三七烤房两向循环仿真研究

牛天宝 朱云 王琼 董国辉 赵新宇 陈飞扬 国腾飞

摘要：为改进和优化三七密集烤房结构，提高烘烤质量，通过使用CFD方法分别对2种不同气流工作方式的烤房进行仿真模拟，根据仿真结果对烤房烘干室内温度场和气流速度场进行分析，提出不同气流工作方式对三七烘烤质量影响的假设，并根据速度云图和温度云图，提出了气流两向式烤房建设的方案，以及烘烤工艺改进意见，并进行了试验验证。结果表明，优化后的气流两向式烤房，其烘干室内部温度分布均匀度得到了提高，烘干后三七含水率较为均衡。新型三七烤房气流两向循环使用效果优于旧式烤房，能够解决实际生产中的问题，促进三七的工业化加工的发展。

关键词：三七烤房;两向循环;流体仿真;温度;热风干燥

中图分类号：S226.6 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）12-0185-05

收稿日期：2020-10-17

基金项目：国家自然科学基金（编号：31860075）。

作者简介：牛天宝（1995—），男，河北衡水人，硕士研究生，主要从事农业机械化与装备工程研究。E-mail：1454334769@qq.com。

通信作者：朱 云，硕士，副教授，主要从事农业机械与车辆工程研究。E-mail：1285050436@qq.com。

三七是我国传统名贵中药材，具有活血化瘀、消肿定痛的药用功效，是云南白药等多种药品的主要成分[1]，对多种疾病都具有良好的疗效。干燥是三七药材加工中的重要环节，干燥处理后的三七，药性可以得到保持，而且可以延长保存时间，不易腐败变质[2]。目前，中药材的干燥加工方式主要还是传统自然晾晒和烘房干燥[3]。在中药材干燥方面的研究，主要集中在西洋参、何首乌、人参等药材，对于三七干燥的研究较少。

密集烤房采取热风干燥，具有易于控制、省工省力省时、装料大、烘烤质量高、节约能源等特点[4-5]。目前，密集烤房在国内外得到了广泛的推广和应用[6-9]，为实现工业化烘烤提供了基础，已经成为我国烘烤设备的发展方向。现存的密集烤房设备，在各个方面的研究已经取得了显著的效果，提高了烘烤质量和烘烤效率。但是针对三七密集烤房和三七烘烤工艺方面的研究较少，很多问题尚未解決。

为了提高三七烘烤质量和效率，众多学者已经对密集烤房进行了研究，区焕财等通过试验证明，影响三七干燥的因素依次排序为温度、风速、铺料密度[10]等。传统的气流上升和下降的工作方式，在烘烤质量和烘烤效率方面取得了一定的成果。但气流的单向运动方式，使烘干室内温湿度分布不均衡，使得三七容易烤坏。优化烤房结构，避免不利因素影响烘烤质量，是三七密集烤房设备的重要发展方向之一。

在分析气流速度场中，计算流体动力学（CFD）方法使用的越来越广泛，可以直观地模拟出烘干室内的温度场和速度场。CFD方法在温度场计算模拟方面具有优势，仅须要测量进风口的风速、温度和出风口的风速等较少信息就可以计算模拟出室内的温度分布规律[11]。陈重远等使用CFD方法对妊娠猪舍进行了温度场模拟，结果表明仿真温度和实测温度基本一致，模拟温度场和实际温度场吻合度较高[12]。白志鹏提出了一种密集烤房新结构，并结合CFD方法模拟仿真，分析其烤房温湿度[13]。

本研究拟采用CFD方法对气流上升式和气流下降式三七密集烤房进行仿真模拟，得出其温度场和流速的分布规律，以期能够在两向循环烤房的设计中，节省人工工作量，降低设备成本及维护成本。根据仿真结果，为气流两向循环烤房的设计提供理论依据，并通过试验进行验证。

1 材料与方法

试验选择在2019年11月进行，是三七收获并进行干燥的时间。本次三七干燥试验，以及自然干燥试验在云南省泸西县大直邑村（24°51′N，103°53′E）进行，海拔在2 000 m左右，11月泸西县天气干燥少雨，温度在15～25 ℃之间，以晴天和多云天气为主，比较适宜三七的自然晾晒，夜间及上午空气湿度比较大。

试验材料选自泸西县同一种植地点的三年生三七，对三七进行简单处理后，分别将新鲜采摘的三七简单处理后直接放入三七烤房中和大棚中进行自然晾晒，以避免其他因素的影响。

根据三七干燥数学模型，结合烘烤经验制定三七烘烤工艺（表1）。为了验证模拟的准确性和新型烤房的实际效果，使用TZS-Ⅰ型水分测量仪和电子秤等工具，通过测量烘干后三七的测量含水率、坏品率等数据，来验证气流两向循环烤房的效果，同时测量自然晾晒后三七含水率作为对照组。

