陳震，謝斌，呂洪善

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程系，安徽亳州236800)

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基于計算流體力學(xué)的節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)的設(shè)計方法

陳震，謝斌，呂洪善

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程系，安徽亳州236800)

摘要：介紹了一種節(jié)能型小型熱風(fēng)干燥機(jī)的研制過程。該節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)較同類型的熱風(fēng)干燥機(jī)縮短了干燥時間，降低了人工和能源消耗，采用了計算流體力學(xué)方法輔助設(shè)計和PLC組態(tài)方案實現(xiàn)自動控制。干燥實驗證明了這種設(shè)計方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：小型熱風(fēng)干燥機(jī)；節(jié)能技術(shù)；計算流體力學(xué)；PLC組態(tài)技術(shù)；自動控制

干燥技術(shù)是當(dāng)前國際上活躍的研究領(lǐng)域之一,該領(lǐng)域內(nèi)的熱點課題主要集中在降低能耗和提高干燥質(zhì)量這2個問題上[1-2]。目前，國內(nèi)蔬菜水果和中藥材干燥生產(chǎn)主要使用傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥機(jī)。這種干燥機(jī)的突出問題是干燥時間長，設(shè)備自動化程度低，生產(chǎn)效率低，造成了大量人工和能源上的浪費[3-4]。

為推進(jìn)國內(nèi)干燥技術(shù)領(lǐng)域理論和實踐研究的發(fā)展，本文介紹了一種用于藥材和食品加工行業(yè)的節(jié)能小型熱風(fēng)干燥機(jī)的研制過程。這種節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)的研制目標(biāo)是減少干燥時間，降低干燥成本。研制過程采用了理論研究與實驗研究相結(jié)合的方式，其中理論研究方面采用了當(dāng)前流體工程領(lǐng)域中主流的計算流體力學(xué)方法[5-6]，實驗研究方面采用了當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域中主流的PLC配合組態(tài)控制的方案[7-8]。

1確定物料干燥過程中溫濕度變化規(guī)律

熱風(fēng)干燥機(jī)在干燥生產(chǎn)中主要通過加熱器和風(fēng)機(jī)來控制干燥過程。加熱器工作狀態(tài)主要影響干燥室內(nèi)的溫度分布，風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)主要影響干燥室內(nèi)的氣流分布。要實現(xiàn)熱風(fēng)干燥機(jī)的節(jié)能增效，首先要確定影響干燥時間長短的主要因素。為確定物料在干燥過程中溫度和含水量的變化規(guī)律，研制了一套對熱風(fēng)干燥機(jī)干燥生產(chǎn)過程中物料溫度和含水量進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。圖1為所研制的干燥機(jī)干燥生產(chǎn)過程中物料溫度、含水量監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)示意圖。

圖1　監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

圖中：溫度傳感器測量范圍為0 ～100 ℃，測量精度為0.001 ℃；濕度傳感器測量范圍為相對濕度0～100%RH，測量精度為0.01%RH；變送器為電流型；控制器為西門子S7-200 CPU224XP 配合1個EM235模塊[9-10]；組態(tài)軟件為KingView。組態(tài)數(shù)據(jù)記錄窗口如圖2所示。所記錄的部分物料溫度和物料相對濕度數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2　數(shù)據(jù)記錄窗口

圖3　物料溫度和相對濕度的實驗數(shù)據(jù)

2通過流體力學(xué)仿真計算獲得優(yōu)化的通風(fēng)方案

通過對采集的物料溫度和相對濕度數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合干燥實驗，判斷影響干燥速度的關(guān)鍵因素不是干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)的溫度，而是通過物料的干燥介質(zhì)流速、干燥介質(zhì)與物料接觸面積和干燥介質(zhì)的相對濕度。通過物料的干燥介質(zhì)流速越大，干燥介質(zhì)與物料的接觸面積越大，干燥介質(zhì)的相對濕度越低，干燥速度越快。

根據(jù)上述判斷，為加快干燥速度，減少干燥時間，必須尋求一種優(yōu)化的通風(fēng)方案。干燥實驗證明，傳統(tǒng)小型熱風(fēng)干燥機(jī)干燥過程中，干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)流速很小(小于0.5 m/s)，干燥介質(zhì)的運動以紊流為主。干燥生產(chǎn)中，干燥室處于密封狀態(tài)，風(fēng)速計的探頭難以找到合適的固定位置。根據(jù)研制目標(biāo)，決定采用當(dāng)前流體力學(xué)研究中主流的計算流體力學(xué)仿真方法對不同的通風(fēng)方案進(jìn)行仿真計算，尋求較為優(yōu)化的通風(fēng)方案。

所采用的計算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法為有限體積法[11]，仿真軟件為Flow Simulation。仿真參數(shù)為Brick單元，網(wǎng)格數(shù)109 600個，風(fēng)機(jī)流量2.2 m3/min，風(fēng)壓330 Pa。仿真結(jié)果如圖4所示。

