蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及烟叶干燥技术领域，尤其涉及一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统及控制方法，干燥系统包括：干燥房、太阳能干燥系统、空气源热泵干燥系统以及控制系统。本发明专利技术以太阳能和空气源热泵作为双热源，蓄热水箱作为太阳能集热的辅助热源，并可用于冬季蒸发器的除霜，实现了太阳能的最大化利用。所述控制器实时读取各运行参数，采用变频调节技术，根据所设定的参数，对运行设备按设定进行调节控制，选择采用太阳能干燥单独运行模式、热泵干燥单独运行模式、太阳能‑热泵干燥联合运行模式或蓄热水箱‑热泵干燥联合运行模式。从而在不同气候条件下可以实现连续稳定运行。并采用变频技术实现干燥室内温湿度的精确控制，以提升烟叶干燥品质。

【技术实现步骤摘要】
蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统及控制方法
本专利技术涉及烟叶干燥
，尤其涉及一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统及其控制方法。
技术介绍
干燥技术在我国工业、农业等领域皆有广泛的应用，是非常重要的工序，同时也是能耗最大的工艺环节。据统计，干燥能耗占国民经济总能耗的12％左右。烟叶烘烤同样是一个高能耗、涉及复杂传热传质的干燥过程。此外，不同的烘烤工序对烟叶干燥速率、烟叶品质都有很大的影响。目前，我国仍普遍采用燃煤烤房对烟叶进行烘烤。普通燃煤烤房煤耗量高，热效率低，烘烤1kg的烟叶大约需要消耗1.5-2.5kg的标准煤，且近年煤价上涨，烘烤烟叶的成本逐渐增加。此外，烤房难以实现温湿度的自动控制，温度波动较大，容易出现烤青和挂灰的现象，烤烟品质不高。而且会产生大量有害气体，环境污染严重，有悖于环境友好型社会的发展。而燃油、燃气、电加热烤房的使用费用太高，经济性较低。热泵干燥技术则可以节约大量能耗，温度调节范围宽，可以实现温湿度的精确控制，保证烟叶干燥的品质。而烟叶干燥温度在38℃-70℃之间，与太阳能的低温热利用相适应，清洁无污染。将太阳能干燥与热泵干燥技术相结合，则可以实现优势互补，比单独使用热泵干燥节能30％以上，具有显著的经济效益、环境效益和节能效益。目前，太阳能耦合空气源热泵进行烟叶干燥主要有如下几种方式：直接膨胀式、串联式、并联式、混联式。直接膨胀式在夜间或阴雨天无法对物料正常干燥。混联式系统复杂，初投资成本高，设备的维护检修费用高。空气源热泵在冬季尤其是严寒地区容易出现结霜问题，导致蒸发器的换热热阻增加，显著降低系统的能效比。而传统的换向除霜法与热气旁通法除霜时间长，系统可靠性较差，容易引起干燥室内的温度波动。
技术实现思路
技术问题：为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统及其控制方法，本专利技术以太阳能和空气源热泵作为双热源，采用并联连接方式，蓄热水箱作为太阳能集热的辅助热源，可以实现太阳能单独运行、热泵单独运行、太阳能-热泵联合运行和蓄热水箱-热泵联合运行四种运行模式；根据不同的气候条件，采用不同的运行方式，保证干燥系统的连续稳定运行，同时可以显著节省系统的电耗。技术方案：本专利技术的蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统包括干燥房、太阳能干燥系统、空气源热泵干燥系统以及控制系统；所述太阳能干燥系统包括太阳能集热器、蓄热水箱、第一换热器和第二换热器；所述太阳能集热器的两端分别通过第一三通阀和第二三通阀与蓄热水箱的两端相连接形成第一个循环回路，蓄热水箱的两端分别通过第一三通阀和第二三通阀与第二循环水泵、第一换热器串联连接形成第二个循环回路；所述蓄热水箱另外两端分别通过第一电磁阀、第二电磁阀与第一循环水泵、第二换热器串联相连接，形成第三个循环回路；所述第二换热器用于加热蒸发器周围的