熱風(fēng)式枸杞烘干機(jī)烘干室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流場分析

于 洋，李若蘭，夏治新，盧 宇

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054)

0 引言

枸杞因其豐富的營養(yǎng)成分而深受人們的喜愛，在枸杞鮮果的烘干過程中，枸杞的含水量從約80%下降到約13%。比較傳統(tǒng)的枸杞烘干方法是自然晾曬，一般需3～4天才能曬干枸杞，易受天氣影響且衛(wèi)生條件差。為了克服這些缺點(diǎn)，熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥等新型枸杞干燥技術(shù)應(yīng)用而生。采用熱風(fēng)干燥原理的箱式枸杞烘干機(jī)應(yīng)用廣泛[1]，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；但存在烘干室內(nèi)流場分布不均勻、枸杞烘干過程中易粘結(jié)，以及自動(dòng)化程度較低等問題。研究表明，烘干機(jī)烘干室內(nèi)物料烘干的均勻程度與流場分布規(guī)律基本一致[2]。

代建武等[3]利用FLUENT軟件對(duì)氣體射流沖擊干燥機(jī)氣流分配室的流場進(jìn)行了模擬并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。胡云峰等[4]在不同熱風(fēng)干燥溫度下對(duì)枸杞的干燥特性進(jìn)行了研究，得到了適合枸杞干燥的工藝。

通過在寧夏多地枸杞生產(chǎn)加工地的實(shí)際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)箱式熱泵枸杞烘干機(jī)因其較高的性價(jià)比而多被用于枸杞鮮果的制干，如圖1所示。枸杞鮮果先逐層平鋪在烘干篩板上，再將烘干小車推進(jìn)烘干室進(jìn)行烘干。在使用過程中發(fā)現(xiàn)箱式熱泵枸杞烘干機(jī)存在流場分布不均勻、烘干過程中枸杞易粘結(jié)等問題。

圖1 箱式枸杞烘干機(jī)及烘干小車Fig.1 Box type dryer and drying trolley

針對(duì)上述問題，在連續(xù)帶式烘干機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更適合枸杞的烘干工藝，以解決枸杞烘干過程中的粘結(jié)問題。同時(shí)，采用CFD軟件FLUENT對(duì)其流場進(jìn)行研究分析，得到了較好的流場分布，驗(yàn)證了帶式枸杞烘干機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

1 帶式枸杞烘干機(jī)烘干室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使帶式熱泵烘干機(jī)能更好地適用于枸杞鮮果的烘干，本文帶式枸杞烘干機(jī)烘干室的結(jié)構(gòu)是在帶式連續(xù)烘干機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。帶式枸杞烘干機(jī)主要包含提升機(jī)、落料裝置和傳送帶，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.提升機(jī) 2.提升電機(jī) 3.上料輸送帶 4.落料裝置 5.烘干室 6.烘干室底座 7.出料緩坡 8.出料輸送帶圖2 帶式枸杞烘干機(jī)烘干室結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the drying chamber of the belt medlar dryer

帶式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)部有4層鏈輪傳送帶裝置及落料裝置，枸杞鮮果均勻地?cái)[放在烘干板上，物料烘干板隨著提升裝置送至烘干室頂部，然后物料烘干板被推至上料輸送帶，再由輸送帶送至第一層傳送帶的上層；當(dāng)物料烘干板移動(dòng)到傳送帶的端部時(shí)，落料裝置將物料烘干板移送至下一層，傳送帶上下層運(yùn)動(dòng)方向相反，直到物料烘干板被移送至烘干室的最底層，物料烘干板和烘干好的枸杞從出料傳出。枸杞烘干過程示意圖如圖3所示。

1.落料裝置 2.傳送帶 3.4.熱風(fēng) 5.進(jìn)風(fēng)口 6.枸杞 7.提升機(jī)上料 8.出料圖3 枸杞烘干過程示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the medlar drying process

