馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模及熱學(xué)分析

李學(xué)志　艾力?如蘇力　陳蒙

摘要：馕坑內(nèi)部的溫度均勻性和溫升快慢是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的瓶頸。針對不同馕坑結(jié)構(gòu)引起的溫度場問題，對馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和熱學(xué)特性進(jìn)行了分析。首先，考慮三種不同的馕坑內(nèi)膽幾何形狀：拋物線、圓弧曲線、橢圓曲線，建立了馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)化幾何模型；其次，根據(jù)生產(chǎn)實際設(shè)計了馕坑內(nèi)膽的加工工藝；最后，通過ANSYS軟件，在不同加熱源工況下對三種馕坑進(jìn)行了有限元熱學(xué)分析，得到了三種馕坑的溫度分布云圖。分析結(jié)果表明：電熱管加熱馕坑的熱學(xué)特性較好，為馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和節(jié)能環(huán)保提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：馕坑；節(jié)能；溫度場；拋物線

中圖分類號：TH122 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.005

文章編號：1006-0316 （2023） 04-0033-05

Parametric Design and Thermal Analysis of Nang-pit Structure

LI Xuezhi，AILI Rusuli，CHEN Meng

（ Department of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Institute of Technology，

Akesu 843100， China）

Abstract：The temperature uniformity and the speed of temperature rise in nang-pit is the bottleneck of energy conservation and environmental protection. Aiming at the problem of temperature field caused by different structures of nang-pits， the parametric design and thermal characteristics of nang-pit structure are analyzed and studied. Firstly， three different shapes of parabola， arc curve and elliptic curve of the inner tank of nang-pit are considered， and the parametric geometric model of nang-pit structure is established. Secondly， the processing technology of nang-pit liner is designed according to the actual production. Finally， the finite element thermal analysis of three kinds of nang-pits are carried out by ANSYS under different heating source conditions， and the temperature cloud diagrams of three kinds of nang-pits are obtained. The results of analysis indicates that the thermal characteristics of the electric heating tube nang-pit is superior， which provides a basis for the optimization of the parameters of the nang-pit and energy conservation and environmental protection.

Key words：nang-pit；energy conservation；temperature field；parabola

馕是新疆各族人民所喜愛的主要食品之一，現(xiàn)逐漸發(fā)展為全國各地人民喜歡的面食，已成為當(dāng)?shù)貐^(qū)域性經(jīng)濟發(fā)展中重要的特色文化和產(chǎn)業(yè)[1-2]。目前，隨著節(jié)能減排工作方案全面深入開展，不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)并優(yōu)化，建立健全綠色低碳可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟體系，推進(jìn)能源介質(zhì)向可再生能源全面綠色轉(zhuǎn)型，從而助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)受到各界重視[3]。隨著我國特色食品裝備產(chǎn)業(yè)的升級，能夠?qū)崿F(xiàn)馕加工產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排，降低能源消耗、減少能源損失浪費，有效、合理地利用能源，加大馕加工產(chǎn)業(yè)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)力度，開發(fā)高效節(jié)能減排工藝、技術(shù)和產(chǎn)品，著力增強馕加工產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力，解決技術(shù)瓶頸成為發(fā)展趨勢[4]。

針對以上存在的問題，為了滿足新能源馕坑節(jié)能環(huán)保的要求，有必要通過參數(shù)化建立理想的馕坑內(nèi)膽以及加熱源模型來進(jìn)行有限元熱學(xué)分析，研究不同的馕坑結(jié)構(gòu)形狀與加熱源的溫度變化規(guī)律。

1 馕坑的結(jié)構(gòu)

1.1馕坑內(nèi)膽

馕坑內(nèi)膽用鐵板沖壓后焊接而成，市場上鐵板厚度有2.7～3.0 mm和4.0～4.2 mm兩種范圍，考慮馕坑打馕前要淋水，以及烤馕過程中底部需要水冷卻對馕坑內(nèi)壁的腐蝕作用，常采用厚度4.0 mm的鐵板。

傳統(tǒng)馕坑內(nèi)膽按材料分類有三種：黏土馕坑、陶瓷馕坑、鋼板馕坑[5]。這三種傳統(tǒng)馕坑共同的缺點在于熱利用率普遍較低，且由于采用傳統(tǒng)加熱方式，需要人工頻繁地在高溫馕坑中添加木柴、煤炭等燃料，衛(wèi)生條件差，在馕坑內(nèi)壁貼馕、取馕過程中，工作人員極易吸入大量CO等有毒氣體[6]。傳統(tǒng)馕坑的這些缺點在馕坑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時都是必須要考慮的因素。

1.2 加熱源

隨著新能源開發(fā)，加熱源逐漸改用了天然氣和電熱管兩種加熱方式，加熱源直徑為300 mm，火源高度為150 mm，為避免熱量從開口處急速流失，常會在加熱源上加一層帶孔的防護(hù)罩，同時可以防止馕餅渣掉入火源。

