CN114322470A - 一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，包括水蒸汽循环回路、制冷剂循环回路和干燥室；干燥室中设有制冷剂‑空气热交换器、水蒸汽‑干燥原料热交换器、用于驱动空气流过制冷剂‑空气热交换器的风机；制冷剂循环回路包括依次通过制冷剂管路连接的压缩机、制冷剂‑水蒸汽热交换器的制冷剂通道、第一节流装置、制冷剂‑空气热交换器的制冷剂通道；水蒸汽循环回路包括依次通过蒸汽管路连接的水蒸汽‑干燥原料热交换器的水蒸汽通道和蒸汽引射组件。与现有技术相比，本发明使得锅炉功率降低、系统控制难度降低、运行范围增大且调节能力增强；供应温度可以做到150℃以上，扩展了制冷剂蒸气压缩式热泵在干燥领域的应用范围。

Description

一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统

技术领域

本发明涉及干燥技术领域，尤其是涉及一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统。

背景技术

干燥技术广泛应用于工业生产过程，其中，热能干燥技术是目前的主流方法，尤其是在高温干燥领域。

传统的高温热能干燥技术一般是通过高温介质(蒸汽、烟气等)加热干燥室的空气，或者直接将高温介质通入干燥室内，促使干燥原料内部的水分蒸发，然后将高温高湿的空气以及加热介质直接排入环境。这种方案能源利用效率较低、而且易于污染环境。

通过热泵技术进行干燥过程的能量回收，可以有效降低干燥能耗。其中，一种改进思路是水蒸汽喷射热泵技术的应用。其基本原理为，热泵系统以水蒸汽为循环工质，以消耗锅炉热能和水泵电功为代价，通过闭式循环除湿的方式和蒸汽引射器的使用，回收利用了湿空气的潜热和低温水蒸汽的能量。具体为，系统的蒸发器和冷凝器均置于干燥室内，对干燥室内的空气进行先除湿后升温，回收利用湿空气中的水蒸汽潜热；系统的蒸汽引射器将工作蒸汽(锅炉生产的高温蒸汽)和引射蒸汽(喷射蒸汽经过放热冷凝、节流、蒸发生成的低温蒸汽)进行混合，生成用于干燥的喷射蒸汽，回收利用低温蒸汽能量。这类系统的优势在于：1)锅炉可以生产150℃以上的水蒸汽，适用于高温干燥领域；2)湿空气潜热与低温水蒸汽能量的回收有助于提高能源利用效率。该系统的一般形式参见专利CN206626943U公开的一种蒸汽式烘干装置。

另一种改进思路是制冷剂蒸气压缩式热泵技术的应用。其基本原理为，热泵系统以制冷剂作为循环工质，以消耗压缩机的电功为代价，通过闭式循环除湿的方式，对干燥室内的空气进行先除湿后升温，回收利用湿空气中的水蒸汽潜热。这类系统的优势在于：系统能效高、结构紧凑、易于调节，被广泛用于常规温度的烘干领域。

然而，上述两种热泵系统仍然存在一些不足。现有的水蒸汽喷射热泵干燥系统的不足之处在于：1)锅炉功率较大，系统效率有待提升。2)系统的运行范围有限，且调节和控制难度较大。

制冷剂蒸气压缩式热泵干燥系统的不足之处在于，由于压缩机温度限制，难以提供150℃及以上的温度，因此很难以单一系统的形式用于高温干燥领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，本发明属于一种复合系统，将水蒸汽喷射式热泵技术与制冷剂蒸气压缩式热泵技术结合，其方式是将制冷剂循环的蒸发器和冷凝器分别置于干燥室和引射蒸汽流路。

对于背景技术中提到的现有技术，申请人进一步对其缺陷分析如下：

1)锅炉功率较大，系统效率有待提升。现有系统中，喷射蒸汽在干燥室中放热冷凝后，其中一个流路经过节流变成低温水蒸汽，进入蒸发器，从干燥室中的湿空气吸热蒸发，然后作为引射蒸汽流入引射器。由于空气的除湿温度限制，引射蒸汽的蒸发温度较低，因此需要锅炉生产大流量、高温度的工作蒸汽，以得到目标温度的喷射蒸汽，导致锅炉功率较大。

