烘干室14内的物料支架9组成，所述烘干室14的底部还设置有由聚苯板构成的保温地面11；所述自集热单元由透光板13及太阳能温室15组成，所述太阳能温室15由透光板13与烘干单元的吸光外壳12围成；所述透光板13由聚碳酸酯阳光板或双层玻璃板构成，所述吸光外壳12由涂有太阳能选择性吸收涂料的铝板构成，所述透光板顶部还设有保温被17；所述外集热单元由太阳能集热器1、水泵3、控制阀2、保温水箱4、循环泵6及散热片10组成，所述太阳能集热器1、水泵3、控制阀2及保温水箱4通过水管31连通并形成一闭合回路，所述循环泵6、散热片10及保温水箱4通过水管33连通并形成另一闭合回路，且所述散热片10设在烘干单元的烘干室14内，所述保温水箱4内的储热介质为水。所述辅助加热单元由热泵及循环泵19组成，所述热泵由热泵主机7及热泵辅机8构成，所述热泵主机7、循环泵19及保温水箱4通过水管32连通并形成闭合回路，所述热泵辅机8位于烘干室内。
所述冷凝除湿余热回收单元由排湿通道16、变频排湿风机18、冷凝室22、热交换管道21、冷凝导管25及热风导管26组成；所述冷凝室22上设有循环工质入口23及循环工质出口20，所述热交换管道21位于冷凝室22内并与冷凝室22底部连通，且所述热交换管道21在冷凝室22内交错排布，所述排湿通道16一端位于烘干单元的烘干室14内，另一端经变频排湿风机18与热交换管道21连通，所述冷凝导管25从冷凝室22底部伸出并与保温水箱4连通，所述热风导管26从冷凝室22底部伸出并与烘干室14连通。所述冷凝除湿余热回收单元采用乙醇与水的混合液或热泵主机工作时排出的冷风作为循环工质，选用乙醇与水的混合液时，所述水和乙醇的体积配比为1：3。
所述温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置还包括自动化监测控制单元，所述自动化监测控制单元由设在保温水箱4上的温度传感器5、设在烘干室14内的温度传感器27及湿度传感器28、设在热泵主机7旁边的温度传感器24及总控制器29组成。 
当晴天日照正常时，太阳光穿过由聚碳酸酯阳光板或玻璃板构成的透光板13及太阳能温室15，到达由涂有太阳能选择性吸收涂料的铝板构成的吸光外壳12，实现对烘干室14的直接加热，且透光板13及太阳能温室15还同时构成烘干装置的外保温层。此外，外集热单元的太阳能集热器1通过水循环对保温水箱4中的水进行持续加热，保温水箱4又通过与散热片10之间的水循环对烘干室14同时进行加热。将待烘干物料30置于底部设有滑轮的物料支架9上，然后将物料支架9推入烘干室14内进行烘干。随着烘干过程的进行，整个烘干室14内的相对湿度上升，此时，根据不同的物料特性，提前在自动化监测控制单元中设定一控制变频排湿风机18工作的相对湿度值，当湿度传感器28监测到烘干室14内的湿度值高于设定值时，变频排湿风机18自动开启，从而进行冷凝除湿作业；当烘房内相对湿度低于设定值时，变频排湿风机关闭。变频排湿风机18工作时，烘干室14内的湿热空气经排湿通道16被抽离到冷凝室22内的热交换管道21中，湿热空气经过热交换管道21时与冷凝室22内的循环工质发生热交换，此时，湿热空气中的水汽冷凝下来，通过冷凝水导管25排入保温水箱4中。经过冷凝后的干热空气通过热风导管26又继续进入烘干室22内。
另外，在自动化监测控制单元中设定一物料所需的最佳烘干温度T-1，当太阳光提供的能量足以使烘干室14内的温度达到或超过设定的最佳烘干温度T-1时，热泵不启动，由自集热单元及外集热单元为烘干单元提供热源，否则热泵同时开启。此外，由于热泵主机7周围空气温度过高时，易造成热泵效率不高的问题，因此在自动化监测控制单元中另设定一热泵最高工作温度T-2，当温度传感器24监测到热泵主机7所处的环境温度超过设定温度值T-2时，热泵主机7与热泵辅机8亦停止工作。
当阴雨天或夜晚没有足够日照的时候，且当温度传感器27监测到烘干室14内的温度低于最佳烘干温度T-1时，热泵自动开启，并以热泵主机7周围空气及保温水箱4中的水作为热源。在自动化监测控制单元中再设定一循环泵19的最高工作温度T-3，当温度传感器5监测到保温水箱4的温度超过循环泵19的最高工作温度T-3时，循环泵19不启动并停止给热泵主机7供水，此时热泵主机7只以周围空气作为热源。在天阴或夜间的时候，保温水箱4同时也作为烘干室14的辅助热源，将储存的热量通过散热片10为烘干室14提供热量。另外，夜晚降温的时候可将大棚保温被17打开覆盖于整个透光板13表面进行保温。
在所述自动化监测控制单元中，各温度传感器及湿度传感器将所测温度值及湿度值传入总控制器29中，再由总控制器29对变频排湿风机18、热泵及循环泵19发出工作指令，其设置由本领域技术人员根据现有传感技术及上述功能描述即可实现，故此处不再详述。所述自动化监测控制单元还可增加功能模块以在线监测记录太阳瞬时辐照及风速的变化，然后通过设定的温度、湿度值控制变频排湿风机18、循环泵19及热泵的工作，并根据物料的不同特性设置分段烘干的工作模式，进行间隙除湿。
下面以2011.7.19—7.20日烘干过程为例进行说明：
时间：2011.7.19—7.20    天气：多云转晴      温度：18--34oC   
地点：甘肃兰州  北纬36°03′  东经103°49′
温室朝向：正南       烘干装置整体体积为20m3    烘干室体积为15m3
