一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置
阅读说明：本技术 一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置 (Solar pulse power supply driving magnetic field coupling high-voltage electric field drying device ) 是由 刘峰 陈洁 赵昱雷 董媛 方志 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置,包括供电模块、微机控制模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极干燥模块和磁场发生模块；供电模块连接微机控制模块,微机控制模块连接直流升压模块,直流升压模块连接脉冲发生模块,脉冲发生模块连接过流保护模块过流保护模块连接针-网电极干燥模块,磁场发生模块连接针-网电极干燥模块；本发明通过电场畸变对电晕放电过程中电子崩流柱的控制,增大了离子风风速,提高了能量转化效率；磁场辅助干燥,带电粒子的运动轨迹发生变化,自由电子的平均自由行程增大,离子风速急剧增大从而缩短干燥时间。(The invention discloses a solar pulse power supply driving magnetic field coupling high-voltage electric field drying device which comprises a power supply module, a microcomputer control module, a direct current boosting module, a pulse generation module, an overcurrent protection module, a needle-net electrode drying module and a magnetic field generation module; the power supply module is connected with the microcomputer control module, the microcomputer control module is connected with the direct current boosting module, the direct current boosting module is connected with the pulse generation module, the pulse generation module is connected with the overcurrent protection module, the overcurrent protection module is connected with the needle-net electrode drying module, and the magnetic field generation module is connected with the needle-net electrode drying module; according to the invention, the electron collapse column in the corona discharge process is controlled through electric field distortion, so that the ionic wind speed is increased, and the energy conversion efficiency is improved; the drying is assisted by the magnetic field, the motion trail of the charged particles is changed, the mean free path of free electrons is increased, the ion wind speed is increased rapidly, and the drying time is shortened.)
技术领域
