滾筒內(nèi)煙絲干燥過程的數(shù)值模擬

聶廣軍，劉文鋒，周紅審，郭 煌，陳 梅，張?jiān)瀑?，易寶軍，胡紅云，李陳巧，何 山，張耀華

1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)海口二路2號 430040

2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢市洪山區(qū)獅子山街1號 430070

3.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢市洪山區(qū)珞喻路1037號 430074

卷煙制絲工藝的優(yōu)劣直接影響后續(xù)工序的生產(chǎn)效率和煙支品質(zhì)，其中煙絲干燥是決定卷煙產(chǎn)品感官質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前煙絲干燥主要采用滾筒干燥技術(shù)，在滾筒干燥過程中煙絲的物理、化學(xué)特性發(fā)生一系列變化，對卷煙產(chǎn)品的物理特性與感官品質(zhì)有著顯著的影響［1-4］。過高的熱加工強(qiáng)度會(huì)降低煙絲中香味成分的含量，導(dǎo)致造碎增多、產(chǎn)品質(zhì)量下降。目前的生產(chǎn)工藝依賴于現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏量化的表征指標(biāo)。資文華等［5］發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)風(fēng)速對干燥后煙絲質(zhì)量影響最大。張煒等［6］發(fā)現(xiàn)筒壁溫度變化對干燥后煙絲的感官品質(zhì)有較大影響。段鹍等［7］建立了筒壁溫度與煙絲品質(zhì)的關(guān)聯(lián)式。李朋等［8］建立了不同含水率煙絲在滾筒內(nèi)的停留時(shí)間關(guān)系式。Zhu 等［9］發(fā)現(xiàn)分段加熱比單段加熱更能夠提高煙葉的干燥效率。這些試驗(yàn)研究可以在干燥過程中取樣，然而在實(shí)際滾筒干燥過程中獲取煙絲在滾筒內(nèi)的干燥情況較為困難，且不同類型煙絲的差異更增加了通過實(shí)驗(yàn)方法建立不同操作條件與煙絲干燥品質(zhì)間定量關(guān)系的難度。

相比試驗(yàn)測量，數(shù)值模擬可以顯示滾筒內(nèi)部的流動(dòng)場和溫度場，有利于深入分析影響物料干燥過程的因素，已被廣泛運(yùn)用于各種物料的干燥過程研究［10］。耿凡等［11］對滾筒內(nèi)煙絲顆粒隨滾筒旋轉(zhuǎn)的混合行為開展了模擬研究，發(fā)現(xiàn)提高滾筒轉(zhuǎn)速有利于顆粒的混合且近壁區(qū)更均勻，采用box-chain 模型進(jìn)一步分析了煙絲在滾筒中的停留時(shí)間與滾筒轉(zhuǎn)速和進(jìn)風(fēng)氣速的關(guān)系［12］。江威等［13］對比不同干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場的分布特點(diǎn)，提出增加兩組小型抄板可以優(yōu)化內(nèi)部熱流分布。楊彬等［14］基于模擬結(jié)果分析了熱風(fēng)風(fēng)速和滾筒轉(zhuǎn)速對煙絲顆粒溫度變化的影響，并提出其所研究滾筒干燥系統(tǒng)的理論最佳工藝參數(shù)。這些工作表明，數(shù)值模擬可為現(xiàn)有滾筒設(shè)備的干燥效率提升以及設(shè)備改造提供幫助。本研究旨在通過數(shù)值模擬方法對滾筒內(nèi)煙絲干燥過程中水分的變化開展系統(tǒng)研究，探究不同滾筒操作條件對水分干燥過程的影響，解析熱風(fēng)流速、熱風(fēng)溫度、筒壁溫度和滾筒轉(zhuǎn)速等因素對干燥過程中水分的影響，為提高煙絲在滾筒內(nèi)的干燥效率、避免過度干燥提供理論指導(dǎo)。

1 干燥裝置和數(shù)值介紹

1.1 裝置與建模

滾筒干燥機(jī)由煙絲進(jìn)口、熱風(fēng)進(jìn)口、旋轉(zhuǎn)筒體、熱風(fēng)出口和煙絲出口等裝置組成，旋轉(zhuǎn)筒體向出口方向傾斜，傾角為2°。滾筒干燥機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。由于煙絲干燥過程只發(fā)生在旋轉(zhuǎn)筒體內(nèi)部，為了簡化模型便于計(jì)算，僅對旋轉(zhuǎn)筒體內(nèi)部進(jìn)行建模，簡化后的滾筒結(jié)構(gòu)為筒壁、導(dǎo)料板與抄板。使用SolidWorks 完成三維建模，并在Ansys Mesh 中對干燥筒內(nèi)部流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度并考慮模型計(jì)算效率，最終網(wǎng)格數(shù)量約為60萬，如圖1所示。

