物料余热回收的热泵干燥设备

1.本发明涉及余热回收技术领域，尤其涉及物料余热回收的热泵干燥设备。


背景技术：

2.干燥是一种常见的化工单元作业，也是一种能源密集型过程。干燥过程中需要向物料输送大量热能，这些热能通常由燃烧木材、煤、天然气、生物质等方式提供。近些年，在国家节能减排、绿色生产等政策的要求指引下，以热泵为热源供给形式的新型干燥技术蓬勃发展，在全国各地多有应用。热泵干燥技术是一种节能干燥技术，其多以热风干燥的形式实现，并采用闭式或近闭式的结构，因此对热损失、气流组织以及稳定性均有较传统干燥不同的要求。
3.通过对干燥过程的分析可知，物料受热后温度升高，其表层和内部的水分逐渐向外部环境扩散，最终达到干燥工艺所要求的比例。输入物料的热能，一部分随物料中水分的散失而流失，另一部分则随物料本身的排出而流失。对蒸发水分中的热量进行回收，可以利用热泵技术本身包含的除湿功能去实现，这也是热泵干燥具有节能效果的主要原因。而对干燥后物料的余热进行回收，则需要进行专门的设计，特别是对于单体呈现固体特性而整体又呈现流体特性的颗粒物料。现有技术中，通过向颗粒物料鼓风，利用气流换热将物料内余热带出并回馈给系统的方案，但这种方案对于热泵系统而言，在余热回收的同时，还伴有气流的输入，可能会导致系统整体漏热增加，因此不太适用于闭式或近闭式的结构形式。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种物料余热回收的热泵干燥设备，其能够充分回收利用干燥后物料的余热，提高热泵干燥设备的能源利用效率，且不会向热泵干燥设备内引入新的气流。
5.根据本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备，包括：
6.热泵，包括蒸发器和冷凝器；
7.干燥器，包括依次设置的预热段、干燥段和冷却段，所述预热段中设置有第一换热器，所述冷却段中设置有第二换热器，所述第一换热器和所述第二换热器之间通过管道连通，所述干燥器形成有依次经过所述第一换热器、所述干燥段和所述第二换热器的物料流动通道，所述干燥段的入风口流体连通所述冷凝器，所述干燥器的出风口流体连通所述蒸发器。
8.根据本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备(以下也可以简称为热泵干燥设备)，物料从干燥器的预热段进入，经过第一换热器之后进入干燥段，在干燥段中完成干燥后进入冷却段，进入冷却段的物料经过第二换热器之后排出干燥器。在此基础上，通过换热器(在没有其他限定的情况下，“换热器”指代的是第一换热器和第二换热器中的至少其中一个)中的工质对物料进行能量转移输送。具体的，本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备，工质能够在第一换热器和第二换热器之间流动，且在第一换热器处放热，在第二
换热器处吸热，也即工质可以在干燥器的预热段和冷却段之间传递热量，使得第一换热器和第二换热器的温度趋同，并在上述过程中回收干燥后的物料的余热用于干燥前的物料的预热。该物料余热回收的热泵干燥设备，能够充分回收利用干燥后物料的余热，提高热泵干燥设备的能源利用效率，增强热泵干燥设备的热平衡稳定性；同时不会向热泵干燥设备内引入新的气流，有利于降低热泵干燥设备漏风漏热的可能性，可以克服直接向物料鼓风时利用气流来进行余热回收对于热泵干燥设备的不利影响。
9.根据本发明的一个实施例，还包括：
10.风机，位于所述冷凝器和所述蒸发器之间，适于形成依次经过所述蒸发器、所述冷凝器和所述干燥段的循环气路。
11.根据本发明的一个实施例，所述管道包括在所述第一换热器和所述第二换热器之间形成循环回路的第一管道和第二管道，所述循环回路设置有适于驱动工质在所述循环回路中流动的驱动泵。
12.根据本发明的一个实施例，所述管道为双向流通管道。
13.根据本发明的一个实施例，所述管道为碳钢管，所述碳钢管外部包裹有隔热层。
14.根据本发明的一个实施例，所述预热段、所述干燥段和所述冷却段从上至下依次设置，所述预热段顶部设置有进料口，所述冷却段底部形成有出料口。
15.根据本发明的一个实施例，所述第一换热器和所述第二换热器均为列管式换热器。
