CN211782344U - 一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用公开了一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，该动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统由热泵机组、冷冻水系统和蒸发器组成，所述热泵机组统包括压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器。本实用，创新性的提出了创新性的设计了冷冻水系统和辅助冷/热源系统，可以通过设计和运行层面，实现热泵烘干机组全过程动态冷热平衡调节，系统稳定性好、实用性强，干燥过程中负荷会随物料的状态不断变化，本实用所提出的冷冻水系统和辅助冷/热源系统，可根据冷热负荷需求，进行动态的调节，较传统的闭式烘干热泵系统，灵活性强，调节范围更广。

Description

一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统

技术领域

本实用涉及热泵机组技术领域，尤其涉及一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统。

背景技术

我国是农业大国，农副产品、食品、木材、药材等往往需要烘干贮藏，物料的烘干是其加工过程中的重要环节。但是烘干是一个高耗能的过程，并且传统的干燥技术能量利用率低，仅有35％左右。近年来，热泵烘干技术的由于高效节能、干燥介质可实现封闭循环、环境友好等优势，备受关注，并得到了充分发展和推广应用。

热泵烘干技术是基于逆卡诺循环原理，利用蒸发器对循环的空气降温除湿，在利用冷凝器进行升温加热，最终达到烘干物料的目的。众所周知，在实际的烘干过程中物料热负荷和湿负荷会变化，造成机组的冷热负荷的分配不均冷热量难以平衡。目前常规的热泵烘干机组多为直膨式，机组对冷热分配不均难以同时满足冷热量需求适应能力较差，只能通过停机、卸载或热气外排来确保烘干温度在适用范围，导致机组频繁启停或低效运行，增加运行能耗，同时也会使得烘房的空气温湿度波动较大。

实用新型内容

本实用的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统。

为了实现上述目的，本实用采用了如下技术方案：一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，该基于全过程动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统由热泵机组、冷冻水系统和蒸发器组成；

所述热泵机组统包括压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，压缩机压缩的高温高压气体制冷剂通过排气管进入冷凝器的冷凝器换热管中，与流过冷凝器的冷凝器翅片的干冷空气换热，冷凝为高压液体后，流入节流元件节流后，通过液管进入蒸发器的蒸发器换热管中蒸发，吸收同在蒸发器中流动的冷冻水热量变为低压气体制冷剂后，通过回气管进入压缩机中循环压缩；

所述冷冻水系统，包括蓄能水箱、蒸发器、除湿器，存储在蓄能水箱的冷冻水，通过第一水泵泵入蒸发器中，与流入蒸发器，蒸发器换热管中的制冷剂进行换热，制冷剂蒸发吸收冷冻水的冷量，降温后的冷冻水流出蒸发器，通过与蒸发器所连通的冷冻水供液管管路流入除湿器的除湿器换热管中，循环吸收通过除湿风扇转动，强制流过除湿器翅片外表面的湿空气的热量，湿空气降温除湿变为干冷空气，而吸收湿空气热量的，升温后的冷冻水则流出除湿器，通过冷冻水回流管流入蓄能水箱中储存；

所述热泵机组和冷冻水系统共用蒸发器，在蒸发器中，通过热泵机组制冷剂蒸发，吸收冷冻水系统的热量，降低冷冻水温度，降低温度的冷冻水进入除湿器中，吸收流过除湿器的除湿器翅片表面的湿空气热量，湿空气被吸收热量降低温湿度后，变为干冷空气，干冷空气流过冷凝器，吸收制冷系统的高温高压气体制冷剂热量，提高温度后送入放置需要烘干产品的烘干房烘干产品。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述蒸发器可为板式换热器、壳管式换热器、套管式换热器，或者内置换热管的换热水箱。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述蓄能水箱还外接辅助冷/热源系统，通过辅助冷/热源系统调控蓄能水箱所储存冷冻水水温。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述热泵机组还设置送风风道和进风风道，外界需要处理的湿空气首先经过进风风道进入除湿器，经过除湿风扇运转，强制流过除湿器的除湿器翅片外表面，与在除湿器的除湿器换热管流动的冷冻水强制换热，湿空气降温除湿后变为干冷空气，流出除湿器后，经过送风风道，最终在冷凝风扇的转动下，强制流过冷凝器的冷凝器翅片外表面，与在冷凝器换热管中流动的高温高压气体制冷剂进行强制换热，高温高压气体制冷剂释放热量后变为高压液体制冷剂，而吸收热量的干冷空气则升高温度，最终流出冷凝器，通过出风风管最终流入到烘干房中，吸收烘干物品的水分，达到干燥烘干物品的目的。

