熱風(fēng)回風(fēng)口調(diào)控對密集烤房排濕的影響

李 研，楊 娜，任洪波，陳升東，崔勇軍，朱衛(wèi)華*

(1.中船重工(昆明)靈湖科技發(fā)展有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，云南 昆明 650205)

【研究意義】密集烤房是煙葉調(diào)制烘烤的專用設(shè)備，因其具有裝煙量大、節(jié)約燃煤、省工省時(shí)、烘烤質(zhì)量較高等優(yōu)良特點(diǎn)，已在國內(nèi)推廣應(yīng)用達(dá)數(shù)十萬座[1-2]。然而，由于裝煙密度過大、雨水天氣、煙葉含水量較高等原因，往往導(dǎo)致密集烤房排濕不暢、排濕量不足等問題，從而在一定程度上增加了蒸片煙、黑糟煙、掛灰煙的比例，加大了煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，在當(dāng)前密集烤房結(jié)構(gòu)、裝煙狀態(tài)、氣候環(huán)境既定的情況下，提高密集烤房排濕能力不失為一種確保煙葉整體烘烤品質(zhì)的解決辦法。【前人研究進(jìn)展】熱風(fēng)回風(fēng)口是密集烤房熱風(fēng)循環(huán)的重要通道，目前，已有學(xué)者嘗試在密集烤房熱風(fēng)回風(fēng)口處加裝調(diào)控裝置來進(jìn)行強(qiáng)化排濕的試驗(yàn)探索[4-6]，但仍然缺乏足夠的數(shù)據(jù)和理論支撐。【本研究切入點(diǎn)】為探究、驗(yàn)證回風(fēng)口開啟、閉合狀態(tài)對烤房排濕能力的具體影響，以氣流上升式密集烤房(Airflow-up tobacco intensive barn, Airflow-up TIB)為研究對象，運(yùn)用FLUENT軟件對密集烤房內(nèi)氣流分布進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，【擬解決的關(guān)鍵問題】研究冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)量、排濕量隨回風(fēng)口開度變化的規(guī)律，為密集烤房強(qiáng)化排濕裝置設(shè)計(jì)、調(diào)控相關(guān)措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣流上升式密集烤房物理模型

根據(jù)《密集烤房技術(shù)規(guī)范》(國煙辦綜〔2009〕418號文件)進(jìn)行氣流上升式密集烤房物理模型搭建，模型示意如圖1所示。該模型包括加熱室、裝煙室、通風(fēng)機(jī)、爐膛、熱風(fēng)出風(fēng)口、熱風(fēng)回風(fēng)口、冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門、排濕窗、輔助排濕窗，密集烤房相關(guān)重要特征完整、尺寸貼合實(shí)際。

1：冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門；2：通風(fēng)機(jī)；3：加熱室；4：爐膛；5：熱風(fēng)出風(fēng)口；6：裝煙室:7：輔助排濕窗；8：熱風(fēng)回風(fēng)口； 9：排濕窗1: Cold air inlet; 2: Fan; 3: Heating chamber; 4: Hearth; 5: Hot air outlet; 6: Tobacco chamber; 7: Auxiliary drainage window; 8: Hot air outlet; 9: Drainage window

1.2 氣流上升式密集烤房數(shù)學(xué)模型

假設(shè)空氣不可壓縮。由于密集烤房加熱室和裝煙室內(nèi)的氣流運(yùn)動是不規(guī)則的，認(rèn)為空氣流動狀態(tài)為湍流。采用半隱式SIMPLE算法和湍流模型進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算[7]。

1.2.1 控制方程 不可壓縮粘性流體的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程為：

(1)

(2.a)

(2.b)

(2.c)

式(1)、(2)中，u、v、w為速度矢量u在x、y、z軸方向

上的投影量；τ為微元體表面的粘性應(yīng)力；p為流體作用在微元體上的壓力；ρ為密度；t為時(shí)間；Sx、Sy、Sz為廣義源項(xiàng)。

1.2.2 湍流模型 湍流模型為使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其中，k為湍流動能，ε為湍流脈動強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運(yùn)方程為：

