CN110006237A - 低温除湿联合热风干燥装置 - Google Patents

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CN110006237A CN201910239986.0A CN201910239986A CN110006237A CN 110006237 A CN110006237 A CN 110006237A CN 201910239986 A CN201910239986 A CN 201910239986A CN 110006237 A CN110006237 A CN 110006237A
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叶灿滔
龚宇烈
马伟斌
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Abstract

本发明公开了一种低温除湿联合热风干燥装置包括干燥室1、一次回风室2、二次回风降温室3、升温送风室4、箱体22和控制主机25。通过板式换热器和表冷器组成的二次换热系统，降低了制冷工质蒸发温度，解决了制冷剂回流温度过高导致的压缩机损坏和系统稳定性问题。封闭循环的热泵干燥机组可以不受外界气候条件的影响，实现了一年四季稳定的高效运行。联合热风干燥，降低物料干燥初期预热过程的能耗，“二次回风”与“一次回风”的混合余热提升了热泵系统的能源利用效率。全自动控制系统，可以根据温度、相对湿度、压差对电动阀门进行智能控制，最大限度的杜绝了热源的浪费，实现了干燥全过程的能源优化利用。

Description

低温除湿联合热风干燥装置
技术领域
本发明涉及技术干燥除湿技术领域，特别是涉及一种低温除湿联合热风干燥装置。
背景技术
干燥是最占老的单元操作之一，广泛应用国民经济各个领域；同时，干燥也是耗能较大的工艺过程，在发达国家，大约10％的燃料用于干燥。在传统的干燥设备中，对流干燥以其结构简单、操作方便、适应性强得到普遍应用，是目前生产中使用最多的一种干燥设备。对流干燥的缺点是热效率很低，一般只有30％～60％，其主要原因是由于干燥过程废气的直接排空，不仅因废气带走余热造成浪费，而且也污染了环境。虽然在少数对流干燥中采用部分废气循环可以回收一部分余热，但受到废气循环量的限制，一般仅为20％～30％。用常规的换热器虽然可以回收废气中部分显热，但废气中60％～80％的热量是以潜热形式存在的，还是被排放掉。要回收其中的潜热，就必须把废气冷却到露点温度以下，同时还要使回收的潜热具有适当的温度品质，再用于干燥过程。要实现这一过程，就需要利用热泵装置。
热泵是利用水、空气及各种余热等低温热源的一种清洁节能的装置。热泵可以从自然环境或余热资源吸热从而获得比输入能更多的输出热能，因此可以节省采暖、空调、供热水和工业加热所需的初级能源。与建筑应用热泵相比，在工业方面应用热泵的比率是很小的，应用工业热泵来减少二氧化碳排放将是大有作为的。高温的传统的干燥器不适合干燥热敏感的生物制品，干燥热敏感的生物制品的传统干燥器存在着明显的不足，多数干燥器均在一个有限的干燥环境条件下运行并且仅应用于干燥确定的产品。热泵是最有效利用能量提供热量和冷量的方法，因其能够控制湿度和温度可在-20℃～100℃任意可调，能够很好的满足热敏感的生物制品干燥要求。有些物料干燥时需要在高温进行，但在许多生物制品干燥中需要相对较低的干燥温度，热泵可以很好的满足干燥要求，所以应用热泵干燥大有潜力。热泵自身不会像锅炉那样产生热量，但是它能够把热量从低温位升高到高温位，热泵的温升是其输出温度与热源温度之差。和常规的对流干燥相比，热泵干燥具有以下特点。
(1)节约能耗。节约能源是热泵最初应用的出发点，也是其主要优点。热泵技术的热效率高十分明显，1份电能可转换3～4份热能。热泵干燥过程是在封闭的系统内进行的，干燥过程中不但回收了废气中的显热，而且回收了废气中的潜热，热能损耗仅为系统的热阻和热漏，这是其它干燥技术无法相比的。热泵干燥机组比直接电加热更有效，热泵低温(15℃～45℃)干燥木材可节约能耗40％。干燥大米适合的温度在35℃～50℃，温度虽低，但需要大量的热，传统干燥器的效率只有3％～5％，而用热泵干燥，则效率明显提高。布匹对干燥温度有严格的限制，热泵干燥机组不但满足此要求，而且比传统的干燥机组节能50％。
