CN110500876A - 一种多级压缩多冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级压缩多冷凝器中间完全冷却多温级热泵干燥系统。本发明由蒸发器、空气冷却器、各级压缩机、各级冷凝器、各级节流阀和各级气体冷却器组成，可通过设置不同的级数对物料按照工艺要求进行脱水干燥，通过工质的多级压缩和多级变温冷凝过程，对空气进行多次连续加热，可显著减小空气加热过程中与工质换热的不可逆损失。各级压缩机的压缩比较小，工质可采用温度滑移合理的非共沸混合工质，工质与空气形成良好的温度匹配，可进一步缩小传热温差，减小冷凝器和蒸发器的传热不可逆损失，提高系统能效。
Description
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，特别是涉及一种多级压缩多冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统。
背景技术
干燥是农产品生产加工过程中广泛使用的一种工艺。干燥占工业能耗的比例较高，采用热泵技术对农产品干燥可节约能源。目前热泵干燥技术已在木材、烟草、食品蔬菜脱水等领域广泛应用。进一步提高热泵干燥设备的能效对推动节能减排、提升经济效益具有重要的实际意义和社会价值。
采用常规热泵干燥系统冷凝温度恒定，空气在冷凝器中直接加热，空气的进出口温差较大，受冷凝器工质和空气换热温差的限制，冷凝器中两侧流体的换热温差分布严重不均匀，导致冷凝器中平均换热温差很大，换热过程产生较大的不可逆损失，系统能效较低。使用非共沸工质的常规单级压缩热泵系统，其蒸发和冷凝过程的温度滑移相当，适用于热源和热沉侧换热流体温度变化接近的工况，但对于中高温热泵系统，热源侧的温度一般变化较小，热沉侧的空气的温度升较大或很大，远大于热源侧流体的温降。并且对于热源和热沉温跨较大的工况，常规压缩机压缩比较大，压缩机效率低。
发明内容
本发明提出采用多级压缩多级冷凝热泵干燥系统，以解决换热过程不可逆损失大、压缩比大，以及系统能效低的问题。
本发明多级压缩多冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统，系统中3≤i≤n-1，n≥4；
第一级压缩机3出口与第一级气体冷却器4工质侧入口相连，第一级气体冷却器4工质侧出口与第一级冷凝器5工质侧入口相连，第一级冷凝器5工质侧出口与第一级节流阀6入口相连，第一级节流阀6出口与蒸发器2工质侧入口相连，蒸发器2工质侧出口与第一级压缩机3入口相连；气体冷却器4工质侧出口与第二级压缩机7入口相连，第二级压缩机7出口与第二级气体冷却器8工质侧入口相连，第二级气体冷却器8工质侧出口与第二级冷凝器9入口相连，第二级冷凝器9出口与第二级节流阀10入口相连，第二级节流阀10出口与第一级节流阀6入口相连；
第i级气体冷却器11工质侧出口与第i级冷凝器12入口相连，第i级冷凝器12出口与第i级压缩机13入口相连；第i级气体冷却器11工质侧出口与第i+1级压缩机14入口相连，第i+1级压缩机14出口与第i+1级气体冷却器15工质侧入口相连，第i+1级气体冷却器15工质侧出口与第i+1级冷凝器16入口相连，第i+1级冷凝器16出口与第i+1级节流阀17入口相连，第i+1级节流阀17出口与第i级节流阀13入口连接；
第n-1级压缩机出口与第n-1级气体冷却器18工质侧入口相连，第n-1级气体冷却器18工质侧出口与第n-1级冷凝器19入口相连，第n-1级冷凝器19出口与第n-1级节流阀20入口相连，第n-1级节流阀20工质侧出口与第n-2级节流阀入口相连；第n-1级气体冷却器18工质侧出口与第n级压缩机21入口连接，第n级压缩机21出口与第n级冷凝器22工质侧入口相连；第n级冷凝器22工质侧出口与第n级节流阀23入口相连，第n级节流阀23出口与第n-1级节流阀20入口相连；
