CN112268449B - 一种燃气机空气源热泵机组、烘干装置、烘干系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气机空气源热泵机组、烘干装置、烘干系统及方法，解决了现有技术中烘干领域存在热能利用率低的问题，具有提高热泵节能效果的有益效果，具体方案如下：一种燃气机空气源热泵机组，包括依次连接的内燃机、压缩机、冷凝器和蒸发器，蒸发器回连至压缩机，内燃机出口烟道设置烟气显热回收器以吸收烟气显热，烟气显热回收器与烟气冷凝换热器连接再进一步释放冷凝热量，蒸发器设于热泵机组的空气入口，烟气显热回收器设于热泵机组的末端。

Description

一种燃气机空气源热泵机组、烘干装置、烘干系统及方法

技术领域

本发明涉及物料烘干领域，尤其是一种燃气机空气源热泵机组、烘干装置、烘干系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

物料烘干工艺是一个大量耗能的过程，据统计在部分国家用于烘干的能耗占全国总能耗的5％～20％，而热效率仅为20％～60％。烘干机或烘干系统是粮食加工、水产膨化饲料、食品行业生产工艺流程中不可或缺的主要设备，一直是工艺流程中耗能较高的设备之一，其主要原因是需要通过加热空气后热风与物料的热对流靠蒸发把水分带走。

在过去的30多年前，蒸汽一直是给烘干空气加热的热源，而蒸汽一般来自于燃煤锅炉房，随着国家对燃煤锅炉的管控，大多数大中型水产饲料食品膨化工厂就直接改用燃气锅炉，而燃气锅炉通过产生蒸汽再去加热空气的过程中热量浪费严重、效率低下，因此目前燃气直燃式烘干机渐渐被国内的烘干行业所采用。而燃气直燃式烘干机使用天然气时正常工作温度在900～1200℃，这种温度不仅会影响产品烘干质量，在安全生产方面也存在着较大的隐患。

近年来的清洁能源改造实施过程中，大中型烘干系统多数采用“气代煤”，但不管是采用燃气锅炉生产蒸汽(热水)来间接加热烘干物料还是燃气炉直接加热烘房的循环空气，将燃气这种高品位的能源直接燃烧用于温度较低的低品位要求的烘干需求，就会造成能源强度损失及能源品位的浪费。在中小型烘干装置清洁能源替代中当前一般采用“电代煤”，也就是目前以电为驱动能源的普通空气源热泵机组,为此农业部和不少地方政府连续多年安排专项资金对热泵设备进行补贴，明确将谷物干燥机、果蔬干燥机、油菜籽干燥机、茶叶杀青机、茶叶炒(烘)干机纳入农机购置补贴范围。目前我国各类干燥室加工制造企业超过1300家，电动热泵干燥机组生产企业超过500家。

空气源热泵是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种制热装置，利用动力驱动压缩机，吸收空气中的低位热量输送至高位热能的机械设备。目前应用于烘干行业的空气源热泵驱动动力全部是电力，我国的电力来源主要还是矿物资源通过热能转换为机械能而生产的，火力发电在能量的多次转换过程中和电力的输配中损耗较大，一次能源利用率仅为30％左右，显然这种高品位电能不适合用于烘干行业的这种低品位热能需求。因此烘干行业应用空气源热泵方式的仅仅是一些中小型烘干装置，大中型烘干系统主要还是直接利用一次能源供热来实现的。

燃气机热泵也叫燃气引擎驱动热泵(GasenginedrivenHeatPump，缩写为GHP)主要指应用于多联式冷媒空调系统的多用途机组，主要生产商有两个日本品牌和一个韩国品牌，即松下制冷大连有限公司(原大连三洋制冷有限公司)和洋马株式会社及韩国LS集团空调事业部。发明人发现，目前这类产品已广泛应用于民用建筑的暖通空调领域，而在烘干行业的应用还属空白。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种燃气机空气源热泵机组，结构简单，整体设置合理，在不改变普通电动热泵冷凝(蒸发)压力的情况下，通过设置在装置末端的烟气显热换热器进一步提高循环空气温度；或者说在不改变末端空气温度的情况下，可以适当降低冷凝(蒸发)压力，使热泵更加节能。