2)系统的运行范围有限，且调节和控制难度较大。现有系统中，喷射蒸汽向干燥室内空气散热冷凝，而引射蒸汽从干燥室内空气吸热蒸发，两个换热过程的流量、温度互相影响。这在一定程度上限制了系统的运行范围，也不利于系统的调节和控制。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本技术方案的目的是保护一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，包括水蒸汽循环回路、制冷剂循环回路和干燥室；

所述干燥室中设有制冷剂-空气热交换器、水蒸汽-干燥原料热交换器、用于驱动空气流过制冷剂-空气热交换器的风机，所述水蒸汽-干燥原料热交换器中，干燥原料和水蒸汽通过热传导的方式进行热交换，所述干燥室实现干燥原料的干燥；

所述制冷剂循环回路包括依次通过制冷剂管路连接的压缩机、制冷剂-水蒸汽热交换器的制冷剂通道、第一节流装置、制冷剂-空气热交换器的制冷剂通道，所述制冷剂循环回路实现干燥室内的空气降温除湿以及引射蒸汽的吸热蒸发；

所述水蒸汽循环回路包括依次通过蒸汽管路连接的水蒸汽-干燥原料热交换器的水蒸汽通道和蒸汽引射组件，所述水蒸汽循环回路实现水蒸汽的生产和回收利用。

进一步地，所述蒸汽引射组件包括相互并联且与蒸汽引射器连接的：

第一支路，包括依次通过蒸汽管路连接的水泵、电热锅炉；

第二支路，包括依次通过蒸汽管路连接的第二节流装置、制冷剂-水蒸汽热交换器的水蒸汽通道。

进一步地，所述第一支路中，从水蒸汽-干燥原料热交换器中流出的冷凝水在水泵的作用下，流入电热锅炉中增温增压，然后作为高温高压的工作蒸汽流入蒸汽引射器。

进一步地，所述第二支路中，从水蒸汽-干燥原料热交换器中流出的冷凝水经过第二节流装置，节流降压，然后流经制冷剂-水蒸汽热交换器的水蒸汽通道进行吸热蒸发，作为引射蒸汽流入蒸汽引射器。

具体地，一个流路经水泵送入电热锅炉加热后，作为高温高压的工作蒸汽流入引射器，另一个流路经过第二节流装置，在制冷剂-水蒸汽热交换器中的中吸热蒸发，然后作为引射蒸汽流入引射器，最终在蒸汽引射器中混合成为工艺要求的喷射蒸汽。

