脈沖噴動微波真空干燥器內(nèi)噴動流化動力特性的數(shù)值研究

李 靜,金光遠,2，*,張 慜,2,崔政偉,仲建勛

(1.江南大學食品先進制造裝備技術江蘇省重點實驗室,江蘇無錫 214122;2.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122)

脈沖噴動微波真空干燥器內(nèi)噴動流化動力特性的數(shù)值研究

李 靜1,金光遠1,2，*,張 慜1,2,崔政偉1,仲建勛1

(1.江南大學食品先進制造裝備技術江蘇省重點實驗室,江蘇無錫 214122;2.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122)

為探索脈沖噴動微波真空干燥系統(tǒng)(PSMVD)中氣固噴動流化床的動力特性,采用基于無粘性兩相流理論,使用計算流體力學歐拉-歐拉方法(CFD)對二維噴動流化床中噴動流化特性進行了數(shù)值研究,對噴動流化床的動力特性和顆粒運動分布特征進行了揭示,這些因素影響顆粒空間位置分布和其微波加熱的均勻性。結(jié)果表明,采用歐拉-歐拉雙流體模型,成功獲得脈沖噴動微波真空干燥腔內(nèi)的二維噴動流化床的噴動流化動力特性;噴動流化過程在特定氣流噴動速度下有一個初始階段和準穩(wěn)態(tài)流化階段;噴動速度是控制顆粒在噴動床中顆粒位置的重要因素,存在一個影響流化模式轉(zhuǎn)變的關鍵噴動速度;射流穿透深度和噴射速度之間存在線性關系。

真空微波干燥器,噴動流化床,氣固兩相流,數(shù)值模擬

近年來,微波真空干燥(MVD)作為一種潛在的獲得優(yōu)質(zhì)食品產(chǎn)品的干燥方法在食品工業(yè)進行了初步的應用,包括干果制品、蔬菜、谷物[1-2]。目前由于干燥腔內(nèi)電磁場的空間分布不均勻?qū)е聹囟葓龇植疾痪鶆?產(chǎn)品出現(xiàn)冷熱斑點,這個問題阻礙了這一技術的廣泛應用。同時微波干燥不均勻的溫度分布也產(chǎn)生了食品微生物安全問題[3-4]。微波真空干燥加熱均勻性受多種因素影響,例如真空腔結(jié)構(gòu)、物料空間位置、微波干燥腔內(nèi)的空間電磁場強度[1,5]。一些研究顯示,微波能量均布可以通過電磁場平均技術、機械運動方式或者氣動攪拌來獲得[6-8]。

流態(tài)化過程為干燥床中的顆粒提供了一種氣體攪拌。由于顆粒表面不斷生成的新邊界層,有利于傳熱傳質(zhì)的進行[9-10]。由于粗糙的食物顆粒如切塊或切片材料,尤其是當其水分含量較高,表面較粘時難以通過傳統(tǒng)的流化床流化,脈沖噴動床可用于流化顆粒較粗,應用于微波真空干燥被認為是解決加熱不均勻的問題的一種有效手段。雖然一些研究人員已經(jīng)采用脈沖噴動微波真空干燥(PSMVD)這個新技術對食品物料的干燥特性進行實驗研究[11-13],對于流化機理仍需要進一步理論研究,以了解在脈沖噴動微波真空干燥技術的干燥機理。

計算流體力學(CFD)方法被認為是一個有效的工具,以獲得復雜的氣固兩相流的流體動力學特性[14]。兩種不同的方法常用于模擬流化床或噴動床的兩相流動,即歐拉-歐拉(EE)和歐拉-拉格朗日(EL)方法[15-17]。在本研究中,對于在脈動噴動微波干燥系統(tǒng)中簡化二維噴動流化床的噴動流化過程,采用歐拉-歐拉雙流體模型方法進行探究。對流化噴動床的動力特性和不同噴動氣流速度下顆粒運動分布特征進行探索,有助于明確PSMVD系統(tǒng)干燥的控制因素,改善顆粒空間微波加熱的均勻性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

以來自中國寧波海通集團農(nóng)場里的新鮮萵苣作為研究對象。萵苣洗凈去皮,測量獲得萵苣的物理屬性,采用FA1104電子天平測量質(zhì)量,采用E5061矢量網(wǎng)絡分析儀測量介電特性,水分含量采用國標烘箱方法,所有測量過程進行三次,取平均值[12-13],本次研究中萵苣質(zhì)量為200.0g。

