CN111457711A - 一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置。所述装置包括制冷剂回路、水回路、空气回路。该装置运行时，尤其是在冬季低温工况下通过将太阳能制取的热水送往第二蒸发器加热制冷剂为热泵提供辅助热源，增加热泵总体产热量解决低温工况热泵低效的技术问题；此外，提供太阳能单独供热，通过热泵冷凝器、气水换热器同时或单独投入运行加热干燥空气，实现多种方式、多种能源干燥的目的。本发明提出基于太阳能和热泵的一种新型适用低温工况的多能互补干燥系统，通过热泵和太阳能的组合利用，进一步提高热泵干燥的运行效率，降低电能消耗，减少污染物排放。

Description

一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置

技术领域

本发明涉及一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置，属于能源综合利用领域。

背景技术

热泵干燥因其节能环保的特性，已经在越来越多的领域得到广泛使用。热泵干燥虽然具有较高的运行效率，但仍需要大量电能，在各领域推广应用热泵干燥，会导致用电需求增加，尤其是在用电高峰期间大量的热泵干燥系统投入运行会引起用电峰值剧增，影响其他用电需求，增大了电力负荷峰谷差。另一方面。由于我国大部分（约70%）电能生产是燃煤火力发电，过程中产生了大量的污染物排放，降低了环境质量。太阳能是清洁的可再生能源，将其用于干燥过程中，并与热泵装置相结合，实行太阳能与热泵的联合干燥，借助热泵变成高品位的热源，实现太阳能热泵能量互补，能够大大节约能源。

但热泵制热时，其制热性能与低温热源特性紧密相关，冬季低温工况运行时热泵干燥设备难以保证蒸发端所需的低温稳定热源，导致干燥机组在使用时蒸发温度较低，系统运行压缩比过大，增加了电能消耗，降低了节能效果，影响了实际应用。研究表明，蒸发温度降低1℃，热泵性能系数降低3%，蒸发温度过低时，机组会因低压保护而无法运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种适用低温工况的多能互补的热泵干燥装置，解决冬季低温工况下现有技术热泵干燥装置热效率低的技术问题，同时可以多能互补提高干燥效率。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置，包括制冷剂回路、水回路、空气回路；

制冷剂回路包括压缩机19、冷凝器20、节流阀21、第一蒸发器22、第二蒸发器23。其中压缩机19出口连接冷凝器20进口，冷凝器20出口连接节流阀21进口，节流阀21出口一路连接第一蒸发器22进口，另一路连接第二蒸发器23进口，第一蒸发器22和第二蒸发器23出口连接压缩机19进口。

水回路包括第一截止阀10、第二截止阀11、第三截止阀12、第四截止阀13、循环水泵14、太阳能集热器15、气水换热器26、第二蒸发器23、旁通阀27、蓄热水箱28。其中，太阳能集热器15出口一路连接蓄热水箱28进口，另一路接旁通阀27进口，蓄热水箱28下侧出口接第一截止阀10进口、第三截止阀12进口和旁通阀27出口，第一截止阀10出口连接气水换热器26进口，气水换热器26出口连接第二截止阀11进口，第三截止阀12出口连接第二蒸发器23进口，第二蒸发器23出口连接第四截止阀13进口，第四截止阀13出口和第二截止阀11出口连接循环水泵14进口，循环水泵14出口连接太阳能集热器15进口。

空气回路包括风道100、第一风阀1、第二风阀2、第三风阀3、第四风阀4、第五风阀5、第六风阀6、第七风阀7、第八风阀8、第九风阀9、循环风机16、电加热器17、干燥箱18、冷凝器20、气水换热器26、挡水板24、液槽25。其中，风道100内设置第一风阀1-第九风阀9控制空气通路的开启与闭合，第一蒸发器22与第一截止阀10之间靠近第一蒸发器22处设置挡水板24阻挡空气中的水汽进入风道，液槽25置于第一蒸发器22下方，用于盛接储存第一蒸发器22产生的冷凝水。

本发明提供的技术原理如下：

本发明提出基于太阳能和热泵的一种新型适用低温工况的多能互补干燥系统，通过热泵和太阳能的组合利用，进一步提高热泵干燥的运行效率，降低电能消耗，减少污染物排放。

该装置运行时，尤其是在冬季低温工况下通过将太阳能制取的热水送往第二蒸发器加热制冷剂为热泵提供辅助热源，增加热泵总体产热量解决低温工况热泵低效的技术问题；此外，提供太阳能单独供热，通过热泵冷凝器、气水换热器同时或单独投入运行加热干燥空气，实现多种方式、多种能源干燥的目的。该装置运行工质有制冷剂、热水和空气三种，分别形成制冷剂回路、太阳能热水回路和干燥风道空气通路。