干燥室25出口与空气冷却器24空气侧入口相连，空气冷却器24空气侧出口与蒸发器2空气侧入口相连，蒸发器2空气侧出口与第一级冷凝器5空气侧入口相连，第一级冷凝器5空气侧出口与第一级气体冷却器4空气侧入口相连，第一级气体冷却器4空气侧出口与第二级冷凝器8空气侧入口相连，第二级冷凝器8空气侧出口与第二级气体冷却器8空气侧入口相连，第二级气体冷却器8空气侧出口与第三级冷凝器空气侧入口相连，第三级冷凝器空气侧出口与第三级气体冷却器空气侧入口相连，第n-1级气体冷却器18空气侧出口与第n级冷凝器22空气侧入口相连，第n级冷凝器22空气侧出口与干燥室25入口相连。
工质可采用R1234ze(Z)、R1234ze(E)、R1233zd(E)、R1224yd(Z)、R1336mzz(Z)、R365mfc、R1234yf、R245fa等纯制冷剂，也可采用CO2/R1234ze(E)、CO2/R1234ze(Z)、CO2/R1234yf、R41/R1234ze(E)、R41/R1234ze(Z)、R41/R1234yf、R32/R1234ze(E)、R32/R1234ze(Z)、R32/R1234yf等非共沸混合工质。对于非共沸混合工质，选配温度滑移与蒸发器换热流体进出口温差相当的制冷剂。
级数确定原则为：为保证蒸发器和冷凝器换热过程同时匹配，根据工艺要求对常温水加热的温升以及热源换热流体的温降，计算(常温水加热温升/热源换热流体冷却温降)，取整作为系统的级数。
本发明系统还可以将各温级冷凝器和各温级气体冷却器并联供暖热水加热管路，应用为多级压缩多冷凝器中间完全冷却热泵两联供系统。供热末端可连接风机盘管、地盘管、暖气片等装置，各级冷凝器和各级气体冷却器直接为其提供热量，用于房间供暖，实现热量梯级利用，减少热量的损耗。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)与常规纯质单级压缩热泵系统相比，空气在多级冷凝器内连续加热，空气在各冷凝器内的温升较低，工质各温位的冷凝过程与空气加热过程形成良好的温度匹配，可显著降低空气与工质的换热温差，减小空气与工质之间的换热不可逆损失，效率提高，有效提升循环的COP；
(2)对于采用非共沸工质的常规单级压缩热泵系统，蒸发器、冷凝器中工质难以满足与空气温度的同时匹配。与常规非共沸工质单级压缩热泵系统相比，本发明湿空气的加热过程经过两次及两次以上的连续升温，每次加热过程的温升不高，与非共沸制冷剂蒸发过程及各温位的冷凝过程形成很好的温度匹配。通过本发明，可实现蒸发器和冷凝器两侧流体同时匹配，换热不可逆损失大大减小，进一步提高系统效率及能效，提高经济效益；
(3)越第二级的压缩机的输气量越少，压缩机的吸气量降低，相对同等空气温升条件下的单级热泵系统，压缩机的体积减小，功耗显著降低；
(4)相对传统单级压缩，多级压缩过程的压比减小，压缩机等熵效率提高，此外本发明装置设置气体冷却器对压缩机出口进行冷却，排气温度降低，延长压缩机使用寿命；
附图说明
图1为双级压缩双冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统图；
图2为单级纯质常规热泵干燥系统温焓图；
图3为双级纯质压缩热泵双冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统温焓图；
图4为双级非共沸工质压缩热泵双冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统温焓图；
图5为多级压缩多冷凝器中间完全热泵干燥系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例一：双级压缩双冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统
本系统由第一级热泵循环和第二级热泵循环以及干燥室中的湿空气被连续加热过程组成，系统如图1所示。
(1)若系统采用纯工质，其单级纯质常规热泵干燥系统温焓图如图2所示。
具体实施方式如下：
