吸附热泵耦合干燥系统.pdf

本发明涉及一种吸附-热泵耦合干燥系统，由热泵系统、干燥系统和吸附除湿系统耦合而成；其中，热泵系统由热泵机组1、蒸发器2、节流阀4和冷凝器8组成；干燥系统由干燥箱6、过滤器7和干燥风机12组成；吸附除湿系统由吸附除湿器9、再生风机11、加热器10构成；所述的吸附-热泵干燥系统耦合过程为：干燥介质气体f在对干燥箱6内物料进行干燥后，由干燥风机12引入蒸发器2冷却除湿，再进入吸附除湿器9被吸附除湿，然后进入冷凝器8调节至干燥温度，再经过滤器7后，进入干燥箱6对物料进行干燥。本发明所述的系统具有干燥速率快，干燥后物料品质优良，干燥过程能耗低等优点。

1.  本发明的吸附-热泵耦合干燥系统，其特征在于由热泵系统、干燥系统和吸附除湿系统耦合而成；其中，热泵系统由热泵机组(1)、蒸发器(2)、节流阀(4)和冷凝器(8)组成；干燥系统由干燥箱(6)、过滤器(7)和干燥风机(12)组成；吸附除湿系统由吸附除湿器(9)、再生风机(11)和加热器(10)构成；所述的吸附-热泵干燥系统耦合过程为：干燥介质气体(f)在对干燥箱(6)内物料进行干燥后，由干燥风机(12)引入蒸发器(2)冷却除湿，再进入吸附除湿器(9)被吸附除湿，然后进入冷凝器(8)调节至干燥温度，再经过滤器(7)后，进入干燥箱(6)对物料进行干燥。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于干燥介质气体为空气、氮气或二氧化碳气；干燥系统损失的干燥介质气体由外界新鲜干燥介质(e)经阀门(5)补入。

3.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于蒸发器(2)底部设有排水阀(3)，流经蒸发器(2)的干燥介质气体被冷却除湿，其冷凝水(d)经阀门(3)排出干燥系统。

4.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的热泵机组(1)为蒸汽压缩式、吸收式或吸附式热泵；所述的从干燥箱(6)出口的干燥介质气体首先进入热泵系统的蒸发器(2)冷却除湿，冷凝过程释放的潜热及干燥介质气体温度降低释放的显热供给蒸发器(2)中的制冷剂蒸发，蒸发器(2)蒸发的制冷剂蒸汽被热泵机组(1)压缩，送入热泵系统的冷凝器(8)，在冷凝器(8)中制冷剂蒸汽被冷却为液体，冷凝热用于加热干燥介质气体；制冷剂液体经节流阀(4)节流膨胀、降低压力后，重新回到蒸发器(2)。

5.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的吸附除湿器(9)为固定床吸附除湿器或除湿转轮；经热泵系统的蒸发器(2)除去大部分水分后的干燥介质气体，送入吸附除湿器(9)被进一步吸附除湿；吸附除湿器(9)内的吸附剂吸附饱和后，切换到解吸再生过程，外界新鲜空气或氮气(a)经再生风机(11)引入加热器(10)，用热能(b)将其加热后，进入吸附除湿器(9)对吸附饱和的吸附剂进行解吸，离开吸附除湿器(9)的具有较高温度和湿度气体(c)排出系统；解吸结束后，吸附除湿器(9)恢复吸附能力，重新切换至吸附过程，对干燥介质气体进行吸附深度除湿。

6.  根据权利要求5所述的吸附除湿系统，其特征在于热能(b)为太阳能、地热能、工业余热或废热。

吸附-热泵耦合干燥系统
技术领域
本发明涉及一种吸附-热泵耦合干燥系统，综合了吸附干燥过程基本不破坏物料品质、热泵干燥过程节能的优势，属于高效联合干燥过程及技术领域。
背景技术
