基于CFD的煙熏爐風室結(jié)構(gòu)改進

吳恩光， 劉 紅， 高俊濤*， 胡文豪

(1.浙江瑞邦智能裝備股份有限公司， 浙江 嘉興 314006；2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310014)

社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展提高了人們生活水平，煙熏食品也愈發(fā)受到人們的青睞。煙熏爐是加工煙熏食品的重要設備，其性能的好壞對煙熏食品的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。煙熏爐是通過煙熏氣體實現(xiàn)對煙熏食品的加工，在加工煙熏食品時，加熱倉內(nèi)煙熏氣體的流場分布將直接決定煙熏食品的品質(zhì)。煙熏爐送風系統(tǒng)、加熱倉的設計和加熱倉氣流調(diào)節(jié)技術(shù)等都是影響加熱倉流場分布的重要因素；其中，煙熏爐送風系統(tǒng)是影響加熱倉內(nèi)部流場分布的關(guān)鍵。

垂直氣流煙熏爐的風室流道比較簡單，加熱倉內(nèi)部流場紊亂，容易導致煙熏食品成色不均勻、品質(zhì)低下等問題。智能集熱型煙熏爐采用雙風機風室結(jié)構(gòu)，2個風室對稱分布在煙熏爐箱體的2側(cè)，依次布置有若干個出風管；2臺離心風機協(xié)同工作，在一定程度上改善了煙熏食品的品質(zhì)。

陳嘉宏等[1]提出了一種可以調(diào)節(jié)進風口風量的結(jié)構(gòu)，用于改善加熱倉內(nèi)部的流場分布狀況，提高煙熏食品的加工效率。張玲玲等[2]基于CFD技術(shù)對煙熏爐加熱倉的結(jié)構(gòu)進行改進，從而改善加熱倉內(nèi)部流場分布，提高煙熏效果。李偉國[3]引入了風量調(diào)節(jié)機構(gòu)后使用動壓方差和皮爾森相關(guān)系數(shù)作為流場改善效果和動邊界模型仿真效果的指標，并實驗驗證了風量調(diào)節(jié)機構(gòu)對加熱倉氣流場的改善效果。施明等[4]采用二維簡化建模分析方法,提出了在加熱倉進風口增加導流板結(jié)構(gòu)的方案，有助于改善加熱倉內(nèi)部流場分布不均勻和食品加工效率低的問題。陳斐奇[5]不僅對加熱倉進行了結(jié)構(gòu)改進，還提出新的食品擺放思路，進一步改善其流場分布,提高食品加工質(zhì)量與效率。Mikhail Zaydman[6]提出了一種同時具有固定食品和發(fā)煙加熱功能的可旋轉(zhuǎn)食物支架，不僅提高了煙熏食品的熏制效率，還提高了熏制的充分程度。Han DaeHee[7]將紅外線加熱應用于傳統(tǒng)的煙熏熏制工藝，彌補了單一加熱方式的不足。

1 煙熏爐的基本結(jié)構(gòu)

煙熏爐由爐體系統(tǒng)、發(fā)煙系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、交換系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、物載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成[8]。其中爐體系統(tǒng)是煙熏爐的核心，其他系統(tǒng)都是在爐體系統(tǒng)之上建立起來的，所有系統(tǒng)協(xié)同工作在煙熏爐內(nèi)形成的物理場稱作煙熏室。煙熏室是煙熏爐的核心，主要包括加熱倉和風室，加熱倉是煙熏爐加工食品的場所，風室是煙熏氣體在送風系統(tǒng)中流經(jīng)的主要場所，加熱倉內(nèi)部的流場分布狀況將直接關(guān)系到煙熏食品的品質(zhì)。

發(fā)煙系統(tǒng)主要是對木屑、樹枝等通過不完全燃燒產(chǎn)生煙氣[9]，21世紀以來，煙熏液作為一種更加健康的食品添加劑已得到廣泛應用[10-11]。