进一步地，所述水蒸汽循环回路的电热锅炉通过内部的电热管生产高温水蒸汽，其结构以及承压能力等参数按照需求进行选择；

进一步地，所述水蒸汽循环回路的蒸汽引射器，可根据高低压水蒸汽的参数进行不同的结构设计，得到工艺要求的喷射蒸汽。

进一步地，所述工作蒸汽与引射蒸汽在蒸汽引射器中混合，进行能量交换，然后从蒸汽引射器中排出，流入水蒸汽-干燥原料热交换器的水蒸汽通道，完成水蒸汽循环。

进一步地，所述水蒸汽-干燥原料热交换器通过热传导的方式将水蒸汽的热量传递至干燥原料，使得干燥原料内的水分排出。其结构根据需求进行选择或者设计。

进一步地，所述制冷剂-水蒸汽热交换器内的制冷剂与流经的水蒸汽换热，使得水蒸汽吸热蒸发。

具体地，制冷剂-水蒸汽热交换器内的高温制冷剂与流经的低温水蒸汽换热，使得低温水蒸汽吸热蒸发。

进一步地，所述风机为轴流风机，以此驱动干燥室内高温高湿的空气流过制冷剂-空气热交换器。

进一步地，所述制冷剂-空气热交换器为风冷式翅片管换热器，置于干燥室内，所述制冷剂-空气热交换器内流过的制冷剂从干燥室内的空气中吸热，实现空气的降温除湿。

具体地，所述制冷剂-空气热交换器内流过的低温制冷剂从干燥室内的高温高湿的空气中吸热，实现空气的降温除湿。

进一步地，所述干燥室外部包裹有保温材料。

面向木材等原料的高温干燥需求，本发明对用于干燥的水蒸汽介质以及原料排出的水蒸汽潜热都能充分回收，显著提高干燥系统能效。本发明主要优点和有益效果在于：

1)通过水蒸汽循环系统的蒸汽引射器，将工作蒸汽(锅炉生产的高温蒸汽)和引射蒸汽(喷射蒸汽经过放热冷凝、节流、吸热蒸发后生成的蒸汽)进行混合，生成用于干燥的喷射蒸汽，回收利用了低温水蒸汽能量，避免水蒸汽热量与水资源的浪费。

2)制冷剂循环系统以干燥室内高温高湿的空气作为热源，由于热源品质较高，热泵系统能效高、耗电少；同时也避免了干燥室内高温高湿的空气向环境直接排放，从而最大程度地减少了能源浪费。

3)通过蒸汽热交换器，以热传导的方式进行木材等原料的干燥，干燥过程稳定、均匀、清洁。

附图说明

图1为本发明实施例1的原理示意图。

图中：1、压缩机，2、制冷剂-水蒸汽热交换器，3、第一节流装置，4、制冷剂-空气热交换器，5、风机，6、干燥原料，7、水蒸汽-干燥原料热交换器，8、干燥室，9、蒸汽引射器，10、电热锅炉，11、水泵，12、第二节流装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本发明提供了一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统(参见图1)，包括制冷剂循环系统、水蒸汽循环系统和干燥室。

制冷剂循环系统包括压缩机1、制冷剂-水蒸汽热交换器2、第一节流装置3、制冷剂-空气热交换器4、风机5以及制冷剂管道，水蒸汽循环系统包括水蒸汽-干燥原料热交换器7、蒸汽引射器9、电热锅炉10、水泵11、第二节流装置12、以及管道，干燥室8中容纳有制冷剂-空气热交换器4、风机5、干燥原料6以及水蒸汽-干燥原料热交换器7。

水蒸汽循环回路的电热锅炉通过内部的电热管生产高温水蒸汽，其结构以及承压能力等参数按照需求进行选择；水蒸汽循环回路的蒸汽引射器，可根据高低压水蒸汽的参数进行不同的结构设计，得到工艺要求的喷射蒸汽。工作蒸汽与引射蒸汽在蒸汽引射器9中混合，进行能量交换，然后从蒸汽引射器9中排出，流入水蒸汽-干燥原料热交换器7的水蒸汽通道，完成水蒸汽循环。

水蒸汽-干燥原料热交换器7通过热传导的方式将水蒸汽的热量传递至干燥原料6，使得干燥原料6内的水分排出，具体热传导材料及形式可采用现有技术中的主流形式设计，其结构根据需求进行选择或者设计。制冷剂-水蒸汽热交换器2内的制冷剂与流经的水蒸汽换热，使得水蒸汽吸热蒸发。具体地，制冷剂-水蒸汽热交换器内的高温制冷剂与流经的低温水蒸汽换热，使得低温水蒸汽吸热蒸发。

风机5为轴流风机，以此驱动干燥室8内高温高湿的空气流过制冷剂-空气热交换器4。制冷剂-空气热交换器4为风冷式翅片管换热器，置于所述干燥室8内，所述制冷剂-空气热交换器4内流过的制冷剂从干燥室内的空气中吸热，实现空气的降温除湿。具体地，所述制冷剂-空气热交换器4内流过的低温制冷剂从干燥室内的高温高湿的空气中吸热，实现空气的降温除湿。干燥室8外部包裹有保温材料，可采用现有技术中主流的保温材料。

