吳恩光， 劉 紅， 高俊濤*， 胡文豪

(1.浙江瑞邦智能裝備股份有限公司， 浙江 嘉興 314006；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310014)

社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提高了人們生活水平，煙熏食品也愈發(fā)受到人們的青睞。煙熏爐是加工煙熏食品的重要設(shè)備，其性能的好壞對(duì)煙熏食品的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。煙熏爐是通過煙熏氣體實(shí)現(xiàn)對(duì)煙熏食品的加工，在加工煙熏食品時(shí)，加熱倉內(nèi)煙熏氣體的流場分布將直接決定煙熏食品的品質(zhì)。煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)、加熱倉的設(shè)計(jì)和加熱倉氣流調(diào)節(jié)技術(shù)等都是影響加熱倉流場分布的重要因素；其中，煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)是影響加熱倉內(nèi)部流場分布的關(guān)鍵。

垂直氣流煙熏爐的風(fēng)室流道比較簡單，加熱倉內(nèi)部流場紊亂，容易導(dǎo)致煙熏食品成色不均勻、品質(zhì)低下等問題。智能集熱型煙熏爐采用雙風(fēng)機(jī)風(fēng)室結(jié)構(gòu)，2個(gè)風(fēng)室對(duì)稱分布在煙熏爐箱體的2側(cè)，依次布置有若干個(gè)出風(fēng)管；2臺(tái)離心風(fēng)機(jī)協(xié)同工作，在一定程度上改善了煙熏食品的品質(zhì)。

陳嘉宏等[1]提出了一種可以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量的結(jié)構(gòu)，用于改善加熱倉內(nèi)部的流場分布狀況，提高煙熏食品的加工效率。張玲玲等[2]基于CFD技術(shù)對(duì)煙熏爐加熱倉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而改善加熱倉內(nèi)部流場分布，提高煙熏效果。李偉國[3]引入了風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)后使用動(dòng)壓方差和皮爾森相關(guān)系數(shù)作為流場改善效果和動(dòng)邊界模型仿真效果的指標(biāo)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)加熱倉氣流場的改善效果。施明等[4]采用二維簡化建模分析方法,提出了在加熱倉進(jìn)風(fēng)口增加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的方案，有助于改善加熱倉內(nèi)部流場分布不均勻和食品加工效率低的問題。陳斐奇[5]不僅對(duì)加熱倉進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，還提出新的食品擺放思路，進(jìn)一步改善其流場分布,提高食品加工質(zhì)量與效率。Mikhail Zaydman[6]提出了一種同時(shí)具有固定食品和發(fā)煙加熱功能的可旋轉(zhuǎn)食物支架，不僅提高了煙熏食品的熏制效率，還提高了熏制的充分程度。Han DaeHee[7]將紅外線加熱應(yīng)用于傳統(tǒng)的煙熏熏制工藝，彌補(bǔ)了單一加熱方式的不足。

1 煙熏爐的基本結(jié)構(gòu)

煙熏爐由爐體系統(tǒng)、發(fā)煙系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、交換系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、物載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成[8]。其中爐體系統(tǒng)是煙熏爐的核心，其他系統(tǒng)都是在爐體系統(tǒng)之上建立起來的，所有系統(tǒng)協(xié)同工作在煙熏爐內(nèi)形成的物理場稱作煙熏室。煙熏室是煙熏爐的核心，主要包括加熱倉和風(fēng)室，加熱倉是煙熏爐加工食品的場所，風(fēng)室是煙熏氣體在送風(fēng)系統(tǒng)中流經(jīng)的主要場所，加熱倉內(nèi)部的流場分布狀況將直接關(guān)系到煙熏食品的品質(zhì)。

發(fā)煙系統(tǒng)主要是對(duì)木屑、樹枝等通過不完全燃燒產(chǎn)生煙氣[9]，21世紀(jì)以來，煙熏液作為一種更加健康的食品添加劑已得到廣泛應(yīng)用[10-11]。

