CN106017063A - 一种多效热量循环利用干燥装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多效热量循环利用的干燥装置。装置中有2个以上独立的干燥箱体，各箱体内的温度从高到低依次排列，被干燥物料放置在各箱体内；温度值相邻的每两个箱体之间有一个显热换热器，高温侧箱体中的气体通过高温风道流过显热换热器被降温除湿释放热量后流回高温侧箱体，水蒸气的冷凝水被排出，低温侧箱体中的流体通过低温流体通道流过显热换热器吸收热量升温后流回低温侧箱体，此过程中高温侧箱体内空气中的部分水蒸气的潜热被转变为低温侧箱体中的显热。最高温箱体中有换热器或加热器，最低温箱体上有出风管道。装置中的N个箱体可实现N‑1次的热量在水蒸气的潜热和空气的显热之间的传递转换，从而实现热量的多次循环利用，结合热泵技术，提高能源的利用率和干燥效果十倍以上。

Description

一种多效热量循环利用干燥装置

技术领域

本发明涉及一种干燥装置，尤其是一种多效热量循环利用的干燥装置。应用范围为：各种物料的脱水、干燥、烘干，物料包括粮食、木材、纸张、布料、食品、各类工农业原料及产品、污水处理产生的污泥等。

背景技术

物料干燥烘干的种类范围极其广泛且数量巨大，全社会用于物料干燥烘干的能耗非常巨大。有资料表明，发达国家用于物料干燥烘干的能耗占社会总能耗的7％-15％之间，平均为12％。现在中国的年发电量约为6万亿度，如以用于烘干的电能耗为总发电量的8％估算，则每年用于电加热烘干的全国的电力能耗为5千亿度，相当于6个长江三峡电站的发电量；同时用于烘干的煤炭燃气等燃料也是一个极其庞大的数量。

如在造纸行业，中国一年纸张产量约1亿吨，纸张在烘干阶段的总脱水分量大概也是1亿吨，需要消耗约2亿吨的蒸汽；纺织产业，中国的年布匹产量约为700亿米，在筒子纱染色后、布匹染色后、牛仔布的洗水、服装成衣洗涤后都需要烘干，所以纺织服装行业的年烘干脱水量也在1亿吨以上；中国的粮食产量约为5亿吨，粮食的烘干水分在20％左右，干燥脱水量也在1亿吨左右；中国每年城市污水处理产生的含80％水分的污泥约4000万吨，需要脱水量约3000万吨；其它如陶瓷泥胚，饲料，木材，泥煤，蔬菜，干果，加工类食品，各种工业原料等等，烘干脱水的数量都是非常庞大的。

传统的物料干燥除湿一般是用电或燃料以加热方式进行的。是利用热量把被烘干物中的水分蒸发出来，然后把水蒸气带走。所耗费的热量只利用一次， 而且在把被烘干物中水分蒸发出来的时候，必须的要加热周围的空气，并在排出高湿度气体中水分的时候，将高温的气体一起排出。所以用加热方式把被烘干物料中的蒸发出来并排走的方法，热量的利用率较低，一般在50％以下。

在常规加热干燥方式中，有时也将引入的新风和排出的高温高湿气体进行热交换。但空气的比热很小，如果引入的新风和排出的高温高湿气体的流量相等，新风不能吸收或只吸收极小比例的排出的高温高湿气体中水蒸气的潜热。排出的高湿度气体的水蒸气中大量的潜热被浪费。

热泵烘干技术是利用电的能量，用热泵装置将热量从低温热源向高温热源输送热量的技术，一份电可以输送几份热，相比一般的电加热烘干可以节约50％以上的能耗，同时可以兼有冷凝器加热和蒸发器除湿的双重效果，是未来烘干技术的发展方向。

本人以前的专利：一种热量循环式热泵烘干装置的运行模式和结构。在一般的热泵烘干技术的基础上，增加了升温模式，即热泵烘干装置先从外部大气空气中吸取热量使烘箱内空气温度和绝对湿度升高，再转入热量循环除湿模式；同时在热量循环除湿模式中使冷凝风量为蒸发风量的2倍以上。上述专利技术，能使SMER(即1度电的除水量)值达到4-6，比常规的加热烘干和普通热泵烘干技术在节能程度有了本质性的提高。

但是从更进一步的分析可以看出：被烘干的物料中的水分是液态水，在烘干过程中物料中的水分被蒸发出来变成水蒸气要吸收热量，如再把水蒸气冷凝为液态水则会释放热量；如有办法回收水蒸气中的潜热，并使水蒸气冷凝为液态水排走，则被烘干物料中的水分起始状态是液态，被排走时的终了状态也是液态，则整个过程中被消耗和带走的热量是很少的。如能用简单而耗能少的方 式使水蒸气在冷凝为液态水释放的潜热变为显热再用于被烘干物料中水分的蒸发，使热量在水蒸气的潜热和空气的显热之间多次重复转换，使热量得到循环利用，则有可能进一步降低能耗，使单位能耗的除水量即SMER大幅度提高。

参考海水淡化工艺中的低温多效蒸馏技术和制糖工艺中的糖浆多效蒸馏脱水技术，可以较好的说明多效蒸馏的原理；上述两种工艺的原理基本相同，只是应用领域不同。海水淡化的低温多效蒸馏装置和运行方法大致如此：装置中有N个独立的腔体，从腔体1到腔体N内的温度和压力依次从高到低，把热量输入最高温度(约70℃)的腔体1，腔体1中气压低于大气压，海水在腔体内吸收外加的热量(一般为蒸汽冷凝释放的热量)并蒸发，新产生的水蒸气被引入安置在腔体2的换热器的换热管中；腔体2中的温度和压力都低于腔体1，所以海水的沸点温度低于腔体1内的海水的沸点温度，腔体2中海水淋到换热器的换热管的外表面吸收热量并蒸发为水蒸气，换热管中的水蒸气冷凝为液态淡水并释放热量；腔体2和腔体3的关系类似于腔体1和腔体2的关系；每两个相邻的腔体都有一个换热器，高温侧腔体中的水蒸气在换热管内冷凝为液态水并释放热量，低温侧腔体中海水在换热管外表面蒸发并吸收热量，并把两个相邻腔体构成的一个海水蒸发与水蒸气冷凝的热量交换的装置或过程称为一效。这样输入到腔体1中的热量被重复利用了N次，N为几到十几，1吨蒸汽能生产几吨至十几吨的淡水；如果整个装置中有N个腔体，则该装置称为N效海水蒸馏淡化装置。

