一种带余热回收的真空干燥装置

本发明涉及一种低温干燥装置，特别涉及一种带有余热回收功能的真空干燥装置。

背景技术：

1、干燥是橡胶等工业品、中药材、农作物等加工过程的重要工艺之一，其作用是通过蒸发或升华去除物料中的水分，以延长物料的存储期或便于后续加工。典型的干燥类型包括热风干燥、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥等，不同干燥方式对物料品质和过程能耗均有很大影响。热风干燥是应用最广泛的干燥方式，然而其通常存在能耗高及高温带来的产品品质较差等问题，对品质要求较高的中药材、名贵果蔬、特种橡胶等物料，对降低干燥温度的需求日益增强。以天然橡胶干燥为例，我国天然橡胶行业从20世纪80年代起，就废弃了传统作坊式的低温（不超过70℃）干燥生产工艺，全面推广使用高温（110~125℃）热风干燥。高温干燥工艺的主要优点是产能高，有利于实现规模化生产加工，然而高温烘干一定程度上影响了橡胶产品的特性指标，导致售价较低，缺乏市场竞争力。再如中药材三七，研究表明热风干燥一次性处理量大，操作简单，但干后的三七品质不高，内部结构和复水均较差；真空干燥的干品品质更好，但干燥时间较长。

2、真空干燥具有显著的优缺点：其优点在于因干燥室内气体分子数少，密度低，含氧量低，可为易氧化变质的产品提供有利的干燥条件，且由于气压较低，在更低的温度下即可实现水分的蒸发；其缺点在于：第一，由于缺乏空气这一传热介质，容易出现干燥空间内部冷热不均的情况，传热形式主要通过热传导从热托盘传递给物料，而物料之间的传热缓慢导致了整体干燥时间延长；第二，中高等真空泵价格较高，且机械能耗较大，低真空泵便宜实用，但极限真空度水平在1~10kpa，干燥后产生的饱和水蒸气达到动态平衡后无法抽出，会导致进一步干燥的驱动力减弱，真空度不够也导致物料干燥慢。此外，不论是热风干燥，还是传统真空干燥，内部不均匀的热接触还导致物料表皮出现褶皱或破坏，导致内部的营养成分或独特香味散发，以中药材春砂仁为例，为解决因表皮褶皱导致特殊香味的散发，人们往往采取干一段时间后封装好捂起来的措施，让表皮保护层吸湿复原，再重复干燥，过程繁琐且耗时长。

技术实现思路

1、本发明针对传统真空干燥装置总体干燥时长较长、能耗较高、物料表皮容易出现褶皱的问题，提供一种回收蒸汽相变余热通过搅拌均匀布热的真空干燥装置，该装置还可以实现间歇性饱和蒸汽传热强化传热的功能，进一步缩短干燥时长，降低系统运行能耗，且保持干燥物料的良好品质。

2、本发明采取热泵蒸发器二合一换热器的设计，同时实现蒸汽冷凝（保持真空度）和余热回收，可分时从空气源吸热加热工质，并通过搅拌均匀化、蒸汽停留与冷凝控制等几方面的措施，以紧凑的装置实现真空干燥过程的提速和节能，为真空干燥更广泛的应用提供了思路。

3、本发明技术方案如下：

4、一种带余热回收的真空干燥装置，包括外筒、内筒、夹层、热泵、真空泵、封头、环形平盖、风机，内筒内部形成干燥腔，内筒套装在外筒内部，外筒和内筒之间存在的空隙形成夹层，外筒和内筒一端为圆形端，另一端为开口端，开口端的夹层用环形平盖进行封闭，环形平盖上设置封头，外筒和内筒的上面开孔并连接排气管，排气管上设置电磁阀，排气管另一端连接热泵外壳，热泵的内循环管道内部循环流通内循环工质；

5、热泵另一侧外壳设置外循环工质的进入管、排出管，在进入管管路上设置循环泵；

6、进入管、排出管与夹层内部联通，夹层内部循环流通外循环工质；

7、热泵外壳顶部连接真空泵，热泵外壳顶部还连接风机并设置风量调节阀，热泵外壳底部设置空气出口管、冷凝水排液管。

8、所述内筒内部的干燥腔内横向设置搅拌轴，搅拌轴上设置搅拌叶片，搅拌轴穿过外筒和内筒的圆形端后通过联轴器与电机的输出端连接；所述搅拌叶片为螺旋叶片，可以将物料旋入或旋出。

9、所述热泵内部分为空间ⅰ、空间ⅱ，空间ⅱ内设置压缩机、冷凝器、膨胀阀、换热器壳体，空间ⅰ内设有蒸发器，空间ⅰ为方形空间，空间ⅰ为靠近排气管一侧，蒸发器上端通过内循环管道连接压缩机，压缩机的另一端通过内循环管道与冷凝器上端连接，冷凝器下端通过膨胀阀后经内循环管道与蒸发器下端连接，冷凝器的管路浸泡在换热器壳体内的外循环工质中，换热器壳体的下部连接外循环工质的进入管，换热器壳体的上部连接外循环工质的排出管；蒸发器为蛇形管翅换热面；空间ⅰ内设置隔板，将空间ⅰ分割成蒸汽冷凝空间、空气换热空间，靠近排气管的一侧的蒸汽冷凝空间顶部连接真空泵，底部设置倾斜板，倾斜板倾斜向下端设置冷凝水排液管；远离排气管的一侧的空气换热空间顶部连接风机并设置风量调节阀，底部设置空气出口管。

