基于多相流耦合的熱風殺青過程與殺青機結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

施重駒 ，張 憲* ，鐘 江 ，喬 欣 ，戴惠亮

(1．浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014;2．浙江上洋機械有限公司，浙江衢州324000)

0 引 言

熱風滾筒殺青機是生產(chǎn)大宗茶的主流關(guān)鍵設(shè)備，以對流為主要傳熱方式，利用高溫熱風進行殺青。在連續(xù)化生產(chǎn)中存在熱能利用率不高，提高產(chǎn)量時殺青質(zhì)量嚴重下降等缺點，制約了該類機型的推廣使用。

目前，國內(nèi)外學者針對熱風滾筒殺青過程多采用憑借經(jīng)驗或者通過實驗對比殺青葉的品質(zhì)進行茶葉殺青工藝參數(shù)和裝備的研究，Panchariya 等［1］通過實驗測定并研究了茶葉熱風烘干時熱風溫度、風速與含水率之間的關(guān)系，徐海衛(wèi)等［2］利用CFD 技術(shù)對滾筒殺青機內(nèi)流場進行仿真分析，葉飛等［3］通過實驗對比研究滾筒、汽熱和汽熱-滾筒聯(lián)合殺青技術(shù)，比較了所制綠茶的感官品質(zhì)、茶葉內(nèi)含成分、色澤和香氣等，而針對熱風滾筒殺青過程中滾筒轉(zhuǎn)速、導葉板數(shù)量、導葉板結(jié)構(gòu)等對殺青的影響研究較少。

熱風滾筒殺青是由茶葉、熱風構(gòu)成的多組分、多相系熱力系統(tǒng)，本研究以6CSF-100 型熱風殺青機為例，將茶葉視為離散相，熱風視為連續(xù)相，利用離散元軟件EDEM 與流體動力學軟件FLUENT 聯(lián)合數(shù)值模擬，對殺青過程中的離散場、溫度場和流場進行耦合分析，研究熱風滾筒殺青機的工作過程，并對現(xiàn)有設(shè)備進行優(yōu)化和試驗，以提高茶葉殺青的質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 模型構(gòu)建

熱風滾筒殺青機由熱風發(fā)生爐、滾筒、傳動機構(gòu)、機架等構(gòu)成，殺青機本體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其主體是勻速轉(zhuǎn)動，內(nèi)壁有均勻分布的螺旋狀導葉板的滾筒。茶葉在熱風滾筒殺青機中的運動為在導葉板-茶葉間的摩擦力、自身的重力以及滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下沿著滾筒筒壁作勻速圓周運動，和當?shù)竭_一定的高度時茶葉離開滾筒導葉板作拋灑運動。在殺青過程中，高溫熱風和鮮葉之間存在溫度、壓力、水分等不平衡勢，相互作用引起傳熱傳質(zhì)使得在葉溫升高的同時茶葉內(nèi)部水分降低。

圖1 熱風滾筒殺青機結(jié)構(gòu)簡圖

1．1 離散相顆粒運動模型構(gòu)建

由于在對滾筒中的物料進行動力學分析時可將其近似為質(zhì)點［4］，且受到計算機計算能力的限制，本研究中將茶葉簡化成呈正態(tài)分布的球形顆粒群(當量直徑為0．5 cm～0．8 cm)，顆粒之間的作用通過Hertz-Midlin 接觸模型求解［5］，滾筒殺青機內(nèi)各顆粒的運動滿足牛頓第二運動定律，其平動和轉(zhuǎn)動的運動方程如下:

式中:mp—茶葉顆粒的質(zhì)量，vp—茶葉顆粒的速度，vg—氣體流速，－Vi?p—壓力梯度力，β—相間動量傳遞系數(shù)，—茶葉顆粒間相互作用力，茶葉顆粒與滾筒壁的作用力，Ip—茶葉顆粒轉(zhuǎn)動慣量，wp—茶葉顆粒的角速度，Mp—茶葉顆粒的合外力矩。

