隧道式兩排掛面烘房氣流特征分析

楊夫光,張　波,張影全,王振華,魏益民

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100094)

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隧道式兩排掛面烘房氣流特征分析

楊夫光,張波,張影全,王振華,魏益民*

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100094)

為改進掛面干燥工藝,采用便攜式微型氣象儀研究了雙排掛架隧道式掛面烘房風(fēng)速和方向分布情況以及烘房掛面干燥過程的氣流特征。結(jié)果表明,隧道式雙排掛面烘房內(nèi)風(fēng)速呈波形分布,均值為0.82 m/s,絕大多數(shù)風(fēng)速集中在0.00～2.00 m/s之間,側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)則集中在0.00～1.00 m/s區(qū)間內(nèi),烘房不同位置的風(fēng)速具有不均勻性。風(fēng)向受到風(fēng)扇位置、排潮口位置以及烘房結(jié)構(gòu)的影響,烘房左上、左中、左下部位主導(dǎo)風(fēng)向集中在SW-NNW扇區(qū),右上、右中、右下部位主導(dǎo)風(fēng)向集中在NE-SSE扇區(qū)。

掛面,干燥,烘房,風(fēng)速,風(fēng)向

干燥是掛面生產(chǎn)的關(guān)鍵工序[1]。影響掛面干燥的主要因素有空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速以及烘房結(jié)構(gòu)[2]。風(fēng)速過低會使溫度濕度分布不均,干燥緩慢;風(fēng)速過大會加速烘房排潮,降低熱效率;風(fēng)速控制不當還可導(dǎo)致掛面劈條、酥條[3-5]。因此,研究掛面生產(chǎn)線烘房內(nèi)氣流特征對掛面干燥過程的工藝控制有重要意義。

研究表明,適量的風(fēng)速有利于面條干燥。烏冬面干燥過程中,初始干燥階段與主干燥階段的風(fēng)速閾值分別為2 m/s和1 m/s[6],空氣流速增加到3 m/s時有利于干燥[7],初始干燥階段風(fēng)速在2～3 m/s時,可以提高鮮面失水速度;主干燥階段的合理風(fēng)速約為1 m/s(Yamamoto,1998)[8]。針對意大利通心粉干燥的研究發(fā)現(xiàn),主干燥階段的風(fēng)速在1～5 m/s之間對通心粉的干燥速率沒有影響(Andriue)[9]。針對機制掛面干燥的研究表明,機制掛面在預(yù)干燥階段風(fēng)速不宜過大,0.8 m/s為宜;主干燥階段應(yīng)加大風(fēng)速至1.2 m/s左右;完成干燥階段風(fēng)速應(yīng)緩至0.8 m/s左右[10]。這一建議與國內(nèi)掛面行業(yè)標準SB/T 10072-1992的要求基本一致[11];也有學(xué)者認為風(fēng)速在4 m/s時干燥掛面的質(zhì)量較好[12]。另外也有理論總結(jié)認為,干燥初始階段適當增加風(fēng)速可以改善干燥的效果[13];在烘房內(nèi)營造局部環(huán)流,均勻分布烘房氣流,可以提高熱效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量[14]。李華偉等認為,。也有學(xué)者認為掛面干燥時空氣流動不宜過大,風(fēng)速過大會加速排潮,破壞烘房內(nèi)部溫度、濕度的均勻性,造成能源浪費[15]。本研究以130 m隧道式烘房為研究對象,使用便攜式微型氣象儀在線立體采集烘房運行過程中的風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù),揭示掛面干燥烘房的氣流特征和特點,為改進和控制掛面干燥工藝提供技術(shù)依據(jù)。

1　材料和方法

1.1實驗場地

實驗在某企業(yè)新設(shè)計的130 m隧道式兩排掛面烘房內(nèi)實施。烘房為混凝土結(jié)構(gòu),南北向布局,長130 m,高4.0 m,寬3.7 m,掛面架高2.0 m。掛面懸掛于面桿,運行速度為32.5 m/h,干燥4 h;采用循環(huán)導(dǎo)熱油通過翅片管式換熱器向烘房供熱,面條在濕熱空氣的作用下脫去水分;吊扇位于導(dǎo)熱油管上方,排潮口位于烘房底部。圖1為烘房入口的正視圖,標注了烘房的結(jié)構(gòu)。