送風系統(tǒng)[12-14]較為復雜，除了能夠使發(fā)煙系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣進入煙熏爐，還能夠讓煙熏室內(nèi)的氣流循環(huán)往復工作，使得食品熏制達到更好的效果。送風系統(tǒng)主要是由風機、風室和調(diào)節(jié)裝置組成，加熱倉內(nèi)部的流場分布很大一部分取決于送風系統(tǒng)，送風系統(tǒng)利用風機使得煙熏氣體在加熱倉和風室內(nèi)循環(huán)往復流動以熏制食品。此外，煙熏爐內(nèi)外氣壓的平衡、煙熏氣體的熱交換、工作模式的轉(zhuǎn)換都與送風系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。

風機可以調(diào)節(jié)煙熏氣體的整體流動情況，風室是煙熏氣體在送風系統(tǒng)中的主要流經(jīng)場所，其結(jié)構(gòu)形狀都會對煙熏氣體的流場產(chǎn)生影響，調(diào)節(jié)裝置可以改善煙熏氣體的流場分布，例如，均風板可以讓煙熏氣體相對均勻地從每一個出風管吹出。

交換系統(tǒng)主要是通過盤管和盤管內(nèi)的高溫蒸氣與煙熏氣體進行熱交換；清潔系統(tǒng)是用來對煙熏爐進行清洗；物載系統(tǒng)是用于煙熏食品的裝載和放置；控制系統(tǒng)是控制煙熏爐的啟動和關(guān)閉以及煙熏爐各個工作模式之間的轉(zhuǎn)換[15]。

2 送風系統(tǒng)

2.1 送風系統(tǒng)風室原始結(jié)構(gòu)

針對某款智能集熱型煙熏爐同一車煙熏食品出現(xiàn)部分食品品質(zhì)較低或者成色不均勻的問題，首先對該2門5車煙熏爐整體模型進行簡化，提取其單側(cè)風室結(jié)構(gòu)，使用FLUENT軟件進行流場仿真。

智能集熱型煙熏爐采用雙通道送風系統(tǒng)，2個風室分別設置在爐體頂部的2側(cè)，每個風室的出口依次設置有34個同樣的出風管，煙熏氣體從出風管流出進入加熱倉熏制食品。2門5車智能集熱型煙熏爐的簡化模型如圖1所示。

圖1 2門5車智能集熱型煙熏爐的簡化模型Figure 1 Simplified model of 2-door 5-car intelligent heat collecting smoked oven

由于2側(cè)風室對稱分布，因此利用對稱性進行建模。此外，為提高計算結(jié)果的準確性，在出口處增加拓展域部分，建立了2門5車智能集熱型煙熏爐單側(cè)風室仿真模型，使用四面體網(wǎng)格進行自由網(wǎng)格劃分，并對均風板周圍和出風管進行局部網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 2門5車智能集熱型煙熏爐風室仿真模型網(wǎng)格劃分Figure 2 Mesh model of wind chamber for 2-door 5-car intelligent heat collecting smoked oven

2.2 送風系統(tǒng)風室原始結(jié)構(gòu)仿真分析

采用FLUENT軟件進行仿真，其邊界條件的設置如表1所示。

石榴采摘后能有多種用途。個頭大，汁多味甜的石榴用于出售給消費者食用。外觀不好，但是酸甜可口的石榴被送到工廠進行產(chǎn)品加工，制成石榴汁進行售賣。而味道酸澀的石榴將被用作制作石榴酒，石榴醋等產(chǎn)品。而剩余的石榴皮可以曬干后進行賣入中藥店用作藥材。而剩下的石榴籽可以加工精油進行出售，或者賣入化妝品生產(chǎn)公司進行深加工。而老了的果樹進行加工后，可以制作成為觀賞價值較高的盆景。由于石榴的多種用途，給石榴種植產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了有利的條件。

表1 煙熏爐風室計算邊界條件設置

仿真計算時假設煙熏氣體為不可壓縮理想氣體，使用壓力求解器進行穩(wěn)態(tài)求解，選取Standard標準湍流模型和Simple算法，耗散率設置為2級迎風格式，k和Epsilon方程、連續(xù)性方程和動量方程的最小收斂誤差準則均設置為10-3。

