專利名稱：用于干燥和空氣調節(jié)的模塊化熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于干燥和空氣調節(jié)的模塊化熱泵組件的設計。本發(fā)明至少在一個實施例中涉及一種熱泵組件結構，其中致冷元件可以輕易地與用于干燥或空調目的的任何空氣處理室連接及分離。
背景技術：
市售的熱泵干燥機設計有作為一個完整干燥單元的致冷元件和干燥室。對于這種干燥機，熱泵所需的適于包括潛熱和顯熱的熱負荷致冷能力根據(jù)干燥室的尺寸和最大產品負荷而定制。由于致冷元件的局部或全部替換，這些干燥機對于進一步擴展致冷設備以處理增大的產品干燥能力不很靈活。結果，制造商必須投資來擴展其干燥過程以滿足用戶的需求。此外，在元件故障的情況下，熱泵干燥機的干燥工作必須中止，產生干燥機停機時間并損失生產量。在空調維修和保養(yǎng)情況下，必須切斷致冷裝置以備修理工作，導致空調器所服務的房間內或氣候處理室內空氣狀況改變。房間居住者將遭遇空氣狀況的劇烈變化并由此感覺不舒服。在用于儲存的氣候處理室的情況下，可能導致存放的產品腐爛。
本發(fā)明有利地提供了多用途熱泵組件，從而致冷設備與空氣處理室在它們通過利用諸如工業(yè)用氣接頭的接頭接合之前專門組裝。這些接頭允許接收用于調節(jié)的空氣并將調節(jié)后的空氣排放到腔室內。該空氣調節(jié)考慮到了空氣溫度、速度和絕對濕度。
普通可用的熱泵組件，如用作干燥機的熱泵組件，為單階段的。單階段熱泵具有一個蒸發(fā)器。這個蒸發(fā)器必須能夠吸收顯熱和潛熱負荷。
根據(jù)本發(fā)明，提出了結合有雙階段蒸發(fā)系統(tǒng)的雙階段熱泵，其中一個蒸發(fā)器相對另一個蒸發(fā)器在較高壓力下工作。優(yōu)選地，在干燥系統(tǒng)中，雙階段系統(tǒng)能夠從干燥空氣中回收更多潛熱，并具有靈活性以完成各種用于更好地濕度控制的控制方案。對于很多干燥應用場合，為了減小用于產品除濕的干燥能量并提高產品質量，能量回收和空氣調節(jié)都具有重要作用。
在改進熱量回收中，高壓蒸發(fā)器優(yōu)選承擔冷卻熱負荷的一部分。已發(fā)現(xiàn)這允許低壓蒸發(fā)器貢獻其更多的熱能量用于除濕。為了更好進行濕度控制，蒸發(fā)器在空氣導管中的配置優(yōu)選是允許用兩種方法控制空氣濕度。一種方法為利用通過蒸發(fā)器的空氣旁通過程控制除濕。另一種方法包括高壓蒸發(fā)器的平均蛇管表面溫度的調節(jié)，以用于消除顯熱和潛熱。
本系統(tǒng)另一個改進為結合了外部蒸發(fā)器。外部蒸發(fā)器起雙重作用。其第一個作用為促進熱泵的快速起動。這是通過在正在循環(huán)過程中從外界“吸收”顯熱，直到冷凝器達到適當壓力水平。其第二個作用為作為“虛”負載，當在腔室內出現(xiàn)低潛熱負荷時，將輔助負載加入到致冷系統(tǒng)中。當干燥室內的潛熱負荷較低時，外部蒸發(fā)器有利地確保了用于熱回收的外部負載的恒定。這個干涉有益于初始潛熱負荷高、而隨著干燥過程轉入下降率區(qū)域(fallingrate region)而逐漸減弱的干燥過程。
如上所述，該兩階段熱泵組件也有利地形成了用于設計先進的多階段熱泵式干燥器，以滿足更高的產品質量及能量效率需要的模塊化構建模塊。
如此，本發(fā)明通過改善潛熱與總熱量回收的比率，有利地提供了更好的能量回收，并通過用蒸發(fā)器和冷凝器進行較好的顯熱和潛熱交換，來更好控制干燥氣體。此外，本發(fā)明有利地提供了這樣一種熱泵，其裝備有快速起動機構以及例如在整個干燥過程中確保用于熱回收的負載恒定的系統(tǒng)，以及可以容易整合到任何腔室上的高效雙階段現(xiàn)場用熱泵。
