CN115560543A - 一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置及方法，金属加热层与干燥器主体形成里克型共鸣干燥腔，干燥器主体外部同轴无接触套装设置有感应加热线圈。本发明利用感应加热线圈加热金属加热层，进而加热金属加热层附近气体，当气体温度达到240°以上时，将自激激发干燥器主体内气流脉动，从而自发形成气流‑颗粒物料间相互运动，无需外部动力即可进行持续稳定的脉动干燥，节约能源；同时干燥介质温度高且用量小，排出的气体中不含气体污染物，可用于食品和生物制品的干燥；金属加热层上方形成物料层，与干燥器主体内形成的脉动气流接触进行干燥，物料加热方式为空气对流传热以及金属床层辐射加热，干燥效率高，干燥均匀性强。
Description
技术领域
本发明属于干燥技术领域，涉及干燥装置，特别涉及一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置及方法。
背景技术
对于颗粒湿物料，常用的气流干燥装置主要包括流化床，喷动床，脉动床，振动床干燥。这些干燥装置各有利弊，也同样有各自的适用物料。
流化床流化床干燥速率快，处理量大，比较适合处理粒径分布均匀的颗粒物料，喷动床干燥工作原理类似流化床，适用于粒径分布不均匀物料。但是，流化床干燥由于气流速度快，空气用量大，导致空气带走废热量大，降低了干燥热效率。
振动床的干燥气流用量小，但是振动电机动力消耗大。脉动床干燥可节省一定干燥气体用量，但是振动床与脉动床均需要外部动力激发才能进行干燥。
里克型共鸣器为一种长L、宽D的竖直直管，其1/4～1/3L处设置网状或开孔的金属床层；在长径比满足L/D>11，且金属床层附近空气被加热到一定程度，其管内将出现热声振荡现象，管内气流速度呈脉动状态。
目前国内外所开发的里克型共鸣装置主要使用燃料燃烧-即燃烧热能，来激发管内热声振荡，也称为脉动燃烧器。
对比文件1：200520015063.0公开了一种燃用煤和生物质的里克型脉动燃烧器；
对比文件2：202110000793.7公开了一种用于气体燃料的里克型脉动燃烧器燃烧床层设计方法。采用燃料燃烧的里克型脉动燃烧器产生的烟气可用于干燥物料，但烟气仍含有少量CO、CO2、SO2等污染性物质。当干燥食品和生物制品时，这些气体污染物质可能对食品和生物制品造成污染，形成食品卫生安全问题，因而不适宜干燥食品和生物制品。
同时，上述脉动燃烧干燥装置均为利用燃料燃烧放热作为热源，都需要辅助外部动力，即外加燃料引入装置和空气输送装置来维持，进而形成高温尾气流干燥湿物料，该类脉动燃烧干燥装置无法在“无外加燃料，无外加风力”的状态下形成持续干燥过程，属于强迫式脉动干燥装置。
针对现有气流干燥器内气流-颗粒物料相对运动由外部动力激发导致的不足，本发明结合感应加热及里克型共鸣器，提出一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置及方法，节省外部动力消耗，同时由于气体干燥温度高和用量小，节省尾气排放的热量，干燥器热效率高，将感应加热转化为热能和动能，热能用于加热物料，动能用于激发气体脉动，形成气体-颗粒物料相对运动，从而提高干燥速率和均匀性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，克服现有振动床和脉动床干燥器内气流-颗粒相对运动由外部动力激发的不足，提供一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置及方法，将感应加热和脉动燃烧技术相结合，将电能转化为热能和气流动能，实现干燥器主体内的自激脉动气流产生，激发气流-颗粒相对运动，从而提高颗粒物料干燥速率和均匀性。