紫花苜蓿太陽(yáng)能干燥箱的設(shè)計(jì)及模擬

王少丹，錢(qián)珊珠，田偉娜，張 悅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

紫花苜蓿被譽(yù)為“牧草之王”是世界上栽培歷史最悠久、面積最大的多年生豆科飼草，它既可肥田，促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)，又能養(yǎng)畜，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值甚至比一些谷物精飼料還高。苜蓿在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用，它是家畜的主要優(yōu)良飼草，無(wú)論是青、干草還是青貯，都具有品質(zhì)優(yōu)良、適口性好的特點(diǎn)[1]。

苜蓿干燥是加工過(guò)程中最重要的因素，其對(duì)苜蓿后處理有著重要的影響[2]。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能干燥是農(nóng)產(chǎn)品干燥的理想加工方式，通過(guò)太陽(yáng)能加熱的熱風(fēng)對(duì)各種形態(tài)的農(nóng)產(chǎn)品如果蔬、中藥材等進(jìn)行干燥。

太陽(yáng)能干燥農(nóng)產(chǎn)品，溫度在65℃以下，能更好地保留營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可以避免露天攤曬中出現(xiàn)灰塵、蠅蟲(chóng)等污染和腐爛變質(zhì)現(xiàn)象，可以節(jié)約燃煤等傳統(tǒng)干燥方式的能源消耗，降低成本，減少污染排放[3]。

Vijayan S 等[4]開(kāi)發(fā)了一種多孔顯熱存儲(chǔ)介質(zhì)集成的間接強(qiáng)制對(duì)流式太陽(yáng)能干燥器，研究了多孔蓄熱和質(zhì)量流率對(duì)苦瓜干燥系統(tǒng)性能的影響。雒鋒[5]等在普通恒溫鼓風(fēng)干燥箱上增加主軸、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)及變頻器等部件進(jìn)行改造，為干燥箱的應(yīng)用提供了新的思路。Darabi H[6]等設(shè)計(jì)了一種全新帶獨(dú)立入口托盤(pán)的干燥箱，并通過(guò)CFD軟件進(jìn)行模擬研究。付玉[7]設(shè)計(jì)出變截面—靜壓式平行送風(fēng)型干燥箱，并對(duì)干燥箱各個(gè)方向上的流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了模擬研究。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)干燥箱的研究不多且不深入，干燥箱雖然能基本滿(mǎn)足干燥要求，但在實(shí)際過(guò)程中還存在著干燥速度慢及不均勻等問(wèn)題，而設(shè)計(jì)合理的干燥箱結(jié)構(gòu)使其提供均勻穩(wěn)定的熱氣流是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。本研究對(duì)立式雙向通風(fēng)太陽(yáng)能干燥箱進(jìn)行改進(jìn)研究，對(duì)干燥箱內(nèi)部流場(chǎng)分布進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，使干燥箱內(nèi)部更加均勻地流過(guò)要進(jìn)行干燥的物料，提高干燥效率和干燥產(chǎn)品的品質(zhì)，降低能耗。

1 太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)

1.1 干燥方法

現(xiàn)有的干燥箱設(shè)計(jì)多是采用單向風(fēng)向流動(dòng)形式的熱風(fēng)進(jìn)行干燥，主要缺點(diǎn)是：干燥段較長(zhǎng)，熱風(fēng)在干燥箱內(nèi)流動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度下降較大，農(nóng)產(chǎn)品受熱不均勻，干燥效果差。為了使物料干燥均勻則需倒換干燥盤(pán)或是選用更高功率的風(fēng)機(jī)提高風(fēng)速，這樣就會(huì)提高干燥的成本和能耗，降低干燥效率。本研究將采用雙向通風(fēng)循環(huán)干燥方式。

圖1為干燥系統(tǒng)風(fēng)向流動(dòng)示意圖。按圖1中方向1(━·→ 所示)進(jìn)行干燥時(shí)：冷空氣在集熱器腔體內(nèi)先進(jìn)行加熱升溫，在鼓引風(fēng)機(jī)的作用下以一定的速度將熱氣流從集熱器通風(fēng)口1經(jīng)循環(huán)氣體處理中心帶到干燥箱通風(fēng)口1、2，進(jìn)入干燥箱內(nèi)部對(duì)物料進(jìn)行加熱；之后帶有余熱的熱氣流經(jīng)干燥箱通風(fēng)口3、4排出經(jīng)循環(huán)氣體處理中心，再通過(guò)集熱器通風(fēng)口2進(jìn)入到集熱器腔體內(nèi)進(jìn)行重復(fù)工作。按圖1中方向2(━→ 所示)進(jìn)行干燥時(shí)：由變頻器控制風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，氣流則會(huì)由集熱器的通風(fēng)口2流出。其中，由于經(jīng)過(guò)循環(huán)氣體處理中心的氣體為溫度較高的熱氣流，所以該部分選取了性?xún)r(jià)比較高的竹質(zhì)活性炭作為干燥材料。

