黄精蒸制一体机设计及干燥均匀性试验研究

李丽霞，周 杰，张付杰，辛立东，李子建，秦 淘

（1.昆明理工大学 农业与食品学院，昆明 650500；2.云南省高校中药材机械化工程研究中心，昆明 650500）

0 引言

《中华人民共和国药典》（2015 版）记载药用黄精为百合科黄精属草本植物黄精（Polygonatum sibiricum）、滇黄精（Polygonatum kingianum）或多花黄精（Polygonatum cytonema）的干燥根茎，具有补气益精，滋阴润燥和健脾润肺等功效，是我国的传统中药［1］。古籍记载2000 多年前人们就已经开始食用黄精［2］。由于生黄精含有毒性物质，对人体的咽喉具有刺激作用，食用前需要对黄精进行炮制加工。一方面可降低黄精的不良反应，消除麻味，减轻其对咽喉的刺激；另一方面可提高黄精的药效［3］。黄精炮制加工分为蒸制法和煮制法，最早的蒸制方式有单蒸法和复蒸法，随后逐渐演替发展到以“九蒸九曝”为主流的蒸制方法，其主要蒸制过程如图1所示。通过查阅文献和在云南黄精生产加工地多地实际调研，目前黄精生产常见的蒸制设备中，蒸和干燥分开进行，中间工序繁琐，物料重复转移，间接增加了黄精蒸制加工的成本。由此针对黄精蒸和干燥2 个环节分开进行的现状［4］，本文设计一种黄精蒸制一体化设备，采用蒸和干燥环节一体化设计，提高黄精蒸制的效率。

图1 黄精蒸制工艺流程图Fig.1 Flow chart of Polygonatum steaming process

蒸与干燥是决定黄精蒸制质量优劣的2 个重要环节，黄精蒸制一体机干燥部分采用热风干燥。热风干燥广泛应用于果蔬、农产品和中药材等加工，但不足之处在于难以保证产品干燥的均匀性，而箱体式热风干燥设备干燥均匀性差主要是由干燥箱体内风速分布不均匀所致［5］。本文应用SolidWorks 软件对黄精蒸制一体机干燥箱体进行建模，同时采用Fluent 软件对其流场研究分析。SCAAR 等［6］借助Fluent 软件提出在通风风道和干燥室间增加导向挡板可改善气流的均匀性；代建武等［7］对气体射流冲击干燥机气流分配室的流场进行模拟并对其结构进行优化，提高了气体射流冲击干燥机风速的均匀性；安蕾等［8］提出达到干燥室风速均匀的效果需多次模拟和试验。以上研究能够改善风场均匀性，因此本文同样采用Fluent 软件模拟干燥阶段箱体内风场均匀性，通过对蒸制一体机的出风口位置、出风口大小和进风风速进行仿真试验，得到最优匹配结构，使蒸制一体机的设计更加合理，保证黄精干燥的均匀性，提高黄精蒸制产品的质量。

1 整机结构设计与工作过程

黄精蒸制一体机由蒸制箱体机构、热风循环机构和控制系统3 部分组成，如图2所示。矩形蒸制箱体尺寸为660×510×820 mm，箱体顶部的出风口和其后部送风口均为圆形孔状。由于箱体两侧内壁面上设计有载物盘承托槽，进风口不宜设计在两侧，选择将进风口设置在箱体后部距离内底面150 mm 处，为φ100 mm 的圆形。干燥箱体、进风道、回风道均选用2 mm 厚度食品级304 不锈钢作为保护层材料。同时，黄精蒸制一体机在工作过程中需要具有良好的保温绝热性，避免热量散失造成能源浪费，所以选用聚氨酯泡沫作为绝热层材料，该材料重量轻、安全卫生，隔热保温效果好，在食品机械领域内使用广泛。

图2 黄精蒸制一体机结构简图Fig.2 The structure diagram of integrated polygonatum steaming machine

2 控制系统设计

2.1 PLC 选型

根据控制系统功能要求和I/O 口点数，并从设备的稳定性、经济性和可靠性等方面综合考虑，选择三菱FX2N-48MR 系列作为黄精蒸制一体机PLC 控制系统的主控器。

2.2 I/O 资源分配

黄精蒸制一体机PLC 输入/输出点配置如表1所示。

表1 PLC 输入/输出点分配Tab.1 Allocation of PLC input/output points

3 黄精蒸制一体机干燥均匀性仿真分析

3.1 试验模型

采用Fluent 15.0 软件对黄精蒸制一体机干燥阶段箱体内部流场进行分析，用SoildWorks 建立箱体简化后的三维模型，模型主要参数：外形尺寸600×420×780 mm，进风口为φ100 mm 的圆形。实际试验时，将黄精切成2～3 cm厚度的片状，均匀平铺在载物盘上；模型简化时，将物料层简化为尺寸600×420×30 mm 的长方体。

