滚筒杀青机杀青过程的温度场分析

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 杀靑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 效吳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滾筒杀青机模型的构建茶叶杀靑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 义杀青机和茶叶報粒材料属性，定义约束条件和力学边界条件加載载荷， 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数值廩拟的相关设胃建立杀青机和茨叶几足文杀青gh茶M縣证材料属性定文的老曝件扣力学边界条曲1设置求解条件1f求解和數粥分析离

2、散元救值模拟流風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PFC3D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机

3、参数如表41衷4-1 6CST50世滚筒杀青机基本参数名称基本參数筒长（mm）2200樂厚（mm）2滾简外径（mm）500转速（r/min）33滾筒倾角（。）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靑叶，在杀青过程数值模拟中，茶叶颗 粒当就直径为0.50.8cm,呈正态分布，如图42所示.利用PROE建立滚 筒杀青机模型，如图4-3所示，导入PFC3D,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。0.00800.00750.00700.00650.00550.0050020

4、040060080010001200IS粒分布图42茶叶颗粒耳從分布图图43滚筒杀青机仿真模空图44滚筒杀靑机仿真模誑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，本文釆用的茶叶颗粒本构参数如表42。表42杀青叶模型本构參数名称參数颗粒密度(kg/m)532.4頰粒间摩擦系数1.0额粒切向刚度(N加)1.0e4颗粒法向刚度(NF)l5e4颗粒与璧面摩擦系数0.8颗粒比热(KJ/kg*C)3.44颗粒线性热膨胀系数(I/O8e6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

5、题的过程 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 O5N/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载荷加載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

6、 1)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5860%,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滾筒杀青机杀靑过程温度场分析为了在仿真过程中追踪颗粒的温度变化

7、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，60C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：(4-4)其中：加二召也上二2,为各粒子温度n通过记录杀靑叶平均温度上升到最大值的时间，可以得出杀青叶的温升速 率:r = Is.(4-5)其中：/表示

8、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匸、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，外形分別为矩 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形导叶板示恵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 0.3m处的叶温均匀度不如位于0.7m处, 原国之

9、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杀青机结构和运动參数试绘结果77 CC)NO A B C Tt(D(f/min) 0.3 (m)0.7 (m)Illi 20.564.4923.93362.1211220.394.4823.90961.6312120.674.5524.12462.7412220.5345334.11362.0513123.744.5724.20063.9613223.294.5604.16963.4721

10、122.484.4584.17964.5821221.424.4324.11562.0922123.464.6314.18766.21022223.384.5744.14864.81123124.174.3474.12167.912232242643064.03664.71331122.764.5094.09463.31431221.994.4934.05662.91532124.214.6994.15266.51632224.194.6784.12765.817331/4.7614.44559.718332/4.7484.37358.94.2.1滚筒转速对杀青效果的影响图46是在相同导叶板倾

11、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，杀靑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 大于滾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 于滾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，较高的滾筒转速，使得茶叶抛射 的髙度高，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短，阻碍筒壁和茶叶之间的热交换，导致

12、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。杀滾筒转速对杀青叶在筒壁上覆盖的影购O 648 图 100580510巧20 * b o o O-O-O-O-0 E)矣软烬勺巨聲芒M袒一nM*4.2.2导叶坂数量和布局对杀青效果的影响00020.4060.81.0121.41.6杀青叶质心位置（m）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。80706050403020100

13、P棗rEA Mizw0.002040.60.8101.21.41.6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 加，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，

14、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，釆用前8后5的布置方式时，最 有利于杀靑质量的提高。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49为滚筒转速为33r/m

15、in,导叶板为矩形，不同导叶板的倾角 对温升速率的影响。图4导尸板倾角对温升速老的建响6)関 MRBFrm*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，有利于杀青叶的接鮭加热，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

16、的影响分析表44,当滚筒转速和导叶板倾角相同时，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）和杀靑过程中的温度场分布（图4-12）图4-11导叶板形状对温升速率的彫响图412a矩形导叶板图412b L形导叶板图4】2导叶板形状对温度场分布的彫响结合表44,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T序为理条的茶叶加工，“L”型导叶板还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。假设滾簡的 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卩和滚筒倾角0的关系，如图413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。