基于热泵的复合式茶叶烘干机及控制方法

本发明涉及茶叶加工，尤其涉及一种基于热泵的复合式茶叶烘干机及控制方法。

背景技术：

1、热泵烘干其热效率较高，已广泛应用于农产品干燥工序，但其烘干温度相对较低，最高温度在65-70℃，而茶叶烘焙温度较高，单一使用热泵烘焙时难以达到茶叶烘焙温度的工艺要求。目前茶叶烘干设备通常采用热辐射、对流、热传导等方式对茶叶进行烘干，采用开放式或半开放式结构，其介质是包含有水蒸汽的热空气，烘干过程中产生的水蒸汽直排放到加工车间内，使得加工车间内的温、湿度均升高，然后经进气端又进入烘干装备，随着烘干的进行，进气自身湿度越来越大，空气与茶叶细胞湿度梯度差越来越小，形成了烘焙初始阶段烘焙热效率较高，后期效率愈发地降低，另外茶叶香气物质为酯类、醛类等易挥发性有机物，茶叶烘干过程中产生的香气物质也随水蒸汽排放到加工车间内，导致茶叶的香气损失；由于烘焙过程中并未将空气中的水分排出，烘焙过程中除了加热茶叶外，同时在反复加热水蒸汽，显然加热水蒸汽并不是茶叶烘焙过程所必需的，是无用的能量消耗，而且空气湿度过高，会使得成品茶存在水闷味，降低成茶品质。因此茶叶烘焙系统应该是相对封闭的系统，热量应与外界隔离，应采用必要创新技术及装备使烘焙过程中产生含有水蒸汽的热空气析出液态水并及时排出是技术的关键。有利于减少整个茶叶烘焙系统的能量消耗，同时提高成品茶的品质。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于热泵的复合式茶叶烘干机及控制方法，利用热泵冷凝器散发热量对空气进行辅助加热，配合红外加热技术组成复合式茶叶烘干机，通过特定设计的红外加热组件、空气预热单元、水蒸汽冷凝析出单元等组成的封闭式茶叶烘焙系统，通过红外加热组件与热泵复合加热技术对物料及系统中的空气进行加热，以弥补热泵加热温度较低的缺点，利用热泵蒸发器吸热形成的低温对热风中的水蒸汽冷凝析出，各个单元等组成的封闭式茶叶烘焙系统，不仅能够将烘干产生的水分及时冷凝析出排出热风系统，而且能够产生热风并将其输送到红外烘干单元内对茶叶进行烘干；热风在几乎封闭的系统中循环，减少热风和香气物质散失于环境中，从而实现节能和提高茶叶品质的目的；通过红外加热管与热泵组成复合加热系统，提高了茶叶烘焙温度，提高茶叶烘焙质量。

2、根据本发明提出的一种基于热泵的复合式茶叶烘干机，包括用于烘干茶叶的红外烘干单元、用于清除内部循环气体水蒸气的水蒸气冷凝析出单元和加热循环气体的空气预热单元，所述红外烘干单元开设有循环气体出口和循环气体入口，所述空气预热单元的出气口与所述红外烘干单元的循环气体入口连通，所述水蒸气冷凝析出单元的进气口与所述红外烘干单元的循环气体出口连通，所述水蒸气冷凝析出单元的出气口与所述空气预热单元的进气口连通，所述红外烘干单元、水蒸气冷凝析出单元与空气预热单元通过导风管串联以形成供热风循环流通的封闭通道，所述水蒸汽冷凝析出单元与空气预热单元之间还串联设置有热泵单元。

3、优选地，所述水蒸汽冷凝析出单元包括蒸发箱体，蒸发箱体的内腔中固定连接有内部含有冷媒介质的蒸发弯管，蒸发弯管由多个蒸发细管并联组合而成，蒸发弯管的下侧固定连接有锥形漏斗，蒸发箱体侧壁的底部连通有排水阀；

4、所述空气预热单元包括冷凝箱体，冷凝箱体的内腔中固定连接有内部含有冷媒介质的冷凝弯管，冷凝弯管由多个冷凝细管并联组合而成。

5、优选地，所述热泵单元包括有用于储存冷媒介质的储液罐和将冷媒介质由气态转化为液态的压缩机，所述冷凝弯管的出液端与所述储液罐的进液端连通，所述储液罐的出液端通过膨胀阀与所述蒸发弯管的进液端连通，所述蒸发弯管的出液端与所述压缩机的进液端连通，所述压缩机的出液端与所述冷凝弯管的进液端连通，所述空气预热单元、所述储液罐、膨胀阀、水蒸汽冷凝析出单元和所述压缩机之间形成冷媒的闭环回路。

6、优选地，所述红外烘干单元包括机架底座，所述机架底座内部从上到下依次设置有第一网带输送组件、第二网带输送组件、第三网带输送组件，所述第一网带输送组件、第二网带输送组件、第三网带输送组件的整体结构相同；

7、所述第二网带输送组件的右端位于第一网带输送组件落料轨迹的下方，第三网带输送组件的左端位于第二网带输送组件落料轨迹的下方，第三网带输送组件的下侧设置有红外加热组件。

8、优选地，所述第一网带输送组件包括传动转轴，所述传动转轴的外壁固定连接有链轮，所述链轮的轮齿处传动连接有传动链条，所述传动链条上安装有金属网带，所述传动转轴通过联轴器与驱动电机的主轴固定连接。

