CN111536715B - 带余热回收组件的热泵干燥系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带余热回收组件的热泵干燥系统及其操作方法，该装置包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、蒸发器预热器，干燥机及余热回收组件，所述余热回收组件包括进风室和出风室，进风室设有进风口，进风口连接干燥机余热废气出风口，出风室设有出风口，该出风口接通环境大气；所述余热回收组件内设有喷淋装置，喷淋装置与外设的储水箱相连，余热回收组件的底部设有排水口。本发明采用外接热水自动、频繁、及时冲洗余热回收组件中换热组件进行除灰，始终保持高效率回收余热通过蒸发器预热器给蒸发器间接加热，从而使蒸发器免受干燥机余热废气灰尘的影响，也不易结霜，该装置及操作方法适用于物料烘干，特别是余热废气中粉尘严重的干燥系统。

Description

带余热回收组件的热泵干燥系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵干燥系统及其操作方法。

背景技术

现有技术中，有一种空气源热泵干燥系统，其包括压缩机，压缩机制冷剂出口连接冷凝器的制冷剂进口，冷凝器的制冷剂出口经膨胀阀连接蒸发器的制冷剂进口，蒸发器的制冷剂出口连接至压缩机的制冷剂进口，从而形成热泵系统制冷剂的循环回路；冷凝器的进风口接通大气，在冷凝器中，外界大气来的干冷空气吸收制冷剂散发的热量后，干冷空气自身被加温成干热空气，该干热空气连接至干燥机的进风口，在干燥机内热空气烘干物料后自身降温且带走物料中的水分，形成的余热废气一般直排大气，尽管余热废气的温度仍旧比外界大气温度高，理论上可以回收一部分热能再利用，实践中却比较困难，主要困难在于，其一，该空气中湿度较大，甚至是接近于饱和湿度；其二，烘干后的余热废气中，含有的大量粉尘，粉尘严重的潮湿空气更加容易粘附在换热翅片上，导致换热效率不断降低，影响空气源热泵干燥系统的COP值与工作稳定性。因此，理论上能实现的热能回收再利用的思路，在实践中往往带来了其他方面难以克服的缺陷，导致空气源热泵系统在烘干行业，尤其是粮食、污泥等干或湿的粉状物料烘干中余热回收的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种带有余热回收组件的空气源热泵干燥系统，使得积灰的位置从蒸发器转移到余热回收组件，采用发明的余热回收组件除灰更加方便，回收的热能用于预热蒸发器和/或冷凝器的进口空气，从而又让蒸发器不易结霜，冷凝器输出更高温度的干热空气，热泵系统工作全过程的平均COP值提高，系统工作状况由波动变为稳定。

为此，本发明提供的一种带余热回收组件的热泵干燥系统，包括压缩机，压缩机的制冷剂出口连接冷凝器的制冷剂进口，冷凝器的制冷剂出口经膨胀阀连接蒸发器的制冷剂进口，蒸发器的制冷剂出口连接压缩机的制冷剂进口；冷凝器的出风口连接干燥机的进风口；蒸发器的出风口接通大气，所述干燥机的出风口连接至余热回收组件的进风口，余热回收组件的出风口接通大气；所述余热回收组件包括箱体，与进风口相连的进风室和与出风口相连的出风室分设在箱体两侧，箱体上侧设有顶盖，箱体下侧设有集流室，在进风室和出风室之间设有换热组件，换热组件包括若干换热管和若干换热翅片；所述换热管穿插在所述换热翅片上，换热翅片垂直于地面、相互平行且沿进风室向出风室方向布置，位于换热翅片上方设置喷淋装置，喷淋装置与外设的冲洗水水源相连，换热翅片下方且位于集流室的上口位置设有透水隔风板，排水口设置在集流室的下部；所述换热组件用于预热蒸发器和/或冷凝器的进口的空气。

该装置工作时，具有如下几种工作循环：

1）热泵循环：启动压缩机，制冷剂依次经压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器后，再回到压缩机的制冷剂进口，形成热泵系统的制冷剂的工作循环；在冷凝器内，制冷剂放热，加热干冷空气成干热空气；在蒸发器内，制冷剂吸热，吸收外界空气中的热能或干燥机的回流空气中的热能。

