滾筒加料機內(nèi)物料流動特性及正交試驗研究

李 俏

（廣東理工學院 智能制造學院，廣東肇慶 526100）

0 引言

對煙葉進行加香加料是卷煙生產(chǎn)的一道重要工序，其加料工藝過程具有一定的復雜性，煙葉與料液的混合好壞直接影響卷煙的質量。因此，對加料機內(nèi)煙葉、料液與空壓氣的混合流動特性的研究對提高卷煙生產(chǎn)質量有著重要的意義。沈選舉[1]應用ANSYS/FLOTRAN分析軟件以及相關理論對6 400 kg/h的煙草膨脹設備進行了結構優(yōu)化，基于對其內(nèi)流場數(shù)值模擬與研究得出了內(nèi)流場各種特性的云圖分布圖，得出最為理想的結構形式。周暉等[2]應用CFD對煙絲的輸送過程進行了數(shù)值模擬研究，為了得到氣力輸送煙絲的流動狀態(tài)與管壁上的壓力分布，通過對比不同實際工況如輸送風速下的分布規(guī)律，得出最優(yōu)分布規(guī)律，研究結果可改善氣力輸送煙絲工作參數(shù)以及優(yōu)化設計。王棟梁等[3]對三維軟件建立的加料機模型，運用CFD軟件基于歐拉-歐拉數(shù)值模型，根據(jù)實際工況設置對應的邊界條件，對其進行了結構內(nèi)流場仿真模擬。唐向陽等[4]對三維軟件建立的煙草雜物剔除器結構，運用CFD仿真技術構建了流場數(shù)值仿真模型，通過對比4種不同工況下結構內(nèi)的壓力與速度分布規(guī)律，研究結果認為在整個煙草雜物剔除器系統(tǒng)里的風壓部分至關重要。

本文運用CFD/FLUENT仿真模擬技術對滾筒正常溫度下煙葉、空壓氣以及料液的加料流動特性進行模擬，主要研究加料機內(nèi)煙葉濃度分布、料液顆粒運動軌跡及質量濃度分布，通過正交試驗確定影響物料混合流動特性因素的影響順序和最優(yōu)組合，為加料多相流流動特性分析和煙葉加料裝置優(yōu)化設計提供一定的參考價值[5]。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以云南省昆明某卷煙廠滾筒式一級加料機設備為研究對象，根據(jù)在生產(chǎn)一線現(xiàn)場測量的加料機尺寸參數(shù)及其結構特征，考慮研究內(nèi)容主要是分析滾筒加料機內(nèi)部三相流場運動特性，使用三維軟件UG主要建立加料工藝執(zhí)行部分滾筒加料機三維結構模型，包括加料滾筒、耙釘與加料噴嘴，滾筒直徑2 150 mm；滾筒長度5 000 mm；滾筒傾斜角度1～3°。加料噴嘴劃分網(wǎng)格時，忽略倒角和倒圓等幾何特征，簡單處理局部形狀不規(guī)則的部位。考慮旋轉邊界參數(shù)變化劇烈，劃分網(wǎng)格時設置邊界層，單元數(shù)量為3 038 928。滾筒加料機的三維結構與網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 加料機的三維結構與網(wǎng)格圖Fig.1 3D structure and mesh chart of the feeder

1.2 模擬工藝參數(shù)

滾筒內(nèi)部物質流動特性受各工藝參數(shù)影響，因此，對滾筒內(nèi)部加料工藝過程的仿真基于一級加料設備實際生產(chǎn)線的各性能參數(shù)，如表1所示。

表1 設備性能參數(shù)Tab.1 Equipment performance parameters

通過從某卷煙廠現(xiàn)場對煙葉葉片任意采集的數(shù)據(jù)，對其進行統(tǒng)計分類，如表2所示。煙葉形狀不規(guī)則，其中長條形形狀所占比例最大，因此，設置煙葉葉片等效為同等體積下的球形顆粒進行理論仿真模擬。根據(jù)固體顆粒自由懸浮速度的不規(guī)則形狀的修正系數(shù)規(guī)則[6]，以及對煙葉葉片實際尺寸的測量統(tǒng)計，可得煙葉顆粒的工況參數(shù)。

