TWI791178B - 乾燥設備及乾燥方法 - Google Patents

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TWI791178B TW109142267A TW109142267A TWI791178B TW I791178 B TWI791178 B TW I791178B TW 109142267 A TW109142267 A TW 109142267A TW 109142267 A TW109142267 A TW 109142267A TW I791178 B TWI791178 B TW I791178B
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Abstract

本揭露提供一種包括具有相對第一側和第二側的吸附元件、熱交換器、冷卻器及包括第一冷凝器、第二冷凝器和蒸發器的熱泵系統之乾燥設備。熱交換器氣密連通第一側。冷卻器氣密連通熱交換器與第一側之間。第一冷凝器和第二冷凝器氣密連通第二側。蒸發器氣密連通熱交換器。第一冷凝器供氣體通過後，吸附元件供氣體自第二側通過。冷卻器再供氣體通過後，熱交換器供氣體沿第一流動方向通過。蒸發器再供氣體通過後，熱交換器供氣體沿第二流動方向通過。吸附元件再供氣體自第一側通過後，第二冷凝器供氣體通過且乾燥待處理物後回流至第一冷凝器。

Description

乾燥設備及乾燥方法
本揭露是有關於一種乾燥設備及乾燥方法，且特別是有關於一種用於如污泥的乾燥設備及乾燥方法。
待處理廢物(如污泥之廢料)產量逐年增加，我國每年約有上百萬噸污泥處理量，而污泥處理隨之帶來廢氣與乾燥廢熱之排放影響環境的問題。現行的污泥處理設備存在處理過程中所產生的高耗電量，造就高額的運行費用而推廣不易，使合法污泥處理場址減少，污泥清運處理成本亦不斷攀升。因此，亟需提出一種新的乾燥設備，以改善當前存在的問題。
本揭露的目的在於提供一種密閉循環式且低耗能的乾燥設備及乾燥方法。
根據本揭露實施例，本揭露提出一種乾燥設備。乾燥設備包括一吸附元件、一氣對氣熱交換器、一冷卻器以及一熱泵系統。吸附元件具有彼此相對的一第一側和一第二側。氣對氣熱交換器氣密連通於吸附元件的第一側。冷卻器氣密連通於氣 對氣熱交換器與吸附元件的第一側之間。熱泵系統包括至少二冷凝器及一蒸發器。至少二冷凝器氣密連通於吸附元件的第二側，且至少二冷凝器包括一第一冷凝器和一第二冷凝器。蒸發器氣密連通於氣對氣熱交換器。在乾燥設備中，第一冷凝器用以供一氣體通過，吸附元件用以供通過第一冷凝器的氣體自吸附元件的第二側通過，冷卻器用以供自吸附元件的第二側通過吸附元件的氣體通過，氣對氣熱交換器用以供通過冷卻器的氣體沿一第一流動方向通過，蒸發器用以供沿第一流動方向通過氣對氣熱交換器的氣體通過，氣對氣熱交換器更用以供通過蒸發器的氣體沿一第二流動方向通過，吸附元件更用以供沿第二流動方向通過氣對氣熱交換器的氣體自吸附元件的第一側通過，第二冷凝器用以供自吸附元件的第一側通過吸附元件的氣體通過，以使通過第二冷凝器的氣體對一待處理物進行乾燥處理並回流通過第一冷凝器，以完成循環運作。
根據本揭露另一實施例，提出一種乾燥方法。乾燥方法可應用於一乾燥設備。乾燥設備包括一吸附元件、一氣對氣熱交換器、一冷卻器以及一熱泵系統，吸附元件具有彼此相對的一第一側和一第二側，熱泵系統包括一第一冷凝器、一第二冷凝器以及一蒸發器。乾燥方法包括以下步驟：將一氣體通過第一冷凝器；將通過第一冷凝器的氣體自吸附元件的第二側通過吸附元件；將自吸附元件的第二側通過吸附元件的氣體通過冷卻器；將通過冷卻器的氣體沿一第一流動方向通過氣對氣熱交換器；將 沿第一流動方向通過氣對氣熱交換器的氣體通過蒸發器；將通過蒸發器的氣體沿一第二流動方向通過氣對氣熱交換器；將沿第二流動方向通過氣對氣熱交換器的氣體自吸附元件的第一側通過吸附元件；將自吸附元件的第一側通過吸附元件的氣體通過第二冷凝器；以及使通過第二冷凝器的氣體對一待處理物進行乾燥處理並回流通過第一冷凝器，以完成循環運作。