第一步：第一级压缩机3吸入蒸发器2工质侧出口处的低温低压的工质(如图2状态“1”)，将其压缩成中温中压的过热气体(如图2状态“2”)。之后过热气流入第一级气体冷却器4工质侧入口，气体冷却器4内工质换热后温度降低(如图2状态“3”)。然后气体流入第一级冷凝器5冷凝至饱和液(如图2状态“4”)，之后工质进入第一级节流阀6节流降压至两相流体状态(如图2状态“5”)，气液两相流体进入蒸发器2工质侧入口，工质蒸发吸收空气的热量后变为饱和气态(如图2状态“1”)，完成热泵循环。
第二步：从干燥室25中流出的与物料进行热湿交换的湿空气(如图2状态a3)先流入空气冷却器24中释放一部分显热，使其温度初步降低至图2状态a2，之后流入蒸发器2中，温度和湿度同时降低，此时空气处于温度和湿度均较低的状态(如图2状态a1)，之后空气流入第一级冷凝器5被加热至图2状态a4，被加热至较高温度后，进入干燥室，与物料进行热湿交换后(如图2状态a3)，流入空气冷却器24被冷却至图2状态a2，完成空气侧循环。
(2)若系统采用纯工质，其双级纯质压缩双冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统温焓图如图3所示。具体实施方式如下：
第一步：第一级压缩机3吸入蒸发器2工质侧出口处的低温低压的工质(如图3状态“1”)，将其压缩成中温中压的过热气体(如图3状态“2”)，之后过热气流入第一级气体冷却器4工质侧入口，气体冷却器4内工质换热后温度降低(如图3状态“3”)，之后气体分为两路，一路流入第一级冷凝器5冷凝至饱和液(如图3状态“8”)，之后工质进入第一级节流阀6节流降压至两相流体状态(如图3状态“11”)，气液两相流体进入蒸发器2工质侧入口，工质蒸发吸收空气的热量后变为饱和气态(如图3状态“1”)，被第一级压缩机3吸入。
第二步：从第一级气体冷却器4中流出的另一路过热气体流入第二级压缩机7，压缩为高温高压流体(如图3状态“4”)，然后流入第二级冷凝器8，与从第一级冷凝器中流出的空气(如图3状态a6和a4，a6与a4为同一状态)进行换热，空气被进一步加热至图3状态a5。
第三步：第二级冷凝器8流出的工质流经第二级节流阀10节流降压，变为气液两相状态(如图3状态7)。第一级冷凝器5工质侧出口的气液两相流体与第二级节流阀10出口的气液两相流体混合至图3状态“9”，然后与从第一级冷凝器5工质侧出口流出的中压流体(如图3状态“10”)两股流体进行混合至图3状态“7”，流经第一级节流阀6进一步节流至图3状态“11”后进入蒸发器2工质侧入口，工质吸热变为饱和气态(如图3状态“1”)，被第一级压缩机3吸入，完成热泵循环。
第四步：从干燥室25中流出的与物料进行热湿交换的湿空气(如图3状态a3)先流入空气冷却器24中释放一部分显热，使其温度初步降低至图3状态a2，之后流入蒸发器2中，温度和湿度同时降低，此时空气处于温度和湿度均较低的状态(如图3状态a1)，之后空气首先流入第一级冷凝器5被加热至图3状态a4(a6)，然后空气再进入第二级冷凝器8被加热至图3状态a5，被连续加热至较高温度后，进入干燥室，与物料进行热湿交换后(如图3状态a3)，流入空气冷却器24被冷却至图3状态a2，完成空气侧循环。
(3)若采用非共沸混合工质，双级压缩热泵双冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统的工质与空气加热过程的匹配特性会更加优异，可进一步提升系统能效，提高经济效益。其温焓图如图4所示。
具体实施方式如下：
第一步：第一级压缩机3吸入蒸发器2工质侧出口处的低温低压的工质(如图4状态“1”)，将其压缩成中温中压的过热气体(如图4状态“2”)，之后过热气流入第一级气体冷却器4工质侧入口，气体冷却器4内工质换热后温度降低(如图4状态“3”)之后气体分为两路；一路流入第一级冷凝器5冷凝至饱和液(如图4状态“8”)，之后工质进入第一级节流阀6节流降压至两相流体状态(如图4状态“10”)，气液两相流体进入蒸发器2工质侧入口，工质蒸发吸收湿空气热量后变为饱和气态(如图4状态“1”)，被第一级压缩机3吸入。
