沙棘葉茶除毫裝置設計與優化

向金田，楊 梅，張強林，李沫若，孫偉一，王清澤，畢 陽，吳若陽，胡靖明

（1.甘肅農業大學機電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅農業大學食品科學與工程學院，蘭州 730070；3.甘肅甘農生物科技有限公司，蘭州 730030）

沙棘（HippophaerhamnoidesL.）為胡頹子科（Elaeagnaceae）沙棘屬（Hippophae）落葉灌木或喬木[1]。沙棘葉中富含黃酮類、多糖類、粗纖維等多種生物活性成分，具有抗氧化、抑菌、降血脂和降低心肌耗氧量等保健作用[2]。沙棘葉被用于治療腸胃疾病和治療風濕關節炎等[3]，還可直接飼喂動物，增加動物體重和皮毛亮度[4]。在沙棘葉茶加工過程中，葉片經高溫烘干，伴隨摩擦、擠壓等作用，部分葉表面茸毛脫落形成茶毫，而大量脫落茶毫在氣流擾動下形成濃密茶毫粉塵。茶毫粉塵不僅影響沙棘葉茶沖泡茶湯感官品質，對生產人員健康也有嚴重影響，甚至可能引發粉塵爆炸。

相關學者對茶葉加工過程中茶塵治理問題開展多方面研究。趙先明等測定茶葉精制車間茶塵量發現，加工設備中風選機茶塵累積量最大，切茶機最小[5]。胡善國等研究茶塵理化特性，分析茶塵產生與傳遞原因，提出茶廠粉塵治理技術難題及解決途徑[6]。鄭功宇研究烏龍茶精加工生產線除塵技術，使用CFD 模擬烘焙車間機械通風環境，表明機械通風除塵方式可有效降低車間茶塵含量[7]。溫正軍等對部分現有茶廠除塵方式及除塵效果進行對比分析，提出茶葉輸送可用管道輸送代替傳送帶輸送[8]。陳彬等研究發現白茶精加工過程中茶塵產生主要來自篩分、勻堆和烘干等工序，并采取改進設備、配備除塵器等措施提高白茶清潔化生產水平[9]。目前，茶塵治理研究多數為綠茶類混合性茶塵，而沙棘葉茶加工過程中產生的茶毫粉塵治理研究尚未見報道。

本研究針對沙棘葉茶炒干工序中產生的茶毫粉塵，設計一種沙棘葉茶除毫裝置，采用計算流體力學離散顆粒模型（CFD-DPM）對集毫罩進口直徑、出口直徑及肩高進行單因素試驗，分析各因素與除毫率關系，采用正交試驗對集毫罩作參數優化，通過生產試驗驗證優化結果。

1 沙棘葉茶加工工藝及其茶毫概述

1.1 沙棘葉茶基本加工工藝

通過對甘肅省張掖市民樂縣甘農生物科技有限公司綠茶型沙棘葉茶加工生產線調研，該沙棘葉茶生產線加工工藝流程如圖1 所示。沙棘鮮葉在經清洗及攤晾后，進入殺青機內以高溫蒸汽加熱方式完成殺青，通過人工挑選較大雜質再進行揉捻與二次挑選，使用滾筒式炒干機和雙鍋曲毫機對沙棘葉進行炒制，再由分選設備完成細小雜質分離，最后對質檢后沙棘葉茶進行包裝與入庫保存。

圖1 沙棘葉茶加工工藝流程Fig.1 Processing process of sea-buckthorn leaf tea

1.2 茶毫產生及原因

沙棘葉茶加工過程中，葉片經高溫烘干，伴隨摩擦、擠壓等作用，使得部分葉表面茸毛脫落形成茶毫。沙棘葉茶茶毫形狀主要有星狀、星盾狀、盾狀3 種類型，大小介于100~500 μm，形態特征如圖2所示。加工現場調查發現茶毫主要產生于炒干工序，該工序曲毫機炒鍋溫度較高且加工時間較長，導致沙棘葉含水率快速降低，此外在炒板翻炒作用下葉表面茸毛易脫落形成茶毫，而大量細小茶毫在溫度及翻動作用下成為濃密茶毫粉塵，需針對此工序設計一種除毫裝置控制茶毫粉塵。

圖2 沙棘葉茶茶毫形態Fig.2 Morphological characteristics of tea hair of sea-buckthorn leaf tea

