CN105995386A - 复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法，特点是控制系统的节能控制方法步骤为：根据食品干燥工艺要求确定进入干燥室加热隔板的加热介质的温度T1；根据组合设备真空度要求以及组合设备运行过程中捕水器表面霜层厚度的变化，确定组合设备运行过程中捕水器的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式；根据低压级制冷系统捕水器的蒸发温度T5和高压级冷凝器冷凝温度T2确定冷凝蒸发器的高压级蒸发温度T3，高压级蒸发温度T3随蒸发温度T5和冷凝温度T2变化的函数式；根据捕水器的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式；根据函数式计算确定的高压级蒸发温度T3，通过高压级节流阀的开度调节及高压级压缩机的转速调节来实现。其优点为：低压级捕水器蒸发温度能够根据捕水器表面结霜厚度变化动态调整，实现了复叠式制冷系统的运行节能，运行更加节能。

Description

复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法
技术领域
本发明涉及一种复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法。
背景技术
真空冷冻干燥设备干燥的食品相对其他干燥方法干燥的食品品质好，但加工过程中能耗大。真空冷冻干燥设备运行中，一方面被干燥食品中的水分升华需要大量的热量，另一方面，水分在捕水器中凝华需要大量的冷量。由于为真空冷冻干燥设备提供冷量的制冷系统在制冷的过程中，其冷凝器放出大量的热量，且这一热量大于食品干燥所需热量，有研究者提出利用制冷系统冷凝器热量作为食品干燥热源，这样出现了热泵真空冷冻干燥组合设备。组合设备在运行过程中的能耗主要是制冷系统能耗，要实现组合设备的节能，关键是在满足食品加工工艺参数如干燥室加热温度、真空度等要求，尽可能提高制冷系统的蒸发温度。由于在一个干燥加工周期内食品干燥工艺是变化的，其所需的制冷量及蒸发温度是变化的，所需热量及加热温度也是变化的，如何协同控制成为组合设备节能的关键。同时，由于干燥室加热所需的温度一般在60℃左右，制冷系统蒸发温度在-40℃左右，制冷系统必须采用复叠式制冷、双级压缩制冷或喷气增焓制冷才能满足要求，但这也增加了组合设备的控制难度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法，其可以根据食品干燥工艺参数要求，调节干燥室供热温度及热量，进而确定高压级冷凝器最佳冷凝温度，根据真空度要求和捕水器结霜厚度，确定捕水器（也即低压级蒸发器）的最佳蒸发温度，根据高压级冷凝器冷凝温度和捕水器的蒸发温度，确定冷凝蒸发器的最佳中间温度，并通过相应控制系统实现，实现组合设备运行节能。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法，其特征在于组合设备包括真空系统、低压级压缩机、高压级压缩机、冷却水流量调节阀、旁通换热器、加热介质循环泵、高压级冷凝器、干燥室加热隔板、高压级节流阀、冷凝蒸发器、低压级节流阀、捕水器、控制系统、加热介质入口温度传感器、高压级冷凝温度传感器、高压级蒸发温度传感器、低压级冷凝温度传感器及捕水器蒸发温度传感器；其中所述加热介质入口温度传感器感应进入干燥室加热隔板的加热介质的温度T1，高压级冷凝温度传感器感应高压级冷凝器的冷凝温度T2，高压级蒸发温度传感器感应冷凝蒸发器的高压级蒸发温度T3即最佳中间温度，低压级冷凝温度传感器感应冷凝蒸发器的低压级冷凝温度T4，捕水器蒸发温度传感器感应捕水器的蒸发温度T5，所述控制系统的节能控制方法包括步骤如下：
（一）根据食品干燥工艺要求确定进入干燥室加热隔板的加热介质的温度T1，以此为控制对象通过调节冷却水流量调节阀的开度来实现，当实际温度大于设定值时，冷却水流量调节阀的开度加大，反之减小；
（二）根据组合设备真空度要求以及组合设备运行过程中捕水器表面霜层厚度的变化，确定组合设备运行过程中捕水器的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ，其简化的计算方法如下：
