基于二氧化碳热泵原理的干燥机

技术领域

本发明涉及二氧化碳热泵设备技术领域，特别涉及一种基于二氧化碳热泵原理的干燥机。

背景技术

干燥机是一种利用热能降低物料水分的机械设备，用于对物体进行干燥操作，例如，对谷物、衣物、水果等物品的干燥。传统的干燥机有的采用电加热式的加热结构或热传导烘干的方式来对干燥室进行干燥，其热能的利用率较低。

公开号为CN105910421A的中国发明专利申请公开了一种干燥机，其基于二氧化碳热泵原理，对空气进行除湿加热，并将加热后的干燥空气充入干燥室内对被干燥物进行烘干作业。该申请的说明书中公开了4个具体的实施例，其中实施例1中记载的技术方案存在如下缺陷，由于压缩机的不断做功，干燥室内的温度是在不断攀升的，该技术方案中并没有给出解决干燥室内温度恒定问题的技术手段，导致干燥室内的温度无法保持在一个恒定的干燥温度范围内，当干燥室内的温度达到设定温度后，只能通过关闭系统来避免温度过高，避免烫伤干燥室内的被干燥物；实施例2、3中记载的技术方案存在和上述实施例1相同的缺陷，虽然实施例2、3的技术方案中通过在压缩机出口至加热器的进口一侧以及通向压缩机的回气口一侧的回路中设置回热器的结构，但是回热器的设置目的在于使得制冷剂在进入压缩机前吸收一部分热量，减小压缩机进出口的温度差，但是进入加热器的制冷剂由于被回热器吸收掉一部分热量，导致干燥室内的温度攀升时间延长，反而拖慢了干燥时间，降低了干燥效率，随着压缩机的不断做功，仍然面临干燥室温度不可控的问题；实施例4中记载的技术方案存在的缺陷在于，通过增设辅助冷却器和辅助加热器来解决上述技术问题，但是由于辅助冷却器和辅助加热器始终串联在空气回路中，导致在干燥室温度低于设定温度期间，空气回路中需要通过辅助加热器来额外补充热量，而在另一侧却将热量释放，导致该部分能量损失，能源的利用率不高，能源耗损巨大，导致整个系统在干燥室的温度控制上不是很合理高效。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种温控更加高效合理、能源利用率更高的基于二氧化碳热泵原理的干燥机。

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于二氧化碳热泵原理的干燥机，包括：

二氧化碳热泵供热系统，包括变频压缩机、气冷器、电子膨胀阀以及蒸发器，所述的变频压缩机、气冷器、电子膨胀阀以及蒸发器通过制冷剂管路依次串联构成供二氧化碳制冷剂循环的供热回路；

空气干燥换热系统，包括用于烘干被干燥物的干燥室以及干燥风机，所述的干燥室和干燥风机之间通过空气管路串联构成供干燥空气循环的第一换热回路，所述的第一换热回路与所述的供热回路在所述的气冷器一侧和所述的蒸发器一侧分别进行换热；

辅助换热系统，包括辅助换热器和换热风机，所述的辅助换热器连接在所述干燥室的出口通向所述蒸发器的第一换热回路中，所述的换热风机与该辅助换热器通过空气管路并联构成第二换热回路；

控制系统，包括控制器、设置在所述干燥室内的第一温度传感器和湿度传感器、设置在所述第一换热回路上且临近所述蒸发器一侧的第四温度传感器，所述的控制器与所述的变频压缩机控制连接，所述的控制器与所述的第一温度传感器、所述的湿度传感器、所述的第四温度传感器分别信号连接，所述的控制器能够基于所述第一温度传感器发送的实测温度值与其内部预设的第一设定温度值的比较结果来调节所述变频压缩机的工作频率，所述的控制器能够基于所述湿度传感器发送的实测湿度值、所述第四温度传感器发送的实测温度值与其内部预设的设定湿度值、第二设定温度值的比较结果来控制所述的换热风机开启工作以及调节该换热风机的工作频率。

