王攀，易文裕，程方平，王春霞，周彥君，鄧佳

(1. 四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都市，610066；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市，610066)

0 引言

理?xiàng)l是名優(yōu)茶生產(chǎn)過程中必不可少的重要工序[1-2]。其主要通過理?xiàng)l機(jī)的鍋槽對(duì)鮮葉加以熱和力，使其失去部分水分和低沸點(diǎn)的芳香物質(zhì)并對(duì)茶葉組織進(jìn)行軟化以便于后續(xù)做形等工序，理?xiàng)l質(zhì)量的好壞直接影響名優(yōu)茶的品質(zhì)[3-5]。在茶葉理?xiàng)l過程中，理?xiàng)l鍋槽溫度的均勻性是影響理?xiàng)l品質(zhì)的主要因素之一[6-8]。通常情況下，理?xiàng)l機(jī)加熱部件都采用直線型電阻絲均勻布置的方式，由于鍋槽與周圍空氣存在熱交換，進(jìn)而導(dǎo)致在實(shí)際理?xiàng)l過程中理?xiàng)l鍋槽中間位置的溫度高于四周，使得茶葉理?xiàng)l品質(zhì)具有一定的差異。研究表明，通過改變電阻絲的形狀和布置位置對(duì)提高理?xiàng)l鍋槽溫度均勻性具有一定的促進(jìn)作用[9]。

計(jì)算流體力學(xué)(Computer Fluent Dynamic，CFD)是一種通過求解流體流動(dòng)的微分方程，進(jìn)而得出流體的流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域的離散分布情況的數(shù)值分析方法。試驗(yàn)表明，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法能夠?qū)嵩醇捌渲苓厷饬鞯臏囟葓?chǎng)進(jìn)行模擬，可以直觀反映溫度分布情況[10-13]。景亮等[14]運(yùn)用CFD模擬了出菇房氣流的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并采用試驗(yàn)驗(yàn)證了該CFD模型的準(zhǔn)確性，為優(yōu)化出菇房的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)；Wu等[15]采用CFD對(duì)流化床干燥器內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)流化床加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；朱文穎等[16]采用CFD的非穩(wěn)態(tài)三維湍流模型對(duì)蘋果包裝預(yù)冷的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果與實(shí)際值的均方根誤差為1.13°，證明了采用CFD研究溫度場(chǎng)的合理性和準(zhǔn)確性。

本文通過建立理?xiàng)l部件作業(yè)過程的CFD模型并對(duì)其理?xiàng)l過程鍋槽的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，通過優(yōu)化加熱電阻絲的形狀和分布形式來提高理?xiàng)l鍋槽作業(yè)過程中溫度的均勻性。

1 茶葉理?xiàng)l部件結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 理?xiàng)l部件結(jié)構(gòu)

茶葉理?xiàng)l部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由理?xiàng)l鍋槽、主副加熱電阻絲、溫度傳感器、殼體、隔熱巖棉等組成。

圖1 理?xiàng)l部件結(jié)構(gòu)示意圖

主副加熱電阻絲按照95 mm的間隔勻布置在隔溫巖棉上，其方向與鍋槽垂直，傳感器安裝在隔熱巖棉中心位置。理?xiàng)l部件采用8鍋槽，單個(gè)鍋槽寬度為115 mm，長度為910 mm，9根電阻絲采用均勻布置的方式安裝在鍋槽下方的隔熱巖棉上，電阻絲直徑為6 mm，長度為900 mm。

1.2 工作原理

作業(yè)開始時(shí)，主、副電阻絲同時(shí)進(jìn)行加熱工作，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到隔熱巖棉上方空氣中的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)作業(yè)溫度時(shí)，主加熱電阻絲停止加熱，副加熱電阻絲繼續(xù)加熱保溫；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)作業(yè)溫度時(shí)，主加熱電阻絲自動(dòng)開啟加熱模式直到溫度恢復(fù)預(yù)設(shè)作業(yè)溫度后停止加熱，采用主、副加熱電阻絲進(jìn)行保溫及補(bǔ)溫，有利于理?xiàng)l部件保持穩(wěn)定工作狀態(tài)進(jìn)行理?xiàng)l作業(yè)。