即，有利地提供了多用途熱泵組件，從而組裝成具有便攜或可運輸特性的模塊化單元的熱泵元件可以與任何用于干燥或普通空氣調節(jié)應用的便攜或可運輸腔室接合或分離。該熱泵結構很靈活使得干燥機能夠根據(jù)變化的腔室尺寸和結構容易擴展以滿足更高的產品需求。本發(fā)明也能夠在熱泵元件上容易地進行維護修理工作而不會在干燥過程中產生停機時間，產品不會在儲存室內造成腐爛，而且不會使在空調房間內的居住者感到熱度上的不舒服。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了適于接合到調節(jié)室的模塊化熱泵組件，該熱泵組件包括用于空氣調節(jié)的包括高壓和低壓蒸發(fā)器的兩階段蒸發(fā)器系統(tǒng)；用于將顯熱導入空氣中的熱氣體冷凝器；壓縮機；用于利于維持潛熱負荷恒定的外部蒸發(fā)器；
至少一個用于從由熱泵組件調節(jié)的調節(jié)室接收空氣的入口；以及用于從熱泵組件將調節(jié)后的空氣排放到調節(jié)室內的出口。
也提供了熱泵組件，其包括熱泵單元，其包括(i)包括用于空氣調節(jié)的高壓和低壓蒸發(fā)器的兩階段蒸發(fā)器系統(tǒng)；(ii)用于將顯熱導入空氣中的熱氣冷凝器；(iii)壓縮機；以及(iv)用于從熱氣冷凝器接收空氣并用于維持潛熱負荷恒定的外部蒸發(fā)器；以及適于從熱泵單元接收被調節(jié)的空氣并將空氣再循環(huán)到熱泵單元中的干燥室。
本發(fā)明優(yōu)選適合應用于干燥及空氣調節(jié)。進入熱泵單元的干燥空氣首先由蒸發(fā)器調節(jié)，接著在通過另一口返回到調節(jié)室內之前由熱氣冷凝器調節(jié)。空氣可以根據(jù)理想的腔室空氣狀況冷卻或加熱。
熱泵的結構優(yōu)選使高壓蒸發(fā)器起部分干燥/加濕蛇管的作用，且低壓蒸發(fā)器起專用加濕蛇管的作用。此外，在優(yōu)選實施例中，背壓調節(jié)閥安裝在高壓蒸發(fā)器的排放線路上以確保蒸發(fā)壓力恒定。
在優(yōu)選實施例中，熱氣冷凝器包括子冷卻器結構，并優(yōu)選地包括熱氣冷凝器和兩個子冷卻器。這種結構有利地提供了用于干燥空氣以獲得理想溫度所需的顯熱。優(yōu)選地，該組件還包括控制裝置，其用于確保從熱氣冷凝器和子冷卻器結構中提供足夠顯熱到干燥空氣中以獲得預定的空氣溫度。從而，干燥空氣的空氣溫度可以按需調節(jié)。
為了調節(jié)空氣溫度，該組件優(yōu)選包括冷凝器，諸如空氣冷卻冷凝器，其有助于排出系統(tǒng)內干燥空氣中的多余熱量。此外，在優(yōu)選實施例中，組件包括旁通風門系統(tǒng)，用于調節(jié)通過組件的旁通空氣流。還可以提供附加的控制裝置，用于調節(jié)旁通風門系統(tǒng)以維持干燥空氣的理想濕度。
為了滿足干燥空氣的較高溫度需求，組件還可以包括輔助加熱器，以有助于向干燥空氣中引入附加的顯熱。優(yōu)選地，提供有按需致動輔助加熱器的另一控制裝置。
熱泵組件有利地達到例如工農業(yè)產品的有效且經濟干燥的最佳熱回收。這是利用用于冷卻和除濕干燥介質的高壓和低壓內部蒸發(fā)器和外部蒸發(fā)器來實現(xiàn)的。在低壓蒸發(fā)器為了回收潛熱而除濕空氣之前，從干燥室內排出的氣體首先穿過高壓蒸發(fā)器而經歷預冷過程。蒸發(fā)器的配置允許不同比例的空氣被旁通并在蛇管的下游混合。這使干燥空氣的濕度可以通過如上所述的除濕和混合的同步過程加以控制。
在冷凝器一側，兩個子冷卻器優(yōu)選用于熱量回收。子冷卻器確保了對于高溫工作，來自蒸發(fā)器的更多的熱量通過使空氣和致冷劑之間可用的熱傳導面積更大而被回收。
本系統(tǒng)還結合有被動蒸發(fā)器一節(jié)約器，用于在蒸發(fā)器前預冷空氣及在冷凝器前預熱空氣。該設備也起冷卻裝置的作用，從而能夠完成冷和熱空氣干燥。