上述技术方案中，优选的，所述的控制系统还包括设置在所述供热回路上且临近所述气冷器出口一侧的第八温度传感器、设置在所述第一换热回路上且临近所述干燥室进口一侧的第二温度传感器，所述的控制器与所述的电子膨胀阀控制连接，所述的控制器与所述的第二温度传感器、第八温度传感器分别信号连接，所述的控制器能够基于所述第二温度传感器发送的实测温度值与所述第八温度传感器发送的实测温度值的比较结果来调节所述电子膨胀阀的流量大小。

上述技术方案中，优选的，所述的控制器与所述的干燥风机控制连接，所述的控制器能够基于所述第一温度传感器发送的实测温度值与所述第八温度传感器发送的实测温度值的比较结果来调节所述干燥风机的工作频率。

上述技术方案中，优选的，所述的控制系统还包括设置在所述变频压缩机出气口一侧的第五温度传感器和第一压力传感器、设置在所述变频压缩机进气口一侧的第二压力传感器，所述的控制器与所述的第五温度传感器、第六温度传感器、第一压力传感器以及第二压力传感器分别信号连接，所述的控制器能够基于所述第五温度传感器发送的实测温度值与其内部预设的温度警戒值的比较结果、第一压力传感器发送的实测压力值与第二压力传感器发送的实测压力值的比值来共同调节所述变频压缩机的工作频率。

上述技术方案中，优选的，所述的换热风机具有第一工作频率、第二工作频率以及第三工作频率，所述的第一工作频率小于所述的第二工作频率，所述的第二工作频率小于所述的第三工作频率，当所述的第四温度传感器的实测温度值为35℃并且所述的湿度传感器的实测湿度值为60％以上时，所述的换热风机开启工作并且处于第一工作频率；当所述的第四温度传感器的实测温度值为35℃并且所述湿度传感器的实测湿度值为40％以下时，所述的换热风机处于第二工作频率；当所述的第四温度传感器的实测温度值为40℃时，所述的换热风机处于第三工作频率。

上述技术方案中，优选的，所述的控制系统还包括设置在所述变频压缩机出气口一侧的第六温度传感器、设置在所述供热回路上且临近所述蒸发器一侧的第七温度传感器，所述的控制器与所述的第六温度传感器、第七温度传感器分别信号连接。

上述技术方案中，优选的，所述变频压缩机的初始转速满足如下公式：

FreqCS＝(FreqCmax-FreqCmin)*0.6-AT*50FreqCs；

FreqC＝FreqCS；

FreqCmin≤FreqCS≤FreqCmin；

其中，FreqCS为初始转速，FreqCmin为变频压缩机的最低转速，FreqCmax为变频压缩机的最高转速，FreqC为变频压缩机的实际转速，AT为环境温度。

上述技术方案中，优选的，所述变频压缩机按照设定时间间隔变频，其变频幅度值以及变频前后的频率关系满足如下公式：

ΔFreqC＝(T

ΔFreqC≤((FreqCmax-FreqCmin)/8；

FreqC＝pFreqC+ΔFreqC；

ΔT＝|T

ΔT≤10；

t＝(15-ΔT)*2*1000；

其中，ΔFreqC为每次变频的计算转速差值，Tx为第一设定温度值，T1为第一温度传感器的实测温度值，FreqCmin为变频压缩机的最低转速，FreqCmax为变频压缩机的最高转速，FreqC为变频压缩机的实际转速，pFreqC为前一次变频时的转速，ΔT为温度差绝对值，t为每次变频的时间间隔，单位为毫秒。