热敏性物料，即对温度(主要是高温)比较敏感的物料(如食品、果蔬、药品、织物和谷物种子等)的干燥是目前国内外研究的热门课题。
大部分食品的营养成分属于热敏性物料，如果加工不当，营养成分(如维生素等)就会受到不同程度的损害。
果蔬多为热敏性物料，在干燥过程中，由于干燥方法、操作参数等的影响会导致其质量退化：退化过程一般包括生化过程(如细胞萎缩)、酶过程(如活力的丧失)、化学过程(如营养价值和活力的降低)以及物理过程(如可溶性、复水性、收缩、香味损失等)。
水稻是一种热敏性物料，淀粉含量高，对干燥过程非常敏感：在干燥过程中，脱水温度较高、脱水速度稍快就可能产生应力裂纹(爆腰)等不利现象，造成稻谷的质量损失。爆腰的稻谷作为食用水稻在碾米时很容易被碾碎，使整精米率严重下降，直接影响大米的市场价值；而作为种子已丧失了生命力。
超干贮藏是种子(水分含量降至5％以下)贮藏研究领域的一个重要方法，要使种子含水量降至5％以下，采用一般干燥技术难以做到，如用高温烘干则会降低种子生命力。
现代药品大多是热敏性物料，如脂质体、干扰素和生长激素等；此外，还有我国的中草药。在干燥过程中，过高的温度容易引起药品外观色泽的变化，有效成分的损失和其它的化学、生物变化等，因此，干燥工艺的关键是干燥温度的控制，适宜的干燥条件对保证药品的质量具有非常重要的意义。
由于热敏性物料对温度的敏感性，以及具有易氧化和逸散等特点，使许多传统的干燥方式受到限制。目前国内热敏性物料干燥多采用热风干燥、热泵干燥和冷冻干燥等方式。
热风干燥简单经济，成本低廉，但温度较高容易使物料内部组织发生变化，导致复水性差，品质下降。冷冻干燥虽然可以很好的保存物料原有的色、香、味及形状，干燥后复水性好，营养成分损失少，但其干燥设备昂贵，加工成本高，大规模生产有难度。
采用热泵技术对物料进行干燥是近期发展起来的一种节能效果明显，而又切实可行的新方法。热泵干燥过程在封闭的系统内进行。热泵系统内的工质在蒸发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后，蒸发为蒸汽；经压缩机压缩后送到冷凝器中，在高压下热泵工质冷凝液化，放出的冷凝热用于加热来自蒸发器的低温干空气，将低温干空气加热到要求的温度后，进入干燥室作为干燥介质循环使用；液化后的热泵工质经节流膨胀再次回到蒸发器内。干燥过程排放的废气中大部分水蒸汽在蒸发器中被冷凝下来直接排掉，从而达到除湿干燥的目的。干燥过程中不但回收了废气中的显热，而且回收了废气中的潜热，热能损耗仅限于系统的热阻和热泄漏，这是其它干燥技术无法比拟的。热泵干燥气流相对湿度调节范围在15-80％，难以有效进行热敏性物料深度干燥；干燥过程时间较长，延长的时间会增加物料干燥过程受破坏的程度；干燥后物料收缩较明显，复水性能也不及冷冻干燥好。
吸附式低温干燥确切地说是吸附式低温气流干燥，是将冷冻除湿和吸附除湿相结合，综合利用对高温高湿度空气冷冻除湿成本低，以及对低温低湿度空气吸附除湿效率高的特点，得到低温、低湿的空气进行热敏性物料干燥。空气首先在一级表冷器(冷冻水温5-7℃)中进行冷凝除湿，再进入吸附器或除湿轮的吸附区进行深度除湿(露点温度-10℃以下)，放出的吸附热使干空气温度升高；二级表冷器对干空气进行等湿冷却，调节到适宜的气流温度，送入干燥箱对物料进行干燥。为减少吸附器或除湿轮的工作负荷，出干燥箱的部分气体可循环使用；吸附剂的再生可利用工厂废热、余热等低品位热能或太阳能为再生热源；由制冷系统提供5-7℃的冷冻水给一、二级表冷器。吸附式低温干燥是一种以传质推动力为主的新型干燥工艺，特别适用于热敏性物料的干燥。干燥制品原色原味、营养损失小、复水效果好；系统可有效利用低品位热源(工业废热和余热等)或太阳能。该干燥方法由华南理工大学丁静等开发，并在广州市华工泰除湿设备有限公司得到了推广应用。
