基于EDEM綠茶滾筒殺青機溫度場研究

李志杰，王素芬，黃劍虹，蔣丹燕，張 奇，潘佳斌

(1.衢州學院機械工程學院，浙江衢州 324000；2.浙江上洋機械有限公司，浙江衢州 324000)

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基于EDEM綠茶滾筒殺青機溫度場研究

李志杰1，王素芬1，黃劍虹2，蔣丹燕1，張 奇1，潘佳斌1

(1.衢州學院機械工程學院，浙江衢州 324000；2.浙江上洋機械有限公司，浙江衢州 324000)

在充分調(diào)研傳統(tǒng)和新式綠茶滾筒殺青機設備的基礎上，基于離散元分析法的原理，借助EDEM軟件對滾筒進行溫度場分析，并探討了滾筒轉(zhuǎn)速、導葉板數(shù)量及導葉板傾角的大小對殺青效果的影響。

殺青；溫度場；離散元法；EDEM

中國是世界上發(fā)展和利用茶樹最早的國家，也是世界上最早生產(chǎn)綠茶的國家。在幾千年的歲月沉淀中，中國綠茶在世界貿(mào)易綠茶中占有絕對的主導地位。近幾年，由于綠茶的保健功能的發(fā)現(xiàn)及推廣，全球綠茶的需求每年穩(wěn)速增長，大眾對于綠茶的品質(zhì)也提出更高的要求[1-2]。殺青是綠茶初制加工的關(guān)鍵工序之一。茶葉殺青的目的是通過物理加溫的方法，鈍化鮮茶葉中的氧化酶活性，從而較多地保留鮮葉內(nèi)的茶多酚、氨基酸、維生素等物質(zhì)[3-5]；同時促進青草氣的低沸點芳香物質(zhì)揮發(fā)，使綠茶帶有花香、栗香或炒豆香，香氣怡人；鮮葉失重30%～40%，脫去部分水分，使茶葉質(zhì)地柔軟略帶粘性，稍有彈性，方便揉捻成形。殺青機的溫度場分析是設計和改進殺青機的基礎，殺青溫度的控制決定了綠茶外形和品質(zhì)?；诖?，筆者在對殺青機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的基礎上，以EDEM方法對滾筒內(nèi)溫度場進行仿真分析，研究殺青溫度對滾筒殺青質(zhì)量的影響，以期為提高殺青技術(shù)和優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1三維模型的建立為了模擬的真實性，選擇Solidworks三維軟件創(chuàng)建滾筒模型(圖1)，并另存為IGS格式，命名為Cylinder。

圖1　滾筒的三維建模Fig.1　Three-dimensional modeling of cylinder

1.2仿真模型的創(chuàng)建利用前期處理建模工具創(chuàng)建仿真模型的步驟[6-7]：①設置參數(shù)、物理和材料屬性；②定義原型顆粒；③定義幾何體；④設置仿真區(qū)域；⑤創(chuàng)建顆粒工廠。

1.2.1設置參數(shù)、物理和材料屬性。①設置Global參數(shù)，為模型命名，并描述其功能。②設置Physics和Gravity，通常在Z方向設置重力為-9.81m/s2。③設置Materials和Interactions。在Materials組框中，可以為仿真中的顆粒及幾何體定義其材料和相互作用。用Interactions定義當材料相互接觸時的運動形式。

1.2.2定義原型顆粒。創(chuàng)建顆粒，并對顆粒的表面(半徑、相對位置)以及特性(質(zhì)量、體積、慣性矩)進行定義(圖2)。滾筒的基本參數(shù)如表1所示；茶葉顆粒的具體參數(shù)如表2所示。

1.2.3定義幾何體。導入Cylinder文件的滾筒模型如圖3所示，對幾何體Cylinder進行特性參量的設置，輸入幾何體的尺寸、位置和方向。由于筒體做旋轉(zhuǎn)運動，因此新建一個運動類型，設置運動類型為Linearrotation；設置筒體旋轉(zhuǎn)時繞X軸旋轉(zhuǎn)，并設定旋轉(zhuǎn)速度為2.93r/s；選擇初始為1s。

1.2.4設置仿真區(qū)域。仿真區(qū)域是進行仿真計算的區(qū)域，具體的設置步驟如下：設定X、Y和Z方向的仿真區(qū)域，或者使用Autoupdate復選框來自動選擇一個包括幾何體全部體積的仿真區(qū)域。

1.2.5創(chuàng)建顆粒工場。以定義的原型顆粒為基準在指定的幾何體邊緣或在其內(nèi)生成顆粒。假設顆粒在筒體中生成，將殺青機筒體作為顆粒工廠，在EDEM中顯示為紅色幾何體，選擇Factortype為Dynamics；選擇生成顆粒數(shù)目為10 000；設置顆粒生成速率為1×104粒/s。

圖2　定義顆粒Fig.2　Defined particle

名稱Name悶殺段長度Lengthofstuffykillsection∥mm滾筒直徑Cylinderdiametermm轉(zhuǎn)速Rotationrater/min滾筒傾角Cylinderangle∥°導葉筋高度Heighofguidevane∥mm導葉筋寬度Widthofguidevane∥mm導葉筋數(shù)量Numberofguidevane∥個參數(shù)1Parameter1120060025245103參數(shù)2Parameter2120060028245104參數(shù)3Parameter3120060031245105

