CN111207570B - 一种节能型热泵干燥系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型热泵干燥系统及其控制方法，包括热泵循环回路和干燥风道回路，热泵循环回路包括依次相连的节流单元、蒸发单元和压缩单元，压缩单元流向节流单元的制冷剂回路上依次设置有加热换热器、相变蓄热换热器，压缩单元与加热换热器之间设置有主路阀门，压缩单元与相变蓄热换热器之间设置有制冷剂旁通管道，制冷剂旁通管道上设置有旁通阀门，干燥风道回路依次穿过相变蓄热换热器、加热换热器和蒸发单元。本发明解决了热泵干燥中后期热量在系统内积聚却不能有效利用而被排出系统造成浪费的问题，提高了热能利用率、除湿量和除湿率；降低了压缩机的使用功率及相关部件的尺寸；可以达到既能连续干燥，又可以节能的目的。

Description

一种节能型热泵干燥系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热泵系统技术领域，特别是一种节能型热泵干燥系统及其控制方法。

背景技术

目前相变储热在热泵干燥中的应用，是在压缩机降低负载之后，才把已经吸热过的相变材料放到干燥风道中去，干燥风道中的风吸收相变材料放出的热量继续干燥。由于加热相变材料的能量并不是来自于系统本身多余的能量，而是通过外部的太阳能、地热能或者工业余热废热等对高导热柔性相变材料进行加热，在干燥时需要打开干燥风道，在干燥风道中放入加热后的高导热柔性相变材料时，外界的冷风、湿空气、甚至是有细菌等污染的空气都会进入到干燥风道中，这会造成干燥风道的热损增加、湿度增加，干燥系统的能耗增加，甚至种子等待干燥物料发霉变质被污染的几率也会增加。

另外，有的方法是在热泵系统的压缩机和冷凝器之间加装一个辅助冷凝器，通过辅助冷凝器调节压缩机对风道的供热，当干燥机组的干燥温度达到所需的温度后，将多余的热量传递到装有相变材料的旁通管路中，让相变材料吸收多余的热量，然后再利用相变材料的放出的热量继续给风道加热。但是，此方法，使得附加的旁通管道和设备增多，不仅会增加成本，并且压缩机在给相变材料供热时，仍旧是全负荷运行，直到相变材料吸热完全。这会使得附加的损耗甚至大于节能的部分，压缩机的功率并不能减小，对于干燥后回风的降温除湿起不到任何促进作用。

另外，现有的热泵干燥还普遍存在一个较为严重的问题，当热泵干燥系统的干燥过程进入到中后期的时候，由于在干燥进行的中后期除湿主要是去除干燥物料中的结合水，这部分结合水占总除湿量的比例小，然而由于在干燥中后期干燥物料表面皱缩、结壳，使得空气与干燥物料之间的传质系数变小，去除这些湿分需要较长的干燥时间和消耗较多的能量。此外，在循环的同时，热量会在系统内积聚，而为了维持干燥温度的稳定，这部分多余热能将会被排出系统，从而造成能量的浪费。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种节能型热泵干燥系统及其控制方法，解决了现有热泵干燥系统在干燥进行到中后期时，热量在系统内积聚且不能有效利用，系统内积聚的热量被排出系统造成能量浪费的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种节能型热泵干燥系统，包括热泵循环回路和干燥风道回路，干燥风道回路包括干燥室，热泵循环回路包括依次相连的节流单元、蒸发单元和压缩单元，所述压缩单元流向节流单元的制冷剂回路上依次设置有加热换热器、相变蓄热换热器，所述压缩单元与加热换热器之间设置有主路阀门，压缩单元与相变蓄热换热器之间设置有制冷剂旁通管道，制冷剂旁通管道上设置有旁通阀门，所述干燥风道回路依次穿过相变蓄热换热器、加热换热器和蒸发单元。本发明在传统的热泵干燥的冷凝器和蒸发单元之间加装一个相变蓄热换热器，可以将系统多余的热量存储到相变材料里面，当干燥进行到中后期的时候，再释放出来，供系统持续干燥使用。系统中多余的能量会在制冷剂和回风的不断循环中储存到相变蓄热装置中并在干燥后期，当压缩机低负荷运行时，再将存储的能量释放出来，通过风道中，蓄热换热器内相变材料的放热和间断性地调节压缩机负载，可以达到既能连续干燥，又可以节能的目的。

