茶渣雙軸攪拌干燥機結構優化及含水率模擬分析

關鍵詞：干燥；雙軸攪拌；數值模擬；結構優化；茶渣

隨著科技的發展，茶葉的更多功能逐漸被揭露，茶飲食品、茶醫藥、茶日化等深加工產品種類、產量急劇增加，極大地促進了我國茶葉產業發展。茶飲料已成為僅次于碳酸飲料和瓶裝水之后的第三大飲料。然而，茶葉產業不斷發展的同時也帶來了大量的茶渣，茶渣的合理處理或利用引起高度關注。目前茶渣的利用途徑主要有畜牧飼料、肥料以及茶渣造紙等[1‐2]。茶渣中含有茶多酚、茶多糖、氨基酸、維生素、纖維素和半纖維素等[3‐4]，因具有豐富的營養價值可作為飼料使用[5‐6]，同時，茶多酚具有消炎殺菌作用[7]，能夠降低飼養成本、改善肉質，還能提高動物的抗病能力、減少抗生素等藥物的使用[8]。為了便于運輸和儲存，茶渣在二次利用前關鍵的步驟就是干燥。干燥機按結構可分為流化床干燥機、回轉干燥機、攪拌干燥機、氣流干燥機、帶式干燥機、噴霧干燥機、紅外線干燥機及各種箱式干燥設備等[9]，結合茶渣的形狀和干燥特性，選用干燥效率更高的雙軸攪拌干燥機來干燥茶渣。

大型干燥設備的數值模擬是確定參數的有效辦法之一，目前使用較多的是歐拉-歐拉雙流體模型。利用該模型，Wu等[10]對圓柱形噴動流化床進行了模擬，得出了比較精準的結果；Wang等[11]使用該模型對密相旁通氣力輸送中的氣固流動進行流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）仿真預測；Tarek等[12]模擬了聚氯乙烯和濕式PVC污泥的流動模式以及傳熱和傳質過程，確定了氣相速度和溫度對最終產物的影響；Amiri等[13]基于歐拉-歐拉兩相模型的CuO納米流體傳熱數值研究，結果表明，溫度對CuO納米流體具有較大的影響；Cammarata等[14]使用歐拉-歐拉模型對鼓泡流化床的二維和三維進行CFD仿真，結果表明，顆粒動力學模型和顆粒床模型預測的氣泡大小與達頓方程非常吻合；秦長江等[15]通過歐拉-歐拉多相流模型和組分輸運模型對雙軸槳葉式干燥機進行數值模擬，揭示了雙軸槳葉式干燥機氣固兩相流的速度場、溫度場和物料含水率分布規律；任景春等[16]設計了直通熱風順流式雙軸攪拌干燥機，解決了雞糞、藥渣等高濕度物料的干燥；朱雨等[17]對雙軸螺旋槳葉干燥機內污泥含水率進行了數值模擬，研究了槳葉軸轉速和進料速度對污泥出口含水率的影響。

本文運用Fluent軟件，采用歐拉-歐拉多相流模型和組分輸運模型對雙軸攪拌干燥機內導流格柵結構進行了優化設計，并且分析了干燥機出料口物料含水率的變化趨勢，探究不同熱風溫度和主軸轉速對物料含水率的影響，模擬結果可為雙軸攪拌干燥機的設計與試驗提供參考。

1 材料與方法

1.1 雙軸攪拌烘干機三維模型及工作原理

雙軸攪拌烘干機三維幾何模型由機壁、進風口、出風口、進料口、出料口、導流格柵和攪拌軸等組成，如圖1所示。進風口、出風口和進料口直徑為450 mm，出料口尺寸為1 430 mm×270 mm，機壁長×寬×高尺寸為6 200 mm×2 760 mm×3 360 mm，攪拌軸直徑為168 mm，長度為6 100 mm，攪拌葉長度為636 mm，格柵厚度為10 mm。

茶渣通過螺旋輸送機的運輸從進料口進入干燥機，熱風由生物質燃燒機產生，并從進風口進入干燥機，同時2個攪拌軸開始旋轉，在攪拌軸的作用下，茶渣與熱風充分接觸，茶渣的溫度迅速上升，其內部的水分蒸發成水蒸氣并被熱空氣吸收從出風口排出，干茶渣在攪拌軸的作用下向前推進，并從出料口排出。