如在干燥装置中，仿照海水淡化的低温多效蒸馏技术，设置多个独立干燥箱体，被烘干物料放置在个箱体中；各箱体的温度从高到低依次排列，温度值相邻的两个箱体之间安装一显热交换器，高温侧箱体内的气体中有水蒸气在显 热换热器中冷凝为液态水并释放出潜热，低温流体在显热换热器中吸收高温侧箱体气体中水蒸汽冷凝时所释放的潜热而升温并将热量带回到低温侧箱体中，作为低温箱体的热源，这里所指的低温流体可以是气体一般为空气，也可以是液体且一般就是水。因高低温气体进行热交换的功耗就是风机和水泵的功耗，而风机和水泵的功耗很小，风机和水泵的能耗量与热量交换量相比不到1/20，这样在温度值相邻的两个箱体之间，实现了很低能耗的潜热与显热之间的转换，高温箱体中的水蒸气潜热转化为低温箱体中的显热热源，外界输入的热量被多次重复循环利用，可极大的提高能源的使用效率。

需要说明的是所述的显热换热器是相对于全热换热器的概念而言的，本专利中的显热换热器指的是高低温流体之间的隔膜把高低温流体完全隔离，高低温流体之间只能进行热量的传递交换而没有质量的交换，因此不表示在热交换的过程中高温气流内不发生水蒸气冷凝为液态水所释放的潜热传递转换成低温流体的显热；而与显热交换器相对的所谓全热换热器的含意是指高低温流体之间不光有热量的交换，还有物质尤其是水分的交换，一般是用于新风系统中，高低温流体之间的隔膜不是完全隔离的，隔膜一般是所谓的湿帘纸，水分可以渗透过湿帘构成的隔膜在高低温气流之间传递。

1度电转换成的热量为3600KJ，1公斤液态水蒸发所需的热量大约为2400KJ，即水的蒸发潜热比为2400KJ/公斤，同时空气的比热约为1KJ/公斤℃，水蒸汽的比热为1.8KJ/KG℃。以下相关计算时，以这上述系数为基本参照值。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，结合以上分析，并参照海水淡化中的低温多效蒸馏技术，提供一种多效热量循环利用的干燥装置，使热量得到多次循 环利用，成倍的提高能源利用率，节能效果极其显著。

为此，本发明采取如下方案：一种多效热量循环利用的干燥装置，包括热源、干燥箱箱体、风机、风道等。其特征在于装置中有N个相互独立的箱体，N大于等于2，被干燥物料放置在各箱体内；序号从1到N的箱体内部的空气温度依次单向递减，序号为I的箱体称为箱体I；序号相邻的箱体I和箱体I+1之间有显热换热器I；箱体I有高温风道使箱体内气体流经显热换热器I释放热量后回到箱体I，箱体I+1有低温流体通道连通显热换热器，低温通道内的流体从箱体I+1流出经过显热换热器I吸收热量后回到箱体I+1内，所述低温流体通道中的流体可以是水也可以是空气；箱体I及其上的高温风道和风道上的风机、箱体I+1及其上的低温流体通道和通道上的风机或水泵、显热换热器I共同组成所谓的第I效换热凝水组件，整个干燥装置含有N-1效的换热凝水组件；每一效换热凝水组件中所述的高温风道中气流在显热换热器中所释放的热量必须包含水蒸气冷凝为液态水所释放的潜热，如所述低温流体通道中的流体为气体，则低温流体通道中的气流流量大于所述高温风道中的气流流量，所述显热换热器上有排水装置将水蒸气的冷凝水排出；箱内温度最高的箱体1内腔中安装有散热器或加热器，所述散热器或加热器能将热源提供的热量释放到箱体1的内腔中；箱体N上有出风管道使箱体N内部空气中的水蒸气被排空到大气中或被冷凝为液体水并排出箱体N。

本发明的基本思想即为：将前一级箱体内的高温高湿空气在显热换热器中与低温通道中的流体进行热交换并将热量传递到后一级箱体中，使高温高湿空气中的部分水蒸气冷凝为液态水，释放的潜热即作为后一级箱体的显热来源，高温高湿气体降温除湿后回到前一级箱体内，使前一级箱体内空气中的水分被 连续除去，后一级箱体连续的输入热量，前后两个箱体和对应的显热换热器组成一效换热凝水组件，依次类推，装置中有N个箱体共构成N-1效换热凝水组件，输入最前面的温度最高的箱体内的热量共被反复利用了N次，相比传统的干燥烘干方式从根本上提高能源的利用率。本装置与海水淡化中的低温多效蒸馏技术有以下显著的区别，一:显热换热器中水蒸气冷凝为液态水时释放的潜热被低温通道中的流体吸收，低温通道中的流体不产生水体蒸发，而只是将吸收的热量传递到低温侧的箱体中，再用于被烘干物的水分的蒸发，而在海水淡化的低温多效蒸馏技术中低温海水吸收热量后直接产生水蒸气；二：所有的工作过程均在常压或准常压下进行，而不是在负压下进行；三:在换热器中来自高温侧箱体的气体中的水蒸气只有50％以下的部分被冷凝为液体水，未被冷凝的水蒸气又重新回流到高温侧箱体中，而在海水淡化的低温多效蒸馏技术中输入到换热器中的水蒸气不再回到高温侧箱体中；四、高温风道的气体中水蒸气的重量比例在80％以下，在箱体温度低于50℃的时，高温风道的气体中水蒸气重量所占的比例在10％以下，而在海水淡化的低温多效蒸馏技术中输入到换热器中的气体的水蒸气重量所占比例始终在95％以上。所以本专利技术是与海水淡化的低温多效蒸馏技术有类似但完全不同的方案。

