专利名称：二元流体喷射器除湿系统及其利用方法
技术领域：
本发明的实施例涉及借助热能及质量输送来将材料干燥。本发明的实施例明确地说涉及使用低级及/或低温输入热能(例如由烟道气体、发动机排气、太阳辐射、工艺废热或地热源产生的热能)来实现此干燥以及使用所述低级及/或低温输入热能作为用于机器自身的操作的动能。本发明的实施例进一步涉及捕获、再循环及再使用由从材料蒸发的液体吸收的相变能量作为用于蒸发过程自身的能源。
背景技术：
在制造业、工业及农业工艺中对许多混合相材料进行热干燥。这些材料的预干燥本质介于从包括在很大程度上由固体的粒子大小及液固含量比率控制的流变连续体的液体、浆液、泥浆、膏糊到含有大致较低液体部分的材料(其仅被视为潮湿)的范围内。前一广范范围的材料的实例包含牛奶、咖啡、茶及所述连续体的液体端上的其它产品到大量采矿及矿生产废物，例如油砂尾渣、煤炭细浆液、磷酸盐矿尾渣及大量其它废浆液，包含来自采矿、钻孔及制造过程(例如，纸浆生产)的泥浆及膏糊。后一范围的所谓潮湿材料的实例包含几乎每种所收获的农作物，从马铃薯到花生，包含小麦、玉米、水稻、黄豆、豌豆、扁豆、豆荚、种子等等。几乎每种类型的种植食物从其收获的时间到其最终使用均至少一次地被干燥。被干燥的潮湿商业及工业产品包含如水泥、木片、城市人类及农场动物排泄物、动物饲料(例如，干草及苜蓿)、碎石及沙子以及许多陶瓷材料(例如，砖块、瓦片及混凝土砌块)等的材料。出于热或蒸发干燥的目的，本发明的实施例可有效地适用于这些材料中的任一者。与需要热干燥的大量且多种多样的类型的材料及产品一致，存在大量的干燥机器类型。可根据多种不同的准则来将这些多种多样的热或蒸发干燥机器、系统及方法归类或分类。举例来说，参考热转移流体(通常为空气)的流动方向(相对于正被干燥的材料的流动方向)，通常将蒸发干燥器分类为交叉流动或反向流动。参考如何经由干燥器管理正被干燥的材料的方法，材料处置分类包含连续板料馈送(纸、纺织品等)、喷雾、滚筒、流化床、螺旋输送机、箱、分批等等。对热干燥器进行分类或归类的又一基础是依据热源及/或施加蒸发所需要的热的方法。这些机器类型包含自然空气(即，周围空气)；燃烧燃料经加热空气(目前为止最大的群组)；直接及间接太阳辐射；电阻加热；微波、红外线、电感或电介质加热；热泵干燥以及蒸气再压缩蒸发。根据所采用的压缩类型(例如，活塞或螺栓压缩机、压缩涡轮、风扇或鼓风机)，还通常对热泵、真空泵、蒸气压缩及再压缩蒸发类型干燥器进行分类。又一些分类与干燥发生所处的温度及/或压力条件有关，例如所谓的真空及低温干燥。无论这些区分如何，现有技术的所述机器、系统及方法通过蒸发干燥物理学规划为根本上由所有所述机器、系统及方法共有的热动力循环限定的单个群组。本发明的实施例所教示的一个方面是一种唯一热动力循环，所属领域的技术人员将容易地了解其优点。热动力循环(为蒸发干燥器所共有)的通常特征可在于由热源、热交换过程及散热片组成。所述热源为蒸发提供能量；所述热交换向正被干燥的材料递送能量；且所述散热片吸收或以其它方式耗尽热能。系统还必须具有用以分离及移除从正被干燥的材料蒸发的气体或蒸气的质量输送构件。与所述热交换过程相关的有三种典型蒸发干燥方法(其通过热转移流体及其质量流回路加以区别)1)直接接触经加热空气蒸发；2)直接接触热泵蒸发；及3)间接接触蒸气再压缩蒸发(也称为蒸气压缩蒸发)。方法I)及2)采用热转移流体(通常为空气)，使所述热转移流体与正被干燥的材料的直接接触接触，因此得出命名“直接接触”。方法3)采用从正被干燥的材料蒸发的气体及/或蒸气作为热转移流体。借助热交换器与正被干燥的材料进行热交换，因此得出命名“间接接触”热转移。 目前为止，直接接触经加热空气蒸发是最常见的类型的蒸发干燥。此些方法、过程、机器及系统采用热转移流体(通常为空气)，使所述热转移流体与正被干燥的材料直接接触。首先将热转移流体加热，循环穿过、跨越或围绕正被干燥的材料，因此转移热量且使液体蒸发。通常将含水的热转移流体排放到大气(在一些设计中，经由燃烧器或加热器使含水的转移流体的一部分再循环)。加热热转移流体的方法并不重要，但燃烧燃料(例如，丙烷)是众所周知的。在一些情况下，借助红外线、微波或电感加热直接加热正被干燥的材料。这些类型的系统通常称为热空气或经加热空气干燥器，且被贯穿商业、工业、制药及农业干燥应用的整个范围采用。本发明的实施例尤其适合于上文所提及应用中的任一者且可替代任何此种传统干燥器，其具有包括较少移动部件、较高能量效率及较低碳足迹(carbonfootprint)(即，就大气碳产生来说对环境影响较小)的系统。与热转移流体或其质量流回路相关的第二种方法是直接接触热泵蒸发。在此情形下，使热转移流体与正被干燥的材料(再次通常为空气)直接接触，但所述流体并非通过燃烧燃料或通过其它方式而加热，也不将其排放到大气；替代地，经由制冷循环使其再循环。通过风扇或鼓风机从正被干燥的材料排放暖湿热转移流体，且接着使其流动穿过制冷热交换器(有时为制冷系统自身的蒸发器)。使所述热转移流体的温度下降到低于所蒸发气体或蒸气的露点，因此其冷凝。分离及抽取通常通过重力流实现。接着，使冷干热转移流体流动穿过高温热交换器(再次，有时为制冷系统自身的冷凝器)。在所述高温热交换器处将所述干热转移流体加热且接着使其流动回到正被干燥的材料以完成所述回路。此类型的系统对有限量的应用来说具有成本效益，例如需要低温干燥的那些应用、热敏感药物及一些高性能陶瓷。