作为上述技术方案的进一步描述：

还包括设置混合风管和混合段，外面空气经过所述混合风管进入送风风道上混合段中混合，混合后的空气参数达到要求值后，再进入冷凝器升温后，通过出风风管最终流到烘干房中。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述蓄能水箱上还设置有水温探头、第二水泵和辅助热源进水管。

有益效果

本实用提供了一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，具备以下有益效果：

(1)创新性的提出了创新性的设计了冷冻水系统和辅助冷/热源系统，可以通过设计和运行层面，实现热泵烘干机组全过程动态冷热平衡调节，系统稳定性好、实用性强；

(2)干燥过程中负荷会随物料的状态不断变化，本实用所提出的冷冻水系统和辅助冷/热源系统，可根据冷热负荷需求，进行动态的调节，较传统的闭式烘干热泵系统，灵活性强，调节范围更广；

(3)本实用所提出的冷冻水系统和辅助冷/热源系统，可以充分利用系统多余的能源，实现能源利用效率的最大化，具有重要的节能前景。

附图说明

图1为本实用的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统的工作原理图。

图2为使用本实用的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统进行烘干加工原理图。

图例说明：

1、除湿器；11、进风风道；12、除湿器换热管；13、除湿器翅片；14、除湿风扇；15、送风风道；16、冷冻水回流管；17、冷冻水供液管；2、蒸发器；21、蒸发器换热管；3、节流元件；31、液管；4、蓄能水箱；41、第一水泵；42、水温探头；43、第二水泵；44、辅助热源进水管；5、压缩机；51、回气管；52、排气管；6、冷凝器； 61、冷凝器换热管；62、冷凝器翅片；63、冷凝风扇；64、出风风管； 65、混合风管；66、混合段；7、烘干房；71、排热风扇；72、烘干物品；73、回风风道；74、第1风阀；8、第2风阀；81、新风风道。

具体实施方式

下面将结合本实用实施例中的附图，对本实用实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，该基于全过程动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统由热泵机组、冷冻水系统和蒸发器2组成；

所述热泵机组统包括压缩机5、冷凝器6、节流元件3、蒸发器2，压缩机5压缩的高温高压气体制冷剂通过排气管52进入冷凝器6的冷凝器换热管61中，与流过冷凝器6的冷凝器翅片62的干冷空气换热，冷凝为高压液体后，流入节流元件3节流后，通过液管31进入蒸发器2的蒸发器换热管21中蒸发，吸收同在蒸发器2中流动的冷冻水热量变为低压气体制冷剂后，通过回气管51进入压缩机5中循环压缩；

所述冷冻水系统，包括蓄能水箱4、蒸发器2、除湿器1，存储在蓄能水箱4的冷冻水，通过第一水泵41泵入蒸发器2中，与流入蒸发器，蒸发器换热管21中的制冷剂进行换热，制冷剂蒸发吸收冷冻水的冷量，降温后的冷冻水流出蒸发器2，通过与蒸发器2所连通的冷冻水供液管17管路流入除湿器1的除湿器换热管12中，循环吸收通过除湿风扇14转动，强制流过除湿器翅片13外表面的湿空气的热量，湿空气降温除湿变为干冷空气，而吸收湿空气热量的，升温后的冷冻水则流出除湿器1，通过冷冻水回流管16流入蓄能水箱4中储存；

所述热泵机组和冷冻水系统共用蒸发器2，在蒸发器2中，通过热泵机组制冷剂蒸发，吸收冷冻水系统的热量，降低冷冻水温度，降低温度的冷冻水进入除湿器1中，吸收流过除湿器1的除湿器翅片 13表面的湿空气热量，湿空气被吸收热量降低温湿度后，变为干冷空气，干冷空气流过冷凝器6，吸收制冷系统的高温高压气体制冷剂热量，提高温度后送入放置需要烘干产品的烘干房7，烘干产品。

