CN110715541A - 基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备及方法，属于新能源与节能减排领域。该系统其特征在于：利用电站夜间低谷的电将超临界二氧化碳工质从临界状态压缩至高压状态进行存储；产生的压缩热，用于进一步提高热泵冷凝器出口空气的温度，来满足农产品夜间干燥的温度条件；白天用电高峰，晴天借助太阳能提高工质的温度去发电，阴雨天则借助地热能；透平出口工质的余热，来满足农产品白天干燥的温度条件；高温农产品干燥室的出口空气余热可以预热工质。本系统将高温农产品干燥和压缩储能设备结合在一起，高温热源选用清洁能源，并使用高效低温热泵，降低污染物排放，有良好的环保性和节能效果。

Description

基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备及方法
技术领域
本发明公开了一种基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备及方法，属于新能源与节能减排领域。
背景技术
农产品中含有一定数量的水分（含水率），为了保证农产品的质量和延长使用寿命，必须采取适当的措施使农产品中的水分降低到一定的程度。要降低农产品的含水率，须提高农产品的温度，使农产品中的水分蒸发和向外移动，在一定流动速度的空气中，使水分迅速地离开农产品，达到干燥的目的；干燥作业能耗高，全球20%-25%的能源用于工业化的热力干燥；高温农产品比如玉米的干燥温度需求一般在100-120℃，属于工业化热力干燥中所需温度较高的一类，高温农产品干燥需占农产品生产总能耗的40%-60%。
目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。我国储能呈现多元发展的良好态势；抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能、超级电容、铅蓄电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大,适合大规模商业化应用,约占世界储能总量的99.5%。
二氧化碳无毒，拥有良好的物理和化学特性，临界温度较低为31.1℃，临界压力适中为7.38MPa；当二氧化碳处于超临界状态下，其兼有气体和液体的双重特性，密度近似液体（约为空气密度200~800倍），粘度、扩散系数接近于气体（约为液体的100倍），具有更好的流动性和传输特性，且压缩耗功小，储能密度大。因此，压缩超临界二氧化碳储能将是一种优良的电网削峰填谷方式。
地热能是一种新的洁净能源，其中距地表2000米内储藏的地热能约为2500亿吨标准煤；我国地热可开采资源量为每年68亿立方米，所含地热量为973万亿千焦；在地热利用规模上，我国近些年来一直位居世界首位，并以每年近10%的速度稳步增长；此外，太阳能也是一种洁净能源，它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，但太阳能的能量密度低，而且因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能、环保且能实现24小时不间断烘干的基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备及方法。
超临界二氧化碳储能潜力大，将成为一种优良的电网削峰填谷方式；储能及释能阶段，通过储热和回热的方式，将夜间产生的压缩热、白天做功后超临界二氧化碳工质的余热以及高温农产品干燥室的出口湿空气余热充分回收使用，并选用合适的制冷剂，从而提高热泵的COP值，降低高温农产品干燥的耗能。地热能和太阳能互补，使超临界二氧化碳工质升温做功，进而保证白天持续稳定发电以及高温农产品24小时不间断地干燥。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备，其特征在于：所述设备包括电网I、压缩机、超临界二氧化碳高压储气罐、预热器、换热器I、换热器II、透平、发电机、超临界二氧化碳低压储存罐、电网II、热泵压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、高温农产品干燥室、回热器I、回热器II和储热器；压缩机由电网I供电；
超临界二氧化碳低压储气罐出气口经电动阀I与压缩机进气口相连；压缩机排气口与回热器I热流侧进口连通；回热器I热流侧出口经电动阀II与超临界二氧化碳高压储气罐进气口连通；超临界二氧化碳高压储气罐出气口经电动阀III与预热器冷流侧的入口相连；预热器冷流侧的出口分成两路,一路经电动阀VII与换热器I的冷流侧的入口连通；另一路经电动阀VIII与换热器II的冷流侧的入口连通；换热器I和换热器II冷流侧的出口分别经管路与透平进气口相连；透平排气口与回热器II热流侧的入口连通；回热器II热流侧的出口经电动阀IV与超临界二氧化碳低压储气罐进气口相连；透平与发电机经轴承相连；热泵压缩机由电网II供电；热泵压缩机出口经制冷剂管路与冷凝器的制冷剂侧入口相连；冷凝器的制冷剂侧出口与节流阀入口连通；节流阀出口经制冷剂管路与蒸发器的制冷剂侧入口相连；蒸发器的制冷剂侧出口与热泵压缩机入口连通；冷凝器的空气侧出口分成两路，一路经电动阀V与回热器I冷流侧的入口相连，另一路经电动阀VI与回热器II冷流侧的入口相连；回热器I和回热器II冷流侧的出口与高温农产品干燥室入口相连；高温农产品干燥室出口经管路与储热器底部空气侧进口连通；储热器底部空气侧出口与蒸发器的空气侧入口相连；蒸发器的空气侧出口与冷凝器的空气侧入口连通；储热器顶部储热介质进出口分别与预热器热流侧的出入口相连；储热器内部储热介质选用水或者导热油；
换热器I内冷侧流体吸收的热量由太阳能镜场汇聚太阳光的辐射能所得；换热器II内冷侧流体吸收的的热量由吸收了地热能的地下水池提供；所述高温农产品干燥室内装有风扇。