圖1　烘房正視圖Fig.1　The front view of the drying chamber

烘房內(nèi)溫度均值為37.8 ℃,相對濕度均值為76.6%。實驗期間,烘房入口、出口的空氣溫度、相對濕度分別是30.8 ℃、81.6%,35.5 ℃、57.4%。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速690 r/min,單葉片風(fēng)扇(葉片長度1.3 m),入口、出口的風(fēng)速分別是1.3 m/s和0 m/s。實驗期間車間生產(chǎn)的是2 mm寬面(厚度1 mm),原料為上白粉。干燥終端掛面產(chǎn)品含水率(12.83±0.37)%。實驗期間未出現(xiàn)酥條面等不合格產(chǎn)品。

1.2儀器與設(shè)備

Kestrel-4500型微型氣象儀美國尼爾森-科爾曼公司;可實時監(jiān)測烘房內(nèi)溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)等,測量精度為:溫度0.1 ℃、濕度0.1%、風(fēng)速0.1 m/s、風(fēng)向1°,測量范圍:風(fēng)向為0°到360°,風(fēng)速為0.4到60.0 m/s。

1.3實驗方法

1.3.1風(fēng)速、風(fēng)向測定風(fēng)速、風(fēng)向測定制作三個環(huán)形支架,用鐵鉤將環(huán)型支架按上、中、下結(jié)構(gòu)鏈接起來;將微型氣象儀分別固定在每個支架中央,由此構(gòu)成了一個監(jiān)控烘房上、中、下部(距地面分別是1.5、1.0、0.5 m)風(fēng)速、風(fēng)向裝置。將裝置懸掛在掛面架上,隨掛面一起移動,每5秒1次記錄風(fēng)速、風(fēng)向、側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)數(shù)值。以正視烘房入口的位置將烘房標記為左、右部分(如圖1所示),依次測量烘房左上、左中、左下,右上、右中、右下部位,每排測定3次,共計6次。

1.3.2風(fēng)向頻率計算風(fēng)向分類儀器以0°表示正北,順時針90°、180°、270°表示東、南、西方向,與烘房內(nèi)實際方位一致。將測量結(jié)果歸到16個方位:N(北)、NNE(東北偏北)、NE(東北)、ENE(東北偏東)、E(東)、ESE(東南偏東)、SE(東南)、SSE(東南偏南)、S(南)、SSW(西南偏南)、SW(西南)、WSW(西南偏西)、W(西)、WNW(西北偏西)、NW(西北)、NNW(西北偏北)。

風(fēng)向頻率按下式計算[16]:

式中,gn-n方位的風(fēng)頻;fn-測量結(jié)果中吹n方位風(fēng)的次數(shù),n為方位,共16個方位;c-測量結(jié)果中靜風(fēng)總次數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析;使用玫瑰圖繪制軟件繪制風(fēng)向玫瑰圖。

2　結(jié)果與分析

2.1烘房內(nèi)風(fēng)速分布

2.1.1烘房空間位置風(fēng)速變化圖2、圖3是烘房左排左上、左中、左下,右排右上、右中、右下部位風(fēng)速曲線,0、130 m位置分別表示烘房入口和出口。由圖2、3可知,烘房風(fēng)速在整個干燥過程中為波形變動,呈鋸齒狀,干燥末端風(fēng)速降低。風(fēng)速在上、中、下層間有差異,呈逐漸降低趨勢。

圖2　烘房左側(cè)風(fēng)速曲線Fig.2　Wind velocity curve of left side in chamber

圖3　烘房右側(cè)風(fēng)速曲線Fig.3　Wind velocity curve of right side in chamber

由于使用風(fēng)扇作為空氣流動的動力,實際生產(chǎn)中烘房內(nèi)風(fēng)速呈現(xiàn)波形變動[17]。風(fēng)扇懸置與掛架上方,風(fēng)速由上到下呈下降趨勢。