(2)提高产品质量。要想获得高质量的干燥产品，必须对干燥环境的温度和湿度进行精确控制。热泵干燥机组可以获得较低温度和低相对湿度的干燥环境，适和于大部农产品、药材等热敏性物料的干燥。近年来，利用热泵干燥获得高质量的干燥产品不断被研究者所证实。另外，热泵是一种温和的干燥方式，接近自然干燥，表面水分的蒸发速度与内部向表面迁移速度比较接近，保证了被干物品的品质好、色泽好、产品等级高。
(3)干燥条件可调节范围宽。热泵干燥的温度调节范围在-20℃～100℃(加辅助加热装置)，相对湿度调节范围在15％～80％。较宽的调节范围使热泵干燥能适合于多种物料的干燥加工。
(4)节约干燥时间。采用低温干燥往往需时过长。因传统的干燥器在干燥过程中，由于干燥介质的湿度与干燥物料的湿度相差不大，导致效率低。而热泵干燥机组可以利用蒸发器的除湿作用使效率提高，目前大多采用热泵辅助干燥机来缩短干燥时间。如果干燥蔬菜可将其湿度降为3.12％，热泵辅助干燥机组比传统电加热干燥机组的干燥时间少40.7％。目前，在保证产品质量和节能的同时如何减少时间仍需进一步研究。
(5)环境友好。物料干燥不仅需要提高产品质量和节约能耗，同时必须对环境友好。基于相同的评价标准，热泵对全球变暖的影响极小。对环境的友好是热泵干燥机组的优点。目前国外提倡应用热泵来减少CO2的排放，它的应用必将进一步发展。
日前，国内外热泵干燥技术的发展主要表现在下几个方面：l)采用复合制冷工质，研究开发高压制冷压缩机，以提高冷凝温度，从而满足较高的干燥温度要求；2)应用多级蒸发新型热泵装置，以满足不同物料或同种物料在不同干燥时段的温度要求；3)热泵组合干燥系统，进一步缩短干燥时间、提高干燥效率；4)新型热泵技术的研发，基于吸收式制冷循环的热泵干燥机的研制，化学热泵的开发与应用；5)集干燥、冷藏、冷冻于一体的多用途热泵系统；6)新型性能良好且不破坏环境制冷剂的开发研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有对流热风技术的缺陷，提供一种全自动高效的低温除湿联合热风干燥装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
一种低温除湿联合热风干燥装置，包括干燥室1、一次回风室2、二次回风降温室3、升温送风室4、箱体22和控制主机25；
干燥室1通过左侧设置的送风电动阀16、一次回风电动阀17和二次回风电动阀18分别连接一次回风室2、二次回风降温室3和升温送风室4，干燥室1还通过右侧设置的热风电动阀19、热风回风电动阀20和法兰接头28与外界热风连接，干燥室1上侧设有进料造粒机12，用于被干燥物料的颗粒化和均匀化布放在输送带14上，干燥室1下侧设有出料口23，用于已干燥物料的集中回收和封装，干燥室1内的三层输送带14和传动轴13可实现被干燥物料的自动传输，干燥室1内还设有单向活动隔板15用于防止干燥室热气流短路，实现穿透输送带14后下送上回的气流组织形式；
升温送风室4内设有压缩机6、冷凝器7和节流阀8，压缩机6出口的高温工质进入冷凝器7后用于回风气流的加热，节流阀8用于工质的降压降温循环，气流被加热到设定的温度后通过送风电动阀16进入干燥室1对物料进行干燥；穿透第一层输送带14后的干燥热气流，一部分通过一次回风电动阀17进入一次回风室2，另一部分穿透第二、第三层输送带14后，通过二次回风电动阀18进入二次回风降温室3；一次回风室2内设有离心风机9，用于混合气流的预热并输送至升温送风室4；二次回风降温室3内设有表冷器5、板式换热器10、轴流水泵11、混合风口21和集水盘24，由节流阀8过来的低温工质通过板式换热器10和轴流水泵11把冷量输送到表冷器5中释放，气流经过表冷器5后温度达到露点温度以下并析出凝结水到集水盘24后，通过排水管29和排水阀30自动排放到外界，气流除湿后通过混合风口21进入一次回风室2内与一次回风气流混合预热后，通过离心风机9重新进入升温送风室4进行再加热，完成低温除湿热风干燥循环。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、通过板式换热器和表冷器组成的二次换热系统，降低了制冷工质蒸发温度，解决了制冷剂回流温度过高导致的压缩机损坏和系统稳定性问题。
