一种基于热电效应的红外干燥试验装置

1.本发明涉及红外干燥技术领域，具体涉及一种基于热电效应的红外干燥试验装置。


背景技术：

2.红外干燥是一种高效节能又符合环保要求的一种新型无污染干燥技术，主要是通过电磁波辐射的方式进行传播能量，在农产品物料干燥中主要是使用红外线中的25～1000μm长波段的红外线穿透物料表层，当农产品的原子、分子遇到红外线吸收其能量时，会引起粒子的加剧运动，使分子的振动能级产生变化，从而使物料内部升温，由于水分的不断蒸发吸热，外部温度降低，形成内高外低的温度梯度。根据热力学定律可知，可以实现从物料内部进行加热，让红外辐射的能量直接与水分进行耦合，从而提高物料的干燥速率。大部分现有的红外干燥装置都是密闭的干燥腔体，干燥过程中蒸发的过多水分会形成高湿环境，高温高湿的干燥介质不能及时排出，从而干扰红外辐射的传播，不利于待干燥物料对红外辐射能量的吸收，并且干燥过程中产生的水蒸汽会在物料表面发生结露，降低了红外干燥效率，延长了干燥时间，增加了红外干燥能耗。
3.申请号为cn2020229228.x的中国专利公布了一种基于湿度控制的远红外干燥装置，该装置公开的红外干燥装置通过在干燥箱体一侧增加气流循环系统，利用放置箱体内外的温湿度传感器采集信号，来控制循环系统的启停，从而实现湿度控制。但是该装置将红外干燥中产生的高温高湿的干燥介质直接排除到干燥机外部，将排出的干燥介质进行除湿后再次利用，没有降低红外干燥系统的能耗。另外，红外干燥箱内部不能进行温湿度的调节，不能实现多种干燥参数的试验。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种基于热电效应的红外干燥试验装置，将热电效应和红外干燥技术结合起来，利用半导体制冷片冷面制冷、热面散热等特点，将红外干燥中排出的湿空气通过半导体制冷片的冷面降低湿空气的相对湿度，从而达到冷凝除湿的效果，将半导体制冷片的热面产生的热量利用起来，使其进入干燥箱中提高红外干燥箱的能量利用率，提升干燥品质，降低干燥能耗。
5.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
6.提供一种基于热电效应的红外干燥试验装置，包括机架，机架设有干燥箱体和热能循环模块，干燥箱体设置有横向布置的网状的物料盘，物料盘的上方设置有红外辐射加热模块；
7.热能循环模块包括循环管道、循环风机和冷凝降温机构，冷凝降温机构包括冷凝水收集器、翅片组、热电制冷片和散热水冷头，循环管道的两端连通干燥箱体，循环风机用于驱动干燥箱体内的气流经由循环管道循环流动，冷凝水收集器位于循环管道处；翅片组安装在冷凝水收集器中，热电制冷片为半导体制冷片，其冷面与翅片组相连换热，热面与散
热水冷头相连换热，冷凝水收集器的底部设有出水口；
8.热能循环模块还包括水冷风扇和水箱，水冷风扇包括风扇本体和换热盘管，水箱、换热盘管和散热水冷头经由管体以及水泵相互连通，以在其中流动散热介质；风扇本体设置在干燥箱体的底部，换热盘管设置在风扇本体的旁侧，以使风扇本体将换热盘管散发的热量吹向干燥箱体中的物料盘。
9.作为进一步可选方案，该红外干燥试验装置还包括控制模块，控制模块包括控制面板，控制面板电连接有称重传感器、第一温湿度传感器、风速传感器、第二温湿度传感器和温度控制器；
10.称重传感器安装在网状的物料盘的底部，用于反馈干燥过程中被干燥物料的重量；第一温湿度传感器安装在物料盘的上部，用于收集物料表面温湿度；风速传感器安装在循环风机旁侧，用于测量风速；第二温湿度传感器安装在循环管道中，用于采集经过冷凝除湿后空气介质的温湿度；温度控制器用于控制红外辐射加热模块的发热功率。
11.作为进一步可选方案，凝水收集器的底部的出水口经由管体与水箱连通。