表2　茶葉顆粒參數(shù)

圖3　Cylinder導入滾筒模型Fig.3　Cylinder introduction drum model

1.3仿真計算

1.3.1設置時間選項。①設置時間步長。EDEM通常選擇Rayleigh時間步長的30%作為時間步長。Rayleigh時間步長由顆粒平均半徑(3.0mm)計算得出，但是根據(jù)正態(tài)分布，仿真中的最小顆粒半徑為2.5mm。因此取半徑為2.5mm的顆粒的Rayleigh時間步長的30%進行仿真計算。②設置仿真時間和數(shù)據(jù)寫出頻率。仿真時間是仿真進行的實際時間總量，相關(guān)設置如下：設置Totaltime為5s；設置數(shù)據(jù)寫出頻率Writeoutevery為0.01s。

1.3.2定義網(wǎng)格尺寸。顆粒的網(wǎng)格大小影響仿真的速度快慢。將仿真區(qū)域劃分為小的網(wǎng)格，則仿真計算模塊只檢測包含接觸的網(wǎng)格，這將大大減少計算時間。網(wǎng)格尺寸按照仿真模擬中最小顆粒的半徑度量，設置尺寸大小時，最好設置為最小顆粒半徑尺寸的2倍左右[8]。該仿真將網(wǎng)格尺寸定義為5.0mm。

2　仿真結(jié)果與分析

2.1滾筒轉(zhuǎn)速對殺青葉堆積的影響在其他條件相同的情況下，不同轉(zhuǎn)速，殺青葉覆蓋面積不同(圖4)。當滾筒轉(zhuǎn)速較大時，在導葉板的作用下，茶葉的上下翻滾變得較為劇烈，與筒內(nèi)壁接觸的次數(shù)增加，滯空的茶葉顆粒數(shù)量增加，殺青葉表面溫度上升較快；但隨著殺青過程的持續(xù)，一旦轉(zhuǎn)速超過一定范圍，茶葉拋射的高度更高且散熱加快，其與筒壁的接觸時間減少，就會出現(xiàn)茶葉堆積現(xiàn)象。

圖4　滾筒轉(zhuǎn)速對殺青葉覆蓋面積的影響Fig.4　Effects of cylinder speed on leaf coverage area

2.2導葉板數(shù)量對殺青葉溫度的影響在其他條件相同的情況下，殺青溫度與滾筒內(nèi)導葉板數(shù)量有直接關(guān)系，其關(guān)系曲線如圖5所示。在滾筒轉(zhuǎn)速均為28r/min的前提下，采用有5條導葉板的滾筒比只有3條、4條導葉板的滾筒溫度分布更加均勻，其升溫快、殺青效果更好。

3　結(jié)論

(1)滾筒轉(zhuǎn)速對殺青效果有影響，當滾筒處于低速轉(zhuǎn)動時，殺青葉在滾筒中的散度比處于高速轉(zhuǎn)動時更強。

(2)導葉板數(shù)量對殺青效果有影響，在相同轉(zhuǎn)速的情況下，適當增加導葉板數(shù)目有利于減少茶葉堆積現(xiàn)象、提高殺青葉溫度的均勻性、促進其表面水汽散發(fā)、提升殺青品質(zhì)。

圖5　導葉板數(shù)量對殺青葉溫度的影響Fig.5　Effects of guide vane quantity on tea leaves temperature

[1] 浙江省農(nóng)業(yè)廳.中國綠茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國茶葉，2008，30(9)：4-5.

[2] 郝朝會.滾筒式紅外茶葉殺青機的設計研究[D].淄博：山東理工大學，2012.

[3] 胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010.

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[7] 陳根生，袁海波，許勇泉，等.針芽形綠茶連續(xù)化生產(chǎn)線設計與工藝參數(shù)優(yōu)化[J].茶葉科學，2016(2)：139-148.

[8] 尹軍峰，許勇泉，袁海波，等.名優(yōu)綠茶鮮葉攤放過程中主要生化成分的動態(tài)變化[J].茶葉科學，2009，29(2)：102-110.

Basedonfullinvestigationoftraditionalandnewgreenteacylinderdryingmachine,accordingtotheprincipleofdiscreteelementmethod,withsoftwareEDEM,temperaturefieldwasanalyzed,effectsofrotationspeedofcylinder,guidevanenumberandanglesizeonkillingwerediscussed.

Killout;Temperaturefield;Discreteelementmethod;EDEM

國家級創(chuàng)新訓練項目(201511488005)；浙江省公益性技術(shù)應用研究計劃(2015C32126)；衢州市科技計劃項目(2015Y006)。

李志杰(1979- )，男，甘肅張掖人，講師，博士，從事茶葉加工工藝與機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究。

2016-06-29

S226.9

A

0517-6611(2016)23-235-03

ResearchonTemperatureFieldforGreenTeaCylinderDryingMachineBasedonEDEMMethod

LIZhi-jie1,WANGSu-fen1,HUANGJian-hong2etal(1.SchoolofMechanicalEngineering,QuzhouUniversity,Quzhou,Anhui324000; 2.ShangyangMachineryCo.LtdofZhejiang,Quzhou,Zhejiang324000)