蒸发器2可为板式换热器、壳管式换热器、套管式换热器，或者内置换热管的换热水箱，适用于不同场合对蒸发器类型不同要求。

蓄能水箱4还外接辅助冷/热源系统，通过辅助冷/热源系统调控蓄能水箱4所储存冷冻水水温。

热泵机组还设置送风风道15和进风风道11，外界需要处理的湿空气首先经过进风风道11进入除湿器1，经过除湿风扇14运转，强制流过除湿器1的除湿器翅片13外表面，与在除湿器1的除湿器换热管12流动的冷冻水强制换热，湿空气降温除湿后变为干冷空气，流出除湿器1后，经过送风风道15，最终在冷凝风扇63的转动下，强制流过冷凝器6的冷凝器翅片62外表面，与在冷凝器换热管61中流动的高温高压气体制冷剂进行强制换热，高温高压气体制冷剂释放热量后变为高压液体制冷剂，而吸收热量的干冷空气则升高温度，最终流出冷凝器6，通过出风风管64最终流入到烘干房7中，吸收烘干物品72的水分，达到干燥烘干物品72的目的。

还包括设置混合风管65和混合段66，外面空气经过所述混合风管65进入送风风道15上混合段66中混合，混合后的空气参数达到要求值后，再进入冷凝器6升温后，通过出风风管64最终流到烘干房7中。

干燥烘干物品72的空气，由于吸收了烘干物品72的水分，此时空气湿度加大，当需要排出这部分湿热空气时，则通过排热风扇71，强制排到外界大气环境中；如需要与干冷空气在混合段66混合，则打开第1风阀74，关闭第2风阀8，湿热空气经过回风风道73，流入混合风管65中，最终进入混合段66与干冷空气混合，通过调节第 1风阀74开启大小，可调节湿热空气流量；当需要外界环境中湿空气时，此时关闭第1风阀74，打开第2风阀8，外界环境中湿空气经过新风风道81，第2风阀8流入混合风管65中，最终进入混合段66 与干冷空气混合，同样，通过调节第2风阀8开启大小，可调节外界环境中湿空气的流量。

蓄能水箱4上还设置有水温探头42、第二水泵43和辅助热源进水管44。

(1)根据烘干物料特点以及烘干工艺要求，建立除湿器1的除湿负荷Qc的变化规律模型，即Qc＝f1(ma,φ,Ta′)，式中，φ为物料的含水率(φ＝d/d0，其中d0为物料初始状态的含水量，d 为物料当前状态的含水量)，Ta′为烘房空气温度，ma为循环空气的流量；

(2)根据物料除湿工艺要求，建立物料除湿过程中不同含水率下除湿冷却温度Te的变化模型，即Te＝f2(φ)；

(3)设置在蓄能水箱4上水温探头42探测控制温度，按照模型 Tw1＝f5(Qc,Te)，设定温度控制的差动范围1oC，通过上位控制器进行PID调节，实现冷热平衡。一方面，当温度低于设定温度时，此时启动辅助冷/热源系统，通过水泵43将冷冻水循环泵入辅助热源系统中，吸收辅助冷/热源系统所提供的热量，然后通过辅助冷/热源进水管44流入蓄能水箱4，直至达到所要求温度的冷冻水。另一方面，当水温探头42探测冷冻水温度高于设定的水温，此时启动空调机组，吸收冷冻水的冷量，降低冷冻水温度达到设定值后，再通过冷冻水供液管17进入除湿器1中，吸收湿空气的热量，降低是空气温湿度直至达到要求的空气参数。

为了精确控制混合空气参数，以适应不同烘干阶段的烘干物品 72所需要的空气参数，进一步地，可调节外界空气进入混合段66混合的流量，达到调节外界空气与干冷空气的混合比例，提供烘干物品 72所需要最佳的空气参数。

为解决不同季节温度条件下，提供适合的外界空气与干冷空气混合，节约能源，进一步地，外界空气为外界大气环境中湿空气，或者烘干物品72回流的湿热空气，可根据不同气候条件以及加工的烘干物品72的类型，确定所需要混合的室外湿空气量以及烘干物品72回流的湿空气量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本实用的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用较佳的具体实施方式，但本实用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实用揭露的技术范围内，根据本实用的技术方案及其实用构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，其特征在于，该基于全过程动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统由热泵机组、冷冻水系统和蒸发器(2)组成；