仿真采用非定常三維可壓縮黏性流動控制方程組，具體如下說明。

1)連續(xù)性方程為

(1)

2)動量方程為

i=1,2,3;j=1,2,3(2)

3)能量方程為

(a)傳統(tǒng)小型熱風(fēng)干燥機(jī)內(nèi)部干燥介質(zhì)的速度分布

(b)分布較為優(yōu)化的一種熱風(fēng)干燥機(jī)內(nèi)部干燥介質(zhì)的速度分布

主要仿真算法[12]如下：

(4)

(5)

ρ*=ρ(pn+δp,T*)

(6)

ρun+1=pu*-Δt·▽h(δp)

(7)

pn+1=pn+δp

(8)

ρn+1=ρ(pn+1Tn+1)

(9)式中:U=[ρu,ρT]T為基本變量矩陣；u=[u1,u2,u3]T為速度矢量矩陣；δp=pn+1-pn為壓力校正項；▽h,▽h·()分別為梯度和散度的離散化算子；Lh=▽h·▽h()；S=ρ[f1u1,f2u2,f3u3]T；Ah()為三維對流-擴(kuò)散方程的全隱式離散化算子。

使用計算流體力學(xué)方法仿真的目的是解決干燥過程中被干燥物料上方干燥介質(zhì)流動速度難以測量的問題。對計算流體力學(xué)方法仿真通風(fēng)方案的評價標(biāo)準(zhǔn)是被干燥物料上方干燥介質(zhì)的流動速度和流動狀態(tài)，干燥介質(zhì)的流動速度較快，干燥介質(zhì)的流動狀態(tài)以層流為主而紊流少者為較優(yōu)的通風(fēng)方案。運用計算流體力學(xué)的仿真結(jié)果尋找較為優(yōu)化的干燥室形狀、風(fēng)機(jī)數(shù)量和位置、進(jìn)排風(fēng)口形狀及數(shù)量和位置。綜合考慮成本和干燥生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況以形成節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，根據(jù)所制造樣機(jī)進(jìn)行干燥實驗的結(jié)果，對原設(shè)計方案進(jìn)行修改和調(diào)整，形成最終設(shè)計方案。

3使用PLC和組態(tài)軟件實現(xiàn)熱風(fēng)干燥機(jī)的自動控制

對加熱器和風(fēng)機(jī)的自動控制采用當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域主流的PLC配合組態(tài)軟件的方案，組態(tài)程序根據(jù)設(shè)計要求分別實現(xiàn)了上位機(jī)版本和觸摸屏版本。上位機(jī)控制窗口如圖5所示。所研制的節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示?？刂七壿嬃鞒虉D如圖7所示。

圖5　上位機(jī)控制窗口

1-進(jìn)風(fēng)控制電磁閥;2-進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī);3-進(jìn)風(fēng)口;4-電加熱器;5-循環(huán)風(fēng)機(jī);6-排濕控制電磁閥;7-排濕風(fēng)機(jī);8-溫度、濕度傳感器;9-循環(huán)風(fēng)管;10-排濕口;11-物料盤圖6　節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7　節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)控制邏輯示意圖

4結(jié)語

本文介紹了一種節(jié)能型小型熱風(fēng)干燥機(jī)的研制過程。這種節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)的特點是比同類型的熱風(fēng)干燥機(jī)減少了干燥時間，節(jié)約了人工。這種節(jié)能型熱風(fēng)干燥機(jī)的研制過程采用了當(dāng)前流體工程領(lǐng)域中主流的計算流體力學(xué)方法，配合當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域中流行的PLC組態(tài)控制方案。通過干燥實驗證明了這種設(shè)計方法的可行性和有效性，為干燥技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了一種有益的思路和途徑。

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責(zé)任編輯：陳亮

A CFD-based Design Method for Energy-efficient Air Dryer

CHEN Zhen,XIE Bin,LYU Hongshan

(Department of Electrical and Electronics Engineering,Bozhou Vocational and Technical College，Bozhou 236800)

Abstract：This paper proposes a design method for a small-sized energy-efficient hot-air dyer.This new dryer can reduce the drying time and save the labor and energy consumption compared with the traditional hot-air dryers.The new design method adopts an optimized solution by using the computational fluid dynamics (CFD) method,and the automatic control function was realized by PLC and the configuration technology.The drying experiments have verified the effectiveness and reliability of the new dryer.

Key words：small-sized hot-air dryer;energy-saving technology;computational fluid dynamics;PLC and configuration technology;automatic control

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.006

收稿日期：2016- 01-16

基金項目：安徽省教育廳、財政廳高校自然科學(xué)研究重點項目(KJ2014A170)

作者簡介：陳震(1976—),男，講師。

中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)02- 0025- 04