基于多相流耦合的熱風(fēng)殺青過程與殺青機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

施重駒 ，張 憲* ，鐘 江 ，喬 欣 ，戴惠亮

(1．浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014;2．浙江上洋機(jī)械有限公司，浙江衢州324000)

0 引 言

熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)是生產(chǎn)大宗茶的主流關(guān)鍵設(shè)備，以對流為主要傳熱方式，利用高溫?zé)犸L(fēng)進(jìn)行殺青。在連續(xù)化生產(chǎn)中存在熱能利用率不高，提高產(chǎn)量時殺青質(zhì)量嚴(yán)重下降等缺點(diǎn)，制約了該類機(jī)型的推廣使用。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對熱風(fēng)滾筒殺青過程多采用憑借經(jīng)驗(yàn)或者通過實(shí)驗(yàn)對比殺青葉的品質(zhì)進(jìn)行茶葉殺青工藝參數(shù)和裝備的研究，Panchariya 等［1］通過實(shí)驗(yàn)測定并研究了茶葉熱風(fēng)烘干時熱風(fēng)溫度、風(fēng)速與含水率之間的關(guān)系，徐海衛(wèi)等［2］利用CFD 技術(shù)對滾筒殺青機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行仿真分析，葉飛等［3］通過實(shí)驗(yàn)對比研究滾筒、汽熱和汽熱-滾筒聯(lián)合殺青技術(shù)，比較了所制綠茶的感官品質(zhì)、茶葉內(nèi)含成分、色澤和香氣等，而針對熱風(fēng)滾筒殺青過程中滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板數(shù)量、導(dǎo)葉板結(jié)構(gòu)等對殺青的影響研究較少。

熱風(fēng)滾筒殺青是由茶葉、熱風(fēng)構(gòu)成的多組分、多相系熱力系統(tǒng)，本研究以6CSF-100 型熱風(fēng)殺青機(jī)為例，將茶葉視為離散相，熱風(fēng)視為連續(xù)相，利用離散元軟件EDEM 與流體動力學(xué)軟件FLUENT 聯(lián)合數(shù)值模擬，對殺青過程中的離散場、溫度場和流場進(jìn)行耦合分析，研究熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)的工作過程，并對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)，以提高茶葉殺青的質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 模型構(gòu)建

熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)由熱風(fēng)發(fā)生爐、滾筒、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)架等構(gòu)成，殺青機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其主體是勻速轉(zhuǎn)動，內(nèi)壁有均勻分布的螺旋狀導(dǎo)葉板的滾筒。茶葉在熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)中的運(yùn)動為在導(dǎo)葉板-茶葉間的摩擦力、自身的重力以及滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下沿著滾筒筒壁作勻速圓周運(yùn)動，和當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的高度時茶葉離開滾筒導(dǎo)葉板作拋灑運(yùn)動。在殺青過程中，高溫?zé)犸L(fēng)和鮮葉之間存在溫度、壓力、水分等不平衡勢，相互作用引起傳熱傳質(zhì)使得在葉溫升高的同時茶葉內(nèi)部水分降低。

圖1 熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1．1 離散相顆粒運(yùn)動模型構(gòu)建

由于在對滾筒中的物料進(jìn)行動力學(xué)分析時可將其近似為質(zhì)點(diǎn)［4］，且受到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，本研究中將茶葉簡化成呈正態(tài)分布的球形顆粒群(當(dāng)量直徑為0．5 cm～0．8 cm)，顆粒之間的作用通過Hertz-Midlin 接觸模型求解［5］，滾筒殺青機(jī)內(nèi)各顆粒的運(yùn)動滿足牛頓第二運(yùn)動定律，其平動和轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方程如下:

式中:mp—茶葉顆粒的質(zhì)量，vp—茶葉顆粒的速度，vg—?dú)怏w流速，－Vi?p—壓力梯度力，β—相間動量傳遞系數(shù)，—茶葉顆粒間相互作用力，茶葉顆粒與滾筒壁的作用力，Ip—茶葉顆粒轉(zhuǎn)動慣量，wp—茶葉顆粒的角速度，Mp—茶葉顆粒的合外力矩。