1.2 Fluent 仿真模型

1.2.1 湍流模型 由于雙軸攪拌烘干機在干燥過程中攪拌軸需做旋轉運動，需考慮旋轉域，所以采用RNG k-ε 模型[18]，其湍流能量k 與耗散率ε 方程如下。

式中，ρ 為流體密度，kg·m-3；t 為時間，s；αk、αε分別為k、ε的有效普朗特數的倒數，αk = αε = 1.39；Gk 為由平均速度梯度引起的湍動能產生項；C1ε、C2ε 為模型常數，分別為1.42和1.68；μ 為動力黏度，μt 為湍動黏度，Pa·s；η 為量綱一的應變或平均流時間尺度與湍流時間尺度之比；η0 為η 在剪切流中的典型值，為4.377；β為模型常數，為0.012。

1.2.2 多相流模型和組分輸運模型 模型由固相和氣相組成，為了提高模型的精確性，采用歐拉-歐拉多相流模型，并且開啟組分輸運模型[19]，歐拉-歐拉多相流模型設置兩相，主相設置為氣相，次相設置為固相，并且將空氣和水蒸氣設為氣相，將茶渣和液態水設為固相，其中空氣和絕干茶渣分別為第一組分。

1.2.3 動網格模型 雙軸攪拌干燥機攪拌軸在旋轉過程中，其旋轉域邊界隨時間不斷變化，所以需采用動網格模型[20]。在Fluent中，動網格模型求解器根據計算域邊界運動后的新位置，自行完成每一時間步的體網格重新劃分，其守恒方程如下。

式中，V 為形狀和大小變化的控制體體積，m3；? 為通用變量；?V （t）為控制網格運動速度，m·s-1；A為截面積，m2；Γ為耗散系數；S?為標量?的源項。

1.2.4 雙軸攪拌烘干機網格模型 流體域計算即為干燥機內部流體所流經的區域，采用DesignModeler軟件建立流體計算域，對模擬無關的部分零件特征進行簡化，簡化后的模型包括干燥機壁面、攪拌軸壁面、進料口、進風口、出料口和出風口，如圖2所示。由于保溫層的存在，在干燥過程中筒壁和攪拌軸外壁的溫度幾乎不變，因此在模擬時將筒壁和攪拌軸外壁視為恒溫壁面。使用Fluent Meshing對雙軸攪拌烘干機進行劃分。由于攪拌軸結構復雜，并且需設置動網格，所以網格質量要求較高，因此采用四面體網格方法對模型進行網格劃分，并設置網格單元尺寸大小為100 mm，劃分之后的網格單元數（圖3）約為543萬個。

1.3 模型假設與邊界條件分析

1.3.1 模型假設 干燥濕物料由絕干物料和水組成；濕物料進入干燥機時兩項物質均勻分布；干燥機出口空氣增加的水蒸汽全部由濕物料水分蒸發而來，在雙軸攪拌干燥機內的固相顆粒假設為連續的流體；雙軸攪拌干燥機內的氣相假設為不可壓縮流體；雙軸攪拌干燥機的進料口和出料口均無氣體流動。

1.3.2 邊界條件分析 進料口、進風口均采用速度入口，出風口和出料口均采用壓力出口；干燥機內壁面和攪拌軸外壁面均設為恒溫，壁面模擬所需主要參數如表1所示。

1.4 導流格柵結構

導流格柵是指干燥機內將熱源向物料方向引導的一種裝置，其結構如圖4所示。其由3個導流孔和4塊導流板組成，導流板的作用是改變熱風的方向，使熱風與物料能充分接觸，導流孔的作用是引導熱風向出風口排出。導流格柵的具體尺寸如圖5所示，其整體為梯形鋼板，在鋼板合適的位置開了3個長度為120 mm的導流孔，并且在導流孔的上方焊接了4塊長度為300 mm的導流板，導流板與導流格柵之間角度為α。

