紫花苜蓿太陽能干燥箱的設計及模擬

王少丹，錢珊珠，田偉娜，張 悅

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

紫花苜蓿被譽為“牧草之王”是世界上栽培歷史最悠久、面積最大的多年生豆科飼草，它既可肥田，促進農作物增產，又能養畜，營養價值甚至比一些谷物精飼料還高。苜蓿在農牧業生產中起著重要作用，它是家畜的主要優良飼草，無論是青、干草還是青貯，都具有品質優良、適口性好的特點[1]。

苜蓿干燥是加工過程中最重要的因素，其對苜蓿后處理有著重要的影響[2]。我國太陽能資源豐富，太陽能干燥是農產品干燥的理想加工方式，通過太陽能加熱的熱風對各種形態的農產品如果蔬、中藥材等進行干燥。

太陽能干燥農產品，溫度在65℃以下，能更好地保留營養價值，可以避免露天攤曬中出現灰塵、蠅蟲等污染和腐爛變質現象，可以節約燃煤等傳統干燥方式的能源消耗，降低成本，減少污染排放[3]。

Vijayan S 等[4]開發了一種多孔顯熱存儲介質集成的間接強制對流式太陽能干燥器，研究了多孔蓄熱和質量流率對苦瓜干燥系統性能的影響。雒鋒[5]等在普通恒溫鼓風干燥箱上增加主軸、電動機、減速機及變頻器等部件進行改造，為干燥箱的應用提供了新的思路。Darabi H[6]等設計了一種全新帶獨立入口托盤的干燥箱，并通過CFD軟件進行模擬研究。付玉[7]設計出變截面—靜壓式平行送風型干燥箱，并對干燥箱各個方向上的流場分布情況進行了模擬研究。

綜上所述，目前國內外對干燥箱的研究不多且不深入，干燥箱雖然能基本滿足干燥要求，但在實際過程中還存在著干燥速度慢及不均勻等問題，而設計合理的干燥箱結構使其提供均勻穩定的熱氣流是解決這些問題的關鍵。本研究對立式雙向通風太陽能干燥箱進行改進研究，對干燥箱內部流場分布進行分析，提出改進方案，并通過仿真驗證了設計的合理性，使干燥箱內部更加均勻地流過要進行干燥的物料，提高干燥效率和干燥產品的品質，降低能耗。

1 太陽能干燥系統

1.1 干燥方法

現有的干燥箱設計多是采用單向風向流動形式的熱風進行干燥，主要缺點是：干燥段較長，熱風在干燥箱內流動時間較長，溫度下降較大，農產品受熱不均勻，干燥效果差。為了使物料干燥均勻則需倒換干燥盤或是選用更高功率的風機提高風速，這樣就會提高干燥的成本和能耗，降低干燥效率。本研究將采用雙向通風循環干燥方式。

圖1為干燥系統風向流動示意圖。按圖1中方向1(━·→ 所示)進行干燥時：冷空氣在集熱器腔體內先進行加熱升溫，在鼓引風機的作用下以一定的速度將熱氣流從集熱器通風口1經循環氣體處理中心帶到干燥箱通風口1、2，進入干燥箱內部對物料進行加熱；之后帶有余熱的熱氣流經干燥箱通風口3、4排出經循環氣體處理中心，再通過集熱器通風口2進入到集熱器腔體內進行重復工作。按圖1中方向2(━→ 所示)進行干燥時：由變頻器控制風機反轉，氣流則會由集熱器的通風口2流出。其中，由于經過循環氣體處理中心的氣體為溫度較高的熱氣流，所以該部分選取了性價比較高的竹質活性炭作為干燥材料。