1．2 連續(xù)相氣體運(yùn)動模型構(gòu)建

在茶葉殺青過程中，茶葉顆粒對連續(xù)相氣體有影響，在FLUENT 原有Eulerian 模型的基礎(chǔ)上引入相體積分?jǐn)?shù)φ，通過計(jì)算兩相之間相對運(yùn)動產(chǎn)生的阻力動量匯實(shí)現(xiàn)耦合。在不考慮兩相之間的質(zhì)量傳遞的情況下，則連續(xù)相的連續(xù)方程和動量守恒方程分別如下:

式中:φ—體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)，ρg—?dú)怏w密度，μg—空氣動力粘度，g—重力加速度，F(xiàn)D—?dú)怏w阻力，V—網(wǎng)格單元體積。

1．3 離散相-連續(xù)相間熱傳遞模型構(gòu)建

殺青過程中，熱傳遞主要存在于茶葉顆粒間的熱傳導(dǎo)和熱風(fēng)與茶葉顆粒之間的對流換熱，兩相之間的相對運(yùn)動和溫度差以及茶葉顆粒間的接觸促進(jìn)了熱量的傳遞，其能量方程為:

式中:Cp—茶葉顆粒的比熱容;T—茶葉顆粒的溫度;hc—茶葉顆粒間傳熱系數(shù);hpg—兩相間熱傳遞系數(shù);Ap—茶葉表面積;ΔTp1p2，ΔTpg—茶葉顆粒間溫度差和兩相間的溫度差。

2 模擬參數(shù)設(shè)置及求解

茶葉的殺青過程主要發(fā)生在熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)的悶殺段，悶殺段與透殺段之間設(shè)置了防止熱氣流迅速外溢的擋板，其具體結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)分別如圖2、表1所示。

圖2 熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)滾筒模型

表1 熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)基本參數(shù)

在殺青過程模擬中，假設(shè)熱風(fēng)從進(jìn)風(fēng)管口均勻進(jìn)入，管口處平均速度為0．5 m/s，平均溫度為250 ℃;出口直接面向外部環(huán)境，壓力為1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。同時考慮熱風(fēng)與茶葉顆粒之間的動量交換以及茶葉顆粒對熱風(fēng)的影響，筆者采用Eulerian 模型，其中在FLUENT中選用不可壓縮、k-ε 湍流模型以及能量方程，EDEM中選用Ergun and Wen and Yu 阻力模型。本研究通過在gambit 中建立滾筒模型并生成網(wǎng)格，將其導(dǎo)入FLUENT 中，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置;在Solidworks 中建立包含所有特征的三維模型，將其導(dǎo)入EDEM 中，并進(jìn)行茶葉本構(gòu)模型參數(shù)的設(shè)置［6-8］如表2 所示。

表2 茶葉本構(gòu)參數(shù)

FLUENT 和EDEM 耦合的流程如下:首先在FLUENT 中對流場進(jìn)行初始化并通過耦合接口設(shè)置EDEM中的參數(shù)，然后在每個時間步長中，F(xiàn)LUENT 根據(jù)連續(xù)相氣體運(yùn)動模型仿真迭代計(jì)算至收斂，得到流場結(jié)果并傳遞給離散相顆粒，EDEM 根據(jù)樣本點(diǎn)確定顆粒所在的網(wǎng)格單元并判斷接觸，根據(jù)離散相顆粒模型和離散相-連續(xù)相間熱傳遞模型分別對顆粒的受力和溫度進(jìn)行迭代計(jì)算并更新參數(shù)，最后FLUENT 根據(jù)UDF 返回的動量匯進(jìn)行下一個時間步長的迭代，以此循環(huán)計(jì)算得到熱風(fēng)和茶葉顆粒的運(yùn)動情況。熱風(fēng)滾筒機(jī)殺青過程的數(shù)值模擬如圖3 所示。

圖3 殺青過程的數(shù)值模擬

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3．1 熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)悶殺段內(nèi)部氣流分布

熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)內(nèi)部氣流矢量圖如圖4 所示，從圖4 中可以看出，熱風(fēng)從進(jìn)風(fēng)管側(cè)面和錐帽進(jìn)入滾筒內(nèi)，滾筒內(nèi)軸向方向整體上氣流順暢，能使茶葉均勻受熱。但進(jìn)風(fēng)管與錐帽相接處由于結(jié)構(gòu)銳角導(dǎo)致氣流方向突變形成渦流，使得傳熱效率下降。悶殺段與脫水段之間的擋板呈錐形，能夠使得熱風(fēng)向兩邊擴(kuò)散，有利于茶葉隨熱風(fēng)順暢從悶殺段流入透殺段。

