CN107166902B - 一种多功能热泵干燥装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多运作模式的热泵干燥装置，包括热泵循环系统和干燥介质处理通道；热泵循环系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器构成，压缩机为单个或多个变频压缩机的组合；干燥介质热湿处理通道受到四个风门的组合控制，形成快速加热、闭式、开式和半开式四种变化方式，构成四种不同的干燥模式。本发明除湿能力强，能针对不同的气候条件及干燥对象的多样性提供不同的运作模式，有效提高干燥产品品质和节能。

Description

一种多功能热泵干燥装置
技术领域
本发明涉及制冷热泵技术的应用领域，具体涉及一种智能型热泵干燥装置。
背景技术
干燥是工业、农副产品和食品加工业等生产过程中的一个重要的工序，干燥过程是高能耗过程，干燥装置及其干燥过程控制与干燥加工产品的品质包括：色、香、味、保质期、营养成分等密切相关，也与生产效率、成本、能耗等密切相关。
热泵干燥是应用蒸气压缩式制冷技术，从空气、或其它余热资源中吸收热能，热效率是电热的三倍以上，加热干燥过程无污染物排放，生产过程洁净、安全，与传统的燃煤、燃气和电热等干燥装置相比，其具有高效节能、环境友好、安全可靠、自动化程度高，生产成本低、产品质量好等优势。
物料干燥，尤其是为满足不同种类农产品的干燥工艺、产品质量指标的要求，由于干燥对象的初始含水量和热湿特性的差异、干燥过程物料含水量的动态变化、室外温湿度的变化，需要调节干燥装置的运行参数，以平衡干燥过程内部和外部扰动，满足干燥工艺要求的送风温度、湿度、甚至包括送风量，并保持干燥对象的品质。但是，现有技术中的热泵干燥装置难以满足不同物料及其干燥工艺和质量指标要求，不能很好地适应室外环境条件(包括温度、相对湿度)的变化及干燥对象的多样性。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种热泵干燥装置，以满足现代农业规模化生产和不同种类农产品、食品、制药、造纸等工业的干燥工艺需求，在不同气候条件下干燥设备都能高效、安全运行，适应不同气候条件及干燥对象的多样性，高效回收余热，实现废气热能的资源化利用，提高其自动化和智能化性能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明多运作模式的热泵干燥装置的特点是：
所述热泵干燥装置是将热泵循环系统和干燥介质热湿处理通道共同设置在机壳中的整体结构，所述机壳的内腔由水平隔板分割为下通道和上通道，回风口为下通道入口，送风口为上通道出口，回风口和送风口同处在机壳的右端；所述下通道和上通道在机壳的左端形成上下连通；第一空气过滤器、压缩机、热管蒸发端、蒸发器以及蒸发风机位于下通道中，回风在下通道中得到余热回收和降温除湿；第二空气过滤器、膨胀阀、热管冷凝端、冷凝器以及送风风机位于上通道，干燥介质在上通道中得到加热；
所述热泵循环系统包括所述压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述压缩机为单个变频压缩机或多个变频压缩机的组合；
在机壳的底板上，处在蒸发器和热管蒸发端之间的位置上设置第一新风入口；
在水平隔板上，处在热管冷凝端和冷凝器之间的位置上设置第一调节风门；
在机壳的左端、处在上通道的入口通道上设置第二新风入口；
在机壳的左端、处在下通道的出口通道上设置第二调节风门；
设置所述热泵干燥装置具有快速加热、闭式、开式和半开式四种不同的工作模式；
所述快速加热工作模式为：在热泵干燥装置启动初期或工况转换的快速加热阶段，第一新风入口、第一调节风门和第二调节风门为全开，第二新风入口关闭；利用全开的第二调节风门关断下通道与上通道在机壳的左端的连通；送风风机将来自回风口的回风经第一调节风门直接导入冷凝器进行加热，第一新风入口构成蒸发器的进风口，第二调节风门构成蒸发器的出风口；
所述闭式工作模式为：第一新风入口、第二新风入口、第一调节风门和第二调节风门均为关闭，来自回风口的回风经热管蒸发端实现余热回收，经蒸发器实现降温和除湿，再经热管冷凝端和冷凝器实现加热升温后，经送风风机和送风口进入干燥室，构成闭式空气循环；