附圖簡要說明下面將參照說明本發(fā)明實施例并用于解釋本發(fā)明原理的附圖對本發(fā)明進行更詳細的描述。然而，應理解的是示意性的附圖用于解釋和說明本發(fā)明結構，而不作為本發(fā)明限定性的定義，該限定性內容應參照說明書所附的權利要求書作出。


圖1示出兩階段熱泵干燥機單元。如所示，高壓和低壓的兩個蒸發(fā)器串行配置。一節(jié)約器繞這兩個蒸發(fā)器配置，用于預冷及預熱干燥空氣；圖2是示出熱泵系統(tǒng)循環(huán)的示意圖；圖3是示出模塊化熱泵組件的示意圖，帶有在各自相應位置上組裝的致冷元件；圖4是示出用于空氣調節(jié)目的的熱泵組件的應用示意圖；圖5是組裝好的熱泵干燥機的側視圖，示出了定位在模塊化單元內的調節(jié)室和熱泵元件；圖6是示出高壓和低壓蒸發(fā)器系統(tǒng)的示意圖；圖7是示出用于外部蒸發(fā)器的控制機構以使系統(tǒng)能夠快速起動并能夠持續(xù)吸收潛熱負荷的示意圖；圖8是示出冷凝器和子冷卻器連接的電路圖。該圖示出從三通調節(jié)閥到蒸汽室和空氣冷卻冷凝器的致冷劑流；以及圖9是示出用于停止熱泵并用輔助加熱器組(heater bank)維持空氣溫度的控制機構的示意圖。
本發(fā)明具體實施例本設計從利用實驗室樣機的兩階段熱泵干燥機所進行的試驗而構想出。新的結構被認為更好控制方案且能量回收更有效。該結構已經擴展到現(xiàn)場干燥機，其具有腔室和模塊化熱泵單元之間易接口的特征。
在以下部分中，將詳細描述用于并行蒸發(fā)器結構以調節(jié)空氣濕度的熱泵循環(huán)的腔室結構、致冷元件以及控制方案。
圖1示出與干燥室相連的兩階段熱泵干燥機單元?？梢钥闯龈稍餀C10被設計成熱泵循環(huán)11的致冷元件與干燥室12分隔。該結構更好地使干燥室進一步擴展，而不需改變蛇管和其它致冷元件的位置。此外，這種結構允許構建現(xiàn)場干燥機，在此致冷設備可以容易地與任何集裝箱化腔室整合。這種構建模式允許靈活地擴展腔室以及維護系統(tǒng)。在本說明中，循環(huán)空氣(箭頭所示)穿過內部風門(damper)13進入熱泵11。也提供了一般在干燥循環(huán)的末期使用的以去除空氣中所剩水分的旁通風門14。
空氣從腔室12被送到預冷節(jié)約器15a，并然后分別送到高壓蒸發(fā)器16和低壓蒸發(fā)器17。然后空氣穿過用于預熱的第二節(jié)約器15b。在此之后，空氣穿過包括熱氣冷凝器18和兩個子冷卻器19a和19b以及可選的加熱助力器20的加熱結構。然后空氣回到用于干燥目的的腔室12。
也可以設置外部風門14a以利于新鮮空氣的進入以及使用過的空氣從組件中排出。
雖然在圖中未示出，優(yōu)選地設置冷凝水收集溝和排水管，用于從腔室中去除冷凝水。
圖2示出了熱泵的致冷循環(huán)。熱泵循環(huán)包括兩個蒸發(fā)器，一個相對另一個在較高壓力工作。這種兩階段系統(tǒng)的優(yōu)點包括從干燥氣體中回收更多的潛能，以及靈活地完成用于更好濕度控制的多個控制方案。雖然在圖中未示出，優(yōu)選設置冷凝水收集溝和排水管，用于從腔室中去除冷凝水。
圖2示出了兩個內部蒸發(fā)器，即高壓蒸發(fā)器26和低壓蒸發(fā)器25，以及外部蒸發(fā)器28。來自腔室的干燥氣體首先穿過高壓蒸發(fā)器26以明顯預冷，接著通過低壓蒸發(fā)器25以除濕。干燥空氣在其排放到熱控制單元之前從熱氣冷凝器35吸收顯熱而調節(jié)到理想的溫度。溫度控制過程是這樣完成的調節(jié)流速成所需大小、通過三通調節(jié)閥21到達熱氣冷凝器35，并將其余的旁通到混合室33。從熱氣冷凝器35排出的致冷劑在排到空氣冷卻冷凝器32之前與來自旁通線路34的致冷劑在混合室33內混合。該致冷劑然后在由三個手動恒溫膨脹閥(TEV)或電子膨脹閥(EEV)27、29和30膨脹到三個蒸發(fā)器25、26和28之前收集在液體接收器31處。來自低壓蒸發(fā)器25和外部蒸發(fā)器28的蒸汽致冷劑收集在蒸汽室23處。