空气，从而避免蒸发器在低温环境下结霜；蓄热水箱作为太阳能集热的辅助热源，为第一换热器、第二换热器提供热量，分别用于烟叶干燥和蒸发器的除霜；所述空气源热泵干燥系统由冷凝器、膨胀阀、蒸发器和变频压缩机顺序串联连接形成第四个循环回路；所述冷凝器的进气端与变频压缩机的出气端相连接，冷凝器的出气端与膨胀阀的进气端相连接，所述膨胀阀的出气端与蒸发器的进气端相连接，所述蒸发器的出气端与变频压缩机的进气端相连接；所述干燥房包括加热室和干燥室，加热室和干燥室采用隔墙进行分隔；所述干燥室内装有干燥架，可以自由拉伸，方便烟叶的取放；干燥房内的上部设有第一布风板，下部设有第二布风板，用于促进干燥室内温度场与风速场均匀分布；所述加热室内设有全热交换器、冷凝器和第一换热器；所述全热交换器用于回收排湿的热量，当干燥室内的湿度达到上限，部分湿热空气通过全热交换器预热新风，并排向蒸发器；所述冷凝器、第一换热器作为干燥热源，在加热室内采用上下布置的方式，用于加热新风和回风；所述加热室向干燥室送风的送风口设置第一变频风机，干燥室向加热室回风的回风口设置第二变频风机，加热室的热空气采用上送下回的方式，以免对烟叶的形状、品质造成破坏；所述控制系统包括工艺参数采集系统和运行设备调控系统；所述工艺参数采集系统包括第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器；所述第一温湿度传感器、第二温湿度传感器和第三温湿度传感器分别置于送风口处、回风口处和干燥室外，所述第一温度传感器、第二温度传感器分别置于太阳能集热器出口处与蓄热水箱内；所述运行设备调控系统包括控制器、第一三通阀、第二三通阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第一循环水泵、第二循环水泵、变频压缩机、膨胀阀、全热交换器、第一变频风机、第二变频风机；所述控制器实时读取各运行参数，采用变频调节技术，根据所设定的参数，对运行设备按设定进行调节控制，选择采用太阳能干燥单独运行模式、热泵干燥单独运行模式、太阳能-热泵干燥联合运行模式或蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式。所述太阳能集热器采用真空管式，集热器面积大于40m2，安装角可进行调节，使得集热器内的水温在晴朗的夏季可达90℃以上；所述蓄热水箱的容积大于2.5吨。所述空气源热泵干燥系统所采用的制冷工质为R134a；所述冷凝器、蒸发器采用板翅式换热器。所述干燥室的内墙采用聚氨酯泡沫板，导热系数为0.02-0.025W/(m2·k)，具有良好的保温性和防水性，外墙则采用彩钢板；系统各处的管道也均覆盖岩棉保温材料。本专利技术的蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统的控制方法采用太阳能干燥单独运行模式：若太阳辐照量≥单独运行所需辐照量，开启第一三通阀和第二三通阀的通道a与通道c，启动第二循环水泵，通过第一换热器对加热室内的空气加热，同时开启第一变频风机与第二变频风机，热空气通过第一布风板与第二布风板，使干燥室内的温度场与风速场更加均匀；通过控制系统调节第一变频风机与第二变频风机的转速，从而控制干燥室内的风温在合理范围内；蓄热过程：若白天太阳辐照强度较高，太阳辐照量≥单独运行所需辐照量，且太阳能集热器出口水温-干燥温度≥15℃，则开启第一三通阀与第二三通阀的通道b，适当减小第一三通阀与第二三通阀通道c的阀门开度，使得部分水在太阳能集热器-蓄热水箱中循环加热；当蓄热水箱水温-干燥温度≥15℃时，关闭第一三通阀与第二三通阀的通道b；实现一边蓄热一边干燥烟叶。采用以低温慢变黄为核心的三段五步式烟叶烘烤工艺流程，以获得较好的烟叶烘烤品质。三段分别为：变黄阶段(38℃左右)、定色阶段(45-50℃左右)和干筋阶段(68-70℃左右)。