图3所示为箱体简化三维模型。将网格模型导入ICEM 进行网格划分［9］，采用四面体混合网格，并对物料层网格进行加密处理，检查网格质量，修改网格大小及节点，使网格质量合格，生成mesh 文件，箱体网格模型有140 137 个节点和855 368 个混合四面体网格。

图3 箱体简化三维模型图Fig.3 Simplified 3D model of the cabinet

3.2 数学模型建立

由于设备内热气流为稳态的黏性流动，流速较低，假定气体不可压缩，在直角坐标系形式的绝对参考系下，流动状态满足连续方程和动量守恒方程［10］。

连续性方程：

动量守恒方程：

式中 ρ——流体密度，kg/m3；

ui，uj—— i，j=1，2，3，各时均速度分量，m/s；

p——流体平均压力，N/m2；

μ——流体动力粘度，N·s/m2；

xi，xj——各坐标分量；

δij—— 函数，当i=j 时，δij=1；当i ≠j 时，δij=0。

黄精蒸制一体机的干燥环节采用热风烘干，稳定工作时腔体内部主要为热气流，且为典型的湍流模型，流体不可压缩，所以选取计算量适中且有较多数据积累和较大精度的Standard k-ε模型。湍流动能方程如式（3）和式（4）所示：

湍流动能耗散率ε方程：

式中 Gb——空气浮力引起的湍动能；

Gk—— 平均气流速度变化引起的湍动能；

YM—— 可压缩湍流运动中脉动膨胀对总耗散率的影响。本文流体为不可压缩流体，YM=0；σk=1.0，σε=1.3；

Sε，Sk——用户自定义项，通常取0；

G1ε，G2ε，G3ε—— 经验常数，分别为1.44，1.92，0.00。

将上述数值代入式（3）和式（4）中得到Standard k-ε模型：

3.3 Fluent 参数设置

将3.1 生成的mesh 文件导入Fluent 15.0 软件中，对网格进行检查，保证最小网格单元不为负，否则网格划分不合格。选择Standard k-ε模型，流动介质选择air，固体材料为软件默认材料。黄精蒸制一体机干燥时箱体内部物料层阻碍气体流动，故将物料层设置为多孔介质层，选择Porous Zone 和Laminar Zone。进风口定义为Velocity-inlet，热风温度根据黄精蒸制工艺要求设置为70 ℃［11］，出风口定义为Outflow，定义壁面为Wall，设置各边界参数。计算模型建立基于以下假设：（1）物料黄精之间的传导热忽略不计；（2）蒸制一体机在干燥阶段，对外界的辐射忽略不计；（3）蒸制一体机内部进行空气循环时未向外界发生泄漏；（4）蒸制一体机箱体为绝热材料，其热容量忽略不计。

3.4 出风口位置仿真试验

为找出合适的出风口位置，对黄精蒸制一体机箱体顶部进行坐标轴划分，以出风口圆心位置为坐标确定出风口位置，如图4所示。在进行正交仿真试验之前，对出风口位置做15×4 组单因素试验。截取ZX 平面Y=-0.18 m 处平面分析，该截面处在物料层位置，在该截面上取3 条轴心线，分别位于Z=0.5，0.6，0.7 m 处，如图5所示。计算3 条轴心线上风速的平均速度和方差，试验结果如表3所示。

表3 出风口位置仿真结果Tab.3 Simulation results of outlet position

图4 出风口坐标位置分布图Fig.4 Distribution map of outlet coordinate locations

图5 Y=-0.18 m 轴心线上风速图Fig.5 Wind velocity chart on axis of Y=-0.18 m

统计中的方差（样本方差）是每个样本值与全体样本值的平均数之差的平方值的平均数，在许多实际问题中，研究方差即偏离程度有着重要意义［12］。综合评分=各组试验方差之和，方差之和越小说明该组越稳定，风速越均匀。从表3可以看出当出风口圆心位置位于a（x1=260 mm，x2=210 mm）；b（x1=60 mm，x2=105 mm）；c（x1=460 mm，x2=105 mm）时，方差之和最小，故正交仿真试验出风口位置选择a、b、c 3 个水平。

3.5 干燥均匀性正交仿真试验

根据黄精蒸制一体机结构尺寸及查阅的相关文献资料，A（进风风速）、B（出风口直径）、C（出风口位置）对干燥阶段箱体内气流分布影响很大，故将此3个参数作为正交仿真试验的3个因素。以Y=-0.18 m 处截面的平均风速和3 条轴心线上速度方差为评价指标进行三因素三水平L9（34）的正交试验，分析各因素显著性及最优组合，确定黄精蒸制一体机最佳结构参数。正交仿真试验因素水平见表4。

