基于Fluent 的滾筒烘絲機(jī)烘絲過程研究

楊彬，黃亞宇

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

卷煙制絲是卷煙生產(chǎn)最核心的環(huán)節(jié)，因其生產(chǎn)流程過于復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響煙絲物料的生產(chǎn)質(zhì)量[1]。干燥在制絲加工過程中起著非常重要的作用，決定著煙絲物料產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣。因此，煙絲物料干燥是卷煙生產(chǎn)加工的重要工序。其主要任務(wù)是將已經(jīng)加料混合均勻的煙絲物料加熱干燥，使之滿足工藝要求。

本文將以上部煙葉型品種的煙絲物料為研究對象。如果僅僅依靠烘絲機(jī)干燥設(shè)備研究探索煙絲物料烘絲過程中的內(nèi)在關(guān)系和溫度傳遞規(guī)律，則需進(jìn)行長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究探索，同時(shí)會浪費(fèi)大量的煙絲物料以及增加研究和生產(chǎn)研究成本，且在烘絲機(jī)運(yùn)行加工煙絲物料過程中，很難在烘絲機(jī)轉(zhuǎn)動過程中進(jìn)行煙絲物料或滾筒設(shè)備等部位的溫度、速度等的實(shí)時(shí)檢測和取樣測試。煙草加工企業(yè)對滾筒的傳質(zhì)傳熱特性等相關(guān)方面做出了大量的研究，如丁乃紅[2]等基于傳熱傳質(zhì)等理論，初步建立了烘絲機(jī)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了編程求解。分析了煙絲物料與熱氣在進(jìn)入烘絲機(jī)后的溫度變化關(guān)系；朱文魁[3]等以B2F 烤煙上部煙葉為原料，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法研究了滾筒復(fù)合傳熱過程烤煙葉絲干燥及收縮特性，為煙葉原料的滾筒干燥工藝優(yōu)化提供科學(xué)參考。但是目前針對具體某一品種的煙絲物料的干燥研究還相對較少，故針對上述問題，本文將進(jìn)一步研究探索，通過Fluent 流體軟件模擬薄板烘絲機(jī)內(nèi)部的溫度傳遞規(guī)律，是解決問題的有效途徑[4-5]。為卷煙廠煙絲物料干燥加工工藝提供一些實(shí)際參考。

1 研究對象滾筒干燥過程

1.1 干燥滾筒幾何模型構(gòu)建

根據(jù)本項(xiàng)目的研究需要，本文是以某卷煙廠的薄板烘絲機(jī)為研究對象，模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程。薄板烘絲機(jī)是使用傳導(dǎo)-對流混合的方式，通過滾筒壁和抄板將熱蒸汽熱源傳遞給煙絲物料的旋轉(zhuǎn)滾筒式烘絲機(jī)，經(jīng)加香加料膨脹后混合均勻的煙絲物料通過輸送帶進(jìn)入薄板烘絲機(jī)的進(jìn)料口，并到達(dá)帶有一定傾角的烘筒內(nèi)部，在滾筒的轉(zhuǎn)動和螺旋抄板的帶動以及熱風(fēng)和自身重力的作用下，使得煙絲物料在滾筒內(nèi)螺旋翻滾前進(jìn)，直到煙絲物料從出料口落下。在這一干燥過程中，增加煙絲物料的卷曲度和彈性，提高煙絲物料品質(zhì)，使而煙絲物料得以快速達(dá)到工藝要求，并且達(dá)到生產(chǎn)加工要求的含水率。滾筒相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Roller structure parameters

由于薄板烘絲機(jī)的整體設(shè)備組成比較復(fù)雜，但因干燥過程主要在滾筒中進(jìn)行，根據(jù)烘絲機(jī)原理并獲得滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)后，可將其簡化成由傾斜滾筒和出料裝置組成的簡化干燥設(shè)備。幾何模型構(gòu)建過程是，首先在UG 三維幾何模型系統(tǒng)中構(gòu)建三維幾何空間結(jié)構(gòu)模型，然后轉(zhuǎn)換到Fluent 仿真軟件中用于仿真分析。滾筒幾何模型示意圖如圖1 所示。

