茶葉烘干箱進氣口優(yōu)化及燃燒機正交分析①

杜風嬌

(武夷學院機電工程學院, 福建 武夷山 354300)

0 引 言

茶葉烘干機燃燒機的種類繁多，其中按燃料分類有：燃油式、燃煤式、燃氣式和電熱式等。目前能源條件限制了我國茶葉烘干機燃燒機的供能基本只能以燃煤或燃煤氣為主[1-2]。梁中渝[3]研究可以通過助燃空氣富氧技術，有效的提高茶葉烘干機的燃燒機送風溫度[4-5]，從而達到節(jié)約能源降低消耗目的。熱氣進氣位置對烘干箱的烘干效率有這至關重要的作用，但目前很少學者們對烘干箱熱氣進氣口的位置進行分析。

1 茶葉烘干機原理

茶葉烘干機原理圖如圖1所示。

圖1 茶葉烘干機

茶葉烘干機的原理：燃燒爐裝置產(chǎn)生的熱氣，送入烘干箱烘干茶葉。燃燒爐由燃燒室、換熱室、引煙風機和燃燒室送風風機組成。茶葉輸送裝置由勻葉輪通過輸送帶輸送茶葉至烘干箱。烘干箱流通的熱風對烘干箱各層茶葉進行快速干燥。該課題分析的的茶葉烘干機設備尺寸6258mm×2781mm×2250mm；有效攤?cè)~面積15.6m2；引風機功率2.2kW；烘板組/層數(shù)1×6。

2 改進前茶葉烘干機軟件仿真

仿真步驟[6-7]：采用Icem網(wǎng)格劃分方法對茶葉烘干箱的進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，熱風入風口設置為速度入口，板鏈設置為interwll，共生成6331987個單元，茶葉烘干箱的主要流體為高溫煙氣(密度為0.917kg/m3)，設定入口速度為6m/s，出口為壓力出口，出口與大氣相通，所以出口壓力為一個大氣壓壓力，入口溫度為365K，出口溫度為300K。

2.1 仿真結(jié)果分析

對烘干箱進行流場分析后得到仿真云圖，如圖2烘干箱速度云圖，部分氣流從入口直接流到出口。由于烘干箱出入口的位置和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，出口和入口的對角式布置，造成了“短路流”[8]，即部分氣流直接流到出口，造成出口處的速度較高及其熱量損失。

圖2 改進前速度分布云圖

此外，由圖2可知，部分氣流穿越板鏈上的孔流到出口，而第一層和第二層卻沒有氣流通過，可看出氣流在從入口進入烘干箱后，大部分流向烘干箱的底部，只有部分氣流進入第一層和第二層板鏈。綜上可知，由于氣流在烘干箱內(nèi)的流動狀態(tài)，第一層和第二層板鏈的茶葉烘干效果會差于第三層和第四層板鏈的茶葉。

圖3所示為烘干箱內(nèi)溫度云圖。由圖可知第一層板鏈處的溫度較低，二層、三層和四層的溫度較高，這是由于部分熱量散發(fā)到了烘干箱外部。此界面靠近烘干箱的外壁，所以截面云圖內(nèi)的溫度整體較低，說明烘干箱內(nèi)靠近外壁部分烘干效果較差。

圖3 改進前溫度分布云圖

圖4壓力云圖可知，靠近烘干箱入口處的壓力較高，出口處壓力較低，這是由于隨著入口到出口處由于烘干箱內(nèi)部的阻力作用，壓力逐漸降低。

圖4 改進前壓力分布云圖

由圖2至4可知，改進前烘干箱內(nèi)熱氣流的速度及溫度分布不均勻，對茶葉的烘干效果較差。

3 改進方案

根據(jù)短路流和氣流分布不均勻[9]等問題，將進氣口更改為烘干箱的正下方，排氣口改到烘干箱的上方，其尺寸為1000mm×1000mm×100mm，熱氣從此側(cè)面進入烘干箱如圖5所示：

圖5 改進后模型圖

針對改進后方案利用Fluent對其進行仿真[10-12]，選擇基于壓力場的穩(wěn)態(tài)分析，采用SIMPLER算法，設定入口速度，出口為壓力出口，出口壓力為一個大氣壓力，壁面設置為wall，收斂穩(wěn)定后查看烘干箱內(nèi)流場。

