馕坑结构参数化建模及热学分析

李学志　艾力?如苏力　陈蒙

摘要：馕坑内部的温度均匀性和温升快慢是实现节能环保的瓶颈。针对不同馕坑结构引起的温度场问题，对馕坑结构参数化建模和热学特性进行了分析。首先，考虑三种不同的馕坑内胆几何形状：抛物线、圆弧曲线、椭圆曲线，建立了馕坑结构参数化几何模型；其次，根据生产实际设计了馕坑内胆的加工工艺；最后，通过ANSYS软件，在不同加热源工况下对三种馕坑进行了有限元热学分析，得到了三种馕坑的温度分布云图。分析结果表明：电热管加热馕坑的热学特性较好，为馕坑结构参数优化和节能环保提供了依据。

关键词：馕坑；节能；温度场；抛物线

中图分类号：TH122     文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.005

文章编号：1006-0316 （2023） 04-0033-05

Parametric Design and Thermal Analysis of Nang-pit Structure

LI Xuezhi，AILI Rusuli，CHEN Meng

（ Department of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Institute of Technology，

Akesu 843100， China）

Abstract：The temperature uniformity and the speed of temperature rise in nang-pit is the bottleneck of energy conservation and environmental protection. Aiming at the problem of temperature field caused by different structures of nang-pits， the parametric design and thermal characteristics of nang-pit structure are analyzed and studied. Firstly， three different shapes of parabola， arc curve and elliptic curve of the inner tank of nang-pit are considered， and the parametric geometric model of nang-pit structure is established. Secondly， the processing technology of nang-pit liner is designed according to the actual production. Finally， the finite element thermal analysis of three kinds of nang-pits are carried out by ANSYS under different heating source conditions， and the temperature cloud diagrams of three kinds of nang-pits are obtained. The results of analysis indicates that the thermal characteristics of the electric heating tube nang-pit is superior， which provides a basis for the optimization of the parameters of the nang-pit and energy conservation and environmental protection.

Key words：nang-pit；energy conservation；temperature field；parabola

馕是新疆各族人民所喜爱的主要食品之一，现逐渐发展为全国各地人民喜欢的面食，已成为当地区域性经济发展中重要的特色文化和產业[1-2]。目前，随着节能减排工作方案全面深入开展，不断调整能源结构并优化，建立健全绿色低碳可持续发展经济体系，推进能源介质向可再生能源全面绿色转型，从而助力实现碳达峰、碳中和目标受到各界重视[3]。随着我国特色食品装备产业的升级，能够实现馕加工产业的节能减排，降低能源消耗、减少能源损失浪费，有效、合理地利用能源，加大馕加工产业节能技术的研发力度，开发高效节能减排工艺、技术和产品，着力增强馕加工产业的自主创新能力，解决技术瓶颈成为发展趋势[4]。

针对以上存在的问题，为了满足新能源馕坑节能环保的要求，有必要通过参数化建立理想的馕坑内胆以及加热源模型来进行有限元热学分析，研究不同的馕坑结构形状与加热源的温度变化规律。

1 馕坑的结构

1.1馕坑内胆

馕坑内胆用铁板冲压后焊接而成，市场上铁板厚度有2.7～3.0 mm和4.0～4.2 mm两种范围，考虑馕坑打馕前要淋水，以及烤馕过程中底部需要水冷却对馕坑内壁的腐蚀作用，常采用厚度4.0 mm的铁板。

传统馕坑内胆按材料分类有三种：黏土馕坑、陶瓷馕坑、钢板馕坑[5]。这三种传统馕坑共同的缺点在于热利用率普遍较低，且由于采用传统加热方式，需要人工频繁地在高温馕坑中添加木柴、煤炭等燃料，卫生条件差，在馕坑内壁贴馕、取馕过程中，工作人员极易吸入大量CO等有毒气体[6]。传统馕坑的这些缺点在馕坑整体结构设计时都是必须要考虑的因素。

1.2 加热源

随着新能源开发，加热源逐渐改用了天然气和电热管两种加热方式，加热源直径为300 mm，火源高度为150 mm，为避免热量从开口处急速流失，常会在加热源上加一层带孔的防护罩，同时可以防止馕饼渣掉入火源。

1.3 馕坑外壁

馕坑外壁上装有仪表装置，外壁上方留有圆孔使得馕坑内胆镶嵌在中央，馕坑外壁与内胆腰部位置至少留有100 mm的距离，以保证绝热效果，馕坑外壁下设有底座，方便馕坑整体结构移动。

1.4 绝热层

馕坑外壁与馕坑内胆之间形成环形立体空腔，使用绝热材料珍珠岩填满绝热空间，珍珠岩耐高温且为固体颗粒状，容易填充密闭空间，为避免出现空隙起不到隔热效果，需要用搅拌棒捣结实。

