[發明專利]一種新式余熱與凝水回收凍干機及其運行方法

有效

• 申請號: 202010422550.8
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111457683B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 趙海波;吳坤;肖永清;戴家傲
• 申請（專利權）人: 煙臺大學
• 主分類號: F26B5/06
• 分類號: F26B5/06;F25B13/00;F25B43/00;F25B41/20;F25B41/30;F25D21/08;F25D21/14
• 代理公司: 煙臺雙聯專利事務所(普通合伙) 37225
• 代理人: 王娟

1.一種新式余熱與凝水回收凍干機，其特征在于其包括制冷系統、冷凝水回收系統、余熱回收加熱系統、化霜系統四部分，其中制冷系統包括制冷壓縮機（1）、換熱器（2）、儲液罐（3）、第一節流閥（4）、第五電磁閥（24）、蒸發器（5）、第一電磁閥（6）、第二節流閥（7）、冷阱（8）、第九電磁閥（9）、第一單向閥（29-1）、第二單向閥（29-2）、第三單向閥（29-3）、第四單向閥（29-4）組成；冷凝水回收系統包括凍干箱（10）、箱阱閥（18）、真空泵（22），余熱回收加熱系統包括散熱器（11）、第二電磁閥（12）、第六電磁閥（13）、第一循環泵（14）、設有電加熱裝置的蓄熱器（15）、第三電磁閥（16）、電動閥（17）、油箱（19）、第四電磁閥（20）、第二循環泵（21）、第八電磁閥（28）；化霜系統包括四通換向閥（27）、截止閥（23）、集水器（25）、第七電磁閥（26）；與制冷系統共同實現化霜功能；換熱器（2）內置換熱盤管（2-1），蒸發器（5）內置蒸發盤管（5-1），冷阱（8）內置盤管（8-1）；

制冷壓縮機（1）的出口連接四通換向閥（27）的右側進口，四通換向閥（27）上部出口連接換熱器（2）的換熱盤管（2-1）的進口，換熱器（2）的換熱盤管（2-1）的出口連接第二單向閥（29-2）和第四單向閥（29-4），第二單向閥（29-2）連接儲液罐（3）的進口和第一單向閥（29-1），儲液罐（3）的出口一路連接第五電磁閥（24）的進口，第五電磁閥（24）的出口連接第一節流閥（4）的進口，第一節流閥（4）的出口連接蒸發器（5）的蒸發盤管（5-1）的進口，蒸發器（5）的蒸發盤管（5-1）的出口連接第七電磁閥（26）的進口；儲液罐（3）的出口另一路連接第一電磁閥（6）的進口，第一電磁閥（6）的出口連接第二節流閥（7）的進口，第二節流閥（7）的出口連接第三單向閥（29-3）和第四單向閥（29-4），第一單向閥（29-1）和第三單向閥（29-3）連接冷阱（8）的盤管（8-1）的進口，冷阱（8）的盤管（8-1）的出口連接第九電磁閥（9）的進口，第九電磁閥（9）出口與第七電磁閥（26）出口并聯后連接四通換向閥（27）下部進口，四通換向閥（27）左側出口連接制冷壓縮機（1）的進口；冷阱（8）下側的出口連接截止閥（23）的進口，截止閥（23）的出口連接集水器（25）的進口；冷阱（8）左側的出口連接真空泵（22），冷阱（8）上側的進口連接箱阱閥（18）的出口，箱阱閥（18）的進口連接凍干箱（10）下側的出口，凍干箱（10）的出口一路連接蒸發器（5）的進口，蒸發器（5）左側的出口連接第二循環泵（21）的進口，第二循環泵（21）的出口連接第四電磁閥（20）的進口，第四電磁閥（20）的出口連接凍干箱（10）的進口；凍干箱（10）的出口另一路連接油箱（19）的接口，油箱（19）還連接第六電磁閥（13）的進口，第六電磁閥（13）的出口一路連接第八電磁閥（28）出口，另一路連接第一循環泵（14）的進口，第一循環泵（14）的出口連接換熱器（2）的進口，換熱器（2）的出口一路連接散熱器（11）的進口，散熱器（11）的出口連接第二電磁閥（12）的進口，第二電磁閥（12）的出口與第六電磁閥（13）和第八電磁閥（28）出口并聯后連接第一循環泵（14）的進口，換熱器（2）的出口另一路連接第三電磁閥（16）的進口，第三電磁閥（16）的出口連接蓄熱器（15）的進口，蓄熱器（15）的出口連接電動閥（17）的進口，電動閥（17）的出口與第四電磁閥（20）的出口串聯后連接凍干箱（10）的進口。

