生豬轉(zhuǎn)運(yùn)車烘干房風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

李會知，翟 參，肖方恰，邢金超

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州力之天農(nóng)業(yè)科技有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

在生豬轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，為防止豬只在車內(nèi)遭遇疾病感染，轉(zhuǎn)運(yùn)車在進(jìn)入養(yǎng)殖場之前需進(jìn)行徹底的清洗、消毒和烘干。最后的烘干效果直接決定了清洗、消毒后車上的病菌是否除盡。利用烘干房在生豬轉(zhuǎn)運(yùn)車車身內(nèi)部形成合理的溫度場和風(fēng)速場，保證車輛快速干燥，投入運(yùn)營，提高了車輛的利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

鄭州力之天農(nóng)業(yè)科技有限公司和鄭州大學(xué)合作研發(fā)了專利產(chǎn)品[1]，在此基礎(chǔ)上初步建造的生豬轉(zhuǎn)運(yùn)車烘干房，存在升溫期能耗偏大和烘干區(qū)域溫度場、風(fēng)速場不夠合理的問題。如果現(xiàn)場不斷調(diào)整烘干房風(fēng)系統(tǒng)布置形式進(jìn)行流場優(yōu)化和測量試驗(yàn)研究，必將取得可靠的成果，但存在工作量大、周期長、成本高等問題。

由于畜牧轉(zhuǎn)運(yùn)車烘干房的研究不成熟，筆者在研究中借鑒了汽車涂裝烘干房[2-4]和茯茶烘房[5-7]的干燥技術(shù)。研究中首先利用初步設(shè)計(jì)的烘干房進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)值仿真模擬研究方法的可行性；然后，通過分別改變烘干房送風(fēng)口位置、后置風(fēng)機(jī)位置和送風(fēng)工藝參數(shù)來進(jìn)行數(shù)值仿真模擬優(yōu)化，在車輛烘干區(qū)形成合理的溫度場和風(fēng)速場，得出合理的風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式和參數(shù)，為生豬轉(zhuǎn)運(yùn)車烘干房的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，為其他畜牧運(yùn)輸車輛烘干房的研究提供參考。

1 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

1.1 物理模型

初步設(shè)計(jì)的烘干房主要由燃燒系統(tǒng)、熱風(fēng)烘干系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)和烘干房室體4部分組成。燃燒室加熱新風(fēng)后送入烘干室內(nèi)，烘干室采用側(cè)墻送風(fēng)、頂部排風(fēng)的氣流組織方式，并利用后置風(fēng)機(jī)來加速室內(nèi)氣流循環(huán)。

烘干房的物理模型如圖1所示。把車輛模型簡化為車頭、車輪、車身側(cè)欄桿、車身底板4部分，并對烘干房內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡化。表1為烘干房結(jié)構(gòu)形式，表2為烘干房風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)。

圖1 烘干房物理模型

表1 烘干房結(jié)構(gòu)形式

表2 烘干房風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)

1.2 控制方程

烘干房內(nèi)空氣為低速、不可壓縮湍流流動(dòng)氣體，且遵循基本物理守恒規(guī)律。

(1)質(zhì)量守恒方程:

(1)

(2)動(dòng)量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

(3)能量守恒方程：

(5)

方程(1)～(5)聯(lián)立湍流模型方程可構(gòu)成封閉方程組對溫度場、風(fēng)速場進(jìn)行求解。湍流計(jì)算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[8]。

1.3 網(wǎng)格劃分

使用Airpak數(shù)值模擬軟件劃分六面體網(wǎng)格，并對風(fēng)口位置等進(jìn)行局部加密處理。采用4套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性考核，經(jīng)過計(jì)算和結(jié)果處理，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在20×104時(shí)即可滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求[9]。筆者選取總網(wǎng)格數(shù)量為214 086，圖2為烘干房各坐標(biāo)軸中部網(wǎng)格示意圖。

圖2 烘干房網(wǎng)格示意圖

1.4 數(shù)值方法

選擇Reynolds時(shí)均法作為本文的數(shù)值模擬方法，有限體積法FVM作為離散方法，對控制方程進(jìn)行離散化后，選取分步法進(jìn)行迭代求解。

使用Airpak進(jìn)行模擬求解，根據(jù)烘干房物性參數(shù)設(shè)置邊界條件，選擇離散輻射模型，采用雙精度求解器[10]，并采用SIMPLE算法[11]。動(dòng)量、溫度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率等項(xiàng)選用一階迎風(fēng)格式。

1.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

現(xiàn)場試驗(yàn)選取1個(gè)溫度測點(diǎn)和7個(gè)速度測點(diǎn)來驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，速度測點(diǎn)布置在車身左側(cè)欄桿距墻1.25 m、高為0.8 m處，測點(diǎn)間隔1.5 m；溫度測量探頭布置在一層豬籠地板中部，高度1.8 m處。試驗(yàn)開始后每隔60 s記錄一次溫度讀數(shù)，測得600 s溫升數(shù)據(jù)。在室內(nèi)流場充分發(fā)展并穩(wěn)定后進(jìn)行風(fēng)速測量，每個(gè)測點(diǎn)讀數(shù)6次并取其算術(shù)平均值，圖3為試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比。圖(a)為溫度測點(diǎn)前600 s瞬態(tài)模擬值和實(shí)測數(shù)據(jù)對比；圖(b)為速度測點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)的對比。分析可知，各溫度測點(diǎn)相對誤差均在1.5%以下，各速度測點(diǎn)相對誤差均在8%之內(nèi)，模型的準(zhǔn)確度較高。通過數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明，使用Airpak軟件模擬烘干房內(nèi)氣流組織，并進(jìn)行后續(xù)仿真優(yōu)化研究是可行的。