2 馕坑结构参数化建模方法

馕坑结构参数化的建模有利于生产工艺的标准化，传统的馕坑加工多采用经验值进行切割、折弯、冲压、打磨和焊接，没有规范统一定形尺寸和定位尺寸，即使多次修复也很难达到严丝合缝。然而，经过校验后的馕坑结构参数化建模，可以随时调取尺寸精确的图纸进行加工制造，而且随着用户的需求可按比例修改参数，实现了方便、快捷、高效。节能环保的电加热管馕坑结构如图1所示。

2.1 馕坑内胆参数化建模方法

2.1.1 馕坑内胆参数化确定

馕坑内胆常采用三种形状进行设计，主要是：抛物线、圆弧曲线和椭圆曲线。结合馕坑计算方法统一约束三种形状内胆的参数化尺寸：馕坑底部圆的直径为900 mm，中部距离底部540 mm处的圆直径为1000 mm，馕坑开口圆的直径为480 mm，馕坑高度900 mm[7]。

2.1.2 抛物线馕坑的设计方法

利用抛物线草图绘制功能建模，上下抛物线焦点均过馕坑内胆中心线且左右对称。首先绘制开口朝下的上抛物线，抛物线端点分别与中部的直径线端点合并；其次绘制开口朝上的下抛物线，抛物线端点分别与中部的直径线端点合并，最后在两条抛物线相交处进行圆倒角，得到抛物线馕坑实体。

2.1.3 圆弧曲线馕坑的设计方法

绘制如以上抛物线馕坑的三条水平直线段确定圆弧馕坑上、中、下直径的大小，利用三点圆弧草图绘制功能，过开口圆端点与底部圆端点绘制任意圆弧，将圆弧曲线与中部端点约束为重合关系，得到圆弧曲线馕坑实体。

2.1.4 椭圆曲线馕坑的设计方法

利用椭圆曲线草图绘制功能建模，约束上、中、下三个位置与椭圆曲线重合，椭圆中心要与中心线对齐，椭圆曲线馕坑的轮廓与圆弧曲线相近，上部相比圆弧曲线轮廓宽6 mm，下部相比圆弧曲线轮廓窄4 mm。

三种馕坑内胆的结构形状如图2所示。

2.2 馕坑底座和外壁的建模

2.2.1 馕坑底座的建模

馕坑的底部由25 mm×50 mm×1200 mm的方管焊接而成，在方管的上表面焊接一块1200 mm×1200 mm的钢板，中间留一个直径300 mm的火口，加热源可选用天然气或者电加热形式，同时设置相应的支撑结构和冷却排水槽，底座下表面焊接四个脚轮。

2.2.2 馕坑外壁的建模

馕坑外壁主要是由四周壁和顶盖组成。两部分均由钣金一次折弯而成，实际加工时，在控制显示面板处根据配件尺寸进行配作切孔，馕坑的外壁尺寸由内胆的最大直径决定，为保证绝热效果且与馕坑底座配合安装，外壁尺寸为1200 mm×1200 mm，用螺钉固定在底座上。

3 馕坑内胆的加工工艺

3.1 笼骨搭架

按照馕坑开口圆、中部圆和底部圆的直径做三个钢筋圆箍，沿径向方向做13根铁片骨架，分别在上中下位置处进行点焊定位，铁片骨架用来固定两片相邻的馕坑内壁钢板，以防止馕坑整周在焊接过程中受力产生曲面形变。笼骨搭架如图3（a）所示。

3.2 冲压成型

馕坑内壁钢板需要经过上下模冷冲压成型，将用激光切割机提前切好的4 mm钢板放入模具中冲压而成。冲压模的制作可从已经焊接好的废旧馕坑内胆拆卸下来，逐片进行焊接制成上下模，再使用液压机构即可实现简易的冲压模具。冲压成型如图3（b）所示。

3.3 整周对焊

馕坑整周间隔30°分布着12片冷冲压成型

后的钢板，先将两片不相邻钢板沿周向点焊在铁片骨架上，然后再插入相邻钢板沿径向进行点焊，再依次序焊接其余钢板，最后对所有焊縫进行外部焊接，拆除骨架后再对内部进行抛光处理。整周对焊如图3（c）所示。

4 馕坑的有限元热学分析

取低碳钢在300℃的导热系数42 W/m·K，在空气中自然对流，取对流换热系数25 W/m2·K。膨胀珍珠岩散料导热系数0.062 W/m·K，珍珠岩密度60 kg/m3，粒度0.15～3 mm，若粒度减小使得间隙减小，接触面增多使得热阻增加，颗粒间的对流减少，从而使得导热系数减小会起到较好地保温效果。馕坑内部存在一定的温差，热量会从馕坑底部传递到上部，馕坑内部的热量传递方式称为热传导[8-9]。