下面通过一具体例子来分析所述装置的工作原理及具体过程：假设低温通道是风道，通道内的流体是空气；同时在显热换热器中，高低温气体逆向流动，换热比较充分，这样能保证低温风道中的气体流过显热换热器后的回风温度约为高温侧箱体中气体的露点温度减去2℃。系统中共有4个独立箱体，箱体1内的温度为70℃，箱体2的为55℃，箱体3的40℃，箱体4的25℃，相对湿度均为75％；箱体1、箱体2、其间的显热换热器1和高低温风道及风机组成第1 效换热凝水组件，箱体1内的空气温度是70℃，空气的相对湿度是75％，则1公斤干空气中的水分为0.75*281.8＝211.5克，露点温度约为65℃，箱体1内的气体从高温风道出风管流出经过显热换热器1后冷却到62℃，再经高温风道回风管流回箱体1内；62℃的1公斤干空气的饱和含水量约为173.5克，在换热器1中来自箱体1内的1公斤干空气中水蒸气冷凝成液态水的重量约为211.5-173.5＝38克，相应的释放潜热约为38*2.4＝91.2KJ，释放显热的量约为(1+0.21*1.8)*(70-62)＝11KJ，总释放热量约102KJ；箱体2内的空气温度是55℃，相对湿度为75％，1公斤干空气包含水分为116*0.75＝87克，箱体2内气体从低温风道出风管流出经过显热换热器1后，温度升高到63℃(比箱体1内空气的露点温度低2度)，相对湿度降低到约48％，再经低温风道回风管回到箱体2内，1公斤干空气共吸收热量＝(1+0.087*1.8)*(63-55)＝8.7KJ。这样箱体1中的气体经过显热换热器1后1公斤干空气释放总热量102KJ，除去水分38克，把其中91.2KJ的水蒸气潜热转换成箱体2中空气的显热，可用于蒸发箱体2中被烘干物料的水分；箱体2中的气体经过显热换热器后1公斤干空气吸收热量8.7KJ；因为高温气体释放的热量就是低温气体吸收的热量，所以可以大致推导出，进入换热器1的低温风道的气流量与高温风道中的气流的干空气重量之比约为102/8.7＝11.7，考虑到高温高湿的空气比重较小的因素，实际的低温风道的气流量/高温风道中的气流的体积流量之比为11左右。类似的，箱体2、箱体3、其间的显热换热器2和高低温风道组成第2效换热凝水组件，因为箱体2内的空气温度是55℃，空气的相对湿度是75％，则1公斤干空气中的水蒸气为0.75*116.3＝87.2克，露点温度约为50℃，箱体2内的气体从高温风道出风管流出经过显热换热器2后冷却到46℃，再经高温风道回风管流回箱体2内；而46℃ 的1公斤干空气的饱和含水量约为69.8克，1公斤干空气中水蒸气冷凝出水分约为87.2-69.8＝17.4克，相应的释放潜热约为17.4*2.4＝41.8KJ，释放显热的量约为(1+0.087*1.8)*(55-46)＝10.4KJ，总释放热量约52.2KJ；箱体3内的空气温度是40℃，相对湿度为75％，1公斤干空气包含水分为49.5*0.75＝37.13克，箱体3内气体经过显热换热器2后，温度升高到48℃，相对湿度降低到约48％，再经低温风道回风管回到箱体3内，1公斤干空气吸收热量＝(1+0.037*1.8)*(48-40)＝8.5KJ。这样箱体2中的气体经过显热换热器2后1公斤干空气中的水蒸气被冷凝除去水分17.4克，共释放热量52.2KJ，把其中的41.8KJ的水蒸气潜热转换成箱体3中空气的显热；箱体3中的气体经过显热换热器后1公斤干空气吸收热量8.5KJ；可以推导出，低温风道的气流量与高温风道中的气流的干空气重量之比约为52.2/8.5＝6.1，考虑到温度和湿度对空气比重的影响，气流的体积之比应为5.5左右。第3效的工况也类似，箱体3内的温度为40℃，箱体4内的温度约为25℃，高低温气流在显热换热器3中进行热量交换，高温风道中气体的露点温度约为35℃，经过显热换热器后的回风温度为29℃，1公斤干空气中的冷凝水量为49.5*0.75-26＝11.1克，则每公斤的高温干空气中释放的潜热为26.64KJ，显热为(1+0.037*1.8)*11＝11.7KJ，释放的总热量为38.34KJ，低温风道的出风温度为25℃，回风温度33℃，1公斤低温干空气吸收的热量为(1+0.015*1.8)*(33-25)＝8.22KJ，低温气流与高温气流的干空气重量之比约为38.34/8.22＝4.66，考虑温湿度的影响，低温风量/高温风量实际比值约为4.4。在箱体4中，有一出风管道，箱体4中的气体可从所述的出风管道流出，如干燥装置中有热泵系统，则出风管道中的气流即为热泵系统的蒸发器的进风，箱体4中的气体流过蒸发器释放显热和潜热，降温除湿后再回到箱体4中或排空进入 大气；如果干燥装置中没有热泵系统，可以安装一附加显热交换器，使出风管道中的气体与流入箱体4的新风进行热量交换，箱体4中的气体经所述出风管道流过所述附加显热交换器释放热量后排空进入大气。假设干燥装置的总的箱体数为4个，这样输入到箱体1中的热量在4个箱体内均被利用一次，共被利用了4次，所以能源的利用效率得到了成倍的提高。如果箱体1内的温度能提高到80℃以上，各箱体内的相对湿度在85％以上，前后两级箱体内的空气温差可减小到12℃，大气环境温度在20℃以下，则热量的重复利用次数能达到6次，能源利用效率再进一步提高。

