茶葉殺青機(jī)電磁加熱過程模擬及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)*

詹星星，趙章風(fēng)，鐘 江，喬 欣

(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/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310014)

0 引 言

滾筒殺青機(jī)是市場上使用最廣泛的殺青設(shè)備，但這些設(shè)備加熱方式預(yù)熱時(shí)間長、能源利用率低、溫控性能差[1]，不僅影響茶葉的殺青質(zhì)量，同時(shí)造成資源浪費(fèi)。電磁加熱技術(shù)[2]作為金屬熱處理領(lǐng)域廣泛使用的加熱技術(shù)，利用電磁加熱可節(jié)能30%以上，并且熱能的轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上[3]。但電磁加熱涉及電磁場與溫度場的耦合，通過求解描述電磁場分布的麥克斯韋方程組[4]十分困難，并且在加熱過程中，導(dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和比熱容都會(huì)隨著溫度的變化而變化，這都給分析溫度場都來很多困難，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用大量試驗(yàn)來得到所需工藝參數(shù)。

目前，國內(nèi)外還沒有學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)對電磁殺青機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。陳天翔[5]利用有限元分析軟件對鋼管感應(yīng)加熱過程進(jìn)行了模擬研究，分析了電流頻率對鋼管感應(yīng)加熱過程中鋼管內(nèi)外壁的溫差和加熱效率的影響，得到了感應(yīng)加熱頻率選擇依據(jù)，但未對其他關(guān)鍵參數(shù)展開分析。易小開等[6]對厚壁管道中頻感應(yīng)加熱過程的磁-熱耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了電流頻率、電流強(qiáng)度以及線圈與管道之間的空氣間隙等主要參數(shù)對管道加熱效率的影響，得到了提高加熱效率的參數(shù)優(yōu)化方案。

筆者利用ANSYS對電磁殺青機(jī)滾筒加熱過程進(jìn)行模擬，分析各因素對滾筒溫升的影響。

1 電磁加熱集膚效應(yīng)與能量參數(shù)

電磁加熱原理[7]如圖1所示。

圖1 電磁加熱原理圖

工頻交流電通過電磁加熱器整流成直流，然后再逆變?yōu)楦哳l交流，交流電經(jīng)感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場。由于金屬導(dǎo)體置于交變磁場中，在其中將產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生焦耳損耗，繼而產(chǎn)生大量熱量，達(dá)到加熱目的。

當(dāng)交流電流通過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)[8]。工程上規(guī)定導(dǎo)體某一深度Δ處的電流密度為其表面電流密度的1/e=0.368時(shí)，這個(gè)深度Δ就是電流透入深度，其值可按下式計(jì)算[9]：

(1)

式中：Δ—電流透入深度，cm；ρ—導(dǎo)體電阻率，Ω·cm；μr—相對磁導(dǎo)率；f—電流頻率，Hz。

在一定時(shí)間內(nèi)滾筒的溫升速度，取決于單位時(shí)間內(nèi)向滾筒單位表面積所提供的能量，即比功率P0，比功率可用下式表示[10]：

(2)

式中：K—決定于感應(yīng)線圈和滾筒幾何尺寸的系數(shù)；I—感應(yīng)線圈中的電流，A；ρ—滾筒材料的電阻率，Ω·cm；μ—滾筒材料的導(dǎo)磁率，H/m；f—電流頻率，Hz。

電磁殺青中滾筒的最終溫度還與加熱時(shí)間有關(guān)，在一定的比功率下，加熱時(shí)間越長，滾筒的最終溫度越高，通過改變加熱比功率的大小和加熱時(shí)間的長短，就可以調(diào)節(jié)滾筒的加熱速度和最終溫度。

2 電磁殺青滾筒加熱過程數(shù)值模擬

2.1 電磁殺青機(jī)基本結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)電熱式滾筒殺青機(jī)的基礎(chǔ)上，電磁殺青機(jī)是將環(huán)繞在筒體表面的電熱管更換為感應(yīng)線圈，按照“高溫殺青，先高后低”的工藝原則，對各段滾筒溫度進(jìn)行單獨(dú)控制，其基本結(jié)構(gòu)由滾筒筒體、加熱線圈、傳動(dòng)裝置、排濕裝置、支撐支架、進(jìn)料、出料裝置等部分組成，電磁殺青機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電磁殺青機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 1—拖輪；2—進(jìn)料口；3—控制臺(tái)；4—滾筒；5—線圈；6—排濕裝置；7—出料口；8—支撐支架；9—傳動(dòng)電機(jī)