1.3 馕坑外壁

馕坑外壁上裝有儀表裝置，外壁上方留有圓孔使得馕坑內(nèi)膽鑲嵌在中央，馕坑外壁與內(nèi)膽腰部位置至少留有100 mm的距離，以保證絕熱效果，馕坑外壁下設(shè)有底座，方便馕坑整體結(jié)構(gòu)移動。

1.4 絕熱層

馕坑外壁與馕坑內(nèi)膽之間形成環(huán)形立體空腔，使用絕熱材料珍珠巖填滿絕熱空間，珍珠巖耐高溫且為固體顆粒狀，容易填充密閉空間，為避免出現(xiàn)空隙起不到隔熱效果，需要用攪拌棒搗結(jié)實。

2 馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模方法

馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)化的建模有利于生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，傳統(tǒng)的馕坑加工多采用經(jīng)驗值進(jìn)行切割、折彎、沖壓、打磨和焊接，沒有規(guī)范統(tǒng)一定形尺寸和定位尺寸，即使多次修復(fù)也很難達(dá)到嚴(yán)絲合縫。然而，經(jīng)過校驗后的馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，可以隨時調(diào)取尺寸精確的圖紙進(jìn)行加工制造，而且隨著用戶的需求可按比例修改參數(shù)，實現(xiàn)了方便、快捷、高效。節(jié)能環(huán)保的電加熱管馕坑結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 馕坑內(nèi)膽參數(shù)化建模方法

2.1.1 馕坑內(nèi)膽參數(shù)化確定

馕坑內(nèi)膽常采用三種形狀進(jìn)行設(shè)計，主要是：拋物線、圓弧曲線和橢圓曲線。結(jié)合馕坑計算方法統(tǒng)一約束三種形狀內(nèi)膽的參數(shù)化尺寸：馕坑底部圓的直徑為900 mm，中部距離底部540 mm處的圓直徑為1000 mm，馕坑開口圓的直徑為480 mm，馕坑高度900 mm[7]。

2.1.2 拋物線馕坑的設(shè)計方法

利用拋物線草圖繪制功能建模，上下拋物線焦點均過馕坑內(nèi)膽中心線且左右對稱。首先繪制開口朝下的上拋物線，拋物線端點分別與中部的直徑線端點合并；其次繪制開口朝上的下拋物線，拋物線端點分別與中部的直徑線端點合并，最后在兩條拋物線相交處進(jìn)行圓倒角，得到拋物線馕坑實體。

2.1.3 圓弧曲線馕坑的設(shè)計方法

繪制如以上拋物線馕坑的三條水平直線段確定圓弧馕坑上、中、下直徑的大小，利用三點圓弧草圖繪制功能，過開口圓端點與底部圓端點繪制任意圓弧，將圓弧曲線與中部端點約束為重合關(guān)系，得到圓弧曲線馕坑實體。

2.1.4 橢圓曲線馕坑的設(shè)計方法

利用橢圓曲線草圖繪制功能建模，約束上、中、下三個位置與橢圓曲線重合，橢圓中心要與中心線對齊，橢圓曲線馕坑的輪廓與圓弧曲線相近，上部相比圓弧曲線輪廓寬6 mm，下部相比圓弧曲線輪廓窄4 mm。

三種馕坑內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。

2.2 馕坑底座和外壁的建模

2.2.1 馕坑底座的建模

馕坑的底部由25 mm×50 mm×1200 mm的方管焊接而成，在方管的上表面焊接一塊1200 mm×1200 mm的鋼板，中間留一個直徑300 mm的火口，加熱源可選用天然氣或者電加熱形式，同時設(shè)置相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)和冷卻排水槽，底座下表面焊接四個腳輪。

2.2.2 馕坑外壁的建模

馕坑外壁主要是由四周壁和頂蓋組成。兩部分均由鈑金一次折彎而成，實際加工時，在控制顯示面板處根據(jù)配件尺寸進(jìn)行配作切孔，馕坑的外壁尺寸由內(nèi)膽的最大直徑?jīng)Q定，為保證絕熱效果且與馕坑底座配合安裝，外壁尺寸為1200 mm×1200 mm，用螺釘固定在底座上。

3 馕坑內(nèi)膽的加工工藝

3.1 籠骨搭架

按照馕坑開口圓、中部圓和底部圓的直徑做三個鋼筋圓箍，沿徑向方向做13根鐵片骨架，分別在上中下位置處進(jìn)行點焊定位，鐵片骨架用來固定兩片相鄰的馕坑內(nèi)壁鋼板，以防止馕坑整周在焊接過程中受力產(chǎn)生曲面形變。籠骨搭架如圖3（a）所示。

3.2 沖壓成型

馕坑內(nèi)壁鋼板需要經(jīng)過上下模冷沖壓成型，將用激光切割機提前切好的4 mm鋼板放入模具中沖壓而成。沖壓模的制作可從已經(jīng)焊接好的廢舊馕坑內(nèi)膽拆卸下來，逐片進(jìn)行焊接制成上下模，再使用液壓機構(gòu)即可實現(xiàn)簡易的沖壓模具。沖壓成型如圖3（b）所示。