制冷剂回路中，压缩机做功产生高温高压的制冷剂蒸气进入冷凝器后，在冷凝器中放热变成低温低压的液体，冷凝器放出的热量供给干燥空气，制冷剂经节流阀节流后进入两个并联可同时运行也可单独运行的第一蒸发器和第二蒸发器，第一蒸发器起到除湿作用，第二蒸发器起吸收太阳能热量增加总体热泵产热，制冷剂在蒸发器中吸热气化进入压缩机，完成制冷循环。

太阳能热水回路中，太阳能集热器吸收太阳能热量后加热水，送入蓄热水箱或直接用于加热，蓄热水箱在夜间或太阳能不足的时候为系统提供热量。太阳能热水回路中的热水可进入气水换热器直接加热风道内的干燥空气，使其升温；也可进入第二蒸发器加热制冷剂，为蒸发器提供辅助低位热源，增加低温测的吸热量进一步改善机组运行条件，提高热泵机组产热。

在干燥风道空气通路中，设置了不同的风阀改变空气的流向实现不同的干燥运行模式，干燥空气可以依次通过冷凝器和气水换热器吸热，也可仅与其中的一个吸热后进入干燥箱，温度仍不满足要求时还可开启电加热器使得空气进一步升温。第一蒸发器的除湿，可降低干燥空气的含湿量，增加其干燥除湿能力。

有研究表明，蒸发温度降低1℃，热泵性能系数降低3%，蒸发温度过低时，机组会因低压保护而无法运行，因此本发明的设计创新在于通过装置的组合设计特征在不增加压缩机功效的前提下，通过第二蒸发器与太阳能热量串联提高低温工况下的热效率提高第一蒸发器的热效率，解决单一第一蒸发器低温工况下热效率不足的问题；同时，本发明通过风道设计利用太阳能的气水换热器、冷凝器、第一蒸发器之间多种风道组合调节获得多种干燥模式，提高了装置干燥的热效率。

本发明的有益效果

1.本发明利用太阳能集热器、蓄热水箱产生并蓄存热水，再送入第二蒸发器供热，提高热泵蒸发器的蒸发温度，尤其是在室外气温较低的时候，通过第二蒸发器的能量补充，保障了热泵机组的正常运行，增强机组对环境温度大范围变化的适应性，扩展了机组的应用气候区域，而且，还提高其运行效率和供热量，还能减少电能消耗，实现了系统的高效运行，具有良好的节能效果。

2.本发明一方面通过太阳能集热器、蓄热水箱、气水换热器等部件充分利用太阳能加热干燥空气；另一方面通过热泵冷凝器加热干燥空气，实现了干燥空气的两个热源保障，运行时既可以采用双热源共同加热干燥空气，也可以单独采用太阳能或热泵冷凝器热源加热空气，除优先采用太阳能加热可进一步提高节能效果外，双热源共同加热与单独用热泵干燥温度范围（一般50℃以下）相比，其干燥温度可增加10~40℃以上，干燥温度最高可达90℃。可见，本发明与传统干燥相比具有更宽广的干燥温度范围，使其可以适用更多种类物料，面向对象范围更广。

3.本发明通过控制空气回路风阀，可以实现空气流经冷凝器和气水换热器的先后转换或单独流通，实现热泵冷凝器与气水换热器串联、气水换热器与热泵冷凝器串联、热泵冷凝器与气水换热器并联、热泵冷凝器单独加热、气水换热器单独加热以及电加热辅助等多种运行模式，从技术手段上保证能满足不同干燥温度范围的调节控制，尤其是低温工况下。

4.本发明双蒸发器并联的方式既保证了干燥设备的除湿功能，还为系统提供了备用清洁低位热源，有利于机组平稳高效运行。

5.本发明设置蓄热水箱，在太阳能热源充足的时候将多余的热能蓄存起来，调节使用，保证了最大限度的利用太阳能，减少电能消耗，有效降低了一次能源消耗。

6.本发明通过第一蒸发器可将干燥空气冷却至露点温度析出水分流入到液槽，可以回收干燥空气携带的水分，避免随意排放，有利于安全环保。当干燥系统用于果蔬干燥时，干燥空气中含有芳香类物质，可以回收在液槽中，获得果蔬水，并提炼芳香类物质。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明的完整结构示意图。