本发明的第二目的是提供一种烘干装置，第三目的是提供一种烘干系统，将现有燃气资源与空气源热泵技术有机结合起来，应用于烘干行业，以解决大中型烘干系统高品位能源的浪费、生产安全及影响产品质量的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种燃气机空气源热泵机组，包括依次连接的内燃机、压缩机、冷凝器和蒸发器，蒸发器回连至压缩机，内燃机出口烟道设置烟气显热回收器以吸收烟气显热，烟气显热回收器与烟气冷凝换热器连接再进一步释放冷凝热量，蒸发器设于热泵机组的空气入口处，烟气显热回收器设于热泵机组的末端，烟气冷凝换热器由于紧随蒸发器之后遇低温空气，可使机组排烟温度在20℃以下。

上述的热泵机组，烟气显热回收器设置在内燃机的烟气管道上，烟气冷凝换热器设置在循环空气的低温区，内燃机排烟口、烟气显热换热器、烟气冷凝换热器构成烟气余热回收系统的部分；蒸发器设置在空气入口处，冷凝器设置在机组的中间部位作为主加热器用，烟气显热换热器设置在机组末端，可进一步提高循环空气温度，适当降低冷凝(蒸发)压力，使热泵更加节能。

如上所述的一种燃气机空气源热泵机组，所述内燃机具有缸套，缸套与缸套水换热器连接以对缸套进行换热，缸套水换热器代替了原发动机配套的冷却水箱，并省掉了冷却水箱风扇，作为辅助空气加热器。

如上所述的一种燃气机空气源热泵机组，所述蒸发器、烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套水换热器、烟气显热换热器依次布置，且相邻两个部件之间间隔设定距离设置，使得空气依次经过蒸发器、烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套水换热器、烟气显热换热器，使得空气的温度逐步提高，充分利用热能；这5个件的顺序也可以根据不同烘干物料对温度的不同要求做部分调整，实现了不同温度热能的合理利用和使其热能效益的最大化。

如上所述的一种燃气机空气源热泵机组，所述烟气冷凝换热器烟腔部分容积加大以降低烟气流速，可以有效减小设备震动和噪音。

如上所述的一种燃气机空气源热泵机组，所述烟气冷凝换热器与风机连接以排烟，风机为轴流风机，且风机也为烟气余热回收系统的一部分，可以有效减少余热回收系统烟道系统对内燃机的影响。

所述内燃机与压缩机之间设置变速器。

第二方面，本发明还提供了一种烘干装置，包括箱体，箱体内设置所述的一种燃气机空气源热泵机组，烘干装置可独立于烘房之外灵活布置，各段可自由组合，在占地面积紧张时可立体布置。

如上所述的一种烘干装置，所述箱体在蒸发器和烟气冷凝换热器之间设置进风口，箱体在蒸发器远离烟气冷凝换热器的一侧设置回风口，箱体在烟气显热换热器远离缸套水换热器的一侧设置出风口，这样箱体内在蒸发器的一侧形成回风段、在蒸发器与烟气冷凝换热器之间形成混合段，在烟气显热换热器的一侧形成送风段。

如上所述的一种烘干装置，所述蒸发器在靠近所述烟气冷凝换热器的一侧设置挡水板以避免将蒸发器翅片的水滴带走；

在挡水板远离蒸发器的一侧设置导流板，导流板与所述发动机、压缩机之间设置气流旁通风道，且导流板与变速器之间同样设置气流旁通风道，这两个气流旁通风道可为一体，在即将到达各部件表面处进行分开，可以将较低温度的空气直接导流至发动机和压缩机等设备表面，以使得空气带走这三个设备表面产生的热量，充分吸收设备和管件的散热并延长运转部件使用寿命。

第三方面，本发明还公开了一种烘干系统，包括所述的烘干装置，烘干装置与烘房连通，烘房连接到新风换气机；针对烘干物料水份过大的使用场合，在室外空气相对湿度较低的地区，将烘房的高湿气体排掉一部分，通过新风换气机加热室外新风，以降低热泵机组的除湿负荷。

蒸发器、烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套水换热器、烟气显热换热器、烘房依次连接构成烘干空气循环系统。

如上所述的一种烘干系统，在所述烘干装置与所述烘房连通的管道设置防火阀，以满足燃气和烘房的安全要求。

第四方面，本发明还公开了一种烘干系统的使用方法，包括如下内容：

来自烘房的湿热空气分两路：一路接入烘干装置的回风段，经蒸发器析出水分后进入由新风与脱水后的回风汇合的混合段；另一路去新风换气机，与来自外界的新风进行热交换，降温后直接排至室外；