（a）根据确定的干燥室的真空度，得到捕水器的对应水蒸气凝华温度，也即捕水器霜层表面的蒸发温度T5必须低于此温度，此温度也即组合设备开始运行时捕水器的最高初始蒸发温度T51；
（b）根据捕水器的总捕水量和表面积，确定整个运行周期结束时捕水器表面结霜厚度d，得到运行周期结束时的所需捕水器的结束蒸发温度T52，因此整个运行周期S时间内捕水器（12）的初始蒸发温度与最终蒸发温度的差ΔT=T51-T52；
（c）因整个运行周期S时间内，单位时间升华水量不同，根据实际运行规律，其运行过程基本可以分为两个阶段，第一阶段在一半的运行时间内即0～0.5S，升华水量约为总水量的70%±10%，且单位时间升华量基本相同；在第二阶段余下的运行时间内也即0.5S～S，升华水量约为总水量的30%±10%，单位时间升华量同样基本相同；如以平板型捕水器来计算，则第一阶段捕水器（12）的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ为T5= T51-1.4*（t/s）*ΔT,函数式Ⅰ中，，在第二阶段捕水器的蒸发温度T5随时间t变化的函数式Ⅱ为T5=T51-0.4ΔT-0.6*（t/s）*ΔT, 函数式Ⅱ中，，考虑到给蒸发温度一定安全余量，实际蒸发温度T4可在上述计算值的基础上降低2～3℃；
（三）根据低压级制冷系统捕水器的蒸发温度T5和高压级冷凝器冷凝温度T2确定冷凝蒸发器的高压级蒸发温度T3，冷凝蒸发器的高压级蒸发温度T3随捕水器的蒸发温度T5和高压级冷凝器的冷凝温度T2变化的函数式Ⅲ为T3=（T5*T2）0.5 -0.5dT+ 0.125dT 2/（T5*T2）0.5，函数式Ⅲ中，dT 为冷凝蒸发器中换热管传热温差，即dT=T4-T3,根据冷凝蒸发器的设计不同而不同，一般为3～8℃；
（四）根据捕水器的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ及函数式Ⅱ，通过低压级节流阀的开度调节及低压级压缩机的转速调节来实现；当捕水器蒸发温度T5的实际值高于计算值时，低压级压缩机的转速提高，低压级节流阀的开度相应减小，当实际值低于计算值时，低压级压缩机的转速降低，低压级节流阀的开度相应加大；
（五）根据函数式Ⅲ计算确定的冷凝蒸发器的高压级蒸发温度T3，通过高压级节流阀的开度调节及高压级压缩机的转速调节来实现，当冷凝蒸发器的高压级蒸发温度T3的实际值高于计算值时，高压级压缩机的转速提高，高压级节流阀的开度相应减小，当实际值低于计算值时，高压级压缩机转速降低，高压级节流阀的开度相应加大。
本发明与现有技术相比的优点为：热泵真空冷冻干燥组合设备在一个完整的干燥加工周期中，低压级捕水器蒸发温度能够根据捕水器表面结霜厚度变化动态调整，实现了复叠式制冷系统的运行节能，使得复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备运行更加节能。
附图说明
图1是本发明实施的复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备系统原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，其是一种复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法，组合设备包括真空系统1、低压级压缩机2、高压级压缩机3、冷却水流量调节阀4、旁通换热器5、加热介质循环泵6、高压级冷凝器7、干燥室加热隔板8、高压级节流阀9、冷凝蒸发器10、低压级节流阀11、捕水器12、控制系统13、加热介质入口温度传感器14、高压级冷凝温度传感器15、高压级蒸发温度传感器16、低压级冷凝温度传感器17及捕水器蒸发温度传感器18；其中
所述高压级压缩机3的制冷剂出口与旁通换热器5的制冷剂入口连通，所述旁通换热器5的制冷剂出口与高级冷凝器7的制冷剂入口连通，所述高级冷凝器7的制冷剂出口通过高压级节流阀9与冷凝蒸发器10的一制冷剂入口连通，所述冷凝蒸发器10的一制冷剂出口与高压级压缩机3的制冷剂回气口连通，冷凝蒸发器10的另一制冷剂出口通过低压级节流阀11与捕水器12的制冷剂入口连通，捕水器12的制冷剂出口与低压级压缩机2的制冷剂回气口连通，低压级压缩机2的制冷剂出口与冷凝蒸发器10的另一制冷剂入口连通；所述加热介质循环泵6与干燥室加热隔板8串联，高级冷凝器7对加热介质加热，被加热后的加热介质流入到干燥室加热隔板8中对干燥室进行加热；所述冷却水流量调节阀4可调节旁通换热器5的温度，所述真空系统1对干燥室进行抽真空，捕水器12捕集来自干燥室的水份；
