CN110762857A - 一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有蓄热功能的太阳能‑热泵集成干燥系统，包括1、一种具有蓄热功能的太阳能‑热泵集成干燥系统，其特征在于，包括太阳能集热器、空气源热泵机组、干燥室、蓄热器、上位机以及辅助设备；所述太阳能集热器吸收太阳辐射，并分别与干燥室和蓄热器相连接；所述干燥室内设置有待干燥物料、送风口、回风口和温湿度监测仪表；所述的蓄热器以蒸汽、热水或固态介质显热的形式储存太阳能集热器输出的富余电力；所述的辅助设备包括循环风机、泵、阀换热流体温度及流量监测仪；所述的上位机通过辅助设备获取状态反馈，并通过弱电线路控制太阳能集热器、空气源热泵机组、干燥室和蓄热器。本发明节能环保，可大幅降低干燥生产的成本。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统。
背景技术
干燥是能耗极高、应用又十分广泛的单元操作。传统以煤、天然气等化石燃料加热产生蒸汽、热水等载热介质或直接产生热风进行干燥的工艺过程燃料消耗大、运行费用高、污染排放严重、工作环境差，物料的干燥品质也难以保证，正逐渐被太阳能干燥、热泵干燥、低温冷冻干燥等更清洁高效、自动化程度更高的技术所代替。
太阳能是清洁且取之不竭的理想能源，得到了干燥领域研究人员的重视。然而太阳能供给稳定性较差的特点制约了其推广应用，常需要与效率较低(一般约为90％)的辅助电加热配合使用，这种运行模式尽管较为简单，但降低了太阳能干燥的节能效果，且增加了设备的运行成本，亟待加以改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提出了一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，包括太阳能集热器、空气源热泵机组、干燥室、蓄热器、上位机以及辅助设备；所述太阳能集热器吸收太阳辐射，并分别与干燥室和蓄热器相连接；所述干燥室内设置有待干燥物料、送风口、回风口和温湿度监测仪表；所述的蓄热器以蒸汽、热水或固态介质显热的形式储存太阳能集热器输出的富余电力；所述的辅助设备包括循环风机、泵、阀换热流体温度及流量监测仪；
所述的空气源热泵机组与太阳能集热器配合或独立工作，吸收环境空气(开式)或干燥物料的回风(闭式)热量，将产生的热量单独或同时送入干燥室或蓄热器；空气源热泵机组包括压缩机、冷凝器、蒸发器和气液分离器，所述压缩机的高压出液管通过一号管路与冷凝器的冷凝进液管相连通，所述冷凝器的冷凝出液管通过二号管路与气液分离器的分离进液管相连通，所述气液分离器的气相出气管通过四号管道直接与压缩机相连接，气液分离器的液相出液管通过三号管路与蒸发器的蒸发进液管相连通，所述蒸发器的蒸发出液管通过五号管路与压缩机的低压进液管相连通；所述的二号管路和三号管路上均设有节流阀，所述的四号管路上设有电磁阀；
所述的上位机通过辅助设备获取状态反馈，并通过弱电线路控制太阳能集热器、空气源热泵机组、干燥室和蓄热器。
为了更好地实现低能耗、高环保的干燥，优选地，所述的上位机内设定有五种运行程序，包括单一太阳能干燥程序、太阳能-蓄热器干燥程序、单一蓄热器干燥程序、空气源热泵干燥程序以及空气源热泵-蓄热器干燥程序。
优选地，所述单一太阳能干燥程序的前置条件为光照充足；所述太阳能-蓄热器干燥程序的前置条件为有阳光辐射但太阳能功能不足；所述单一蓄热器干燥程序的前置条件为没有太阳辐射；所述空气源热泵干燥程序的前置条件为没有太阳能辐射且蓄热器储热为空；所述空气源热泵-蓄热器干燥程序的前置条件为时间处于夜间谷电时段。
优选地，所述的太阳能集热器通过上位机控制追踪太阳光的入射角度，调节吸热面位置。
优选地，所述的上位机通过辅助装置获取环境数据，控制干燥室调节送、回风的位置、风向和风速。
优选地，所述的空气源热泵机组为变频空气源热泵机组，可根据负载切换机组的功耗。
优选地，所述的循环风机为变频循环风机，可根据所需风量切换风机功率。
优选地，所述的压缩机为回转压缩机。
优选地，所述空气源热泵机组的载热工质为二氧化碳或R407C环保工质。
运行原理：本发明中在阳光辐射充足时，可由太阳能集热器直接吸收阳光辐射向干燥室供能并由蓄热器储存富余热量；在阳光辐射相对不足时，由太阳能集热器和蓄热器联合向干燥室供能；在夜间、阴雨天气时，由蓄热器和空气源热泵机组联合向干燥室供能；在蓄热器储热不足时，启动空气源热泵机组加热载热介质或空气向干燥室供能；在夜间谷电时段，通过空气源热泵和蓄热器联合向干燥室供能。空气源热泵机组产出的部分热量还可以通过蓄热器储存，提高热量的利用率。
