CN114573212B - 干燥设备及干燥方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括具有相对第一侧和第二侧的吸附元件、热交换器、冷却器及包括第一冷凝器、第二冷凝器和蒸发器的热泵系统的干燥设备。热交换器气密连通第一侧。冷却器气密连通热交换器与第一侧之间。第一冷凝器和第二冷凝器气密连通第二侧。蒸发器气密连通热交换器。第一冷凝器供气体通过后，吸附元件供气体自第二侧通过。冷却器再供气体通过后，热交换器供气体沿第一流动方向通过。蒸发器再供气体通过后，热交换器供气体沿第二流动方向通过。吸附元件再供气体自第一侧通过后，第二冷凝器供气体通过且干燥待处理物后回流至第一冷凝器。

Description

干燥设备及干燥方法
技术领域
本发明是有关于一种干燥设备及干燥方法，且特别是有关于一种用于如污 泥的干燥设备及干燥方法。
背景技术
待处理废物(如污泥的废料)产量逐年增加，中国台湾每年约有上百万吨污 泥处理量，而污泥处理随之带来废气与干燥废热的排放影响环境的问题。现行 的污泥处理设备存在处理过程中所产生的高耗电量，造就高额的运行费用而推 广不易，使合法污泥处理场址减少，污泥清运处理成本亦不断攀升。因此，亟 需提出一种新的干燥设备，以改善当前存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种密闭循环式且低耗能的干燥设备及干燥方法。
根据本发明一实施例，本发明提出一种干燥设备。干燥设备包括吸附元件、 气对气热交换器、冷却器以及热泵系统。吸附元件具有彼此相对的第一侧和第 二侧。气对气热交换器气密连通于吸附元件的第一侧。冷却器气密连通于气对 气热交换器与吸附元件的第一侧之间。热泵系统包括至少两个冷凝器及蒸发器。 至少两个冷凝器气密连通于吸附元件的第二侧，且至少两个冷凝器包括第一冷 凝器和第二冷凝器。蒸发器气密连通于气对气热交换器。在干燥设备中，第一 冷凝器用以供气体通过，吸附元件用以供通过第一冷凝器的气体自吸附元件的 第二侧通过，冷却器用以供自吸附元件的第二侧通过吸附元件的气体通过，气 对气热交换器用以供通过冷却器的气体沿第一流动方向通过，蒸发器用以供沿第一流动方向通过气对气热交换器的气体通过，气对气热交换器更用以供通过 蒸发器的气体沿第二流动方向通过，吸附元件更用以供沿第二流动方向通过气 对气热交换器的气体自吸附元件的第一侧通过，第二冷凝器用以供自吸附元件 的第一侧通过吸附元件的气体通过，以使通过第二冷凝器的气体对待处理物进 行干燥处理并回流通过第一冷凝器，以完成循环运作。
根据本发明另一实施例，提出一种干燥方法。干燥方法可应用于干燥设备。 干燥设备包括吸附元件、气对气热交换器、冷却器以及热泵系统，吸附元件具 有彼此相对的第一侧和第二侧，热泵系统包括第一冷凝器、第二冷凝器以及蒸 发器。干燥方法包括以下步骤：将气体通过第一冷凝器；将通过第一冷凝器的 气体自吸附元件的第二侧通过吸附元件；将自吸附元件的第二侧通过吸附元件 的气体通过冷却器；将通过冷却器的气体沿第一流动方向通过气对气热交换器； 将沿第一流动方向通过气对气热交换器的气体通过蒸发器；将通过蒸发器的气 体沿第二流动方向通过气对气热交换器；将沿第二流动方向通过气对气热交换 器的气体自吸附元件的第一侧通过吸附元件；将自吸附元件的第一侧通过吸附 元件的气体通过第二冷凝器；以及使通过第二冷凝器的气体对待处理物进行干 燥处理并回流通过第一冷凝器，以完成循环运作。
通过上述的设备及运作方式可实现用于待处理物干燥的气体的循环利用， 可降低设备的耗能，且借由元件之间的气密式连通可实现一密闭式设备，可避 免干燥过程中产生的臭气或有毒气体外泄。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的 限定。
附图说明
图1为本发明实施例的干燥设备100的架构示意图。
图2为本发明实施例的干燥设备100的另一实施方式的架构示意图。
图3为本发明实施例的干燥设备100的再一实施方式的架构示意图。
图4为比较例实施方式的干燥设备的架构示意图。
图5A～图5B、图6A～图6B分别为本发明实施例的干燥设备的吸附元件不 同实施方式的示意图。
其中，附图标记：
100,200:干燥设备
110:吸附元件
111:第一侧
112:第二侧
120:气对气热交换器
130:冷却器
130A:额外冷却器
140,240:热泵系统
141A:第一冷凝器
141B:第二冷凝器
142,242:蒸发器
142:额外蒸发器
150,150A:风机
160,160A:腔体
241:冷凝器
C：容器
D1:第一流动方向
D2:第二流动方向
D3:气密路径
S：待处理物
Z1:吸附区域
Z2:脱附再生区域
Z3:冷却区域
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参照图1，其为本发明一实施例的干燥设备100的架构示意图。干燥设 备100包括一吸附元件110、一气对气热交换器120、一冷却器130以及一热 泵系统140。吸附元件110具有彼此相对的一第一侧111和一第二侧112，用 以区分为第一侧111面向的区域为较低温冷凝区，而第二侧112面向的区域为 较高温干燥区。气对气热交换器120气密连通于吸附元件110的第一侧111， 冷却器130气密连通于气对气热交换器120与吸附元件110的第一侧111之间。 热泵系统140包括至少两个冷凝器及一蒸发器142，热泵系统140例如但不限 于热流工程中所知的直膨式系统。至少两个冷凝器包括第一冷凝器141A和第 二冷凝器141B，第一冷凝器141A和第二冷凝器141B气密连通于第二侧112， 蒸发器142气密连通于气对气热交换器120。
所述「气密连通」一词指元件与元件之间的连接为气闭的而使气体不会溢 出至外界，由此形成一密闭式的回路系统，其中气密连通的设置可例如通过热 流工程中常使用的风管达成。或者，通过干燥设备100可选择性包括一腔体 160，腔体160可分割为多个子封闭室分别供各元件容置，并于各子封闭室之 间形成单一通道以供气体的内部流通。
以下将针对本发明实施例的图1的干燥设备100对一待处理物S进行干燥 处理的循环运作方式，即应用干燥设备100的干燥方法进行说明。
待处理物S(如污泥的废料)例如容置于一容器C。第一冷凝器141A用以供 一气体通过。此气体例如为空气，其通过待处理物S经由容器C与第一冷凝 气141A之间的气密路径D3抵达第一冷凝器141A。具体而言，第一冷凝器 141A的用途在于其内设置有传热介质(例如冷媒)，在传热介质由气态转换成 液态(即所谓液化)时释放热能给空气，以利空气对吸附元件110进行脱附再生。
吸附元件110用以供通过第一冷凝器141A的空气自吸附元件110的第二 侧112进入并通过。吸附元件110为具有吸附剂(例如硅胶、氧化铝、金属有 机框架(MOFs)或沸石等)的材料，在吸附剂的脱附再生过程中吸收热能及吸附 剂的吸附过程中释放热能的特性。具体而言，通过第一冷凝器141A的空气接 收了来自冷媒的热能，可将此热能对吸附元件110进行脱附再生作用，吸附元 件110上的吸附剂脱附再生而吸收空气的热能，使空气的温度下降，以进入第 一侧111面向的较低温冷凝区。在一实施例中，吸附元件110上的吸附剂进行 脱附再生的作用时的再生温度约为40～70℃。
冷却器130用以供自第二侧112通过吸附元件110的气体通过。冷却器 130例如是使用常温液体(例如水)以间接的方式对空气进行热交换，使空气在 通过冷却器130后进行初步的降温及除湿。
气对气热交换器120用以供通过冷却器130的空气沿第一流动方向D1通 过，蒸发器142用以供沿第一流动方向D1通过气对气热交换器120的气体通 过，接着气对气热交换器120再用以供通过蒸发器142的气体沿第二流动方向 D2通过。具体而言，蒸发器142的用途在于其内设置有传热介质(例如冷媒)， 在传热介质由液态转换成气态(即所谓蒸发)时吸收空气的热能，使空气的温度 下降。由此，基于干燥设备100中的空气不断地循环流动，通过蒸发器142 的空气与通过冷却器130的空气借由气对气热交换器120提供的互相交叉的第 一流动方向D1与第二流动方向D2进行热交换，使沿第一流动方向D1通过 气对气热交换器120的气体降温，而沿第二流动方向D2通过气对气热交换器 120的气体升温。
吸附元件110更用以供沿第二流动方向D2通过气对气热交换器120的气 体自其第一侧111进入并通过。具体而言，沿第二流动方向D2通过气对气热 交换器120的空气进入吸附元件110，吸附元件110上的吸附剂进行吸附作用 而放热，此吸附作用不仅使空气在自第一侧111通过吸附元件110后温度再次 上升且空气的相对湿度下降，以进入第二侧112面向的较高温干燥区。
第二冷凝器141B用以供自第一侧111通过吸附元件110的空气通过。具 体而言，类似于第一冷凝器141A，第二冷凝器141B的用途亦在于其内设置 有传热介质(例如冷媒)，通过在传热介质由气态转换成液态时释放热能给空气， 使空气升温且除湿以利进行待处理物S的干燥处理。
通过第二冷凝器141B的空气对待处理物S进行干燥处理并回流通过第一 冷凝器141A。具体而言，通过第二冷凝器141B的空气可通过干燥设备100 包括的一风机150进入容器C中对待处理物S进行干燥处理，随后干燥完待 处理物S的空气回流至第一冷凝器141A，以完成循环运作。此外，在一实施 例中，干燥完待处理物S的空气在回流至第一冷凝器141A前，可先行通过干 燥设备100选择性包括的一洗涤元件(图未示)进行预洗涤，此洗涤元件可设置 于第一冷凝器141A的上游，将干燥待处理物S完的空气中的粉尘或有毒杂质 等过滤出，以净化空气。
请参照图2～图3，图2为本发明实施例的干燥设备100的另一实施方式的 架构示意图，图3为本发明实施例的干燥设备100再一实施方式的架构示意图。
图2所示的干燥设备的另一实施方式，其与图1主要差异在于将干燥设备 100更包括额外蒸发器142A，额外蒸发器142A气密连通于该第一冷凝器141A， 额外蒸发器142A的用途于供对待处理物S进行干燥处理并沿气密路径D3回 流的空气通过，第一冷凝器141A则供通过额外蒸发器142的气体通过。其中， 本实施方式的干燥设备100可更包括风机150A以及另一腔体160A，第二冷 凝器141B可变更设置于腔体160A中，通过风机150A将自第一侧111通过吸 附元件110的空气沿一气密路径送至第二冷凝器141B，再通过风机150将空 气对待处理物S进行干燥处理，同样可以完成干燥处理的循环运作。图2的实 施方式的优点在于：通过额外蒸发器142A对干燥处理后的空气在腔体160A 中先进行初步除湿，而后再于腔体160中进行进一步的深度的空气处理，可提 高干燥处理的运作效率。
图3所示的干燥设备的再一实施方式，其与图2主要差异在于将干燥设备 100更包括额外冷却器130A，气密连通于额外蒸发器142A，额外蒸发器142A 气密连通于额外冷却器130A与第一冷凝器141A之间，其中额外冷却器130A 用以供对待处理物S进行干燥处理并回流的空气通过并流向额外蒸发器142A。 图3的实施方式的优点在于：可用于高温干燥待处理物S(例如用于干燥待处 理物S的空气温度约为70℃以上)的状况，干燥待处理物S完的空气回流的温 度也随之提高，因此需要加装设置一额外冷却器130A以对回流的空气在腔体160A中做一次降温，再通过额外蒸发器142A对空气在腔体160A中进行除湿， 而后再于腔体160中进行进一步的深度的空气处理。
请参照图4，图4为一比较例实施方式的干燥设备200的架构示意图。此 干燥设备200比较例仅通过热泵系统240的冷凝器241与蒸发器242进行干 燥待处理物S后的空气进行处理，蒸发器242用以对空气进行降温除湿，接着 冷凝器241用以对空气加热使空气干燥升温，而再次进入容器C中对待处理 物S进行干燥，由此完成循环运作。相较于本发明图1～图3的实施例方式， 图4所示的干燥设备200缺少了吸附元件、气对气热交换器及冷却器的设置， 而无法通过此些元件利用到热泵系统240运作产生的废热进行回收。经实验分 析后，本发明使用热泵系统140、吸附元件110、气对气热交换器120及冷却 器130的干燥设备100，相较于仅使用热泵系统240的干燥设备200可将废热 回收再利用，从而能效指标可提升约20～30％，且污泥的干燥时间缩短约30％， 总耗电量降低约30％，具有显著性的改善效果。在一特定实施例以污泥为例， 在干燥温度(50℃)除湿率8(g/s)。在另一特定实施例，在干燥温度(70℃)除湿率 18(g/s)。这里指的干燥温度就是冷凝器出口的温度。
请参照图5A～图5B、图6A～图6B，图5A～图5B、图6A～图6B分别为本 发明实施例的干燥设备100的吸附元件110不同实施方式的示意图。吸附元件 110可例如为具有吸附剂的一转轮。吸附元件110具有供通过第一冷凝器141A 的空气通过的脱附再生区域Z2、以及供沿第二流动方向D2通过气对气热交换 器120的空气通过的吸附区域Z1。如图5A所示，在一实施例中，吸附区域与 脱附再生区域的面积比可为1：1，两区域的面积相同。如图5B所示，在一实 施例中，吸附区域Z1与脱附再生区域Z2的面积比可为3：1，可在同样转轮 体积之下增加处理风量，且可通过操作参数调整使除湿能力差距不大。此外， 吸附元件110可更设置具有一冷却区域Z3。如图6A所示，在一实施例中，吸 附区域Z1、脱附再生区域Z2与冷却区域Z3的面积比为1：1：1，通过增加 冷却区域Z3，可以使效率提升30％。如图6B所示，在一实施例中，吸附区域 Z1、脱附再生区域Z2与冷却区域Z3的面积比为3：1：1。吸附区域与再生、 冷却面积指的是转轮的比例，吸附完后转轮上的吸附剂会饱和，所以需要进行 再生，而再生完成后，转轮上的吸附剂会很热，如果先通过冷却区稍微降温， 可以加强吸附区的吸附能力。
在一特定实施例，转轮须放在蒸发器之后，确保转轮的吸附除湿能力维持 高效率。
本发明使用热泵系统、吸附元件、气对气热交换器及冷却器的设置促使干 燥设备内可利用温度及湿度梯度差，即便仅使用单颗风机的情况下，在密闭式 达到冷热源回收完成吸附元件的吸附及再生，另一方面，系统中通过气对气热 交换器作用，更能使浓缩的水汽易被排出系统，达到干燥的目的。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种干燥设备，其特征在于，包括：