本发明的实施例尤其适合于上文所提及应用中的任一者且可替代任何此种传统干燥器，其具有包括较少移动部件、较高能量效率及较低碳足迹(即，就大气碳产生来说对环境影响较小)的系统。具有共有热动力循环但通过其热转移流体或其质量流回路加以区分的第三种蒸发干燥方法是机械蒸气再压缩蒸发。在此情形下，经由热交换器向正被干燥的材料递送用于蒸发的能量，所述热交换器将所述材料与所述热转移流体物理隔离；因此得出命名“间接接触”热转移。此外，所采用的热转移流体为从正被干燥的材料蒸发的的气体或蒸气。机械压缩机使跨越正被干燥的材料的压力下降到低于正蒸发的液体的蒸气压力。递送并压缩所蒸发气体及蒸气且接着使其流动穿过热交换器的冷凝侧。随着气体及蒸气冷凝，经由热交换器的壁向正被干燥的材料转移用于蒸发的热能。因此，热交换器在一侧上使所蒸发气体冷凝且在另一侧上使所讨论液体沸腾或蒸发。尽管采用机械蒸气压缩蒸发的干燥器比其它干燥方法更具有能量效率的事实，但由于高资金成本、高系统复杂性及对以网电形式的高级输入能量的需要，因此其并未广泛使用。相反，本发明的实施例的能量效率等于或大于这些常规系统及方法，同时具有较低资金成本、较少移动部件及较低系统复杂性以及由低级输入能量供电的能力。针对至少以下干燥、除湿或浓缩(增稠)应用，本发明的实施例提供优于常规干燥方法及系统的某些优点1)收获后的食物，例如谷物、黄豆、豆荚、块茎、根、种子、坚果等；2)其它食物，例如茶叶、咖啡豆、浆果类、水果及蔬菜；3)预加工的食物，例如面粉、玉米粉等；4)动物饲料，例如干草、苜蓿、大豆、三叶草、草类等；5)采矿及钻孔废尾渣浆液、泥浆及膏糊；6)矿物抽取及生产废浆液、泥浆及膏糊；7)农场动物废泥浆及污泥；8)城市人类废泥浆及污泥；9)木材或下料木(cut wood) ；10)纸浆、纸、木片、纺织品及其它纤维；11)生产瓦块、砖块、瓷器及其它陶瓷或耐火产品；12)药物。
发明内容
本发明的实施例涉及出于将材料热干燥的目的而在采用新的且迄今为止未利用的操作原理的唯一热动力双循环(bi-cycle)中配置的二元流体喷射器压缩及流体质量输送。二元流体喷射器是使用在空间域中振荡的高压一次流体喷雾器作为用以夹带、混合、压缩及输送充当用于蒸发过程自身的制冷剂及热能源两者的低压二次流体的构件的气相直接能量转移泵。传统热蒸发干燥过程、方法、机器及系统通常借助以下各项而发挥作用共有热动力循环，其特征在于为蒸发提供能量的热源；热交换过程，其向正被干燥的材料递送此能量；及对热量进行散热片吸收或以其它方式安置。在所有情形下，出于热转移(即，“直接接触”及“间接接触”热转移)的目的而采用两种质量流技术中的一者。直接接触热转移意指使热转移流体与正被干燥的材料直接紧密接触作为为蒸发供应能量的手段。间接接触热转移意指通过热交换器来将热转移流体与正被干燥的材料隔离借此经由所述热交换器的壁转移用于蒸发的能量。在任一情形下，负责蒸发的热循环是相同的。相反，本发明的实施例出于热蒸发干燥的目的而利用一种热动力双循环技术。替代一个热循环，本发明的实施例采用两个热动力循环，包含与蒸发干燥的热动力学一致的一个循环及与二元流体喷射器制冷循环的热动力学一致的另一循环。所述两个热循环通过由二元流体喷射器均衡的质量流回路而紧密地接合。所属领域的技术人员将通过本文中所呈现的描述及图式了解本发明的实施例的新颖设计。借助一种根据本发明的实施例的使用方法，类似于直接接触热泵蒸发系统地配置一种系统，其中将经加热空气或另一适合的热转移流体循环跨越、围绕或穿过待被干燥的材料。接着，使含水的热转移流体流动穿过第一热交换器且通过二元流体喷射器制冷循环的动作将其冷却。所述第一热交换器可为所述喷射器制冷循环的蒸发器。热交换器吸收热能，因此将热转移流体冷却且将从其蒸发的气体及蒸气冷凝。接着，借助重力排出或泵从系统移除液体部分或冷凝物。接着，通过风扇或鼓风机将冷干热转移流体递送到第二热交换器，在第二热交换器处将所述流体加热并返回到正被干燥的材料，借此为蒸发提供热能并 完成循环。所述第二热交换器可为所述喷射器制冷循环的冷凝器。出于本发明的目的，参考其中出于热转移及蒸发的目的而使热转移流体与正被干燥的材料紧密接触的条件，将此使用方法称为“直接接触” 二元流体喷射器除湿。借助一种根据本发明的实施例的第二使用方法，类似于间接接触蒸气再压缩蒸发系统地配置一种系统，其中从正被干燥的材料蒸发的气体及蒸气由二元流体喷射器摄取，借此成为工作二元流体的二次流体成分。借助将正被干燥的材料与热转移流体隔离的热交换器实现到所述干燥材料的热转移，在此情形下，所述热转移流体为从所述正被干燥的材料蒸发的流体。本发明的实施例的二元流体喷射器使跨越正被干燥的材料的压力下降到低于所讨论液体的蒸气压力，因此致使低温、低压蒸发。所蒸发气体由所述二元流体喷射器摄取、夹带、混合、压缩及输送，且接着递送回到所述热交换器。所述经压缩气体由喷射器绝热地加热，并且借助与高压高温一次驱动流体混合而加热到高于正被干燥的材料的温度。经由热交换器的壁转移显热及相变热两者，借此为蒸发提供热能。由于经由热交换器的壁转移所蒸发气体及蒸气的相变焓，因此其与一次驱动流体一起冷凝成液相。因此，热交换器的一侧用作冷凝器，而另一侧用作蒸发器。接着，将二元流体冷凝物分馏并分离。从系统重力排出或抽运二次流体冷凝物而将一次驱动流体冷凝物返回到锅炉以供再使用驱动喷射器，因此完成循环。