所述开式工作模式为：第一新风入口和第一调节风门关闭，第二调节风门和第二新风入口全开，利用全开的第二调节风门关断下通道与上通道在机壳的左端的连通，在热管蒸发端和蒸发器中得到余热回收后的回风全部经第二调节风门排出机壳；由第二新风入口引入的完全新风依次经过滤器、热管冷凝端和冷凝器得到加热升温，并经送风风机和送风口进入干燥室，构成开式空气循环；
所述半开式工作模式为：第二新风入口关闭，第一新风入口、第一调节风门和第二调节风门均为部分开启，干燥室的热湿空气由回风口导入，一部分回风通过第一调节风门进入冷凝器的空气入口端，其余部分回风经过热管蒸发端进行余热回收并降温后，与第一新风入口引入的室外新风混合，再在蒸发器放热和除湿后一部分在第二调节风门中排出，其余部分进入上通道，后经过滤器、再经热管冷凝端加热后，与所述第一调节风门引入的回风混合，通过冷凝器得到加热升温，最终由送风风机经送风口送入干燥室，形成半开式空气循环。
本发明多运作模式热泵干燥装置的特点也在于：
所述热管蒸发端和热管冷凝端为重力型整体式热管或为重力型分离式热管，热管中充注R134a或其它具有良好导热性能的环保制冷剂；
所述送风风机和蒸发风机为变频风机或有级调速风机；
所述第一调节风门和第二调节风门为电动式风门；所述第一新风入口和第二新风入口为电动或手动的可调式风口；
在所述蒸发器的下方设置接水盘，接水盘与排水通道相连通。
本发明多运作模式热泵干燥装置的特点也在于：所述上通道和下通道也可以设置为处在同一平面中的平面布置形式。
本发明多运作模式热泵干燥装置的特点也在于：设置所述多运作模式热泵干燥装置的控制方式为：
设定所述热泵干燥装置的送风干球温度为主控制参数、送风相对湿度为副控制参数，并以所述送风干球温度为优先控制级；
对于所述送风干球温度的调节是按如下方式应用模糊控制规则控制压缩机能量的加载或减载予以实现；
令：T为设定送风干球温度，T1为实时检测获得的送风干球温度；
则：送风温度的偏差ΔT为：ΔT＝T-T1；
将偏差ΔT划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中和负大；
将偏差ΔT的变化率dΔT/dt划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
将压缩机能量的加载或减载的调节量U划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
建立模糊规则，根据ΔT计算获得dΔT/dt，经模糊化计算，并将模糊化计算结果转化为精确量，以此获取控制压缩机能量的加载或减载的调节量U，进而调节制热量，精确控制送风干球温度；
对于所述送风相对湿度的控制方法为：
令：TS为设定送风相对湿度，TS1为实时检测获得的送风相对湿度；
则：送风相对湿度的偏差ΔTS为：ΔTS＝TS-TS1；
若ΔTS＞0，则增大第一调节风门的开度α，反之则减小第一调节风门的开度α。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明热泵干燥装置设置了四个可调节风门，构成了快速加热、闭式、半开式和开式四种工作模式，可精确控制干燥机送风温度，并调节送风的相对湿度在合适的范围内，适应不同气候条件及干燥对象的多样性，满足各类农产品、食品、化工、制药、造纸等工业的干燥工艺需求；
2、本发明利用热管蒸发端回收回气的余热，并将热量传递到热管冷凝端直接利用；经热管蒸发端降温的回气，再经过蒸发器进一步降温，显著提升干燥机的除湿能力；热管冷凝端在加热通道中放热，预热干燥介质，节省热泵的能耗，实现了高效的余热回收或废气热能的资源化利用；
3、本发明整体式干燥机，结构紧凑，安装便捷，所以连接管道焊接，避免制冷剂泄漏，使用寿命长；
4、本发明热泵干燥装置采用模糊控制技术调节压缩机的能量，精确控制送风温度；采用组合式可调节风门，送风的相对湿度可控，有利于提高干燥产品的品质，提高干燥机效率。
附图说明
图1为本发明热泵干燥系统示意图；
