CN116007306B - 一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，包括转轮除湿补能系统、太阳能集热器与空气源热泵系统组合的干燥系统。针对高寒区大温差下的工况特性，常规空气源热泵系统存在效率低、干燥箱内湿度大导致升温慢的问题。因此，利用太阳能集热器加热水贮存热量，将贮存热水释放给转轮除湿补能系统进行补能，并用于吸附水蒸气的氯化锂解析；同时，解析热和储存热可分级向空气源热泵补能，有效解决干燥箱内湿度过大、升温慢的问题，确保物料的干燥品质，显著缩短物料干燥周期。系统实现太阳能补能与转轮除湿在常规空气源热泵系统中的高效集成，为高寒大温差工况下干燥过程提质增效提供技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种干燥系统，特别是涉及一种带有太阳能贮能、换热、分级补能及除湿的双蒸发器串联空气源热泵干燥系统，属于新能源干燥技术领域。
背景技术
太阳能是环境友好形低位能源，它们取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用太阳能非常适合，并大有可为。目前空气源热泵干燥在高原、严寒、昼夜温差大的地区工作时，白天环境温度相对较高，热泵机组能够稳定制热为干燥房提供能量，而到了夜晚环境温度降低至0℃以下以后，机组的制热性能出现波动和衰减，干燥房温度显著降低且湿度较高，不利用干燥作业，当环境温度不断降低至空气的露点温度时蒸发器会出现结霜情况，压缩机的压缩比增大，压缩机排气温度急剧上升导致系统报警停机。单独使用某一种太阳能或空气源热泵形式来干燥存在一定的局限性，为此，将两者结合起来，优势互补实现稳定与持续干燥已然是迫在眉睫之势。
传统干燥通常采用露天自然干燥方法，其效率低、占地面积大、耗时耗力、易受阵雨和梅雨等气候条件的影响，也易受风沙、灰尘、虫蚁等的污染，难以保证干燥食品或农副产品的质量。人工干燥行业是能耗较大的产业，在发达国家，大约20%的化石燃料应用于干燥。依靠化石燃料提供的热量，一方面对环境污染严重，另一方面难以保证被干燥食品或农副产品的质量，易造成二次污染；同时，常见的干燥箱除湿对干燥箱内部热量损失较大。在能源危机和环境危机的今天，无论从节能还是从环保角度，积极开发新能源，提高热能利用率，是绿色干燥行业发展的必然趋势。
发明内容
本发明针对在上述干燥方式中的不足，为减少现有干燥系统在低温下的能源消耗和效率低，提供了一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统。通过附有相变材料的转轮除湿补能和太阳能结合，从而实现热量分级利用，提高了工质的热量，换热率，有效控制在高原、严寒、大温差工况下热泵制热性能衰减波动、效率较低的问题和稳定干燥箱的干燥速率，增加系统普适性，有效节约能源，提高干燥效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：采用转轮除湿补能系统、空气源热泵系统与太阳能集热器组合的干燥系统组成。
所述的转轮除湿补能系统由回风风扇，转轮机构，附有氯化锂材料的转轮，散热盘管，散热风机和冷凝水池组成；所述氯化锂材料的转轮利用回风风机对干燥箱水蒸气进行吸附；所述饱和的氯化锂转轮处在解析通道进行解析；在解析通道内，启动散热风机，将进入到散热盘管的热水的热量吹到饱和的氯化锂表面，促进氯化锂解析；所述解析出来的水蒸气穿过转轮机构，到达冷凝水池进行冷凝成液体，冷凝后的水可可根据温度范围，用于直接补能或者存储在补能水箱，从而达到吸附材料的重复利用和水蒸气热量多种利用。
所述系统分级补能形式为，第一级：当转轮除湿系统中的解析系统运行时，若用于解析后的热水热量符合补能热量，反馈给四通阀，并启动直接补能给补能蒸发器，；第二级：若冷凝水池的水温符合补能水温时，将开启温度电磁阀和四通阀，直接补能给补能换热器；补能第三级：当冷凝水池和散热盘管的温度均不符合时，启用补能水箱和补能水泵对补能换热器进行补能。
