PL247756B1 - Suszarnia konwekcyjna - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest suszarnia konwekcyjna. Ujawniono suszarnie konwekcyjną do przemysłowego suszenia produktów roślinnych takich jak: warzywa, owoce, zboże, drewno oraz biomasa rolnicza i leśna; wyposażoną w połączone kanałami powietrznymi w obiegu medium suszącego wymiennik ciepła, wentylator, komorę suszarniczą, nagrzewnicę oraz połączone w obiegu termodynamicznym parownik i skraplacz, zawierającą trójniki kanałowe z przepustnicami połączonymi operacyjnie z czujnikami i sterownikiem. Suszarnia umożliwia realizacje procesu suszenia o zredukowanej energochłonności procesu oraz efektywne sterowanie obiegiem medium suszącego, uzależnione od aktualnych parametrów temperaturowych i wilgotnościowych medium suszącego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest suszarnia konwekcyjna ze sprężarkową pompą ciepła jako głównym źródłem ciepła, w której medium suszącym jest gaz, zwłaszcza gorące powietrze. Suszarnia przeznaczona jest do przemysłowego suszenia produktów roślinnych takich jak: warzywa, owoce, zboże, drewno oraz biomasa rolnicza i leśna.

Znane są ze stanu techniki systemy suszarni wykorzystujące układy pomp ciepła pracujące w zamkniętym obiegu powietrza. W takich układach powietrze wyrzutowe z komory suszenia przepływa przez parownik pompy ciepła, zostaje osuszone, a następnie przepływa przez skraplacz i zostaje ogrzane. Gorące suche powietrze wpływa do komory suszenia i pochłania wilgoć z suszonych materiałów, następnie skierowane jest do wyrzutu i cykl się powtarza. Znane ze stanu techniki są także systemy, w których powietrze nie jest recyrkulowane a pompa ciepła wykorzystuje powietrze zewnętrzne jako dolne źródło ciepła.

W opisie patentowym EP3417222 B1 ujawniono układ suszarni zawierający parownik i skraplacz pompy ciepła, jednostkę suszenia, jednostkę wymiany ciepła, wentylator i zespół kanałów doprowadzających i odprowadzających powietrze obiegowe. Parownik umieszczony jest w kanale wylotowym powietrza opuszczającego wymiennik ciepła. Powietrze wylotowe układu jest mieszane z powietrzem zewnętrznym i przepływa przez parownik pompy ciepła, gdzie zostaje wstępnie osuszone. Następnie powietrze jest skierowane do jednostki wymiany ciepła, gdzie zostaje wstępnie podgrzane, a następnie przepływając przez skraplacz pompy ciepła zostaje ogrzane do wymaganej temperatury i skierowane do jednostki suszenia. Powietrze wylotowe z jednostki suszenia zostaje skierowane do jednostki wymiany ciepła oddając ciepło do wstępnego podgrzania strumienia wlotowego.

Powszechnie wiadomo, że proces suszenia polega na jednoczesnym przekazaniu ciepła i pochłonięciu z suszonego materiału wilgoci przez medium suszące, którym najczęściej jest powietrze (lub gazy spalinowe), o odpowiednio dobranych parametrach takich jak: prędkość strugi, temperatura oraz wilgotność. W zależności od typu suszonego materiału, proces suszenia odbywa się w określonej technologicznie temperaturze. W zależności od opracowanej technologii suszenia materiału temperatura medium suszącego może osiągać wartość rzędu 80°C. Ze względu na m.in. wysoką entalpię parowania wody, suszenie jest procesem bardzo energochłonnym. W tradycyjnych suszarniach konwekcyjnych jako źródło ciepła technologicznego stosowane są urządzenia grzewcze bazujące na spalaniu paliw kopalnych lub biomasy rolniczej bądź leśnej. Im wyższa temperatura medium suszącego tym wyższe są straty a zarazem koszty wytworzenia ciepła technologicznego są wyższe. Medium suszące, w wyniku przekazania ciepła i odebrania wilgoci z suszonego materiału ulega ochłodzeniu, ale nadal jego temperatura jest znacznie wyższa niż temperatura powietrza atmosferycznego. W rezultacie ogromne ilości ciepła, które należy traktować jako ciepło odpadowe, są emitowane do atmosfery i przez to tracone.

Kinetyka suszenia wskazuje, że na początku procesu, gdy wilgotność materiału jest duża, strumień usuwanej wilgoci jest duży, następnie maleje, a pod koniec procesu jest bardzo mały. Ilość pobieranej przez suszące powietrze z suszonego materiału wody wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, ale i spadkiem wilgotności względnej powietrza. W związku z tym niezbędny do odparowania wody z suszonego materiału strumień ciepła zmniejsza się w czasie suszenia, co powoduje, że temperatura powietrza opuszczającego komorę suszenia jest coraz większa, a wilgotność względna powietrza coraz mniejsza.