1.5 監測點位置和布局方法

為了能夠更加真實地反映干燥機內部各個位置的溫度情況，模擬前在截面X=0設置監測點監測各個點的溫度情況，監測點的位置和布置方式如圖6所示，其數量為15×8個，垂直間距和水平間距均為400 mm，共計120個監測點，均勻分布在干燥機內。

1.5 流場內平均溫度

為了能夠更加直觀地表明干燥機內的溫度狀況，引入平均溫度來表示不同格柵夾角和布置方式下干燥機內部流場溫度分布情況，其公式如下。

式中，-T為平面內所有監測點溫度的平均值；Ti 為平面內第i 個監測點的溫度值；n 為監測點數量。

2 結果與分析

2.1 導流格柵優化流場分析

2.1.1 不同導流格柵夾角時速度場分析 為了探究α 的大小對干燥機內風速的影響，取α 為0°～90°，間隔15°，研究干燥機的干燥效果。圖7為截面X=0時的速度云圖，其中導流格柵數量為5個，布置方式為垂直布置，且各格柵相互平行，導流格柵之間的間距為1 030 mm。可以看出，當導流格柵夾角α=0°和90°時，速度云圖分布極其不均勻，熱風主要集中在干燥機前部和下部，干燥機中部幾乎沒有熱風，這2種導流格柵布置會使得干燥機內溫度分布極其不均勻，干燥機內中部區域和其他區域溫度差距過大。其原因為導流格柵夾角過小或者過大時都會增加熱風垂直方向的移動速度，導致熱風集中在干燥機的前部和下部，使得熱風無法均勻分布在干燥機內部，這樣會使得干燥機內溫度遲遲上不去，物料無法均勻加熱，干燥效果會不理想。當導流格柵夾角α 增大到60°時，干燥機內氣流分布均勻程度也在不斷增加，干燥機內部所有區域幾乎都有氣流分布；當導流格柵夾角α增加到75°時，干燥機內部氣流均勻程度有所下降，由此可見，要使熱風均勻分布在干燥機內部，導流格柵的夾角盡量保持在45°～75°。

2.1.2 不同導流格柵夾角時溫度場分析 圖8為截面X=0，格柵夾角α 分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°時的溫度云圖。可以看出，當導流格柵夾角α=0°和90°時，干燥機內溫度分布極其不均勻，干燥機內中部區域和其他區域溫度差距過大。其原因為導流格柵夾角過大或者過小都會增加熱風垂直方向的移動速度，導致熱風集中在干燥機的前部和下部，熱風分布不均勻會導致干燥機內部溫度分布不均勻，使得物料無法加熱到指定溫度，物料無法均勻加熱，干燥效果會不理想。隨著導流格柵夾角α不斷增大到60°時，干燥機內熱風分布均勻程度也隨之增加，均勻分布的熱風會使得熱風與物料充分接觸，使得物料溫度迅速上升，并且干燥機內只有進料口、出料口和出風口附近的區域溫度較低，其他區域溫度幾乎均勻分布，這也符合實際情況，說明此模擬效果較為準確。當導流格柵夾角進一步增加到75°時，干燥機內部溫度分布均勻程度有所下降，同樣表明導流格柵夾角保持在45°～75°比較適宜。

由圖9可知，當格柵數為5個時，隨著導流格柵夾角度數的增加，干燥機內平均溫度先上升后下降，其中當導流格柵夾角度數為90°時，干燥機內平均氣溫最低，為377.17 ℃；當導流格柵夾角度數為60° 時，干燥機內平均氣溫最高，為429.23 ℃；而當導流格柵夾角為30°、45°和75°時，干燥機內平均氣溫分別為422.33、423.39 和424.29 ℃，由此可見，導流格柵夾角度數最佳范圍為45°～75°，其中導流格柵夾角度數60°時效果最好，其原因為導流格柵夾角過大或者過小都會增加熱風的垂直移動速度，導致熱風堆積在干燥機前部和下部，溫度分布不均勻，使得干燥機內溫度不能達到指定值。