圖1 脈沖噴動微波真空干燥系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of a laboratory pulsed spouted microwave-vacuum drying system注：1.進料閥,2.板閥,3.微波加熱腔,4.微波發(fā)生器,5.循環(huán)水冷裝置,6.干燥腔,7.和13壓力表,8.氣固分離器,9.氣體濃縮器,10.真空泵,11.氣流電磁閥,12.氣流調(diào)節(jié)閥,14.氣源,15.控制面板,16.水管,17.氣體分布器,18.噴動管,19.硅橡膠塞,20.物料,21.干燥室,22.固定裝置,23.光纖溫度傳感器。

實驗室PSMVD實驗設備有七個基本部分組成,其原理圖如圖1所示。干燥箱內(nèi)的壓力可以調(diào)節(jié)在3.5～100kPa的范圍。包括:(1)圓柱多模微波腔,配有四個2450MHz微波發(fā)生器;(2)一個圓形管道真空干燥箱;(3)一個脈沖噴動系統(tǒng),配備了一套可調(diào)氣體流動和分配單元以及一套1cm3/min空氣處理單元;(4)供熱系統(tǒng)。每個磁控管的輸出功率是在0.1到1.0kW由GPA-1.8kW微波功率控制器所控制;(5)水負載系統(tǒng),被用來防止磁控管過熱;(6)真空系統(tǒng)配有冷卻器和水循環(huán)真空泵,泵輸送率為1cm3/min。

1.2 實驗方法

1.2.1 計算模型 本文采用歐拉-歐拉無粘性雙流體理論研究真空壓力條件下在噴動流化床中氣固兩相流的動力學特性。努森數(shù)是稀薄氣體的一個無量綱參數(shù)。由于脈沖噴動微波真空干燥系統(tǒng)中,真空努森數(shù)(絕對壓力,7000Pa)遠遠低于1,符合流體連續(xù)介質(zhì)假設,可以由納維爾斯托克斯方程(N-S方程)求解真空流動[18]。在CFD(ANSYS FLUENT 13.0,America)軟件中對PSMVD設備中的氣固兩相流模擬。其中萵苣顆粒假設為球形,直徑為5mm。

在目前的二維流化床(2D噴動床),噴動流動被簡化為一個二維流,如圖2所示。干燥室的寬度是40.0mm,腔高度H為 516.0mm;空氣分布噴口的寬度L是8.0mm,空氣分配器角度是45°。空氣和萵苣顆粒分別被看做氣相和顆粒相。

圖2 二維噴動流化床計算模型Fig.2 Computational models of air distribution structure

1.2.2 數(shù)值方法 氣固兩相流場采用ANSYS FLUENT求解器,通過求解雷諾數(shù)平均值的N-S方程來計算獲得。采用體積分數(shù)的隱式方案,層流粘性模型,壓力速度耦合SIMPLEC算法,最小二乘法為基礎的一階迎風空間離散,和一階隱式瞬態(tài)格式。噴射空氣和萵苣顆粒分別被設置為主相和次相。空氣和顆粒之間的相互作用被認為是顆粒流動的阻力和碰撞。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格策略,利用ANSYS ICEM進行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格包含370000個單元,單元的最小尺寸為0.01mm。進行網(wǎng)格無關性計算,保證當前網(wǎng)格尺寸的計算結(jié)果不依賴于網(wǎng)格疏密。

本文模擬邊界條件定義如下:入口被指定為速度入口,并且指定為主相速度;出口被指定為壓力出口,重力和顆粒體積分數(shù)被指定。瞬時時間步長設置0.001秒。為了考察噴動速度對流化特征的影響,選用若干氣流噴動速度工況進行模擬(氣流噴動速度 uspout=3.5、7、14、28、56m/s)。

圖3 最小噴動流化速度下顆粒體積分布Fig.3 Particle volume fraction at the minimum spout fluidization velocity注:uspout=3.5m/s,t=0.2～1.0s。

2 結(jié)果與討論

2.1 最小流化速度下噴動流化特征

當前歐拉模型下萵苣顆粒發(fā)生流化時的最小流化速度為3.5m/s,其顆粒相體積分數(shù)和速度如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出,萵苣顆粒在氣流噴動1.0s后保持傳統(tǒng)的固定床狀態(tài)。在噴動流化床整體流態(tài)化過程包括初始階段和穩(wěn)定階段。初始階段是射流穿透床層的一個瞬態(tài)發(fā)展過程,其中,所述射流最初出現(xiàn),然后無干擾的周期性地分裂成氣泡的第二階段,是一個穩(wěn)定的循環(huán)過程,其中顆粒循環(huán)在一個固定的模式。在離噴射入口高度為29.0mm處形成懸浮顆粒界面,大多數(shù)顆粒占據(jù)空氣分布器底部,很少的顆粒能夠逃離這個界面,此時最大顆粒速度達0.1m/s。