送風(fēng)系統(tǒng)[12-14]較為復(fù)雜，除了能夠使發(fā)煙系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入煙熏爐，還能夠讓煙熏室內(nèi)的氣流循環(huán)往復(fù)工作，使得食品熏制達(dá)到更好的效果。送風(fēng)系統(tǒng)主要是由風(fēng)機(jī)、風(fēng)室和調(diào)節(jié)裝置組成，加熱倉內(nèi)部的流場分布很大一部分取決于送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)系統(tǒng)利用風(fēng)機(jī)使得煙熏氣體在加熱倉和風(fēng)室內(nèi)循環(huán)往復(fù)流動(dòng)以熏制食品。此外，煙熏爐內(nèi)外氣壓的平衡、煙熏氣體的熱交換、工作模式的轉(zhuǎn)換都與送風(fēng)系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。

風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)煙熏氣體的整體流動(dòng)情況，風(fēng)室是煙熏氣體在送風(fēng)系統(tǒng)中的主要流經(jīng)場所，其結(jié)構(gòu)形狀都會(huì)對(duì)煙熏氣體的流場產(chǎn)生影響，調(diào)節(jié)裝置可以改善煙熏氣體的流場分布，例如，均風(fēng)板可以讓煙熏氣體相對(duì)均勻地從每一個(gè)出風(fēng)管吹出。

交換系統(tǒng)主要是通過盤管和盤管內(nèi)的高溫蒸氣與煙熏氣體進(jìn)行熱交換；清潔系統(tǒng)是用來對(duì)煙熏爐進(jìn)行清洗；物載系統(tǒng)是用于煙熏食品的裝載和放置；控制系統(tǒng)是控制煙熏爐的啟動(dòng)和關(guān)閉以及煙熏爐各個(gè)工作模式之間的轉(zhuǎn)換[15]。

2 送風(fēng)系統(tǒng)

2.1 送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室原始結(jié)構(gòu)

針對(duì)某款智能集熱型煙熏爐同一車煙熏食品出現(xiàn)部分食品品質(zhì)較低或者成色不均勻的問題，首先對(duì)該2門5車煙熏爐整體模型進(jìn)行簡化，提取其單側(cè)風(fēng)室結(jié)構(gòu)，使用FLUENT軟件進(jìn)行流場仿真。

智能集熱型煙熏爐采用雙通道送風(fēng)系統(tǒng)，2個(gè)風(fēng)室分別設(shè)置在爐體頂部的2側(cè)，每個(gè)風(fēng)室的出口依次設(shè)置有34個(gè)同樣的出風(fēng)管，煙熏氣體從出風(fēng)管流出進(jìn)入加熱倉熏制食品。2門5車智能集熱型煙熏爐的簡化模型如圖1所示。

圖1 2門5車智能集熱型煙熏爐的簡化模型Figure 1 Simplified model of 2-door 5-car intelligent heat collecting smoked oven

由于2側(cè)風(fēng)室對(duì)稱分布，因此利用對(duì)稱性進(jìn)行建模。此外，為提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在出口處增加拓展域部分，建立了2門5車智能集熱型煙熏爐單側(cè)風(fēng)室仿真模型，使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，并對(duì)均風(fēng)板周圍和出風(fēng)管進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 2門5車智能集熱型煙熏爐風(fēng)室仿真模型網(wǎng)格劃分Figure 2 Mesh model of wind chamber for 2-door 5-car intelligent heat collecting smoked oven

2.2 送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室原始結(jié)構(gòu)仿真分析

采用FLUENT軟件進(jìn)行仿真，其邊界條件的設(shè)置如表1所示。

石榴采摘后能有多種用途。個(gè)頭大，汁多味甜的石榴用于出售給消費(fèi)者食用。外觀不好，但是酸甜可口的石榴被送到工廠進(jìn)行產(chǎn)品加工，制成石榴汁進(jìn)行售賣。而味道酸澀的石榴將被用作制作石榴酒，石榴醋等產(chǎn)品。而剩余的石榴皮可以曬干后進(jìn)行賣入中藥店用作藥材。而剩下的石榴籽可以加工精油進(jìn)行出售，或者賣入化妝品生產(chǎn)公司進(jìn)行深加工。而老了的果樹進(jìn)行加工后，可以制作成為觀賞價(jià)值較高的盆景。由于石榴的多種用途，給石榴種植產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了有利的條件。

表1 煙熏爐風(fēng)室計(jì)算邊界條件設(shè)置

仿真計(jì)算時(shí)假設(shè)煙熏氣體為不可壓縮理想氣體，使用壓力求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，選取Standard標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和Simple算法，耗散率設(shè)置為2級(jí)迎風(fēng)格式，k和Epsilon方程、連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的最小收斂誤差準(zhǔn)則均設(shè)置為10-3。