热传导根据Fourier定律，有：

式中： 为热流密度，W/m2；k为导热系数，

W/（m·K）；T为温度，K；x为导热面上的坐标，m。

加热源表面与馕坑内部空气，以及馕坑外壁与室内空气间都会发生相对运动引起热量传递[10]。

热对流满足Newton冷却方程为：

式中：h为对流换热系数； 为固体表面温度； 为周围空气温度。

4.1 电热管加热馕坑有限元热学分析

因传统红外线燃烧器使用天然气或沼气进行燃烧发热，产生的CO2具有温室效应，所以加热源选用更加节能环保的电加热管来加热，设计建模尺寸为?20×H150的圆棒形加热管圆周阵列排布在馕坑底座上，选用加热管额定功率2500 W，加热管最大工作温度为350℃。电加热馕坑温度分布云图如图4所示。

电加热馕坑轮廓温度梯度如表1所示。

4.2 红外线加热馕坑有限元热学分析

为对比分析仿真实验，对传统的半圆球形红外线燃烧器馕坑也进行热学分析，实际燃烧器是带孔的陶瓷板炉头，对加热源做一定的简化后，设计建模尺寸为?300×H150的半圆球形，并施加相同的热载荷边界条件。红外线加热馕坑温度分布云圖如图5所示。

红外线馕坑轮廓温度梯度如表2所示。

由图4和图5可以看出，相同规格不同形状的馕坑，在相同加热源加热的工况下，其温度在同一梯度上变化不大，但从底层到顶层均呈现递减趋势，电热管加热馕坑底层温度平均为293.78℃，中间层温度平均为285.63℃，顶层温度平均为277.46℃；红外线加热馕坑底层温度平均为289.86℃，中间层温度平均为281.4℃，顶层温度平均为272.71℃。电热管加热馕坑底层温度较红外线加热馕坑高出3.92℃；中间层温度高出4.23℃，顶层温度高出4.75℃，电热管馕坑在不同梯度上的温度均高于红外线加热馕坑。

5 结论

通过建立馕坑的不同参数几何模型，对比分析了电热管加热馕坑和红外线加热馕坑的温度场分布云图，得出结论：在相同的热载荷边界条件下，电热管加热馕坑相比于红外线加热馕坑更加节能，且电热管以消耗清洁能源电能为主，而红外线加热馕坑以燃烧不可再生能源天然气为主，所以电热管加热馕坑能够实现馕坑的节能环保要求。这为以后研究馕坑结构参数优化和节能环保提供了依据。

参考文献：

[1]安尼瓦尔·哈斯木. 馕、馕坑与馕文化漫谈[J]. 新疆地方志，2017（2）：53-58.

[2]艾力·如苏力，帕尔哈提·柔孜，阿布都艾则孜·阿布来提，等. 新型制馕坯机的工艺设计与制作[J]. 食品研究与开发，2017，38（20）：220-224.

[3]王坤，杨涛，梁坤，等. 碳达峰碳中和战略下天然气的能源优势与发展建议[J]. 能源与节能，2023，210（3）：27-31.

[4]鲁力. 中华人民共和国节约能源法[J]. 特种设备安全技术，2019（4）：17，55.

[5]阿布都艾则孜·阿布来提，买买提热夏提·买买提，艾力·如苏力，等. 馕的加工工艺与烤馕机的工作原理[J]. 安徽农业科学，2015，43（18）：286-288.

[6]史勇，肉孜·阿木提，吕仲明，等. 新疆烤馕装置的研究现状[J]. 农业科技与装备，2015（5）：48-51.

[7]阿布都艾则孜·阿布来提，艾力·如苏力，博尔汗·沙来. 维吾尔族馕坑几何结构及新能源馕坑的设计[J]. 食品科技，2012，37（11）：79-82.

[8]何潮洪，刘永忠，窦梅，等. 化工原理[M]. 北京：科学出版社，2017.

[9]傅秦生. 热工基础与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[10]黄志新. ANSYS Workbench 16. 0超级学习手册[M]. 北京：人民邮电出版社，2016.

收稿日期：2022-10-08

基金项目：新疆维吾尔自治区科技计划（2020D01B22）

作者简介：李学志（1986－），男，山东淄博人，硕士研究生，副教授，主要研究方向为机械设计及理论，E-mail：563113515@qq.com。

*通讯作者：陈蒙（1991－），女，河南南阳人，硕士研究生，副教授，主要研究方向为软件开发，E-mail：suyin0407@qq.com