圖4 最小噴動流化速度下顆粒速度分布 Fig.4 Particle velocity at the minimum spout fluidization velocity注:m/s,uspout=3.5m/s,t=1.0～3.0s。

2.2 流動穩(wěn)定性

隨著噴口處氣體流速的增加,噴動流化床的氣固兩相流體動力學特性開始改變。微波干燥腔內(nèi)兩相流動穩(wěn)定性如圖5所示,給出了在不同氣體噴動速度下,位于初始靜止時顆粒表面中間點處的靜壓力脈動特征和萵苣顆粒的速度脈動特征;整個噴動流化有一個明確的約1.0秒的不穩(wěn)定初始過程,在這種初始波動階段后,當氣體噴射速度不高于21m/s時趨于穩(wěn)定。 隨噴動速度增加,這種不穩(wěn)定狀態(tài)的持續(xù)時間增加,且靜壓值趨于降低,而靜壓波動幅值趨于增大。在相同位置萵苣顆粒速度如圖6所示,顆粒速度在初始階段差異較大,當噴動速度不高于21m/s時穩(wěn)定。 當噴動速度達到28m/s,顆粒速度顯著增加,特點是周期性波動,并且表現(xiàn)為振動的流態(tài)化。上述分析表明,噴動速度是影響噴動流化特征的一個重要因素,存在一個關鍵噴動速度影響噴動流化模式轉(zhuǎn)變;整個流化過程可分為兩個階段:初始階段和準穩(wěn)態(tài)流化階段。

圖5 不同噴動速度下干燥腔內(nèi)靜壓脈動Fig.5 Fluctuation of static pressure at different spout gas velocity

圖6 不同噴動速度下干燥腔內(nèi)粒子脈動特征Fig.6 Fluctuation of particle velocity at different spout gas velocity

2.3 顆粒流的發(fā)展過程

當噴口氣體速度達28m/s,考慮到顆粒流的波動特性,分別討論在噴動流速為14m/s和28m/s的情形來明確影響流動模式轉(zhuǎn)變的關鍵噴動速度。

圖7 粒子體積分數(shù)分布Fig.7 Particle volume fraction注:uspout=14m/s,t=0.1～1.0s。

圖9 粒子體積分數(shù)分布Fig.9 Particle volume fraction distribution注:uspout=28m/s,t=0.1～1.0s。

圖7和圖8顯示了噴動速度為14m/s,噴動時間為0.1～3.0s內(nèi)的瞬時顆粒流動特征,顆粒流動初始階段t=0.1～1.0s秒的粒子分布情況,如圖7所示,進入準穩(wěn)態(tài)流化階段,粒子運動特征如圖8所示。與噴動速度3.5m/s相比,初始階段射流產(chǎn)生了更多、更大的氣泡,導致該區(qū)域更頻繁的顆粒運動。隨著射流發(fā)展,大多數(shù)顆粒在噴動氣流攜帶作用下獲得提升,并形成一個球形分布區(qū)域。但仍有一小部分顆粒分布在空氣分配器壁的附近,顆粒積聚發(fā)生在空氣分配器底部。噴動時間間隔0.5s從1.0s到3.0s,顆粒速度和最大提升高度分布結(jié)果如圖8。當顆粒流動模式處于一個穩(wěn)定的狀態(tài),在高度45mm噴口上方形成顆粒懸浮界面。最高的顆粒速度位于球形分布區(qū)域,這表明在此工況下噴動流化床有兩條顆粒循環(huán)軌跡。少數(shù)顆粒從懸浮表面逸出,顆粒速度的最大值達0.3m/s(標尺未給出)。

如圖9和圖10所示是噴動速度在28m/s的瞬時顆粒流動模式。瞬時流動模式在1.0s的初始階段時,帶有更多更大氣泡的射流迅速出現(xiàn),穿透顆粒床層,并與大多數(shù)顆粒顯著升高了。隨噴動射流發(fā)展,積累在空氣分配器器壁的顆粒被攜帶到上部區(qū)域。在這種情況下,噴動射流引起大多數(shù)顆粒在橫向和軸向方向的運動。顆粒懸浮高度位于噴口上方150到250mm,顆粒流動具有一定的波動特征,噴口處顆粒流動是不穩(wěn)定的(圖10)。 與噴動速度為14m/s的顆粒流相比,顆粒速度的最大值增大至1.6m/s(標尺未給出),更高速度顆粒的分布位置移至20～100mm高度區(qū)域。存在一個含有較低速度顆粒的狹窄區(qū)域,這可能是由主噴口氣體流動引起的。

