CN115183489A - 一种开式空气循环热泵干燥系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开式空气循环热泵干燥系统，其包括系统进口(1)、过滤器(2)、第一膨胀机(3)、换热器(4)、气液分离器(5)、空气压缩机(6)、干燥室(7)和系统出口(13)，所述系统进口(1)和系统出口(13)都与环境大气相连，所述系统进口(1)、过滤器(2)、第一膨胀机(3)、换热器(4)的低温侧、气液分离器(5)、空气压缩机(6)、干燥室(7)、换热器(4)的高温侧和系统出口(13)依次连接。其循环工质为空气，热空气工质直接应用于物料干燥，既可以作为使用氟利昂工质的常规热泵系统的环保替代技术，也可以实现在高湿环境工况下的高能效运行。
Description
技术领域
本发明属于低碳节能设备技术领域，涉及一种热泵干燥系统，特别涉及一种从空气中吸热、以空气为循环介质的热泵干燥系统。
背景技术
干燥工艺可能是许多行业中最古老、最常见和最多样化的过程。因为水有很高的汽化潜热，所以它是最耗能的过程之一。广泛应用于食品加工、污泥干燥、水产品加工、布料干燥、木材干燥等领域。
目前，使用的干燥技术主要包括电加热、燃料/气体加热、真空蒸发干燥和热泵干燥。其中，热泵干燥技术具有高效节能、温度调节范围宽、干燥效率高、可控性好、干燥质量好、低碳环保等优点。具有广阔的应用前景，是实现绿色发展的较好方案。
如今全球逐渐变暖的世界性问题，引起了人们对环境保护的更多关注。其中，常规热泵系统使用的是氟利昂类工质，大多是具有高GWP值和ODP值的有机工质，属于环境不友好型物质，也正面临越来越严格的使用限制，将在不久的未来被逐步淘汰。相比之下，空气是一种天然、安全的工质，因此，使用空气作为工作流体的逆布雷顿循环(空气循环热泵系统)可作为传统蒸汽压缩循环的潜在替代方案。空气循环热泵系统由于其在一定工况条件下的优异性能，被认为是常规热泵系统替代的、极具潜力的技术之一。
其中，公布号为CN109186116B的发明专利提出了一种将涡轮增压器应用于空气循环热泵系统的装置，从而提高整系统的制热性能。公开号为CN108759092A的发明专利申请提出了将闭式空气循环热泵系统应用于在寒冷及严寒地区，以制备高温热水。CN109059146B和CN113124515A提出将空气循环热泵系统应用于空调领域。CN107763891A发明了一种空气循环压缩式空气源热泵机组，解决了现有常规热泵机组在环境温度降低时制热量衰减大，能效低等问题。然而，还未有人提出将空气循环热泵系统应用于干燥领域，并提出针对性的系统创新发明。以烟草烤房为例，常规热泵干燥系统需要先在冷凝器处加热循环空气(工质-换热器-循环空气)，循环热空气再与物料接触从而带走水分。其中多介质的换热过程会影响干燥系统的整体能效。而循环空气热泵系统的工质就是空气，系统内的循环热空气可直接带走物料中的水分，减少热交换过程，提升除湿效率。综上，将空气循环热泵系统应用于燥领域，应具有巨大的潜在价值和前景。
此外，从空气源热泵工作原理进行分析，开式空气循环系统相比闭式空气循环系统要更加高效，但是，开式空气循环热泵系统性能常常受环境湿度变化影响较大，所以开发高效的、稳定的、高湿度工况下自适应能力强的空气循环热泵干燥系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种开式空气循环热泵干燥系统，其循环工质为空气，热空气工质直接应用于物料干燥，既可以作为使用氟利昂工质的常规热泵系统的环保替代技术，也可以实现在高湿环境工况下的高能效运行。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种开式空气循环热泵干燥系统，其包括系统进口、过滤器、第一膨胀机、换热器、气液分离器、空气压缩机、干燥室和系统出口，其特征在于，所述系统进口和系统出口都与环境大气相连，所述系统进口、过滤器、第一膨胀机、换热器的低温侧、气液分离器、空气压缩机、干燥室、换热器的高温侧和系统出口依次连接。
优选地，所述第一膨胀机为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述气液分离器和空气压缩机之间。
优选地，所述第一膨胀机为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述空气压缩机和干燥室之间。
优选地，所述开式空气循环热泵干燥系统进一步包括设置在所述换热器的高温侧和所述系统出口之间的第二膨胀机。
优选地，所述第二膨胀机为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述气液分离器和空气压缩机之间。
优选地，所述第二膨胀机为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述空气压缩机和干燥室之间。
优选地，所述开式空气循环热泵干燥系统进一步包括水箱，所述气液分离器通过气液分离器排水管路与所述水箱相连且所述换热器通过换热器排水管路与所述水箱相连。
优选地，所述水箱上还连接有水箱排水管路且所述水箱排水管路上设有排水阀门。
优选地，所述空气压缩机为离心式、混流式或轴流式的透平压缩机，或者为活塞式、转子式、涡旋式或螺杆式的压缩机；所述第一膨胀机和第二膨胀机为向心透平膨胀机、轴流膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机或转子膨胀机。
优选地，所述空气压缩机的压缩过程级数为单级、双级或多级；且其膨胀过程级数也为单级、双极或多级。
与现有技术相比，本发明的开式空气循环热泵干燥系统具有如下有益技术效果中的一者或多者：
1、其循环工质为空气，工质受热后可直接应用于物料干燥，一方面比较环保，另一方面有利于直接实现物料的干燥。
2、其环保性能好，可以作为使用氟利昂工质的常规热泵系统的低碳环保替代技术。