16.根据本发明的一个实施例，所述物料余热回收的热泵干燥设备为颗粒物料余热回收的热泵干燥设备或膏状物料余热回收的热泵干燥设备，所述颗粒物料包括粮食颗粒，所述膏状物料包括污泥。
17.根据本发明的一个实施例，所述第一换热器和所述第二换热器之间流通的工质为水、有机制冷剂或氨水。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
20.图1是本发明一个实施例提供的物料余热回收的热泵干燥设备的结构示意图；
21.图2是本发明又一个实施例提供的物料余热回收的热泵干燥设备的结构示意图；
22.图中：
23.1、热泵；101、压缩机；102、冷凝器；103、蒸发器；104、节流阀；
24.2、干燥器；201、预热段；202、干燥段；203、冷却段；204、第一换热器；205、第二换热器；206、驱动泵
25.3、风机。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
27.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
29.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
31.热泵干燥设备有开式、半开式、闭式(或近闭式)三种结构形式，其中后两种的节能效果更好，因为其利用了干燥尾气，其中含有大量从物料蒸发出的水蒸气，其液化潜热会被热泵利用进行再循环；进而也能推断，最后一种结构形式受环境影响最小。
32.热泵干燥设备的一种应用是粮食干燥。在北方寒冷地区应用时，采用闭式(或近闭式)结构形式是合理的选择。同时，北方粮食干燥应用中，会遇到初始含水量很小的粮食品种，如稻谷(16～18％)。在进行这类物料的干燥时，热泵向物料供给的热量，很大一部分会随干燥后物料的排除而流失，随干燥尾气返回热泵系统的热量相对较小，这样热泵系统节能效果就会大打折扣，而且可供回收的热量少，也不利于热泵系统的稳定运行。因此，需要尽可能回收由物料带走的这部分热量。
33.粮食干燥工艺要求对干燥后的粮食要进行冷却。传统干燥设备中，多采用向干燥后的粮食通入环境新风的方式实现。换用热泵为供热源的新式干燥设备中，已经考虑到了这部分冷却风的利用，通常将其受控地注入到热泵气流循环中。但由于热泵是闭式(近闭式)系统，冷却风的引入必然会导致多余气流的出现，进而使系统整体的漏风增加，如果漏
风处的气流所含能量正好较高，那就适得其反。
34.上述通过气流来回收余热，在能量注入的同时，也有物质的引入。如果能只引入能量而不引入物质，那么对系统的影响就是单方面的，而且肯定是积极的。由此，本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备，其利用工质的封闭循环来回收物料余热，而不额外引入物质。
35.请参见图1和图2，根据本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备，包括热泵1和干燥器2。其中，热泵1包括蒸发器103和冷凝器102；干燥器2包括依次设置的预热段201、干燥段202和冷却段203，预热段201中设置有第一换热器204，冷却段203中设置有第二换热器205，第一换热器204和第二换热器205之间通过管道连通，干燥器2形成有依次经过第一换热器204、干燥段202和第二换热器205的物料流动通道，干燥段202的入风口流体连通冷凝器102，干燥器2的出风口流体连通蒸发器103。
36.根据本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备(以下也可以简称为热泵干燥设备)，物料从干燥器2的预热段201进入，经过第一换热器204之后进入干燥段202，在干燥段202中完成干燥后进入冷却段203，进入冷却段203的物料经过第二换热器205之后排出干燥器2。在此基础上，通过换热器(在没有其他限定的情况下，“换热器”指代的是第一换热器204和第二换热器205中的至少其中一个)中的工质对物料进行能量转移输送。