基于EDEM綠茶滾筒殺青機溫度場研究

李志杰，王素芬，黃劍虹，蔣丹燕，張 奇，潘佳斌

(1.衢州學院機械工程學院，浙江衢州 324000；2.浙江上洋機械有限公司，浙江衢州 324000)

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基于EDEM綠茶滾筒殺青機溫度場研究

李志杰1，王素芬1，黃劍虹2，蔣丹燕1，張 奇1，潘佳斌1

(1.衢州學院機械工程學院，浙江衢州 324000；2.浙江上洋機械有限公司，浙江衢州 324000)

在充分調研傳統和新式綠茶滾筒殺青機設備的基礎上，基于離散元分析法的原理，借助EDEM軟件對滾筒進行溫度場分析，并探討了滾筒轉速、導葉板數量及導葉板傾角的大小對殺青效果的影響。

殺青；溫度場；離散元法；EDEM

中國是世界上發展和利用茶樹最早的國家，也是世界上最早生產綠茶的國家。在幾千年的歲月沉淀中，中國綠茶在世界貿易綠茶中占有絕對的主導地位。近幾年，由于綠茶的保健功能的發現及推廣，全球綠茶的需求每年穩速增長，大眾對于綠茶的品質也提出更高的要求[1-2]。殺青是綠茶初制加工的關鍵工序之一。茶葉殺青的目的是通過物理加溫的方法，鈍化鮮茶葉中的氧化酶活性，從而較多地保留鮮葉內的茶多酚、氨基酸、維生素等物質[3-5]；同時促進青草氣的低沸點芳香物質揮發，使綠茶帶有花香、栗香或炒豆香，香氣怡人；鮮葉失重30%～40%，脫去部分水分，使茶葉質地柔軟略帶粘性，稍有彈性，方便揉捻成形。殺青機的溫度場分析是設計和改進殺青機的基礎，殺青溫度的控制決定了綠茶外形和品質。基于此，筆者在對殺青機械結構進行優化的基礎上，以EDEM方法對滾筒內溫度場進行仿真分析，研究殺青溫度對滾筒殺青質量的影響，以期為提高殺青技術和優化滾筒結構提供理論依據。

1　材料與方法

1.1三維模型的建立為了模擬的真實性，選擇Solidworks三維軟件創建滾筒模型(圖1)，并另存為IGS格式，命名為Cylinder。

圖1　滾筒的三維建模Fig.1　Three-dimensional modeling of cylinder

1.2仿真模型的創建利用前期處理建模工具創建仿真模型的步驟[6-7]：①設置參數、物理和材料屬性；②定義原型顆粒；③定義幾何體；④設置仿真區域；⑤創建顆粒工廠。

1.2.1設置參數、物理和材料屬性。①設置Global參數，為模型命名，并描述其功能。②設置Physics和Gravity，通常在Z方向設置重力為-9.81m/s2。③設置Materials和Interactions。在Materials組框中，可以為仿真中的顆粒及幾何體定義其材料和相互作用。用Interactions定義當材料相互接觸時的運動形式。

1.2.2定義原型顆粒。創建顆粒，并對顆粒的表面(半徑、相對位置)以及特性(質量、體積、慣性矩)進行定義(圖2)。滾筒的基本參數如表1所示；茶葉顆粒的具體參數如表2所示。

1.2.3定義幾何體。導入Cylinder文件的滾筒模型如圖3所示，對幾何體Cylinder進行特性參量的設置，輸入幾何體的尺寸、位置和方向。由于筒體做旋轉運動，因此新建一個運動類型，設置運動類型為Linearrotation；設置筒體旋轉時繞X軸旋轉，并設定旋轉速度為2.93r/s；選擇初始為1s。

1.2.4設置仿真區域。仿真區域是進行仿真計算的區域，具體的設置步驟如下：設定X、Y和Z方向的仿真區域，或者使用Autoupdate復選框來自動選擇一個包括幾何體全部體積的仿真區域。

1.2.5創建顆粒工場。以定義的原型顆粒為基準在指定的幾何體邊緣或在其內生成顆粒。假設顆粒在筒體中生成，將殺青機筒體作為顆粒工廠，在EDEM中顯示為紅色幾何體，選擇Factortype為Dynamics；選擇生成顆粒數目為10 000；設置顆粒生成速率為1×104粒/s。

圖2　定義顆粒Fig.2　Defined particle

名稱Name悶殺段長度Lengthofstuffykillsection∥mm滾筒直徑Cylinderdiametermm轉速Rotationrater/min滾筒傾角Cylinderangle∥°導葉筋高度Heighofguidevane∥mm導葉筋寬度Widthofguidevane∥mm導葉筋數量Numberofguidevane∥個參數1Parameter1120060025245103參數2Parameter2120060028245104參數3Parameter3120060031245105

