李麗霞，周 杰，張付杰，辛立東，李子建，秦 淘

（1.昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明 650500；2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，昆明 650500）

0 引言

《中華人民共和國藥典》（2015 版）記載藥用黃精為百合科黃精屬草本植物黃精（Polygonatum sibiricum）、滇黃精（Polygonatum kingianum）或多花黃精（Polygonatum cytonema）的干燥根莖，具有補(bǔ)氣益精，滋陰潤燥和健脾潤肺等功效，是我國的傳統(tǒng)中藥［1］。古籍記載2000 多年前人們就已經(jīng)開始食用黃精［2］。由于生黃精含有毒性物質(zhì)，對人體的咽喉具有刺激作用，食用前需要對黃精進(jìn)行炮制加工。一方面可降低黃精的不良反應(yīng)，消除麻味，減輕其對咽喉的刺激；另一方面可提高黃精的藥效［3］。黃精炮制加工分為蒸制法和煮制法，最早的蒸制方式有單蒸法和復(fù)蒸法，隨后逐漸演替發(fā)展到以“九蒸九曝”為主流的蒸制方法，其主要蒸制過程如圖1所示。通過查閱文獻(xiàn)和在云南黃精生產(chǎn)加工地多地實(shí)際調(diào)研，目前黃精生產(chǎn)常見的蒸制設(shè)備中，蒸和干燥分開進(jìn)行，中間工序繁瑣，物料重復(fù)轉(zhuǎn)移，間接增加了黃精蒸制加工的成本。由此針對黃精蒸和干燥2 個(gè)環(huán)節(jié)分開進(jìn)行的現(xiàn)狀［4］，本文設(shè)計(jì)一種黃精蒸制一體化設(shè)備，采用蒸和干燥環(huán)節(jié)一體化設(shè)計(jì)，提高黃精蒸制的效率。

圖1 黃精蒸制工藝流程圖Fig.1 Flow chart of Polygonatum steaming process

蒸與干燥是決定黃精蒸制質(zhì)量優(yōu)劣的2 個(gè)重要環(huán)節(jié)，黃精蒸制一體機(jī)干燥部分采用熱風(fēng)干燥。熱風(fēng)干燥廣泛應(yīng)用于果蔬、農(nóng)產(chǎn)品和中藥材等加工，但不足之處在于難以保證產(chǎn)品干燥的均勻性，而箱體式熱風(fēng)干燥設(shè)備干燥均勻性差主要是由干燥箱體內(nèi)風(fēng)速分布不均勻所致［5］。本文應(yīng)用SolidWorks 軟件對黃精蒸制一體機(jī)干燥箱體進(jìn)行建模，同時(shí)采用Fluent 軟件對其流場研究分析。SCAAR 等［6］借助Fluent 軟件提出在通風(fēng)風(fēng)道和干燥室間增加導(dǎo)向擋板可改善氣流的均勻性；代建武等［7］對氣體射流沖擊干燥機(jī)氣流分配室的流場進(jìn)行模擬并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了氣體射流沖擊干燥機(jī)風(fēng)速的均勻性；安蕾等［8］提出達(dá)到干燥室風(fēng)速均勻的效果需多次模擬和試驗(yàn)。以上研究能夠改善風(fēng)場均勻性，因此本文同樣采用Fluent 軟件模擬干燥階段箱體內(nèi)風(fēng)場均勻性，通過對蒸制一體機(jī)的出風(fēng)口位置、出風(fēng)口大小和進(jìn)風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到最優(yōu)匹配結(jié)構(gòu)，使蒸制一體機(jī)的設(shè)計(jì)更加合理，保證黃精干燥的均勻性，提高黃精蒸制產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作過程

黃精蒸制一體機(jī)由蒸制箱體機(jī)構(gòu)、熱風(fēng)循環(huán)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3 部分組成，如圖2所示。矩形蒸制箱體尺寸為660×510×820 mm，箱體頂部的出風(fēng)口和其后部送風(fēng)口均為圓形孔狀。由于箱體兩側(cè)內(nèi)壁面上設(shè)計(jì)有載物盤承托槽，進(jìn)風(fēng)口不宜設(shè)計(jì)在兩側(cè)，選擇將進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在箱體后部距離內(nèi)底面150 mm 處，為φ100 mm 的圓形。干燥箱體、進(jìn)風(fēng)道、回風(fēng)道均選用2 mm 厚度食品級304 不銹鋼作為保護(hù)層材料。同時(shí)，黃精蒸制一體機(jī)在工作過程中需要具有良好的保溫絕熱性，避免熱量散失造成能源浪費(fèi)，所以選用聚氨酯泡沫作為絕熱層材料，該材料重量輕、安全衛(wèi)生，隔熱保溫效果好，在食品機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)使用廣泛。