12.作为进一步可选方案，干燥箱体的底部设置有锥形的热风收集罩，其小口连接水冷风扇的出风口。
13.作为进一步可选方案，干燥箱体的后侧设有锥形的排湿导向罩，循环风机的入风口与排湿导向罩的小口连接。
14.作为进一步可选方案，干燥箱体、排湿导向罩、冷凝水收集器、循环管道和热风收集罩为双层结构。
15.作为进一步可选方案，双层结构为壳体的内部填充保温材料，保温材料为岩棉、聚氨酯保温板、陶瓷纤维棉、玻璃棉中的一种或两种以上的叠加结构。
16.作为进一步可选方案，干燥箱体设置有物料门，物料门与机架铰接，且能够与机架锁紧扣合，物料门的内侧设有密封条，以使物料门能够密封闭合。
17.作为进一步可选方案，物料门设有透明的视察窗。
18.作为进一步可选方案，红外辐射加热模块为碳纤维红外板、石墨烯红外板、纳米远红外电热板、微晶玻璃红外辐射板、红外线电加热管或红外加热灯。
19.本发明的有益效果：
20.本发明的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，与现有技术相比：
21.1)能解决现有红外干燥试验装置的不足之处，将热电效应和红外干燥技术相结合，通过利用半导体制冷片冷面制冷，热面散热等特点，将红外干燥中产生的高温高湿的干燥介质通过除湿后并再次利用，同时将半导体制冷片热面产生的热量收集起来，可以实现干燥介质的增热，缩短干燥时间，从而提高了红外干燥的效率，提升干燥品质，降低干燥能耗。
22.2)通过控制模块控制红外辐射模块发热功率、循环风机转速、半导体制冷片功率等参数，从而可以实现不同干燥的干燥条件，为红外干燥试验提供了装置，可以用于多参数干燥试验，可以探究不同干燥条件下是最佳干燥工艺参数。
23.3)可以为其他需要排湿控温的干燥试验装置提供思路，也可满足小批量农产品红外干燥的需求，对红外干燥的工业化应用提供试验基础。
附图说明
24.图1为实施例中的一种基于热电效应的红外干燥试验装置的结构示意图。
25.图2为实施例中的一种基于热电效应的红外干燥试验装置的另一视觉的结构示意图。
26.图3为实施例中的一种基于热电效应的红外干燥试验装置的隐藏了左侧板后的结构示意图，主要示意出控制模块。
27.图4为实施例中的一种基于热电效应的红外干燥试验装置的隐藏了局部机架后的结构示意图。
28.图5为图4的另一视觉的结构示意图。
29.图6为实施例中的冷凝降温机构的结构示意图。
30.附图标记：
31.机架1、前侧板11、右侧板12、左侧板13、顶板14、后侧板15、物料门16、观察窗17；干燥箱体2、物料盘21、红外辐射加热模块22、支撑架23、排湿导向罩24、回风接口25、热风收集罩26；循环管道31、循环风机32、冷凝水收集器33、翅片组34、热电制冷片35、散热水冷头36、第一接口361、第二接口362；水冷风扇4、风扇本体41、换热盘管42；称重传感器51、第一温湿度传感器52、控制面板53、风速传感器54、第二温湿度传感器55、温度控制器56；水箱6。
具体实施方式
32.以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。
33.本实施例的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，如图1至图6所示，包括机架1，机架1设有干燥箱体2，干燥箱体2设置有横向布置的网状的物料盘21，用于在其上放置被干燥的物料。物料盘21的上方设置有红外辐射加热模块22，用于辐射红外线对物料盘21上的物料进行加热。红外辐射加热模块22可以为碳纤维红外板、石墨烯红外板、纳米远红外电热板、微晶玻璃红外辐射板等，也可以用红外线电加热管、红外加热灯等，可以根据辐射烘干的物料以及设备预算等进行综合选择。红外辐射加热模块22通过支撑架23安装，通过连接卡扣、连接块连接螺栓等连接方式将红外辐射加热模块22固定在支撑架23上，并通过l型角槽连接架放置在干燥箱体2内顶部。