圖4 悶殺段內(nèi)部氣流矢量圖

3．2 顆粒溫度變化

殺青過程中，茶葉顆粒在內(nèi)部導(dǎo)葉板的作用下不斷地被抄起和拋撒并向前輸送，同時熱介質(zhì)和茶葉顆粒之間相互作用，茶葉溫度逐漸上升且逐漸趨于穩(wěn)定，本研究中水分蒸發(fā)為恒速率［9］，根據(jù)仿真結(jié)果整理得到熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)內(nèi)顆粒平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 茶葉顆粒平均溫度

進(jìn)一步分析可知茶葉顆粒在升溫階段，顆粒溫度T1(S)與沿滾筒軸線運(yùn)動路程S 呈線性關(guān)系，并有:

根據(jù)式(6)可計(jì)算得當(dāng)S1為0．72 m，即茶葉顆粒運(yùn)動到悶殺段1/3 路程時，茶葉顆粒溫度達(dá)到能抑制茶葉氧化生物酶活性的75 ℃。由此可以得出如下結(jié)論:由于茶葉升溫時間過長，無法迅速抑制茶葉氧化生物酶的活性，茶葉在殺青過程中容易出現(xiàn)紅變現(xiàn)象，同時，由于茶葉升溫時間過長，導(dǎo)致茶葉保溫悶殺時間縮短，在不增加悶殺段長度的條件下，將導(dǎo)致茶葉殺不透，且不易殺均勻，為保證殺青質(zhì)量，需要降低產(chǎn)量，這些現(xiàn)象已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)際中得到印證。

4 熱風(fēng)殺青滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)

圖5 所反映出的問題在該型號熱風(fēng)殺青機(jī)的使用中已經(jīng)得到充分的印證。茶葉的殺青質(zhì)量與茶葉顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)及滾筒內(nèi)溫度場的分布有關(guān)，通過對滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將有利于問題的解決。

4．1 滾筒運(yùn)動和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

茶葉顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)與滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板數(shù)量、導(dǎo)葉板尺寸(高度h、寬度b)等參數(shù)相關(guān)，導(dǎo)葉板結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。以對殺青效果有重要影響的茶葉顆粒升溫至75 ℃時，在滾筒內(nèi)運(yùn)動路程S 最小為優(yōu)化目標(biāo)。通過基于多相流耦合技術(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)［10］，研究不同參數(shù)對其影響。試驗(yàn)因素及水平如表3 所示。

圖6 導(dǎo)葉板結(jié)構(gòu)示意圖

表3試驗(yàn)因素及水平

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理進(jìn)行正交試驗(yàn)規(guī)劃，按規(guī)劃進(jìn)行茶葉殺青過程數(shù)值模擬，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)所得的結(jié)果如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其均值和極差值如表5 所示。

表5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

綜合分析表4 和表5 可以得出各因素對茶葉殺青溫升速率影響的趨勢:①轉(zhuǎn)速(因素A)對升溫速率影響顯著。滾筒內(nèi)茶葉的溫升速率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小。這是由于當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)增加時，在導(dǎo)葉板的作用下，茶葉翻滾加劇，滯空茶葉顆粒數(shù)量增加，接受了更多的熱量，至使殺青葉溫度上升較快;但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定范圍后，茶葉顆粒群在升溫區(qū)的滯留時間減少，導(dǎo)致溫升速率減小;②導(dǎo)葉板數(shù)量(因素B)對溫升速率的影響顯著。導(dǎo)葉板數(shù)的增加將使得茶葉拋灑過程中的料幕面積增加，茶葉顆粒群與熱風(fēng)的接觸面積加大，有利于葉溫的升高，并提高了茶葉顆粒溫度的均勻性;③導(dǎo)葉板寬度(因素C)和導(dǎo)葉板高度(因素D)對溫升速率影響不顯著。導(dǎo)葉板的寬度和高度對溫升速率的影響在一定范圍內(nèi)波動，主要由于導(dǎo)葉板的結(jié)構(gòu)與拋撒茶葉顆粒的數(shù)量、料幕形狀及撒料的分散性有關(guān)，由于受茶葉顆粒模型和數(shù)量的限制，導(dǎo)致導(dǎo)葉板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫升的貢獻(xiàn)率并不顯著。而在實(shí)際殺青過程中，由于茶葉顆粒較多，外形成朵狀，選擇合理的導(dǎo)葉板的結(jié)構(gòu)參數(shù)是必要的;④根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，可以確定各參數(shù)較優(yōu)水平的組合為A2B3C3D2，即滾筒轉(zhuǎn)速為20 r/min，導(dǎo)葉板數(shù)量為14條，導(dǎo)葉板寬度為18 mm，導(dǎo)葉板高度為50 mm。