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：包括干燥单元、感应加热单元、水冷却单元及脉动气流监测单元，所述干燥单元包括支架、气体去耦室及干燥器主体，所述支架底端安装所述气体去耦室，所述气体去耦室的右侧连接有金属进气管，气体去耦室的顶端连接至所述干燥器主体底端的进气口，所述干燥器主体内自下而上1/4高度处设置有金属加热层，所述金属加热层与干燥器主体形成里克型共鸣干燥腔；所述干燥器主体的两侧分别设置有进料管及出料管；所述感应加热单元包括感应加热器及感应加热线圈，所述干燥器主体外部同轴无接触套装设置有感应加热线圈，所述感应加热线圈连接至所述感应加热器；所述水冷却单元包括水箱、冷却水注水管、进水管、出水管及高压水泵，所述水箱的左端连接有冷却水注水管，所述水箱右端设置的出水管、进水管均连接至感应加热器及感应加热线圈，所述出水管上设置有高压水泵；所述脉动气流监测单元包括声音采集器、声卡及声音处理器，所述声音采集器安装于所述干燥器主体顶端的出气口一侧，所述声音采集器、声卡及声音处理器依次连接。
而且，所述干燥器主体为长L1，外径D1，内径d1的竖直直管，且L1/D1＝25，D1-d1＝10mm，所述干燥器主体为透明石英材质制成。
而且，所述金属加热层为长L2，直径D2的圆柱形筒状结构，所述金属加热层的上、下底面上对应设置有直径为D3的通气孔，且L2/D2＝0.1，D2/D3＝25，所述金属加热层与感应加热线圈的竖直方向长度一致。
而且，所述支架右侧位于所述感应加热线圈及金属加热层位置处设置有红外激光测温仪。
而且，所述水箱上设置有第一K型热电偶测温计，所述水箱底部设置有排水阀。
而且，所述干燥器主体中下部设置有第二K型热电偶测温计。
而且，所述干燥器主体两侧的进料管及出料管均为倾斜设置。
而且，所述支架一侧上、下两端均设置有卡箍，所述卡箍卡装在所述干燥器主体上。
一种基于感应加热的自激脉动气流干燥方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)启动水冷却单元：冷却水通过冷却水注水管进入水箱内，由高压水泵经过出水管从水箱中抽取冷却水依次输送到感应加热器与感应加热线圈进行冷却，完成冷却后经进水管输送至水槽；
2)启动感应加热单元：在感应加热器上进行加热功率、电流频率的设置，选定后将电流通入感应加热线圈，感应加热线圈的磁场对干燥器主体内的金属加热层感应作用，金属加热层及周围气体升温放热，待加热至250℃，在金属加热层与干燥器主体形成的里克型共鸣干燥腔内自激激发热声振荡，激发干燥器主体气流脉动；同时新鲜空气由金属进气管吸入，经过气体去耦室过滤与金属加热层加热，持续形成脉动气流，经过干燥器主体自下而上出气口排出；
3)脉动气流监测：打开声音采集器收集干燥器主体出气口的声音，并由声卡将声音信号转化为电信号，在声音处理器上分析处理并显示声波波形和频谱，干燥器主体内气流呈热声振荡现象且持续稳定，可继续进行干燥；
4)物料干燥：干燥器主体中部的第二K型热电偶测温计温度趋于250℃，将湿物料从进料管加入到干燥器主体内，湿物料在金属加热层上方形成物料层，物料层与干燥器主体内形成的脉动气流接触进行干燥，以特定时间为间隔取样进行含水率测量；
5)取料：待含水率稳定维持或达到实验要求，可判定干燥过程结束，从出料管内将物料取出，干燥完毕。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，与现有燃用燃料的里克型脉动燃烧器干燥装置不同，本发明利用感应加热技术加热里克型共鸣腔内金属层，进而加热金属层附近气体，当气体温度达到240度以上时，将激发干燥器主体内内气流脉动，从而自发形成气流-颗粒物料间相互运动，无需外部动力，节约干燥能耗，同时整体结构相对简单，易于安装维护。
2、本发明的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，相比现有感应加热技术用于物料干燥，只是将电能转化为热能，而本发明将电能转化为热能和动能，热能用于加热物料，动能用于激发气体脉动，形成气体-颗粒物料相对运动，提高干燥速率和均匀性，保证物料干燥效率，也提高电能的利用率。
3、本发明的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，由电能加热干燥空气，干燥介质清洁干净，不含CO、CO2、SO2、烟尘等气体污染物，可用于干食品和生物制品的干燥。