图中标号：1压缩机；2热管蒸发端；3第一新风入口；4蒸发器；5接水盘；6蒸发风机；7第二调节风门；8第二新风入口；9第二空气过滤器；10膨胀阀；11热管冷凝端；12冷凝器；13送风风机；14机壳；15隔板；16第一调节风门；17第一空气过滤器；18送风口；19回风口。
具体实施方式
参见图1，本实施例中多运作模式的热泵干燥装置是将热泵循环系统和干燥介质热湿处理通道共同设置在机壳14中的整体结构，机壳14的内腔由水平隔板15分割为下通道和上通道，回风口19为下通道入口，送风口18为上通道出口，回风口19和送风口18同处在机壳14的右端；下通道和上通道在机壳14的左端形成上下连通；第一空气过滤器17、压缩机1、热管蒸发端2、蒸发器4以及蒸发风机6位于下通道中，回风在下通道中得到余热回收和降温除湿；第二空气过滤器9、膨胀阀10、热管冷凝端11、冷凝器12以及送风风机13位于上通道，干燥介质在上通道中得到加热；热泵循环系统包括压缩机1、冷凝器12、膨胀阀10和蒸发器4，压缩机1为单个变频压缩机或多个变频压缩机的组合；上通道和下通道也可以设置为处在同一平面中的平面布置形式。
本实施例中，在机壳14的底板上，处在蒸发器4和热管蒸发端2之间的位置上设置第一新风入口3；在水平隔板15上，处在热管冷凝端11和冷凝器12之间的位置上设置第一调节风门16；在机壳14的左端、处在上通道的入口通道上设置第二新风入口8；在机壳14的左端、处在下通道的出口通道上设置第二调节风门7。
本实施例中热泵干燥装置的干燥介质热湿处理通道受到四个风门的组合控制，实现快速加热、闭式、开式和半开式四种不同的工作模式。
快速加热工作模式为：在热泵干燥装置启动初期或工况转换的快速加热阶段，第一新风入口3、第一调节风门16和第二调节风门7为全开，第二新风入口8关闭；利用全开的第二调节风门7关断下通道与上通道在机壳14的左端的连通；送风风机13将来自回风口19的回风经第一调节风门16直接导入冷凝器12进行加热，第一新风入口3构成蒸发器4的进风口，第二调节风门7构成蒸发器4的出风口。
闭式工作模式为：第一新风入口3、第二新风入口8、第一调节风门16和第二调节风门7均为关闭，来自回风口19的回风经热管蒸发端2实现余热回收，经蒸发器4实现降温和除湿，再经热管冷凝端11和冷凝器12实现加热升温后，经送风风机13和送风口18进入干燥室，构成闭式空气循环。
开式工作模式为：第一新风入口3和第一调节风门16关闭，第二调节风门7和第二新风入口8全开，利用全开的第二调节风门7关断下通道与上通道在机壳14的左端的连通，在热管蒸发端2和蒸发器4中得到余热回收后的回风全部经第二调节风门7排出机壳14；由第二新风入口8引入的完全新风依次经过滤器9、热管冷凝端11和冷凝器12得到加热升温，并经送风风机13和送风口18进入干燥室，构成开式空气循环。
半开式工作模式为：第二新风入口8关闭，第一新风入口3、第一调节风门16和第二调节风门7均为部分开启，干燥室的热湿空气由回风口19导入，一部分回风通过第一调节风门16进入冷凝器12的空气入口端，其余部分回风经过热管蒸发端2进行余热回收并降温后，与第一新风入口3引入的室外新风混合，再在蒸发器4放热和除湿后一部分在第二调节风门7中排出，其余部分进入上通道，后经过滤器9、再经热管冷凝端11加热后，与第一调节风门16引入的回风混合，通过冷凝器12得到加热升温，最终由送风风机13经送风口16送入干燥室，形成半开式空气循环。
具体实施中，热管蒸发端2和热管冷凝端11为重力型整体式热管或为重力型分离式热管，热管中充注R134a或其它具有良好导热性能的环保制冷剂，热管在系统中发挥节能器或经济器的作用，用于回收回气的余热，在除湿前进行预冷降温，提高了蒸发器的除湿能力，同时将热量直接转移至加热侧，在加热侧预热干燥介质；送风风机13和蒸发风机6为变频风机或有级调速风机，根据干燥进程和被干燥对象含湿量的变化或除湿量的变化调节风机转速；第一调节风门16和第二调节风门7采用电动式风门；第一新风入口3和第二新风入口8采用电动或手动的可调式风口；在蒸发器4的下方设置接水盘5，接水盘5与排水通道相连通。
设置多运作模式热泵干燥装置的控制方式为：
设定热泵干燥装置的送风干球温度为主控制参数、送风相对湿度为副控制参数，并以送风干球温度为优先控制级；
对于送风干球温度的调节是按如下方式应用模糊控制规则控制压缩机1能量的加载或减载予以实现；