出于本发明的目的，参考其中将热转移流体与正被干燥的材料物理隔离且经由起到蒸发器与冷凝器的双重作用的热交换器的壁发生热转移的条件，将此使用方法称为“间接接触” 二元流体喷射器除湿。如将在以下图式及详细描述中证明，所述使用方法两者(即，直接接触二元流体喷射器除湿与间接接触二元流体喷射器除湿)均包括相同的热动力循环，因为其涉及液体从材料的热蒸发。虽然两种使用方法均包括借助二元流体喷射器制冷的热蒸发干燥，但所述直接接触方法在接近零压差下进行，而所述间接接触方法在稍微升高的压差下进行。在此上下文中压差指代蒸发环境对冷凝环境(即，正在干燥器中干燥的材料上的压力对正在冷凝器中冷凝的所讨论蒸发物上的压力)之间的压力差。所述直接接触使用方法采用与从正被干燥的材料蒸发的气体及/或蒸气(通常为空气)分离且与所述气体及/或蒸气不同的热转移流体，而所述间接接触方法采用从正被干燥的材料蒸发的气体及/或蒸气作为热转移流体。依据以下详细描述、图式及权利要求书，本发明的其它变化形式、实施例及特征将变得显而易见。
图I. a到I. c分别图解说明描绘用于直接接触经加热空气、直接接触热泵及间接接触机械蒸气再压缩蒸发干燥方法的热转移流体回路的现有技术蒸发干燥系统；图2. a及2. b分别图解说明描绘现有技术的直接接触经加热空气及直接接触热泵蒸发干燥过程以及间接接触蒸气压缩蒸发干燥过程共有的热动力循环的温度对熵图示(T-s)；图3图解说明根据本发明的实施例的二元流体喷射器除湿系统(直接接触)；图4图解说明根据本发明的实施例的二元流体喷射器除湿系统(间接接触)'及图5. a及5. b图解说明根据本发明的实施例的与二元流体喷射器除湿系统相关联的熵/温度图示。
具体实施方式
出于促进对根据本发明的实施例的原理的理解的目的，现在将参考图式中所图解说明的实施例且将使用特定语言来描述所述实施例。然而，将理解并不打算借此限制本发明的范围。对本文中所图解说明的发明性特征的任何更改及进一步修改(所属领域的技术人员及已掌握本发明的人员通常将构想出所述更改及进一步修改)将被视为属于所主张的本发明的范围内。图I. a、I. b及I. c描绘现有技术所教示的用于直接接触经加热空气、直接接触热泵及间接接触机械蒸气再压缩蒸发干燥方法的热转移流体回路。在图I. a及I. b中将空气展示为热转移流体，然而任何流体可起到此作用。用于图I. c中所描绘的回路的热转移借助起到蒸发器与冷凝器的双重作用的热交换器而间接地实现。在此情形下，热转移流体为所讨论蒸发物自身。箭头指示流体流动的方向及次序。展示这三种热蒸发干燥方法以帮助理解本发明的实施例。
图I. a是直接接触经加热空气蒸发干燥系统100的简化质量流图示。通过风扇或其它适合的装置106将周围空气110汲取到系统中且接着递送到燃烧器或其它类型的加热器104。加热热转移流体的方法对此测验来说并不重要。在加热器104中将周围空气110加热且接着递送到干燥器102，在干燥器102中使所述周围空气与正被干燥的材料直接接触。使用来自加热器104的暖干空气113作为能源用于使所讨论液体从正被干燥的材料蒸发。通常，将退出干燥器102的暖湿空气111排泄到大气112，但在一些情形下，经由加热器104将退出干燥器102的暖湿空气111的一部分再循环(未展示)。下文论述参考编号“1-2-3-4” 108。图I. b是直接接触热泵蒸发干燥系统114的简化质量流图示。通过风扇或其它适合的装置116将来自冷式热交换器118的冷干空气115递送到热式热交换器122。在热式热交换器122中将冷干空气115加热且接着作为暖干空气117递送到干燥器120。热式热交换器122可为热泵的冷凝器或三级热交换器。未展示热泵回路。使经加热干空气117与正在干燥器120中干燥的材料直接接触，此供应使所讨论液体蒸发所需要的能量。下文论述参考编号“1-2-3-4” 124。暖湿空气119退出干燥器120且被递送到冷式热交换器118。冷式热交换器118可为热泵的蒸发器或三级热交换器。未展示热泵回路。下文论述参考编号“V -5-6-7”126。通过风扇116绝热地压缩暖湿空气119从而产生经压缩蒸发物127。通过冷式热交换器118使来自风扇116的经压缩蒸发物127冷却到低于露点的温度，因此所讨论蒸发物冷凝成液相且作为冷凝物125从系统排出或抽运(未展示)。下文论述参考编号 “7” 125。图I. c是间接接触蒸气再压缩蒸发干燥系统128的简化质量流图示。鼓风机、压缩机或其它适合的装置130使跨越正在干燥器132中干燥的材料的气体压力下降到低于所讨论被蒸发的液体的蒸气压力。下文论述参考编号“1-2_3-4”134。由压缩机或其它适合的装置130压缩退出干燥器132的暖湿蒸发物133且递送到热交换器140。下文论述参考编号“4, -5-6-7” 136。绝热压缩及废热吸收使经压缩蒸发物131的温度上升到高于退出干燥器132的暖湿蒸发物133的温度。通过热交换器140的一个或一个以上壁将经压缩蒸发物131与正在干燥器132中干燥的材料隔离；例如，浸入于正被干燥的浆液中的热转移线圈。将热能从经压缩蒸发物131转移到正在干燥器132中干燥的材料，因此供应所讨论液体的蒸发所需要的能量。所述蒸发物又通过蒸发的所讨论液体而冷却，且借此冷凝回到液相138。热交换器140起到冷凝器与蒸发器的双重作用。通过重力排出138或泵(未展示)从系统移除此液体冷凝物138。下文论述参考编号“7” 138。
