基于ANSYS数值模拟的生鲜面条干燥工艺参数的优化

徐雪萌 林冬华 陈留记 王 艳 屈凌波

(河南工业大学机电工程学院1, 郑州 450001) (郑州大学机械学院2,郑州 450001)

生鲜面条是中国北方传统主食，其含水量高、营养丰富，储藏过程中易受微生物污染而腐败变质，影响面条品质、口感，货架期变短，不能长时间的流通，制约生鲜面条工业化生产[1-3]。半干面是近年来发展起来一种新型的方便面，其湿基含水率在20%～25%，品质、口感与生鲜面条相似，常温储藏条件下保质期为60 d，低温0～4 ℃可以达到90 d，货架期较长，便于流通和消费，利于工业化、规模化生产。

干燥是生产半干面的重要环节，生鲜面条干燥过程中质量特性变化，受干燥时间、干燥温度和热风速度等工艺参数影响较大。干燥工艺不合理容易造成面条弯曲、劈条、酥面，浪费能量，增加生产成本等。如干燥速度过快面条外部水分扩散大于内部水分扩散易造成酥面；过度干燥引起最终含水率过低，增加了能量消耗和单位产品质量中的干物质质量，增加企业生产成本。而导致这些问题的根源是面条在干燥过程中受温度影响的水分迁移及其变化规律。因此，面条干燥过程中温度场的研究对优化生产工艺，建立合理工艺参数具有重要的指导意义[4]。相关文献表明生鲜面条干燥温度场研究较少，国内对面条干燥的研究长期关注于干燥方式、干燥工艺对其品质影响及感官评价[5-7]；国外主要集中于湿热传递机理研究[8-10]。生鲜面条干燥温度场的分布可以采用传统实验法和有限元分析法研究，实验法测定面条内部温度瞬态分布比较困难，且信息量较少，获取时间长。在试验技术受限制的情况下，可根据湿热传递机理，建立能够准确描述面条干燥过程的数学模型，直接模拟出温度变化、快速优化干燥工艺、降低生产能耗，为面条工业化生产工艺、设备及标准化车间设计提供有益的参考[11-14]。

本实验以生鲜湿面条块为研究对象，基于工业化生产线上的干燥装置建立物理模型，依据干燥过程能量守恒建立数学模型，在此基础上利用ANSYS有限元分析软件模拟面条干燥过程中温度场瞬态分布，对干燥温度和干燥时间等主要工艺参数进行分析，并进行试验研究及验证，以期为工业化生产半干面提供优化的工艺参数。

1 材料与方法

1.1 物理模型的构建

为结合实际生产，本文以面制主食干燥、杀菌及包装生产线上的干燥装置来建立物理模型[15]。干燥箱尺寸长×宽×高为1480 mm×400 mm×400 mm，将样品面条按照一定顺序均匀摆放在干燥箱的不锈钢网状传送带上。每个面条块质量为500 g，尺寸约为：长×宽×高为200 mm×200 mm×20 mm，5个面条块形成一个加热单元，置于加热箱内，面条块水平中心线与加热箱的水平中心线重合，相邻两个面条块中心间距为280 mm。风机设置在干燥箱的顶部，为研究干燥温度与时间，将热风速度固定，热风以3 m/s速度自上而下匀速吹向湿面条，出风口设置在箱体的底部。图1为湿面条块在干燥箱内布置二维示意图，图2为湿面条在干燥箱内的三维模型示意图。

图1 湿面条在干燥箱中二维布置示意图(cm)

图2 湿面条在干燥箱中的三维布置模型

1.2 面条干燥过程温度场ANSYS数值模拟

1.2.1 数学模型建立

由于干燥过程的实质是动量、能量和质量的耦合传递过程，在许多情况下，为了简化计算，可以从常见模型中选择合适模型，并修改为相应的模型参数。面条干燥过程常用数学模型有以下几种：基于水分扩散，依据菲克第二定律建成；基于热量传递，采用湿热耦合模型与等温菲克定律质传递模型；基于干燥过程能量守恒的数学模型，利用哪种数学模型求解依据具体情况而定。

