CN108302927A - 一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统 - Google Patents

一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，可以广泛的用于各种需要干燥除湿的场合，该系统采用了太阳能直接加热电动热泵循环工质的方式，同时采用了两级电动热泵和两个空冷换热器实现湿空气的5次降温除湿过程，进而相比现有技术显著的降低了电动热泵的耗电量，降低了干燥除湿的运行成本；该新型系统在干燥除湿领域具备一定的应用前景。

Description

一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统
技术领域
本发明属于能源化工领域，特别涉及一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统。
背景技术
目前大量的工业和民用场合需要对物料进行干燥除湿过程，而且干燥的能耗对整个工艺流程的能耗影响显著，其中的干燥技术之一就是采用高温低湿的空气与物料直接接触吸收物料的水分；干燥过程的能耗较高往往是因为直接采用烧煤或者烧天然气加热空气用于烘干，而且除完湿的空气并没有合理利用其水蒸气的余热；采用煤或者天然气等一次能源方式进行烘干不仅烘干能源成本较高，而且一次能源的燃烧还会产生大量的污染物；在此背景下，提出了一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，不消耗一次能源实现烘干过程，同时没有污染物排放，除湿后的湿空气中水分能够有效的回收利用，该技术对各种烘干场合具有一定的应用前景。
发明内容
本发明的目的是将太阳能换热器与多级空冷换热方式耦合于干燥系统，其中太阳能直接加热热泵循环工质，烘干后的湿空气通过5次降温除湿过程充分回收物料的水分；采用太阳能直接加热热泵循环工质的益处有二：一是降低了一级冷凝器6所需的热泵循环工质负荷，从而减小了一级热泵的耗电量；二是太阳能辅助提升了进入一级冷凝器6的热泵内部循环工质的温度，从而提升了一级冷凝器6出口空气的温度，更有利于对物料的烘干过程；烘干后的湿空气进行5次降温除湿过程的益处同时有二：一是充分利用烘干后的湿空气的热量给送风进行预热，进而减小了热泵冷凝器负荷从而实现省电；二是充分回收物料中的水分，产生的大量凝结水可以处理后满足工业用或者民用场合。
该系统所包含的部件有干燥室1、太阳能换热器2、一级空冷换热器3、二级空冷换热器4、三级空冷换热器5、一级热泵蒸发器7、二级热泵蒸发器11、一级热泵冷凝器6、二级热泵冷凝器10、一级热泵压缩机8、二级热泵压缩机12、一级热泵节流装置9和二级热泵节流装置13和风机阀门配件构成；其中一级热泵蒸发器7、一级热泵冷凝器6、一级热泵压缩机8和一级热泵节流装置9组成一级热泵系统；二级热泵蒸发器11、二级热泵冷凝器10、二级热泵压缩机12和二级热泵节流装置13构成二级热泵系统。
该系统的工作原理为：
高温空气在干燥室1内吸收物料的水分后变成高湿空气后分两路离开干燥室1，其中部分高湿空气进入排风管道19后与来自大气环境的新风换热被降温除湿，凝结水从凝结水出口28排出，其余的高湿空气进入回风管道21，首先，进入三级空气换热器27与二级热泵蒸发器26出口的低温空气进行换热，高湿回风被降温析出凝结水后凝结水从凝结水出口27排出，其次，高湿回风继续进入一级空冷换热器3与低温介质进行换热再次被降温析出凝结水，一级空冷换热器3的低温介质可以是大气环境空气或者来自冷却塔等的低温水，再次，高湿回风继续进入一级热泵蒸发器25与一级热泵内部循环工质进行换热，由于热泵内部循环工质的温度要低于高湿回风，所以高湿回风被降温析出凝结水，最后，高湿回风继续进入二级热泵蒸发器11与二级热泵内部循环工质进行换热，同样二级热泵蒸发器11的热泵内部循环工质温度低于高湿回风，因此高湿回风继续被降温析出凝结水；离开干燥室1的高湿空气总计在一级空冷换热器3、二级空冷换热器4、三级空冷换热器5、一级热泵蒸发器7和二级热泵蒸发器11完成5次降温析出凝结水的过程，其中在回风管道21的4次降温除湿的过程中，高湿回风的温度和绝对湿度（单位体积的湿空气里包含的水蒸气的质量）不断的降低，高湿回风在二级热泵蒸发器11出口达到温度和绝对湿度的最低点；回风管道21的回风利用回风风机15克服管道的阻力；新风通过新风管道20与回风在三级空冷换热器5入口进行混合，混合后的空气依次进入三级空冷换热器5、二级热泵冷凝器10和一级热泵冷凝器6被3次加热后经过送风风机14进入干燥室1。