经过新风换气机升温后的新风和去湿后的回风在混合段汇集后依次经过烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套冷却器和烟气显热换热器，经过多级加热后的空气与部分经过内燃机、压缩机表面加热的空气一起由送风段送往烘房，构成烘干气流大循环。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明热泵机组的设置，设置烟气显热换热器与整套热泵机组的末端，可进一步提高循环空气温度，在不改变末端空气温度的情况下，可以适当降低冷凝(蒸发)压力，使热泵更加节能。

2)本发明基于燃气机空气源热泵机组设置烘干装置，可将现有的燃气资源和空气源热泵结合，应用于烘干领域，对烘房的空气进行循环，且在烘干装置内依次经过温度不同的换热器进行加热，使得烘干过程能源消耗低，解决大中型烘干系统高品位能源的浪费、生产安全及影响产品质量的问题。

3)本发明通过缸套水换热器的设置，代替了原发动机配套的冷却水箱，并省掉了冷却水箱风扇，作为辅助空气加热器。

4)本发明通过导流板和气流旁通风道的设置，可将部分少量空气送入内燃机和压缩机及其表面，以回收设备和管道表面散热。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种燃气机空气源热泵机组的原理图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种烘干装置的示意图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种烘干系统的示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1-内燃机(含缸套)、2-变速箱(联轴器)、3-压缩机、4-冷凝器、5-膨胀阀、6-蒸发器、7A-烟气显热换热器、7B-烟气冷凝换热器、8-缸套水换热器、9-风机，10-出风口、11-进风口、12-回风口、13-回风管、14-送风管、15-防火阀、16-进风管、17-分支管，18-新风换风机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中烘干领域存在能量强度损失较大的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种燃气机空气源热泵机组、烘干装置、烘干系统及方法。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种燃气机空气源热泵机组，包括内燃机(含缸套)1，变速器(联轴器)2，压缩机3，冷凝器4，膨胀阀5，蒸发器6，烟气显热换热器7A，烟气冷凝换热器7B，缸套水换热器8，排烟风机9。

内燃机1、变速器(联轴器)2、压缩机3、冷凝器4和蒸发器6依次连接，且内燃机1带有缸套；膨胀阀5设置在冷凝器4和蒸发器6之间的连通管路上，且蒸发器6回连至压缩机3，构成空气源热泵冷媒循环系统；烟气显热回收器7A设置在内燃机1的出口烟道上用于吸收烟气显热，然后烟气连接至烟气冷凝换热器7B再进一步释放冷凝热量，由排烟轴流风机9排至室外，构成燃气机排烟系统。

内燃机1的缸套水冷却器不再设置单独风机，由缸套水换热器8替代，缸套、水泵和换热器构成冷却水系统。热泵机组内共设置多个换热器，如可为5个换热器，按照温度逐次升高的顺序分别是：蒸发器、烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套水换热器、烟气显热换热器，其顺序也可以根据不同烘干物料对温度的不同要求做部分调整，实现了不同温度热能的合理利用和使其热能效益的最大化。

具体地，蒸发器6、烟气冷凝换热器7B、冷凝器4、缸套水换热器8、烟气显热换热器7A依次进行布置，该装置应用于烘干领域时，来自烘房中热湿空气先经过蒸发器6降温去湿、再由烟气冷凝换热器7B、冷凝器4、缸套水换热器8、烟气显热换热器7A分别加热，达到一定过热度后送到烘房，构成热风烘干系统。

图1以叙述燃气机热泵烘干机组基本原理为主，便于烘干行业技术人员认识和理解。整个烘干装置除排烟和凝结水排出外可以完全封闭运行，可称之为闭式系统，适用于被烘干物料表面水分不大的场合，图1为本发明技术的简化流程。

实施例二

本实施例公开了一种烘干装置，该装置包括箱体，箱体内设置实施例一所述的燃气机空气源热泵机组，箱体设置进风口11用于引入新风，进风口11朝向内燃机的空气入口设置，进风口位于蒸发器和烟气冷凝换热器之间，箱体设置回风口12和出风口10，在一些示例中，回风口相对于送风口靠近进风口设置，回风口位于蒸发器远离烟气冷凝换热器的侧部，出风口吹出高温气体，出风口设于烟气显热换热器远离缸套水换热器的侧部。

