萎凋槽的流体力学分析初探.pdf

一f 萎凋槽的流体力学分析初探 肖 纯 陈宗遑 李华 强(西 南农业 大学食 品学系邮编6 3 0 7 1 6)【摘要】本文从流体力学角度对萎嗣槽柞了理论分析，建立了初步的设计计算体系，提出 了改 进 现有 萎 凋糟 的方法。经 生产 现场 验 证 表明，用 这 一套 计 算体 系代 替经 验 设计 体 系，可 以 提 高萎 两 质量 和茶 厂 的经 薪教 益。关 键 词：堕 生生 ，节 J，考 域 一、理 论 分 析 萎 揭槽 内气流的运 动状 况要 比一 般工 程管路 复杂。为便 于分 析，可将萎凋槽 视为 由一 填 料床和一送风 管道两部分 组成。空气 在槽 内和萎凋 叶空隙 内的流动呈湍 流状态(可 由雷 诺 数 得到验证)，故可按湍流进行分析计算。(本 文萎 凋风量计 算从略)姜调 系统 的风压损失，包括 萎 捅帘 风阻，叶层风阻、气流缩 扩 及 转 向 风 阻、槽体沿程风阻等几部分。风道风压 分布 如图 1 萎 疆蕾任一截 面的风压 爱风 量 萎凋帘孔从统计角度可视为沿长度 方向呈均匀分布的矩形条孔。下面任取 一截面 进行分 析。一 一 B ，垂E-、图 l 风 道 风 压 分 布 曲 找(1)动压 速度 U(近似平 行于帘面方 向)U =m s Y 0 式中P t d 截面处空气动压(P a)；p 空气密度(k g r )。(注 本文在分析过程视 p为常数)(2)垂直于 帘面 的速度(本文称 它为静压 速度)u U f 2 PA s U m，s 式 r t t P 截而处 空气静压(Pa)。式(2)说明，穿越 帘孔的风 速取 决予帘 背的静压。5 维普资讯 http:/ (3)气流在帘孔中的真实流向与帘面的夹角 气流 由于贯 性(动、静压 的作用)，必 E；一定 的角度穿越 帘孔 下式计算-=气 流在真实流 向上的流速。应 为：rrU iU d A 0 一面r i O 一 _c 0 (4)A截面处气流单位时间流出矩形条孔的流 髓 为：q=o U 0=矿 f 式 中 孔 口流量 系数，按 图 2取 信；，。矩形条 孔面积在 垂直 予 U 方向的投影面积(m2)，矩形条 孔 面积(m：)。图 2 r。为相对 流量系数，即：-(6)式 审0-r 一 空气在 截面的垒 流量(m。s)。，在 萎凋槽 巾，。在 O 0 8 0 2 气澈流向与帘面的夹角按(3)范 围。当a 6 0 时，0 6。图 2 “一 关 系 由式(6)、式(5 、式(2)可以看 出，穿越矩 形条 孔的风量 与 帘背静压及 相 对 流 量 系 数 有关。(5)娄滴稽不 部位穿帘风量的襁等条件：要使姜凋叶萎凋均匀，穿越帘孔的风量鲁部位必额相等。由前面的分析可知，固矩形帘孔面积是统计均匀的，孔 口漉 系数在雄叶的情况下应基 本一致，故保持风量相 等的条 件是 帘背各处 静压相 同，亦 即：PA*=Pa i (7)2 空气 通过 萎凋 叶层 的风压 损失 萎凋床 内空气流动 示意图如 图 3，空气在叶层 的间 隙日：曲折 流动。令 萎凋叶是的 空隙度 为，则 空隙体 积：为 l 、，V ：=c =m。(8)式 中 一 萎漏床 层的总体积(m)。空气 在萎 凋床层 中的平均传质 时 i l j i为：i 孑=s 式 中 一 一美捌 帘面祝(m)j 6 曰3 萎凋床层示意图 (9)维普资讯 http:/ 叶层厚 度(m)；0 进入萎 凋槽的空气体积 流量(m。s)。式(9)表明，为保证有一定的传质时问，在一定送风量的条件下，有一定的空隙度和一 定 的摊叶体 积。空气 流过叶层 的表 观速度 u 与 空床 时 的流速 u的关系为：r T U =m s (1 0)因 s u。叶 屡堆积 越 紧 霄，uF也越大。(也可以 甩静压速度 u 来表示，u Ur 萎凋 帘开孔率)空 气穿过叶 屡的阻力(以 表示)为：rT 2 l=l p L J K+H ，2 l p +H pa (1 1)式 巾 空气漉经叶 层的综 合阻力 系数；H 空气垂直位移 引起的势能变化值(Pa)。式(1 1)说明，影响：的因素以及空隙度与叶屠厚度，都会影响空气的流 动 阻 力，其中 空 隙度 影响尤为 明显。