在上述4个箱体的干燥装置例子中，输入到箱体1的热量又通过显热换热器1输入到箱体2中，箱体1中输入的热量被用于水分蒸发的比例即为第一效的高温风道中气体在显热换热器1中释放的热量中潜热的比例为91.2/102＝0.894，显热部分未用于箱体1中的水分蒸发即直接输入箱体2；类似的在箱体2中，输入的热量用于水分蒸发的比例即为第二效中潜热的比例为41.8/52.2＝0.8；箱体3中用于水分蒸发的比例即第三效中潜热的比例为26.64/38.34＝0.69。输入箱体4的热量用于水分蒸发的比例需分两种情况分别计算:如果是箱内空气直接排空，必有同等体积的新风进入箱体4，这样箱体4内每公斤干空气排空到大气所带来的显热损失量即为箱体内空气温度减去进入箱内的新风温度乘以比热，排出的潜热量即为箱内的每公斤干空气中水分减去大气的每公斤干空气中的水分乘以水的蒸发潜热比，如大气温度为20℃，相对湿度为60％，则每公斤干空气损失的显热约为5.1KJ，水蒸气带走的潜热为(20.36*0.75-14.9*0.6)*2.4＝15.19KJ，潜热的比例为0.75，该潜热比例随大气的温度和相对湿度而有所改变；如果箱体4内的气体不是直接排空，而是流过热泵系统的蒸发器降温除湿后再回到箱 体4，一般是将蒸发器的出风温度控制在箱体4内的气体露点温度再减5度，本例子中蒸发器出风温度即为15℃，则此时的每公斤干空气释放的显热约为10.2KJ，潜热为(20.36*0.75-10.8)*2.4＝10.73KJ，所以潜热比例为0.51；如箱体4内的气体流过热泵系统的蒸发器降温除湿排空，同时同等量的新风进入箱体4，则每公斤干空气的失去显热为箱内温度减大气温度所带来的约5.1KJ，水蒸气带走的潜热为(20.36*0.75-14.9*0.6)*2.4＝15.19KJ，潜热的比例也为0.75。所以在箱体4内气体排空的工况下，外界热源输入的热量在装置中总的利用倍数是0.894+0.8+0.69+0.75＝3.134；箱体4内的气体在热泵蒸发器中降温除湿后再回到箱体4内的工况下，外界热源输入的热量在装置中总的利用率是0.894+0.8+0.69+0.51＝2.894。而普通的加热烘干，热量利用率只有0.5以下，所以节能的效果是极其可观的。

如果在所述的换热凝水组件I的高温风道上安装一所谓的附加显热换热器，使高温侧箱体的高温风道中的出风和回风在附加显热换热器中进行热量交换，则能降低高温风道中进入显热换热器I的气体温度，提高相对湿度，最终提高高温高湿气体释放的热量中的潜热的比例；同样道理，在箱体N的出风管道上安装一附加加热器，使排风与新风进行热量交换，或使蒸发器的进风与出风进行热量交换，能减少显热的损失，加大排出空气中潜热的比例。换一种说法：将高温侧箱体的显热尽量留在高温侧箱体中，而不是让它进入低温侧的箱体中，可以减少热力学中的(火用)的损失，或减少熵增，提高系统的效率。以上述4箱体装置的例子，安装附加显热换热器后，外界热源输入的热量在装置中总的利用率可提高10％以上。

在上述装置中，在箱体4内的气体直接排空，有附加显热换热器使大气新风 和箱体内的排出的湿空气进行热量交换，箱体4的排空进入大气的气体温度与大气空气温度相差在一般在10℃以内，所以相比其它排空高温高湿气体的烘干方式，显热和热力学中的(火用)损失很少。

在以上4个箱体装置的例子中，如果热源是热泵系统，而且蒸发器的进风是箱体4的25℃温度，75％的相对湿度的气体，此时蒸发器的进风温度和湿度一般都较大气空气的高，有较高的焓值，冷凝器的进风是箱体1内的70℃的气体，高低温差为45℃，热泵制热COP约为3，这样1度电可以向箱体1输送3600*3＝10800KJ的热量。1公斤水的蒸发潜热约为2400KJ，在蒸发器出风回到箱体4的情况下，1度电总共可以脱水10800*2.894/2400＝13公斤；在蒸发器出风排空的情况下，1度电总共可以脱水10800*3.134/2400＝14.1公斤。相比普通的电加热烘干1度电脱水0.7公斤，效果提高了约18.6至20.1倍，相比其他热源方式如燃煤等方式的干燥烘干，也具有极大的能源使用成本优势。如果箱体1的温度在80度以上，被烘干物的水分容易蒸发，各箱体内的相对湿度在85％以上，则箱体可以增加到6个，换热凝水组件能达到5效，再安装附加显热换热器，则热量的利用倍数达到4.5以上；使用热泵作为热源，一度电干燥脱水量能达到约16公斤以上，即装置的SMER大于16。

做为优选：

1、所述的热源是热泵系统。

2、热泵系统有蒸发器从最低温度的箱体N的出风管道排出的气体中吸取潜热。

3、热泵系统有两个以上的独立热泵子装置组成。

4、装置的热源中至少有一套变频的热泵装置

5、除了序号为1的最高温度箱体内有换热器或加热器外，其他序号的箱体内也安装有换热器或加热器。

6、在同一个箱体内有多个换热器或加热器。

7、在装置中有至少两种不同种类的热源。

8、在所述的换热凝水组件的高温风道中、箱体N的出风管道上安装有一附加显热换热器，使高温风道的出风和回风、箱体N的出风和进风在所述的附加显热换热器中进行热量交换。

9、在所述的同一换热凝水组件上至少有两个独立的低温流体通道，所述低温流体通道连接同一个显热换热器和同一个低温侧箱体。

本发明的有益效果：

1.本发明方案的一种多效热量循环利用的干燥装置，相比其他的烘干或干燥方式，使热量得到多次循环利用，成倍的提高了能源利用率，节能效果极其显著，节能率在75％-80％。对传统的干燥烘干技术是革命性的创新。

2.本发明装置结合热泵系统，用少量的电能，得到几倍于电加热的热量，在干燥某些易脱水、耐高温的物料时，可使能源的利用效率比常规电加热提高15倍以上。

3.本发明方案与热泵系统相结合，在箱体N安装一热量回收风道，箱体N中的气体流过热量回收风道，被热量回收风道中的热泵的蒸发器降温除湿后再回到箱体N。这样能使所有干燥箱体与外界完全隔离，使外界的风沙、灰尘不能进入到箱体内，保证被干燥物的洁净度与品质。如果被干燥物是容易被氧化的，在本发明方案中，可以在封闭箱体内使用惰性气体，降低被干燥物受氧化的影响。

4.对某些有挥发性成分的物料的干燥，能将有利用价值挥发性的成分留存在各显热换热器和热泵蒸发器的冷凝水中，可再提取利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1.一号箱体 2.二号箱体 3.显然换热器 4.附加显然换热器 5.高温风道 6.低温流体通道 7.冷凝水排水管 8.出风管道 9.新风管道 10.N号箱体11.加热器、换热器。

