基于Fluent的核桃帶式連續烘干機設計

魏新龍 李三平 吳立國,2 杜佳寶

(1. 東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 國家林業和草原局哈爾濱林業機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

市場上常見的核桃烘干裝置大多數是大型烘干設備，缺少小型設備，在烘干過程中核桃的位置固定，而實際工況下烘干裝置不同位置的烘干介質流速不同，溫度分布有差異，邊緣位置烘干介質流速慢，溫度較中心位置低，導致相同工藝條件下，不同位置核桃的含水率不同，從而影響核桃的口感[1]。而且單個核桃的迎風面和背風面的溫度分布也有差異，一旦烘干時間不足，同一核桃不同部位的含水率也可能不同，難以保證核桃干燥質量。

文章擬結合市場的需求和中國的實際情況[2]，提出設計最大烘干量為360 kg/h的核桃烘干機。基于氣固傳熱理論，建立烘干裝置內部熱—流—固耦合模型，并利用Fluent進行二維和三維仿真分析[3-5]，獲得烘干裝置內部氣體的流速、壓強以及溫度場的分布情況和核桃的溫度場分布情況及變化規律，并對機械結構進行優化設計，以期研制出體積較小又能保證核桃質量的烘干設備。

1 烘干方式的選擇及其工作原理

1.1 烘干方式的選擇

常見的核桃烘干加熱方式可分為傳導加熱、輻射加熱、對流加熱、介電加熱及聯合加熱[6-7]等。考慮到對流干燥成本較低、操作容易、控制方便，而且批次處理量大等優勢[8]，選擇對流加熱方式來設計小型核桃烘干設備。

1.2 工作原理

基于對流傳熱原理，結合連續烘干特點，對烘干裝置進行結構設計，使用Fluent軟件設計帶式核桃烘干機。如圖1所示，其烘干室安裝有多層傳送帶，可以不間斷地通過傳送帶向烘干室最上方的第一層送入核桃，核桃從上層掉落到下層的過程中其迎風面會發生改變，而且掉落至下層的位置也會發生改變，使核桃烘干更加均勻[9-11]。

1.傳送帶 2.導風板 3.機架 4.進氣口圖1 帶式烘干機烘干室結構圖Figure 1 Structure diagram of drying room of belt dryer

核桃進入烘干室，烘干開始時核桃處于升溫階段，在這一階段核桃的溫度逐漸升高，其水分開始蒸發，烘干速率上升，首先是表層水分蒸發，隨后進入恒溫階段，深層水分受熱向表層遷移，補充表層失去的水分，如此循環往復，在這一階段水的蒸發速率最快。當核桃內部對外部的水分遷移量小于蒸發量時，烘干速率開始下降，直至核桃中的水汽蒸發從表面移向內部，最終核桃的含水率不再發生變化，從而達到烘干的目的[12-13]。

烘干速率的定義為單位時間內每單位面積核桃汽化的水分質量，公式為：

(1)

式中：

Ud——烘干速率，kg/(s·m2)；

mdm——濕核桃中的干品重量，kg；

A——烘干介質與核桃的接觸面積,m2；

xm——核桃的含水率，kg/kg；

τ——時間，s。

核桃與烘干介質的接觸面積不易確定，用烘干強度表示烘干進行的速度，其定義為核桃的含水量隨時間的變化率，公式為：

(2)

式中：

Nd——烘干強度，g/(s·kg)。

2 烘干結構二維仿真分析及優化

2.1 模型的建立

在Ansys19.2軟件Fluent模塊中直接進行二維空間建立模型，模型比例為1∶1。設置網格尺寸，網格劃分信息：節點353 551個，元素657 953個。劃分網格，如圖2所示。

