CN104792065B - 一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，包括干燥间以及与之相连通的干燥介质流入通道和流出通道，热泵系统至少包括有两套热泵机组，每套热泵机组均包括有压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器；冷凝器均设置在干燥介质流入通道内，至少一个蒸发器设置在干燥介质流出通道内；各套热泵机组内的冷凝器在干燥介质流入通道中自进口开始向干燥间顺序排列设置，其每套相对应的且位于干燥介质流出通道中的蒸发器自干燥介质流出口开始向干燥间顺序排列设置。本发明降低了各套热泵机组自身的冷凝器与蒸发器之间的温差、压差和压缩比，提高了各套热泵机组的能效比，提高了整个热泵系统的能效比，改善了压缩机组的工况。
Description
技术领域
本发明涉及干热泵设计技术领域，尤其涉及一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统。
背景技术
热泵是一种以压缩机为动力，通过制冷工质在低温热源的蒸发和在高温热源的冷凝，将低温热源的热量转移到高温热源的热工装置。
通常用于热泵装置的蒸发器吸热的低温热源，是我们周围的介质，如空气、河水、湖水、地下水等等，也可以是工业生产过程中产生的带有余热的废气废水废液。
通常，将热泵用于对空气、水、油等介质的加热，这些介质就是热泵的高温热源。
但是，在现有的热泵系统中，如果低温热源温度低、被加热介质温度高，则热泵系统蒸发器的蒸发压力低，冷凝器的冷凝压力高，造成压缩机吸气压力与排气压力两者之间的“压差”扩大，压缩比增加，压缩机排气温度升高，压缩机工况恶化，制冷能力下降，制热能力下降，系统能效比下降。目前的热泵系统，在低温条件下，无法满足高温干燥、空气加热以及卫生热水的生产需求。
现以空气源热泵热水器讨论之。
在空气源热泵热水生产装置中，目前主要采用单级压缩系统，其基本工作过程是，制冷剂在蒸发器中吸收空气热能而成为低压蒸汽，被压缩机吸入压缩成高温高压的蒸汽，排入水箱中的冷凝器向水箱中自来水放出热量后冷凝为制冷剂液体，再经过节流装置减压，再次流入蒸发器，从而进入新一轮循环，如此循环往复，不断将作为低温热源的空气中的热能，泵入作为高温热源的卫生热水。
如此运行的单级压缩式热泵热水生产装置，其制热效率(能效比)主要由热泵系统的冷凝压力和蒸发压力决定。
因为热泵系统的蒸发温度必须低于环境空气的温度，蒸发器中的液态制冷剂才能从蒸发器外的空气中吸收到热量，蒸发汽化；所以热泵系统的蒸发压力主要是由环境空气的温度决定的，环境温度低则蒸发压力低，压缩机吸入的制冷剂气体的密度低，制冷剂循环量小，制热能力差；环境温度高则蒸发压力高，压缩机吸入的制冷剂气体的密度大，制冷剂循环量大，制热能力强。热泵热水系统的冷凝温度又必须高于热水温度，冷凝器中的制冷剂气体才能放热冷凝液化，将热量放给水箱中冷凝器外的热水；所以热泵热水机组的冷凝压力主要是由水箱中热水的温度决定的，热水温度低则冷凝压力低，压缩机工况好，热泵系统能效比高；热水温度升高则冷凝压力升高，压缩机工况变差，热泵系统能效比降低。
对于热泵热水机组，如果环境(低温热源)温度高(例如15℃)、热水(高温热源)温度低(例如25℃)，则热泵系统蒸发器内的蒸发压力较高(使用R22可达6atm以上)，冷凝器内的冷凝压力较低(大约12atm)，压缩机吸气压力与排气压力两者之间的“压差”较小，压缩比小，压缩机排气温度较低，压缩机工况良好，制冷能力极强，制热能力极强，能效比(制热功率与所耗电功率的比值)达到10倍以上。
但如果环境温度低、热水温度高，则热泵系统蒸发器的蒸发压力低，冷凝器的冷凝压力高，造成压缩机吸气压力与排气压力两者之间的“压差”增高，压缩比增高，压缩机排气温度升高，制热能力下降的“三高一低”现象，压缩机工况恶化。
请参考下表，按照美国品牌压缩机“谷轮”生产商2011年发布的数据，一款ZW108KS三相涡旋压缩机的不同的蒸发温度、冷凝温度与电机吸入功率P和制热功率(制热量)H之间的关系，其中，此压缩机采用R22制冷剂。
ZW108KS三相涡旋压缩机的不同的蒸发温度、冷凝温度
与电机吸入功率P和制热功率(制热量)H之间的关系