所述加热介质入口温度传感器14感应循环加热介质进入干燥室加热隔板8的入口温度，也即干燥室加热隔板8的温度T1，高压级冷凝温度传感器15感应高压级冷凝器7的冷凝温度T2，高压级蒸发温度传感器16感应冷凝蒸发器10的高压级蒸发温度T3，其也视作冷凝蒸发器10的中间温度，低压级冷凝温度传感器17感应冷凝蒸发器10的低压级冷凝温度T4，捕水器蒸发温度传感器18感应低压级蒸发器蒸发温度也即捕水器12的蒸发温度T5；所述控制系统13的节能控制方法包括步骤如下：
（一）根据食品干燥工艺要求确定进入干燥室加热隔板8的加热介质的温度T1，以此为控制对象通过调节冷却水流量调节阀4的开度来实现，当实际温度大于设定值时，冷却水流量调节阀4的开度加大，反之减小；
（二）根据组合设备真空度要求以及组合设备运行过程中捕水器12表面霜层厚度的变化，确定组合设备运行过程中捕水器12的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式；因组合设备在一个运行周期内，单位时间内升华的水量不同，按照传热学理论进行计算较为复杂，以下是一种简化的计算方法：
（a）根据确定的干燥室的真空度，得到捕水器12的对应水蒸气凝华温度，也即捕水器12霜层表面的蒸发温度T5必须低于此温度，此温度也即组合设备开始运行时捕水器12的最高初始蒸发温度T51；
（b）根据捕水器12的总捕水量和表面积，确定整个运行周期结束时捕水器12表面结霜厚度d，得到运行周期结束时的所需捕水器12的结束蒸发温度T52，因此整个运行周期S时间内捕水器（12）的初始蒸发温度与最终蒸发温度的差ΔT=T51-T52；
（c）因整个运行周期S时间内，单位时间升华水量不同，根据实际运行规律，其运行过程基本可以分为两个阶段，第一阶段在一半的运行时间内即0～0.5S，升华水量约为总水量的70%±10%，且单位时间升华量基本相同；在第二阶段余下的运行时间内也即0.5S～S，升华水量约为总水量的30%±10%，单位时间升华量同样基本相同；如以平板型捕水器来计算，则第一阶段捕水器的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ为T5= T51-1.4*（t/s）*ΔT, 函数式Ⅰ中，，在第二阶段捕水器的蒸发温度T5随时间t变化的函数式Ⅱ为T5= T51-0.4ΔT-0.6*（t/s）*ΔT,式Ⅱ中，，考虑到给蒸发温度一定安全余量，实际蒸发温度T4可在上述计算值的基础上降低2～3℃；
（三）根据低压级制冷系统捕水器12的蒸发温度T5和高压级冷凝器7的冷凝温度T2确定冷凝蒸发器10的最佳的中间温度T3，冷凝蒸发器10的最佳的中间温度T3随捕水器12的蒸发温度T5和高压级冷凝器7的冷凝温度T2变化的函数式Ⅲ为
T3=（T5*T2）0.5 -0.5dT+ 0.125dT 2/（T5*T2）0.5，函数式Ⅲ中， dT 为冷凝蒸发器10中换热管的传热温差，即dT=T4-T3,根据冷凝蒸发器的设计不同而不同，一般为3～8℃；
（四）根据捕水器12的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ及函数式Ⅱ，通过低压级节流阀11的开度调节及低压级压缩机2的转速调节来实现；当捕水器11的蒸发温度T5的实际值高于计算值时，低压级压缩机2的转速提高，低压级节流阀11的开度相应减小，当实际值低于计算值时，低压级压缩机2的转速降低，低压级节流阀11的开度相应加大；
（五）根据函数式Ⅲ计算确定的冷凝蒸发器10的最佳的中间温度T3，通过高压级节流阀9的开度调节及高压级压缩机3的转速调节来实现；当冷凝蒸发器10的最佳的中间温度T3的实际值高于计算值时，高压级压缩机3的转速提高，高压级节流阀9的开度相应减小，当实际值低于计算值时，高压级压缩机3转速降低，高压级节流阀9的开度相应加大。