在本发明的实施例的上下文中，应理解关于图l.a、l.b及l.c中所呈现的与系统所采用的热转移流体与从正被干燥的材料蒸发的气体及/或蒸气之间的关系有关的三种蒸发干燥方法的重要区别。针对图I. a及I. b中分别描绘的直接接触经加热空气100及直接接触热泵114蒸发干燥，通过将热转移流体循环跨越、围绕或穿过正被干燥的材料而使所述热转移流体与所述材料直接接触。因此，热交换因接触的本质而为紧密的。热转移流体(在此实例中为空气)不仅递送使所讨论液体蒸发所需要的能量，其还负责输送所蒸发气体及/或蒸气远离正被干燥的材料。相反，图I. c中所描绘的间接接触蒸气再压缩蒸发干燥128使用从所讨论液体蒸发的气体及/或蒸气作为热转移流体131、133。然而，尽管采用蒸发物自身作为热转移流体(在此实例中为气相水)的事实，但未使其与正被干燥的材料直接接触。替代地，通过热交换器140将热转移流体131、133与正被干燥的材料隔离，如图I. c中所示。因此，热转移并不紧密，而是经由放置于正被干燥的材料下方、紧靠所述材料或所述材料内的热交换器的一个或一个以上壁而为间接的。尽管有此区别，但在所有三种情形下蒸发热动力循环是等同的，如图2. a及2. b中所证明。针对以下论述主体，标号“T-s”等于s在T上的函数，s⑴，其中^=A
A ，
是界定所考虑热值的范围的集合，T是以开尔文度为单位的温度，勿，且Cp是恒压下的比热。图2. a是水在相对恒压下蒸发且接着冷凝的定性温度T对熵s (Ts)图示200。T-S历程200描绘在分别参考图I. a及I. b的直接接触经加热空气及直接接触热泵蒸发干燥过程中液体的蒸发的热动力循环。在此实例中，将水描绘为从正被干燥的材料蒸发的所讨论流体，但任何所讨论流体将呈现类似热动力循环。在本发明的上下文中，理解图2. a中所示的T-s历程200是蒸发的所讨论液体而非热转移流体且并非机械热泵或其它制冷循环所使用的制冷剂的T-s历程是重要的。图示200的横坐标表示增加的熵S，而纵坐标指示增加的温度T。出于清晰的原因已省略等压线。液相状态在饱和液体线202左边且气相状态在饱和蒸气线204右边。注意，由以下编号将T-s历程200分界1、2、3、4、4'、5、6及7。沿T-s历程200的分界1-2-3-4通常涵盖蒸发过程。沿T-s历程200的分界4' -5-6-7通常涵盖冷凝过程。沿所述T-s历程的点I及点7处的分界描绘过冷液相状态。点4及点4,处的分界描绘过热气相状态。针对以下论述，图2. a中所示的分界编号I到7可与图I. a及I. b中的分界编号I到7相关。以此方式，如图2. a中所示的所讨论液体的蒸发及冷凝的热动力T-s循环可定位地追S示于图I. a及I. b中的流程图中。参考图2. a,将处于某一初始温度及能量I的水等压地加热到其饱和液体温度2。举例来说，此发生在图I. a的干燥器102及图I. b的干燥器124中。进一步加热致使从饱和液体2到饱和蒸气3的等温相变。此蒸发过程也是等压的。继续加热导致一定程度的过热，如从3到4的T-s历程所示。在此上下文中，过热意指使所蒸发蒸气的温度上升到略微高于其饱和蒸气温度3。在实践中通常需要此条件来作为防止在机器部件及递送管道上发生冷凝的手段。针对一些传统蒸发干燥方法(例如，经加热空气蒸发)，在实现T-s条件4之后从干燥器排放气相蒸发物。举例来说，此将为离开图I. a中的干燥器102的暖湿空气111。针对其它传统蒸发干燥方法(例如，热泵)，将所述蒸发物冷凝回到液相来作为捕获及再使用其相变能量的一小部分的手段。如此进行是为了改进干燥的能量效率超出单程经加热空气系统的能量效率。仍参考图2. a,所述T-s历程V -5-6-7通常涵盖冷凝循环。注意图I. b中的对应编号126。分界点4'解释通过图Ib的风扇或鼓风机116实现的等熵压缩(可逆绝热的)。在冷式热交换器118中将过热气体蒸发物4'等压地冷却到其饱和蒸气点5。在118中进一步冷却使所述气体蒸发物冷凝，由从饱和蒸气5到饱和液体6的等温线指示。此冷凝过程也是等压的。在118中继续冷却使饱和液体6过冷到分界点7处所示的某一较低温度及熵。举例来说，在热动力循环中，此点与图I. b中的“7” 125相关。图2. a中所示的冷凝T-s历程4' — 7对直接接触经加热空气蒸发干燥100 (图I. a)来说是有效的；然而，其是在所述干燥系统外部的大气中完成的。注意在蒸发210期间阴影箭头209 (通常四个地方)所指示的来自热源T2208的热流的方向对在冷凝212期间到散热片 \206的热流箭头209。在图2. a中，为了清晰，已放大等温蒸发2 —3 210与等温冷凝5 — 6 212之间的温 度分离。为了简化T-s图示，未描绘多变过程，例如由于摩擦所致的熵改变、非绝热压缩及膨胀以及其它不可逆能量过程。图2. b是水在相对不同压力下蒸发且接着冷凝的定性温度T对熵S(T-S)图示220。此T-s历程220描绘在参考图I. c的间接接触蒸气再压缩蒸发干燥过程中液体蒸发及冷凝的热动力循环。在此实例中，将水描绘为从正被干燥的材料蒸发的所讨论流体，但任何所讨论流体将呈现类似热动力循环。在本发明的上下文中，理解T-s历程220为蒸发的所讨论液体的T-s历程是重要的。还应理解，针对蒸气再压缩蒸发干燥，从正被干燥的材料蒸发的一种/ 一种以上气体及/或蒸气为热转移流体。针对图2. a所引用的告诫对图2. b来说是有效的且适用于图2. b。针对以下论述，图2. b中所示的分界编号I到7可与图I. c中的分界编号I到7相关。