來自高壓蒸發(fā)器26的致冷劑在進入蒸汽室23之前由背壓調節(jié)閥24調節(jié)到低壓蒸發(fā)器25的壓力水平。來自蒸汽室23的蒸汽進入壓縮機的吸入線路并被壓縮機22壓縮到其排出的壓力大小。當使用EEV時，高壓和低壓蛇管的表面溫度可以通過在EEV控制面板上輸入理想的溫度值而設定。這能夠靈活控制兩個蒸發(fā)器的壓力，這是由于在兩階段蒸發(fā)過程中致冷劑飽和溫度直接對應于致冷劑的壓力。當使用TEV時，只有背壓調節(jié)閥用于調節(jié)高壓蒸發(fā)器溫度。在兩種情況下，高壓或低壓(當用EEV時)情況下或是高壓(當用TEV時)情況下，通過調節(jié)蒸發(fā)器蛇管的溫度，可以調節(jié)空氣的絕對濕度。
圖3示出了裝配有一個排放口58和兩個空氣接收口55和57的模塊化熱泵組件。高壓蒸發(fā)器45并行排列于低壓蒸發(fā)器52上方。除了上文提及的蛇管表面溫度方法來調節(jié)空氣濕度之外，空氣濕度也可以由一組互連可調節(jié)自動風門54和56調節(jié)。調節(jié)過程通過將來自安裝在控制面板46上的PID控制器47的控制信號送到風門54和56而進行?？刂骑L門調節(jié)了通過高壓和低壓蒸發(fā)器的空氣流量。從而，可以進行干燥空氣的除濕過程，直到達到理想的空氣濕度。通過使壓縮機40a基于由市售柴油或汽油發(fā)電機40供給的電能工作而使熱泵結構通用化。來自高壓蒸發(fā)器45的液體冷凝水經由滴水池48導引到排出池53以防止冷凝水進入低壓蒸發(fā)器52。從蒸發(fā)器45和52收集的冷凝水通過排放管道50排放到外界環(huán)境中。外部蒸發(fā)器49如圖所示位于框架的外側。來自四周環(huán)境的空氣通過空氣葉輪51被吸入，以通過外部蒸發(fā)器49冷卻。從外界環(huán)境吸收顯熱改善了用于熱泵系統(tǒng)的熱回收。已經指出模塊化熱泵單元的結構不取決于建筑基準。盡管采用兩階段循環(huán)進行空氣調節(jié)，但本熱泵結構由于技術和空間的原因在其配置和結構上是獨特的。首先，其能夠利用兩個或多個帶有并行結構配置的蒸發(fā)器的風門來調節(jié)空氣濕度。由于并行配置，在空氣于蒸發(fā)器的下游混合前我們提供了空氣流過每個蒸發(fā)器的路徑。這種平行配置具有兩個優(yōu)點。首先其確保了空氣均勻分配給食品托架，從而防止了腔室內的任何空氣停滯區(qū)域。第二，其使熱泵元件能夠小型化配置，這是熱泵結構模塊化應用的基本特征。
如圖3所示，以軸向或離心模式工作的循環(huán)風扇44提供了足夠的循環(huán)能量以將干燥空氣從吸入口55和57推到排出口58。進氣天窗42用于將一些新鮮空氣引入到干燥空氣循環(huán)中。安裝了空氣冷卻冷凝器41以將過多的熱量排放到環(huán)境中。容放PID控制器、起動及中止開關的控制面板46位于框架的側面用于控制及監(jiān)視。
整個框架可以經由接收口55和57以及排放口58連接到調節(jié)室。柔性工業(yè)用氣接頭用于將組件的各口連接到調節(jié)室。
也可以考慮蒸發(fā)器的其它工作結構。例如，模塊化熱泵單元也可以設計有串行配置的高壓和低壓蒸發(fā)器，同樣用于冷卻潛熱及顯熱的目的。其它可能的結構為單獨蒸發(fā)器，其構建成使得高壓和低壓蒸發(fā)器被整合但在可變條件下工作。
圖4說明了用于冷儲存間內空氣調節(jié)的模塊化熱泵單元的應用，該冷儲存間用于當熱條件變化一段時間時易于腐爛的熱易腐爛產品。圖4示出與用于致冷空調的熱泵系統(tǒng)交界的兩個導管61和66。冷空氣通過空氣噴嘴65排放到儲存間內。所?？諝夥祷氐綗岜孟到y(tǒng)用于再調節(jié)。一個用于從熱泵系統(tǒng)排出空氣、而另一個用于將空氣吸入熱泵系統(tǒng)中的工業(yè)用氣接頭62和63用于接合空氣控制單元和熱泵系統(tǒng)。該結構優(yōu)選地在熱泵設備維修同時用于暫時冷氣存放產品。