所述太阳能集热贮能系统与空气源热泵系统是通过热泵补能系统以一个板式换热器与空气源热泵蒸发器串联的形式连接起来，补能通过监测干燥箱的温度，反馈给温度检测器，温度电磁阀及补能水箱。
进一步，所述的太阳能集热贮能，加热温度大于氯化锂解析温度，集热器支架设置丝口，用于地面固定。
进一步，所述的转轮机构内部包含主轴、控制器、转轮。
进一步，所述的干燥室设计为圆形，室内风温均匀，无热风死角。
进一步，所述的除湿材料为氯化锂，均匀分布在转轮上。
进一步，所述的解析管道与干燥箱通过转轮机构连接，密封性好，不散失干燥箱及解析热量。
进一步，所述的干燥箱设计为四边圆弧形的长方体，箱体内设置循环风机构，无热风死角。
进一步，所述的干燥箱内物料架和物料盘分离，物料架底部安装万向轮。
本发明的优点和有益效果是：转轮上的相变材料对干燥箱水蒸气吸附，太阳能集热器加热储存的水，一部分在盘管的做用下对吸附饱和的相变材料进行解析，实现相变材料的重复利用，并有效控制干燥箱内湿度，同时储存热及解析热通过空气源热泵蒸发器前端的补能蒸发器给制冷剂进行加热，有效控制高原、严寒、大温差工况下热泵制热性能衰减波动、效率较低的问题并稳定干燥箱的干燥速率，是一种理想的干燥系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面秒速中附图仅仅是本发明地实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的系统原理图。
图2为本发明提供的转轮除湿补能系统结构图。
图中：1.太阳能集热器；2.电磁阀；3.温差控制器；4.电磁阀；5.电磁阀；6.集热器循环泵；7.储热水箱；8.电加热；9.补能水箱；10.电加热；11.补能水泵；12.补能蒸发器；13.蒸发器风机；14.蒸发器；15.压缩机；16.冷凝器；17.冷凝器风机；18.节流阀；19.物料架；20.干燥箱；21.回风风机；22.散热风机；23.温差控制器；24.附有氯化锂吸附材料转轮；25.转轮机构；26.冷凝水池；27.温度电磁阀；28.温差控制器；29.四通阀；30.排水孔；31.热交换水泵；32.水泵。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的描述。
本发明提供了一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统。
如附图1所示，本发明的太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，由转轮除湿补能系统，太阳能集热器和空气源热泵系统组成，其中包括干燥箱内循环和吸附材料解析。
首先，将太阳能集热器1朝南固定安装在空旷的无遮挡的区域，集热器出口与储热水箱7上部相连，集热器进口与储热水箱7下部相连且中间安装循环泵6，温差控制器3通过温度传感器监测集热器出口与储热水箱7中部温度，通过温差控制循环泵6的启停。
其次，转轮机构24安装于干燥箱20和解析管道中，干燥箱20内的转轮部分前端装有回风风机21，解析管道内两端分别为散热盘管23，散热风机22及冷凝水池，冷凝水池底部安装有温度电磁阀27，控制冷凝水池26中水的去向，散热盘管23的出口装有温差控制器28和四通阀29控制解析后水的去向。
然后，储热水箱7可以通过换热水泵31直接将热量换给补能水箱10用于补能，同时，水箱可通过内置的电加热8或10对水进行加热。
最后，干燥箱20结构由聚氨酯保温板拼接构成，在干燥箱20在回风风道的入口安装有回风风机21；干燥箱内部放置物料架19，物料架底部安装有万向轮可移动；回风风道和冷凝器16中间按装转轮除湿机构，补能蒸发器12于空气源热泵蒸发器14为串联。至此，完成一种基于相变材料转轮除湿补能的大温差下太阳能辅助空气源热泵干燥系统。