从上表中可看出，在蒸发温度15℃冷凝温度25℃条件下，压缩机吸入电功率4435W、制热量47595W，其制热效率高达10.7；但还是这款ZW108KS压缩机，在蒸发温度－25℃、冷凝温度+65℃的条件下，吸入电功率9825W、制热量15858W，其制热效率降至1.61；与前一个工况比较，压缩机吸入电功率增加121％，制热量降低66.7％，出现了冷凝压力升高、压缩比升高、压缩机排气温度升高、制热效率降低的“三高一低”的现象，压缩机工况严重恶化。并且，这还是实验室数据，在实际的制热系统中，因为蒸发器、冷凝器“两器”的沿程阻力、系统运行过程中反复进行蒸发器上的反转化霜、水泵与风机的动力消耗等等因素，系统的制热效率将＜1.5，接近电阻型用电器直接电加热的效率，“热泵”的高能效比和高经济性丧失殆尽。
这就是在冷凝器与蒸发器之间进行大温差、大压差、高压缩比运行的热泵的必然结果。
因此，提高热泵系统的能效比和改善热泵系统的工况，根本出路在于提高蒸发压力、降低冷凝压力，也就是要求尽可能地提高低温热源的温度，尽可能地调低高温热源(被加热介质)温度。
将载有余热的废气废水废液,用作热泵的低温热源，虽然容易导致热泵蒸发器被污染甚至报废，但这样温位的低温热源能够提高热泵的蒸发温度、蒸发压力，从而提高整个热泵系统的负荷和效率，因而对于热泵应用来说还是具有很大的诱惑力。
在许多工业和民用的用热场合，流出干燥、加热等热工系统的载有余热的空气、烟气、废水，其所载余热占总用热的比例很高，如果将载有余热的介质(空气、水等)作为热泵的低温热源，则热泵系统的蒸发压力、蒸发温度可以大幅提高，压缩机吸入的制冷剂气体的密度提高，制冷剂循环量提高，制热能力增强，因此余热回收具有极高的技术意义和经济价值。
例如谷物干燥过程，用热量巨大，日干燥2000吨潮湿谷物的中等处理能力的粮库，在夏收季节、秋收季节，每天需要脱除(蒸发)潮湿谷物中水分140吨左右，所需热量高达8×109kcal，按照总热效率60％计算，所需煤炭、天然气、秸秆等燃料折合标准煤20吨。谷物干燥，需要把空气加热到60℃以上(如果干燥对象为谷物种子，则加热到45℃左右)，再用这60℃(或45℃)以上的干燥空气和潮湿谷物进行热交换，吸收谷物的水分。在谷物干燥过程中，干燥空气温度下降、相对湿度和绝对含湿量增加，但干燥空气作“等焓”变化，即空气的焓值(能量密度)保持不变，空气的总能量没有减少(忽略干燥过程中干燥空气对环境的漏热)；干燥空气降温释放出的部分显热，转变成了潮湿谷物水分蒸发成水蒸汽的潜热，空气的湿负荷快速增大。干燥谷物之后的潮湿空气在40℃左右，其所携带的余热，包括空气的显热和水蒸汽的潜热，与干燥之前空气被加热时的吸热量基本相等，数量十分巨大，作为热泵的低温热源，具有极高的回收价值。
但是，目前热泵应用依然面临能效偏比低的问题。干燥等操作，通常需要空气等干燥介质，具有较大幅度的温升以大幅度降低空气的相对湿度来获得较强的吸湿能力，这就要求目前使用的热泵系统的冷凝器具有较高的冷凝温度；但如前所述，较高的冷凝温度与冷凝压力，必然降低热泵系统的能效比。而如果没有足够高的能效比，必然难于消化热泵系统的设备费、电费等成本，造成热泵系统难于实际运营。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，包括干燥间以及与干燥间相连通的干燥介质流入通道和干燥介质流出通道，所述热泵系统至少包括有两套热泵机组，每套热泵机组均包括有相连的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器；所述冷凝器均设置在所述干燥介质流入通道内，至少一个蒸发器设置在所述干燥介质流出通道内，
其中，所有热泵机组内的冷凝器自所述干燥介质流入通道的进口开始向所述干燥间顺序排列设置，其每套相对应的且位于所述干燥介质流出通道内的蒸发器自所述干燥介质流出通道的出口开始向所述干燥间顺序排列设置。
较佳地，至少两套所述热泵机组内的所述蒸发器均位于所述干燥介质流出通道内。
较佳地，所述热泵系统至少包括有三套热泵机组，其中至少两套所述热泵机组的蒸发器位于所述干燥介质流出通道内，至少一套所述热泵机组的蒸发器位于干燥介质流出通道外部大气环境内。
较佳地，位于干燥介质流出通道外部大气环境内的蒸发器同组对应的冷凝器设置在所述干燥介质流入通道的进口一侧。
较佳地，各所述冷凝器到所述干燥间之间的位置远近顺序，与其对应组的蒸发器到干燥间的位置远近顺序一致。
较佳地，所述蒸发器、所述节流阀和所述冷凝器内的管道相连并与所述压缩机形成一供制冷剂流经的循环通道；所述制冷剂自所述压缩机开始依次流经所述冷凝器、节流阀和所述蒸发器内的管道。