透過上述的設備及運作方式可實現用於待處理物乾燥的氣體之循環利用，可降低設備的耗能，且藉由元件之間的氣密式連通可實現一密閉式設備，可避免乾燥過程中產生的臭氣或有毒氣體外洩。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100,200:乾燥設備
110:吸附元件
111:第一側
112:第二側
120:氣對氣熱交換器
130:冷卻器
130A:額外冷卻器
140,240:熱泵系統
141A:第一冷凝器
141B:第二冷凝器
142,242:蒸發器
142A:額外蒸發器
150,150A:風機
160,160A:腔體
241:冷凝器
C:容器
D1:第一流動方向
D2:第二流動方向
D3:氣密路徑
S:待處理物
Z1:吸附區域
Z2:脫附再生區域
Z3:冷卻區域
第1圖繪示本揭露實施例的乾燥設備100之架構示意圖。
第2圖繪示本揭露實施例的乾燥設備100的另一實施態樣之架構示意圖。
第3圖繪示本揭露實施例的乾燥設備100的再一實施態樣之架構示意圖。
第4圖繪示比較例態樣的乾燥設備之架構示意圖。
第5A~5B、6A~6B圖分別繪示本揭露實施例的乾燥設備的吸附元件不同態樣的示意圖。
請參照第1圖，其繪示本揭露一實施例的乾燥設備100之架構示意圖。乾燥設備100包括一吸附元件110、一氣對氣熱交換器120、一冷卻器130以及一熱泵系統140。吸附元件110具有彼此相對的一第一側111和一第二側112，用以區分為第一側111面向的區域為較低溫冷凝區，而第二側112面向的區域為較高溫乾燥區。氣對氣熱交換器120氣密連通於吸附元件110的第一側111，冷卻器130氣密連通於氣對氣熱交換器120與吸附元件110的第一側111之間。熱泵系統140包括至少二冷凝器及一蒸發器142，熱泵系統140例如但不限於熱流工程中所知的直膨式系統。至少二冷凝器包括第一冷凝器141A和第二冷凝器141B，第一冷凝器141A和第二冷凝器141B氣密連通於第二側112，蒸發器142氣密連通於氣對氣熱交換器120。
所述「氣密連通」一詞係指元件與元件之間的連接係為氣閉的而使氣體不會溢出至外界，由此形成一密閉式的回路系統，其中氣密連通之設置可例如透過熱流工程中常使用的風管達成。或者，透過乾燥設備100可選擇性包括一腔體160，腔體160可分割為多個子封閉室分別供各元件容置，並於各子封閉室之間形成單一通道以供氣體的內部流通。
以下將針對本揭露實施例之第1圖的乾燥設備100對一待處理物S進行乾燥處理的循環運作方式，即應用乾燥設備100之乾燥方法進行說明。
待處理物S(如汙泥之廢料)例如容置於一容器C。第一冷凝器141A用以供一氣體通過。此氣體例如為空氣，其通過待處理物S經由容器C與第一冷凝器141A之間的氣密路徑D3抵達第一冷凝器141A。具體而言，第一冷凝器141A的用途在於其內設置有傳熱介質(例如冷媒)，在傳熱介質由汽化狀態轉換成液化狀態(即所謂冷凝)時釋放熱能給空氣，以利空氣對吸附元件110進行脫附再生。
吸附元件110用以供通過第一冷凝器141A的空氣自吸附元件110的第二側112進入並通過。吸附元件110係為具有吸附劑(例如矽膠、氧化鋁、金屬有機框架(MOFs)或沸石等)的材料，在吸附劑的脫附再生過程中吸收熱能及吸附劑的吸附過程中釋放熱能之特性。具體而言，通過第一冷凝器141A的空氣接收了來自冷媒的熱能，可將此熱能對吸附元件110進行脫附再生作用，吸附元件110上的吸附劑脫附再生而吸收空氣的熱能，使空氣的溫度下降，以進入第一側111面向的較低溫冷凝區。在一實施例中，吸附元件110上的吸附劑進行脫附再生之作用時的再生溫度約為40~70℃。