1．2 連續(xù)相氣體運動模型構(gòu)建

在茶葉殺青過程中，茶葉顆粒對連續(xù)相氣體有影響，在FLUENT 原有Eulerian 模型的基礎(chǔ)上引入相體積分數(shù)φ，通過計算兩相之間相對運動產(chǎn)生的阻力動量匯實現(xiàn)耦合。在不考慮兩相之間的質(zhì)量傳遞的情況下，則連續(xù)相的連續(xù)方程和動量守恒方程分別如下:

式中:φ—體積分數(shù)項，ρg—氣體密度，μg—空氣動力粘度，g—重力加速度，F(xiàn)D—氣體阻力，V—網(wǎng)格單元體積。

1．3 離散相-連續(xù)相間熱傳遞模型構(gòu)建

殺青過程中，熱傳遞主要存在于茶葉顆粒間的熱傳導和熱風與茶葉顆粒之間的對流換熱，兩相之間的相對運動和溫度差以及茶葉顆粒間的接觸促進了熱量的傳遞，其能量方程為:

式中:Cp—茶葉顆粒的比熱容;T—茶葉顆粒的溫度;hc—茶葉顆粒間傳熱系數(shù);hpg—兩相間熱傳遞系數(shù);Ap—茶葉表面積;ΔTp1p2，ΔTpg—茶葉顆粒間溫度差和兩相間的溫度差。

2 模擬參數(shù)設(shè)置及求解

茶葉的殺青過程主要發(fā)生在熱風滾筒殺青機的悶殺段，悶殺段與透殺段之間設(shè)置了防止熱氣流迅速外溢的擋板，其具體結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)分別如圖2、表1所示。

圖2 熱風滾筒殺青機滾筒模型

表1 熱風滾筒殺青機基本參數(shù)

在殺青過程模擬中，假設(shè)熱風從進風管口均勻進入，管口處平均速度為0．5 m/s，平均溫度為250 ℃;出口直接面向外部環(huán)境，壓力為1 個標準大氣壓。同時考慮熱風與茶葉顆粒之間的動量交換以及茶葉顆粒對熱風的影響，筆者采用Eulerian 模型，其中在FLUENT中選用不可壓縮、k-ε 湍流模型以及能量方程，EDEM中選用Ergun and Wen and Yu 阻力模型。本研究通過在gambit 中建立滾筒模型并生成網(wǎng)格，將其導入FLUENT 中，并進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置;在Solidworks 中建立包含所有特征的三維模型，將其導入EDEM 中，并進行茶葉本構(gòu)模型參數(shù)的設(shè)置［6-8］如表2 所示。

表2 茶葉本構(gòu)參數(shù)

FLUENT 和EDEM 耦合的流程如下:首先在FLUENT 中對流場進行初始化并通過耦合接口設(shè)置EDEM中的參數(shù)，然后在每個時間步長中，F(xiàn)LUENT 根據(jù)連續(xù)相氣體運動模型仿真迭代計算至收斂，得到流場結(jié)果并傳遞給離散相顆粒，EDEM 根據(jù)樣本點確定顆粒所在的網(wǎng)格單元并判斷接觸，根據(jù)離散相顆粒模型和離散相-連續(xù)相間熱傳遞模型分別對顆粒的受力和溫度進行迭代計算并更新參數(shù)，最后FLUENT 根據(jù)UDF 返回的動量匯進行下一個時間步長的迭代，以此循環(huán)計算得到熱風和茶葉顆粒的運動情況。熱風滾筒機殺青過程的數(shù)值模擬如圖3 所示。

圖3 殺青過程的數(shù)值模擬

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3．1 熱風滾筒殺青機悶殺段內(nèi)部氣流分布

熱風滾筒殺青機內(nèi)部氣流矢量圖如圖4 所示，從圖4 中可以看出，熱風從進風管側(cè)面和錐帽進入滾筒內(nèi)，滾筒內(nèi)軸向方向整體上氣流順暢，能使茶葉均勻受熱。但進風管與錐帽相接處由于結(jié)構(gòu)銳角導致氣流方向突變形成渦流，使得傳熱效率下降。悶殺段與脫水段之間的擋板呈錐形，能夠使得熱風向兩邊擴散，有利于茶葉隨熱風順暢從悶殺段流入透殺段。

