滚筒杀青机杀青过程的温度场分析

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1、滚筒杀青机杀青过程的温度场分析茶叶杀青要做到血杀透、杀匀”，通过模拟茶叶杀青的过程.可以得到 杀青过 程中温度场的变化情况，对于改进杀青机结构和运动参数.提高杀背效吴至关重要 本章将对杀青过捏中的温度场及其影响参数进行分析。4J潦筒杀青机模型的构建茶叶杀青数值模拟主要包括以下步骤：建立杀育机和茶叶几何模型，定义杀青 机和茶叶幸艮粒材料属性，定义约束条件和力学边界条件加戴载荷，设置求解条 件，求解和数据分析等.其流程如图4-1所示.下面将分别介绍主要步骤的具体内容和 PFC3D数值原拟的相关设胃建立杀青机和茨叶几设置求解条件足文杀青gh茶M杲系证材料属性1f求解和敷粥分析定文的老曝件扣力学边界条

2、曲离散元救值模拟流凰图研究以用于名茶生产的三段电加热6CST50型滚筒杀青机为原型展开，其基本参数 如表4所示，杀青过程中杀青叶与周围环境之间发生着复杂的物理和化学反应，因 此在进行数值模拟分析时，忽峪一些对温度场、应力场形响较小的因素。对离散元模 型进行适当简化处理，并进行如下假设：1、由于所使用的？瓦3。版本不支持并行计算，且能处理的模型的基本单元为球 体，为研究方便和缩短导热计鼻时间，采用本构参数与茶叶相同的当量球形颗粒取代 杀青叶，使其导热过程近似一致；2、忽略茶叶颗粒Z间的热对流：3、受软件自身限制，不能分别设置筒壁和颗粒的热传导率，因此采用平均热传 导率进行研究。本文采用的滚简杀青

3、机参数如表4.1衷4-1 6CST50世滚筒杀青机基本参数名称基本琴数筒长（mm）2200槊厚（mm）2浪简外径（mm）500转速（r/min）33浪筒倾角（。）2表中：为了缩短杀青仿真时间，滚筒倾角取2通过对滚筒中正在杀青的茶叶进行动力学计算分析2川列，得到与茶叶本构参数 相同的当量球形颗粒来替代杀青叶，在杀青过程数值模拟中，茶叶颗粒当就直径为 0.5 0.8cm,呈正态分布，如图4 - 2所示.利用PROE建立滚筒杀青机模型，如图4-3所 示，导入？ FC3D,再由程序生成不同大小的茶叶颗粒，杀青机杀青仿真模型如图44所 示。0.00800.00750.00700.00650.0055 J

4、T0.0050 020040060080010001200图42茶叶颗粒耳彳耸分布图图44滚筒杀青机仿真模4.1.2材料属性定义材料的力学性能参数和热物理性能参数能在很大程度上影响杀青数值模拟的 结果和计算过程，本文采用的茶叶颗粒本构参数如表42。表42杀青叶模型本构琴数名称颗粒密度(kg/m)532.4史粒间摩擦系数1.0额粒切向刚度(N加)1.0e4颗粒法向刚度(NF)l - 5e4颗粒与璧面摩擦系数0.8颗粒比热(KJ/kg*C)颗粒线性热膨胀系数(I/O3.448e6热传导宰(W/m-D0.520644.13边界条件定义在PFC3D计算域内的加热过程由边界条件驱动，解决实际问题的过程

5、就是将 边界数据推至计算域内部的过程。因此边界条件决定收敛速度与结果的准确性。物理模型采用温度和速度结合的混合边界。数值模拟中，设置滚筒筒壁切向 和法向刚度分别为5.958xlO6N/m和6.799x1 O 5N/m,三段筒壁加热温度 分别为2659、 260*0、150C,倾斜角为2，同时滚筒以匀速转动.4.1.4载荷加戴和求解条件设茶叶杀青过程数值模拟时步包括用于热计算的温度时步和用于机械计算的机 械时步，足够小的计算时步，可以保证数值模拟过程的稳定性，但时 步太小，将 使得计算工作量大大增加。由于茶叶杀育过程也是茶叶加热的过程，经时间山后茶叶温度币.大于0,由式(2-26)可知:mC件1

6、)其中：加为杀青叶的质量，q为茶叶的比热，S为连接热源的管道长度，Z为管道 单位长度的热阻.由于热惯性远大于机械惯性，根据PFC3D要求，热计算时步和机械计算时步 应满足：%/孔/】0律(4-2)其中：A/心为热计算的时步，山“”为机械计算的时步.在数值模拟过程中，取热计算最小时步 7.0e-3s, 机械计算最小时步 7e-6s.-般茶叶在杀青前含水率为72-75%左右，杀青后含水率为58“60%,叶温变化和 失水率的关系可近似表示为线性关系【呦】AA/=(-7.88xlO_,)-,AT(4-3)其中：AM为失水率，A7为叶温变化4.2潦筒杀青机杀青过程温度场分析为了在仿真过程中追踪颗粒的温度

