三七烤房兩向循環(huán)仿真研究

牛天寶 朱云 王瓊 董國輝 趙新宇 陳飛揚(yáng) 國騰飛

摘要：為改進(jìn)和優(yōu)化三七密集烤房結(jié)構(gòu)，提高烘烤質(zhì)量，通過使用CFD方法分別對(duì)2種不同氣流工作方式的烤房進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)烤房烘干室內(nèi)溫度場和氣流速度場進(jìn)行分析，提出不同氣流工作方式對(duì)三七烘烤質(zhì)量影響的假設(shè)，并根據(jù)速度云圖和溫度云圖，提出了氣流兩向式烤房建設(shè)的方案，以及烘烤工藝改進(jìn)意見，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的氣流兩向式烤房，其烘干室內(nèi)部溫度分布均勻度得到了提高，烘干后三七含水率較為均衡。新型三七烤房氣流兩向循環(huán)使用效果優(yōu)于舊式烤房，能夠解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題，促進(jìn)三七的工業(yè)化加工的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：三七烤房;兩向循環(huán);流體仿真;溫度;熱風(fēng)干燥

中圖分類號(hào)：S226.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）12-0185-05

收稿日期：2020-10-17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31860075）。

作者簡介：牛天寶（1995—），男，河北衡水人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化與裝備工程研究。E-mail：1454334769@qq.com。

通信作者：朱 云，碩士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與車輛工程研究。E-mail：1285050436@qq.com。

三七是我國傳統(tǒng)名貴中藥材，具有活血化瘀、消腫定痛的藥用功效，是云南白藥等多種藥品的主要成分[1]，對(duì)多種疾病都具有良好的療效。干燥是三七藥材加工中的重要環(huán)節(jié)，干燥處理后的三七，藥性可以得到保持，而且可以延長保存時(shí)間，不易腐敗變質(zhì)[2]。目前，中藥材的干燥加工方式主要還是傳統(tǒng)自然晾曬和烘房干燥[3]。在中藥材干燥方面的研究，主要集中在西洋參、何首烏、人參等藥材，對(duì)于三七干燥的研究較少。

密集烤房采取熱風(fēng)干燥，具有易于控制、省工省力省時(shí)、裝料大、烘烤質(zhì)量高、節(jié)約能源等特點(diǎn)[4-5]。目前，密集烤房在國內(nèi)外得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[6-9]，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化烘烤提供了基礎(chǔ)，已經(jīng)成為我國烘烤設(shè)備的發(fā)展方向?，F(xiàn)存的密集烤房設(shè)備，在各個(gè)方面的研究已經(jīng)取得了顯著的效果，提高了烘烤質(zhì)量和烘烤效率。但是針對(duì)三七密集烤房和三七烘烤工藝方面的研究較少，很多問題尚未解決。

為了提高三七烘烤質(zhì)量和效率，眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)密集烤房進(jìn)行了研究，區(qū)煥財(cái)?shù)韧ㄟ^試驗(yàn)證明，影響三七干燥的因素依次排序?yàn)闇囟?、風(fēng)速、鋪料密度[10]等。傳統(tǒng)的氣流上升和下降的工作方式，在烘烤質(zhì)量和烘烤效率方面取得了一定的成果。但氣流的單向運(yùn)動(dòng)方式，使烘干室內(nèi)溫濕度分布不均衡，使得三七容易烤壞。優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)，避免不利因素影響烘烤質(zhì)量，是三七密集烤房設(shè)備的重要發(fā)展方向之一。

在分析氣流速度場中，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法使用的越來越廣泛，可以直觀地模擬出烘干室內(nèi)的溫度場和速度場。CFD方法在溫度場計(jì)算模擬方面具有優(yōu)勢(shì)，僅須要測(cè)量進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速、溫度和出風(fēng)口的風(fēng)速等較少信息就可以計(jì)算模擬出室內(nèi)的溫度分布規(guī)律[11]。陳重遠(yuǎn)等使用CFD方法對(duì)妊娠豬舍進(jìn)行了溫度場模擬，結(jié)果表明仿真溫度和實(shí)測(cè)溫度基本一致，模擬溫度場和實(shí)際溫度場吻合度較高[12]。白志鵬提出了一種密集烤房新結(jié)構(gòu)，并結(jié)合CFD方法模擬仿真，分析其烤房溫濕度[13]。