2 三七密集烤房结构及工作原理

三七密集烤房的主要结构包括加热室和烘干室，工作时循环风机将加热室内产生的热风输送到烘干室各个角落，其结构见图1。目前，密集烤房的气流运行方式主要是气流上升式和气流下降式，是根据烘干室内气流运动方向区分的，如图1-a所示，为气流上升式烤房工作原理图，在烘干室内气流主要向上运动;如图1-b所示，为气流下降式烤房工作原理图，在烘干室内气流主要向下运动。

根据目前标准密集烤房的规格以及三七干燥特性要求，本研究中加热室的结构参数取长1.2 m×宽1.0 m×高2.6 m，烘干室的结构参数取长 4.6 m×宽2.8 m×高2.6 m。

气流完成1次循环过程是加热室内的热空气在循环风机的带动下，由热风口进入烘干室，充分与三七接触后，通过回风口再回到加热室。当工作方式为气流上升式时，热空气由热风口进入（图1-a），在烘干室内烘烤三七，再由回风口进入加热室。当工作方式为气流下降式时（图1-b），热空气由热风口进入，在烘干室内加热三七，再由回风口进入加热室。当烘干室内湿度过高时，不再构成封闭的循环，此时上进风口（或下进风口）打开，上排湿门（或下排湿门）打开，将湿气排出到合理的范围。

气流两向式烤房的结构与传统的三七烤房结构相似，主要区别是在气流转向时，进风口作为回风口使用，回风口作为进风口使用。在工作原理方面，传统的气流上升和下降的工作方式，在整个烘烤过程中，气流只是向上（或者向下）单向循环，不会发生方向的改变。气流两向循环烤房，在工作过程中根据烘烤阶段的需要，间隔一定的时间，循环风机反向转动，带动烘干室内的气流变向，烘烤过程中既有气流上升也有气流下降。

3 干燥过程数学模型和仿真模拟

3.1 干燥过程数学模型

数学模型是现代干燥技术中非常重要的研究内容和工具，通过数学模型，可得出不同干燥方法下物料某一时刻的含水率，进而调控其干燥过程，为干燥设备的设计或优化提供理论依据。

对于绝大多数农业物料，描述其干燥过程的数学模型有很多，主要可分为理论模型、半经验模型及经验模型[14]，其中，应用最广泛的主要有Lewis模型、Page模型、Henderson-Pabis模型以及Wang-Singh模型等，各模型的表达形式分别为

Lewis模型：MR=exp（-kt）;

Page模型：MR=exp（-ktN）;

Henderson-Pabis模型：MR=aexp（-ktN）;

Wang-Singh模型：MR=1+at+bt2。

式中：MR表示水分比;t为时间;k、a、b、N为参数。

郭徽通过试验，得出了更适应三七干燥特性的数学模型，为三七的干燥工艺和对干燥过程的控制提供了理论依据[15]。其表达式为

MR=exp[-0.003 7exp（0.062 3T）t1.533 6exp（-0.015 6T）]。

式中：MR表示水分比;t为时间;T为环境温度。

3.2 仿真模拟

3.2.1 控制方程

流经烘干室的气体与热量满足质量、动量与能量三大守恒定律。速度较小的气体可视为不可压缩气体，不可压缩气体在流动过程中满足以下方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及通用形式的控制方程。

其中，质量守恒方程：

ρt+（ρu）x+（ρυ）y+（ρω）z=0。

式中：u、υ和ω是速度矢量在x、y和z方向的分量，m/s;ρ为烤房内流体密度，kg/m3;t为时间。

动量守恒方程：

ρut+uux+υuy+ωuz=fx-px+μ2ux2+2uy2+2uz2;

ρυt+uυx+υυy+ωυz=fy-py+μ2υx2+2υy2+2υz2;

ρωt+uωx+υωy+ωωz=fz-pz+μ2ωx2+2ωy2+2ωz2;

式中：f是单位体积流体受的力，若不考虑重力，则 f=ρg;μ是常数，是动力黏度。

能量守恒方程：

λ2Tx2+λ2Ty2+λ2Tz2=CpρTt+（uT）x+（υT）y+（ωT）z。

式中：Cp表示比热容，J/（kg·K）;T表示环境温度，K;λ表示导热系数，W/（m·K）。

3.2.2 简化模型

烘干室是气流和热量的工作场所，为方便计算和模拟分析，且防止仿真结果出现较大偏差，烤房烘干室简化为一个长4.6 m×宽 2.8 m×高2.6 m的长方体，将墙体近似看作为绝热光滑的壁面。

