沙棘葉茶除毫裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

向金田，楊 梅，張強(qiáng)林，李沫若，孫偉一，王清澤，畢 陽(yáng)，吳若陽(yáng)，胡靖明

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730070；3.甘肅甘農(nóng)生物科技有限公司，蘭州 730030）

沙棘（HippophaerhamnoidesL.）為胡頹子科（Elaeagnaceae）沙棘屬（Hippophae）落葉灌木或喬木[1]。沙棘葉中富含黃酮類(lèi)、多糖類(lèi)、粗纖維等多種生物活性成分，具有抗氧化、抑菌、降血脂和降低心肌耗氧量等保健作用[2]。沙棘葉被用于治療腸胃疾病和治療風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等[3]，還可直接飼喂動(dòng)物，增加動(dòng)物體重和皮毛亮度[4]。在沙棘葉茶加工過(guò)程中，葉片經(jīng)高溫烘干，伴隨摩擦、擠壓等作用，部分葉表面茸毛脫落形成茶毫，而大量脫落茶毫在氣流擾動(dòng)下形成濃密茶毫粉塵。茶毫粉塵不僅影響沙棘葉茶沖泡茶湯感官品質(zhì)，對(duì)生產(chǎn)人員健康也有嚴(yán)重影響，甚至可能引發(fā)粉塵爆炸。

相關(guān)學(xué)者對(duì)茶葉加工過(guò)程中茶塵治理問(wèn)題開(kāi)展多方面研究。趙先明等測(cè)定茶葉精制車(chē)間茶塵量發(fā)現(xiàn)，加工設(shè)備中風(fēng)選機(jī)茶塵累積量最大，切茶機(jī)最小[5]。胡善國(guó)等研究茶塵理化特性，分析茶塵產(chǎn)生與傳遞原因，提出茶廠(chǎng)粉塵治理技術(shù)難題及解決途徑[6]。鄭功宇研究烏龍茶精加工生產(chǎn)線(xiàn)除塵技術(shù)，使用CFD 模擬烘焙車(chē)間機(jī)械通風(fēng)環(huán)境，表明機(jī)械通風(fēng)除塵方式可有效降低車(chē)間茶塵含量[7]。溫正軍等對(duì)部分現(xiàn)有茶廠(chǎng)除塵方式及除塵效果進(jìn)行對(duì)比分析，提出茶葉輸送可用管道輸送代替?zhèn)魉蛶л斔蚚8]。陳彬等研究發(fā)現(xiàn)白茶精加工過(guò)程中茶塵產(chǎn)生主要來(lái)自篩分、勻堆和烘干等工序，并采取改進(jìn)設(shè)備、配備除塵器等措施提高白茶清潔化生產(chǎn)水平[9]。目前，茶塵治理研究多數(shù)為綠茶類(lèi)混合性茶塵，而沙棘葉茶加工過(guò)程中產(chǎn)生的茶毫粉塵治理研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本研究針對(duì)沙棘葉茶炒干工序中產(chǎn)生的茶毫粉塵，設(shè)計(jì)一種沙棘葉茶除毫裝置，采用計(jì)算流體力學(xué)離散顆粒模型（CFD-DPM）對(duì)集毫罩進(jìn)口直徑、出口直徑及肩高進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析各因素與除毫率關(guān)系，采用正交試驗(yàn)對(duì)集毫罩作參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。

1 沙棘葉茶加工工藝及其茶毫概述

1.1 沙棘葉茶基本加工工藝

通過(guò)對(duì)甘肅省張掖市民樂(lè)縣甘農(nóng)生物科技有限公司綠茶型沙棘葉茶加工生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)研，該沙棘葉茶生產(chǎn)線(xiàn)加工工藝流程如圖1 所示。沙棘鮮葉在經(jīng)清洗及攤晾后，進(jìn)入殺青機(jī)內(nèi)以高溫蒸汽加熱方式完成殺青，通過(guò)人工挑選較大雜質(zhì)再進(jìn)行揉捻與二次挑選，使用滾筒式炒干機(jī)和雙鍋曲毫機(jī)對(duì)沙棘葉進(jìn)行炒制，再由分選設(shè)備完成細(xì)小雜質(zhì)分離，最后對(duì)質(zhì)檢后沙棘葉茶進(jìn)行包裝與入庫(kù)保存。