具体的，当白天太阳能充足，辐照强度足够，环境稳定不低于5℃时，利用空气源热泵系统驱动干燥系统中压缩机15工作，当系统的压缩机15工作时，热量通过冷凝器16处的风机17工作释放给干燥箱用于升温干燥，同时太阳能集热贮存系统进行储能工作，集热器1吸收太阳能对储热水罐4的水加热至解析氯化锂的温度及以上，并通过集热器循环泵6进行循环，同时使用温差控制器3监测温度变化量，保证白天的时候太阳能吸收太阳能并转换成热水储存在储热水罐，储存足够的热量供补能和解析情况使用。夜间时集热器1无法吸收太阳能，集热器循环泵6关闭，储能系统停止储能。该环境温度下，当干燥系统处于稳定运行时，则一直使用空气源热泵系统对整个干燥系统进行干燥作业。
具体的，当在多云天气或者夜间温差较大的环境下，白天太阳能辐照不够充足，根据太阳辐照度强度情况，辐照好的时候，环境温度大于5℃时，先驱动空气源热泵干燥系统的压缩机16工作，当监测到空气源热泵干燥系统的蒸发器14换热量降低时及环境温度低于5℃，开始启动补能系统的水泵11工作，通过温差控制器28，温度电磁阀29及四通阀29和循环水泵31，选择合适温度段的补能热源，对空气源热泵系统进行补能，通过监测的蒸发器14传输的换热量的信号调控补充的能量的多少及温度的高低，最大限度利用储存的热量，储热水罐7贮存的热水的热量较高，增加了补能水箱9进行二次换热，能够控制进入板式补能蒸发器12中水的温度，同时防止水直接通入板式换热器后过热导致板式蒸发器12损坏，保证了干燥系统在多云天气和热泵制热性能衰减波动、效率较低的问题和稳定干燥箱的干燥速率，确保干燥箱的温度始终处于设定温度。
具体的，当雨雪天气，白天太阳能不够，辐照度极小的情况下，空气源热泵系统不能稳定运行时，且在这种情况下蒸发器14会出现结霜现象，大大降低了蒸发器的换热效率，此时，维持空气源热泵的正常运行的同时，先启动补能的水泵11和四通阀29工作，将储热水箱9的热水通过换热循环水泵31输送到补能水箱9中换热，通过对干燥箱20温度的监测，根据计算对板式补能蒸发器12进行补能，并开启对应的循环水泵3或温度电磁阀27等，当出现连续阴雨天，长时间没有太阳辐照的环境时，可启动储热水箱7或补能水箱9内的电加热8或10，将进行补能或者用于解析的热水加热至对应的温度范围，确保补能或除湿的效果和热量利用率；通过补能使干燥箱的温度保持在设定温度，解决了高原、严寒、大温差工况下热泵制热性能衰减波动、效率较低的问题和稳定干燥箱的干燥速率。
具体的，当补能时，转轮除湿补能系统的补能控制，通过监测蒸发器14的换热量启动对应的补能模式，干燥箱20温度低于干燥箱20设定温度0℃-7℃时，转轮除湿补能系统的解析热储存在冷凝水池26，开启温度电磁阀27和四通阀29，冷凝水池27中的水直接补能给补能换热器12，加热空气源热泵蒸发器14入口制冷剂温度；干燥箱20温度低于干燥箱20设定温度7℃-14℃时，将储热水箱7的温度换给补能水箱9至需要的补能热量，再通过补能水泵11补给补能蒸发器12加热空气源热泵蒸发器14入口制冷剂温度；干燥箱20温度低于干燥箱20设定温度14℃-21℃时，转轮除湿补能系统的散热盘管32出口的热水在温差控制器28和四通阀29的控制下，加热空气源热泵蒸发器14入口制冷剂温度工质的循环方向和补能热水的循环方向正好相反，该循环为一个完整的补能循环。
具体的，当干燥箱20在进行干燥作业时，转轮机构25就开始运行，通过回风风机21将干燥箱内的湿空气吹到转轮机构25上的附有氯化锂材料的转轮24上，氯化锂材料对湿空气中的水蒸气进行吸附，吸附后的干空气穿过转轮机构25，回到干燥箱20内，当处在干燥箱20内的附有氯化锂吸附材料的转轮吸附饱和后，转轮机构25启动，通过旋转，将饱和的部分转到解析处，未饱和的处与干燥箱20内继续吸附水蒸气，解析处的氯化锂材料，通过散热盘管23和散热风机22，将解析的热量吹到饱和的氯化锂上，促进解析，解析出来的水蒸气在散热风机22的作用下吹到冷凝水池26内进行冷凝，冷凝的水可以用于补能。该循环在对干燥箱进行排湿的同时极大的利用了干燥箱内的热量，提高了能源的利用率，降低能耗。