在軟件中設置進出口初始條件和邊界條件等相關參數，核桃烘干時流經的最佳風速是65 m/min，壁面材料為不銹鋼。其他參數如表1所示。

2.2 二維仿真優化

對二維模型進行計算得出相應的流速、流線、壓力和溫度等云圖，如圖3所示。

由圖3可知，在轉角處有渦流和尾流現象，每層的上層烘干介質流速明顯大于下層烘干介質流速，這種情況不利于核桃中蒸發出來的水汽排出，會降低機器的工作效率。在此基礎上進行下一步的優化工作，考慮到在實際工作過程中機器有進料口和出料口，將其加入到二維流場的優化中，并將烘干室的頂部由平頂改為30°傾斜以避免氣流在頂層有劇烈變化。烘干室左上方是核桃進料口，右下方是出料口，中間最上方是設計的氣體排氣口。第1次優化主要是針對初次設計出現的渦流和尾流進行改進，計算完成的烘干介質流速和烘干介質流線圖如圖4所示。

圖2 網格劃分圖Figure 2 Mesh division diagram

表1 二維仿真參數Table 1 Two-dimensional simulation parameters

優化完成之后與第1次設計相比渦流場明顯減少，尾流也有顯著的改善。由于傳送帶的兩端均為半圓形，因此將核桃掉落處改為圓弧過渡，取代直角。平面內進行二維仿真，得出相應的結果，如圖5所示。

與第1次優化相比，第2次優化烘干介質壓力場和溫度場變化不大，烘干介質流速更加均勻，氣流流速急速變化減小，急速變化的區域也在縮小，尾流減弱；渦流場減少，有利于加熱后的含有大量水蒸氣的熱空氣順利排出烘干室，提高設備的工作效率。

第2次優化后，整體結構布局得到極大改善，但還是存在一些氣流的“死角”未被消除。因此，嘗試在關鍵點布置核桃，在Ansys中作出二維圖，比例依然為1∶1，將畫好的圖導入Fluent中，設置網格尺寸，劃分網格。固定其他參數不變，增加核桃導熱系數0.05 W/(m·K)，計算得出相應的結果。如圖6所示，在關鍵點布置核桃后，由于核桃的干擾作用，除了頂部渦流場外，其余部位的渦流場基本消失；雖然部分區域的流速有所增加，但變化不大；壓力場和溫度場基本無變化。

經過前幾步的設計及優化，將烘干室的每一層都鋪滿核桃，觀察實際工況下，烘干機的工作狀態。該仿真中，除了將核桃鋪滿每一層之外，其他結構不做任何改進，設置好網格參數，劃分網格；設置進口的烘干介質速度和溫度，以及出口的溫度，進行迭代計算。如圖7所示，每一層都鋪滿核桃后各層的烘干介質流動都相對均勻平穩，僅在每一層的末端出現微弱的尾流。由于核桃自身的干擾作用，烘干介質場層間的渦流消失，僅在頂層和下層出料口出現渦流現象，但并不影響核桃的干燥效果。仿真結果表明，其基本達到最初的設計要求。

圖3 仿真云圖Figure 3 Simulation cloud map

圖4 第1次優化流速云圖Figure 4 The first optimized flow velocity cloud diagram

3 烘干裝置的整體設計

核桃去皮清洗烘干一體機的烘干裝置由箱體、傳送帶、齒輪、傳動軸、電機、加熱管、導風板、風機等組成。烘干裝置由電機通過齒輪驅動傳動軸，進而帶動傳送帶運動，齒輪傳動比為1∶1，每層的傳動速度相同，具體結構如圖8所示。

箱體中共有7層傳送帶，核桃從進料口進入第1層，經傳送帶運行至第1層末端，自上而下掉落到第2層，在掉落過程中核桃的迎風面發生變化，在傳送帶的位置也發生變化，使核桃均勻受熱。傳送帶采用食品級PE材質，無毒，耐熱性好，化學性質穩定[13]。烘干機主要參數如表2所示。

圖5 第2次優化云圖Figure 5 The second optimized cloud map

圓形區域為核桃放置點圖6 布置核桃后仿真云圖Figure 6 Simulation cloud map after walnut layout

圓形區域為設置的核桃分布區域圖7 鋪滿核桃仿真云圖Figure 7 A simulation cloud map full of walnuts

在合適的條件下30 min即可完成核桃烘干。烘干前采用濕核桃的相關參數，單個核桃的質量大約為15 g，綜合核桃的直徑計算，烘干機的處理量360 kg。

1.進料斗 2.小齒輪 3.減速器 4.風機 5.電機 6.導流板 7.傳送帶 8.傳動軸 9.大齒輪 10.出料斗圖8 烘干裝置外部結構圖Figure 8 External structure diagram of the drying device