较佳地，所述干燥介质为承载热量并且传递热量能够直接加热含湿物料推动含湿物料中水分蒸发去湿，或通过间壁式换热器间接加热换热器中的含湿物料推动含湿物料中水分蒸发去湿的介质，包括空气、氮气、二氧化碳、水蒸汽、导热油、水。
较佳地，所述干燥介质流入通道的进口，所述干燥介质流出通道的出口，设置有流体输送装置，所述流体输送装置采用风机或油泵或水泵。
本发明一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明一种余热梯级回收与干燥介质梯级加热的热泵机组，采取梯级多台阶小温差热泵式余热回收，使载有水蒸汽等余热的流体介质在蒸发器外侧的流体通道中被连续小幅降温除湿放热实现余热梯级回收利用；含湿空气内载有大量高焓值的水蒸汽，其焓值明显偏高，使本机组具有较高的能量回收利用价值；
本发明一种余热梯级回收与干燥介质梯级加热的热泵机组，采取梯级多台阶小温差冷凝器放热，使干燥介质(例如空气)在冷凝器外侧的流体通道中被连续小幅度加热升温；
本发明与现有技术中的一步式大功率单级热泵干燥机组相比，大幅降低了各套热泵系统自身的冷凝器与蒸发器之间的温差、压差和压缩比，大幅度提高了各套热泵系统的能效比，从而大幅提高了由多套热泵系统组成的整个热泵机组的能效比，并且大幅度改善了压缩机组的工况。
附图说明
结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1为本发明实施例一中干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一中空气梯级升温与余热梯级回收温差示意图；
图3为本发明实施例一中热泵制热循环图；
图4为采用本发明提供的热泵系统的谷物干燥系统图；
图5为本发明实施例一中空气状态变化图；
图6为本发明实施例二中干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统的结构示意图；
图7为本发明实施例二中空气状态变化图；
符号说明：
1-风机
2-干燥介质流入通道
201-进口
3-干燥间
4-干燥介质流出通道
401-出口
5a、6a、7a、10a、11a-冷凝器
5b、6b、7b、10b、11b-压缩机
5c、6c、7c、10c、11c-节流阀
5d、6d、7d、10d、11d-蒸发器
5e、6e、7e、10e、11e-水槽
8-滤网
9-粉尘回收装置
10-干燥塔
11-粮食提升系统
12-除尘收尘系统
13-引风机
14-主风机
15-冷凝器通道
16-圆柱形粮仓
17-蒸发器通道
1001-储藏段
1002-烘干段
1003-冷却段降温段
1004-回收腔
具体实施方式
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
本发明提供了一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，包括干燥间、干燥介质流入通道和干燥介质流出通道，干燥介质流入通道和干燥介质流入通道通道均与干燥间相连通；该热泵系统至少包括有两套热泵机组，每套热泵机组均包括有相连的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器；所有冷凝器均设置在干燥介质流入通道内，至少一个蒸发器设置在干燥介质流出通道内；其中，所有热泵机组内的冷凝器自干燥介质流入通道的进口一侧开始向干燥间顺序排列设置，其每套相对应的且位于干燥介质流出通道内的蒸发器自干燥介质流出通道的出口一侧开始向干燥间顺序排列设置。
本发明将传统的一步式大温差大功率热泵余热回收，改造为多梯级多台阶小温差热泵式余热回收，使载有水蒸汽等余热的流体介质在蒸发器外侧的流体通道中被连续小幅降温放热即实现余热梯级回收利用；使干燥介质(例如空气)在冷凝器外侧的流体通道中被连续小幅度加热升温即实现干燥介质的梯级加热。本发明大幅降低了各套热泵系统自身的冷凝器与蒸发器之间的温差、压差和压缩比，大幅度提高了各套热泵系统的能效比，从而大幅提高了由多套热泵系统组成的整个热泵机组的能效比，并且大幅度改善了压缩机组的工况。
以下就具体实施例进行详细说明：
实施例一
