松散潤(rùn)葉筒三維傳熱傳質(zhì)過程數(shù)值模擬

沈凱,潘凡達(dá),李旭,樊虎,徐超,韓玉峰,詹望成,金浩

1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,浙江 杭州 310024;2.華東理工大學(xué) 化學(xué)工程系,上海 200237

0 引言

松散潤(rùn)葉筒是制絲生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一,通過對(duì)運(yùn)輸、儲(chǔ)存后的干燥煙葉進(jìn)行加溫、加濕、松散,提高其韌性和耐加工性,對(duì)最終卷煙成品的品質(zhì)具有重要影響[1-2]。

目前煙草行業(yè)內(nèi)對(duì)潤(rùn)葉工序的研究主要集中在其對(duì)煙葉常規(guī)化學(xué)、致香成分和感官品質(zhì)的影響[3-5],對(duì)于松散潤(rùn)葉機(jī)的研究主要集中于設(shè)備改進(jìn)、工藝精準(zhǔn)控制及筒內(nèi)煙葉的運(yùn)動(dòng)軌跡等。靳毅等[6]建立了PID反饋控制模型,根據(jù)目標(biāo)偏差值調(diào)節(jié)煙葉流量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)出口含水率的反饋控制,提高了各批次松散回潮的均勻性;周群華等[7]在循環(huán)熱風(fēng)旁通管路上安裝角行程執(zhí)行器,使熱風(fēng)溫度過程控制CPK值達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn);張?zhí)祗A等[8]提出了一種基于紅外圖像邊緣檢測(cè)對(duì)潤(rùn)葉過程中煙葉運(yùn)動(dòng)軌跡的分析方法,拍攝了煙葉瞬態(tài)和軌跡圖像;劉棟等[9]以CO2膨脹煙絲為示蹤物,運(yùn)用負(fù)階躍示蹤法研究滾筒內(nèi)煙絲停留時(shí)間分布情況;周凱敏等[10]提出一種滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲滯留時(shí)間數(shù)學(xué)模型,并利用離散元數(shù)值仿真模擬研究各工藝參數(shù)對(duì)滯留時(shí)間的影響,得出不同工藝條件對(duì)煙絲滯留時(shí)間的影響大小依次為傾角>半徑>轉(zhuǎn)速>長(zhǎng)度>風(fēng)速。

目前,涉及松散潤(rùn)葉筒內(nèi)熱量和質(zhì)量傳遞的數(shù)值模擬研究鮮有報(bào)道。鑒于此,本文擬采用Euler/Euler/Lagrange模型[11]模擬氣液固多相湍流流動(dòng),在Euler坐標(biāo)系中考查氣固兩相運(yùn)動(dòng),在Lagrange坐標(biāo)系中考查噴霧液滴運(yùn)動(dòng)[12],研究筒體傾角和噴霧噴射角對(duì)松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部溫度和煙葉含水率分布的影響,以期為松散潤(rùn)葉設(shè)備改進(jìn)和優(yōu)化操作提供理論參考。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 幾何模型

松散潤(rùn)葉筒主要由進(jìn)料口、筒體、抄板、噴霧、出料罩等部分組成,數(shù)值模擬過程中所用的松散潤(rùn)葉筒幾何模型如圖1所示。由圖1可知,松散潤(rùn)葉筒的筒體直徑為1750 mm,長(zhǎng)度為7000 mm,水平向下傾斜角為3°,筒體內(nèi)設(shè)置短釘和抄板。煙葉通過輸送帶從左側(cè)煙葉進(jìn)料口進(jìn)入潤(rùn)葉筒,依靠潤(rùn)葉筒傾角、旋轉(zhuǎn)及自身重力的作用,向右側(cè)X軸正方向運(yùn)動(dòng),從出料罩底部輸出[11]。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的松散潤(rùn)葉筒中設(shè)置7個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)(見圖2),其中A、B、C、D、E截面處(距入口距離X分別為2 m、3 m、4 m、5 m和6 m)設(shè)置熱電偶(熱電偶型號(hào)HMR1010,杭州佐格通信設(shè)備有限公司,溫度測(cè)量精度±0.1 K),檢測(cè)該截面氣相溫度。F為循環(huán)氣相出口處溫度,G為煙葉出口處溫度。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 控制方程1)守恒方程[13-14]

質(zhì)量守恒方程為

式中:ρ為流體密度/(kg·m-3);ui為i方向上的速度分量(i=1,2,3)/(m·s-1);t為時(shí)間/s;xi為坐標(biāo)分量。

動(dòng)量守恒方程為

式中:p為流體作用于微元體上的壓力/Pa;uj為j方向上的速度分量(j=1,2,3)/(m·s-1);μ為流體黏性系數(shù)/(Pa·s-1);xi為坐標(biāo)分量。