2.1.2烘房空間位置風(fēng)速分析烘房空間位置風(fēng)速統(tǒng)計如表1所示。左上、右上風(fēng)速均值為1.01 m/s和0.98 m/s,左中、右中風(fēng)速均值為0.85 m/s和0.76 m/s,左下、右下風(fēng)速較小(0.65、0.66 m/s)。所有空間位置風(fēng)速的平均值為0.82 m/s。方差分析結(jié)果顯示,左上和右上、左下和右下風(fēng)速無顯著差異,其余各部位風(fēng)速間差異顯著(p<0.05)。

表1　烘房空間位置風(fēng)速分布

表2　烘房空間位置逆風(fēng)分布

注:均值為逆風(fēng)風(fēng)速值絕對值的平均值。

表3　烘房空間位置側(cè)風(fēng)分布

由表1可知,烘房各部位風(fēng)速分布在0.00～3.00 m/s內(nèi)(占比超過98.9%)。其中烘房左上、左中、左下、右上、右中、右下部位風(fēng)速分布在0.00～1.00 m/s內(nèi)的比例分別是59.2%、69.0%、79.9%、61.5%、73.3%、82.1%;在1.00～2.00 m/s的比例分別是20.4%、22.9%、18.8%、21.7%、20.3%、15.7%;2.00～2.50 m/s內(nèi)的比例分別是14.2%、6.3%、1.35%、10.9%、6%、2%;大于2.50 m/s范圍的比例分別是6.2%、1.8%、0%、6%、0.1%、0.2%。

2.1.3烘房空間位置逆風(fēng)風(fēng)速分析逆風(fēng)即與掛面運動方向相反的風(fēng)力,其值由儀器根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向計算得到,可表征掛面運動所遇到的風(fēng)阻。表2是烘房空間位置逆風(fēng)分布表,負值表示與氣象儀運動方向相同的推力。由結(jié)果可知,左上、左中、左下、右上、右中、右下逆風(fēng)平均值為0.38、0.34、0.40、0.58、0.30、0.33 m/s。各部位逆風(fēng)風(fēng)速在0.00～1.00 m/s(絕對值)的比例分別為90%、92.8%、89.8%、75.6%、94.7%、93.1%;在1.00～2.00 m/s范圍內(nèi)的比例分別是8.8%、6.7%、9.6%、18.9%、4.7%、6.9%;超過2.00 m/s的比例很小(右上最高5.5%)。方差分析表明,6個部位的逆風(fēng)相互間差異顯著(p<0.05)。

2.1.4烘房空間位置側(cè)風(fēng)風(fēng)速分析側(cè)風(fēng)是與掛面前進方向有正交分量的風(fēng),可表征掛面兩側(cè)面的風(fēng)速,大小也是由儀器計算得到。從表3可知,烘房左上、左中、左下、右上、右中、右下側(cè)風(fēng)均值分別是0.69、0.63、0.50、0.86、0.72、0.44 m/s。各部位側(cè)風(fēng)在0.0～1.0 m/s的比例分別是63.7%、73.6%、90.6%、74.0%、80.9%、89.2%;1.0～2.0 m/s內(nèi)各部位側(cè)風(fēng)占比分別為23.6%、20.0%、9.4%、20.0%、14.0%、9.6%;大于2.5 m/s的占比很低(左上最高3.8%)。方差分析結(jié)果表明,各位置側(cè)風(fēng)風(fēng)速間差異顯著(p<0.05)。

2.2烘房風(fēng)向分布

圖5、6是烘房各部位的風(fēng)玫瑰圖。由風(fēng)玫瑰圖可知,左上、左中風(fēng)向指向W,右上、右中風(fēng)向指向E;左下風(fēng)向指向WSW和NE,右下風(fēng)向指向ENE和SE方向,顯示下部風(fēng)向更為分散。

表4　烘房各位置風(fēng)頻、風(fēng)速表

圖4　烘房左側(cè)上(a)、中(b)、下(c)部位風(fēng)玫瑰圖Fig.4　Wind-rose diagram of upper,middle,lower of left side in chamber

圖5　烘房右側(cè)上(a)、中(b)、下(c)部位風(fēng)玫瑰圖Fig.5　Wind-rose diagram of upper,middle,lower of right side in chamber