此外，随着基础科研、尖端技术、精密检测、石油化工、微电子、光导纤维以及冶金等领域的不断发展，一些特种工艺和工程(如夹层玻璃、胶片生产、生物制药等)对气体的温、湿度提出了新的要求，尤其对气体干燥度的要求越来越苛刻。单一的冷冻除湿机或转轮除湿机均很难满足上述场合对空气温、湿度的苛刻要求，综合运用冷冻除湿在高温高湿工况下除湿量大和吸附式转轮除湿在低温低湿工况下除湿深度高的优点，采用冷冻-吸附组合的除湿方式可解决上述困难，这类除湿机组可获得露点为-40℃的干燥空气。
但是，上述吸附式低温干燥过程和冷冻-吸附组合除湿方式，对进入和离开吸附床或除湿轮的气流均进行了冷却，均须消耗冷量，增加了干燥和除湿过程的能耗。
发明内容
本发明的目的是针对现有吸附式低温干燥过程和冷冻-吸附组合的除湿方式冷量消耗大的局限，提出一种吸附-热泵耦合干燥系统，该系统将冷冻除湿、吸附除湿以及热泵干燥过程进行组合，以提高干燥和除湿过程的效率，降低过程的能耗。
本发明的技术方案的实现：一种吸附-热泵耦合干燥系统，其特征在于由热泵系统、干燥系统和吸附除湿系统耦合而成；其中，热泵系统由热泵机组1、蒸发器2、节流阀4和冷凝器8组成；干燥系统由干燥箱6、过滤器7和干燥风机12组成；吸附除湿系统由吸附除湿器9、再生风机11、加热器10构成；所述的吸附-热泵干燥系统耦合过程为：干燥介质气体f在对干燥箱6内物料进行干燥后，由干燥风机12引入蒸发器2冷却除湿，再进入吸附除湿器9被吸附除湿，然后进入冷凝器8调节至干燥温度，再经过滤器7后，进入干燥箱6对物料进行干燥。
本发明的吸附-热泵耦合干燥系统，其特征在于干燥介质气体为空气、氮气或二氧化碳气；干燥系统损失的干燥介质气体由外界新鲜干燥介质e经阀门5补入。本发明的吸附-热泵耦合干燥系统，其特征在于蒸发器2底部设有排水阀3，流经蒸发器2的干燥介质气体被冷却除湿，其冷凝水d经阀门3排出干燥系统。
本发明的吸附-热泵耦合干燥系统，其特征在于所述的热泵机组1为蒸汽压缩式、吸收式或吸附式；所述的从干燥箱6出口的干燥介质气体首先进入热泵系统的蒸发器2冷却除湿，冷凝过程释放的潜热及干燥介质气体温度降低释放的显热供给蒸发器2中的制冷剂蒸发；蒸发器2蒸发的制冷剂蒸汽被热泵机组1压缩，送入热泵系统的冷凝器8；在冷凝器8中制冷剂蒸汽被冷却为液体，该冷凝热用于加热干燥介质气体；制冷剂液体经节流阀4节流膨胀、降低压力后，重新回到蒸发器2。
所述的吸附除湿器9为固定床吸附除湿器或除湿转轮；经热泵系统的蒸发器2除去大部分水分后的干燥介质气体，送入吸附除湿器9被进一步吸附除湿；吸附除湿器9内的吸附剂吸附饱和后，切换到解吸再生过程，外界新鲜空气或氮气a经再生风机11引入加热器10，用热能b将其加热后，进入吸附除湿器9对吸附饱和的吸附剂进行解吸，离开吸附除湿器9的高温、高湿气体c排出系统；解吸结束后，吸附除湿器9恢复吸附能力，重新切换至吸附过程，对干燥介质气体进行吸附深度除湿。本发明的吸附除湿系统，上述的热能b为太阳能、地热能、工业余热或废热。