將送風系統(tǒng)風室的出風管進行編號，沿小車入口方向至小車出口方向依次編號為1～34號，經(jīng)過34個出風管口圓心的截面速度云圖如圖3所示。

圖3 出風管中心截面速度云圖Figure 3 Sectional velocity cloud chart of centers of wind outlet pipes

煙熏氣體從風室入口進入，一部分氣體穿過均風板上的圓孔流入附近的出風管，另一部分氣體撞擊到均風板上后被反彈，流到兩側(cè)風室的更遠處，然后從各個出風管流入加熱倉。由圖2可以直觀地看出，2側(cè)的16個出風管比中間的18個出風管速度大，即1～8號管和27～34號管出口速度要明顯大于9～26號管，最大風速出現(xiàn)在第27號出風管，速度為43.73 m/s，最小風速出現(xiàn)在第13號出風管，速度為33.45 m/s，二者差值為10.28 m/s，出現(xiàn)了顯著的速度分布不均勻的現(xiàn)象，容易造成加熱倉內(nèi)部流場紊亂，導致煙熏食品品質(zhì)低下和成色不均勻。

2.3 送風系統(tǒng)風室原始結(jié)構(gòu)實驗

為驗證所建立的煙熏爐送風系統(tǒng)風室仿真模型的正確性和合理性，課題組進行了試驗。采用風速儀對2門5車智能集熱煙熏爐送風系統(tǒng)風室的各個出風管風速進行測量，并與仿真結(jié)果比較。實驗步驟如下：

1) 在空載狀態(tài)下正常啟動智能集熱型煙熏爐；

2) 啟動送風系統(tǒng)的2個風機，等待一段時間后觀察控制面板上的電壓和電流值，直到2個數(shù)值都趨于穩(wěn)定；

3) 將風速儀的感應區(qū)依次對準各個出風管出口，垂直對準風口，保持靜止直到讀數(shù)穩(wěn)定之后，記錄下讀數(shù)；

4) 不改變煙熏爐工作狀態(tài)，重復測量3次，并記錄數(shù)據(jù)；

5) 先后關(guān)閉送風系統(tǒng)的2個風機和煙熏爐總閘，再關(guān)閉風速儀，整理實驗器材。

將3組實驗數(shù)據(jù)取平均值后作為各個出風管風速的實驗數(shù)值，并與仿真計算得到的各個出風管風速大小的平均值在同一坐標下繪制2條折線，如圖4所示。

圖4 仿真與實驗出口速度比較Figure 4 Comparison of outlet velocities between simulation and experiment

由圖4可知，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)所繪制成的折線圖走勢基本一致，最高風速都出現(xiàn)在第27號管，仿真數(shù)值為43.73 m/s，實驗數(shù)值為40.64 m/s，差值為3.09 m/s，誤差為7.07%，再取其他點位進行比較，誤差均在10%以內(nèi)，說明課題組所建立的仿真模型是合理可靠的。

3 送風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進

有研究表明，隨著煙熏爐的增大，煙熏爐送風系統(tǒng)風室出口速度差值也變得越來越大，表2所示為不同規(guī)格的煙熏爐出風管速度的分析數(shù)據(jù)。

表2 出風管速度分析表

由表2可知，1門1車、1門2車和1門3車的速度分布相對均勻，2門4車和2門5車的最大速度差達10.28 m/s，容易導致加熱倉內(nèi)部流場紊亂，不利于煙熏食品的熏制。

3.1 送風系統(tǒng)風室變徑結(jié)構(gòu)仿真分析

課題組以2門5車智能集熱型煙熏爐送風系統(tǒng)的風室為原始模型，提出了圖5所示的變徑結(jié)構(gòu)模型。去掉了原始結(jié)構(gòu)中的均風板，依據(jù)風室高度變高氣流速度變緩的原理，對風室原始結(jié)構(gòu)的高度以及頂板和底板之間的角度重新進行了設計。