9、优选地，所述红外加热组件包括多组红外加热管，所述红外加热管的两端通过安装支架固定，每组所述红外加热管呈线性等距分布。

10、优选地，所述机架底座右端的顶部固定连接有顶盖，机架底座的底部连通有进气风管，顶盖的顶部连通有排气风管；

11、机架底座左端的顶部固定连接有进料斗，第三网带输送组件落料轨迹的下方固定连接有出料斗，顶盖的左端通过紧固旋钮固定连接有第一活门，顶盖的右端通过紧固旋钮固定连接有第二活门，第一活门、第二活门的位置能够上、下调节，机架底座、顶盖、第一活门、第二活门形成一个相对封闭的烘干区域。

12、优选地，所述空气预热单元的出气口处设置有第一风机，所述第一风机进气口与所述空气预热单元的出气口连通，所述第一风机的出气口与所述红外烘干单元的进气风管进气口连通，所述水蒸汽冷凝析出单元的进气口处设置有第二风机，所述第二风机的进气口与所述红外烘干单元的排气风管出气口连通，所述第二风机的出气口所述水蒸汽冷凝析出单元的进气口连通。

13、优选地，所述冷媒的闭环回路还包括过滤器，所述过滤器设置在储液罐与膨胀阀之间。

14、基于热泵的复合式茶叶烘干机控制方法，该控制方法包括以下步骤：

15、s1：通过控制模块启动各网带输送组件的驱动电机、红外加热管、压缩机、第一风机以及第二风机使之处于工作状态，根据茶叶物料实际含水率调节各网带输送组件驱动电机的转速以及红外加热管的运行功率；

16、s2：压缩机将冷媒压缩，压缩后高温高压的冷媒进入空气预热单元的冷凝弯管内，将其热量传给冷凝箱体内的循环气流使循环气流得到加热，冷媒从气态冷变为液态，冷媒依次经过储液罐、过滤器，并经膨胀阀节流后进入水蒸汽冷凝析出单元的蒸发弯管内，低压液态冷媒再次汽化蒸发，使得经过蒸发箱体内的循环气体冷凝析出液态水，随后冷媒再次进入压缩机进入下一个循环；

17、s3：通过立式提升机将茶叶物料输送到进料斗内，第一网带输送组件的驱动电机带动其传动链条和金属网带向右侧传送，使得茶叶物料进入烘干区域，茶叶物料再由第二网带输送组件、第三网带输送组件传送到出料斗，茶叶物料经出料斗流出烘干区域进入下一工序的入料口；

18、s4：同时红外加热管以热辐射的方式对烘干区域内的茶叶物料进行烘干，冷凝箱体内的循环气流得到加热并由第一风机输送到红外烘干单元内，以热对流的方式对茶叶物料进行烘干，烘干产生的含有水分的热风由第二风机抽送到蒸发箱体内，冷凝析出热风中的水分后重新进入冷凝箱体内进行加热，形成气流闭环回路，不断对地茶叶物料进行烘。

19、本发明中的有益效果是：

20、1、本发明利用热泵供热的原理，低温低压的冷媒进入压缩机，压缩机将冷媒压缩，压缩后高温高压的冷媒进入空气预热单元的冷凝弯管内，由于冷凝弯管内的冷媒温度高于外界循环气体的温度，将其热量传给冷凝箱体内的循环气流，循环气流得到加热并由第一风机输送到红外烘干单元内，冷媒从气态冷变为液态，冷媒依次经过储液罐、过滤器，并经膨胀阀节流后进入水蒸汽冷凝析出单元的蒸发弯管内，烘干产生的含有水分的热风由第二风机抽送到蒸发箱体内，由于蒸发弯管内的冷媒温度低于外界循环气体的温度，低压液态冷媒再次汽化蒸发，冷媒汽化吸收蒸发箱体内循环气体的热量，使得经过蒸发箱体内的循环气体冷凝析出液态水，冷凝析出的液态水经锥形漏斗进入到下方的储水槽内，随后冷媒再次进入压缩机进入下一个循环。整个系统具有自动冷凝析水的功能，烘焙系统热风中的含水量随着烘干的进行不断减少，烘焙系统热风与茶叶细胞湿度梯度差几乎不变，使得烘焙效率更高。不仅能够将烘干产生的水分及时冷凝析出，使其不再参与到烘干过程中，以避免反复加热水蒸汽消耗不必要的能源；而且能够产生热风并将其输送到红外烘干单元内对茶叶进行烘干，能够降低红外加热管的运行功率，有利于降低能耗，达到节能的目的。

21、2、本发明中整个烘焙系统的气路是一个几乎封闭的系统，与传统烘干机开放式的系统相比，几乎没有热风散失于环境中，从而实现节能降耗的目的。随着烘焙过程的进行，产生大量的酯类、醛类香气物质会存留于热空气中，封闭的系统相对于开放的系统使得这些香气物质不易散失，便于使其吸附于茶叶中，有利于提高茶叶的香气。

22、3、本发明通过红外加热管与热风组成复合加热系统，利用热泵冷凝器散发热量对冷凝箱体内的空气进行辅助加热，以弥补热泵加热温度较低的缺点使其适用于茶叶烘干，利用热风烘焙穿透力较强的特点，提高烘焙均匀性；设计的红外烘干单元以热辐射与热对流相结合的方式对茶叶物料进行干燥，并利用各网带输送组件之间的高低差实现茶叶物料的翻面，有利于提高烘干质量，各网带输送组件的输送速度能够独立进行调节，便于根据茶叶物料的实际含水率适当缩短或增加烘干时间，有利于提高茶叶物料的烘干质量。