圖1 沙棘葉茶加工工藝流程Fig.1 Processing process of sea-buckthorn leaf tea

1.2 茶毫產(chǎn)生及原因

沙棘葉茶加工過(guò)程中，葉片經(jīng)高溫烘干，伴隨摩擦、擠壓等作用，使得部分葉表面茸毛脫落形成茶毫。沙棘葉茶茶毫形狀主要有星狀、星盾狀、盾狀3 種類(lèi)型，大小介于100~500 μm，形態(tài)特征如圖2所示。加工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)茶毫主要產(chǎn)生于炒干工序，該工序曲毫機(jī)炒鍋溫度較高且加工時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致沙棘葉含水率快速降低，此外在炒板翻炒作用下葉表面茸毛易脫落形成茶毫，而大量細(xì)小茶毫在溫度及翻動(dòng)作用下成為濃密茶毫粉塵，需針對(duì)此工序設(shè)計(jì)一種除毫裝置控制茶毫粉塵。

圖2 沙棘葉茶茶毫形態(tài)Fig.2 Morphological characteristics of tea hair of sea-buckthorn leaf tea

1.3 沙棘葉茶與茶毫空氣動(dòng)力學(xué)特性

物料空氣動(dòng)力學(xué)特性主要指其懸浮速度[10]，也是除毫裝置重要設(shè)計(jì)參數(shù)。曲毫機(jī)工作時(shí)，炒鍋內(nèi)沙棘葉茶與茶毫處于混合狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)除毫裝置時(shí)，需利用空氣動(dòng)力學(xué)特性差異實(shí)現(xiàn)葉茶與茶毫分離。為確保茶毫順利被吸起，罩口氣流速度需大于茶毫懸浮速度，同時(shí)需確保對(duì)葉茶原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)較大影響，罩口氣流速度需小于葉茶懸浮速度。使用如圖3所示物料懸浮速度測(cè)定裝置測(cè)定沙棘葉茶與茶毫懸浮速度。

圖3 物料懸浮速度測(cè)定裝置Fig.3 Material suspension speed measuring device

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，得到葉茶懸浮速度為2.33~6.12 m·s-1，茶毫懸浮速度為0.32~0.55 m·s-1。葉茶與茶毫速度變化范圍存在明顯差異，可使用氣力吸入方法去除茶毫，且除毫裝置罩口氣流適宜速度為0.55~2.33 m·s-1。

2 沙棘葉茶除毫裝置設(shè)計(jì)

2.1 集毫罩結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

集毫罩用于聚集與吸取曲毫機(jī)鍋口逸散茶毫粉塵，集毫罩罩口形狀與茶毫塵源形狀有關(guān)，因曲毫機(jī)炒鍋為直徑500 mm 圓形鍋口，所以茶毫塵源也近似呈圓形，故采用圓形罩口，圓形罩口設(shè)計(jì)計(jì)算公式為：

式中，R-罩口半徑（m）；r-塵源半徑（m）；h-塵源至罩口軸向距離（m）。r取0.25 m，h取0.05 m，可得出R=0.2625 m。

由上述計(jì)算可知集毫罩罩口半徑R=262.5 mm，則集毫罩進(jìn)口直徑D1=525 mm。因集毫罩與各支管相連接，故集毫罩出口直徑D2與支管直徑一致，支管直徑由后續(xù)計(jì)算確定。罩口氣流風(fēng)速分布與集毫罩?jǐn)U張角有關(guān)，當(dāng)α<60°時(shí)，罩口中心風(fēng)速更接近平均風(fēng)速；當(dāng)α>60°時(shí)，罩口中心風(fēng)速與平均風(fēng)速相差較大[11]。由于集毫罩?jǐn)U張角大小與進(jìn)口直徑、肩高有關(guān)，初步選取150 mm 為集毫罩肩高，此時(shí)擴(kuò)張角約為35°，集毫罩結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 集毫罩結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of hair collecting hood

