隧道式两排挂面烘房气流特征分析

杨夫光,张　波,张影全,王振华,魏益民

(中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100094)



隧道式两排挂面烘房气流特征分析

杨夫光,张波,张影全,王振华,魏益民*

(中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100094)

为改进挂面干燥工艺,采用便携式微型气象仪研究了双排挂架隧道式挂面烘房风速和方向分布情况以及烘房挂面干燥过程的气流特征。结果表明,隧道式双排挂面烘房内风速呈波形分布,均值为0.82 m/s,绝大多数风速集中在0.00～2.00 m/s之间,侧风和逆风则集中在0.00～1.00 m/s区间内,烘房不同位置的风速具有不均匀性。风向受到风扇位置、排潮口位置以及烘房结构的影响,烘房左上、左中、左下部位主导风向集中在SW-NNW扇区,右上、右中、右下部位主导风向集中在NE-SSE扇区。

挂面,干燥,烘房,风速,风向

干燥是挂面生产的关键工序[1]。影响挂面干燥的主要因素有空气温度、相对湿度、风速以及烘房结构[2]。风速过低会使温度湿度分布不均,干燥缓慢;风速过大会加速烘房排潮,降低热效率;风速控制不当还可导致挂面劈条、酥条[3-5]。因此,研究挂面生产线烘房内气流特征对挂面干燥过程的工艺控制有重要意义。

研究表明,适量的风速有利于面条干燥。乌冬面干燥过程中,初始干燥阶段与主干燥阶段的风速阈值分别为2 m/s和1 m/s[6],空气流速增加到3 m/s时有利于干燥[7],初始干燥阶段风速在2～3 m/s时,可以提高鲜面失水速度;主干燥阶段的合理风速约为1 m/s(Yamamoto,1998)[8]。针对意大利通心粉干燥的研究发现,主干燥阶段的风速在1～5 m/s之间对通心粉的干燥速率没有影响(Andriue)[9]。针对机制挂面干燥的研究表明,机制挂面在预干燥阶段风速不宜过大,0.8 m/s为宜;主干燥阶段应加大风速至1.2 m/s左右;完成干燥阶段风速应缓至0.8 m/s左右[10]。这一建议与国内挂面行业标准SB/T 10072-1992的要求基本一致[11];也有学者认为风速在4 m/s时干燥挂面的质量较好[12]。另外也有理论总结认为,干燥初始阶段适当增加风速可以改善干燥的效果[13];在烘房内营造局部环流,均匀分布烘房气流,可以提高热效率、改善产品质量[14]。李华伟等认为,。也有学者认为挂面干燥时空气流动不宜过大,风速过大会加速排潮,破坏烘房内部温度、湿度的均匀性,造成能源浪费[15]。本研究以130 m隧道式烘房为研究对象,使用便携式微型气象仪在线立体采集烘房运行过程中的风速和风向等数据,揭示挂面干燥烘房的气流特征和特点,为改进和控制挂面干燥工艺提供技术依据。

1　材料和方法

1.1实验场地

实验在某企业新设计的130 m隧道式两排挂面烘房内实施。烘房为混凝土结构,南北向布局,长130 m,高4.0 m,宽3.7 m,挂面架高2.0 m。挂面悬挂于面杆,运行速度为32.5 m/h,干燥4 h;采用循环导热油通过翅片管式换热器向烘房供热,面条在湿热空气的作用下脱去水分;吊扇位于导热油管上方,排潮口位于烘房底部。图1为烘房入口的正视图,标注了烘房的结构。

图1　烘房正视图Fig.1　The front view of the drying chamber

烘房内温度均值为37.8 ℃,相对湿度均值为76.6%。实验期间,烘房入口、出口的空气温度、相对湿度分别是30.8 ℃、81.6%,35.5 ℃、57.4%。风扇转速690 r/min,单叶片风扇(叶片长度1.3 m),入口、出口的风速分别是1.3 m/s和0 m/s。实验期间车间生产的是2 mm宽面(厚度1 mm),原料为上白粉。干燥终端挂面产品含水率(12.83±0.37)%。实验期间未出现酥条面等不合格产品。