根据ANSYS模拟分析原理与过程，应依据能量守恒原理建立面条加热过程的热交换方程，用式(1)描述[16-19]：

(1)

(2)

为了简化计算，建立模型时做了如下假设：

1)干燥空气为连续性介质，不可压缩的牛顿流体，连续从干燥箱的进口进入，垂直方向上掠过被干燥物料。

2)将湿面条堆积区域看作多孔介质，各向同性，不同方向上导热系数相同。考虑到物料的热物性随温度、含水量、密度等参数的变化而变化，取一定范围内物料参数的平均值作为仿真参数，假设在平均值参数下物料内部的热质传递特性不变。

3)干燥容器内温度、湿度为恒定值。

1.2.2 仿真参数的获取

物料的热物性参数准确性直接影响数值模拟的结果，热物性参数包括导热系数、比热容两个主要参数。文献[20-21]以保护热板法测得面团的导热系数，但物料的热物理性质不仅与其组分(主要是含水量)、温度有关，而且还与食品的结构、水和组分的结合情况等有关，因此本研究中面条的导热系数用实验方法测出。比热容参照文献[22]计算。

数值模拟用其他参数如密度、孔隙率等均依据以下实验求出。

1.2.2.1 材料、仪器和试验方案

(1)实验材料：郑州海嘉食品有限公司生产的特一粉：含水率13.5%，蛋白质13.5%，灰分0.51%。

(2)实验设备：KitchenAidKP26M1XES多功能面条机：美国惠而浦公司；FKM-200多功能压面机：浙江俊媳妇机械设备有限公司；YBF-3导热系数测定仪，浙江富阳精科仪器有限公司；冰点补偿装置，玻璃器皿，精度0.001 g和0.000 1 g的天平，游标卡尺，量筒，托盘等。

(3)实验方法与过程

样品面条制取：称取500 g在面粉，加入175 g的水，用KitchenAidKP26M1XES多功能面条机和面15 min，室温醒发15 min，经9道压延，切割得到长×宽×厚度为20 0mm×5.0 mm×2.0 mm样品面条，重复上述实验得到足够量的样品面条，留待实验用。

按照GB 5009.3—2010测试出样品面条的初始含水量。

样品面条的导热系数测试：用精度为±0.1%的YBF-3型导热系数测定仪，按照稳态导热系数测定方法测式，一定温度下面条导热系数由式(3)计算出：

(3)

式中：λ为导热系数；m为下铜板质量；c为铜块的比热容；hP为下铜板厚度；RP为下铜板半径；hB为试样厚度；RB为试样半径；VT1为上铜板温度；VT2为下铜板温度；ΔVT为温度差；ΔVt为时间间隔。

1.2.2.2 测试结果

面条块密度及孔隙率分别为：620 kg/m3和32%。

密度为1 278～1 393 kg/m3、含水量25%～35%、温度为20～50 ℃面团导热系数变化范围为0.16～0.30 W/(m·K)。

1.2.2.3 多孔介质区的导热系数和比热容计算

将面条块看作多孔介质，由文献[23]得多孔介质的导热系数λc计算如式(4)：

(4)

式中：λg为气体导热系数，W/(m·K)；λs为 固体导热系数，W/(m·K)；φ为多孔介质孔隙率，取 0.32；取空气与面条的平均导热系数作为仿真参数，空气20～70 ℃，导热系数0.025 9～0.029 6 W/(m·K)，其平均值为0.027 9 W/(m·K)；鲜湿面条的导热系数取其平均值为0.23 W/(m·K)。

多孔介质的比热容c可通过式(5)～式(7)求出：

cs=1.215+0.029 7ω

(5)

(6)

(7)