进一步地，所述干燥室设置在干燥风道回路的加热换热器与蒸发单元之间，对于热泵循环来说，制冷剂从压缩单元出来之后，先经过加热换热器将回风加热到干燥所需的温度，再经过相变蓄热换热器，将部分能量存储到相变材料中，经过两次降温，会使得节流前制冷剂的冷凝温度降低，节流后的制冷量增加，系统的除湿率和除湿量会增加；对于降温除湿后的回风来说，先经过相变蓄热换热器进行预热，在经过加热换热器加热到干燥所需的温度，两次加热回风，回风的温升被分成两个阶段，使得我们可以采用小功率压缩机，并且使得和压缩机相匹配部件的尺寸也都可以相应减小，这对于压缩机的节能和系统成本的降低起到关键作用。

进一步地，所述干燥室与蒸发单元之间的干燥风道回路上设置有回热器，蒸发单元与压缩单元之间的管路穿过回热器。由于空气与干燥物料之间的传质系数小，使得干燥室进出口空气状态变化很小，影响了蒸发单元降温除湿能力。因此，在干燥室出口采用了回热器，对干燥回风起到初步预冷的作用，提高其在蒸发单元中的冷凝除湿效率。另外，制冷剂在回热器同回风换热后，提高了压缩机的入口温度，避免了液击，降低了压缩机的压比，可以进一步降低压缩机的使用功率。

进一步地，所述回热器或/和加热换热器包括翅片式换热管，所述热泵循环回路与翅片式换热管连通，所述干燥风道回路穿过翅片式换热管的翅片所在的空间。

进一步地，所述加热换热器与蒸发单元之间的干燥风道回路上设置有送风风机。

进一步地，所述蒸发单元与相变蓄热换热器之间的干燥风道回路上设置有回风风机。

进一步地，所述相变蓄热换热器包括与内循环管和外循环管，内循环管上包裹有高导热柔性相变材料，所述内循环管与热泵循环回路连通，所述外循环管与干燥风道回路连通。

一种节能型热泵干燥系统的控制方法，包括前期干燥、中后期干燥和后期干燥，所述前期干燥时关闭旁通阀门且打开主路阀门，控制压缩单元全负荷运行，则相变蓄热换热器中的高导热柔性相变材料吸收制冷剂冷凝后的热量，一边储能，一边预热回风，同步对回风进行加热，在加热换热器内，压缩单元传导至加热换热器内的高温对回风进行二次加热，使其达到干燥所需温度。

所述中后期干燥时关闭主路阀门且打开旁通阀门，控制压缩单元低负荷运行，则相变蓄热换热器中的高导热柔性相变材料，释放前期吸收的制冷剂冷凝后的热量，对回风持续加热。

根据高导热柔性相变材料吸热和放热的实时状态，间断性地调节压缩单元的负荷，则相变蓄热换热器中的高导热柔性相变材料间断放热对回风连续加热。

本发明有效地解决热泵干燥中后期热量在系统的积聚，热量不能有效利用，而被排出系统造成浪费的问题，可以有效的提高热泵干燥过程中能量的利用率，减少能量损失，可以提高系统的除湿量和除湿率；降低了压缩机的使用功率，并且使得和压缩机相匹配部件的尺寸也都相应减小；通过相变蓄热换热器内高导热柔性相变材料的吸热、放热和间断性地调节压缩机负载，可以达到既能连续干燥，又可以节能的目的，具有巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理示意图；

图中：1-压缩单元，2-加热换热器，3-相变蓄热换热器，4-节流单元，5-蒸发单元，6-回热器，7-主路阀门，8-旁通阀门，9-热泵循环回路，10-送风风机，11-干燥室，12-回风风机，13-干燥风道回路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种节能型热泵干燥系统，如图1所示，包括热泵循环回路9和干燥风道回路13，热泵循环回路9中的制冷剂循环制热，制冷剂循环制热用于加热干燥风道回路13中的空气。干燥风道回路13包括干燥室11，干燥风道回路13中干燥的热风对干燥室11中的待干燥物料进行干燥除湿。