圖5示出被改進以連接到本發(fā)明組件上以能夠構建干燥組件的市售運輸腔室。用于裝載和卸載產品并用于提供將干燥空氣從熱泵單元導向產品的腔室的常見運輸容器的使用顯著減少了資金花費。干燥室71被三個隔板72、72a和72b分隔成兩個分段。這三個隔板72、72a和72b建立了U形通道導管，用于在干燥空氣經由口75、75a、76和76a返回到熱泵之前將來自口74和74a的干燥空氣流動到帶有產品托架78b的裝載車78a。安裝了再循環(huán)風扇73以提供流動到產品的附加空氣。該產品在放置于輪式車78a上之前被正確地配置在網狀托架78b上。然后該車通過裝載門79推到腔室內，首先裝載的托架離熱泵系統(tǒng)最近。在被干燥到理想的含水量后，在門77a開啟后，產品經由卸載部分77離開干燥室。帶有門77a的卸載部分77被構造成一旦產品干燥到理想的含水量后快速卸載該產品。因此，本干燥機采用先入先出方法。
與熱泵框架連接的口位于74a、75a和76a處。排氣天窗70用于在新鮮空氣經由空氣風門42引入到空氣循環(huán)中后，從腔室中驅散一些循環(huán)空氣，如圖3所示。從圖5中易見到可以連接不同尺寸的腔室，只要交界口相連即可。從而，本結構容易進行系統(tǒng)擴展。腔室的結構由于其采用先入先出方法而能夠快速裝載及卸載干燥產品而是全新的概念。同樣，隔板能夠使干燥空氣均勻分配到產品托架，導致產品的均勻干燥。此外，腔室可以配裝有推車導軌以接收產品推車。這些導軌可以是靜止的或是傳送系統(tǒng)的一部分，其允許產品連續(xù)流動或分批流動。
兩階段熱泵干燥系統(tǒng)已被設計為改善熱回收過程，并從而改善干燥機的熱效率。熱回收過程中的基本原則是改善在蒸發(fā)器上潛熱到總能量地轉移。以下部分說明兩階段系統(tǒng)如何能夠改善熱回收過程。
內部蒸發(fā)器(高壓和低壓)圖6示出兩個內部蒸發(fā)器的連接。本系統(tǒng)利用兩個直接膨脹內部蒸發(fā)器以通過將來自冷凝器的液體致冷劑膨脹到兩個不同壓力水平而達到空氣的理想濕度。兩個熱膨脹閥85和86用于將離開冷凝器的致冷劑膨脹到兩個不同的壓力水平。在不同壓力水平的兩個蒸發(fā)器83和84的應用有利地改善了在蒸發(fā)器上潛熱到總致冷能量的轉移，并能夠更好地控制干燥空氣的濕度。離開干燥室的干燥空氣在高壓蒸發(fā)器83后冷卻到其露點或以下。以這種方式，高壓蒸發(fā)器83起部分干燥/加濕蛇管的作用，而低壓蒸發(fā)器84起具有更強除濕能力的專用加濕蛇管的作用。使用直接膨脹蒸發(fā)器蛇管有助于腔室內潛熱負荷變化時的致冷能力的調節(jié)。圖6還示出了背壓調節(jié)閥81如何安裝在高壓蒸發(fā)器的排放線路上。這個調節(jié)器確保了恒定的蒸發(fā)壓力，并由此確保了蒸發(fā)器蛇管表面溫度的恒定。調節(jié)過程通過在壓縮機吸入線路81a內節(jié)流而實現(xiàn)。通過蛇管的致冷劑量與蒸發(fā)器負載匹配。
外部蒸發(fā)器圖7示出了外部蒸發(fā)器的控制結構。外部蒸發(fā)器114起到雙重作用。其第一作用為幫助熱泵干燥機快速起動。這是通過當壓縮機排放壓力120到預設值時，壓力開關116將一開關信號117送到常閉電磁閥112而實現(xiàn)的。這使致冷劑流動到熱膨脹閥113和外部蒸發(fā)器114，如流量表111所示，導致來自外界環(huán)境的熱量被外部蒸發(fā)器114吸收。當壓縮機排放壓力120到達另一預設值時，另一開關信號被送到電磁閥112，中止流動到熱膨脹閥113的致冷劑，從而切斷外部蒸發(fā)器114的工作。