本发明属于干燥技术领域，具体涉及到一种基于太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置。
背景技术
随着社会的发展，人们对食品、药物以及生物制品的要求也在逐步提高，为了提高产品的质量，企业多会致力于延长贮藏时间，从而干燥技术成为了主要技术之一。通过干燥技术降低水分活度，抑制微生物的生长和繁殖，从而延长贮藏时间以及物质效果。
目前，干燥装置多采用微波干燥、热风干燥以及红外干燥等技术，这些传统干燥技术多采用高温度、长时间的干燥方式，其依赖高温使水分蒸发，能耗较低的同时却会排出温室气体造成环境污染，且高温条件会使食品的物理、化学和生物特性发生剧烈的变化。部分干燥技术会采用真空低温干燥来避免高温对产品造成的伤害，但真空和低温干燥过程会产生较大的能量损耗，且真空干燥装置价格昂贵，并且无法连续干燥物料，只能分批处理。近些年出现了高压电场干燥方法，利用水分子在高压电场中的极性效应，可在大气压常温下对物料进行干燥处理，具有能耗低、杀菌保鲜的优点。然而高压电场干燥装置通常由交流或者直流电源驱动，能量效率较低，尽管运行温度较低，但其干燥速率较慢。
离子风被认为是由于在电场的帮助下加速电晕放电中产生的带电粒子并与周围的空气分子碰撞而引起的。离子风和风扇的风没有本质的区别。不同之处在于风扇将电能转化为机械能，然后再转化为空气动能。而离子风将电能直接转化为流体的动能。离子风由于去除了机械能的过渡，具有无运动部件、无噪声、无振动、便于直接电压控制、功耗低、响应快等优点，可将风送至传统风机无法到达的地方。
一方面，随着电流体动力学（EHD）技术研究的深入及应用范围的不断扩大，基于EHD的离子风干燥技术作为电流体动力学技术的一个重要研究成果，其潜在的应用前景已引起国内外研究者的广泛关注。由于高压电场干燥装置具有低投入、低能耗、不升温等优势，其在散装干燥、工业干燥以及医疗器械干燥等领域得到应用，而高压电场干燥技术在农副产品干燥领域也存在较大的潜在应用价值。高压电场干燥装置仅通过电场就能直接加速水分蒸发，它是一种新型的干燥技术，因此备受国内外研究人员的关注。另一方面，通过磁场对水分子处理，使得带电离子的性质和氢离子变化的速度，以及自由分子和星团的极化特征或偶极性时刻的变化，包括电磁场影响水中分子的线性和环状氢键链。磁化引起水的物理性质发生了许多改变，如黏度减小、密度变小、挥发性加快、比表面积增大、表面张力变小等，从而促进水分子在物料中的扩散，减少了干燥时间。将永磁体对物料进行的磁化处理与高压电场干燥相结合，实现常温常压下高效处理的同时缩短了常规电场干燥的时间。
因此，本发明针对优化干燥装置和提高干燥效果，结合等离子体、电流体力学和磁场方面的优势，设计出一种太阳能供电的脉冲电源驱动磁场与高压电场相结合的干燥装置，它是一款可用于食品、药品等干燥的等离子体干燥装置。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于设计一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置,采用独立开发研制的电场增强型离子风激励器，通过电场畸变对电晕放电过程中电子崩流柱的控制，增大了离子风风速，提高了能量转化效率；辅助磁场干燥，带电粒子的运动轨迹发生变化，自由电子的平均自由行程增大，离子风速急剧增大从而缩短干燥时间。该过程中使用永磁体代替传统高压干燥中的集热模块，大大减少了干燥过程中电能消耗。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置，包括供电模块、微机控制模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极干燥模块和磁场发生模块；
所述的供电模块连接到微机控制模块，微机控制模块连接到直流升压模块，直流升压模块连接到脉冲发生模块，脉冲发生模块连接到过流保护模块过流保护模块连接到针-网电极干燥模块，所述的磁场发生模块连接到针-网电极干燥模块；
所述的供电模块包括太阳能模块和市网电能；
所述的针-网电极干燥模块和磁场发生模块包括针电极和网电极，所述的脉冲发生模块连接针电极。
作为本发明进一步的描述，所述的供电模块还包括蓄电池，太阳能模块连接到蓄电池。
作为本发明进一步的描述，所述的针电极包括平行设置的六根不锈钢针，相邻两个不锈钢针的间距相同，不锈钢针垂直于铝板，铝板水平放置，所述的针电极垂直于网电极，且不锈钢针的针尖处于同一平面。
作为本发明进一步的描述，六根不锈钢针分布于以铝板圆心为中心的正三角形的顶点和边长中点。
