王攀，易文裕，程方平，王春霞，周彦君，邓佳

(1. 四川省农业机械研究设计院，成都市，610066；2. 农业农村部丘陵山地农业装备技术重点实验室，成都市，610066)

0 引言

理条是名优茶生产过程中必不可少的重要工序[1-2]。其主要通过理条机的锅槽对鲜叶加以热和力，使其失去部分水分和低沸点的芳香物质并对茶叶组织进行软化以便于后续做形等工序，理条质量的好坏直接影响名优茶的品质[3-5]。在茶叶理条过程中，理条锅槽温度的均匀性是影响理条品质的主要因素之一[6-8]。通常情况下，理条机加热部件都采用直线型电阻丝均匀布置的方式，由于锅槽与周围空气存在热交换，进而导致在实际理条过程中理条锅槽中间位置的温度高于四周，使得茶叶理条品质具有一定的差异。研究表明，通过改变电阻丝的形状和布置位置对提高理条锅槽温度均匀性具有一定的促进作用[9]。

计算流体力学(Computer Fluent Dynamic，CFD)是一种通过求解流体流动的微分方程，进而得出流体的流场在连续区域的离散分布情况的数值分析方法。试验表明，运用CFD数值模拟方法能够对热源及其周边气流的温度场进行模拟，可以直观反映温度分布情况[10-13]。景亮等[14]运用CFD模拟了出菇房气流的流场和温度场，并采用试验验证了该CFD模型的准确性，为优化出菇房的结构提供了依据；Wu等[15]采用CFD对流化床干燥器内的温度场进行了模拟，并根据模拟结果对流化床加热结构进行了优化；朱文颖等[16]采用CFD的非稳态三维湍流模型对苹果包装预冷的温度场进行了模拟研究，结果与实际值的均方根误差为1.13°，证明了采用CFD研究温度场的合理性和准确性。

本文通过建立理条部件作业过程的CFD模型并对其理条过程锅槽的温度场进行模拟分析，通过优化加热电阻丝的形状和分布形式来提高理条锅槽作业过程中温度的均匀性。

1 茶叶理条部件结构与工作原理

1.1 理条部件结构

茶叶理条部件结构示意图如图1所示，其主要由理条锅槽、主副加热电阻丝、温度传感器、壳体、隔热岩棉等组成。

图1 理条部件结构示意图

主副加热电阻丝按照95 mm的间隔匀布置在隔温岩棉上，其方向与锅槽垂直，传感器安装在隔热岩棉中心位置。理条部件采用8锅槽，单个锅槽宽度为115 mm，长度为910 mm，9根电阻丝采用均匀布置的方式安装在锅槽下方的隔热岩棉上，电阻丝直径为6 mm，长度为900 mm。

1.2 工作原理

作业开始时，主、副电阻丝同时进行加热工作，当温度传感器检测到隔热岩棉上方空气中的温度达到预设作业温度时，主加热电阻丝停止加热，副加热电阻丝继续加热保温；当温度低于预设作业温度时，主加热电阻丝自动开启加热模式直到温度恢复预设作业温度后停止加热，采用主、副加热电阻丝进行保温及补温，有利于理条部件保持稳定工作状态进行理条作业。

2 基于CFD的理条锅槽温度场仿真

2.1 理条部件温度场测试

在环境温度为25 ℃的条件下，在锅槽的中间平面即距离槽底60 mm的平面随机选取16个点，各点在锅槽上的分布尽量均匀，将PT100型温度传感器分别粘贴在对应的位置，开启理条机的加热装置。当传感器测试的温度基本处于稳定状态即上下波动不超过1 ℃ 时记录下个点的温度值，重复进行3次试验，其结果如表1所示。

表1 理条锅槽温度实测值Tab. 1 Measured value of the temperature of the trough

2.2 基于CFD的理条锅槽温度场仿真

2.2.1 基于CFD的理条部件温度场模型建立

根据理条部件的结构及工作原理，以理条部件为对象，根据数值分析过程中的模型简化原则对理条部件进行简化处理，将作业过程中理条部件与周围空气的热交换作为重点，建立理条部件周围空气的外流场模型，采用自动计算传热系数等算法[17-18]，对理条部件模型采用非结构网格划分，并对电阻丝、锅槽底部等部分网格进行加密处理以提高网格质量使得计算结果与实际情况更加接近[19]，理条部件的CFD模型如图2所示。

图2 理条部件CFD模型

加热电阻丝采用Cr20Ni80材料，理条锅槽和外壳均采用304不锈钢，底部隔热层采用岩棉，在实际分析中可基本不考虑岩棉与底部空气的热交换，相关材料主要参数如表2所示。