外部蒸發(fā)器114的第二作用是作為“虛”負載，以在腔室內出現(xiàn)低潛熱負荷時將附加的顯熱負荷加入到致冷系統(tǒng)中。當干燥室內潛熱負荷低時，外部蒸發(fā)器114確保用于熱回收的外部潛熱負荷恒定。這個干涉有益于初始潛熱負荷高而隨著干燥過程進入第二下降率區(qū)域而逐漸減弱的干燥過程。在第二下降率期間，從產品重量獲得的反饋信號122、在腔室內潛熱負荷的測量值被送到PID控制器119。如果產品重量減小到低于設定值，則控制器119將一開關信號118送到電磁閥112，并致動電磁閥。這個動作使致冷劑流動到熱膨脹閥113，該閥113又基于測溫泡(bulb)溫度115將致冷劑分配到外部蒸發(fā)器114。這就使來自外界環(huán)境的熱量被外部蒸發(fā)器吸收。在這種條件下，可以確定的是由于產品的下降率，可以補償腔室內的潛熱損失所需的潛熱能量的吸收量，并可以保持系統(tǒng)的潛熱吸收率恒定。
冷凝器和子冷卻器圖8示出了熱氣冷凝器124和兩個子冷卻器125和126的連接。一個熱氣冷凝器124加上兩個子冷卻器125和126提供了用于要達到理想溫度的空氣所需的顯熱。兩個子冷卻器125和126通過使用于將致冷劑從汽態(tài)冷凝成液態(tài)可用的傳輸面積更大而回收額外的熱量。兩個子冷卻器125和126的使用使回收過程最佳，并改善了整個能量效率。
節(jié)約器致冷劑節(jié)約器在高壓和低壓蒸發(fā)器蛇管之前及之后安裝。節(jié)約器承擔部分蒸發(fā)器冷卻任務和冷凝器加熱任務。其在空氣進入蒸發(fā)器之前預冷空氣并在空氣進入熱氣冷凝器之前預熱空氣。將來自蒸發(fā)器一側空氣的熱量轉移到另一側空氣的節(jié)約器的使用增強了熱泵干燥機的水分離能力。對蒸發(fā)器一側的空氣預冷使冷卻蛇管的大部分能夠用于從空氣中分離水。
理想的干燥空氣狀況通過利用三個控制器而產生并控制。一個控制器用于提供來自熱氣冷凝器(HGC)和兩個子冷卻器(SC1和SC2)的足夠顯熱以將干燥空氣達到空氣溫度。第二控制器用于控制從輔助加熱器輸入顯熱以滿足更高溫度的需求。第三控制器用于調節(jié)蒸發(fā)器的表面和旁通風門，以便控制除濕過程及保持干燥空氣的理想濕度。
空氣溫度圖8示出了控制干燥空氣溫度的控制機構?？諝鉁囟韧ㄟ^將連續(xù)PID信號傳送到三通調節(jié)閥123而控制。該閥調節(jié)致冷劑蒸汽流動到HGC124、SC1125和SC2 126，并在兩個線路128a和128b交匯于一點128c之前旁通掉其余部分。然后混合的致冷劑進入空氣冷卻冷凝器129?？諝饫鋮s冷凝器129用于在過剩熱量進入液體接收器130之前將其驅散。
圖9示出另一個控制方案通過利用輔助加熱器131以在干燥的最后階段給干燥空氣提供顯熱而改善熱量節(jié)余。對于干燥的最后部分、大約干燥過程的10％到20％，空氣濕度相對保持一致。由于連續(xù)提供除去產品濕度的顯熱，所以只有干燥空氣的溫度降低。因此，在經濟意義上，將熱泵系統(tǒng)關閉并用輔助加熱器組131進行連續(xù)加熱將減小工作成本。為了實現(xiàn)這點，來自稱重機器138的反饋信號輸入到PID控制器134，該控制器134又將兩個同步信號135和135a分別送到壓縮機和輔助加熱器組。信號135a致動開關繼電器132并在信號135中斷常閉開關繼電器136a的同時，關閉輔助加熱器組的觸點。一旦繼電器136a中斷，潛在的自由觸點137開啟。這導致電機起動繼電器136切斷從三相電源到渦旋壓縮機133的信號。這一連串事件觸發(fā)在輔助加熱器組131內的加熱器并中斷渦旋壓縮機133，導致熱泵關閉并用輔助加熱器組131控制空氣溫度。
空氣濕度第三PID控制器用于控制自動風門。風門調節(jié)通過蒸發(fā)器的表面和旁通風門的氣流。通過蒸發(fā)器的被除濕的空氣與旁通的空氣混合以保持空氣理想的濕度。