所述的基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
夜间，打开电动阀I、电动阀II和电动阀V，其余电动阀都关闭；电站低谷时段的电输入热泵压缩机，将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器，将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀绝热节流，最后进入蒸发器，将冷量放给高温农产品干燥室流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机；同时，电站低谷时段的电输入压缩机，将超临界二氧化碳低压储气罐内的气体工质压缩，获得的高压高温气体流经回热器I，将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至100℃-120℃，降温后的高压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳高压储气罐存储，提高了工质的存储质量；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室，吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器降温除湿，然后流经冷凝器升温进行再次循环；
白天光照较好时，打开电动阀VI、电动阀III、电动阀VII和电动阀IV，其余电动阀都关闭；将电网的电输入热泵压缩机，将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器，将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀绝热节流，最后进入蒸发器，将冷量放给高温农产品干燥室流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机；同时，超临界二氧化碳高压储气罐将工质放出，进入预热器吸收储热器内存储的湿空气余热，然后进入换热器I继续加热至200℃左右，吸收的热量则由太阳能镜场汇聚太阳光的辐射能所得；二次加热后的超临界二氧化碳工质进入透平做功，通过轴承带动发电机发电；做功后的工质流入回热器II，将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至110℃-120℃，降温后的低压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳低压储气罐存储；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室，吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器降温除湿，然后流经冷凝器升温进行再次循环；
白天遇阴雨天气，打开电动阀VI、电动阀III、电动阀VIII和电动阀IV，其余电动阀都关闭；将电网的电输入热泵压缩机，将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器，将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀绝热节流，最后进入蒸发器，将冷量放给高温农产品干燥室流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机；同时，超临界二氧化碳高压储气罐将工质放出，进入预热器吸收储热器内存储的湿空气余热，然后进入换热器II继续加热至150℃左右，吸收的热量则由吸收了地热能的地下水池提供；二次加热后的超临界二氧化碳工质进入透平做功，通过轴承带动发电机发电；做功后的工质流入回热器II，将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至100℃-110℃，降温后的低压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳低压储气罐存储；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室，吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器降温除湿，然后流经冷凝器升温进行再次循环。
附图说明
图1 基于超临界二氧化碳储能的热泵高温农产品干燥一体化设备系统图；
图2 基于超临界二氧化碳储能的热泵高温农产品干燥一体化设备夜间工作图；
图3 基于超临界二氧化碳储能的热泵高温农产品干燥一体化设备晴天工作图；
图4 基于超临界二氧化碳储能的热泵高温农产品干燥一体化设备阴雨天工作图；
图中标号名称：1-电网I；2-压缩机；3-超临界二氧化碳高压储气罐；4-预热器；5-换热器I；6-换热器II；7-透平；8-发电机；9-超临界二氧化碳低压储存罐；10-电网II；11-热泵压缩机；12-冷凝器；13-节流阀；14-蒸发器；15-回热器I；16-回热器II；17-高温农产品干燥室；18-风扇；19-储热器；20-电动阀I；21-电动阀II；22-电动阀V；23-电动阀VI；24-电动阀III；25-太阳能镜场；26-地下水池；27-电动阀VII；28-电动阀VIII；29-电动阀IV
具体实施方法
图1是本发明提出的基于超临界二氧化碳储能的热泵高温农产品干燥一体化设备，下面参照图2说明设备夜间的工作过程。