作为本发明进一步的描述，所述的不锈钢针的外部包裹绝缘胶套，绝缘胶套将不锈钢针与铝板之间形成绝缘。
作为本发明进一步的描述，干燥装置包括箱体，箱体的上方中间部位固定倒U型支架，穿过倒U型支架和箱体设置连接杆，连接杆的上方设置螺旋测微器，连接杆的下方设置针电极，所述的网电极设置在针电极下方，且网电极与针电极垂直。
作为本发明进一步的描述，所述的针-网电极干燥模块还包括加热模块和温控模块，加热模块和温控模块设置在箱体的侧面。
作为本发明进一步的描述，所述的箱体的侧面还设置了供电电源，供电电源包括供电模块、微机控制模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块。
作为本发明进一步的描述，所述的磁场发生模块设置在箱体的下方，磁场发生模块包括两个完全一致的半环型永磁体组合，磁场发生模块围绕针电极与网电极设置。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：
本发明提供了一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置，采取了磁场处理与高压电场相结合的技术，代替了现有的高压电场干燥技术中的高压电场干燥模块辅助加热模块的技术，一方面通过磁场的处理缩短了干燥时间，另一方面，磁场代替了传统的辅助加热模块，大大减少了干燥过程中的能耗，具有节能环保、持续性好的特点，相比于真空干燥装置，具有可连续处理、处理效率较高的特点，与现有的高压电场干燥装置相比，能耗较低、能量效率高，缩短了处理时间并节省了大量的能源；
通过磁场处理，加快了处理速度，能耗降低近50%，提高食品干燥速率并且电晕放电所产生的臭氧与紫外线对待处理的食品起杀菌保鲜作用；脉冲功率电源可通过市电供电也可以通过太阳能转换供电，可在不同的条件下维持干燥的连续性与兼顾干燥的能耗问题；干燥过程不升温，提高了干燥后的吸水率和复水率，缓解了传统热力干燥造成的食物营养成分流失，适用于食品、药品、生物制品以及其他工业生产等干燥领域。
附图说明
图1为本发明的模块组成示意图；
图2为本发明的结构视图；
图3为本发明的电路原理示意图；
图4为本发明的相较于现有技术的干燥效果对比示意图。
图中，1.箱体，2.倒U型支架，3.连接杆，4.螺旋测微器，5.加热模块，51.温控模块，6.供电电源，7.半环型永磁体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述：
一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置，参考图1-3所示，包括供电模块、微机控制模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极干燥模块和磁场发生模块；
所述的供电模块连接到微机控制模块，微机控制模块连接到直流升压模块，直流升压模块连接到脉冲发生模块，脉冲发生模块连接到过流保护模块过流保护模块连接到针-网电极干燥模块，所述的磁场发生模块连接到针-网电极干燥模块；所述的供电模块包括太阳能模块和市网电能；所述的针-网电极干燥模块和磁场发生模块包括针电极和网电极，所述的脉冲发生模块连接针电极；所述的微机控制模块主要为单片机，采用STM32RBT6型号单片机；所述的脉冲发生模块包括脉冲升压器。
所述的磁场发生模块通过两个完全一致的半环型永磁体组合环绕针-网电极干燥模块形成稳定磁场。
上述内容详细公开了本发明包含的各个模块，及各模块之间的构成与连接关系，供电模块输出的两种电能由微机控制模块行控制切换，并供给直流升压模块，然后通过脉冲发生模块形成脉冲高压，脉冲发生模块经过流保护模块给针电极提供脉冲高压，形成高压电场，磁场发生模块通过形成环绕针-网电极干燥模块形成稳定磁场。
供电模块输出的电压通过微机控制模块的切换控制供给直流升压模块，同时直流升压模块的电压经脉冲发生模块形成脉冲高压，脉冲发生模块经过流保护模块给针电极提供脉冲高压，形成高压电场，在高压电场增强下，脉冲驱动针-网电极干燥模块产生的离子风风速为0-3m/s，最后与环绕针-网电极干燥模块的磁场发生模块所形成稳定磁场相结合，形成高压电磁场，对物料进行干燥。
所述的供电模块还包括蓄电池，太阳能模块连接到蓄电池。
如图3，太阳能模块直接连接蓄电池充电，蓄电池可在充电的同时经过稳压源IC1后形成稳定低压，由微机控制模块切换后分别给直流升压模块和脉冲发生模块，提供12V的稳定输出电压，蓄电池输出的12V电压经直流升压模块进行高频振荡产生低压脉冲，再通过脉冲升压器后进行整流，最终形成15kV的直流高压。