濕度控制的第二方法根據(jù)圖6所示的背壓調節(jié)閥81來調節(jié)HP蒸發(fā)器的工作壓力。HP蒸發(fā)器的工作壓力起到為蒸發(fā)蛇管溫度的精確指示的作用。在很多空調應用中，要維持不變的蛇管溫度就是要精確控制去除顯熱和潛熱。通過背壓調節(jié)器81的精確調節(jié)，蛇管表面平均溫度被設定以去除所需的顯熱和潛熱，獲得需要的空氣濕度。
空氣流速干燥空氣向腔室的流速由三相頻率逆變器控制。通過調節(jié)逆變器頻率以及從空氣葉片風速計讀數(shù)，進入腔室的空氣流速可以設定到理想的體積流量。
致冷劑循環(huán)控制為了確保渦旋壓縮機在推薦的工作范圍內工作，冷凝溫度被設定為在45℃到55℃(在減溫后壓縮機排放處測得分別為16.5巴到21巴)的范圍內工作。建議下限用于35℃的外界環(huán)境溫度，并允許10℃的溫度偏差，用于通過空氣冷卻冷凝器將足夠的熱量驅散到環(huán)境中。上限目的是通過防止電機過熱而確保壓縮機的壽命。在蒸發(fā)器一側，為了獲得14.2kW的致冷能力，一般設定為5℃的SST。可以設定較低的蒸發(fā)溫度，但會存在蛇管結冰的可能性。同時，相應的致冷能力將降低。外部蒸發(fā)器的接通和關閉的壓力分別設定為14巴和16巴，以達到理想的冷凝溫度并保持蒸發(fā)器溫度在工作范圍之內。
示例進行初始調試運行以評估系統(tǒng)穩(wěn)定性和到達穩(wěn)定狀態(tài)工況的時間。表1示出在腔室內沒有任何潛熱負荷的情況下從空氣側測量所得的結果。這個示例只為說明的目的，而決不應成為本發(fā)明的限制。
表1-從熱泵系統(tǒng)和空氣側測量所得的結果

基于表1的值和壓縮機的能量消耗，算出熱泵在48.5℃工作時的COP為2.96。當在腔室內存在潛熱負荷時，我們要求更高的熱量回收和提高的COP。
標記COP性能系數(shù)無單位EC 節(jié)約器-HGC熱氣冷凝器-HP 高壓蒸發(fā)器-LP 低壓蒸發(fā)器-PID比例-積分-微分-SC1子冷卻器1 -SC2子冷卻器2 -SDT飽和排氣溫度 ℃SMER 特定濕度分離率kg/kWhSST飽和吸入溫度 ℃上述模塊化結構的應用并非窮舉，其擴展到干燥和冷存儲應用之外。便于設備和空氣處理單元之間交界的接合和分離方法的概念通過膨脹閥、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和致冷劑的合理選擇可以用于很多空調應用場合中。一個進一步說明性示例為便攜后備冷卻裝置，在空調維護期間其可以輕易裝配并安裝到任何空氣導管系統(tǒng)。這就在致冷元件維修的同時給房間提供了暫時的空氣調節(jié)。同樣，如果具有不同致冷能力的熱泵的多個單元用上述方法組裝，本設計可以有利地增強任何空調系統(tǒng)的致冷能力，而只需改動很小或不改動。
權利要求
1.一種適于連接到調節(jié)室上的模塊化熱泵組件，所述熱泵組件包括用于空氣調節(jié)的包括高壓和低壓蒸發(fā)器的兩階段蒸發(fā)器系統(tǒng)；用于將顯熱引入空氣中的熱氣冷凝器；壓縮機；有利于維持潛熱負荷恒定的外部蒸發(fā)器；至少一個用于從由所述熱泵組件調節(jié)的所述調節(jié)室接收空氣的入口；以及用于將從調節(jié)后的空氣熱泵組件排放到調節(jié)室內的出口。
2.如權利要求1所述的組件，其中，所述高壓和低壓蒸發(fā)器以并行或串行結構配置。
3.如權利要求1所述的組件，其中，所述高壓和低壓蒸發(fā)器由具有用于潛熱和顯熱空氣調節(jié)的可變壓力的單獨蒸發(fā)器蛇管提供。
4.如權利要求1所述的組件，其中，所述高壓蒸發(fā)器起部分干燥/加濕蛇管的作用，而所述低壓蒸發(fā)器起專用加濕蛇管的作用。
5.如權利要求1所述的組件，其中，背壓調節(jié)閥安裝在所述高壓蒸發(fā)器的排放線路上以確保蒸發(fā)壓力恒定。
6.如權利要求1所述的組件，其中，所述熱氣冷凝器包括具有兩個子冷卻器的子冷卻器結構。
7.如權利要求1所述的組件，包括用于確保從熱氣冷凝器提供足夠顯熱到干燥空氣中以達到預定空氣溫度的控制裝置。