夜间，打开电动阀I、电动阀II和电动阀V，其余电动阀都关闭；电站低谷时段的电输入热泵压缩机，将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器，将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀绝热节流，最后进入蒸发器，将冷量放给高温农产品干燥室流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机；同时，电站低谷时段的电输入压缩机，将超临界二氧化碳低压储气罐内的气体工质压缩，获得的高压高温气体流经回热器I，将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至100℃-120℃，降温后的高压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳高压储气罐存储，提高了工质的存储质量；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室，吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器降温除湿，然后流经冷凝器升温进行再次循环；
下面参照图3说明设备晴天的工作过程。
白天光照较好时，打开电动阀VI、电动阀III、电动阀VII和电动阀IV，其余电动阀都关闭；将电网的电输入热泵压缩机，将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器，将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀绝热节流，最后进入蒸发器，将冷量放给高温农产品干燥室流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机；同时，超临界二氧化碳高压储气罐将工质放出，进入预热器吸收储热器内存储的湿空气余热，然后进入换热器I继续加热至200℃左右，吸收的热量则由太阳能镜场汇聚太阳光的辐射能所得；二次加热后的超临界二氧化碳工质进入透平做功，通过轴承带动发电机发电；做功后的工质流入回热器II，将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至110℃-120℃，降温后的低压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳低压储气罐存储；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室，吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器降温除湿，然后流经冷凝器升温进行再次循环；
下面参照图4说明设备阴雨天的工作过程。
白天遇阴雨天气，打开电动阀VI、电动阀III、电动阀VIII和电动阀IV，其余电动阀都关闭；将电网的电输入热泵压缩机，将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器，将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀绝热节流，最后进入蒸发器，将冷量放给高温农产品干燥室流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机；同时，超临界二氧化碳高压储气罐将工质放出，进入预热器吸收储热器内存储的湿空气余热，然后进入换热器II继续加热至150℃左右，吸收的热量则由吸收了地热能的地下水池提供；二次加热后的超临界二氧化碳工质进入透平做功，通过轴承带动发电机发电；做功后的工质流入回热器II，将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至100℃-110℃，降温后的低压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳低压储气罐存储；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室，吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器降温除湿，然后流经冷凝器升温进行再次循环。

Claims (2)

1.一种基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备，其特征在于：
所述设备包括电网I（1）、压缩机（2）、超临界二氧化碳高压储气罐（3）、预热器（4）、换热器I（5）、换热器II（6）、透平（7）、发电机（8）、超临界二氧化碳低压储存罐（9）、电网II（10）、热泵压缩机（11）、冷凝器（12）、节流阀（13）、蒸发器（14）、高温农产品干燥室（17）、回热器I（15）、回热器II（16）和储热器（19）；压缩机（2）由电网I（1）供电；
超临界二氧化碳低压储气罐（9）出气口经电动阀I（20）与压缩机（2）进气口相连；压缩机（2）排气口与回热器I（15）热流侧进口连通；回热器I（15）热流侧出口经电动阀II（21）与超临界二氧化碳高压储气罐（3）进气口连通；超临界二氧化碳高压储气罐（3）出气口经电动阀III（24）与预热器（4）冷流侧的入口相连；预热器（4）冷流侧的出口分成两路,一路经电动阀VII（27）与换热器I（5）的冷流侧的入口连通；另一路经电动阀VIII（28）与换热器II（6）的冷流侧的入口连通；换热器I（5）和换热器II（6）冷流侧的出口分别经管路与透平（7）进气口相连；透平（7）排气口与回热器II（16）热流侧的入口连通；回热器II（16）热流侧的出口经电动阀IV（29）与超临界二氧化碳低压储气罐（9）进气口相连；透平（7）与发电机（8）经轴承相连；热泵压缩机（11）由电网II（10）供电；热泵压缩机（11）出口经制冷剂管路与冷凝器（12）的制冷剂侧入口相连；冷凝器（12）的制冷剂侧出口与节流阀（13）入口连通；节流阀（13）出口经制冷剂管路与蒸发器（14）的制冷剂侧入口相连；蒸发器（14）的制冷剂侧出口与热泵压缩机（11）入口连通；冷凝器（12）的空气侧出口分成两路，一路经电动阀V（22）与回热器I（15）冷流侧的入口相连，另一路经电动阀VI（23）与回热器II（16）冷流侧的入口相连；回热器I（15）和回热器II（16）冷流侧的出口与高温农产品干燥室（17）入口相连；高温农产品干燥室（17）出口经管路与储热器（19）底部空气侧进口连通；储热器（19）底部空气侧出口与蒸发器（14）的空气侧入口相连；蒸发器（14）的空气侧出口与冷凝器（12）的空气侧入口连通；储热器（19）顶部储热介质进出口分别与预热器（4）热流侧的出入口相连；储热器（19）内部储热介质选用水或者导热油；
