CN104729088A - 一种跨临界co2热泵干燥及热水机系统 - Google Patents

一种跨临界co2热泵干燥及热水机系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，包括压缩机、热水气冷器、储液器、回热器、电子膨胀阀、蒸发室和水箱组成的热水系统；所述系统还包括干燥室和设置在所述干燥室内部的微通道气冷器，所述微通道气冷器设置在所述压缩机的排气口和所述储液器的进口之间。CO2经压缩机后被压缩成高温高压的超临界流体，该流体分成两路，一路进入热水气冷器，与水箱循环过来的水进行热交换，从而将水加热；另外一路进入干燥室内的微通道换热器，通过与空气换热将空气加热，被加热的空气对被干燥物质进行干燥；本发明提供的跨临界CO2热泵干燥和热水机为一体装置，同一压缩机和控制系统同时控制热泵干燥和热水机，节约了成本。

Description

一种跨临界CO2热泵干燥及热水机系统
技术领域
本发明涉及热泵及干燥领域，特别是一种跨临界CO2热泵干燥及热水机系统。
背景技术
近年来由于空气能热泵热水器的明显节能效果，越来越得到人们的青睐。目前市场上常规空气能热泵热水器大多采用如R22、R134a等对臭氧层有破坏或会带来温室效应的人工合成工质。同时这些工质在产生55度以上高温热水时会造成压缩机排气压力过高，系统能效比(EER)过低，因此限制了水温的上升。而自然工质CO2由于具有无毒、不易燃、对环境副作用小和价格低廉等优势，同时由于其在超临界的高温高压下放热具有明显的温度滑移，这一特点正适合将水加热到更高的问题，因此可以轻松将水加热到90度以上。
在热泵干燥领域，目前流行的技术主要有紫外干燥领，红外干燥领，电磁干燥领和热风干燥领。这些干燥方式在能源消耗方面都比较大。自20世纪70年代初石油危机以来,世界各国均对干燥加工的节能技术展开了大量的研究，热泵干燥是在这种背景下产生的一种新型节能干燥技术。热泵干燥机组从低温热源吸收热量，同时将热量排放到高温热源，加热干燥室内的干燥介质，并循环使用干燥介质。近年来越来越多的研究己证实了这种热泵干燥机组的节能特性，同时由于干燥介质进行闭路循环，也无环境污染问题。目前热泵干燥已广泛应用于木材干燥，食品加工，蔬菜脱水等工业领域。研究和应用实践表明，热泵干燥较常规气流干燥,在能源消耗和干燥成本方面具有明显的优势。利用CO2热泵干燥，不仅易于实现多温区调节，同时还具有较强的干燥能力。除此之外，由于跨临界CO2的超临界状态具有更高的温度，可以实现比常规热泵更高的温度，从而拓展了热泵干燥的应用领域。
现有的热泵干燥和热水机是分开的，需要使用两套压缩机及控制系统，制造成本较高。
发明内容
本发明提供一种跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，以解决上述热泵干燥和热水机需要通过两套系统控制的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，包括压缩机、热水气冷器、回热器、电子膨胀阀、蒸发室和水箱；所述压缩机的排气口与所述热水气冷器的进气口通过第一三通接头的第一、二端口连接，所述热水气冷器的排气口与所述回热器的液体输入口通过第二三通接头的第一、二端口连接，所述回热器的液体输出口与所述蒸发室的入口相连，所述电子膨胀阀的入口与所述回热器的液体输出口相连，所述电子膨胀阀的出口与所述蒸发室的入口相连，所述蒸发室的出口与所述回热器的气体输入口相连，所述回热器的气体输出口与所述压缩机的进气口相连，所述热水气冷器的液体输入端和液体输出端与所述水箱串联，所述热水气冷器的液体输入端和所述水箱之间连接有水泵，所述系统还包括干燥室和设置在所述干燥室内部的微通道气冷器，所述微通道气冷器的进气口与所述第一三通接头的第三端口连接，所述微通道气冷器的出气口与所述第二三通接头的第三端口连接。