能量守恒方程為

式中:cp為比熱容/(J·(kg·K)-1);λ為流體的傳熱系數(shù)/(W·(m·K)-1);T為溫度/K。

2)Realizablek-ε湍流模型的湍動(dòng)能和耗散率方程

由于Realizablek-ε湍流模型考慮了旋轉(zhuǎn)和曲率[15],相比其他湍流模型更精確,故本文采用Realizablek-ε湍流模型,方程如下:

湍流動(dòng)能方程(k方程)

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

耗散方程(ε方程)

圖1 松散潤(rùn)葉筒幾何模型Fig.1 Model of moistening cylinder

1.2.2 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分對(duì)仿真的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。使用ICEM CFD軟件對(duì)物理模型計(jì)算域進(jìn)行松散潤(rùn)葉筒網(wǎng)格劃分(如圖3所示),采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,抄板和短釘局部加密。為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性,將網(wǎng)格數(shù)分為994 505、1 812 437和3 379 639,網(wǎng)格正交質(zhì)量大于0.35。當(dāng)工況一定時(shí),對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證,得到松散潤(rùn)葉筒軸線處氣相的溫度分布,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為1 812 437和3 379 639時(shí),沿軸線的氣相溫度分布基本相同,因此網(wǎng)格數(shù)選用1 812 437即可符合要求。

圖2 檢測(cè)點(diǎn)位置分布Fig.2 Location distribution of inspection points

圖3 松散潤(rùn)葉筒網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of tobacco leaf moistening cylinder

1.2.3 邊界條件和數(shù)值計(jì)算方法根據(jù)某廠松散潤(rùn)葉筒的實(shí)際工況運(yùn)行參數(shù),設(shè)定計(jì)算模型的邊界條件及參數(shù)設(shè)置(見表1)。設(shè)置模擬煙葉密度為1100 kg/m3,煙葉比熱容為1680 J/(kg·K),煙葉初始溫度為298.2 K,煙葉初始含水率為12.00%[16]。噴霧采用壓力旋流噴嘴霧化模型,噴霧噴射角為45°;松散潤(rùn)葉筒進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),速度為10 r/min,筒體傾角為3°。

為簡(jiǎn)化計(jì)算量,對(duì)模型作如下假設(shè):1)松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部各氣體均為不可壓縮的理想流體;2)松散潤(rùn)葉筒壁面均為絕熱壁面,忽略其熱損失;3)松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部溫度不高,因此忽略輻射傳熱。

在ANSYS Fluent19.2中進(jìn)行數(shù)值求解,計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)全隱式求解器,瞬態(tài)項(xiàng)格式為二階精度迎風(fēng)式,壓力-速度耦合采用 SIMPLE 算法,收斂性和速度殘差均為 10-3,能量殘差為10-6,迭代步長(zhǎng)為 0.01 s,每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代次數(shù)為20次[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)下的溫度場(chǎng)特征

2.1.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證由于計(jì)算出的溫度云圖剖面上有溫度分布,本文直接選取垂直剖面中間9個(gè)點(diǎn),取平均值求得該區(qū)域的氣相(煙葉與液態(tài)水的混合物)溫度;同時(shí),在煙葉相中取6個(gè)點(diǎn)取平均數(shù)得煙葉溫度。取樣點(diǎn)位置如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

表1 邊界條件及參數(shù)設(shè)置Table 1 Boundary conditions and parameter settings

根據(jù)模擬計(jì)算松散潤(rùn)葉筒溫度分布,提取并計(jì)算各截面溫度及兩處出口處溫度(出口F、G溫度亦取管道平均值)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)應(yīng)位置處熱電偶所測(cè)得數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,以進(jìn)行可靠性驗(yàn)證,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,總體上溫度的絕對(duì)誤差小于4.0 K,各檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差小于1%,平均絕對(duì)誤差為2.0 K,平均相對(duì)誤差為0.6%,模擬值與檢測(cè)值吻合。因此,本文所建立的CFD模型可以用于松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部的溫度場(chǎng)模擬。

2.1.2 松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部溫度場(chǎng)特征溫度分布云圖如圖7所示。由圖7可知,進(jìn)口處水蒸氣和霧化水溫度為373.2 K,進(jìn)料口煙葉溫度為298.2 K,在松散潤(rùn)葉筒進(jìn)口處垂直方向上有較大的溫差,上部溫度高于下部。

圖5 數(shù)值模擬中溫度測(cè)量取樣點(diǎn)Fig.5 Temperature measurement sampling points in numerical simulation