所述热泵循环回路9包括依次相连的节流单元4、蒸发单元5和压缩单元1，所述压缩单元1流向节流单元4的制冷剂回路上依次设置有加热换热器2、相变蓄热换热器3。所述干燥风道回路13依次穿过相变蓄热换热器3、加热换热器2和蒸发单元5。

所述节流单元4包括节流元件，蒸发单元5包括蒸发器，压缩单元1包括压缩机，压缩机、加热换热器2、相变蓄热换热器3、节流元件、蒸发器依次构成压缩机-加热换热器2-相变蓄热换热器3-节流元件-蒸发器-压缩机循环。所述加热换热器2、相变蓄热换热器3相当于传统热泵干燥系统中的冷凝器，用于吸收热泵循环回路9产生的热量，进而将吸收的热量传送至干燥风道回路13中，对干燥风道回路13中的空气实现加热。

所述相变蓄热换热器3包括与内循环管和外循环管，内循环管上包裹有高导热柔性相变材料，所述内循环管与热泵循环回路9连通，所述外循环管与干燥风道回路13连通。内循环管内部的热量会通过高导热柔性相变材料传导至干燥风道，进而实现两个回路之间的热量传递。干燥的热风从干燥室11排出后，携带的水分会在流经蒸发单元5后降低温度，进而变为液态排出。

对于热泵循环回路9来说，制冷剂从压缩机出来之后，先经过加热换热器2将回风加热到干燥所需的温度，再经过相变蓄热换热器3，将部分能量存储到高导热柔性相变材料中，这样，两次降温，会使得节流前制冷剂的冷凝温度降低，节流后的制冷量增加，系统的除湿率和除湿量会增加。

对于降温除湿后的回风来说，先经过相变蓄热换热器3进行预热，在经过加热换热器2加热到干燥所需的温度，两次加热回风，回风的温升被分成两个阶段，使得我们可以采用小功率压缩机，并且使得和压缩机相匹配部件的尺寸也都可以相应减小，这对于压缩机的节能和系统成本的降低起到关键作用。

进一步地，所述压缩单元1与加热换热器2之间设置有主路阀门7，压缩单元1与相变蓄热换热器3之间设置有制冷剂旁通管道，制冷剂旁通管道上设置有旁通阀门8。通过选择性开启主路阀门7、旁通阀门8，能够改变对于热泵循环回路9的工作状态，达到节能及提高干燥效果的目的。由于系统中多余的能量会在制冷剂和回风的不断循环中储存到相变蓄热换热器3中，并在干燥后期，当调节压缩机低负荷运行时，相变蓄热换热器3再将存储的能量释放出来，通过风道中，相变蓄热换热器3内高导热柔性相变材料的放热和间断性地调节压缩机负载，可以达到既能连续干燥，又可以节能的目的。

实施例2，一种节能型热泵干燥系统，所述干燥室11与蒸发单元5之间的干燥风道回路13上设置有回热器6，蒸发单元5与压缩单元1之间的管路穿过回热器6。由于空气与干燥物料之间的传质系数小，使得干燥室11进出口空气状态变化很小，影响了蒸发单元5降温除湿能力。因此，在干燥室11出口采用了回热器6，对干燥回风起到初步预冷的作用，提高其在蒸发单元5中的冷凝除湿效率。另外，回热器6能够将干燥风道回路13出来的高温空气和进入到压缩机的制冷剂进行热交换，这样压缩机的入口的制冷剂温度提升，会降低所需压比，避免了液击，进而降低压缩机做功，进一步降低了压缩机使用功率，可选取小压比的压缩机，实现节能的目的。

本实施例的其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种节能型热泵干燥系统，所述回热器6和加热换热器2均包括翅片式换热管，所述热泵循环回路9与翅片式内管连通，所述干燥风道回路13与翅片式外管连通。通过选用翅片式结构，既能降低热量损耗，又能够提高热量交换效率。