滾筒兩端由定位拖輪支撐，工作時(shí)支架底部的電機(jī)通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)拖輪，再由拖輪通過摩擦帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。

2.2 電磁加熱數(shù)值模擬分析流程

本研究的耦合場分析采用載荷傳遞法中的物理環(huán)境法[11]，具體流程如圖3所示。

圖3 電磁加熱過程分析流程

本研究首先進(jìn)行諧波電磁場分析，再進(jìn)行瞬態(tài)溫度場分析，根據(jù)循環(huán)次數(shù)的設(shè)置判斷是否更新磁分析，將新的材料物理場參數(shù)代入下一次分析，如此循環(huán)進(jìn)行磁-熱耦合分析計(jì)算[12]。

數(shù)值模擬以電磁殺青機(jī)滾筒為對象，滾筒材料為Q235鋼，其基本尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 滾筒尺寸參數(shù)

物理參數(shù)如表2所示。

表2 Q235鋼物理參數(shù)

由于集膚效應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中，線圈截面為空心方形管，空心部分通冷卻水，其截面形狀如圖4所示。

圖4 感應(yīng)線圈截面圖

另外由于圓環(huán)效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，線圈中的電流會(huì)高度集中于線圈內(nèi)側(cè)透入深度內(nèi)，線圈的有效截面積就是線圈的寬度與電流透入深度的乘積，因此在構(gòu)建線圈模型時(shí)，本研究只取線圈內(nèi)側(cè)進(jìn)行建模，在其上施加電流密度載荷，可由通入線圈的電流除以有效截面積得到，即假設(shè)電流只在線圈內(nèi)側(cè)透入深度內(nèi)流過，其余部分沒有電流。為了減少計(jì)算時(shí)間，本研究采用單匝線圈代替螺線管線圈進(jìn)行仿真分析，簡化后的模型如圖5所示。

圖5 滾筒電磁加熱仿真模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

本研究在建立完有限元模型后，對滾筒電磁加熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 滾筒電磁加熱數(shù)值模擬結(jié)果

每段線圈加載有效電流密度為1.0×106A/m2，電流頻率為15 kHz，加熱時(shí)間為600 s，截取加熱結(jié)束時(shí)滾筒溫度云圖，如圖6(a)所示，從圖可以看出滾筒表面溫度比較均勻，只在兩段線圈交界處和滾筒兩端存在溫度差，這是由于端部漏磁造成的。取滾筒中心位置外壁上一點(diǎn)(以下簡稱外點(diǎn))和滾筒中心位置內(nèi)壁上一點(diǎn)(以下簡稱內(nèi)點(diǎn))作為測溫點(diǎn)，得到溫度隨時(shí)間的變化曲線。

3 模擬結(jié)果分析

在電磁加熱中，滾筒的加熱效果受很多因素的影響，其中，電流頻率f、電流密度J和線圈與滾筒之間的距離d是3個(gè)比較重要的因素，同時(shí)也是電磁加熱裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)工程估值確定參數(shù)選擇范圍，利用數(shù)值模擬技術(shù)，得到各因素對加熱效果的影響。

3.1 電流頻率對滾筒加熱的影響

取電流密度J為1.5×106A/m2，線圈與滾筒的距離d為20 mm，加熱時(shí)間為300 s，頻率f分別為5 kHz，10 kHz，15 kHz，20 kHz，25 kHz，30 kHz，進(jìn)行數(shù)值模擬。滾筒內(nèi)外點(diǎn)溫度與電流頻率的關(guān)系如圖7所示。

圖7 電流頻率對滾筒溫度的影響

從圖7可以看出，滾筒內(nèi)外壁溫度隨著電流頻率的增大而升高，但頻率到達(dá)一定值后，溫升速度有所減慢，同時(shí)由于電流頻率越大，滾筒的集膚效應(yīng)越明顯，導(dǎo)致滾筒內(nèi)外壁溫差越大，影響茶葉殺青質(zhì)量，所以在滿足溫升要求的前提下，選擇較低的頻率。