7、变化情况，给不同温度的颗粒标上颜色， 每计算一个时步，颗粒的颜色更新一次，本论文用这神方法茯得颗粒的温度场分 布情况.颗粒温度大于70C为红色，68C至70C为橙色，66*C至68C为黄色，63C至 66为绿色，60 C至63C为浅蓝色，低于60C为蓝色“。为了分析滚筒在不同结构和运动参数时是否均匀杀青，统计不同参数F茶叶 颗粒经过滚筒相同位置时的温度，杀青叶温度基本符合正态分布，标准差。表征 杀青叶叶温的均匀度，。越小，叶温越均匀，则标准差函数为：C =(7J F)： +(* 5广 +(二 F),(4-4)V nL其中：加二召也上二2,为各粒子温度n通过记录杀青叶平均温度上升到最大值的时间，

8、可以得出杀青叶的温升速率: 其中：/表示杀青叶的温升速率，7二表示杀青叶平均叶温最大值，勺磁示杀青 叶 平均叶温达到量大值所经历的时间通过分析在杀青过程数值模拟中，筒壁分成等长的三段加温区域，每个区域 温度从进茶口到出茶口依次为265匚、260T?、150C；滚筒倾角为2 :同时为研究导 叶板结构对杀青效果的影响，设计了高度相同，外形分别为矩 形和“L”型的导叶 板，如图45所示.图45a矩形图缢5b L形图45矩形和L形导叶板示惠图正交试验的杀青机结构和运动参数因子和水平见表3-1.杀青过程数值模拟的正交试验结果见表44。表44中，7；为出茶D杀肯叶 温度分析表44可以看出，距进料口 03m

9、处的叶温均匀度不如位于07m处，原国之 一是由进料口处茶叶堆积所引起，而在距进料LI 0.7m处，杀青叶的 均匀度在 4.(M.2*C之间，说明此时茶叶叶温基本均匀；当滚筒转速为33r/m,导叶板倾角为17。， 形状为L形时，温升速率y最快。表4.4杀青机结构和运动琴数试绘结果NO A B C7堂)- Tt(D(f/min) 0.3 (m)0.7 (m)Illi 20.564.4923.93362.111220.394.4823.90961.6312120.674.5524.12462.7412220.5345334.11362.0513123.744.5724.20063.9613223.2

10、94.5604.16963.4721122.484.4584.17964.5821221.424.4324.11562.0922123.464.6314.18766.21022223.384.5744.14864.81123124.174.3474.12167.912232242643064.03664.71331122.764.5094.09463.31431221.994.4934.05662.91532124.214.6994.15266.51632224.194.6784.12765.817331/4.7614.44559.718332/4.7484.37358.94.2.1滚筒转速对

11、杀青效果的影响图46是在相同导叶板倾角、形状和布置方法，不同转速情况下，杀青叶在 滚筒中的着落点分布情况。从图46中可以看出，在滚筒处于低转速时，杀青叶在滚筒内覆盖面比高转 速时更广；同时还发现，当转速高时，滚筒前段杀青叶的叶温温升速率大于潦简 转速低时叶温温升速率，但在滚筒后段，杀青叶的叶温温升速率低于潦筒转速低 时叶温温升速率；结合表44试验数据分析认为：当滚筒转速较大时，在导叶板 作用下，茶叶翻动较为剧烈，与筒壁接融次数较多，杀青 叶表面温度上升较快; 但随着杀青的继续，较高的潦筒转速，使得茶叶抛射的高度高，距离大，散热快， 但茶叶对滚筒壁面的侵盖较小，有堆积现象，同时茶叶和筒壁接触时间

12、短，阻碍 筒壁和茶叶之间的热交换，导致叶温上升减慢。同时，茶叶的堆枳也在一定程度 上妨碍了茶叶中水汽的散发，也容易造成水汽郁闷现象。O-g-O-O-04.2.2导叶坂数量和布局对杀青效果的影响00020.4060.81.0121.41.6图47导叶板数量和布局对温升速率的形响在同样转速条件下，增加导叶板数量，有利于减缓茶叶的堆积现象。E4-7为在滚筒转速均为33r/min条件下，改变导叶板的数量和分布得到的杀青叶平 均叶温和所在滚筒中的位置关系曲线。706050403020100 rEA Mizw巳M0.002040.60.8101.21.41.6杀膏叶质心位迓（）图48高温区导叶板数童对温升