上述技术方案中，优选的，所述电子膨胀阀的初开度与环境温度的关系满足如下公式：

StepF＝4*AT+150；

StepF≤StepFmax；

其中，StepF为电子膨胀阀实际开度，StepFmax为电子膨胀阀最大开度，AT为环境温度。

上述技术方案中，优选的，所述的控制器内预设有设置过热度，且设置过热度与环境温度的关系满足如下关系式：

AT≥25时，SetovHotT＝3；

AT≥15时，SetovHotT＝2；

AT≥0时，SetovHotT＝1；

AT≥-10时，SetovHotT＝0；

其余环境温度下，SetovHotT＝-1；

其中，AT为环境温度，SetovHotT为设置过热度。

上述技术方案中，优选的，所述电子膨胀阀的实际开度按照设置过热度与实际过热度的差值来控制，其满足如下关系式：

ΔovHotT＝T

如果，pStepF≤100，则有；

ΔovHotT–SetovHotT>1.5，StepF＝pStepF-3；

ΔovHotT–SetovHotT>0.8，StepF＝pStepF-2；

ΔovHotT–SetovHotT>0.5，StepF＝pStepF-1；

ΔovHotT–SetovHotT>-0.5，StepF＝pStepF-0；

ΔovHotT–SetovHotT>-1，StepF＝pStepF+2；

ΔovHotT–SetovHotT≤-1，StepF＝pStepF+5；

如果，pStepF>100，则有；

ΔovHotT–SetovHotT>8，StepF＝pStepF-15；

ΔovHotT–SetovHotT>5，StepF＝pStepF-10；

ΔovHotT–SetovHotT>2，StepF＝pStepF-5；

ΔovHotT–SetovHotT>0.5，StepF＝pStepF-2；

ΔovHotT–SetovHotT>-0.3，StepF＝pStepF-0；

ΔovHotT–SetovHotT>-1.3，StepF＝pStepF+2；

ΔovHotT–SetovHotT>-2，StepF＝pStepF+5；

ΔovHotT–SetovHotT≤-2，StepF＝pStepF+10；

其中，ΔovHotT为实际过热度，SetovHotT为设置过热度，pStepF为前一次电子膨胀阀的开度，StepF为电子膨胀阀的实际开度，T

上述技术方案中，优选的，所述干燥风机的初始转速满足如下关系式：

FreqS＝0.5FreqFmax；

FreqFmin＝0.4FreqFmax；

其中，FreqS为干燥风机的初始转速，FreqFmax为最大风机转速，FreqFmin为最小风机转速。

上述技术方案中，优选的，所述干燥风机的实际转速满足如下关系式：

如果T

ΔT＝T

FreqF＝((FreqFmax*0.6)/40)*ΔT+FreqFmin；

如果T

ΔT＝T

FreqF＝pFreqF-((FreqFmax*0.6)/25)，FreqF≥FreqFmin；

其中，FreqF为干燥风机的实际转速，pFreqF为前一次干燥风机的转速，FreqFmax为最大风机转速，FreqFmin为最小风机转速，T

本发明通过设置空气干燥换热系统、辅助换热系统以及控制系统，通过控制器基于第一温度传感器发送的实测温度值与其内部预设的第一设定温度值的比较结果来调节变频压缩机的工作频率，通过控制器基于湿度传感器发送的实测湿度值、第四温度传感器发送的实测温度值与其内部预设的设定湿度值、第二设定温度值的比较结果来控制换热风机开启工作以及调节该换热风机的工作频率；从而在干燥室温度低于设定温度期间，通过提高变频压缩机的工作频率来增大供热输出，在干燥室温度和湿度达到甚至超过设定标准时，通过开启和调频换热风机来保持干燥室内的温度恒定，由于变频压缩机和换热风机分别采用PID闭环控制，在温控上更加高效合理，能源利用率更高。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

其中：1、二氧化碳热泵供热系统；11、变频压缩机；12、气冷器；13、电子膨胀阀；14、蒸发器；15、供热回路；

2、空气干燥换热系统；21、干燥室；22、干燥风机；23、第一换热回路；

3、辅助换热系统；31、辅助换热器；32、换热风机；33、第二换热回路；

4、控制系统；41、控制器；

T

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

二氧化碳热泵应用于对流热空气干燥机被认为是热泵的一个理想应用领域。被干燥的对象可以是谷物、衣物、水果等物品。在双效过程中，制冷量用来对潮湿空气除湿，而制热量用来重热冷空气，同时二氧化碳热泵可以将空气加热到较高的温度，并配合变频的调节，可以在较广的温度域内干燥物品对象。由于空气循环是闭合的，过剩的热量通过辅助换热器31排放到外界。

如图1所示，基于二氧化碳热泵原理的干燥机包括二氧化碳热泵供热系统1、空气干燥换热系统2、辅助换热系统3以及控制系统4。

二氧化碳热泵供热系统1，包括变频压缩机11、气冷器12、电子膨胀阀13以及蒸发器14，变频压缩机11、气冷器12、电子膨胀阀13以及蒸发器14通过制冷剂管路依次串联构成供二氧化碳制冷剂循环的供热回路15。具体的，整个二氧化碳热泵供热系统1按照跨临界二氧化碳热泵系统设计，变频压缩机11采用松下的C-CV303HOT变频压缩机，气冷器12采用微通道气冷器，从蒸发器14吸入低温低压的二氧化碳蒸气，双极压缩后变为高温高压蒸气进入微通道气冷器进行换热，通过气冷器12后变为中温高压的气体，通过电子膨胀阀13节流后变为低温低压的液体进入蒸发器14进行换热，以此循环。

