CN114923314B - 一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其包括太阳能集热循环回路、冷凝热供给循环回路、冻干箱与冷阱，太阳能集热循环回路包括相互连接并构成循环的蓄热水箱和太阳能集热器，冷凝热供给循环回路包括依次连接并构成循环的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，冻干箱的工质出口依次连接冷凝器、蓄热水箱、冻干箱的工质进口，并构成循环回路，冷阱的工质出口依次连接蓄热水箱、冷阱的工质进口，并构成循环回路，冻干箱的工质出口依次连接蒸发器、冻干箱的工质进口，并构成循环回路，冷阱的工质出口依次连接蒸发器、冷阱的工质进口，并构成循环回路。与现有技术相比，本发明可弥补太阳能技术的不稳定性以及减少冻干机系统能耗。

Description

一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统

技术领域

本发明属于冻干机技术领域，涉及一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统。

背景技术

目前冻干机在冷冻干燥过程中，冷阱需要连续捕捉升华产生的水蒸气，所以冷阱盘管上会不断结冰，冷阱盘管捕获的冰在每个冻干批次后都需要融冰，融冰又需要大量的高温的融霜水或融霜蒸汽；对于含有热媒循环系统的冻干机，由于升华干燥需要不断地吸收热量，所以，物品升华干燥从开始直至干燥结束，升华所需要的热量均由热媒循环系统的电加热器提供；二次干燥需要加热物料。制备融霜水或融霜蒸汽以及为升华提供必要的热量的电加热器和二次干燥加热物料需要大量消耗能源，冻干机过大的能源消耗造成了冻干物品的冻干成本过高和能源的严重浪费，从而严重制约了冻干技术的推广和普及。

太阳能技术是一种相当环保的能源供给方式，但将其作为冻干机的热量来源并不稳定。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，以克服现有技术中冻干机干燥和融冰所需能量均依赖电加热器，能源消耗较大、冻干成本较高，或太阳能作为冻干机的热量来源不稳定等缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，包括太阳能集热循环回路、冷凝热供给循环回路、冻干箱与冷阱，其中，所述太阳能集热循环回路包括通过工质管道依次连接并构成循环的蓄热水箱和太阳能集热器，所述冷凝热供给循环回路包括通过工质管道依次连接并构成循环的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，所述冻干箱的工质出口还通过工质管道依次连接所述冷凝器、所述蓄热水箱、所述冻干箱的工质进口，并构成冻干箱干燥循环回路，所述冷阱的工质出口通过工质管道依次连接所述蓄热水箱、所述冷阱的工质进口，并构成冷阱融冰循环回路，所述冻干箱的工质出口还通过工质管道依次连接所述蒸发器、所述冻干箱的工质进口，并构成冻干箱预冻循环回路，所述冷阱的工质出口通过工质管道依次连接所述蒸发器、所述冷阱的工质进口，并构成冷阱预冻循环回路。

进一步的，所述蒸发器的工质进口通过电动三通调节阀接入所述冻干箱预冻循环回路和所述冷阱预冻循环回路。

进一步的，所述冷阱的工质出口通过电动三通调节阀接入所述冷阱预冻循环回路和所述冷阱融冰循环回路。

进一步的，所述冻干箱干燥循环回路和所述冷阱融冰循环回路还包括电加热器，所述电加热器的工质进口与所述蓄热水箱的工质出口连接，所述电加热器的工质出口分别与所述冻干箱的工质进口、所述冷阱的工质进口连接。当工质温度未达到所需温度时，工质经电加热器加热至所需温度，再流向冻干箱或冷阱。

进一步的，所述冻干箱干燥循环回路和所述冷凝热供给循环回路在所述冷凝器处的工质流向相反。

进一步的，所述冻干箱预冻循环回路和所述冷凝热供给循环回路在所述蒸发器处的工质流向相反。

进一步的，所述冷阱还连接有真空泵。真空泵可用于抽出冻干箱中的不凝性气体。

进一步的，所述冻干箱干燥循环回路还包括循环泵，所述循环泵设于所述冷凝器和所述蓄热水箱之间。

进一步的，所述冻干箱干燥循环回路、所述冷阱融冰循环回路、所述冻干箱预冻循环回路、以及所述冷阱预冻循环回路的工质均为硅油。

进一步的，所述蒸发器为板式蒸发器。

太阳能集热循环回路中，蓄热水箱中的水进入太阳能集热器中吸收太阳辐射能热能，水温度升高，然后温度升高的水返回蓄热水箱，使流经蓄热水箱的工质温度升高，热能被储存下来，然后水再次进入太阳能集热器进一步升高温度，如此循环进行，利用太阳能加热工质用于后续的物料干燥和冷阱融冰。

