蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统及控制方法与流程

本发明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其控制方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

技术问题：为了克服现有技术存在的不足，本发明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，本发明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：本发明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。

本发明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)。

本发明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、第一布风板、物料架、第二布风板、第二变频风机，以干燥烟叶；控制器通过调节变频压缩机、第一变频风机与第二变频风机，从而实现对干燥室内温湿度的精确控制。

本发明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蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式：若太阳辐照量＜联合运行所需最低辐照量，且蓄热水箱水温-干燥温度≥5℃，则采用蓄热水箱-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b与通道c，蓄热水箱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、第一布风板、物料架、第二布风板、第二变频风机，以干燥烟叶；控制器通过调节变频压缩机、第一变频风机与第二变频风机，从而实现对干燥室内温湿度的精确控制。

本发明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热泵干燥单独运行模式：若太阳辐照量＜联合运行所需最低辐照量，且蓄热水箱水温-干燥温度＜5℃，则采用热泵单独干燥烟叶；启动变频压缩机，制冷剂从外界环境中吸收热量，再通过冷凝器向加热室内空气释放热量，启动第一变频风机与第二变频风机，促使热空气在干燥室与加热室内强制流动；控制器通过调节变频压缩机、第一变频风机与第二变频风机，从而实现对干燥室内温湿度的精确控制。

本发明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，在运行模式中，当干燥室内的相对湿度达到系统设定的上限时，开启全热交换器进行排湿；湿热空气经全热交换器预热新风，并排向蒸发器，新风与其余湿热空气混合，经过第一换热器、冷凝器加热再次送入干燥室内干燥烟叶；排出的湿热空气与送入加热室的新空气风量相等，直至干燥室内空气的相对湿度达到要求才停止排湿。

本发明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在冬季或寒冷地区，若蒸发器周围的空气温度低于5℃，则开启除霜运行模式：打开第一电磁阀与第二电磁阀，蓄热水箱(中的热水在第一循环水泵的作用下，通过第二换热器加热蒸发器周围的空气，从而避免结霜，提高系统的能效比。

有益效果：本发明的优点为：

(1)本发明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。

(2)本发明的蓄热水箱在白天太阳辐照度较大时，对系统多余的热量进行存储，可以在太阳能集热器供热不足时作为辅助热源用于干燥烟叶，实现太阳能的最大化利用；此外，在严寒地区或冬季室外温度较低时，可以用于蒸发器的除霜，保证系统的正常运行。

(3)本发明采用全热交换器用于回收排湿的热量，可以回收70％的热量，减少排湿热损失，经换热后的湿热空气排向蒸发器，从而提高系统的能效比。

(4)本发明的控制系统可以根据系统中采集的工艺参数实现不同运行模式的切换，并采用变频技术实现干燥室内温湿度的精确控制，提升烟叶干燥的品质；此外可以避免热泵频繁启停造成电能消耗、干燥室内温度的波动以及损害热泵的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统的结构示意图。

图中有：干燥房1、加热室2、干燥室3、第一布风板4、第二布风板5、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、第一变频风机9、第二变频风机10、干燥架11、全热交换器12、隔墙13、第一换热器14、第二换热器15、冷凝器16、膨胀阀17、蒸发器18、变频压缩机19、第一循环水泵20、第二循环水泵21、第一电磁阀22、第二电磁阀23、第一温度传感器24、第二温度传感器25、蓄热水箱26、第一三通阀27、第二三通阀28、太阳能集热器29、控制器30。

具体实施方式

为了能够更好地了解本发明的技术手段、实施目的与效果，下面结合附图对本发明的一种蓄热式太阳能耦合空气源热泵烟叶干燥系统作具体的说明。

第一布风板4、第二布风板5采用密孔板，孔型为圆形，小孔均匀分布；

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型号：dg-wdo11；温度范围：-40℃-80℃；湿度范围：0-100％rh；

第一变频风机9、第二变频风机10型号：g-450a；功率1.1kw，转速1400r/min，风量8500m³/h，风压85pa，防护等级ip54；

全热交换器12型号：rxh-d12；电功率：320w；热交换效率：70％；风量：2000m³/h；

第一换热器14、第二换热器15采用翅片管式；型号：jn-1；

冷凝器16采用板翅式，循环风量为19000kg/h；

膨胀阀17型号：trae+13mc；

蒸发器18采用板翅式，循环风量为9300kg/h；

变频压缩机19型号：yh-30zv；功率22kw；

第一循环水泵20、第二循环水泵21型号：25zdb6-35-1.1；功率：1.1kw，最大扬程：35m；

第一电磁阀22、第二电磁阀23型号：2w-200-20；

第一温度传感器24、第二温度传感器25pt100热电阻；

第一三通阀27、第二三通阀28型号：q911f-16，dn25；

太阳能集热器29采用全玻璃真空管式太阳能集热器；型号：q-b-j-1-355/5.85/0.05；玻璃材料为高硼硅，集热面积大于40m²；

控制器30采用plc控制器；型号：omronc200he；

如图1所示，提供一种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通过第一三通阀27和第二三通阀28与蓄热水箱26相连接；所述蓄热水箱26通过第一电磁阀22、第二电磁阀23以及第一循环水泵20与第二换热器15相连接；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，可为第一换热器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，实现了太阳能的最大化利用；所述第一三通阀27的出口c与第二循环水泵21的入口相连接。