第二步：从第一级气体冷却器4中流出的另一路过热气体流入第二级压缩机7，工质被压缩为高温高压流体(如图4状态“4”)，然后流入第二级冷凝器8工质侧入口，工质与从第一级冷凝器5中流出的空气(如图4状态a5和a6，a5和a6为同一状态)进行换热，换热流体被进一步加热至图4状态a4。
第三步：第二级冷凝器8流出的工质流经第二级节流阀10节流降压，变为气液两相状态(如图4状态“8”)。第一级冷凝器5工质侧出口的气液两相流体与第二级节流阀10出口的气液两相流体混合至图4状态“12”，然后与从第一级冷凝器5工质侧出口流出的中压流体(如图4状态“12”)两股流体进行混合至图3状态“7”，流经第一级节流阀6进一步节流至图4状态“10”后进入蒸发器2工质侧入口，工质吸热变为饱和气态(如图4状态“4”)，被第一级压缩机3吸入，完成热泵循环。
第四步：从干燥室25中流出的与物料进行热湿交换的湿空气(如图4状态a3)先流入空气冷却器24中释放一部分显热，使其温度初步降低至图4状态a2，之后流入蒸发器2中，温度和湿度同时降低，此时空气处于温度和湿度均较低的状态(如图4状态a1)，之后空气首先流入第一级冷凝器5被加热至图4状态a6(a5)，然后空气再进入第二级冷凝器8被加热至图4状态a4，被连续加热至较高温度后，进入干燥室，与物料进行热湿交换后(如图4状态a3)，流入空气冷却器24被冷却至图4状态a2，完成空气侧循环。
实施例二：三级及以上压缩的多冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统。
本装置还可根据具体实施需要设计为多级压缩多级冷凝器中间完全热泵干燥系统，实现多次对空气进行干燥，以便更好地适应不同物料的干燥工艺要求。具体多级压缩多级冷凝器中间完全热泵干燥系统实例如图5。
具体实施方式如下：
第一步：第一级压缩机3吸入蒸发器2工质侧出口处的低温低压的工质，将其压缩成中间压力的过热气体，之后进入第一级气体冷却器4进行换热。之后分为两路。一路过热气流入第一级冷凝器5工质侧，冷凝器内工质冷凝，并将湿空气加热至一定温度。之后工质进入第一级节流阀5节流降压，然后进入蒸发器2工质侧，工质吸热蒸发后，被第一级压缩机3吸入。
第二步：从第一级气体冷却器4中流出的另一路工质先进入第二级压缩机7，压缩为过热气，第二级压缩机7流出的流体流入第二级冷凝器8工质侧，之后流经第二级节流阀10节流降压，变为气液两相状态，与从第一级冷凝器5流出的空气进行换热，空气被进一步加热。加热后的空气进入第三级冷凝器。从第二级冷凝器8工质侧流出的流体与来自第三级的气液两相流体混合，流经第二级节流阀10节流降压，变为气液两相状态。节流降压后的气液两相流体与从第一级冷凝器5中流出的流体进行混合后，流经第一级节流阀6节流。
第三步：系统从第3级开始到第n-1级循环的结构形式相同，为简化叙述，对于第3级到第n-1级均用第i级表示。从第i级压缩机中流出的工质先进入第i级气体冷却器11冷却，之后进入第i级冷凝器12工质侧，与从第i-1级气体冷却器流出的空气进行换热，空气被进一步加热，加热后的空气进入第i级冷凝器。从第i级气体冷却器11流出的流体进入第i+1级压缩机，从第i+1级压缩机中流出的工质先进入第i+1级气体冷却器15冷却，之后进入第i+1级冷凝器16工质侧，与从第i级气体冷却器流出的流体进行换热，空气被进一步加热，加热后的空气进入第i+2级冷凝器。从第i+1级冷凝器16工质侧流出的工质流经第i+1级节流阀17节流降压，变为气液两相状态。流体与从第i级冷凝器12工质侧流出的流体进行混合后，流经第i级节流阀13节流。
第四步：第n-1级压缩机流出的流体进入第n-1级气体冷却器18工质侧冷却，之后进入第n级压缩机21，压缩成为过热气，第n级压缩机21流出的过热气流入第n级冷凝器22工质侧，与从第n-1级冷凝器中流出的空气进行换热，空气被最后一次加热。
