基于Fluent 仿真的膨脹煙絲回潮筒的優(yōu)化改進(jìn)

徐 敏，龔劍強(qiáng)，金 偉，孫科雷，祝 俊，鄔曉龍，章 敏，鄭 超，林 斌，朱群曉，胡堅(jiān)峰，姚科東

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)葭浦西路2001 號 315040

膨脹煙絲工藝作為卷煙工業(yè)的一項(xiàng)重要煙絲處理技術(shù)，因具有提高煙絲填充值、降低生產(chǎn)成本、減少煙葉損耗等作用而被廣泛采用［1］。膨脹煙絲回潮筒是保證膨脹煙絲含水率的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于對膨脹后煙絲進(jìn)行加濕，使煙絲含水率達(dá)到工藝要求［2-4］。但受到加水均勻性和準(zhǔn)確性的影響，生產(chǎn)中會出現(xiàn)濕團(tuán)煙絲現(xiàn)象，造成部分煙絲含水率不符合工藝要求，影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。針對此，蘇福彬等［5］對回潮筒的導(dǎo)流板進(jìn)行了升級改造，將濕團(tuán)煙絲質(zhì)量從13 kg/批次降低至9 kg/批次；吳玉生等［6］對膨脹煙絲回潮系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了煙絲含水率的穩(wěn)定性；資文華等［7］對煙絲膨脹過程的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了煙絲耐加工性能。上述改進(jìn)在一定程度上減少了膨脹煙絲回潮后產(chǎn)生的濕團(tuán)煙絲質(zhì)量，但仍未有效降低濕團(tuán)率。Fluent 是通用CFD（Computational Fluid Dynamics）的一種仿真軟件，主要用于模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，該軟件采用完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，包括基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元兩種梯度算法，具有適用范圍廣、效率高、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)［8-9］。為此，通過對膨脹煙絲回潮筒工作原理進(jìn)行分析，利用Fluent 軟件對進(jìn)入回潮筒的煙絲運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計加水方式，以期提高膨脹煙絲加工工藝水平。

1 問題分析

1.1 回潮筒工作原理

回潮筒主要由進(jìn)料罩、筒體、噴淋裝置、出料罩、排潮系統(tǒng)等部分組成，見圖1。浸漬膨脹處理后的煙絲經(jīng)過輸送帶進(jìn)入回潮筒，依靠回潮筒傾角在自身重力作用下，煙絲隨旋轉(zhuǎn)的回潮筒向出料口呈螺旋狀前進(jìn)［10］?；爻蓖矁?nèi)噴淋裝置中均布有12 個噴嘴，對煙絲進(jìn)行加濕處理，每4 個噴嘴為一個區(qū)，分為一、二、三共3 個區(qū)。其中，一區(qū)和二區(qū)的加水量為前饋控制，即系統(tǒng)將電子皮帶秤測得的煙絲流量傳遞給PLC，PLC 根據(jù)加水比例設(shè)定值控制一區(qū)和二區(qū)的加水量。三區(qū)的加水量為反饋控制，即系統(tǒng)將回潮筒后方水分儀測得的出料煙絲含水率傳遞給PLC，PLC 通過對比實(shí)際值與設(shè)定值，利用氣動薄膜閥調(diào)節(jié)控制加水量，而未被煙絲吸收的霧化水通過設(shè)置在回潮筒出料罩處的排潮系統(tǒng)排出。

圖1 膨脹煙絲回潮筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of conditioning cylinder for expanded tobacco

1.2 存在問題

當(dāng)煙絲由回潮筒輸出并經(jīng)輸送機(jī)進(jìn)入風(fēng)選除雜工序后，在設(shè)備下方的剔除口處經(jīng)常發(fā)現(xiàn)大量濕團(tuán)煙絲，由此造成煙絲浪費(fèi)，且容易產(chǎn)生水漬煙，影響成品膨脹煙絲質(zhì)量。