2、封闭循环的热泵干燥机组可以不受外界气候条件的影响，实现了一年四季稳定的高效运行。
3、联合热风干燥，降低物料干燥初期预热过程的能耗，“二次回风”与“一次回风”的混合余热提升了热泵系统的能源利用效率。
4、全自动控制系统，可以根据温度、相对湿度、压差对电动阀门进行智能控制，最大限度的杜绝了热源的浪费，实现了干燥全过程的能源优化利用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记说明：1.干燥室，2.一次回风室，3.二次回风降温室，4.升温送风室，5.表冷器，6.压缩机，7.冷凝器，8.节流阀，9.离心风机，10.板式换热器，11.轴流水泵，12.进料造粒机，13.传动轴，14.输送带，15.单向活动隔板，16.送风电动阀，17.一次回风电动阀，18.二次回风电动阀，19.热风电动阀，20.热风回风电动阀，21.混合风口，22.箱体，23.出料口，24.集水盘，25.控制主机，26.压差传感器，27.温度/相对湿度传感器，28.法兰接头，29.排水管，30.排水阀，31.安全阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
请参考图1所示，一种低温除湿联合热风干燥装置，包括干燥室1，一次回风室2，二次回风降温室3，升温送风室4，箱体22，控制主机25。在所述干燥室1左侧与一次回风室2、二次回风降温室3和升温送风室4分别通过送风电动阀16、一次回风电动阀17和二次回风电动阀18连接，右侧设有热风电动阀19和热风回风电动阀20，通过法兰接头28与外界热风连接，上侧设有进料造粒机12，下侧设有出料口23，被干燥物料“上进下出”，进料造粒机12用于被干燥物料的颗粒化和均匀化布放在输送带14上，出料口23用于已干燥物料的集中回收和封装，干燥室1内的三层输送带14和传动轴13可实现被干燥物料的自动传输，干燥室1内设有单向活动隔板15用于防止干燥室热气流“短路”、实现穿透输送带14后“下送上回”的气流组织形式。升温送风室4内设有压缩机6、冷凝器7和节流阀8，压缩机6出口高温工质进入冷凝器7后用于回风气流的加热，节流阀8用于工质的降压降温循环，气流被加热到设定的温度后通过送风电动阀16进入干燥室1对物料进行干燥；穿透第一层输送带14后的干燥热气流，一部分通过一次回电动风阀17进入一次回风室2，另一部分穿透第二、第三层输送带14后，通过二次回电动风阀18进入二次回风降温室3；一次回风室2内设有离心风机9，用于混合气流的预热并输送至升温送风室4；二次回风降温室3内设有表冷器5、板式换热器10、轴流水泵11、混合风口21和集水盘24，由节流阀8过来的低温工质通过板式换热器10和轴流水泵11把冷量输送到表冷器5中释放，气流经过表冷器5后温度达到露点温度以下并析出凝结水到集水盘24后，通过排水管29和排水阀30自动排放到外界，气流除湿后通过混合风口21进入一次回风室2内与一次回风气流混合预热后，通过离心风机9重新进入升温送风室4进行再加热，完成低温除湿热风干燥循环。箱体22上侧设有安全阀31，实现干燥过程的密封、承压、隔热和稳定安全；干燥室1内布置了压差传感器26、温度/相对湿度传感器27，所采集的数据传输至控制主机25，控制主机25根据预先设定的参数自动发出电动阀滤网清洗报警信号、电动阀门开闭控制信号和电动阀开度控制信号，实现全自动控制。
具体实施方法如下：
1、热风初期干燥阶段。控制主机25启动进料造粒机12和传动轴13，物料从干燥室1上侧的进料造粒机12进入干燥室1，通过干燥室1内的三层输送带14实现被干燥物料的自动传输和均匀布置就位，控制主机25根据预先设定的参数自动发出控制信号：停止进料造粒机12和传动轴13，开启干燥室1右侧的热风电动阀19、热风回风电动阀20，同时关闭干燥室1左侧的送风电动阀16、一次回风电动阀17、二次回风电动阀18，热风从热风电动阀19进入干燥室1内，穿透三层输送带14后从热风回风电动阀20排出，实现对干燥室1的空气排空后和物料的初期预热；控制主机25从温度/相对湿度传感器27监测干燥室1内的温度和相对湿度情况，物料预热和干燥室1内热风气流穿透到一段时间后，控制主机25根据温度的变化率和相对湿度的变化率进行综合判断自动发出控制信号：关闭干燥室1右侧的热风电动阀19、热风回风电动阀20，同时开启干燥室1左侧的送风电动阀16、一次回风电动阀17、二次回风电动阀18，先后启动离心风机9、轴流水泵11、压缩机6；热风初期干燥阶段结束，进入热泵低温除湿干燥中期阶段。