4 改進后仿真結(jié)果分析

由圖6烘干箱速度云圖可知，入口改進到烘干箱的下方后，氣流在烘干箱內(nèi)部的流動較改進前更均勻，氣流通過底部的入口直接進入烘干箱，煙氣流在每層板鏈都有流動，但仍存在“短路流”，即氣流由入口直接流到出口。氣流從入口處穿過板鏈進入烘干箱，板鏈每一層都有煙氣的流動，同時烘干箱的兩側(cè)仍有部分“短路流”存在。氣流以較快的速度從入口處穿越板鏈上的孔，說明改進后的結(jié)構(gòu)氣流穿越烘干箱更加容易，減小了氣流穿越烘干箱的阻力，煙氣流經(jīng)過每一層板鏈，煙氣流在烘干箱的流動更加均勻。改進后的氣流在烘干箱內(nèi)的速度波動較小，即最大速度與最小速度之間的差值較小，煙氣流在烘干箱內(nèi)部的流動更加均勻，出口偏置的原因，少量氣流仍有短路流存在。

圖6 改進后速度云圖

圖7 改進后溫度云圖

由圖7烘干箱溫度云圖可知，改進后溫度在底層的分布較為均勻，尤其是靠近入口處的兩層板鏈，溫度較高，且高溫氣體能從上部的斜坡位置進入第一層和第二層板鏈，由于出口處的“短路流”的存在，出口處附近的板鏈溫度較低。

由圖8為烘干箱壓力云圖可知，整個云圖壓力分布十分均勻，入口壓力較高。可知高溫煙氣在烘干箱內(nèi)分布較為均勻，短路流部分的壓力較高，這是由于短路流會使煙氣部分穿越板鏈，而板鏈內(nèi)部由于板鏈的阻礙作用氣流壓力下降較大。

圖8 改進后壓力云圖

5 燃燒機仿真分析

由于燃燒機為烘干箱熱氣的提供裝置，有必要對燃燒機進行分析，燃燒機模型如圖9所示，利用Fluent軟件對燃燒機進行仿真。

圖9 燃燒機模型圖

5.1 正交實驗分析

正交實驗的影響因素有燃燒機冷風速度、熱風速度、入口溫度，分別對三個因素列舉三個數(shù)值進行正交設計如表1所示。

表1 正交試驗因素

利用Fluent軟件分別對正交優(yōu)化參數(shù)進行仿真對比分析可得，正交優(yōu)化最優(yōu)結(jié)果為：冷風速度3m/s、熱風速度3m/s、入口溫度450K。Fluent軟件對正交優(yōu)化的最優(yōu)參數(shù)仿真得出燃燒機內(nèi)腔溫度云圖如圖10所示，橫截面溫度云圖如圖11所示，速度云圖如圖12所示。

圖10 燃燒機內(nèi)腔表面的溫度云圖

由圖10為燃燒機內(nèi)腔表面的溫度云圖可知，燃燒爐的溫度較高接近400K，而到了管殼式換熱器部分，溫度逐漸減低，在換熱器與冷風最先接觸的管殼部分溫度較低，在遠離冷風流動方向的管殼溫度較高，這是由于冷風在接觸管殼式換熱器后開始熱交換，隨著熱交換的進行，冷空氣溫度逐漸升高，熱交換的速度也就逐漸減慢，導致管殼式換熱器右半部分的表面溫度較高。

圖11 截面的溫度云圖

由圖11溫度云圖可知，燃燒爐的溫度較高，大部分區(qū)域維持在400K，同時管殼式換熱器部分管內(nèi)溫度較高，管壁溫度較低，管殼式換熱器周圍的氣體溫度較高。在遠離冷風進口處，熱風的出口處，管殼式換熱器的內(nèi)部溫度較高。

圖12 速度云圖

由圖12速度云圖可知，由于冷風和煙氣的速度比較小，導致速度云圖并不是很明顯，結(jié)合溫度云圖，可知由于流體的速度較慢，所以煙氣攜帶的熱量較少，整個熱交換過程比較慢。

6 結(jié) 語

對茶葉烘干機的進氣口位置進行改進，將熱氣進氣口改成下表面；利用Fluent軟件對改進后烘干箱的熱流場進行仿真分析，得出烘干箱的空氣溫度云圖、速度云圖；對燃燒機的冷氣進氣速度、熱氣進氣速度、入口溫度三個參數(shù)進行正交優(yōu)化，分別利用Fluent軟件對正交優(yōu)化參數(shù)進行仿真，得出正交優(yōu)化最優(yōu)結(jié)果為：冷風速度3m/s、熱風速度3m/s、入口溫度450K。