聶廣軍，劉文鋒，周紅審，郭 煌，陳 梅，張云倜，易寶軍，胡紅云，李陳巧，何 山，張耀華

1.湖北中煙工業(yè)有限責任公司，武漢市東西湖區(qū)?？诙?號 430040

2.華中農業(yè)大學工學院，武漢市洪山區(qū)獅子山街1號 430070

3.華中科技大學能源與動力工程學院，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)工序的生產效率和煙支品質，其中煙絲干燥是決定卷煙產品感官質量的關鍵環(huán)節(jié)。目前煙絲干燥主要采用滾筒干燥技術，在滾筒干燥過程中煙絲的物理、化學特性發(fā)生一系列變化，對卷煙產品的物理特性與感官品質有著顯著的影響［1-4］。過高的熱加工強度會降低煙絲中香味成分的含量，導致造碎增多、產品質量下降。目前的生產工藝依賴于現(xiàn)場技術人員的經驗，缺乏量化的表征指標。資文華等［5］發(fā)現(xiàn)熱風風速對干燥后煙絲質量影響最大。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有較大影響。段鹍等［7］建立了筒壁溫度與煙絲品質的關聯(lián)式。李朋等［8］建立了不同含水率煙絲在滾筒內的停留時間關系式。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。這些試驗研究可以在干燥過程中取樣，然而在實際滾筒干燥過程中獲取煙絲在滾筒內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驗方法建立不同操作條件與煙絲干燥品質間定量關系的難度。

相比試驗測量，數(shù)值模擬可以顯示滾筒內部的流動場和溫度場，有利于深入分析影響物料干燥過程的因素，已被廣泛運用于各種物料的干燥過程研究［10］。耿凡等［11］對滾筒內煙絲顆粒隨滾筒旋轉的混合行為開展了模擬研究，發(fā)現(xiàn)提高滾筒轉速有利于顆粒的混合且近壁區(qū)更均勻，采用box-chain 模型進一步分析了煙絲在滾筒中的停留時間與滾筒轉速和進風氣速的關系［12］。江威等［13］對比不同干燥設備結構內部流場的分布特點，提出增加兩組小型抄板可以優(yōu)化內部熱流分布。楊彬等［14］基于模擬結果分析了熱風風速和滾筒轉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)有滾筒設備的干燥效率提升以及設備改造提供幫助。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，解析熱風流速、熱風溫度、筒壁溫度和滾筒轉速等因素對干燥過程中水分的影響，為提高煙絲在滾筒內的干燥效率、避免過度干燥提供理論指導。

1 干燥裝置和數(shù)值介紹

1.1 裝置與建模

滾筒干燥機由煙絲進口、熱風進口、旋轉筒體、熱風出口和煙絲出口等裝置組成，旋轉筒體向出口方向傾斜，傾角為2°。滾筒干燥機的詳細參數(shù)如表1所示。由于煙絲干燥過程只發(fā)生在旋轉筒體內部，為了簡化模型便于計算，僅對旋轉筒體內部進行建模，簡化后的滾筒結構為筒壁、導料板與抄板。使用SolidWorks 完成三維建模，并在Ansys Mesh 中對干燥筒內部流體區(qū)域進行網格劃分，為保證計算精度并考慮模型計算效率，最終網格數(shù)量約為60萬，如圖1所示。

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

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

1.2 數(shù)學模型建立

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)介質假設，其滿足質量、動量和能量守恒方程，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）描述煙絲的運動行為，煙絲在氣固曳力、重力以及旋轉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 為時間；β為單位質量阻力；ρp為煙絲密度；ρg為空氣密度；Fx為附加加速度（力/單位煙絲質量）項。

在干燥過程中，煙絲中的水分會轉變?yōu)檎羝沟脽熃z質量下降，對于煙絲的質量變化：

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

水分吸收熱量變?yōu)檎羝倪^程也會影響煙絲的溫度，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，預約中心與入院準備中心緊密合作，利用患者辦理入院手續(xù)到入住病床的時間差，完成主要檢查。宣姝姝指出，這為醫(yī)院縮短術前等待時間、降低平均住院床日奠定了基礎。