圖6 可靠性驗(yàn)證Fig.6 Reliability verification

圖7 溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution nephogram

在松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部,上部氣相溫度較高且分布均勻;在煙葉向出口方向運(yùn)動(dòng)的過程中,煙葉與氣相發(fā)生對(duì)流傳熱,溫度逐步升高,在松散潤(rùn)葉筒中后部煙葉溫度趨近于氣相溫度,垂直方向上溫度分布趨于均勻。煙葉相在計(jì)算中先簡(jiǎn)化成位于潤(rùn)葉筒底部。由于內(nèi)部發(fā)生熱傳導(dǎo)的速率較慢,垂直方向上也存在一定的溫度梯度。

氣相和煙葉溫度曲線如圖8所示。由圖8a)可知,氣相溫度隨著軸向位置呈現(xiàn)分段變化,在X為0～4 m段氣相溫度迅速升高,且升高的速率越來越慢,最終溫度達(dá)到341.0 K左右;在X為4～7 m段,氣相溫度基本保持不變,約為341.0 K。煙葉的初始溫度為298.2 K,X軸方向上煙葉溫度穩(wěn)步上升,最終出料口煙葉溫度達(dá)326.3 K,與實(shí)測(cè)值(333.2 K)相比,其相對(duì)誤差在2.1%以內(nèi)。

圖8 氣相和煙葉溫度曲線圖Fig.8 Gas phase and tobacco leaf temperature curve

因此,松散潤(rùn)葉筒不采用換熱器的冷熱流體逆流操作加大溫差和傳熱速率,而用并流操作維持向煙葉相對(duì)穩(wěn)定的傳熱、傳質(zhì)。

2.1.3 氣相與煙葉相之間的對(duì)流傳熱氣-固兩相之間的熱流密度計(jì)算公式如下:

q=h×(tf-tw)

式中,q為單位面積上兩相之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量,稱作熱流密度/(W·m-2);h為表面對(duì)流傳熱系數(shù)(W·(m2·K)-1);tf、tw分別為流體和煙葉相表面的溫度/K。

本文模擬得到氣相與煙葉之間平均對(duì)流換熱系數(shù)為29.25 W/(m2·K)[17],松散潤(rùn)葉筒軸向熱流密度變化曲線如圖9所示。由圖9可知,熱流密度隨著軸向位置呈先升高后降低的階段式變化,在x=2.5 m處,熱流密度最高,達(dá)884.81 W/m2。由于松散潤(rùn)葉筒中部?jī)上嘀g溫差最大,可達(dá)30.3 K,因此,松散潤(rùn)葉筒中部位置在較大的傳熱推動(dòng)力下熱流密度最高,傳熱效果最好。

圖9 松散潤(rùn)葉筒軸向熱流密度變化曲線Fig.9 Variation curve of axial heat flow density of moistening cylinder

2.2 松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部煙葉分布云圖分析

煙葉分布云圖如圖10所示。由圖10可知,煙葉相進(jìn)入筒體后主要集中在筒體下半部,在筒體傾角的作用下,向X軸正方向運(yùn)動(dòng),最終從出料罩底部排出。

進(jìn)料口煙葉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.88,煙葉含水率12.00%。隨著煙葉相運(yùn)動(dòng),水蒸氣和霧化水持續(xù)向煙葉相傳質(zhì),煙葉含水率逐漸升高。由于噴頭指向右邊,故右側(cè)煙葉含水率較高,如X=4處截面。在煙葉相向X正方向運(yùn)動(dòng)過程中,混合物逐漸趨向均勻分布。

軸向煙葉含水率變化曲線如圖11所示,松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部軸向煙葉含水率由圖5中的6個(gè)點(diǎn)計(jì)算平均值得到。由圖11可知,在進(jìn)料口處,煙葉含水率為12.00%,軸向煙葉含水率呈遞增趨勢(shì),最后出料口煙葉平均含水率達(dá)到17.21%,接近實(shí)際生產(chǎn)中用烘箱法測(cè)得的18.20%,相對(duì)誤差小于5.8%。

2.3 筒體傾角對(duì)溫度分布和煙葉含水率的影響

選定噴霧噴射角為45°,探究筒體傾角分別為3°、5°、8°的不同工況下,松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部?jī)上鄿囟群秃实淖兓?/p>

圖10 煙葉分布云圖Fig.10 Cloud chart of tobacco leaf concentration distribution

圖11 軸向上煙葉含水率變化曲線Fig.11 Change curve of moisture content of tobacco leaves in axial direction

