设为首页 联系我们 友情链接 网站导航 知识窗
中央空调 家用空调 空调末端 特种空调 运输空调 冷冻冷藏 热泵热水机 水/地源热泵 蒸发冷却空调 压缩机 热交换器 配件及原料 智能控制 空气净化
您所在位置:首页  > 技术

热泵烘干系统中国专利申请概况

发表日期:2019/9/9 10:27:07 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

我国是农业大国,农副产品、食品、木材、药材等往往需要烘干贮藏,物料的烘干是其加工过程中的重要环节。烘干是对物料进行加热,物料中的水分吸热蒸发的高耗能过程。热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、微波干燥等技术已被用于农业、化工、木材、纺织、造纸和制药等多种行业,但传统的干燥技术能量利用率低,仅有35%左右。而热泵烘干系统由于其高效节能,具有较宽的可调节干燥条件,干燥介质可实现封闭循环、环境友好等优势,近年来受到重视,并得到了充分发展和推广应用。国外空气源热泵烘干技术在20世纪40年代即用于地下室除湿、木材干燥等领域,国内热泵烘干技术的研究和应用起步于20世纪80年代,并取得了阶段性的成果。

热泵烘干系统是由热泵内的制冷剂循环系统和空气循环系统组成,如图1所示。制冷剂循环系统由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成。空气循环中空气经干燥室后排出部分废气后,经过蒸发器降温除湿,与新风一起进入冷凝器后被升温,到达目标温度和湿度后再进入干燥室。热泵烘干系统稳定运行时,冷凝器热量过剩,因此常采用辅助冷凝器向外界环境散热。


随着人们对知识产权方面了解的深入和对技术保护意识的增强,热泵烘干方面的专利申请量逐渐增加,各企业和研究机构将该方面的研究成果纷纷申请专利,获得专利权,得到法律上的保护,合理有效地占领经济市场。

本文选取了国家知识产权局的中国专利文摘CNABS数据库和全文CNTXT数据库,利用IPC(国际通用专利文献分类检索工具)分类号和关键词(热泵烘干、热泵干燥等)从中进行了检索和统计(检索时间为2018年11月6—7日),从专利申请的年度变化、具体申请人及其类型、以及核心技术内容等方面分析了其发展概况。通过对近年来热泵烘干系统中国专利申请文献进行统计,分析该领域的发展趋势和核心技术,并展望热泵烘干技术发展方向。


热泵烘干系统中国专利申请量时间分布


如图2所示,从1987—2017年,热泵烘干方面专利申请量整体上逐渐上升,截至2017年底,经过检索,该领域专利申请量为1 106篇。前期,热泵烘干技术相比国外起步较晚,国内最早在1987年由东北大学(当时为东北工学院)申请的一篇名称为“热泵式干燥机”的实用新型专利。在1987—1993年,每两三年才有一篇专利申请,在1993—2002年,基本每年有1篇申请,其中1997—2000年,申请量到达该阶段的最高值。由此看出在2002年以前,热泵烘干技术研究力度不大,整体发展较为缓慢。在2002年后,年申请量呈稳定上升趋势,尤其在2010年后,热泵烘干系统申请总量呈几何级数上升,增长迅猛,2017年的专利申请量已经是前几年专利申请量的几倍,是早期申请量的几十倍甚至上百倍。由此说明,在2010后越来越多的申请人发现热泵烘干技术相比其他传统烘干技术的优势,已经开始大力研发热泵烘干技术,提高了创新能力,使得该技术的发展达到前所未有的高度。



热泵烘干系统的国别分布


热泵烘干技术动力学模型、性能测试和优化、工艺、经济性等最早均由国外研究和应用,但经过检索发现,截至2017年底,中国专利申请的申请人基本为国内申请人,国外申请人的申请量很少。究其原因,一方面是国外申请人虽然研究深入但可能在中国申请专利的不多,另一方面国内企业或高校意识到该技术市场前景广阔,因此加大了研究投入,同时对知识产权保护意识的增加,将研究技术转化为专利保护,申请量大幅增加。