1.1 輸送帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

帶式連續(xù)烘干機(jī)是將烘干物料直接放在傳送帶的上層面，物料移送至傳送帶的末端時(shí)經(jīng)斜板滑落到下層傳送帶的上層，相鄰傳送帶運(yùn)動(dòng)方向相反。帶式連續(xù)烘干機(jī)烘干過程中物料運(yùn)行示意圖如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)適用于烘干大棗、核桃等，但由于枸杞表面具有一定的黏性，不能順利地滑落至下層傳送帶上，容易產(chǎn)生粘結(jié)、堆疊等現(xiàn)象，影響枸杞烘干品質(zhì)。因此，基于枸杞烘干時(shí)易粘結(jié)的特性，使用了一種新型傳送帶。

1.傳送帶 2.物料圖4 帶式連續(xù)烘干機(jī)烘干室內(nèi)部物料運(yùn)行圖Fig.4 Running diagram of the material in the drying room of the belt continuous dryer

帶式枸杞烘干機(jī)的傳送帶采用216A型傳送帶，待烘物料干板在每層傳送帶上平穩(wěn)移動(dòng)，通過落料裝置將物料烘干板按序降落至傳送帶下層。上下層都可以進(jìn)行枸杞烘干，烘干板上鋪有不粘布，傳送帶將物料烘干板移送至末端后，由落料裝置將物料烘干板再移送至該輸送帶的下層進(jìn)行烘干。該設(shè)計(jì)提高了烘干室的空間利用率及烘干效率，枸杞烘干量比帶式連續(xù)烘干機(jī)至少增加了1倍，同時(shí)解決了枸杞烘干過程中的粘結(jié)、堆疊問題。枸杞在烘干室內(nèi)烘干過程中的運(yùn)行如圖5所示。

1.傳送帶 2.枸杞圖5 傳送帶改進(jìn)后烘干室內(nèi)部枸杞運(yùn)行圖Fig.5 Operation diagram of the interior of the drying room after the improvement of the conveyor belt

1.2 側(cè)面進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計(jì)

帶式連續(xù)烘干機(jī)前后側(cè)進(jìn)風(fēng)口在物料層上方的同一水平面且上下分布的大小尺寸相同，容易造成烘干室前后風(fēng)流對(duì)吹的現(xiàn)象，且側(cè)面上部的進(jìn)風(fēng)口與下部進(jìn)風(fēng)口尺寸相同則易導(dǎo)致烘干室上端的風(fēng)速明顯大于底部風(fēng)速，加重了烘干室風(fēng)速分布的不均勻性，影響枸杞烘干品質(zhì)?；诖?，帶式枸杞烘干機(jī)的側(cè)面上下進(jìn)風(fēng)口尺寸按比例設(shè)計(jì)，上部進(jìn)風(fēng)口尺寸相對(duì)小，向下依次增大進(jìn)風(fēng)口尺寸，以保證進(jìn)風(fēng)量，前后側(cè)進(jìn)風(fēng)口則交錯(cuò)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 帶式枸杞烘干機(jī)側(cè)面進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the side air inlet of the belt type dryer

2 仿真模型的建立

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

采用CFD軟件Fluent對(duì)帶式枸杞烘干機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行分析[5]，用SolidWorks建立帶式枸杞烘干機(jī)烘干室簡化后的三維模型。帶式枸杞烘干機(jī)的基本尺寸如表1所示。

表1 帶式枸杞烘干機(jī)基本尺寸Table 1 Basic dimensions of belt medlar dryer mm

簡化后的烘干室模型，只考慮烘干室保溫板、物料層，以及進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口，其他結(jié)構(gòu)一律省去為簡化后的烘干室三維模型，坐標(biāo)分布如圖7所示。

將在SolidWorks中建立的簡化后的烘干室模型轉(zhuǎn)為x_t格式，模型坐標(biāo)如圖7所示。本文分析的烘干室內(nèi)部氣流的分布是在帶式枸杞烘干機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)進(jìn)行研究的，因此將其近似當(dāng)作定常問題處理，再將模型導(dǎo)入ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分選取四面體混合網(wǎng)格，并對(duì)物料層的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，符合網(wǎng)格質(zhì)量要求，生成Mesh文件。生成的帶式枸杞烘干機(jī)烘干室的網(wǎng)格模型有706 435個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 568 483個(gè)混合四面體網(wǎng)格單元，如圖8所示。

圖7 帶式枸杞烘干機(jī)烘干室簡化模型Fig.7 Simplified model of the drying chamber of the belt medlar dryer

圖8 帶式枸杞烘干機(jī)烘干室網(wǎng)格劃分模型Fig.8 Model of the drying room of the belt medlar dryer

