滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲傳熱傳質(zhì)特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、干燥是一種傳統(tǒng)的操作工藝，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高、生產(chǎn)加工過程的需要，干燥技術(shù)被更廣泛的應(yīng)用于木制品的生產(chǎn)、食品的加工、糧食的存儲(chǔ)、藥品的制造等各個(gè)行業(yè)，現(xiàn)已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的生產(chǎn)手段。雖然干燥技術(shù)歷史悠久，但由于傳熱傳質(zhì)問題本身的復(fù)雜性，對干燥過程的研究一直落后于生產(chǎn)應(yīng)用，特別是對茶葉、煙絲等這類絲狀顆粒物料干燥過程的研究就更鮮于報(bào)道了。與此同時(shí)，隨著人們對此類產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，迫切需求一套更加先

2、進(jìn)的干燥方法來指導(dǎo)生產(chǎn)，因此，煙絲的干燥技術(shù)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　干燥的主要目的是為了去除物料中的水分，將熱量傳遞給物料并使水分從內(nèi)向外轉(zhuǎn)移是干燥的基本過程，因此，干燥技術(shù)的核心問題是熱、質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)移。在煙絲干燥領(lǐng)域，由于煙絲制品的特殊性以及干燥所用設(shè)備——滾筒烘絲機(jī)，使得干燥過程受多種因素的綜合影響，比如運(yùn)行方式、加熱方式、干燥氣流參數(shù)等，煙草加工企業(yè)對滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲傳熱傳質(zhì)特性缺乏深層次的認(rèn)識(shí)，目前的操作基本上是

3、按照經(jīng)驗(yàn)和慣例進(jìn)行，不利于深入發(fā)展，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法則會(huì)遇到工作量、財(cái)力方面的困難。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及多相流動(dòng)理論的完善，數(shù)值模擬方法日漸成為研究滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲傳熱傳質(zhì)問題的有效途徑，該法具有成本低、效率快、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，并可配合生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，詳細(xì)揭示干燥過程中煙絲含水率、溫度的變化規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)帶來一定的指導(dǎo)。因此，為了研究滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲傳熱傳質(zhì)特性及煙絲顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與停留時(shí)間等問題，本文通過計(jì)算機(jī)數(shù)

4、值模擬的方法，依照干燥基本原理、傳熱傳質(zhì)學(xué)、氣固兩相流動(dòng)等理論，對煙絲在滾筒烘絲機(jī)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程建立了質(zhì)量平衡方程、傳質(zhì)方程、傳熱方程、能量平衡方程等，并對穩(wěn)定段建立了描述顆粒運(yùn)動(dòng)與碰撞的軟球模型，分析研究了滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲顆粒的傳熱傳質(zhì)特性、煙絲顆粒的停留時(shí)間與其影響因素的關(guān)系等問題，編程開發(fā)了“滾筒烘絲機(jī)數(shù)值模擬系統(tǒng)”，便于日后人員應(yīng)用。獲得了以下結(jié)論:
　　(1)當(dāng)煙絲與干燥氣流在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)（順流情況下），煙絲

5、干燥過程存在著比較明顯的兩個(gè)階段:預(yù)熱段與恒速段。在預(yù)熱段，煙絲含水率下降速度相對較慢，傳質(zhì)進(jìn)程較弱，同時(shí)，煙絲溫度急劇上升，可達(dá)60℃以上;在恒速段，傳質(zhì)進(jìn)程明顯加強(qiáng)，煙絲含水率近乎線性下降，而溫度平緩上升，最終約為75℃左右。
　　(2)當(dāng)煙絲與干燥氣流在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)（逆流情況下），煙絲干燥過程存在著比較明顯的三個(gè)階段:預(yù)熱段、恒速段、降速段。在預(yù)熱段，煙絲并沒有被干燥，反而吸濕，含水率上升，同時(shí)升溫劇烈，但該階段持

6、續(xù)時(shí)間較短;進(jìn)入恒速段后，滾筒內(nèi)部的傳質(zhì)過程非常強(qiáng)烈，煙絲含水率急劇下降，溫度稍有下降后回升;在降速段。煙絲含水率仍在降低，但趨勢平緩，溫度仍在逐步上升，最終可達(dá)70℃左右。
　　(3)滾筒筒壁溫度是影響煙絲傳熱傳質(zhì)特性的重要因素，本文模擬了不同壁溫度(120℃、130℃、140℃)對煙絲傳熱傳質(zhì)特性的影響。結(jié)果表明，壁溫對煙絲含水率、溫度的影響均較明顯。隨著筒壁溫度的提高，同一時(shí)刻煙絲含水率降低，煙絲溫度升高，三種情況下煙絲最終

7、的含水率相差2％以上，溫度相差5℃左右。
　　(4)干燥氣流參數(shù)在一定程度上也影響著煙絲的傳熱傳質(zhì)特性。不同氣流流速、不同氣流初始濕度對煙絲傳熱傳質(zhì)特性的影響并不明顯，但氣流初始溫度對煙絲傳熱傳質(zhì)特性的影響較大，在氣流初始溫度為80℃、85℃、90℃三種條件下，溫度越高，同一時(shí)刻煙絲含水率越低，溫度也越低，三種情況下煙絲最終的含水率相差2％以上，溫度相差10℃左右。
　　(5)熱量流向及分配的計(jì)算結(jié)果顯示，煙絲干燥過程中，水

8、分汽化潛熱的需求量最大，占到總需熱量的47％左右，其次是干煙絲升溫需要的熱量，約為32％，其他熱量需求約為20％左右。滾筒內(nèi)熱量的傳遞過程絕大部分發(fā)生在了筒壁與煙絲之間，筒壁向煙絲傳遞的熱量占據(jù)了向煙絲總傳熱量的95％以上，而氣流傳給煙絲的熱量不足5％，說明在滾筒中，煙絲熱量的來源幾乎全是筒壁，煙絲獲得熱量的主要方式是與筒壁及抄板的接觸導(dǎo)熱，氣流只是起到加速傳質(zhì)、帶走水分的作用。
　　(6)影響煙絲顆粒在滾筒內(nèi)停留時(shí)間的主要因素有

9、滾筒傾角、滾筒轉(zhuǎn)速、抄板角度等。停留時(shí)間隨傾角的增加、轉(zhuǎn)速的提高、抄板角度的減小而縮短，其中，傾角是影響停留時(shí)間的主要因素。當(dāng)傾角從3°變化到7°時(shí)，停留時(shí)間縮短了5min左右，當(dāng)轉(zhuǎn)速從7r/min變化到13r/min時(shí)，停留時(shí)間縮短了2.5min左右，當(dāng)抄板角度從45°變化到90°時(shí)，停留時(shí)間縮短了2.5min左右。
　　(7)由于開展實(shí)驗(yàn)的困難性，模擬結(jié)果無法獲得更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的佐證，但與現(xiàn)有實(shí)際生產(chǎn)及經(jīng)驗(yàn)值吻合良好，雖然存在一