Flow Simulation輔助烘絲機中心風筒設(shè)計

高 文 胡尚禮

(秦皇島煙草機械有限責任公司，河北 秦皇島066004)

0 引言

烘絲機是制絲線中對煙絲進行在線干燥膨脹的主機設(shè)備。筒式烘絲是以筒體加熱為主、熱風加熱為輔，傳導(dǎo)加對流的方式來干燥煙絲。首先通過飽和蒸汽加熱筒體和抄料板，煙絲吸收筒體和抄料板傳來的熱量后，煙絲中的水分蒸發(fā)為水蒸氣，然后工藝氣體即被加熱的室內(nèi)空氣，將從煙絲中蒸發(fā)出來的水蒸氣帶走，同時也與煙絲進行一部分的熱交換，最后高溫高濕的空氣通過排潮管道排出。在整個過程中，完成對煙絲的干燥膨脹。

圖1 烘絲機筒體截面

烘絲機筒體截面情況如圖1所示：煙絲在翻炒過程中，形成A區(qū)域的物料拋落簾，而B區(qū)沒有任何物料。這樣，一方面大部分熱風從B區(qū)流過，沒有與煙絲進行充分接觸，沒有進行熱交換并吸收煙絲蒸發(fā)出來的水分，而是直接進入排潮管道，造成能量的浪費；另一方面由于物料的落差較大，引起煙絲造碎大，造成物料的浪費。因此，在筒體軸線上增加一個與筒體同步旋轉(zhuǎn)的中心風筒，使熱風與煙絲均勻混合，提高熱風的使用效率，同時使煙絲先落到中心風筒上，再落在筒體上，減少落差，減少造碎。

Flow Simulation是Solidworks的插件，用于對流體進行簡單的分析[1-3]。

1 順逆流分析

根據(jù)筒體中熱風的流向與煙絲的流向的關(guān)系，將筒式烘絲分為順流式和逆流式兩種加工方式。

圖2 順流熱風的相對濕度與物料水分的關(guān)系

順流時，熱風的相對濕度和物料水分的關(guān)系如圖2所示，從進料端到出料端，熱風的相對濕度逐漸升高，一直到接近飽和后就不再變化，而物料的水分是逐漸降低的，因此物料的出口水分均勻，水分波動標準差小。而且因為煙絲自身的含水量或環(huán)境的含水量總是有一方較大，所以物料在高溫條件下對煙草的吸味影響最小，但同時造成煙絲的填充值相對較低。

逆流時，熱風的相對濕度和物料水分的關(guān)系如圖3所示，煙絲在進料端，水分先有一個小幅度的上升，是因為高溫高濕的熱風對煙絲有一定的加熱加濕作用，可以提高煙絲填充值，節(jié)省煙絲使用量。而后物料和熱風的濕度梯度逐漸增大，因此物料的出口水分標準差有增大的風險。

圖3 逆流熱風的相對濕度與物料水分的關(guān)系

因此，考慮將中心風筒的出風口放在筒體中間，進料端、出料端同時排潮，形成順逆流相結(jié)合的方式，綜合兩種方式的優(yōu)點。同時，順流段熱風溫度低，利于保持煙草本香，逆流段熱風溫度高，利于提高煙絲填充值。綜合實際的風量和筒體結(jié)構(gòu)尺寸，使用Solidworks建立簡單模型?？紤]理想情況，將低溫風和高溫風的流量設(shè)為相等，即進、出料端的風速相等，這樣可以忽略進、出料端的互相影響，模擬結(jié)果如圖4?？梢钥闯?，及時在最理想的情況下，筒體中部還是出現(xiàn)了大量的紊流情況，筒體內(nèi)的熱風難以控制，高、低溫熱風難以區(qū)分，這在工業(yè)生產(chǎn)中是不允許的，所以，順逆流的方案是不可行的。

圖4 理想情況的模擬結(jié)果

2 熱風均勻性分析

2.1 筒內(nèi)風速均勻性

為了保證中心風筒中的熱風既能有足夠的風量把煙絲中蒸發(fā)出來的水蒸汽帶走，又不能使風速太大，降低煙絲的處理強度，減少造碎。需要在保證風量的基礎(chǔ)上，使熱風從出風口均勻、低速地吹出。

在設(shè)定分析的邊界條件時，設(shè)定進風口的風速為3m/s，筒體進出口的環(huán)境壓力為標準大氣壓，進行模擬后，觀察結(jié)果項目“Cut Plot”，選擇觀察壓力參數(shù)，結(jié)果如圖5。