参考图2所示，内燃机的空气入口设置空气过滤器，安装在装置的箱体内，吸收烘干循环风的较热空气以提高内燃机燃烧效率。由于内燃机消耗部分烘干循环风量，因此本装置热风烘干系统需要补充少量室外新风。在图1的基础上增加三个功能段：1.机组进风即回风段；2.新风与脱水后的回风汇合的混合段；3.位于机组末端设有离心风机的送风段。

其中，烟气冷凝换热器由于紧随蒸发器之后遇低温空气，可使机组排烟温度在20℃以下。烟气冷凝换热器的烟腔容器扩大，通过加大换热器烟腔部分容积以降低烟气流速，可以有效减小设备震动和噪音；通过设置在尾部的轴流风机可以有效减少余热回收系统烟道系统对内燃机的影响。

作为进一步的技术方案，将内燃机和压缩机等运转设备置于箱体之内，将箱体表面散热可全部释放到烘干空气中；为进一步降低运转部件温度，在蒸发器和挡水板之后的位置设置了导流板，导流板之后设置气流旁通风道，通过导流板和气流旁通风道将较低温度的空气直接导流至发动机和压缩机等设备表面，可充分吸收相关设备和气流旁通风道的散热并延长运转部件使用寿命，如图2所示。

需要特别指出的是，导流板将少量烘干气流通过气流旁通风道直接引向压缩机、内燃机组表面，而不经过烟气冷凝换热器7B、冷凝器4、缸套水换热器8加热，这部分气流在吸收设备表面的散热后再汇入主气流一起进入烟气显热换热器7A。在气流旁通风道入口处设置了调节阀，以便根据气流温度调节旁路风量大小。

烘干装置可独立于烘房之外灵活布置，回风段、混合段和送风段可自由组合，在占地面积紧张时可立体布置。为避免高温环境可能着火的风险，在烘干装置的箱体与烘房的烘干循环气流旁通风道上设置防火阀。

针对烘干物料水份过大的使用场合，在室外空气相对湿度较低的地区，将烘房的高湿气体排掉一部分，通过新风换气机加热室外新风，以降低热泵机组的除湿负荷，如图3所示。

具体地，新风换气机为显热交换器，而非民用建筑空调中的全热交换器，新风经过新风换气机加热只升温不增湿，且降低了相对湿度，由新风换气机内的风机送入烘干装置的回风段(即图3中的烟气冷凝换热器蒸发器段)。

本发明的技术原理是将燃气(或燃油)这种高品位能源分两次利用，即首先在内燃机如发动机内通过膨胀做功利用其动能，其次在其燃烧后的产热和机械运动摩擦的产热全部予以回收。通过对空气源热泵的火用分析可知，燃气机空气源热泵总火用效率为22.52％，其一次能源利用率PER可达1.97，均高于电动空气源热泵。将燃气机热泵机组应用于物料烘干系统可以全面回收各种废热，效率更高。由于增加了烟气冷凝换热器，使最后排烟与蒸发器之后的冷空气进行热交换，可以使内燃机排烟温度降至20℃以下。因此，将燃气机热泵机组应用于物料的烘干比应用于建筑供暖、卫生热水等其他场所其节能效果更明显。

烘干装置的基本流程为：来自烘房的湿热空气(即回风)经过回风段降速后均匀地通过蒸发器6，由于冷媒在蒸发器内低压状态下吸热使得流经此处的饱和空气在降温的同时析出大量凝结水。由于较高风速的气流容易将蒸发器翅片的水滴带走，在蒸发器之后设置了挡水板，挡水板设于蒸发器靠近烟气冷凝换热器的一侧设置以避免水滴被带走。经过挡水板之后的低温气流与来自外界的新风在混合段内汇集，混合气流首先进入烟气冷凝换热器7B，与来自显热换热器7A的烟气进行热交换，使烟气在进一步降温的同时析出凝结水。然后烘干气流继续向前经过冷凝器4、缸套水换热器8和烟气显热换热器7A被加热后，由装有离心风机的送风段送往烘房。

实施例三

本实施例公开一种烘干系统，该系统包括实施例二所述的一种烘干装置，该烘干装置的送风口通过送风管14与烘房19连通，且回风口与烘房之间设置回风管13，送风管和回风管均设置防火阀15，回风管在靠近回风口处设置分支管17，分支管连接到新风换气机18，分支管设置调节阀，同时，回风管靠近回风口处、进风管靠近进风口处均设置调节阀，且烘干装置中进风口通过进风管16与新风换气机18连接。