2）热风烘干：外界大气进入冷凝器，制冷剂放热，干冷空气吸热变成干热空气，干热空气进入干燥机烘干物料，干热空气降温并带走水分，余热废气离开干燥机。

3）热能回收：余热空气（余热废气）回流至余热回收组件，与换热管组件进行换热；换热组件用于预热蒸发器和/或冷凝器的进口空气进行换热达到回收热能的目的；蒸发器不易结霜。

4）除灰模式：当余热回收组件积灰后，开启喷淋装置，以热水冲洗换热翅片和换热管，冲洗水从余热回收组件的底部的排水口排出。

与现有技术相比，本发明有益的效果在于：让余热回收造成积灰的位置从蒸发器转移到所述余热回收组件，采用发明的余热回收组件除灰方便、及时，回收的热能给蒸发器预热，从而让蒸发器不易结霜，本发明采用外接的冲洗水水源，使余热回收组件除灰更为高效与节能，整个热泵系统仍从冲洗水中吸热，冲洗水优选热水，可使COP值不仅不降反而略有上升，使得热泵系统工作全过程的平均COP值大为提高，系统工作状况由波动变为稳定；透水隔风板可以透过冲洗后的废水却能让带或不带余热风的空气流大部分被阻隔在主风道中与换热翅片充分换热。该装置适用于物料烘干，特别是干燥后余热废气中粉尘严重的热泵干燥系统。

本发明的一类应用场景是，所述换热组件仅为一组，所述冷凝器的进风口接通大气，蒸发器的进风口经预热器二接通大气；所述换热组件的换热介质进出口、循环泵一及预热器一的换热介质进出口之间经管路连接成循环闭路。换热介质可以为自来水、纯净水、添加防冻剂的水等。该应用场景仅有一个闭路循环，余热回收后给进入蒸发器的空气预热，蒸发器充分吸热，进入热泵循环，提高COP值，还避免了蒸发器结霜。

本发明的另一类应用场景是，所述换热组件分为两组，分别为换热组件一和换热组件二；所述冷凝器的进风口经预热器二接通大气，蒸发器的进风口经预热器一接通大气；换热组件一的换热介质进出口、循环泵一及预热器一的换热介质进出口之间经管路连接成循环闭路；所述换热组件二的换热介质进出口、循环泵二及预热器二的换热介质进出口之间经管路连接成循环闭路。换热介质可以为自来水、纯净水、添加防冻剂的水等。该装置工作时，两个闭路循环同时工作，一路余热回收后给进入蒸发器的空气预热，蒸发器充分吸热，进入热泵循环，提高COP值；另一路余热回收后给进入冷凝器的空气预热，提高COP值，提升输出的干热空气温度。

进一步地，所述透水隔风板上设有若干小孔，所述透水隔风板上的开孔面积为透水隔风板面积的1%-5%。该比例范围内的透水隔风板可以透过冲洗后的废水，却能让带或不带余热风的空气流大部分被阻隔在主风道中，少量流经位于透水隔风板下方的带或不带余热风的空气流换热效率较低，本发明可以让这部分的风量变得很小，因而被带走而损失的热能将降低到1%以下，同时，该透水隔风板还延缓冲洗后的废水流出时间，在箱体内增加存留时间，使得冲洗后的废水中的热能对于换热翅片所处的空间维持更高的温度有帮助，从而有更多的热能被回收再利用。

所述外设的冲洗水水源可以为储水箱、也可以是外接的其他管网供应的水源，在利用储水箱的水冲洗蒸发器时，其具有及时、频繁、不停机高效低耗能地除灰的技术效果，除灰过程中，换热管仍旧可以从水中吸热，避免了系统工作状况的波动，能让COP值变为相对稳定。进一步地，所述储水箱中设有电加热器。通过电加热储存合适温度的热水，所谓合适温度是指适合当前工作状态的最佳温度，在除灰时略高于换热翅片间的空气流温度，让系统COP值不降反升，还不至于水温过高散热损失过大，也不至于让冲洗换热翅片后流走的废水带走过多的热能。