式中：c为湿物料的比热/kJ/(kg·K)；cs为干物料的比热/kJ/(kg·K)；cw为水的比热/kJ/(kg·K)；ω为湿物料的含水量/%；cd为多组分物料的比热容/kJ/(kg·K)；c1、c2…cn为各组分的比热容/kJ/(kg·K)；Xw1、Xw2…Xwn为各组分质量所占的比例/%。温度为20 ℃，取小麦粉的含水量13.5%，水的比热容为4.18 kJ/(kg·K)，空气的比热容为1.005 kJ/(kg·K)，鲜湿面条的含水量为33.7% 代入式(5)～式(7)计算。

通过实验及相关计算可得初始条件下多孔介质参数，如表1所示。

表1 多孔介质参数表

1.2.3 边界条件

模拟物体内部温度，除数学模型外，还需要指定初始条件和边界条件，初始条件是指物体最初的温度分布，边界条件是指物体的外表面与周围环境的热交换情况。边界条件有三种，本研究采用第三类边界条件，即物体与其接触的流体介质的对流传热系数和介质的温度已知。热载荷是一种面载荷，载荷温度条件需施加到多孔介质的外表面。

表面对流传热系数与流体流动的起因、流体有无相变、流体的流动状态、换热表面的几何因素、流体的物理性质等有关系，按照不同的换热方式计算对流换热系数。本仿真按照流体掠过非圆形截面柱体计算表面平均表面传热系数：

(8)

式中：λ为热空气导热系数/W/(m·K)；l为多孔介质区长度/m；μ为热空气速度/m/s；v热空气为运动黏度系数/m2/s；Pr为普朗特数。

进入干燥箱前的湿面条如不作恒温处理，其初始温度与环境温度相适应，本研究湿面条的初始温度为为20 ℃。干燥过程中，干燥空气的温度分别定为50、60、70 ℃，干燥箱内压力为1标准大气压，空气介质的速度为3 m/s。

1.2.4 干燥过程模拟

1.2.4.1 定义单元类型

本模拟对多孔介质的加热分析属于热瞬态分析，选用Thermal Solid、Brick 8node70，八节点三维六面体结构单元进行分析，依据上述材料参数定义材料属性。

1.2.4.2 构建其实体三维模型

根据多孔介质的几何尺寸及其边界条件的对称性，在Ansys软件中构建其三维简化模型。

1.2.4.3 网格划分

三维模型的绘制后，设置的多孔介质的单元密度为0.003，之后进行网格划分，其网格划分后见图3所示。

图3 网格划分图

1.2.4.4 施加表面传热载荷

对划分后的网格，分别对其施加50、60、70 ℃时的表面传热载荷，并对其分别设置求解选项进而存盘求解。

1.3 实验验证

1.3.1 实验仪器与设备

ZJ1008多路温度测试仪：常州中杰仪器有限公司，量程-50～400 ℃，测量精度±0.1 ℃，测温路数8路；DB-1干燥、杀菌及包装机，河南工业大学，干燥箱温度范围20～120 ℃，精度±0.5 ℃；天平：精度为0.000 1 g。

1.3.2 实验方法

按照ANSYS仿真建模中面条摆放方法将其置于加热箱的不锈钢网状传送带上，面条初始含水量、温度及密度等初始条件与仿真条件一致。设置箱内温度为50、60、70 ℃，热风速度为3 m/s，干燥时间为300 s并测试面条各层的温度变化。测试温度时，分别将4个热电偶嵌在面条同一层内4个不同位置进行测试，每隔30 s记录一次温度值，取4个热电偶采集的温度平均值作为该层的瞬时温度，并绘出温度随干燥时间变化的曲线图。以面条块底面中心o点为原点建立直角坐标系，分别取过坐标点(0,0)、(0，10)、(0、20)并垂直于Y轴的上、中和下三个水平面(层)，面条经干燥温度50、60、70 ℃，干燥时间120、150 s，干燥后按照GB 5009.3—2010方法分别测试其含水率，结果如表2所示。

