从专利申请的角度分析热泵烘干技术在烘干领域的应用

从专利申请的角度分析热泵烘干技术在烘干领域的应用

崔辉

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东广州510663

目前流行的烘干技术主要是热风烘干、紫外烘干，红外烘干，电磁烘干、微波烘干、太阳能烘干和热泵烘干，热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置，其工作原理是利用逆卡诺循环的方式使热量从低温物体流向高温物体，本文主要从专利申请的角度分析常见的热泵烘干技术。

早期的热泵烘干技术仅限于从空气、水或者土壤中吸取热量用于物品的烘干，比如目前检索到的申请日最早的热泵烘干技术是实用新型专利CN87216580U公开的一种热泵式干燥机，其设置两条风道，外界空气从其中一条风道流经蒸发器后经过闸门排入大气，蒸发器从外界空气吸热，另一条风道的外界大气流经冷凝器，吸热后用于烘干物品；这是典型的空气源热泵的应用实例，同样的，地热源热泵就是利用蒸发器吸取地热源，再用来烘干物品。专利申请CN200920110979.2公开一种利用太阳能对三七进行干燥的装置。该装置主要包括温室、太阳能集热器、水源+空气源型热泵、保温热水箱、地板及墙面辐射加热器、冷凝除湿器、循环泵、冷水箱及水源换热器等零部件，位于温室外的太阳能集热器和保温热水箱通过上下循环管道连接，保温热水箱和位于温室内的地板及墙面辐射加热器通过强制循环管道相连，同时，保温热水箱通过循环管道与热泵的加热端连接，热泵的吸热端通过循环管道与设置在冷水箱中的水源换热器连接，冷水箱和冷凝除湿器通过强制循环管道相连。

开式热泵在工农业产品烘干市场应用存在诸多问题，受环境温湿度的影响很大，在北方区域寒冷地区冬季运行效率极低，室外蒸发器结霜更影响吸热的效率；干燥过程必须依赖排湿来实现，但排湿的同时排放了大量的热量，能源存在极大的浪费，且排放的物质对周边环境也存在污染。近年来，市场上出现了一种闭式除湿热泵，干燥过程中，湿空气做为干燥介质在热泵和烘箱内做闭式循环，通过热泵除湿器除湿以降低循环介质湿空气的含湿量，通过热泵冷凝器加热循环介质，使湿空气由循环风机送入烘箱给物料加热并带走湿物料水分实现干燥。这种闭式除湿系统与开式排湿系统相比具有不排放、无污染，运行高效，烘干品质提升等优点。专利申请CN201820244744.1公开一种闭环除湿热泵烘干装置，热泵烘干装置为封闭一体式结构，包括左侧的热泵机组与右侧的烘干室，热泵机组底部由外至里设置控制器、压缩机、风扇，自下而上通过铜管分别与所述压缩机连接有电磁阀、冷凝器、三通膨胀阀、蒸发器，冷凝器与蒸发器一回路之间设置有干燥器，压缩机与蒸发器之间设有反馈回路。该热泵烘干装置基本与外界隔绝，能量不对外损失，高效节能、环保卫生；其工作原理是：干燥室出来的含湿气体流经蒸发器，析出凝结水，含湿量下降，而后气体流经冷凝器，吸收制冷剂的热量而升温，相对湿度降低，又回到干燥室。但上述热泵干燥采用同一个蒸发器对冷却和除湿进行统一的处理，导致采用高品位的冷量处理低品位的冷量的“高能低用”的问题。这样不仅由于蒸发温度过低从而导致压缩机的功耗增加，还导致热泵的干燥性能下降。作为改进，专利申请CN201811398268.X公开一种补气增焓热泵干燥系统及干燥方法，包括：热泵循环子系统和干燥空气循环子系统，热泵循环子系统包括压缩机、中压蒸发器、低压蒸发器、冷凝器，压缩机出口与冷凝器制冷剂入口相连；冷凝器出口分为两个支路，第一支路与中压蒸发器的制冷剂入口相连，第二支路与低压蒸发器制冷剂入口相连，中压蒸发器制冷剂出口与压缩机补气口相连，低压蒸发器制冷剂出口与压缩机入口相连，干燥空气循环子系统包括主风道、主风机、旁路风道和旁路风机；通过调节热泵干燥系统中的制冷剂流量调节阀，调节低压蒸发器和中压蒸发器的制冷剂流量分配，使低压蒸发器和中压蒸发器协同工作，利用中压蒸发器中较高蒸发温度的制冷剂对循环空气进行预冷，加速循环空气的降温速度、低压蒸发器中较低蒸发温度的制冷剂对循环空气进行除湿，降低除湿过程消耗的冷量，提高循环除湿性能。