冷卻器130用以供自第二側112通過吸附元件110的氣體通過。冷卻器130例如是使用常溫液體(例如水)以間接的方式對空氣進行熱交換，使空氣在通過冷卻器130後進行初步的降溫及除濕。
氣對氣熱交換器120用以供通過冷卻器130的空氣沿第一流動方向D1通過，蒸發器142用以供沿第一流動方向D1通過氣對氣熱交換器120的氣體通過，接著氣對氣熱交換器120再用以供通過蒸發器142的氣體沿第二流動方向D2通過。具體而言，蒸發器142的用途在 於其內設置有傳熱介質(例如冷媒)，在傳熱介質由液化狀態轉換成汽化狀態(即所謂蒸發)時吸收空氣的熱能，使空氣的溫度下降。由此，基於乾燥設備100中的空氣係不斷地循環流動的，通過蒸發器142的空氣與通過冷卻器130的空氣藉由氣對氣熱交換120提供之互相交叉的第一流動方向D1與第二流動方向D2進行熱交換，使沿第一流動方向D1通過氣對氣熱交換器120的氣體降溫，而沿第二流動方向D2通過氣對氣熱交換器120的氣體升溫。
吸附元件110更用以供沿第二流動方向D2通過氣對氣熱交換器120的氣體自其第一側111進入並通過。具體而言，沿第二流動方向D2通過氣對氣熱交換器120的空氣進入吸附元件110，吸附元件110上的吸附劑進行吸附作用而放熱，此吸附作用不僅使空氣在自第一側111通過吸附元件110後溫度再次上升且空氣的相對濕度下降，以進入第二側112面向的較高溫乾燥區。
第二冷凝器141B用以供自第一側111通過吸附元件110的空氣通過。具體而言，類似於第一冷凝器141A，第二冷凝器141B的用途亦在於其內設置有傳熱介質(例如冷媒)，透過在傳熱介質由汽化狀態轉換成液化狀態時釋放熱能給空氣，使空氣升溫且除濕以利進行待處理物S的乾燥處理。
通過第二冷凝器141B的空氣對待處理物S進行乾燥處理並回流通過第一冷凝器141A。具體而言，通過第二冷凝器141B的空氣可透過乾燥設備100更包括的一風機150進入容器C中對待處理物S進行乾燥處理，隨後乾燥待處理物S完的空氣回流至第一冷凝器141A， 以完成循環運作。此外，在一實施例中，乾燥待處理物S完的空氣在回流至第一冷凝器141A前，可先行通過乾燥設備100選擇性包括的一洗滌元件(未繪示)進行預洗滌，此洗滌元件可設置於第一冷凝器141A的上游，將乾燥待處理物S完的空氣中的粉塵或有毒雜質等過濾出，以淨化空氣。
請參照第2~3圖，第2圖繪示本揭露實施例的乾燥設備的另一實施態樣之架構示意圖，第3圖繪示本揭露實施例的乾燥設備100再一實施態樣之架構示意圖。
第2圖所示之乾燥設備的另一實施態樣，其與第1圖主要差異在於將乾燥設備100更包括額外蒸發器142A，額外蒸發器142A氣密連通於該第一冷凝器141A，額外蒸發器142A的用途於供對待處理物S進行乾燥處理並沿氣密路徑D3回流的空氣通過，第一冷凝器141A則供通過額外蒸發器142A的氣體通過。其中，本實施態樣的乾燥設備100可更包括風機150A以及另一腔體160A，第二冷凝器141B可變更設置於腔體160A中，透過風機150A將自第一側111通過吸附元件110的空氣沿一氣密路徑送至第二冷凝器141B，再透過風機150將空氣對待處理物S進行乾燥處理，同樣可以完成乾燥處理之循環運作。第2圖之實施態樣的優點在於：透過額外蒸發器142A對乾燥處理後的空氣在腔體160A中先進行初步除濕，而後再於腔體160中進行進一步的深度之空氣處理，可提高乾燥處理之運作效率。