3、其性能更好，解决了热泵干燥系统运行在高湿环境工况下系统性能衰减过大的的问题。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
图2是本发明的第二实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
图3是本发明的第三实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
图4是本发明的第四实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
图5是本发明的第五实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
图6是本发明的第六实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
图7是本发明的第七实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
本发明涉及一种开式空气循环热泵干燥系统，其循环工质为空气，热空气工质直接应用于物料干燥，既可以作为使用氟利昂工质的常规热泵系统的环保替代技术，也可以实现在高湿环境工况下的高能效运行。
图1示出了本发明的第一实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图1所示，本发明的第一实施例的开式空气循环热泵干燥系统包括系统进口1、过滤器2、第一膨胀机3、换热器4、气液分离器5、空气压缩机6、干燥室7和系统出口13。
其中，所述系统进口1和系统出口13都与环境大气相连。由此，通过所述系统进口1能够使环境大气中的空气进入所述开式空气循环热泵干燥系统中。通过所述系统出口13，能够使所述开式空气循环热泵干燥系统中的空气排放到环境大气中。
在本发明中，所述系统进口1、过滤器2、第一膨胀机3、换热器4的低温侧、气液分离器5、空气压缩机6、干燥室7、换热器4的高温侧和系统出口13依次连接。
所述过滤器2用于对通过所述系统进口1进入的环境大气中的空气进行过滤。
所述第一膨胀机3用于将环境大气中的空气膨胀后变成低压、低温的空气。在环境空气湿度较高的运行工况下，所述第一膨胀机3的出口空气温度低于出口压力对应的露点温度时，空气变为过饱和状态并发生水分凝结，导致湿膨胀，也就保证了进入所述空气压缩机6的空气的含湿量，最高不超过所述第一膨胀机3的出口压力对应的饱和空气含湿量。
所述换热器4内两侧的换热流体为来自所述第一膨胀机3的低温湿空气与来自所述干燥室7的高温湿空气。在所述换热器4内高温侧的湿空气在接触低于露点温度的冷壁面后进行冷凝。其中，所述换热器4的换热方式可选为叉流、顺流、逆流。
所述气液分离器5用于对换热后的低温湿空气进行气液分离。
所述空气压缩机6将流经其的空气进行压缩后温度升高，并且所述空气压缩机6用于自身驱动的电机来补偿所述空气压缩机6消耗功与所述第一膨胀机3回收功之差。
这样，来自环境大气中的常温常压的空气经过所述系统进口1再流入所述过滤器2。其中，空气中的杂质被所述过滤器2进行过滤。过滤后的空气流经所述第一膨胀机3变为低温低压空气。如果空气变为过饱和湿空气则发生湿膨胀，以保障进入所述空气空压机6前的空气含湿量不高于此压力下的饱和湿空气的含湿量。然后进入所述换热器4的低温侧换热后升温，再流经所述气液分离器5进行气液分离。分离后的空气进入所述空气压缩机6，变成高温低湿的空气，为所述干燥室7内物料提供干燥条件，可以干燥位于所述干燥室7内的物料。接着经过所述干燥室7后，空气变为高温高湿状态，再进入所述换热器4的高温侧进行冷凝后，再经过所述系统出口13排回到环境大气中去。
在本发明中，所述空气压缩机6的压缩过程级数可以为单级、双级或多级。当级数为单级时不设置压缩级间冷却，当级数为双极或多级时可设置压缩级间冷却。同时，所述空气压缩机6的膨胀过程级数也可以为单级、双极或多级。并且，当级数为单级时不设置级间再热，当级数为双极或多级时可设置级间再热。
此外，在本发明中，所述空气压缩机6可为离心式、混流式或轴流式的透平压缩机，或者活塞式、转子式、涡旋式或螺杆式的压缩机。并且，所述第一膨胀机3可以为向心透平膨胀机、轴流膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机或转子膨胀机。
在本发明中，所述开式空气循环热泵干燥系统可以进一步包括水箱8。其中，所述气液分离器5可以通过气液分离器排水管路11与所述水箱8相连，由此可以将所述气液分离器5内产生的水导入所述水箱8内储存。并且，所述换热器4可以通过换热器排水管路12与所述水箱8相连，由此可以将所述换热器4内产生的水导入所述水箱8内储存。
并且，所述水箱8上还可以连接有水箱排水管路10且所述水箱排水管路10上设有排水阀门9。由此，当所述水箱8内的水达到一定量后，可经过所述排水阀门9和水箱排水管路10排出。
图2示出了本发明的第二实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图2所示，与第一实施例不同的是，为了将损耗的膨胀功进行回收以提高系统的性能，所述第一膨胀机3为带功回收的膨胀机，即其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置。这样，回收的功可以作为压缩端的动力，可减轻系统中所述空气压缩机6需达到设计压力的负荷，或者进一步提升增压端的压力和温度。
在本发明中，所述传动装置可以采用齿轮、皮带、铰链等传动方式。
在该实施例中，所述增压端设置在所述气液分离器5和空气压缩机6之间。