在不同的噴口速度流動模式的特征表明,噴動氣流速度和顆粒狀態(tài)密切相關,存在一個關鍵噴動速度,影響顆粒流動模式的轉(zhuǎn)變。

圖8 隨噴動時間發(fā)展的粒子速度分布(uspout=14m/s)Fig.8 Particle velocity distribution at different spout time(uspout=14m/s)

圖10 隨噴動時間發(fā)展的速度分布(uspout=28m/s)Fig.10 Particle velocity distribution at different spout time(uspout=28m/s)

2.4 噴射氣流的穿透特性

在噴動流化床中,無論氣體以氣泡的形式離開噴口,還是以脈動噴射或連續(xù)噴射的形式離開,噴射區(qū)域存在大量的氣體和固體混合[19]。射流穿透深度來表征噴口氣流的關鍵參數(shù),它也隨著噴動流化床中噴射氣體的速度提高而提高。用來預測射流穿透深度的不同模型之間的差異主要是由于射流邊界的不同定義[20]。在本文中,射流穿透深度定義為孔隙率為0.8的等值線[21]。噴動氣體速度對穿透深度和壓力降影響如圖11所示。在低于28m/s的噴動氣流速度下穿透深度增加緩慢,直到56m/s才迅速增加。在射流穿透深度和氣體噴動速度之間存在一個近似線性關系。

床層壓降是表征真空流化床干燥器顆粒循環(huán)模式的另一個重要的參數(shù),在準穩(wěn)態(tài)階段,定義氣固混合物進口和出口之間壓差為壓降(ΔP)。圖11所示床壓降表明,當管口的氣體速度從14m/s增加到21m/s,該壓降從負壓變?yōu)檎龎骸＿@種現(xiàn)象表明粒顆粒循環(huán)模式的一個重要變化,噴口的氣流作用于顆粒的提升力克服了顆粒的重力,顆粒開始被從空氣分配器底部提升到真空腔室的上部區(qū)域。因此,從14m/s至28m/s的速度范圍是一個影響顆粒循環(huán)模式的關鍵噴動速度區(qū)域。

圖11 噴動流化穿透深度和壓降Fig.11 Penetration depth and Pressure drop for a 2D vacuum cavity

3 結(jié)論

本文成功采用歐拉-歐拉雙流體模型,獲得脈沖噴動微波真空干燥腔內(nèi)的二維噴動流化床的噴動流化動力特性。基于模擬結(jié)果,分析噴動流化床的動態(tài)特性和在不同噴動速度工況下噴動氣流對顆粒運動模型的影響規(guī)律。在一定噴動速度下,流化過程可分為兩個階段:初始階段和準穩(wěn)態(tài)流化階段。噴口速度是控制顆粒在噴動流化床中位置的重要因素。存在一個關鍵噴動速度區(qū)間,在此范圍內(nèi),顆粒流動模式由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化為非穩(wěn)態(tài)流動。射流穿透深度與氣體噴動速度之間存在一個近似的線性關系。在準穩(wěn)態(tài)階段,隨著噴口速度增加顆粒循環(huán)模式明顯改變,粒子開始被提升到真空干燥器上部區(qū)域。

[1]Zhang M,Jiang H,Lim RX. Recent developments in microwave-assisted drying of vegetables,fruits,and aquatic products-Drying kinetics and quality considerations[J]. Drying Technology,2010,28(11):1307-1316.

[2]Li ZY,Wang RF,Kudra T. Uniformity issue in microwave drying[J]. Drying Technology,2011,29(6):652-660.

[3]Vadivambal R,Jayas DS. Non-uniform temperature distribution during microwave heating of food materials-A review[J]. Food and Bioprocess Technology,2010,3:161-171.

[4]Jangam SV. An overview of recent developments and some R&D challenges related to drying of foods[J]. Drying Technology,2011,29(12):1343-1357.

[5]Zhang M,Tang J,Mujumdar AS,et al. Trends in microwave-related drying of fruits and vegetables[J]. Trends in Food Science & Technology,2006,17(10):524-534.

[6]Torringa HM,Dijk EJV,Bartels PV. Microwave puffing of vegetables:modeling and measurements[J]. In:Proceedings of 31st microwave power symposium,1996,16-19.