本实施例的其他结构与实施例1或2相同。

实施例4，一种节能型热泵干燥系统，所述加热换热器2与蒸发单元5之间的干燥风道回路13上设置有送风风机10，保证干燥风道回路13空气循环的流畅性，提高烘干效率和烘干效果。

进一步地，所述蒸发单元5与相变蓄热换热器3之间的干燥风道回路13上设置有回风风机12，进一步增强了干燥风道回路13空气循环的流畅性。

本实施例的其他结构与实施例1或2或3相同。

实施例5，一种节能型热泵干燥系统的控制方法，包括前期干燥、中后期干燥和后期干燥，所述前期干燥时由于待干燥物料的湿度较大，关闭旁通阀门8且打开主路阀门7，控制压缩单元1全负荷运行。则相变蓄热换热器3中的高导热柔性相变材料吸收制冷剂冷凝后的热量，边储能，边预热回风，同步对回风进行加热。在加热换热器2内，压缩机对热泵循环回路9中的制冷剂做工，使其转化为高温高压的气态，则热泵循环回路9中高温高压的气态制冷剂传输至加热换热器2后会对回风进行二次加热，使其达到干燥所需温度。两次加热回风，回风的温升被分成两个阶段，使得我们可以采用小功率压缩机，并且使得和压缩机相匹配部件的尺寸也都可以相应减小，这对于压缩机的节能和系统成本的降低起到关键作用。

经过一段时间之后，物料进入中后期干燥的阶段，此时，由于干燥物料的收缩及干湿界面的内部退缩，使得空气与干燥物料之间接触面积变小，传热效果变差。因此，为了避免能量的耗费，中后期干燥时关闭主路阀门7且打开旁通阀门8，将高导热柔性相变材料继续加热到干燥所需的温度后，控制压缩单元1低负荷运行。这样利用高导热柔性相变材料等温放热的特性，相变蓄热换热器3中的高导热柔性相变材料释放前期吸收的制冷剂冷凝后的热量，对回风持续加热，对物料进行继续干燥。

所述后期干燥时关闭主路阀门7且打开旁通阀门8，交替控制压缩单元1的高负荷运行和低负荷运行，则相变蓄热换热器3中的高导热柔性相变材料间断放热对回风连续加热。由于干燥后期干燥室进出口空气状态变化很小，故可以在降低压缩机负载后，经过一段较长时间再提高压缩机负载对空气集中除湿，以提高空气的吸湿能力。在干燥后期，在干燥风道回路13中利用高导热柔性相变材料放热和间断性地调节压缩机负荷，可以达到既能连续干燥，又可以节能的目的。

本实施例的结构与实施例4相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种节能型热泵干燥系统的控制方法，所述节能型热泵干燥系统包括热泵循环回路（9）和干燥风道回路（13），干燥风道回路（13）包括干燥室（11），热泵循环回路（9）包括依次相连的节流单元（4）、蒸发单元（5）和压缩单元（1），其特征在于：所述压缩单元（1）流向节流单元（4）的制冷剂回路上依次设置有加热换热器（2）和相变蓄热换热器（3），所述压缩单元（1）与加热换热器（2）之间设置有主路阀门（7），压缩单元（1）与相变蓄热换热器（3）之间设置有制冷剂旁通管道，制冷剂旁通管道上设置有旁通阀门（8），所述干燥风道回路（13）依次穿过相变蓄热换热器（3）、加热换热器（2）和蒸发单元（5）；

所述干燥室（11）设置在干燥风道回路（13）的加热换热器（2）与蒸发单元（5）之间；所述相变蓄热换热器（3）包括与内循环管和外循环管，内循环管上包裹有高导热柔性相变材料，所述内循环管与热泵循环回路（9）连通，所述外循环管与干燥风道回路（13）连通；所述干燥室（11）与蒸发单元（5）之间的干燥风道回路（13）上设置有回热器（6），蒸发单元（5）与压缩单元（1）之间的管路穿过回热器（6）；