Problemem występującym w znanych suszarniach konwekcyjnych są energochłonność procesu i wysokie koszty eksploatacyjne wynikające z wysokiej temperatury medium suszącego (powietrza) oraz znacznego czasu potrzebnego do przeprowadzenia procesu suszenia. Głównym problemem w rozwiązaniach ze stanu techniki jest brak efektywnego sterowania procesem i strumieniem medium suszącego, uwarunkowanego zmiennymi w czasie warunkami procesu. Celem rozwiązania według wynalazku jest zapewnienie suszarni konwekcyjnej umożliwiającej realizacje procesu suszenia o zredukowanej energochłonności procesu i efektywnym sterowaniu obiegiem medium suszącego, w sposób zależny od aktualnych parametrów temperaturowych i wilgotnościowych medium suszącego.

Suszarnia konwekcyjna wyposażona jest w połączone kanałami powietrznymi w obiegu medium suszącego wymiennik ciepła, wentylator, komorę suszarniczą, nagrzewnicę oraz połączone w obiegu termodynamicznym parownik i skraplacz. Suszarnia według wynalazku charakteryzuje się tym, że kanały powietrzne tworzące obieg medium suszącego zaopatrzone są w trójniki z przepustnicami połączonymi operacyjnie z czujnikami i sterownikiem. Wspomniany obieg medium zawiera w kierunku przepływu kolejno pierwszą instalację kanałową wyposażoną kolejno we wlot, czujnik pierwszy oraz trójnik pierwszy, która połączona jest z obiegiem nawiewnym wymiennika ciepła, który połączony jest z drugą instalacją kanałową wyposażoną kolejno w trójnik drugi, czujnik drugi, wentylator, skraplacz, nagrzewnicę, czujnik trzeci i komorę suszarniczą, której wylot wyposażony jest w czujnik czwarty i połączony jest z trzecią instalacją kanałową wyposażoną w trójnik trzeci i która połączona jest z obiegiem wywiewnym wymiennika ciepła, który połączony jest z czwartą instalacją kanałową wyposażoną kolejno w parownik, trójnik czwarty, czujnik piąty i wylot. Odejście trójnika czwartego połączone jest piątą instalacją kanałową z odejściem trójnika pierwszego i wyposażone jest w czujnik szósty, zaś odejście trójnika trzeciego połączone jest szóstą instalacją kanałową z odejściem trójnika drugiego. Skraplacz połączony w obiegu termodynamicznym za pomocą zespołu pompy ciepła z parownikiem.

Korzystnie medium suszącym jest powietrze.

Korzystnie przepustnice w trójnikach napędzane są silnikami krokowymi.

Korzystnie otwarcie przepustnic w trójnikach jest sterowane sygnałem z czujników.

Korzystnie czujniki są czujnikami temperatury i wilgotności względnej.

Korzystnie nagrzewnica jest nagrzewnicą elektryczną zasilaną jednofazowo napięciem przemiennym o wartości skutecznej 230 V albo zasilaną trójfazowo napięciem przemiennym o wartości skutecznej 400 V.

Korzystnie wymiennik ciepła jest wymiennikiem krzyżowym.

Korzystnie zespół pompy ciepła zawiera sprężarkę i zawór rozprężny.