2 基于CFD的理?xiàng)l鍋槽溫度場(chǎng)仿真

2.1 理?xiàng)l部件溫度場(chǎng)測(cè)試

在環(huán)境溫度為25 ℃的條件下，在鍋槽的中間平面即距離槽底60 mm的平面隨機(jī)選取16個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)在鍋槽上的分布盡量均勻，將PT100型溫度傳感器分別粘貼在對(duì)應(yīng)的位置，開啟理?xiàng)l機(jī)的加熱裝置。當(dāng)傳感器測(cè)試的溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)即上下波動(dòng)不超過1 ℃ 時(shí)記錄下個(gè)點(diǎn)的溫度值，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1 理?xiàng)l鍋槽溫度實(shí)測(cè)值Tab. 1 Measured value of the temperature of the trough

2.2 基于CFD的理?xiàng)l鍋槽溫度場(chǎng)仿真

2.2.1 基于CFD的理?xiàng)l部件溫度場(chǎng)模型建立

根據(jù)理?xiàng)l部件的結(jié)構(gòu)及工作原理，以理?xiàng)l部件為對(duì)象，根據(jù)數(shù)值分析過程中的模型簡化原則對(duì)理?xiàng)l部件進(jìn)行簡化處理，將作業(yè)過程中理?xiàng)l部件與周圍空氣的熱交換作為重點(diǎn)，建立理?xiàng)l部件周圍空氣的外流場(chǎng)模型，采用自動(dòng)計(jì)算傳熱系數(shù)等算法[17-18]，對(duì)理?xiàng)l部件模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)電阻絲、鍋槽底部等部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理以提高網(wǎng)格質(zhì)量使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加接近[19]，理?xiàng)l部件的CFD模型如圖2所示。

圖2 理?xiàng)l部件CFD模型

加熱電阻絲采用Cr20Ni80材料，理?xiàng)l鍋槽和外殼均采用304不銹鋼，底部隔熱層采用巖棉，在實(shí)際分析中可基本不考慮巖棉與底部空氣的熱交換，相關(guān)材料主要參數(shù)如表2所示。

表2 理?xiàng)l部件材料參數(shù)表Tab. 2 Material parameter table of tea carding parts

根據(jù)茶葉理?xiàng)l機(jī)的設(shè)計(jì)，在作業(yè)過程中主、副加熱電阻絲功率相同均為0.7 kW/根，總功率為6.3 kW，周圍環(huán)境溫度為25 ℃。

2.2.2 基于CFD的理?xiàng)l部件溫度場(chǎng)分析

對(duì)理?xiàng)l部件作業(yè)過程進(jìn)行模擬，由于在實(shí)際理?xiàng)l作業(yè)中茶葉主要在鍋槽中翻滾，理?xiàng)l部件的殼體、隔熱巖棉、電阻絲等溫度變化對(duì)理?xiàng)l質(zhì)量影響不大，因此在分析溫度云圖時(shí)主要針對(duì)理?xiàng)l鍋槽，同樣選取鍋槽的中間平面即距離槽底60 mm的平面作為分析對(duì)象，其溫度云圖分布如圖3所示。由圖3可以看出，其溫度呈現(xiàn)中間較高，四周較低的現(xiàn)象，最高溫度為254.6 ℃，最低溫度為157.3 ℃，最大溫差為97.3 ℃。

在仿真得到的溫度云圖上找出與實(shí)際測(cè)量時(shí)溫度傳感器所對(duì)應(yīng)的位置，每個(gè)位置取構(gòu)成等邊三角形且邊長為1 mm的3個(gè)點(diǎn)，取3個(gè)點(diǎn)的平均溫度作為對(duì)應(yīng)測(cè)量位置的溫度，如表3所示。

圖3 理?xiàng)l部件平面溫度云圖

表3 理?xiàng)l鍋槽溫度仿真值Tab. 3 Simulation value of the temperature of the trough

2.3 對(duì)比分析

將理?xiàng)l鍋槽所選的各點(diǎn)實(shí)際測(cè)量溫度與理?xiàng)l鍋槽CFD模型仿真得到的各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度進(jìn)行對(duì)比分析，如表4所示。理?xiàng)l鍋槽中間平面實(shí)測(cè)溫度與仿真云圖對(duì)應(yīng)溫度最大相對(duì)誤差為12.1 ℃，平均相對(duì)誤差為9.5 ℃，最大絕對(duì)誤差為5.9%，平均絕對(duì)誤差為4.67%，模擬的溫度場(chǎng)與實(shí)際作業(yè)過程的溫度基本吻合，說明采用該模型對(duì)理?xiàng)l鍋槽的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析是可行的。