(3.a)

(3.b)

1.2.3 邊界條件 烤房墻壁、爐膛、風(fēng)機(jī)支承面設(shè)置為壁面，熱通量為0；熱風(fēng)出風(fēng)口與熱風(fēng)回風(fēng)口均設(shè)置為內(nèi)部流通面；冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為進(jìn)風(fēng)入口，忽略風(fēng)壓損失；排濕窗和輔助排濕窗均設(shè)置為壓力出口，出口處壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。密集烤房為空載狀態(tài)。

通過多項(xiàng)式擬合，得到全壓p-流量v關(guān)系如式：

p=144.6+49.88v-3.43v2

(4)

氣流上升式密集烤房所用通風(fēng)機(jī)直徑為700 mm，型號為KY7A型，設(shè)置為進(jìn)風(fēng)扇邊界，壓力降根據(jù)KY7A型通風(fēng)機(jī)的全壓特性曲線確定，具體系數(shù)由多項(xiàng)式擬合獲得，如表1、圖2、式(4)所示。熱風(fēng)回風(fēng)口開度按照全開、開2/3、開1/3、全閉4種方案進(jìn)行調(diào)整。

表1 KY7A型通風(fēng)機(jī)性能

圖2 風(fēng)機(jī)全壓特性曲線Fig.2 Characteristic curve of full pressure of the fan

2 結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)4種仿真方案，對比分析熱風(fēng)回風(fēng)口全開、開2/3、開1/3、全閉狀態(tài)下冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門、熱風(fēng)回風(fēng)口、排濕窗、輔助排濕窗等的氣體流動情況。4種方案對應(yīng)的烤房縱向中心面速度分布云圖分別如圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示。當(dāng)冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門和熱風(fēng)回風(fēng)口處于開啟狀態(tài)時(shí)，經(jīng)冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門進(jìn)入的冷風(fēng)與經(jīng)熱風(fēng)回風(fēng)口流出的熱風(fēng)被吸入風(fēng)機(jī)，經(jīng)爐膛加熱后通過熱風(fēng)出風(fēng)口流入裝煙室進(jìn)行熱循環(huán)，如此往復(fù)。當(dāng)冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門開啟、熱風(fēng)回風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，只有冷風(fēng)經(jīng)由冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門口、通風(fēng)機(jī)、經(jīng)爐膛加熱后通過熱風(fēng)出風(fēng)口進(jìn)入裝煙室內(nèi)，裝煙室內(nèi)熱空氣經(jīng)排濕窗排出。

圖3 不同熱風(fēng)回風(fēng)口開閉狀態(tài)下的烤房縱向中心面速度分布Fig.3 Air velocity distribution figures of TIB longitudinal center plane under different opening degrees of hot air outlet

如圖4所示，4種熱風(fēng)回風(fēng)口開閉狀態(tài)下熱風(fēng)回風(fēng)口和冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門的風(fēng)速大小對比，從圖中可知，隨著熱風(fēng)回風(fēng)口由全開逐漸閉合時(shí)，熱風(fēng)回風(fēng)口和冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門風(fēng)速都有所增加，但冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門風(fēng)速增大幅度明顯，由3.123 m/s增大至9.682 m/s，而熱風(fēng)回風(fēng)口風(fēng)速增加緩慢，由4.285 m/s增加至5.782 m/s，之后逐漸減小為0 m/s。

圖4 不同回風(fēng)口開閉狀態(tài)下的回風(fēng)口和冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口速度對比Fig.4 Air velocity comparison between hot air outlet and cold air inlet under different opening degrees of hot air outlet

二者風(fēng)速對比如表2所示，可以看出，熱風(fēng)回風(fēng)口開度減小時(shí)，冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門風(fēng)速成倍增加，當(dāng)冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門開度一定時(shí)，干冷空氣進(jìn)風(fēng)量也成倍增加，而隨著熱風(fēng)回風(fēng)口開度成倍減小，即使熱風(fēng)回風(fēng)口風(fēng)速增加，也會導(dǎo)致從熱風(fēng)回風(fēng)口循環(huán)排出的濕熱空氣量有所減少。因此，在單位時(shí)間內(nèi)，外部干冷空氣置換內(nèi)部濕熱空氣的速度會逐漸加快，達(dá)到強(qiáng)化排濕的效果。