3 空气 穿过 帘孔 的风 压损 失 空气穿越 帘孔的风压损失(以 表示)为，rr i 如=2 p 一P a (1 2)式r p 空气流经帘孔的收缩阻力系数 式(1 2)表明，静压速度是黟响帘孔阻力的决定琏因素。此外，开孔率，孔的形状等因素 会导致 的变化，故而也会影响风阻。4 空气在萎稠糟 内的流动阻力 空气在萎凋槽内的流动阻力可以看成是由沿槽长方向的摩擦阻力，槽径的渐缩阻力和分 流流体折向帘背的分流阻力这 部分组成。(参见图 4，图 5)图 4 槽 体璜 切 面 囤 5 措体岛 L 切 面 根据压力平衡关系，要保持静压不变，其单位长度上的流动强力亦应保持不变。为便于 分析，把单位长度上的摩阻、渐缩阻力和分流阻力都作为定值来处理 7 维普资讯 http:/(1)气流沿程摩擦阻力t 根拱单位摩擦阻力保持不变的关系，得到如 F 比摩阻系数 言：b(a+b )(口+6)(6 )(罄)若令 U ：U ，则l e b(a+6一)(口+6)(矗一)由此可列出沿程摩擦阻力 石 Pa 令。=K 丛旦 2 a(b一0 5 h)t go 则 p P a (2)气流沿程渐缩阻力t h,-P 4 p 一 Pa 式中钆渐缩阻力系数，萎凋槽 钆=o 0 8。(3)空气分流阻力t：钆=p 雾 塞 比 阻 力 系 数 与 分 流 比 有 关 钆 与瑶 分 流 比 的 关 系 见 图 6。(4)由压 力平衡 关 系确 定 的 U，u 关系z 聍 p (1 p 啦 即=1_ 妒 3 一 一 由式(1 7)可 以看出，对于一定的槽体结构，其 s，钆基本 上是一 个定值，故 uB对于u 的 比值 取决于 e=。由于 口 愈近槽 尾愈 太，所 以愈近槽尾 u 愈小。选就 是说，倾角 日也应跟着减小，槽底应呈抛 物线变化。5 槽悻 沿程局部结 构的分 析(1 3)(1 4)(1 5)(1 6)眉占 g 图 6 与 0 的关系 q 单位长度上的分斑t l c(m。s)D，与 谖单 位长 度相 对斑 的皇靠 量(m，s 正确的槽俸设计应采用上述的理论分析与计算方法。但j 在具俸设计时往往还会受场 地等因素的限制，以致出现闸流、弯道等局部结构，此外进风端还设置有局部扩管。逮些局 部结构都会造成压力损失的增大。下面就这些局部结构的阻力作一补充讨论。(1)进风端渐扩、突扩 的 比较t 一 维普资讯 http:/ 图 7为渐扩 过渡与突扩 过渡空气流线 的 比较 由图 可 以说 明一 个问题，突扩管容 易造成 涡流，这 势必 会增 大压 力损 失。别外，由渐扩营和突扩 管的阻力 系数也可 以得 到证实。现设 渐扩管的扩张角为，F 为小端截而积，F z 为扩端截面积，K 为渐扩阻力系数，K 为突扩 阻力 系数，则)诤 扩 管 图 7进 风 端 渐 扩、l )套 扩 杆 突扩 空气流线示意 图 可 见渐扩 阻力通 常要 比突扩阻力 小得多。如果我们再从压力平衡关系来分析，还可得出这样一个结论 由于空气经扩管后其速度 两种管必保持相同，亦即动压相 同，因而突扩多消耗的压力必须从静压得到补充，这样突扩 后静压 必低 子渐扩后 的静压。为此应 尽可能 裹 1 常见局部 结构的阻力系 敢 采用渐扩管，渐扩角 州立根据场地的许可条 件 进行设计，一般 4 5。为宜。(2)常见局部结构及阻力系数。常见局部结构及阻力系数列子表 l 表列数据说 明，在设计萎 凋槽时应尽 可 能 避免设置 阻碍 空气 流动 的局部结构，以减 少能 量消耗，改 善萎凋均 匀性，提高萎 凋效 果。二，实 验验 证 1 萎掏槽 的风压 测得原 有 的矩形 斜面槽不 同部 位动静压 曲线如 图 8。图示表 明，萎凋槽首尾静 压相 差 较 大，这是造成各 部位 穿帘风量不 等和萎 捅不 均 匀的根本原 因。2 萎掏叶 的空隙 度 萎凋叶的堆积空隙度可崩浸 水 法 测 定(条件 是堆积厚 度应 与萎凋 实际摊叶厚 度 相 堵构型式 使用条件 阻力系数 D=0 2 0 口 O 空然扩大 d D=0 5 0 6 0 D O 8 0 1 5 从 热风 室 引 山 O 5 B 固 8 萎 碣槽 内风压 分布 由鲢 9 ，巧 五i 即 维普资讯 http:/ 一致)。