2 结果与分析

2.1 数值模拟结果与分析

图4为干燥温度60 ℃，干燥时间300 s时面条块垂直中心平面的温度云图。面条块在其余干燥条件下中心平面温度云图与图4类似，由于篇幅限制，其余温度云图略去。

图4 温度为60 ℃时间为300 s面条块中心平面温度云图

图6～图8分别是干燥温度为50、60、70 ℃时各层平均温度变化曲线图,其中temp0、temp10和temp20分别为过坐标点(0，0)、(0，10)和(0，20)三个平面上面条温升的曲线图。从图5可看出面条块温度升高的过程，随着干燥时间的增加，整个面条区域的温度均逐渐增加。面条块中心区域的温度最低，周边区域的温度最高，四角部分产生了高温集中，这是因为相对其他区域，有棱的区域接触热空气的表面积比较大，热交换进行得较充分。加热温度越高，面条相同区域的温度越高，说明温度是影响湿面条的干燥过程重要因素。

图5 50 ℃面条块各层湿度变化曲线

图6 60 ℃面条块各层湿度变化曲线

图7 70 ℃面条块各层湿度变化曲线

图8 50 ℃面条块各层温度变化曲线

图9 60 ℃面条块各层温度变化曲线

图10 70 ℃面条块各层温度变化曲线

图5～图7可以看出，面条块上、下表面温升快，且温度值相近，中间层温升较慢，温度最低。在干燥时间段120～150 s左右，面条块升温较快，加热到150～300 s升温较慢。以干燥温度为60 ℃，面条上层和下层的温升，在90、120、150 s温度分别升高了大约8.5、10和11 ℃，300 s的温升为16 ℃。即前150 s面条温度升高了11 ℃，后150 s温度升高了5 ℃。其他两种加热温度也具有同样的规律。因此就加热效率来看120～150 s是适合的干燥时间。最优干燥温度与时间的还需通过试验进行确定。

2.2 实验验证结果与分析

图8～图10实验温度曲线与仿真结果在趋势上表现基本一致，面条块的上、下层温升块，中层温升慢，同一位置，同一时间温度值相差大约3 ℃。表明有限元分析较为合理，可以指导实际生产。

面条试验温度值低于仿真值，主要由于三方面原因：①面条干燥湿热传递模型建立，应以准确的湿热传递机理为基础，本文传热方程只考虑热传导，忽略内部产热和热辐射；②模型参数准确性，如导热系数、比热容等参数的选取及干燥过程中的变化，在仿真时予以考虑，本文以平均参数代替参数的变化；③湿热传递过程也受面条本身结构的影响，面条干燥过程的收缩形变形会阻碍水分向外传递，因此，建立模型时不能一直假设面条为刚性体。

3 结论

3.1 基于湿面条干燥装置，建立了湿面条干燥温度场有限元热分析仿真模型并确定了热边界条件，仿真结果与试验温度曲线趋势基本一致，表明有限元分析合理，仿真结果可以指导生产实践。此仿真方法对其它面制主食的干燥过程温度场模拟具有参考意义。

3.2 初始含水率为33.7%、形状为200 mm×5.0 mm×2.0 mm的500 g湿面条，置于50、60、70 ℃三种干燥温度下，加热时长300 s，基于ANSYS数值模拟可知：在前150 s内湿面条升温较快，随加热时间的增加，升温速度降低，从加热效率分析，面条加热干燥时间以前150 s为宜。结合试验优化出湿面条干燥成为半干面的最优参数为温度70 ℃、时间为150 s。

3.3 实验数据与仿真数据的之间存在差异，除与物理、数学模型建立有关外，还与面条的结构、力学性能参数和热物学性能参数有较大的关系，而面条的特性如初含水量、孔隙率，厚度和宽度等参数又直接影响其力学性能参数和热物学性能参数，因此可通过实验进一步开发和完善面条参数数据库，可使仿真结果更逼近真实干燥过程中热质传递过程。