以木材原料的干燥过程为例，说明本实施例的工作流程。

制冷剂循环：①从第一节流装置3流出的低温低压的两相流制冷剂流经制冷剂-空气热交换器4的制冷剂通道，从干燥室8中高温高湿的空气中吸热，蒸发成为低温低压的制冷剂气体；②低温低压的制冷剂气体流入压缩机1，在压缩机中1被压缩成高温高压的制冷剂气体；③压缩机排气流入制冷剂-水蒸汽热交换器2的制冷剂通道，对流经的水蒸汽放热，冷凝成为高温高压的制冷剂液体；④该制冷剂液体流经第一节流装置3，节流成为低温低压的制冷剂两相流，继续流入制冷剂-空气热交换器4的制冷剂通道，完成制冷剂循环。

干燥室内的空气循环：干燥室8内低温低湿的空气流经干燥原料6的表面，吸收干燥原料6蒸发出的水蒸汽，变为高温高湿的空气，在风机5的作用下，再流经热泵系统的制冷剂-空气热交换器4的空气通道，向低温制冷剂放热，降温除湿后变为低温低湿的空气，完成空气循环。

水蒸汽循环：①蒸汽引射器9排出的喷射蒸汽进入干燥室8内的水蒸汽-干燥原料热交换器7的水蒸汽通道，通过热传导的方式向干燥原料6放热，冷凝成为液态水；②液态水分为两个流路，其中一个流路在水泵11的作用下，流入电热锅炉10，被加热至高温高压状态，然后作为工作蒸汽流入蒸汽引射器9；③液态水的另一个流路经过第二节流装置12，节流为低温低压的蒸汽，然后流经制冷剂-水蒸汽热交换器2的水蒸汽通道，从高温制冷剂中吸热蒸发，作为引射蒸汽流入蒸汽引射器9；④工作蒸汽与引射蒸汽在蒸汽引射器9中混合，进行能量交换，然后从蒸汽引射器9中排出，进入干燥室8内的水蒸汽-干燥原料热交换器7的水蒸汽通道，完成水蒸汽循环。

干燥室8中的原料干燥过程：在水蒸汽-干燥原料热交换器7中，干燥原料6通过热传导的方式从流经的水蒸汽中吸热，在热能以及与干燥室8内低温低湿空气的水蒸气分压差的作用下，原料6内部的水分不断蒸发，完成干燥过程。

对比例1

CN206626943U公开了一种蒸汽式烘干装置，烘干装置包括蒸汽组件、烘干组件以及加热组件，所述蒸汽组件包括蒸汽输送组件和蒸汽回收组件，所述蒸汽输送组件包括喷蒸阀、加热阀、蒸汽喷射器、喷蒸管，所述蒸汽回收组件包括蒸发器、集水器、膨胀阀以及水箱，所述高温蒸汽在喷蒸阀和加热阀的控制下进入干燥装置，所述烘干组件包括干燥箱体和风机，所述干燥箱体内设置有木材。

相比于专利CN206626943U公开的水蒸汽喷射热泵干燥系统，本发明的优势在于：

1)系统的锅炉功率减小。由于本发明中的引射蒸汽是从制冷剂循环的高温侧吸热蒸发，其蒸发温度较高，因此在生产同等喷射蒸汽的条件下，对工作蒸汽的温度、流量要求降低，从而减小了锅炉功率。

2)系统控制难度降低、运行范围增大且调节能力增强。本发明中，制冷剂循环系统的低温侧用于干燥室内空气的降温除湿，高温侧用于引射蒸汽的吸热蒸发。这样的好处在于：①避免喷射蒸汽的冷凝和引射蒸汽的蒸发都以干燥室内空气为换热介质，从而互相影响。因此相比于现有的水蒸汽喷射热泵干燥系统，系统的控制难度降低；②利用制冷剂循环的温差，降低空气除湿温度的同时提高了引射蒸汽的蒸发温度。相比于现有的水蒸汽喷射热泵干燥系统，系统的运行范围增大；③通过制冷剂压缩式热泵引入了压缩机转速、节流阀开度的调节，相比于现有的水蒸汽喷射热泵干燥系统，系统的调节能力得到增强。