本研究擬采用CFD方法對(duì)氣流上升式和氣流下降式三七密集烤房進(jìn)行仿真模擬，得出其溫度場和流速的分布規(guī)律，以期能夠在兩向循環(huán)烤房的設(shè)計(jì)中，節(jié)省人工工作量，降低設(shè)備成本及維護(hù)成本。根據(jù)仿真結(jié)果，為氣流兩向循環(huán)烤房的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料與方法

試驗(yàn)選擇在2019年11月進(jìn)行，是三七收獲并進(jìn)行干燥的時(shí)間。本次三七干燥試驗(yàn)，以及自然干燥試驗(yàn)在云南省瀘西縣大直邑村（24°51′N，103°53′E）進(jìn)行，海拔在2 000 m左右，11月瀘西縣天氣干燥少雨，溫度在15～25 ℃之間，以晴天和多云天氣為主，比較適宜三七的自然晾曬，夜間及上午空氣濕度比較大。

試驗(yàn)材料選自瀘西縣同一種植地點(diǎn)的三年生三七，對(duì)三七進(jìn)行簡單處理后，分別將新鮮采摘的三七簡單處理后直接放入三七烤房中和大棚中進(jìn)行自然晾曬，以避免其他因素的影響。

根據(jù)三七干燥數(shù)學(xué)模型，結(jié)合烘烤經(jīng)驗(yàn)制定三七烘烤工藝（表1）。為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性和新型烤房的實(shí)際效果，使用TZS-Ⅰ型水分測(cè)量儀和電子秤等工具，通過測(cè)量烘干后三七的測(cè)量含水率、壞品率等數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證氣流兩向循環(huán)烤房的效果，同時(shí)測(cè)量自然晾曬后三七含水率作為對(duì)照組。

2 三七密集烤房結(jié)構(gòu)及工作原理

三七密集烤房的主要結(jié)構(gòu)包括加熱室和烘干室，工作時(shí)循環(huán)風(fēng)機(jī)將加熱室內(nèi)產(chǎn)生的熱風(fēng)輸送到烘干室各個(gè)角落，其結(jié)構(gòu)見圖1。目前，密集烤房的氣流運(yùn)行方式主要是氣流上升式和氣流下降式，是根據(jù)烘干室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)方向區(qū)分的，如圖1-a所示，為氣流上升式烤房工作原理圖，在烘干室內(nèi)氣流主要向上運(yùn)動(dòng);如圖1-b所示，為氣流下降式烤房工作原理圖，在烘干室內(nèi)氣流主要向下運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)目前標(biāo)準(zhǔn)密集烤房的規(guī)格以及三七干燥特性要求，本研究中加熱室的結(jié)構(gòu)參數(shù)取長1.2 m×寬1.0 m×高2.6 m，烘干室的結(jié)構(gòu)參數(shù)取長 4.6 m×寬2.8 m×高2.6 m。

氣流完成1次循環(huán)過程是加熱室內(nèi)的熱空氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的帶動(dòng)下，由熱風(fēng)口進(jìn)入烘干室，充分與三七接觸后，通過回風(fēng)口再回到加熱室。當(dāng)工作方式為氣流上升式時(shí)，熱空氣由熱風(fēng)口進(jìn)入（圖1-a），在烘干室內(nèi)烘烤三七，再由回風(fēng)口進(jìn)入加熱室。當(dāng)工作方式為氣流下降式時(shí)（圖1-b），熱空氣由熱風(fēng)口進(jìn)入，在烘干室內(nèi)加熱三七，再由回風(fēng)口進(jìn)入加熱室。當(dāng)烘干室內(nèi)濕度過高時(shí)，不再構(gòu)成封閉的循環(huán)，此時(shí)上進(jìn)風(fēng)口（或下進(jìn)風(fēng)口）打開，上排濕門（或下排濕門）打開，將濕氣排出到合理的范圍。