可以看出由于前段封口的阻擋，中心風筒內(nèi)的氣體壓強成階梯上升的趨勢，但是壓強變化在150Pa以內(nèi)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和伯努利方程：

式中：

P——絕對壓力（Pa）

v——比體積或比容（m3/kg），

T——熱力學溫度（K），

Rg——氣體常數(shù)（J/(kg·K)）

ρ——流體的密度(kg/m3)

cf——流體速度（m/s）

可以得出，在不考慮壓力損失和熱量變化的情況下，由于壓力變化不大，溫度不變，所以熱風的比體積或密度不會有大的變化，因此熱風在中心風筒中的流速也不會有太大的變化。在“Cut Plot”中改為選擇觀察速度參數(shù)，結(jié)果如圖6。可以看出即使在中心風筒內(nèi)，熱風的風速有明顯的梯度，但在出風口處，風速是基本相等的，因此不需要再中心風筒的內(nèi)部設(shè)置額外的均風結(jié)構(gòu)。

圖5 壓力圖

圖6 速度圖

2.2 導(dǎo)風組件對熱風均勻性的影響

在保證熱風低速、均勻的同時，還要保證中心風筒跟隨筒體同步旋轉(zhuǎn)時，煙絲不能從進風口進入中心風筒，因此需要在中心風筒上安裝導(dǎo)風組件，在煙絲下落的方向上設(shè)置擋板。首先考慮導(dǎo)風組件對中心風筒內(nèi)熱風均勻性的影響，為簡化模擬運算，先將導(dǎo)風組件設(shè)置為簡單的彎管，模擬結(jié)果如圖7，可以看出增加導(dǎo)風組件后，提高了中心風筒內(nèi)熱風的均勻性，但在導(dǎo)風組件出口處，速度在某些位置出現(xiàn)急劇的升高，各導(dǎo)風組件的出風口風速不均勻。

圖7 導(dǎo)風組件對熱風均勻性的影響

考慮是導(dǎo)風組件的出風口不夠大，造成熱風無法流暢地從各導(dǎo)風組件吹出，引起紊流。將彎管直徑變大，模擬后的結(jié)果如圖8，可以看出速度梯度變小，各導(dǎo)風組件出風口的風速基本均勻。

圖8 增大彎管直徑的模擬結(jié)果

2.3 導(dǎo)風組件熱風均勻性

為防止煙絲進入中心風筒，首先考慮如圖9的遮擋式的結(jié)構(gòu)，出風口有遮擋結(jié)構(gòu)，熱風曲折吹出，經(jīng)模擬分析可以看出，熱風紊流現(xiàn)象明顯，分布不均勻，導(dǎo)風組件靠近中心風筒筒壁的位置基本沒有熱風流出。

考慮如圖10所示的導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)，可以看出，熱風流線在導(dǎo)風組件出風口基本均勻分布。

圖9 遮擋式結(jié)構(gòu)

圖10 導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)

最后，根據(jù)模擬的結(jié)果還可以看出，筒體內(nèi)熱風基本分布在靠近筒體筒壁的圓周上，且在靠近進料端的筒體內(nèi)基本沒有熱風。煙絲在筒體內(nèi)的翻炒形成的落料簾可以平衡熱風在筒體圓截面分布不均的情況，為了解決進料端熱風少的問題，可以增加一部分順流熱風來補償。增加順流熱風后，筒體內(nèi)熱風的流場分布如圖11所示。

圖11 增加順流熱風筒體內(nèi)熱風的流場分布

3 結(jié)論

1）無法通過中心風筒實現(xiàn)筒體內(nèi)熱風的順逆流結(jié)合。

2）不需要增加額外的導(dǎo)風結(jié)構(gòu)來均勻中心風筒出風口的熱風。

3）增加導(dǎo)風組件后，使中心風筒內(nèi)的熱風更加均勻，為保證導(dǎo)風組件出風的均勻性，導(dǎo)風組件出風口的面積要足夠大。

4）導(dǎo)風組件應(yīng)采用導(dǎo)流式的結(jié)構(gòu)，有利于熱風均勻吹出。

［1］張也.影流體力學[M].高等教育出版社.

［2］蘇銘德，黃素逸.計算流體力學基礎(chǔ)[M].清華大學出版社.

［3］陳超祥，葉修梓.SolidWorks Flow Simulation教程[M].機械工業(yè)出版社.