可以理解的是，防火阀15的设置温度与送风湿度有关，应高于为70°。

这样烘干装置从一侧到另一侧分为送风段、燃气压缩机段、冷凝段、混合段和回风段，燃气压缩机段用于设置内燃机和压缩机等，冷凝段用于设置冷凝器，混合段也是烟气冷凝换热器蒸发器段，用于设置烟气冷凝换热器，蒸发器设于混合段和回风段之间。

基于被烘干物料特性和当地气候特点，普通烘干系统按照循环气流与外界空气的关系可以分为开式、半开式(半封式)、封闭式(闭式系统)3类。其中半开式烘干装置是将循环系统的一部分高温高湿气体排出，引进部分外界新风参与烘干系统循环，如图3右边部分所示，这种方式类型适用于被烘干物料含水量大且室外空气相对湿度较低的场合，可以根据烘干物料的过程阶段适时调节新风比例。

图3是图2烘干装置在半开式烘干系统中的一种具体应用方式，本发明的这种应用方式在原普通半开式烘干系统的基础上增加了新风换气机，其中的新风换气机作为重要节能设备，主要作用是利用排风的热量来提高新风温度，如图3右边部分所示。

现对所述燃气机热泵在此系统的应用工作流程描述如下：

来自烘房的湿热空气分两路：一路接入所述烘干装置的回风段，经蒸发器6析出水分后进入混合段；另一路去新风换气机，与来自外界的新风进行热交换，降温后直接排至室外。经过新风换气机升温后的新风和去湿后的回风在混合段汇集后依次经过烟气冷凝换热器7B、冷凝段中的冷凝器4、燃气压缩机段的缸套冷却器8和烟气显热换热器7A，经过此4级加热后的空气与少量经过内燃机、压缩机等设备表面加热的空气一起由送风段送往烘房，构成烘干气流大循环。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)

1.一种烘干系统，基于一种燃气机空气源热泵机组，包括依次连接的内燃机、压缩机、冷凝器和蒸发器，蒸发器回连至压缩机，内燃机出口烟道设置烟气显热回收器以吸收烟气显热，烟气显热回收器与烟气冷凝换热器连接再进一步释放冷凝热量，构成燃气机排烟系统；蒸发器设于热泵机组的空气入口，烟气显热回收器设于热泵机组的末端，提高循环空气温度，降低冷凝压力；烟气冷凝换热器设置在循环空气的低温区，紧随蒸发器之后遇低温空气，使来自烟气显热回收器的烟气进行热交换，通过烟气在降温的同时析出凝结水，使机组排烟温度在20℃以下，烘干系统的特征在于，包括一种烘干装置，所述烘干装置包括箱体，箱体内设置所述的一种燃气机空气源热泵机组；

所述烘干装置与烘房连通，烘房连接到新风换气机，利用排风的热量来提高新风温度；

所述内燃机具有缸套，缸套与缸套水换热器连接以对缸套进行换热；

所述蒸发器、烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套水换热器、烟气显热换热器依次布置，且相邻两个部件之间间隔设定距离设置；

所述箱体在蒸发器和烟气冷凝换热器之间设置进风口，箱体在蒸发器远离烟气冷凝换热器的一侧设置回风口，箱体在烟气显热换热器远离缸套水换热器的一侧设置出风口；

所述蒸发器在靠近所述烟气冷凝换热器的一侧设置挡水板以避免将蒸发器翅片的水滴带走；

在挡水板远离蒸发器的一侧设置导流板，导流板与所述内燃机 、压缩机之间设置气流旁通风道；

所述气流旁通风道的入口处设置了调节阀，以便根据气流温度调节旁路风量大小。

2.根据权利要求1所述的一种烘干系统，其特征在于，所述烟气冷凝换热器与风机连接以排烟；

所述内燃机与压缩机之间设置变速器。

3.根据权利要求1所述的一种烘干系统，其特征在于，在所述烘干装置与所述烘房连通的管道设置防火阀。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种烘干系统的使用方法，其特征在于，包括如下内容：

来自烘房的湿热空气分两路：一路接入烘干装置的回风段，经蒸发器析出水分后进入由新风与脱水后的回风汇合的混合段；另一路去新风换气机，与来自外界的新风进行热交换，降温后直接排至室外；

经过新风换气机升温后的新风和去湿后的回风在混合段汇集后依次经过烟气冷凝换热器、冷凝器、缸套冷却器和烟气显热换热器，经过多级加热后的空气与部分经过内燃机、压缩机表面加热的空气一起由送风段送往烘房，构成烘干气流大循环。

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