以此方式，图2. b中所示的所讨论液体的蒸发及冷凝的热动力T-s循环可定位地追踪于图I. c中的流程图中。参考图2. b，将处于某一初始温度及能量I的水等压地加热到其饱和液体温度2。举例来说，此发生在图I. c的干燥器132中。在132中进一步加热致使从饱和液体2到饱和蒸气3的等温相变。此蒸发过程也是等压的。在132中继续加热导致一定程度的过热，如从3到4的T-s历程所示。通过来自压缩机130的压缩的动作来绝热地加热所述流体，因此得出从4到4'的等熵历程。针对此传统蒸发干燥方法(即，蒸气再压缩)，采用气相及/或蒸气相蒸发物作为热转移流体。此外，借助到正被干燥的材料的热转移将所述蒸发物冷凝来作为捕获及再使用在蒸发期间吸收的相变能量的一小部分的手段。在压缩之后，在热交换器140中将所述蒸发物等压地冷却成饱和蒸气相5。在140中进一步冷却导致从饱和蒸气5到饱和液相6的等热相变。继续冷却使6处的饱和液体过冷到分界点7处所示的某一较低温度及熵。注意阴影箭头230所指示的热转移的方向，且在热交换器的一侧上的蒸发物冷凝232排出热能，而热交换器的另一侧上的蒸发物蒸发234吸收热能。在图2. b中，为了清晰，已放大等温蒸发2 — 3 234与等温冷凝5 — 6 232之间的温度分离。为了简化T-s图示，未描绘多变过程，例如由于摩擦所致的熵改变、非绝热压缩及膨胀以及其它不可逆能量过程。
尽管与用于蒸气压缩蒸发干燥的压缩机压缩相比，通过用于热泵蒸发干燥的风扇或鼓风机压缩的绝热加热4 —4'的量小，但T-s循环在其它方面是等同的。在此点处应注意，针对热泵对机械蒸气再压缩蒸发干燥，与各种不可逆能量改变相关联的多变过程在量值及类型(种类)两者上不同；然而，这些不同对本发明的目的来说是无关紧要的。呈现如上文所描述的图I. a到2. b中所描绘的信息的目的是证明直接接触经加热空气、直接接触热泵及间接接触蒸气再压缩蒸发干燥过程相对于蒸发过程自身共享共有热动力循环。在本发明的实施例的上下文中，理解并了解所有热蒸发干燥过程(无论干燥器类别、类型、种类、燃料类型或正被干燥的材料如何)共享此共有热动力循环是重要的。相反，出于热蒸发干燥的目的，二元流体喷射器除湿采用迄今为止未利用的操作原理。所属领域的技术人员将依据以下图式、图示及论述理解并了解这些区别。针对本发明的实施例，一种使用方法涉及如图3中所描绘的直接接触蒸发干燥。流体回路包括耦合到直接接触蒸发干燥循环的二元流体喷射器制冷循环。制冷回路由以下各项构成锅炉300、分级冷凝器305、蒸发器320、二元流体喷射器325 (其为先前在2009年 8月14日提出申请的第12/541，821号美国专利申请案中所揭示的类型，所述专利申请案出于所有的目的而并入本文中)、膨胀阀330及制冷剂泵335。为清晰起见，未展示控制及检修阀及仪器。由标示一次驱动流体340的虚线、标示二元流体345的虚点线及标示二次制冷剂流体322的点线描绘所述回路中的流体流动。箭头描绘流体流动的方向。在此回路中可采用任何适合的二元流体，例如，碳氢化合物一次驱动流体，其与作为二次制冷剂流体的水一起工作。干燥回路由以下各项构成风扇、鼓风机或其它适合的装置315 ;干燥器310 ；冷式热交换器320 (也是用于制冷循环的蒸发器)及热式热交换器305 (也是用于制冷循环的冷凝器)。由实线描绘干燥回路中的流体流动，其中相应地指示冷干空气380、暖干空气350及暖湿空气360。箭头描绘流体流动的方向。所描绘的热转移流体为空气，但可使用任何适合的热转移流体。两个热动力循环(即，二元流体喷射器制冷循环与直接接触蒸发干燥循环)通过冷式热交换器/蒸发器320及热式热交换器/冷凝器305而以热动力方式耦合。两个回路中的工作流体通过两个热交换器320及305而彼此物理隔离。下文更详细地论述标号I到7及a到i。仍参考图3，在Q+302处借助热交换器(例如，锅炉300)向系统输入热能。所述热能可来自任何来源，例如以举例方式但不限于烟道气体、发动机排气、工艺废热、地热能或太阳辐射。还可通过燃烧燃料或利用电力来供应用以驱动系统的热能Q+302。在锅炉300中在高压下使一次驱动流体345气化。接着，在压力下将高压气体递送到二元流体喷射器325，在二元流体喷射器325处，所述高压气体夹带、混合及压缩从蒸发器320放出的二次制冷剂流体322。经由冷式热交换器/蒸发器320由充当在干燥回路中循环的热转移流体365的暖湿空气360供应需要用以使制冷剂流体322蒸发的热能。二元流体喷射器325将一次驱动流体340与制冷剂流体322混合，借此产生二元流体345并将其均衡为蒸发器320压力与锅炉300压力之间的某一压力中间体。在压力下将二元流体345递送到分级冷凝器305，在分级冷凝器305处所述二元流体冷凝成液相且被分离。将一次驱动流体340递送回到锅炉300以供液体泵335再使用。在压力下将二次制冷剂流体322递送回到所述蒸发器以供经由膨胀阀330(也称为节流阀)再使用。经由热式热交换器/冷凝器305转移由冷凝的二元流体345释放的热能且由充当干燥回路的热转移流体的冷干空气380吸收所述热能。由带箭头的实线365描绘所述干燥回路。仍参考图3，通过风扇315将充当蒸发干燥循环的热转移流体的暖干空气350递送到干燥器310，在干燥器310处，使所述暖干空气与正被干燥的材料直接紧密接触。由此暖干空气350供应需要用以使所讨论液体从所述正被干燥的材料蒸发的热能。