空气干燥换热系统2，包括用于烘干被干燥物的干燥室21以及干燥风机22，干燥室21和干燥风机22之间通过空气管路串联构成供干燥空气循环的第一换热回路23，第一换热回路23与供热回路15在气冷器12一侧和蒸发器14一侧分别进行换热。具体的，干燥室21为滚筒干燥室，空气通过干燥风机22进入气冷器12中与二氧化碳制冷剂进行换热，形成高温空气进入干燥室21，干燥室21通过滚筒电机进行转动，内部的被干燥物和高温空气充分接触，排出的潮湿空气进入蒸发器14，将水分留于蒸发器14翅片上并排出，形成干燥的低温空气并再次循环加热。

辅助换热系统3，包括辅助换热器31和换热风机32，辅助换热器31连接在干燥室21的出口通向蒸发器14的第一换热回路23中，换热风机32与该辅助换热器31通过空气管路并联构成第二换热回路33。

控制系统4，包括控制器41、设置在干燥室21内的第一温度传感器T

控制器41与变频压缩机11的变频驱动板控制连接。变频压缩机11的PID闭环控制是通过控制器41内部的第一设定温度值和第一温度传感器T

具体的，开机后压缩机按照初始转速运行1分钟，初始转速的确定如下算法：

FreqCS＝(FreqCmax-FreqCmin)*0.6-AT*50FreqCs；

FreqC＝FreqCS；

其中FreqCS为初始转速计算值，计算结果范围:FreqCmin≤FreqCS≤FreqCmin，FreqCmin为使用直流变频压缩机最低转速，FreqCmax为使用直流压缩机最高转速，FreqC为赋值给直流压缩机的实际转速，算法所涉及到的转速单位均为rpm(转每分钟)。AT为开机时候的环境温度。

1分钟之后进入压缩机正常变频运行阶段，使用第一传感器T

ΔFreqC＝(T

此条计算执行的时间间隔为500ms,ΔFreqC有正负值；

计算结果如超出范围(ΔFreqC≤((FreqCmax-FreqCmin)/8)；

)，则控制在范围里；

FreqC＝pFreqC+ΔFreqC；

此条计算赋值执行时间间隔按如下计算：

ΔT＝|T

t＝(15-ΔT)*2*1000；

其中ΔFreqC为每次变频的计算转速差值，pFreqC为前一次变频时的转速，ΔT为温度差绝对值，t为每次变频的时间间隔，单位为毫秒。

为了进一步加大二氧化碳热泵供热系统1的供热输出，使得干燥室21内的温度尽快达到第一设定温度，控制系统4还包括设置在供热回路15上且临近气冷器12出口一侧的第八温度传感器T

具体的，此部分的闭环控制的原理是，T

开机后电子膨胀阀先进行复位，开到最大StepF＝StepFmax，其中StepF为实际电子膨胀阀开度，StepFmax为电子膨胀阀最大开度。

复位后，电子膨胀阀动作到初始开度，初开度与环境温度的关系满足下列公式：StepF＝4*AT+150；StepF≤StepFmax,AT为环境温度。

在初开度保持3分钟后，电子膨胀阀进行自动调整，在按照过热度算法自动调整之前，需要先判断系统的排气压力，如果系统的排气压力小于8Mpa，则电子膨胀阀每30秒，减少15步，直到排气压力大于8Mpa，或者阀的开度到设置的最小值。当排气压力大于8Mpa后，电子膨胀阀按照过热度进行控制,阀每30秒进行判断，动作一次：