圖 1 干燥系統風向流動示意圖Fig.1 Wind direction flow of drying system

1.2 太陽能干燥箱結構

干燥箱作為干燥的重要場所，不僅要考慮合理的進出風方式實現熱氣流與物料進行換熱、換濕，而且要選擇合理的物料承放方式，即滿足物料進出的方便性又使空間得到充分的利用。

本文研究的太陽能干燥箱主要由箱體、載料盤、隔板及保溫層、上下通風口5部分組成，如圖2所示。

圖2 干燥箱結構示意圖Fig.2 Structure of drying box

考慮到干燥過程中對干燥空間的需求，干燥箱內部容積尺寸為1 030mm×850mm×1 400mm(長×寬×高)。箱體內部由隔板分割成若干獨立的空間，每個空間分布有4層導軌，用來固定載物盤。保溫層采用操作簡單、價格低廉的聚氨酯發泡作為保溫材料，保溫層厚度為100mm分布在干燥箱的四周，減少干燥箱內部熱量的散失。上下通風口為4個四棱臺結構，其端口口徑為300mm×300mm的正方形。為了方便實驗過程中應用傳感器測量進出口處氣流的速度以及溫度，在端口側壁上設計有一個直徑為30mm的圓孔，如圖3所示。

1.端口 2.圓孔圖3 端口結構示意圖Fig.3 Port structure diagram

本設計主要在干燥箱內設置隔板，將干燥箱內部分割成若干個獨立的空間，使到達物料的氣流更加均勻，提高干燥的均勻性。

2 干燥箱模擬分析

2.1 干燥箱內部流場數學模型

CFD是進行傳熱、傳質及動量傳遞等研究的核心和重要技術，可在流動基本方程(動量守恒、能量守恒)控制下對流體進行數值模擬。

由于流體湍流運動機理和規律的復雜性，目前尚未找到對各種流動情況都十分有效的模型。工程上應用最廣泛的是k-ε兩方程模型[8]。k-ε是從實驗現象中總結出來的一個半經驗公式，主要是求解兩個附加方程，k方程和ε方程。其中，k方程是表示湍流脈動動能方程，ε方程是湍流耗能方程[9]。

假設干燥箱內的氣流為穩態、不可壓縮的流動，用標準雙方程湍流模型描述這種流體運動現象的微分形可表達如下：

動量方程為

(1)

能量方程為

(2)

k方程為

(3)

ε方程為

(4)

其中

方程選取參數：c1=1.44,c2=1.92,cu=0.09,δk=1.0,δε=1.3,δT=0.9～1.0 。

k-ε湍流模型對于內部的穩態或非穩態的充分發展湍流都很適用，但k-ε湍流模型只適合于離開壁面一定距離的湍流區域，對于壁面附近的區域，一般采用壁面函數來處理。因為壁面函數對多種壁面流體的流動都適用，所以現在大部分CFD軟件都將其當作默認的求解方法[10]。

2.2 干燥箱內部流場數值模擬

2.2.1 建模及網格劃分

高質量的網格是CFD計算的前提條件，是影響CFD計算結果的最主要因素之一[11]。利用Gambit對干燥箱模型進行網格劃分，可以得到包括邊界條件等特殊要求的高質量的網格。

對于數值計算來說，網格數量、網格類型和網格質量是至關重要的，在干燥箱內部采用分塊方式進行網格劃分，一些尖角處采用非結構網格，在形狀比較規則的地方采用結構化的網格。

2.2.2 邊界條件

因湍流效應對流動與傳熱有一定的影響，故采用k-ε方程模型。Pressure based隱式求解，保證收斂的穩定性；壓力和速度解耦采用SIMPLE算法；動量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風格式(Second Order Upwind);計算流體進口采用速度入口條件，給定流體速度、溫度及相應的湍流條件；出口采用壓力出口條件；箱體壁面采用不可滲透、無滑移絕熱邊界。具體邊界條件如表1所示。

2.3 模擬結果及分析

改進前速度矢量圖如圖4所示。由圖4可以看出：空氣由進風口進入干燥箱后，在干燥區域內氣流主要集中在中間部位，四周部分只有少量氣流經過，即干燥箱四周空間沒有被充分利用，造成了干燥空間的浪費，同時也不利于達到良好的干燥效果。

圖4 改進前速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of before improvement