本发明的有益效果是：将微通道气冷器设置在压缩机的排气口和储液器的进口之间，本发明的装置之间通过管道相连，CO2经压缩机后被压缩成高温高压的超临界流体，通过管道进入第一三通接头后，该流体分成两路，一路通过管道进入热水气冷器，与水箱循环过来的水进行热交换，从而将水加热；另外一路通过管道进入干燥室内的微通道换热器，通过与空气换热将空气加热，被加热的空气对被干燥物质进行干燥；经过热水气冷器和微通道换热器后的CO2通过第二三通接头会合进入电子膨胀阀后，变成低压低温的液体，在蒸发器内蒸发，吸收室外空气中的热量，并再经过回热器后被进一步加热，最后回到压缩机完成一次循环；本发明提供的跨临界CO2热泵干燥和热水机为一体装置，同一压缩机和控制系统同时控制热泵干燥和热水机，节约了成本。同时、处于超临界状态CO2在气冷器中的放热具有一定的温度滑移特性，可以将水或空气加热到更高温度，因此使用CO2作为热泵系统的工质，可以产生更高温度的热水或更高温度的干燥用空气，从而拓展了热泵和干燥系统的应用范围；本发明充分发挥跨临界CO2热泵的特点，集热水制取和热泵干燥于一体，拓展了热泵系统的应用领域；本发明采用的工质CO2是通过物理方法从大气中获取的，也就是说作为工质，实现了对大气的零污染。
进一步，所述第一三通接头的第二端口与所述热水气冷器的进气口之间设置有热水气冷器流量控制阀，所述第一三通接头的第三端口和所述微通道气冷器的进气口之间设置有微通道气冷器流量控制阀。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过热水气冷器流量控制阀和微通道气冷器流量控制阀来分别控制进入热水气冷器和微通道气冷器的流体流量，以适应不同的运行情况；同时，还可以分别关闭其中一个流量控制阀，来实现对系统功能的选择，即只使用系统的热泵干燥功能，或者热泵热水功能。非常实用，便于用户控制和使用。
进一步，所述系统还包括储液器，所述储液器的进口与所述第二三通接头的第二端口连接，所述储液器的出口与所述回热器的液体输入口连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：储液器具有气液分离的作用，能够确保两个并联的回路通过一个循环系统控制，保证了系统的稳定性。
进一步，所述微通道气冷器包括至少一个翅片式微通道气冷器，所述翅片式微通道气冷器包括两个平行设置的集气管，所述两个集气管之间平行设置有多个与所述两个集气管贯通的微通道扁管，相邻的所述微通道扁管之间设置有肋片，其中一个所述集气管上设置有与所述压缩机的排气口连接的进气管，另外一个所述集气管上设置有与所述储液器的进口连接的出气管。
采用上述进一步方案的有益效果是：翅片式微通道气冷器的肋片与微通道扁管触面大而紧，传热性能良好、稳定，空气通过阻力小；热量通过紧绕在钢管上翅片传给经过翅片间的空气，具有较高的热转换效率。
进一步，所述微通道气冷器由多个翅片式微通道气冷器串联而成，沿所述微通道气冷器进风方向，多个所述翅片式微通道气冷器的换热面积由大到小顺序排列。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过多级微通道气冷器的换热面积由大到小顺序排列，空气每经过一级微通道气冷器后，空气温度升高，并与下一一级微通道气冷器的温差显著减少，有效减小换热过程中的热阻，提高换热效率。
进一步，所述微通道气冷器的横截面设置在与空气流动方向垂直的方向上。
采用上述进一步方案的有益效果是：空气垂直通过微通道气冷器的横截面，增加了空气与微通道气冷器的接触面积，提高了热交换效率。
进一步，所述热水气冷器为套管式热水气冷器，所述套管式热水气冷器包括用于工质流动的外管和设置在所述外管内部的用于水流动的内管。
采用上述进一步方案的有益效果是：套管式热水气冷器是一种纯逆流型换热器，可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，传热效果好；可以根据安装位置任意改变形态，利于安装。
进一步，所述内管为两个、相互平行设置在所述外管的内部。
采用上述进一步方案的有益效果是：多内管的套管式热水气冷器，具有换热效果好、换热效率高、换热流量大，可制成大功率套管式换热器。