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律[6]。帶式枸杞烘干機(jī)的烘干形式是熱風(fēng)烘干，烘干機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)烘干室內(nèi)部主要為熱氣流，且為典型的湍流模型[7]，流體不可壓縮，所以在計(jì)算模擬時(shí)選取計(jì)算量適中且有較多數(shù)據(jù)積累和較大精度的standardk-ε模型。在standardk-ε模型中，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε均是未知量，兩者控制方程為

(1)

(2)

其中，Gk是氣流速度變化引起的湍動(dòng)能；Gb是空氣浮力作用引起的湍動(dòng)能；YM是在可壓縮湍流運(yùn)動(dòng)中過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)項(xiàng)。本文流體為不可壓縮流體，故YM=0，?k=1.0，σε=1.3；C1ε、C2ε是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.9；Sk、Sε為自定義項(xiàng)，通常取Sk=0，Sε=0。

故此處standardk-ε模型變?yōu)?/p>

(3)

(4)

2.3 物性參數(shù)與邊界條件確定

將上述生成的Mesh文件導(dǎo)入Fluent中求解。帶式枸杞烘干機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)進(jìn)氣口熱風(fēng)溫度設(shè)定為80℃，流動(dòng)介質(zhì)選擇air，固體為聚苯乙烯。進(jìn)口采用Velocity-inlet，實(shí)測入口風(fēng)速為6.5m/s。由式(5)、式(6)得水力直徑DH=9.375e-2m,湍流強(qiáng)度I=3.196e-3。出口采用Pressure-Outlet，出口壓力為外界環(huán)境大氣壓0.101 325MPa。本文采用分離計(jì)算求解器。

帶式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)物料層阻礙了氣體流動(dòng)，故在烘干室內(nèi)部采用Fluent中的多孔介質(zhì)模型。選擇Porous Zone和Laminar Zone，多孔介質(zhì)模型的計(jì)算需要在運(yùn)動(dòng)方程中增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)源項(xiàng)[8]。主要有慣性阻力因素C2和滲透性α兩個(gè)參數(shù)。C2和α分別根據(jù)式(7)、式(8)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)測得枸杞平均顆粒直徑Dd=0.003m，孔隙率φ=0.333 3，故有C2=2.1e4，α=4.998e-9m2，1/α=2e8。

水力直徑計(jì)算公式為

(5)

式中DH—水力直徑(m)；

A、B—入口長、寬(m)。

(6)

式中I—湍流強(qiáng)度；

ū—入口風(fēng)速(m/s)；

μ—μ=1.7894e-5。

(7)

式中C2—慣性阻力因素；

Dd—物料平均顆粒直徑(m)；

φ—孔隙率。

(8)

式中α—滲透性。

同理，對(duì)箱式枸杞烘干機(jī)的烘干室模型進(jìn)行分析，其簡化模型如圖9所示。

1.烘干篩板 2.進(jìn)風(fēng)口 3.出風(fēng)口圖9 箱式枸杞烘干機(jī)烘干室簡化模型Fig.9 Simplified model of the box drying medlar drying room

3 兩種烘干室流場分布數(shù)值模對(duì)比分析

3.1 箱式枸杞烘干機(jī)烘干室流場分布規(guī)律

如圖10、圖11所示，分別截取了箱式枸杞烘干機(jī)烘干室流場分布的橫向和縱向截面。

箱式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)流場風(fēng)速范圍在0.8～8m/s之間。靠近進(jìn)風(fēng)口處、位于烘干室中間部位的氣流分布較為均勻，如圖10(b)及圖11(c)所示。

烘干室頂部、底部，處于兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口中間處間隙的烘干篩板處氣流分布的均勻性明顯較弱，氣流速度較小，如圖10(a)、(c)和圖11(a)所示。烘干室內(nèi)流場整體分布均勻性不是很好，這也解釋了箱式枸杞烘干機(jī)在烘干枸杞過程中部分枸杞烘干速度較快而部分枸杞烘干較慢的原因，所以，在用箱式枸杞烘干機(jī)烘干枸杞的過程中需要人為將烘干小車前后調(diào)換位置以及調(diào)換上下層烘干篩板，以較好地保證枸杞干果品質(zhì)。