圖 1 干燥系統(tǒng)風(fēng)向流動(dòng)示意圖Fig.1 Wind direction flow of drying system

1.2 太陽(yáng)能干燥箱結(jié)構(gòu)

干燥箱作為干燥的重要場(chǎng)所，不僅要考慮合理的進(jìn)出風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)熱氣流與物料進(jìn)行換熱、換濕，而且要選擇合理的物料承放方式，即滿(mǎn)足物料進(jìn)出的方便性又使空間得到充分的利用。

本文研究的太陽(yáng)能干燥箱主要由箱體、載料盤(pán)、隔板及保溫層、上下通風(fēng)口5部分組成，如圖2所示。

圖2 干燥箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of drying box

考慮到干燥過(guò)程中對(duì)干燥空間的需求，干燥箱內(nèi)部容積尺寸為1 030mm×850mm×1 400mm(長(zhǎng)×寬×高)。箱體內(nèi)部由隔板分割成若干獨(dú)立的空間，每個(gè)空間分布有4層導(dǎo)軌，用來(lái)固定載物盤(pán)。保溫層采用操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的聚氨酯發(fā)泡作為保溫材料，保溫層厚度為100mm分布在干燥箱的四周，減少干燥箱內(nèi)部熱量的散失。上下通風(fēng)口為4個(gè)四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，其端口口徑為300mm×300mm的正方形。為了方便實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用傳感器測(cè)量進(jìn)出口處氣流的速度以及溫度，在端口側(cè)壁上設(shè)計(jì)有一個(gè)直徑為30mm的圓孔，如圖3所示。

1.端口 2.圓孔圖3 端口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Port structure diagram

本設(shè)計(jì)主要在干燥箱內(nèi)設(shè)置隔板，將干燥箱內(nèi)部分割成若干個(gè)獨(dú)立的空間，使到達(dá)物料的氣流更加均勻，提高干燥的均勻性。

2 干燥箱模擬分析

2.1 干燥箱內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

CFD是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)及動(dòng)量傳遞等研究的核心和重要技術(shù)，可在流動(dòng)基本方程(動(dòng)量守恒、能量守恒)控制下對(duì)流體進(jìn)行數(shù)值模擬。

由于流體湍流運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)律的復(fù)雜性，目前尚未找到對(duì)各種流動(dòng)情況都十分有效的模型。工程上應(yīng)用最廣泛的是k-ε兩方程模型[8]。k-ε是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來(lái)的一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是求解兩個(gè)附加方程，k方程和ε方程。其中，k方程是表示湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程，ε方程是湍流耗能方程[9]。

假設(shè)干燥箱內(nèi)的氣流為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的流動(dòng)，用標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型描述這種流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的微分形可表達(dá)如下：

動(dòng)量方程為

(1)

能量方程為

(2)

k方程為

(3)

ε方程為

(4)

其中

方程選取參數(shù)：c1=1.44,c2=1.92,cu=0.09,δk=1.0,δε=1.3,δT=0.9～1.0 。

k-ε湍流模型對(duì)于內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的充分發(fā)展湍流都很適用，但k-ε湍流模型只適合于離開(kāi)壁面一定距離的湍流區(qū)域，對(duì)于壁面附近的區(qū)域，一般采用壁面函數(shù)來(lái)處理。因?yàn)楸诿婧瘮?shù)對(duì)多種壁面流體的流動(dòng)都適用，所以現(xiàn)在大部分CFD軟件都將其當(dāng)作默認(rèn)的求解方法[10]。

2.2 干燥箱內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.2.1 建模及網(wǎng)格劃分

高質(zhì)量的網(wǎng)格是CFD計(jì)算的前提條件，是影響CFD計(jì)算結(jié)果的最主要因素之一[11]。利用Gambit對(duì)干燥箱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以得到包括邊界條件等特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。

對(duì)于數(shù)值計(jì)算來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格類(lèi)型和網(wǎng)格質(zhì)量是至關(guān)重要的，在干燥箱內(nèi)部采用分塊方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一些尖角處采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在形狀比較規(guī)則的地方采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。

2.2.2 邊界條件

因湍流效應(yīng)對(duì)流動(dòng)與傳熱有一定的影響，故采用k-ε方程模型。Pressure based隱式求解，保證收斂的穩(wěn)定性；壓力和速度解耦采用SIMPLE算法；動(dòng)量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風(fēng)格式(Second Order Upwind);計(jì)算流體進(jìn)口采用速度入口條件，給定流體速度、溫度及相應(yīng)的湍流條件；出口采用壓力出口條件；箱體壁面采用不可滲透、無(wú)滑移絕熱邊界。具體邊界條件如表1所示。

2.3 模擬結(jié)果及分析

改進(jìn)前速度矢量圖如圖4所示。由圖4可以看出：空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥箱后，在干燥區(qū)域內(nèi)氣流主要集中在中間部位，四周部分只有少量氣流經(jīng)過(guò)，即干燥箱四周空間沒(méi)有被充分利用，造成了干燥空間的浪費(fèi)，同時(shí)也不利于達(dá)到良好的干燥效果。

圖4 改進(jìn)前速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of before improvement