申请人分布


图3列举了1987—2017年30年间热泵烘干中国专利申请量排在前20的申请人,在国家上看都为国内申请人。从类型上看,有企业申请人和高校申请人。而企业申请人基本是以环境技术、制冷技术、热能科技为主营项目的企业。高校申请人为中原工学院、天津商业大学、青岛大学、河南科技大学、天津科技大学等,基本是以制冷与空调技术为主要研究项目的院校。由此看出,近几年这些企业和院校在热泵烘干技术方面做了大量的研究,并取得了一定的成绩,申请了专利保护,也说明在热泵烘干技术方面的市场竞争愈演愈烈。


为了方便分析,笔者将相关的公司或隶属于同一集团的公司计为同一研究对象,河南佰衡节能科技股份有限公司和河南佰衡节能技术有限公司两个公司在热泵烘干方面的专利申请高达122件,中国科学院理化技术研究所和珠海格力电器股份有限公司分别申请了90件和76件。高校方面,中原工学院、天津商业大学、青岛大学、河南科技大学、天津科技大学等院校的申请量也名列前茅,表明高校在热泵烘干系统方面也加大了研究力度,取得了可观的成绩。

从图3能够看出,企业与高校申请量占比分别为47%和53%,二者数据上较为接近,说明在热泵烘干技术方面企业和高校都投入了较大的研究,取得了不错的成绩,并进行了专利申请方面的知识产权保护。



热泵烘干系统专利申请核心技术


热泵烘干系统集成了热泵的制冷剂循环和空气循环,笔者在检索以及统计分析中发现,核心技术主要在这两个循环的改进之处。在图5中,提高能量利用率的创新占整个核心发明点的37%;热泵烘干系统的清洗、净化或除尘方面的申请量占总量的18%,居申请量第二,这是热泵烘干系统在使用过程中需要考虑的普遍需要解决的技术问题;热泵烘干系统与新能源的结合方面的申请量占15%,说明新能源也是行业研究的创新点;另外,围绕对烘干效果方面的控制,例如风速或烘干温度的控制和热泵烘干具体应用均占10%,提高系统多级或不同工况的适应能力,多功能化等研究方面也是专利申请的主要发明内容的突破点。


4.1  提高能量利用率

由于热泵烘干属于能量密集型过程,且在稳定运行过程中热量过剩,因此,提高能量利用率是重点研究对象。笔者将提高能量利用率分为3部分,其中,余热或回热的利用的申请量占总申请量的22%,主要技术手段是设置一个或多个换热器。在热量传递方面增加设置回热器,能降低换热温差,提高换热效率;在余热或废热利用方面,也提高了能量利用率,减少能量浪费,但换热器的增设也带来了成本的增加,这也是研究人员在热泵烘干系统经济性方面需要进行衡量的。

在物料干燥的过程中,空气循环需要引入一定量的新风来提高空气质量,尤其是在农副产品、食品干燥的过程中,为了避免细菌、霉菌等微生物对物料的破坏,对空气洁净度更是有一定的要求。然而,新空气的加入需要对其热负荷进行处理,对流量进行控制。经过检索发现,设置风阀、增设辅助管路并进行切换、双向送风或多向送风是对新风控制的主要手段。

在热泵系统中,提高压缩机效率的申请量占1%,这一方面来自于压缩机厂商对压缩机本身性能的优化和改进,另一方面在于热泵干燥系统对压缩机的选用和匹配。例如,压缩机采用喷气增焓技术,热泵系统中增加经济器或闪蒸器,能够有效地提高压缩机效率和系统制热系数;另外有些专利申请还采用多级热泵烘干系统的方式,降低压缩机压比,提高压缩机效率。