下面通过实施例，进一步阐述本发明的结构、功能、优点。

图1同时作为本发明的原理示意图：包括热源、干燥箱箱体、风道、风机，装置中有N个相互独立的箱体，包括一号箱体1、二号箱体2、N号箱体10。序号从1到N的箱体内部的空气温度依次单向递减，序号为I的箱体称为箱体I；序号相邻的箱体I和箱体I+1之间有显热换热器3；箱体I有高温风道5使箱体内气体流经显热换热器I3释放热量后回到箱体I内，箱体I+1有低温流体通道使通道内的流体流经显热换热器I吸收热量后回到箱体I+1内，所述低温流体通道中的流体可以是液体也可以是气体；箱体I及其上的高温风道5、箱体I+1及其上的低温流体通道6、低温通道上的风机或水泵、显热换热器I3共同组成所谓的第I效换热凝水组件，整个干燥装置含有N-1效的换热凝水组件；低温流体通道6中的流体如果是气体，则气流流量大于所述高温风道5中的气流流量，显热换热器3上有冷凝水排水管7将水蒸气的冷凝水排出；箱内温度最高的一号箱体1内腔中安装有散热器或加热器11，所述散热器或加热器11能将热源提供的热量释放到一号箱体1的内腔中；箱体N10上有出风管道8使箱体N内部空气中的水蒸气被排空到大气中或被冷凝为液体水并排出箱体N，新风管道 9连接附加显热换热器4，出风与新风在附加显热器4中进行热交换。换热凝水组件的高温风道5和箱体N10的出风管上安装有附加显热换热器4，附加显热换热器使高温风道中较高温度的出风和较低温度的回风进行热量交换，也使系统N10上的较高温的出风与较低温的进风进行热交换。

实施例1：太阳能热泵双能源的多效粮食干燥装置

中国年粮食产量约5亿吨，因不能及时干燥所造成的损失在4％-5％，平均每年因此浪费粮食400亿斤以上。传统的凉晒方式存在人工费用高，场地缺乏的问题；即使在有粮食烘干机械的情况下，也存在烘干成本过高，烘干品质欠佳的状况。粮食烘干机械的热量的利用率等于低于40％，粮食烘干的成本为80-150元/吨，对生产粮食的农民而言，烘干成本过高，难以承受；同时因为往往是燃料产生的高温热风烘干，进风温度一般在120度以上，有粮食烘糊的现象，对粮食的发芽率、爆腰率和品质产生不利影响；如果是烟气直接烘干，烟气中的有害物质会污染粮食。

刚收获的粮食的含水率一般在25％-30％之间，在极端天气时含水率低至20％，高至40％，而干燥后可长期存放粮食的含水率在13.5％左右，所以一般粮食干燥过程的脱水率在10％-30％之间。

在本实施例中，低温流体通道为风道。为了保证粮食的品质，使粮食在较低的温度下干燥，最高温箱体内的温度设置在60℃，相对湿度控制在65％。干燥装置中共有三个烘干箱体，热源配备有太阳能蓄热装置和热泵系统，箱体1内的温度为60℃，相对湿度65％，露点温度为53℃，粮食表面温度约为52℃(相当于箱体1内的湿球温度；箱体2内温度为45℃，相对湿度75％，露点温度和粮食表面温度均约为40℃；箱体3内温度30℃，相对湿度60％，露点温度22℃， 粮食表面温度约为23℃。

太阳能蓄热装置配置有热水水箱，水温在70℃以上。开始时3个箱体均放入待烘干的湿粮食，箱体1放入正常数量的粮食，箱体2和箱体3中放入比正常数量少的适量的粮食；箱体1中，热水通过换热器向箱体内空气释放热量，通过控制释放热量的速度，使箱体1内的空气温度达到60℃温度和65％的相对湿度湿度，当箱体1内的空气达到60℃温度和65％相对湿度湿度时，先后启动第1、2效的换热凝水组件上的风机，使高温侧箱体中气体的水蒸气在显热换热器中冷凝释放热量并转换成为低温侧箱体中的显热；当粮食在箱体1中干燥时间达到设定值或粮食达到设定干燥度时，将该部分粮食送入箱体2，并将新的湿粮食放入箱体1；当箱体2中的干燥时间达到设定时间或粮食达到设定干燥度时，将该部分粮食送入箱体3；当箱体3中的粮食达到13.5％左右的干燥度时，则该部分粮食已干燥完毕，移出箱体3装袋。

除了起始和结束阶段，在正常的连续运行时段，箱体1中的粮食数量少于箱体2中的，箱体2中的又少于箱体3。粮食在箱体1中干燥时间最短，为3-6小时，视粮食的初始水分而定，为快速脱水阶段，脱水量为总脱水量的1/3左右，使粮食的表面快速干燥，能避免粮食发芽发霉；粮食在箱体2中的干燥时间为5-10小时，为中速脱水，脱水量为总脱水量的30％-40％；粮食在箱体3中的干燥时间为10小时以上，是慢速脱水和缓苏并存的阶段，当箱体3中的粮食达到要求的干燥度时，即可移出箱体3冷却装袋。

在正常的连续运行时段，如太阳能提供的热量足够，则热量全部由太阳能热源提供。热量也可由热泵和太阳能联合提供。如部分热源由热泵系统提供，则箱体3上的出风管道中安装热泵的蒸发器，蒸发器吸收箱体3排出的气体的 显热和潜热；箱体3的气流经过蒸发器后，视大气的温湿度不同排空或回到箱体3中；在箱体1中安装有热泵的冷凝器，热泵系统通过冷凝器将热量释放到箱体1中；蒸发器的进风温度为30℃，相对湿度为60％，冷凝器的进风温度为60℃，高低温热源的温差为30℃，热泵的制热COP在3.5以上。

每一效换热凝水组件上的高温风道上安装有附加显热换热器，高温风道上的出风和回风在附加显热换热器上进行热量交换，使高温风道进入各显热换热器I的气体温度接近或达到露点温度，提高高温侧箱体中气体在换热器中释放的热量中的潜热的比例。