筒體傾角與溫度、含水率關(guān)系如圖12所示。由圖12a)可知,不同筒體傾角工況下,筒內(nèi)氣相溫度在同一位置的波動(dòng)差異很小;隨著傾角的減小,煙葉溫度升高速率加快,當(dāng)傾角為3°時(shí),終端煙葉溫度最高可達(dá)326.3 K。說明在傾角較小的情況下,物料停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),使煙葉與氣相間的換熱更為充分。由圖12b)可知,煙葉含水率呈分段式變化, 在X為0～1 m段,不同傾角下煙葉含水率基本維持不變,說明在這一階段加濕效果不明顯;在X為1～7 m段,筒體傾角越小,煙葉含水率越大,說明傾角較小時(shí),停留時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng),煙葉能從氣相中獲得更多的水分。

煙葉進(jìn)出口溫差和含水率差如圖13所示。由圖13可知,傾角越小,其溫差和含水率差越大。其原因是,隨著筒體傾角變大,煙葉在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間縮短,傳熱和傳質(zhì)不充分,使煙葉溫度和含水量偏低。綜合考慮,筒體傾角選為3°。

圖12 筒體傾角與溫度、含水率關(guān)系Fig.12 Relation between barrel inclination and temperature, water content

圖13 煙葉進(jìn)出口溫差和含水率差Fig.13 Temperature and water content difference between tobacco leaf imports and exports

2.4 噴霧噴射角對(duì)溫度分布和煙葉含水率的影響

選定筒體傾角為3°,探究噴霧噴射角(分別為15°、30°、45°、60°、75°時(shí))對(duì)出料口煙葉含水率的影響。噴射角的定義如圖14所示。煙葉進(jìn)出口溫差和含水率差如圖15所示。由圖15可知,噴霧噴射角對(duì)滾筒內(nèi)部溫度分布沒有明顯影響,進(jìn)出口溫差均約為28.0 K,變化在1.0 K左右,相對(duì)誤差在5.3%以內(nèi)。在不同噴霧噴射角的條件下,煙葉進(jìn)出口含水率差均約為5%,出口含水率均為17%左右,變化幅度較小,相對(duì)誤差在5.7%以內(nèi)。由此可知,噴霧噴射角與煙葉溫度和含水率變化之間沒有明顯相關(guān)性,綜合考慮,噴淋裝置噴射角選為45°。

圖14 噴射角定義示意圖Fig.14 Schematic diagram of spray angle definition

圖15 煙葉進(jìn)出口溫差和含水率差Fig.15 Temperature and water content difference between tobacco leaf imports and exports

3 結(jié)論

以實(shí)際松散潤(rùn)葉筒為原型,采用 Fluent 仿真軟件對(duì)煙葉加濕過程進(jìn)行模擬,對(duì)溫度分布、煙葉含水率分布等進(jìn)行系統(tǒng)性分析,得到以下結(jié)論:

1)松散潤(rùn)葉筒內(nèi)氣相溫度數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合,各檢測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)誤差小于1%,平均絕對(duì)誤差為2.0 K,平均相對(duì)誤差為0.6%,所建立的模型真實(shí)有效。

2)通過計(jì)算得到松散潤(rùn)葉筒內(nèi)的溫度場(chǎng)分布,軸向氣相溫度在X=0～4 m段迅速升高,后半段穩(wěn)定在341.0 K左右,平均相對(duì)誤差小于0.6%;煙葉溫度穩(wěn)步上升,最終出料口煙葉溫度達(dá)到326.3 K,相對(duì)誤差在2.1%以內(nèi);氣相和煙葉間的熱流密度沿軸向先升高后降低,在X=2.5 m處,熱流密度最高,達(dá)884.81 W/m2。

3)松散潤(rùn)葉筒內(nèi)初始煙葉含水率為12.00%,隨著煙葉向出口移動(dòng),霧化水和氣相中水蒸氣向煙葉傳質(zhì),含水率逐步升高,最終出料口煙葉含水率達(dá)17.21%,相對(duì)誤差在5.8%以內(nèi)。

4)依據(jù)有效的模型選取松散潤(rùn)葉筒最優(yōu)操作工況,當(dāng)筒體傾角為3°、噴霧噴射角為45°時(shí),煙葉加濕加熱效果最佳,出口煙葉含水率達(dá)17.21%,溫度達(dá)到326.3 K。

本文對(duì)松散潤(rùn)葉筒內(nèi)部溫度場(chǎng)和煙葉含水率分布進(jìn)行了模擬和分析,為使松散潤(rùn)葉筒內(nèi)煙葉升溫加濕效果更好,除了優(yōu)化調(diào)整筒體傾角和噴霧噴射角之外,未來可改變抄板安裝角度、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速等方法來改善煙葉運(yùn)動(dòng)軌跡,也可以通過對(duì)煙葉運(yùn)動(dòng)軌跡的可視化計(jì)算,利用ANSYS軟件包中的ROCKY軟件對(duì)滾筒內(nèi)部煙葉顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。