以寧波卷煙廠為例，膨脹煙絲線設(shè)計生產(chǎn)能力為1 140 kg/h，采用的是WQ397 型回潮筒（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司），回潮筒入料口煙絲含水率為7.5%，根據(jù)膨脹煙絲工藝標(biāo)準(zhǔn)，回潮后煙絲含水率應(yīng)達(dá)到12.5%，因此煙絲在回潮筒中的吸水量為1 140×（12.5%-7.5%）kg/h=57 kg/h。但在實(shí)際生產(chǎn)中，回潮筒的加水量約為120 kg/h，遠(yuǎn)大于煙絲吸水量57 kg/h。可見，加水量過大造成煙絲無法充分吸收水分并產(chǎn)生濕團(tuán)煙絲，且大量的霧化水被排潮系統(tǒng)排出導(dǎo)致生產(chǎn)用水浪費(fèi)。

實(shí)際生產(chǎn)中一、二、三區(qū)的加水比例為2∶2∶1。當(dāng)煙絲通過回潮筒前的振槽進(jìn)入筒內(nèi)時，由于慣性作用煙絲處于懸空下落狀態(tài)，并未與回潮筒筒壁接觸跟隨回潮筒旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動。因此，一區(qū)噴嘴噴射的霧化水有一部分未與煙絲接觸，而是直接噴射在筒壁上，霧化水凝結(jié)成水珠遇到新進(jìn)入回潮筒的煙絲時容易產(chǎn)生濕團(tuán)。而三區(qū)的噴嘴噴射的霧化水距離排潮系統(tǒng)較近，有一部分霧化水尚未被煙絲充分吸收就被排潮系統(tǒng)排出，導(dǎo)致加水效果較差。此外，生產(chǎn)中使用的霧化噴嘴存在水滴滴落現(xiàn)象，與煙絲混合后會形成濕團(tuán)，影響膨脹煙絲品質(zhì)。

2 改進(jìn)方法

2.1 噴嘴改進(jìn)

2.1.1 Fluent 仿真

采用CFD 分析法對回潮筒體內(nèi)的煙絲狀態(tài)進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對噴嘴進(jìn)行選型。在進(jìn)行Fluent 仿真前，需要建立流體計算區(qū)域，即建立回潮筒的旋轉(zhuǎn)域和靜止域，見圖2。圖中，顏色較淺部分為靜止域，筒內(nèi)顏色較深部分為旋轉(zhuǎn)域。

圖2 回潮筒旋轉(zhuǎn)域與靜止域的劃分Fig.2 Partition of rotating domain and stationary domain

網(wǎng)格劃分決定了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。四面體網(wǎng)格是Fluent 軟件中常用的一種網(wǎng)格，劃分簡單且可以加密，但是當(dāng)四面體網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)位置接近平面時難以計算其垂直梯度，導(dǎo)致模型邊緣的凸點(diǎn)容易出現(xiàn)較大誤差。因此，在劃分網(wǎng)格時將四面體改為多面體網(wǎng)格，多面體相對于四面體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)多，可以減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短計算時間?；诖耍瑢ν搀w內(nèi)部煙絲運(yùn)動復(fù)雜且需要精密計算的旋轉(zhuǎn)域和隔板網(wǎng)格進(jìn)行加密處理（圖3），對煙絲運(yùn)動簡單且影響較小的靜止域網(wǎng)格不進(jìn)行加密（圖4）。

圖3 回潮筒內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域和隔板網(wǎng)格的劃分Fig.3 Partition of rotating domain and partition grid inside conditioning cylinder

圖4 回潮筒內(nèi)部靜止域網(wǎng)格的劃分Fig.4 Meshing of stationary domain inside conditioning cylinder

在完成網(wǎng)格劃分后，通過Fluent 軟件對煙絲進(jìn)入回潮筒過程進(jìn)行仿真。進(jìn)入回潮筒前膨脹煙絲各項(xiàng)工藝指標(biāo)為：含水率7.5%，填充值7.1 m3/g，整絲率82%，碎絲率1.4%。在此基礎(chǔ)上，對Fluent 仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與筒內(nèi)滯留時間、煙絲拋射高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，最終設(shè)置煙絲流密度780 kg/m3，黏度0.000 1 kg/ms，表面張力0.03 N/m。由圖5 可見，煙絲在進(jìn)入回潮筒15 s 時即進(jìn)入了霧化水噴射二區(qū)。因此，截取前15 s的仿真圖進(jìn)行分析。

圖5 煙絲進(jìn)入回潮筒15 s 時的仿真圖Fig.5 Simulation screen of expanded tobacco at the 15th second after entering conditioning cylinder