进一步，所述热水气冷器为壳管式热水气冷器，所述壳管式热水气冷器包括用于工质流动的传热管和设置在所述传热管外部用于水流动的壳箱。
采用上述进一步方案的有益效果是：壳管式热水气冷器，具有结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，能够适用于高温高压的使用环境。
附图说明
图1是本发明跨临界CO2热泵干燥及热水机系统实施方式一的结构图，
图2是本发明跨临界CO2热泵干燥及热水机系统实施方式二的结构图，
图3是本发明翅片式微通道气冷器的主视图，
图4是本发明翅片式微通道气冷器的主视图的俯视图，
图5是本发明套管式热水气冷器的主视图，
图6是本发明套管式热水气冷器中的单内管剖面结构图，
图7是本发明套管式热水气冷器中的双内管剖面结构图，
图8是本发明壳管式热水气冷器的主视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
01、压缩机，02、热水气冷器，0201、套管CO2进气口，0202、套管出水口，0203、外管，0204、套管进水口，0205、套管CO2出气口，0206、内管，0207、壳箱，0208、传热管，0209、壳箱出水口，0210、传热管CO2进气口，0211、传热管CO2出气口，0212、壳箱进水口，03、热水气冷器流量控制阀，04、微通道气冷器流量控制阀，05、水箱，06、微通道气冷器，061、集气管，062、微通道扁管，063、肋片，064、出气管，065、进气管，07、干燥室，08、进水阀，09、循环泵，10、储液器，11、回热器，12、电子膨胀阀，13、蒸发室,14、第一三通阀，15、第二三通阀
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明跨临界CO2热泵干燥及热水机系统实施方式一的结构图参见图1，包括压缩机01、热水气冷器02，、热水气冷器流量控制阀03、微通道气冷器流量控制阀04、水箱05、微通道气冷器06、干燥室07、进水阀08、循环泵09、储液器10、回热器11、电子膨胀阀12、蒸发室13，第一三通阀14、第二三通阀15；上述装置之间通过管道连接。
压缩机01的排气口与所述热水气冷器02的进气口通过第一三通接头14的第一、二端口连接，第一三通接头14的第二端口与热水气冷器02的进气口之间设置有热水气冷器流量控制阀03，第一三通接头14的第三端口和所述微通道气冷器06的进气口之间设置有微通道气冷器流量控制阀04；热水气冷器02的排气口与回热器11的液体输入口通过第二三通接头15的第一、二端口连接，储液器10的进口与第二三通接头15的第二端口连接，储液器10的出口与回热器11的液体输入口连接，回热器11的液体输出口与所述蒸发室13的入口相连，电子膨胀阀12的入口与回热器11的液体输出口相连，电子膨胀阀12的出口与蒸发室13的入口相连，蒸发室13的出口与回热器11的气体输入口相连，回热器11的气体输出口与压缩机01的进气口相连，热水气冷器02的液体输入端和液体输出端与水箱05串联，热水气冷器02的液体输入端和水箱05之间连接有水泵09，干燥室07内部设有微通道气冷器06，微通道气冷器06的进气口与第一三通接头14的第三端口连接，微通道气冷器06的出气口与第二三通接头15的第三端口连接。
本发明提供的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，将微通道气冷器设置在压缩机的排气口和储液器的进口之间，CO2经压缩机后被压缩成高温高压的超临界流体，该流体分成两路，一路通过热水气冷器流量控制阀进入热水气冷器，与水箱循环过来的水进行热交换，从而将水加热；另外一路通微通道气冷器流量控制阀过进入干燥室内的微通道换热器，通过与空气换热将空气加热，被加热的空气对被干燥物质进行干燥；经过热水气冷器和微通道换热器后的CO2会合进入储液器，然后再经过膨胀阀后，变成低压低温的液体，在蒸发器内蒸发，吸收室外空气中的热量，并再经过回热器后被进一步加热，最后回到压缩机完成一次循环；本发明提供的跨临界CO2热泵干燥和热水机为一体装置，同一压缩机和控制系统同时控制热泵干燥和热水机，节约了成本，通过热水气冷器流量控制阀和微通道气冷器流量控制阀来分别控制进入热水气冷器和微通道气冷器的流体流量，以适应不同的运行情况；同时，还可以分别关闭其中一个流量控制阀，来实现对系统功能的选择，即只使用系统的热泵干燥功能，或者热泵热水功能，便于用户控制和使用。