2.2 除毫裝置總吸風(fēng)量計(jì)算

頂部集毫罩吸風(fēng)量大小為：

式中，Qa-頂部集毫罩吸風(fēng)量（m3·s-1）；K-集毫罩尺寸形式相關(guān)系數(shù)，取K=1.12；C-塵源周長(zhǎng)，C=1.57 m；v0-集毫罩口上方氣流均勻流動(dòng)速度（m·s-1）。取v0=1 m·s-1，可得Qa=316.51 m3·h-1。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)集毫罩總數(shù)為12，故總吸風(fēng)量Q為3 798.12 m3·h-1，考慮漏損風(fēng)量影響則實(shí)際吸風(fēng)量為：

式中，Kc-漏風(fēng)系數(shù)，取Kc=1.1，則實(shí)際總吸風(fēng)量Qc=4 177.93 m3·h-1。

2.3 管路計(jì)算與選型

2.3.1 管路直徑計(jì)算

除毫裝置管路直徑計(jì)算方式如下：

式中，Da-管路內(nèi)部直徑（m）；vG-管路內(nèi)部風(fēng)速（m·s-1）。

查閱《除塵工程技術(shù)手冊(cè)》[12]，可知管路內(nèi)最小風(fēng)速應(yīng)在11 m·s-1，實(shí)際風(fēng)速選取應(yīng)略高于最小風(fēng)速，因此取管路風(fēng)速為12 m·s-1?？紤]便于加工及安裝，選用直徑一致風(fēng)管作為主風(fēng)管。根據(jù)各風(fēng)管風(fēng)量，經(jīng)（4）式計(jì)算及圓整后可得：支管直徑Da1=100 mm，主風(fēng)管直徑Da2=250 mm，總風(fēng)管直徑Da3=350 mm。

2.3.2 管路選型

由于集毫罩位置處于炒鍋鍋口頂部，在炒制前后需揭開(kāi)集毫罩以便葉茶投放與取出，支管采用壁厚為0.5 mm 尼龍布伸縮風(fēng)管，方便集毫罩位置調(diào)節(jié)。參考《除塵工程技術(shù)手冊(cè)》并根據(jù)主風(fēng)管與總風(fēng)管直徑選取管路壁厚為4 mm 鍍鋅鋼管。

通過(guò)測(cè)量該沙棘葉茶生產(chǎn)線(xiàn)曲毫機(jī)位置，確定各管路所需長(zhǎng)度，參考《除塵工程技術(shù)手冊(cè)》，標(biāo)準(zhǔn)選取三通管道、閥門(mén)等部件。

2.4 通風(fēng)阻力計(jì)算

2.4.1 沿程阻力計(jì)算

除毫管路支管、主風(fēng)管及總風(fēng)管均存在沿程壓力損失，其壓力損失大小為：

式中，ΔpL-沿程壓力損失（Pa）；f-氣體與內(nèi)壁摩擦系數(shù)；L-管路長(zhǎng)度（m）；ρ-氣體密度（kg·m-3）；c-含塵氣流質(zhì)量密度（kg·m-3）；vg-管路內(nèi)粉塵流動(dòng)速度（m·s-1）。

