CN109458793B - 一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，以制冷压缩机作为主动力机，在双蒸发器为冻干系统提供冷量的同时，回收冷凝器放热用于物料升华和解析阶段升温，将冻干箱、真空泵、冷阱、电加热器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等主要部件结合在一起，通过各类阀门控制和调节流量，完成物料的真空冷冻干燥。机组具有结构紧凑，性能系数高，节能降耗效果明显的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，属于制冷技术领域。
背景技术
真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下,使水分变成固态的冰,然后在真空及低于共晶点温度下,使冰升华为水蒸汽,在真空泵抽吸作用下，水蒸汽进入冷阱并被捕获,从而获得干燥制品的技术。冷冻干燥技术能够保持被干燥物料的结构、性质、形状和生物活性，且冻干食品复水后基本能保持其新鲜时的色泽、形状、口感和营养,受到了人们的普遍欢迎。但由于冷冻干燥比其他干燥方法所需时间长、能耗高,造成冻干食品成本高,销售价格贵,限制了它的普及发展。
现有技术中存在的问题是：真空冷冻干燥分升华和解析两个阶段，为了将水分脱除，需要在这两个阶段对物料加热，使其内部水分脱除，并在冷阱中凝结。在此过程中一方面需要冷阱及蒸发器吸收热量，并通过冷凝器将热量排到环境中，另一方面又需要电辅助加热或锅炉供热使物料发生升华与解析干燥。对整个真空冷冻干燥装置而言，在排出热量的同时又向其输入热量，造成了能量的浪费和重复输入，最终导致冷冻干燥能耗较高。因此,通过合理统筹整机的能量输入输出，提出新型冷冻干燥装置，可以降低冷冻干燥能源消耗，进而降低冻干产品的成本，推动冻干技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，在升华与解析干燥阶段回收冷凝器的热量用于加热物料，大大减少甚至不用电加热，从而降低冷冻干燥的能耗。
本发明的技术原理和技术路线如下：
本发明提出的一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，冷凝器采用水冷冷凝器，流体介质为油或乙二醇盐溶液，冷凝器的流体介质与冻干箱连通，制冷剂在蒸发器和冷阱内回收热量后，经压缩机压缩后，变为高温高压的气体，在冷凝器内将热量传递给流体介质。在升华与解析干燥阶段，流体介质在泵作用下进入冻干箱，加热物料，提供水分升华与解析所需的热量，不足部分由电辅助加热提供。
为实现上述发明目的，技术方案具体如下所述：
一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，包括制冷压缩机1、冷凝器2、储液罐3、第一节流阀4、第五电磁阀24、蒸发器5、第一电磁阀6、第二节流阀7、冷阱8、止回阀9、冻干箱10、散热器11、第二电磁阀12、第六电磁阀13、第一循环泵14、电加热器15、第三电磁阀16、电动阀17、箱阱阀18、油箱19、第四电磁阀20、第二循环泵21、真空泵22、截止阀23；
并且，冷凝器2内置冷凝盘管2-1， 蒸发器5内置蒸发盘管5-1，冷阱8内置冷阱盘管8-1；
所述真空冷冻干燥机包括制冷剂回路和流体介质回路；
制冷剂回路的制冷压缩机1出口连接冷凝器2中冷凝盘管2-1的进口，冷凝盘管2-1出口连接储液罐3进口，储液罐3出口分别连接第五电磁阀24和第一电磁阀6进口，第五电磁阀24出口连接第一节流阀4进口，第一节流阀4出口连接蒸发器5的蒸发盘管5-1进口，蒸发盘管5-1出口连接制冷压缩机1进口；
第一电磁阀6出口连接第二节流阀7进口，第二节流阀7出口连接冷阱8的冷阱盘管8-1进口，冷阱盘管8-1出口连接止回阀9进口，止回阀9出口与蒸发盘管5-1出口并联后连接制冷压缩机1进口，其中，循环介质为制冷剂；
流体介质回路的冷阱8下方出口接截止阀23进口，截止阀23出口排水；冻干箱10下方出口进接箱阱阀18进口，箱阱阀18出口连接冷阱8上方进口，冷阱8左侧出口接真空泵22进口，