第3圖所示之乾燥設備的再一實施態樣，其與第2圖主要差異在於將乾燥設備100更包括額外冷卻器130A，氣密連通於額外 蒸發器142A，額外蒸發器142A氣密連通於額外冷卻器130A與第一冷凝器141A之間，其中額外冷卻器130A用以供對待處理物S進行乾燥處理並回流的空氣通過並流向額外蒸發器142A。第3圖之實施態樣的優點在於：可用於高溫乾燥待處理物S(例如用於乾燥待處理物S的空氣溫度約為70℃以上)之狀況，乾燥待處理物S完的空氣回流的溫度也隨之提高，因此需要加裝設置一額外冷卻器130A以對回流的空氣在腔體160A中做一次降溫，再透過額外蒸發器142A對空氣在腔體160A中進行除濕，而後再於腔體160中進行進一步的深度之空氣處理。
請參照第4圖，第4圖繪示一比較例態樣的乾燥設備200之架構示意圖。此乾燥設備200之比較例係僅透過熱泵系統240的冷凝器241與蒸發器242進行乾燥待處理物S後的空氣進行處理，蒸發器242用以對空氣進行降溫除濕，接著冷凝器241用以對空氣加熱使空氣乾燥升溫，而再次進入容器C中對待處理物S進行乾燥，由此完成循環運作。相較於本揭露第1~3圖的實施例態樣，第4圖所示之乾燥設備200缺少了吸附元件、氣對氣熱交換器及冷卻器的設置，而無法透過此些元件利用到熱泵系統240運作產生的廢熱進行回收。經實驗分析後，本揭露使用熱泵系統140、吸附元件110、氣對氣熱交換器120及冷卻器130的乾燥設備100，相較於僅使用熱泵系統240的乾燥設備200可將廢熱回收再利用，從而能效指標可提升約20~30%，且污泥的乾燥時間縮短約30%，總耗電量降低約30%，具有顯著性的改善效果。在一特定實施例以汙泥為例，在乾燥溫度(50℃)除濕率8(g/s)。在另一特定實施例，在 乾燥溫度(70℃)除濕率18(g/s)。這裡指的乾燥溫度就是冷凝器出口的溫度。
請參照第5A~5B、6A~6B圖，第5A~5B、6A~6B圖分別繪示本揭露實施例的乾燥設備100的吸附元件110不同態樣的示意圖。吸附元件110可例如為具有吸附劑之一轉輪。吸附元件110具有供通過第一冷凝器141A的空氣通過的脫附再生區域Z2、以及供沿第二流動方向D2通過氣對氣熱交換器120的空氣通過的吸附區域Z1。如第5A圖所示，在一實施例中，吸附區域與脫附再生區域的面積比可為1：1，兩區域的面積相同。如第5B圖所示，在一實施例中，吸附區域Z1與脫附再生區域Z2的面積比可為3：1，可在同樣轉輪體積之下增加處理風量，且可透過操作參數調整使除濕能力差距不大。此外，吸附元件110可更設置具有一冷卻區域Z3。如第6A圖所示，在一實施例中，吸附區域Z1、脫附再生區域Z2與冷卻區域Z3的面積比為1：1：1，透過增加冷卻區域Z3，可以使效率提升30%。如第6B圖所示，在一實施例中，吸附區域Z1、脫附再生區域Z2與冷卻區域Z3的面積比為3：1：1。吸附區域與再生、冷卻面積指的是轉輪的比例，吸附完後轉輪上的吸附劑會飽和，所以需要進行再生，而再生完成後，轉輪上的吸附劑會很熱，如果先透過冷卻區稍微降溫，可以加強吸附區的吸附能力。
在一特定實施例，轉輪須放在蒸發器之後，確保轉輪的吸附除溼能力維持高效率。
本揭露使用熱泵系統、吸附元件、氣對氣熱交換器及冷卻器的設置促使乾燥設備內可利用溫度及濕度梯度差，即便僅使用單顆風機的情況下，在密閉式達到冷熱源回收完成吸附元件之吸附及再生，另一方面，系統中透過氣對氣熱交換器作用，更能使濃縮的水氣易被冷凝排出系統，達到乾燥的目的。
綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:乾燥設備
110:吸附元件
111:第一側
112:第二側
120:氣對氣熱交換器
130:冷卻器
140:熱泵系統
141A:第一冷凝器
141B:第二冷凝器