压缩机、加热换热器（2）、相变蓄热换热器（3）、节流元件、蒸发器依次构成压缩机-加热换热器（2）-相变蓄热换热器（3）-节流元件-蒸发器-压缩机循环，所述加热换热器（2）、相变蓄热换热器（3）相当于传统热泵干燥系统中的冷凝器，用于吸收热泵循环回路（9）产生的热量，进而将吸收的热量传送至干燥风道回路（13）中，对干燥风道回路（13）中的空气实现加热；

内循环管内部的热量会通过高导热柔性相变材料传导至干燥风道，进而实现两个回路之间的热量传递，干燥的热风从干燥室（11）排出后，携带的水分会在流经蒸发单元（5）后降低温度，进而变为液态排出；

对于热泵循环回路（9）来说，制冷剂从压缩机出来之后，先经过加热换热器（2）将回风加热到干燥所需的温度，再经过相变蓄热换热器（3），将部分能量存储到高导热柔性相变材料中；

对于降温除湿后的回风来说，先经过相变蓄热换热器（3）进行预热，在经过加热换热器（2）加热到干燥所需的温度，两次加热回风，回风的温升被分成两个阶段；

通过选择性开启主路阀门（7）、旁通阀门（8），改变对于热泵循环回路（9）的工作状态，达到节能及提高干燥效果的目的，由于系统中多余的能量会在制冷剂和回风的不断循环中储存到相变蓄热换热器（3）中，并在干燥后期，当调节压缩机低负荷运行时，相变蓄热换热器（3）再将存储的能量释放出来，通过风道中，相变蓄热换热器（3）内高导热柔性相变材料的放热和间断性地调节压缩机负载；

在干燥室（11）出口采用了回热器（6），对干燥回风起到初步预冷的作用，提高其在蒸发单元（5）中的冷凝除湿效率，回热器（6）将干燥风道回路（13）出来的高温空气和进入到压缩机的制冷剂进行热交换；

所述节能型热泵干燥系统的控制方法包括前期干燥、中后期干燥和后期干燥，所述前期干燥时关闭旁通阀门（8）且打开主路阀门（7），控制压缩单元（1）全负荷运行，相变蓄热换热器（3）中的高导热柔性相变材料吸收制冷剂冷凝后的热量，一边储能，一边预热回风，同步对回风进行加热，压缩单元（1）传导至加热换热器（2）内的高温对回风进行二次加热；在加热换热器（2）内，压缩机对热泵循环回路（9）中的制冷剂做工，使制冷剂转化为高温高压的气态，则热泵循环回路（9）中高温高压的气态制冷剂传输至加热换热器（2）后会对回风进行二次加热，使回风达到干燥所需温度；

所述中后期干燥时关闭主路阀门（7）且打开旁通阀门（8），控制压缩单元（1）低负荷运行，相变蓄热换热器（3）中的高导热柔性相变材料释放前期吸收的制冷剂冷凝后的热量对回风持续加热；

所述后期干燥时，根据高导热柔性相变材料吸热和放热的实时状态，间断性地调节压缩单元（1）的负荷，交替控制压缩单元（1）的高负荷运行和低负荷运行，相变蓄热换热器（3）中的高导热柔性相变材料通过间断放热来对回风连续加热；由于干燥后期干燥室进出口空气状态变化很小，在降低压缩机负载后，经过一段时间再提高压缩机负载对空气集中除湿，以提高空气的吸湿能力；在干燥后期，在干燥风道回路（13）中利用高导热柔性相变材料放热和间断性地调节压缩机负荷。

2.根据权利要求1所述的节能型热泵干燥系统的控制方法，其特征在于：所述回热器（6）或/和加热换热器（2）包括翅片式换热管，所述热泵循环回路（9）与翅片式换热管连通，所述干燥风道回路（13）穿过翅片式换热管的翅片所在的空间。

3.根据权利要求1-2任一项所述的节能型热泵干燥系统的控制方法，其特征在于：所述加热换热器（2）与蒸发单元（5）之间的干燥风道回路（13）上设置有送风风机（10）。

4.根据权利要求3所述的节能型热泵干燥系统的控制方法，其特征在于：所述蒸发单元（5）与相变蓄热换热器（3）之间的干燥风道回路（13）上设置有回风风机（12）。