冷凝热供给循环回路中，液态工质在蒸发器中吸收热量转变为低压高温的气态工质，低压高温的气态工质进入压缩机被压缩为高温高压的气态工质，高温高压的气态工质再进入冷凝器中冷凝放热，得到高压的液态工质，高压的液态工质流经节流阀，经过等焓节流，再次进入蒸发器中吸收热量，如此循环进行。气态工质冷凝放出的热量可被冻干箱干燥循环回路中流经冷凝器的工质吸收，充分利用了冷凝热；液态工质可在蒸发器中吸收冻干箱预冻循环回路和冷阱预冻循环回路流经蒸发器的工质的热量，使其温度降低。

太阳能清洁环保，冷凝热也是一种相对好的可以利用的能源，本发明将两者组合利用，不仅可以以弥补太阳能技术的不稳定性，还可减少冻干机系统的能耗。本发明对有效利用自然资源、环境保护具有重要意义。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将太阳能与冷凝热组合利用，不仅可以弥补太阳能技术的不稳定性，还可减少冻干机系统的能耗，降低冻干成本，对有效利用自然资源、环境保护具有重要意义。

附图说明

图1为本发明冻干机节能系统的示意图。

图中标记说明：

1-太阳能集热器、2-蓄热水箱、3-电加热器、4-冻干箱、5-冷阱、6-真空泵、7-冷凝器、8-压缩机、9-板式蒸发器、10-节流阀、11-第一循环泵、12-第二循环泵、13-第三循环泵、14-第四循环泵、15-第五循环泵、16-第一电动二通调节阀、17-第二电动二通调节阀、18-第三电动二通调节阀、19-第一电动三通调节阀、20-第二电动三通调节阀、21-第三电动三通调节阀、22-第四电动三通调节阀。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为克服现有技术中冻干机干燥和融冰所需能量均依赖电加热器3，能源消耗较大、冻干成本较高，或太阳能作为冻干机的热量来源不稳定等缺陷，本发明提供了一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，请参见图1，该冻干机节能系统包括太阳能集热循环回路、冷凝热供给循环回路、冻干箱4与冷阱5，其中，所述太阳能集热循环回路包括通过工质管道依次连接并构成循环的蓄热水箱2和太阳能集热器1，所述冷凝热供给循环回路包括通过工质管道依次连接并构成循环的压缩机8、冷凝器7、节流阀10和板式蒸发器9，所述冻干箱4的工质出口还通过工质管道依次连接所述冷凝器7、所述蓄热水箱2、所述冻干箱4的工质进口，并构成冻干箱干燥循环回路，所述冷阱5的工质出口通过工质管道依次连接所述蓄热水箱2、所述冷阱5的工质进口，并构成冷阱融冰循环回路，所述冻干箱4的工质出口还通过工质管道依次连接所述板式蒸发器9、所述冻干箱4的工质进口，并构成冻干箱预冻循环回路，所述冷阱5的工质出口通过工质管道依次连接所述板式蒸发器9、所述冷阱5的工质进口，并构成冷阱预冻循环回路。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述板式蒸发器9的工质进口通过第四电动三通调节阀22接入所述冻干箱预冻循环回路和所述冷阱预冻循环回路。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冷阱5的工质出口通过第四电动三通调节阀22接入所述冷阱预冻循环回路和所述冷阱融冰循环回路。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冻干箱干燥循环回路和所述冷阱融冰循环回路还包括电加热器3，所述电加热器3的工质进口与所述蓄热水箱2的工质出口连接，所述电加热器3的工质出口分别与所述冻干箱4的工质进口、所述冷阱5的工质进口连接。当工质温度未达到所需温度时，工质经电加热器3加热至所需温度，再流向冻干箱4或冷阱5。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冻干箱干燥循环回路和所述冷凝热供给循环回路在所述冷凝器7处的工质流向相反。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冻干箱预冻循环回路和所述冷凝热供给循环回路在所述板式蒸发器9处的工质流向相反。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冷阱5还连接有真空泵6。真空泵6可用于抽出冻干箱4中的不凝性气体。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冻干箱干燥循环回路还包括第二循环泵12，所述第二循环泵12设于所述冷凝器7和所述蓄热水箱2之间。