氣流兩向式烤房的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的三七烤房結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別是在氣流轉(zhuǎn)向時(shí)，進(jìn)風(fēng)口作為回風(fēng)口使用，回風(fēng)口作為進(jìn)風(fēng)口使用。在工作原理方面，傳統(tǒng)的氣流上升和下降的工作方式，在整個(gè)烘烤過程中，氣流只是向上（或者向下）單向循環(huán)，不會(huì)發(fā)生方向的改變。氣流兩向循環(huán)烤房，在工作過程中根據(jù)烘烤階段的需要，間隔一定的時(shí)間，循環(huán)風(fēng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)烘干室內(nèi)的氣流變向，烘烤過程中既有氣流上升也有氣流下降。

3 干燥過程數(shù)學(xué)模型和仿真模擬

3.1 干燥過程數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是現(xiàn)代干燥技術(shù)中非常重要的研究內(nèi)容和工具，通過數(shù)學(xué)模型，可得出不同干燥方法下物料某一時(shí)刻的含水率，進(jìn)而調(diào)控其干燥過程，為干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)或優(yōu)化提供理論依據(jù)。

對(duì)于絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)物料，描述其干燥過程的數(shù)學(xué)模型有很多，主要可分為理論模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图敖?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14]，其中，應(yīng)用最廣泛的主要有Lewis模型、Page模型、Henderson-Pabis模型以及Wang-Singh模型等，各模型的表達(dá)形式分別為

Lewis模型：MR=exp（-kt）;

Page模型：MR=exp（-ktN）;

Henderson-Pabis模型：MR=aexp（-ktN）;

Wang-Singh模型：MR=1+at+bt2。

式中：MR表示水分比;t為時(shí)間;k、a、b、N為參數(shù)。

郭徽通過試驗(yàn)，得出了更適應(yīng)三七干燥特性的數(shù)學(xué)模型，為三七的干燥工藝和對(duì)干燥過程的控制提供了理論依據(jù)[15]。其表達(dá)式為

MR=exp[-0.003 7exp（0.062 3T）t1.533 6exp（-0.015 6T）]。

式中：MR表示水分比;t為時(shí)間;T為環(huán)境溫度。

3.2 仿真模擬

3.2.1 控制方程

流經(jīng)烘干室的氣體與熱量滿足質(zhì)量、動(dòng)量與能量三大守恒定律。速度較小的氣體可視為不可壓縮氣體，不可壓縮氣體在流動(dòng)過程中滿足以下方程：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及通用形式的控制方程。

其中，質(zhì)量守恒方程：

ρt+（ρu）x+（ρυ）y+（ρω）z=0。

式中：u、υ和ω是速度矢量在x、y和z方向的分量，m/s;ρ為烤房內(nèi)流體密度，kg/m3;t為時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程：

ρut+uux+υu(píng)y+ωuz=fx-px+μ2ux2+2uy2+2uz2;

ρυt+uυx+υυy+ωυz=fy-py+μ2υx2+2υy2+2υz2;

ρωt+uωx+υωy+ωωz=fz-pz+μ2ωx2+2ωy2+2ωz2;

式中：f是單位體積流體受的力，若不考慮重力，則 f=ρg;μ是常數(shù)，是動(dòng)力黏度。

能量守恒方程：

λ2Tx2+λ2Ty2+λ2Tz2=CpρTt+（uT）x+（υT）y+（ωT）z。

式中：Cp表示比熱容，J/（kg·K）;T表示環(huán)境溫度，K;λ表示導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

3.2.2 簡化模型

烘干室是氣流和熱量的工作場所，為方便計(jì)算和模擬分析，且防止仿真結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，烤房烘干室簡化為一個(gè)長4.6 m×寬 2.8 m×高2.6 m的長方體，將墻體近似看作為絕熱光滑的壁面。

3.2.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)白志鵬的研究[13]，及烤房大小，當(dāng)網(wǎng)格大小為50 mm，既能滿足計(jì)算精度，也不會(huì)為計(jì)算量增加負(fù)擔(dān)?？痉磕Ｐ褪褂盟拿骟w非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格進(jìn)行光滑后，劃分效果見圖2。