参考图1-4，本发明提供了一种余热梯级回收与干燥介质梯级加热的热泵系统，包括有干燥间3、干燥介质流入通道2和干燥介质流出通道4，干燥介质流入通道2和干燥介质流出通道4均与干燥间3相连通。
其中，干燥介质为承载热量并且传递热量能够加热含湿物料推动含湿物料中水分蒸发的介质，具体采用何种干燥介质此处不作限制，可采用空气、氮气、二氧化碳等。
如果干燥介质通过间壁式换热器间接地加热放置于换热器中的含湿物料推动含湿物料中水分蒸发，则干燥介质也可以采用水蒸汽、导热油、水等，在这种状况下，蒸发器所在的通道不再是“干燥介质流出通道”，而是由载有热量的水蒸汽、导热油、水等干燥介质通过间壁式换热器间接地加热放置于间壁式换热器中的含湿物料所产生的“水蒸汽排出通道”。
下面以空气作为干燥介质来进行说明。干燥介质自干燥介质流入通道2的进口201进入，经过干燥间3后，流经干燥介质流出通道4，由出口401排出。在本实施例中，该热泵系统还至少包括有两组热泵机组，热泵机组的组数此处不做限制，可以为三组、四组等，以下以三组热泵机组为例进行说明。
具体的，如图1中所示，该热泵系统包括有三组热泵机组，每组热泵机组均包括有冷凝器(5a、6a、7a)、蒸发器(5d、6d、7d)、压缩机(5b、6b、7b)和节流阀(5c、6c、7c)，冷凝器和蒸发器内的管道相连并与压缩机形成一供制冷剂流经的循环通道，制冷剂自压缩机开始依次流经冷凝器和蒸发器内的管道，节流阀设置冷凝器与蒸发器之间的管道上。自压缩机出来的被加压后的高温制冷剂气体，流经冷凝器的管道，实现放热降温，高温制冷剂气体冷凝液化经节流阀降压成低压的制冷剂液体输入到蒸发器的管道内，吸收热量蒸发成为低压制冷剂气体；压缩机再对由蒸发器过来的低压制冷剂气体进行加压后，输送给冷凝器，从而形成一完整的制冷剂循环。
在本实施例中，三组热泵机组的冷凝器5a、6a、7a均设置在干燥介质流入通道2内，蒸发器5d、6d、7d均设置在干燥介质流出通道4内。其中，三组热泵机组内的冷凝器5a、6a、7a自干燥介质流入通道2的进口201一侧开始向干燥间3的一侧顺序排列设置(即5a→6a→7a)，同时每组相对应的蒸发器5d、6d、7d自干燥介质流出通道4的出口401一侧开始向干燥间3的一侧顺序排列设置(即5d→6d→7d)。冷凝器5a、6a、7a之间间隔开一定距离，蒸发器5d、6d、7d之间也间隔开一定距离；较优的，各所述冷凝器到所述干燥间之间的位置远近顺序，与其对应组的蒸发器到干燥间的位置远近顺序一致。
被干燥的含湿物料置于干燥间3内，干燥介质空气在风机1的作用下从进口201进入到干燥介质流入通道2内，干燥介质流入通道2的进口上设置有滤网8，防止外界灰尘、杂质等随空气进入到干燥机内；干燥介质通过流体输送装置被送入到干燥介质流入通道2内，当干燥介质为气体的时候可通过风机1被吸进干燥介质流入通道2内，当干燥介质为油、水的时候则可以通过油泵或水泵被输入，此处不作限制。干燥介质空气进入到干燥介质流入通道2后，依次经过冷凝器5a、6a、7a，吸收冷凝器内制冷剂气体冷凝放出的热量，干燥介质空气被梯级加热成高温空气；高温空气被输入到干燥间3内，对干燥间3内的含湿物料进行干燥；对含湿物料进行干燥后的含湿高温空气输出进入到干燥介质流出通道4内，其中在干燥间3的出口处可设置有粉尘回收装置9，以防止干燥间内的粉尘随空气进入到干燥介质流出通道4内；含湿高温空气进入干燥介质流出通道4内后，依次流经蒸发器5d、6d、7d，与蒸发器内的制冷剂液体进行热交换，含湿高温空气放出热量，蒸发器5d、6d、7d实现余热梯级回收；含湿高温空气经过蒸发器5d、6d、7d时，冷凝析出水分，通过在蒸发器5d、6d、7d的下方设置水槽5e、6e、7e对冷凝水进行回收。
参照图2，为本发明空气梯级升温与余热梯级回收温差示意图：
通过蒸发器7d将其外侧的干燥介质流入通道2中的处于温度台阶最高位置(≥t3)的那部分空气热量，用压缩机7b输送给冷凝器7a，用于冷凝器7a外侧的干燥介质流出通道4中的处于温度台阶最高位置T2的那部分空气的加热，使之温度上升到T3；
通过蒸发器6d使其外侧的干燥介质流入通道2中的处于温度台阶次高位置(t3→t2)的那部分空气热量，用压缩机6b输送给冷凝器6a，用于冷凝器6a外侧的干燥介质流出通道4中的处于温度台阶次高位置T1的那部分空气的加热，使之温度上升到T2；
通过蒸发器5d使其外侧的干燥介质流入通道2中的处于温度台阶最低位置(t2→t1)的那部分空气热量，用压缩机5b输送给冷凝器5a，用于冷凝器5a外侧的干燥介质流出通道4中的处于温度台阶最低位置(≤T1)的那部分空气的加热，使之温度上升到T1；