相比于一般的制冷剂蒸气压缩式热泵干燥系统，本发明的优势在于，供应温度可以做到150℃以上，扩展了在干燥领域的应用范围。

综上，本发明的系统效率较高、调节能力较强，适用于高温干燥领域。

上述实施例中未完整展示水蒸汽循环、制冷剂循环和干燥室的所有部件，实施过程中，在水蒸汽回路设置阀门、收集罐、过滤器等常见辅件，选用不同结构的水蒸汽-干燥原料热交换器，制冷剂回路设置高压储液器、气液分离器、油分离、过滤器、干燥器等常见制冷辅件，在干燥室内设置消声器，加湿器，加热器，杀菌装置等空气处理辅件，或不脱离本发明技术方案的精神增加热交换器，风机和风阀等，均不能视为对本发明进行了实质性改进，应属于本发明保护范围。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，包括水蒸汽循环回路、制冷剂循环回路和干燥室(8)；

所述干燥室(8)中设有制冷剂-空气热交换器(4)、水蒸汽-干燥原料热交换器(7)、用于驱动空气流过制冷剂-空气热交换器(4)的风机(5)，所述水蒸汽-干燥原料热交换器(7)中，干燥原料(6)和水蒸气通过热传导的方式进行热交换，所述干燥室(8)实现干燥原料(6)的干燥；

所述制冷剂循环回路包括依次通过制冷剂管路连接的压缩机(1)、制冷剂-水蒸汽热交换器(2)的制冷剂通道、第一节流装置(3)、制冷剂-空气热交换器(4)的制冷剂通道，所述制冷剂循环回路实现干燥室(8)内的空气降温除湿以及引射蒸汽的吸热蒸发；

所述水蒸汽循环回路包括依次通过蒸汽管路连接的水蒸汽-干燥原料热交换器(7)的水蒸汽通道和蒸汽引射组件，所述水蒸汽循环回路实现水蒸汽的生产和回收利用。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述蒸汽引射组件包括相互并联且与蒸汽引射器(9)连接的：

第一支路，包括依次通过蒸汽管路连接的水泵(11)、电热锅炉(10)；

第二支路，包括依次通过蒸汽管路连接的第二节流装置(12)、制冷剂-水蒸汽热交换器(2)的水蒸汽通道。

3.根据权利要求2所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述第一支路中，从水蒸汽-干燥原料热交换器(7)中流出的冷凝水在水泵(11)的作用下，流入电热锅炉(10)中增温增压，然后作为高温高压的工作蒸汽流入蒸汽引射器(9)。

4.根据权利要求3所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述第二支路中，从水蒸汽-干燥原料热交换器(7)中流出的冷凝水经过第二节流装置(12)，节流降压，然后流经制冷剂-水蒸汽热交换器(2)的水蒸汽通道进行吸热蒸发，作为引射蒸汽流入蒸汽引射器(9)。

5.根据权利要求4所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述工作蒸汽与引射蒸汽在蒸汽引射器(9)中混合，进行能量交换，然后从蒸汽引射器(9)排出，流入水蒸汽-干燥原料热交换器(7)的水蒸汽通道，完成水蒸汽循环。

6.根据权利要求1所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述水蒸汽-干燥原料热交换器(7)通过热传导的方式将水蒸汽的热量传递至干燥原料(6)，使得干燥原料内的水分排出。

7.根据权利要求1所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述制冷剂-水蒸汽热交换器(2)内的制冷剂与流经的水蒸汽换热，使得水蒸汽吸热蒸发。

8.根据权利要求1所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述风机(5)为轴流风机，以此驱动干燥室(8)内空气流过制冷剂-空气热交换器(4)。

9.根据权利要求1所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述制冷剂-空气热交换器(4)为风冷式翅片管换热器，置于干燥室内，所述制冷剂-空气热交换器(4)内流过的制冷剂从干燥室内的空气中吸热，实现空气的降温除湿。

10.根据权利要求1所述的一种蒸汽引射增强的高温热泵烘干系统，其特征在于，所述干燥室(8)外部包裹有保温材料。

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