在一些具体的实施方式中，所述冻干箱干燥循环回路、所述冷阱融冰循环回路、所述冻干箱预冻循环回路、以及所述冷阱预冻循环回路的工质均为硅油。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述太阳能集热循环回路还包括第一循环泵11，所述第一循环泵11通过工质管道分别与所述蓄热水箱2和太阳能集热器1连接。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冷阱融冰循环回路还包括第三循环泵13，所述第三循环泵13通过工质管道分别与所述蓄热水箱2和冷阱5连接。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述冻干箱预冻循环回路还包括第四循环泵14，所述第四循环泵14通过工质管道分别与所述冻干箱4和板式蒸发器9连接。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，冷阱预冻循环回路还包括第五循环泵15，所述第五循环泵15通过工质管道分别与所述冷阱5和板式蒸发器9连接。

实施例1：

本实施例提供了一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，如图1所示，该系统包括太阳能集热器1、蓄热水箱2、电加热器3、冻干箱4、冷阱5、真空泵6、冷凝器7、压缩机8、板式蒸发器9、节流阀10、第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、第五循环泵15、第一电动二通调节阀16、第二电动二通调节阀17、第三电动二通调节阀18、第一电动三通调节阀19、第二电动三通调节阀20、第三电动三通调节阀21、第四电动三通调节阀22。

蓄热水箱2的集热介质出口通过工质管道依次连接第一循环泵11、太阳能集热器1、蓄热水箱2的集热介质进口，并构成太阳能集热循环回路。所述集热介质为水。

压缩机8的制冷剂出口通过工质管道依次连接冷凝器7、节流阀10、板式蒸发器9、压缩机8的制冷剂进口，并构成冷凝热供给循环回路。

冷阱与真空泵连接。

本实施例设置的第一电动二通调节阀16、第二电动二通调节阀17、第三电动二通调节阀18、第一电动三通调节阀19、第二电动三通调节阀20、第三电动三通调节阀21和第四电动三通调节阀22可调整系统使用不同的供热供冷回路，这些调节阀与其它部件的连接关系如下：

冻干箱4的工质出口通过工质管道依次连接第二电动三通调节阀20、第四电动三通调节阀22、板式蒸发器9、第一电动二通调节阀16、第四循环泵14、第一电动三通调节阀19、冻干箱4的工质进口，并构成冻干箱预冻循环回路；

冷阱5的工质出口通过工质管道依次连接第四电动三通调节阀22、板式蒸发器9、第二电动二通调节阀17、第五循环泵15、第三电动三通调节阀21、冷阱5的工质进口，并构成冷阱预冻循环回路；

冻干箱4的工质出口通过工质管道依次连接第二电动三通调节阀20、冷凝器7、第二循环泵12、蓄热水箱2、电加热器3、第三电动二通调节阀18、第一电动三通调节阀19、冻干箱4的工质进口，并构成冻干箱干燥循环回路；

冷阱5的工质出口通过工质管道依次连接第四电动三通调节阀22、第三循环泵13、蓄热水箱2、电加热器3、第三电动三通调节阀21、冷阱5的工质进口，并构成冷阱融冰循环回路。

冻干箱干燥循环回路、冷阱融冰循环回路、冻干箱预冻循环回路、以及冷阱预冻循环回路的工质均为硅油。

本实施例冻干机节能系统的工作原理为：

(1)太阳能集热循环回路中，蓄热水箱2中的水进入太阳能集热器1中吸收太阳辐射能热能，水温度升高，然后温度升高的水返回蓄热水箱2，使流经蓄热水箱2的硅油温度升高，热能被储存下来，然后水再次进入太阳能集热器1进一步升高温度，如此循环进行，利用太阳能加热硅油用于后续的物料干燥和冷阱5融冰。