本发明中的空气源干燥热泵机组具有补气增熵模式，通过气液分离器将气相与液相分离，将中压的制冷蒸汽通过四号管路直接输送至压缩机的中间级，提高制热效率。
有益效果：
节能性：本发明干燥系统的控制逻辑优先选择太阳能以及蓄热供给干燥所需热量，其次在优化模式下运行空气源热泵。引入蓄热模块将可提升太阳能热量的利用程度，此外本发明引入的空气源热泵机组兼具补气增焓和变频功能，这保证了其在较宽的环境温湿度以及热负荷范围都能实现较高的能效，因而具有显著的节能效果。
经济性：与传统太阳能-电辅热系统相比，本发明引入的蓄热模块可更充分利用富余的太阳能，且众所周知空气源热泵的能效高于电加热系统，综合效果是显著降低用电量；加之热泵可一定程度上利用谷电驱动工作，运行成本上具有竞争力。
附图说明
图1是一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统的结构示意图(图中虚线为弱电线路)；
图2是空气源热泵机组的结构示意图；
图3是实施例一的整体结构示意图(图中粗实线为制冷剂管路，虚线为空气管路)；
图4是实施例二的整体结构示意图(图中粗实线为制冷剂管路，细实线为水管路，虚线为空气管路，)；
图5是实施例三的整体结构示意图(图中粗实线为制冷剂管路，点阵线为蒸汽管路，细实线为水管路，虚线为空气管路)；
图中：1、太阳能集热器，2、空气源热泵机组，3、干燥室，4、蓄热器，5、上位机，6、风机，7、给水泵，8、换热器，2-1、压缩机，2-2、冷凝器，2-3、一号节流阀，2-4、气液分离器，2-5、二号节流阀，2-6、蒸发器，3-1、一号管路，3-2、二号管路，3-3、三号管路，3-4、四号管路，3-5、五号管路。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1：太阳能空气加热器+空气源热泵机组+固体蓄热介质
如图3所示。太阳能空气加热器1直接加热环境空气到设定温度，热风通过风机6送入干燥室/箱3对物料进行脱水处理；当太阳辐射热量过剩时，增大风量、保持出风温度不变，引出部分热风流过蓄热器4中的固体蓄热介质，使其升温进行蓄热过程。当太阳能或热泵制热不足时，先将环境空气即新风(或除湿回风)作为取热空气引入蓄热器4，通过固体介质放热对空气预热，再进行后续加热过程达到要求温度。
同样，当空气源热泵系统(主要由压缩机2-1、风冷冷凝器2-2、节流阀2-3、蒸发器2-4等构成)在谷电时间或太阳能加热不足时开动工作时，经过冷凝器2-2产生的热风既可以直接送给干燥室/箱3，也可以作为蓄热空气进入蓄热器4放热，从而保证系统始终具有一定的蓄热量，维持干燥工艺的稳定性和操作弹性。
如图所示干燥系统的空气循环为开式，干燥室/箱产生的相对湿度较高的空气直接排放，不进行回收；当以闭式模式工作时，干燥排风全部或部分导入蒸发器降温、除湿，再与部分环境空气即新风混合，作为加热设备(太阳能空气加热器1、空冷冷凝器2-2)的送风，可以实现能高的能效。
实施例2：太阳能热水器+空气源热泵热水机组+水箱
如图4所示。通过太阳能热水器1加热给水到设定温度，高温热水进入蓄热水箱4上部将热量储存下来；类似地，谷电或其它热源不足时启动空气源热泵(主要由压缩机2-1、水冷冷凝器2-2、节流阀2-3、蒸发器2-4等构成)，将给水或蓄热水箱底部温度较低的循环水加热到设定温度送入蓄热水箱4。干燥时从蓄热水箱4上部引热水、通过水-空气换热器8对环境空气进行加热，送风进入干燥室/箱3对物料脱水后排放。
所述的蓄热水箱4首先通过给水泵7注入一定液位，当需要加热时抽取水箱底部温度较低的水进入太阳能热水器1或水冷冷凝器2-2加热，制得的热水送入水箱的顶部，由下至上形成从低到高的温度分布。当箱底水温达到一定温度、已达到干燥所需的蓄热量要求时，通过太阳能热水器或空气源热泵的加热过程停止。类似地，当蓄热水箱为干燥工艺供热时，抽取水箱顶部的热水送入水-空气换热器8，加热空气作为干燥送分后温度降低，返回蓄热水箱底部。
如图所示干燥系统的空气循环为开式，干燥室/箱产生的相对湿度较高的空气直接排放，不进行回收；当以闭式模式工作时，干燥排风全部或部分导入蒸发器降温、除湿，再与环境空气即新风混合，作为进入水-空气换热器8加热的送风，可以实现能高的能效。
实施例3：太阳能锅炉+空气源热泵热水机组+高温段固体蓄热器+低温段蓄热水箱
如图5所示。太阳能锅炉1将一定温度和压力的给水加热至过热蒸汽状态，供给蒸汽-空气换热器8，或送入高温段固体蓄热器4-1储存热量，蒸汽凝水汇流后送入低温段蓄热水箱4-2，或返回太阳能锅炉1的入口段，与给水或预热水混合后再送入太阳能锅炉1加热产生蒸汽；空气源热泵机组(主要由压缩机2-1、水冷冷凝器2-2、节流阀2-3、蒸发器2-4等构成)在谷电时段或低温段蓄热水箱4-2蓄热不足时启动，可对水箱中温度较低的水进行加热，降低太阳能锅炉给水所需的加热负荷。
