本发明涉及烘干设备技术领域，具体涉及一种利用真空技术、过热蒸气干燥和空气源热泵在低压环境下的封闭式循环热泵烘干装置。
背景技术：
干燥泛指从湿物料中除去水分或其他湿分的技术，广泛应用于化工、食品、轻工、纺织、煤炭、农林产品加工和建材等各工业领域。其基本原理是，在一定温度下，任何含水的湿物料都有一定的蒸气压，当此蒸气压大于周围气体中的水汽分压时，水分将汽化。汽化所需热量，或来自周围热气体，或由其他热源通过辐射、热传导提供。由以上原理可知影响干燥效率的客观条件有两个：一个是周围空气中的水汽分压，一个是热量。根据热量的供应方式不同，有多种干燥类型，如对流干燥，传导干燥，辐射干燥，介电加热干燥等。对流干燥在生产中应用最广，它包括气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、回转圆筒干燥和厢式干燥等。传导干燥包括滚筒干燥、冷冻干燥、真空耙式干燥等。辐射干燥和介电加热干燥由于成本较高，在工业上使用较少。以上干燥方法或干燥设备都面临一个矛盾，即干燥效率和干燥成本往往成正比，加大热量供给的同时也增大了能耗成本。因此，研制开发既有高效干燥功能，又可以降耗节能的干燥装置是目前干燥行业技术发展的重要方向。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种低压过热蒸气热泵干燥装置，充分利用真空技术、过热蒸气干燥和空气源热泵在低压环境下的封闭式循环干燥，实现物料干燥过程的节能减排和安全高效。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种低压过热蒸气热泵干燥装置，包括可封闭的箱体、与箱体连接的抽真空系统和供水系统，其中：
所述箱体内部通过第一保温隔板分隔为热风干燥空间和水蒸气冷凝析出空间，所述第一保温隔板上设有数控风门和进风风扇，所述水蒸气冷凝析出空间设有蒸发器和热泵，所述热风干燥空间设有冷凝器、第二保温隔板、回风风扇和用于放置物料的搁架，所述蒸发器、热泵和冷凝器通过管道形成闭合回路；
所述搁架、回风风扇、冷凝器构成第一循环风道，所述搁架、回风风扇、数控风门、蒸发器、进风风扇、冷凝器构成第二循环风道。
所述抽真空系统包括设置在箱体外的真空泵。通过真空泵将箱体内原有的空气抽走，从而无法产生氧化和燃烧反应，避免箱体内部着火或爆炸。
所述供水系统包括设置在供水管道上的进水阀和滤水器。水进入处于真空状态的箱体后会发生闪蒸现象，变成水蒸气，通过滤水器可过滤掉水中的杂质，避免污染有灭菌要求的食品原料和药品原料。
由于本发明的干燥装置不设排气口，干燥全过程保持密封，箱体内的水蒸气不会通过排气口排放出去，而是在蒸发器内冷凝析出，因此为保持长时间运行，所述蒸发器还设有用于储存冷凝水的储水箱。
所述低压过热蒸气热泵干燥装置还包括自动监测控制单元，所述自动监测控制单元包括设在箱体上的温度传感器、湿度传感器、压力表、风速仪以及总控制器，所述总控制器分别电连接真空泵、进水阀、回风风扇、数控风门、进风风扇以及热泵。该自动监测控制单元，可在线监测并记录烘干过程中温度、湿度、风速与压力的变化，实时掌握烘干情况。
本发明的干燥装置在工作时，需干燥的物料放入搁架，封闭箱体。开启真空泵，抽出箱体内的空气，当箱体内部压力接近零的时候，打开进水阀，水经过滤水器后进入箱体。因为此时箱体内为近真空状态，水进入箱体后随即发生闪蒸现象，变成水蒸气。当压力表读数为某个值时(比如可以根据物料特性，设定为0.01mpa)，关闭进水阀，打开回风风扇、进风风扇和数控风门，使水蒸气在箱体内循环流动。然后启动热泵，在热泵的工作下，热风干燥空间的水蒸气逐渐被冷凝器加热形成过热蒸气，待干燥物料此时吸收过热蒸气的热量开始蒸发出内部的水分，形成湿蒸汽，在回风风扇的带动下，一部分通过数控风门进入到水蒸气冷凝析出空间，另一部分则再次经冷凝器加热后送入干燥物料。