1.2仪器与设备

Kestrel-4500型微型气象仪美国尼尔森-科尔曼公司;可实时监测烘房内温度、相对湿度、风速、风向、侧风和逆风等,测量精度为:温度0.1 ℃、湿度0.1%、风速0.1 m/s、风向1°,测量范围:风向为0°到360°,风速为0.4到60.0 m/s。

1.3实验方法

1.3.1风速、风向测定风速、风向测定制作三个环形支架,用铁钩将环型支架按上、中、下结构链接起来;将微型气象仪分别固定在每个支架中央,由此构成了一个监控烘房上、中、下部(距地面分别是1.5、1.0、0.5 m)风速、风向装置。将装置悬挂在挂面架上,随挂面一起移动,每5秒1次记录风速、风向、侧风和逆风数值。以正视烘房入口的位置将烘房标记为左、右部分(如图1所示),依次测量烘房左上、左中、左下,右上、右中、右下部位,每排测定3次,共计6次。

1.3.2风向频率计算风向分类仪器以0°表示正北,顺时针90°、180°、270°表示东、南、西方向,与烘房内实际方位一致。将测量结果归到16个方位:N(北)、NNE(东北偏北)、NE(东北)、ENE(东北偏东)、E(东)、ESE(东南偏东)、SE(东南)、SSE(东南偏南)、S(南)、SSW(西南偏南)、SW(西南)、WSW(西南偏西)、W(西)、WNW(西北偏西)、NW(西北)、NNW(西北偏北)。

风向频率按下式计算[16]:

式中,gn-n方位的风频;fn-测量结果中吹n方位风的次数,n为方位,共16个方位;c-测量结果中静风总次数。

1.4数据处理方法

采用Excel和SPSS软件进行数据处理和分析;使用玫瑰图绘制软件绘制风向玫瑰图。

2　结果与分析

2.1烘房内风速分布

2.1.1烘房空间位置风速变化图2、图3是烘房左排左上、左中、左下,右排右上、右中、右下部位风速曲线,0、130 m位置分别表示烘房入口和出口。由图2、3可知,烘房风速在整个干燥过程中为波形变动,呈锯齿状,干燥末端风速降低。风速在上、中、下层间有差异,呈逐渐降低趋势。

图2　烘房左侧风速曲线Fig.2　Wind velocity curve of left side in chamber

图3　烘房右侧风速曲线Fig.3　Wind velocity curve of right side in chamber

由于使用风扇作为空气流动的动力,实际生产中烘房内风速呈现波形变动[17]。风扇悬置与挂架上方,风速由上到下呈下降趋势。

2.1.2烘房空间位置风速分析烘房空间位置风速统计如表1所示。左上、右上风速均值为1.01 m/s和0.98 m/s,左中、右中风速均值为0.85 m/s和0.76 m/s,左下、右下风速较小(0.65、0.66 m/s)。所有空间位置风速的平均值为0.82 m/s。方差分析结果显示,左上和右上、左下和右下风速无显著差异,其余各部位风速间差异显著(p<0.05)。

表1　烘房空间位置风速分布

表2　烘房空间位置逆风分布

注:均值为逆风风速值绝对值的平均值。

表3　烘房空间位置侧风分布

由表1可知,烘房各部位风速分布在0.00～3.00 m/s内(占比超过98.9%)。其中烘房左上、左中、左下、右上、右中、右下部位风速分布在0.00～1.00 m/s内的比例分别是59.2%、69.0%、79.9%、61.5%、73.3%、82.1%;在1.00～2.00 m/s的比例分别是20.4%、22.9%、18.8%、21.7%、20.3%、15.7%;2.00～2.50 m/s内的比例分别是14.2%、6.3%、1.35%、10.9%、6%、2%;大于2.50 m/s范围的比例分别是6.2%、1.8%、0%、6%、0.1%、0.2%。