表2 烘干機主要參數Table 2 Main parameters of drying mechanism

4 核桃烘干裝置內部熱—流—固耦合仿真分析

4.1 模型的建立

使用專業的三維制圖軟件Creo進行三維建模，并保存為IGES格式導入Ansys軟件的Fluent模塊，編輯模型，如圖9所示。

三維模型建立后，在烘干裝置內充滿流體，然后進行網格的劃分(如圖10所示)，網格劃分信息：節點3 968 892個，元素15 132 811個。

烘干室壁面材料為保溫材料，流體材料是空氣，打開能量方程。湍動能k和湍流強度I計算公式：

(3)

I=0.16(ReDH)-1/8，

(4)

式中：

圖9 烘干機構的模型的建立Figure 9 Establishment of the model of the drying mechanism

圖10 有限元分析整體網格的劃分Figure 10 The division of the overall mesh of the finite element analysis

k——湍動能，m2/s2；

I——湍流強度；

ReDH——按照水力直徑計算得到的雷諾數。

耗散率計算公式：

(5)

式中：

?——耗散率；

C——湍流耗散率；

κ——湍流動能，m2/s3；

μ——動力黏度，取0.09；

L——關聯尺寸(等于水力直徑DH)，m；

l——湍流長度(l=0.07L)，m。

三維仿真參數如表3所示。

4.2 流場分析

設定邊界條件、初始條件等參數，迭代計算得出結果，進行分析。

表3 三維仿真參數Table 3 Three-dimensional simulation parameters

烘干室溫度場的分布是烘干機最為重要的參數之一。對烘干室內的溫度場分布情況進行仿真分析。然后沿y方向分析xz平面內的溫度分布情況，第2～5層氣流穩定，選取第2～5層進行分析，如圖11、圖12所示。

由圖11可知，烘干室中心溫度較高，邊界溫度低，差別較為明顯。造成中心和邊界溫度不同的最主要因素：① 由于金屬箱體吸收一部分熱量，并傳導出去；② 由于氣—固件交界面存在邊界層，氣流流速低的原因，熱交換沒有中心位置快。

烘干介質在流動過程中熱量不斷損失，從圖12(a)可以看出，距離進風口較近的位置溫度高于遠離進風口的位置。未封閉空間中，熱空氣在上升的過程中，溫度不斷散失，上層的溫度較低；除了中間層和上層整體溫度的差異以外，從云圖中還可以發現同樣是由于箱體傳導溫度和邊界層的原因，烘干室的中心部位溫度高于邊界溫度，圖12(b)也驗證了xy平面溫度場不同位置溫度不同的結果。

4.3 烘干裝置優化

金屬具有良好的導熱性，距離壁面較近位置的烘干介質熱量散失的較快，溫度較低，一方面不利于烘干的進行；另一方面導致中間位置的核桃與邊界處烘干時間不同，會造成能量的浪費。

圖11 烘干裝置溫度仿真云圖Figure 11 Temperature simulation cloud diagram of drying device

針對存在的問題，對所設計的烘干機進行改進，并仿真驗證。箱體內壁更換為聚苯乙烯材料，導熱率0.032 W/(m·K)，進口風速1.08 m/s，溫度433 K。y方向xz平面內的溫度分布情況，取第2～5層進行分析，如圖13、圖14所示。

在優化之后的云圖中可以看出，烘干室內壁由金屬改為保溫材料，優化之后烘干室內部邊界的溫度與之前相比也大大提高，同時進入烘干室，處在同一層不同位置的核桃溫度分布不均勻，含水率不同的情況被緩解。

