基于多相流耦合的熱風殺青過程與殺青機結構優化研究*

施重駒 ，張 憲* ，鐘 江 ，喬 欣 ，戴惠亮

(1．浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014;2．浙江上洋機械有限公司，浙江衢州324000)

0 引 言

熱風滾筒殺青機是生產大宗茶的主流關鍵設備，以對流為主要傳熱方式，利用高溫熱風進行殺青。在連續化生產中存在熱能利用率不高，提高產量時殺青質量嚴重下降等缺點，制約了該類機型的推廣使用。

目前，國內外學者針對熱風滾筒殺青過程多采用憑借經驗或者通過實驗對比殺青葉的品質進行茶葉殺青工藝參數和裝備的研究，Panchariya 等［1］通過實驗測定并研究了茶葉熱風烘干時熱風溫度、風速與含水率之間的關系，徐海衛等［2］利用CFD 技術對滾筒殺青機內流場進行仿真分析，葉飛等［3］通過實驗對比研究滾筒、汽熱和汽熱-滾筒聯合殺青技術，比較了所制綠茶的感官品質、茶葉內含成分、色澤和香氣等，而針對熱風滾筒殺青過程中滾筒轉速、導葉板數量、導葉板結構等對殺青的影響研究較少。

熱風滾筒殺青是由茶葉、熱風構成的多組分、多相系熱力系統，本研究以6CSF-100 型熱風殺青機為例，將茶葉視為離散相，熱風視為連續相，利用離散元軟件EDEM 與流體動力學軟件FLUENT 聯合數值模擬，對殺青過程中的離散場、溫度場和流場進行耦合分析，研究熱風滾筒殺青機的工作過程，并對現有設備進行優化和試驗，以提高茶葉殺青的質量和產量。

1 模型構建

熱風滾筒殺青機由熱風發生爐、滾筒、傳動機構、機架等構成，殺青機本體結構如圖1 所示。

其主體是勻速轉動，內壁有均勻分布的螺旋狀導葉板的滾筒。茶葉在熱風滾筒殺青機中的運動為在導葉板-茶葉間的摩擦力、自身的重力以及滾筒旋轉產生的離心力作用下沿著滾筒筒壁作勻速圓周運動，和當到達一定的高度時茶葉離開滾筒導葉板作拋灑運動。在殺青過程中，高溫熱風和鮮葉之間存在溫度、壓力、水分等不平衡勢，相互作用引起傳熱傳質使得在葉溫升高的同時茶葉內部水分降低。

圖1 熱風滾筒殺青機結構簡圖

1．1 離散相顆粒運動模型構建

由于在對滾筒中的物料進行動力學分析時可將其近似為質點［4］，且受到計算機計算能力的限制，本研究中將茶葉簡化成呈正態分布的球形顆粒群(當量直徑為0．5 cm～0．8 cm)，顆粒之間的作用通過Hertz-Midlin 接觸模型求解［5］，滾筒殺青機內各顆粒的運動滿足牛頓第二運動定律，其平動和轉動的運動方程如下:

式中:mp—茶葉顆粒的質量，vp—茶葉顆粒的速度，vg—氣體流速，－Vi?p—壓力梯度力，β—相間動量傳遞系數，—茶葉顆粒間相互作用力，茶葉顆粒與滾筒壁的作用力，Ip—茶葉顆粒轉動慣量，wp—茶葉顆粒的角速度，Mp—茶葉顆粒的合外力矩。

1．2 連續相氣體運動模型構建

在茶葉殺青過程中，茶葉顆粒對連續相氣體有影響，在FLUENT 原有Eulerian 模型的基礎上引入相體積分數φ，通過計算兩相之間相對運動產生的阻力動量匯實現耦合。在不考慮兩相之間的質量傳遞的情況下，則連續相的連續方程和動量守恒方程分別如下:

式中:φ—體積分數項，ρg—氣體密度，μg—空氣動力粘度，g—重力加速度，FD—氣體阻力，V—網格單元體積。

1．3 離散相-連續相間熱傳遞模型構建

殺青過程中，熱傳遞主要存在于茶葉顆粒間的熱傳導和熱風與茶葉顆粒之間的對流換熱，兩相之間的相對運動和溫度差以及茶葉顆粒間的接觸促進了熱量的傳遞，其能量方程為:

式中:Cp—茶葉顆粒的比熱容;T—茶葉顆粒的溫度;hc—茶葉顆粒間傳熱系數;hpg—兩相間熱傳遞系數;Ap—茶葉表面積;ΔTp1p2，ΔTpg—茶葉顆粒間溫度差和兩相間的溫度差。