圖1 滾筒幾何模型Fig.1 Roller geometry model

1.2 煙絲物料在滾筒內(nèi)的溫度傳熱過程分析

煙絲物料在滾筒內(nèi)部的溫度傳遞會受多方面的因素影響[6]，據(jù)研究分析可知，干燥滾筒內(nèi)部的溫度傳遞過程主要是導(dǎo)熱傳熱和對流傳熱兩種，共分為3 部分：（1）滾筒內(nèi)壁與煙絲物料的導(dǎo)熱傳熱。該部分溫度傳熱主要與筒壁與煙絲物料間的溫度差、筒壁與煙絲物料接觸面積大小、筒壁與煙絲物料傳熱系數(shù)高低等有關(guān)；(2) 熱風(fēng)氣流溫度與煙絲物料的對流換熱。該部分溫度傳熱主要與氣流與煙絲物料間的溫度差、熱風(fēng)與煙絲物料接觸面積大小、熱風(fēng)與煙絲物料傳熱系數(shù)、熱風(fēng)氣流流速等有關(guān)；(3) 筒壁與氣流的對流換熱。主要取決于筒壁與氣流間的溫度差、筒壁與氣流接觸面積大小、滾筒結(jié)構(gòu)、熱風(fēng)氣流流速 。由于薄板烘絲機(jī)的滾筒內(nèi)部工作溫度通常在 170℃以下，在該溫度條件下輻射傳熱所占比例很小，因此可以忽略輻射傳熱的作用。除此之外，在堆積煙絲物料內(nèi)部還存在煙絲物料之間的導(dǎo)熱。該部分傳熱主要取決于煙絲物料之間溫度的不均勻性，由于煙絲物料在滾筒的作用下不斷翻動，該部分熱量所占比例較小，在仿真計(jì)算分析中暫予忽略[6-7]。

2 滾筒干燥仿真過程

通過Fluent 軟件模擬仿真滾筒中煙絲物料的干燥溫度傳遞過程。為更好地揭示煙絲物料溫度傳遞的一般規(guī)律，擬選用拉格朗日法中的DPM煙絲物料離散模型。根據(jù)流體特性和殘差圖更易收斂等因素，擬選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε 湍流模型。壁面條件設(shè)為：Moving wall，滾筒轉(zhuǎn)速分別取為3，9，12 r/min，煙絲物料顆粒粒徑分別取1～2 mm、3～5 mm，筒壁和抄板的溫度設(shè)為170 ℃，熱風(fēng)風(fēng)速分別取為0.5，1.0 m/s，熱空氣的初始溫度為140 ℃，熱風(fēng)出風(fēng)口設(shè)為常壓壓力出口。

3 仿真模擬結(jié)果分析

3.1 單片煙絲物料溫度曲線分析

采用Fluent 軟件對該煙絲物料顆粒在0.8 m×3 m 尺寸滾筒中的溫度傳遞過程進(jìn)行仿真計(jì)算，通過Fluent 軟件的數(shù)字化建模與仿真計(jì)算，可以得到煙絲物料在滾筒空間內(nèi)部的大量數(shù)據(jù)信息。首先對單顆粒煙絲物料的溫度傳遞過程進(jìn)行分析。從Fluent 軟件后處理工具中，可以提取構(gòu)建煙絲物料模型的所有顆粒的每一個(gè)煙絲顆粒的溫度傳遞過程信息。從圖2 所示的仿真結(jié)果可知，煙絲物料從入料端口進(jìn)入后，在滾筒壁和抄板以及熱風(fēng)的共同作用下，煙絲物料顆粒在0～20 s 的時(shí)間段內(nèi)溫度不斷升高，最高溫度達(dá)到158 ℃左右，并在一定范圍內(nèi)保持動態(tài)穩(wěn)定。

圖2 單顆粒煙絲物料溫度變化規(guī)律Fig.2 Single particle temperature change diagram

之所以保持動態(tài)穩(wěn)定的過程，是因?yàn)楹幸欢ㄋ值臐駶櫉熃z物料隨溫度的不斷升高，水分開始蒸發(fā)。在這一過程中，濕潤煙絲物料中的水分升華到氣體中，并將會帶走一部分煙絲物料中的熱量，使得煙絲物料的溫度下降；同時(shí)，因煙絲物料在滾筒壁和抄板的作用下不斷被升舉和拋灑，煙絲物料顆粒在拋灑過程中會脫離筒壁和抄板并與其他煙絲物料混合，溫度會出現(xiàn)少許的下降，所以煙絲物料會呈現(xiàn)一個(gè)動態(tài)穩(wěn)定的過程。該軌跡清晰地顯示出該煙絲物料顆粒從滾筒入料口進(jìn)入滾筒中，煙絲物料顆粒從初始溫度70 ℃與其他煙絲一起完成該煙絲物料的溫度傳遞過程，直觀地表現(xiàn)出該煙絲物料在所提取信息范圍內(nèi)的溫度傳遞過程。