圖2 黃精蒸制一體機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The structure diagram of integrated polygonatum steaming machine

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型

根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求和I/O 口點(diǎn)數(shù)，并從設(shè)備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面綜合考慮，選擇三菱FX2N-48MR 系列作為黃精蒸制一體機(jī)PLC 控制系統(tǒng)的主控器。

2.2 I/O 資源分配

黃精蒸制一體機(jī)PLC 輸入/輸出點(diǎn)配置如表1所示。

表1 PLC 輸入/輸出點(diǎn)分配Tab.1 Allocation of PLC input/output points

3 黃精蒸制一體機(jī)干燥均勻性仿真分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

采用Fluent 15.0 軟件對黃精蒸制一體機(jī)干燥階段箱體內(nèi)部流場進(jìn)行分析，用SoildWorks 建立箱體簡化后的三維模型，模型主要參數(shù)：外形尺寸600×420×780 mm，進(jìn)風(fēng)口為φ100 mm 的圓形。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，將黃精切成2～3 cm厚度的片狀，均勻平鋪在載物盤上；模型簡化時(shí)，將物料層簡化為尺寸600×420×30 mm 的長方體。

圖3所示為箱體簡化三維模型。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分［9］，采用四面體混合網(wǎng)格，并對物料層網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，修改網(wǎng)格大小及節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)格質(zhì)量合格，生成mesh 文件，箱體網(wǎng)格模型有140 137 個(gè)節(jié)點(diǎn)和855 368 個(gè)混合四面體網(wǎng)格。

圖3 箱體簡化三維模型圖Fig.3 Simplified 3D model of the cabinet

3.2 數(shù)學(xué)模型建立

由于設(shè)備內(nèi)熱氣流為穩(wěn)態(tài)的黏性流動，流速較低，假定氣體不可壓縮，在直角坐標(biāo)系形式的絕對參考系下，流動狀態(tài)滿足連續(xù)方程和動量守恒方程［10］。

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

式中 ρ——流體密度，kg/m3；

ui，uj—— i，j=1，2，3，各時(shí)均速度分量，m/s；

p——流體平均壓力，N/m2；

μ——流體動力粘度，N·s/m2；

xi，xj——各坐標(biāo)分量；

δij—— 函數(shù)，當(dāng)i=j 時(shí)，δij=1；當(dāng)i ≠j 時(shí)，δij=0。

黃精蒸制一體機(jī)的干燥環(huán)節(jié)采用熱風(fēng)烘干，穩(wěn)定工作時(shí)腔體內(nèi)部主要為熱氣流，且為典型的湍流模型，流體不可壓縮，所以選取計(jì)算量適中且有較多數(shù)據(jù)積累和較大精度的Standard k-ε模型。湍流動能方程如式（3）和式（4）所示：

湍流動能耗散率ε方程：

式中 Gb——空氣浮力引起的湍動能；

Gk—— 平均氣流速度變化引起的湍動能；

YM—— 可壓縮湍流運(yùn)動中脈動膨脹對總耗散率的影響。本文流體為不可壓縮流體，YM=0；σk=1.0，σε=1.3；

Sε，Sk——用戶自定義項(xiàng)，通常取0；

G1ε，G2ε，G3ε—— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為1.44，1.92，0.00。

將上述數(shù)值代入式（3）和式（4）中得到Standard k-ε模型：

3.3 Fluent 參數(shù)設(shè)置

將3.1 生成的mesh 文件導(dǎo)入Fluent 15.0 軟件中，對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，保證最小網(wǎng)格單元不為負(fù)，否則網(wǎng)格劃分不合格。選擇Standard k-ε模型，流動介質(zhì)選擇air，固體材料為軟件默認(rèn)材料。黃精蒸制一體機(jī)干燥時(shí)箱體內(nèi)部物料層阻礙氣體流動，故將物料層設(shè)置為多孔介質(zhì)層，選擇Porous Zone 和Laminar Zone。進(jìn)風(fēng)口定義為Velocity-inlet，熱風(fēng)溫度根據(jù)黃精蒸制工藝要求設(shè)置為70 ℃［11］，出風(fēng)口定義為Outflow，定義壁面為Wall，設(shè)置各邊界參數(shù)。計(jì)算模型建立基于以下假設(shè)：（1）物料黃精之間的傳導(dǎo)熱忽略不計(jì)；（2）蒸制一體機(jī)在干燥階段，對外界的輻射忽略不計(jì)；（3）蒸制一體機(jī)內(nèi)部進(jìn)行空氣循環(huán)時(shí)未向外界發(fā)生泄漏；（4）蒸制一體機(jī)箱體為絕熱材料，其熱容量忽略不計(jì)。

