專利名稱：一種機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置及方法，屬于節(jié)能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低溫空氣干燥是當(dāng)前應(yīng)用最廣的干燥技術(shù)之一，如常見的食品、飲品、醫(yī)藥品、茶草和衣物等的干燥或烘干。對以上這些物料的低溫空氣干燥，與一般干燥工藝要求不同，較高或者較低的干燥溫度可能引起物料變性，物料對工藝操作溫度要求較為嚴(yán)格。目前主要是通過高品位化石燃料在適量空氣中燃燒，利用高品位高溫燃?xì)馀c過量常壓空氣摻混降溫或者直接電加熱預(yù)熱常壓非飽和空氣，提高空氣的吸濕能力，再將待干燥物料置于具有吸濕能力的空氣中，在飽和蒸汽壓力差的驅(qū)動下，待干燥物料中水分蒸發(fā)擴(kuò)散至非飽和空氣中，空氣的絕對含濕量升高，然后直接排出外界環(huán)境，或者對其利用環(huán)境介質(zhì)冷卻，降低空氣的絕對含濕量后再循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)對物料的低溫干燥或烘干。通過降低化石燃料燃燒后高品位熱能或者直接電加熱實(shí)現(xiàn)對物料的低溫空氣干燥，一方面存在著大量有用能的損失，另一方面對吸收物料蒸發(fā)水分后的高濕空氣采用環(huán)境介質(zhì)冷卻，又存在著大量低品位熱能損失。此外，如果外界空氣的濕度較大，待干燥空氣與外界空氣的蒸汽壓力差小，物料中水分的蒸發(fā)速率不高，采用此方法的效果更差。為便于操作，低溫空氣干燥一般采用常壓工藝流程。但是在常壓條件下，空氣中水蒸氣的飽和含量隨溫度降低下降明顯，只能通過提高操作溫度增加空氣的可吸濕量，來提高物料的蒸發(fā)速率和整體的干燥速率。而熱敏性物料受到干燥溫度的嚴(yán)格要求，采用常壓低溫空氣干燥存在干燥速率低或者空氣循環(huán)量巨大的問題。對低溫空氣干燥工藝分析可以看到，物料干燥速率主要受到兩個步驟的影響一是待干燥物料中水分蒸發(fā)擴(kuò)散至近飽和空氣，二是吸收了物料蒸發(fā)水分的近飽和空氣的降濕。為了有效改善直接式低溫空氣干燥工藝存在的能耗高、干燥速率低等不足，有必要對以上兩步驟的速率進(jìn)行改進(jìn)。有研究者提出了提高第二步驟速率的熱泵工藝，通過選擇適當(dāng)工質(zhì)，利用閉式熱泵循環(huán)可實(shí)現(xiàn)對熱敏物料的常壓低溫空氣烘干，由于熱泵循環(huán)能夠?qū)Ω稍镂锪虾蟮慕柡蜐窨諝饫鋮s過程中的顯熱進(jìn)行回收，因此，與常規(guī)常壓直接式低溫空氣干燥工藝相比，其能耗較低。但在常壓低溫條件下，待干燥物料中水分蒸發(fā)擴(kuò)散至近飽和空氣速率極低。因?yàn)槲锪细稍锼俾实谝徊襟E，即待干燥物料中水分蒸發(fā)擴(kuò)散至近飽和空氣的過程，是影響物料整體干燥速率的關(guān)鍵。因此采用常壓閉式熱泵工藝對物料的干燥速率影響較小。綜上可見，有必要考慮綜合改進(jìn)兩步驟的干燥速率，開發(fā)能耗低、干燥溫度范圍較廣以及干燥溫度、干燥速率可調(diào)的低溫空氣干燥裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能源利用率高的低溫空氣干燥裝置及方法?！N機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置及方法，其特征在于包括物料干燥筒、壓縮機(jī)、電動機(jī)、膨脹機(jī)、空氣預(yù)熱器、氣液分離器和排水泵；空氣預(yù)熱器嵌入在物料干燥筒內(nèi)；物料干燥筒的出口與壓縮機(jī)的入口相連，壓縮機(jī)的出口與空氣預(yù)熱器的流體入口相連，空氣預(yù)熱器的流體出口與氣液分離器的入口相連，氣液分離器的液相出口與排水泵相連，氣液分離器的氣相出口與膨脹機(jī)的入口相連，干燥筒的入口同時與膨脹機(jī)的出口以及物料筒出口相連；驅(qū)動電機(jī)與壓縮機(jī)和膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子相連。