10、所述热泵8内部分为空间ⅰ、空间ⅱ，空间ⅱ内设置压缩机、冷凝器、膨胀阀、套管，空间ⅰ内设有蒸发器，空间ⅰ为球形空间，空间ⅰ为靠近排气管一侧，蒸发器上端通过内循环管道连接到压缩机，压缩机的另一端通过内循环管道与冷凝器上端连接，冷凝器下端通过膨胀阀后经内循环管道与蒸发器下端连接，冷凝器的管路浸泡在套管内的外循环工质中，套管的下部连接外循环工质的进入管，套管的上部连接外循环工质的排出管；蒸发器为蛇形管翅换热面；空间ⅰ内设置隔板，将空间ⅰ分割成蒸汽冷凝空间、空气换热空间，靠近排气管的一侧的蒸汽冷凝空间顶部连接真空泵，底部设置冷凝水排液管；远离排气管的一侧的空气换热空间顶部连接风机并设置风量调节阀，底部设置空气出口管。

11、所述排气管的外部设置套筒ⅰ，套筒ⅰ分上下两截，用管法兰ⅰ连接；所述进入管、排出管及循环泵的外部设置套筒ⅱ，套筒ⅱ分上下两截，用管法兰ⅱ连接；所述外筒1底部设置两根以上的支架，用于支撑外筒。

12、所述热泵内部循依内部工质循环方向为压缩机-冷凝器-膨胀阀-蒸发器-压缩机，并通过铜管道连接。

13、所述内筒内部的干燥腔内还设置压力传感器和温度传感器、湿度传感器。

14、所述内筒和外筒侧面设置透明手孔，可以对干燥腔内部进行观察，必要时，可以打开。

15、所述封头通过卡扣固定在环形平盖上，对内筒内部的干燥腔进行密封。

16、所述装置还包括控制器，控制器与电机、电磁阀、真空泵、压力传感器、温度传感器、湿度传感器相连接。

17、所述外循环工质和内循环工质为水、导热油或低温相变材料；所述外筒外部包裹隔热材料。

18、本发明带余热回收的真空干燥装置在使用时，将需要干燥的物料放入内筒的干燥腔内，通过卡扣将封头固定，实现干燥腔内的密封；开启真空泵对干燥腔内进行抽真空，当压力传感器显示压力达到下限值时，停止抽真空，并关闭电磁阀；

19、开启热泵电机，并开启风机，打开风量调节阀以空气能热泵的形式启动热泵，以加热夹层中的外循环工质，当温度传感器显示温度达到设定温度时，关闭热泵电机和风机；

20、夹层中工质的热量通过热对流和热传导传给内筒的内壁，继而传递给与之接触的待干物料，并随着搅拌叶片的搅拌实现热量更均匀的传递，物料受热后蒸发排出水分，待饱和水蒸气达到干燥腔内的压力上限，开启电磁阀接通排气管与内筒干燥腔空间，水蒸气往上窜至热泵的蒸发器附近，与管翅换热面接触冷凝放热，冷凝水通过冷凝水排液管排出，热量通过热泵传递给夹层中的工质进行储热，同时实现了冷凝降压保持真空度和夹层外循环工质加热的功能；如干燥过程中产生部分不凝气体导致压力不能通过冷凝降到所需真空度，则开启真空泵进行抽吸。

21、本发明热泵内部工质的热力循环为：风机输入自然风或向上窜的水蒸气与蒸发器的换热管翅接触时，内循环工质被加热，经压缩机压缩后进入冷凝器放热，冷凝器与外循环工质进行换热，外循环工质被加热后流入夹层进行储热，内循环工质放热后进入膨胀阀后降压降温进入蒸发器，继续吸收蒸汽或空气的热量后持续蒸发后又进入压缩机，如此循环实现热量的搬运。

22、本发明与传统干燥装置相比有如下优势：

23、（1）本发明相比热风干燥，可以以更低的温度实现水分蒸发，能很好保持干燥物料原本的外观特性和出品品质。

24、（2）本发明利用热泵回收了蒸汽冷凝释放的潜热，并将热量储存在干燥空间外围，让干燥空间持久保持在较高温度，当冷凝热不能满足热场需求时，也可以靠热泵吸取空气热源进行加热，实现了干燥过程的节能减排。

25、（3）本发明从外壁面将热量传导给物料，通过搅拌作用均匀化了热接触，同时利用热蒸汽在物料间形成良好的传热媒介，蒸汽干燥是一种比热风干燥更快速的干燥方式，利用完蒸汽的传热媒介功能后，通过冷凝进一步降低负压水平，进一步加快干燥进程。

26、（4）本发明通过真空泵控制内部负压的波动，叠加蒸汽的自然对流传热，同时增强了各物料之间、物料不同部位间的温度分布均匀性，既可实现缩短总体干燥时长的目的，又可降低物料表皮褶皱和破坏的风险。

27、（5）本发明将用于冷凝的热泵与用于加热夹层外循环工质的热泵合并为一，分时段、分空间实施空气或蒸汽与蒸发器之间的换热，不仅降低了设备的成本，还增加了系统的紧凑性。

28、（6）本发明通过对热泵的改造，同时实现了蒸汽冷凝降压和夹层外循环工质升温，采取机械搅拌、电磁阀和真空泵的启动控制等措施，实现了空间热场均匀化和传热强化，最终达成了干燥提速、产品品质提升和节能减排三重功效。