表4 正交试验因素水平表Tab.4 Orthogonal test factor level table

3.5.1 正交仿真试验结果分析

截面平均速度指标：各试验组得分=45×（该组试验截面平均速度/该组截面最大平均速度）；方差指标：各试验组得分=55×（该组试验最小方差/该组试验方差）。

由表5，表6可知，蒸制一体机干燥阶段箱体均匀性效果最佳的组合为进风风速4 m/s、出风口直径为110 mm、出风口位置：x=60 mm，y=105 mm，进风风速对试验结果的影响最大，其次是出风口位置，出风口大小的影响最小。这是因为在理想状态下，干燥箱体密闭不与外界产生气体交换，内部气流稳定，在干燥阶段工作时，由于从外界向干燥箱体内送风会打破其内部气流平衡，进风风速越大，内部产生的涡流越多越不规则，会导致气流不均匀。

表5 正交试验结果Tab.5 Orthogonal test results

表6 正交试验极差分析表Tab.6 Range analysis table of orthogonal test

3.5.2 正交仿真试验风速云图分析

正交仿真试验的风速场云图见图6。试验1～3 的进风风速为4 m/s，试验4～6 的进风风速为6 m/s，试验7～ 9 的进风风速为8 m/s。从风速场云图来看，风速越大，云图越不均匀。因为干燥阶段箱体处于密闭状态，进风风速越大，内部产生的涡流越多且越不规则，导致风速云图不均匀。由试验2，3 风速云图可知，干燥阶段在出风口位置附近风速会更大，而且越靠近箱体内壁的地方风速越不均匀。在实际干燥黄精的时候应将黄精远离出风口位置均匀平铺，不靠近箱体内壁。

图6 正交试验风速场云图Fig.6 Wind velocity field nephogram of orthogonal test

4 试验验证

根据正交试验所得的最优参数进行黄精蒸制一体机机械加工和自动控制电路搭建，并进行试验验证。

4.1 风速仿真试验验证

在载物盘上均匀选取1～9 点作为风速的仿真值和试验值测量点，如图7所示。风速值使用RHAT-301 型热球式风速仪测定（测量范围：0～30 m/s，测量精度：±3%，锦州气象科技有限公司）。仿真值由上述Fluent 模拟得出，结果如图8所示。试验值和仿真值基本吻合，证明仿真试验的合理性。

图7 风速测量点Fig.7 Measurement points of wind velocity

图8 不同位置风速的试验值与仿真值Fig.8 Experimental and simulation values of wind velocity at different positions

4.2 干燥均匀性验证

4.2.1 试验材料

新鲜滇黄精购自云南省昆明市螺蛳湾中药材市场。每次试验取1 000 g 洗净去除须根，待表面水分晾干后切成6～8 mm 厚度的片状，均匀平铺在载物盘上。

4.2.2 仪器和设备

黄精蒸制一体机（自制）；游标卡尺（精度0.02 mm，成都成量工具有限公司）；101-2AB 型电热鼓风干燥箱（吴江亚邦电热科技有限公司）；JA5103N 型电子分析天平（精度0.001 g，四川中浪科技有限公司）。

4.2.3 含水率测定

将处理好的黄精样品均匀平铺在载物盘上，将载物盘放入黄精蒸制一体机内，关闭密封门，输入设定的干燥工艺参数（蒸8 h，60 ℃干燥12 h）。蒸制结束后，通过在载物盘上选取的1～9 个点附近随机抽取蒸制好的黄精样品，放入电热鼓风干燥箱，在105 ℃、24 h 恒温干燥条件下测得蒸制品含水率m，如下式计算：

式中 M1——黄精蒸制品质量，g；

M2——黄精干品质量，g。

4.2.4 试验结果

通过试验测得9 个点的含水率分别是：12.61%，12.83%，12.68%，12.51%，12.79%，12.95%，13.32%，12.73%，13.13%。可知样品含水率差异不显著，最大值与最小值之间相差0.81%。由此可见，本设备在干燥阶段的均匀性有保障。

5 结语

根据蒸制工艺设计一种基于PLC 控制的黄精蒸制一体机，能够满足黄精在同一设备内连续完成蒸和干燥2 道工序，减少蒸制过程中物料转移问题，以黄精三蒸三制为例，可以减少5 次物料转移，提高效率，降低成本。

为改善黄精蒸制一体机干燥阶段箱体内风场不均匀问题，采用Fluent 软件模拟干燥阶段箱体内风场均匀性，并通过正交试验，以Y=-0.18 m处的截面平均速度和Z=0.5，0.6，0.7 m 处3 条轴心线上的风速方差作为评价指标，通过综合评分法选出最优参数组合。结果表明：当进风风速为4 m/s、出风口直径为110 mm、出风口位置位于x=60 mm，y=105 mm 处时，均匀性综合效果最佳。

通过试验证明风速仿真值与试验值基本吻合，进一步证明Fluent 仿真合理性，并通过黄精蒸制试验，测得载物盘上9 个点的含水率分别是：12.61%，12.83%，12.68%，12.51%，12.79%，12.95%，13.32%，12.73%，13.13%，样品含水率差异不显著，最大值与最小值之间相差0.81%，通过黄精蒸制品的含水率能间接反应黄精蒸制一体机在干燥阶段的风场具有较好的均匀性。