將送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室的出風(fēng)管進(jìn)行編號(hào)，沿小車入口方向至小車出口方向依次編號(hào)為1～34號(hào)，經(jīng)過34個(gè)出風(fēng)管口圓心的截面速度云圖如圖3所示。

圖3 出風(fēng)管中心截面速度云圖Figure 3 Sectional velocity cloud chart of centers of wind outlet pipes

煙熏氣體從風(fēng)室入口進(jìn)入，一部分氣體穿過均風(fēng)板上的圓孔流入附近的出風(fēng)管，另一部分氣體撞擊到均風(fēng)板上后被反彈，流到兩側(cè)風(fēng)室的更遠(yuǎn)處，然后從各個(gè)出風(fēng)管流入加熱倉。由圖2可以直觀地看出，2側(cè)的16個(gè)出風(fēng)管比中間的18個(gè)出風(fēng)管速度大，即1～8號(hào)管和27～34號(hào)管出口速度要明顯大于9～26號(hào)管，最大風(fēng)速出現(xiàn)在第27號(hào)出風(fēng)管，速度為43.73 m/s，最小風(fēng)速出現(xiàn)在第13號(hào)出風(fēng)管，速度為33.45 m/s，二者差值為10.28 m/s，出現(xiàn)了顯著的速度分布不均勻的現(xiàn)象，容易造成加熱倉內(nèi)部流場紊亂，導(dǎo)致煙熏食品品質(zhì)低下和成色不均勻。

2.3 送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室原始結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室仿真模型的正確性和合理性，課題組進(jìn)行了試驗(yàn)。采用風(fēng)速儀對(duì)2門5車智能集熱煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室的各個(gè)出風(fēng)管風(fēng)速進(jìn)行測量，并與仿真結(jié)果比較。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 在空載狀態(tài)下正常啟動(dòng)智能集熱型煙熏爐；

2) 啟動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)的2個(gè)風(fēng)機(jī)，等待一段時(shí)間后觀察控制面板上的電壓和電流值，直到2個(gè)數(shù)值都趨于穩(wěn)定；

3) 將風(fēng)速儀的感應(yīng)區(qū)依次對(duì)準(zhǔn)各個(gè)出風(fēng)管出口，垂直對(duì)準(zhǔn)風(fēng)口，保持靜止直到讀數(shù)穩(wěn)定之后，記錄下讀數(shù)；

4) 不改變煙熏爐工作狀態(tài)，重復(fù)測量3次，并記錄數(shù)據(jù)；

5) 先后關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng)的2個(gè)風(fēng)機(jī)和煙熏爐總閘，再關(guān)閉風(fēng)速儀，整理實(shí)驗(yàn)器材。

將3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值后作為各個(gè)出風(fēng)管風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，并與仿真計(jì)算得到的各個(gè)出風(fēng)管風(fēng)速大小的平均值在同一坐標(biāo)下繪制2條折線，如圖4所示。

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)出口速度比較Figure 4 Comparison of outlet velocities between simulation and experiment

由圖4可知，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制成的折線圖走勢基本一致，最高風(fēng)速都出現(xiàn)在第27號(hào)管，仿真數(shù)值為43.73 m/s，實(shí)驗(yàn)數(shù)值為40.64 m/s，差值為3.09 m/s，誤差為7.07%，再取其他點(diǎn)位進(jìn)行比較，誤差均在10%以內(nèi)，說明課題組所建立的仿真模型是合理可靠的。

3 送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

有研究表明，隨著煙熏爐的增大，煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室出口速度差值也變得越來越大，表2所示為不同規(guī)格的煙熏爐出風(fēng)管速度的分析數(shù)據(jù)。

表2 出風(fēng)管速度分析表

由表2可知，1門1車、1門2車和1門3車的速度分布相對(duì)均勻，2門4車和2門5車的最大速度差達(dá)10.28 m/s，容易導(dǎo)致加熱倉內(nèi)部流場紊亂，不利于煙熏食品的熏制。

