基于CFD的茶葉理條部件試驗與優(yōu)化*

王攀，易文裕，程方平，王春霞，周彥君，鄧佳

(1. 四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，成都市，610066；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室，成都市，610066)

0 引言

理條是名優(yōu)茶生產(chǎn)過程中必不可少的重要工序[1-2]。其主要通過理條機的鍋槽對鮮葉加以熱和力，使其失去部分水分和低沸點的芳香物質(zhì)并對茶葉組織進(jìn)行軟化以便于后續(xù)做形等工序，理條質(zhì)量的好壞直接影響名優(yōu)茶的品質(zhì)[3-5]。在茶葉理條過程中，理條鍋槽溫度的均勻性是影響理條品質(zhì)的主要因素之一[6-8]。通常情況下，理條機加熱部件都采用直線型電阻絲均勻布置的方式，由于鍋槽與周圍空氣存在熱交換，進(jìn)而導(dǎo)致在實際理條過程中理條鍋槽中間位置的溫度高于四周，使得茶葉理條品質(zhì)具有一定的差異。研究表明，通過改變電阻絲的形狀和布置位置對提高理條鍋槽溫度均勻性具有一定的促進(jìn)作用[9]。

計算流體力學(xué)(Computer Fluent Dynamic，CFD)是一種通過求解流體流動的微分方程，進(jìn)而得出流體的流場在連續(xù)區(qū)域的離散分布情況的數(shù)值分析方法。試驗表明，運用CFD數(shù)值模擬方法能夠?qū)嵩醇捌渲苓厷饬鞯臏囟葓鲞M(jìn)行模擬，可以直觀反映溫度分布情況[10-13]。景亮等[14]運用CFD模擬了出菇房氣流的流場和溫度場，并采用試驗驗證了該CFD模型的準(zhǔn)確性，為優(yōu)化出菇房的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)；Wu等[15]采用CFD對流化床干燥器內(nèi)的溫度場進(jìn)行了模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對流化床加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；朱文穎等[16]采用CFD的非穩(wěn)態(tài)三維湍流模型對蘋果包裝預(yù)冷的溫度場進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果與實際值的均方根誤差為1.13°，證明了采用CFD研究溫度場的合理性和準(zhǔn)確性。

本文通過建立理條部件作業(yè)過程的CFD模型并對其理條過程鍋槽的溫度場進(jìn)行模擬分析，通過優(yōu)化加熱電阻絲的形狀和分布形式來提高理條鍋槽作業(yè)過程中溫度的均勻性。

1 茶葉理條部件結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 理條部件結(jié)構(gòu)

茶葉理條部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由理條鍋槽、主副加熱電阻絲、溫度傳感器、殼體、隔熱巖棉等組成。

圖1 理條部件結(jié)構(gòu)示意圖

主副加熱電阻絲按照95 mm的間隔勻布置在隔溫巖棉上，其方向與鍋槽垂直，傳感器安裝在隔熱巖棉中心位置。理條部件采用8鍋槽，單個鍋槽寬度為115 mm，長度為910 mm，9根電阻絲采用均勻布置的方式安裝在鍋槽下方的隔熱巖棉上，電阻絲直徑為6 mm，長度為900 mm。

1.2 工作原理

作業(yè)開始時，主、副電阻絲同時進(jìn)行加熱工作，當(dāng)溫度傳感器檢測到隔熱巖棉上方空氣中的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)作業(yè)溫度時，主加熱電阻絲停止加熱，副加熱電阻絲繼續(xù)加熱保溫；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)作業(yè)溫度時，主加熱電阻絲自動開啟加熱模式直到溫度恢復(fù)預(yù)設(shè)作業(yè)溫度后停止加熱，采用主、副加熱電阻絲進(jìn)行保溫及補溫，有利于理條部件保持穩(wěn)定工作狀態(tài)進(jìn)行理條作業(yè)。

