一种阶梯式局部风量优化重整的热泵烘干系统的制作方法

本发明涉及一种热泵烘干系统，尤其是涉及一种阶梯式局部风量优化重整的热泵烘干系统。

背景技术：

1、工业烘干广泛应用于食品加工、医药制造、纺织印染、造纸印刷等行业，对提高产品质量和生产效率具有重要意义。然而传统的燃气、电加热烘干能耗高昂，不仅增加企业运营成本，也带来环境污染。采用热泵技术进行工业烘干，可以显著提高能效，降低能耗，是实现烘干节能减排的有效手段。

2、闭式热泵烘干系统常采用循环风机带动烘干空气经过系统各部件。系统首先利用蒸发器对烘干空气进行降温除湿，空气中的潜热被提取出来驱动热泵循环，然后空气流经冷凝器被再热至一定出口温度，继续用于物料烘干。

3、当需要的除湿量较大时，意味着热泵循环的蒸发温度会更低，同时回收的热量增加，循环冷凝温度随之提升，也即循环的压比增加。此时可以考虑通过引入梯级吸排的形式来改进循环能效。也即嵌套式设置多级蒸发温度和冷凝温度，降低各级的压比，提升各级循环的效率，从而提升整体能效。

4、上述的梯级结构尽管提升了热泵循环本身的能效，但对于如何优化制冷剂和空气侧的换热没有加以考虑。烘干热泵更关心的目标是除湿，因此用于制冷剂-空气换热的蒸发器的除湿效率就至关重要。对于蒸发器而言，其存在使得除湿量最大的最优风量；同时该最优风量还受到进风状态的显著影响。因此，一方面，流经蒸发器的风量和冷凝器的风量需要进行解耦，蒸发器需要适配使得除湿量最大的最优风量，冷凝侧则需要平衡换热和流阻来确定使总功耗最小的最优风量，且冷凝器适合的风量往往较蒸发侧更高；更重要的，另一方面，由于引入梯级吸排的循环形式，为实现梯级蒸发温度以提升能效，各级循环的蒸发器侧的空气为串联形式，这意味着进入到各级蒸发器的空气状态并不相同，也即其各自对应的最优除湿风量并不同，需要分别匹配和优化。上述缺陷在目前的技术并未加以关注，自然也未给出解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种阶梯式局部风量优化重整的热泵烘干系统，采用梯级吸排形式将各个制冷剂循环的压比分配在合适的范围，梯级吸排的蒸发器构成不同的蒸发温度，将其分配在进风分流的小流量支路中，可以充分实现蒸发器的梯级降温除湿，避免大风量流经蒸发器降温却不除湿的问题；梯级吸排的冷凝器放置在大风量的主路中，保证冷凝散热的效率，同时形成梯级冷凝温度和空气侧升温过程形成更好的匹配，降低换热不可逆损失。还采用多级风阀的开闭实现各制冷剂循环中蒸发器风量的解耦，以匹配各自的最优除湿风量。

2、本发明的构思是出于申请人对热泵烘干系统的以下认知：热泵烘干系统内制冷剂-空气换热器的最优换热效率同时涉及到两部分因素，既和用于换热的空气的流量大小有关，又和换热空气的温度水平(或者说是换热空气和制冷剂间的温差)有关。尤其是用于使空气降温除湿的蒸发器，存在最优风量，该风量能使得换热器产生最高的除湿量(这是因为当流经的风量过大，换热器内换热将以温度变化的显热为主，涉及除湿的潜热占比会大幅减少；若流经的风量过小，则可用于除去的含湿量也很少，同时制冷剂温度被压低，循环性能衰减，都导致除湿量的减少)；但是最优风量受到进口空气状态的显著影响。当使用制冷剂侧并联-空气侧串联的梯级吸气结构形式后，虽然有助于平衡两个制冷剂循环的压比、使各自都运行在较高的循环效率，但入口空气的状态显然不同，后面制冷剂循环流路蒸发器入口的空气状态会受到前面制冷剂循环流路蒸发器出口空气状态的影响。因此适合不同制冷剂循环流路的蒸发器的最优风量不同，需要创新的发明结构加以调整。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

4、本发明提供一种阶梯式局部风量优化重整的热泵烘干系统，所述热泵烘干系统包括并联的第1至n级制冷剂循环流路，每级所述制冷剂循环流路包括依次连接的压缩机、冷凝器的制冷剂流路、过冷器的制冷剂流路、节流元件、蒸发器的制冷剂流路；

5、所述热泵烘干系统还包括空气流路，所述空气流路包括第一空气支路和第二空气支路；

6、所述第一空气支路包括依次连接的进风口、各级蒸发器的空气流路、各级过冷器的空气流路；

7、所述第二空气支路包括依次连接的进风口、各级冷凝器的空气流路，所述第一空气支路的末端与所述第二空气支路连接，且连接点位于进风口与冷凝器的空气流路之间。

8、进一步地，第一空气支路中，各级蒸发器的空气流路上还并联有风阀，通过多级风阀的开闭实现各制冷剂循环中蒸发器风量的解耦，以匹配各自的最优除湿风量。

9、进一步地，n的取值为≥2。

10、进一步地，n的取值为2。

11、进一步地，进风分出的支路依次换热式流经第一制冷剂循环流路的蒸发器、第二制冷剂循环流路的蒸发器、第二制冷剂循环流路的过冷器、第一制冷剂循环流路的过冷器，在第一制冷剂循环流路过冷器出口合并的空气流路依次换热式流经第二制冷剂循环流路的冷凝器和第一制冷剂循环流路的冷凝器。