上述这种余热梯级回收干燥介质梯级升温热泵机组的冷凝器蒸发器工作温差的主体是T3-t3、T2-t2、T1-t1，明显小于一步式大温差大功率热泵余热回收的对应值；而一步式大温差大功率热泵的冷凝温度＞T3、蒸发温度＜t1，冷凝器蒸发器工作温差的主体＝T3-t1。
如果将自干燥器等热工装置流出的具有一定流量、一定比热容、一定温度的载有余热的介质(例如空气)作为低温热源，采用大功率单套热泵将余热输送到具有确定温度要求的高温热源去，这个大功率单套热泵系统的蒸发温度必须低于载有余热的介质的最低温度，只有这样，蒸发器中的液态制冷剂才能从蒸发器外的载有余热的介质中吸收到热量，蒸发汽化；所以大功率单套热泵系统的蒸发压力主要是由载有余热的介质的最低温度决定的，载有余热的介质的最低温度低则蒸发压力低，压缩机吸入的制冷剂气体的密度低，制冷剂循环量小，制热能力差；载有余热的介质的最低温度高则蒸发压力高，压缩机吸入的制冷剂气体的密度大，制冷剂循环量大，制热能力强；这个大功率单套热泵系统的冷凝温度又必须高于具有确定温度要求的干燥介质(高温热源)的最高温度，只有这样，冷凝器中的制冷剂气体才能放热冷凝液化，将热量放给具有确定温度要求的干燥介质；所以大功率单套热泵机组的冷凝压力主要是由具有确定温度要求的干燥介质决定的，具有确定温度要求的干燥介质温度低则冷凝压力低，压缩机工况好，热泵系统能效比高；具有确定温度要求的干燥介质温度升高则冷凝压力升高，压缩机工况变差，热泵系统能效比降低。
而本发明提供的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，采取多梯级多台阶小温差热泵式余热回收，使载有水蒸汽等余热的流体介质在蒸发器外侧的干燥介质流出通道4中被连续小幅降温除湿放热实现余热梯级回收利用；使干燥介质(例如空气)在冷凝器外侧的流体通道中被连续小幅度加热升温实现干燥介质的梯级加热；由于本发明与一步式大功率单级热泵干燥机组相比，大幅降低了各套热泵系统自身的冷凝器与蒸发器之间的温差、压差和压缩比，大幅度提高了各套热泵系统的能效比，从而大幅提高了由多套热泵系统组成的整个热泵机组的能效比，并且大幅度改善了压缩机组的工况，如3中所示。
以下就本发明运用到谷物干燥中为例(其中采用3组热泵机组)，进行进一步的说明：
日干燥2000吨潮湿谷物的中等处理能力的粮库，在夏收季节、秋收季节，每天需要脱除(蒸发)潮湿谷物中水分140吨左右，所需热量高达8×109kcal，按照总热效率60％计算，所需煤炭、天然气、秸秆等燃料折合标准煤20吨。
参照图4，为采用本发明提供的热泵系统的谷物干燥系统，其包括干燥塔10、粮食提升系统11、除尘收尘系统12；其运行方式为：热泵机组外的环境空气，在引风机13、主风机14等空气动力设备的作用下，流入“干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统”的冷凝器通道15，在冷凝器通道15中被多套热泵冷凝器梯级加热升温成为高温干燥空气后，进入谷物干燥塔10；潮湿谷物在干燥塔10提升机的作用下，自圆柱形粮仓16底部被输送到干燥塔10顶部，落入干燥塔的储藏段1001，再向下顺序流过干燥塔的各个烘干段1002；在干燥塔10的各个烘干段，向下流动的潮湿谷物与自干燥塔左侧进入再从右侧排出的干燥空气进行错流热湿交换，潮湿谷物失去水分，干燥空气吸湿降温；潮湿谷物干燥之后，进入冷却降温段1003；经过冷却段降温的干燥谷物，落入回收腔1004之后再被运往粮库存放；干燥塔10里的干燥空气降温吸湿成为含湿空气之后，在引风机13、主风机14等送风动力设备的作用下，流入“干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统”的蒸发器通道17，在经过蒸发器通道里的多套蒸发器梯级降温除湿放出空气中的显热和空气中水蒸汽的潜热之后，再排入大气。
谷物干燥，需要把温度、湿度、焓值分别在25℃、50％RH、51kJ/(kg干空气)左右的环境空气，加热到温度、湿度、焓值分别为65℃、4.9％RH、92kJ/(kg干空气)左右(如果干燥对象为谷物种子，则只能加热到45℃左右)，再用这温度、湿度、焓值分别为65℃、4.9％RH、92kJ/(kg干空气)左右的干燥空气和潮湿谷物进行热交换，吸收谷物的水分。