2、热泵低温除湿干燥中期阶段。经过初期干燥的物料由升温送风室4内的冷凝器7送出的热气流进行再次加热，热风从送风电动阀16进入干燥室1，穿透第一层输送带14后的干燥热气流，一部分通过一次回电动风阀17进入一次回风室2，另一部分穿透第二、第三层输送带14后，通过二次回电动风阀18进入二次回风降温室3；一次回风室2内设有离心风机9，用于混合气流的预热并输送至升温送风室4；二次回风降温室3内设有表冷器5，气流经过表冷器5后温度达到露点温度以下并析出凝结水到集水盘24后，通过排水管29和排水阀30自动排放到外界，气流除湿后通过混合风口19进入一次回风室2内与一次回风气流混合预热后，通过离心风机9重新进入升温送风室4进行再加热，完成低温除湿热风干燥循环；物料加热、干燥室1内热风气流穿透、空气除湿一段时间后，控制主机25根据温度的变化率和相对湿度的变化率进行综合判断自动发出控制信号：按设定开度比例开启干燥室1右侧的热风电动阀19、热风回风电动阀20；热泵低温除湿干燥中期阶段结束，进入热泵除湿及热风联合干燥阶段。
3、热泵除湿及热风联合干燥阶段。第一阶段：干燥室1的空气相对湿度继续下降阶段，干燥室1的热气流一部分通过热泵进行除湿循环加热干燥，另外一部分通过热风回风电动阀20排到外界，干燥室1右侧热风电动阀19和热风回风电动阀20的开度逐渐增大；第二阶段：干燥室1的空气相对湿度接近平稳阶段，控制主机25根据温度的变化率和相对湿度的变化率进行综合判断自动发出控制信号：全部开启干燥室1右侧的热风电动阀19、热风回风电动阀20，先后关闭压缩机6、轴流水泵11、离心风机9，然后同时关闭干燥室1左侧的送风电动阀16、一次回风电动阀17、二次回风电动阀18；物料的干燥完全由外界热风提供，物料继续被热风干燥，干燥室内空气相对湿度达到设定监测值之后，控制主机25自动发出控制信号：全部关闭干燥室1右侧的热风电动阀19和热风回风电动阀20，联合干燥阶段结束；控制主机25从温度/相对湿度传感器27监测干燥室1内的温度和相对湿度情况，物料在干燥室内静止闷热一定时间后，控制主机25根据温度的变化率和相对湿度的变化率进行综合判断自动发出控制信号：启动传动轴13，干燥成品物料通过输送带14落入出料口23被集中回收和封装，物料除湿干燥全过程结束。
本发明适用于热敏性物料的低温除湿干燥工艺工程，其运行原理介绍如下。
1、物料水分蒸发汽化原理。汽化是指物质从液态变为气态的相变过程，蒸发和沸腾是物质汽化的两种形式，前者是在液体表面上发生的汽化现象，而后者是当饱和蒸气压等于外界压强时发生在液体体内的汽化现象；对同一物质，饱和蒸气压随温度升高而增大；从微观来看，蒸气是由飞出液面的分子构成的；给定温度下只有具有相对高动能的液体分子才能挣脱周围分子的引力从液体表面跃出，形成蒸气；蒸发是在液体表面发生的汽化现象；蒸发在任何温度下都能发生，液体蒸发时需要吸热；温度越高，蒸发越快；表面积大、通风好有利于蒸发；蒸发的逆过程是液化，即气体转变为液体；当两种过程达到动态平衡，此时的蒸气叫饱和蒸气。在干燥过程中，干燥介质(空气)的干燥能力是由它的温度和相对湿度决定的。在绝对湿度不变的情况卜，温度升高，则空气的相对湿度下降，干燥能力增大。温度不变，降低空气的相对湿度，空气的干燥能力同样上升。因此提高温度和降低相对湿度同样可以达到提高空气干燥能力的作用，也就是说低温低湿的空气也具有一定的干燥能力。对流干燥时，水分从物料表面向干燥介质的传递速率为：N＝hp(ps-p∞)，式中：N为水分从物料表面向干燥介质的传递速率，kg/(m2·s)；hp为传质系数，是温度和表面水蒸气压力梯度的函数ps为物料表面水蒸气饱和压力，是温度的函数ps＝f(T)；p∞为干燥介质(空气)中的水蒸气分压。干燥的推动力是物料表面水蒸气饱和压力与干燥介质(空气)水蒸气分压之差，即(ps-p∞)。