2.1.3烘房空间位置逆风风速分析逆风即与挂面运动方向相反的风力,其值由仪器根据风速、风向计算得到,可表征挂面运动所遇到的风阻。表2是烘房空间位置逆风分布表,负值表示与气象仪运动方向相同的推力。由结果可知,左上、左中、左下、右上、右中、右下逆风平均值为0.38、0.34、0.40、0.58、0.30、0.33 m/s。各部位逆风风速在0.00～1.00 m/s(绝对值)的比例分别为90%、92.8%、89.8%、75.6%、94.7%、93.1%;在1.00～2.00 m/s范围内的比例分别是8.8%、6.7%、9.6%、18.9%、4.7%、6.9%;超过2.00 m/s的比例很小(右上最高5.5%)。方差分析表明,6个部位的逆风相互间差异显著(p<0.05)。

2.1.4烘房空间位置侧风风速分析侧风是与挂面前进方向有正交分量的风,可表征挂面两侧面的风速,大小也是由仪器计算得到。从表3可知,烘房左上、左中、左下、右上、右中、右下侧风均值分别是0.69、0.63、0.50、0.86、0.72、0.44 m/s。各部位侧风在0.0～1.0 m/s的比例分别是63.7%、73.6%、90.6%、74.0%、80.9%、89.2%;1.0～2.0 m/s内各部位侧风占比分别为23.6%、20.0%、9.4%、20.0%、14.0%、9.6%;大于2.5 m/s的占比很低(左上最高3.8%)。方差分析结果表明,各位置侧风风速间差异显著(p<0.05)。

2.2烘房风向分布

图5、6是烘房各部位的风玫瑰图。由风玫瑰图可知,左上、左中风向指向W,右上、右中风向指向E;左下风向指向WSW和NE,右下风向指向ENE和SE方向,显示下部风向更为分散。

表4　烘房各位置风频、风速表

图4　烘房左侧上(a)、中(b)、下(c)部位风玫瑰图Fig.4　Wind-rose diagram of upper,middle,lower of left side in chamber

图5　烘房右侧上(a)、中(b)、下(c)部位风玫瑰图Fig.5　Wind-rose diagram of upper,middle,lower of right side in chamber

表4为烘房各部位在不同方位的风向频率及风速均值。由表4可知,左上最多风向为W(19.9%),次多风向为WNW(18.3%);左中最多风向为W(23.2%),次多风向为WSW(20.1%);左下最多风向为WSW(12.4%),次多风向为SW(10.4%),左上、左中、左下的风向集中在SW～NNW扇区,各部位在该扇区风频总和分别是67%、72.5%、50.1%。右上最多风向为SE(20.5%),次多风向为ESE(19.7%);右中最多风向变为E(31.4%),次多风向是ESE(17.9%);右下最多风向为ENE(24.4%),次多风向为E(15.8%)。右上、右中、右下风向集中在NE～SSE扇区,各部位在该扇区的风频总和分别为62.3%、74.5%、78.1%。风速和风频出现同步,即某一方向风频大,在该方向风速均值也较大。

3　讨论

3.1挂面烘房的风速分析

本研究表明烘房上、中、下部风速差异显著,烘房左上和右上、左下和右下风速无显著差异,左中、右中风速差异显著;各部位逆风、侧风之间均差异显著。这与烘房使用风扇供风及烘房结构有关。风扇带动空气流动,烘房左上、右上面杆处在风扇中轴对称部位,风速大小差异不显著。左中、右中部位风速差异显著,可能和挂面悬挂位置密度和排风口位置有关。烘房下层风速本身较小,且下层空间较开放,空气流动相对均匀。烘房内风扇叶片形状、叶片数量、风扇密度及转速、安装位置及精度等都会对风速产生影响。因此,应合理选择扇型、布局风扇。烘房结构和通风系统和对风力也有影响,但烘房设计中较少考虑这些因素。

空气的流动可使烘房内温度、湿度分布均匀,可增大传热传质系数。物料的水分由内部扩散到表面后在表面汽化,可认为在表层存在一层汽膜[18],随着空气流速的增加汽膜厚度减小,有利于传热[19]。当风速大于临界点,干燥速率不再增加,反而会加速排潮,造成能源浪费[15]。在干燥不同阶段,干燥速率的控制机理不同,风速大小应根据需要调整[20,21]。相关报道对干燥介质温度、湿度对挂面干燥的影响研究较多[22-25],而对挂面干燥过程中风速、风向特征的研究较少。有学者认为挂面在预干燥、主干燥、完成干燥阶段风速分别是0.80 m/s、1.20 m/s、0.80 m/s[10],也有研究认为挂面干燥时风速应该达到4.0 m/s[12],挂面烘房的风速应在2.0～2.5 m/s之间、挂面有15°到20°的摆幅[2]。也有经验式的总结认为挂面烘房内风速不宜太大、在不同阶段应设置不同的风速[26]。

