基于fluent的隧道滅菌烘箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王炳剛 過星 于穎

（1.中國藥科大學(xué)，江蘇南京 210009；2.常州四藥制藥有限公司，江蘇常州 213004）

1 前言

熱風(fēng)循環(huán)型隧道滅菌烘箱已廣泛用于西林瓶、安瓿的干燥滅菌，成為藥廠無菌注射劑、粉針劑生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。然而目前國內(nèi)隧道滅菌烘箱生產(chǎn)廠家在機(jī)械加工精度、設(shè)備監(jiān)控水平和設(shè)計(jì)研發(fā)、能耗等方面與世界知名廠商相比還存在一定的差距，很多方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)。德國Bosch 公司，德國B+S 公司，意大利IMA 公司，ROMACO 公司生產(chǎn)的熱風(fēng)循環(huán)型隧道滅菌烘箱技術(shù)性能先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，溫度控制運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有許多值得我們借鑒的地方[1]。熱風(fēng)循環(huán)型隧道滅菌烘箱主要分為三段：預(yù)熱段、滅菌段、冷卻段。預(yù)熱段主要用于西林瓶的預(yù)熱，以防升溫過快導(dǎo)致的破瓶。滅菌段主要用于西林瓶的滅菌去熱源，是烘箱的關(guān)鍵部分。冷卻段主要用于將高溫西林瓶冷卻到適宜溫度以進(jìn)入下一步灌裝工序[2]。滅菌段的結(jié)構(gòu)如下圖1 所示[3]，其熱風(fēng)均勻性一直是評(píng)價(jià)隧道滅菌烘箱的關(guān)鍵指標(biāo)，熱風(fēng)均勻即說明烘箱熱風(fēng)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能。本文即針對(duì)隧道滅菌烘箱的滅菌段熱風(fēng)均勻進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬，以期做一些有價(jià)值的研究。

2 風(fēng)罩及回風(fēng)道的模擬

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)大多依靠仿制和經(jīng)驗(yàn)。而Fluent軟件具有強(qiáng)大的流體模擬功能，F(xiàn)luent 軟件對(duì)于流體的模擬已經(jīng)很成熟[4]，將其用于烘箱的熱風(fēng)循環(huán)模擬，能夠完整的模擬預(yù)測(cè)空氣在不同狀態(tài)及結(jié)構(gòu)下的流速，流向及分布。從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)，成為隧道烘箱設(shè)計(jì)的一種有力工具。

圖1 滅菌段

數(shù)學(xué)模型建立：

要模擬熱風(fēng)在不同風(fēng)罩及回風(fēng)道結(jié)構(gòu)中的氣流分布情況，必須要建立合理的數(shù)學(xué)模型。其主要數(shù)學(xué)模型如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中：

符號(hào)Su、Sv和Sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

式6 和7 中，Gb表示由于浮力引起的湍動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng)，YM表示可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng)，C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε 對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)[5]。

湍動(dòng)耗散率：

湍動(dòng)粘度：

3 風(fēng)罩的設(shè)計(jì)

隧道滅菌烘箱滅菌段的風(fēng)罩結(jié)構(gòu)是確保熱風(fēng)出風(fēng)均勻的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是烘箱設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的重點(diǎn)[6]。目前普遍使用的是梯形風(fēng)罩，并且在其下部配有均流板以確保出風(fēng)均勻。

3.1 現(xiàn)有梯形風(fēng)罩與均流板的模擬

根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)罩的梯形結(jié)構(gòu)，建立模型并通過fluent模擬后得到如圖2 所示的速度分布圖。在圖2 中可以明顯的看到中間部位的風(fēng)速快，受到的沖擊力大。這種情況下即使經(jīng)過高效過濾器后出風(fēng)比較均勻也是不可取的。因?yàn)橹胁扛咝н^慮器受得沖擊力大，必然會(huì)導(dǎo)致高效過濾器使用壽命縮短，加大泄露風(fēng)險(xiǎn)，高效過濾器的損壞意味著滅菌失敗[7]。

3.2 散流風(fēng)罩模擬

基于目前梯形風(fēng)罩與均流板存在中部沖擊大的缺陷，設(shè)計(jì)出了散流板結(jié)構(gòu)式的風(fēng)罩以期改善出風(fēng)效果。在風(fēng)罩內(nèi)加入一定數(shù)目的散流板[8]。并進(jìn)行模擬，得到的模擬效果如圖3 所示。加入散流板后整個(gè)出風(fēng)效果有了明顯的改善。中部所受的沖擊力明顯減小，可以初步認(rèn)定散流風(fēng)罩的設(shè)計(jì)優(yōu)于之前的結(jié)構(gòu)。

圖2 速度分布圖

4 回風(fēng)道的設(shè)計(jì)

合理的回風(fēng)道設(shè)計(jì)不僅能影響西林瓶受熱均勻性，同時(shí)也能影響回風(fēng)的及時(shí)與合理。所以，回風(fēng)道的設(shè)計(jì)對(duì)隧道滅菌烘箱的熱風(fēng)循環(huán)非常關(guān)鍵。