换热器I（5）内冷侧流体吸收的热量由太阳能镜场（25）汇聚太阳光的辐射能所得；换热器II（6）内冷侧流体吸收的的热量由吸收了地热能的地下水池（26）提供；所述高温农产品干燥室（17）内装有风扇（18）。
2.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳储能的高温农产品干燥设备的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
夜间，打开电动阀I（20）、电动阀II（21）和电动阀V（22），其余电动阀都关闭；电站低谷时段的电输入热泵压缩机（11），将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器（12），将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀（13）绝热节流，最后进入蒸发器（14），将冷量放给高温农产品干燥室（17）流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机（11）；同时，电站低谷时段的电输入压缩机（2），将超临界二氧化碳低压储气罐（9）内的气体工质压缩，获得的高压高温气体流经回热器I（15），将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至100℃-120℃，降温后的高压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳高压储气罐（3）存储，提高了工质的存储质量；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室（17），吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器（19）内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器（14）降温除湿，然后流经冷凝器（12）升温进行再次循环；
白天光照较好时，打开电动阀VI（23）、电动阀III（24）、电动阀VII（27）和电动阀IV（29），其余电动阀都关闭；将电网的电输入热泵压缩机（11），将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器（12），将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀（13）绝热节流，最后进入蒸发器（14），将冷量放给高温农产品干燥室（17）流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机（11）；同时，超临界二氧化碳高压储气罐（3）将工质放出，进入预热器（4）吸收储热器（19）内存储的湿空气余热，然后进入换热器I（5）继续加热至200℃左右，吸收的热量则由太阳能镜场（25）汇聚太阳光的辐射能所得；二次加热后的超临界二氧化碳工质进入透平（7）做功，通过轴承带动发电机（8）发电；做功后的工质流入回热器II（16），将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至110℃-120℃，降温后的低压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳低压储气罐（9）存储；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室（17），吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器（19）内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器（14）降温除湿，然后流经冷凝器（12）升温进行再次循环；
白天遇阴雨天气，打开电动阀VI（23）、电动阀III（24）、电动阀VIII（28）和电动阀IV（29），其余电动阀都关闭；将电网的电输入热泵压缩机（11），将制冷剂压缩，获得的高温高压的制冷剂流经冷凝器（12），将热量放给除湿后的低温干空气，使其升温至32℃-38℃；冷凝后的制冷剂进入节流阀（13）绝热节流，最后进入蒸发器（14），将冷量放给高温农产品干燥室（17）流出的湿空气，使其降温至5℃-12℃并除湿，最后流回热泵压缩机（11）；同时，超临界二氧化碳高压储气罐（3）将工质放出，进入预热器（4）吸收储热器（19）内存储的湿空气余热，然后进入换热器II（6）继续加热至150℃左右，吸收的热量则由吸收了地热能的地下水池（26）提供；二次加热后的超临界二氧化碳工质进入透平（7）做功，通过轴承带动发电机（8）发电；做功后的工质流入回热器II（16），将热量放给高温农产品干燥所需的空气，使其继续升温至100℃-110℃，降温后的低压力、高密度超临界二氧化碳气体进入超临界二氧化碳低压储气罐（9）存储；二次加热后的干燥空气流进高温农产品干燥室（17），吸收高温农产品内的水分，变成湿空气排出室外，并将余热存入储热器（19）内的储热介质；降温后的湿空气流经蒸发器（14）降温除湿，然后流经冷凝器（12）升温进行再次循环。
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