箱体1中，在正常连续运行阶段，热源输入的热量部分用于物料中水分的蒸发，部分通过显热换热器1以显热的形式传递到了箱体2。热量利用率即输入的热量用于水分蒸发的比例，就是在第1效的换热凝水组件中的显热换热器1中，高温气体释放的热量中的潜热比例约为92％，箱体2的热量利用率即为第2效换热凝水组件中的显热换热器2中，高温气体释放的热量中的潜热比例约为86％。箱体3的热量利用率为蒸发器吸收热量中的潜热的比例约68％，在热源完全为热泵供应且蒸发器出风回到箱体3的工况下，热量的利用倍数为0.92+0.86+0.68＝2.46；如大气环境湿度较低，蒸发器的出风排空的工况下，热量的利用倍数还能有所提高。热泵系统的制热COP为3.5，所以1度电的总除水量约为2.46*3.5*3600/2400＝12.9公斤。干燥前的湿粮食含水率平均以30％计算，干燥后含水率以13.5％计算，每吨湿粮食除水量约为190公斤，需用电约15度，电价如按0.6元/KWH计算，共9元，相比其它烘干方式的能耗成本，约为10％。这对粮食干燥领域是颠覆性的技术创新。而且，本干燥方案受环境温湿度的影响很小，适合于各种纬度地区和各季节的粮食干燥。考虑到各种粮食的不同水 分含量，干燥的难易程度，其它的风机和传输动力装置的功耗，电价的不同，总体上每吨粮食的干燥电耗应该不超过25度，能耗成本在18元以下。

实施例2：轮转式蒸汽加热的多效筒子纱的烘干装置

纺织业中的纱线经染色清洗后，需要烘干，纱线缠绕在筒子芯上，称为筒子纱。

常规的深颜色的筒子纱一般都用蒸汽加热的方式烘干，将数十至数百个筒子纱安放在保温的烘箱中，烘箱内有蒸汽换热器，外部蒸汽在换热器中冷凝为液体水并释放热量到烘箱内部的空气中，烘箱内部的温度一般保持在80-90℃，相对湿度在60％-90％。烘干过程中不断将烘箱内的高温高湿度气体排入大气，同时引入与排出气体等量的新风。有的场合下，为了回收排出的高温高湿气体中的热量，将引入的新风与排出的高温高湿气体进行热交换，但引入空气的热比容很小，只能吸收排出的高温高湿气体中极少部分的潜热。一般烘干1公斤筒子纱中的水分，需要2公斤蒸汽，烘干的能耗占整个生产过程的能耗的50％以上。

运用本发明方案的一种多效热量循环利用的干燥装置，可以使烘干所需的蒸汽量大幅度减少。

具体方案如下：本实施例中的低温流体通道是风道；将N个烘箱排列出环状，一般N不少于5，每两个相邻烘箱之间安装有显热换热器；每两个相邻烘箱、两烘箱间的显热换热器、高低风道组成一效换热凝水组件，每个烘箱均安装有蒸汽换热器、通向大气的出风管道。

工作过程为：在所有的烘箱内装满筒子纱，指定某一个烘箱为烘箱1，再指定其中一侧如右侧相邻的烘箱为烘箱2，再右侧为烘箱3，依次类推。将蒸汽输入烘箱1中的换热器，使烘箱1内的温度逐步升高，当烘箱1内温度和湿度达 到设定值，启动第1效换热凝水组件；当烘箱2内的温度湿度达到设定值，启动第2效换热凝水组件，依次类推。当烘箱N的温度湿度达到设定值后，打开其上的通向大气的排气管，排出高湿度气体，引入低湿度的新风。

如控制方案设计为各烘箱内的相对湿度为80％左右，共5个箱体，烘箱1的温度为85℃，烘箱2的温度为72℃，烘箱3的温度为58℃，烘箱4的温度为44℃，烘箱5的温度为30℃；如大气环境温度湿度较低，可适当增加相邻烘箱内温度的温差。当烘箱1接近完成烘干，筒子纱中水分蒸发速度减少时，减少烘箱1的换热器中的蒸汽流量，同时打开烘箱2的换热器的蒸汽阀门，使整个装置的热量输入保持基本稳定。当烘箱1内的筒子纱完成烘干，将已烘干的筒子纱移出，放入新的湿筒子纱，同时烘箱的序号改为N(N＝5)，其它烘箱的序号各减少1，即烘箱2改为烘箱1，烘箱3改为烘箱2，依次类推，实现一阶轮转；轮转后，各烘箱按新序号的设定温度，即烘箱1的温度为85℃，烘箱2的温度为72℃，依次类推，重复上一阶的运行步骤。这样实现了准连续的烘干运行，类似于砖瓦厂的轮窖的运行方式。

在各高温风道上安装有附加显热换热器，使高温风道中的出风和回风在附加显热换热器中进行热交换，使高温风道中进入各效显热换热器的气体达到或接近露点温度。每一效换热凝水组件的低温风道的风量大于高温风道的风量。

在第1效中，进入显热换热器的气体温度约为露点温度81℃，在换热器中降温除水后温度降为79℃，1公斤干空气中水蒸气的冷凝水量约75克，释放潜热约为75*2.4＝180KJ，显热约(1+1.8*.6)*2＝4KJ，潜热比例约98％；第2效中，进入显热换热器的气体温度约为露点温度68℃，在换热器中降温除水后温度降为65℃，1公斤干空气中水蒸气的冷凝水量约37.5克，释放潜热约为 37.5*2.4＝90KJ，显热约(1+1.8*.0.21)*3＝4.1KJ，潜热比例约96％；第3效中，进入显热换热器的气体温度约为露点温度54℃，在换热器中降温除水后温度降为50℃，1公斤干空气中水蒸气的冷凝水量约22克，释放潜热约为22*2.4＝53KJ，显热约(1+1.8*.0.11)*4＝4.8KJ，潜热比例约92％；第4效中，进入显热换热器的气体温度约为露点温度40℃，在换热器中降温除水后温度降为36℃，1公斤干空气中水蒸气的冷凝水量约10.2克，释放潜热约为10.2*2.4＝24.5KJ，显热约(1+1.8*.0.05)*4＝4.36KJ，潜热比例约85％；假设大气温度为20℃，相对湿度为60％，出风管道上安装有显热换热器，新风经过显热换热器后的温度为27℃，则箱体5的每公斤排出气体的显热损失约为3KJ，排出的潜热为(27.5*0.8-14.9*0.6)*2.4＝31.3KJ，热量利用率等于潜热的比例为91％。这样输入烘箱1中的热量在5个烘箱中都被利用一次，其利用倍数＝0.98+0.96+0.94+0.85+0.91＝4.64。考虑到实际工作过程中，在烘箱1烘干的后期，部分蒸汽输入到烘箱2中，而且烘箱1转换为烘箱5时有部分能量损失，实际的热量利用倍数为4左右。而现有的蒸汽烘干的热量利用倍数一般在0.5，相比之下，本专利方案的热量利用率是原有的8倍，节能85％以上。