本发明工作原理如下，对于干燥系统，干燥介质气体在干燥箱对物料进行干燥后，气体温度降低、湿度提高，由风机将其引入热泵系统的蒸发器，在蒸发器中该气体被冷却，冷凝除去气体中的水分；同时，气体温度进一步降低，成为低温、低湿的气体。但是，冷凝除湿后，气流露点一般高于0℃，难以高效进行物料干燥。因此，将经过冷却除湿的气体送入吸附除湿器，进一步进行吸附除湿，气体的湿度进一步降低，露点可达-40℃，可适应热敏性物料的干燥，以及特殊场合对气体干燥度的要求。干燥介质气体在吸附除湿过程中，由于吸附放出的吸附热，使得气体温度会略有上升，因此需要调节气体温度，进一步满足热敏性物料干燥过程的要求。与传统吸附式低温干燥或吸附-冷冻联合除湿过程不同的是，本发明利用热泵系统的冷凝器来调节进入干燥箱气流的温度，节约了冷冻系统的能耗。经调湿、调温后的干燥介质气体，再经过滤器除去粉尘后，进入干燥箱进行物料干燥。由于干燥介质气体的低温、低湿特性，在物料干燥过程的推动力主要来自基于湿度差的传质推动力，有利于热敏性物料的深度干燥；同时，干燥物料会得到和冷冻干燥类似的品质。本发明的干燥介质气体为空气、氮气或二氧化碳气；干燥介质气体在干燥系统循环，有利于保证物料干燥过程的品质；不足的干燥介质气流由外界的新风补入。
本发明的吸附-热泵耦合干燥系统应用范围广泛，特别适用于食品、果蔬、种子、药品、各类中草药和生物质等热敏性物料的干燥，以及为特种工艺和工程等特殊场合提供低温、低湿的气流。
有益效果：
(1)物料干燥品质和真空冷冻干燥相当，但是能耗远低于真空冷冻干燥；
(2)相对热泵干燥系统，干燥介质气体湿度更低，有利于提高干燥过程速率，并提高物料品质；
(3)相对吸附式低温干燥系统，干燥介质气体温度可调节范围宽，可适应不同特征物料的干燥；
(4)相对吸附式低温干燥或吸附-冷冻联合除湿过程，能耗较低，有利于节能降耗。
附图说明
图1为吸附-热泵耦合干燥系统图；其中1-热泵机组；2-蒸发器；3-水阀；4-节流阀；5-新风阀；6-干燥箱；7-过滤器；8-冷凝器；9-吸附除湿器；10-加热器；11-再生风机；12-干燥风机；a-再生新风口；b-热能；c-解吸排风口；d-干燥系统排水；e-干燥新鲜介质入口；f-干燥介质气体
具体实施方式
实施例1
本发明可结合附图1实施，但并不限制本发明的使用范围。
结合附图中具体的部件，吸附-热泵耦合干燥系统应用过程如下。
干燥系统的干燥介质气体f对干燥箱6内物料进行干燥后，气体温度降低、湿度提高，由干燥风机12送入热泵系统的蒸发器2冷却除湿，冷凝除去气体中的水分，冷凝出的水分d经排水阀3排出干燥系统，被冷却后的气体温度进一步降低，成为低温、低湿的气体，该气体被送入吸附除湿器9，进一步进行吸附除湿，气体的湿度进一步降低，露点低至-40℃。吸附除湿后的气体经热泵系统的冷凝器8调节至合适的干燥温度。经调湿、调温后的干燥介质气体，经过滤器7除去粉尘后，进入干燥箱6对其中物料进行干燥。干燥系统运行过程中，因泄漏损失的气体由外界环境的新鲜干燥介质e经风阀5补入。
本发明的热泵系统，由热泵机组1、冷凝器8、蒸发器2和节流阀4组成。出干燥箱6口的气体首先进入热泵系统的蒸发器2，在合适的蒸发温度下，冷却除去气体中的大部分水分，水分冷凝释放的潜热及空气温度降低释放的显热供给蒸发器2中制冷剂的蒸发。蒸发器2中蒸发的制冷剂蒸汽被热泵机组1压缩后，送入热泵系统的冷凝器8，在冷凝器8中制冷剂蒸汽冷凝热用于加热干燥介质气体的温度。制冷剂液体经节流阀4节流膨胀，降低压力后，重新进入蒸发器2。随着制冷剂在热泵系统的循环，干燥介质气体的热量不断被利用。
本发明的吸附除湿系统，由吸附除湿器9、再生风机11和加热器10构成。经热泵系统的蒸发器2除去大部分水分后的干燥介质气体，经再生风机11送入吸附除湿器9进行吸附除湿，微量的水分被吸附剂吸附深度脱除。吸水饱和的吸附除湿器9，需要切换进行解吸再生；外界新鲜空气a经再生风机11送入加热器10，用热能b将其加热后，热空气送吸附除湿器9对吸附饱和的吸附剂进行解吸，出吸附除湿器的高温、高湿气体c排出系统。解吸结束后，吸附除湿器9恢复吸附能力，可重新切换至吸附过程，对干燥介质气体进行吸附深度除湿。热能b为太阳能、工业余热或废热。