3.2.4 邊界條件設(shè)置

入口處的速度由風(fēng)速儀測(cè)得，平均風(fēng)速約為3.4 m/s。在三七密集烤房模型中，排風(fēng)口被設(shè)置為壓力出口邊界，設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓邊界條件，除了速度進(jìn)口邊界和壓力出口邊界外，新型密集烤房模型所有邊界都設(shè)置為壁面邊界，該壁面邊界是隔熱的，不會(huì)與外界產(chǎn)生能量交換。具體參數(shù)見表2。

3.2.5 模擬結(jié)果

根據(jù)烤房進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口結(jié)構(gòu)，選取了烘干室的側(cè)面，可以更加直觀方便地表現(xiàn)烤房烘干室內(nèi)的溫濕度分布情況，體現(xiàn)了不同位置的溫度和速度分布情況。根據(jù)三七烘烤的工藝要求，選取55 ℃的初始?xì)饬鳒囟?。最后仿真模擬結(jié)果的溫度云圖和速度云圖（圖3和圖4），分別為氣流上升式速度云圖、氣流上升式溫度云圖、氣流下降式速度云圖、氣流下降式溫度云圖。

根據(jù)仿真模擬結(jié)果，得知烤房內(nèi)溫度和速度分布的基本規(guī)律。烘干室內(nèi)的速度，在整個(gè)“U”形路徑上速度較高，并且逐漸降低，在入口處平均速度為3.4 m/s，烘干室上部平均速度為 2.1 m/s;在中間區(qū)域速度呈現(xiàn)的比較平緩，氣流平均速度為 0.8 m/s;此外，在圖中右上角和右下角“死角”處，速度極小。

烤房溫度云圖見圖4，烘干室內(nèi)的溫度分布特點(diǎn)是在進(jìn)風(fēng)口及其通路沿線上溫度較高，平均溫度為55 ℃;在圖中右側(cè)上下角落出現(xiàn)“死角”，溫度較低;其他位置，距離出口越近溫度逐漸降低，在烘干室中部和上部平均溫度為52 ℃。

由烤房內(nèi)溫度和速度分布特點(diǎn)可以得知，在烤房中央位置，溫濕度分布比較平緩，溫濕度起伏不大，是三七最適宜烘干的區(qū)域;在入口位置溫度較高，容易使三七內(nèi)有效物質(zhì)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)烤壞的現(xiàn)象;在出口的位置，氣流速度和溫度較低，容易出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)，影響烘烤效果;在烘干室門口位置，與入口通道相似，溫度較高;在烘干室門口上下角落，水蒸汽容易積累，或者溫度過低影響烘烤效率;烘干室靠近加熱室的位置，排風(fēng)不暢，烘烤效率較低。

4 結(jié)果與分析

在氣流兩向循環(huán)烤房中，使用CFD方法難以模擬出烤房內(nèi)溫度場均衡的狀態(tài)，所以對(duì)于氣流兩向式烤房，本研究選用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證其效果。

將烤房烘干后的三七壞品挑出，通過測(cè)量可知壞品率低于0.01%，由于氣流兩向烤房中烘干后，壞品率基本為0，壞品基本源自意外掉落等原因。

在烤房烘干室中和自然晾曬大棚中分別在不同位置選擇11份樣本，測(cè)量干三七的含水率，從表3可以看出，三七烘干后平均含水率是10.6%，最高含水率是11.4%，最低含水率為9.9%，方差為0.184，各個(gè)樣本之間的差距不大。

將烤房干燥后三七含水率與自然干燥后三七含水率和三七干燥要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從圖5可以看出，根據(jù)三七干燥要求，含水率在13%以下不易于霉變[16]，自然晾曬干燥和烤房干燥后的含水率都符合三七干燥標(biāo)準(zhǔn)要求，且相差不大。