通过储液器具有气液分离的作用，能够确保两个并联的回路通过一个循环系统控制，保证了系统的稳定性。
同时、处于超临界状态CO2在气冷器中的放热具有一定的温度滑移特性，可以将水或空气加热到更高温度，因此使用CO2作为热泵系统的工质，可以产生更高温度的热水或更高温度的干燥用空气，从而拓展了热泵和干燥系统的应用范围；本发明充分发挥跨临界CO2热泵的特点，集热水制取和热泵干燥于一体，拓展了热泵系统的应用领域；本发明采用的工质CO2是通过物理方法从大气中获取的，也就是说作为工质，实现了对大气的零污染。
本发明跨临界CO2热泵干燥及热水机系统实施方式二的结构图参见图2，与实施方式一相比，其区别在于，微通道气冷器由多个微通道气冷器串联而成，沿微通道气冷器进风方向、多个微通道气冷器的换热面积由大到小顺序排列。
通过多个微通道气冷器的换热面积由大到小顺序排列，空气每经过一个微通道气冷器后，空气温度升高，并与下一个微通道气冷器的温差显著减少，有效减小换热过程中的热阻，提高换热效率。
本发明翅片式微通道气冷器参见图3-图4，所述翅片式微通道气冷器包括两个平行设置的集气管061，两个集气管061之间平行设置有多个与所述两个集气管061贯通的微通道扁管062，相邻的微通道扁管062之间设置有肋片063，其中一个所述集气管061上设置有与所述压缩机01的排气口连接的进气管065，另外一个所述集气管061上设置有与储液器10的进口连接的出气管064。如图4所示，微通道气冷器06的横截面设置在与空气流动方向垂直的方向上。
翅片式微通道气冷器的肋片与微通道扁管触面大而紧，传热性能良好、稳定，空气通过阻力小；热量通过紧绕在钢管上翅片传给经过翅片间的空气，具有较高的热转换效率；空气垂直通过微通道气冷器的横截面，增加了空气与微通道气冷器的接触面积，提高了热交换效率。
本发明套管式热水气冷器参见图5-图7，套管式热水气冷器包括用于工质流动的外管0203和设置在外管0203内部的用于水流动的内管0206；套管CO2进气口0201与外管0203连通，套管出水口0202与内管0206连通；套管CO2出气口0205与外管0203连通，套管进水口0204与内管0206连通。
套管式热水气冷器是一种纯逆流型换热器，即工质的流动方向和热水的流动方在是相反的，可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，传热效果好；可以根据安装位置任意改变形态，利于安装。
本实施方式中的套管可以选用如图6所示的单内管的套管，也可以选用如图7所示的双内管套管。
双内管的套管式热水气冷器，具有换热效果好、换热效率高、换热流量大，可制成大功率套管式换热器。
本发明壳管式热水气冷器的主视图参见图8，壳管式热水气冷器包括用于工质流动的传热管0208和设置在传热管0208外部用于水流动的壳箱0207，壳箱出水口0209和传热管CO2进气口0210设置在壳管式热水气冷器的一侧面，传热管CO2出气口0211和壳箱进水口0212设置在壳管式热水气冷器的另一一侧面。
壳管式热水气冷器，具有结构坚固，处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造，生产成本较低，清洗较方便，能够适用于高温高压的使用环境。