以上所述，仅是本发明通过理论计算及实验对比寻找的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，采用转轮除湿补能系统、太阳能集热器与空气源热泵系统组合的干燥系统；所述的转轮除湿补能系统由回风风扇，转轮机构，附有氯化锂材料的转轮，散热盘管，散热风机，补能蒸发器，储热水箱，补能水箱，补能水泵和冷凝水池组成，所述氯化锂材料的转轮利用回风风机对干燥箱水蒸气进行吸附；饱和的氯化锂转轮处在解析通道进行解析：在解析通道内，启动散热风机，将进入到散热盘管的热水的热量吹到饱和的氯化锂表面，促进氯化锂解析：所述解析出来的水蒸气穿过转轮机构，到达冷凝水池进行冷凝成液体，冷凝后的水可可根据温度范围，用于直接补能或者存储在补能水箱，从而达到吸附材料的重复利用和水蒸气热量多种利用；
热泵的分级补能主要为：第一级：当转轮除湿系统中的解析系统运行时，若用于解析后的热水热量符合补能热量，反馈给散热盘管出口处的四通阀，并启动直接补能给补能蒸发器，第二级：若冷凝水池的水温符合补能水温时，将开启冷凝水池底部的温度电磁阀和散热盘管出口处的四通阀，直接补能给补能换热器；第三级：当冷凝水池和散热盘管的温度均不符合时，启用补能水箱和补能水泵对补能换热器进行补能；
所述干燥箱温度低于干燥箱设定温度0℃-7℃时，转轮除湿补能系统的解析热储存在冷凝水池，除湿并加热空气源热泵蒸发器入口制冷剂温度；干燥箱温度低于干燥箱设定温度7℃-14℃时，槽式集热器贮能加热空气源热泵蒸发器入口制冷剂温度；干燥箱温度低于干燥箱设定温度14℃-21℃时，转轮除湿补能系统的散热盘管出口的热水加热空气源热泵蒸发器入口制冷剂温度；分级补能通过在空气源热泵蒸发器与节流阀之间串联一个补能蒸发器下完成，解决了在低温环境下空气源热泵出现蒸发器结霜导致换热率降低的问题，实现除湿和补能同时进行，维持干燥系统的最佳运行状况，提高干燥效率及热源利用率。
2.如权利要求1所述的一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，转轮除湿补能系统是基于相变材料-氯化锂，氯化锂对水蒸气的吸附作用，氯化锂均匀分布在转轮上，通过转轮机构将转轮分为两部分，一半置于干燥箱回风通道处，对干燥箱内的水蒸气进行吸附，另一半处在解析通道对吸附饱和的氯化锂进行解析，实现了相变材料的重复利用，有效控制了干燥箱内的湿度，提高干燥箱的升温速率。
3.如权利要求1所述的一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，所述转轮除湿补能系统的解析通道密封绝热，两边分别为散热风机，散热盘管及冷凝水池；转轮位于通道中间，通道内转轮机构两侧为网状，转轮通过内部的轴带动旋转。
4.如权利要求1所述的一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，所述冷凝水池用于对解析的水蒸气进行冷凝，冷凝水池底部外接温度电磁阀，冷凝水在温度电磁阀控制下，可用于补能，储热和排放，实现冷凝水多级利用。
5.如权利要求1所述的一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，储热水箱通过太阳能集热器将水温加热至解析氯化锂的温度，储热水箱与太阳能集热器之间安装温度探头采集温度信号，储热水箱与太阳能集热器之间安装温差控制器和循环水泵，保证了贮存热量的稳定性，使水箱在储能补能的同时，用于氯化锂的解析，扩升储能水箱的使用范围。
6.如权利要求1所述的一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，储热水箱的热水通过散热盘管输送到解析通道用于相变材料氯化锂的解析，穿过盘管的热水在温差控制器的作用下，可用于补能和储能，实现热量梯度应用，提高系统整体效率。
7.如权利要求1所述的一种太阳能与转轮除湿分级补能的高寒区热泵干燥系统，其特征在于，补能水箱对空气源热泵系统的补能，同时储存冷凝水池及散热盘管内高于30℃的水，即可储能，又可补能。
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