其中1—第一风阀，2—第二风阀，3—第三风阀，4—第四风阀，5—第五风阀，6—第六风阀，7—第七风阀，8—第八风阀，9—第九风阀，10—第一截止阀，11—第二截止阀，12—第三截止阀，13—第四截止阀，14—循环水泵，15—太阳能集热器，16—循环风机，17—电加热器，18—干燥箱，19—压缩机，20—冷凝器，21—节流阀，22—第一蒸发器，23—第二蒸发器，24—挡水板，25—液槽，26—气水换热器，27-旁通阀，28-蓄热水箱,100-风道。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如附图1所示，一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置，包括制冷剂回路、水回路、空气回路；

制冷剂回路包括压缩机19、冷凝器20、节流阀21、第一蒸发器22、第二蒸发器23。其中压缩机19出口连接冷凝器20进口，冷凝器20出口连接节流阀21进口，节流阀21出口一路连接第一蒸发器22进口，另一路连接第二蒸发器23进口，第一蒸发器22和第二蒸发器23出口连接压缩机19进口。

水回路包括第一截止阀10、第二截止阀11、第三截止阀12、第四截止阀13、循环水泵14、太阳能集热器15、气水换热器26、第二蒸发器23、旁通阀27、蓄热水箱28。其中，太阳能集热器15出口一路连接蓄热水箱28进口，另一路接旁通阀27进口，蓄热水箱28下侧出口接第一截止阀10进口、第三截止阀12进口和旁通阀27出口，第一截止阀10出口连接气水换热器26进口，气水换热器26出口连接第二截止阀11进口。第三截止阀12出口连接第二蒸发器23进口，第二蒸发器23出口连接第四截止阀13进口，第四截止阀13出口和第二截止阀11出口连接循环水泵14进口，循环水泵14出口连接太阳能集热器15进口。

空气回路包括风道100、第一风阀1、第二风阀2、第三风阀3、第四风阀4、第五风阀5、第六风阀6、第七风阀7、第八风阀8、第九风阀9、循环风机16、电加热器17、干燥箱18、冷凝器20、气水换热器26、挡水板24、液槽25。其中，风道100内设置第一风阀1-第九风阀（9）控制空气通路的开启与闭合，第一蒸发器22与风道100之间设置挡水板24阻挡空气中的水汽进入风道，液槽25置于第一蒸发器22下方，用于盛接储存第一蒸发器22产生的冷凝水。

干燥设备通过风阀启闭改变干燥空气的流向，有以下工作模式。

模式一：太阳能+热泵双热源并联模式。

此时第一风阀1、第二风阀2、第八风阀8、第九风阀9、第一截止阀10、第二截止阀11、第三截止阀12、第四截止阀13、循环水泵14、循环风机16均开启，第三风阀3、第四风阀4、第五风阀5、第六风阀6、第七风阀7关闭，当干燥箱18进风温度不满足要求时，电加热器17也开启，满足要求时关闭。旁通阀27可开启，也可关闭。当旁通阀27开启时，太阳能集热器15出水一部分储存在蓄热水箱28中，一部分经旁通阀27供热水，此时蓄热水箱28也参与供热水。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水。

模式一运行时，

制冷剂回路中，制冷剂在压缩机19的作用下变成高温高压的制冷剂蒸汽，在冷凝器20中放出热量后进入节流阀21，经节流阀21节流后变为低温低压气液混合物，随后制冷剂一部分流入第一蒸发器22，另一部分流入第二蒸发器23，制冷剂在第一蒸发器22和第二蒸发器23吸热气化后流回压缩机，完成此部分制冷循环。

太阳能水回路中，当旁通阀27开启时，太阳能集热器15吸收能量后加热水，得到的热水一部分进入蓄热水箱28储存起来，另一部分经过旁通阀27和第一截止阀10进入气水换热器26。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水一部分进入气水换热器26，高温热水在气水换热器26放热加热干燥空气，再经过第二截止阀11流出。另一部分热水经过第三截止阀12进入第二蒸发器23，热水在第二蒸发器23中加热制冷剂，降温后的热水经过第四截止阀13后和第二截止阀11流出的热水混和，然后在循环水泵14的驱动下流回太阳能集热器15完成热水回路循环。