圖4 悶殺段內(nèi)部氣流矢量圖

3．2 顆粒溫度變化

殺青過程中，茶葉顆粒在內(nèi)部導葉板的作用下不斷地被抄起和拋撒并向前輸送，同時熱介質(zhì)和茶葉顆粒之間相互作用，茶葉溫度逐漸上升且逐漸趨于穩(wěn)定，本研究中水分蒸發(fā)為恒速率［9］，根據(jù)仿真結(jié)果整理得到熱風滾筒殺青機內(nèi)顆粒平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 茶葉顆粒平均溫度

進一步分析可知茶葉顆粒在升溫階段，顆粒溫度T1(S)與沿滾筒軸線運動路程S 呈線性關(guān)系，并有:

根據(jù)式(6)可計算得當S1為0．72 m，即茶葉顆粒運動到悶殺段1/3 路程時，茶葉顆粒溫度達到能抑制茶葉氧化生物酶活性的75 ℃。由此可以得出如下結(jié)論:由于茶葉升溫時間過長，無法迅速抑制茶葉氧化生物酶的活性，茶葉在殺青過程中容易出現(xiàn)紅變現(xiàn)象，同時，由于茶葉升溫時間過長，導致茶葉保溫悶殺時間縮短，在不增加悶殺段長度的條件下，將導致茶葉殺不透，且不易殺均勻，為保證殺青質(zhì)量，需要降低產(chǎn)量，這些現(xiàn)象已經(jīng)在生產(chǎn)實際中得到印證。

4 熱風殺青滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗

圖5 所反映出的問題在該型號熱風殺青機的使用中已經(jīng)得到充分的印證。茶葉的殺青質(zhì)量與茶葉顆粒在滾筒內(nèi)的運動狀態(tài)及滾筒內(nèi)溫度場的分布有關(guān)，通過對滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將有利于問題的解決。

4．1 滾筒運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

茶葉顆粒在滾筒內(nèi)的運動狀態(tài)與滾筒轉(zhuǎn)速、導葉板數(shù)量、導葉板尺寸(高度h、寬度b)等參數(shù)相關(guān)，導葉板結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。以對殺青效果有重要影響的茶葉顆粒升溫至75 ℃時，在滾筒內(nèi)運動路程S 最小為優(yōu)化目標。通過基于多相流耦合技術(shù)進行正交試驗［10］，研究不同參數(shù)對其影響。試驗因素及水平如表3 所示。

圖6 導葉板結(jié)構(gòu)示意圖

表3試驗因素及水平

利用數(shù)理統(tǒng)計學與正交性原理進行正交試驗規(guī)劃，按規(guī)劃進行茶葉殺青過程數(shù)值模擬，經(jīng)過統(tǒng)計所得的結(jié)果如表4 所示。

表4 正交試驗結(jié)果

通過對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，其均值和極差值如表5 所示。

表5 正交試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

綜合分析表4 和表5 可以得出各因素對茶葉殺青溫升速率影響的趨勢:①轉(zhuǎn)速(因素A)對升溫速率影響顯著。滾筒內(nèi)茶葉的溫升速率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小。這是由于當滾筒轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)增加時，在導葉板的作用下，茶葉翻滾加劇，滯空茶葉顆粒數(shù)量增加，接受了更多的熱量，至使殺青葉溫度上升較快;但當轉(zhuǎn)速超過一定范圍后，茶葉顆粒群在升溫區(qū)的滯留時間減少，導致溫升速率減小;②導葉板數(shù)量(因素B)對溫升速率的影響顯著。導葉板數(shù)的增加將使得茶葉拋灑過程中的料幕面積增加，茶葉顆粒群與熱風的接觸面積加大，有利于葉溫的升高，并提高了茶葉顆粒溫度的均勻性;③導葉板寬度(因素C)和導葉板高度(因素D)對溫升速率影響不顯著。導葉板的寬度和高度對溫升速率的影響在一定范圍內(nèi)波動，主要由于導葉板的結(jié)構(gòu)與拋撒茶葉顆粒的數(shù)量、料幕形狀及撒料的分散性有關(guān)，由于受茶葉顆粒模型和數(shù)量的限制，導致導葉板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫升的貢獻率并不顯著。而在實際殺青過程中，由于茶葉顆粒較多，外形成朵狀，選擇合理的導葉板的結(jié)構(gòu)參數(shù)是必要的;④根據(jù)優(yōu)化目標，可以確定各參數(shù)較優(yōu)水平的組合為A2B3C3D2，即滾筒轉(zhuǎn)速為20 r/min，導葉板數(shù)量為14條，導葉板寬度為18 mm，導葉板高度為50 mm。