本专利技术的蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统的控制方法采用太阳能-热泵干燥联合运行模式：若联合运行所需最低辐照量≤太阳辐照量＜单独运行所需辐照量，则采用太阳能-热泵干燥联合运行模式；开启第一三通阀与第二三通阀的通道a与通道c，太阳能集热器中的热水在第二循环水泵作用下被送至第一换热器，从而加热空气；同时启动变频压缩机19循环，通过冷凝器加热空气；热空气依次被第一换热器、冷凝器加热后，经过第一变频风机、第一布风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统，其特征在于：包括干燥房、太阳能干燥系统、空气源热泵干燥系统以及控制系统；/n所述太阳能干燥系统包括太阳能集热器(29)、蓄热水箱(26)、第一换热器(14)和第二换热器(15)；所述太阳能集热器(29)的两端分别通过第一三通阀(27)和第二三通阀(28)与蓄热水箱(26)的两端相连接形成第一个循环回路，蓄热水箱(26)的两端分别通过第一三通阀(27)和第二三通阀(28)与第二循环水泵(21)、第一换热器(14)串联连接形成第二个循环回路；所述蓄热水箱(26)另外两端分别通过第一电磁阀(22)、第二电磁阀(23)与第一循环水泵(20)、第二换热器(15)串联相连接，形成第三个循环回路；所述第二换热器(15)用于加热蒸发器(18)周围的空气，从而避免蒸发器(18)在低温环境下结霜；蓄热水箱(26)作为太阳能集热的辅助热源，为第一换热器(14)、第二换热器(15)提供热量，分别用于烟叶干燥和蒸发器(18)的除霜；/n所述空气源热泵干燥系统由冷凝器(16)、膨胀阀(17)、蒸发器(18)和变频压缩机(19)顺序串联连接形成第四个循环回路；所述冷凝器(16)的进气端与变频压缩机(19)的出气端相连接，冷凝器(16)的出气端与膨胀阀(17)的进气端相连接，所述膨胀阀(17)的出气端与蒸发器(18)的进气端相连接，所述蒸发器(18)的出气端与变频压缩机(19)的进气端相连接；/n所述干燥房(1)包括加热室(2)和干燥室(3)，加热室(2)和干燥室(3)采用隔墙(13)进行分隔；所述干燥室(3)内装有干燥架(11)，可以自由拉伸，方便烟叶的取放；干燥房(1)内的上部设有第一布风板(4)，下部设有第二布风板(5)，用于促进干燥室内温度场与风速场均匀分布；所述加热室(2)内设有全热交换器(12)、冷凝器(16)和第一换热器(14)；所述全热交换器(12)用于回收排湿的热量，当干燥室内的湿度达到上限，部分湿热空气通过全热交换器预热新风，并排向蒸发器；所述冷凝器(16)、第一换热器(14)作为干燥热源，在加热室(2)内采用上下布置的方式，用于加热新风和回风；所述加热室(2)向干燥室(3)送风的送风口设置第一变频风机(9)，干燥室(3)向加热室(2)回风的回风口设置第二变频风机(10)，加热室(2)的热空气采用上送下回的方式，以免对烟叶的形状、品质造成破坏；/n所述控制系统包括工艺参数采集系统和运行设备调控系统；所述工艺参数采集系统包括第一温湿度传感器(6)、第二温湿度传感器(7)、第三温湿度传感器(8)、第一温度传感器(24)、第二温度传感器(25)；所述第一温湿度传感器(6)、第二温湿度传感器(7)和第三温湿度传感器(8)分别置于送风口处、回风口处和干燥室外，所述第一温度传感器(24)、第二温度传感器(25)分别置于太阳能集热器(29)出口处与蓄热水箱(26)内；所述运行设备调控系统包括控制器(30)、第一三通阀(27)、第二三通阀(28)、第一电磁阀(22)、第二电磁阀(23)、第一循环水泵(20)、第二循环水泵(21)、变频压缩机(19)、膨胀阀(17)、全热交换器(12)、第一变频风机(9)、第二变频风机(10)；所述控制器(30)实时读取各运行参数，采用变频调节技术，根据所设定的参数，对运行设备按设定进行调节控制，选择采用太阳能干燥单独运行模式、热泵干燥单独运行模式、太阳能-热泵干燥联合运行模式或蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式。/n...