(2)冷凝热供给循环回路中，液态制冷剂在蒸发器中吸收热量转变为低压高温的气态制冷剂，低压高温的气态制冷剂进入压缩机8被压缩为高温高压的气态制冷剂，高温高压的气态制冷剂再进入冷凝器7中冷凝放热，得到高压的液态制冷剂，高压的液态制冷剂流经节流阀10，经过等焓节流，再次进入蒸发器中吸收热量，如此循环进行。气态制冷剂冷凝放出的热量可被冻干箱干燥循环回路中流经冷凝器7的硅油吸收，充分利用了冷凝热；液态制冷剂可在蒸发器中吸收冻干箱预冻循环回路和冷阱预冻循环回路流经蒸发器的硅油的热量，使其温度降低。

(3)在物料预冻阶段，硅油进入冻干箱4中冻结物料，此时硅油的流经途径为上述冻干箱预冻循环回路。在预冻后期，由于冻干箱4需要的冷量减少，此时可以打开第二电动二通调节阀17，使硅油流向冷阱5，此时用于给冷阱5预冻的硅油的流经途径为上述冷阱预冻循环回路。

(4)在物料干燥的大量升华阶段，蓄热水箱2中的高温硅油进入冻干箱4中对物料进行加热干燥，同时需要为冷阱5供冷，以捕捉升华产生的水汽。用于加热冻干箱4中物料的高温硅油的流经途径为上述冻干箱干燥循环回路，硅油流经冷凝器7时，通过换热吸收高温高压的气态制冷剂冷凝所放出的热量，然后进入蓄热水箱2进一步吸热，若硅油温度达不到所需温度，可以打开电加热器3对硅油进行加热，加热后的高温硅油进入冻干箱4加热物料。用于为冷阱5供冷的低温硅油的流经途径为上述冷阱预冻循环回路，当硅油流经板式蒸发器9时，硅油的热量被制冷剂吸收，硅油温度降低，然后流向冷阱5进行预冻。

(5)二次干燥阶段，需进一步提高冻干箱4中物料温度，此时，高温硅油的流经途径与大量升华阶段用于加热物料的高温硅油的流经途径相同。

(6)干燥结束后，需要给冷阱5除霜。从蓄热水箱2出来的高温硅油(温度不够可以打开电加热器3进行补偿加热)进入冷阱5除霜，然后返回蓄热水箱2。该过程中，高温硅油的流经途径为上述冷阱融冰循环回路。

本实施例冻干机节能系统具有三种不同的运行模式，通过调整不同的运行模式，可最大程度地提高能源的利用率，选择不同条件下最合适的运行模式，可以为用户降低能源使用成本，并且节省不必要能源的消耗。

模式一：

在太阳辐射非常强的情况下，一般可以不打开电加热器3就可以满足冻干箱4内物料升华所需要的热量。为了使物料的温度不超过其共晶点，需要调节第三电动二通调节阀18减少硅油流量调节温度。为了避免太阳辐射能的浪费，此时可以利用太阳能集热器1吸收太阳辐射能，将其转换为热能储存在蓄热水箱2中。干燥结束后，需要给冷阱5除霜，这时可以通过阀门调节，使从蓄热水箱2出来的高温硅油流入冷阱5除霜，至此，干燥后冷阱融冰循环回路完成。

模式二：蓄热水箱2中的硅油流经太阳能集热器1吸收热能后，温度会升高，当遇上太阳辐射能并不理想的天气条件，且蓄热水箱2中硅油温度和冷凝回收热不满足给物料供热的需求，可以用电加热器3补偿加热。干燥结束后，需要给冷阱5除霜，这时可以通过阀门调节，使从蓄热水箱2出来的高温硅油(温度不够可以打开电加热器3补偿)流入冷阱5除霜，至此，干燥后冷阱融冰循环回路完成。

模式三：在夜晚无太阳辐射能时，此时第一循环泵11停止运行，当冷凝回收热不满足给物料供热需求时，可以用电加热器3补偿加热。干燥结束后，需要给冷阱5除霜，这时可以通过阀门调节，使硅油(温度不够的情况下经过电加热器3加热后)流入冷阱5除霜，至此，干燥后冷阱融冰循环回路完成。