4．2 滾筒內(nèi)溫度場的優(yōu)化

滾筒內(nèi)溫度場的優(yōu)化以減少渦流，增加高溫區(qū)長度為目標。分析現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)可知，滾筒內(nèi)渦流的產(chǎn)生由進風口內(nèi)凹風帽結(jié)構(gòu)引起，在優(yōu)化過程中，將進風口風帽由內(nèi)凹改成外凸，數(shù)值模擬得到的優(yōu)化前后滾筒內(nèi)溫度場云圖如圖7 所示，優(yōu)化前后筒內(nèi)同一半徑處溫度變化情況如圖8 所示。

圖7 優(yōu)化前、后溫度場云圖

圖8 優(yōu)化前、后悶殺段相同半徑溫度變化(R=400 mm)

從圖8 中可以看出，優(yōu)化后的悶殺段溫度場高溫區(qū)較優(yōu)化前有較大的延伸，茶葉出口溫度上升，提高了能源利用率，有利于殺青質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。

優(yōu)化前后茶葉顆粒在殺青過程中的溫度變化如圖9 所示，分析圖9 可以擬合得出優(yōu)化后的茶葉顆粒在升溫階段的平均溫度T2(S)與升溫階段運動路程S 存在如下關(guān)系:

圖9 優(yōu)化前后茶葉顆粒平均溫度

根據(jù)式(7)可計算得當S2為0．53 m 時，茶葉顆粒溫度即可達到75 ℃。較優(yōu)化前縮短了26%，有利于茶葉殺青質(zhì)量及產(chǎn)量的提高。

4．3 試驗結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果，本研究對原6CSF-100 熱風殺青機進行了改造和試驗?？紤]到數(shù)值模擬時茶葉顆粒模型及數(shù)量與現(xiàn)實茶葉外形及加工產(chǎn)量的區(qū)別，本研究對導葉板的數(shù)量和高度在優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上進行了修正。改造后的6CSF-100 熱風殺青機導葉板數(shù)量由優(yōu)化前的12 條增至16 條;導葉板的高度由優(yōu)化前的50 mm增至80 mm;進風口風帽結(jié)構(gòu)由優(yōu)化前的內(nèi)凹改為外凸，其余結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)不變。試驗用茶樹品種為黃山大葉種，原料為一芽三葉的雨前茶，加工茶葉種類為炒青茶。試驗結(jié)果表明在能源消耗不變的情況下，鮮葉殺青量在穩(wěn)產(chǎn)時產(chǎn)量由改造前的300 kg/h 提高到380 kg/h，同時殺青的均勻性和殺透率均大大提高。

5 結(jié)束語

茶葉加工過程是茶葉顆粒動態(tài)干燥的過程，其加工質(zhì)量取決于溫度場、流場和離散場的有效組合，采用傳統(tǒng)的方法進行茶葉加工設(shè)備的研發(fā)和改造具有較大的盲目性。本研究通過采用多相流耦合技術(shù)，與工程實踐相結(jié)合，開展對熱風殺青機的研究，取得了良好的結(jié)果，研究結(jié)果證明該技術(shù)具有目標明確，研發(fā)投入低，效率高，研究結(jié)果與實際相近等優(yōu)點，可用于多種茶葉加工設(shè)備的開發(fā)，并具有一定的研究價值和現(xiàn)實的工程意義。

然而殺青過程不僅與運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與茶葉的物料特性等有關(guān)，可以進行更深層次的研究。同時隨著計算機硬件的提高，可以施加更多數(shù)量級的顆粒，使仿真結(jié)果更加接近于現(xiàn)實。

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