理?xiàng)l部件中間平面的溫度均勻性系數(shù)用γ表示，其計(jì)算公式[20]為

式中：n——平面單元個(gè)數(shù)；

vlocal——平面各單元平均溫度；

vmean——平面平均溫度。

對(duì)選取的分析平面進(jìn)行處理得到該平面溫度的均勻性系數(shù)為0.847，表明該平面溫度均勻性較差，其主要原因在于鍋槽邊緣與周圍空氣熱交換多于中部，在實(shí)際茶葉理?xiàng)l生產(chǎn)中會(huì)導(dǎo)致理?xiàng)l質(zhì)量差異性較大，局部茶葉可能會(huì)發(fā)黃、焦邊兒或理?xiàng)l程度不夠。

表4 理?xiàng)l鍋槽溫度對(duì)照表Tab. 4 Temperature control table of the pot and trough

3 基于CFD的理?xiàng)l部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮理?xiàng)l部件與周圍空氣熱交換等因素，對(duì)電阻絲的布置方式及電阻絲的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化以提高理?xiàng)l部件的溫度均勻性。

3.1 電阻絲布置方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖4所示，在保持電阻絲總功率和外形不變的情況下，將電阻絲從中間位置向兩側(cè)采用等差間距進(jìn)行排列并對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明當(dāng)電阻絲間距依次為125、105、85、65 mm等差間距梯度布置時(shí)，其對(duì)應(yīng)平面的最大溫差為39 ℃，溫度均勻性系數(shù)為0.911，較電阻絲均勻布置的理?xiàng)l部件提高7.56%，其溫度云圖和對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度值分別如圖5和表5所示。

圖4 電阻絲梯度布置

圖5 理?xiàng)l部件平面溫度云圖

表5 條形加熱電阻絲梯度布置理?xiàng)l鍋槽溫度仿真值Tab. 5 Simulation value of the temperature of the trough

由圖5可知，電阻絲采用梯度布置在一定程度上能夠提高理?xiàng)l部件同一水平面溫度的均勻性，但是鍋槽與電阻絲垂直方向的兩端溫度仍低于其他部位，其原因在于兩側(cè)鍋槽與空氣的接觸面大于其他部位，而電阻絲對(duì)兩端鍋槽的加熱與其他位置一致，導(dǎo)致兩端鍋槽的溫度偏低。

3.2 電阻絲形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在保持加熱電阻絲總功率的情況下，采用環(huán)形電阻絲間距依次為125、105、85、65 mm的梯度布置方式，如圖6所示。

圖6 環(huán)形電阻絲梯度布置

對(duì)環(huán)形電阻絲梯度布置的理?xiàng)l部件溫度場(chǎng)開展仿真研究，其對(duì)應(yīng)平面的溫度場(chǎng)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度分別如圖7和表6所示。

圖7 理?xiàng)l部件平面溫度云圖Tab. 7 Plane temperature cloud diagram of tea carding parts

表6 理?xiàng)l鍋槽溫度仿真值Tab. 6 Simulation value of the temperature of the trough

從表6可知，當(dāng)環(huán)形電阻絲間梯度布置時(shí)，理?xiàng)l部件中間平面的最大溫差為39 ℃，溫度均勻性系數(shù)為0.935，較未優(yōu)化前提高10.4%。

4 結(jié)論

1) 通過建立茶葉理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l部件的CFD仿真模型對(duì)理?xiàng)l部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，實(shí)測(cè)溫度與相對(duì)應(yīng)的仿真溫度最大相對(duì)誤差為12.1 ℃，平均相對(duì)誤差為9.5 ℃，最大絕對(duì)誤差為5.9%，平均絕對(duì)誤差為4.67%，結(jié)果表明采用該模型對(duì)理?xiàng)l部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究是可行的。

2) 通過采用環(huán)形加熱電阻絲和等差梯度布置電阻絲等方式對(duì)理?xiàng)l部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)采用環(huán)形電阻絲按照125、105、85、65 mm的間距梯度布置時(shí)，理?xiàng)l部件中間平面的溫度均勻性系數(shù)為0.935，優(yōu)化后的理?xiàng)l部件鍋槽溫度的均勻性較優(yōu)化前提高10.4%，為理?xiàng)l機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。