空气回路中，在第一蒸发器22除湿并经挡水板24的干空气在循环风机16驱动下，经挡水板24分两路分别经第一风阀1和第二风阀2进入冷凝器20和气水换热器26，干空气分别在冷凝器20和气水换热器26中吸热升温分别后经过第八风阀8和第九风阀9后汇合，经循环风机16和电加热器17进入干燥箱（18），干燥箱（18）出风进入第一蒸发器22，完成物料的干燥。

模式二：太阳能+热泵双热源串联模式一

此时第一风阀1、第四风阀4、第五风阀5、第六风阀6、第八风阀8均开启，第二风阀2、第三风阀3、第七风阀7、第九风阀9关闭，其它阀门和设备启动情况同模式一，即第一截止阀10、第二截止阀11、第三截止阀12、第四截止阀13、循环水泵14、循环风机16均开启。旁通阀27可开启，也可关闭。当旁通阀27开启时，太阳能集热器15出水一部分储存在蓄热水箱28中，一部分经旁通阀27供热水，此时蓄热水箱28可参与供热水。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水。当干燥箱18进风温度低于设定值时，电加热器17开启，否则关闭。

模式二运行时，制冷剂回路和热水回路的运行方式和模式一中所述相同。

空气回路中，第一蒸发器22除湿后的干空气在循环风机16驱动下，经挡水板24、第一风阀1进入冷凝器20，在冷凝器20中吸热升温后依次经过第六风阀6，第五风阀5和第四风阀4后进入气水换热器26进一步吸热升温，然后经过第八风阀8、循环风机16和电加热器17进入干燥箱完成物料的干燥。

模式三：太阳能+热泵双热源串联模式二

此时第二风阀2、第三风阀3、第五风阀5、第七风阀7、第九风阀9均开启，第一风阀1、第四风阀4、第六风阀6、第八风阀8均关闭，其它阀门和设备启动情况同模式一，即第一截止阀10、第二截止阀11、第三截止阀12、第四截止阀13、循环水泵14、循环风机16开启。当干燥箱18进风温度低于设定值时，电加热器17开启，否则关闭。旁通阀27可开启，也可关闭。当旁通阀27开启时，太阳能集热器15出水一部分储存在蓄热水箱28中，一部分经旁通阀27供热水，此时蓄热水箱28可参与供热水。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水。

此时制冷剂回路和热水回路的运行方式和模式一所述相同。

空气回路中，运行时在第一蒸发器22除湿后的干空气在循环风机16驱动下，经挡水板24，第二风阀2进入气水换热器26，在气水换热器26中吸热升温后一次经过第七风阀7、第五风阀5、第三风阀3后进入冷凝器20进一步吸热升温，然后经过第九风阀9、循环风机16和电加热器17进入干燥箱完成物料的干燥。

模式四：热泵单热源太阳能辅助模式

此时制冷剂回路运行方式和模式一相同。太阳能热量为制冷剂提供热量加热空气，提升系统蒸发温度，进而提升热泵运行性能系数。在不需要很高的干燥空气温度时，通过风阀开闭只让气体流经单一热源，可有效的节约能源。

使用冷凝器20做单热源时，第一风阀1、第九风阀9开启，第二风阀2、第三风阀3、第四风阀4、第五风阀5、第六风阀6、第七风阀7、第八风阀8均关闭，水回路中第三截止阀12、第四截止阀13、循环水泵14、循环风机16开启，第一截止阀10、第二截止阀11关闭。旁通阀27可开启，也可关闭。当旁通阀27开启时，太阳能集热器15出水一部分储存在蓄热水箱28中，一部分经旁通阀27供热水，此时蓄热水箱28可参与供热水。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水。当干燥箱18进风温度低于设定值时，电加热器17开启，否则关闭。

此时制冷剂回路和模式一所述相同。

太阳能水回路中，当旁通阀27开启时，太阳能集热器15吸收能量后加热水，得到的热水一部分进入蓄热水箱28储存起来，另一部分经过旁通阀27进入第三截止阀12。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水经过第三截止阀12进入第二蒸发器23，热水在第二蒸发器23中与制冷剂换热，降温后的热水经过第四截止阀13流出后在循环水泵14的驱动下流回太阳能集热器15完成热水回路循环。

空气通路中，在第一蒸发器22除湿后的干空气在循环风机16驱动下，经挡水板24、第一风阀1进入冷凝器20，在冷凝器20中吸热升温后经过第九风阀9、循环风机16和电加热器17进入干燥箱完成物料的干燥。