4．2 滾筒內(nèi)溫度場的優(yōu)化

滾筒內(nèi)溫度場的優(yōu)化以減少渦流，增加高溫區(qū)長度為目標(biāo)。分析現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)可知，滾筒內(nèi)渦流的產(chǎn)生由進(jìn)風(fēng)口內(nèi)凹風(fēng)帽結(jié)構(gòu)引起，在優(yōu)化過程中，將進(jìn)風(fēng)口風(fēng)帽由內(nèi)凹改成外凸，數(shù)值模擬得到的優(yōu)化前后滾筒內(nèi)溫度場云圖如圖7 所示，優(yōu)化前后筒內(nèi)同一半徑處溫度變化情況如圖8 所示。

圖7 優(yōu)化前、后溫度場云圖

圖8 優(yōu)化前、后悶殺段相同半徑溫度變化(R=400 mm)

從圖8 中可以看出，優(yōu)化后的悶殺段溫度場高溫區(qū)較優(yōu)化前有較大的延伸，茶葉出口溫度上升，提高了能源利用率，有利于殺青質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。

優(yōu)化前后茶葉顆粒在殺青過程中的溫度變化如圖9 所示，分析圖9 可以擬合得出優(yōu)化后的茶葉顆粒在升溫階段的平均溫度T2(S)與升溫階段運(yùn)動路程S 存在如下關(guān)系:

圖9 優(yōu)化前后茶葉顆粒平均溫度

根據(jù)式(7)可計(jì)算得當(dāng)S2為0．53 m 時，茶葉顆粒溫度即可達(dá)到75 ℃。較優(yōu)化前縮短了26%，有利于茶葉殺青質(zhì)量及產(chǎn)量的提高。

4．3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果，本研究對原6CSF-100 熱風(fēng)殺青機(jī)進(jìn)行了改造和試驗(yàn)?？紤]到數(shù)值模擬時茶葉顆粒模型及數(shù)量與現(xiàn)實(shí)茶葉外形及加工產(chǎn)量的區(qū)別，本研究對導(dǎo)葉板的數(shù)量和高度在優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正。改造后的6CSF-100 熱風(fēng)殺青機(jī)導(dǎo)葉板數(shù)量由優(yōu)化前的12 條增至16 條;導(dǎo)葉板的高度由優(yōu)化前的50 mm增至80 mm;進(jìn)風(fēng)口風(fēng)帽結(jié)構(gòu)由優(yōu)化前的內(nèi)凹改為外凸，其余結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)不變。試驗(yàn)用茶樹品種為黃山大葉種，原料為一芽三葉的雨前茶，加工茶葉種類為炒青茶。試驗(yàn)結(jié)果表明在能源消耗不變的情況下，鮮葉殺青量在穩(wěn)產(chǎn)時產(chǎn)量由改造前的300 kg/h 提高到380 kg/h，同時殺青的均勻性和殺透率均大大提高。

5 結(jié)束語

茶葉加工過程是茶葉顆粒動態(tài)干燥的過程，其加工質(zhì)量取決于溫度場、流場和離散場的有效組合，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行茶葉加工設(shè)備的研發(fā)和改造具有較大的盲目性。本研究通過采用多相流耦合技術(shù)，與工程實(shí)踐相結(jié)合，開展對熱風(fēng)殺青機(jī)的研究，取得了良好的結(jié)果，研究結(jié)果證明該技術(shù)具有目標(biāo)明確，研發(fā)投入低，效率高，研究結(jié)果與實(shí)際相近等優(yōu)點(diǎn)，可用于多種茶葉加工設(shè)備的開發(fā)，并具有一定的研究價值和現(xiàn)實(shí)的工程意義。

然而殺青過程不僅與運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與茶葉的物料特性等有關(guān)，可以進(jìn)行更深層次的研究。同時隨著計(jì)算機(jī)硬件的提高，可以施加更多數(shù)量級的顆粒，使仿真結(jié)果更加接近于現(xiàn)實(shí)。

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