該機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置的膨脹機(jī)與壓縮機(jī)和電機(jī)同軸布置。采用膨脹機(jī)的好處有兩方面濕空氣在膨脹機(jī)中焓降增加，有利于提高膨脹機(jī)出口濕空氣的液相成分比例，從而提高干燥速率；而膨脹機(jī)與壓縮機(jī)同軸可回收部分膨脹功，從而可以降低壓縮機(jī)的電耗，降低整個干燥系統(tǒng)的能耗。該裝置的壓縮機(jī)為往復(fù)活塞式、羅茨式、螺桿式或者渦旋式等低轉(zhuǎn)速、低壓比濕空氣干密封壓縮機(jī)。壓縮機(jī)一方面為該系統(tǒng)提供動力源，使得干燥循環(huán)順利進(jìn)行；另一方面壓縮機(jī)壓縮濕空氣，提高濕空氣的焓值，增加濕空氣的吸濕能力。在低速、低壓比條件下，低轉(zhuǎn)速的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，用材一般、制造比較方便，具有可靠性高，工作范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。壓縮機(jī)采用干密封的主要作用是可避免常規(guī)壓縮機(jī)潤滑油泄漏可能引起對待干燥物料的二次污染。該裝置的干燥筒可采用抖動滾筒式，潮濕物料在一定轉(zhuǎn)動頻率和抖動頻率的滾動內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)物料的均勻干燥或者烘干。該空氣壓縮低溫干燥裝置的管道設(shè)計(jì)，需要滿足濕空氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮的要求。 由于該低溫干燥工藝在高壓工作條件下更具熱力性能優(yōu)勢且結(jié)構(gòu)緊湊，其管道設(shè)計(jì)不能采用常壓工藝現(xiàn)有常壓工藝所使用的軟橡膠管或者塑料管，需要采用硬質(zhì)材料的耐壓管設(shè)計(jì)，以防止在高壓或者真空條件下軟管爆破或者堵塞流動。啟動電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)，將物料干燥筒抽至微負(fù)壓，同時干燥筒內(nèi)，因物料中水分蒸發(fā)得到的增濕空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，被增壓為溫度和壓力均有所提高的濕空氣；該濕空氣然后進(jìn)入空氣預(yù)熱器熱側(cè)，對來物料干燥筒內(nèi)溫度較低的物料進(jìn)行加熱，促使物料中水分不斷蒸發(fā)，同時空氣預(yù)熱器熱側(cè)被冷凝的濕空氣進(jìn)入氣液分離器，氣液分離器液相出口的冷凝水，通過排水泵排入外界環(huán)境，氣液分離器的氣相出口的氣相組分為低溫濕空氣，則進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹對外輸出機(jī)械功；而從膨脹機(jī)出來濕空氣與待干燥原料混合后送入干燥筒，開始下一輪烘干循環(huán)。將空氣預(yù)熱器嵌入在物料干燥筒內(nèi)主要有兩個作用，一方面可以有效提高回?zé)岫?，較常規(guī)間接換熱方式減少了散熱損失，保證干燥系統(tǒng)的節(jié)能效果。另一方面，空氣預(yù)熱器和物料筒是烘干工藝結(jié)構(gòu)尺寸最大的部件，將空氣預(yù)熱器嵌入在物料干燥筒內(nèi)，能夠保證整個干燥工藝的結(jié)構(gòu)簡單緊湊。在相同干燥溫度條件下，與常壓低溫空氣干燥工藝相比，整個干燥工藝通過機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)壓縮空氣來提高空氣的品位，然后通過空氣預(yù)熱器將換熱量直接傳遞給干燥筒，用于物料中水分蒸發(fā)所需的熱量，由于減小了向外散失的熱量，因此該裝置具有低能耗的特點(diǎn)。該低溫空氣干燥工藝，可通過調(diào)整壓縮機(jī)壓比、改變干燥筒操作壓力，從而改變所需干燥溫度，通過提高壓縮機(jī)壓比，可提高干燥速率。降低干燥筒操作壓力可降低干燥溫度，同時可提高物料中水分蒸發(fā)擴(kuò)散至空氣中的速率，從而提高干燥工藝的整體速率。