模式五：太阳能热源干燥模式

此时热泵系统不投入运行。压缩机19停止。

第二风阀2、第八风阀8开启，第一风阀1、第三风阀3、第四风阀4、第五风阀5、第六风阀6、第七风阀7、第九风阀9关闭，水回路中第三截止阀12、第四截止阀13关闭，第一截止阀10、第二截止阀11、循环水泵14、循环风机16开启。旁通阀27可开启，也可关闭。当旁通阀27开启时，太阳能集热器15出水一部分储存在蓄热水箱28中，一部分经旁通阀27供热水，此时蓄热水箱28可参与供热水。当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28单独供热水。当干燥箱18进风温度低于设定值时，电加热器17开启，否则关闭。

此时制冷剂回路中制冷剂不流动。

太阳能水回路中，当旁通阀27开启时，太阳能集热器15吸收能量后加热水，得到的热水一部分进入蓄热水箱28储存起来，另一部分经过旁通阀27和第一截止阀10进入气水换热器26。当蓄热水箱28水位达到要求后，其出水与旁通阀27出水混合后进入气水换热器26，当旁通阀27关闭时，由蓄热水箱28供热水进入气水换热器26，高温热水在气水换热器26放热加热干燥空气，再经过第二截止阀11流出，在循环水泵14的驱动下流回太阳能集热器15完成热水回路循环。

空气通路中，干燥箱18出风经第一蒸发器22、挡水板24和第二风阀2进入气水换热器26，在气水换热器26中吸热升温后经过第八风阀8、循环风机16和电加热器17进入干燥箱18完成物料的干燥。

第一蒸发器22可以是翅片管式、板翅式换热器，第二蒸发器23可以是套管式、管壳式、板式换热器。通过在两个蒸发器进口管路上分别加装电磁阀，调节控制两个电磁阀同时或单独开启，可实现第一蒸发器22和第二蒸发器23的并联或单独运行。

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。

Claims (3)

1.一种适用低温工况的多能互补热泵干燥装置，其特征是包括制冷剂回路、水回路、空气回路；

制冷剂回路包括压缩机（19）、冷凝器（20）、节流阀（21）、第一蒸发器（22）、第二蒸发器（23），其中，压缩机（19）出口连接冷凝器（20）进口，冷凝器（20）出口连接节流阀（21）进口，节流阀（21）出口一路连接第一蒸发器（22）进口，另一路连接第二蒸发器（23）进口，第一蒸发器（22）和第二蒸发器（23）出口连接压缩机（19）进口；

水回路包括第一截止阀（10）、第二截止阀（11）、第三截止阀(12)、第四截止阀(13)、循环水泵(14)、太阳能集热器(15)、气水换热器（26）、第二蒸发器（23）、旁通阀（27）、蓄热水箱（28），其中，太阳能集热器（15）出口一路连接蓄热水箱（28）进口，另一路接旁通阀（27）进口，蓄热水箱（28）下侧出口接第一截止阀（10）进口、第三截止阀(12)进口和旁通阀（27）出口，第一截止阀（10）出口连接气水换热器（26）进口，气水换热器（26）出口连接第二截止阀（11）进口，第三截止阀(12)出口连接第二蒸发器（23）进口，第二蒸发器（23）出口连接第四截止阀(13)进口，第四截止阀(13)出口和第二截止阀（11）出口连接循环水泵(14)进口，循环水泵(14)出口连接太阳能集热器(15)进口；

空气回路包括风道（100），风道（100）内设置第一风阀（1）、第二风阀（2）、第三风阀（3）、第四风阀（4）、第五风阀（5）、第六风阀（6）、第七风阀(7)、第八风阀(8)、第九风阀(9)用于控制空气通路的开启与闭合，空气回路还包括循环风机(16)、电加热器(17)、干燥箱(18)、冷凝器（20）、气水换热器（26）、挡水板（24）、液槽（25），第一蒸发器（22）与第一截止阀（10）之间靠近第一蒸发器（22）处设置挡水板（24）阻挡空气中的水汽进入风道（100），液槽（25）置于第一蒸发器（22）下方，用于盛接储存第一蒸发器（22）产生的冷凝水；

并且，制冷剂回路、水回路和空气回路的运行工质分别为制冷剂、水和空气。

2.根据权利要求1所述一种多能互补热泵干燥装置，其特征是第一蒸发器（22）是翅片管式换热器或板翅式换热器，第二蒸发器（23）是套管式换热器或管壳式换热器或板式换热器。

3.根据权利要求1所述一种多能互补热泵干燥装置，其特征是第一蒸发器（22）和/或第二蒸发器（23）的进口管路上加装电磁阀门。

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