进入到水蒸气冷凝析出空间的湿蒸汽，经过蒸发器的冷凝析出，冷凝水进入到储水箱，降温后的水蒸气则通过进风风扇进入到热风干燥空间。第一保温隔板将热风干燥空间和水蒸气冷凝析出空间隔开，使两个空间的温度和湿度不同，通过数控风门调节箱体内部温度和压力的平衡。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明的干燥装置通过真空泵将箱体内原有的空气抽走，加入少量的水，形成单纯的水蒸气低压环境，整个装置不设排气口，干燥全过程保持密封，箱体内的水蒸气无法排出，形成闭式循环，最大程度上减少热损失，降低能耗，低压环境既有利于物料内水蒸气的蒸发，又使得热泵机组可以高温安全运行，过热蒸气干燥速率快、安全性高，成品质量好。
附图说明
图1是本发明低压过热蒸气热泵干燥装置的结构图；
附图标记说明：1-回风风扇；2-压力表；3-风速仪；4-数控风门；5-蒸发器；6-储水箱；7-热泵；8-第一保温隔板；9-进风风扇；10-冷凝器；11-搁架；12-箱体；13-真空泵；14-滤水器；15-进水阀；16-第二保温隔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，一种低压过热蒸气热泵干燥装置，包括箱体12，箱体12连接有真空泵13、压力表2、风速仪3和注水管道，在注水管道上设有进水阀15和滤水器14。
箱体12内部通过竖直布置的第一保温隔板8分隔为左边的热风干燥空间和右边的水蒸气冷凝析出空间。第一保温隔板8上部设有数控风门4，中部设有进风风扇9。水蒸气冷凝析出空间设有蒸发器5和热泵7，蒸发器5的下方设有储水箱6。热风干燥空间设有冷凝器10、第二保温隔板16、回风风扇1和用于放置物料的搁架11。蒸发器5、热泵7和冷凝器10通过管道形成闭合回路。
其中，蒸发器5、进风风扇9和冷凝器10从右往左依次竖直平行设置，便于经蒸发器5处理后的水蒸气通过进风风扇9直接吹送到冷凝器10中。第二保温隔板16水平设置，其右端和冷凝器10的上端相接，构成l型分隔墙，将热风干燥空间分割成两个部分，即位于第二保温隔板16下方、冷凝器10左方的物料干燥区域，搁架11被安置在该区域中。而位于第二保温隔板16上方、冷凝器10右方的l型通道则为循环风道，回风风扇1安装在第二保温隔板16上方的风道中，用于将物料干燥区域的水蒸气吸入到循环风道中。
图1中的虚线和箭头示出了箱体12内的两条循环风道：第一循环风道位于热风干燥空间内，气流从搁架11的左上端流出，经过回风风扇1，向下流向冷凝器10，最后向左穿过冷凝器10回到搁架11之间。第二循环风道贯通热风干燥空间和水蒸气冷凝析出空间，气流从搁架11的左上端流出，经过回风风扇1，向右流向数控风门10，然后依次经过蒸发器5、进风风扇9、冷凝器10回到搁架11之间。当干燥物料的水分含量比较少的时候，通过调节数控风门4的开度，减少甚至关闭第二循环风道，可进一步降低能耗。
其中，本发明的低压过热蒸气热泵干燥装置，还包括总控制器、设在箱体12内的温度传感器和湿度传感器和总控制器(图中均未示出)。其中，总控制器分别电连接真空泵13、进水阀15、回风风扇1、数控风门4、进风风扇9以及热泵7。总控制器根据温度传感器测得的温度值、湿度传感器测得的湿度值、压力表2测得的压力值、风速仪3测得的风速值以及预设值，对上述设备发出工作指令，其设置由本领域技术人员根据现有传感技术及上述功能描述即可实现，故此处不再详述。
通过自动监测控制单元，可在线监测并记录烘干过程中温度、湿度、风速和压力的变化，实时掌握烘干情况，并通过设定一定的温度、湿度值自动调整干燥程序，优化烘干工艺，减少劳动力投入。