由圖5 可見，煙絲從入料口進(jìn)入回潮筒時，依靠回潮筒傾角在煙絲自身重力的作用下螺旋前進(jìn)，在10 s 左右達(dá)到煙絲運(yùn)動的最高點(diǎn)，此時煙絲之間的狀態(tài)最為松散，因此在煙絲進(jìn)入回潮筒10 s時開始向煙絲加水效果較好。為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在排除筒內(nèi)多余煙絲運(yùn)動干擾的前提下，選取10 批次膨脹煙絲的頭料，在出料罩處的觀察窗觀察煙絲進(jìn)入回潮筒的情況。通過秒表記錄煙絲運(yùn)動達(dá)到最高點(diǎn)所需時間以及進(jìn)入霧化水噴射二區(qū)所需時間，取平均值，結(jié)果見表1。可見，煙絲在進(jìn)入回潮筒9.87 s 時達(dá)到運(yùn)動最高點(diǎn)，14.98 s時進(jìn)入霧化水噴射二區(qū)，與仿真結(jié)果基本一致。

表1 煙絲進(jìn)入回潮筒后運(yùn)動時間Tab.1 Statistics of movement time of expanded tobacco inside conditioning cylinder （s）

對進(jìn)入回潮筒15 s 時煙絲運(yùn)動進(jìn)行徑向仿真（圖6）可知，煙絲最高點(diǎn)位于回潮筒10 點(diǎn)半方向。在出料罩處通過相機(jī)拍攝煙絲達(dá)到最高點(diǎn)時的照片（圖7），可見煙絲達(dá)到最高點(diǎn)的位置正好在回潮筒10 點(diǎn)半方向，與仿真結(jié)果一致。此時，噴嘴與煙絲最高點(diǎn)的實(shí)測距離為116 cm。

圖6 煙絲進(jìn)入回潮筒15 s 時徑向仿真圖Fig.6 Radial simulation screen of expanded tobacco at the 15th second after entering conditioning cylinder

圖7 煙絲進(jìn)入回潮筒后達(dá)到最高點(diǎn)時畫面Fig.7 Picture when cut tobacco reached the highest point after entering conditioning cylinder

2.1.2 噴嘴選型

WQ397 型回潮筒采用的是美國Spraying 公司生產(chǎn)的內(nèi)部混合空氣霧化噴嘴，噴嘴液體帽型號為2850，空氣帽型號為73328。該公司新研發(fā)的外部混合空氣霧化噴嘴，噴射流速高，可有效避免噴嘴堵塞，霧化效果良好。根據(jù)上述仿真結(jié)果，在選擇噴嘴時既要保證噴嘴的霧化區(qū)域合理，又要使噴嘴的最遠(yuǎn)噴射距離略小于116 cm，從而將水分全部噴射在煙絲上，避免水分與筒壁接觸而產(chǎn)生冷凝水。查閱相關(guān)資料，最終選定編號為SU-HTE60D 的噴嘴，液體帽和空氣帽型號分別為PF28100 和LP130262-60，噴射最遠(yuǎn)距離為114 cm，最大噴射截面直徑為25 cm，可以滿足回潮筒霧化水噴射要求。

2.2 回潮筒加水區(qū)域的改進(jìn)

2.2.1 一區(qū)噴嘴位置優(yōu)化

通過現(xiàn)場測量可知煙絲從回潮筒入料口至出料口所用時間為61 s，筒體長度為4.7 m，根據(jù)Fluent 仿真結(jié)果顯示煙絲在進(jìn)入回潮筒10 s 左右達(dá)到最高點(diǎn)。因此，可計算得到一區(qū)第1 個噴嘴的最佳位置，即第1 個噴嘴與進(jìn)料口之間的距離S。

式中：S 為一區(qū)第1 個噴嘴與進(jìn)料口之間的距離，m；L 為筒長，m；t2為煙絲進(jìn)入回潮筒后達(dá)到最高點(diǎn)的時間，s；t1為煙絲在回潮筒內(nèi)的運(yùn)動時間，s。