由于c取值一般較小，vG與vg比值近似為1，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

式中，Rm-管路單位長(zhǎng)度摩擦阻力（Pa·m-1）。

查閱圓形管道摩擦阻力線(xiàn)算圖可得到各管路比摩阻Rm大小，因其材料屬性不同，所以需對(duì)比摩阻進(jìn)行修正：

式中，y-不同材料管路修正系數(shù)。

通過(guò)上述計(jì)算可得到ΔpL為186.28 Pa。

2.4.2 局部壓力損失

除毫管路中集毫罩、漸擴(kuò)管等合流處產(chǎn)生局部壓力損失，其大小為：

式中，Δpξ-局部壓力損失（Pa）；ξz-局部阻力系數(shù)。

查閱《除塵工程技術(shù)手冊(cè)》可知不同位置局部阻力系數(shù)，經(jīng)過(guò)式（8）計(jì)算得到Δpξ=975.24 Pa。小型除塵設(shè)備阻力一般在500~800 Pa，選取Δpc=600 Pa為除塵器阻力[13]。通過(guò)計(jì)算可得該除毫裝置總阻力為：

2.5 除塵器選型

目前常用除塵器類(lèi)型主要有旋風(fēng)除塵器、袋式除塵器、靜電除塵器及其濕式除塵器[14]。根據(jù)實(shí)際處理風(fēng)量及其茶毫特性，選取除塵器類(lèi)型為單機(jī)脈沖袋式除塵器，該除塵器體積小、使用壽命長(zhǎng)，除塵率可達(dá)99%，使用成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于后期維護(hù)保養(yǎng)[15]。

2.6 風(fēng)機(jī)選型與計(jì)算

計(jì)算集毫罩及除毫管路，確定該除塵裝置實(shí)際風(fēng)量及其總阻力，經(jīng)計(jì)算得出風(fēng)機(jī)風(fēng)量為4 177.96 m3·h-1，風(fēng)壓為1 937.67 Pa，功率為3.79 kW，根據(jù)《除塵工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取風(fēng)機(jī)型號(hào)為4-72No4A型風(fēng)機(jī)。

2.7 除毫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)除毫裝置管路設(shè)計(jì)、除塵器和風(fēng)機(jī)選型，根據(jù)曲毫機(jī)位置布局對(duì)除塵裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 除毫裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of hair removal device

3 集毫罩參數(shù)優(yōu)化

3.1 集毫罩計(jì)算模型

集毫罩是除毫裝置中重要構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)影響除毫裝置性能，因此，需要對(duì)集毫罩結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高除毫裝置工作性能。根據(jù)前文計(jì)算可知，集毫罩進(jìn)口直徑D1為525 mm，出口直徑D2為100 mm，肩高H為150 mm，采用計(jì)算流體力學(xué)離散顆粒模型（CFD-DPM）對(duì)集毫罩進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，圖6為數(shù)值計(jì)算模型。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical calculation model

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

采用速度進(jìn)口、壓力出口邊界條件，將集毫罩出口設(shè)置為速度入口[16]，將集毫罩下方擴(kuò)展域兩個(gè)面設(shè)置為壓力出口[17]。速度入口設(shè)置為-12 m·s-1，將出口壓力大小設(shè)置為0 MPa（相對(duì)于環(huán)境壓強(qiáng)）。為使仿真結(jié)果更接近真實(shí)情況，計(jì)算模型選擇湍流模型中RNG k-ε模型[18]。

在DPM 模型中，采用面源（Surface source）為離散相源，所注入茶毫粒子設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)Rosin-Ram?mler分布[19]，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 離散相參數(shù)設(shè)置Table 1 Discrete phase parameter settings

3.3 數(shù)學(xué)模型

①連續(xù)性方程

式中，ρ-流體密度；V-流體速度矢量。②動(dòng)量方程

式中，T-時(shí)間；p′-校正壓力；μeff-有效黏度系數(shù)。

③k-ε標(biāo)準(zhǔn)雙方程

式中，k-湍流動(dòng)能；ε-損耗率；μ-層流黏度系數(shù)；μT-湍流黏度系數(shù)；p-靜壓力；σk、σε-湍流普朗特常數(shù)；C1、C2-常量。