冷凝室中循环工质的体积为8L     
循环工质为水与乙醇的混合液，体积比为1：3。
试验材料于2011年5月采自甘肃庆阳地区新鲜红富士苹果等外果、残次果，可溶性固形物含量20.5%～24.1%，硬度8.7 ㎏/㎡～10.1㎏/㎡，含水率75%～80%。
工艺流程：苹果→清洗→去皮、去芯、切片→护色→沥水→上料→脱水→脱水苹果片。
试验方法：在每个物料支架上平铺10㎏苹果片进行脱水试验，直至果片含水率降为15%左右。实验过程中在自动化监测控制单元中设置相对湿度值为20%，10%，5%，自动控制变频排湿风机18的开关，从而达到分段排湿。在自动化监测控制单元中设置最佳烘干温度值T-1为45oC,当太阳能提供的热量不足以达到苹果最佳烘干温度45oC时，热泵主机7和热泵辅机8自动开启，当烘干室14内温度超过45oC时，热泵主机7和热泵辅机8自动关机。当天下午18：00的时候，打开保温被17将其覆盖于透光板13表面。夜间热泵、保温水箱4、散热片10作为辅助热源开始工作。
实验结果：50kg苹果含水率从80%降到15%所需的烘干总时间为20小时，烘干后的苹果片色泽好，干湿度均匀，无污染。

Claims (10)

1.一种温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，包括烘干单元与太阳能集热单元，其特征在于：所述太阳能集热单元由自集热单元和外集热单元构成，所述自集热单元位于烘干单元上方，所述外集热单元位于烘干单元一侧，
所述烘干单元包括烘干室(14)、吸光外壳（12）及设在烘干室(14)内的物料支架(9)；
所述自集热单元包括透光板（13）及太阳能温室(15)，所述太阳能温室(15)由透光板（13）与烘干单元的吸光外壳（12）围成；
所述外集热单元包括太阳能集热器（1）、水泵（3）、保温水箱（4）、循环泵（6）及散热片（10），所述太阳能集热器（1）、水泵（3）及保温水箱（4）通过水管（31）连通并形成一闭合回路，所述循环泵（6）、散热片（10）及保温水箱（4）通过水管（33）连通并形成另一闭合回路，且所述散热片（10）设在烘干单元的烘干室(14)内。
2.根据权利要求1所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：还包括辅助加热单元，所述辅助加热单元包括热泵及循环泵(19)，所述热泵由热泵主机(7)与热泵辅机(8)组成，所述热泵主机(7)、循环泵(19)及保温水箱（4）通过水管(32)连通并形成闭合回路，所述热泵辅机(8)位于烘干室(14)内。
3.根据权利要求1或2所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：还包括冷凝除湿余热回收单元，所述冷凝除湿余热回收单元包括排湿通道（16）、变频排湿风机（18）、冷凝室（22）、热交换管道（21）、冷凝导管（25）及热风导管（26）；所述冷凝室（22）上设有循环工质入口（23）及循环工质出口（20），所述热交换管道（21）位于冷凝室（22）内并与冷凝室（22）底部连通，所述排湿通道（16）一端位于烘干单元的烘干室(14)内，另一端经变频排湿风机（18）与热交换管道（21）连通，所述冷凝导管（25）从冷凝室（22）底部伸出并与保温水箱（4）连通，所述热风导管（26）从冷凝室（22）底部伸出并与烘干室(14)连通。
4.根据权利要求1所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：所述透光板（13）由聚碳酸酯阳光板或双层玻璃板构成，所述吸光外壳（12）由涂有太阳能选择性吸收涂料的铝板构成。
5.根据权利要求1所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：所述透光板（13）顶部设有保温被（17）。
6.根据权利要求1所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：所述烘干室(14)的底部设有保温地面（11），且所述保温地面（11）由聚苯板构成。
7.根据权利要求1所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：所述外集热单元还包括控制阀（2），且所述控制阀（2）连入于由太阳能集热器（1）、水泵（3）及保温水箱（4）构成的闭合回路中。
8.根据权利要求3所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：所述热交换管道（21）在冷凝室（22）内交错排布。
9.根据权利要求3所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：所述冷凝室（22）所采用的循环工质为水和乙醇的混合液或热泵主机（7）工作时排出的冷风，且所述水和乙醇的体积配比为1：1～6。
10.根据权利要求2所述的温室型双集热双保温太阳能热泵烘干装置，其特征在于：它还包括自动化监测控制单元，所述自动化监测控制单元由设在保温水箱（4）上的温度传感器（5）、设在烘干室(14)内的温度传感器（27）及湿度传感器（28）、设在热泵主机（7）旁边的温度传感器（24）及总控制器（29）组成。
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