3.3 整周對焊

馕坑整周間隔30°分布著12片冷沖壓成型

后的鋼板，先將兩片不相鄰鋼板沿周向點焊在鐵片骨架上，然后再插入相鄰鋼板沿徑向進(jìn)行點焊，再依次序焊接其余鋼板，最后對所有焊縫進(jìn)行外部焊接，拆除骨架后再對內(nèi)部進(jìn)行拋光處理。整周對焊如圖3（c）所示。

4 馕坑的有限元熱學(xué)分析

取低碳鋼在300℃的導(dǎo)熱系數(shù)42 W/m·K，在空氣中自然對流，取對流換熱系數(shù)25 W/m2·K。膨脹珍珠巖散料導(dǎo)熱系數(shù)0.062 W/m·K，珍珠巖密度60 kg/m3，粒度0.15～3 mm，若粒度減小使得間隙減小，接觸面增多使得熱阻增加，顆粒間的對流減少，從而使得導(dǎo)熱系數(shù)減小會起到較好地保溫效果。馕坑內(nèi)部存在一定的溫差，熱量會從馕坑底部傳遞到上部，馕坑內(nèi)部的熱量傳遞方式稱為熱傳導(dǎo)[8-9]。

熱傳導(dǎo)根據(jù)Fourier定律，有：

式中： 為熱流密度，W/m2；k為導(dǎo)熱系數(shù)，

W/（m·K）；T為溫度，K；x為導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，m。

加熱源表面與馕坑內(nèi)部空氣，以及馕坑外壁與室內(nèi)空氣間都會發(fā)生相對運動引起熱量傳遞[10]。

熱對流滿足Newton冷卻方程為：

式中：h為對流換熱系數(shù)； 為固體表面溫度； 為周圍空氣溫度。

4.1 電熱管加熱馕坑有限元熱學(xué)分析

因傳統(tǒng)紅外線燃燒器使用天然氣或沼氣進(jìn)行燃燒發(fā)熱，產(chǎn)生的CO2具有溫室效應(yīng)，所以加熱源選用更加節(jié)能環(huán)保的電加熱管來加熱，設(shè)計建模尺寸為?20×H150的圓棒形加熱管圓周陣列排布在馕坑底座上，選用加熱管額定功率2500 W，加熱管最大工作溫度為350℃。電加熱馕坑溫度分布云圖如圖4所示。

電加熱馕坑輪廓溫度梯度如表1所示。

4.2 紅外線加熱馕坑有限元熱學(xué)分析

為對比分析仿真實驗，對傳統(tǒng)的半圓球形紅外線燃燒器馕坑也進(jìn)行熱學(xué)分析，實際燃燒器是帶孔的陶瓷板爐頭，對加熱源做一定的簡化后，設(shè)計建模尺寸為?300×H150的半圓球形，并施加相同的熱載荷邊界條件。紅外線加熱馕坑溫度分布云圖如圖5所示。

紅外線馕坑輪廓溫度梯度如表2所示。

由圖4和圖5可以看出，相同規(guī)格不同形狀的馕坑，在相同加熱源加熱的工況下，其溫度在同一梯度上變化不大，但從底層到頂層均呈現(xiàn)遞減趨勢，電熱管加熱馕坑底層溫度平均為293.78℃，中間層溫度平均為285.63℃，頂層溫度平均為277.46℃；紅外線加熱馕坑底層溫度平均為289.86℃，中間層溫度平均為281.4℃，頂層溫度平均為272.71℃。電熱管加熱馕坑底層溫度較紅外線加熱馕坑高出3.92℃；中間層溫度高出4.23℃，頂層溫度高出4.75℃，電熱管馕坑在不同梯度上的溫度均高于紅外線加熱馕坑。

5 結(jié)論

通過建立馕坑的不同參數(shù)幾何模型，對比分析了電熱管加熱馕坑和紅外線加熱馕坑的溫度場分布云圖，得出結(jié)論：在相同的熱載荷邊界條件下，電熱管加熱馕坑相比于紅外線加熱馕坑更加節(jié)能，且電熱管以消耗清潔能源電能為主，而紅外線加熱馕坑以燃燒不可再生能源天然氣為主，所以電熱管加熱馕坑能夠?qū)崿F(xiàn)馕坑的節(jié)能環(huán)保要求。這為以后研究馕坑結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和節(jié)能環(huán)保提供了依據(jù)。

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收稿日期：2022-10-08

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃（2020D01B22）

作者簡介：李學(xué)志（1986－），男，山東淄博人，碩士研究生，副教授，主要研究方向為機械設(shè)計及理論，E-mail：563113515@qq.com。

*通訊作者：陳蒙（1991－），女，河南南陽人，碩士研究生，副教授，主要研究方向為軟件開發(fā)，E-mail：suyin0407@qq.com