④DPM顆粒運(yùn)動(dòng)方程

式中，up-顆粒速度；fD（u-up）-單位顆粒質(zhì)量受到阻力；u-連續(xù)相速度；gx（ρp-ρ）/ρp-單位顆粒質(zhì)量重力與浮力的合力；ρp-顆粒密度；fx-附加速度項(xiàng)。

3.4 仿真可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果精度，需對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證[20]。通過(guò)對(duì)集毫罩罩口各測(cè)點(diǎn)位置速度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，與仿真模擬結(jié)果，圖7（a）所示為罩口測(cè)點(diǎn)位置布置，圖7（b）所示為罩口風(fēng)速實(shí)際測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比，得到風(fēng)速模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量平均相對(duì)誤差（MRE）小于15%，表明仿真結(jié)果可靠，可為集毫罩參數(shù)優(yōu)化提供支撐。

圖7 仿真模型驗(yàn)證Fig.7 Simulation model verification

3.5 集毫罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)除毫率的影響

在仿真過(guò)程中，運(yùn)用DPM 模型驗(yàn)證集毫罩在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下除毫效果，除毫率計(jì)算如下：

式中，η-除毫率；n-茶毫塵源處投放茶毫粒子總數(shù)；n1-集毫罩出口捕捉粒子個(gè)數(shù)。

3.5.1 集毫罩進(jìn)口直徑對(duì)除毫率影響

在出口速度一定條件下，保持集毫罩出口直徑、肩高不變，對(duì)不同進(jìn)口直徑集毫罩工作過(guò)程進(jìn)行仿真，分析集毫罩進(jìn)口直徑對(duì)除毫率影響，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 集毫罩進(jìn)口直徑對(duì)除毫率影響Fig.8 Influence of inlet diameter on the hair removal efficiency

由圖8可看到，除毫率隨進(jìn)口直徑呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)口直徑為525 mm 時(shí)，除毫率最大為81.472%，原因?yàn)楫?dāng)進(jìn)口直徑小于525 mm 時(shí)，塵源面直徑大于集毫罩進(jìn)口直徑，而超出集毫罩進(jìn)口直徑部分茶毫?xí)右菰诳諝庵袩o(wú)法被集毫罩聚攏吸入。當(dāng)進(jìn)口直徑大于525 mm 時(shí)，罩口平均氣流速度隨進(jìn)口直徑增加而減小，負(fù)壓氣流不足，部分無(wú)法被順利吸起，使除毫率降低[21]。

3.5.2 集毫罩出口直徑對(duì)除毫率影響

在一定出口速度時(shí)，保持集毫罩進(jìn)口直徑、肩高不變，對(duì)不同出口直徑集毫罩工作過(guò)程進(jìn)行仿真，分析集毫罩出口直徑對(duì)除毫率影響，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 集毫罩出口直徑對(duì)除毫率影響Fig.9 Influence of outlet diameter on the hair removal efficiency

隨集毫罩出口直徑增大，集毫罩內(nèi)腔體積也增大，茶毫與壁面之間碰撞概率降低，使得茶毫所受阻力減小，通過(guò)率更高，除毫率增加。

3.5.3 集毫罩肩高對(duì)除毫率影響

在一定出口速度時(shí)，保持集毫罩進(jìn)口直徑、出口直徑不變，對(duì)不同肩高集毫罩工作過(guò)程進(jìn)行仿真，分析集毫罩肩高對(duì)除毫率影響，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 集毫罩肩高對(duì)除毫率影響Fig.10 Influence of height on the hair removal efficiency

