基于CFD的煙熏爐改進(jìn)設(shè)計(jì)

張玲玲

沈施佳2

劉 紅2

(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)

煙熏作為一種改善食品的色澤、風(fēng)味，并延長(zhǎng)保質(zhì)期的方法而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-3]。實(shí)現(xiàn)煙熏的裝置稱為煙熏爐，其主要組成有控制系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和加熱倉(cāng)，換熱系統(tǒng)提供加熱倉(cāng)熏制食品所需的高溫氣體，加熱倉(cāng)是熏制過(guò)程完成的主要部件。換熱系統(tǒng)的換熱器的效率是煙熏爐的重要性能指標(biāo)，加熱倉(cāng)內(nèi)的流場(chǎng)分布是否合理是影響煙熏制品質(zhì)量的重要因素。目前，中國(guó)產(chǎn)煙熏爐設(shè)備普遍存在煙熏效果不同步的問(wèn)題，即加熱倉(cāng)上部的食品已經(jīng)熏制完成，而下部的食品熏制和著色效果均不理想。

關(guān)于換熱器的研究及成果比較多，如劉紅等[4]提出了基于CFD的U型管換熱器溫度降模型；閃建平等[5]對(duì)U型管換熱器做了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行校核；張勇等[6]對(duì)工程用油-水列管式換熱器進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算，分析了其性能；陳斐奇等[7]對(duì)換熱器進(jìn)口主流道的流動(dòng)性進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)方案。但是對(duì)加熱倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)分布的影響因素的研究幾乎少有涉獵，施明等[8]在煙熏爐加熱倉(cāng)中引入了導(dǎo)流板裝置，用于改善倉(cāng)內(nèi)氣流場(chǎng)，其下進(jìn)上出氣流運(yùn)行路線雖然使水蒸氣達(dá)到了倉(cāng)底部，但食物上部依舊存在煙熏不充分的缺陷。本研究針對(duì)這一問(wèn)題，以某一煙熏爐為研究對(duì)象，通過(guò)CFD流體仿真軟件對(duì)加熱倉(cāng)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，來(lái)研究結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

1 煙熏爐工作原理

1.1 煙熏爐基本結(jié)構(gòu)

由煙熏爐的工作原理可知，影響煙熏爐工作效率的因素除了換熱器的換熱效率外，加熱倉(cāng)內(nèi)的風(fēng)循環(huán)(即煙熏氣流場(chǎng)分布)也是一個(gè)重要因素。可以通過(guò)對(duì)加熱倉(cāng)的氣流仿真來(lái)分析原因。圖1是典型的煙熏爐結(jié)構(gòu)示意圖，爐頂部的左右兩側(cè)均勻分布著若干進(jìn)風(fēng)口，而爐頂部的中央是出風(fēng)口。根據(jù)煙熏爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將煙熏爐的加熱倉(cāng)近似分解為若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本單元，每個(gè)單元包括左右兩側(cè)各一進(jìn)風(fēng)口，對(duì)中央單元而言不僅兩側(cè)各一進(jìn)風(fēng)口，而且頂部中間有一個(gè)出風(fēng)口?；谶@種分解可以建立加熱倉(cāng)的三維仿真模型，即取一個(gè)基本單元建立仿真模型，見(jiàn)圖2。

對(duì)該三維仿真模型，假設(shè)左右兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速相等，選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流計(jì)算模型計(jì)算，并設(shè)置其邊界條件：左右為進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)速為3 m/s，出口為壓力出口，其他均為壁面條件。由于該結(jié)構(gòu)屬于前后、左右的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只需分別截取3個(gè)橫截面，即左右1進(jìn)口軸線、左右2進(jìn)口軸線和左右3進(jìn)口軸線的橫截面來(lái)查看仿真結(jié)果，速度云圖見(jiàn)圖3。

1.2 煙熏爐存在的缺陷及試驗(yàn)分析

從圖3可以看出：3個(gè)截面的流場(chǎng)分布基本相同。加熱倉(cāng)上部由于出風(fēng)口的作用風(fēng)速較大，但下部風(fēng)速很小，甚至存在風(fēng)速為零的區(qū)域。因此在煙熏時(shí)，流場(chǎng)分布并不均勻，有一大部分風(fēng)量未達(dá)到加熱倉(cāng)下半部，就在出風(fēng)口的抽風(fēng)作用下改變流動(dòng)方向被抽出加熱倉(cāng)，導(dǎo)致了在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，下半部一小部分加熱過(guò)慢，表面效果未能達(dá)到所需煙熏標(biāo)準(zhǔn)，整體煙熏時(shí)間延長(zhǎng)，造成能量的浪費(fèi)。