34.本实施例中，机架1的外侧设有侧板，其包括前侧板11、右侧板12、左侧板13、顶板14、后侧板15，并利用间隔连接块或u型槽条等通用常见的连接方式连接。干燥箱体2设置有物料门16，其通过合页、锁紧扣等连接方式与机架1连接，物料门16的周边附有硅胶密封条，可使物料门16关闭后与机架11紧密闭合，使红外干燥箱体2内部具有密闭性。干燥箱体2的前侧设置有透明的观察窗17，其为石英玻璃等耐高温玻璃，在使用时可以通过观察窗17及时观察干燥箱内部的干燥情况。
35.本实施例中，机架1内还设有热能循环模块，用于将干燥箱体2中进行红外干燥产生的高温高湿的能量进行循环利用。热能循环模块包括循环管道31，循环管道31的两端连通干燥箱体2的上部(与物料错开)，循环管道31设置有循环风机32和冷凝降温机构，冷凝降温机构包括冷凝水收集器33、翅片组34、热电制冷片35和散热水冷头36，干燥箱体2的后侧设有锥形的排湿导向罩24，循环风机32为分体式管道离心风机，排湿导向罩24的大口与干燥箱体2的后侧驳接，循环风机32的入风口与排湿导向罩24的小口连接，循环风机32的出风
口、冷凝水收集器33的接口和循环管道31依次连通。具有多块金属片的翅片组34布置在冷凝水收集器33中，干燥箱体2内的高温高湿空气通过排湿导向罩24进入到循环风机32的入风口，进过循环风机32后进入到翅片组34冷凝除湿后通过循环管道31后进入干燥箱体2的回风接口25，实现干燥箱内部空气的循环。
36.具体的，翅片组34与冷凝水收集器33通过连接螺栓、连接卡扣等方式连接，通过循环风机32将干燥箱体2产生的高温高湿的空气送入到冷凝水收集器33中，在翅片组34的作用下，高温高湿的空气会产生发生冷凝，产生的冷凝水通过冷凝水收集器33底部的出水口经过连接软管流入到水箱6中。
37.本实施例中，热电制冷片35为半导体制冷片，采用tec1-19906型半导体制冷片，半导体制冷片分为冷热两面，冷面与翅片组34相连，热面与散热水冷头36相连；半导体制冷片的冷面通过连接卡扣、连接螺栓等连接方式固定在翅片组34的表面上，半导体制冷片的热面通过导热硅脂连接在散热水冷头36表面上，利用导热硅脂的粘附性、散热性强等特点，可以及时地将半导体制冷片热面产生的热量传递给散热水冷头36内部流动的散热介质，从而保持冷端的温度。
38.热能循环模块还包括水冷风扇4，水冷风扇4包括风扇本体41和换热盘管42，散热水冷头36通过软管来分别连通换热盘管42和水箱6，水箱6提供散热介质，水箱6中含有水泵和介质流量传感器(图中未示出)，介质流量传感器主要设置在水箱6的出水口，用来采集单位时间内的介质流量。水箱6的出水口通过软管连接到换热盘管42的入水口，换热盘管42的出水口通过软管连接到散热水冷头36的一接口，散热水冷头36的另一接口通过软管连接到水箱6的入水口。通过水泵的作用将水箱6的水流向换热盘管42，为水循环提供动力，将半导体制冷片热面产生的热量通过水等介质及时传递出去。干燥箱体2的底部设置有热风收集罩26，其连接水冷风扇4的出风口，可以将换热盘管42散失的热量在风扇本体41的作用下形成热风，利用热风收集罩26将其收集起来，结合风机本体将热量吹到干燥箱体2内。当然实际中可以改为散热水冷头36的出水口连接换热盘管42的入口，而换热盘管42的出口连接水箱6亦可，只要实现散热水冷头36、水箱6与换热盘管42之间的散热介质流通即可。散热水冷头36设置有连通内部流道的第一接口361和第二接口362，第一接口361通过软管连接换热盘管42，第二接口362通过管道连通水箱6。
39.进一步的，冷凝水收集器33收集到的冷凝水可经过过滤后再进入到水箱6，用于参与冷凝降温机构中的水循环。