4、本发明的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，本发明装置的干燥温度可达240℃以上，加热效率高，干燥接触面积大，干燥温度可调节范围大，易自动控制、预热时间短、启停方便。
5本发明的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，可全过程实时监测与调整脉动气流的温度与振荡效果，能根据不同需要改变物料在干燥器主体内的干燥状态，有助于提高干燥成品的多样性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明金属加热层图的俯视图；
图3为本发明脉动气流监测单元分析的波形图；
图4为本发明干燥白萝卜的干基含水率曲线变化图。
附图标记说明
1-声音处理器、2-进料管、3-声卡、4-声音采集器、5-出气口、6-干燥器主体、7-支架、8-出料管、9-感应加热线圈、10-红外激光测温仪、11-金属加热层、12-金属进气管、13-进气口、14-气体去耦室、15-第二K型热电偶测温计、16-感应加热器、17-高压水泵、18-水箱、19-第一K型热电偶测温计、20-卡箍、21-通气孔。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其创新之处特征在于：包括干燥单元、感应加热单元、水冷却单元及脉动气流监测单元。
干燥单元主要对放置入内部的物料进行干燥，包括支架7、气体去耦室14及干燥器主体6，所述支架7底端安装所述气体去耦室14，所述气体去耦室14的右侧连接有金属进气管12，气体去耦室14的顶端连接至所述干燥器主体6底端的进气口13，所述干燥器主体6内自下而上1/4高度处设置有金属加热层11，所述金属加热层11与干燥器主体6形成里克型共鸣干燥腔，其中金属加热层11既作为受热的工件产生热声振荡，又充当盛放干燥物料的分布板；所述干燥器主体6的两侧分别设置有进料管2及出料管8。
感应加热单元包括感应加热器16及感应加热线圈9，所述干燥器主体6外部同轴无接触套装设置有感应加热线圈9，所述感应加热线圈连接至所述感应加热器16。
水冷却单元包括水箱18、冷却水注水管、进水管、出水管及高压水泵，所述水箱18的左端连接有冷却水注水管，所述水箱右端设置的出水管、进水管均连接至感应加热器16及感应加热线圈9，所述出水管上设置有高压水泵17。
所述脉动气流监测单元包括声音采集器4、声卡3及声音处理器1，所述声音采集器4安装于所述干燥器主体6顶端的出气口5一侧，所述声音采集器4、声卡3及声音处理器1依次连接，本实施例中声音采集器4选用麦克风，由声卡将麦克风采集到的声音信号转化为电信号，在声音处理器1上分析处理并显示声波波形图和频谱图，如图3所示，其波形正弦波动明显，波峰波谷清晰、周期与振幅相对稳定，可判定主体内气流呈热声振荡现象状态且持续稳定，可继续进行干燥过程。
干燥器主体6为长L1，外径D1，内径d1的竖直直管，且L1/D1＝25，该长径比有助于自激激发热声振荡现象，D1-d1＝10mm，所述干燥器主体6为透明石英材质制成，不仅耐高温可在1100℃的高温下维持不变形，且便于观察物料干燥状态，本实施例中，L1＝1.25m、外径D1为50mm，内径d1为40mm。
如图2所示，金属加热层11为长L2，直径D2的圆柱形筒状结构，所述金属加热层的上、下底面上对应设置有直径为D3的通气孔，且L2/D2＝0.1，D2/D3＝25，所述金属加热层11与感应加热线圈9的竖直方向长度一致。本实施例中，金属加热层为圆形不锈钢板，L2为5mm，D2为50mm，D3为2mm。
支架7右侧位于所述感应加热线圈9及金属加热层11位置处设置有红外激光测温仪10，可以实时测试感应加热线圈及金属层周围的温度，便于根据温度值调整感应加热器的功率值。
水箱18上设置有第一K型热电偶测温计19，所述水箱18底部设置有排水阀；实时监测水箱内冷却水温度，当温度超过预警温度，打开水箱排水阀并进行冷却水注入，直至水温趋于正常关闭排水阀。
干燥器主体6中下部设置有第二K型热电偶测温计15，实时监测脉动干燥气流的温度，防止温度过高引起物料变质或营养成分流失。
干燥器主体6两侧的进料管2及出料管8均为倾斜设置，与干燥器主体6的倾角为45°，且进料管2及出料管8均长100mm，直径为30mm，有利于湿物料进干燥器主体及干物料出干燥器主体。