1.爐體 2.下回風(fēng)管道 3.垂直進(jìn)風(fēng)口 4.左出風(fēng)風(fēng)道 5.主機(jī) 6.左循環(huán)風(fēng)機(jī) 7.上部回風(fēng)管道 8.蒸汽散熱器 9.新鮮空氣進(jìn)氣閥 10.右循環(huán)風(fēng)機(jī) 11.右出風(fēng)風(fēng)道 12.排氣系統(tǒng)

圖1 煙熏爐結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 1 Schematic diagram of the structure of afumigation furnace

圖2 加熱倉(cāng)三維模型Figure 2 Three-dimensional model of heated chamber

圖3 進(jìn)口橫截面速度云圖Figure 3 The velocity cloud of the cross section of the inlet

取一倉(cāng)內(nèi)典型平面，如圖4所示，將該平面劃分3個(gè)區(qū)域，記為A、B、C區(qū)域；每個(gè)區(qū)域選取3個(gè)點(diǎn)，編號(hào)為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2及C3。利用風(fēng)速儀來(lái)檢測(cè)9個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的速度。因?yàn)榱魉偈鞘噶?，矢量的特點(diǎn)是方向性，即同一點(diǎn)不同方向的流速是不同的。因此，為了獲得矢量數(shù)據(jù)，在同一點(diǎn)取二個(gè)相互垂直的方向檢測(cè)，可以得到該點(diǎn)的速度矢量。

圖4 試驗(yàn)選點(diǎn)圖Figure 4 Test points chart

采集加熱倉(cāng)內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)速與仿真風(fēng)速進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，加熱倉(cāng)內(nèi)部氣流場(chǎng)分布不均勻，風(fēng)量在加熱倉(cāng)內(nèi)上多下少，存在局部加熱過(guò)慢的缺陷，煙熏效果欠佳。

表1 加熱倉(cāng)內(nèi)的試驗(yàn)風(fēng)速與模擬風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 1 Comparison table of experimental wind speed and simulated wind speed in a heated chamber m/s

2 煙熏爐加熱倉(cāng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及流場(chǎng)仿真分析

2.1 加熱倉(cāng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

上述分析是對(duì)加熱倉(cāng)空倉(cāng)狀態(tài)的分析。加熱倉(cāng)內(nèi)部放滿待熏制食品(工作狀態(tài))后，內(nèi)部氣流場(chǎng)與空倉(cāng)狀態(tài)是不同的，但很顯然空倉(cāng)狀態(tài)下內(nèi)部氣流場(chǎng)不理想，工作狀態(tài)下的內(nèi)部氣流場(chǎng)也難以保證理想。

對(duì)加熱倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，目標(biāo)是煙熏汽流場(chǎng)流速均勻。為此建立帶食品加熱倉(cāng)仿真模型，見(jiàn)圖5。該模型既不是空倉(cāng)狀態(tài)，也不是工作狀態(tài)。為方便計(jì)算，將實(shí)物按一定比例縮小，整體尺寸不做改變，改進(jìn)后加熱倉(cāng)的進(jìn)風(fēng)口噴頭均勻分布在加熱倉(cāng)的兩側(cè)，相鄰間隔600 mm，相對(duì)間隔750 mm。噴頭模型見(jiàn)圖6，該噴頭模型是扇面，扇面的半徑是100 mm，噴灑口為一個(gè)矩形曲面，進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s。兩片食物位于噴頭正下方。而原位于加熱倉(cāng)頂部的出風(fēng)口，則調(diào)整在加熱倉(cāng)底部，左右4個(gè)噴頭的中心處。本文采用風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)出風(fēng)，其參數(shù)有與地面的夾角、出風(fēng)的速度，風(fēng)扇口的半徑是60 mm。

圖5 改進(jìn)后加熱倉(cāng)的結(jié)構(gòu)模型Figure 5 Structural model of improved heated chamber

圖6 噴頭結(jié)構(gòu)模型Figure 6 Nozzle structure model

2.2 加熱倉(cāng)二維仿真計(jì)算

2.2.1 仿真計(jì)算 利用噴頭到風(fēng)扇的截面近似建立二維仿真模型，給定進(jìn)出風(fēng)口的基本參數(shù)，通過(guò)仿真計(jì)算比較出口的流速對(duì)加熱倉(cāng)流場(chǎng)的影響，計(jì)算的時(shí)間均為5 s。其中分別考慮了風(fēng)扇與地面的夾角取不同值的情況、風(fēng)扇工作與不工作(即有無(wú)流速)。通過(guò)比較，選擇風(fēng)扇與地面的夾角為60°、出口流速uc=2 m/s可以產(chǎn)生較好效果，其速度圖、溫度圖、水蒸氣分布圖見(jiàn)圖7。