2 基于CFD的理條鍋槽溫度場仿真

2.1 理條部件溫度場測試

在環(huán)境溫度為25 ℃的條件下，在鍋槽的中間平面即距離槽底60 mm的平面隨機選取16個點，各點在鍋槽上的分布盡量均勻，將PT100型溫度傳感器分別粘貼在對應(yīng)的位置，開啟理條機的加熱裝置。當(dāng)傳感器測試的溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)即上下波動不超過1 ℃ 時記錄下個點的溫度值，重復(fù)進(jìn)行3次試驗，其結(jié)果如表1所示。

表1 理條鍋槽溫度實測值Tab. 1 Measured value of the temperature of the trough

2.2 基于CFD的理條鍋槽溫度場仿真

2.2.1 基于CFD的理條部件溫度場模型建立

根據(jù)理條部件的結(jié)構(gòu)及工作原理，以理條部件為對象，根據(jù)數(shù)值分析過程中的模型簡化原則對理條部件進(jìn)行簡化處理，將作業(yè)過程中理條部件與周圍空氣的熱交換作為重點，建立理條部件周圍空氣的外流場模型，采用自動計算傳熱系數(shù)等算法[17-18]，對理條部件模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對電阻絲、鍋槽底部等部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理以提高網(wǎng)格質(zhì)量使得計算結(jié)果與實際情況更加接近[19]，理條部件的CFD模型如圖2所示。

圖2 理條部件CFD模型

加熱電阻絲采用Cr20Ni80材料，理條鍋槽和外殼均采用304不銹鋼，底部隔熱層采用巖棉，在實際分析中可基本不考慮巖棉與底部空氣的熱交換，相關(guān)材料主要參數(shù)如表2所示。

表2 理條部件材料參數(shù)表Tab. 2 Material parameter table of tea carding parts

根據(jù)茶葉理條機的設(shè)計，在作業(yè)過程中主、副加熱電阻絲功率相同均為0.7 kW/根，總功率為6.3 kW，周圍環(huán)境溫度為25 ℃。

2.2.2 基于CFD的理條部件溫度場分析

對理條部件作業(yè)過程進(jìn)行模擬，由于在實際理條作業(yè)中茶葉主要在鍋槽中翻滾，理條部件的殼體、隔熱巖棉、電阻絲等溫度變化對理條質(zhì)量影響不大，因此在分析溫度云圖時主要針對理條鍋槽，同樣選取鍋槽的中間平面即距離槽底60 mm的平面作為分析對象，其溫度云圖分布如圖3所示。由圖3可以看出，其溫度呈現(xiàn)中間較高，四周較低的現(xiàn)象，最高溫度為254.6 ℃，最低溫度為157.3 ℃，最大溫差為97.3 ℃。

在仿真得到的溫度云圖上找出與實際測量時溫度傳感器所對應(yīng)的位置，每個位置取構(gòu)成等邊三角形且邊長為1 mm的3個點，取3個點的平均溫度作為對應(yīng)測量位置的溫度，如表3所示。

圖3 理條部件平面溫度云圖

表3 理條鍋槽溫度仿真值Tab. 3 Simulation value of the temperature of the trough

2.3 對比分析

將理條鍋槽所選的各點實際測量溫度與理條鍋槽CFD模型仿真得到的各對應(yīng)點的溫度進(jìn)行對比分析，如表4所示。理條鍋槽中間平面實測溫度與仿真云圖對應(yīng)溫度最大相對誤差為12.1 ℃，平均相對誤差為9.5 ℃，最大絕對誤差為5.9%，平均絕對誤差為4.67%，模擬的溫度場與實際作業(yè)過程的溫度基本吻合，說明采用該模型對理條鍋槽的溫度場進(jìn)行分析是可行的。