支架7一侧上、下两端均设置有卡箍20，所述卡箍20卡装在所述干燥器主体6上，保证干燥器主体的连接稳固性。
本发明的干燥装置将感应加热器与符合里克型脉动燃烧器结构的干燥器主体有机结合，在结构上，干燥器主体内设置有金属加热层，两者符合里克型脉动燃烧器结构，采用感应加热器做热源，用加热层放热代替明火燃烧放热产生同样的脉动效果，可再干燥器主体内形成自激式脉动气流，不需要外加燃料和风力，节约干燥能耗。
感应加热器提供电能对金属加热层起感应作用，使得感应加热线圈受感应作用自身升温放热，同时金属加热层周围空气受热，周围空气气压产生变化进而使得干燥器主体内气压变化，在这个过程中，干燥器主体内气压与热量不断进行耦合作用，待一定程度时，部分热能转化为动能，自激(自发性)得在干燥器主体内部形成持续且稳定的脉动气流，同时干燥器主体底部不断有空气自吸而入，出气口不断有空气排出，干燥器主体内有持续且强烈的声音发出，所产生的自激脉动气流能够用于物料的稳定干燥。
本发明的干燥装置将电能转化为热能与动能，热能具体体现为包括金属加热层与周围空气放热，可用于湿物料干燥；动能具体体现为在干燥器内部的自发得形成的脉动气流，该气流方向自下而上，与物料接触时可自发得促进物料-气流之间的相对运行，进而提高物料接触干燥面积，提高干燥均匀性。
一种基于感应加热的自激脉动气流干燥方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)启动水冷却单元：冷却水通过冷却水注水管进入水箱内，由高压水泵经过出水管从水箱中抽取冷却水依次输送到感应加热器与感应加热线圈进行冷却，完成冷却后经进水管输送至水槽；
2)启动感应加热单元：在感应加热器上进行加热功率、电流频率的设置，选定后将电流通入感应加热线圈，感应加热线圈的磁场对干燥器主体内的金属加热层感应作用，金属加热层及周围气体升温放热，待加热至250℃，在金属加热层与干燥器主体6形成的里克型共鸣干燥腔内自激激发热声振荡，激发干燥器主体气流脉动；同时新鲜空气由金属进气管吸入，经过气体去耦室过滤与金属加热层加热，持续形成脉动气流，经过干燥器主体自下而上出气口排出；
3)脉动气流监测：打开声音采集器收集干燥器主体出气口的声音，并由声卡将声音信号转化为电信号，在声音处理器上分析处理并显示声波波形和频谱，干燥器主体内气流呈热声振荡现象且持续稳定，可继续进行干燥；
4)物料干燥：选用5×5×5mm，进料量5kg/h的白萝卜颗粒进行，待干燥器主体中部的第二K型热电偶测温计温度稳定趋近于250℃，将湿物料从进料管进入干燥器主体内，在金属床层上方形成物料层，与干燥器主体内形成的脉动气流接触进行干燥，物料加热方式为空气对流传热以及金属床层辐射加热，以5min为间隔取样物料进行含水率测量；
5)取料：待含水率达到13％时，可判定干燥过程结束，从出料管内将物料取出，干燥完毕。
根据声音处理器显示的声波波形与声强、红外激光测温仪和第一、二K型热电偶测温计显示的温度，适当调节感应加热器输出功率，进而调整脉动气流的振荡效果与高温效果，进而在一定范围内提高干燥效率，改善了成品的工艺参数。
干燥效果对比
以相同的参数条件做对照实验，对比脉动状态热风干燥与非脉动状态热风干燥，可得白萝卜颗粒干基含水率随时间变化图即图4。如图4所示，相比非脉动下热风干燥物料时间95min，脉动热风干燥至相同含水率仅用50min，干燥时间缩短47％，干燥效率高，干燥能耗少。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (9)