1.3 沙棘葉茶與茶毫空氣動力學特性

物料空氣動力學特性主要指其懸浮速度[10]，也是除毫裝置重要設計參數。曲毫機工作時，炒鍋內沙棘葉茶與茶毫處于混合狀態，因此設計除毫裝置時，需利用空氣動力學特性差異實現葉茶與茶毫分離。為確保茶毫順利被吸起，罩口氣流速度需大于茶毫懸浮速度，同時需確保對葉茶原有運動狀態無較大影響，罩口氣流速度需小于葉茶懸浮速度。使用如圖3所示物料懸浮速度測定裝置測定沙棘葉茶與茶毫懸浮速度。

圖3 物料懸浮速度測定裝置Fig.3 Material suspension speed measuring device

通過試驗測定，得到葉茶懸浮速度為2.33~6.12 m·s-1，茶毫懸浮速度為0.32~0.55 m·s-1。葉茶與茶毫速度變化范圍存在明顯差異，可使用氣力吸入方法去除茶毫，且除毫裝置罩口氣流適宜速度為0.55~2.33 m·s-1。

2 沙棘葉茶除毫裝置設計

2.1 集毫罩結構參數確定

集毫罩用于聚集與吸取曲毫機鍋口逸散茶毫粉塵，集毫罩罩口形狀與茶毫塵源形狀有關，因曲毫機炒鍋為直徑500 mm 圓形鍋口，所以茶毫塵源也近似呈圓形，故采用圓形罩口，圓形罩口設計計算公式為：

式中，R-罩口半徑（m）；r-塵源半徑（m）；h-塵源至罩口軸向距離（m）。r取0.25 m，h取0.05 m，可得出R=0.2625 m。

由上述計算可知集毫罩罩口半徑R=262.5 mm，則集毫罩進口直徑D1=525 mm。因集毫罩與各支管相連接，故集毫罩出口直徑D2與支管直徑一致，支管直徑由后續計算確定。罩口氣流風速分布與集毫罩擴張角有關，當α<60°時，罩口中心風速更接近平均風速；當α>60°時，罩口中心風速與平均風速相差較大[11]。由于集毫罩擴張角大小與進口直徑、肩高有關，初步選取150 mm 為集毫罩肩高，此時擴張角約為35°，集毫罩結構示意如圖4所示。

圖4 集毫罩結構Fig.4 Structure of hair collecting hood

2.2 除毫裝置總吸風量計算

頂部集毫罩吸風量大小為：

式中，Qa-頂部集毫罩吸風量（m3·s-1）；K-集毫罩尺寸形式相關系數，取K=1.12；C-塵源周長，C=1.57 m；v0-集毫罩口上方氣流均勻流動速度（m·s-1）。取v0=1 m·s-1，可得Qa=316.51 m3·h-1。

生產現場集毫罩總數為12，故總吸風量Q為3 798.12 m3·h-1，考慮漏損風量影響則實際吸風量為：

式中，Kc-漏風系數，取Kc=1.1，則實際總吸風量Qc=4 177.93 m3·h-1。

2.3 管路計算與選型

2.3.1 管路直徑計算

除毫裝置管路直徑計算方式如下：

式中，Da-管路內部直徑（m）；vG-管路內部風速（m·s-1）。

查閱《除塵工程技術手冊》[12]，可知管路內最小風速應在11 m·s-1，實際風速選取應略高于最小風速，因此取管路風速為12 m·s-1?？紤]便于加工及安裝，選用直徑一致風管作為主風管。根據各風管風量，經（4）式計算及圓整后可得：支管直徑Da1=100 mm，主風管直徑Da2=250 mm，總風管直徑Da3=350 mm。

2.3.2 管路選型

由于集毫罩位置處于炒鍋鍋口頂部，在炒制前后需揭開集毫罩以便葉茶投放與取出，支管采用壁厚為0.5 mm 尼龍布伸縮風管，方便集毫罩位置調節。參考《除塵工程技術手冊》并根據主風管與總風管直徑選取管路壁厚為4 mm 鍍鋅鋼管。

通過測量該沙棘葉茶生產線曲毫機位置，確定各管路所需長度，參考《除塵工程技術手冊》，標準選取三通管道、閥門等部件。

2.4 通風阻力計算

2.4.1 沿程阻力計算

除毫管路支管、主風管及總風管均存在沿程壓力損失，其壓力損失大小為：

式中，ΔpL-沿程壓力損失（Pa）；f-氣體與內壁摩擦系數；L-管路長度（m）；ρ-氣體密度（kg·m-3）；c-含塵氣流質量密度（kg·m-3）；vg-管路內粉塵流動速度（m·s-1）。