2.根據權利要求1所述的一種新式余熱與凝水回收凍干機，其特征在于所述的換熱器（2）采用板式換熱器或管殼式換熱器或套管式換熱器。

3.根據權利要求1所述的一種新式余熱與凝水回收凍干機，其特征在于所述的蒸發器（5）采用板式換熱器或管殼式換熱器或套管式換熱器。

4.權利要求1所述的一種新式余熱與凝水回收凍干機的運行方法，其特征在于其包括預凍、升華干燥、解析干燥、化霜四個階段；

1)預凍階段：將物料中的水分降溫使其凍結成固態；第五電磁閥（24）、第七電磁閥（26）、第二電磁閥（12）、第一循環泵（14）、第四電磁閥（20）、第二循環泵（21）、第三電磁閥（16）、第八電磁閥（28）開啟，而第一電磁閥（6）、蓄熱器（15）的電加熱、電動閥（17）、箱阱閥（18）、真空泵（22）、截止閥（23）、第六電磁閥（13）、第九電磁閥（9）關閉；

預凍階段制冷劑回路：制冷壓縮機（1）輸出的制冷劑蒸氣進入四通換向閥（27），然后進入換熱器（2）中的換熱盤管（2-1），放出大量的熱量后變成高溫高壓的液體，經過第二單向閥（29-2）進入儲液罐（3），再經過第五電磁閥（24）進入第一節流閥（4），節流后制冷劑變為低溫低壓的液體，進入蒸發器（5）的蒸發盤管（5-1），吸熱后變成低溫低壓的制冷劑氣體，經第七電磁閥（26）、四通換向閥（27）流回制冷壓縮機（1）；

預凍階段流體介質回路：一路流體介質在蒸發器（5）中被吸熱后在第二循環泵（21）的驅動下經過第四電磁閥（20）進入凍干箱（10），在箱體中吸熱流回到蒸發器（5）；另一路流體介質的一路流經換熱器（2）被加熱后一路進入散熱器（11），散熱量后經過第二電磁閥（12），在第一循環泵（14）驅動下流回換熱器（2）；另一路流體介質的另一路經第三電磁閥（16）進入蓄熱器（15），熱量蓄存在蓄熱器（15）內，其中的電加熱不啟用，流出后經第八電磁閥（28），與第二電磁閥（12）并聯后進入第一循環泵（14）；此處的流體介質是油或乙二醇鹽溶液；

2)升華干燥階段：需要抽真空，且在低溫環境下升溫，溫度升高至設定溫度后，通過流體介質和制冷劑切換保持其溫度恒定，該設定溫度比共晶點低至少5℃-10℃，升華干燥階段分升溫加熱和保持溫度恒定兩個階段；在升華干燥階段物料中的大部分水從固態直接變成氣態被抽走；

在升華干燥階段的升溫加熱階段，第一電磁閥（6）、第九電磁閥（9）、第一循環泵（14）、第三電磁閥（16）、電動閥（17）、第六電磁閥（13）、箱阱閥（18）、真空泵（22）開啟，第五電磁閥（24）、第二電磁閥（12）、第四電磁閥（20）、第二循環泵（21）、蓄熱器（15）的電加熱、截止閥（23）、第七電磁閥（26）、第八電磁閥（28）關閉；

此時制冷壓縮機（1）輸出的制冷劑蒸氣進入四通換向閥（27），然后進入換熱器（2）中的換熱盤管（2-1），放出大量的熱量后變成高溫高壓的液體，經第二單向閥（29-2），流入儲液罐（3）后經過第一電磁閥（6）進入第二節流閥（7），節流后經第三單向閥（29-3），進入冷阱（8）的盤管（8-1），經第九電磁閥（9），進入四通換向閥（27）下部進口后，流回制冷壓縮機（1）；制冷劑在換熱盤管（2-1）中將流體介質加熱后，再經第三電磁閥（16）、蓄熱器（15）、電動閥（17）進入凍干箱（10），流出后經第六電磁閥（13）、第一循環泵（14）回到換熱盤管（2-1）；真空泵（22）運行，凍干箱（10）內氣壓下降，物料中的水分開始升華，經箱阱閥（18）進入冷阱（8），在冷阱盤管（8-1）表面凝結；電動閥（17）的開度根據凍干箱（10）內溫度進行調節，當溫度高于設定溫度則開度關小，否則開度增加；