表4為烘房各部位在不同方位的風(fēng)向頻率及風(fēng)速均值。由表4可知,左上最多風(fēng)向為W(19.9%),次多風(fēng)向為WNW(18.3%);左中最多風(fēng)向為W(23.2%),次多風(fēng)向為WSW(20.1%);左下最多風(fēng)向為WSW(12.4%),次多風(fēng)向為SW(10.4%),左上、左中、左下的風(fēng)向集中在SW～NNW扇區(qū),各部位在該扇區(qū)風(fēng)頻總和分別是67%、72.5%、50.1%。右上最多風(fēng)向為SE(20.5%),次多風(fēng)向為ESE(19.7%);右中最多風(fēng)向變?yōu)镋(31.4%),次多風(fēng)向是ESE(17.9%);右下最多風(fēng)向為ENE(24.4%),次多風(fēng)向為E(15.8%)。右上、右中、右下風(fēng)向集中在NE～SSE扇區(qū),各部位在該扇區(qū)的風(fēng)頻總和分別為62.3%、74.5%、78.1%。風(fēng)速和風(fēng)頻出現(xiàn)同步,即某一方向風(fēng)頻大,在該方向風(fēng)速均值也較大。

3　討論

3.1掛面烘房的風(fēng)速分析

本研究表明烘房上、中、下部風(fēng)速差異顯著,烘房左上和右上、左下和右下風(fēng)速無顯著差異,左中、右中風(fēng)速差異顯著;各部位逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)之間均差異顯著。這與烘房使用風(fēng)扇供風(fēng)及烘房結(jié)構(gòu)有關(guān)。風(fēng)扇帶動空氣流動,烘房左上、右上面桿處在風(fēng)扇中軸對稱部位,風(fēng)速大小差異不顯著。左中、右中部位風(fēng)速差異顯著,可能和掛面懸掛位置密度和排風(fēng)口位置有關(guān)。烘房下層風(fēng)速本身較小,且下層空間較開放,空氣流動相對均勻。烘房內(nèi)風(fēng)扇葉片形狀、葉片數(shù)量、風(fēng)扇密度及轉(zhuǎn)速、安裝位置及精度等都會對風(fēng)速產(chǎn)生影響。因此,應(yīng)合理選擇扇型、布局風(fēng)扇。烘房結(jié)構(gòu)和通風(fēng)系統(tǒng)和對風(fēng)力也有影響,但烘房設(shè)計中較少考慮這些因素。

空氣的流動可使烘房內(nèi)溫度、濕度分布均勻,可增大傳熱傳質(zhì)系數(shù)。物料的水分由內(nèi)部擴散到表面后在表面汽化,可認為在表層存在一層汽膜[18],隨著空氣流速的增加汽膜厚度減小,有利于傳熱[19]。當風(fēng)速大于臨界點,干燥速率不再增加,反而會加速排潮,造成能源浪費[15]。在干燥不同階段,干燥速率的控制機理不同,風(fēng)速大小應(yīng)根據(jù)需要調(diào)整[20,21]。相關(guān)報道對干燥介質(zhì)溫度、濕度對掛面干燥的影響研究較多[22-25],而對掛面干燥過程中風(fēng)速、風(fēng)向特征的研究較少。有學(xué)者認為掛面在預(yù)干燥、主干燥、完成干燥階段風(fēng)速分別是0.80 m/s、1.20 m/s、0.80 m/s[10],也有研究認為掛面干燥時風(fēng)速應(yīng)該達到4.0 m/s[12],掛面烘房的風(fēng)速應(yīng)在2.0～2.5 m/s之間、掛面有15°到20°的擺幅[2]。也有經(jīng)驗式的總結(jié)認為掛面烘房內(nèi)風(fēng)速不宜太大、在不同階段應(yīng)設(shè)置不同的風(fēng)速[26]。