表2　茶葉顆粒參數

圖3　Cylinder導入滾筒模型Fig.3　Cylinder introduction drum model

1.3仿真計算

1.3.1設置時間選項。①設置時間步長。EDEM通常選擇Rayleigh時間步長的30%作為時間步長。Rayleigh時間步長由顆粒平均半徑(3.0mm)計算得出，但是根據正態分布，仿真中的最小顆粒半徑為2.5mm。因此取半徑為2.5mm的顆粒的Rayleigh時間步長的30%進行仿真計算。②設置仿真時間和數據寫出頻率。仿真時間是仿真進行的實際時間總量，相關設置如下：設置Totaltime為5s；設置數據寫出頻率Writeoutevery為0.01s。

1.3.2定義網格尺寸。顆粒的網格大小影響仿真的速度快慢。將仿真區域劃分為小的網格，則仿真計算模塊只檢測包含接觸的網格，這將大大減少計算時間。網格尺寸按照仿真模擬中最小顆粒的半徑度量，設置尺寸大小時，最好設置為最小顆粒半徑尺寸的2倍左右[8]。該仿真將網格尺寸定義為5.0mm。

2　仿真結果與分析

2.1滾筒轉速對殺青葉堆積的影響在其他條件相同的情況下，不同轉速，殺青葉覆蓋面積不同(圖4)。當滾筒轉速較大時，在導葉板的作用下，茶葉的上下翻滾變得較為劇烈，與筒內壁接觸的次數增加，滯空的茶葉顆粒數量增加，殺青葉表面溫度上升較快；但隨著殺青過程的持續，一旦轉速超過一定范圍，茶葉拋射的高度更高且散熱加快，其與筒壁的接觸時間減少，就會出現茶葉堆積現象。

圖4　滾筒轉速對殺青葉覆蓋面積的影響Fig.4　Effects of cylinder speed on leaf coverage area

2.2導葉板數量對殺青葉溫度的影響在其他條件相同的情況下，殺青溫度與滾筒內導葉板數量有直接關系，其關系曲線如圖5所示。在滾筒轉速均為28r/min的前提下，采用有5條導葉板的滾筒比只有3條、4條導葉板的滾筒溫度分布更加均勻，其升溫快、殺青效果更好。

3　結論

(1)滾筒轉速對殺青效果有影響，當滾筒處于低速轉動時，殺青葉在滾筒中的散度比處于高速轉動時更強。

(2)導葉板數量對殺青效果有影響，在相同轉速的情況下，適當增加導葉板數目有利于減少茶葉堆積現象、提高殺青葉溫度的均勻性、促進其表面水汽散發、提升殺青品質。

圖5　導葉板數量對殺青葉溫度的影響Fig.5　Effects of guide vane quantity on tea leaves temperature

[1] 浙江省農業廳.中國綠茶產業發展現狀[J].中國茶葉，2008，30(9)：4-5.

[2] 郝朝會.滾筒式紅外茶葉殺青機的設計研究[D].淄博：山東理工大學，2012.

[3] 胡國明.顆粒系統的離散元素法分析仿真[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010.

[4] 中華全國供銷合作總社.茶葉感官審評方法：GB/T23776—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5] 袁海波，許勇泉，鄧余良，等.綠茶電磁內熱滾筒殺青工藝優化[J].農業工程學報，2013，29(1)：250-258.

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[7] 陳根生，袁海波，許勇泉，等.針芽形綠茶連續化生產線設計與工藝參數優化[J].茶葉科學，2016(2)：139-148.

[8] 尹軍峰，許勇泉，袁海波，等.名優綠茶鮮葉攤放過程中主要生化成分的動態變化[J].茶葉科學，2009，29(2)：102-110.

Basedonfullinvestigationoftraditionalandnewgreenteacylinderdryingmachine,accordingtotheprincipleofdiscreteelementmethod,withsoftwareEDEM,temperaturefieldwasanalyzed,effectsofrotationspeedofcylinder,guidevanenumberandanglesizeonkillingwerediscussed.

Killout;Temperaturefield;Discreteelementmethod;EDEM

國家級創新訓練項目(201511488005)；浙江省公益性技術應用研究計劃(2015C32126)；衢州市科技計劃項目(2015Y006)。

李志杰(1979- )，男，甘肅張掖人，講師，博士，從事茶葉加工工藝與機械結構優化設計研究。

2016-06-29

S226.9

A

0517-6611(2016)23-235-03

ResearchonTemperatureFieldforGreenTeaCylinderDryingMachineBasedonEDEMMethod

LIZhi-jie1,WANGSu-fen1,HUANGJian-hong2etal(1.SchoolofMechanicalEngineering,QuzhouUniversity,Quzhou,Anhui324000; 2.ShangyangMachineryCo.LtdofZhejiang,Quzhou,Zhejiang324000)