12、进一步地，在所述热泵烘干系统的空气侧：所述进风一分为二，其中一部分直接旁通到第一制冷剂循环流路的过冷器出口，另一部分则依次流经第一制冷剂循环流路的蒸发器被降温并初步除湿，进而流经第二制冷剂循环流路的蒸发器被深度除湿，此后通过第二制冷剂循环流路的过冷器和第一制冷剂循环流路的过冷器逐级预热；

13、从过冷器出来的空气与另一支路旁通的空气混合，混合后的空气再依次流经第二制冷剂循环流路的冷凝器和第一制冷剂循环流路的冷凝器被进一步加热。

14、进一步地，在制冷剂循环流路侧：蒸发器中低温低压的两相态制冷剂从流经的支路空气中吸热蒸发成过热气体，被压缩机吸入后压缩为高温高压的制冷剂气体，此后流经冷凝器向通道内的空气散热，出口制冷剂液化，再经过过冷器同流经的低温空气换热，转变为进一步过冷的制冷剂液体，该制冷剂液体随后经节流元件节流，重新转变为低温低压的两相制冷剂，回到蒸发器中，重复制冷剂流路的循环。

15、进一步地，热泵烘干系统包括以下工作模式：

16、第一工作模式：同第一制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀和同第二制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀均关闭，此时没有空气从蒸发器旁的支路流动；

17、第二工作模式：同第一制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀开启，同第二制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀关闭，此时将完全流经蒸发器的空气也将一分为二，一部分继续流经第一制冷剂循环流路的蒸发器，另一部分则直接旁通到第一制冷剂循环流路的蒸发器后，与初步除湿后的空气混合，然后二者再一同流经第二制冷剂循环流路的蒸发器。采取这种模式，第二制冷剂循环流路的蒸发器较第一制冷剂循环流路的蒸发器有更大的空气流量，但入口空气状态会被混合到更不饱和的状态。

18、进一步地，热泵烘干系统还包括第三工作模式：

19、同第一制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀关闭，同第二制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀开启，此时从进风分流出来的支路空气完全流经第一制冷剂循环流路的蒸发器，从第一制冷剂循环流路的蒸发器出来的空气一分为二，其中一部分流经第二制冷剂循环流路的蒸发器深度除湿，另一部分直接旁通，两部分空气在第二制冷剂循环流路的蒸发器后混合。采取这种模式，第一制冷剂循环流路的蒸发器较第二制冷剂循环流路的蒸发器有更大的空气流量，并保持第二制冷剂循环流路蒸发器入口的状态与第一制冷剂循环流路蒸发器出口一致。第一制冷剂循环流路蒸发器产生的部分冷量被用于降低第二制冷剂循环流路过冷器进口的空气温度。

20、进一步地，热泵烘干系统还包括第四工作模式：

21、同第一制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀和同第二制冷剂循环流路蒸发器并联的风阀均开启，此时部分空气直接旁通到第二制冷剂循环流路过冷器的入口，与第二制冷剂循环流路蒸发器出口的空气混合。使得流经过冷器的空气温度升高，但流量增加。

22、本发明中阶梯式局部风量优化重整的热泵烘干系统，在实际运行中调节所述风阀的开闭及开度，实现第一和第二制冷剂循环流路中蒸发器所流经风量的解耦，使二者都能匹配在使除湿量最大的最优风量，从而提升循环性能。

23、本发明中阶梯式局部风量优化重整的热泵烘干系统，和现有技术相比，具有以下有益效果：

24、①采用风量旁通的混风形式实现蒸发侧和冷凝侧风量的解耦，采用梯级吸排形式将各个制冷剂循环的压比分配在合适的范围，同时对以上两种措施实现了良好的有机结合。梯级吸排的蒸发器构成不同的蒸发温度，将其分配在进风分流的小流量支路中，可以充分实现蒸发器的梯级降温除湿，避免大风量流经蒸发器降温却不除湿的问题；梯级吸排的冷凝器放置在大风量的主路中，保证冷凝散热的效率，同时形成梯级冷凝温度和空气侧升温过程形成更好的匹配，降低换热不可逆损失。

25、②制冷剂侧梯级吸排循环和空气侧混风形式的结合中，还设置有梯级过冷形式，一方面使得不同制冷剂循环可以匹配所需最优过冷度，更大的过冷度有助于增加蒸发器的换热量及除湿量；另一方面对原本蒸发器出口的低温空气进行了充分的冷量回收，将其用于提升循环性能，否则这部分冷量将在和另一路旁通的空气混合中损失掉。

26、③充分考虑冷却除湿用蒸发器存在的使除湿量最大或除湿能效最高的最优风量，且该最优风量受到进风状态的显著影响，设置串并联支路及风阀用于最优风量的优化重整。实际运行中允许按多种模式分别变化不同制冷剂循环中蒸发器流经的风量，以实现各级蒸发器风量的解耦，适配各自的最优风量，达到系统的最佳性能。