进一步地，所述喷淋装置包括若干喷管，储水箱出口经增压泵、喷淋控制阀连接至所述若干喷管。所述喷管可以分成若干组，每组设置一个喷淋控制阀，喷淋控制阀为电磁阀，每组喷管均由一只喷淋控制阀控制开启或关闭，所述喷淋控制阀同时启闭或采取依序循环往复方式启闭。

本发明在使用的管路上均可以设置若干的阀及其他附件设施。这些设置均为本领域内的常规技术手段。

本发明的目的之二是提供一种带余热回收组件的热泵干燥系统的操作方法，使得系统工作全过程的平均COP值大为提高，系统工作状况由大波动变为相对稳定，能让COP值始终保持在设备所能达到的最高水平附近。

为此，本发明还提供了一种带余热回收组件的热泵干燥系统的操作方法，包括如下步骤：

（1）在余热回收组件的进风室中设置温度探头Ta，数值记为Ta，在余热回收组件的储水箱中设置温度探头Ts，数值记为Ts，在余热回收组件的换热介质进口与出口设置温度探头Tj与Tc，数值分别记为Tj与Tc；温度探头Tj与Tc设置在任意一组换热组件的换热介质进口与出口位置 ；

（2）余热回收组件除灰时，冲洗水冲洗换热翅片及换热管，冲洗后的水从余热回收组件的箱体底部的排水口排出；在箱体内，透水隔风板让带余热废气的空气流大部分被阻隔在直接通道主风道中，同时，延缓冲洗后的废水流出时间，在蒸发器箱体内增加存留时间，使得冲洗后的废水中的热能对于换热翅片所处的空间维持更高的温度有帮助，从而有更多的热能进入热泵循环系统，

控制操作方法如下：

Ts-Ta＜设定值T1时，储水箱的电加热器开启；

Ts- Ta＞设定值T2时，储水箱的电加热器关闭；

Tc-Tj＜设定值T3；

Ta -Tc＞设定值T4；

上述两个条件同时具备时，喷淋装置开启，即喷淋控制阀全部开启或采取依序循环往复方式开启；

采取依序循环往复方式开启喷淋控制阀时，每组喷淋管的喷淋控制阀的开启时间设置一个时间设定值Sa，并按照此设定值进行控制；

Tc-Tj＞设定值T5

Ta -Tc＜设定值T6

上述两个条件同时具备时，喷淋装置关闭，即喷淋控制阀全部关闭；

全部喷淋管的喷淋控制阀的累计开启时间S设置一个时间设定值Sb，当全部喷淋管的喷淋控制阀的累计开启时间S＞Sb时，喷淋装置无条件关闭，即喷淋控制阀全部无条件关闭；

其中，Ts为储水箱中的水的温度， Ta为干燥机余热废气到达蒸发器进气室内与补充的空气混合后的温度， Tc为余热回收组件的换热介质出口温度，Tj为余热回收组件的换热介质进口温度；T1至T6、Sa和Sb为设定值，由系统各种工况在手动达到稳态工作状态后分别测试确定，然后按设定值及上述条件进行自动运行。