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换及变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种复叠式热泵真空冷冻干燥组合设备节能控制方法，其特征在于组合设备包括真空系统（1）、低压级压缩机（2）、高压级压缩机（3）、冷却水流量调节阀（4）、旁通换热器（5）、加热介质循环泵（6）、高压级冷凝器（7）、干燥室加热隔板（8）、高压级节流阀（9）、冷凝蒸发器（10）、低压级节流阀（11）、捕水器（12）、控制系统（13）、加热介质入口温度传感器（14）、高压级冷凝温度传感器（15）、高压级蒸发温度传感器（16）、低压级冷凝温度传感器（17）及捕水器蒸发温度传感器（18）；其中所述加热介质入口温度传感器（14）感应进入干燥室加热隔板（8）的加热介质的温度T1，高压级冷凝温度传感器（15）感应高压级冷凝器（7）的冷凝温度T2，高压级蒸发温度传感器（16）感应冷凝蒸发器（10）的高压级蒸发温度T3即最佳中间温度，低压级冷凝温度传感器（17）感应冷凝蒸发器（10）的低压级冷凝温度T4，捕水器蒸发温度传感器（18）感应捕水器（12）的蒸发温度T5，所述控制系统（13）的节能控制方法包括步骤如下：
（一）根据食品干燥工艺要求确定进入干燥室加热隔板（8）的加热介质的温度T1，以此为控制对象通过调节冷却水流量调节阀（4）的开度来实现，当实际温度大于设定值时，冷却水流量调节阀（4）的开度加大，反之减小；
（二）根据组合设备真空度要求以及组合设备运行过程中捕水器（12）表面霜层厚度的变化，确定组合设备运行过程中捕水器的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ，其简化的计算方法如下：
（a）根据确定的干燥室的真空度，得到捕水器（12）的对应水蒸气凝华温度，也即捕水器（12）霜层表面的蒸发温度T5必须低于此温度，此温度也即组合设备开始运行时捕水器（12）的最高初始蒸发温度T51；
（b）根据捕水器（12）的总捕水量和表面积，确定整个运行周期结束时捕水器（12）表面结霜厚度d，得到运行周期结束时的所需捕水器（12）的结束蒸发温度T52，因此整个运行周期S时间内捕水器（12）的初始蒸发温度与最终蒸发温度的差ΔT=T51-T52；
（c）因整个运行周期S时间内，单位时间升华水量不同，根据实际运行规律，其运行过程基本可以分为两个阶段，第一阶段在一半的运行时间内即0～0.5S，升华水量约为总水量的70%±10%，且单位时间升华量基本相同；在第二阶段余下的运行时间内也即0.5S～S，升华水量约为总水量的30%±10%，单位时间升华量同样基本相同；如以平板型捕水器来计算，则第一阶段捕水器（12）的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ为T5= T51-1.4*（t/s）*ΔT,函数式Ⅰ中，，在第二阶段捕水器（12）的蒸发温度T5随时间t变化的函数式Ⅱ为T5= T51-0.4ΔT-0.6*（t/s）*ΔT, 函数式Ⅱ中，，考虑到给蒸发温度一定安全余量，实际蒸发温度T4可在上述计算值的基础上降低2～3℃；
（三）根据低压级制冷系统捕水器（12）的蒸发温度T5和高压级冷凝器（7）冷凝温度T2确定冷凝蒸发器（10）的高压级蒸发温度T3，冷凝蒸发器（10）的高压级蒸发温度T3随捕水器（12）的蒸发温度T5和高压级冷凝器（7）的冷凝温度T2变化的函数式Ⅲ为
T3=（T5*T2）0.5 -0.5dT+ 0.125dT 2/（T5*T2）0.5，函数式Ⅲ中， dT 为冷凝蒸发器（10）中换热管的传热温差，即dT=T4-T3,根据冷凝蒸发器（10）的设计不同而不同，一般为3～8℃；
（四）根据捕水器（12）的蒸发温度T5随运行时间t变化的函数式Ⅰ及函数式Ⅱ，通过低压级节流阀（11）的开度调节及低压级压缩机（2）的转速调节来实现；当捕水器（12）蒸发温度T5的实际值高于计算值时，低压级压缩机（2）的转速提高，低压级节流阀（11）的开度相应减小，当实际值低于计算值时，低压级压缩机（2）的转速降低，低压级节流阀（11）的开度相应加大；
（五）根据函数式Ⅲ计算确定的冷凝蒸发器（10）的高压级蒸发温度T3，通过高压级节流阀（9）的开度调节及高压级压缩机（3）的转速调节来实现，当冷凝蒸发器（10）的高压级蒸发温度T3的实际值高于计算值时，高压级压缩机（3）的转速提高，高压级节流阀（9）的开度相应减小，当实际值低于计算值时，高压级压缩机（3）转速降低，高压级节流阀（9）的开度相应加大。
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