40.具体的，水箱6由聚四氟乙烯、聚氯乙烯等材料制成，可以通过3d打印、模具制造等方法加工，图中仅为水箱6的一种放置位置，可以根据实际情况进行调整。
41.本实施例中，干燥箱体2、排湿导向罩24、冷凝水收集器33、循环管道31和热风收集罩2648可采用双层结构，内部填充保温材料，保温材料为岩棉、聚氨酯保温板、陶瓷纤维棉、玻璃棉中的一种或两种以上的叠加结构。
42.本实施例中，该装置还设置有控制模块，所述控制模块主要有称重传感器51、第一温湿度传感器52、控制面板53、风速传感器54、第二温湿度传感器55、温度控制器56。称重传感器51安装在网状的物料盘21的底部，用来及时反馈干燥过程中待干燥物料的重量，并将重量等数据反馈到控制面板53上。第一温湿度传感器52安装在物料盘21的上部，主要用来收集物料表面温湿度等状况，并将温湿度信息反馈到控制面板53上便于控制模块进行控
制。风速传感器54安装在排湿导向罩24的接口中，用于测量循环风机32的风速。第二温湿度传感器55安装在循环管道31的回风接口25中，主要用来采集经过冷凝除湿后空气介质的温湿度情况，并将温湿度信息反馈到控制面板53上便于控制模块进行控制。温度控制器56主要用来控制红外辐射加热模块22的发热功率，从而达到控制红外干燥室内温度的目的。控制面板53为plc一体机(mc-20mr-6mt-f0a-fx-a)，具有人机交互功能，主要用来收集称重传感器51、第一温湿度传感器52、风速传感器54、第二温湿度传感器55的数据信号，通过plc编程等控制方法，控制温度控制器56来控制红外辐射加热板的加热功率。
43.所述第一温湿度传感器52和第二温湿度传感器55，以及热风收集罩26中的温湿度传感器(图中未画出)共同用来收集红外干燥箱内不同位置处的温湿度情况，通过在控制面板53上输入需要控制的温湿度参数，利用plc编程等控制控制方法进行控制。利用plc控制循环风机32的转速及启停来实现气流循环模块连续或断续工作方式。
44.控制红外干燥箱内温湿度的方法为：干燥过程开始时，第一温湿度传感器52开始检测物料表面的温湿度状况，同时第二温湿度传感器55开始监测红外干燥箱内温湿度状况，当温湿度传感器开始超过设定的温湿度值开始启动热能循环模块以及冷凝降温机构对高温高湿的空气进行冷凝除湿，同时将冷凝降温机构中产生的热量收集起来，用来干燥红外干燥箱内的物料，加速红外干燥的速率，缩短干燥时间。随着干燥的进行，根据第一温湿度传感器52和第二温湿度传感器55监测的温湿度数据可以调节空气循环系统的循环风机32的转速以及半导体制冷片的功率等参数，从而使红外干燥箱内的温度和湿度等达到设定的试验参数值。后续干燥过程皆采用类似的温湿度控制策略，直至红外干燥箱内的温度和湿度等达到设定的试验参数值，称重传感器51反馈的数值变化幅度不大，并且长时间保持一个恒定值范围，干燥过程结束。作为干燥过程结束条件的该空气湿含量的设定水平需结合外部环境温湿度状态、干燥腔内部温度状态及被干燥的物料特性共同确定。
45.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
48.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：包括机架，机架设有干燥箱体和热能循环模块，干燥箱体设置有横向布置的网状的物料盘，物料盘的上方设置有红外辐射加热模块；热能循环模块包括循环管道、循环风机和冷凝降温机构，冷凝降温机构包括冷凝水收集器、翅片组、热电制冷片和散热水冷头，循环管道的两端连通干燥箱体，循环风机用于驱动干燥箱体内的气流经由循环管道循环流动，冷凝水收集器位于循环管道处；翅片组安装在冷凝水收集器中，热电制冷片为半导体制冷片，其冷面与翅片组相连换热，热面与散热水冷头相连换热，冷凝水收集器的底部设有出水口；热能循环模块还包括水冷风扇和水箱，水冷风扇包括风扇本体和换热盘管，水箱、换热盘管和散热水冷头经由管体以及水泵相互连通，以在其中流动散热介质；风扇本体设置在干燥箱体的底部，换热盘管设置在风扇本体的旁侧，以使风扇本体将换热盘管散发的热量吹向干燥箱体中的物料盘。