與優化前的烘干室內部溫度分布對比，優化后烘干室內部溫度分布更加均勻，烘干介質溫度比壁面溫度差值明顯變小，邊界溫度也更高。優化前，烘干室內中層的最高溫度接近432 K，溫度分布很不均勻；優化后，烘干室中層溫度接近433 K，溫度均勻分布，邊界與中心位置差別很小。

5 烘干試驗

為確保仿真數據的準確性，通過建立試驗平臺，對烘干裝置進行驗證。采用1∶3的比例制作烘干裝置縮小模型。烘干裝置內壁使用聚苯板作為保溫材料，層間材料為聚合版，保溫板間的縫隙使用密封膠封閉，最大程度上保證烘干裝置的密封性。

使用該裝置進行試驗，通過溫度傳感器，采集不同位置的溫度數據，與仿真數據進行對比。測得試驗開始前室溫為17 ℃。設定室溫為17 ℃，再次仿真，最大程度保證對比數據的可靠性。使用可調溫風機從入口通入熱空氣，通過觀察溫度傳感器的參數，待示數穩定后對溫度進行記錄。試驗數據與仿真數據如圖15所示。

通過數據對比發現：仿真數據與試驗數據存在一定的偏差。試驗數據與仿真數據的最大偏差不超過0.3 ℃；中部與上層的試驗數據對比溫差在0.2 ℃左右，符合烘干要求。

圖12 溫度曲線圖Figure 12 Temperature graph

圖13 優化后xz平面溫度云圖Figure 13 The optimized xz plane temperature cloud map

圖14 優化前后溫度對比曲線圖Figure 14 Temperature comparison curve before and after optimization

圖15 流體溫度對比曲線圖Figure 15 Fluid temperature comparison curve

數據偏差分析：① 軟件仿真是基于理想狀態進行的，無其他干擾因素，實際試驗過程中存在諸多不確定性因素，可能對試驗結果造成一定程度的干擾；② 由于試驗儀器精度的問題；③ 模型原材料以及裝配過程中的缺陷。這些因素都是導致試驗與仿真存在誤差的原因。

流體數據采集對比完畢，進行核桃烘干數據采集。熱電偶接入去皮的核桃中。為保證對比數據的可靠性，核桃溫度數據進行采集位置與仿真數據取相同位置，選取核桃內部的平均溫度作比較，如圖16所示。

通過數據對比，不同位置的試驗溫度均略高于仿真溫度，溫差在1 ℃左右。主要影響因素：① 使用Fluent仿真時，核桃模型處于理想狀態，試驗狀態下的核桃內部密度分布不均勻；② 核桃模型表面相對光滑，真實核桃表面凹凸不平，與烘干介質接觸面積更大，更有利于吸熱的進行；③ 與仿真模型相比，在采集試驗溫度的過程中，對核桃有一定的破壞，熱空氣從縫隙進入核桃內部，與熱電偶直接接觸，也是造成溫度偏高的重要原因。除此之外，可能還有一些未知因素的影響。綜合試驗數據與影響因素，總體上分析，試驗數據與仿真數據差別不大，試驗曲線趨勢與仿真曲線趨勢相同，與試驗預期結果相符合。

圖16 核桃溫度對比曲線圖Figure 16 Comparison curve of walnut temperature

6 結論

針對市場上缺少小型連續核桃烘干設備的問題，設計出一種基于對流傳熱方式的小型核桃帶式連續烘干機。該裝置由7層傳送帶組成，烘干帶長11 900 mm，寬1 050 mm，以空氣作為烘干介質。建立了烘干裝置內部熱流固耦合模型，并利用Fluent進行了二維和三維仿真分析，得到烘干裝置內部的流速、壓強以及溫度場的分布情況及變化規律；通過對比分析仿真結果，對其機械結構進行了優化設計；優化后烘干裝置內部由平頂改為有30°的角度傾斜、核桃掉落處由直角改為圓弧過渡、箱體內壁更換為新的保溫材料之后，發現核桃烘干質量較好并且溫度分布更均勻。后續將制造實體樣機并結合實際生產情況對其進行優化改進。