2、低温除湿干燥过程。基于热泵原理，同时利用热泵系统冷凝器“热端”热量加热空气干燥物料水分、利用蒸发器“冷端”回收湿空气全热和所携带水分的凝结除湿；采用二次回风的“闭式循环”，由内循环(即制冷工质循环)和外循环(即干燥空气循环)两大部分组成，两大部分之间的热量和质量的交换相互影响。在热泵除湿干燥时，随着干燥介质中水分的冷凝，介质中水蒸气分压p∞减小，压差(ps-p∞)增大，干燥速率N升高。部分废气没有经过表冷器中进行降温除湿，而是直接进入一次回风室，在干燥初期，物料湿度很高，所以进入表冷器的空气湿度大且温度低，表冷器在回收部分显热的同时又起到明显的除湿作用。同时，在这个阶段空气以相对低的温度进入冷凝器，因而在冷凝器中提高了热交换效率和增加了系统COP值。在初期干燥阶段，干燥和热泵均被有效利用，所以封闭循环是有利的。对一套匹配恰当的热泵系统，封闭循环的热泵干燥机组能达到较好的结果。
3、联合热风干燥过程。由于压缩式热泵干燥系统依靠压缩机做功来换取热量，系统在运行的升温阶段时间较长，此时若能从外界吸收热量，则可提高升温速度，使系统尽快达到干燥所须的条件。热风干燥时，温度T升高，物料表面水蒸气饱和压力ps增大，压差(ps-p∞)增大，干燥速率N升高。提高升温速度有两种方法，一是在热泵系统从外界吸收热量；另一种方法就是直接用电加热器进行加热。本发明考虑到系统多用途的特点，选用了从外界热风获取干燥热源。即在干燥的前期采用热泵低温除湿干燥，在中后期应用其他形式的干燥。组成一个热泵低温除湿与热风组合干燥系统，在干燥的后期提高空气的温度，使物料表面和内部的温差增大，促进热量向内部传递，使得水分在干湿界面获得足够的热量汽化，大大地缩短了整个干燥过程的时间，较大程度地节约了能源。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种低温除湿联合热风干燥装置，其特征在于：
包括干燥室(1)、一次回风室(2)、二次回风降温室(3)、升温送风室(4)、箱体(22)和控制主机(25)；
干燥室(1)通过左侧设置的送风电动阀(16)、一次回风电动阀(17)和二次回风电动阀(18)分别连接一次回风室(2)、二次回风降温室(3)和升温送风室(4)，干燥室(1)还通过右侧设置的热风电动阀(19)、热风回风电动阀(20)和法兰接头(28)与外界热风连接，干燥室(1)上侧设有进料造粒机(12)，用于被干燥物料的颗粒化和均匀化布放在输送带(14)上，干燥室(1)下侧设有出料口(23)，用于已干燥物料的集中回收和封装，干燥室(1)内的三层输送带(14)和传动轴(13)可实现被干燥物料的自动传输，干燥室(1)内还设有单向活动隔板(15)用于防止干燥室热气流短路，实现穿透输送带(14)后下送上回的气流组织形式；
升温送风室(4)内设有压缩机(6)、冷凝器(7)和节流阀(8)，压缩机(6)出口的高温工质进入冷凝器(7)后用于回风气流的加热，节流阀(8)用于工质的降压降温循环，气流被加热到设定的温度后通过送风电动阀(16)进入干燥室(1)对物料进行干燥；穿透第一层输送带(14)后的干燥热气流，一部分通过一次回风电动阀(17)进入一次回风室(2)，另一部分穿透第二、第三层输送带(14)后，通过二次回风电动阀(18)进入二次回风降温室(3)；一次回风室(2)内设有离心风机(9)，用于混合气流的预热并输送至升温送风室(4)；二次回风降温室(3)内设有表冷器(5)、板式换热器(10)、轴流水泵(11)、混合风口(21)和集水盘(24)，由节流阀(8)过来的低温工质通过板式换热器(10)和轴流水泵(11)把冷量输送到表冷器(5)中释放，气流经过表冷器(5)后温度达到露点温度以下并析出凝结水到集水盘(24)后，通过排水管(29)和排水阀(30)自动排放到外界，气流除湿后通过混合风口(21)进入一次回风室(2)内与一次回风气流混合预热后，通过离心风机(9)重新进入升温送风室(4)进行再加热，完成低温除湿热风干燥循环。
2.根据权利要求1所述的低温除湿联合热风干燥装置，其特征在于：
箱体(22)上侧设有安全阀(31)，实现干燥过程的密封、承压、隔热和稳定安全；干燥室(1)内布置了压差传感器(26)、温度/相对湿度传感器(27)，所采集的数据传输至控制主机(25)，控制主机(25)根据预先设定的参数自动发出电动阀滤网清洗报警信号、电动阀门开闭控制信号和电动阀开度控制信号，实现全自动控制。
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