Korzystnie wentylator jest wentylatorem o zmiennym wydatku.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku możliwa jest realizacja procesu suszenia o zredukowanej energochłonności procesu poprzez zastosowanie jako źródło ciepła technologicznego sprężarkowej pompy ciepła, odzysk ciepła odpadowego i efektywne sterowanie obiegiem medium suszącego w sposób umożlwiający sterowanie urządzeniami i przepływem medium, uzależnione od aktualnych parametrów temperaturowych i wilgotnościowych medium suszącego. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia odzysk traconego dotychczas ciepła z medium suszącego, traktowanego jako ciepło odpadowe i wykorzystanie go jako dolne źródło ciepła dla sprężarkowej pompy ciepła. Dodatkowo umożliwia osuszanie powietrza, które następnie może być dostarczone do komory suszarniczej. Dzięki rozwiązaniu według wynalazku, w zależności od zastosowanego czynnika chłodniczego w układzie pompy ciepła, na 1 kW energii elektrycznej zużytej do napędu sprężarki pompy ciepła uzyskuje się 3-5 kW ciepła. Rozwiązanie umożliwia zastąpienie w suszarniach konwekcyjnych stosowanych dotychczas źródeł ciepła wytwarzających ciepło technologiczne ze spalania konwencjonalnych (gaz ziemny, olej opałowy) bądź odnawialnych (biomasa) nośników energii, przez sprężarkową pompę ciepła. Sterowanie przepustnicami w trójnikach umożliwia wykorzystanie suszarni i w kilku trybach suszenia, w zależności od parametrów powietrza jego przepływ i ogrzewanie w odpowiednich kanałach instalacji wentylacyjnej: od powszechnie wykorzystywanej recyrkulacji (bez ogrzewania powietrza), recyrkulacji z odbiorem ciepła w wymienniku krzyżowym oraz osuszeniem powietrza i następnie, po podgrzaniu, wprowadzenie tego powietrza do komory suszarniczej, suszenie z podgrzaniem powietrza i następnie, za komorą suszarniczą, pobraniem ciepła odpadowego w wymienniku ciepła i parowniku pompy ciepła. Suszarnia konwekcyjna ze sprężarkową pompą ciepła umożliwia znaczne zmniejszenie energochłonności i kosztów procesu suszenia. Zastosowanie krzyżowego wymiennika ciepła umożliwia bezkosztowy odzysk ciepła z medium suszącego i wstępny podgrzew czerpanego powietrza. Ponadto zastosowanie krzyżowego wymiennika ciepła umożliwia dostarczane do komory suszarniczej powietrza charakteryzującego się małą wilgotnością bezwzględną (w przypadku powszechnie wykorzystywanej w suszarkach recyrkulacji powietrze opuszczające komorę suszenia, o wysokiej wilgotności, jest następnie dostarczane do komory suszarniczej).

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym: na fig. 1 przedstawiono uproszczony widok z góry suszarni konwekcyjnej według wynalazku; na fig. 2 przedstawiono schemat funkcjonalny suszarni konwekcyjnej według wynalazku, z oznaczonym kierunkiem przepływu medium suszącego w trybie suszenia przewidującym usuwanie z suszarni całego medium; na fig. 3 przedstawiono schemat funkcjonalny suszarni konwekcyjnej według wynalazku, z oznaczonym kierunkiem medium suszącego w trybie suszenia przewidującym recyrkulacje medium suszącego; na fig. 4 przedstawiono schemat funkcjonalny suszarni konwekcyjnej według wynalazku, z oznaczonym kierunkiem medium suszącego w trybie suszenia przewidującym częściową recyrkulacje powietrza suszącego.

Suszarnia konwekcyjna wyposażona jest w połączone kanałami powietrznymi w obiegu medium suszącego wymiennik ciepła, wentylator, komorę suszarniczą, nagrzewnicę oraz połączone w obiegu termodynamicznym parownik i skraplacz. Kanały powietrzne tworzące obieg medium suszącego zaopatrzone są w trójniki 3, 6, 8, 16 z przepustnicami połączonymi operacyjnie z czujnikami 20¹, 20¹¹, 20¹¹¹, 20^IV, 20^V, 20^VI i sterownikiem 21. Wspomniany obieg medium zawiera w kierunku przepływu kolejno pierwszą instalację kanałową 5 wyposażoną kolejno we wlot 1, czujnik pierwszy 20I oraz trójnik pierwszy 6, która połączona jest z obiegiem nawiewnym wymiennika ciepła 7, który połączony jest z drugą instalacją kanałową 18 wyposażoną kolejno w trójnik drugi 8, czujnik drugi 20¹¹, wentylator 9, skraplacz 10, nagrzewnicę 11, czujnik trzeci 20^m i komorę suszarniczą 12, której wylot wyposażony jest w czujnik czwarty 20^IV i połączony jest z trzecią instalacją kanałową 4 wyposażoną w trójnik trzeci 3 i która połączona jest z obiegiem wywiewnym wymiennika ciepła 7, który połączony jest z czwartą instalacją kanałową 15 wyposażoną kolejno w parownik 14, trójnik czwarty 16, czujnik piąty 20^V i wylot 17. Odejście trójnika czwartego 16 połączone jest piątą instalacją kanałową 13 z odejściem trójnika pierwszego 6 i wyposażone jest w czujnik szósty 20^VI, zaś odejście trójnika trzeciego 3 połączone jest szóstą instalacją kanałową 2 z odejściem trójnika drugiego 8. Skraplacz 10 połączony w obiegu termodynamicznym za pomocą zespołu pompy ciepła 19 z parownikiem 14. Medium suszącym jest powietrze. Przepustnice w trójnikach 3, 6, 8, 16 napędzane są silnikami krokowymi. Otwarcie przepustnic w trójnikach 3, 6, 8, 16 jest sterowane sygnałem z czujników 20^I, 20^II, 20^III, 20^IV, 20^V, 20^VI. Czujniki 20^I, 20^II, 20^III, 20^IV, 20^V, 20^VI, są czujnikami temperatury i wilgotności względnej. Nagrzewnica 11 jest nagrzewnicą elektryczną zasilaną jednofazowo napięciem przemiennym o wartości skutecznej 230 V. Wymiennik ciepła 7 jest wymiennikiem krzyżowym. Zespół pompy ciepła 19 zawiera sprężarkę i zawór rozprężny. Wentylator 9 jest wentylatorem o zmiennym wydatku.