在蒸发之后，通过风扇315将暖湿空气360递送到冷式热交换器/蒸发器320。经由热交换器320的壁将来自暖湿空气360的热能转移到二次制冷剂流体322且因此使所述暖湿空气冷却。通过风扇315将冷干空气380从冷式热交换器320递送到热式热交换器/冷凝器305。经由热式热交换器305的壁由冷干空气380吸收来自冷凝的二元流体345的热能且因此将所述冷干空气加热。 针对本发明的实施例，另一使用方法涉及如图4中所描绘的间接接触蒸发干燥。流体回路包括耦合到间接接触蒸发干燥循环的二元流体喷射器制冷循环。相对于此使用方法，制冷回路与蒸发干燥回路紧密地连接。所述系统由锅炉400、二元流体喷射器410、干燥器420、分级冷凝器430及泵441构成。为清晰起见，未展示控制及检修阀及仪器。由标示一次驱动流体440的虚线、标示二元流体450的虚点线及标示二次制冷剂流体460的点线描绘所述回路中的流体流动。箭头描绘流体流动的方向。针对此使用方法，来自正被干燥的材料的气相蒸发物充当二次制冷剂流体460 ο在此回路中可采用任何适合的二元流体,例如，碳氢化合物一次驱动流体，其与作为二次制冷剂流体的水一起工作。在Q+401处借助热交换器(称作锅炉400)向系统输入热能。所述热能可来自任何来源，例如以举例方式但不限于烟道气体、发动机排气、工艺废热、地热能或太阳辐射。还可通过燃烧燃料或利用电力来供应用以驱动系统的热能Q+401。在锅炉400中在高压下使一次驱动流体440气化。接着，在压力下将高压气体440递送到二元流体喷射器410，在二元流体喷射器410处，所述高压气体夹带、混合及压缩从干燥器420放出的二次制冷剂流体460。二次制冷剂流体460为从来自正被干燥的材料的所讨论液体蒸发的气体及/或蒸气。经由分级冷凝器430由在其中冷凝的二元流体450供应需要用以使所讨论液体从所述正被干燥的材料蒸发的热能。在系统中的此点处(即，冷凝器430的一个或一个以上壁及正被干燥的材料)，通过冷凝器热交换器430的所述一个或一个以上壁将蒸发的所讨论液体与冷凝的二元流体430物理分离。在分级冷凝器430内，将二元流体450分离成其两个流体成分。将一次驱动流体成分440递送回到锅炉400以供泵441再使用。分离之后的二元流体430的剩余部分为来自从正被干燥的材料蒸发的液体的馏出物，将所述馏出物从系统470排出或抽运(未展示)。图5. a是水在相对恒压下蒸发且接着冷凝的定性温度T对熵s (Ts)图示500，其与二元流体喷射器制冷循环所采用的二元流体及经分离成分的热动力T-s历程耦合。T-s历程500描绘参考图3的在本文中称为直接接触蒸发干燥的本发明的实施例的一种使用方法的热动力循环。在此实例中，将水描绘为从正被干燥的材料蒸发的所讨论流体，但任何所讨论流体将呈现类似热动力循环。图示500的横坐标表示增加的熵S，而纵坐标指示增加的温度T。为了使图示更容易说明，已省略等压线。液相状态在饱和液体线502的左边且气相状态在饱和蒸气线504的右边。注意，由编号I到7将T-s历程500分界，所述编号与标示从正被干燥的材料蒸发的所讨论液体的热循环的实线及箭头相关联。沿此历程的分界1-2-3-4通常涵盖所讨论液体的蒸发过程。沿相同历程的分界4' -5-6-7通常涵盖所讨论液体的冷凝过程。还要注意，由字母a到i将T-s历程分界，所述字母与标示二元流体及经分离流体成分的热循环的带箭头的虚线、虚点线及点线相关联。针对以下论述，图5. a中的分界编号I到7及字母a到i可与图3中的流程图上的类似编号及字母相关。以此方式，表示一种使用方法的在本文中称为直接接触蒸发干燥的本发明的实施例的热动力循环可解释且定位地追踪于其对应图3的流程图上。从概念性观点理解本发明的实施例的发挥作用的热动力循环包括由所讨论液体的蒸发及冷凝的温度-熵历程(其与二元流体喷射器制冷循环的温度-熵历程耦合)表示的两个热动力循环(一个在另一个内)是重要的。此观点是正确的，有两个原因I)针对此使用方法，蒸发干燥循环与喷射器制冷循环两者均不可彼此独立地发挥作用；2)因为所述两个热动力循环通过如图3中所示的冷式热交换器/ 蒸发器320及热式热交换器/冷凝器305而物理地耦合。此为如适用于本发明的实施例的命名“热动力双循环”的论据。仍参考图5. a,经由膨胀阀516 二次制冷剂流体经历如分界a — b所指示的等焓节流。此为使熵增加的非等熵过程。举例来说，此对应于跨越图3中的膨胀阀330的标号a及b。通过冷凝来自正被干燥的材料的气体及/或蒸气供应的热能使所述制冷剂从b — c等热地蒸发。由图3中的二元流体喷射器325沿T-s路径c — d夹带、混合及压缩所述制冷剂流体；一次与二次流体的此混合物构成所述二元工作流体。所述c — d过程是接近等熵的(可逆绝热压缩)，但形成某一熵。接着，在图3中的冷凝器305中将所述二元流体等压地冷却到其饱和蒸气状态e。在305中进一步将其冷却从而产生从e — a的等温地冷凝。在由分级冷凝器305分离之后，在压力下将二次制冷剂流体递送回到膨胀阀330以供在蒸发器320中再使用，而由335将一次驱动流体抽运到锅炉300 ;此由伴有标号泵518的T_s历程a — f指示。将一次驱动流体从f — g等压地加热到其g处的饱和液态。进一步加热致使所述一次流体从g — h(伴有标号锅炉510)等温地蒸发。继续加热使其温度等压地上升到i，接着在i处在压力下将其递送到图3中所示的二元流体喷射器325中的喷射喷嘴。