先判断环境温度，得出不同的设置过热度SetovHotT；

AT≥25:SetovHotT＝3；

AT≥15:SetovHotT＝2；

AT≥0:SetovHotT＝1；

AT≥-10:SetovHotT＝0；

其他:SetovHotT＝-1；

之后计算需要的开度，其中pStepF为前一次阀的开度，ΔovHotT为实际过热度；

ΔovHotT＝T

如果pStepF≤100；

ΔovHotT–SetovHotT>1.5:StepF＝pStepF-3；

ΔovHotT–SetovHotT>0.8:StepF＝pStepF-2；

ΔovHotT–SetovHotT>0.5:StepF＝pStepF-1；

ΔovHotT–SetovHotT>-0.5:StepF＝pStepF-0；

ΔovHotT–SetovHotT>-1:StepF＝pStepF+2；

ΔovHotT–SetovHotT≤-1：StepF＝pStepF+5；

如果pStepF>100；

ΔovHotT–SetovHotT>8:StepF＝pStepF-15；

ΔovHotT–SetovHotT>5:StepF＝pStepF-10；

ΔovHotT–SetovHotT>2:StepF＝pStepF-5；

ΔovHotT–SetovHotT>0.5:StepF＝pStepF-2；

ΔovHotT–SetovHotT>-0.3:StepF＝pStepF-0；

ΔovHotT–SetovHotT>-1.3:StepF＝pStepF+2；

ΔovHotT–SetovHotT>-2:StepF＝pStepF+5；

ΔovHotT–SetovHotT≤-2:StepF＝pStepF+10。

基于上述情况下，为了确保变频压缩机11的出口温度不至于过高，保证系统的安全可靠，控制系统4还包括设置在变频压缩机11出气口一侧的第五温度传感器T

控制器41与干燥风机22的变频驱动板控制连接。控制器41能够基于第一温度传感器T

开机后干燥风机维持初始转速，FreqS＝0.5FreqFmax,其中FreqS为干燥风机的初始转速，FreqFmax为最大风机转速，另外风机最小转速为FreqFmin＝0.4FreqFmax，涉及到转速的单位为rpm。保持初始风速后3分钟后，开始进行自动调节，每次调节间隔为1分钟。

如果T

ΔT＝T

FreqF＝((FreqFmax*0.6)/40)*ΔT+FreqFmin；

如果T

ΔT＝T

FreqF＝pFreqF-((FreqFmax*0.6)/25)，FreqF≥FreqFmin，其中，FreqF为干燥风机的实际转速，pFreqF为前一次风机转速。

干燥室21内排出的潮湿空气在一定条件下还会与辅助换热器31进行换热，放出一部分热量被辅助换热器31带走，从而降温。具体的，换热风机32具有第一工作频率、第二工作频率以及第三工作频率，第一工作频率小于第二工作频率，第二工作频率小于第三工作频率，也就是说，换热风机32具有低、中、高三个档位，分别对应于第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率，当第四温度传感器T

本例中，空气干燥换热系统2的第一换热回路23是闭合的，设计空气侧干燥室21进口温度最高为60℃，该温度可通过第二温度传感器T

①当辅助换热系统3不参与循环时：

Q

Q

Q

Q

经换算后得：Q＝Q

其中，上述公式中，Q为压缩机的做功；Q

②实际情况下，由于并不是无温差的传热，必然会有部分的热量损失，但是随着变频压缩机11的不断做功，干燥室21和被干燥物的温度还是会不断的上升。控制系统4要保证干燥室21和被干燥物恒定的温度，且空气干燥换热系统2也要保证稳定，所以当温度到达一定的程度，辅助换热器31需要开启，得到算式为：

Q

Q＝Q

从而可以调整辅助换热器31换走的热量，使空气干燥换热系统2始终处于平衡状态。

当空气干燥换热系统2在干燥室21内设置温度下稳定运行达到一定的时间(不同的干燥物时间不同)，湿度参数下降到一定的设置值，则该系统自动关闭停机。

整个控制系统4为多耦合系统，有多个变频控制源，上述控制思路以解耦的方式进行，变频压缩机11、电子膨胀阀13、干燥风机22以及换热风机32都有对应的变量进行PID控制以及调节；同时变频压缩机11的进出口压力参数和排气温度参数作为系统可靠性参数进行检测，保证系统的稳定。由于系统空气侧(即第一换热回路23)在蒸发器14换热时候温度较高，并不需要考虑除霜的过程，所以在此控制中变频压缩机11吸气温度(根据第六温度传感器T

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。