CN102600704A - 一种机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置及方法，属节能领域。其特征在于：包括物料干燥筒（1）、压缩机（3）、电动机（2）、膨胀机（5）、空气预热器（4）、气液分离器（6）和排水泵（7），空气预热器（4）嵌入在物料干燥筒（1）内。物料干燥筒（1）依次与压缩机（3）、空气预热器（4）热流体入口、气液分离器（6）入口相连。气液分离器（6）具有气相出口和液相出口，气液分离器（6）液相出口与排水泵（7）相连；气液分离器（6）气相出口湿空气与原料混合后进入物料干燥筒（1）。其中驱动电机（2）与压缩机（3）和膨胀机（5）转子相连。该机械蒸汽再压缩低温空气干燥工艺具有干燥速率高、能耗低、干燥温度适应范围宽的特点，特别适用于现有空气干燥，特别是衣物烘干工艺的节能减排改造。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置及方法，属于节能领域。
背景技术
低温空气干燥是当前应用最广的干燥技术之一，如常见的食品、饮品、医药品、茶草和衣物等的干燥或烘干。对以上这些物料的低温空气干燥，与一般干燥工艺要求不同，较高或者较低的干燥温度可能引起物料变性，物料对工艺操作温度要求较为严格。目前主要是通过高品位化石燃料在适量空气中燃烧，利用高品位高温燃气与过量常压空气掺混降温或者直接电加热预热常压非饱和空气，提高空气的吸湿能力，再将待干燥物料置于具有吸湿能力的空气中，在饱和蒸汽压力差的驱动下，待干燥物料中水分蒸发扩散至非饱和空气中，空气的绝对含湿量升高，然后直接排出外界环境，或者对其利用环境介质冷却，降低空气的绝对含湿量后再循环利用，从而实现对物料的低温干燥或烘干。通过降低化石燃料燃烧后高品位热能或者直接电加热实现对物料的低温空气干燥，一方面存在着大量有用能的损失，另一方面对吸收物料蒸发水分后的高湿空气采用环境介质冷却，又存在着大量低品位热能损失。此外，如果外界空气的湿度较大，待干燥空气与外界空气的蒸汽压力差小，物料中水分的蒸发速率不高，采用此方法的效果更差。
为便于操作，低温空气干燥一般采用常压工艺流程。但是在常压条件下，空气中水蒸气的饱和含量随温度降低下降明显，只能通过提高操作温度增加空气的可吸湿量，来提高物料的蒸发速率和整体的干燥速率。而热敏性物料受到干燥温度的严格要求，采用常压低温空气干燥存在干燥速率低或者空气循环量巨大的问题。
对低温空气干燥工艺分析可以看到，物料干燥速率主要受到两个步骤的影响：一是待干燥物料中水分蒸发扩散至近饱和空气，二是吸收了物料蒸发水分的近饱和空气的降湿。
为了有效改善直接式低温空气干燥工艺存在的能耗高、干燥速率低等不足，有必要对以上两步骤的速率进行改进。有研究者提出了提高第二步骤速率的热泵工艺，通过选择适当工质，利用闭式热泵循环可实现对热敏物料的常压低温空气烘干，由于热泵循环能够对干燥物料后的近饱和湿空气冷却过程中的显热进行回收，因此，与常规常压直接式低温空气干燥工艺相比，其能耗较低。但在常压低温条件下，待干燥物料中水分蒸发扩散至近饱和空气速率极低。因为物料干燥速率第一步骤，即待干燥物料中水分蒸发扩散至近饱和空气的过程，是影响物料整体干燥速率的关键。因此采用常压闭式热泵工艺对物料的干燥速率影响较小。综上可见，有必要考虑综合改进两步骤的干燥速率，开发能耗低、干燥温度范围较广以及干燥温度、干燥速率可调的低温空气干燥装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能源利用率高的低温空气干燥装置及方法。
一种机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置及方法，其特征在于：包括物料干燥筒、压缩机、电动机、膨胀机、空气预热器、气液分离器和排水泵;空气预热器嵌入在物料干燥筒内;物料干燥筒的出口与压缩机的入口相连，压缩机的出口与空气预热器的流体入口相连，空气预热器的流体出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的液相出口与排水泵相连，气液分离器的气相出口与膨胀机的入口相连，干燥筒的入口同时与膨胀机的出口以及物料筒出口相连;驱动电机与压缩机和膨胀机转子相连。
该机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置的膨胀机与压缩机和电机同轴布置。采用膨胀机的好处有两方面：湿空气在膨胀机中焓降增加，有利于提高膨胀机出口湿空气的液相成分比例，从而提高干燥速率；而膨胀机与压缩机同轴可回收部分膨胀功，从而可以降低压缩机的电耗，降低整个干燥系统的能耗。