冻干箱10右侧下方出口分别连接蒸发器5进口、第六电磁阀13进口和油箱19，蒸发器5左侧出口连接第二循环泵21进口，第二循环泵21出口连接第四电磁阀20进口，第四电磁阀20出口连接冻干箱10右侧上方进口，
第一循环泵14出口连接冷凝器2进口，冷凝器2出口分别连接散热器11进口和电加热器15进口，散热器11出口连接第二电磁阀12进口，第二电磁阀12出口与第六电磁阀13出口并联后连接第一循环泵14进口，电加热器15出口连接第三电磁阀16进口，第三电磁阀16出口连接电动阀17进口，电动阀17出口与第四电磁阀20出口并联后连接冻干箱10右侧上方进口，其中，循环介质为油或乙二醇盐溶液。
优选，所述冷凝器2为液体冷凝器。
一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，该装置在保证能量平衡的基础之上，以制冷压缩机作为主动力机，在双蒸发器为冻干系统提供冷量的同时，利用冷凝器放出的热量在物料升华阶段提供升温条件，将冻干箱、真空泵、冷阱、电加热器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等主要部件结合在一起，通过各类阀门控制和调节流量，完成物料的冷冻干燥。
本发明与现有技术相比具有以下创新：本发明改变了现行冻干设备完全采用电加热器或锅炉提供物料水分脱除所需热量的现状，通过制冷循环中蒸发器与冷阱吸收热量，由制冷剂送到冷凝器，再由油或乙二醇盐溶液回收冷凝器热量，送到冻干箱加热物料，实现了热量的充分合理利用，直接回收冷凝器热量用于物料干燥，使得冻干耗能会大大降低，同时由于冷凝器采用液体冷却，冷凝温度大幅降低，机组性能系数得到提高，进一步带来节能降耗效果。
附图说明
图1为本发明的实施例1的一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机结构示意图。
其中，1—制冷压缩机，2—冷凝器，2-1—冷凝盘管，3—储液罐，4—第一节流阀，5—蒸发器，5-1—蒸发盘管，6—第一电磁阀，7—第二节流阀，8—冷阱，8-1—冷阱盘管，9—止回阀，10—冻干箱，11—散热器，12—第二电磁阀，13—第六电磁阀，14—第一循环泵，15—电加热器，16—第三电磁阀，17—电动阀，18—箱阱阀，19—油箱，20—第四电磁阀，21—第二循环泵，22—真空泵，23—截止阀，24—第五电磁阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、特性和优点更加明确，下面结合附图就本发明的最佳实施方式做详细说明，其中，附图中所述上下前后左右皆是指从图中所述方位指向。
实施例1
一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，包括制冷压缩机1、冷凝器2、储液罐3、第一节流阀4、第五电磁阀24、蒸发器5、第一电磁阀6、第二节流阀7、冷阱8、止回阀9、冻干箱10、散热器11、第二电磁阀12、第六电磁阀13、第一循环泵14、电加热器15、第三电磁阀16、电动阀17、箱阱阀18、油箱19、第四电磁阀20、第二循环泵21、真空泵22、截止阀23；
并且，冷凝器2内置冷凝盘管2-1， 蒸发器5内置蒸发盘管5-1，冷阱8内置冷阱盘管8-1；
所述真空冷冻干燥机包括制冷剂回路和流体介质回路；
制冷剂回路的制冷压缩机1出口连接冷凝器2中冷凝盘管2-1的进口，冷凝盘管2-1出口连接储液罐3进口，储液罐3出口分别连接第五电磁阀24和第一电磁阀6进口，第五电磁阀24出口连接第一节流阀4进口，第一节流阀4出口连接蒸发器5的蒸发盘管5-1进口，蒸发盘管5-1出口连接制冷压缩机1进口；
第一电磁阀6出口连接第二节流阀7进口，第二节流阀7出口连接冷阱8的冷阱盘管8-1进口，冷阱盘管8-1出口连接止回阀9进口，止回阀9出口与蒸发盘管5-1出口并联后连接制冷压缩机1进口，其中，循环介质为制冷剂；
流体介质回路的冷阱8下方出口接截止阀23进口，截止阀23出口排水；冻干箱10下方出口进接箱阱阀18进口，箱阱阀18出口连接冷阱8上方进口，冷阱8左侧出口接真空泵22进口，
冻干箱10右侧下方出口分别连接蒸发器5进口、第六电磁阀13进口和油箱19，蒸发器5左侧出口连接第二循环泵21进口，第二循环泵21出口连接第四电磁阀20进口，第四电磁阀20出口连接冻干箱10右侧上方进口，