隨集毫罩肩高增加，除毫率先增后減，當(dāng)肩高為200 mm 時(shí)，除毫率達(dá)到最大值為83.058%，此時(shí)進(jìn)口面風(fēng)速分布較均勻，大部分茶毫可被順利吸起。集毫罩肩高過(guò)小，集毫罩中心風(fēng)速與平均風(fēng)速相差越大，即罩口中心軸線(xiàn)風(fēng)速變大，而遠(yuǎn)離中心邊緣處風(fēng)速相對(duì)減小[22]。集毫罩肩高過(guò)大，罩口整體氣流速度減小，部分茶毫無(wú)法被吸起，除毫率降低。

綜上分析可得，在后續(xù)集毫罩結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中，集毫罩進(jìn)口直徑選取范圍為450~600 mm，出口直徑選取范圍為100~110 mm，肩高選取范圍為150~200 mm。

3.6 正交試驗(yàn)

3.6.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

集毫罩進(jìn)口直徑、出口直徑和肩高等結(jié)構(gòu)參數(shù)共同決定集毫罩除毫效果，因此，為分析集毫罩在多個(gè)因素共同作用下對(duì)除毫率的影響，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)一步優(yōu)化集毫罩結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基于單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，本試驗(yàn)采用三因素三水平L9（33）正交表，將集毫罩進(jìn)口直徑、出口直徑以及肩高作為3個(gè)試驗(yàn)因素，試驗(yàn)因素水平編碼表，如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Orthogonal test scheme and results

3.6.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

方差分析法和極差分析法為正交試驗(yàn)結(jié)果主要分析方法。由于極差分析法計(jì)算量小且簡(jiǎn)單直觀，采用該方法分析進(jìn)口直徑、出口直徑及肩高3 個(gè)參數(shù)對(duì)集毫罩除毫率影響程度。正交試驗(yàn)中，根據(jù)極差R大小，可判斷因素對(duì)指標(biāo)影響主次順序。

表4 為正交試驗(yàn)結(jié)果分析，由極差值R可知，出口直徑對(duì)集毫罩除毫率影響最大，進(jìn)口直徑次之，最小為集毫罩肩高。

表4 極差分析結(jié)果Table 4 Extremum difference analysis results

根據(jù)極差分析結(jié)果可得出各因素與除毫率關(guān)系，如圖11所示。

圖11 不同因素與除毫率關(guān)系Fig.11 Relationship between different factors and hair removal efficiency

由圖11 可知，集毫罩除毫率隨出口直徑增大而增大，隨進(jìn)口直徑與肩高增大呈先增后減趨勢(shì)。綜上可得集毫罩最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：進(jìn)口直徑525 mm，出口直徑110 mm，肩高200 mm。

3.7 結(jié)果驗(yàn)證

3.7.1 優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)集毫罩最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬，得到在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下除毫率為94.604%，優(yōu)化前除毫率為81.472%，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后除毫率提高13.132%，優(yōu)化前后罩口風(fēng)速變化如圖12所示。

由圖12 可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，罩口最大風(fēng)速變小，而罩口各位置風(fēng)速更接近平均風(fēng)速。吸塵口平均風(fēng)速盡量保持在0.5~1.4 m·s-1，風(fēng)速過(guò)大將增加能耗，過(guò)小將導(dǎo)致除塵效率降低[8]，優(yōu)化罩口平均風(fēng)速為0.66 m·s-1，符合該風(fēng)速范圍，同時(shí)滿(mǎn)足葉茶與茶毫空氣動(dòng)力學(xué)特性差異區(qū)間。

3.7.2 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化前后集毫罩除毫效果，針對(duì)前后兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)集毫罩進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)除塵器內(nèi)部進(jìn)行清理，使用風(fēng)速儀（UT363型，0~30 m·s-1）測(cè)量各集毫罩出口處風(fēng)速，同時(shí)調(diào)整蝶閥開(kāi)度控制風(fēng)速為12 m·s-1，待除毫裝置及曲毫機(jī)運(yùn)行正常后隨機(jī)進(jìn)行炒鍋試驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化前后兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)集毫罩各重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，結(jié)果如表5所示。