改進后速度矢量圖如圖5所示。空氣由進風口進入干燥箱后，自下而上運動過程中，由隔板將氣流強制均分，使進入各個部分的空氣更加均勻；干燥氣流不再過于集中，使干燥箱內的干燥情況得到了改善。從矢量圖中可以看出：干燥區域內四周氣流速度明顯提高；整體來看，整個干燥段內氣流速度較為均勻。均勻的干燥氣流可以提高干燥箱的利用效率，增強干燥效果。

圖5 改進后速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of before improvement

因為干燥箱內部為規則的長方體，所以截取具有代表性的、中間截面上同一高度的水平線上的數據，進行分析。

提取改進前干燥箱內干燥段的數據(見圖6)，可以看出：0～0.2m處干燥區域內，氣流速度成線性上升，前后上升幅度較大，此區域內氣流速度不均勻，不利于物料的均勻干燥。0.65～0.83m處干燥區域內，氣流速度成線性下降，前后下降幅度較大，同樣此區域內也不利于物料的均勻干燥。兩端不均勻區域占整個干燥區域比例接近1/2，造成干燥區域的嚴重浪費。

提取改進前后干燥箱內同一部分干燥段內的數據進行對比，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出：0～0.2m以及0.65～0.83m的兩部分干燥區域內，氣流速度明顯提高，且與中間部分氣流速度基本持平；不僅提高了四周干燥區域內的速度及干燥區域的利用率，且與中間干燥區域速度基本保持一致，使整個干燥區域內的干燥速度均勻。

圖6 改進前速度變化曲線Fig.6 Velocity curve of before improvement

圖7 改進后速度變化曲線Fig.7 Velocity curve of improvement

3 試驗驗證

3.1 試驗材料

本試驗所使用的試驗材料是由中國農業科學院草原研究所提供的紫花苜蓿，初始含水率為71.12%，平均株高51cm。

3.2 試驗儀器

動力系統：4-72NO 3.6A離心通風機(由變頻器控制轉速)；測量設備如表2所示。

表2 主要測量設備Table 2 Main measuring equipment

3.3 試驗過程及指標

選取輻射強度相似的天氣對改進前后干燥箱進行空載和帶載對比試驗。空載試驗在干燥箱內分布風速傳感器，并用數據采集系統實時監測數據。帶載試驗選取長勢相同、同一茬的紫花苜蓿為試驗原料，將其均勻平鋪在干燥箱內部，厚度為10cm。變頻器調節到50Hz；每30min取樣測量含水率的變化，并記錄。葉片含水率的計算公式為

3.4 試驗結果及分析

3.4.1 空載試驗結果分析

選取水平面上一條直線上1h內的數據去掉失真值取平均值，試驗結果如圖8和圖9所示。其與模擬結果趨勢相同，表明在干燥箱內增加隔板使其內部形成獨立的干燥空間，有利于氣流的均勻分布。

圖8 改進前速度變化曲線Fig.8 Velocity curve of before improvement

圖9 改進后速度變化曲線Fig.9 Velocity curve of improvement

3.4.2 帶載試驗結果分析

試驗結果如圖10和圖11所示，改進后的干燥箱提高了四周空間內的風速，使紫花苜蓿干燥過程更加的均勻，使同一批物料最終含水率不一致的問題得到了解決。

圖10 改進前干燥速率變化曲線Fig.10 Drying rate change curve before improvement

圖11 改進后干燥速率變化曲線Fig.11 Drying rate change curve of improvement

4 結論

1)改進后干燥箱提高了干燥區域的利用率：使改進前干燥箱內1/2的低速區得到了改善，使干燥區域得到了充分的利用。

2)改進后干燥箱提高了干燥效率及均勻性。使改進前干燥箱內的低速區并使之與干燥箱內中間部分速度基本一致，提高了干燥的效率及均勻性。

3)改進后干燥箱提高了干燥速率，降低了每千克物料干燥需要的能耗。改進后干燥箱使用循環干燥的干燥方法，將干燥后的熱氣流進行回收再利用，降低了干燥系統的整體能耗。