具体的，本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备，工质能够在第一换热器204和第二换热器205之间流动，且在第一换热器204处放热，在第二换热器205处吸热，也即工质可以在干燥器2的预热段201和冷却段203之间传递热量，使得第一换热器204和第二换热器205的温度趋同，并在上述过程中回收干燥后的物料的余热用于干燥前的物料的预热。该物料余热回收的热泵干燥设备，能够充分回收利用干燥后物料的余热，提高热泵干燥设备的能源利用效率，增强热泵干燥设备的热平衡稳定性；同时不会向热泵干燥设备内引入新的气流，有利于降低热泵干燥设备漏风漏热的可能性，可以克服直接向物料鼓风时利用气流来进行余热回收对于热泵干燥设备的不利影响。
37.根据本发明的实施例，第一换热器204周围的物料是刚进入干燥器2的物料，其温度与外界环境温度相近，是比较低的。第二换热器205周围的物料，是经过干燥气流加热的，其温度比较接近干燥气流的温度，温度比较高。因此，第一换热器204和第二换热器205之间存在温差。
38.在干燥段202、蒸发器103和冷凝器102之间连接有干燥气流通道，请参见图1和图2中的虚线，进而通过热泵1对干燥段202中的物料进行干燥。物料流通的方向请参考图1和图2中的从上至下设置的四个粗箭头。
39.根据本发明的实施例，物料余热回收的热泵干燥设备还包括风机。其中，风机位于冷凝器102和蒸发器103之间，适于形成依次经过蒸发器103、冷凝器102和干燥段202的循环气路。进而，当物料余热回收的热泵干燥设备运行时，干燥气流由风机推动，经过蒸发器103除湿，再经过冷凝器102加热，然后进入干燥器2的干燥段202，与干燥段202中的物料接触并向物料传递热量，并带走物料的水分，然后从干燥器2排出，进入蒸发器103继续循环。当然，为了在蒸发器103、冷凝器102和干燥段202之间形成循环气路，风机也可以替换成气泵或者其他具有等同效果的部件。
40.根据本发明的一个实施例，请参见图1，管道包括在第一换热器204和第二换热器
205之间形成循环回路的第一管道和第二管道，循环回路设置有适于驱动工质在循环回路中流动的驱动泵。该种情况下，工质在驱动泵的作用下在第一换热器204和第二换热器205之间流动，可以保证工质流动的充分，以实现热量的充分传递，并提高热量交换的效率。
41.根据本发明的另一个实施例，请参见图2，管道为双向流通管道，例如双向流通管道可以为重力热管，进而第一换热器204中的工质液化放热之后，变成液体的工质随着重力热管流动至第二换热器205；第二换热器205中的工质蒸发之后变成气态的工质，且沿着重力热管向上运动至第一换热器204。该种情况下，由于无需额外设置驱动泵或者其他驱动装置，因此可以控制热泵干燥设备的成本，并减小干燥器2的体积。当然，第一换热器204和第二换热器205之间的管道为双向流通管道的时候，此时对第一换热器204和第二换热器205之间的位置设置具有一定要求，以保证液态的工质可以运动至第二换热器205，且气态的工质可以运动至第一换热器204。
42.在一个实施例中，第一换热器204和第二换热器205之间的管道为碳钢管，碳钢管外部包裹有隔热层，以降低工质在第一换热器204和第二换热器205之间的热损失。当然，管道的具体材质以及结构形式不受此处举例的限制。
43.在一个实施例中，第一换热器204、第二换热器205之间通过管道连通形成一个封闭空间。封闭空间的设计压力为0.5mpa(兆帕)左右，充入100kg(千克)左右的r22(氟利昂中的一种)作为工质。在该压力下，工质可以在第一换热器204和第二换热器205处发生相应的相变，以实现预热段201和冷却段203之间的热量转移。当然，第一换热器204和第二换热器205内的压力以及工质均不受此处举例的限制，且对应不同工质会有不同的压力要求，只要保证第一换热器204和第二换热器205中的工质均可以发生相变即可。其中，工质可以为水和各种制冷剂，其中，制冷剂包括有机制冷剂或氨水等。当工质为水的时候，需要避免形成氢气导致的工质减少，因此对管道以及压力都有一定的要求。当工质为有机制冷剂或氨水等的时候，此时成本较之于水而言更高。
44.根据本发明的实施例，干燥器2具有供物料流通的通道。