本研究表明,烘房风速均值0.82 m/s,上、中、下部位风速均值分别约为1.00、0.80、0.60 m/s,与部分研究结论基本一致。左上、左下、左中、右上、右中、右下部位风速主要分布集中在0.0～1.0 m/s和1.0～2.0 m/s区间。其中在0.0～1.0 m/s各部位风速占82.1%(右下);在0.0～2.0 m/s区间,各部位风速占98.9%(右下);风速在2.0～3.0 m/s区间分布很少。逆风、侧风分别反映了挂面前后、两侧风速分布大小。逆风均值(绝对值)为0.38 m/s,主要分布在0.0～1.0 m/s的区间内,占94.7%(右中)。侧风均值是0.63 m/s,主要分布在0.0～1.0 m/s区间内,在该区间的占90.6%(左下);1.0～2.0 m/s区间各部位侧风占比相对较少,比例为10%～20%。在该风速分布条件下,烘房运行稳定,湿面条经过干燥后没有酥条面等不合格品,烘房内风速分布是合理的。

在挂面生产中希望实现烘房风速分布均匀,有利于干燥工艺控制和保证产品质量。本研究首次发现,除左上和右上、左下和右下间风速差异不显著外,其余各部位间风速、逆风、侧风均差异显著,这不利于干燥,设计使用可控制风机出口风速大小的厢式风机有助于解决这一问题。

3.2挂面烘房的风向分布

挂面烘房内风向表征的是湿热空气的流动方向。本研究表明,左上、左中主导风向均指向西(挂面运动方向的侧面),右上、右中主导风向均指向东;下层风向相对上层较为分散,出现明显偏向排潮口的风向。可见,烘房上层风向主要受风扇影响,下层风向还受排潮口位置影响。

4　结论

隧道式双排挂面烘房内平均风速为0.80 m/s,绝大多数风速集中在0.00～2.00 m/s之间;侧风和逆风则集中在0.00～1.00 m/s区间内。风向受到风扇位置、排潮口位置、烘房结构的影响。风速大小与有关学者研究结果接近[10],低于某些学者的研究结果[2]。

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Analysis of airflow charateristicin Tunnel-type drying chamber

YANG Fu-guang,ZHANG Bo,ZHANG Ying-quan,WANG Zhen-hua,WEI Yi-min*

(Institute of Agro-Products Processing Science and Technology,Chinese Academy of Agriculture Sciences(CAAS),Beijing 100094,China)

The characteristics of air flow in a tunnel-type drying chamber was analyzed to reveal the feature of air flow in the chamber,which was to provide technical bases for improving drying process of dried noodles.The results showed that the wind velocity was in waved distribution,average value of wind velocity was 0.82 m/s.The wind velocity in the tunnel-type drying chamber was main in the 0.00～2.00 m/s section,head wind velocity was main in the 0.00～1.00 m/s section and side wind velocity was main in the 0.00～1.00 m/s section.The wind velocity in different spatial position were nonuniformity. Wind direction was strongly influenced by distribution of fans,distribution of outlet of exhaust air and the structure of drying chamber. The dominant wind directions of the left upper,the left middle and the left lower were focused in SW-NNW sector;the dominant wind directions of the right upper,the right middle and the right lower were focused on NE-SSE sector.

Driednoodles;drying;drying chamber;wind velocity;wind direction

2015-04-27

杨夫光(1988-),男,硕士,研究方向:食品科学与工程,E-mail:yangfuguang2006@126.com。

魏益民(1957-),男,博士,教授,研究方向:食品科学与工程。Email:weiyimin36@hotmail.com。

现代农业产业技术体系建设专项(CARS-03);公益性行业(农业)科研专项经费资助(201303070)。

TS210.1

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000