W innym korzystnym przykładzie wykonania nagrzewnica 11 jest nagrzewnicą zasilaną trójfazowo napięciem przemiennym o wartości skutecznej 400 V.

Powietrze zewnętrzne kieruję się wlotem 1 do pierwszej instalacji kanałowej 5 przez obieg nawiewny wymiennika ciepła 7, w którym zostaje wstępnie podgrzane poprzez wymianę ciepła z medium wylotowym, następnie powietrze kieruje się drugą instalacją wentylacyjną 18, gdzie zostaje podgrzane do zadanej temperatury przepływając przez skraplacz 10 stanowiący górne źródło pompy ciepła, i gdzie przeprowadzana jest wymiana ciepła między czynnikiem termodynamicznym a medium suszącym, oraz następnie zostaje podgrzane w nagrzewnicy 11. Przepływ medium w instalacji kanałowej zapewnia wentylator 9 o zmiennym wydatku. Następnie zasila się na wlocie komorę suszarniczą 12 podgrzanym medium suszącym, gdzie przeprowadzane jest przekazanie ciepła z medium suszącego do suszonego materiału i odebranie od niego wilgoci, a następnie z wylotu komory suszarniczej 12 strumień schłodzonego medium suszącego kieruje się do obiegu wywiewnego wymiennika ciepła 7, gdzie przeprowadzane jest przekazanie ciepła medium suszącego do medium wlotowego. Następnie kieruje się strumień medium suszącego do czwartej instalacji wentylacyjnej 15 przez parownik 14 stanowiący dolne źródło ciepła pompy ciepła, gdzie przeprowadzana jest wymiana ciepła między medium suszącym a czynnikiem termodynamicznym, schładzając i osuszając strumień medium suszącego. Nagrzewnica 11 zostaje załączona, w przypadku gdy temperatura medium suszącego jest w niższa niż temperatura wymagana do realizacji wrzenia czynnika termodynamicznego w układzie pompy ciepła, oraz sprężarka zespołu pompy ciepła 19 jest wyłączona. W sytuacji, gdy suszony materiał charakteryzuje się małą wilgotnością (medium suszące pobiera małe ilości wody od suszonego materiału), medium suszące opuszczające komorę suszarniczą 12 w całości lub w części jest wykorzystane powtórnie do zasilania komory suszarniczej (recyrkulacja/częściowa recyrkulacja). Sterowanie przepustnicami w trójnikach 3, 6, 8, 16 umożliwia przepływ powietrza w odpowiednich kanałach instalacji kanałowej i w ten sposób jest możliwe pobieranie w całości lub w części powietrza z zewnątrz (układ otwarty) oraz pełną recyrkulację powietrza suszącego (układ zamknięty). Parametry powietrza suszącego określane są za pomocą pomiaru temperatury oraz wilgotności względnej tego powietrza, realizowanego przez czujniki 20¹, 20, 20III, 20^iv, 20^v, 20^vi. Źródłem ciepła suszarni konwekcyjnej jest wymiennik ciepła 7, skraplacz 10 pompy ciepła, nagrzewnica 11. Suszarnia może pracować w otwartym oraz zamkniętym obiegu medium suszącego, a sterowanie (poprzez sterownik 21) przepustnicami w trójnikach 3, 6, 8, 16 opiera się na pomiarze temperatury oraz wilgotności względnej powietrza. Do napędu przepustnic w trójnikach 3, 6, 8, 16 służą silniki krokowe.

Na początku suszenia zapotrzebowanie na ciepło jest największe, powietrze wlotowe ogrzewane w wymienniku ciepła 7, w skraplaczu 10 pompy ciepła i w nagrzewnicy 11, ochładza się oraz pobiera wilgoć w komorze suszarniczej 12. Powietrze to o dużej wilgotności ogrzewa następnie powietrze wlotowe suszarni w wymienniku ciepła 7, ochładza się i osusza w parowniku 14 pompy ciepła, ale jego parametry mogą być mniej korzystne niż powietrza otoczenia, zostaje więc ono wydalone na zewnątrz.