45.在一个实施例中，预热段201、干燥段202和冷却段203从上至下依次设置，预热段201顶部设置有进料口，冷却段203底部形成有出料口。该种情况下，物料可以在重力作用下依次经过预热段201、干燥段202和冷却段203。当然，也可以将预热段201、干燥段202和冷却段203沿着水平方向依次设置，或者其他方向设置，进而此时可能需要额外设置驱动装置以保证物料的流通。
46.根据本发明的实施例，第一换热器204和第二换热器205均为列管式换热器。较之于管翅式换热器可能夹塞或者破坏物料，管式换热器可以保证物料顺利流通。当然，在可以保证物料流通的情况下，第一换热器204和第二换热器205的具体形式不受此处举例的限制。
47.根据本发明的实施例，物料余热回收的热泵干燥设备为颗粒物料余热回收的热泵干燥设备或膏状物料余热回收的热泵干燥设备。进而本发明实施例的物料余热回收的热泵干燥设备中，物料可以为颗粒物料或者膏状物料，当然物料还可以为任何其他单体呈现固体特性而整体又呈现流体特性的颗粒物料。
48.在一个实施例中，颗粒物料可选择的种类包括粮食颗粒，例如稻谷、豆类等；膏状物料包括污泥。
49.根据本发明的实施例，热泵1除了包括蒸发器103和冷凝器102，还可以设置有压缩机101、节流阀104和连接管路等，且在热泵1中流通有热泵介质。由于热泵1采用现有技术中任何结构形式均可，因此此处不做详细说明。
50.根据本发明实施例，下面给出几种具体的物料余热回收的热泵干燥设备的结构形式：
51.实施例一
52.以稻谷的热泵干燥应用为例。干燥器2为塔式干燥器，从上至下分别为预热段201、干燥段202和冷却段203。预热段201中有预热换热器，也即第一换热器204，冷却段203中有冷却换热器，也即第二换热器205，预热换热器和冷却换热均为碳钢材质的光管列管式换热器。预热换热器和冷却换热器间由碳钢管连接，碳钢管外部有保温隔热层包裹。预热换热器、冷却换热器间和碳钢管组成一个封闭空间，此封闭空间设计压力为0.5mpa左右，充入100kg左右的r22作为余热回收的工质。
53.热泵1作为热量供给部分，主机采用多台螺杆压缩机，整体结构为多级串联除湿加热。热泵1的出风口与干燥器2干燥段202的进风口通过气流管道相连，热泵1的进风口与干燥器2干燥段202的出风口通过气流管道相连。
54.在以上基础上，采用离心风机推动干燥气流经过热泵1的冷凝器102，之后进入干燥器2的干燥段202，经过热泵1的蒸发器103，再返回热泵1冷凝器102，构成气流循环。
55.物料余热回收的热泵干燥设备稳定工作时，稻谷填充了干燥器2的大部分空间，干燥后的稻谷与干燥段202的冷却换热器接触，通过冷却换热器将热量传给余热回收工质；余热回收工质在设计压力下，吸热发生相变，由液态变成气态，气态的工质自然向上进入预热换热器，预热换热器与刚进入干燥器2的稻谷接触，由于预热换热器的温度高于刚进入干燥器2的稻谷，因此可以将热量传给未被干燥的稻谷；余热回收工质放热后发生相变，在预热换热器中由气态变为液态，自然向下流回冷却换热器，进行再循环。通过上述方法，利用干燥后稻谷的余热预热了新进入干燥器2的稻谷，实现了能量的回收，有利于热泵干燥设备节能和稳定运行。
56.实施例二
57.本实施例二和实施例一不同的地方在于，预热换热器和冷却换热器之间由碳钢管路连接构成环路，且在管路中有一制冷剂泵。制冷剂泵可以输送制冷剂，强制使制冷剂在冷却换热器、预热换热器、管路构成的封闭空间内循环流动，这样能够使热量交换的速率更高。
58.这种情况下，可以适当降低预热回收工质的热力学性能要求，如工质可以由r22替换成水(需要做一定的处理，以便和换热器和管路材质匹配)；也可以适当降低封闭空间的低压水平，如由实施例一中的0.5mpa左右升高至常压。
59.实施例三
60.本实施例三和实施例一以及实施例二不同之处在于，干燥器2中预热段201、干燥段202和冷却段203不是由上到下依次排列的，而是水平或者以介于水平和垂直之间的角度依次排列的。这种情况，物料不能靠重力自然下落，需要有输送装置使物料进行空间位置的转移，物料经过干燥器2部分的顺序不变，且在预热段201中也必须经过预热换热器、在冷却段203中也必须经过冷却换热器。
61.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。