2.1.3 不同導流格柵布置方式時速度場分析 為探究導流格柵數量對干燥機內熱風速度的影響，取導流格柵數量為0～6，探究不同導流格柵數量時，干燥機內速度場的分布規律，各導流格柵布置方式如表2所示。圖10為導流格柵數量為0～6，導流格柵夾角為60°時，截面X=0的速度云圖。可以看出，在沒有導流格柵的引導下，熱風不能均勻分布在干燥機內部，因此干燥機內上部和下部溫度差距較大，溫度分布不均勻會導致物料不能充分加熱，其中的水分不能被蒸發帶走，干燥效果不能達到預期目標。當格柵數量增加到1、2和3時，干燥機內部氣流均勻程度有所增加，但熱風主要分布在干燥機的上部，這會減少物料與熱風接觸的時間，導致干燥效果變差，并且熱風集中在干燥機上部會縮短熱風在干燥機內部停留的時間，使得物料脫水速度下降。當進一步增加導流格柵的數量至4和5時，干燥機內部氣流主要分布在干燥機的下部，導流格柵數量越多，導流格柵對熱風的阻礙作用也越強，從而使得熱風在干燥機內部的停留時間增加，熱風與物料的接觸時間也增加，因此物料的脫水效率更高，干燥效果也更好。但是當導流格柵的數量增加到6時，干燥機下部的氣流分布均勻程度有所下降，由此可見導流格柵的數量不能過多。

2.1.4 不同導流格柵布置方式時溫度場分析 圖11 為導流格柵數量為0～6，導流格柵夾角為60°時，截面X=0的溫度云圖。可以看出，當無格柵時，干燥機內部平均溫度為299.98 ℃，熱風進入干燥機后迅速從出風口排出，熱風在干燥機內停留的時間很短，導致干燥機內的溫度不能達到指定值，會影響物料的干燥效果；當格柵數量為1時，干燥機內平均溫度為415.38 ℃，可見在導流格柵的作用下，大部分氣流在導流板的引導下向下流動，使得氣流均勻程度增加，但是進風口下部區域溫度還是較低；繼續增加格柵數量到2時，干燥機內平均溫度為415.57 ℃，干燥機內氣流均勻程度進一步增加，進風口下部區域溫度有所改善；當格柵數量為3 時，干燥機內平均溫度為424.41 ℃，可見格柵數量由2增加到3，干燥機內平均溫度增加幅度較大，并且此時干燥機內氣流分布均勻程度也增加了很多，進風口下部區域溫度也有了很大的改善；當增加格柵數量到4 和5 時，干燥機內部平均溫度分別為427.99 和429.23 ℃，并且此時干燥機內部氣流分布均勻程度達到頂峰，除了進料口、出料口和出風口附近區域內溫度稍低，其他區域內溫度幾乎均勻分布；而當繼續增加格柵數量到6時，雖然氣流分布也較為均勻，但是干燥機內平均溫度已經開始下降，為422.48 ℃，并且出風口附近區域內溫度較格柵數量為4和5時有所下降。由此可見，格柵數量增加會增加干燥機內平均溫度，但是數量過多也會適得其反。

由圖12可以看出，當格柵夾角為60°時，增加格柵數量，干燥機內平均溫度先上升后下降，當無格柵時，干燥機內平均溫度最低，為299.98 ℃；增加格柵數量時，干燥機內平均溫度會上升，當格柵數量為5 時，干燥機內平均溫度達到最高，為429.23 ℃，此時干燥機內氣流均勻程度最高，且溫度分布最為均勻，干燥效果最好；當格柵數量繼續增加到6時，干燥機內平均溫度開始下降，且干燥機內部氣流均勻程度也不如格柵數量為5的時候。其原因為：格柵數量過少時，熱風在干燥機內停留時間過短，物料沒有充分被加熱，熱風就已經從出風口排出了，而當格柵數量過多時，格柵對熱風的阻礙作用過大，導致熱風主要集中在干燥機的左半部分，而右半部分熱風分布較少，導致物料溫度上不去，最終也會使得干燥效果變差。因此，格柵數量過少或者過多時，干燥效果都不理想，所以在設計干燥機時應該控制格柵數量，使得格柵間隔在1 030～1 350 mm，并且保證格柵均勻分布。