圖7 夾角60°時(shí)的速度、溫度、水蒸氣分布云圖Figure 7 Cloud chart of velocity, temperature, and vapor distribution with 60° fan

仿真表明，出口處風(fēng)扇無(wú)速度時(shí)，水蒸氣只能在加熱倉(cāng)上部分?jǐn)U散，且擴(kuò)散比較緩慢，食物上部可以被水蒸氣覆蓋，但是食物下部的接觸效果很不理想，水蒸氣明顯過(guò)少，甚至出現(xiàn)為0的情況，使食物上下部分煙熏的速率不同，造成煙熏效率降低，浪費(fèi)時(shí)間和原料。出口風(fēng)扇有速度時(shí)，水蒸氣幾乎充滿了整個(gè)加熱倉(cāng)，溫度上下也比較均勻，這提高了煙熏效率質(zhì)量，驗(yàn)證了出口速度對(duì)流場(chǎng)的影響。

2.2.2 數(shù)據(jù)比較 二維計(jì)算時(shí)截取的截面是其中一個(gè)噴頭中心與風(fēng)扇中心的縱向截面，二維模型的作用是給出煙熏流場(chǎng)隨風(fēng)口參數(shù)變化的變化趨勢(shì)。選取15個(gè)點(diǎn)采集仿真后的流速，見(jiàn)圖8。

采集二維仿真選點(diǎn)的速度結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)觀察速度數(shù)據(jù)可見(jiàn)，風(fēng)扇對(duì)于加熱倉(cāng)流場(chǎng)有明顯改善作用。

圖8 二維仿真速度選點(diǎn)圖Figure 8 2D simulation speed location map

表2 二維仿真速度數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 2 Two dimensional simulation speed data comparison table

2.3 加熱倉(cāng)三維仿真計(jì)算

2.3.1 仿真模型 在二維仿真的基礎(chǔ)上建立三維仿真模型。由于加熱倉(cāng)為周期對(duì)稱機(jī)構(gòu)，計(jì)算時(shí)選取的是加熱倉(cāng)中的一個(gè)單元，其寬度為整個(gè)加熱倉(cāng)的一半，具體尺寸為：長(zhǎng)900 mm，寬500 mm，高600 mm，進(jìn)風(fēng)口為2個(gè)噴頭，出風(fēng)口風(fēng)扇直徑為120 mm，與地面角度為60°，仿真計(jì)算時(shí)邊界條件為：入口流速ur=3 m/s，出口流速uc=-2 m/s，環(huán)境溫度Th=20 ℃，入口水蒸氣溫度Tr=50 ℃，計(jì)算時(shí)間為5 s。

三維仿真模型包括2排噴頭(即4個(gè)噴頭)與2個(gè)出風(fēng)口，再考慮對(duì)稱性后的模型見(jiàn)圖9。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析 仿真計(jì)算后，采集噴頭食物所在截面的三維仿真選點(diǎn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖10)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，倉(cāng)內(nèi)各點(diǎn)的速度比較一致，結(jié)果是氣流帶動(dòng)溫度水蒸氣均勻分布到整個(gè)倉(cāng)內(nèi)。這表明加熱倉(cāng)內(nèi)的流場(chǎng)得到了很好的改善，尤其是噴頭下方有食物處的位置，其余空間略有減弱，但已能達(dá)到煙熏需求。

圖9 三維仿真模型圖Figure 9 Three dimensional simulation mode

圖10 三維仿真數(shù)據(jù)選點(diǎn)圖Figure 10 3D simulation data points map

表3 三維仿真速度、溫度、水蒸氣分布數(shù)據(jù)Table 3 Three dimensional simulation of velocity, temperature, and water vapor distribution data

3 結(jié)論

仿真分析表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的加熱倉(cāng)，在短時(shí)間內(nèi)可以使食物上下分布的溫度和水蒸氣更加均勻、合理，巧妙地利用了風(fēng)扇，使加熱倉(cāng)內(nèi)的流場(chǎng)往所需的方向流動(dòng)，既讓食品充分接觸加熱，又能充分地利用能源。

本研究基礎(chǔ)是帶食品加熱倉(cāng)仿真模型，與加熱倉(cāng)工作狀態(tài)還是有差別的。后續(xù)的研究將考慮加熱倉(cāng)工作狀態(tài)氣流場(chǎng)分析，以便改善煙熏氣流場(chǎng)。

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