142:蒸發器
150:風機
160:腔體
C:容器
D1:第一流動方向
D2:第二流動方向
D3:氣密路徑
S:待處理物

Claims (10)

  1. 一種乾燥設備，包括：一吸附元件，具有彼此相對的一第一側和一第二側；一氣對氣熱交換器，氣密連通於該吸附元件的第一側；一冷卻器，氣密連通於該氣對氣熱交換器與該吸附元件的第一側之間；以及一熱泵系統，包括：至少二冷凝器，該至少二冷凝器氣密連通於該吸附元件的第二側，該至少二冷凝器包括一第一冷凝器和一第二冷凝器；及一蒸發器，氣密連通於該氣對氣熱交換器，其中，該第一冷凝器用以供一氣體通過，該吸附元件用以供通過該第一冷凝器的氣體自該吸附元件的第二側通過，該冷卻器用以供自該吸附元件的第二側通過該吸附元件的氣體通過，該氣對氣熱交換器用以供通過該冷卻器的氣體沿一第一流動方向通過，該蒸發器用以供沿該第一流動方向通過該氣對氣熱交換器的氣體通過，該氣對氣熱交換器更用以供通過該蒸發器的氣體沿一第二流動方向通過，該吸附元件更用以供沿該第二流動方向通過該氣對氣熱交換器的氣體自該吸附元件的第一側通過，該第二冷凝器用以供自該吸附元件的第一側通過該吸附元件的氣體通過，以使通過該第二冷凝器的氣體對一待處理物進行乾燥處理並回流通過該第一冷凝器。
  2. 如請求項1所述之乾燥設備，其中該吸附元件係為具有吸附劑之一轉輪，該吸附元件具有供通過該第一冷凝器的氣體通過的一脫附再生區域以及供沿該第二流動方向通過該氣對氣熱交換器的氣體通過的一吸附區域。
  3. 如請求項2所述之乾燥設備，其中該吸附區域與該脫附再生區域的面積比為1：1或3：1。
  4. 如請求項2所述之乾燥設備，其中該吸附元件更具有一冷卻區域，該吸附區域、該脫附再生區域與該冷卻區域的面積比為1：1：1或3：1：1。
  5. 如請求項3所述之乾燥設備，其中該吸附劑包括矽膠、氧化鋁、金屬有機框架(MOFs)、沸石或上述之組合。
  6. 如請求項1所述之乾燥設備，其中該乾燥設備更包括的一洗滌元件，該洗滌元件設置於該第一冷凝器的上游。
  7. 如請求項1所述之乾燥設備，其中該吸附元件供通過該第一冷凝器的氣體自該吸附元件的第二側通過時進行脫附再生作用，再生溫度介於40~80℃。
  8. 如請求項1所述之乾燥設備，更包括：一額外蒸發器，氣密連通於該第一冷凝器，該額外蒸發器用以供對該待處理物進行乾燥處理並回流的氣體通過，該第一冷凝器用以供通過該額外蒸發器的氣體通過。
  9. 如請求項8所述之乾燥設備，更包括： 一額外冷卻器，氣密連通於該額外蒸發器，該額外蒸發器氣密連通於該額外冷卻器與該第一冷凝器之間，其中該額外冷卻器用以供對該待處理物進行乾燥處理並回流的氣體通過並流向該額外蒸發器。
  10. 一種用於乾燥設備的乾燥方法，該乾燥設備包括一吸附元件、一氣對氣熱交換器、一冷卻器以及一熱泵系統，該吸附元件具有彼此相對的一第一側和一第二側，該熱泵系統包括一第一冷凝器、一第二冷凝器以及一蒸發器，其中該乾燥方法包括以下步驟：將一氣體通過該第一冷凝器；將通過該第一冷凝器的氣體自該吸附元件的第二側通過該吸附元件；將自該吸附元件的第二側通過該吸附元件的氣體通過該冷卻器；將通過該冷卻器的氣體沿一第一流動方向通過該氣對氣熱交換器；將沿該第一流動方向通過該氣對氣熱交換器的氣體通過該蒸發器；將通過該蒸發器的氣體沿一第二流動方向通過該氣對氣熱交換器；將沿該第二流動方向通過該氣對氣熱交換器的氣體自該吸附元件的第一側通過該吸附元件； 將自該吸附元件的第一側通過該吸附元件的氣體通過該第二冷凝器；以及使通過該第二冷凝器的氣體對一待處理物進行乾燥處理並回流通過該第一冷凝器。
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