表1 滾筒干燥機(jī)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relative parameters of a cylinder dryer

圖1 滾筒干燥機(jī)流體域網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Grid dividing used to model the fluid domain inside a cylinder dryer

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

采用三維數(shù)值模擬方法研究煙絲中水分的干燥過程，基于歐拉-拉格朗日方法，對氣相基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，其滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，對于煙絲則簡化為等效粒徑的球形顆粒［15］，并采用離散顆粒方法（Discrete particle method、DPM）描述煙絲的運(yùn)動(dòng)行為，煙絲在氣固曳力、重力以及旋轉(zhuǎn)慣性力共同作用下符合牛頓第二定律：

式中：vp為流體相速度；vg為煙絲速度；t 為時(shí)間；β為單位質(zhì)量阻力；ρp為煙絲密度；ρg為空氣密度；Fx為附加加速度（力/單位煙絲質(zhì)量）項(xiàng)。

在干燥過程中，煙絲中的水分會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝沟脽熃z質(zhì)量下降，對于煙絲的質(zhì)量變化：

式中：mp為煙絲質(zhì)量；Ap為煙絲表面積；km為質(zhì)量傳遞系數(shù)；Rm表示層裂質(zhì)量數(shù)。

水分吸收熱量變?yōu)檎羝倪^程也會(huì)影響煙絲的溫度，煙絲溫度方程表示為：

式中：cp為煙絲比熱容；Tp為煙絲溫度；Ap為液滴表面積；Tg為連續(xù)相的局部溫度；hi為水分汽化潛熱。

特別是，預(yù)約中心與入院準(zhǔn)備中心緊密合作，利用患者辦理入院手續(xù)到入住病床的時(shí)間差，完成主要檢查。宣姝姝指出，這為醫(yī)院縮短術(shù)前等待時(shí)間、降低平均住院床日奠定了基礎(chǔ)。

式（3）分別表示氣相-煙絲間的對流換熱和蒸發(fā)潛熱。

其中對流換熱系數(shù)表示為：

式中：h 為對流換熱系數(shù)；Nu 表示努塞爾數(shù)；k 為連續(xù)相的導(dǎo)熱系數(shù)；dp為水利直徑；B為散熱系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

1.3 數(shù)值模型與邊界

采用重整化群（RNG）k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard Wall Function）模擬滾筒內(nèi)產(chǎn)生的氣相湍流，模擬過程中應(yīng)考慮氣體與煙絲間的相互作用。使用組分輸運(yùn)方程（Species Transport）描述干燥過程水分的變化情況。煙絲為多組分顆粒（Multicomponent），選用離散相模型（Discrete Phase）描述顆粒運(yùn)動(dòng)，煙絲和H2O（液）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.79和0.21；蒸發(fā)組分（Evaporating Spcies）分別設(shè)置為不蒸發(fā)（not-vaporizing）和H2O。從煙絲進(jìn)口按面（surface）類型注入煙絲。進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，出口定義為壓力出口。由于滾筒通過旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)煙絲干燥，模擬中采用移動(dòng)壁面（Moving wall）方法設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面，關(guān)于模擬條件與邊界設(shè)定的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)通過用戶自定義（UDF）設(shè)置分段壁溫。壓力-速度耦合格式選擇為耦合（coupled）方法，采用差分格式為二階迎風(fēng)格式（Second order upwind）。通過CFD-POST 后處理軟件獲得各參數(shù)下模型的數(shù)值模擬結(jié)果，生成合速度云圖、速度分量曲線圖和壓降變化曲線圖等。

表2 模擬條件參數(shù)與邊界設(shè)定Tab.2 Simulation parameters and boundary setting

2 模型的驗(yàn)證與分析

2.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

首先驗(yàn)證模擬選用模型的合理性。在滾筒中心軸線處距離熱風(fēng)進(jìn)口0.15、0.45、0.75、1.05 和1.35 m位置布置傳感器對滾筒內(nèi)氣體濕度進(jìn)行測量，記錄各測量點(diǎn)濕度的變化，待煙絲流量穩(wěn)定后讀取測量點(diǎn)濕度的穩(wěn)定值。模擬結(jié)果為在滾筒相應(yīng)位置橫切面氣體濕度的平均值，圖2為濕度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值，二者的濕度值在0.15 m 處接近，在0.45 m 和0.75 m 處模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值，在1.05 m 和1.35 m處模擬值略低于實(shí)驗(yàn)值。5個(gè)位置實(shí)驗(yàn)值與模擬結(jié)果的平均相對誤差小于10%。