[7]Balakrishnan M,Raghavan GSV,Sreenarayanan VV,et al. Batch drying kinetics of cardamom in a two-dimensional spouted bed[J]. Drying Technology,2011,29(11):1283-1290.

[8]Feng H,Tang J. Microwave finish drying of diced apples in a spouted bed[J]. Journal of Food Science,1998:63(4),679-683.

[9]Feng H,Tang J,Cavalieri RP,Plumb OA. Heat and mass transport in microwave drying of porous materials in a spouted bed[J]. AIChE Journal,2001,47(7):1499-1512.

[10]Jambhale AS,Barbadekar BV. Microwave drying system with high-tech phase controller:a modified applicator[J]. World Acad Sci Eng Technol,2008,46:1-5.

[11]Wang Y,Zhang M,Mujumdar AS,et al. Study of drying uniformity in pulse-spouted microwave-vacuum drying of stem lettuce slices with regard to product quality[J]. Drying Technology,2013,31(1):91-101.

[12]Wang Y,Zhang M,Mujumdar AS,et al. Microwave-assisted pulse-spouted bed freeze-drying of stem lettuce slices-effect on product quality[J]. Food and Bioprocess Tech. 2013,6:3530-3543.

[13]Wang Y,Zhang M,Mujumdar AS,et al. Experimental investigation and mechanism analysis on microwave freeze drying of stem lettuce cubes in a circular conduit[J]. Drying Technology,2012,30(11-12):1377-1386.

[14]Rahimi M R,Azizi N,Hosseini SH,et al. CFD study of hydrodynamics behavior of a vibrating fluidized bedusing kinetic-frictional stress model of granular flow[J]. Korean Journal of Chem. Eng.,2013,30(3):761-770.

[15]Pai M,Subramaniam SA. Comprehensive probability density function formalism for multiphase flows[J]. Journal of Fluid Mechanics,2009,628:181-228.

[16]Bouillard J,Lyczkowski R,Gidaspow D. Porosity distributions in a fluidized bed with an immersed obstacle[J]. AIChE Journal,1989,35:908-922.

[17]Pritchett J,Blake T,Garg S. A numerical model of gas fluidized beds[C]. AIChE Symp.,1978,176:134-148.

[18]Shen C. Rarefied gas dynamics:fundamentals,simulations and micro flows[B]. Publisher:Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. 2005.

[19]Hong R,Guo Q,Luo G,et al. On the jet penetration height in fluidized beds with two vertical jets[J]. Powder Technology,2003,133(1):216-227.

[20]Musmarra D. Influence of particle size and density on the jet penetration length in gas fluidized beds[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2000,39(7):2612-2617.

[21]Gidaspow D,Ettehadleh B. Fluidization in two-dimensional beds with a jet hydrodynamic modeling[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals,1983,22(2):193-201.

Numerical study on spout fluidization dynamics in pulsed-spout microwave-vacuum dryer

LI Jing1,JIN Guang-yuan1,2，*,ZHANG Min1,2,CUI Zheng-wei1,ZHONG Jian-xun1

(1.Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2. China State Key Laboratory of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The dynamic characteristics of gas-particle spout fluidized bed in a microwave-vacuum drying system(PSMVD)were investigated. The spout fluidization process in a Pseudo-2-D spouting bed was monitored by computational fluid dynamics(CFD)using the inviscid Two-fluid theory based on Euler-Euler method. The dynamic characteristics of the spout fluidized bed and the effect of spout elevation on the particle movement were revealed,which could be used to improve the uniformity of particle mixing and microwave heating. The results revealed that mathematical model succeeded to demonstrate the dynamic characteristics of gas-particle spout fluidized bed in a microwave-vacuum drying system;the spout fluidization process includes isolated,merged and transitional jets and the fluidization at specific spout gas velocity had a start-up stage and a quasi-steady fluidization stage. The spout velocity was an important factor controlling particle status in the spout fluidized bed and a critical velocity was identified for effect transition of the flow pattern. There was an approximately linear correlation between the jet penetration depth and the spout velocity.

microwave-vacuum dryer;spout fluidized bed;two phase flow;numerical simulation

2014-05-05

李靜(1972-),碩士,講師,主要從事食品加工裝備和無損檢測問題研究。

*通訊作者:金光遠(1979-)，女，博士，講師，研究方向：食品加工裝備。

江蘇省博士后基金項目,江蘇省青年基金項目(BK20130150)。

TS255-35

A

1002-0306(2015)11-0079-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.008