实施例3：连续工作的多效干燥装置。

在本实施例中，被干燥的物料可以是污泥，泥煤，猪粪，鸡粪、淀粉、花朵等物料干燥后为细颗粒状或粉末状或很轻的物料。

低温流体通道包括风道和水管。

热风烘干时，需要有较高速度的风速才能保证烘干效果和速度，但细颗粒粉末状的物体很容易被风吹跑，要用布袋之类的过滤装置将粉末状物料挡住回收，这样会极大的增加风机的功率与功耗，不利于节能；如果显热换热器积满 粉末状物体，会影响热量的传递，降低烘干效果，增加能耗。

因此，本实施例中的低温流体通道中增设了水管，在各箱体内设置了一层或多层类似水床的装置，被烘干物料铺在水床上，有抄翻装置使水床上的物料被不断翻动；低温流体通道中被加热的水体流过水床内腔，将热量传递给物料，使物料中的水分向物料颗粒的表面迁移并蒸发到空气中。本实施例中的低温流体通道中保留了一个风道，低温侧箱体内的空气经过风道在显热换热器中吸收热量升温后回到低温侧箱体内，使箱体内空气维持在合适的相对湿度值上；风道中的气流吸收的热量为水管中水体吸收的热量的几分之一，低温侧箱体内的空气流动速度较低，即保证物料表面有气流流动，又不会将粉状或细颗粒的物料吹走。

装置中有N-1个隔板把整个烘干空间分割成N个独立的箱体，隔板可以上下移动使相邻的箱体之间完全隔离和相互连通，在隔壁向上移动后，相邻的箱体连通，被烘干物料可以在相邻的箱体间移动，隔板向下移动，使相邻的箱体完全隔离；或隔板为固定并使相邻箱体之间只有极少量空气能经过隔板的缝隙相互流动，被烘干物料可以在相邻的箱体间移动；有物料输送带或输送装置，使被烘干物料在各箱体之间单方向连续传输或以一固定时间间隔传输一次。

各箱体前后排列，最前端的箱体为最高温烘箱，最后端的箱体为最低温烘箱，从最前端到最后端的各箱体温度单向递减。两个相邻箱体之间的安装有显热换热器，高温侧烘箱中的气体流经高温风道并在显热换热器中降温除湿并释放热量后再回到高温侧烘箱体，低温侧烘箱体中的有水管和风道，水管中的水体和风道中的空气流经显热换热器吸收热量升温后回到低温侧烘箱体，水管中升温后的水体流入水床的内腔，通过传导将热量传递给被烘干物料，使物料内 的水分向物料颗粒表面迁移并蒸发；风道中空气升温后湿度较低，以较低速度吹过物料表面，加快物料表面的水分蒸发，不使物料表面有水露凝结。外部热源向最高温箱体内输入热量，最低温度箱体上有出风管道，将箱体内的气体向大气排空，并吸入新风。待烘干的湿物料一般从最前端的最高温箱体进入并逐渐向最后端的最低温烘箱体移动，湿物料也可以从最后端烘箱体向最前端的烘箱移动。可以设定调节物料在各箱体内的停留时间各不相同，且一般为在高温箱体中停留时间短，低温箱体中停留时间长。

本实施例中的热源可以是多种热源单独使用，或组合使用。对温度不敏感的物料如沙子、污泥、泥煤、鸡粪、褐煤等，用蒸汽做为热源的，可以将最高温箱体内的温度设置在90℃以上，设置多达5-7效的凝水换热组件，热量利用倍数最高能达到5。如热源由采用常规冷媒的热泵系统提供，则对热敏和非热敏的物料均可干燥，箱体1内的温度一般不超过70℃，热量利用率一般在2.5-4之间，热泵系统制热COP一般在2.5-4之间，热泵系统提供热源时，COP与热量利用率一般为负相关，即COP高，则热量利用率低，反之亦然。一般1度电脱水在12公斤-20公斤之间。

实施例4：轮转式热泵多效干衣装置

本实施例中低温流体通道为风道。

常规的干衣机为蒸汽加热和电加热方式，也有利用热泵原理的热泵干衣机，当前最先进的热泵干衣机是欧盟的能效等级为A+++，全年的平均SMER约为2.3，即1度电能使衣服脱水约2.3公斤。

本实施例装置中的热泵装置上有两个蒸发器，一个为外蒸发器:蒸发器完全处于大气中，从大气中进风，又向大气排风；另一个为热量回收蒸发器，蒸发 器的进风来自最低温箱体中的气体。

本实施例的轮转式热泵多效干衣装置，箱体的排列与实施例2的轮转式蒸汽加热的多效筒子纱的烘干装置相同，各箱体排列成环状，首尾相接；箱体个数一般为3-4个，每个箱体中都安装有冷凝器，新风进风管道，出风管道，出风管道上安装有阀门或者风机，各出风管道连通到热泵系统的热量回收蒸发器。两个相邻的箱体、相邻的箱体之间的显热换热器、高温侧箱体上的高温风道和低温侧箱体上的低温风道构成一效换热凝水组件。

比如箱体共有3个，在各箱体中放入待烘干的湿衣服，最高温的箱体1内部的空气目标温度为60℃，箱体2内部空气目标温度为45℃，箱体3内部空气目标温度为28℃，相对湿度一般为80％。

在各个箱体内装入湿衣服，运行热泵系统，启动外蒸发器和箱体1内的冷凝器，其它蒸发器和冷凝器不工作。热泵系统从大气中吸取热量输入到箱体1内，当箱体1内的空气温度到设定温度60℃时，启动第1效换热凝水组件；当箱体2内的空气温度达到45℃时启动第2效换热凝水组件；当箱体3内的空气温度达到28℃时，启动热量回收蒸发器，并关闭外蒸发器。