2 烘干房風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化技術(shù)路線

理論上來講，豬籠上、下層地板平面處容易積水，其烘干效果的優(yōu)劣直接影響病菌的殺滅效果，因此，在這兩處烘干區(qū)域獲得合理的流場是烘干房風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的核心。

文獻(xiàn)[12]指出：影響烘干房內(nèi)氣流組織的因素是送、排風(fēng)口和后置風(fēng)機(jī)的位置。結(jié)合數(shù)值模擬分析，排風(fēng)口位置對車身周圍流場影響較小，因此，影響初始烘干房流場的主要因素是送風(fēng)口和后置風(fēng)機(jī)的位置。

分別改變送風(fēng)口和后置風(fēng)機(jī)的位置，進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化分析，引入速度的不均勻系數(shù)[13]作為評價(jià)風(fēng)速場合理性的指標(biāo)之一，并引入溫度不均勻系數(shù)作為評價(jià)溫度場均勻性的指標(biāo)之一，計(jì)算方法如下：

(6)

2.2 優(yōu)化結(jié)果

(1)溫度場優(yōu)化。烘干房內(nèi)送風(fēng)口數(shù)量及位置對溫度場影響較大，保持初始后置風(fēng)機(jī)位置和送風(fēng)口間距不變，通過改變送風(fēng)口1距入口卷簾門的距離及送風(fēng)口的高度，組合成12種優(yōu)化方案如表3所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別選取高度為1.1 m、2.35 m的豬籠一、二層地板內(nèi)均勻的8個(gè)測點(diǎn)，計(jì)算平均溫度和溫度不均勻系數(shù)作為衡量指標(biāo)，圖4為溫度場優(yōu)化數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)送風(fēng)口優(yōu)化結(jié)果，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，豬籠一、二層地板平均溫度都能達(dá)到烘干要求的70 ℃以上，綜合比較，方案8的上、下兩層地板溫度不均勻系數(shù)均較小，且都具有適中的平均溫度，因此，將其作為較理想的溫度場優(yōu)化結(jié)果。

表3 送風(fēng)口優(yōu)化方案

圖4 送風(fēng)口優(yōu)化結(jié)果分析

(2)速度場優(yōu)化。烘干房內(nèi)后置風(fēng)機(jī)的擺放位置對風(fēng)速場影響較大，根據(jù)溫度場優(yōu)化結(jié)果設(shè)置送風(fēng)口位置后，將后置風(fēng)機(jī)的擺放高度和間距組合為表4所示的12種優(yōu)化方案。

表4 后置風(fēng)機(jī)優(yōu)化方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，兩層烘干平面風(fēng)速場相近，選取高度為1.1 m豬籠一層地板內(nèi)均勻的8個(gè)測點(diǎn)，計(jì)算最大風(fēng)速、平均風(fēng)速和速度不均勻系數(shù)，并將它們作為衡量指標(biāo)，圖5為速度場優(yōu)化數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖5 后置風(fēng)機(jī)優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)后置風(fēng)機(jī)優(yōu)化結(jié)果，方案7、8平均風(fēng)速較高，但風(fēng)速不均勻，方案2、6、11風(fēng)速不均勻系數(shù)均較低，綜合比較，方案6的優(yōu)化效果最顯著，最大風(fēng)速、平均風(fēng)速合理，均勻性較好，因此，將其作為較理想的風(fēng)速場優(yōu)化結(jié)果。

綜上所述，首先采用送風(fēng)口優(yōu)化方案8使烘干區(qū)域具有良好的溫度場，然后采用后置風(fēng)機(jī)優(yōu)化方案6使烘干區(qū)域具有良好的風(fēng)速場。烘干房風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果為：送風(fēng)口高度為1.3 m，送風(fēng)口1距入口卷簾門3.25 m。送風(fēng)口間距為2 m，后置風(fēng)機(jī)高度分別為1.6 m和2.85 m，后置風(fēng)機(jī)間距為1.5 m。

3 烘干房工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案及結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，溫升階段的最終溫度應(yīng)穩(wěn)定在70～80 ℃之間，并持續(xù)干燥一段時(shí)間以殺滅大部分豬只易感染病菌，溫度過低影響殺菌效果，過高則造成能耗浪費(fèi)。因此，考慮滅菌效果和能耗因素，烘干房溫升階段達(dá)到的設(shè)計(jì)溫度為75 ℃。

初始設(shè)計(jì)的烘干房存在升溫階段時(shí)間偏長，能耗偏大的問題。影響烘干房的升溫階段時(shí)間長短的主要因素按影響程度從大到小排列為：①入口溫度,②入口速度,③室內(nèi)初始溫度,④室內(nèi)初始濕度[1]。