(a) 第2層

(b) 第7層

(c) 第10層圖10 箱式烘干室流場分布橫向截面圖Fig.10 Transverse section of the flow field distribution of the box drying chamber

(a) X=0.2m

(b) X=0.7m

(c) X=1.1 m圖11 箱式烘干機(jī)流場分布縱向截面圖Fig.11 Longitudinal section of the flow field distribution of the box dryer

3.2 帶式枸杞烘干機(jī)烘干室流場分布規(guī)律

如圖12、圖13所示，分別截取了帶式枸杞烘干機(jī)烘干室流場分布的橫向和縱向截面。

帶式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)流場風(fēng)速范圍在0.45～6.5m/s。烘干室內(nèi)的風(fēng)速由第2層烘干板向第8層是逐漸有所減弱的，即烘干室內(nèi)風(fēng)速由上至下減弱，如圖12所示。從烘干室流場分布的縱向截面可以看到：帶式枸杞烘干機(jī)的流場分布的均勻性是較好的，越靠近烘干室中間部位，流場分布越均勻，如圖13所示。

(a) 第2層

(b) 第5層

(c) 第8層圖12 帶式枸杞烘干機(jī)流場分布橫向截面圖Fig.12 Transverse section of the flow field distribution of the belt medlar dryer

(a) X=0.2m

(b) X=0.7m

(c) X=1.2m圖13 帶式枸杞烘干機(jī)流場分布縱向截面圖Fig.13 Longitudinal section of flow field distribution of belt medlar dryer

帶式枸杞烘干機(jī)在工作過程中是由傳送帶不斷將烘干篩板輸送至烘干室內(nèi)的各個(gè)部位進(jìn)行烘干的，可以較好地保證同一批烘干的枸杞同時(shí)均勻地烘干。

3.3 兩種烘干室流場速度分布對(duì)比

由兩種類型的烘干室流場分布可以看出：箱式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)流場風(fēng)速的均勻性與帶式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)流場相比較差。因此，通過Fluent后處理軟件，分別從橫向、縱向兩個(gè)方向獲取風(fēng)速沿程分布折線圖，以觀察烘干室相近位置處的風(fēng)速分布情況并進(jìn)行對(duì)比分析，如圖14和圖15所示。

由風(fēng)速分布折線圖可以得到如下結(jié)論：箱式枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)風(fēng)速的跳躍性較大，尤其在烘干室前后側(cè)及頂部風(fēng)速會(huì)出現(xiàn)急速上升的趨勢，這種現(xiàn)象對(duì)枸杞鮮果的烘干極為不利。相比較帶式枸杞烘干機(jī)，其烘干室內(nèi)流場風(fēng)速變化較平穩(wěn)，流場整體的均勻性較好。從風(fēng)速圖中可以看出：占烘干室大多空間的中間位置處，也是枸杞烘干的主要位置，帶式枸杞烘干機(jī)烘干室的風(fēng)速基本都大于箱式枸杞烘干機(jī)烘干室的風(fēng)速，說明帶式枸杞烘干機(jī)烘干室流場的流通性更好。

圖14 兩種烘干室Z方向不同沿程風(fēng)速分布折線圖Fig.14 Distribution of wind speed distribution along the different directions of the two drying chambers in the Z direction

圖15 兩種烘干室Y方向不同沿程風(fēng)速分布折線圖Fig.15 Distribution of wind speed distribution along the Y direction of the two drying chambers

綜上所述，帶式枸杞烘干機(jī)的烘干室結(jié)構(gòu)更有利于枸杞的烘干。

4 結(jié)論

1)針對(duì)箱式枸杞烘干機(jī)存在的問題，基于帶式連續(xù)烘干機(jī)，對(duì)帶式枸杞烘干機(jī)烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了枸杞烘干品質(zhì)，有效解決了枸杞烘干過程中出現(xiàn)的粘黏導(dǎo)致枸杞破損的問題。

2)利用CFD軟件FLUENT對(duì)兩種烘干室內(nèi)氣流分布的均勻性進(jìn)行模擬分析及對(duì)比，得到帶式烘干機(jī)烘干室內(nèi)氣流分布的均勻性更好，更符合枸杞烘干，驗(yàn)證了模型的可行性。