理條部件中間平面的溫度均勻性系數(shù)用γ表示，其計算公式[20]為

式中：n——平面單元個數(shù)；

vlocal——平面各單元平均溫度；

vmean——平面平均溫度。

對選取的分析平面進(jìn)行處理得到該平面溫度的均勻性系數(shù)為0.847，表明該平面溫度均勻性較差，其主要原因在于鍋槽邊緣與周圍空氣熱交換多于中部，在實際茶葉理條生產(chǎn)中會導(dǎo)致理條質(zhì)量差異性較大，局部茶葉可能會發(fā)黃、焦邊兒或理條程度不夠。

表4 理條鍋槽溫度對照表Tab. 4 Temperature control table of the pot and trough

3 基于CFD的理條部件優(yōu)化設(shè)計

綜合考慮理條部件與周圍空氣熱交換等因素，對電阻絲的布置方式及電阻絲的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化以提高理條部件的溫度均勻性。

3.1 電阻絲布置方式的優(yōu)化設(shè)計

如圖4所示，在保持電阻絲總功率和外形不變的情況下，將電阻絲從中間位置向兩側(cè)采用等差間距進(jìn)行排列并對其溫度場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明當(dāng)電阻絲間距依次為125、105、85、65 mm等差間距梯度布置時，其對應(yīng)平面的最大溫差為39 ℃，溫度均勻性系數(shù)為0.911，較電阻絲均勻布置的理條部件提高7.56%，其溫度云圖和對應(yīng)點溫度值分別如圖5和表5所示。

圖4 電阻絲梯度布置

圖5 理條部件平面溫度云圖

表5 條形加熱電阻絲梯度布置理條鍋槽溫度仿真值Tab. 5 Simulation value of the temperature of the trough

由圖5可知，電阻絲采用梯度布置在一定程度上能夠提高理條部件同一水平面溫度的均勻性，但是鍋槽與電阻絲垂直方向的兩端溫度仍低于其他部位，其原因在于兩側(cè)鍋槽與空氣的接觸面大于其他部位，而電阻絲對兩端鍋槽的加熱與其他位置一致，導(dǎo)致兩端鍋槽的溫度偏低。

3.2 電阻絲形狀的優(yōu)化設(shè)計

在保持加熱電阻絲總功率的情況下，采用環(huán)形電阻絲間距依次為125、105、85、65 mm的梯度布置方式，如圖6所示。

圖6 環(huán)形電阻絲梯度布置

對環(huán)形電阻絲梯度布置的理條部件溫度場開展仿真研究，其對應(yīng)平面的溫度場和對應(yīng)點的溫度分別如圖7和表6所示。

圖7 理條部件平面溫度云圖Tab. 7 Plane temperature cloud diagram of tea carding parts

表6 理條鍋槽溫度仿真值Tab. 6 Simulation value of the temperature of the trough

從表6可知，當(dāng)環(huán)形電阻絲間梯度布置時，理條部件中間平面的最大溫差為39 ℃，溫度均勻性系數(shù)為0.935，較未優(yōu)化前提高10.4%。

4 結(jié)論

1) 通過建立茶葉理條機理條部件的CFD仿真模型對理條部件的溫度場進(jìn)行模擬，并與實際測量結(jié)果進(jìn)行對比研究，實測溫度與相對應(yīng)的仿真溫度最大相對誤差為12.1 ℃，平均相對誤差為9.5 ℃，最大絕對誤差為5.9%，平均絕對誤差為4.67%，結(jié)果表明采用該模型對理條部件的溫度場進(jìn)行研究是可行的。

2) 通過采用環(huán)形加熱電阻絲和等差梯度布置電阻絲等方式對理條部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)采用環(huán)形電阻絲按照125、105、85、65 mm的間距梯度布置時，理條部件中間平面的溫度均勻性系數(shù)為0.935，優(yōu)化后的理條部件鍋槽溫度的均勻性較優(yōu)化前提高10.4%，為理條機的優(yōu)化設(shè)計提供了思路。