圖2 滾筒內(nèi)各測量點(diǎn)濕度分布情況Fig.2 Humidity distribution at measuring points inside cylinder

圖3 滾筒內(nèi)軸向垂直切面煙絲停留時(shí)間分布Fig.3 Cut tobacco residence time distribution inside cylinder along axial vertical section

2.2 氣相模擬結(jié)果

2.2.1 筒內(nèi)溫度分布

滾筒干燥機(jī)內(nèi)沿軸向截面氣相溫度分布如圖4所示。熱風(fēng)與煙絲混合進(jìn)入滾筒后首先與筒壁進(jìn)行熱量交換，其中包括熱風(fēng)與筒壁及煙絲間的對流換熱和煙絲與筒壁間的傳導(dǎo)換熱。隨著筒壁溫度的升高，筒內(nèi)溫度在0.3 m 后開始升高，圖中表現(xiàn)為淺藍(lán)色到綠色區(qū)域增多，煙絲中水分的蒸發(fā)速率也隨之加快，而水分蒸發(fā)需要吸收熱量，因此隨著煙絲中水分的不斷蒸發(fā)局部溫度逐漸降低，在距滾筒出口約0.3 m處附近出現(xiàn)低溫區(qū)域，因而滾筒內(nèi)溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖4 滾筒內(nèi)軸向垂直切面氣相溫度分布Fig.4 Cloud diagram of air temperature distribution inside cylinder along axial vertical section

2.2.2 筒內(nèi)水分分布

圖5為滾筒內(nèi)氣相水分沿軸向分布圖。隨著進(jìn)入滾筒煙絲溫度的不斷升高，水分開始從煙絲中蒸發(fā)出來，使得空氣環(huán)境中的水分含量升高，濕度從進(jìn)口0.2 m 后開始呈現(xiàn)一直上升趨勢。在滾筒內(nèi)熱風(fēng)中的水分達(dá)到平衡含濕量后，煙絲中剩余的水分無法再繼續(xù)蒸發(fā)出來，因此干燥機(jī)末端水分含量基本穩(wěn)定，濕度在出口附近達(dá)到峰值。

圖5 滾筒內(nèi)軸向垂直切面（a）和水平切面（b）氣相水分分布Fig.5 Cloud diagram of air moisture distribution inside cylinder along axial vertical section (a) and horizontal section (b)

2.2.3 筒內(nèi)速度分布

圖6為滾筒內(nèi)部氣相的熱空氣矢量云圖。由于進(jìn)口熱風(fēng)速度方向?yàn)檩S向，在進(jìn)入干燥機(jī)后隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，抄板會(huì)對熱風(fēng)和煙絲產(chǎn)生切向作用，從圖6中可以看到，在進(jìn)口附近速度矢量方向大多為軸向方向，在受到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)抄板的作用下才產(chǎn)生切向速度，由于出口端沒有抄板，煙絲僅在熱風(fēng)作用下從出口處流出。

圖6 滾筒內(nèi)軸向垂直切面氣相速度矢量Fig.6 Vector diagram of air velocity inside cylinder along axial vertical section

2.3 煙絲模擬結(jié)果

2.3.1 煙絲溫度分布

圖7為滾筒內(nèi)煙絲溫度分布圖。煙絲剛進(jìn)入滾筒時(shí)的溫度在25 ℃左右，經(jīng)過與進(jìn)口熱風(fēng)和滾筒壁面的熱交換作用，溫度逐漸升高，在滾筒0.2～0.5 m位置煙絲溫度達(dá)到30～40 ℃，隨著干燥過程的進(jìn)行，煙絲繼續(xù)和熱風(fēng)、滾筒內(nèi)壁換熱，溫度繼續(xù)升高，接近出口端煙絲溫度50～60 ℃。

圖7 滾筒內(nèi)軸向垂直切面煙絲溫度分布Fig.7 Cut tobacco temperature distribution inside cylinder along axial vertical section

2.3.2 煙絲水分分布

圖8為滾筒內(nèi)煙絲含水率分布圖。滾筒進(jìn)口煙絲含水率基本和干燥前物料含水率一致，隨著煙絲和熱風(fēng)、滾筒內(nèi)壁的熱交換，煙絲溫度逐漸升高，煙絲中的水分蒸發(fā)速率加快，煙絲內(nèi)的含水率下降。煙絲在滾筒出口附近的含水率約為8%～12%。