Wraz z upływem czasu powietrze suszące opuszczające komorę suszarniczą 12 ma mniejszą wilgotność względną i większą temperaturę, a po przepłynięciu przez wymiennik ciepła 7 i parownik 14 może być na tyle osuszone, że można je wykorzystać, w coraz większym udziale, jako powietrze wlotowe do suszarni. Zapotrzebowanie na ciepło jest wtedy mniejsze, więc nagrzewnica 11 może być wyłączona, a wentylator 9 może tłoczyć mniejsze ilości powietrza. Pod koniec procesu suszenia, gdy powietrze odbiera od suszonego materiału małe ilości wody, parametry powietrza opuszczającego komorę suszarniczą 12 mogą pozwalać na zastosowanie recyrkulacji (lub z małym udziałem powietrza z otoczenia), które wymaga małych nakładów energetycznych (głównym źródłem ciepła jest wtedy skraplacz 10 pompy ciepła, parownik 14 pobiera ciepło od otoczenia). Realizację wskazanych trybów pracy suszarni konwekcyjnej umożliwia sterowanie (na podstawie aktualnej temperatur i wilgotności powietrza) przepustnicami w trójnikach 3, 6, 8, 16 przepływem powietrza, zasilaniem wentylatora 9 oraz nagrzewnicy 11.

Claims (9)

1. Suszarnia konwekcyjna wyposażona w połączone kanałami powietrznymi w obiegu medium suszącego wymiennik ciepła, wentylator, komorę suszarniczą, nagrzewnicę oraz połączone w obiegu termodynamicznym parownik i skraplacz, znamienna tym, że kanały powietrzne tworzące obieg medium suszącego zaopatrzone są w trójniki (3, 6, 8, 16) z przepustnicami połączonymi operacyjnie z czujnikami (20I, 20II, 20^m, 20IV, 20V, 20VI) i sterownikiem (21), przy czym wspomniany obieg medium zawiera w kierunku przepływu kolejno pierwszą instalację kanałową (5) wyposażoną kolejno we wlot (1), czujnik pierwszy (20I) oraz trójnik pierwszy (6), która połączona jest z obiegiem nawiewnym wymiennika ciepła (7), który połączony jest z drugą instalacją kanałową (18) wyposażoną kolejno w trójnik drugi (8), czujnik drugi (20II), wentylator (9), skraplacz (10), nagrzewnicę (11), czujnik trzeci (20^m) i komorę suszarniczą (12), której wylot wyposażony jest w czujnik czwarty (20IV) i połączony jest z trzecią instalacją kanałową (4) wyposażoną w trójnik trzeci (3) i która połączona jest z obiegiem wywiewnym wymiennika ciepła (7), który połączony jest z czwartą instalacją kanałową (15) wyposażoną kolejno w parownik (14), trójnik czwarty (16), czujnik piąty (20V) i wylot (17), przy czym odejście trójnika czwartego (16) połączone jest piątą instalacją kanałową (13) z odejściem trójnika pierwszego (6) i wyposażone jest w czujnik szósty (20^VI), zaś odejście trójnika trzeciego (3) połączone jest szóstą instalacją kanałową (2) z odejściem trójnika drugiego (8), przy czym skraplacz (10) połączony w obiegu termodynamicznym za pomocą zespołu pompy ciepła (19) z parownikiem (14).

2. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że medium suszącym jest powietrze.

3. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że przepustnice w trójnikach (3, 6, 8, 16) napędzane są silnikami krokowymi.

4. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że otwarcie przepustnic w trójnikach (3, 6, 8, 16) jest sterowane sygnałem z czujników (20I, 20II, 20^m, 20IV, 20V, 20VI).

5. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że czujniki (20I, 20II, 20^m, 20IV, 20V, 20VI) są czujnikami temperatury i wilgotności względnej.

6. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że nagrzewnica (11) jest nagrzewnicą elektryczną zasilaną jednofazowo napięciem przemiennym o wartości skutecznej 230 V albo zasilaną trójfazowo napięciem przemiennym o wartości skutecznej 400 V.

7. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że wymiennik ciepła (7) jest wymiennikiem krzyżowym.

8. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że zespół pompy ciepła (19) zawiera sprężarkę i zawór rozprężny.

9. Suszarnia konwekcyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że wentylator (9) jest wentylatorem o zmiennym wydatku.