图3示出了本发明的第三实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图3所示，所述第一膨胀机3也为带功回收的膨胀机，即其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置。与第二实施例不同的是，所述增压端设置在所述空气压缩机6和干燥室7之间。
图4示出了本发明的第四实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图4所示，其在换热器4的高温侧和系统出口13的之间设置有一个第二膨胀机14，由此可以提高所述干燥室7内的压力和温度，从而提升整个干燥效率。通过设置所述第二膨胀机14，可以满足不同使用需求，即如不设置所述第二膨胀机14，所述干燥室7内的压力接近于大气压力，该系统为常压干燥系统；如设置所述第二膨胀机。14，所述干燥室7内的压力高于大气压力，该系统为高压干燥系统。
图5示出了本发明的第五实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图5所示，与第四实施例不同的是，所述第二膨胀机14为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置。由此，可以将所述第二膨胀机14增压端应用到系统中去，从而可以提升整个系统的性能效率。
在该实施例中，所述增压端设置在所述空气压缩机6和干燥室7之间。
图6示出了本发明的第六实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图6所示，与第五实施例不同的是，所述第二膨胀机14为不带功回收的膨胀机，而所述第一膨胀机3是带功回收的膨胀机且在该实施例中，所述第一膨胀机3的增压端设置在所述气液分离器5和空气压缩机6之间。
图7示出了本发明的第七实施例的开式空气循环热泵干燥系统的构成示意图。如图7所示，与第六实施例不同的是，所述第二膨胀机14和所述第一膨胀机3都是带功回收的膨胀机。并且，在该实施例中，所述第一膨胀机3的增压端和所述第二膨胀机14的增压端都设置在所述气液分离器5和空气压缩机6之间。
本发明的开式空气循环热泵干燥系统的循环工质为空气，工质受热后可直接应用于物料干燥，一方面比较环保，另一方面有利于直接实现物料的干燥。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种开式空气循环热泵干燥系统，其包括系统进口(1)、过滤器(2)、第一膨胀机(3)、换热器(4)、气液分离器(5)、空气压缩机(6)、干燥室(7)和系统出口(13)，其特征在于，所述系统进口(1)和系统出口(13)都与环境大气相连，所述系统进口(1)、过滤器(2)、第一膨胀机(3)、换热器(4)的低温侧、气液分离器(5)、空气压缩机(6)、干燥室(7)、换热器(4)的高温侧和系统出口(13)依次连接。
2.根据权利要求1所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述第一膨胀机(3)为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述气液分离器(5)和空气压缩机(6)之间。
3.根据权利要求1所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述第一膨胀机(3)为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述空气压缩机(6)和干燥室(7)之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，进一步包括设置在所述换热器(4)的高温侧和所述系统出口(13)之间的第二膨胀机(14)。
5.根据权利要求4所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述第二膨胀机(14)为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述气液分离器(5)和空气压缩机(6)之间。
6.根据权利要求4所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述第二膨胀机(14)为带功回收的膨胀机，其一侧为压缩端、另一侧为增压端且所述压缩端与增压端之间设有传动装置，所述增压端设置在所述空气压缩机(6)和干燥室(7)之间。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，进一步包括水箱(8)，所述气液分离器(5)通过气液分离器排水管路(11)与所述水箱(8)相连且所述换热器(4)通过换热器排水管路(12)与所述水箱(8)相连。
8.根据权利要求7所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述水箱(8)上还连接有水箱排水管路(10)且所述水箱排水管路(10)上设有排水阀门(9)。
9.根据权利要求8所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述空气压缩机(6)为离心式、混流式或轴流式的透平压缩机，或者为活塞式、转子式、涡旋式或螺杆式的压缩机；所述第一膨胀机(3)和第二膨胀机(14)为向心透平膨胀机、轴流膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机或转子膨胀机。
10.根据权利要求9所述的开式空气循环热泵干燥系统，其特征在于，所述空气压缩机(6)的压缩过程级数为单级、双级或多级；且其膨胀过程级数也为单级、双极或多级。
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Citations (9)
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