4.1 大均孔控流板

在網(wǎng)帶的下方安裝一塊大孔均流板以確保及時(shí)合理的回風(fēng)。建立簡化二維模型并進(jìn)行計(jì)算模擬得到如圖4 所示結(jié)果[9]。從圖4 中可以明顯看到靠近回風(fēng)側(cè)的大孔處風(fēng)速大，遠(yuǎn)離回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速小，即會(huì)出現(xiàn)圖5所示的溫差趨勢(shì)，遠(yuǎn)離回風(fēng)側(cè)的西林瓶溫度低，靠近回風(fēng)側(cè)的西林瓶溫度高，從而出現(xiàn)溫度不均勻，存在溫差。烘箱的溫度分布均勻是設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的重點(diǎn)，溫度分布不均勻難以確保藥品的生產(chǎn)合格[10]。

4.2 孔徑遞增控流板

為了優(yōu)化以上均孔板出現(xiàn)的回風(fēng)不均勻，嘗試采用孔徑遞增的控流板以期改善回風(fēng)效果?？讖綇幕仫L(fēng)側(cè)向遠(yuǎn)離回風(fēng)側(cè)逐漸增大，建立該模型并進(jìn)行數(shù)值模擬得到如圖6 所示結(jié)果。遠(yuǎn)離回風(fēng)側(cè)仍然存在風(fēng)速較小區(qū)域，從圖6 中速度分布可知較圖4 而言回風(fēng)效果已有所改善[11]。

4.3 孔徑遞增控流板與導(dǎo)流板結(jié)合

為了實(shí)現(xiàn)更好的回風(fēng)效果，嘗試在孔徑遞增控流板的基礎(chǔ)上添加導(dǎo)流板為此重新建立模型并經(jīng)過數(shù)值模擬得到如圖7、圖8 所示，分別可見在添加一塊導(dǎo)流板及兩塊導(dǎo)流板時(shí)回風(fēng)道不同的速度分布圖[12]。

通過以上模擬效果可知添加一塊或兩塊導(dǎo)流板，并且調(diào)節(jié)它們之間的位置及距離可獲得較為理想的回風(fēng)效果。并且添加兩塊導(dǎo)流板的回風(fēng)在穿過網(wǎng)帶時(shí)更為均勻，效果更好。

圖4 大均孔控流板

圖5 溫差趨勢(shì)

圖6 孔徑遞增控流板

圖7 一導(dǎo)流板時(shí)速度分布

圖8 二導(dǎo)流板時(shí)速度分布

5 風(fēng)罩與回風(fēng)道組合

以上分別模擬了不同風(fēng)罩及回風(fēng)道對(duì)熱風(fēng)均勻的影響，為了更好的說明問題，在此考慮將二者結(jié)合起來以期更加充分的說明設(shè)計(jì)改進(jìn)的可行性。

5.1 均流板風(fēng)罩與均孔控流板回風(fēng)道

建立均流板風(fēng)罩與均孔控流板回風(fēng)道組合1 的模型并進(jìn)行數(shù)值模擬得到圖9 所示結(jié)果。

由圖9 可知均流板風(fēng)罩與均孔控流板回風(fēng)道的結(jié)構(gòu)必然會(huì)導(dǎo)致風(fēng)罩出風(fēng)時(shí)中間速度大，沖擊力大，勢(shì)必會(huì)影響高效過濾器的使用壽命[13]。與此同時(shí)，下部回風(fēng)道的回風(fēng)也是偏置的，肯定會(huì)出現(xiàn)熱風(fēng)不均勻的現(xiàn)象。所以這種結(jié)構(gòu)不可取。

5.2 均流板風(fēng)罩與遞增孔板回風(fēng)道

建立均流板風(fēng)罩與遞增孔板回風(fēng)道組合2 的模型并進(jìn)行數(shù)值模擬得到圖10 所示結(jié)果[14]。

由圖10 可知，對(duì)于風(fēng)罩出風(fēng)而言，仍然是中部受沖擊力太大?；仫L(fēng)道改為遞增孔板后，回風(fēng)分布有所改變，大孔處回風(fēng)量大，風(fēng)速小。小孔處回風(fēng)量小，風(fēng)速大。

5.3 均流板風(fēng)罩與導(dǎo)流板回風(fēng)道

建立均流板風(fēng)罩與導(dǎo)流板回風(fēng)道組合3 的模型并進(jìn)行數(shù)值模擬得到圖11 所示結(jié)果。

由圖11 可知，均流板風(fēng)罩在風(fēng)速過大時(shí)在兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)漩渦，這表明此時(shí)中部所受沖擊力更大。雖然回風(fēng)道改為導(dǎo)流板設(shè)計(jì)后回風(fēng)變得明顯均勻，只有合理的回風(fēng)道設(shè)計(jì)才能夠確保空氣的均勻[15]。