当本实施例冻干机节能系统以模式一运行时，即供热由太阳能集热器1完成时，第一循环泵11驱动水进入太阳能集热器1，此时太阳辐射能被吸收成热能，太阳能集热器1中水的温度升高。温度升高的水又被第一循环泵11推动，进入蓄热水箱2，流经蓄热水箱2的硅油温度也升高，热能因此被存储下来。然后水再通过第一循环泵11再次送入太阳能集热器1进一步升高温度，此时，一个太阳能集热循环就完成了。当从冻干箱4出来的硅油经过冷凝器7换热后，温度升高，在第二循环泵12的作用下流入到蓄热水箱2中，经过换热，温度进一步提高达到满足冻干箱4内物料升华所需的热量。干燥结束后，需要给冷阱5除霜，这时可以通过阀门调节，使从蓄热水箱2出来的高温硅油流入冷阱5除霜，至此，干燥后冷阱融冰循环回路完成。

当系统以模式二运行时，集热循环和模式一相同，故不多赘述。当从冻干箱4出来的硅油经过冷凝器7换热后，温度升高，在第二循环泵12的作用下流入到蓄热水箱2中，经过换热，温度进一步提高，此时硅油温度尚不满足物料升华所需的热量，需要电加热器3进一步对硅油进行加热，以达到满足冻干箱4内物料升华所需的热量。干燥结束后，需要给冷阱5除霜，这时可以通过阀门调节，使从蓄热水箱2出来的高温硅油(温度不够可以打开电加热器3补偿)流入冷阱5除霜，至此，干燥后冷阱融冰循环回路完成。

当系统以模式三运行时，此时晚上由于没有太阳辐射能，蓄热水箱2中基本上没有储存太阳能，此时满足冻干箱4中物料升华所需的热量的硅油温度需要冷凝热和电加热器3来提高，其工作原理与模式二下的工作原理基本相同，故不多赘述。干燥结束后，需要给冷阱5除霜，这时可以通过阀门调节，使硅油(温度不够的情况下经过电加热器3加热后)流入冷阱5除霜，至此，干燥后冷阱融冰循环回路完成。

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)

1.一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，包括太阳能集热循环回路、冷凝热供给循环回路、冻干箱(4)与冷阱(5)，其中，

所述太阳能集热循环回路包括通过工质管道依次连接并构成循环的蓄热水箱(2)和太阳能集热器(1)，

所述冷凝热供给循环回路包括通过工质管道依次连接并构成循环的压缩机(8)、冷凝器(7)、节流阀(10)和蒸发器，

所述冻干箱(4)的工质出口还通过工质管道依次连接所述冷凝器(7)、所述蓄热水箱(2)、所述冻干箱(4)的工质进口，并构成冻干箱干燥循环回路，

所述冷阱(5)的工质出口通过工质管道依次连接所述蓄热水箱(2)、所述冷阱(5)的工质进口，并构成冷阱融冰循环回路，

所述冻干箱(4)的工质出口还通过工质管道依次连接所述蒸发器、所述冻干箱(4)的工质进口，并构成冻干箱预冻循环回路，

所述冷阱(5)的工质出口通过工质管道依次连接所述蒸发器、所述冷阱(5)的工质进口，并构成冷阱预冻循环回路。

2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述蒸发器的工质进口通过电动三通调节阀接入所述冻干箱预冻循环回路和所述冷阱预冻循环回路。

3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冷阱(5)的工质出口通过电动三通调节阀接入所述冷阱预冻循环回路和所述冷阱融冰循环回路。

4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冻干箱干燥循环回路和所述冷阱融冰循环回路还包括电加热器(3)，所述电加热器(3)的工质进口与所述蓄热水箱(2)的工质出口连接，所述电加热器(3)的工质出口分别与所述冻干箱(4)的工质进口、所述冷阱(5)的工质进口连接。

5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冻干箱干燥循环回路和所述冷凝热供给循环回路在所述冷凝器(7)处的工质流向相反。

6.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冻干箱预冻循环回路和所述冷凝热供给循环回路在所述蒸发器处的工质流向相反。

7.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冷阱(5)还连接有真空泵(6)。

8.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冻干箱干燥循环回路还包括循环泵，所述循环泵设于所述冷凝器(7)和所述蓄热水箱(2)之间。

9.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述冻干箱干燥循环回路、所述冷阱融冰循环回路、所述冻干箱预冻循环回路、以及所述冷阱预冻循环回路的工质均为硅油。

10.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和冷凝热的冻干机节能系统，其特征在于，所述蒸发器为板式蒸发器(9)。

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