3.1 送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室變徑結(jié)構(gòu)仿真分析

課題組以2門5車智能集熱型煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)室為原始模型，提出了圖5所示的變徑結(jié)構(gòu)模型。去掉了原始結(jié)構(gòu)中的均風(fēng)板，依據(jù)風(fēng)室高度變高氣流速度變緩的原理，對(duì)風(fēng)室原始結(jié)構(gòu)的高度以及頂板和底板之間的角度重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖5 2門5車煙熏爐風(fēng)室變徑結(jié)構(gòu)模型Figure 5 Variable diameter structure model for wind chamber of 2-door 5-car smoked oven

同樣采用對(duì)稱仿真模型對(duì)變徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了圖6所示的風(fēng)室速度矢量圖。分析后發(fā)現(xiàn)，2門5車煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室變徑結(jié)構(gòu)出風(fēng)管最大平均速度出現(xiàn)在第17號(hào)管，風(fēng)速為40.03 m/s，最小平均速度出現(xiàn)在第26號(hào)管，風(fēng)速為37.92 m/s，二者差值為2.11 m/s，相較于原始結(jié)構(gòu)減小了79.47%。

圖6 2門5車煙熏爐風(fēng)室變徑結(jié)構(gòu)速度矢量圖Figure 6 Velocity vector chart for variable diameter structure wind chamber of 2-door 5-car smoked oven

3.2 送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室多管連接結(jié)構(gòu)仿真分析

煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室多管連接結(jié)構(gòu)的簡單模型和剖視圖如圖7和8所示。多管連接結(jié)構(gòu)一頭連接風(fēng)室進(jìn)風(fēng)口，另一頭連接若干個(gè)出風(fēng)管。

圖7 煙熏爐風(fēng)室多管連接結(jié)構(gòu)簡單模型Figure 7 Simplified model of multi-pipe connection structure for wind chamber of smoked oven

圖8 煙熏爐風(fēng)室多管連接結(jié)構(gòu)剖視圖Figure 8 Cross section of multi-pipe connection structure for wind chamber of smoked oven

采用和原始結(jié)構(gòu)一樣的仿真模型對(duì)多管連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如圖9所示的多管連接結(jié)構(gòu)簡單模型的速度云圖。分析后發(fā)現(xiàn)，每個(gè)出風(fēng)管平均速度大小基本相同，并且每個(gè)出風(fēng)管的速度分布也很相似。最大平均速度出現(xiàn)在第5號(hào)管，速度大小為31.99 m/s，最小平均速度出現(xiàn)在第4號(hào)管，速度大小為31.42 m/s，二者差值為0.57 m/s。

圖9 煙熏爐風(fēng)室多管連接結(jié)構(gòu)簡單模型速度云圖Figure 9 Velocity cloud chart for multi-pipe connection structure wind chamber of smoked oven

3.3 煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室結(jié)構(gòu)比較

改進(jìn)后的變徑結(jié)構(gòu)和多管連接結(jié)構(gòu)都有效改善了原始結(jié)構(gòu)出風(fēng)管出口速度不均勻的問題，其中變徑結(jié)構(gòu)將出風(fēng)管平均速度的最大差值降低至2.11 m/s，多管連接結(jié)構(gòu)將出風(fēng)管平均速度最大差值降低至0.57 m/s。從理論角度考慮，多管連接結(jié)構(gòu)對(duì)于改善煙熏室送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室出風(fēng)管風(fēng)速分布不均勻的問題效果更好；從工程應(yīng)用角度考慮，多管連接結(jié)構(gòu)的制造成本更高且加工難度更大，經(jīng)濟(jì)效益沒有變徑結(jié)構(gòu)好。綜上所述，應(yīng)該針對(duì)實(shí)際情況選擇合適的改進(jìn)方案，當(dāng)變徑結(jié)構(gòu)能夠滿足生產(chǎn)要求時(shí)，可以選擇變徑結(jié)構(gòu)追求更好的經(jīng)濟(jì)效益；當(dāng)對(duì)食品的品質(zhì)有更高的要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇多管連接結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

課題組針對(duì)目前煙熏爐加熱倉存在氣流場紊亂的現(xiàn)象，通過仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)2門5車智能集熱型煙熏爐送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)室的原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性和合理性；在此基礎(chǔ)上，提出了變徑結(jié)構(gòu)和多管連接結(jié)構(gòu)2種改進(jìn)方案。經(jīng)過仿真計(jì)算表明：這2種方案都有效改善了出風(fēng)管出口速度不均勻的問題，能夠減小加熱倉氣流場的紊亂程度，提高煙熏食品的品質(zhì)。