第一循环泵14出口连接冷凝器2进口，冷凝器2出口分别连接散热器11进口和电加热器15进口，散热器11出口连接第二电磁阀12进口，第二电磁阀12出口与第六电磁阀13出口并联后连接第一循环泵14进口，电加热器15出口连接第三电磁阀16进口，第三电磁阀16出口连接电动阀17进口，电动阀17出口与第四电磁阀20出口并联后连接冻干箱10右侧上方进口，其中，循环介质为油或乙二醇盐溶液。
使用时，一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机的工作运行分为预冻、升华干燥、解析3个阶段。
1）预冻阶段是为箱体提供冷量，将物料中的水分降温使其冻结成固态。此时第五电磁阀24、第二电磁阀12、第一循环泵14、第四电磁阀20、第二循环泵21开启，而第一电磁阀6、电加热器15、第三电磁阀16、电动阀17、箱阱阀18、真空泵22、截止阀23、第六电磁阀13关闭。
制冷压缩机1输出的制冷剂蒸气进入冷凝器2中的冷凝盘管2-1，放出大量的热量后变成高温高压的液体，经过储液罐3后经过第五电磁阀24进入第一节流阀4，节流后制冷剂变为低温低压的液体，进入蒸发器5的蒸发盘管5-1，吸热后变成低温低压的制冷剂气体，流回制冷压缩机1，制冷剂为R134a。
流体介质，一路流体介质在蒸发器5中被吸热后在第二循环泵21的驱动下经过第四电磁阀20进入冻干箱10，在箱体中吸热流回到蒸发器5。另一路流体介质流经冷凝器2被加热后进入散热器11，散热后经过第二电磁阀12，在第一循环泵14驱动下流回冷凝器2。
2）升华干燥阶段需要抽真空，且在低温环境下适当升温，温度升高至设定温度（共晶点低5℃）后，通过流体介质与制冷剂回路通断切换保持其温度恒定，所以升华阶段分升温加热和保持温度恒定两个阶段。在升华阶段物料中的大部分水从固态直接变成气态被抽走。
升华干燥阶段，第一电磁阀6、箱阱阀18、真空泵22开启。
在升温加热阶段，第一循环泵14、第三电磁阀16、电动阀17、第六电磁阀13开启，第五电磁阀24、第二电磁阀12、第四电磁阀20、第二循环泵21、电加热器15、截止阀23关闭。
此时制冷压缩机1输出的制冷剂蒸气进入冷凝器2中的冷凝盘管2-1，放出大量的热量后变成高温高压的液体，经过储液罐3后经过第一电磁阀6进入第二节流阀7，节流后制冷剂先后经冷阱8的冷阱盘管8-1、止回阀9，流回制冷压缩机1。制冷剂在冷凝盘管2-1将流体介质加热后经电加热器15、第三电磁阀16、电动阀17进入冻干箱10，流出后经第六电磁阀13、第一循环泵14回到冷凝盘管2-1。同时，真空泵22运行，冻干箱10内气压下降，物料中的水分开始升华，经箱阱阀18进入冷阱8，在冷阱盘管8-1表面凝结。
温度达到设定值（5℃）后，进入保持温度恒定阶段：
当温度高于设定值时，第二电磁阀12、第一循环泵14、第四电磁阀20、第二循环泵21、第五电磁阀24开启，第三电磁阀16、电动阀17、第六电磁阀13、电加热器15、截止阀23关闭。制冷压缩机1输出的制冷剂蒸气进入冷凝器2中的冷凝盘管2-1，放热后变成高温高压的液体，经储液罐3后分成两路，一路经第五电磁阀24、第一节流阀4后进入蒸发器5的蒸发盘管5-1，吸热后变成低温低压的制冷剂气体，流回制冷压缩机1；另一路制冷剂经第一电磁阀6、第二节流阀7、进入冷阱8的冷阱盘管8-1，提供捕获水蒸气的冷量，然后经止回阀9流回制冷压缩机1。
流体介质，一路流体介质在蒸发器5中被吸热后在第二循环泵21的驱动下经过第四电磁阀20进入冻干箱10，在箱体中吸热流回到蒸发器5；另一路流体介质流经冷凝器2被加热后进入散热器11，散热量后经过第二电磁阀12，在第一循环泵14驱动下流回冷凝器2。
当温度低于设定值时，第五电磁阀24、第四电磁阀20、第二循环泵21关闭，第二电磁阀12、第三电磁阀16、电动阀17、第六电磁阀13开启。制冷压缩机1输出的制冷剂蒸气进入冷凝器2中的冷凝盘管2-1，放热后变成高温高压的液体，经储液罐3后再经第一电磁阀6、第二节流阀7进入冷阱8的冷阱盘管8-1，捕获水蒸气的冷量，然后经止回阀9流回制冷压缩机1；