在升華干燥階段的保持溫度恒定階段，第一電磁閥（6）、第九電磁閥（9）、箱阱閥（18）、真空泵（22）開啟，截止閥（23）、第八電磁閥（28）關閉；

當溫度低于設定溫度時，第五電磁閥（24）、第七電磁閥（26）、第四電磁閥（20）、第二循環泵（21）關閉，第二電磁閥（12）、第三電磁閥（16）、電動閥（17）、第六電磁閥（13）、第一循環泵（14）開啟；電動閥（17）的開度可調節，根據凍干箱（10）內溫度進行調節，當溫度高于設定溫度則開度關小，否則開度增加；當電動閥（17）開度調至最大時，箱內溫度仍低于設定溫度，則蓄熱器（15）內的電加熱裝置開始加熱，否則停止加熱；當電動閥（17）的開度調至最小時，第二電磁閥（12）開啟，否則第二電磁閥（12）關閉；制冷壓縮機（1）輸出的制冷劑蒸氣流經四通換向閥（27）進入換熱器（2）中的換熱盤管（2-1），放熱后變成高溫高壓的液體，經第二單向閥（29-2），進入儲液罐（3），再經第一電磁閥（6）、第二節流閥（7）、第三單向閥（29-3），進入冷阱（8）的盤管（8-1），提供捕獲水蒸氣的冷量，然后進入第九電磁閥（9），經四通換向閥（27）流回制冷壓縮機（1）；對流體介質，先經換熱器（2）的換熱盤管（2-1）被加熱，流出后分成兩路，一路進入散熱器（11），散熱量后經過第二電磁閥（12），如此時第二電磁閥（12）開啟，則經第一循環泵（14）驅動下流回換熱器（2），另一路經第三電磁閥（16）、蓄熱器（15）、電動閥（17）進入凍干箱（10），流出后經第六電磁閥（13）與另一路匯合后經第一循環泵（14）驅動下流回換熱器（2）；

當溫度高于設定溫度時，第五電磁閥（24）、第七電磁閥（26）、第四電磁閥（20）、第二循環泵（21）、第二電磁閥（12）、第一循環泵（14）開啟，第三電磁閥（16）、電動閥（17）、第六電磁閥（13）關閉；制冷壓縮機（1）輸出的制冷劑蒸氣流經四通換向閥（27）進入換熱器（2）中的換熱盤管（2-1），放熱后變成高溫高壓的液體，經第二單向閥（29-2）和儲液罐（3）后，分成兩路，一路經第一電磁閥（6）、第二節流閥（7）、第三單向閥（29-3）進入冷阱（8）的盤管（8-1），提供捕獲水蒸氣的冷量，然后進入第九電磁閥（9），與另一路來自第七電磁閥（26）的制冷劑匯合后流經四通換向閥（27）流回制冷壓縮機（1）；另一路制冷劑經第五電磁閥（24）、第一節流閥（4）進入蒸發器（5）的蒸發盤管（5-1），吸熱后變成低溫低壓的制冷劑氣體，進入第七電磁閥（26），與另一路來自第九電磁閥（9）的制冷劑匯合后流經四通換向閥（27）流回制冷壓縮機（1）；對流體介質，先經換熱器（2）的換熱盤管（2-1）被加熱，流出后進入散熱器（11），散熱量后經過第二電磁閥（12），在第一循環泵（14）驅動下流回換熱器（2）；

3)解析干燥階段：需要在真空條件下使物料進一步升溫，并保持一定的溫度，使物料中的結合水被析出；解析干燥階段分升溫加熱和保持溫度恒定兩個階段；在解析階段物料中的剩余的水分以氣態被抽走；

解析干燥階段的升溫加熱階段的閥門與泵的開關狀態及運行方法與2)步驟中升華干燥階段的升溫加熱階段的閥門與泵的開關狀態及運行方法完全相同；解析干燥階段的保持溫度恒定階段的閥門與泵的開關狀態及運行方法與2)步驟中升華干燥階段的保持溫度恒定階段的閥門與泵的開關狀態及運行方法完全相同；

4)化霜階段：使凝結于冷阱內的霜融化，使用集水器（25）將其進行收集；

截止閥（23）開啟，第一電磁閥（6）、第九電磁閥（9）、第二電磁閥（12）、第一循環泵（14）開啟，第六電磁閥（13）、第三電磁閥（16）、電動閥（17）、箱阱閥（18）、第四電磁閥（20）、第二循環泵（21）、蓄熱器（15）的電加熱、真空泵（22）、第五電磁閥（24）、第七電磁閥（26）、第八電磁閥（28）關閉，四通換向閥（27）換向；

截止閥（23）開啟后，冷阱（8）內壓力恢復為大氣壓力；此時開始化霜運行；

化霜階段制冷劑回路：壓縮機（1）輸出的高溫高壓制冷劑蒸汽進入四通換向閥（27）右側進口，經過換向后從下部出口流出，經第九電磁閥（9）流入冷阱（8）內的盤管（8-1），放熱后變為低溫高壓制冷劑液體，凝結于冷阱內盤管（8-1）上的霜吸熱融化，融化的凝結水在重力的作用下，經過截止閥（23）流入集水器（25），制冷劑液體經過第一單向閥（29-1），進入儲液罐（3），經第一電磁閥（6）后，再經第二節流閥（7）節流成為低溫低壓的制冷劑液體，經第四單向閥（29-4）流入換熱器（2）(換熱器（2）起蒸發器作用)內的換熱盤管（2-1），制冷劑液體吸熱氣化流經四通換向閥（27）上部和左側接口后，流回壓縮機（1）；

化霜階段流體介質回路：流體介質流在換熱器（2）內放熱后流入散熱器（11）吸收外界的熱量，在第一循環泵（14）的作用下經過第二電磁閥（12）流回換熱器（2）內完成循環。