由于c取值一般較小，vG與vg比值近似為1，根據經驗計算，可進一步簡化為：

式中，Rm-管路單位長度摩擦阻力（Pa·m-1）。

查閱圓形管道摩擦阻力線算圖可得到各管路比摩阻Rm大小，因其材料屬性不同，所以需對比摩阻進行修正：

式中，y-不同材料管路修正系數。

通過上述計算可得到ΔpL為186.28 Pa。

2.4.2 局部壓力損失

除毫管路中集毫罩、漸擴管等合流處產生局部壓力損失，其大小為：

式中，Δpξ-局部壓力損失（Pa）；ξz-局部阻力系數。

查閱《除塵工程技術手冊》可知不同位置局部阻力系數，經過式（8）計算得到Δpξ=975.24 Pa。小型除塵設備阻力一般在500~800 Pa，選取Δpc=600 Pa為除塵器阻力[13]。通過計算可得該除毫裝置總阻力為：

2.5 除塵器選型

目前常用除塵器類型主要有旋風除塵器、袋式除塵器、靜電除塵器及其濕式除塵器[14]。根據實際處理風量及其茶毫特性，選取除塵器類型為單機脈沖袋式除塵器，該除塵器體積小、使用壽命長，除塵率可達99%，使用成本較低，結構簡單便于后期維護保養[15]。

2.6 風機選型與計算

計算集毫罩及除毫管路，確定該除塵裝置實際風量及其總阻力，經計算得出風機風量為4 177.96 m3·h-1，風壓為1 937.67 Pa，功率為3.79 kW，根據《除塵工程設計手冊》選取風機型號為4-72No4A型風機。

2.7 除毫裝置結構設計

經除毫裝置管路設計、除塵器和風機選型，根據曲毫機位置布局對除塵裝置進行總體設計，結構設計如圖5所示。

圖5 除毫裝置結構Fig.5 Structure of hair removal device

3 集毫罩參數優化

3.1 集毫罩計算模型

集毫罩是除毫裝置中重要構件之一，其結構參數影響除毫裝置性能，因此，需要對集毫罩結構參數進行優化，以提高除毫裝置工作性能。根據前文計算可知，集毫罩進口直徑D1為525 mm，出口直徑D2為100 mm，肩高H為150 mm，采用計算流體力學離散顆粒模型（CFD-DPM）對集毫罩進行參數優化，圖6為數值計算模型。

圖6 數值計算模型Fig.6 Numerical calculation model

3.2 仿真參數設置

采用速度進口、壓力出口邊界條件，將集毫罩出口設置為速度入口[16]，將集毫罩下方擴展域兩個面設置為壓力出口[17]。速度入口設置為-12 m·s-1，將出口壓力大小設置為0 MPa（相對于環境壓強）。為使仿真結果更接近真實情況，計算模型選擇湍流模型中RNG k-ε模型[18]。

在DPM 模型中，采用面源（Surface source）為離散相源，所注入茶毫粒子設為標準Rosin-Ram?mler分布[19]，參數設置見表1。

表1 離散相參數設置Table 1 Discrete phase parameter settings

3.3 數學模型

①連續性方程

式中，ρ-流體密度；V-流體速度矢量。②動量方程

式中，T-時間；p′-校正壓力；μeff-有效黏度系數。

③k-ε標準雙方程

式中，k-湍流動能；ε-損耗率；μ-層流黏度系數；μT-湍流黏度系數；p-靜壓力；σk、σε-湍流普朗特常數；C1、C2-常量。

④DPM顆粒運動方程

式中，up-顆粒速度；fD（u-up）-單位顆粒質量受到阻力；u-連續相速度；gx（ρp-ρ）/ρp-單位顆粒質量重力與浮力的合力；ρp-顆粒密度；fx-附加速度項。

3.4 仿真可靠性驗證

為驗證仿真結果精度，需對仿真模型進行驗證[20]。通過對集毫罩罩口各測點位置速度進行實際測量，與仿真模擬結果，圖7（a）所示為罩口測點位置布置，圖7（b）所示為罩口風速實際測試結果與模擬結果對比，得到風速模擬結果與實際測量平均相對誤差（MRE）小于15%，表明仿真結果可靠，可為集毫罩參數優化提供支撐。