5.4 散流板風(fēng)罩與遞增孔板回風(fēng)道

建立散流板風(fēng)罩與遞增孔板回風(fēng)道組合4 的模型并進(jìn)行數(shù)值模擬得到圖12 所示結(jié)果。

圖9 組合1 速度分布圖

圖10 組合2 速度分布圖

由圖12 可知，在風(fēng)罩處添加散流板后，出風(fēng)不均勻的現(xiàn)象得到明顯改善，中部所受壓力得到緩解。但是回風(fēng)道處遞增孔板的設(shè)計(jì)并沒有顯著改善回風(fēng)效果。大孔出風(fēng)風(fēng)速小，小孔出風(fēng)風(fēng)速大。

5.5 散流板風(fēng)罩與導(dǎo)流板回風(fēng)道

建立散流板風(fēng)罩與導(dǎo)流板回風(fēng)道組合5 的模型并進(jìn)行數(shù)值模擬得到圖13 所示結(jié)果。

由圖13 可知散流板風(fēng)罩能夠使上部出風(fēng)均勻，延長高效過濾器的使用壽命。與此同時(shí)，下部導(dǎo)流板回風(fēng)道設(shè)計(jì)能夠時(shí)回風(fēng)均勻，確保在孔板以上熱風(fēng)分布均勻。綜上所述，散流板風(fēng)罩與導(dǎo)流板回風(fēng)道的結(jié)構(gòu)是模擬設(shè)計(jì)中最理想效果。不僅使得上部出風(fēng)均勻，而且也使得下部回風(fēng)均勻。合理的速度和壓力的分布均勻才能表明結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理[16]。

圖11 組合3 速度分布圖

圖12 組合4 速度分布圖

圖13 組合5 速度分布圖

6 總結(jié)與展望

本文旨在對(duì)fluent 模擬軟件用于烘箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出嘗試。通過對(duì)目前存在的風(fēng)罩及回風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到較理想的改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。雖然沒有實(shí)物作為直接證據(jù)，但仍不失為一次有意義的嘗試?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來計(jì)算機(jī)輔助制藥設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須成為非常重要的手段。

[1] 萬明偉. 層流熱風(fēng)滅菌隧道烘箱的設(shè)計(jì)與研究[D]. 陜西：陜西科技大學(xué)，2012.

[2] Bechini C. Unit for sterilizing and depyrogenating containers[P]. European Patent EP 1841654, 2009-7-1.

[3] Pennekamp I, Hillebrand K. Method for controlling air speed in a sterilizing tunnel during the heating of same tunnel[P]. U.S. Patent 6,383,449, 2002-5-7.

[4] Fluent I N C. FLUENT 6.1 User’s Guide[J]. Lebanon (NH), Fluent Inc, 2003.

[5] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 —CFD 軟件原理與應(yīng)用 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004 .

[6] Michel P. Sterilization and depyrogenation ovens and tunnels qualification[J]. STP pharma pratiques, 2008, 18(4): 295.

[7] Coté R J. Sterilization and filtration[J]. Current Protocols in Cell Biology, 1999: 1.4. 1-1.4. 21.

[8] Lan N S, Viswanathan S. Numerical simulation of airflow around a variable volume/constant face velocity fume cupboard[J]. AIHAJAmerican Industrial Hygiene Association, 2001, 62(3): 303-312.

[9] Mendez S, Eldredge J, Nicoud F, et al. Numerical investigation and preliminary modeling of a turbulent flow over a multi-perforated plate[C]//Proceedings of the Summer Program. 2006: 1.

[10] Agalloco J, Akers J. Sterile Product Manufacturing[J]. Pharmaceutical Sciences Encyclopedia: Drug Discovery, Development, and Manufacturing, 2010.

[11] R?back P, Pursula A, Veijola T. Hierarchical finite element simulation of perforated plates with arbitrary hole geometries[C]//Proceedings of MSM. 2003.

[12] ZHOU Z, FAN W, DONG L. Design and numerical simulation for flow deflector in the gas flue of selective catalytic reduction denitrification system [J]. Journal of Chongqing University, 2009, 10: 016.

[13] Reicks D L. Application of Air Filtration Systems in Swine Operations[C]//Iowa State University Swine Disease Conference for Swine Practitioners. 2009, 17: 121-127.

[14] Cai D, Ning Z, Yi B, et al. Over Device of Tunnel-Type Sterilization Dryer[P]. U.S. Patent, 20,120,216,417, 2012-8-30.

[15] Khatir Z, Paton J, Thompson H, et al. Computational fluid dynamics (CFD) investigation of air flow and temperature distribution in a small scale bread-baking oven[J]. Applied Energy, 2012, 89(1): 89-96.

[16] Wan M W, Zhang S H. Numerical Simulation of the Tunnel Oven with Fluent Software[J]. Advanced Materials Research, 2012, 399: 1856-1861.