3.2 不同工藝參數(shù)對煙絲物料的分析

通過提取單顆粒煙絲的Fluent 仿真結(jié)果信息，可直觀地將單顆粒煙絲的溫度傳遞過程進(jìn)行數(shù)字化表征。由于溫度傳遞過程受滾筒轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)風(fēng)速、煙絲物料顆粒粒徑大小等多因素影響，因此仿真計(jì)算中分別研究不同熱風(fēng)風(fēng)速、不同滾筒轉(zhuǎn)速、不同煙絲物料顆粒粒徑對溫度傳遞過程的影響。圖3 為不同熱風(fēng)風(fēng)速對煙絲物料的溫度變化規(guī)律。據(jù)圖3 可知，煙絲物料進(jìn)入滾筒后先有一段時(shí)間預(yù)加熱階段，然后待溫度穩(wěn)定后進(jìn)入干燥階段。通過上述熱風(fēng)在0.5 m/s 和1 m/s 的溫度與滾筒長度的時(shí)間對比可以明顯看出，在0.5 m/s 時(shí)煙絲物料在滾筒內(nèi)的干燥持續(xù)時(shí)間較長，煙絲物料干燥效果較好。

圖3 熱風(fēng)風(fēng)速對煙絲物料溫度的變化規(guī)律Fig.3 Effect of hot wind speed on tobacco temperature

圖4 為不同粒徑的煙絲物料在滾筒中的溫度變化關(guān)系。據(jù)圖4 可知，煙絲物料粒徑較小時(shí)，因幾何等因素?zé)熃z物料與滾筒壁和抄板接觸比較充分，故煙絲物料溫度上升較快。大致在滾筒1 m 處，煙絲物料的溫度基本趨于穩(wěn)定，波動范圍不大，干燥比較均勻。

圖4 煙絲物料粒徑對煙絲物料溫度的變化規(guī)律Fig.4 Effect of particle size on tobacco temperature

圖5 為不同滾筒轉(zhuǎn)速對煙絲物料的溫度變化關(guān)系。據(jù)圖5 可知，當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速3 r/min 或高轉(zhuǎn)速12 r/min 時(shí)煙絲物料溫度變化較為均勻，在滾筒長度500 mm 處就已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但滯留時(shí)間相對較長，干燥的時(shí)間也就越長，較容易造成過度干燥的現(xiàn)象，故滾筒轉(zhuǎn)速為9 r/min 時(shí)，溫度變化較為合理。

圖5 滾筒轉(zhuǎn)速對煙絲物料溫度的變化規(guī)律Fig.5 Effect of drum speed on cut tobacco temperature

4 結(jié)論

通過對生產(chǎn)線煙絲物料、形狀的抽樣檢測，應(yīng)用Fluent 軟件仿真系統(tǒng)仿真計(jì)算出滾筒干燥內(nèi)煙絲物料的溫度傳熱狀態(tài)，通過分析不同工藝參數(shù)下煙絲物料在滾筒內(nèi)部的溫度傳熱過程，可得出以下結(jié)論：

（1）通過對不同的工藝參數(shù)下進(jìn)行仿真計(jì)算，煙絲物料的溫度上升階段溫度變化、達(dá)到動態(tài)平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間、滾筒長度有明顯的差異，但總體都達(dá)到動態(tài)平穩(wěn)的狀態(tài)。

（2）通過對不同的典型的工藝參數(shù)下進(jìn)行仿真計(jì)算分析，確定了滾筒在轉(zhuǎn)速為9 r/min，熱風(fēng)風(fēng)速為0.5 m/s 時(shí)工藝參數(shù)最佳。為該型號煙絲物料對的滾筒烘絲干燥生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。