表5 生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of production

由表5 可知，優(yōu)化前后除毫率為76.367%、86.613%，除毫率提高10.246%。根據(jù)生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，試驗(yàn)結(jié)果均略低于仿真結(jié)果，與仿真結(jié)果趨于一致，驗(yàn)證該優(yōu)化方法合理。

3.8 除毫管路內(nèi)流場(chǎng)分析

由圖13 可知，當(dāng)除塵器外部離心風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，集毫罩罩口產(chǎn)生負(fù)壓環(huán)境，氣流從集毫罩進(jìn)入各支管內(nèi)，流入主風(fēng)管后再通過(guò)總風(fēng)管匯集到除塵器內(nèi)部。氣流從集毫罩罩口進(jìn)入到集毫罩內(nèi)部，由于氣體流速與流通截面成反比，氣流流通截面積逐漸減小，氣流速度逐漸增大，氣流到支管內(nèi)部時(shí)，氣流速度不再發(fā)生改變，當(dāng)各支管氣流匯入主風(fēng)管，接近主風(fēng)管中部氣流速度越大，氣流進(jìn)入總風(fēng)管后氣流速度不再增大，當(dāng)總風(fēng)管內(nèi)部風(fēng)速為12 m·s-1時(shí)，除毫管路最左端支管為序號(hào)1，各支管內(nèi)風(fēng)速?gòu)淖笾劣乙?jiàn)圖14。由圖14 可知，因除毫管路內(nèi)存在沿程壓力損失，各支管內(nèi)風(fēng)速均小于12 m·s-1，且越靠近端部處支管沿程壓力損失越大，導(dǎo)致支管內(nèi)風(fēng)速越小。根據(jù)各支管風(fēng)速可知，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，總風(fēng)管風(fēng)速需大于12 m·s-1，且各支管需安裝蝶閥控制風(fēng)速，各支管內(nèi)風(fēng)速為12 m·s-1左右，提高除毫裝置整體除毫效率。

圖13 除毫管路內(nèi)流場(chǎng)速度流線(xiàn)分布Fig.13 Velocity streamline distribution of flow field in hair removal pipeline

圖14 除毫管路各支管風(fēng)速Fig.14 Wind speed of each branch pipe of hair removal pipeline

由圖15 可知，曲毫機(jī)炒鍋鍋口產(chǎn)生的茶毫塵源顆粒在集毫罩罩口負(fù)壓環(huán)境下被吸入集毫罩，茶毫顆粒隨除毫管路內(nèi)運(yùn)動(dòng)氣流進(jìn)入除塵器內(nèi)部進(jìn)行分離與收集，仿真結(jié)果表明，該除毫裝置可將曲毫機(jī)炒鍋鍋口產(chǎn)生的茶毫通過(guò)集毫罩與除毫管路吸入除塵器內(nèi)部，有效控制茶毫粉塵擴(kuò)散，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖15 除毫管路內(nèi)流場(chǎng)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.15 Particle movement track of flow field in hair removal pipeline

4 結(jié) 論

a.為減少沙棘葉茶加工生產(chǎn)線(xiàn)茶毫粉塵擴(kuò)散，設(shè)計(jì)一種除毫裝置，其吸風(fēng)量為4 177.96 m3·h-1、總阻力為1 761.52 Pa。

b. 仿真結(jié)果表明，集毫罩出口直徑對(duì)除毫率影響最大，進(jìn)口直徑次之，肩高最小。優(yōu)化后最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合：進(jìn)口直徑為525 mm，出口直徑為110 mm，肩高為200 mm。優(yōu)化前后除毫率分別為81.472%、94.604%，除毫率提高13.132%。

c. 生產(chǎn)試驗(yàn)表明，該除毫裝置生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用效果顯著，可有效控制茶毫粉塵擴(kuò)散。集毫罩優(yōu)化前后除毫率分別為76.367%、86.613%，除毫率提高10.246%。