第五步：第n-1级气体冷却器18工质侧流出的流体分为两路，一路流经第n-1级冷凝器19。从第n级冷凝器22工质侧流出的工质流经第n级节流阀23节流降压，变为气液两相状态。以上两路流体混合后，进入第n-1级节流阀节流。
第六步：从第n级冷凝器22流出的热空气进入干燥室25中与物料进行热湿交换，空气温度降低、含湿量增加，此时空气为湿空气，湿空气先流入空气冷却器24中释放一部分显热，使其温度初步降低，之后流入蒸发器2中，温度和湿度同时降低，此时空气处于温度和湿度均较低的状态，之后空气依次流入各级冷凝器，被连续加热至较高温度后，再进入干燥室25，完成空气侧循环。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种多级压缩多冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统，其特征在于，所述系统中3≤i≤n-1，n≥4；
第一级压缩机(3)出口与第一级气体冷却器(4)工质侧入口相连，第一级气体冷却器(4)工质侧出口与第一级冷凝器(5)工质侧入口相连，第一级冷凝器(5)工质侧出口与第一级节流阀(6)入口相连，第一级节流阀(6)出口与蒸发器(2)工质侧入口相连，蒸发器(2)工质侧出口与第一级压缩机(3)入口相连；气体冷却器(4)工质侧出口与第二级压缩机(7)入口相连，第二级压缩机(7)出口与第二级气体冷却器(8)工质侧入口相连，第二级气体冷却器(8)工质侧出口与第二级冷凝器(9)入口相连，第二级冷凝器(9)出口与第二级节流阀(10)入口相连，第二级节流阀(10)出口与第一级节流阀(6)入口相连；
第i级气体冷却器(11)工质侧出口与第i级冷凝器(12)入口相连，第i级冷凝器(12)出口与第i级压缩机(13)入口相连；第i级气体冷却器(11)工质侧出口与第i+1级压缩机(14)入口相连，第i+1级压缩机(14)出口与第i+1级气体冷却器(15)工质侧入口相连，第i+1级气体冷却器(15)工质侧出口与第i+1级冷凝器(16)入口相连，第i+1级冷凝器(16)出口与第i+1级节流阀(17)入口相连，第i+1级节流阀(17)出口与第i级节流阀(13)入口连接；
第n-1级压缩机出口与第n-1级气体冷却器(18)工质侧入口相连，第n-1级气体冷却器(18)工质侧出口与第n-1级冷凝器(19)入口相连，第n-1级冷凝器(19)出口与第n-1级节流阀(20)入口相连，第n-1级节流阀(20)工质侧出口与第n-2级节流阀入口相连；第n-1级气体冷却器(18)工质侧出口与第n级压缩机(21)入口连接，第n级压缩机(21)出口与第n级冷凝器(22)工质侧入口相连；第n级冷凝器(22)工质侧出口与第n级节流阀(23)入口相连，第n级节流阀(23)出口与第n-1级节流阀(20)入口相连；
干燥室(25)出口与空气冷却器(24)空气侧入口相连，空气冷却器(24)空气侧出口与蒸发器(2)空气侧入口相连，蒸发器(2)空气侧出口与第一级冷凝器(5)空气侧入口相连，第一级冷凝器(5)空气侧出口与第一级气体冷却器(4)空气侧入口相连，第一级气体冷却器(4)空气侧出口与第二级冷凝器(8)空气侧入口相连，第二级冷凝器(8)空气侧出口与第二级气体冷却器(8)空气侧入口相连，第二级气体冷却器(8)空气侧出口与第三级冷凝器空气侧入口相连，第三级冷凝器空气侧出口与第三级气体冷却器空气侧入口相连，第n-1级气体冷却器(18)空气侧出口与第n级冷凝器(22)空气侧入口相连，第n级冷凝器(22)空气侧出口与干燥室(25)入口相连。
2.根据权利要求1所述的多级压缩多冷凝器中间完全冷却热泵干燥系统，其特征在于，使用的工质采用纯制冷剂，或采用CO2/R1234zeE、CO2/R1234zeZ、CO2/R1234yf、R41/R1234zeE、R41/R1234zeZ、R41/R1234yf、R32/R1234zeE、R32/R1234zeZ、R32/R1234yf非共沸混合工质。
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