干燥筒操作壓力達(dá)到物料熱敏溫度對應(yīng)的飽和壓力時，在得到足夠蒸發(fā)潛熱的條件下，物料中的水分因達(dá)到其沸點(diǎn)，會瞬間汽化蒸發(fā)擴(kuò)散至空氣中，其蒸發(fā)擴(kuò)散速率最高， 而低溫空氣干燥工藝的干燥速率主要受到物料中水分蒸發(fā)擴(kuò)散至空氣中的速率影響，因此干燥速率最佳操作壓力，為干燥筒達(dá)到物料熱敏溫度對應(yīng)的飽和壓力。


圖I是常壓直接低溫空氣干燥工藝；
圖2常壓閉式熱泵低溫空氣干燥工藝；
圖3是提出的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥工藝。圖中標(biāo)號名稱1.干燥筒,2.電機(jī),3.壓縮機(jī),4.空氣預(yù)熱器,5.膨脹機(jī),6.氣液分離器，7.排水泵，8.膨脹閥，9.冷凝器，10.水冷卻器，11.加熱器，12.循環(huán)風(fēng)機(jī)。
具體實(shí)施例方式參照附圖，本發(fā)明提供一種機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置及方法。設(shè)備依次包括物料干燥筒I、壓縮機(jī)3、電動機(jī)2、膨脹機(jī)5、空氣預(yù)熱器4、氣液分離器6和排水泵7， 空氣預(yù)熱器4嵌入在物料干燥筒I內(nèi)。物料干燥筒(I)依次與壓縮機(jī)3、空氣預(yù)熱器4熱流體入口、氣液分離器6、氣液分離器6入口相連。氣液分離器6具有氣相入口和液相出口，氣液分離器液相出口與排水泵7連；氣液分離器6氣相出口濕空氣與原料混合后進(jìn)入物料干燥筒I。其中驅(qū)動電機(jī)2與壓縮機(jī)3和膨脹機(jī)5轉(zhuǎn)子相連。對于空間結(jié)構(gòu)和重量要求較高的場合，還可考慮采用去除膨脹機(jī)5的方案。該流程相對圖I和圖2所示的常規(guī)低溫空氣干燥工藝具有結(jié)構(gòu)簡單，能耗低和干燥速率高等優(yōu)勢。而從能耗及干燥速率較佳的角度出發(fā)，采用圖3所示系統(tǒng)，由于回收了壓縮空氣的膨脹功，并采用干燥筒出口的部分空氣回收了壓縮空氣的顯焓，該系統(tǒng)整體能耗低，而干燥筒采用待物料熱敏溫度對應(yīng)的飽和壓力，可提高物料中水分的蒸發(fā)速率，整個系統(tǒng)的干燥速率也較高。下面參照附圖3，詳細(xì)說明本發(fā)明提供的低溫空氣干燥過程。該裝置的工作過程如下啟動電機(jī)2來驅(qū)動壓縮機(jī)3，一方面干燥筒I被抽成真空，另一方面干燥筒I中蒸發(fā)出來的濕空氣進(jìn)入壓縮機(jī)3，被增壓為高溫高壓濕空氣；從壓縮機(jī)3出來的高溫高壓的濕空氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器4熱側(cè)，由于空氣預(yù)熱器4嵌入在物料干燥筒I內(nèi)，熱側(cè)高溫濕空氣將熱量傳遞給物料干燥筒內(nèi)待干燥物料，促使物料中水分蒸發(fā)，而從空氣預(yù)熱器4熱側(cè)出來的濕空氣則被冷凝為含有液相的氣-液兩相混合物，并進(jìn)入氣液分離器6，液相冷凝水通過排水泵7排入外界環(huán)境，而氣液分離器6的氣相組分則進(jìn)入膨脹機(jī)5做功；經(jīng)過膨脹機(jī)5 做功后的濕空氣則同待干燥物料混合后送入干燥筒內(nèi)，開始下一輪干燥循環(huán)。