5 結(jié)論

本研究對(duì)氣流上升式烤房和氣流下降式烤房進(jìn)行了結(jié)構(gòu)說明及原理分析，并對(duì)其采用CFD模擬仿真的方法進(jìn)行分析。根據(jù)模擬的結(jié)果，提出了氣流兩向循環(huán)烤房的改進(jìn)意見，并進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。

通過仿真模擬減少測(cè)量，降低了研制成本。根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論，在這2種工作方式的烤房中，在烤房中間位置溫濕度分布較均勻，在入口位置溫度較高而濕度較低，在距離出口位置溫度較低而濕度較高。此外，根據(jù)溫濕度分布規(guī)律，得出了適宜烘烤的主要區(qū)域，為今后三七烘干工藝的提高優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

根據(jù)模擬的結(jié)果，將改進(jìn)意見應(yīng)用到了氣流兩向循環(huán)烤房中，再通過烤房烘干試驗(yàn)驗(yàn)證，新型烤房烘烤結(jié)果壞品率低于0.01%，平均含水率為10.6%，低于三七干燥要求，并得出以下結(jié)論：該新型烤房內(nèi)溫濕度更加均衡，濕氣能及時(shí)充分排出，證明該新型三七烤房使用效果優(yōu)于舊式烤房，能夠解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題，促進(jìn)三七的工業(yè)化加工的發(fā)展。不僅為三七烤房的改進(jìn)優(yōu)化提供了方向，同時(shí)也為其他農(nóng)作物的干燥設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路。但仿真和試驗(yàn)仍然存在許多不足之處，負(fù)載仿真未進(jìn)行研究，皂苷等成分未能測(cè)量，今后可在考慮效率和品質(zhì)的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔秀明，詹華強(qiáng)，董婷霞. 印象三七[M]. 昆明：云南科技出版社，2009.

[2]李子唯，崔秀明，張 磊，等. 三七晾曬干燥過程生理生化變化研究[J]. 中藥材，2017，40（2）：328-333.

[3]任迪峰，毛志懷. 我國中草藥干燥的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（2）：5-8.

[4]成勍松，陳和春，蔣篤忠. 密集烤房應(yīng)用研究 Ⅰ.密集烤房與普通烤房應(yīng)用效果對(duì)比[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（9）：114-116.

[5]向裕華，張宗錦，李華兵，等. 碳?xì)溆袡C(jī)質(zhì)燃料烘烤設(shè)備在密集烤房中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（2）：219-223.

[6]崔國民，葉繼宗，羅會(huì)龍，等. 烤煙密集型自動(dòng)化烤房及烘烤工藝技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1994.

[7]許錫祥，陳承亮，呂作新，等. 幾種新型密集烤房烘烤效果比較[J]. 中國煙草科學(xué)，2017（5）：82-86.

[8]Tippayawong N，Tantakitti C，Thavornun S.Use of rice husk and corncob as renewable energy sources for tobacco-curing[J]. Energy for Sustainable Development，2006，10（3），68-73.

[9]孟智勇，宗勝杰，高相彬，等. 熱泵密集烤房不同烘烤工藝效果比較[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（22）：247-251.

[10]區(qū)煥財(cái)，毛文菊，馮筱驍，等. 三七熱風(fēng)干燥試驗(yàn)分析[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2013，40（3）：28-31.

[11]孟慶龍，王 元. 基于CFD的空間場溫度系統(tǒng)建模與控制[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，46（8）：1478-1484.

[12]陳重遠(yuǎn)，饒 月，張 霞，等. 基于CFD的妊娠豬舍溫度場仿真研究[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī)，2019（1）：66-68.

[13]白志鵬. 基于CFD的新型密集烤房流場模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

[14]Babalis S J，Papanicolaou E，Kyriakis N，et al. Evaluatiaon of thin-layer drying models for describing drying kinetics of figs（Ficus carica）[J]. Journal of Food Engineering，2006，75（2）：205-214.

[15]郭 徽. 云南三七干燥特性及其傳質(zhì)模型研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[16]孫玉琴，高明海，朱云飛，等. 烤房快速干燥對(duì)三七品質(zhì)的影響研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（3）：317-319.