改進(jìn)后速度矢量圖如圖5所示?？諝庥蛇M(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥箱后，自下而上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由隔板將氣流強(qiáng)制均分，使進(jìn)入各個(gè)部分的空氣更加均勻；干燥氣流不再過(guò)于集中，使干燥箱內(nèi)的干燥情況得到了改善。從矢量圖中可以看出：干燥區(qū)域內(nèi)四周氣流速度明顯提高；整體來(lái)看，整個(gè)干燥段內(nèi)氣流速度較為均勻。均勻的干燥氣流可以提高干燥箱的利用效率，增強(qiáng)干燥效果。

圖5 改進(jìn)后速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of before improvement

因?yàn)楦稍锵鋬?nèi)部為規(guī)則的長(zhǎng)方體，所以截取具有代表性的、中間截面上同一高度的水平線上的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

提取改進(jìn)前干燥箱內(nèi)干燥段的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖6)，可以看出：0～0.2m處干燥區(qū)域內(nèi)，氣流速度成線性上升，前后上升幅度較大，此區(qū)域內(nèi)氣流速度不均勻，不利于物料的均勻干燥。0.65～0.83m處干燥區(qū)域內(nèi)，氣流速度成線性下降，前后下降幅度較大，同樣此區(qū)域內(nèi)也不利于物料的均勻干燥。兩端不均勻區(qū)域占整個(gè)干燥區(qū)域比例接近1/2，造成干燥區(qū)域的嚴(yán)重浪費(fèi)。

提取改進(jìn)前后干燥箱內(nèi)同一部分干燥段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出：0～0.2m以及0.65～0.83m的兩部分干燥區(qū)域內(nèi)，氣流速度明顯提高，且與中間部分氣流速度基本持平；不僅提高了四周干燥區(qū)域內(nèi)的速度及干燥區(qū)域的利用率，且與中間干燥區(qū)域速度基本保持一致，使整個(gè)干燥區(qū)域內(nèi)的干燥速度均勻。

圖6 改進(jìn)前速度變化曲線Fig.6 Velocity curve of before improvement

圖7 改進(jìn)后速度變化曲線Fig.7 Velocity curve of improvement

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)材料是由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所提供的紫花苜蓿，初始含水率為71.12%，平均株高51cm。

3.2 試驗(yàn)儀器

動(dòng)力系統(tǒng)：4-72NO 3.6A離心通風(fēng)機(jī)(由變頻器控制轉(zhuǎn)速)；測(cè)量設(shè)備如表2所示。

表2 主要測(cè)量設(shè)備Table 2 Main measuring equipment

3.3 試驗(yàn)過(guò)程及指標(biāo)

選取輻射強(qiáng)度相似的天氣對(duì)改進(jìn)前后干燥箱進(jìn)行空載和帶載對(duì)比試驗(yàn)。空載試驗(yàn)在干燥箱內(nèi)分布風(fēng)速傳感器，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。帶載試驗(yàn)選取長(zhǎng)勢(shì)相同、同一茬的紫花苜蓿為試驗(yàn)原料，將其均勻平鋪在干燥箱內(nèi)部，厚度為10cm。變頻器調(diào)節(jié)到50Hz；每30min取樣測(cè)量含水率的變化，并記錄。葉片含水率的計(jì)算公式為

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 空載試驗(yàn)結(jié)果分析

選取水平面上一條直線上1h內(nèi)的數(shù)據(jù)去掉失真值取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。其與模擬結(jié)果趨勢(shì)相同，表明在干燥箱內(nèi)增加隔板使其內(nèi)部形成獨(dú)立的干燥空間，有利于氣流的均勻分布。

圖8 改進(jìn)前速度變化曲線Fig.8 Velocity curve of before improvement

圖9 改進(jìn)后速度變化曲線Fig.9 Velocity curve of improvement

3.4.2 帶載試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖10和圖11所示，改進(jìn)后的干燥箱提高了四周空間內(nèi)的風(fēng)速，使紫花苜蓿干燥過(guò)程更加的均勻，使同一批物料最終含水率不一致的問(wèn)題得到了解決。

圖10 改進(jìn)前干燥速率變化曲線Fig.10 Drying rate change curve before improvement

圖11 改進(jìn)后干燥速率變化曲線Fig.11 Drying rate change curve of improvement

4 結(jié)論

1)改進(jìn)后干燥箱提高了干燥區(qū)域的利用率：使改進(jìn)前干燥箱內(nèi)1/2的低速區(qū)得到了改善，使干燥區(qū)域得到了充分的利用。

2)改進(jìn)后干燥箱提高了干燥效率及均勻性。使改進(jìn)前干燥箱內(nèi)的低速區(qū)并使之與干燥箱內(nèi)中間部分速度基本一致，提高了干燥的效率及均勻性。

3)改進(jìn)后干燥箱提高了干燥速率，降低了每千克物料干燥需要的能耗。改進(jìn)后干燥箱使用循環(huán)干燥的干燥方法，將干燥后的熱氣流進(jìn)行回收再利用，降低了干燥系統(tǒng)的整體能耗。