3.2.3 网格划分

根据白志鹏的研究[13]，及烤房大小，当网格大小为50 mm，既能满足计算精度，也不会为计算量增加负担。烤房模型使用四面体非结构网格进行划分，网格进行光滑后，划分效果见圖2。

3.2.4 边界条件设置

入口处的速度由风速仪测得，平均风速约为3.4 m/s。在三七密集烤房模型中，排风口被设置为压力出口边界，设置为标准大气压边界条件，除了速度进口边界和压力出口边界外，新型密集烤房模型所有边界都设置为壁面边界，该壁面边界是隔热的，不会与外界产生能量交换。具体参数见表2。

3.2.5 模拟结果

根据烤房进风口和排风口结构，选取了烘干室的侧面，可以更加直观方便地表现烤房烘干室内的温湿度分布情况，体现了不同位置的温度和速度分布情况。根据三七烘烤的工艺要求，选取55 ℃的初始气流温度。最后仿真模拟结果的温度云图和速度云图（图3和图4），分别为气流上升式速度云图、气流上升式温度云图、气流下降式速度云图、气流下降式温度云图。

根据仿真模拟结果，得知烤房内温度和速度分布的基本规律。烘干室内的速度，在整个“U”形路径上速度较高，并且逐渐降低，在入口处平均速度为3.4 m/s，烘干室上部平均速度为 2.1 m/s;在中间区域速度呈现的比较平缓，气流平均速度为 0.8 m/s;此外，在图中右上角和右下角“死角”处，速度极小。

烤房温度云图见图4，烘干室内的温度分布特点是在进风口及其通路沿线上温度较高，平均温度为55 ℃;在图中右侧上下角落出现“死角”，温度较低;其他位置，距离出口越近温度逐渐降低，在烘干室中部和上部平均温度为52 ℃。

由烤房内温度和速度分布特点可以得知，在烤房中央位置，温湿度分布比较平缓，温湿度起伏不大，是三七最适宜烘干的区域;在入口位置温度较高，容易使三七内有效物质发生变化，从而出现烤坏的现象;在出口的位置，气流速度和温度较低，容易出现水蒸气凝结，影响烘烤效果;在烘干室门口位置，与入口通道相似，温度较高;在烘干室门口上下角落，水蒸汽容易积累，或者温度过低影响烘烤效率;烘干室靠近加热室的位置，排风不畅，烘烤效率较低。

4 结果与分析

在气流两向循环烤房中，使用CFD方法难以模拟出烤房内温度场均衡的状态，所以对于气流两向式烤房，本研究选用试验验证的方法验证其效果。

将烤房烘干后的三七坏品挑出，通过测量可知坏品率低于0.01%，由于气流两向烤房中烘干后，坏品率基本为0，坏品基本源自意外掉落等原因。

在烤房烘干室中和自然晾晒大棚中分别在不同位置选择11份样本，测量干三七的含水率，从表3可以看出，三七烘干后平均含水率是10.6%，最高含水率是11.4%，最低含水率为9.9%，方差为0.184，各个样本之间的差距不大。

将烤房干燥后三七含水率与自然干燥后三七含水率和三七干燥要求标准进行比较，从图5可以看出，根据三七干燥要求，含水率在13%以下不易于霉变[16]，自然晾晒干燥和烤房干燥后的含水率都符合三七干燥标准要求，且相差不大。

5 结论

本研究对气流上升式烤房和气流下降式烤房进行了结构说明及原理分析，并对其采用CFD模拟仿真的方法进行分析。根据模拟的结果，提出了气流两向循环烤房的改进意见，并进行了相关验证试验。

通过仿真模拟减少测量，降低了研制成本。根据模拟仿真的结果，可以得出以下结论，在这2种工作方式的烤房中，在烤房中间位置温湿度分布较均匀，在入口位置温度较高而湿度较低，在距离出口位置温度较低而湿度较高。此外，根据温湿度分布规律，得出了适宜烘烤的主要区域，为今后三七烘干工艺的提高优化提供了理论依据。

根据模拟的结果，将改进意见应用到了气流两向循环烤房中，再通过烤房烘干试验验证，新型烤房烘烤结果坏品率低于0.01%，平均含水率为10.6%，低于三七干燥要求，并得出以下结论：该新型烤房内温湿度更加均衡，湿气能及时充分排出，证明该新型三七烤房使用效果优于旧式烤房，能够解决实际生产中的问题，促进三七的工业化加工的发展。不仅为三七烤房的改进优化提供了方向，同时也为其他农作物的干燥设备的发展提供了新的思路。但仿真和试验仍然存在许多不足之处，负载仿真未进行研究，皂苷等成分未能测量，今后可在考虑效率和品质的基础上继续深入研究。

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