3.4 出風(fēng)口位置仿真試驗(yàn)

為找出合適的出風(fēng)口位置，對黃精蒸制一體機(jī)箱體頂部進(jìn)行坐標(biāo)軸劃分，以出風(fēng)口圓心位置為坐標(biāo)確定出風(fēng)口位置，如圖4所示。在進(jìn)行正交仿真試驗(yàn)之前，對出風(fēng)口位置做15×4 組單因素試驗(yàn)。截取ZX 平面Y=-0.18 m 處平面分析，該截面處在物料層位置，在該截面上取3 條軸心線，分別位于Z=0.5，0.6，0.7 m 處，如圖5所示。計(jì)算3 條軸心線上風(fēng)速的平均速度和方差，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 出風(fēng)口位置仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of outlet position

圖4 出風(fēng)口坐標(biāo)位置分布圖Fig.4 Distribution map of outlet coordinate locations

圖5 Y=-0.18 m 軸心線上風(fēng)速圖Fig.5 Wind velocity chart on axis of Y=-0.18 m

統(tǒng)計(jì)中的方差（樣本方差）是每個(gè)樣本值與全體樣本值的平均數(shù)之差的平方值的平均數(shù)，在許多實(shí)際問題中，研究方差即偏離程度有著重要意義［12］。綜合評分=各組試驗(yàn)方差之和，方差之和越小說明該組越穩(wěn)定，風(fēng)速越均勻。從表3可以看出當(dāng)出風(fēng)口圓心位置位于a（x1=260 mm，x2=210 mm）；b（x1=60 mm，x2=105 mm）；c（x1=460 mm，x2=105 mm）時(shí)，方差之和最小，故正交仿真試驗(yàn)出風(fēng)口位置選擇a、b、c 3 個(gè)水平。

3.5 干燥均勻性正交仿真試驗(yàn)

根據(jù)黃精蒸制一體機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料，A（進(jìn)風(fēng)風(fēng)速）、B（出風(fēng)口直徑）、C（出風(fēng)口位置）對干燥階段箱體內(nèi)氣流分布影響很大，故將此3個(gè)參數(shù)作為正交仿真試驗(yàn)的3個(gè)因素。以Y=-0.18 m 處截面的平均風(fēng)速和3 條軸心線上速度方差為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平L9（34）的正交試驗(yàn)，分析各因素顯著性及最優(yōu)組合，確定黃精蒸制一體機(jī)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。正交仿真試驗(yàn)因素水平見表4。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.4 Orthogonal test factor level table

3.5.1 正交仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

截面平均速度指標(biāo)：各試驗(yàn)組得分=45×（該組試驗(yàn)截面平均速度/該組截面最大平均速度）；方差指標(biāo)：各試驗(yàn)組得分=55×（該組試驗(yàn)最小方差/該組試驗(yàn)方差）。

由表5，表6可知，蒸制一體機(jī)干燥階段箱體均勻性效果最佳的組合為進(jìn)風(fēng)風(fēng)速4 m/s、出風(fēng)口直徑為110 mm、出風(fēng)口位置：x=60 mm，y=105 mm，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速對試驗(yàn)結(jié)果的影響最大，其次是出風(fēng)口位置，出風(fēng)口大小的影響最小。這是因?yàn)樵诶硐霠顟B(tài)下，干燥箱體密閉不與外界產(chǎn)生氣體交換，內(nèi)部氣流穩(wěn)定，在干燥階段工作時(shí)，由于從外界向干燥箱體內(nèi)送風(fēng)會打破其內(nèi)部氣流平衡，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速越大，內(nèi)部產(chǎn)生的渦流越多越不規(guī)則，會導(dǎo)致氣流不均勻。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Orthogonal test results

表6 正交試驗(yàn)極差分析表Tab.6 Range analysis table of orthogonal test

3.5.2 正交仿真試驗(yàn)風(fēng)速云圖分析

正交仿真試驗(yàn)的風(fēng)速場云圖見圖6。試驗(yàn)1～3 的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為4 m/s，試驗(yàn)4～6 的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為6 m/s，試驗(yàn)7～ 9 的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為8 m/s。從風(fēng)速場云圖來看，風(fēng)速越大，云圖越不均勻。因?yàn)楦稍镫A段箱體處于密閉狀態(tài)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速越大，內(nèi)部產(chǎn)生的渦流越多且越不規(guī)則，導(dǎo)致風(fēng)速云圖不均勻。由試驗(yàn)2，3 風(fēng)速云圖可知，干燥階段在出風(fēng)口位置附近風(fēng)速會更大，而且越靠近箱體內(nèi)壁的地方風(fēng)速越不均勻。在實(shí)際干燥黃精的時(shí)候應(yīng)將黃精遠(yuǎn)離出風(fēng)口位置均勻平鋪，不靠近箱體內(nèi)壁。