市网电能由微机控制模块切换后，先经过整流变换为直流电压，然后经直流升压模块升压，再通过脉冲升压器后进行整流，最终也形成15kV的直流脉冲高压。
市网电能经整流后也形成稳定直流电压，随后经微机控制模块的单片机控制切换，为直流升压模块提供电压，输出的直流电再经IGBT（VT）斩波后送入脉冲升压变压器T，稳定输出15kV的脉冲电压，经过流保护模块与针-网电极干燥模块的针电极连接，其中过流保护模块主要由1MΩ的电阻组成，在该电压下针电极与网电极成电晕放电产生离子风，风速为3m/s。
所述的针电极包括平行设置的六根不锈钢针，相邻两个不锈钢针的间距相同，不锈钢针垂直于铝板，铝板水平放置，所述的针电极垂直于网电极，且不锈钢针的针尖处于同一平面，六根不锈钢针分布于以铝板圆心为中心的正三角形的顶点和边长中点，所述的不锈钢针的外部包裹绝缘胶套，绝缘胶套将不锈钢针与铝板之间形成绝缘。
上述公开了针电极与网电极的设置方式与配合形式，不锈钢针的长度为23mm，半径为0.4mm，针与针之间的间距为20mm，针尖与铝板之间的距离在15mm-25mm之间可以调节，所述的绝缘胶套的厚度为0.8mm。
如图2所示，公开了本发明的实物结构视图，通过实物视图使本发明在结构上更完整，具体设置方式如下公开如下：
本发明公开的干燥装置包括箱体1，箱体1的上方中间部位固定倒U型支架2，穿过倒U型支架2和箱体1设置连接杆3，连接杆3的上方设置螺旋测微器4，连接杆3的下方设置针电极，所述的网电极设置在箱体1的下方，且网电极与针电极垂直对应。
所述的针-网电极干燥模块还包括加热模块5和温控模块51，加热模块5和温控模块51设置在箱体1的侧面。
所述的箱体1的侧面还设置了供电电源6，供电电源6包括供电模块、微机控制模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块。
所述的磁场发生模块设置在箱体1的下方，磁场发生模块包括两个完全一致的半环型永磁体7组合，磁场发生模块围绕针电极与网电极设置。
本发明提供了一种太阳能脉冲电源驱动磁场耦合高压电场干燥装置，利用磁场处理技术与高压电场干燥技术，通过两项干燥技术相结合，代替了现有高压电场干燥技术中的高压电场干燥模块辅助加热模块的技术，从磁场的角度改变了带电粒子的运动轨迹，从而调节了流场的分布，使得离子风强度有所提高；电磁场影响水中分子的线性和环状氢键链，从而缩短干燥时间，高压电场干燥代替传统的热力干燥，具有无噪声、无振动、便于直接电压控制、功耗低、响应快等优点；可将风送至传统干燥法无法抵达的地方；避免传统干燥方法引起的材料性能变化，一方面通过磁场的处理，缩短了干燥时间，另一方面，磁场代替了传统的辅助加热模块，大大减少了干燥过程的能耗。
本发明的高压电极模块采用的是特殊的新型带金属铝板的多针电极，它为独立开发研制的电场增强型离子风激励器，通过多次对比试验对电极装置参数进行优化，最终选定电极形式具体为相同的六根不锈钢针固定于以铝板圆心为中心的正三角形的顶点和边长中点，确保装置产生较大的离子风，以及维持较高的电晕能量转化效率；要保证多针电极伸出金属铝板的长度保持一致，保证电晕反应过程中所有针电极能同时均匀放电，确保反应过程中对物料干燥的均匀一致性，通过畸变电极之间的电场分布提高了电晕放电离子风风速及电能转化效率，提升了物料干燥的效率，降低了能耗。
本发明采用清洁无污染的太阳能作为主要能量来源，与充电蓄电池相结合的供电方式，初始12V电压通过升压电路、脉冲发生模块以及脉冲升压器整流后构成高效率的微秒脉冲高压电源来为主反应电极供电，在光照充足的情况下由太阳能板收集的能量为整个装置提供电能，多余的能量储存在蓄电池中，同时，在阳光不足的情况下，可以通过监测感应装置智能切换供电模式，改为蓄电池供电，在保证供电稳定性的同时最大程度利用清洁能源，脱离市电，节能环保。
如图4所示，公开了由致佳ZJ-CAZ2液体接触角测量平台测得的离子风干燥效果和其他干燥条件下的干燥效果对比图，图中可以看出，自然蒸发条件下的液滴在静置20min后变化较不明显，电辅热条件下液滴经过20min有少量蒸发，而离子风干燥装置干燥的液滴在9min内干燥迅速，液滴消失，干燥效率较高。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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