附图说明

图1为本发明的一种结构的工作原理图。

图2为余热回收组件工作原理图。

图3为余热回收组件结构示意图。

图4为本发明的另一种结构的工作原理图。

图中，1压缩机，2冷凝器，3膨胀阀，4蒸发器，5干燥机，6箱体，7储水箱，8电加热器，9增压泵，10喷淋控制阀，11喷管，12余热回收组件的进风口，13循环泵一，14排水口，15透水隔风板，16换热组件，16a换热管，16b换热翅片，16c换热组件一，16d换热组件二，17余热回收组件的出风口，18出风室，19顶盖，20进风室，21集流室，22余热回收组件，23循环泵二，24预热器二，25预热器一。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，为一种带余热回收组件的热泵干燥系统，包括压缩机1，压缩机1的制冷剂出口连接冷凝器2的制冷剂进口，冷凝器2的制冷剂出口经膨胀阀3连接蒸发器4的制冷剂进口，蒸发器4的制冷剂出口连接压缩机1的制冷剂进口；冷凝器2的出风口连接干燥机5的进风口；蒸发器4的出风口接通大气，干燥机5的出风口连接至余热回收组件的进风口12，余热回收组件的出风口17接通大气；余热回收组件22包括箱体6，与进风口相连的进风室20和与出风口相连的出风室18分设在箱体6两侧，箱体6上侧设有顶盖19，箱体6下侧设有集流室21，在进风室20和出风室18之间设有换热组件16，换热组件16包括若干换热管16a和若干换热翅片16b；换热管16a穿插在换热翅片16b上，换热翅片16b垂直于地面、相互平行且沿进风室20向出风室18方向布置，位于换热翅片16b上方设置喷淋装置，喷淋装置与外设的冲洗水水源相连，换热翅片16b下方且位于集流室21的上口位置设有透水隔风板15，排水口14设置在集流室21的下部；换热组件16用于预热蒸发器4和/或冷凝器2的进口空气。

换热组件16分为两组，分别为换热组件一16c和换热组件二16d；蒸发器4的进风口经预热器一25接通大气，冷凝器2的进风口经预热器二24接通大气；换热组件一16c的换热介质进出口、循环泵一13及预热器一25的换热介质进出口之间经管路连接成循环闭路，换热组件二16d的换热介质进出口、循环泵二23及预热器二24的换热介质进出口之间经管路连接成另一个循环闭路。

透水隔风板15上设有若干小孔，透水隔风板15上的开孔面积为透水隔风板15面积的1%-5%。该比例范围内的透水隔风板15可以透过冲洗后的废水，却能让带或不带余热风的空气流大部分被阻隔在主风道中，少量流经位于透水隔风板15下方的带或不带余热风的空气流换热效率较低，本发明可以让这部分的风量变得很小，因而被带走而损失的热能将降低到1%以下，同时，该透水隔风板15还延缓冲洗后的废水流出时间，在箱体6内增加存留时间，使得冲洗后的废水中的热能对于换热翅片16b所处的空间维持更高的温度有帮助，从而有更多的热能被回收再利用。

外设的冲洗水水源可以为储水箱7、也可以是外接的其他管网供应的水源，在利用储水箱7的水冲洗蒸发器4时，其具有及时、频繁、不停机高效低耗能地除灰的技术效果，除灰过程中，换热管16a仍旧可以从水中吸热，避免了系统工作状况的波动，能让COP值变为相对稳定。储水箱7中设有电加热器8，通过电加热储存合适温度的热水，所谓合适温度是指适合当前工作状态的最佳温度，在除灰时略高于换热翅片16b间的空气流温度，让系统COP值不降反升，还不至于水温过高散热损失过大，也不至于让冲洗换热翅片16b后流走的废水带走过多的热能。

喷淋装置包括若干喷管11，储水箱7出口经增压泵9、喷淋控制阀10连接至所述若干喷管11。喷管11可以分成若干组，每组设置一个喷淋控制阀10，喷淋控制阀10为电磁阀，每组喷管均由一只喷淋控制阀控制10开启或关闭，喷淋控制阀10同时启闭或采用依序循环往复方法启闭。

本发明在使用的管路上均可以设置若干的阀及其他附件设施。这些设置均为本领域内的常规技术手段。

该装置工作时，具有如下几种工作循环：

1）热泵循环：启动压缩机1，制冷剂依次经压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3、蒸发器4后，再回到压缩机1的制冷剂进口，形成热泵系统的制冷剂的工作循环；在冷凝器2内，制冷剂放热，加热干冷空气成干热空气；在蒸发器4内，制冷剂吸热，吸收外界空气中的热能或干燥机5的回流空气中的热能。

2）热风烘干：外界大气进入冷凝器2，制冷剂放热，干冷空气吸热变成干热空气，干热空气进入干燥机5烘干物料，干热空气降温并带走水分，余热废气离开干燥机5。

3）热能回收：余热废气回流至余热回收组件22，与换热管16a组件进行换热；换热组件16用于预热蒸发器4和/或冷凝器2的进口空气；进入蒸发器4的空气获得预热后蒸发器4中的换热翅片不易结霜。