【技术特征摘要】
1.一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统，其特征在于：包括干燥房、太阳能干燥系统、空气源热泵干燥系统以及控制系统；
所述太阳能干燥系统包括太阳能集热器(29)、蓄热水箱(26)、第一换热器(14)和第二换热器(15)；所述太阳能集热器(29)的两端分别通过第一三通阀(27)和第二三通阀(28)与蓄热水箱(26)的两端相连接形成第一个循环回路，蓄热水箱(26)的两端分别通过第一三通阀(27)和第二三通阀(28)与第二循环水泵(21)、第一换热器(14)串联连接形成第二个循环回路；所述蓄热水箱(26)另外两端分别通过第一电磁阀(22)、第二电磁阀(23)与第一循环水泵(20)、第二换热器(15)串联相连接，形成第三个循环回路；所述第二换热器(15)用于加热蒸发器(18)周围的空气，从而避免蒸发器(18)在低温环境下结霜；蓄热水箱(26)作为太阳能集热的辅助热源，为第一换热器(14)、第二换热器(15)提供热量，分别用于烟叶干燥和蒸发器(18)的除霜；
所述空气源热泵干燥系统由冷凝器(16)、膨胀阀(17)、蒸发器(18)和变频压缩机(19)顺序串联连接形成第四个循环回路；所述冷凝器(16)的进气端与变频压缩机(19)的出气端相连接，冷凝器(16)的出气端与膨胀阀(17)的进气端相连接，所述膨胀阀(17)的出气端与蒸发器(18)的进气端相连接，所述蒸发器(18)的出气端与变频压缩机(19)的进气端相连接；
所述干燥房(1)包括加热室(2)和干燥室(3)，加热室(2)和干燥室(3)采用隔墙(13)进行分隔；所述干燥室(3)内装有干燥架(11)，可以自由拉伸，方便烟叶的取放；干燥房(1)内的上部设有第一布风板(4)，下部设有第二布风板(5)，用于促进干燥室内温度场与风速场均匀分布；所述加热室(2)内设有全热交换器(12)、冷凝器(16)和第一换热器(14)；所述全热交换器(12)用于回收排湿的热量，当干燥室内的湿度达到上限，部分湿热空气通过全热交换器预热新风，并排向蒸发器；所述冷凝器(16)、第一换热器(14)作为干燥热源，在加热室(2)内采用上下布置的方式，用于加热新风和回风；所述加热室(2)向干燥室(3)送风的送风口设置第一变频风机(9)，干燥室(3)向加热室(2)回风的回风口设置第二变频风机(10)，加热室(2)的热空气采用上送下回的方式，以免对烟叶的形状、品质造成破坏；
所述控制系统包括工艺参数采集系统和运行设备调控系统；所述工艺参数采集系统包括第一温湿度传感器(6)、第二温湿度传感器(7)、第三温湿度传感器(8)、第一温度传感器(24)、第二温度传感器(25)；所述第一温湿度传感器(6)、第二温湿度传感器(7)和第三温湿度传感器(8)分别置于送风口处、回风口处和干燥室外，所述第一温度传感器(24)、第二温度传感器(25)分别置于太阳能集热器(29)出口处与蓄热水箱(26)内；所述运行设备调控系统包括控制器(30)、第一三通阀(27)、第二三通阀(28)、第一电磁阀(22)、第二电磁阀(23)、第一循环水泵(20)、第二循环水泵(21)、变频压缩机(19)、膨胀阀(17)、全热交换器(12)、第一变频风机(9)、第二变频风机(10)；所述控制器(30)实时读取各运行参数，采用变频调节技术，根据所设定的参数，对运行设备按设定进行调节控制，选择采用太阳能干燥单独运行模式、热泵干燥单独运行模式、太阳能-热泵干燥联合运行模式或蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式。


2.根据权利要求1所述的蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统，其特征在于：所述太阳能集热器(29)采用真空管式，集热器面积大于40m2，安装角可进行调节，使得集热器内的水温在晴朗的夏季可达90℃以上；所述蓄热水箱(26)的容积大于2.5吨。


3.根据权利要求1所述的蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统，其特征在于：所述空气源热泵干燥系统所采用的制冷工质为R134a；所述冷凝器(16)、蒸发器(18)采用板翅式换热器。


4.根据权利要求1所述的蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统，其特征在于：所述干燥室的内墙采用聚氨酯泡沫板，导热系数为0.02-0.025W/(m2·k)，具有良好的保温性和防水性，外墙则采用彩钢板；系统各处的管道也均覆盖岩棉保温材料。


5.一种如权利要求1所述的蓄热式太阳能耦合空气源...

【专利技术属性】
技术研发人员：段伦博，吴建雯，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32