令：T为设定送风干球温度，T1为实时检测获得的送风干球温度；
则：送风温度的偏差ΔT为：ΔT＝T-T1；
将偏差ΔT划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中和负大；
将偏差ΔT的变化率dΔT/dt划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
将压缩机1能量的加载或减载的调节量U划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
建立模糊规则，根据ΔT计算获得dΔT/dt，经模糊化计算，并将模糊化计算结果转化为精确量，以此获取控制压缩机1能量的加载或减载的调节量U，进而调节制热量，精确控制送风干球温度；
对于送风相对湿度的控制方法为：
令：TS为设定送风相对湿度，TS1为实时检测获得的送风相对湿度；
则：送风相对湿度的偏差ΔTS为：ΔTS＝TS-TS1；
若ΔTS＞0，则增大第一调节风门16的开度α，反之则减小第一调节风门16的开度α。
热泵干燥装置工作过程：
干热空气在送风风机13的驱动下送入干燥室，与被干燥对象进行充分的热湿交换，空气温度降低、含湿量和相对湿度增大，干燥室排出的热湿空气通过回风口19进入本发明热泵干燥装置，在半开式工作模式下，部分回风通过第一调节风门16直接进入冷凝器12，其余回风经过热管蒸发端2进行余热回收并降温后，与第一新风入口3进入的室外新风混合，在蒸发器4中放热和除湿，经第二调节风门7排出部分经蒸发器4降温除湿的空气，其余经降温除湿的空气经过过滤器9洁净、热管冷凝端11加热，与第一调节风门16引入的回风混合，通过冷凝器12得到加热升温，然后由送风风机13经送风口16送入干燥室；以此循环往复，至干燥对象达到设定的含水量或干度。
对于闭式工作状态，回风口19的回风经热管蒸发端2实现余热回收，经蒸发器4降温和除湿，再经过热管冷凝端11和冷凝器12加热升温，后经送风风机13和送风口18进入干燥室，干燥介质为闭式循环。
设置不同的空气循环方式可以更好地适应外界环境的变化，当外界温度较高、空气较为干燥时，采用开式空气循环，或增大新风量；当气温较低或梅雨季节，减小新风量，或采用闭式空气循环。这样的设计形式不仅利于节能、而且有助于提高干燥效率和产品质量；比如对于一些特定的食品或药品进行干燥，采用闭式热泵干燥装置，干燥介质可以是空气或其它具有吸水性的气体，送风温度可以设定在8～15℃，若蒸发器的蒸发温度低于0℃，需要设置蒸发器除霜，采用电热除霜或热气除霜。

Claims (4)

1.一种多运作模式的热泵干燥装置，其特征是：
所述热泵干燥装置是将热泵循环系统和干燥介质热湿处理通道共同设置在机壳(14)中的整体结构，所述机壳(14)的内腔由水平隔板(15)分割为下通道和上通道，回风口(19)为下通道入口，送风口(18)为上通道出口，回风口(19)和送风口(18)同处在机壳(14)的右端；所述下通道和上通道在机壳(14)的左端形成上下连通；第一空气过滤器(17)、压缩机(1)、热管蒸发端(2)、蒸发器(4)以及蒸发风机(6)位于下通道中，回风在下通道中得到余热回收和降温除湿；第二空气过滤器(9)、膨胀阀(10)、热管冷凝端(11)、冷凝器(12)以及送风风机(13)位于上通道，干燥介质在上通道中得到加热；
所述热泵循环系统包括所述压缩机(1)、冷凝器(12)、膨胀阀(10)和蒸发器(4)，所述压缩机(1)为单个变频压缩机或多个变频压缩机的组合；
在机壳(14)的底板上，处在蒸发器(4)和热管蒸发端(2)之间的位置上设置第一新风入口(3)；
在水平隔板(15)上，处在热管冷凝端(11)和冷凝器(12)之间的位置上设置第一调节风门(16)；
在机壳(14)的左端、处在上通道的入口通道上设置第二新风入口(8)；
在机壳(14)的左端、处在下通道的出口通道上设置第二调节风门(7)；
设置所述热泵干燥装置具有快速加热、闭式、开式和半开式四种不同的工作模式；