在谷物干燥过程中，干燥空气作“等焓”变化，即空气的焓值(能量密度)92kJ/(kg干空气)保持不变，空气的总能量没有减少(忽略干燥过程中干燥空气对环境的漏热)；干燥空气降温释放出的部分显热，转变成了潮湿谷物水分蒸发成水蒸汽的潜热，空气的湿负荷快速增大。与含湿谷物进行热湿交换之后的潮湿空气的温度、湿度、焓值分别在41℃、40％RH、92kJ/(kg干空气)左右，其所携带的余热，包括空气的显热和水蒸汽的潜热，在理论上与干燥之前空气被加热时的吸热量相等，作为热泵的低温热源，具有极高的回收价值。
本发明一种余热梯级回收与干燥介质梯级加热的热泵机组，在载有余热的介质(例如空气、水等)的放热降温通道中实现对余热的梯级回收，例如在由3套热泵系统的3只蒸发器的空气侧通道串联起来的干燥介质流入通道中，将前述谷物干燥之后温度、湿度、焓值分别为41℃、40％RH、92kJ/(kg干空气)的潮湿空气降为20℃、100％RH、58kJ/(kg干空气)饱和空气的降温除湿的放热过程，按流道顺序分拆为11℃、7℃、3℃共3个小幅降温除湿的台阶，实现余热(包括空气显热和水蒸汽潜热)的梯级回收；虽然每一个梯级的温差都不大，最小的只有3℃，但因含湿空气内载有大量高焓值的水蒸汽，其焓值明显偏高，具有较高的能量价值，即便是接近蒸发器通道出口的20℃、100％RH的饱和空气，其焓值仍有58kJ/(kg干空气)，明显高于温度、湿度、焓值分别在25℃、50％RH、51kJ/(kg干空气)左右的环境空气，这对于提高热泵机组蒸发器里的的制冷剂蒸发温度、蒸发压力，具有重要意义。
在本实施例中，环境空气作为干燥介质，从干燥介质流入通道2的进口201被吸入→冷凝器5a、冷凝器6a、冷凝器7a梯级加热→干燥间干燥作业→蒸发器7d、蒸发器6d、蒸发器5d梯级降温除湿→从干燥介质流出通道4的出口401排入大气的过程中，各点的状态参数参照下表中所示。
三个冷凝器将前述谷物干燥环境中25℃的空气加热到65℃的吸热升温过程，按流道顺序分拆为上升13.3℃(25℃→38.3℃)、上升13.3℃(38.3℃→41.6℃)、上升13.3℃(41.6℃→65℃)共3个小幅升温的台阶，实现用梯级回收的余热，对作为干燥介质的空气，进行梯级加热。
参照图5，在本实施例中:
机组一：蒸发器5d外侧干燥介质流出通道4内的空气，自b2→b3，放出热量Q1，蒸发器5d中制冷剂的蒸发温度t1，吸收了热量Q1，加上压缩机5b的压缩功Aa，在冷凝器5a中制冷剂的冷凝温度T1，放出热量Q1+Aa，将进入冷凝器a5的空气状态自a点提升到a1点，空气温度自25℃→38.3℃；
机组二：蒸发器6d外侧干燥介质流出通道4内的空气，自b1→b2，放出热量Q2，蒸发器6d中制冷剂的蒸发温度t2，吸收了热量Q2，加上压缩机6b的压缩功Ab，在冷凝器6a中制冷剂的冷凝温度T2，放出热量Q2+Ab，将进入冷凝器6a的空气状态自a1点提升到a2点，空气温度自38.3℃→41.6℃；
机组三：蒸发器6d外侧侧干燥介质流出通道4内的空气，自b→b1，放出热量Q3，蒸发器7d中制冷剂的蒸发温度t3，吸收了热量Q3，加上压缩机7b的压缩功Ac，在冷凝器7a中制冷剂冷凝温度T3，放出热量Q3+Ac，将进入冷凝器7a的空气状态自a2点提升到a3点，空气温度自41.6℃→65。
实施例二
参照图6-7，该热泵系统包括有若干热泵机组，每组热泵机组均包括有冷凝器、蒸发器、压缩机和节流阀；在本实施例中，所有热泵机组中的冷凝器均设置在干燥介质流入通道2内，其中至少有一组热泵机组中的蒸发器位于干燥介质流出通道4内，至少有一组热泵机组中的蒸发器位于干燥介质流出通道4外侧(即外界环境中)，且蒸发器位于外界环境对应热泵机组中的冷凝器，位于干燥介质流入通道2的进口201与蒸发器位于干燥介质流入通道2内对应热泵机组中的冷凝器之间，其余部分参照实施例一中的描述，此处不作限制。
以下以5组热泵机组为了进行详细说明，其中三组热泵机组的蒸发器位于干燥介质流出通道4内，两组热泵机组的蒸发器位于外界环境中，参照图6中所示。
在本实施例中，通过增加蒸发器位于外界环境中的热泵机组，主要是针对干燥装置的工作温度较高并且流程较长、漏热较多、热损失较大的情况。当干燥装置的工作温度较高并且流程较长、漏热较多、热损失较大时，易造成回风温度偏低，载有水蒸汽等余热的回风在蒸发器外侧的干燥介质流出通道4中被连续小幅降温除湿放热之后焓值低于环境空气；本发明增加干燥介质梯级加热的梯级台阶数量，在实施例一中所述的3级的基础上增加到5级，并将干燥介质加热通道中的前2级冷凝器所对应的蒸发器10d、11d设置于外界环境空气中，直接抽取环境大气里的空气能。上述技术方案，进一步降低了各套热泵系统自身的冷凝器与蒸发器之间的温差、压差和压缩比，提高了各套热泵系统的能效比。