换热组件一16c经循环泵一13、预热器一25与管路形成的换热循环给蒸发器4的进气口的空气预热；换热组件二16d经循环泵二23、预热器二24与管路形成的换热循环给冷凝器2的进气口的空气预热。

4）除灰模式：当余热回收组件22积灰后，开启喷淋装置，以热水冲洗换热翅片16b和换热管16a，冲洗水从余热回收组件22的底部的排水口14排出。

该带余热回收组件22的热泵干燥系统的操作方法，除灰操作时，包括如下步骤：

（1）在余热回收组件22的进风室20中设置温度探头Ta，数值记为Ta，在余热回收组件的储水箱中设置温度探头Ts，数值记为Ts，在余热回收组件的换热介质进口与出口设置温度探头Tj与Tc，数值分别记为Tj与Tc；温度探头Tj与Tc设置在任意一组换热组件的换热介质进口与出口位置 ；

（2）在余热回收组件22除灰时，冲洗水冲洗换热翅片及换热管，冲洗后的水从箱体底部的排水口排出；在箱体内，透水隔风板让带余热废气的空气流大部分被阻隔在直接通道主风道中，同时，延缓冲洗后的废水流出时间，在蒸发器箱体内增加存留时间，使得冲洗后的废水中的热能对于换热翅片所处的空间维持更高的温度有帮助，从而有更多的热能进入热泵循环系统，

控制操作方法如下：

Ts-Ta＜设定值T1时，储水箱的电加热器开启；

Ts- Ta＞设定值T2时，储水箱的电加热器关闭；

Tc-Tj＜设定值T3；

Ta -Tc＞设定值T4；

上述两个条件同时具备时，喷淋装置开启，即喷淋控制阀全部开启或采取依序循环往复方式开启；

采取依序循环往复方式开启喷淋控制阀时，每组喷淋管的喷淋控制阀的开启时间设置一个时间设定值Sa，并按照此设定值进行控制；

Tc-Tj＞设定值T5

Ta -Tc＜设定值T6

上述两个条件同时具备时，喷淋装置关闭，即喷淋控制阀全部关闭；

全部喷淋管的喷淋控制阀的累计开启时间S设置一个时间设定值Sb，当全部喷淋管的喷淋控制阀的累计开启时间S＞Sb时，喷淋装置无条件关闭，即喷淋控制阀全部无条件关闭；

其中，Ts为储水箱中的水的温度， Ta为干燥机余热废气到达蒸发器进气室内与补充的空气混合后的温度， Tc为余热回收组件的换热介质出口温度，Tj为余热回收组件的换热介质进口温度；T1至T6、Sa和Sb为设定值，由系统各种工况在手动达到稳态工作状态后分别测试确定，然后按设定值及上述条件进行自动运行。

实施例2

如图4所示，为另一种带余热回收组件的热泵干燥系统，其与实施例1的不同之处在于，换热组件16为一组，冷凝器2的进风口接通大气，蒸发器4的进风口经预热器一25接通大气；热能回收时，换热组件16的换热介质进出口、循环泵一13及预热器一25的换热介质进出口之间经管路连接成循环闭路，由此回收的热能给蒸发器4的进口空气预热，回收的热能便进入了热泵循环系统。