1.一种基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：包括干燥单元、感应加热单元、水冷却单元及脉动气流监测单元，所述干燥单元包括支架(7)、气体去耦室(14)及干燥器主体(6)，所述支架(7)底端安装所述气体去耦室(14)，所述气体去耦室(14)的右侧连接有金属进气管(12)，气体去耦室(14)的顶端连接至所述干燥器主体(6)底端的进气口(13)，所述干燥器主体(6)内自下而上1/4高度处设置有金属加热层(11)，所述金属加热层(11)与干燥器主体(6)形成里克型共鸣干燥腔；所述干燥器主体(6)的两侧分别设置有进料管(2)及出料管(8)；所述感应加热单元包括感应加热器(16)及感应加热线圈(9)，所述干燥器主体(6)外部同轴无接触套装设置有感应加热线圈(9)，所述感应加热线圈连接至所述感应加热器(16)；所述水冷却单元包括水箱(18)、冷却水注水管、进水管、出水管及高压水泵，所述水箱(18)的左端连接有冷却水注水管，所述水箱右端设置的出水管、进水管均连接至感应加热器(16)及感应加热线圈(9)，所述出水管上设置有高压水泵(17)；所述脉动气流监测单元包括声音采集器(4)、声卡(3)及声音处理器(1)，所述声音采集器(4)安装于所述干燥器主体(6)顶端的出气口(5)一侧，所述声音采集器(4)、声卡(3)及声音处理器(1)依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述干燥器主体(6)为长L1，外径D1，内径d1的竖直直管，且L1/D1＝25，D1-d1＝10mm，所述干燥器主体(6)为透明石英材质制成。
3.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述金属加热层(11)为长L2，直径D2的圆柱形筒状结构，所述金属加热层的上、下底面上对应设置有直径为D3的通气孔，且L2/D2＝0.1，D2/D3＝25，所述金属加热层(11)与感应加热线圈(9)的竖直方向长度一致。
4.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述支架(7)右侧位于所述感应加热线圈(9)及金属加热层(11)位置处设置有红外激光测温仪(10)。
5.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述水箱(18)上设置有第一K型热电偶测温计(19)，所述水箱(18)底部设置有排水阀。
6.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述干燥器主体(6)中下部设置有第二K型热电偶测温计(15)。
7.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述干燥器主体(6)两侧的进料管(2)及出料管(8)均为倾斜设置。
8.根据权利要求1所述的基于感应加热自激脉动气流的颗粒物料干燥装置，其特征在于：所述支架(7)一侧上、下两端均设置有卡箍(20)，所述卡箍(20)卡装在所述干燥器主体(6)上。
9.一种根据权利要求1～8任意一项所述基于感应加热的自激脉动气流干燥方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)启动水冷却单元：冷却水通过冷却水注水管进入水箱内，由高压水泵经过出水管从水箱中抽取冷却水依次输送到感应加热器与感应加热线圈进行冷却，完成冷却后经进水管输送至水槽；
2)启动感应加热单元：在感应加热器上进行加热功率、电流频率的设置，选定后将电流通入感应加热线圈，感应加热线圈的磁场对干燥器主体内的金属加热层感应作用，金属加热层及周围气体升温放热，待加热至250℃，在金属加热层与干燥器主体(6)形成的里克型共鸣干燥腔内自激激发热声振荡，激发干燥器主体气流脉动；同时新鲜空气由金属进气管吸入，经过气体去耦室过滤与金属加热层加热，持续形成脉动气流，经过干燥器主体自下而上出气口排出；
3)脉动气流监测：打开声音采集器收集干燥器主体出气口的声音，并由声卡将声音信号转化为电信号，在声音处理器上分析处理并显示声波波形和频谱，干燥器主体内气流呈热声振荡现象且持续稳定，可继续进行干燥；
4)物料干燥：干燥器主体中部的第二K型热电偶测温计温度趋于250℃，将湿物料从进料管加入到干燥器主体内，湿物料在金属加热层上方形成物料层，物料层与干燥器主体内形成的脉动气流接触进行干燥，以特定时间为间隔取样进行含水率测量；
5)取料：待含水率稳定维持或达到实验要求，可判定干燥过程结束，从出料管内将物料取出，干燥完毕。
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