圖8 滾筒內(nèi)軸向垂直切面煙絲水分分布Fig.8 Cut tobacco moisture distribution inside cylinder along axial vertical section

3 滾筒干燥機(jī)變工況分析

3.1 熱風(fēng)溫度對水分分布的影響

在保證筒體轉(zhuǎn)速和筒壁溫度不變時(shí)，選擇進(jìn)口熱風(fēng)溫度為80、100 和120 ℃進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖9所示。煙絲進(jìn)入滾筒在筒壁和熱風(fēng)的作用下升溫，此時(shí)煙絲中的水分開始蒸發(fā)。隨著進(jìn)口熱風(fēng)溫度升高，煙絲和熱風(fēng)的初始溫度升高，有利于煙絲中水分更快地蒸發(fā)［16］。在相同筒壁溫度條件下，由于后半段筒內(nèi)環(huán)境達(dá)到類似的飽和狀態(tài)，筒內(nèi)后半段空氣會(huì)逐漸被筒壁加熱，溫度逐漸接近壁溫，因此進(jìn)口風(fēng)溫的改變并未對滾筒出口處的平衡含濕量產(chǎn)生顯著影響。滾筒前0.5 m 為預(yù)熱段，含濕量變化緩慢，提高進(jìn)口熱風(fēng)溫度能加快預(yù)熱效果。水分蒸發(fā)主要發(fā)生在0.45～1.05 m，在1.2 m處3個(gè)溫度的含濕量（單位質(zhì)量干空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量）均為9 g/kg 左右，蒸發(fā)階段水分濃度與進(jìn)口熱風(fēng)溫度成正比，趨于穩(wěn)定后3個(gè)含濕量值接近。綜上所述，熱風(fēng)溫度提高可以加快水分的蒸發(fā)。

圖9 不同進(jìn)口熱風(fēng)溫度對筒內(nèi)氣體含濕量的影響Fig.9 Effect of hot air temperature at inlet on air moisture content inside cylinder

3.2 熱風(fēng)流速對水分分布的影響

在保證進(jìn)口熱風(fēng)溫度和滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，分析了不同熱風(fēng)流速對煙絲干燥過程的影響，結(jié)果如圖10所示。風(fēng)速為0.2 m/s 時(shí)，水分蒸發(fā)主要發(fā)生在0.45～1.05 m，將熱風(fēng)流速從0.2 m/s 增加到0.5 m/s，由于熱風(fēng)流速增加使煙絲在進(jìn)入滾筒干燥機(jī)后更加分散，預(yù)熱效果更優(yōu)，前段水分濃度明顯升高，預(yù)熱階段含濕量就達(dá)到6 g/kg。與此同時(shí)，增加的風(fēng)量也稀釋了水分濃度，出口含濕量值低于0.2 m/s的出口含濕量。但大幅增加熱風(fēng)流速會(huì)降低煙絲在滾筒內(nèi)的停留時(shí)間，導(dǎo)致煙絲中水分受熱蒸發(fā)時(shí)間減少，從而造成干燥效果下降。繼續(xù)將熱風(fēng)流速提高到1.0 m/s，由于煙絲密度較低，煙絲隨著氣流進(jìn)入干燥機(jī)后繼續(xù)呈拋物線運(yùn)動(dòng)一段距離，導(dǎo)致預(yù)熱階段煙絲無法和滾筒壁面充分換熱，因此滾筒前段的煙絲無法和滾筒壁面充分換熱，滾筒前段的煙絲含濕量降低。在1.0 m/s 風(fēng)速下，滾筒內(nèi)的水分濃度基本呈線性變化，中間蒸發(fā)段的蒸發(fā)速率低于0.2 m/s時(shí)的蒸發(fā)速率。此外，增加熱風(fēng)流速會(huì)加快滾筒干燥機(jī)內(nèi)水分排出，造成整體水分濃度略微下降。

圖10 不同進(jìn)口熱風(fēng)流速對筒內(nèi)氣體含濕量的影響Fig.10 Influence of hot air velocity at inlet on air moisture content inside cylinder