保持室內(nèi)初始溫度22 ℃，相對濕度31%不變，設(shè)置不同的入口溫度和入口風(fēng)速，進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬求解，將達(dá)到設(shè)計(jì)溫度所需時(shí)間作為衡量指標(biāo)，進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)選取入口溫度82 ℃和入口速度3.5 m/s作為送風(fēng)工藝參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，烘干房達(dá)到75 ℃的升溫時(shí)間最短，為496 s。

3.2 理論能耗比對

影響烘干房的能耗因素很多，主要是風(fēng)機(jī)的電能耗和燃燒器消耗的能量[1]，烘干房內(nèi)溫升過程需要消耗的總熱量：

Q=Q1+Q2+Q3，

(7)

式中：Q1為烘干房內(nèi)壁面受熱升溫所消耗的熱量,kJ;Q2為烘干房外壁面散失的熱量,kJ;Q3為烘干房內(nèi)空氣和補(bǔ)充的新風(fēng)升高到設(shè)計(jì)溫度所消耗的熱量,kJ。

(1)烘干房內(nèi)壁面吸收的熱量主要用來提升內(nèi)壁面的溫度，Q1簡化計(jì)算公式：

Q1=M1c1(Tt-T0),

(8)

式中：M1為烘干房內(nèi)壁材料的質(zhì)量,kg;c1為內(nèi)壁材料的比熱容,kJ/(kg·K);T0為內(nèi)壁面加熱前的溫度,K;Tt為內(nèi)壁面加熱至穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度,K。

(2)烘干房主要是通過外壁面的對流傳熱向外界空氣進(jìn)行換熱的，Q2簡化計(jì)算公式：

Q2=AK(Tt-Tw)t,

(9)

式中：A為烘干房外壁表面積,m2;K為外壁面對流換熱系數(shù),kJ/(m2·h·K);Tw為外壁面平均溫度,K;t為烘干時(shí)間,h。

(3)烘干房內(nèi)空氣升溫所消耗的熱量Q3簡化公式：

Q3=Δhm2，

(10)

式中：Δh為空氣的焓值增量,kJ/kg;m2為空氣的質(zhì)量,分為兩部分(補(bǔ)充的新風(fēng)和烘干室內(nèi)空氣),kg。

為提供烘干房升溫階段熱量，燃燒器所消耗的燃油量計(jì)算如式(11)，送風(fēng)機(jī)所消耗的電能計(jì)算如式(12)。

(11)

式中：q1為燃油燃燒的熱值,kJ/kg。

(12)

式中：Qs為送風(fēng)量,m3/h;p1為風(fēng)機(jī)的全壓,Pa;η0為風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率,%;η1為機(jī)械效率,%;t為升溫時(shí)間,s。

假設(shè)外墻體溫度為室外溫度，且外側(cè)無風(fēng)，烘干房內(nèi)沒有無組織滲透風(fēng)，室內(nèi)排風(fēng)量等于新風(fēng)量。烘干房所在地區(qū)的柴油價(jià)格為6 000元/t，工業(yè)用電價(jià)格為1.2元/度，則按照初始烘干房的工藝參數(shù)及物性參數(shù)，帶入式(7)～(12)，計(jì)算得一次溫升時(shí)間內(nèi)能耗理論成本為82.47元。按照工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行能耗計(jì)算，在一次溫升時(shí)間內(nèi)能耗理論成本為69.28元，相比之前減少了13.19元，降低了16%。

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場試驗(yàn)測量與模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)對比分析，表明數(shù)值模擬方法適用于生豬轉(zhuǎn)運(yùn)車烘干房流場組織的優(yōu)化研究。

(2)在初步設(shè)計(jì)的烘干房中，溫度場、風(fēng)速場不夠合理。分析發(fā)現(xiàn)，影響烘干區(qū)域流場的主要因素是送風(fēng)口和后置風(fēng)機(jī)的位置。首先通過改變送風(fēng)口位置來優(yōu)化溫度場，然后通過改變后置風(fēng)機(jī)的高度和間距來優(yōu)化風(fēng)速場，得出了能夠在烘干區(qū)域形成較合理的溫度場和風(fēng)速場的風(fēng)系統(tǒng)形式：送風(fēng)口離地面1.3 m，送風(fēng)口1距入口卷簾門3.25 m，風(fēng)口間距為2 m；后置風(fēng)機(jī)高度分別為1.6 m和2.85 m，后置風(fēng)機(jī)水平間距為1.5 m。

(3)為縮短烘干房升溫階段時(shí)間，降低能耗，通過改變烘干房入口溫度和風(fēng)速來進(jìn)行送風(fēng)工藝參數(shù)優(yōu)化，模擬了不同送風(fēng)優(yōu)化方案烘干房的升溫時(shí)間，獲得了較短升溫時(shí)間的工藝參數(shù)并進(jìn)行了理論能耗計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在一次烘干的升溫期，送風(fēng)工藝參數(shù)優(yōu)化后的理論能耗成本降低了16%。