本发明属于食品干燥、加工，传热传质技术领域，具体的说，是涉及一种超声波和热泵联合的低温脱水系统。
背景技术：
农产品的脱水过程是使种子中的水分以液体或气体的形式从种子内部转移到外部环境，此过程受到内外阻力的作用，效率大大降低。传统的热风干燥虽然可通过提高干燥温度来加快干燥速率，但却破坏了生物体的颜色、口味、营养成分和结构等。比较典型的干燥技术，如微波干燥、红外辐射干燥、流化床干燥、冷冻干燥、渗透干燥等虽各有优点，但仍存在设备复杂、成本高、产品质量损失、能耗大、污染环境等缺点。而热泵干燥系统在20世纪中后期应用于干燥领域并得到快速发展。与诸多干燥方式相比，具有能耗低，干燥条件易于控制，干燥物料品质优良、绿色环保等有优点。然而热泵干燥技术在低温干燥过程中仍存在传热传质效率低、干燥不均匀的问题。因此，寻求有效手段，在保持能耗低，物料品质优良和绿色环保的前提下提高物料脱水过程中的传热传质效率并均匀烘干成为现在研究的主要目标。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术中热泵低温脱水技术在传热传质方面效率低，干燥不均匀等问题，提供一种超声波和热泵联合的低温脱水系统。该系统能够在热泵低温脱水的基础上提高物料干燥传热传质效率低得问题，并能较好的节约能源，缩短干燥时间，提高产品质量，且不对环境造成污染。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超声波和热泵联合的低温脱水系统，由制冷剂回路、干燥空气回路和超声波发生系统三部分组成，所述制冷剂回路包括压缩机、升温控制阀、干燥箱冷凝器、储液罐、过滤器、液位观察窗、电子膨胀阀、蒸发器、主回路阀、降温控制阀、风冷控制阀、冷凝机组、水冷控制阀、热交换器、水水热泵和水泵；
所述压缩机的输出端分为三路，第一路依次连接升温控制阀和干燥箱冷凝器，第二路依次连接风冷控制阀和冷凝机组，第三路依次连接水冷控制阀和热交换器；所述热交换器连接水水热泵和水泵，所述室外冷凝机组和热交换器连接降温控制阀，所述干燥箱冷凝器和降温控制阀均与所述储液罐的输入口相连接，所述储液罐的输出口依次与所述过滤器、液位观察窗、电子膨胀阀、蒸发器和主回路阀相连接，所述主回路阀与所述压缩机的输入端相连形成有制冷剂回路；
所述干燥空气回路由干燥箱冷凝器风机、辅助风机、导风板、干燥箱和物料架组成，所述蒸发器设置在干燥箱内；
超声波发生系统包括超声波发生器和超声波换能器，超声波换能器放置于干燥箱内的物料架上，并与放置在干燥箱外部的超声波发生器相连接。
所述压缩机由压缩机变频器控制。
所述冷凝机组由室外冷凝器和风机构成。
所述超声换能器上放置有金属托盘。
所述干燥箱冷凝器风机和辅助风机均由控制柜中的风机变频器控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)将超声波内置于热泵系统内可随时控制声波作用的各种条件(作用时间、频率、功率)。
(2)将超声波和热泵系统组合使用，可依靠超声波对物料内部以声波均匀作用，促进物料内部水分扩散速率，提高传热传质效率，缩短干燥时间且保证了物料品质良好。
(3)热泵耗电量相比于超声波耗电量高很多，虽加入了超声波系统的额外耗电，但考虑到超声波对干燥物料节省了大量的时间，这部分时间减少了热泵的耗电，总体上是节能高效。
(4)空气源热泵的干燥介质是空气，而超声波介质是由电转化的声能，二者都不会对环境造成污染，属绿色能源。
附图说明
图1是本发明系统的结构原理示意图。
附图标记：1‐压缩机 2‐升温控制阀 3‐干燥箱冷凝器 4‐储液罐 5‐过滤器 6‐液位观察窗 7‐电子膨胀阀 8‐蒸发器 9‐主回路阀 10‐降温控制阀 11‐风冷控制阀 12‐冷凝机组 13‐水冷控制阀 14‐热交换器 15‐水水热泵 16‐水泵 17‐干燥箱冷凝器风机 18‐辅助风机 19‐导风板 20‐干燥箱 21‐超声波换能器 22‐超声波发生器 23‐物料架