3.3 筒壁溫度對水分分布的影響

在保證其他條件不變時(shí)，分別設(shè)置筒壁溫度為80、110和130 ℃，分析筒壁溫度對煙絲干燥的影響，結(jié)果見圖11。筒壁溫度升高對于滾筒前0.5 m 段水分蒸發(fā)影響并不明顯，這是由于入口段煙絲溫度較低，水分蒸發(fā)過程比較緩慢。隨著熱風(fēng)和煙絲溫度達(dá)到水分蒸發(fā)溫度，過高的筒壁溫度可以繼續(xù)加熱煙絲促使更多水分蒸發(fā)，可以看到筒壁溫度為80 ℃時(shí)，整個(gè)干燥過程水分蒸發(fā)速率均保持線性，在靠近出口處蒸發(fā)速率也未出現(xiàn)110 ℃和130 ℃的減緩現(xiàn)象，推斷在80 ℃壁溫條件下，筒內(nèi)達(dá)到平衡時(shí)的物料溫度較低，因此水分蒸發(fā)速率相比于110 ℃和130 ℃較低，從而導(dǎo)致最終的筒內(nèi)含濕量偏低。

圖11 不同筒壁溫度對筒內(nèi)氣體含濕量的影響Fig.11 Influence of cylinder wall temperature on air moisture content inside cylinder

3.4 滾筒轉(zhuǎn)速對水分分布的影響

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)停留時(shí)間隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加呈指數(shù)型降低［8］，而停留時(shí)間長短對物料干燥有重要影響。在保證熱風(fēng)流速、熱風(fēng)溫度和滾筒壁溫恒定條件下，分別設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速為6、9 和12 r/min 進(jìn)行研究，結(jié)果見圖12。隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，筒內(nèi)水分含量呈降低趨勢，說明隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提升，干燥過程中煙絲中蒸發(fā)出來的水分減少。原因是滾筒轉(zhuǎn)速提高增加了煙絲的拋灑頻率，減少了煙絲與筒壁的接觸時(shí)間，煙絲無法獲得足夠熱量。此外提高滾筒轉(zhuǎn)速導(dǎo)致煙絲隨筒壁做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間減少，并在氣流作用下煙絲向出口的運(yùn)動(dòng)加快，從而降低了煙絲在筒內(nèi)的停留時(shí)間［18］，因而滾筒干燥機(jī)內(nèi)的水分含量降低。

圖12 不同滾筒轉(zhuǎn)速對筒內(nèi)氣體含濕量的影響Fig.12 Effect of rotation speed of cylinder on air moisture content inside cylinder

4 結(jié)論

針對煙絲在滾筒干燥機(jī)內(nèi)干燥過程的影響，分別對進(jìn)口熱風(fēng)溫度、進(jìn)口熱風(fēng)流速、筒壁溫度和滾筒轉(zhuǎn)速對干燥過程中筒內(nèi)水分分布的影響展開研究。結(jié)果表明，煙絲在進(jìn)入滾筒后在抄板的旋轉(zhuǎn)作用下先隨著筒壁運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一定的高度后被拋灑，在該過程中煙絲會(huì)與滾筒壁面和進(jìn)口熱風(fēng)進(jìn)行熱量交換，煙絲的溫度逐漸升高，其中煙絲水分開始變?yōu)闅鈶B(tài)進(jìn)入熱風(fēng)中。在進(jìn)口熱風(fēng)的作用下，煙絲在不斷的拋灑過程中向出口方向運(yùn)動(dòng)，水分蒸發(fā)過程主要發(fā)生在滾筒的前中部，空氣的溫度在蒸發(fā)開始后呈現(xiàn)下降趨勢。滾筒內(nèi)溫度在徑向上的分布為近壁面到滾筒中心溫度逐漸下降，垂直方向上表現(xiàn)為下部的溫度高于上部。濕度在水分蒸發(fā)時(shí)變化明顯，并隨著干燥過程的進(jìn)行，濕度不斷增加，筒內(nèi)濕度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

模擬研究表明，提高進(jìn)口熱風(fēng)溫度可以加強(qiáng)干燥過程，進(jìn)口熱風(fēng)速度對干燥過程影響顯著，通過影響煙絲在筒內(nèi)的停留時(shí)間和帶入筒內(nèi)的熱量影響干燥過程，合適的進(jìn)口熱風(fēng)速度能快速帶走煙絲中蒸發(fā)的水分，降低滾筒內(nèi)的水分濃度。筒壁溫度直接影響煙絲溫度變化和筒內(nèi)的平衡含濕量，進(jìn)而滾筒內(nèi)部濕度隨著筒壁溫度升高而升高。滾筒轉(zhuǎn)速對煙絲在滾筒內(nèi)的停留時(shí)間影響顯著，但幾乎不影響筒內(nèi)軸向的氣流速度。該研究結(jié)果為滾筒內(nèi)煙絲干燥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供依據(jù)，期望能減少干燥過程能量損失和提升煙絲干燥生產(chǎn)效率。