2 模擬參數設置及求解

茶葉的殺青過程主要發生在熱風滾筒殺青機的悶殺段，悶殺段與透殺段之間設置了防止熱氣流迅速外溢的擋板，其具體結構和基本參數分別如圖2、表1所示。

圖2 熱風滾筒殺青機滾筒模型

表1 熱風滾筒殺青機基本參數

在殺青過程模擬中，假設熱風從進風管口均勻進入，管口處平均速度為0．5 m/s，平均溫度為250 ℃;出口直接面向外部環境，壓力為1 個標準大氣壓。同時考慮熱風與茶葉顆粒之間的動量交換以及茶葉顆粒對熱風的影響，筆者采用Eulerian 模型，其中在FLUENT中選用不可壓縮、k-ε 湍流模型以及能量方程，EDEM中選用Ergun and Wen and Yu 阻力模型。本研究通過在gambit 中建立滾筒模型并生成網格，將其導入FLUENT 中，并進行相關參數的設置;在Solidworks 中建立包含所有特征的三維模型，將其導入EDEM 中，并進行茶葉本構模型參數的設置［6-8］如表2 所示。

表2 茶葉本構參數

FLUENT 和EDEM 耦合的流程如下:首先在FLUENT 中對流場進行初始化并通過耦合接口設置EDEM中的參數，然后在每個時間步長中，FLUENT 根據連續相氣體運動模型仿真迭代計算至收斂，得到流場結果并傳遞給離散相顆粒，EDEM 根據樣本點確定顆粒所在的網格單元并判斷接觸，根據離散相顆粒模型和離散相-連續相間熱傳遞模型分別對顆粒的受力和溫度進行迭代計算并更新參數，最后FLUENT 根據UDF 返回的動量匯進行下一個時間步長的迭代，以此循環計算得到熱風和茶葉顆粒的運動情況。熱風滾筒機殺青過程的數值模擬如圖3 所示。

圖3 殺青過程的數值模擬

3 數值模擬結果與討論

3．1 熱風滾筒殺青機悶殺段內部氣流分布

熱風滾筒殺青機內部氣流矢量圖如圖4 所示，從圖4 中可以看出，熱風從進風管側面和錐帽進入滾筒內，滾筒內軸向方向整體上氣流順暢，能使茶葉均勻受熱。但進風管與錐帽相接處由于結構銳角導致氣流方向突變形成渦流，使得傳熱效率下降。悶殺段與脫水段之間的擋板呈錐形，能夠使得熱風向兩邊擴散，有利于茶葉隨熱風順暢從悶殺段流入透殺段。

圖4 悶殺段內部氣流矢量圖

3．2 顆粒溫度變化

殺青過程中，茶葉顆粒在內部導葉板的作用下不斷地被抄起和拋撒并向前輸送，同時熱介質和茶葉顆粒之間相互作用，茶葉溫度逐漸上升且逐漸趨于穩定，本研究中水分蒸發為恒速率［9］，根據仿真結果整理得到熱風滾筒殺青機內顆粒平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 茶葉顆粒平均溫度

進一步分析可知茶葉顆粒在升溫階段，顆粒溫度T1(S)與沿滾筒軸線運動路程S 呈線性關系，并有:

根據式(6)可計算得當S1為0．72 m，即茶葉顆粒運動到悶殺段1/3 路程時，茶葉顆粒溫度達到能抑制茶葉氧化生物酶活性的75 ℃。由此可以得出如下結論:由于茶葉升溫時間過長，無法迅速抑制茶葉氧化生物酶的活性，茶葉在殺青過程中容易出現紅變現象，同時，由于茶葉升溫時間過長，導致茶葉保溫悶殺時間縮短，在不增加悶殺段長度的條件下，將導致茶葉殺不透，且不易殺均勻，為保證殺青質量，需要降低產量，這些現象已經在生產實際中得到印證。

4 熱風殺青滾筒的結構優化與試驗

圖5 所反映出的問題在該型號熱風殺青機的使用中已經得到充分的印證。茶葉的殺青質量與茶葉顆粒在滾筒內的運動狀態及滾筒內溫度場的分布有關，通過對滾筒結構的優化，將有利于問題的解決。

4．1 滾筒運動和結構參數的優化

茶葉顆粒在滾筒內的運動狀態與滾筒轉速、導葉板數量、導葉板尺寸(高度h、寬度b)等參數相關，導葉板結構示意圖如圖6 所示。以對殺青效果有重要影響的茶葉顆粒升溫至75 ℃時，在滾筒內運動路程S 最小為優化目標。通過基于多相流耦合技術進行正交試驗［10］，研究不同參數對其影響。試驗因素及水平如表3 所示。