以上对本发明跨临界CO2热泵干燥及热水机系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，包括压缩机(01)、热水气冷器(02)、回热器(11)、电子膨胀阀(12)、蒸发室(13)和水箱(05)；所述压缩机(01)的排气口与所述热水气冷器(02)的进气口通过第一三通接头(14)的第一、二端口连接，所述热水气冷器(02)的排气口与所述回热器(11)的液体输入口通过第二三通接头(15)的第一、二端口连接，所述回热器(11)的液体输出口与所述蒸发室(13)的入口相连，所述电子膨胀阀(12)的入口与所述回热器(11)的液体输出口相连，所述电子膨胀阀(12)的出口与所述蒸发室(13)的入口相连，所述蒸发室(13)的出口与所述回热器(11)的气体输入口相连，所述回热器(11)的气体输出口与所述压缩机(01)的进气口相连，所述热水气冷器(02)的液体输入端和液体输出端与所述水箱(05)串联，所述热水气冷器(02)的液体输入端和所述水箱(05)之间连接有水泵(09)，其特征在于，所述系统还包括干燥室(07)和设置在所述干燥室(07)内部的微通道气冷器(06)，所述微通道气冷器(06)的进气口与所述第一三通接头(14)的第三端口连接，所述微通道气冷器(06)的出气口与所述第二三通接头(15)的第三端口连接。
2.根据权利要求1所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述第一三通接头(14)的第二端口与所述热水气冷器(02)的进气口之间设置有热水气冷器流量控制阀(03)，所述第一三通接头(14)的第三端口和所述微通道气冷器(06)的进气口之间设置有微通道气冷器流量控制阀(04)。
3.根据权利要求2所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述系统还包括储液器(10)，所述储液器(10)的进口与所述第二三通接头(15)的第二端口连接，所述储液器(10)的出口与所述回热器(11)的液体输入口连接。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述微通道气冷器(06)包括至少一个翅片式微通道气冷器，所述翅片式微通道气冷器包括两个平行设置的集气管(061)，所述两个集气管(061)之间平行设置有多个与所述两个集气管(061)贯通的微通道扁管(062)，相邻的所述微通道扁管(062)之间设置有肋片(063)，其中一个所述集气管(061)上设置有与所述压缩机(01)的排气口连接的进气管(065)，另外一个所述集气管(061)上设置有与所述储液器(10)的进口连接的出气管(064)。
5.根据权利要求4所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述微通道气冷器(06)由多个翅片式微通道气冷器串联而成，沿所述微通道气冷器(06)进风方向，多个所述翅片式微通道气冷器的换热面积由大到小顺序排列。
6.根据权利要求5所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述微通道气冷器(06)的横截面设置在与空气流动方向垂直的方向上。
7.根据权利要求1至3任一权利要求所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述热水气冷器(02)为套管式热水气冷器，所述套管式热水气冷器包括用于工质流动的外管(0203)和设置在所述外管(0203)内部的用于水流动的内管(0206)。
8.根据权利要求7所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述内管(0206)为两个、相互平行设置在所述外管(0203)的内部。
9.根据权利要求1至3任一权利要求所述的跨临界CO2热泵干燥及热水机系统，其特征在于，所述热水气冷器(02)为壳管式热水气冷器，所述壳管式热水气冷器包括用于工质流动的传热管(0208)和设置在所述传热管(0208)外部用于水流动的壳箱(0207)。
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