表2 理条部件材料参数表Tab. 2 Material parameter table of tea carding parts

根据茶叶理条机的设计，在作业过程中主、副加热电阻丝功率相同均为0.7 kW/根，总功率为6.3 kW，周围环境温度为25 ℃。

2.2.2 基于CFD的理条部件温度场分析

对理条部件作业过程进行模拟，由于在实际理条作业中茶叶主要在锅槽中翻滚，理条部件的壳体、隔热岩棉、电阻丝等温度变化对理条质量影响不大，因此在分析温度云图时主要针对理条锅槽，同样选取锅槽的中间平面即距离槽底60 mm的平面作为分析对象，其温度云图分布如图3所示。由图3可以看出，其温度呈现中间较高，四周较低的现象，最高温度为254.6 ℃，最低温度为157.3 ℃，最大温差为97.3 ℃。

在仿真得到的温度云图上找出与实际测量时温度传感器所对应的位置，每个位置取构成等边三角形且边长为1 mm的3个点，取3个点的平均温度作为对应测量位置的温度，如表3所示。

图3 理条部件平面温度云图

表3 理条锅槽温度仿真值Tab. 3 Simulation value of the temperature of the trough

2.3 对比分析

将理条锅槽所选的各点实际测量温度与理条锅槽CFD模型仿真得到的各对应点的温度进行对比分析，如表4所示。理条锅槽中间平面实测温度与仿真云图对应温度最大相对误差为12.1 ℃，平均相对误差为9.5 ℃，最大绝对误差为5.9%，平均绝对误差为4.67%，模拟的温度场与实际作业过程的温度基本吻合，说明采用该模型对理条锅槽的温度场进行分析是可行的。

理条部件中间平面的温度均匀性系数用γ表示，其计算公式[20]为

式中：n——平面单元个数；

vlocal——平面各单元平均温度；

vmean——平面平均温度。

对选取的分析平面进行处理得到该平面温度的均匀性系数为0.847，表明该平面温度均匀性较差，其主要原因在于锅槽边缘与周围空气热交换多于中部，在实际茶叶理条生产中会导致理条质量差异性较大，局部茶叶可能会发黄、焦边儿或理条程度不够。

表4 理条锅槽温度对照表Tab. 4 Temperature control table of the pot and trough

3 基于CFD的理条部件优化设计

综合考虑理条部件与周围空气热交换等因素，对电阻丝的布置方式及电阻丝的结构等进行优化以提高理条部件的温度均匀性。

3.1 电阻丝布置方式的优化设计

如图4所示，在保持电阻丝总功率和外形不变的情况下，将电阻丝从中间位置向两侧采用等差间距进行排列并对其温度场进行模拟，结果表明当电阻丝间距依次为125、105、85、65 mm等差间距梯度布置时，其对应平面的最大温差为39 ℃，温度均匀性系数为0.911，较电阻丝均匀布置的理条部件提高7.56%，其温度云图和对应点温度值分别如图5和表5所示。

图4 电阻丝梯度布置

图5 理条部件平面温度云图

表5 条形加热电阻丝梯度布置理条锅槽温度仿真值Tab. 5 Simulation value of the temperature of the trough

由图5可知，电阻丝采用梯度布置在一定程度上能够提高理条部件同一水平面温度的均匀性，但是锅槽与电阻丝垂直方向的两端温度仍低于其他部位，其原因在于两侧锅槽与空气的接触面大于其他部位，而电阻丝对两端锅槽的加热与其他位置一致，导致两端锅槽的温度偏低。

3.2 电阻丝形状的优化设计

在保持加热电阻丝总功率的情况下，采用环形电阻丝间距依次为125、105、85、65 mm的梯度布置方式，如图6所示。

图6 环形电阻丝梯度布置

对环形电阻丝梯度布置的理条部件温度场开展仿真研究，其对应平面的温度场和对应点的温度分别如图7和表6所示。

图7 理条部件平面温度云图Tab. 7 Plane temperature cloud diagram of tea carding parts

表6 理条锅槽温度仿真值Tab. 6 Simulation value of the temperature of the trough

从表6可知，当环形电阻丝间梯度布置时，理条部件中间平面的最大温差为39 ℃，温度均匀性系数为0.935，较未优化前提高10.4%。

4 结论

1) 通过建立茶叶理条机理条部件的CFD仿真模型对理条部件的温度场进行模拟，并与实际测量结果进行对比研究，实测温度与相对应的仿真温度最大相对误差为12.1 ℃，平均相对误差为9.5 ℃，最大绝对误差为5.9%，平均绝对误差为4.67%，结果表明采用该模型对理条部件的温度场进行研究是可行的。

2) 通过采用环形加热电阻丝和等差梯度布置电阻丝等方式对理条部件进行了优化设计，当采用环形电阻丝按照125、105、85、65 mm的间距梯度布置时，理条部件中间平面的温度均匀性系数为0.935，优化后的理条部件锅槽温度的均匀性较优化前提高10.4%，为理条机的优化设计提供了思路。