3.2 電流密度對滾筒加熱的影響

本研究取電流頻率f為15 kHz，線圈與滾筒的距離d為20 mm，加熱時(shí)間為300 s，電流密度J分別為1.0×106A/m2，1.25×106A/m2，1.5×106A/m2，1.75×106A/m2，2.0×106A/m2，進(jìn)行數(shù)值模擬。滾筒內(nèi)外點(diǎn)溫度與電流密度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 電流密度對滾筒溫度的影響

從圖8可以看出，電流對滾筒的溫度影響很大，電流密度越大，滾筒溫升越快，電流密度與溫度的關(guān)系近似二次函數(shù)關(guān)系，這是因?yàn)轭l率不變的情況，隨著電流密度增大，總電流也增大，加熱功率增大。同時(shí)由于集膚效應(yīng)的存在，滾筒內(nèi)外壁溫差也隨著電流密度的增大而增大。

3.3 線圈與滾筒之間的距離對滾筒加熱的影響

由于線圈與滾筒之間存在間距，不同距離，加熱效果也不同。本研究取電流頻率f為15 kHz，電流密度J為1.5×106A/m2，加熱時(shí)間為300 s，線圈與滾筒的距離d分別為20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，進(jìn)行數(shù)值模擬。滾筒內(nèi)外點(diǎn)溫度與距離的關(guān)系如圖9所示。

圖9 線圈與滾筒之間的距離對滾筒溫度的影響

從圖9可以看出，線圈與滾筒之間的距離越小，滾筒溫升速度越快，這是因?yàn)楫?dāng)線圈離滾筒表面越近時(shí)，穿過滾筒的磁力線越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，滾筒加熱效率越高，所以在保證安全的前提下，盡可能減小線圈與滾筒表面的距離，提高加熱效率。

4 電磁殺青機(jī)電磁參數(shù)確定與試驗(yàn)

4.1 電磁殺青機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的殺青機(jī)預(yù)熱時(shí)間為5 min，溫度設(shè)定值為300 ℃，以滿足溫升速度條件下，滾筒內(nèi)外壁溫差最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)[13]，試驗(yàn)因素及水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素及水平

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和正交性原理進(jìn)行正交試驗(yàn)規(guī)劃，以此進(jìn)行滾筒電磁加熱數(shù)值模擬，獲得數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過對正交試驗(yàn)結(jié)果分析，得到均值和極差，如表5和表6所示。

表5 溫度正交試驗(yàn)分析結(jié)果

表6 溫差正交試驗(yàn)分析結(jié)果

綜合表5和表6可知，當(dāng)電流頻率為5 kHz，電流密度為1.75×106A/m2，線圈與滾筒的距離為30 mm時(shí)，滾筒溫升速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且內(nèi)外壁溫差最小，將這組參數(shù)運(yùn)用到電磁殺青機(jī)的設(shè)計(jì)中。

4.2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬分析結(jié)果的正確性，本研究與相同產(chǎn)能的電熱式滾筒殺青機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，選擇茶鮮葉為福鼎大白茶，嫩度主要為1芽2葉，進(jìn)行殺青試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

兩臺(tái)殺青機(jī)的殺青效果對比如圖10所示。

表7 殺青試驗(yàn)結(jié)果對比

圖10 殺青效果對比

分析試驗(yàn)結(jié)果可得，設(shè)計(jì)的電磁殺青機(jī)基本符合要求，對比傳統(tǒng)滾筒殺青機(jī)，預(yù)熱時(shí)間縮短了13.7 min，預(yù)熱速度提高約74%，單位質(zhì)量殺青能耗減少0.24 kW·h，下降約38%，溫度的控制精度達(dá)到±2 ℃，提高了7.5倍。對比殺青效果可以看出，電磁殺青機(jī)殺青葉失水均勻，而電熱式滾筒殺青機(jī)容易出現(xiàn)茶葉殺不透的情況，殺青質(zhì)量明顯不如電磁殺青機(jī)。

5 結(jié)束語

用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對電磁殺青機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在較大的盲目性。本研究采用數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)踐，開展了對電磁殺青機(jī)的研究。結(jié)果表明：利用數(shù)值模擬分析結(jié)果設(shè)計(jì)的電磁殺青機(jī)符合設(shè)計(jì)要求，可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低設(shè)計(jì)成本。

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