经由所述喷射喷嘴发生从i — c的等熵膨胀，从而完成循环。为了简化，未展示与不可逆能量改变相关联的多变过程。图5. b是水在相对不同压力下蒸发且接着冷凝的定性温度T对熵S(T-S)图示520，其与二元流体喷射器制冷循环所采用的二元流体及其经分离成分的热动力T-s历程耦合。此T-s历程520描绘图4的在本文中称为间接接触蒸发干燥的本发明的实施例的另一使用方法的热动力循环。针对图5. a所引用的所有告诫对图5. b中所描绘的T-s图示来说是有效的且适用于所述图示。出于解释且在图4中的流程图上追踪热T-s循环的目的，图5. b中的分界编号I到3及字母a到i可与所述流程图上所引用的编号及字母相关。应理解，针对本发明的实施例的此使用方法(即，间接接触蒸发干燥)，从来自正被干燥的材料的所讨论液体蒸发的气体及/或蒸气充当干燥器的热转移流体以及二元流体喷射器制冷循环的二次制冷剂流体两者。在此情形下，所讨论蒸发物由图4中的二元流体喷射器410摄取、与一次驱动流体440混合且均衡为二元工作流体450。接着，使与正在干燥器420中干燥的材料接触或以其它方式紧密接近所述材料的二元流体450循环穿过热交换器430。热交换器430用于两个目的1)使所述二元流体冷凝，借此释放相变能量；及2)使液体从正被干燥的材料蒸发，借此吸收相同的相变能量。仍参考图5. b，将来自正被干燥的材料的液体从I等压地加热到饱和液态2。用于此蒸发过程的热能由所述二元流体在图4中的热交换器430中的沿T-s线e — a的冷凝供应。接着，来自正被干燥的材料的蒸发物由C处的二元流体喷射器410摄取，通过高压一次驱动流体440的动作，所述蒸发物由所述喷射器沿T-s线c — d夹带、混合及压缩。在热交换器430中将所述二元流体从过热蒸气状态d等压地冷却到饱和蒸气状态e。进一步冷却致使从饱和蒸气状态e到饱和液态a的等熵相变。由热交换器430将此冷凝相变期间的热能释放转移到从正被干燥的材料蒸发的液体，借此再使用相变能量。在相态a处将所述二元流体分馏并分离。所讨论蒸发物为a处的经冷凝饱和液体。继续冷却使所述冷凝物过冷到a'，在a'处，将其从系统排出或抽运。通过热交换器430将在此过冷过程期间释放的显热能转移到正被干燥的材料上/中的液体，因此解释所讨论液体沿T-s线I — 2的等压加热。在分离之后，将一次驱动流体440从饱和相态a抽运441到某一较高压力/由534指示。将所述一次驱动流体从f — g等压地加热到其g处的饱和液态。进一步加热致使所述一次流体沿由530指示的T-s线从g — h等热地蒸发。继续加热使其温度等压地上升到i，接着在i处在压力下将其递送到图4中的二元流体喷射器410中的喷射喷嘴。经由所述喷射喷嘴发生从i — c的等熵膨胀，从而完成循环。为了简化，未展示与不可逆能量改变相关联的多变过程。 针对本文中称为直接接触蒸发干燥的一种使用方法，图5. a中所描绘的本发明的实施例的热动力循环及图3中所描绘的其对等部分流动回路表示不同于且优于所有直接接触热蒸发干燥方式、方法及系统的技术。与常规热动力循环不同，本发明的实施例的热动力循环包括两个循环(一个在另一个内)，其通过起到用于蒸发干燥循环的蒸发器及用于喷射器制冷循环的冷凝器的双重作用的两个热交换器而紧密连接。针对本文中称为间接接触蒸发干燥的另一使用方法，图5. b中所描绘的本发明的实施例的热动力循环及图4中所描绘的其对等部分流动回路同样表示不同于且优于所有间接接触热蒸发干燥方式、方法及系统的技术。与常规热动力循环不同，本发明的实施例的热动力循环是两个循环(一个在另一个内)，其通过起到用于蒸发干燥循环的蒸发器及用于喷射器制冷循环的冷凝器的双重作用的一个热交换器而紧密接触。尽管已参考数个实施例详细地描述了本发明，但额外变化形式及修改存在于如以上权利要求书中所描述及所界定的本发明的范围及精神内。
权利要求
1.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的直接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进气相喷射器制冷的气相喷射器。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述 动力源为以下各项中的一者或一者以上热烟道气体、发动机排气、太阳辐射、工艺废热及/或地热能。
3.根据权利要求I所述的系统，其中二元流体喷射器的一次驱动流体具有相对于二次驱动流体为低的相变焓，从而导致制冷循环的增加的性能系数。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述一次驱动流体为以下各项中的一者2，3_二氢十氟戊烷或C5H2Fltlt5
5.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的间接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进气相喷射器制冷的气相喷射器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述动力源为以下各项中的一者或一者以上热烟道气体、发动机排气、太阳辐射、工艺废热及/或地热能。