圖6 導葉板結構示意圖

表3試驗因素及水平

利用數理統計學與正交性原理進行正交試驗規劃，按規劃進行茶葉殺青過程數值模擬，經過統計所得的結果如表4 所示。

表4 正交試驗結果

通過對試驗結果進行統計分析，其均值和極差值如表5 所示。

表5 正交試驗數據分析結果

綜合分析表4 和表5 可以得出各因素對茶葉殺青溫升速率影響的趨勢:①轉速(因素A)對升溫速率影響顯著。滾筒內茶葉的溫升速率隨著轉速的增加先增大后減小。這是由于當滾筒轉速在一定范圍內增加時，在導葉板的作用下，茶葉翻滾加劇，滯空茶葉顆粒數量增加，接受了更多的熱量，至使殺青葉溫度上升較快;但當轉速超過一定范圍后，茶葉顆粒群在升溫區的滯留時間減少，導致溫升速率減小;②導葉板數量(因素B)對溫升速率的影響顯著。導葉板數的增加將使得茶葉拋灑過程中的料幕面積增加，茶葉顆粒群與熱風的接觸面積加大，有利于葉溫的升高，并提高了茶葉顆粒溫度的均勻性;③導葉板寬度(因素C)和導葉板高度(因素D)對溫升速率影響不顯著。導葉板的寬度和高度對溫升速率的影響在一定范圍內波動，主要由于導葉板的結構與拋撒茶葉顆粒的數量、料幕形狀及撒料的分散性有關，由于受茶葉顆粒模型和數量的限制，導致導葉板的結構參數對溫升的貢獻率并不顯著。而在實際殺青過程中，由于茶葉顆粒較多，外形成朵狀，選擇合理的導葉板的結構參數是必要的;④根據優化目標，可以確定各參數較優水平的組合為A2B3C3D2，即滾筒轉速為20 r/min，導葉板數量為14條，導葉板寬度為18 mm，導葉板高度為50 mm。

4．2 滾筒內溫度場的優化

滾筒內溫度場的優化以減少渦流，增加高溫區長度為目標。分析現有設備結構可知，滾筒內渦流的產生由進風口內凹風帽結構引起，在優化過程中，將進風口風帽由內凹改成外凸，數值模擬得到的優化前后滾筒內溫度場云圖如圖7 所示，優化前后筒內同一半徑處溫度變化情況如圖8 所示。

圖7 優化前、后溫度場云圖

圖8 優化前、后悶殺段相同半徑溫度變化(R=400 mm)

從圖8 中可以看出，優化后的悶殺段溫度場高溫區較優化前有較大的延伸，茶葉出口溫度上升，提高了能源利用率，有利于殺青質量和產量的提高。

優化前后茶葉顆粒在殺青過程中的溫度變化如圖9 所示，分析圖9 可以擬合得出優化后的茶葉顆粒在升溫階段的平均溫度T2(S)與升溫階段運動路程S 存在如下關系:

圖9 優化前后茶葉顆粒平均溫度

根據式(7)可計算得當S2為0．53 m 時，茶葉顆粒溫度即可達到75 ℃。較優化前縮短了26%，有利于茶葉殺青質量及產量的提高。

4．3 試驗結果

根據上述優化結果，本研究對原6CSF-100 熱風殺青機進行了改造和試驗。考慮到數值模擬時茶葉顆粒模型及數量與現實茶葉外形及加工產量的區別，本研究對導葉板的數量和高度在優化結果基礎上進行了修正。改造后的6CSF-100 熱風殺青機導葉板數量由優化前的12 條增至16 條;導葉板的高度由優化前的50 mm增至80 mm;進風口風帽結構由優化前的內凹改為外凸，其余結構和運動參數不變。試驗用茶樹品種為黃山大葉種，原料為一芽三葉的雨前茶，加工茶葉種類為炒青茶。試驗結果表明在能源消耗不變的情況下，鮮葉殺青量在穩產時產量由改造前的300 kg/h 提高到380 kg/h，同時殺青的均勻性和殺透率均大大提高。

5 結束語

茶葉加工過程是茶葉顆粒動態干燥的過程，其加工質量取決于溫度場、流場和離散場的有效組合，采用傳統的方法進行茶葉加工設備的研發和改造具有較大的盲目性。本研究通過采用多相流耦合技術，與工程實踐相結合，開展對熱風殺青機的研究，取得了良好的結果，研究結果證明該技術具有目標明確，研發投入低，效率高，研究結果與實際相近等優點，可用于多種茶葉加工設備的開發，并具有一定的研究價值和現實的工程意義。

然而殺青過程不僅與運動參數和結構參數有關，還與茶葉的物料特性等有關，可以進行更深層次的研究。同時隨著計算機硬件的提高，可以施加更多數量級的顆粒，使仿真結果更加接近于現實。

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