其除灰操作方法与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种带余热回收组件的热泵干燥系统，包括压缩机，压缩机的制冷剂出口连接冷凝器的制冷剂进口，冷凝器的制冷剂出口经膨胀阀连接蒸发器的制冷剂进口，蒸发器的制冷剂出口连接压缩机的制冷剂进口；冷凝器的出风口连接干燥机的进风口；蒸发器的出风口接通大气，其特征在于：所述干燥机的出风口连接至余热回收组件的进风口，余热回收组件的出风口接通大气；所述余热回收组件包括箱体，与进风口相连的进风室和与出风口相连的出风室分设在箱体两侧，箱体上侧设有顶盖，箱体下侧设有集流室，在进风室和出风室之间设有换热组件，换热组件包括若干换热管和若干换热翅片；所述换热管穿插在所述换热翅片上，换热翅片垂直于地面、相互平行且沿进风室向出风室方向布置，位于换热翅片上方设置喷淋装置，喷淋装置与外设的冲洗水水源相连，换热翅片下方且位于集流室的上口位置设有透水隔风板，排水口设置在集流室的下部；所述换热组件用于预热蒸发器和/或冷凝器的进口空气；所述透水隔风板上设有若干小孔，所述透水隔风板上的开孔面积为透水隔风板面积的1%-5%；所述喷淋装置包括若干喷管，储水箱出口经增压泵、喷淋控制阀连接至所述若干喷管；所述喷管分成若干组，每组设置一个喷淋控制阀，喷淋控制阀为电磁阀，每组喷管均由一只喷淋控制阀控制开启或关闭，所述喷淋控制阀依序循环往复开启，每个喷淋控制阀开启持续相同的设定时间Sa后关闭。

2.根据权利要求1所述的一种带余热回收组件的热泵干燥系统，其特征在于：所述换热组件为一组，所述冷凝器的进风口接通大气，蒸发器的进风口经预热器一接通大气；所述换热组件的换热介质进出口、循环泵一及预热器一的换热介质进出口之间经管路连接成循环闭路。

3.根据权利要求1所述的一种带余热回收组件的热泵干燥系统，其特征在于：所述换热组件分为两组，分别为换热组件一和换热组件二；所述蒸发器的进风口经预热器一接通大气，冷凝器的进风口经预热器二接通大气；换热组件一的换热介质进出口、循环泵一及预热器一的换热介质进出口之间经管路连接成一个循环回路；所述换热组件二的换热介质进出口、循环泵二及预热器二的换热介质进出口之间经管路连接成另一个循环回路。

4.根据权利要求1至3任一项所述的带余热回收组件的热泵干燥系统，其特征在于：所述外设的冲洗水水源为储水箱，储水箱中设有电加热器。

5.根据权利要求1至3任一项所述的带余热回收组件的热泵干燥系统的操作方法，其特征在于包括如下步骤：（1）在余热回收组件的进风室中设置温度探头，数值记为Ta，在余热回收组件的储水箱中设置温度探头，数值记为Ts，在余热回收组件的换热介质进口与出口分别设置温度探头，数值分别记为Tj与Tc；温度探头Tj与Tc设置在任意一组换热组件的换热介质进口与出口位置；（2）余热回收组件除灰时，冲洗水冲洗换热翅片及换热管，冲洗后的水从箱体底部的排水口排出；在箱体内，透水隔风板让带余热废气的空气流大部分被阻隔在直接通道主风道中，同时，延缓冲洗后的废水流出时间，在蒸发器箱体内增加存留时间，使得冲洗后的废水中的热能对于换热翅片所处的空间维持更高的温度有帮助，从而有更多的热能进入热泵循环系统，控制操作方法如下：

Ts-Ta＜设定值T1时，储水箱的电加热器开启；

Ts- Ta＞设定值T2时，储水箱的电加热器关闭；

Tc-Tj＜设定值T3；Ta -Tc＞设定值T4时，喷淋装置开启，即喷淋控制阀采取依序循环往复方式开启；采取依序循环往复方式开启喷淋控制阀时，每组喷淋管的喷淋控制阀的开启时间设置一个时间设定值Sa，并按照此设定值进行控制；

Tc-Tj＞设定值T5，Ta -Tc＜设定值T6时，喷淋装置关闭，即喷淋控制阀全部关闭；

全部喷淋管的喷淋控制阀的累计开启时间S，设置一个时间设定值Sb，当全部喷淋管的喷淋控制阀的累计开启时间S＞Sb时，喷淋装置无条件关闭，即喷淋控制阀全部无条件关闭；

其中，Ts为储水箱中的水的温度，Ta为干燥机余热废气到达余热回收组件进风室内的气体温度， Tc为余热回收组件的换热介质出口温度，Tj为余热回收组件的换热介质进口温度；T1至T6、Sa和Sb为设定值，由系统各种工况在手动达到稳态工作状态后分别测试确定，然后按设定值及上述条件进行自动运行。

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