圖7 仿真模型驗證Fig.7 Simulation model verification

3.5 集毫罩結構參數對除毫率的影響

在仿真過程中，運用DPM 模型驗證集毫罩在不同結構參數下除毫效果，除毫率計算如下：

式中，η-除毫率；n-茶毫塵源處投放茶毫粒子總數；n1-集毫罩出口捕捉粒子個數。

3.5.1 集毫罩進口直徑對除毫率影響

在出口速度一定條件下，保持集毫罩出口直徑、肩高不變，對不同進口直徑集毫罩工作過程進行仿真，分析集毫罩進口直徑對除毫率影響，仿真結果如圖8所示。

圖8 集毫罩進口直徑對除毫率影響Fig.8 Influence of inlet diameter on the hair removal efficiency

由圖8可看到，除毫率隨進口直徑呈先增后減趨勢，當進口直徑為525 mm 時，除毫率最大為81.472%，原因為當進口直徑小于525 mm 時，塵源面直徑大于集毫罩進口直徑，而超出集毫罩進口直徑部分茶毫會逃逸在空氣中無法被集毫罩聚攏吸入。當進口直徑大于525 mm 時，罩口平均氣流速度隨進口直徑增加而減小，負壓氣流不足，部分無法被順利吸起，使除毫率降低[21]。

3.5.2 集毫罩出口直徑對除毫率影響

在一定出口速度時，保持集毫罩進口直徑、肩高不變，對不同出口直徑集毫罩工作過程進行仿真，分析集毫罩出口直徑對除毫率影響，仿真結果如圖9所示。

圖9 集毫罩出口直徑對除毫率影響Fig.9 Influence of outlet diameter on the hair removal efficiency

隨集毫罩出口直徑增大，集毫罩內腔體積也增大，茶毫與壁面之間碰撞概率降低，使得茶毫所受阻力減小，通過率更高，除毫率增加。

3.5.3 集毫罩肩高對除毫率影響

在一定出口速度時，保持集毫罩進口直徑、出口直徑不變，對不同肩高集毫罩工作過程進行仿真，分析集毫罩肩高對除毫率影響，仿真結果如圖10所示。

圖10 集毫罩肩高對除毫率影響Fig.10 Influence of height on the hair removal efficiency

隨集毫罩肩高增加，除毫率先增后減，當肩高為200 mm 時，除毫率達到最大值為83.058%，此時進口面風速分布較均勻，大部分茶毫可被順利吸起。集毫罩肩高過小，集毫罩中心風速與平均風速相差越大，即罩口中心軸線風速變大，而遠離中心邊緣處風速相對減小[22]。集毫罩肩高過大，罩口整體氣流速度減小，部分茶毫無法被吸起，除毫率降低。

綜上分析可得，在后續集毫罩結構參數優化試驗中，集毫罩進口直徑選取范圍為450~600 mm，出口直徑選取范圍為100~110 mm，肩高選取范圍為150~200 mm。

3.6 正交試驗

3.6.1 正交試驗設計

集毫罩進口直徑、出口直徑和肩高等結構參數共同決定集毫罩除毫效果，因此，為分析集毫罩在多個因素共同作用下對除毫率的影響，采用正交試驗法進一步優化集毫罩結構參數。

基于單因素試驗分析結果，本試驗采用三因素三水平L9（33）正交表，將集毫罩進口直徑、出口直徑以及肩高作為3個試驗因素，試驗因素水平編碼表，如表2所示，試驗方案及結果見表3。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 正交試驗方案及結果Table 3 Orthogonal test scheme and results

3.6.2 正交試驗結果分析

方差分析法和極差分析法為正交試驗結果主要分析方法。由于極差分析法計算量小且簡單直觀，采用該方法分析進口直徑、出口直徑及肩高3 個參數對集毫罩除毫率影響程度。正交試驗中，根據極差R大小，可判斷因素對指標影響主次順序。

表4 為正交試驗結果分析，由極差值R可知，出口直徑對集毫罩除毫率影響最大，進口直徑次之，最小為集毫罩肩高。

表4 極差分析結果Table 4 Extremum difference analysis results

根據極差分析結果可得出各因素與除毫率關系，如圖11所示。

圖11 不同因素與除毫率關系Fig.11 Relationship between different factors and hair removal efficiency