13、速率的形响综合图4-7和48可以看出，采用8条导叶板，杀青叶的温升速率大于 采用 5条导叶板，同时，如果在进料口段采用8条导叶板，而滚简的中后段采用5条导 叶板，杀青叶温升速率最大。这是由于滚筒前段导叶板数量的增力口，增加了杀青 叶与筒璧的接触次数，减小了茶叶的堆积效应所致。同时，由于前段导叶板数量 的增加，使得杀青前段茶叶翻动更为剧烈，而滞空时间增加，在提商叶温均匀性 的同时，也有利于杀青叶表面水的散失，促使水汽和青草味的散发，有利于茶叶 杀青质量的提高。但前段导叶板数就也不易过多，如图48所示，前段布置9条导叶板时，开 始阶段杀育叶温升速率较快，而后一阶段其温升速率急剧下降-最终杀青叶平均

14、 叶温最低.采用前8后5的布置方式时，叶温温升速率始终维持在较快水平，明显 优于另外两种情况。分析认为，适量增加高温区导叶板数量，能减少茶叶的堆积 效应，促进茶叶的翻动，但导叶板数量过多，会影响滚笥内空气的流通，出现水 汽郁闷的现象，不利于杀青叶的干燥脱水降低了杀青质量。综上所述，增加滚筒前段导叶板数量，采用前8后5的布置方式时，最 有利 于杀青质量的提高。423导叶板倾角对杀青效果的影响由于导叶板分为三段，前段和后段较短，因此本文只对中段导叶板倾角进行优化。图4 9为滚筒转速为33r/min,导叶板为矩形，不同导叶板的倾角对温 升速率的影响。-02 00 Q2 0,40.60.81.0121

15、416杀青叶质心位置（m）图4导尸板倾角对温升速老的建响z图410导叶板倾角对温度场分布的影响（导叶板倾角从左到左：13* ,15 ,17）分析图49和图4-10,当导叶板倾角为17。时，杀青叶温升速率最大，且同 一时刻最右侧图中红色颗粒最多，这和表4-4中的数据相符合。分析得，导叶板 倾角越大，被导叶板扬起的茶叶分布范围越广，即茶叶散度越大，覆盖筒壁的面 积增加，有利于杀青叶的接焦圭加热，也有利于去除茶叶中的水闷味。也就是说， 散度既有利于提高杀青叶的温度，也有利于提高茶叶的内在品质。但倾角过大， 杀青时间将增加.42.4导叶板形状对杀青效果的影响分析表4.4，当滚筒转速和导叶板倾角相同时，

16、采用“L”形导叶板，杀青叶的温升速率高丁采用矩形导叶板。提取采用不同形状导叶板时，滚筒中杀青叶温升变化曲线（图4-11）和杀青过程中的温度场分布（图4-12）00.20.40.6081 01.21 41.6宗肖叶质心位置 m）图导叶板形状对温升速率的周，响图4.12a矩形导叶板图4 . 12b L形导叶板图4】2导叶板形状对温度场分布的周，响结合表4.4,分析图4-1R图412可知，采用“L”形导叶板，对杀青叶的抛洒 作用更为明显，有利于杀青叶的均匀“混合”，促进了杀青叶之间传热，使得杀 青叶的叶温更为均衡，有利于叶温温升速率的提高，与此同时，对于杀青后道 序为理条的茶叶加工，“L”型导叶板还

17、具有一定的成条功能.4.2.5滚筒倾角、筒壁温度与杀青效率的关系滚筒倾角的改变，将改变茶叶杀青的时间.在保证杀青质量的前提下，采斥 稍大的滚筒倾角，提高筒壁温度，有利于杀青效率的提高。假设潦筒的转速为 33r/min，导叶板倾免为17。，杀青后茶叶叶温为65C,逋过杀青过程数值模拟，可得滚筒一二段加热区的平均温度口和滚筒倾角0的关系，如图4 13所示；以产量表征杀青效率，假设倾角0。时杀青效率为100%,可以得到杀 青效率巾和滚简倾角0之间的关系，如图414所示。250 I1IJi1I0.0 0.5 1.0 1.5 20 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0深筒倾斜角度（* ）屋4-13浪筒壁面平均温度T与浪筒倾角0的关系图4-14杀青效率。与浪筒倾免0的关系通过数据处浬和曲线拟合，得到如下关系式：T = Ae)M9i0 + Bern(4-6)3 + 007(4-7)其中：A, B, C, d, E为常数项，其值与环境、颗粒形状等条件相关。分析式(46)和式(47)可知，在保证出茶口杀青叶叶温条件下，滚筒前两段的平均温度T和滚筒倾角&呈双指数函数关系，杀青效率9和滚筒倾角0 之间呈二次函数关系。而式中的常数项将根据不同茶叶的杀青要求和所采用的滚 筒结构运动参数确定