本研究表明,烘房風(fēng)速均值0.82 m/s,上、中、下部位風(fēng)速均值分別約為1.00、0.80、0.60 m/s,與部分研究結(jié)論基本一致。左上、左下、左中、右上、右中、右下部位風(fēng)速主要分布集中在0.0～1.0 m/s和1.0～2.0 m/s區(qū)間。其中在0.0～1.0 m/s各部位風(fēng)速占82.1%(右下);在0.0～2.0 m/s區(qū)間,各部位風(fēng)速占98.9%(右下);風(fēng)速在2.0～3.0 m/s區(qū)間分布很少。逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)分別反映了掛面前后、兩側(cè)風(fēng)速分布大小。逆風(fēng)均值(絕對值)為0.38 m/s,主要分布在0.0～1.0 m/s的區(qū)間內(nèi),占94.7%(右中)。側(cè)風(fēng)均值是0.63 m/s,主要分布在0.0～1.0 m/s區(qū)間內(nèi),在該區(qū)間的占90.6%(左下);1.0～2.0 m/s區(qū)間各部位側(cè)風(fēng)占比相對較少,比例為10%～20%。在該風(fēng)速分布條件下,烘房運行穩(wěn)定,濕面條經(jīng)過干燥后沒有酥條面等不合格品,烘房內(nèi)風(fēng)速分布是合理的。

在掛面生產(chǎn)中希望實現(xiàn)烘房風(fēng)速分布均勻,有利于干燥工藝控制和保證產(chǎn)品質(zhì)量。本研究首次發(fā)現(xiàn),除左上和右上、左下和右下間風(fēng)速差異不顯著外,其余各部位間風(fēng)速、逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)均差異顯著,這不利于干燥,設(shè)計使用可控制風(fēng)機出口風(fēng)速大小的廂式風(fēng)機有助于解決這一問題。

3.2掛面烘房的風(fēng)向分布

掛面烘房內(nèi)風(fēng)向表征的是濕熱空氣的流動方向。本研究表明,左上、左中主導(dǎo)風(fēng)向均指向西(掛面運動方向的側(cè)面),右上、右中主導(dǎo)風(fēng)向均指向東;下層風(fēng)向相對上層較為分散,出現(xiàn)明顯偏向排潮口的風(fēng)向?？梢?烘房上層風(fēng)向主要受風(fēng)扇影響,下層風(fēng)向還受排潮口位置影響。

4　結(jié)論

隧道式雙排掛面烘房內(nèi)平均風(fēng)速為0.80 m/s,絕大多數(shù)風(fēng)速集中在0.00～2.00 m/s之間;側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)則集中在0.00～1.00 m/s區(qū)間內(nèi)。風(fēng)向受到風(fēng)扇位置、排潮口位置、烘房結(jié)構(gòu)的影響。風(fēng)速大小與有關(guān)學(xué)者研究結(jié)果接近[10],低于某些學(xué)者的研究結(jié)果[2]。

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Analysis of airflow charateristicin Tunnel-type drying chamber

YANG Fu-guang,ZHANG Bo,ZHANG Ying-quan,WANG Zhen-hua,WEI Yi-min*

(Institute of Agro-Products Processing Science and Technology,Chinese Academy of Agriculture Sciences(CAAS),Beijing 100094,China)

The characteristics of air flow in a tunnel-type drying chamber was analyzed to reveal the feature of air flow in the chamber,which was to provide technical bases for improving drying process of dried noodles.The results showed that the wind velocity was in waved distribution,average value of wind velocity was 0.82 m/s.The wind velocity in the tunnel-type drying chamber was main in the 0.00～2.00 m/s section,head wind velocity was main in the 0.00～1.00 m/s section and side wind velocity was main in the 0.00～1.00 m/s section.The wind velocity in different spatial position were nonuniformity. Wind direction was strongly influenced by distribution of fans,distribution of outlet of exhaust air and the structure of drying chamber. The dominant wind directions of the left upper,the left middle and the left lower were focused in SW-NNW sector;the dominant wind directions of the right upper,the right middle and the right lower were focused on NE-SSE sector.

Driednoodles;drying;drying chamber;wind velocity;wind direction

2015-04-27

楊夫光(1988-),男,碩士,研究方向:食品科學(xué)與工程,E-mail:yangfuguang2006@126.com。

魏益民(1957-),男,博士,教授,研究方向:食品科學(xué)與工程。Email:weiyimin36@hotmail.com。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-03);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費資助(201303070)。

TS210.1

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000