一种基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统及方法与流程

本发明涉及热泵和消毒杀菌，尤其涉及一种基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统及方法。

背景技术：

1、高温消杀技术是食品加工、医药生产、公共卫生消杀等多个领域的核心工序，当前相关技术正朝着低碳化、高能效的方向迭代。跨临界二氧化碳热泵凭借环保性优异、高温输出能力突出的天然优势，逐步替代传统电加热、燃煤锅炉等消杀热源方案，成为行业内的重点研发方向。

2、现有已公开的基于二氧化碳热泵的消杀方案普遍采用‌单一气体冷却器‌的换热结构，这类传统架构在实际落地应用中逐渐暴露出一系列难以解决的固有缺陷：1、无法适配不同消杀工艺的变温区使用需求；2、消毒温度仅能固定设置或通过机械开关进行有限切换，无法根据不同消杀对象的工艺要求和实时工况完成精细化自适应调节，能源浪费问题严重；3、现有方案缺少冷热联产的统筹设计，低温侧产生的冷量完全被浪费，无法适配消杀后产品快速降温的工艺需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明提供的一种基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统及方法，通过多支路串联气体冷却器架构实现不同温度区间消杀模式的自动切换和自适应匹配，同时还通过温度滑移匹配的多级梯级温差控制策略保障系统在不同出水温度工况下都能维持较高能效。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，一种基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，其包括：

4、热泵循环回路，其包括压缩机、气体冷却组件、节流件和蒸发器；

5、消杀室，其设置有若干消杀区；

6、其中，所述压缩机的出口与所述气体冷却组件的入口通过管道连接，所述气体冷却组件的出口与所述节流件的入口通过管道连接，所述节流件的出口与所述蒸发器的入口通过管道连接，所述蒸发器的出口与所述压缩机的入口通过管道连接，若干所述消杀区分别通过管道与所述蒸发器和所述气体冷却组件连接。

7、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，进一步地，所述气体冷却组件包括若干气体冷却器，若干所述气体冷却器之间通过管道以串联或并联的方式设置，且若干所述气体冷却器均连接有蓄热水箱，所述蓄热水箱通过管道与所述消杀区连接。

8、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，进一步地，若干所述气体冷却器包括第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器和第四气体冷却器，所述第一气体冷却器、所述第二气体冷却器、所述第三气体冷却器和所述第四气体冷却器通过管道依次串联，所述第一气体冷却器连接有第一蓄热水箱且连接的管道上设置有第一循环水泵，所述第二气体冷却器连接有第二蓄热水箱且连接的管道上设置有第二循环水泵，所述第三气体冷却器连接有第三蓄热水箱且连接的管道上设置有第三循环水泵，所述第四气体冷却器连接有第四蓄热水箱且连接的管道上设置有第四循环水泵。

9、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，进一步地，若干所述消杀区依次配置为预热段、高温段和快速冷却段，所述第一蓄热水箱、所述第二蓄热水箱、所述第三蓄热水箱和所述第四蓄热水箱内的温度依次配置为第一温度、第二温度、第三温度和第四温度，所述第一温度大于所述第二温度，所述第二温度大于所述第三温度，所述第三温度大于所述第四温度，所述快速冷却段与所述蒸发器连接，所述高温段与所述所述第一蓄热水箱和所述第二蓄热水箱连接，所述预热段与所述第三蓄热水箱和所述第四蓄热水箱连接。

10、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统及方法，进一步地，还包括压力传感器和温度传感器，所述压力传感器设置在所述压缩机的入口和出口处，所述温度传感器设置在所述消杀区以及所述气体冷却器与所述蓄热水箱之间。

11、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，进一步地，所述压力传感器包括高压压力传感器和低压压力传感器，所述高压压力传感器设置在所述压缩机的出口处，所述低压压力传感器设置在所述压缩机的入口处。

12、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，进一步地，所述压缩机为变频压缩机，所述节流件为电子膨胀阀，所述蒸发器为套管式换热器，所述气体冷却器采用套管式或板翅式换热器结构，所述管道的材质为不锈钢或者铜合金。

13、第二方面，一种基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀方法，应用于如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀系统，其包括以下步骤：

14、根据待消杀的产品，从预设模式中选择对应的运行控制策略；

15、启动压缩机，将二氧化碳压缩至超临界状态并将其依次流经第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器和第四气体冷却器完成逐级放热；

16、获取第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器和第四气体冷却器的出口温度数据，得到温度变化曲线；

17、根据选定的运行控制策略调节第一循环水泵、第二循环水泵、第三循环水泵和第四循环水泵转速以调整第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器和第四气体冷却器的水流量分配，得到二氧化碳流经第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器和第四气体冷却器的温度滑移曲线；

18、将温度变化曲线与温度滑移曲线进行梯级匹配，并根据梯级匹配后的结果控制各消杀区的温度，以适配待消杀的产品。

19、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀方法，进一步地，还包括以下步骤：

20、当系统运行过程中，若检测到运行控制策略变更或者环境温度和热源水温改变导致超出当前模式的设定范围时，调整压缩机的排气设定点以及流经第一气体冷却器、第二气体冷却器、第三气体冷却器和第四气体冷却器的水流量，以切换至适配当前运行控制策略或者温度和水温的模式。

21、如上所述的基于跨临界二氧化碳热泵的自适应高温消杀方法，进一步地，所述预设模式包括常规热水模式、中温消杀模式、高温消杀模式和超高温瞬时模式，所述常规热水模式的出水温度为45-60℃，所述中温消杀模式的出水温度为62-75℃，所述高温消杀模式的出水温度为80-95℃，所述超高温瞬时模式的出水温度大于120℃。

22、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

23、1、本发明通过多支路串联气体冷却器架构，可在同一系统内灵活切换常规热水模式45-60℃、中温消杀模式62-75℃、高温消杀模式80-95℃，以及蓄热缓冲后可输出超过120℃瞬时热水或蒸汽的超高温瞬时模式，实现了对不同消杀工艺的广谱适配；

24、2、本发明基于温度滑移匹配的多级梯级温差控制策略，让二氧化碳跨临界放热的温度滑移曲线与水侧的逐级升温曲线在各换热节点高度匹配，大幅降低换热过程的不可逆损失，显著提高了变工况条件下的系统能效；

25、3、本发明通过实时监测各气体冷却器单元的出口水温并进行动态调节，可根据消杀对象的工艺要求和工况变化自动优化系统运行参数，实现了消杀过程的自适应精细化控制；

26、4、本发明可以回收蒸发器产成的低温冷量供给消杀后产品快速降温使用，在完成高温杀菌后可让产品迅速降至适宜温度，终止微生物活性，实现了冷热联产与消杀工艺热杀和冷淬的一体化。