圖5 2門5車煙熏爐風室變徑結(jié)構(gòu)模型Figure 5 Variable diameter structure model for wind chamber of 2-door 5-car smoked oven

同樣采用對稱仿真模型對變徑結(jié)構(gòu)進行仿真計算，得到了圖6所示的風室速度矢量圖。分析后發(fā)現(xiàn)，2門5車煙熏爐送風系統(tǒng)風室變徑結(jié)構(gòu)出風管最大平均速度出現(xiàn)在第17號管，風速為40.03 m/s，最小平均速度出現(xiàn)在第26號管，風速為37.92 m/s，二者差值為2.11 m/s，相較于原始結(jié)構(gòu)減小了79.47%。

圖6 2門5車煙熏爐風室變徑結(jié)構(gòu)速度矢量圖Figure 6 Velocity vector chart for variable diameter structure wind chamber of 2-door 5-car smoked oven

3.2 送風系統(tǒng)風室多管連接結(jié)構(gòu)仿真分析

煙熏爐送風系統(tǒng)風室多管連接結(jié)構(gòu)的簡單模型和剖視圖如圖7和8所示。多管連接結(jié)構(gòu)一頭連接風室進風口，另一頭連接若干個出風管。

圖7 煙熏爐風室多管連接結(jié)構(gòu)簡單模型Figure 7 Simplified model of multi-pipe connection structure for wind chamber of smoked oven

圖8 煙熏爐風室多管連接結(jié)構(gòu)剖視圖Figure 8 Cross section of multi-pipe connection structure for wind chamber of smoked oven

采用和原始結(jié)構(gòu)一樣的仿真模型對多管連接結(jié)構(gòu)進行仿真計算，得到如圖9所示的多管連接結(jié)構(gòu)簡單模型的速度云圖。分析后發(fā)現(xiàn)，每個出風管平均速度大小基本相同，并且每個出風管的速度分布也很相似。最大平均速度出現(xiàn)在第5號管，速度大小為31.99 m/s，最小平均速度出現(xiàn)在第4號管，速度大小為31.42 m/s，二者差值為0.57 m/s。

圖9 煙熏爐風室多管連接結(jié)構(gòu)簡單模型速度云圖Figure 9 Velocity cloud chart for multi-pipe connection structure wind chamber of smoked oven

3.3 煙熏爐送風系統(tǒng)風室結(jié)構(gòu)比較

改進后的變徑結(jié)構(gòu)和多管連接結(jié)構(gòu)都有效改善了原始結(jié)構(gòu)出風管出口速度不均勻的問題，其中變徑結(jié)構(gòu)將出風管平均速度的最大差值降低至2.11 m/s，多管連接結(jié)構(gòu)將出風管平均速度最大差值降低至0.57 m/s。從理論角度考慮，多管連接結(jié)構(gòu)對于改善煙熏室送風系統(tǒng)風室出風管風速分布不均勻的問題效果更好；從工程應用角度考慮，多管連接結(jié)構(gòu)的制造成本更高且加工難度更大，經(jīng)濟效益沒有變徑結(jié)構(gòu)好。綜上所述，應該針對實際情況選擇合適的改進方案，當變徑結(jié)構(gòu)能夠滿足生產(chǎn)要求時，可以選擇變徑結(jié)構(gòu)追求更好的經(jīng)濟效益；當對食品的品質(zhì)有更高的要求時，應當選擇多管連接結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

課題組針對目前煙熏爐加熱倉存在氣流場紊亂的現(xiàn)象，通過仿真計算和實驗驗證的方法對2門5車智能集熱型煙熏爐送風系統(tǒng)風室的原始結(jié)構(gòu)進行了分析，并驗證了仿真模型的準確性和合理性；在此基礎上，提出了變徑結(jié)構(gòu)和多管連接結(jié)構(gòu)2種改進方案。經(jīng)過仿真計算表明：這2種方案都有效改善了出風管出口速度不均勻的問題，能夠減小加熱倉氣流場的紊亂程度，提高煙熏食品的品質(zhì)。