表2 熱風(fēng)回風(fēng)口與冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對比

如圖5所示，4種熱風(fēng)回風(fēng)口開閉狀態(tài)下排濕窗和輔助排濕窗的風(fēng)速大小對比，①當(dāng)排濕窗和輔助排濕窗同時(shí)全開時(shí)，輔助排濕窗風(fēng)速較排濕窗風(fēng)速要大；②隨著熱風(fēng)回風(fēng)口由全開逐漸閉合時(shí)，排濕窗和輔助排濕窗風(fēng)速均逐漸增大，排濕速度加快，強(qiáng)化排濕的效果逐漸增強(qiáng)，且排濕窗和輔助排濕窗風(fēng)速差逐漸縮小。二者風(fēng)速對比如表3所示。當(dāng)熱風(fēng)回風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，烤房內(nèi)的排濕狀態(tài)屬于完全排濕。

圖5 不同回風(fēng)口開閉狀態(tài)下的排濕窗和輔助排濕窗速度對比Fig.5 Air velocity comparison between drainage window and auxiliary drainage window under different opening degrees of hot air outlet

表3 排濕窗與輔助排濕窗風(fēng)速對比

3 討 論

密集烤房排濕效果好壞對煙葉烘烤質(zhì)量有直接影響。在實(shí)際烘烤過程中，烤房內(nèi)實(shí)際濕球溫度可能會高于工藝濕球溫度，在部分地區(qū)烘烤季、下雨天條件下，此現(xiàn)象尤其明顯，從而難以保證烤煙質(zhì)量。部分國內(nèi)學(xué)者、工藝人員結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，通過加裝熱風(fēng)回風(fēng)調(diào)控裝置來探究其對烤房排濕的影響，相關(guān)研究均基于現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長，成本高。為此，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，設(shè)計(jì)了4種仿真方案，分別對熱風(fēng)回風(fēng)口不同開度下的密集烤房氣流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬與對比分析，所建模型根據(jù)密集烤房實(shí)際配置、規(guī)格、邊界條件進(jìn)行搭建。研究結(jié)果表明，通過調(diào)控?zé)犸L(fēng)回風(fēng)口開度，配合冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門和排濕窗的調(diào)控，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)密集烤房的強(qiáng)化排濕。為簡化模型，縮短數(shù)值計(jì)算時(shí)間，未能對煙葉布滿密集烤房情形下的氣流情況進(jìn)行模擬。為能更加真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬密集烤房內(nèi)的氣體流動狀態(tài)，考慮煙葉模型的密集烤房氣流分布數(shù)值模擬有待深入研究。

4 結(jié) 論

以氣流上升式密集烤房為研究對象，建立了考慮風(fēng)機(jī)邊界的密集烤房物理模型和氣流數(shù)學(xué)模型，對不同熱風(fēng)回風(fēng)口開度下的冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門、熱風(fēng)回風(fēng)口、排濕窗、輔助排濕窗風(fēng)速進(jìn)行了數(shù)值模擬和對比分析。結(jié)果表明：熱風(fēng)回風(fēng)口開度逐漸減小時(shí)，冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門風(fēng)速逐漸增大，在冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門調(diào)控配合下，可以實(shí)現(xiàn)干冷空氣進(jìn)風(fēng)量成倍增加，從而加快干冷空氣與內(nèi)部濕熱空氣的置換；熱風(fēng)回風(fēng)口開度逐漸減小時(shí)，排濕窗和輔助排濕窗風(fēng)速逐漸增大，在排濕窗調(diào)控配合下，可實(shí)現(xiàn)排濕量的增加；通過調(diào)控?zé)犸L(fēng)回風(fēng)口開度，可在一定程度上達(dá)到密集烤房強(qiáng)化排濕的目的，研究結(jié)果可為密集烤房強(qiáng)化排濕裝置的設(shè)計(jì)和調(diào)控提供參考依據(jù)。