由圖11 可知，集毫罩除毫率隨出口直徑增大而增大，隨進口直徑與肩高增大呈先增后減趨勢。綜上可得集毫罩最優結構參數組合為：進口直徑525 mm，出口直徑110 mm，肩高200 mm。

3.7 結果驗證

3.7.1 優化結果分析

通過對集毫罩最佳結構參數數值模擬，得到在該結構參數下除毫率為94.604%，優化前除毫率為81.472%，經過優化后除毫率提高13.132%，優化前后罩口風速變化如圖12所示。

由圖12 可知，經過優化，罩口最大風速變小，而罩口各位置風速更接近平均風速。吸塵口平均風速盡量保持在0.5~1.4 m·s-1，風速過大將增加能耗，過小將導致除塵效率降低[8]，優化罩口平均風速為0.66 m·s-1，符合該風速范圍，同時滿足葉茶與茶毫空氣動力學特性差異區間。

3.7.2 優化結果驗證

為驗證優化前后集毫罩除毫效果，針對前后兩種不同結構參數集毫罩進行生產優化試驗。試驗前對除塵器內部進行清理，使用風速儀（UT363型，0~30 m·s-1）測量各集毫罩出口處風速，同時調整蝶閥開度控制風速為12 m·s-1，待除毫裝置及曲毫機運行正常后隨機進行炒鍋試驗，對優化前后兩種不同結構參數集毫罩各重復3次試驗，結果取平均值，結果如表5所示。

表5 生產試驗結果Table 5 Test results of production

由表5 可知，優化前后除毫率為76.367%、86.613%，除毫率提高10.246%。根據生產試驗結果與仿真試驗結果對比可知，試驗結果均略低于仿真結果，與仿真結果趨于一致，驗證該優化方法合理。

3.8 除毫管路內流場分析

由圖13 可知，當除塵器外部離心風機運轉時，集毫罩罩口產生負壓環境，氣流從集毫罩進入各支管內，流入主風管后再通過總風管匯集到除塵器內部。氣流從集毫罩罩口進入到集毫罩內部，由于氣體流速與流通截面成反比，氣流流通截面積逐漸減小，氣流速度逐漸增大，氣流到支管內部時，氣流速度不再發生改變，當各支管氣流匯入主風管，接近主風管中部氣流速度越大，氣流進入總風管后氣流速度不再增大，當總風管內部風速為12 m·s-1時，除毫管路最左端支管為序號1，各支管內風速從左至右見圖14。由圖14 可知，因除毫管路內存在沿程壓力損失，各支管內風速均小于12 m·s-1，且越靠近端部處支管沿程壓力損失越大，導致支管內風速越小。根據各支管風速可知，在實際生產過程中，總風管風速需大于12 m·s-1，且各支管需安裝蝶閥控制風速，各支管內風速為12 m·s-1左右，提高除毫裝置整體除毫效率。

圖13 除毫管路內流場速度流線分布Fig.13 Velocity streamline distribution of flow field in hair removal pipeline

圖14 除毫管路各支管風速Fig.14 Wind speed of each branch pipe of hair removal pipeline

由圖15 可知，曲毫機炒鍋鍋口產生的茶毫塵源顆粒在集毫罩罩口負壓環境下被吸入集毫罩，茶毫顆粒隨除毫管路內運動氣流進入除塵器內部進行分離與收集，仿真結果表明，該除毫裝置可將曲毫機炒鍋鍋口產生的茶毫通過集毫罩與除毫管路吸入除塵器內部，有效控制茶毫粉塵擴散，達到預期設計目標。

圖15 除毫管路內流場顆粒運動軌跡Fig.15 Particle movement track of flow field in hair removal pipeline

4 結 論

a.為減少沙棘葉茶加工生產線茶毫粉塵擴散，設計一種除毫裝置，其吸風量為4 177.96 m3·h-1、總阻力為1 761.52 Pa。

b. 仿真結果表明，集毫罩出口直徑對除毫率影響最大，進口直徑次之，肩高最小。優化后最佳結構參數組合：進口直徑為525 mm，出口直徑為110 mm，肩高為200 mm。優化前后除毫率分別為81.472%、94.604%，除毫率提高13.132%。

c. 生產試驗表明，該除毫裝置生產線應用效果顯著，可有效控制茶毫粉塵擴散。集毫罩優化前后除毫率分別為76.367%、86.613%，除毫率提高10.246%。