本发明的干燥装置在工作时，将需干燥的物料放入搁架11，封闭箱体12。开启真空泵13，抽出箱体12内的空气，当箱体12内部压力接近零的时候，打开进水阀15，水经过滤水器14后进入箱体12。因为此时箱体12内为近真空状态，水进入箱体12后随即发生闪蒸现象，变成水蒸气。当压力表2读数为某个值时(比如可以根据物料特性，设定为0.01mpa)，关闭进水阀15，打开回风风扇1、进风风扇9和数控风门4，使水蒸气在箱体12内循环流动。然后启动热泵7，在热泵7的工作下，热风干燥空间的水蒸气逐渐被冷凝器10加热形成过热蒸气，待干燥物料吸收过热蒸气的热量开始蒸发出内部的水分，形成湿蒸汽，在回风风扇1的带动下，一部分湿蒸汽通过数控风门4进入到水蒸气冷凝析出空间，另一部分湿蒸汽则再次经冷凝器10加热后送入物料干燥区域。进入到水蒸气冷凝析出空间的湿蒸汽，经过蒸发器5的冷凝析出冷凝水，储存在储水箱中，降温后的水蒸气则通过进风风扇9进入到热风干燥空间，再次经冷凝器10加热后送入物料干燥区域，从而将待干燥物料中的水分转移到储水箱6中。
本发明的低压过热蒸气热泵干燥装置，具有明显的优势：
1、闭式循环可最大程度上减少热损失，降低能耗：本发明的干燥装置不设排气口，干燥全过程保持密封，待干燥物料的水分不随水蒸气从排气口排出，而是通过蒸发器5冷凝析出，储存在储水箱6，因此，热量不会跟随水蒸气排到箱体12外，造成损失。
2、低压环境使得水汽分压很低，有利于物料内水蒸气的蒸发：在一定温度下，任何含水的湿物料都有一定的蒸气压，当此蒸气压大于周围气体中的水汽分压时，水分将汽化，这个压力差就是含湿物料干燥过程的推动力，压力差越大，水分蒸发速度越快，因此，保持低压环境是提高蒸发效率的重要途径。本发明的干燥装置通过真空泵13将箱体12内原有的空气抽走，加入少量的水，形成单纯的水蒸气，既保持了低压环境，有利于含湿物料中的水分蒸发，又获得了对流传热媒介，成为启动干燥过程的必要条件。
3、过热蒸气干燥速率快、安全性高，成品质量好：过热蒸气的比热和传热系数比空气大，同时过热蒸气在干燥介质中的传质阻力可忽略不计，故水分的迁移速度快，干燥周期可明显缩短。过热蒸气干燥无空气存在，没有氧化和燃烧反应，避免了干燥室着火或爆炸的危险。过热蒸气干燥物料的温度是操作条件下水的沸点温度，在干燥有灭菌要求的食品原料和药品原料同时，能消灭细菌和其他有毒微生物。本发明的干燥装置，热泵7、蒸发器5和冷凝器10都在封闭的箱体12中，所以热泵7做的功全部转化成了箱体12内的热量，箱体12内的水蒸气温度会越来越高，消耗较少的能源，就能达到过热状态。
4、低压环境使得热泵可以高温安全运行：常规的空气源热泵由于工作在标准大气压下，在加热高温介质时，冷凝温度也很高，冷凝压力也较大，较大的冷凝压力使得热泵机组各部分受到破坏的风险显著提高。本发明的热泵7工作在低压环境中，低压对应的水蒸气饱和蒸发温度也较低，因此蒸发温度较低，在热泵7输出功率不变的情况下，工质的冷凝温度也不高，因此冷凝压力下降，热泵机组的安全性得到了保障。
5、数控风门可以调节干燥环境参数：第一保温隔板8将热风干燥空间和水蒸气冷凝析出空间隔开，使两个空间的温度和湿度不同。数控风门4开得大一点，将有更多水分通过蒸发器5冷凝析出，热风干燥空间的气压、温度、湿度会降低，水蒸气冷凝析出空间的气压和温度会升高，干燥速率会快一点，但热泵7耗电也会多一些。数控风门4开得少一点，冷凝水产生会少一点，热风干燥空间的气压、温度、湿度会相应升高。因此，根据不同物料的干燥工艺要求，通过调节数控风门4，就能实现对箱体12内环境参数的调节，结构简单有效。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。