圖6 正交試驗(yàn)風(fēng)速場云圖Fig.6 Wind velocity field nephogram of orthogonal test

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)正交試驗(yàn)所得的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行黃精蒸制一體機(jī)機(jī)械加工和自動控制電路搭建，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 風(fēng)速仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

在載物盤上均勻選取1～9 點(diǎn)作為風(fēng)速的仿真值和試驗(yàn)值測量點(diǎn)，如圖7所示。風(fēng)速值使用RHAT-301 型熱球式風(fēng)速儀測定（測量范圍：0～30 m/s，測量精度：±3%，錦州氣象科技有限公司）。仿真值由上述Fluent 模擬得出，結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)值和仿真值基本吻合，證明仿真試驗(yàn)的合理性。

圖7 風(fēng)速測量點(diǎn)Fig.7 Measurement points of wind velocity

圖8 不同位置風(fēng)速的試驗(yàn)值與仿真值Fig.8 Experimental and simulation values of wind velocity at different positions

4.2 干燥均勻性驗(yàn)證

4.2.1 試驗(yàn)材料

新鮮滇黃精購自云南省昆明市螺螄灣中藥材市場。每次試驗(yàn)取1 000 g 洗凈去除須根，待表面水分晾干后切成6～8 mm 厚度的片狀，均勻平鋪在載物盤上。

4.2.2 儀器和設(shè)備

黃精蒸制一體機(jī)（自制）；游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm，成都成量工具有限公司）；101-2AB 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（吳江亞邦電熱科技有限公司）；JA5103N 型電子分析天平（精度0.001 g，四川中浪科技有限公司）。

4.2.3 含水率測定

將處理好的黃精樣品均勻平鋪在載物盤上，將載物盤放入黃精蒸制一體機(jī)內(nèi)，關(guān)閉密封門，輸入設(shè)定的干燥工藝參數(shù)（蒸8 h，60 ℃干燥12 h）。蒸制結(jié)束后，通過在載物盤上選取的1～9 個(gè)點(diǎn)附近隨機(jī)抽取蒸制好的黃精樣品，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在105 ℃、24 h 恒溫干燥條件下測得蒸制品含水率m，如下式計(jì)算：

式中 M1——黃精蒸制品質(zhì)量，g；

M2——黃精干品質(zhì)量，g。

4.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)測得9 個(gè)點(diǎn)的含水率分別是：12.61%，12.83%，12.68%，12.51%，12.79%，12.95%，13.32%，12.73%，13.13%。可知樣品含水率差異不顯著，最大值與最小值之間相差0.81%。由此可見，本設(shè)備在干燥階段的均勻性有保障。

5 結(jié)語

根據(jù)蒸制工藝設(shè)計(jì)一種基于PLC 控制的黃精蒸制一體機(jī)，能夠滿足黃精在同一設(shè)備內(nèi)連續(xù)完成蒸和干燥2 道工序，減少蒸制過程中物料轉(zhuǎn)移問題，以黃精三蒸三制為例，可以減少5 次物料轉(zhuǎn)移，提高效率，降低成本。

為改善黃精蒸制一體機(jī)干燥階段箱體內(nèi)風(fēng)場不均勻問題，采用Fluent 軟件模擬干燥階段箱體內(nèi)風(fēng)場均勻性，并通過正交試驗(yàn)，以Y=-0.18 m處的截面平均速度和Z=0.5，0.6，0.7 m 處3 條軸心線上的風(fēng)速方差作為評價(jià)指標(biāo)，通過綜合評分法選出最優(yōu)參數(shù)組合。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為4 m/s、出風(fēng)口直徑為110 mm、出風(fēng)口位置位于x=60 mm，y=105 mm 處時(shí)，均勻性綜合效果最佳。

通過試驗(yàn)證明風(fēng)速仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，進(jìn)一步證明Fluent 仿真合理性，并通過黃精蒸制試驗(yàn)，測得載物盤上9 個(gè)點(diǎn)的含水率分別是：12.61%，12.83%，12.68%，12.51%，12.79%，12.95%，13.32%，12.73%，13.13%，樣品含水率差異不顯著，最大值與最小值之間相差0.81%，通過黃精蒸制品的含水率能間接反應(yīng)黃精蒸制一體機(jī)在干燥階段的風(fēng)場具有較好的均勻性。