该装置的压缩机为往复活塞式、罗茨式、螺杆式或者涡旋式等低转速、低压比湿空气干密封压缩机。压缩机一方面为该系统提供动力源，使得干燥循环顺利进行；另一方面压缩机压缩湿空气，提高湿空气的焓值，增加湿空气的吸湿能力。在低速、低压比条件下，低转速的往复活塞式压缩机生产技术比较成熟，用材一般、制造比较方便，具有可靠性高，工作范围广等优点。压缩机采用干密封的主要作用是可避免常规压缩机润滑油泄漏可能引起对待干燥物料的二次污染。
该装置的干燥筒可采用抖动滚筒式，潮湿物料在一定转动频率和抖动频率的滚动内发生翻转，有利于实现物料的均匀干燥或者烘干。
该空气压缩低温干燥装置的管道设计，需要满足湿空气经过压缩机压缩的要求。由于该低温干燥工艺在高压工作条件下更具热力性能优势且结构紧凑，其管道设计不能采用常压工艺现有常压工艺所使用的软橡胶管或者塑料管，需要采用硬质材料的耐压管设计，以防止在高压或者真空条件下软管爆破或者堵塞流动。
启动电机驱动压缩机，将物料干燥筒抽至微负压，同时干燥筒内，因物料中水分蒸发得到的增湿空气进入压缩机，被增压为温度和压力均有所提高的湿空气；该湿空气然后进入空气预热器热侧，对来物料干燥筒内温度较低的物料进行加热，促使物料中水分不断蒸发，同时空气预热器热侧被冷凝的湿空气进入气液分离器，气液分离器液相出口的冷凝水，通过排水泵排入外界环境，气液分离器的气相出口的气相组分为低温湿空气，则进入膨胀机膨胀对外输出机械功；而从膨胀机出来湿空气与待干燥原料混合后送入干燥筒，开始下一轮烘干循环。
将空气预热器嵌入在物料干燥筒内主要有两个作用，一方面可以有效提高回热度，较常规间接换热方式减少了散热损失，保证干燥系统的节能效果。另一方面，空气预热器和物料筒是烘干工艺结构尺寸最大的部件，将空气预热器嵌入在物料干燥筒内，能够保证整个干燥工艺的结构简单紧凑。
在相同干燥温度条件下，与常压低温空气干燥工艺相比，整个干燥工艺通过机械蒸汽压缩机压缩空气来提高空气的品位，然后通过空气预热器将换热量直接传递给干燥筒，用于物料中水分蒸发所需的热量，由于减小了向外散失的热量，因此该装置具有低能耗的特点。
该低温空气干燥工艺，可通过调整压缩机压比、改变干燥筒操作压力，从而改变所需干燥温度，通过提高压缩机压比，可提高干燥速率。降低干燥筒操作压力可降低干燥温度，同时可提高物料中水分蒸发扩散至空气中的速率，从而提高干燥工艺的整体速率。
干燥筒操作压力达到物料热敏温度对应的饱和压力时，在得到足够蒸发潜热的条件下，物料中的水分因达到其沸点，会瞬间汽化蒸发扩散至空气中，其蒸发扩散速率最高，而低温空气干燥工艺的干燥速率主要受到物料中水分蒸发扩散至空气中的速率影响，因此干燥速率最佳操作压力，为干燥筒达到物料热敏温度对应的饱和压力。
附图说明
图1是常压直接低温空气干燥工艺；
图2常压闭式热泵低温空气干燥工艺；
图3是提出的机械蒸汽再压缩低温空气干燥工艺。
图中标号名称：1．干燥筒，2．电机，3．压缩机，4．空气预热器，5．膨胀机，6．气液分离器，7．排水泵，8.膨胀阀，9.冷凝器，10.水冷却器，11.加热器，12．循环风机。
具体实施方式
参照附图，本发明提供一种机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置及方法。设备依次包括物料干燥筒1、压缩机3、电动机2、膨胀机5、空气预热器4、气液分离器6和排水泵7，空气预热器4嵌入在物料干燥筒1内。物料干燥筒（1）依次与压缩机3、空气预热器4热流体入口、气液分离器6、气液分离器6入口相连。气液分离器6具有气相入口和液相出口，气液分离器液相出口与排水泵7连；气液分离器6气相出口湿空气与原料混合后进入物料干燥筒1。其中驱动电机2与压缩机3和膨胀机5转子相连。
对于空间结构和重量要求较高的场合，还可考虑采用去除膨胀机5的方案。该流程相对图1和图2所示的常规低温空气干燥工艺具有结构简单，能耗低和干燥速率高等优势。
而从能耗及干燥速率较佳的角度出发，采用图3所示系统，由于回收了压缩空气的膨胀功，并采用干燥筒出口的部分空气回收了压缩空气的显焓，该系统整体能耗低，而干燥筒采用待物料热敏温度对应的饱和压力，可提高物料中水分的蒸发速率，整个系统的干燥速率也较高。下面参照附图3，详细说明本发明提供的低温空气干燥过程。该装置的工作过程如下：启动电机2来驱动压缩机3，一方面干燥筒1被抽成真空，另一方面干燥筒1中蒸发出来的湿空气进入压缩机3，被增压为高温高压湿空气；从压缩机3出来的高温高压的湿空气进入空气预热器4热侧，由于空气预热器4嵌入在物料干燥筒1内，热侧高温湿空气将热量传递给物料干燥筒内待干燥物料，促使物料中水分蒸发，而从空气预热器4热侧出来的湿空气则被冷凝为含有液相的气-液两相混合物，并进入气液分离器6，液相冷凝水通过排水泵7排入外界环境，而气液分离器6的气相组分则进入膨胀机5做功；经过膨胀机5做功后的湿空气则同待干燥物料混合后送入干燥筒内，开始下一轮干燥循环。该干燥工艺主要是通过压缩物料蒸发的湿空气来提高空气的品质，并借助嵌入在物料干燥筒1内的空气预热器4回收了部分湿空气放热，来达到节能的效果；另外，膨胀机5与压缩机3同轴可回收部分膨胀功，可降低电机2的电耗，从而降低整个干燥系统的能耗；该干燥工艺具有低能耗、干燥速率快和干燥温度易控的优势。