本发明的干燥系统处于封闭状态，干燥过程除了排出冷凝水、补充新干燥介质之外，没有任何废气、废液等废弃物排放，符合环境保护的要求。
实施例2
新鲜香菇10kg(含水率约90％)，经过整理、清洗、杀菌预处理、沥干等工序，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为空气，干燥介质温度为60℃、相对湿度为2％。干燥过程中，干燥箱6出口的高湿度的空气温度为45℃，相对湿度为90％；该气流被热泵系统的蒸发器2冷却除去大量水分，此时，气流温度降至8℃，相对湿度为96％；该气流进一步被吸附除湿器9吸附除湿，温度升至30℃，相对湿度降至10％；气流最后经热泵系统的冷凝器8进一步调节至温度为60℃、相对湿度为2％，进入干燥箱6进行香菇干燥。香菇干燥至含水率为15％，停止干燥。干燥香菇外观品质和营养成分保存率接近冷冻干燥，比冷冻干燥节能40-45％。
实施例3
新鲜橘柑5kg(含水率约80％)，经过整理、清洗、沥干等工序，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为二氧化碳，干燥介质温度为50℃、相对湿度为5％。干燥至含水率为3％，停止干燥。干燥后得到的陈皮，保持鲜艳的色泽和浓郁的气味，比冷冻干燥节能50-55％。
实施例4
三孢布拉霉菌5kg(含水率约85％)，经过整理、成型等工序，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为氮气，干燥介质温度为35℃、相对湿度为3％。干燥至含水率为10％，停止干燥。干燥后三孢布拉霉菌的番茄红素和β-胡萝卜素的保存率接近冷冻干燥，比冷冻干燥节能35-40％。
实施例5
新鲜菜心10kg(含水率约80％)，经过整理、清洗、漂烫、沥干等工序，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为空气，干燥介质温度为45℃、相对湿度为5％。干燥至含水率为18％，停止干燥。干燥马铃薯复水率高，褐变程度小，外观品质和营养成分保存率接近冷冻干燥；比冷冻干燥节能45-55％。
实施例6
含香豆素和挥发油的中药材白芷1kg(含水率约60-70％)，经洗净泥土，除去须根和残叶，切片等工序后，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为氮气，干燥介质温度为35℃、相对湿度为3％。干燥至含水率为10-15％，停止干燥。干燥后白芷挥发油和香豆素类成分损失小，外观品质接近冷冻干燥；比冷冻干燥节能30-40％。
实施例7
含挥发油的中药材肉桂2kg(含水率约80％)，经过整理、清洗、沥干等工序，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为氮气，干燥介质温度为30℃、相对湿度为5％。干燥至含水率为20％，停止干燥。干燥肉桂复水率高，挥发油损失小，外观品质接近冷冻干燥；比冷冻干燥节能20-35％。
实施例8
全草类中药材麻黄1kg(含水率约85％)，经过整理、清洗、沥干等工序，进行干燥。干燥过程条件为：干燥介质为二氧化碳，干燥介质温度为25℃、相对湿度为4％。干燥至含水率为15％，停止干燥。干燥麻黄复水率高，生物碱损失小，外观品质接近冷冻干燥；比冷冻干燥节能25-30％。