具体实施方式：
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述；在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件；所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
干燥室1为高温空气吸收被干燥物料水分的装置，高温低湿空气通过送风管道34进入干燥室1后变成低温高湿空气通过排风管道19和回风管道21离开干燥室1；一级空冷换热器3实现回风管道21内高湿空气被系统外的冷源冷却除湿的过程；二级空冷换热器4实现高湿排风与低温新风的换热过程，高湿排风被冷却降温析出凝结水；三级空冷换热器5实现高湿排风与二级热泵蒸发器26出口的排风与新风混合后空气的换热过程，高湿排风被降温析出凝结水，同时二级热泵蒸发器11出口的排风与新风混合后被加热；一级热泵蒸发器7和二级热泵蒸发器11实现将高湿排风降温除湿析出凝结水的过程；一级热泵冷凝器6和二级热泵冷凝器10实现给排风与新风混合后的空气加热升温的过程；太阳能换热器2实现吸收太阳光的热量加热一级热泵内部循环工质的目的，热泵内部循环工质吸收太阳能热量后再在一级热泵冷凝器6将热量传递给送风空气；送风风机14、回风风机15和新风风机16为各路空气提供循环动力以克服管道及管件的阻力；阀门17和阀门18用于改变各自的开度控制一级热泵内部循环工质进入太阳能换热器2的流量。
低湿空气通过送风管道34进入干燥室1后变成高湿空气从排风管道19和回风管道21离开干燥室1，其中部分高湿的空气通过二级空冷换热器4被环境空气冷除湿后通过排风口30进入大气环境，凝结水从凝结水出口28排出；干燥室1的其它高湿的空气进入回风管道21后首先进入三级空冷换热器5被冷却除湿，凝结水从凝结水出口27排出，其次进入一级空冷换热器3被再次冷却除湿，凝结水从凝结水出口29排出，再次进入一级热泵蒸发器7被冷却除湿，凝结水从凝结水出口25排出，最后进入二级热泵蒸发器11被冷却除湿，凝结水从凝结水出口26流出；离开干燥室1的高湿空气在排风管道19和回风管道21内共实现5次降温除湿过程；新风通过新风管道20与回风在三级空冷换热器5入口进行混合，混合后的空气依次进入三级空冷换热器5、二级热泵冷凝器10和一级热泵冷凝器6被3次加热后经过送风机14进入干燥室1。
该系统控制回风最低的温度湿度以及送风的温度的系统有两套：
（1）电动热泵系统
每级电动热泵由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置和配套管道等组成，电动热泵的蒸发器实现给湿空气降温析出凝结水的过程，电动热泵的冷凝器实现给空气升温的过程（空气升温过程无凝结水产生），当电动热泵的级数增加时，湿空气所能降低到的最低温度也随之降低，进而饱和湿空气的绝对湿度也随之下降；该系统可以根据工艺需求，采用一级热泵或者两级及更多级热泵以获得更高温度和更低绝对湿度的送风以提升烘干的速率；
（2）太阳能辅助系统
现有的烘干系统有太阳能辅助的技术，其是通过太阳能直接给送风升温，由于送风量大而且空气的换热系数较低，所以太阳能加热空气的换热器体积巨大，该系统采用了太阳能跟热泵内部工质换热的方式，由于热泵内部循环工质在高压管道内流动，所需的换热器体积大幅度减小；太阳能辅助系统有旁通管道，可以根据气候条件以及需要的送风温度通过阀门17和阀门18控制热泵循环工质进入太阳能换热器2的流量比例。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
附图说明
图1为一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统的示意图;
图中，1-干燥室、2-太阳能换热器、3-一级空冷换热器、4-二级空冷换热器、5-三级空冷换热器、6-一级热泵冷凝器、7-一级热泵蒸发器、8-一级热泵压缩机、9-一级热泵节流装置、10-二级热泵冷凝器、11-二级热泵蒸发器、12-二级热泵压缩机、13-二级热泵节流装置、14-送风风机、15-回风风机、16-新风风机、17-阀门、18-阀门、19-排风管道、20-新风管道、21-回风管道、22-一级热泵循环工质管道（液态）、23-二级热泵循环工质管道（液态）、24-一级热泵循环工质管道（汽态）、25-凝结水出口、26-凝结水出口、27-凝结水出口、28-凝结水出口、29-凝结水出口、30-排风口、31-新风口、32-冷源入口、33-冷源出口、34-送风管道、35-二级热泵循环工质管道（汽态）。