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，一种超声波和热泵联合的低温脱水系统，由制冷剂回路、干燥空气回路和超声波发生系统三部分组成，所述制冷剂回路包括压缩机1、升温控制阀2、干燥箱冷凝器3、储液罐4、过滤器5、液位观察窗6、电子膨胀阀7、蒸发器8、主回路阀9、降温控制阀10、风冷控制阀11、冷凝机组12、水冷控制阀13、热交换器14、水水热泵15和水泵16，冷凝机组12由室外冷凝器和风机构成；
压缩机1由压缩机变频器控制，压缩机1的输出端分为三路，第一路连接升温控制阀2(也称升温制冷剂流量控制阀)，升温控制阀2通往室内升温单元，与干燥箱冷凝器3相连，第二路依次连接风冷控制阀11和冷凝机组12，第三路依次连接水冷控制阀13和热交换器14；热交换器14连接水水热泵15和水泵16，室外冷凝机组12和热交换器14连接降温控制阀10(也称降温制冷剂流量控制阀)，干燥箱冷凝器3和降温控制阀10均与所述储液罐4的输入口相连接，所述储液罐4的输出口依次与所述过滤器5、液位观察窗6、电子膨胀阀7、蒸发器8和主回路阀9相连接，主回路阀9与压缩机1的输入端相连形成有制冷剂回路；
干燥空气回路由干燥箱冷凝器风机17、辅助风机18、导风板19、干燥箱20和物料架23组成，干燥箱20入口处设有干燥箱冷凝器风机17和辅助风机18，通过风机变频器控制，干燥箱冷凝器风机17和辅助风机18通过风道与干燥箱20相连，干燥箱20边缘设置导风板19；超声波发生系统包括超声波发生器22和超声波换能器21，超声波换能器21放置于干燥箱20内的物料架23上，超声波换能器21与待干燥物料之间隔有一层金属托盘，与外部的超声波发生器22相连，干燥箱20出口处设有蒸发器8，通过风道与干燥箱冷凝器3相连。蒸发器8吸收干燥箱20出口处的高湿空气的热量，再由干燥箱冷凝器3释放给析湿降温的空气，干燥空气得到热量后经风机进入干燥箱对物料进行干燥。在升温控制阀3和降温控制阀10的配合作用下维持干燥箱20内恒定的温度，压缩机变频器、风机变频器分别调节干燥箱升降温变化速率与来流风速，超声波发生系统在物料干燥过程中释放声波产生空化作用和机械效应，促进干燥。
制冷剂回路和空气干燥回路的工作过程及原理如下：在本发明系统的升温过程中，制冷剂经压缩机1压缩后成为高温高压蒸汽进入干燥箱冷凝器3放出热量去加热空气，实现了热量的循环利用，然后制冷剂经储液罐4、过滤器5、液位观察窗6、电子膨胀阀7后成为低温低压液体，再进入蒸发器8吸收热量，再经过压缩机1成为高温高压蒸汽完成一个循环；干燥箱20内低温低湿的空气通过风道流过干燥箱冷凝器3，吸收制冷剂放出的热量成为高温低湿空气，经干燥箱冷凝器风机17、辅助风机18、导风板19进入干燥箱20后，同超声波换能器21共同作用于待干燥物料，成为高温高湿空气，然后经过蒸发器8释放出热量传给制冷剂，并析出水分，成为低温低湿空气完成一个循环。本发明系统的降温过程中，制冷剂经压缩机1压缩后成为高温高压蒸汽进入热交换器14，与来自水水热泵15的冷水进行换热成为低温液体，若水水热泵里的水温度较高，则同时开启风冷控制阀11，制冷剂也进入室外冷凝器，达到双效换热，再经储液罐4等和升温过程相同的环节完成一个循环；而干燥空气在经过冷凝器时不再发生吸热过程，而是保持原有的温度，再次进入干燥箱20干燥，然后在蒸发器8处析湿放热达到降温的目的。
超声波发生系统工作原理如下：有超声波发生器22发生电能信号，经过超声波换能器21转换成相应频率的声波，声波经过金属托盘贯穿物料内部，对其进行均匀高频作用。物料内部水分子在高频下剧烈运动，并产生毛细微通道，由于内部空化作用产生的瞬间高温高压驱动水分子向外扩散，从而提高了传热传质系数。
本发明系统在升温运行时，由制冷剂回路、干燥空气回路组成的热泵系统处于工作状态，超声波系统处于关闭状态。开机后，通过PLC上位机的人机对话界面设定目标温度、并调节压缩机频率和风机频率以控制升温速度和空气流量。当干燥箱内温度达到目标温度，即恒温(升温降温交替运行)运行时，进入干燥阶段。开启超声波发生器，并设定作用时间，声波功率和频率。在干燥过程中通过超声波处理改善物料内部传质效果，提高干燥效率。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。