如果待烘干的物品需要很高的烘干温度，或者尤其是在冬季，周围环境空气的温度过低的情况下，单级空气源热泵可能无法满足烘干温度的要求，而复叠式热泵可以满足较高的烘干温度。常规复叠式热泵循环是由两个单独的热泵循环组成，在其高、低温级分别使用中、低温制冷剂。高温级制冷剂的蒸发用来使低温级的制冷剂冷凝，高温级制冷剂冷凝输出热量，用一个蒸发冷凝器将这两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。专利申请CN201810084951.X公开一种使用复叠多联式热泵的烘干系统，热泵主机内设置有复叠式热泵系统，主要结构包括低温热泵循环和高温热泵循环。热泵主机主要部件包括蒸发器风机、低温蒸发器、低温压缩机、中间换热器、低温节流装置、高温节流装置、回热器及高温压缩机；复叠式热泵的高低温制冷系统各自的压缩比较小，运行比较稳定，能效比高。专利申请CN201810955608.8公开一种复叠式热泵系统及其控制方法，其可以实现系统在复叠式热泵和单级热泵的不同功能下切换，当复叠式热泵系统在室外环境温度较低和/或用户需求较高水温（或较高出风温度）的条件下，第一换热系统和第二换热系统均进行制热，从而达到满足系统和用户要求的目的，而当复叠式热泵系统在室外环境温度较高和/或用户需求中低水温（或中低出风温度）时，能够将第二换热系统关闭，单独利用第一换热系统在换热器内进行换热，从而有效的降低系统能耗。

随着热泵烘干技术的发展，也出现了可以在多种工作模式之间切换的热泵烘干系统，专利申请CN201510737670.6公开了一种带抽湿和废热利用的热泵烘干系统，包括压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，以及增强抽湿效果和回热效果的换热器，所述压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器通过冷媒管相互连接，冷凝器安装在一烘房内，蒸发器和所述换热器安装在可控制的风道中，风道设置有可控的进气口和出气口，换热器的第一换热端进气口通过风道可控与烘房连通，换热器的第二换热端进气口通过风道可控连接烘房或风道的进气口，换热器的第二换热端出气口与冷凝器的进气口连接，蒸发器的进气口通过风道可控连接风道的进气口或换热器第一换热端的出气口；其可以通过控制阀门的开闭实现烘干加热模式、余热回收模式、循环抽湿模式之间的切换；专利申请CN201410726883.4公开一种以蒸发器进风口作为烘房新风口的空气源热泵烘房，包括空气源热泵、烘房和全热换热器，空气源热泵的机壳分割为第一内腔和第二内腔。自动风门关闭时在冷凝器风机作用下对烘房形成相对封闭式地循环风加热；当烘房内物料升温到一定温度，湿度增大时，自动风门开启以蒸发器进风口作为烘房新风口。上述发明以系统整体结构设置和蒸发器换热后冷风利用为基础，以自动风门的开闭为转换条件，创新了除湿、排湿同时进行的物料烘干方式，实现了多种工作模式的有机复合。

另外，也出现了设置辅助冷凝器的热泵系统，辅助冷凝器设置在烘干室外部，当烘干室内的温度过高时，通过辅助冷凝器向周围环境放热，从而为烘干室内降温；CN200910143793.1公开一种利用热泵系统的多用途干燥装置，热泵系统经由压缩机、主冷凝器、主蒸发器进行制冷剂循环，该采用热泵系统的多用途干燥装置包括内部设有上述主冷凝器及主蒸发器以进行热交换的干燥装置主体以及形成于上述干燥装置主体的内部、对干燥对象物进行干燥的干燥室，上述热泵系统中包括有辅助冷凝器，该辅助冷凝器设置在外部，且在上述压缩机和主冷凝器之间被选择地连结，使干燥装置主体内部的温度降低。专利申请CN201120216342.9公开一种双冷凝器常温除湿干燥室，主要为密闭空间、制冷设备和温度湿度控制装置组成，制冷设备有室内和室外两个冷凝器、蒸发器、压缩机、电磁阀、膨胀阀和二风机组成，室内、室外冷凝器成并联结构，室内冷凝器功率大于室外冷凝器；室内冷凝器和蒸发器安装在密闭空间内，电磁阀连接在压缩机与室外冷凝器之间，通过温度湿度感应器和PLC自动控制器控制流向室外冷凝器的冷媒流量，当密闭空间内温度大于28℃时，温度感应器将信号传送给PLC自动控制器，PLC自动控制器将指令发送打开电磁阀，将冷媒分流至室外冷凝器，室内冷凝器的散热功能削弱，散发的热量减少，密闭空间内的温度缓缓下降。

由于篇幅限制，本文只列出几种比较有代表性的热泵烘干技术，热泵烘干技术的发展主要向自动化、精准控制烘干温度的方向发展，烘干领域的技术人员可以在此基础上进行进一步研发。