Claims (6)
1.一种机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置，其特征在于：包括物料干燥筒（1）、压缩机（3）、电动机（2）、膨胀机（5）、空气预热器（4）、气液分离器（6）和排水泵（7）；
其中空气预热器（4）嵌入在物料干燥筒（1）内；
其中物料干燥筒（1）的出口与压缩机（3）的入口相连，压缩机（3）的出口与空气预热器（4）的流体入口相连，空气预热器（4）的流体出口与气液分离器（6）的入口相连，气液分离器（6）的液相出口与排水泵（7）相连，气液分离器（6）的气相出口与膨胀机（5）的入口相连，干燥筒（1）的入口同时与膨胀机（5）的出口以及物料筒出口相连；
其中驱动电机（2）分别与压缩机（3）和膨胀机（5）的转子相连 。
2.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置，其特征于：上述膨胀机（5）、电机（2）与压缩机（3）同轴布置。
3.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置，其特征在于：上述压缩机（3）为往复活塞式，或罗茨式，或螺杆式，或涡旋式。
4.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置，其特征在于：上述物料干燥筒（1）为抖动滚筒式。
5.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置，其特征在于：上述干燥装置涉及的管道，均为硬质材料的耐压管。
6.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩低温空气干燥装置的干燥方法，其特征在于包括以下过程：
启动电机（2）驱动压缩机（3），将物料干燥筒（1）抽至微负压，同时干燥筒（1）内，因物料中水分蒸发得到的增湿空气进入压缩机（3），被增压为温度和压力均有所提高的湿空气；该湿空气然后进入空气预热器（4）热侧，对来物料干燥筒（1）内温度较低的物料进行加热，促使物料中水分不断蒸发，同时空气预热器（4）热侧被冷凝的湿空气进入气液分离器（6），气液分离器（6）液相出口的冷凝水，通过排水泵（7）排入外界环境，气液分离器（6）的气相出口的气相组分为低温湿空气，则进入膨胀机（5）膨胀对外输出机械功；而从膨胀机（5）出来湿空气与待干燥原料混合后送入干燥筒（1）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20120725 Assignee: JIANGSU LEKE ENERGY SAVING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract record no.: 2016320000049 Denomination of invention: Mechanical vapour-recompression low-temperature air drier and method thereof Granted publication date: 20131225 License type: Exclusive License Record date: 20160229 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: JIANGSU LEKE ENERGY SAVING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract record no.: 2016320000049 Date of cancellation: 20200317 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131225 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |