CN114719593A - 一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，包括制冷剂循环流路和空气流路，其中，所述制冷剂循环流路包括蒸汽压缩循环热泵的基本结构，为顺次连接的压缩机、高压冷凝器、高压节流阀、低压蒸发器和压缩机，形成循环；所述制冷剂循环流路还包括至少一条中间压力制冷剂支路，所述中间压力制冷剂支路包括中压节流阀、中压冷凝器和中压蒸发器，所述中间压力制冷剂支路的一端经高压冷凝器出口流出的制冷剂分流，另一端接入压缩机的中间补气口。本发明在常规热泵系统结构基础上，引入中压节流阀、中压冷凝器和中压蒸发器构成的中间压力支路，从而实现了梯级冷却和梯级蒸发。

Description

一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统
技术领域
本发明涉及一种蒸汽压缩式热泵烘干系统，尤其是涉及一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统。
背景技术
制冷热泵循环系统可替代传统的电加热系统，大幅降低电力消耗，促进节能减排和碳中和目标。
制冷热泵循环系统用于除湿、烘干等应用时，和溶液除湿、固体吸附除湿等方式相比，结构紧凑，运行稳定，维护方便。但制冷热泵循环系统采用的冷却除湿方式，需要先将空气降温至低于露点温度，而后使空气凝露实现除湿。这部分降低到露点温度对应的显热量对于除湿本身并无直接作用，相反在总制冷量中占据了较大的比例，影响了系统的除湿性能。
因此，为提升热泵烘干系统的能效，可以从两方面入手：(1)提升冷却除湿过程的效率，例如热湿分离，分别处理回风的显热和潜热；(2)充分热回收提高能源利用率。冷却除湿的特点决定了其除湿后的空气风温较低，应当设法回收这部分冷能，提高整机效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明保护一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，包括制冷剂循环流路和空气流路，所述制冷剂循环流路包括蒸汽压缩循环热泵的基本结构，即顺次连接的压缩机、高压冷凝器、高压节流阀、低压蒸发器和压缩机，形成循环。
进一步地，所述压缩机为带有中间补气口的压缩机，或者多个压缩机串联的多级压缩形式；更进一步的，所述压缩机为带多个阶梯补气口的的喷气增焓式压缩机。
进一步地，所述制冷剂循环流路还包括至少一条中间压力制冷剂支路，各中间压力制冷剂支路均包括中压节流阀、中压冷凝器和中压蒸发器，各中间压力制冷剂支路并联，一端经高压冷凝器出口流出的制冷剂分流，另一端接入压缩机的各级补气口。
进一步地，所述高压节流阀和中压节流阀为毛细管、节流短管或电子节流装置中的一种，为了有利于实现自动化控制，本技术方案优选电子节流装置。
所述空气流路为顺序连接的各级中压蒸发器、低压蒸发器、各级中压冷凝器、高压冷凝器的空气通道，该空气通道的进口为烘房流出的回风，出口为经过除湿并再热处理后的送风，送往烘房用于物料烘干。
本发明在实际运行时，制冷剂循环流路中：各级中压蒸发器中的中压制冷剂蒸发，从流经的回风中吸热成为过热气体，被压缩机各级补气口吸入；低压蒸发器中的低压制冷剂蒸发，使压力最低一级中压蒸发器的空气通道流出的空气进一步降温除湿，低压蒸发器流出的制冷剂从压缩机吸气口吸入，被压缩到最低一级中间压力后，与压力最低一级中压蒸发器流入压缩机补气口的制冷剂混合，并被压缩到略高一级的中间压力，各中间压力蒸发器重复该压缩-混合-再压缩过程，即压力略低一级中压蒸发器的制冷剂从压缩机补气口吸入后，被压缩至略高一级，同压力略高一级中压蒸发器的制冷剂混合，再被压缩到更高一级，直到最后一级中压蒸发器，最后压缩成的高温高压制冷剂进入高压冷凝器冷凝放热后，再分别流经各级中压节流阀节流到梯级的中间压力后，先进入各级中压冷凝器向低压蒸发器空气通道流出的低温空气放热，再流回各自的中压蒸发器；另有一路经高压节流阀节流到低压，进入低压蒸发器。
本发明在实际运行中，空气流路中：烘房回风依次流经各级中压蒸发器降温除湿，并最终在低压蒸发器中深度除湿后，再依次流经各级中压冷凝器被逐级再热，最终在高压冷凝器中被加热到所需烘干温度后，送入烘房。
本发明的另一种实施方式，适用于大风量烘干条件下回风混风的场景，在高压冷凝器、高压节流阀、低压蒸发器和压缩机构成的基本热泵循环结构上，引入一至多路中间压力制冷剂支路后，还增设高压过冷器。
该实施例方式空气流路包括并联的第一空气支路和第二空气支路，第一空气支路包括顺序连接的各级中压蒸发器、低压蒸发器、各级中压冷凝器和高压过冷器的空气通道，第二空气支路与第一空气支路并联，二者进口处均为烘箱的回风，第二空气支路直接旁通到第一空气支路的末端，即在第一空气支路的空气从高压过冷器的空气通道流出后，第二空气支路的回风与第一空气支路的回风混合，然后一起流经冷凝器。
本发明公开了一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，与现有技术相比：
1、中压蒸发器和低压蒸发器构成的梯级蒸发，实现了冷却除湿过程中显热和潜热的分级处理，中压蒸发器用于预冷回风处理其大部分显热，低压蒸发器则处理剩余的显热和潜热(除湿)，中压蒸发器后的回风温度更低，相对湿度更高，提升了低压蒸发器的除湿能力和效率。同时，梯级蒸发的结构也提升了系统的平均蒸发温度，有利于提升机组能效。
2、高压冷凝器/高压过冷器和中压冷凝器构成的梯级冷却，充分回收了回风经中压蒸发器和低压蒸发器降温除湿后的低温冷能，中压冷凝器/高压冷凝器内两相态制冷剂相变冷凝，高压过冷器内液态制冷剂深度过冷，都拉大了进入相应蒸发器(中压蒸发器和低压蒸发器)后制冷剂蒸发的焓差，从而增大制冷量(除湿量)。
3、引入中间压力制冷剂支路，实现了类似多级压缩的效果，降低了整体排气温度和回热损失，提升热泵循环的效率。
附图说明
图1为本发明实施例1中热泵烘干系统(两级中间压力制冷剂支路)的原理示意图。
图2为本发明实施例1中热泵烘干系统(两级中间压力制冷剂支路)的压力-焓值图(p-h图)。
图3为本发明实施例1中热泵烘干系统(n级中间压力制冷剂支路)的原理示意图。
图4为本发明实施例2中热泵烘干系统(单级中间压力制冷剂支路)的原理示意图。
图5为本发明实施例2中热泵烘干系统(单级中间压力制冷剂支路)的压力-焓值图(p-h图)。
图6为本发明实施例2中热泵烘干系统(n级中间压力制冷剂支路)的原理示意图。
图中：1、压缩机；2、高压冷凝器；3、高压过冷器；4、高压节流阀；5、低压蒸发器；6、中压节流阀；7、中压冷凝器；8、中压蒸发器；6-1、第一中压节流阀；7-1、第一中压冷凝器；8-1、第一中压蒸发器；6-2、第二中压节流阀；7-2、第二中压冷凝器；8-2、第二中压蒸发器；6-n、第n中压节流阀；7-n、第n中压冷凝器；8-n、第n中压蒸发器；10、回风；11、第一空气支路；12、第二空气支路；13、送风；14、烘房。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
实施例1：
本实施例中的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，参见图1，主要包括压缩机1、高压冷凝器2、高压节流阀4、低压蒸发器5、第一中压节流阀6-1、第一中压冷凝器7-1、第一中压蒸发器8-1、第二中压节流阀6-2、第二中压冷凝器7-2和第二中压蒸发器8-2；值得注意的是，本实施例中是采用了两级中间压力制冷剂支路。
本实施例采用带两级补气口的压缩机1，或采用三个压缩机串联的三级压缩形式，下文主要以带两级阶梯中间补气口的喷气增焓式压缩机进行主体描述。
本实施例包括蒸汽压缩循环热泵的基本结构，即顺次连接的压缩机1、高压冷凝器2、高压节流阀4、低压蒸发器5和压缩机1，形成循环。在此基础上，还包括两条中间压力制冷剂支路，各中间压力制冷剂支路均包括中压节流阀6-1/6-2、中压冷凝器7-1/7-2以及中压蒸发器8-1/8-2，两条中间压力制冷剂支路并联，一端经高压冷凝器2出口流出的制冷剂分流，另一端接入压缩机1的各级补气口。
本实施例空气流路为顺序连接的第二中压蒸发器8-2、第一中压蒸发器8-1、低压蒸发器5、第一中压冷凝器7-1、第二中压冷凝器7-2和高压冷凝器2的空气通道，该空气通道的进口为烘房14流出的回风10，出口为经过除湿并再热处理后的送风13，送往烘房14用于物料烘干。
本实施例一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，参见图1及图2，制冷剂循环流动过程为：第二中压蒸发器8-2中的中压制冷剂蒸发，从流经的回风10中吸热成为过热气体(状态I2至J2)，被压缩机1从二级补气口吸入；第一中压蒸发器8-1中的制冷剂蒸发，从第二中压蒸发器8-2空气通道流出的回风中吸热成为过热气体(状态I1至J1)，被压缩机1从一级补气口吸入；低压蒸发器5中的低压制冷剂蒸发(状态G至A)，使第一中压蒸发器8-1空气通道流出的回风进一步降温除湿，低压蒸发器5流出的制冷剂被压缩机1吸气口吸入。压缩机1吸气口吸入的低压制冷剂首先被压缩机压缩到和第一中压蒸发器8-1出口制冷剂相近的第一级中间压力(状态A至B1)，此后二者混合(状态B1和J1混合至C1)，再被压缩到同第二中压蒸发器8-2出口制冷剂相近的第二级中间压力(状态C1至B2)，二者再混合后(状态B2和J2混合至C2)，被压缩成高温高压的制冷剂气体(状态C2至D)。从压缩机1流出的高温高压制冷剂在高压冷凝器2中冷凝放热(状态D至F)，加热流经的送风后，分为三部分，其中两股分别经第一第二中压节流阀6-1和6-2节流到不同的中间压力(状态F至H1和H2)，并进入中压冷凝器7-1和7-2继续冷凝后(状态H1至I1和状态H2至I2)，流回中压蒸发器8-1和8-2；剩下一部分经过高压节流阀4节流成为低温低压制冷剂(状态F至G)，回到低压蒸发器5。
本实施例一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，空气流动过程为：烘房14回风10依次流经中压蒸发器8-2和8-1降温除湿，并最终在低压蒸发器5中深度除湿后，再依次流经中压冷凝器7-1和7-2被逐级再热，最终在高压冷凝器2中被加热到所需烘干温度后，送入烘房14。
本实施例以两级中间压力制冷剂支路作为演示，但并不局限于两级，理论上允许并联多级中间压力制冷剂支路。图3展示了n级中间压力制冷剂支路的一种系统布置结构。
具体实施中可按需增减。
实施例2
本实施例中的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，参见图4，主要包括压缩机1、高压冷凝器2、高压过冷器3、高压节流阀4、低压蒸发器5、中压节流阀6、中压冷凝器7和中压蒸发器8。
本实施例采用带中间补气口的喷气增焓式压缩机1，或采用两个压缩机串联的两级压缩形式，下文主要以带中间补气口喷气增焓式压缩机进行主体描述。
本实施例中高压过冷器3、高压节流阀4和低压蒸发器5构成的制冷剂支路，与中压节流阀6、中压冷凝器7和中压蒸发器8构成的制冷剂支路并联。两并联支路的一端从高压冷凝器2分出，另一端在压缩机1侧合流，分别连接进压缩机1的吸气口和中间补气口。
本实施例还包括并联的第一空气支路11和第二空气支路12。第一空气支路11包括顺序连接的中压蒸发器8、低压蒸发器5、中压冷凝器7和高压过冷器3的空气通道，第二空气支路12与第一空气支路11并联，二者进口处均为回风10，第二空气支路12直接旁通到第一空气支路11的末端，即在第一空气支路11的空气从高压过冷器3的空气通道流出后，第二空气支路12的回风与第一空气支路11的回风混合，然后一起流经冷凝器2。
本实施例一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，参见图4及图5，制冷剂循环流动过程为：中压蒸发器8中的中压制冷剂蒸发，从流经的回风11中吸热成为过热气体(状态I至J)，被压缩机1从中间补气口吸入；低压蒸发器5中的低压制冷剂蒸发(状态G至A)，使中压蒸发器8空气通道流出的空气进一步降温除湿，低压蒸发器5流出的制冷剂从压缩机1吸气口吸入，被压缩到中间压力(状态A至B)，进而同中压蒸发器8流入压缩机1中间补气口的制冷剂混合后(状态B和J混合至C)，再一同被压缩机1压缩成为高温高压的制冷剂气体(状态C至D)。从压缩机1流出的高温高压制冷剂在高压冷凝器2内冷凝放热(状态D至E)，加热流经的空气后，分为两部分，一部分直接经中压节流阀6节流到中间压力后(状态E至H)，在中压冷凝器7中继续冷凝(状态H至I)，再流回中压蒸发器8；另一部分先经高压过冷器3继续过冷(状态E至F)，再流经高压节流阀4节流成为低温低压制冷剂后(状态F至G)，回到低压蒸发器5。
本实施例一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，空气流动过程为：烘房回风10分为两部分，一部分依次流经中压蒸发器8初步预冷除湿、低压蒸发器5深度降温除湿、中压冷凝器7初步再热、高压过冷器3二次再热后，与另外第二空气支路12中旁通的回风混合，再一同流经高压冷凝器2被加热到所需烘干温度后，送入烘房14用于物料烘干。
本实施例以单级中间压力制冷剂支路作为演示，但并不局限于单级，理论上允许并联多级中间压力制冷剂支路。图6展示了n级中间压力制冷剂支路的一种系统布置结构。具体实施中可按需增减。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于，包括制冷剂循环流路和空气流路，其中，所述制冷剂循环流路包括蒸汽压缩循环热泵的基本结构，为顺次连接的压缩机(1)、高压冷凝器(2)、高压节流阀(4)、低压蒸发器(5)和压缩机(1)，形成循环；
所述制冷剂循环流路还包括至少一条中间压力制冷剂支路，所述中间压力制冷剂支路包括中压节流阀(6)、中压冷凝器(7)和中压蒸发器(8)，所述中间压力制冷剂支路的一端经高压冷凝器(2)出口流出的制冷剂分流，另一端接入压缩机(1)的中间补气口；
所述空气流路包括第一空气支路(11)，为顺序连接的中压蒸发器(8)、低压蒸发器(5)、中压冷凝器(7)、高压冷凝器(2)的空气通道，所述空气通道的进口为烘房(14)流出的回风(10)，出口为经过除湿并再热处理后的送风(13)，送往烘房(14)用于物料烘干。
2.根据权利要求1所述的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于：所述中间压力制冷剂支路为多条，各中间压力制冷剂支路并联。
3.根据权利要求2所述的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于：所述第一空气支路(11)为顺序连接的各级中压蒸发器(8)、低压蒸发器(5)、各级中压冷凝器(7)、高压冷凝器(2)的空气通道。
4.根据权利要求2所述的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于：蒸汽压缩循环热泵的基本结构中，还包括高压过冷器(3)，为顺次连接的压缩机(1)、高压冷凝器(2)、高压过冷器(3)、高压节流阀(4)、低压蒸发器(5)和压缩机(1)，形成循环。
5.根据权利要求4所述的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于：所述第一空气支路(11)为顺序连接的各级中压蒸发器(8)、低压蒸发器(5)、各级中压冷凝器(7)、高压过冷器(3)的空气通道。
6.根据权利要求5所述的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于：所述空气流路还包括第二空气支路(12)，所述第二空气支路(12)与所述第一空气支路(11)并联，所述第一空气支路(11)的空气从高压过冷器(3)的空气通道流出后，第二空气支路(12)的回风与第一空气支路(11)的送风(13)混合后，一起流经冷凝器(2)。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种梯级冷却梯级蒸发的热泵烘干系统，其特征在于，所述压缩机(1)为带有中间补气口的压缩机。
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