所述快速加热工作模式为：在热泵干燥装置启动初期或工况转换的快速加热阶段，第一新风入口(3)、第一调节风门(16)和第二调节风门(7)为全开，第二新风入口(8)关闭；利用全开的第二调节风门(7)关断下通道与上通道在机壳(14)的左端的连通；送风风机(13)将来自回风口(19)的回风经第一调节风门(16)直接导入冷凝器(12)进行加热，第一新风入口(3)构成蒸发器(4)的进风口，第二调节风门(7)构成蒸发器(4)的出风口；
所述闭式工作模式为：第一新风入口(3)、第二新风入口(8)、第一调节风门(16)和第二调节风门(7)均为关闭，来自回风口(19)的回风经热管蒸发端(2)实现余热回收，经蒸发器(4)实现降温和除湿，再经热管冷凝端(11)和冷凝器(12)实现加热升温后，经送风风机(13)和送风口(18)进入干燥室，构成闭式空气循环；
所述开式工作模式为：第一新风入口(3)和第一调节风门(16)关闭，第二调节风门(7)和第二新风入口(8)全开，利用全开的第二调节风门(7)关断下通道与上通道在机壳(14)的左端的连通，在热管蒸发端(2)和蒸发器(4)中得到余热回收后的回风全部经第二调节风门(7)排出机壳(14)；由第二新风入口(8)引入的完全新风依次经过滤器(9)、热管冷凝端(11)和冷凝器(12)得到加热升温，并经送风风机(13)和送风口(18)进入干燥室，构成开式空气循环；
所述半开式工作模式为：第二新风入口(8)关闭，第一新风入口(3)、第一调节风门(16)和第二调节风门(7)均为部分开启，干燥室的热湿空气由回风口(19)导入，一部分回风通过第一调节风门(16)进入冷凝器(12)的空气入口端，其余部分回风经过热管蒸发端(2)进行余热回收并降温后，与第一新风入口(3)引入的室外新风混合，再在蒸发器(4)放热和除湿后一部分在第二调节风门(7)中排出，其余部分进入上通道，后经过滤器(9)、再经热管冷凝端(11)加热后，与所述第一调节风门(16)引入的回风混合，通过冷凝器(12)得到加热升温，最终由送风风机(13) 经送风口(18 )送入干燥室，形成半开式空气循环。
2.根据权利要求1所述的多运作模式热泵干燥装置，其特征是：
所述热管蒸发端(2)和热管冷凝端(11)为重力型整体式热管或为重力型分离式热管，热管中充注R134a或其它具有良好导热性能的环保制冷剂；
所述送风风机(13)和蒸发风机(6)为变频风机或有级调速风机；
所述第一调节风门(16)和第二调节风门(7)为电动式风门；所述第一新风入口(3)和第二新风入口(8)为电动或手动的可调式风口；
在所述蒸发器(4)的下方设置接水盘(5)，接水盘(5)与排水通道相连通。
3.根据权利要求1所述的多运作模式热泵干燥装置，其特征是：所述上通道和下通道也可以设置为处在同一平面中的平面布置形式。
4.根据权利要求1所述的多运作模式热泵干燥装置，其特征是：设置所述多运作模式热泵干燥装置的控制方式为：
设定所述热泵干燥装置的送风干球温度为主控制参数、送风相对湿度为副控制参数，并以所述送风干球温度为优先控制级；
对于所述送风干球温度的调节是按如下方式应用模糊控制规则控制压缩机(1)能量的加载或减载予以实现；
令：T为设定送风干球温度，T1为实时检测获得的送风干球温度；
则：送风温度的偏差ΔT为：ΔT＝T-T1；
将偏差ΔT划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中和负大；
将偏差ΔT的变化率dΔT/dt划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
将压缩机(1)能量的加载或减载的调节量U划分为五个等级，由大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
建立模糊规则，根据ΔT计算获得dΔT/dt，经模糊化计算，并将模糊化计算结果转化为精确量，以此获取控制压缩机(1)能量的加载或减载的调节量U，进而调节制热量，精确控制送风干球温度；
对于所述送风相对湿度的控制方法为：
令：TS为设定送风相对湿度，TS1为实时检测获得的送风相对湿度；
则：送风相对湿度的偏差ΔTS为：ΔTS＝TS-TS1；
若ΔTS＞0，则增大第一调节风门(16)的开度α，反之则减小第一调节风门(16)的开度α。
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