吸附元件，具有彼此相对的第一侧和第二侧；
气对气热交换器，气密连通于该吸附元件的该第一侧；
冷却器，气密连通于该气对气热交换器与该吸附元件的该第一侧之间；以及
热泵系统，包括：
至少两个冷凝器，该至少两个冷凝器气密连通于该吸附元件的该第二侧，该至少两个冷凝器包括第一冷凝器和第二冷凝器；及
蒸发器，气密连通于该气对气热交换器，
其中，该第一冷凝器用以供气体通过，该吸附元件用以供通过该第一冷凝器的该气体自该吸附元件的该第二侧通过，该冷却器用以供自该吸附元件的该第二侧通过该吸附元件的该气体通过，该气对气热交换器用以供通过该冷却器的该气体沿第一流动方向通过，该蒸发器用以供沿该第一流动方向通过该气对气热交换器的该气体通过，该气对气热交换器更用以供通过该蒸发器的该气体沿第二流动方向通过，该吸附元件更用以供沿该第二流动方向通过该气对气热交换器的该气体自该吸附元件的该第一侧通过，该第二冷凝器用以供自该吸附元件的该第一侧通过该吸附元件的该气体通过，以使通过该第二冷凝器的该气体对待处理物进行干燥处理并回流通过该第一冷凝器。
2.如权利要求1所述的干燥设备，其特征在于，该吸附元件为具有吸附剂的转轮，该吸附元件具有供通过该第一冷凝器的该气体通过的脱附再生区域以及供沿该第二流动方向通过该气对气热交换器的该气体通过的吸附区域。
3.如权利要求2所述的干燥设备，其特征在于，该吸附区域与该脱附再生区域的面积比为1：1或3：1。
4.如权利要求2所述的干燥设备，其特征在于，该吸附元件更具有冷却区域，该吸附区域、该脱附再生区域与该冷却区域的面积比为1：1：1或3：1：1。
5.如权利要求3所述的干燥设备，其特征在于，该吸附剂包括硅胶、氧化铝、金属有机框架(MOFs)、沸石或上述的组合。
6.如权利要求1所述的干燥设备，其特征在于，该干燥设备更包括洗涤元件，该洗涤元件设置于该第一冷凝器的上游。
7.如权利要求1所述的干燥设备，其特征在于，该吸附元件供通过该第一冷凝器的该气体自该吸附元件的第二侧通过时进行脱附再生作用，再生温度介于40～80℃。
8.如权利要求1所述的干燥设备，其特征在于，更包括：
额外蒸发器，气密连通于该第一冷凝器，该额外蒸发器用以供对该待处理物进行干燥处理并回流的该气体通过，该第一冷凝器用以供通过该额外蒸发器的该气体通过。
9.如权利要求8所述的干燥设备，其特征在于，更包括：
额外冷却器，气密连通于该额外蒸发器，该额外蒸发器气密连通于该额外冷却器与该第一冷凝器之间，其中该额外冷却器用以供对该待处理物进行干燥处理并回流的气体通过并流向该额外蒸发器。
10.一种用于干燥设备的干燥方法，其特征在于，该干燥设备包括吸附元件、气对气热交换器、冷却器以及热泵系统，该吸附元件具有彼此相对的第一侧和第二侧，该热泵系统包括第一冷凝器、第二冷凝器以及蒸发器，其中该干燥方法包括以下步骤：
将气体通过该第一冷凝器；
将通过该第一冷凝器的该气体自该吸附元件的该第二侧通过该吸附元件；
将自该吸附元件的第二侧通过该吸附元件的该气体通过该冷却器；
将通过该冷却器的该气体沿第一流动方向通过该气对气热交换器；
将沿该第一流动方向通过该气对气热交换器的该气体通过该蒸发器；
将通过该蒸发器的该气体沿第二流动方向通过该气对气热交换器；
将沿该第二流动方向通过该气对气热交换器的该气体自该吸附元件的该第一侧通过该吸附元件；
将自该吸附元件的该第一侧通过该吸附元件的该气体通过该第二冷凝器；以及
使通过该第二冷凝器的该气体对待处理物进行干燥处理并回流通过该第一冷凝器。
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