优选的，所述太阳能集热器29采用真空管式，集热器面积为40m²，集热器的安装角可根据当地纬度进行调节，集热器内的水温在晴朗的夏季可达90℃以上。

优选的，所述蓄热水箱26的容积为2.5吨，可连续运行5小时以上。

所述空气源热泵干燥系统包括冷凝器16、膨胀阀17、蒸发器18和变频压缩机19；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。

优选的，所述空气源热泵干燥系统所采用的制冷工质为r134a。

所述干燥房1包括加热室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的顶部设有第一布风板4，底部设有第二布风板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包括全热交换器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3内的湿度达到上限，部分湿热空气通过全热交换器12预热新风，并排向蒸发器18；所述冷凝器16、第一换热器14作为干燥热源，采用上下布置的方式，用于加热新风和回风；所述加热室2内的送风口和回风口分别安装第一变频风机9和第二变频风机10；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。

优选的，所述干燥室3的尺寸为：长4.5m，宽2.5m，高4m，所述干燥室的内墙采用50mm厚的聚氨酯泡沫板，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。

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7、第二温湿度传感器8和第三温湿度传感器9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，对运行设备进行调节控制，选择不同的运行模式；所述的运行模式包括：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、蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式。

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27和第二三通阀28的通道a与通道c，启动第二循环水泵21，通过第一换热器14加热加热室2内的空气，同时开启第一变频风机9与第二变频风机10，热空气通过第一布风板4与第二布风板5，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，且集热器出口水温-干燥温度≥15℃，则开启第一三通阀27与第二三通阀28的通道b，适当减小第一三通阀27与第二三通阀28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27与第二三通阀28的通道b；可以实现一边蓄热一边干燥烟叶。

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；具体工作方式：开启第一三通阀27与第二三通阀28的通道a与通道c，太阳能集热器29中的热水在第二循环水泵21作用下被送至第一换热器14，从而加热空气；同时启动热泵循环，通过冷凝器16加热空气。热空气依次被第一换热器14、冷凝器16加热后，经过第一变频风机9、第一布风板4、物料架11、第二布风板5、第二变频风机10，以干燥烟叶；控制器30通过调节变频压缩机19、第一变频风机9与第二变频风机10，从而实现对干燥室3内温湿度的精确控制。

蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式：若太阳辐照量＜联合运行所需最低辐照量，且蓄热水箱水温-干燥温度≥5℃，则采用蓄热水箱-热泵干燥联合运行模式。具体工作方式：开启第一三通阀27与第二三通阀28的通道b与通道c，蓄热水箱26中的热水在第二循环水泵21作用下被送至第一换热器14，从而加热空气；同时启动热泵循环，通过冷凝器16加热空气；热空气依次被第一换热器14、冷凝器16加热后，经过第一变频风机9、第一布风板4、物料架11、第二布风板5、第二变频风机10，以干燥烟叶；控制器30通过调节变频压缩机19、第一变频风机9与第二变频风机10，从而实现对干燥室3内温湿度的精确控制。

热泵干燥单独运行模式：若太阳辐照量＜联合运行所需最低辐照量，且蓄热水箱水温-干燥温度＜5℃，则采用热泵单独干燥烟叶。制冷剂从外界环境中吸收热量，再通过冷凝器16向加热室2内空气释放热量，启动第一变频风机9与第二变频风机10，促使热空气在干燥室3与加热室2内强制流动；控制器30通过调节变频压缩机19、第一变频风机9与第二变频风机10，从而实现对干燥室3内温湿度的精确控制。

在以上四种运行模式下，当干燥室3内的相对湿度达到系统设定的上限时，开启全热交换器12进行排湿；湿热空气经全热交换器12预热新风，并排向蒸发器18，新风与其余湿热空气混合，经过第一换热器14、冷凝器16加热再次送入干燥室3内干燥烟叶；排出的湿热空气与送入加热室的新空气风量相等，直至干燥室3内空气的相对湿度达到要求才停止排湿。

在冬季或寒冷地区，若蒸发器18周围的空气温度低于5℃，则开启除霜运行模式：打开第一电磁阀22与第二电磁阀23，蓄热水箱26中的热水在第一循环水泵20的作用下，通过第二换热器15加热蒸发器18周围的空气，从而避免结霜，提高系统的能效比。

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