2.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：该红外干燥试验装置还包括控制模块，控制模块包括控制面板，控制面板电连接有称重传感器、第一温湿度传感器、风速传感器、第二温湿度传感器和温度控制器；称重传感器安装在网状的物料盘的底部，用于反馈干燥过程中被干燥物料的重量；第一温湿度传感器安装在物料盘的上部，用于收集物料表面温湿度；风速传感器安装在循环风机旁侧，用于测量风速；第二温湿度传感器安装在循环管道中，用于采集经过冷凝除湿后空气介质的温湿度；温度控制器用于控制红外辐射加热模块的发热功率。3.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：凝水收集器的底部的出水口经由管体与水箱连通。4.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：干燥箱体的底部设置有锥形的热风收集罩，其小口连接水冷风扇的出风口。5.根据权利要求4所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：干燥箱体的后侧设有锥形的排湿导向罩，循环风机的入风口与排湿导向罩的小口连接。6.根据权利要求5所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：干燥箱体、排湿导向罩、冷凝水收集器、循环管道和热风收集罩为双层结构。7.根据权利要求7所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：双层结构为壳体的内部填充保温材料，保温材料为岩棉、聚氨酯保温板、陶瓷纤维棉、玻璃棉中的一种或两种以上的叠加结构。8.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：干燥箱体设置有物料门，物料门与机架铰接，且能够与机架锁紧扣合，物料门的内侧设有密封条，以使物料门能够密封闭合。9.根据权利要求8所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：物料门设有透明的视察窗。10.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的红外干燥试验装置，其特征是：红外辐射加热模块为碳纤维红外板、石墨烯红外板、纳米远红外电热板、微晶玻璃红外辐射板、红外线电加热管或红外加热灯。

技术总结
本发明涉及红外干燥技术领域，具体涉及一种基于热电效应的红外干燥试验装置，包括干燥箱体和热能循环模块，干燥箱体设置有物料盘，物料盘的上方设置有红外辐射加热模块；热能循环模块包括循环管道、循环风机和冷凝降温机构，冷凝降温机构包括冷凝水收集器、翅片组、热电制冷片和散热水冷头，热电制冷片为半导体制冷片，其冷面与翅片组相连换热，热面与散热水冷头相连换热；将热电效应和红外干燥技术相结合，利用半导体制冷片冷面制冷、热面散热特点，将红外干燥中产生的高温高湿的干燥介质通过翅片组除湿后并再次利用，将半导体制冷片热面产生的热量收集，实现干燥介质增热，缩短干燥时间，提高红外干燥的效率，提升干燥品质，降低干燥能耗。干燥能耗。干燥能耗。


技术研发人员：王光辉 张晓勤 闫崔强 薛翰青 蔡晨 李冲 徐东飞 孙玺航 田如愿 王柳清 辛龙
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/1