所述热泵机组统包括压缩机(5)、冷凝器(6)、节流元件(3)、蒸发器(2)，压缩机(5)压缩的高温高压气体制冷剂通过排气管(52)进入冷凝器(6)的冷凝器换热管(61)中，与流过冷凝器(6)的冷凝器翅片(62)的干冷空气换热，冷凝为高压液体后流入节流元件(3)节流后，通过液管(31)进入蒸发器(2)的蒸发器换热管(21)中蒸发，吸收同在蒸发器(2)中流动的冷冻水热量变为低压气体制冷剂后，通过回气管(51)进入压缩机(5)中循环压缩；

所述冷冻水系统，包括蓄能水箱(4)、蒸发器(2)、除湿器(1)，存储在蓄能水箱(4)的冷冻水，通过第一水泵(41)泵入蒸发器(2)中，与流入蒸发器(2)的蒸发器换热管(21)中的制冷剂进行换热，制冷剂蒸发吸收冷冻水的冷量，降温后的冷冻水流出蒸发器(2)，通过与蒸发器(2)所连通的冷冻水供液管(17)管路流入除湿器(1)的除湿器换热管(12)中，循环吸收通过除湿风扇(14)转动，强制流过除湿器翅片(13)外表面的湿空气的热量，湿空气降温除湿变为干冷空气，而吸收湿空气热量的，升温后的冷冻水则流出除湿器(1)，通过冷冻水回流管(16)流入蓄能水箱(4)中储存；

所述热泵机组和冷冻水系统共用蒸发器(2)，在蒸发器(2)中，通过热泵机组制冷剂蒸发，吸收冷冻水系统的热量，降低冷冻水温度，降低温度的冷冻水进入除湿器(1)中，吸收流过除湿器(1)的除湿器翅片(13)表面的湿空气热量，湿空气被吸收热量降低温湿度后，变为干冷空气，干冷空气流过冷凝器(6)，吸收制冷系统的高温高压气体制冷剂热量，提高温度后送入放置需要烘干产品的烘干房(7)，烘干产品。

2.根据权利要求1所述的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，其特征在于，所述蒸发器(2)可为板式换热器、壳管式换热器、套管式换热器，或者内置换热管的换热水箱。

3.根据权利要求1所述的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，其特征在于，所述蓄能水箱(4)还外接辅助冷/热源系统，通过辅助冷/热源系统调控蓄能水箱(4)所储存冷冻水水温。

4.根据权利要求1所述的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，其特征在于，所述热泵机组还设置送风风道(15)和进风风道(11)，外界需要处理的湿空气首先经过进风风道(11)进入除湿器(1)，经过除湿风扇(14)运转，强制流过除湿器(1)的除湿器翅片(13)外表面，与在除湿器(1)的除湿器换热管(12)流动的冷冻水强制换热，湿空气降温除湿后变为干冷空气，流出除湿器(1)后，经过送风风道(15)，最终在冷凝风扇(63)的转动下，强制流过冷凝器(6)的冷凝器翅片(62)外表面，与在冷凝器换热管(61)中流动的高温高压气体制冷剂进行强制换热，高温高压气体制冷剂释放热量后变为高压液体制冷剂，而吸收热量的干冷空气则升高温度，最终流出冷凝器(6)，通过出风风管(64)最终流入到烘干房(7)中，吸收烘干物品(72)的水分，达到干燥烘干物品(72)的目的。

5.根据权利要求1所述的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，其特征在于，还包括设置混合风管(65)和混合段(66)，外面空气经过所述混合风管(65)进入送风风道(15)上混合段(66)中混合，混合后的空气参数达到要求值后，再进入冷凝器(6)升温后，通过出风风管(64)最终流到烘干房(7)中。

6.根据权利要求1所述的一种动态冷热平衡调节的多级耦合闭式烘干热泵系统，其特征在于，所述蓄能水箱(4)上还设置有水温探头(42)、第二水泵(43)和辅助热源进水管(44)。

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