所述的蓄热水箱4-2首先通过给水泵7注入一定液位，当需要加热时抽取水箱底部温度较低的水进入水冷冷凝器2-2加热，制得的热水送入水箱的顶部，由下至上形成从低到高的温度分布；同样，过热蒸汽在蒸汽-空气换热器8内放热产生的部分凝水也注入蓄热水箱4-2顶部储存。当蓄热水箱为干燥工艺供热时，抽取水箱热水作为太阳能锅炉1的供水。
所述的蓄热器4-1通过固体显热储存过热蒸汽去过热及凝结放出的热量，当太阳能锅炉1供热不足、无法产生蒸汽或温度达不到干燥要求时，从中引出加热不足的水/蒸汽送入蓄热器4-1中取热，产生的蒸汽作为干燥室/箱3的加热介质。
太阳能锅炉1产生的蒸汽在蒸汽-空气换热器8内放热、将风机6输送的环境空气温度增至所需温度时，作为干燥送风进入干燥室3，产生的相对湿度较高的空气排走。如图所示干燥系统的空气循环为开式，干燥室/箱产生的相对湿度较高的空气直接排放，不进行回收；当以闭式模式工作时，干燥排风全部或部分导入蒸发器降温、除湿，再与环境空气即新风混合，作为进入蒸汽-空气换热器8加热的送风，可以实现能高的能效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，包括太阳能集热器、空气源热泵机组、干燥室、蓄热器、上位机以及辅助设备；所述太阳能集热器吸收太阳辐射，并分别与干燥室和蓄热器相连接；所述干燥室内设置有待干燥物料、送风口、回风口和温湿度监测仪表；所述的蓄热器以蒸汽、热水或固态介质显热的形式储存太阳能集热器输出的富余电力；所述的辅助设备包括循环风机、泵、阀换热流体温度及流量监测仪；
所述的空气源热泵机组与太阳能集热器配合或独立工作，吸收环境空气(开式)或干燥物料的回风(闭式)热量，将产生的热量单独或同时送入干燥室或蓄热器；空气源热泵机组包括压缩机、冷凝器、蒸发器和气液分离器，所述压缩机的高压出液管通过一号管路与冷凝器的冷凝进液管相连通，所述冷凝器的冷凝出液管通过二号管路与气液分离器的分离进液管相连通，所述气液分离器的气相出气管通过四号管道直接与压缩机相连接，气液分离器的液相出液管通过三号管路与蒸发器的蒸发进液管相连通，所述蒸发器的蒸发出液管通过五号管路与压缩机的低压进液管相连通；所述的二号管路和三号管路上均设有节流阀，所述的四号管路上设有电磁阀；
所述的上位机通过辅助设备获取状态反馈，并通过弱电线路控制太阳能集热器、空气源热泵机组、干燥室和蓄热器。
2.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述的上位机内设定有五种运行程序，包括单一太阳能干燥程序、太阳能-蓄热器干燥程序、单一蓄热器干燥程序、空气源热泵干燥程序以及空气源热泵-蓄热器干燥程序。
3.根据权利要求2所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述单一太阳能干燥程序的前置条件为光照充足；所述太阳能-蓄热器干燥程序的前置条件为有阳光辐射但太阳能功能不足；所述单一蓄热器干燥程序的前置条件为没有太阳辐射；所述空气源热泵干燥程序的前置条件为没有太阳能辐射且蓄热器储热为空；所述空气源热泵-蓄热器干燥程序的前置条件为时间处于夜间谷电时段。
4.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述的太阳能集热器通过上位机控制追踪太阳光的入射角度，调节吸热面位置。
5.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述的上位机通过辅助装置获取环境数据，控制干燥室调节送、回风的位置、风向和风速。
6.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述的空气源热泵机组为变频空气源热泵机组，可根据负载切换机组的功耗。
7.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述的循环风机为变频循环风机，可根据所需风量切换风机功率。
8.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述的压缩机为回转压缩机。
9.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能-热泵集成干燥系统，其特征在于，所述空气源热泵机组的载热工质为二氧化碳或R407C环保工质。
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