表2 煙葉形狀分類Tab.2 Tobacco leaf shape classification

根據(jù)上述模擬設備工藝參數(shù)，設置邊界條件：各相速度在進口處均勻分布，壓力在進口處設置為0.25 MPa，水力直徑設置為0.1 m，壁面設置為無滑移。假定煙葉顆粒與液滴接觸后，經(jīng)過壁面時反彈，旋轉到加料機進料端時停止相互作用，料液被煙葉吸附。模擬溫度條件設置為工藝風溫度50 ℃。通過FLUENT15軟件對數(shù)值模型進行求解，應用二階迎風格式，收斂標準定為因子的殘差為10-5時模擬計算結束。模擬工況見表3。

表3 模擬工況Tab.3 Simulation conditions

1.3 物理模型

在建模過程中的基本假設：料液、空壓氣為連續(xù)相，煙葉顆粒為分散相，在質量、動量和能量平衡前提下，結合雙流體模型及粒子分散模型，在Lagrange坐標系中計算顆粒相；基于雙流體模型，在Euler坐標系中，計算在煙葉顆粒作用下的其他兩相流的流動情況[7-8]?；谏鲜龌炯僭O，計算物理模型應用多相流模型和湍流模型。

2 計算結果及討論

2.1 煙葉濃度分布

2.1.1 加料機轉速對煙葉濃度分布的影響

基于正交試驗方法對加料機的混合流動特性進行模擬，煙葉顆粒粒徑為10 mm，煙葉容積率為35%時，不同加料機轉速工況下Z=0 mm斷面上、加料機耙釘壁上煙葉濃度分布如圖2所示。

圖2 不同滾筒轉速時Z=0 mm斷面及加料機與耙釘壁煙葉濃度分布圖Fig.2 Distribution diagrams of Z=0 mm section and tobacco leaf concentration in the drum and the nail wall at different drum speeds

煙葉濃度在不同加料機轉速下分布相似，且大部分煙葉濃度集中在下側壁上。隨著加料機轉速的提高，上側壁上的煙葉濃度分布增加，下側壁上的煙葉濃度含量亦增加，耙釘周圍、加料機壁與中間分布規(guī)律不均勻。

2.1.2 煙葉容積率對煙葉濃度分布的影響

煙葉顆粒粒徑10 mm，加料機轉速9 rad/min時，不同加料機轉速工況下，Z=0 mm斷面上、加料機與耙釘壁煙葉濃度分布如圖3所示。

圖3 不同煙葉容積率時Z=0 mm斷面與加料機與耙釘壁上煙葉濃度分布圖Fig.3 Distribution diagram of tobacco leaf concentration on the Z=0 mm section and the wall of the drum and the nail wall at different tobacco leaf volume ratios

不同煙葉容積率下，對煙葉濃度分布影響與不同加料機轉速的結果相似。隨著煙葉容積率的增大，煙葉從加料機下端及加料機上側壁區(qū)域逐漸向上端轉移分布。此外，加料機上下側壁與耙釘周圍的煙葉濃度分布，與煙葉容積率的增大不成正相關，在煙葉容積率較小時，整個加料機壁煙葉分布更均勻，且上側壁煙葉分布更多?？傮w分析，煙葉濃度易于聚集的區(qū)域變化不明顯。

2.2 液滴運動軌跡分布及濃度分布

2.2.1 加料機轉速對液滴運動軌跡分布及濃度分布的影響

煙葉顆粒粒徑為10 mm，煙葉容積率為35%時，不同加料機轉速工況下，整個區(qū)域液滴運動軌跡分布及質量分布如圖4所示。料液從噴嘴噴出后，其運動軌跡毫無規(guī)律可循。當加料機轉速較小時，加料機旋轉更適應液滴的運動，液滴顆粒更接近加料機的運動方程。且在加料機轉速為9 rad/min時，料液廣泛分布在加料機內(nèi)，能有更大面積與煙葉混合，混料更均勻。

圖4 不同轉速時加料機整個區(qū)域液滴運動軌跡及質量濃度分布圖Fig.4 The droplet motion trajectory and mass concentration distribution diagram of the whole area of the drum at different speeds

由料液質量濃度圖可得，其分布情況與運動軌跡規(guī)律相似，隨著加料機轉速的增大，料液更多分布在加料機內(nèi)上側壁。料液從噴嘴噴出后，在加料機內(nèi)形成大量液膜，液膜順著其運動軌跡流動，有利于煙葉、料液與空壓氣三相的傳送介質以及傳送熱量過程。