参照图7，为本实施例中热泵系统的空气状态变化图，由图上可以看出，吸入的环境空气在冷凝器空气通道中自a点→c点,空气分5段升温；其中：
ac1、c1c2两段升温所需热量的主体，来源于环境空气中的蒸发器,相应的蒸发温度为ta、tb，相应的冷凝温度为Ta、Tb，相应的放热量分别为Qa+Aa、Qb+Ab；
c2c3、c3c4、c4c三段升温所需热量的主体，来源于载有余热的回风中的蒸发器，相应的蒸发温度为tc、td、te；相应的冷凝温度分别为Tc、Td、Te；相应的放热量分别为Qc+Ac、Qd+Ad、Qe+Ae。
综上所述，本发明一种余热梯级回收与干燥介质梯级加热的热泵机组，采取梯级多台阶小温差热泵式余热回收，使载有水蒸汽等余热的流体介质(例如空气)在蒸发器外侧的流体通道中被连续小幅降温除湿放热实现余热梯级回收利用；含湿空气内载有大量高焓值的水蒸汽，其焓值明显偏高，具有较高的能量回收利用价值；采取梯级多台阶小温差冷凝器放热，使干燥介质(例如空气)在冷凝器外侧的流体通道中被连续小幅度加热升温。本发明与现有技术中一步式大功率单级热泵干燥机组相比，大幅降低了各套热泵系统自身的冷凝器与蒸发器之间的温差、压差和压缩比，大幅度提高了各套热泵系统的能效比，从而大幅提高了由多套热泵系统组成的整个热泵机组的能效比，并且大幅度改善了压缩机组的工况。
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。
Claims (8)
1.一种干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，包括干燥间以及与干燥间相连通的干燥介质流入通道和干燥介质流出通道，所述热泵系统至少包括有两套热泵机组，每套热泵机组均包括有相连的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器；所述冷凝器均设置在所述干燥介质流入通道内，至少一个蒸发器设置在所述干燥介质流出通道内；
其中，所有热泵机组内的冷凝器自所述干燥介质流入通道的进口开始向所述干燥间顺序排列设置，其每套相对应的且位于所述干燥介质流出通道内的蒸发器自所述干燥介质流出通道的出口开始向所述干燥间顺序排列设置。
2.据权利要求1所述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，至少两套所述热泵机组内的所述蒸发器均位于所述干燥介质流出通道内。
3.据权利要求1所述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，所述热泵系统至少包括有三套热泵机组，其中至少两套所述热泵机组的蒸发器位于所述干燥介质流出通道内，至少一套所述热泵机组的蒸发器位于干燥介质流出通道外部大气环境内。
4.据权利要求3述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于， 位于干燥介质流出通道外部大气环境内的蒸发器同组对应的冷凝器设置在所述干燥介质流入通道的进口一侧。
5.据权利要求1或2或4所述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，各所述冷凝器到所述干燥间之间的位置远近顺序，与其对应组的蒸发器到干燥间的位置远近顺序一致。
6.据权利要求1所述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，所述蒸发器、所述节流阀和所述冷凝器内的管道相连并与所述压缩机形成一供制冷剂流经的循环通道；所述制冷剂自所述压缩机开始依次流经所述冷凝器、节流阀和所述蒸发器内的管道。
7.据权利要求1所述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，所述干燥介质为承载热量并且传递热量能够直接地或间接地加热含湿物料推动含湿物料中水分蒸发的介质，所述干燥介质采用空气或氮气或二氧化碳或水蒸汽或导热油或水。