具体测定方法：先用一个足够大的等直径容器，装入一定量的 4纯水，量 出液面高 度 然后缓援倒入一定体积的萎凋叶(或鲜叶)，使茶叶全部浸入水面以下，测出液面上升 的 高度。这液 面上升 的体积 就是茶 叶的真体积。于 是便可得 到茶 叶 自然堆积 的空隙体 积及空隙 度。令 为茶叶的真体积，V为床层实际取样体积，为空气隙体积，财 一V-Vz：(1 9)V V 此外，也可 以用比重法计算茶叶堆积的空隙度及填充率。(具体方法从略)经实测，萎凋后期的空隙度为0 0 3 0 1,5，填充攀为0 9 7 0 8 5。3 计算 与验证 实 际测得 某一 平底 萎凋槽(槽 底无仰 角)并有关参 数分别 为t槽 宽1 2 5 m，槽深0 9 m，槽 4 l o m风机标定风量 l 8 0 0 O m。h，槽 首风速4 4 m s，槽 首 动压l 2 P a，静压I 4 2 P a；摊 叶 厚度0 1 7 m。现假定风量 分布 均 匀，则 风压损失 及槽 内动，静 压数 值可根据前 述有关计 算方法求得 槽首 全压，PQ：Pd+Pl：1 5 4 Pa 槽 中(距槽首 5m处)动，静 压：沿程摩擦阻力(按平均速度计算)，。0 5 p 譬X 吉 -0 0 5 1 _ 2 0 5x =1 5 6 P a (注l p近 似取 用3 0 C数据)分流阻 力t ：0 3 7 p=2 4 3Pa 槽 中动压t =p _ 1 I 2 0 5 =2 9 2Pa 槽 中静压 t z，：口一h 一，一 =1 4 7 Pa 槽 尾动、静压：沿程总阻 力t h=4 7 Pa 槽 尾动压(沿槽 长 方向)：马，d：0 槽 尾静 压t 1 0 维普资讯 http:/ =1 4 9 Pa 分析：实际测定 与上述计 算基 率相符。从计算与实 际测量 结果 来分 析，说 明了 选样 一个 问题，岬风量 均匀分布 的假 设 是不 甚 确切韵 实标 上，前 半段 的平均 穿帘风 量要 略低于后 半 段。换句话说，选种平底槽 的萎凋设备其萎凋均匀洼是不够好 的(后半段优于前半段)。4 现有蒌凋檀存在的问厨与改进意见 实地观察与测试表明，现有萎凋槽存在的主要问题有以下几个方面：风道塞 阻严重 为考虑风 量的台理 分布 问题，人 为地设 置 了 门、缩颈 等局 部结构。此外，如风 道 内杂物 堆租及有 意填塞冷风遣 等也会使风通 气流受阻。密封性差槽 体 砌筑旧随意性(特别 是用木条、竹 匾作槽 体 侧墙)，导致槽 体漏风，严 重影 响萎凋 效果。风遭全 长风量分 布不均主臻 是因槽底仰 角 设计不 合理 或 因无 仰角而造 成的。改 进意见。除 了注意萎凋槽 密封这一 问题 外，关 键是要根据 等静压要求来 设计槽底仰 角 及倾斜 底的抛物面，以避免采用 人为的凋风措 施，达 到提高 萎凋质量 和减少能 量 的损失 三、初 步 结 论 1 现有 萎凋槽 由于 没计不 合理，不 仅造成了萎 凋的不均布，而且 还浪费 了能 源。2 为保 持风量分布 的均匀性，应保 持槽长 方 向具有相 同的静压值。a 只 要风量、风压 及槽底仰 角与抛物面设计 合理，完 全可以取消 人为 的调 风措施。4 经 过笔者 的设计与实践，认 为以下设计参数 较为理 想，即摊 叶厚度 o 2 m左右；在 槽 长l o m、稽宽 1 5 m 的条件 下，总通风量 在1 5 0 0 0 1 T I。h左右，全风雎 应 达 1 7 0 1 8 0 P a 榴 首的槽 底 仰角为2 O。左 右，槽尾 减为 3。左右。参考文 献(培)6 C B S 一 1 5 0 型包装机及6 C R P 一 8 0 型揉捻机通过省级鉴定 由云南茶机厂试制成功N6 C B S J 5 0 型全自动茶叶小袋包装机及 6 C R P-8 o 型揉捻机，子 1 9 9 1 年 l O 月在云 南荼机厂通 过省级鉴定。鉴定会认 为，全 自动小 袋包装 机的生 产率、成 品率 及计量误差等三个主要指标达到了国内同类机型的先进水平；8 O 型揉捻机的茶叶成条率、细 胞破碎率、碎茶率、跑茶率、小时生产率等主要性能指标也都达到了设计要求。现准备授A 小 批 龟。摘 自 云 南 茶 叶 9 2 1 维普资讯 http:/