当箱体1内空气温度大于等于60℃，相对湿度等于低于设定的终止相对湿度值，可以认为箱体1内的烘干已经完成，此时停止箱体1内冷凝器的运行；启动箱体2内的冷凝器，停止热量回收蒸发器的运行，并启动外蒸发器；停止第2效换热凝水组件的运行，第1效换热凝水组件继续运行，当箱体1内空气温度与箱体2内的空气温度的差值小于5℃时，停止第1效换热凝水组件的运行；然后将箱体1内的已烘干衣服取出，放入新的湿衣服，再将箱体1定义为箱体3，原箱体2定义为箱体1，原箱体3定义为箱体2；按新设定的箱体序号，进入新 一轮的运行，当箱体1内的空气温度达到60℃，启动第1效换热凝水组件，当箱体2内的空气温度达到45℃，启动第2效换热凝水组件，当箱体3的温度达到28℃时，停止外蒸发器的运行，启动热量回收蒸发器，箱体3内的气体流过热量回收蒸发器后排空进入大气。

如此重复以上的运行步骤，可以实现准连续的烘干工作，逐箱烘干衣服。

在各效换热凝水组件的高温风道上安装有附加显热换热器，高温侧箱体的高温风道中的出风和回风在附加显热换热器中进行热量交换，提高换热凝水组件中高温气体释放热量中潜热的比例。最低温度箱体的出风管道上也安装有一附加显热换热器，使最低温烘箱排出的气体与进入的新风或热量回收蒸发器的出风进行热量交换。

箱体1内的热量利用率为第1效中交换的热量中潜热的比例约为0.95，第2效中交换的热量中潜热的比例约为0.89,箱体3中热量利用率约为0.9，总的热量利用倍数为2.74。热泵系统的高低温热源温差为32℃，热泵的制热COP约3.5。这样1度电的除水量约为3.5*2.74*3600/2400＝14.4公斤。考虑到实际工作中箱体对外界有热量耗散，系统从大气中吸取热量时，COP会有所下降，并不是所有工作时间2个换热凝水组件都在运行，所以实际的SMER约为10左右。普通电加热烘干机的SMER约为0.7，相对比能源利用效率提高约15倍。

如果采用大温差高效的二氧化碳热泵，被烘干衣服的耐温可在85℃以上，环境空气中的水分少，如在冬季，则箱体的个数能增加到5以上，SMER可以提高到16以上。

本实施例不光在烘干衣服中可以用，在烘干其它物料如中药材，坚果类时同样可以使用。

本发明装置使水蒸气中的潜热转变为空气的显热，使热量得到多次循环利用，极大的提高了能源的利用率，也提高了干燥的效率和被干燥物的品质。相对传统的烘干、干燥技术是革命性的进步。

各实施例只是本发明的几个具体应用和对本发明的各项权利要求的具体阐述，并未包括本发明主权利要求所覆盖的所有应用范围。使用了本发明的温度单向递减的多箱体和换热凝水组件的结构原理，均属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种多效热量循环利用的干燥装置，包括热源、干燥箱箱体、风机、风道，其特征在于装置中有N个相互独立的箱体，N大于等于2，被干燥物料放置在各箱体内；序号从1到N的箱体内部的空气温度依次单向递减，序号为I的箱体称为箱体I；序号相邻的箱体I和箱体I+1之间有显热换热器I；箱体I有高温风道使箱体内气体流经显热换热器I释放热量后回到箱体I内，箱体I+1有低温流体通道使通道内的流体流经显热换热器I吸收热量后回到箱体I+1内，所述低温流体通道中的流体可以是液体也可以是气体；箱体I及其上的高温风道和风道上的风机、箱体I+1及其上的低温流体通道和通道上的风机或水泵、显热换热器I共同组成所谓的第I效换热凝水组件，整个干燥装置含有N-1效的换热凝水组件；每一效换热凝水组件中所述的高温风道中气流在显热换热器中所释放的热量必须包含水蒸气冷凝为液态水所释放的潜热，如所述低温流体通道中的流体为气体，则低温流体通道中的气流流量大于所述高温风道中的气流流量，所述显热换热器上有排水装置将水蒸气的冷凝水排出；箱内温度最高的箱体1内腔中安装有散热器或加热器，所述散热器或加热器能将热源提供的热量释放到箱体1的内腔中；箱体N上有出风管道使箱体N内部空气中的水蒸气被排空到大气中或被冷凝为液体水并排出箱体N。

2.根据权利要求1所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为装置中的热源为热泵系统，所述的热泵系统产生的热量通过冷凝器输送到所述装置的箱体中。

3.根据权利要求2所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为所述热泵系统有蒸发器从箱体N所排出的气体中吸收热量，所述热量包括气体显热和气体中水蒸气冷凝为液体水所释放的潜热。

4.根据权利要求2所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为所述热泵系统有不少于两套独立的热泵装置，每套热泵装置均包含有压缩机，蒸发器，冷凝器，节流阀和冷媒管路。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为所述热泵系统至少有一套变频热泵装置。

6.根据权利要求1所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为除了在内部温度最高的箱体中安装有散热器或加热器，其他箱体中也安装有散热器或加热器，可以将热源提供的热量释放到各个箱体内。

7.根据权利要求1所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为热源的来源至少有两种不同的种类，热源来源包括太阳能，电加热，压力蒸汽，高温气体，热泵装置冷凝器释放的热量。

8.根据权利要求1所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为所述的换热凝水组件的高温风道和箱体N的出风管道上安装有附加显热换热器，所述的附加显热换热器使高温风道中较高温度的出风和较低温度的回风进行热量交换，使箱体N的出风和进风进行热量交换。

9.根据权利要求1所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为所述装置中的同一箱体内安装有多个散热器或加热器，热量通过所述的多个散热器或加热向箱体内释放。

10.根据权利要求1所述的一种多效热量循环利用的干燥装置，其特征为所述的同一换热凝水组件上至少有两个独立的低温流体通道，所述的各低温流体通道连接同一个显热换热器和同一个低温侧箱体。