根據(jù)公式（1）計算可得，一區(qū)第1 個噴嘴安裝于距離進(jìn)料口770 mm 時，霧化水噴射效果最優(yōu)。

2.2.2 三區(qū)噴嘴位置優(yōu)化

三區(qū)位于筒體的尾部，其加水量根據(jù)回潮筒后方水分儀的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋控制。三區(qū)的后方安裝有排潮系統(tǒng)，可以將多余霧化水排出?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三區(qū)最后一個噴嘴（即第4 個噴嘴）不使用時，對煙絲含水率無任何影響，且能減少加水量。因此，將三區(qū)第3 個噴嘴作為最后一個噴嘴，通過測量可知其與回潮筒出料口距離為1 450 mm。

2.2.3 噴嘴布局及加水量確定

一區(qū)第1 個噴嘴安裝于距離進(jìn)料口770 mm處，三區(qū)第3 個噴嘴與回潮筒出料口距離為1 450 mm。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，將噴嘴數(shù)量減少為9個，并均分為3 個區(qū)，每個噴嘴相距310 mm，以滿足噴嘴最大噴射截面直徑為25 cm 的要求，改進(jìn)后回潮筒噴嘴布局見圖8。此外，根據(jù)設(shè)備工作原理及煙絲吸水特性，將一、二、三區(qū)的加水比例調(diào)節(jié)為7∶6∶3，加水量調(diào)整為80 kg/h。

圖8 改進(jìn)后回潮筒噴嘴布局示意圖Fig.8 Schematic diagram of nozzles’arrangement inside conditioning cylinder after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計

材料：膨脹煙絲（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠提供）。

儀器和設(shè)備：膨脹煙絲線生產(chǎn)能力為1 140 kg/h，WQ397 型回潮筒（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；SB16001 型電子天平（精度0.001 kg，瑞士Mettler Toledo 公司）。

測試方法：設(shè)WQ397 型回潮筒滾筒轉(zhuǎn)速為35 r/min，排潮風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz。依據(jù)《膨脹煙絲質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)與判定（寧波卷煙廠）》（QJ/ZY-GY.02-036-2018）和《寧波卷煙廠在制品質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)程（制絲）》（QJ/ZY-CF.02-007-2016），分別檢測改進(jìn)前后各18 批次正常生產(chǎn)情況下回潮筒出口膨脹煙絲含水率、填充值、整絲率、碎絲率、純凈度以及回潮筒后風(fēng)選除雜機(jī)剔除物中的濕團(tuán)煙絲質(zhì)量，判斷膨脹煙絲是否符合工藝要求，并計算濕團(tuán)率。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見，改進(jìn)后膨脹煙絲含水率、填充值、整絲率、碎絲率、純凈度指標(biāo)與改進(jìn)前基本一致，均符合工藝要求，煙絲品質(zhì)未受到影響。由表3 可見，改進(jìn)后平均煙絲質(zhì)量為4 425.44 kg/批次，濕團(tuán)煙絲質(zhì)量由改進(jìn)前的5.155 kg/批次降低到0.166 kg/批次，濕團(tuán)率由降低到降低96.9%，有效提高了膨脹煙絲回潮效果。

表2 改進(jìn)前后膨脹煙絲工藝指標(biāo)對比①Tab.2 Comparison of process indexes of expanded tobacco before and after modification

表3 改進(jìn)前后膨脹煙絲濕團(tuán)率對比Tab.3 Comparison of caking rate of expanded tobacco before and after modification

4 結(jié)論

基于膨脹煙絲生產(chǎn)及回潮筒工作原理，采用Fluent 仿真軟件對回潮筒加水及煙絲運(yùn)動情況進(jìn)行模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果對回潮筒內(nèi)噴嘴數(shù)量及布局進(jìn)行了優(yōu)化，對回潮筒加水量及加水比例進(jìn)行了調(diào)整。以寧波卷煙廠生產(chǎn)的膨脹煙絲為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：回潮筒加水方式改進(jìn)后，膨脹煙絲含水率、填充值、整絲率、碎絲率、純凈度指標(biāo)與改進(jìn)前基本一致，均符合工藝要求，煙絲品質(zhì)未受影響；濕團(tuán)煙絲質(zhì)量由改進(jìn)前的5.155 kg/批次降低到0.166 kg/批次，濕團(tuán)率由降低到降低96.9%，有效提高了膨脹煙絲回潮效果，進(jìn)一步完善了膨脹煙絲生產(chǎn)工藝。