8.据权利要求1所述的干燥介质梯级加热与余热梯级回收的热泵系统，其特征在于，所述干燥介质流入通道的进口，所述干燥介质流出通道的出口，设置有流体输送装置，所述流体输送装置采用风机或油泵或水泵。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Effective date of registration: 20160318 Address after: Hangzhou City, Zhejiang province 311612 large hangtou town in the city of Jiande Industrial Zone Applicant after: Zhejiang PRINTRONICS Eyre electrical appliance industry Co. Address before: 200237 Shanghai, Hongmei South Road, No. 777, the bottom floor, room 53, 2101 Applicant before: SHANGHAI BOHAN THERMAL ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20160407 Address after: Hangzhou City, Zhejiang province 311612 large hangtou town in the city of Jiande Industrial Zone Applicant after: HANGZHOU PREAIR ELECTRICAL APPLIANCE INDUSTRY CO.,LTD. Address before: 200237 Shanghai, Hongmei South Road, No. 777, the bottom floor, room 53, 2101 Applicant before: SHANGHAI BOHAN THERMAL ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20220406 Address after: Room 203, building 1, No. 23 and 33, Lane 466, Yindu Road, Minhang District, Shanghai Patentee after: SHANGHAI BOHAN THERMAL ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 311612 Zhejiang province Hangzhou city Jiande City Hang tou town big Dian Kou industrial function area. Patentee before: HANGZHOU PREAIR ELECTRICAL APPLIANCE INDUSTRY CO.,LTD. |
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Effective date of registration: 20230404 Address after: Room R21-A124, Room 403, No. 1, Mingzhu 1st Street, Hengli Town, Nansha District, Guangzhou City, Guangdong Province, 511466 Patentee after: Guangzhou Wan'ermei Engineering Technology Co.,Ltd. Address before: Room 203, building 1, No. 23 and 33, Lane 466, Yindu Road, Minhang District, Shanghai Patentee before: SHANGHAI BOHAN THERMAL ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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