基于计算流体力学的节能型热风干燥机的设计方法

陈震，谢斌，吕洪善

(亳州职业技术学院电子与电气工程系，安徽亳州236800)



基于计算流体力学的节能型热风干燥机的设计方法

陈震，谢斌，吕洪善

(亳州职业技术学院电子与电气工程系，安徽亳州236800)

摘要：介绍了一种节能型小型热风干燥机的研制过程。该节能型热风干燥机较同类型的热风干燥机缩短了干燥时间，降低了人工和能源消耗，采用了计算流体力学方法辅助设计和PLC组态方案实现自动控制。干燥实验证明了这种设计方法的可行性和有效性。

关键词：小型热风干燥机；节能技术；计算流体力学；PLC组态技术；自动控制

干燥技术是当前国际上活跃的研究领域之一,该领域内的热点课题主要集中在降低能耗和提高干燥质量这2个问题上[1-2]。目前，国内蔬菜水果和中药材干燥生产主要使用传统的热风干燥机。这种干燥机的突出问题是干燥时间长，设备自动化程度低，生产效率低，造成了大量人工和能源上的浪费[3-4]。

为推进国内干燥技术领域理论和实践研究的发展，本文介绍了一种用于药材和食品加工行业的节能小型热风干燥机的研制过程。这种节能型热风干燥机的研制目标是减少干燥时间，降低干燥成本。研制过程采用了理论研究与实验研究相结合的方式，其中理论研究方面采用了当前流体工程领域中主流的计算流体力学方法[5-6]，实验研究方面采用了当前工业自动化领域中主流的PLC配合组态控制的方案[7-8]。

1确定物料干燥过程中温湿度变化规律

热风干燥机在干燥生产中主要通过加热器和风机来控制干燥过程。加热器工作状态主要影响干燥室内的温度分布，风机工作状态主要影响干燥室内的气流分布。要实现热风干燥机的节能增效，首先要确定影响干燥时间长短的主要因素。为确定物料在干燥过程中温度和含水量的变化规律，研制了一套对热风干燥机干燥生产过程中物料温度和含水量进行监控和数据采集的系统。图1为所研制的干燥机干燥生产过程中物料温度、含水量监控和数据采集的系统示意图。

图1　监控和数据采集系统示意图

图中：温度传感器测量范围为0 ～100 ℃，测量精度为0.001 ℃；湿度传感器测量范围为相对湿度0～100%RH，测量精度为0.01%RH；变送器为电流型；控制器为西门子S7-200 CPU224XP 配合1个EM235模块[9-10]；组态软件为KingView。组态数据记录窗口如图2所示。所记录的部分物料温度和物料相对湿度数据如图3所示。

图2　数据记录窗口

图3　物料温度和相对湿度的实验数据

2通过流体力学仿真计算获得优化的通风方案

通过对采集的物料温度和相对湿度数据的分析，结合干燥实验，判断影响干燥速度的关键因素不是干燥室内干燥介质的温度，而是通过物料的干燥介质流速、干燥介质与物料接触面积和干燥介质的相对湿度。通过物料的干燥介质流速越大，干燥介质与物料的接触面积越大，干燥介质的相对湿度越低，干燥速度越快。

根据上述判断，为加快干燥速度，减少干燥时间，必须寻求一种优化的通风方案。干燥实验证明，传统小型热风干燥机干燥过程中，干燥室内干燥介质流速很小(小于0.5 m/s)，干燥介质的运动以紊流为主。干燥生产中，干燥室处于密封状态，风速计的探头难以找到合适的固定位置。根据研制目标，决定采用当前流体力学研究中主流的计算流体力学仿真方法对不同的通风方案进行仿真计算，寻求较为优化的通风方案。

所采用的计算流体力学数值模拟方法为有限体积法[11]，仿真软件为Flow Simulation。仿真参数为Brick单元，网格数109 600个，风机流量2.2 m3/min，风压330 Pa。仿真结果如图4所示。

仿真采用非定常三维可压缩黏性流动控制方程组，具体如下说明。

1)连续性方程为

(1)

2)动量方程为

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

3)能量方程为

(a)传统小型热风干燥机内部干燥介质的速度分布

(b)分布较为优化的一种热风干燥机内部干燥介质的速度分布

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为基本变量矩阵；u=[u1,u2,u3]T为速度矢量矩阵；δp=pn+1-pn为压力校正项；▽h,▽h·()分别为梯度和散度的离散化算子；Lh=▽h·▽h()；S=ρ[f1u1,f2u2,f3u3]T；Ah()为三维对流-扩散方程的全隐式离散化算子。

使用计算流体力学方法仿真的目的是解决干燥过程中被干燥物料上方干燥介质流动速度难以测量的问题。对计算流体力学方法仿真通风方案的评价标准是被干燥物料上方干燥介质的流动速度和流动状态，干燥介质的流动速度较快，干燥介质的流动状态以层流为主而紊流少者为较优的通风方案。运用计算流体力学的仿真结果寻找较为优化的干燥室形状、风机数量和位置、进排风口形状及数量和位置。综合考虑成本和干燥生产现场的实际情况以形成节能型热风干燥机的机械结构设计方案，根据所制造样机进行干燥实验的结果，对原设计方案进行修改和调整，形成最终设计方案。

3使用PLC和组态软件实现热风干燥机的自动控制

对加热器和风机的自动控制采用当前工业自动化领域主流的PLC配合组态软件的方案，组态程序根据设计要求分别实现了上位机版本和触摸屏版本。上位机控制窗口如图5所示。所研制的节能型热风干燥机结构如图6所示。控制逻辑流程图如图7所示。

图5　上位机控制窗口

1-进风控制电磁阀;2-进风风机;3-进风口;4-电加热器;5-循环风机;6-排湿控制电磁阀;7-排湿风机;8-温度、湿度传感器;9-循环风管;10-排湿口;11-物料盘图6　节能型热风干燥机结构示意图

图7　节能型热风干燥机控制逻辑示意图

4结语

本文介绍了一种节能型小型热风干燥机的研制过程。这种节能型热风干燥机的特点是比同类型的热风干燥机减少了干燥时间，节约了人工。这种节能型热风干燥机的研制过程采用了当前流体工程领域中主流的计算流体力学方法，配合当前工业自动化领域中流行的PLC组态控制方案。通过干燥实验证明了这种设计方法的可行性和有效性，为干燥技术的研究和应用提供了一种有益的思路和途径。

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[12]Solidworks Corp.Flow simulation 2012 technical reference[M].北京:DS Solidworks 公司，2012.

责任编辑：陈亮

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

基金项目：安徽省教育厅、财政厅高校自然科学研究重点项目(KJ2014A170)

作者简介：陈震(1976—),男，讲师。

中图分类号：TP29

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)02- 0025- 04