7.根据权利要求5所述的系统，其中二元流体喷射器的一次驱动流体具有相对于二次驱动流体为低的相变焓，从而导致制冷循环的增加的性能系数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述一次驱动流体为以下各项中的一者2，3_二氢十氟戊烷或C5H2Fiqij
9.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的直接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进气相喷射器蒸气再压缩的气相喷射器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述动力源为以下各项中的一者或一者以上热烟道气体、发动机排气、太阳辐射、工艺废热及/或地热能。
11.根据权利要求9所述的系统，其中二元流体喷射器的一次驱动流体具有相对于二次驱动流体为低的相变焓，从而导致制冷循环的增加的性能系数。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述一次驱动流体为以下各项中的一者2，3-二氢十氟戊烷或C5H2F1(i。
13.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的间接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进气相喷射器蒸气再压缩的气相喷射器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述动力源为以下各项中的一者或一者以上热烟道气体、发动机排气、太阳辐射、工艺废热及/或地热能。
15.根据权利要求13所述的系统，其中二元流体喷射器的一次驱动流体具有相对于二次驱动流体为低的相变焓，从而导致制冷循环的增加的性能系数。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述一次驱动流体为以下各项中的一者2，3-二氢十氟戊烷或C5H2F1(i。
17.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的直接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进二元流体喷射器制冷的二元流体喷射器。
18.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的间接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进二元流体喷射器制冷的二元流体喷射器。
19.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的直接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进二元流体喷射器蒸气再压缩的二元流体喷射器。
20.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 第一热动力循环，其包括通过热泵促进的间接接触经加热空气及用于蒸气压缩的构件；及 第二热动力循环，其包含经配置以促进二元流体喷射器蒸气再压缩的二元流体喷射器。
21.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 热动力循环，其包含经配置以促进气相喷射器制冷的气相喷射器；及用以捕获、再循环及再使用由所述热动力循环产生的热能的一小部分以促进所讨论材料的蒸发干燥的构件。
22.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 热动力循环，其包含经配置以促进二元流体喷射器制冷的二元流体喷射器；及用以捕获、再循环及再使用由所述热动力循环产生的热能的一小部分以促进所讨论材料的蒸发干燥的构件。
23.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源；热动力循环，其包含经配置以促进气相喷射器蒸气再压缩的气相喷射器；及用以捕获、再循环及再使用由所述热动力循环产生的热能的一小部分以促进所讨论材料的蒸气再压缩蒸发干燥的构件。
24.一种用于将材料热干燥的系统，其包括 动力源； 热动力循环，其包含经配置以促进二元流体喷射器蒸气再压缩的二元流体喷射器；及用以捕获、再循环及再使用由所述热动力循环产生的热能的一小部分以促进所讨论材料的蒸气再压缩蒸发干燥的构件。
全文摘要
本发明涉及出于将材料干燥的目的而设计的热循环与质量流回路。二元流体喷射器除湿表示除湿(干燥)领域中的新的热动力双循环。所述二元流体喷射器除湿包括二元流体喷射器气相流体压缩及输送；热动力循环，其中捕获、再循环及再使用来自蒸发过程的相变能量作为用于所述蒸发过程自身的能源；及针对一种使用方法，质量流回路，其利用来自除湿材料的流体成分作为二元工作流体的制冷剂组份。本发明教示其中在所述工作流体与正被除湿的材料之间发生直接或间接热转移的使用方法。
文档编号F25B1/06GK102639947SQ201080034040
公开日2012年8月15日 申请日期2010年7月30日 优先权日2009年7月31日
发明者韦恩·A·梅 申请人:Mr科技公司