該干燥工藝主要是通過壓縮物料蒸發(fā)的濕空氣來提高空氣的品質(zhì)，并借助嵌入在物料干燥筒I內(nèi)的空氣預(yù)熱器4回收了部分濕空氣放熱，來達(dá)到節(jié)能的效果；另外，膨脹機(jī)5與壓縮機(jī)3同軸可回收部分膨脹功，可降低電機(jī)2的電耗，從而降低整個干燥系統(tǒng)的能耗；該干燥工藝具有低能耗、干燥速率快和干燥溫度易控的優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置，其特征在于包括物料干燥筒(I)、壓縮機(jī) (3)、電動機(jī)(2)、膨脹機(jī)(5)、空氣預(yù)熱器(4)、氣液分離器(6)和排水泵(7)；其中空氣預(yù)熱器(4)嵌入在物料干燥筒(I)內(nèi)；其中物料干燥筒(I)的出口與壓縮機(jī)(3)的入口相連，壓縮機(jī)(3)的出口與空氣預(yù)熱器(4)的流體入口相連，空氣預(yù)熱器(4)的流體出口與氣液分離器(6)的入口相連，氣液分離器(6)的液相出口與排水泵(7)相連，氣液分離器(6)的氣相出口與膨脹機(jī)(5)的入口相連，干燥筒(I)的入口同時與膨脹機(jī)(5)的出口以及物料筒出口相連；其中驅(qū)動電機(jī)(2)分別與壓縮機(jī)(3)和膨脹機(jī)(5)的轉(zhuǎn)子相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置，其特征于上述膨脹機(jī)(5)、電機(jī)(2)與壓縮機(jī)(3)同軸布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置，其特征在于上述壓縮機(jī)(3)為往復(fù)活塞式，或羅茨式，或螺桿式，或渦旋式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置，其特征在于上述物料干燥筒(I)為抖動滾筒式。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置，其特征在于上述干燥裝置涉及的管道，均為硬質(zhì)材料的耐壓管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置的干燥方法，其特征在于包括以下過程啟動電機(jī)(2 )驅(qū)動壓縮機(jī)(3 )，將物料干燥筒(I)抽至微負(fù)壓，同時干燥筒(I)內(nèi)，因物料中水分蒸發(fā)得到的增濕空氣進(jìn)入壓縮機(jī)(3)，被增壓為溫度和壓力均有所提高的濕空氣； 該濕空氣然后進(jìn)入空氣預(yù)熱器(4)熱側(cè)，對來物料干燥筒(I)內(nèi)溫度較低的物料進(jìn)行加熱， 促使物料中水分不斷蒸發(fā)，同時空氣預(yù)熱器(4)熱側(cè)被冷凝的濕空氣進(jìn)入氣液分離器(6)， 氣液分離器(6)液相出口的冷凝水，通過排水泵(7)排入外界環(huán)境，氣液分離器(6)的氣相出口的氣相組分為低溫濕空氣，則進(jìn)入膨脹機(jī)(5)膨脹對外輸出機(jī)械功；而從膨脹機(jī)(5)出
全文摘要
一種機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥裝置及方法，屬節(jié)能領(lǐng)域。其特征在于包括物料干燥筒(1)、壓縮機(jī)(3)、電動機(jī)(2)、膨脹機(jī)(5)、空氣預(yù)熱器(4)、氣液分離器(6)和排水泵(7)，空氣預(yù)熱器(4)嵌入在物料干燥筒(1)內(nèi)。物料干燥筒(1)依次與壓縮機(jī)(3)、空氣預(yù)熱器(4)熱流體入口、氣液分離器(6)入口相連。氣液分離器(6)具有氣相出口和液相出口，氣液分離器(6)液相出口與排水泵(7)相連；氣液分離器(6)氣相出口濕空氣與原料混合后進(jìn)入物料干燥筒(1)。其中驅(qū)動電機(jī)(2)與壓縮機(jī)(3)和膨脹機(jī)(5)轉(zhuǎn)子相連。該機(jī)械蒸汽再壓縮低溫空氣干燥工藝具有干燥速率高、能耗低、干燥溫度適應(yīng)范圍寬的特點(diǎn)，特別適用于現(xiàn)有空氣干燥，特別是衣物烘干工藝的節(jié)能減排改造。
文檔編號B01D53/26GK102600704SQ20121007700
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者周雷, 岳晨, 梁林, 焦煒琪, 田智昀, 申耀陽, 趙錦杰, 郭新賢, 陳慧, 韓東 申請人:南京航空航天大學(xué)