流体介质，先经冷凝器2的冷凝盘管2-1被加热，流出后分成两路，一路进入散热器11，散热量后经过第二电磁阀12，经第一循环泵14驱动下流回冷凝盘管2-1，另一路经电加热器15、第三电磁阀16、电动阀17进入冻干箱10，流出后经第六电磁阀13与另一路汇合后经第一循环泵14驱动下流回冷凝盘管2-1。
同时，冻干箱10的流体介质进口处设置温度传感器，对电动阀17的开度根据冻干箱10的流体介质进口温度升高速率调节，当流体介质进口温度升高速率较低时，增加电动阀17开度，当电动阀17开度最大时打开电加热器15辅助加热；当流体介质进口温度升高速率较高时，减小电动阀17开度。
3）解析阶段时需要在真空条件下使物料进一步升温，并保持一定的温度（解析温度一般为25℃—40℃，与实际物料种类相关），使物料中的结合水被析出，本例中的物料为海参，解析温度为35℃。解析阶段分升温加热和保持温度恒定两个阶段。在解析阶段物料中的大部分水以气态被抽走。
第一电磁阀6、箱阱阀18、真空泵22开启。
在升温加热阶段和保持温度恒定阶段，阀门与泵的开关状态与升华干燥阶段相同。
在升温过程中，当电动阀17全开时，加热温度仍不能达到设定值，则电加热器15开启，否则关闭。
在此两个阶段制冷剂回路、流体介质回路流动与升华干燥阶段相同。
截止阀23为排水阀门，干燥完成后打开,让里面残留的水流出，排干后再拧紧阀门。油箱19起到定压作用并为所述真空冷冻干燥机补充流体介质。
以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换等，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，其特征在于包括制冷压缩机（1）、冷凝器（2）、储液罐（3）、第一节流阀（4）、蒸发器（5）、第一电磁阀（6）、第二节流阀（7）、冷阱（8）、止回阀（9）、冻干箱（10）、散热器（11）、第二电磁阀（12）、第六电磁阀（13）、第一循环泵（14）、电加热器（15）、第三电磁阀（16）、电动阀（17）、箱阱阀（18）、油箱（19）、第四电磁阀（20）、第二循环泵（21）、真空泵（22）、截止阀（23）、第五电磁阀（24），并且，冷凝器（2）内置冷凝盘管（2-1），蒸发器（5）内置蒸发盘管（5-1），冷阱（8）内置冷阱盘管（8-1）；
所述真空冷冻耦合余热循环节能干燥机包括制冷剂回路和流体介质回路；
制冷剂回路：制冷压缩机（1）出口连接冷凝器（2）中冷凝盘管（2-1）的进口，冷凝盘管（2-1）出口连接储液罐（3）进口，储液罐（3）出口分别连接第五电磁阀（24）和第一电磁阀（6）进口，第五电磁阀（24）出口连接第一节流阀（4）进口，第一节流阀（4）出口连接蒸发器（5）的蒸发盘管（5-1）进口，蒸发盘管（5-1）出口连接制冷压缩机（1）进口，
第一电磁阀（6）出口连接第二节流阀（7）进口，第二节流阀（7）出口连接冷阱（8）内的冷阱盘管（8-1）进口，冷阱盘管（8-1）出口连接止回阀（9）进口，止回阀（9）出口与蒸发盘管（5-1）出口并联后连接制冷压缩机（1）进口，其中，循环介质为制冷剂；
流体介质回路：冷阱（8）下方出口接截止阀（23）进口，截止阀（23）出口排水，冻干箱（10）下方出口进接箱阱阀（18）进口，箱阱阀（18）出口连接冷阱（8）上方进口，冷阱（8）左侧出口接真空泵（22）进口，
冻干箱（10）右侧下方出口分别连接蒸发器（5）进口、第六电磁阀（13）进口和油箱（19），蒸发器（5）左侧出口连接第二循环泵（21）进口，第二循环泵（21）出口连接第四电磁阀（20）进口，第四电磁阀（20）出口连接冻干箱（10）右侧上方进口，
第一循环泵（14）出口连接冷凝器（2）进口，冷凝器（2）出口分别连接散热器（11）进口和电加热器（15）进口，散热器（11）出口连接第二电磁阀（12）进口，第二电磁阀（12）出口与第六电磁阀（13）出口并联后连接第一循环泵（14）进口，
电加热器（15）出口连接第三电磁阀（16）进口，第三电磁阀（16）出口连接电动阀（17）进口，电动阀（17）出口与第四电磁阀（20）出口并联后连接冻干箱（10）右侧上方进口，其中，循环介质为油或乙二醇溶液。
2.根据权利要求1所述的一种真空冷冻耦合余热循环节能干燥机，其特征在于所述冷凝器（2）为液体冷凝器。
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