8.如權利要求7所述的組件，其中，流向所述冷凝器的致冷劑通過三通調節(jié)閥調節(jié)。
9.如權利要求1所述的組件，包括用于通過從所述空氣中排出過剩熱量而調節(jié)所述空氣溫度的冷凝器。
10.如權利要求9所述的組件，其中，所述冷凝器為空氣冷卻冷凝器。
11.如權利要求9所述的組件，其中，所述冷凝器為可用通過除空氣以外的冷卻介質熱傳導而排出熱量的冷凝器，諸如水冷冷凝器。
12.如權利要求1所述的組件，包括用于調節(jié)通過組件的旁通空氣流的旁通風門系統(tǒng)。
13.如權利要求12所述的組件，包括用于調節(jié)所述旁通風門系統(tǒng)以維持理想空氣濕度的控制裝置。
14.如權利要求1所述的組件，包括便于將附加顯熱引入的輔助加熱器，以滿足所述空氣所需的較高溫度。
15.如權利要求14所述的組件，包括用于按需觸發(fā)所述輔助加熱器的控制裝置。
16.如權利要求1所述的組件，包括安裝在所述蒸發(fā)器之前和之后的節(jié)約器，用于在所述干燥空氣進入所述蒸發(fā)器之前預冷所述干燥空氣，以及在所述干燥空氣進入冷凝器之前預熱所述干燥空氣。
17.如權利要求16所述的組件，其中，所述節(jié)約器包括兩個填充有致冷劑的板形翅片蛇管。
18.如權利要求16所述的組件，其中，所述節(jié)約器包括小型熱交換器或翅片管熱交換器。
19.如權利要求1所述的組件，其中，所述壓縮機是渦旋型壓縮機。
20.如權利要求1所述的組件，其中，蒸汽致冷劑的壓縮由壓縮機用不同的壓縮方法進行，如離心、反復、旋轉或螺旋壓縮機。
21.如權利要求1所述的組件，其中，所述壓縮機可以是打開、半氣密、或全氣密的。
22.如權利要求1所述的組件，包括軸線或離心循環(huán)風扇，用于在組件內循環(huán)空氣，并用于將調節(jié)后的空氣排放到所述調節(jié)室內。
23.如權利要求1所述的組件，包括便于引入新鮮空氣與所述組件內的空氣混合的進入裝置。
24.如權利要求23所述的組件，其中，所述進入裝置包括可調節(jié)吸入天窗結構。
25.一種熱泵組件，包括熱泵單元，其包括(i)包括用于空氣調節(jié)的高壓和低壓蒸發(fā)器的兩階段蒸發(fā)器系統(tǒng)；(ii)用于將顯熱引入所述空氣的熱氣冷凝器；(iii)壓縮機；以及(iv)用于接收來自所述熱氣冷凝器的空氣并便于維持潛熱負荷恒定的外部蒸發(fā)器；以及適于從所述熱泵單元接收調節(jié)后的空氣并將空氣再循環(huán)到熱泵單元中的干燥室。
26.如權利要求25所述的組件，其中，所述熱泵單元和所述干燥室彼此分隔，以有助于所述干燥室的擴展，而不需改變所述熱泵單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于干燥及空氣調節(jié)的模塊化通用熱泵系統(tǒng)。包括壓縮機(40a)、冷凝器(41)、蒸發(fā)器(45、52)和膨脹閥的熱泵的致冷元件容放在帶有三個交界口(74a、75a、76a)的框架內,便于經由柔軟工業(yè)用接頭與任何空氣處理室整合。對于干燥應用,本發(fā)明利用了針對產品的裝載和卸載改進的傳統(tǒng)進/出傳輸容器。對于產品的裝載和卸載采用了先入先出方法。對于空氣調節(jié)的應用,本結構可以連接到在系統(tǒng)修理和維護過程中提供空氣調節(jié)的腔室上。所提出的熱泵系統(tǒng)具有多個優(yōu)點,即,腔室容易擴展以滿足增多的產品、顯著減小工作停工時間、消除在空調系統(tǒng)的致冷元件維修期間熱度上的不適。
文檔編號F25B6/00GK1369050SQ99815379
公開日2002年9月11日 申請日期1999年12月6日 優(yōu)先權日1998年12月12日
發(fā)明者鄒紹強, 莫罕邁德·N·A·哈拉德, 何銳千, 蔡建永 申請人:新加坡國立大學