4.2  清洗、净化或除尘

热泵烘干系统烘干的物料主要是农副产品、食品、药材等,因此,对热泵烘干系统内部的干净程度是有一定要求的,同时避免对环境造成污染。对系统的清洁或防尘主要有以下技术手段:

1)设置喷水机构对蒸发器和冷凝器进行清洗或清灰;

2)设置换热器和特殊管路对废气进行处理;

3)改进蒸发器或冷凝器的结构,例如紊流夹套式、毛细管式等方式冷凝器,提高换热面积的同时避免滋生细菌;

4)管道内设置活性炭吸附剂、喷雾过滤器或油水过滤器等装置,过滤或净化废气;

5)采用CO2作为制冷剂进行跨临界循环研究,避免污染环境。

4.3  与新能源结合

热泵烘干系统与新能源的结合是充分利用资源的有效方式,其中使用最多的就是太阳能,另外还有地热能、沼气等,以及溴化锂吸收式热泵机组。利用这些新能源的方式,例如利用换热器进行热交换产生热水,利用太阳能光伏组件产生电能储存在蓄电池中,或利用太阳能空气加热器等。

4.3.1  热泵烘干技术的具体应用

热泵烘干系统干燥的物料多种多样,枸杞、金银花、山药、荔枝、谷物、腌制品、大枣、辣椒、芦荟、烟叶、木材等。不同待干燥物料的水分参数不同,对空气的干燥温度和湿度的需求也是不同的。因此,针对每种特定的待干燥物料需要设置合适的摆放方式,特殊的风管结构,特定的控制方法等。例如,在待干燥的木材上设置导电传感器检测木材的干燥程度,并进行监控;对待干燥的粮食进行分层干燥;对不同湿度参数的物料进行分区干燥;通过设置蜂窝型隔板对烟叶进行烘干;设置特殊结构的干燥室对传送带上的物料进行烘干;车载移动式热泵烘干装置等。

4.3.2  多级或不同工况的优化

针对同一套热泵烘干系统,由于待干燥物料的多样性,不同季节的气候条件不同导致的空气的参数不同。因此,针对不同的工况或不同的待干燥物料进行干燥,需要提供多种运作模式,同时需要考虑利用尽可能小的耗能,尽可能少的烘干时间,尽可能地不影响待干燥本身的品质。专利申请中记载的实施技术手段如下:

1)利用多级热泵烘干系统或在同一热泵烘干系统中采用多级换热器,针对不同工况可进行有效调节,同时能够提高每一级的能量利用率,也能够提高热泵冷凝温度或空气烘干温度,一定程度地减少烘干时间;

2)增设辅助换热器和旁通管路,通过控制阀调节制冷剂流向和流量分配;

3)采用一个或多个变频压缩机,以适应不同的工况的负荷;

4)在风管中开设多个风阀(或风门)或多个进口、出口,通过风阀(或风门)或进口、出口的开闭来控制风量或切换空气流动方式(例如闭式、开式或半开式的切换),从而适应不同工况。

4.3.3  多功能化

笔者在统计分析的过程中发现,一部分热泵烘干的专利申请还涉及系统的多功能化,例如,在原有系统的功能上,增设冷藏功能,对烘干后的物料进行保鲜;增设空气调节的功能,对空气舒适性进行调节;增设热泵热水器的功能,在热泵烘干系统不工作期间,可用来制热水;烘干室内结构的多功能化,如增设挂钩或托盘之类的通用结构以适应不同物料的承载等。

4.3.4  风速或烘干温度的控制

另外,还有一部分专利申请是关于风速或烘干温度的控制方法的改进,利用温湿度传感器或干燥传感器等设备,通过在单片机或PLC中设定特殊的程序自动完成对热泵烘干系统的调节,更有些专利通过网络与智能手机结合,完成对系统参数的监测和控制。


发展趋势及展望


随着科学技术和市场经济的发展,人们对热泵烘干技术有了一定的了解,而在以下几方面还需要进行考虑或创新:

1)烘干效率与时长的精确控制,在烘干质量与消耗能量间取得平衡;

2)由于增设其他设备实现了提高能源利用率、多功能、对不同工况优化等目的而带来了初期成本或运营维护成本的增加,在热泵烘干系统的经济性方面取得平衡;

3)提高制冷剂或压缩机的性能,使制冷剂对环境更加友好,压缩机能适应更严苛的工况。


结束语


热泵烘干技术相比传统干燥工艺有明显的优势,已经被越来越多的商家或企业接受,并得到发展和推广。本文介绍了热泵烘干系统中国专利申请概况。申请量随时间逐渐增长,尤其近几年呈几何指数递增;申请人以国内为主,企业与高校占比相差不大,国内的热泵烘干技术已经取得了一定成绩;核心技术方面,提高能量利用率申请量占比最大,其次是净化或除尘,与新能源的结合,热泵烘干具体应用,多级或不同工况的优化,多功能化以及风速或烘干温度的控制各方面具有一定的申请量,并总结了各方面的实施技术手段。热泵烘干系统及其相关技术已经取得了一定发展,但随着科技创新的逐渐加快以及人们对知识产权保护意识的不断提高,为了在愈演愈烈的市场竞争中占据有利地位,热泵烘干系统及其相关技术的研发也面临着一定的挑战。


本文选自《制冷与空调》2019年7月刊,者:刘学章  年玉琳  王轶凡;未经许可,不得转载


发表评论: 共有 访客发表了评论

验证码: 看不清楚?

    精彩内容推荐

    • 多联式空调(热泵)机组铭牌标注研讨会在合肥顺利召开

      中国制冷空调工业协会联合全国冷冻空调设备标准化技术委员会、合肥通用机电产品检测院有限公司于2019年9月9日至10日在合肥召开了多联式空调(热泵)机组铭牌标注研讨会。来自行业的27家多联机生产企业的技术和质量负责人出席了会议。中国制冷空调工业协会理事长、全国冷冻空调…

    • 间接蒸发冷却:向全新阶段迈进

      据统计,全球数据中心的耗电量约占地球总用电量的2-3%。正是由于这种巨大的能耗,高效的解决方案应用迫在眉睫。而自然冷却(Free Cooling)和蒸发冷却(Evaporative cooling)技术就是最具潜力的冷却解决方案之一(特别是在近期项目中);根据ASHRAE TC 9.1数据处理环境热指南…

    • 三菱电机将在日本推出R32热泵冷水机组

      近日获悉,三菱电机表示将于2020年初在日本推出一款风冷式热泵冷水机组,该机组采用较低的GWP制冷剂R32。据悉,R32热泵冷水机组DT-RIII采用其VRF产品中使用的高效铝扁管换热器技术,三菱电机相关人员表示,新型冷水机组可在室外温度高达52℃时实现冷却。与三菱目前的DT-RII R4…

    排行榜

    一周 | 一月

    精彩专题更多

    • 中国制冷能效项目

    • 制冷空调行业部分上市公司2019年半年报一览

    • 第十三届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年年报盘点

    • 臭氧气候技术路演及工业圆桌会议

    • 保护臭氧层与温室气体减排

    • 改革开放40年制冷空调企业展示

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年三季度报集锦

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年中报集锦

    • 2018年中国技能大赛——全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项

    • 第十二届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 20号令变身94号令,关于质疑投诉的要点

    • 详解《中华人民共和国标准化法》

    • 制冷空调行业部分上市公司2017年三季报集锦

    • 全国各地政府采购评审专家劳务报酬标准汇总

    • 第十一届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 2017“2+26”城市“煤改清洁能源”补贴政策一览

    • 您需要知道的几个要点

    • 2017北京“煤改清洁能源”招标陆续启动

    • 关注热泵采暖

    • 中央空调政府采购二三事儿

    • 冷冻冷藏

    • 汽车空调

    Top