2.2 熱風溫度對物料出口含水率的影響

為了探究熱風溫度對物料干燥的影響，取熱風溫度范圍為200～500 ℃，研究不同熱風溫度下，出料口物料含水率的變化規律。圖13表示熱風速度為1 m·s-1、攪拌軸轉速為300 r·min-1，熱風溫度200～500 ℃時，干燥機出料口截面，即截面Z=9 500 mm的物料含水率云圖。可以看出，隨著溫度增加，物料含水率在不斷下降，并且在攪拌軸的攪拌作用下，物料分布較為均勻，當溫度為200 ℃時，上層物料的含水率較低，底層物料含水率較高，而當溫度繼續增加時，這種現象有所改善，底層物料含水率與上層物料含水率差距在縮小，這是由于溫度增加時，物料與熱空氣換熱效率增加，更多底層物料中的水分被蒸發出來并且被熱空氣吸收帶走。

從圖14可以看出，隨著熱風溫度的增加，出料口物料含水率不斷下降，由200 ℃時的30.58%下降到500 ℃時的12.91%，可見熱風溫度對物料含水率影響顯著，溫度越高，物料與熱空氣的換熱效率也越高，這與實際情況也是相符合的，考慮到熱風溫度越高，耗能也越高，成本也就越高，因此，在滿足產品要求的情況下，應控制熱風溫度在450～500 ℃。

2.3 主軸轉速對物料出口含水率的影響

為了探究主軸轉速對物料出口含水率的影響，選取主軸轉速范圍為300～600 r·min-1，研究不同主軸轉速下，出料口物料含水率的變化規律。圖15為熱風速度為1 m·s-1、熱風溫度為500 ℃，主軸轉速300～600 r·min-1時，干燥機出料口截面，即截面Z=9 500 mm的物料含水率云圖。可以看出，隨著主軸轉速的增加，物料均勻程度也在增加，并且底層物料含水率高于上層物料含水率，這是因為熱源更靠近上層物料，上層物料的熱交換效率更高，并且在重力的作用下，含水率高的物料向底層移動，導致底層物料含水率更高，這與實際情況也是相符的。

從圖16 可以看出，隨著主軸轉速的增加，出料口物料平均含水率不斷增加，由主軸轉速300 r·min-1 時的12.91%，上升到主軸轉速600 r·min-1時的21.63%，由此可見，主軸轉速的快慢對物料含水率影響較大。其原因是隨著主軸轉速的增加，攪拌軸的攪拌作用增加，物料在攪拌軸的攪拌作用下不斷翻滾并向出料口方向移動。所以主軸轉速越快，物料向出料口移動的速度也越快，物料在干燥機內停留的時間也隨之變短，物料與熱風接觸的時間也減少，熱交換速率自然就下降，出口物料含水率也隨之增加。同時主軸轉速越高，電機的電力負荷也越高，成本自然也增加，所以攪拌軸轉速不應選的過高。但是攪拌軸轉速也不宜選的過低，因為過低的轉速會導致物料攪拌不均勻，且干燥時間過長，影響干燥機的工作效率。綜合考慮，在滿足產品干燥要求的前提下，干燥機主軸轉速選擇范圍應為300～350 r·min-1。

3 討論

本文采用多相流模型和組分輸運模型對雙軸攪拌干燥機內流場進行結構優化和含水率分析，其模擬精度較好，能準確地展現出熱風干燥的速度場、溫度場和物料含水率的變化規律。

本文提出了增添導流格柵的方案，并且研究了導流格柵的夾角和布置方式對干燥機內部速度場和溫度場的影響，同時分析了熱風溫度和雙軸攪拌干燥機主軸轉速對物料出口時含水率的影響。但是本文結構優化模擬只研究了導流格柵的夾角、導流格柵的布置方式對干燥機內部流場的影響，僅探究了最合適的導流格柵夾角α和最合適的導流格柵布置方式。影響干燥機內部流場的因素還有導流格柵的高度變化與布局、導流孔的大小、不同導流格柵間導流孔相對位置等，改變這些因素都有可能使得干燥機內部流場狀況發生變化，因此還需進一步進行模擬和研究。