2.2.2 煙葉容積率對液滴運動軌跡分布及濃度分布的影響

煙葉顆粒粒徑10 mm，加料機轉速9 rad/min時，不同加料機轉速工況下，整個區(qū)域液滴運動軌跡分布及質量分布如圖5所示。煙葉容積率越小，液滴運動軌跡越趨向于加料機上側壁。隨著煙葉容積率增大，液滴向加料機中間運動，分布范圍更廣。

圖5 不同煙葉容積率時加料機整個區(qū)域液滴運動軌跡及質量濃度分布圖Fig.5 The droplet motion trajectory and mass concentration distribution diagram of the whole area of the drum under different volumetric ratios of tobacco leaves

3 正交試驗

在煙葉加料加工的實際工況中，煙葉與料液相互作用面積是主要關注的特性之一，是各影響因素相互作用的結果。各影響因素對加料機混合流動特性的作用不同，表明需要對影響大小進行排序并得出最優(yōu)組合[12]。采用正交試驗方法制定試驗方案[13-17]，研究各影響因素對加料機內(nèi)流動特性的影響順序和最優(yōu)組合。

以減少煙葉廢料與提高料液利用率為評價煙葉和料液混合效果的關鍵參考指標，選取3個試驗因素，分別為加料機轉速、煙葉體積分數(shù)及煙葉顆粒粒徑，對每個因素取3個水平，以煙葉濃度分布為評價指標。正交試驗選取的影響因素水平與試驗結果見表4。

表4 加料機流動特性的影響因素水平與正交試驗結果Tab.4 The level of influencing factors and orthogonal experimental results of the flow characteristics of the feeder

由表4可得，對加料機內(nèi)煙葉與料液相互作用面積影響最大的是煙葉顆粒粒徑，這一因素在實際運行時應重點考慮，其他因素影響大小的排序：煙葉顆粒粒徑＞加料機轉速＞煙葉容積率。且模擬工況下的最優(yōu)組合：加料機轉速9 rad/min、煙葉容積率35%、煙葉顆粒粒徑10 mm。

4 試驗驗證及討論

為驗證上述正交試驗法得出的最優(yōu)組合在實際生產(chǎn)應用中的可行性及有效性，以某卷煙廠某制絲加料工藝生產(chǎn)設備進行試驗驗證，試驗工況設置為表4。由于實際生產(chǎn)線上測量料液濃度存在裝置體積大、不利于固定等問題，故在試驗驗證中主要從料液的利用率、加料的均勻性與煙葉的損耗量3個指標來進行驗證[18-19]。其中料液的利用率與加料均勻性依據(jù)YC/T353-2010《卷煙加料均勻性的測定》，以檢測加料后片煙樣品中1，2-丙二醇的量來表征上述兩指標；煙葉的損耗量以加料后加料機內(nèi)片煙粘附情況得出。

由試驗結果表5可知，各試驗工況結果排序與數(shù)值仿真、正交試驗吻合較好，試驗5即上述最優(yōu)組合工況的試驗結果指標最好，進一步驗證了數(shù)值計算方法的合理性與實用性。其中圖6給出最優(yōu)組合工況與工況5下的煙片粘附及損耗圖對比，其煙片損耗有明顯的降低。

表5 試驗結果Tab.5 Experimental results

圖6 煙片粘附及損耗對比Fig.6 Comparison of cigarette adhesion and loss

5 結語

（1）在模擬工況下，加料機轉速與煙葉容積率對煙葉濃度分布的影響規(guī)律相似。

（2）加料機轉速、煙葉容積率及煙葉顆粒粒徑對煙葉與料液相互作用面積影響大小的排列：煙葉顆粒粒徑＞加料機轉速＞煙葉容積率。在各影響因素的最優(yōu)組合下，液滴對滾筒旋轉運動適應性最好，在滾筒內(nèi)分布區(qū)域最大，與煙葉相互作用面積最大。

（3）試驗結果與數(shù)值計算結果吻合良好，驗證了數(shù)值計算方法的合理性與實用性。所建立的數(shù)值模型可為制絲加料過程性能特性研究提供參考，優(yōu)化結果對加料工藝效果有明顯提升，給企業(yè)實際生產(chǎn)提供借鑒與參考。