Claims (7)

1.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，该系统由干燥室1、太阳能换热器2、一级空冷换热器3、二级空冷换热器4、三级空冷换热器5、一级热泵蒸发器7、二级热泵蒸发器11、一级热泵冷凝器6、二级热泵冷凝器10、一级热泵压缩机8、二级热泵压缩机12、一级热泵节流装置9和二级热泵节流装置13和管道配件构成；其中一级热泵蒸发器7、一级热泵冷凝器6、一级热泵压缩机8和一级热泵节流装置9、一级热泵循环工质管道（汽态）24和一级热泵循环工质管道（液态）22组成一级热泵系统；二级热泵蒸发器11、二级热泵冷凝器10、二级热泵压缩机12、二级热泵节流装置13及二级热泵循环工质管道（液态）23和二级热泵循环工质管道（汽态）35构成二级热泵系统。
2.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，太阳能换热器2直接加热一级热泵内部循环工质，被加热的热泵内部循环工质再进入一级热泵冷凝器6释放热量用于加热送风。
3.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，低湿空气通过送风管道34进入干燥室1后吸收物料水分后变成高湿空气从排风管道19和回风管道21离开干燥室1，其中部分高湿的空气通过二级空冷换热器4被环境空气冷却除湿后通过排风口30进入大气环境，其凝结水从凝结水出口28排出；干燥室1的其它高湿的空气进入回风管道21后首先进入三级空冷换热器5被冷却除湿，凝结水从凝结水出口27排出，其次进入一级空冷换热器3被再次冷却除湿，凝结水从凝结水出口29排出，再次进入一级热泵蒸发器7被冷却除湿，凝结水从凝结水出口25排出，最后进入二级热泵蒸发器11被冷却除湿，凝结水从凝结水出口26流出；离开干燥室1的高湿空气在排风管道19和回风管道21内共实现5次降温除湿过程。
4.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，环境新风从新风口31进入二级空冷换热器4被加热后进入新风管道20，然后与二级热泵蒸发器11出口的回风进行混合；混合后的空气首先进入三级空冷换热器5被加热，然后进入二级热泵冷凝器10继续被加热升温，最后再进入一级热泵冷凝器6继续被加热升温后进入烘干室1。
5.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，一级空冷换热器1的热侧介质为来自烘干室1的高湿空气，其冷侧介质的冷源可以为低温环境空气或者来自冷却塔的低温水。
6.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，太阳能换热器2与其旁通管道组合使用，通过调节阀门17和阀门18的开度控制进入太阳能换热器2的热泵内部循环工质的流量进而控制热泵循环工质在太阳能换热器2中的得热量，最终实现控制一级热泵冷凝器6出口空气的温度。
7.一种太阳能辅助多级热泵和多级空冷耦合的干燥系统，其特征在于，其中的热泵系统可以采用单级热泵或者多级热泵系统的蒸发器和冷凝器分别串联的方式。
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