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為普朗特數(shù)。

1.3 數(shù)值模型與邊界

采用重整化群（RNG）k-ε模型和標準壁面函數(shù)（Standard Wall Function）模擬滾筒內產生的氣相湍流，模擬過程中應考慮氣體與煙絲間的相互作用。使用組分輸運方程（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）描述顆粒運動，煙絲和H2O（液）的質量分數(shù)分別為0.79和0.21；蒸發(fā)組分（Evaporating Spcies）分別設置為不蒸發(fā)（not-vaporizing）和H2O。從煙絲進口按面（surface）類型注入煙絲。進口設置為速度進口，出口定義為壓力出口。由于滾筒通過旋轉帶動煙絲干燥，模擬中采用移動壁面（Moving wall）方法設置旋轉壁面，關于模擬條件與邊界設定的詳細參數(shù)如表2所示。并根據(jù)實驗通過用戶自定義（UDF）設置分段壁溫。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)與邊界設定Tab.2 Simulation parameters and boundary setting

2 模型的驗證與分析

2.1 試驗驗證

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

圖2 滾筒內各測量點濕度分布情況Fig.2 Humidity distribution at measuring points inside cylinder

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

2.2 氣相模擬結果

2.2.1 筒內溫度分布

滾筒干燥機內沿軸向截面氣相溫度分布如圖4所示。熱風與煙絲混合進入滾筒后首先與筒壁進行熱量交換，其中包括熱風與筒壁及煙絲間的對流換熱和煙絲與筒壁間的傳導換熱。隨著筒壁溫度的升高，筒內溫度在0.3 m 后開始升高，圖中表現(xiàn)為淺藍色到綠色區(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，因而滾筒內溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖4 滾筒內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 筒內水分分布

圖5為滾筒內氣相水分沿軸向分布圖。隨著進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，濕度從進口0.2 m 后開始呈現(xiàn)一直上升趨勢。在滾筒內熱風中的水分達到平衡含濕量后，煙絲中剩余的水分無法再繼續(xù)蒸發(fā)出來，因此干燥機末端水分含量基本穩(wěn)定，濕度在出口附近達到峰值。

圖5 滾筒內軸向垂直切面（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 筒內速度分布

圖6為滾筒內部氣相的熱空氣矢量云圖。由于進口熱風速度方向為軸向，在進入干燥機后隨著滾筒的轉動，抄板會對熱風和煙絲產生切向作用，從圖6中可以看到，在進口附近速度矢量方向大多為軸向方向，在受到旋轉運動抄板的作用下才產生切向速度，由于出口端沒有抄板，煙絲僅在熱風作用下從出口處流出。

圖6 滾筒內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 煙絲模擬結果

2.3.1 煙絲溫度分布

圖7為滾筒內煙絲溫度分布圖。煙絲剛進入滾筒時的溫度在25 ℃左右，經過與進口熱風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位置煙絲溫度達到30～40 ℃，隨著干燥過程的進行，煙絲繼續(xù)和熱風、滾筒內壁換熱，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為滾筒內煙絲含水率分布圖。滾筒進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、滾筒內壁的熱交換，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 滾筒干燥機變工況分析

3.1 熱風溫度對水分分布的影響

在保證筒體轉速和筒壁溫度不變時，選擇進口熱風溫度為80、100 和120 ℃進行模擬，結果如圖9所示。煙絲進入滾筒在筒壁和熱風的作用下升溫，此時煙絲中的水分開始蒸發(fā)。隨著進口熱風溫度升高，煙絲和熱風的初始溫度升高，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，由于后半段筒內環(huán)境達到類似的飽和狀態(tài)，筒內后半段空氣會逐漸被筒壁加熱，溫度逐漸接近壁溫，因此進口風溫的改變并未對滾筒出口處的平衡含濕量產生顯著影響。滾筒前0.5 m 為預熱段，含濕量變化緩慢，提高進口熱風溫度能加快預熱效果。水分蒸發(fā)主要發(fā)生在0.45～1.05 m，在1.2 m處3個溫度的含濕量（單位質量干空氣中含有水蒸氣的質量）均為9 g/kg 左右，蒸發(fā)階段水分濃度與進口熱風溫度成正比，趨于穩(wěn)定后3個含濕量值接近。綜上所述，熱風溫度提高可以加快水分的蒸發(fā)。

圖9 不同進口熱風溫度對筒內氣體含濕量的影響Fig.9 Effect of hot air temperature at inlet on air moisture content inside cylinder

3.2 熱風流速對水分分布的影響

在保證進口熱風溫度和滾筒轉速不變時，分析了不同熱風流速對煙絲干燥過程的影響，結果如圖10所示。風速為0.2 m/s 時，水分蒸發(fā)主要發(fā)生在0.45～1.05 m，將熱風流速從0.2 m/s 增加到0.5 m/s，由于熱風流速增加使煙絲在進入滾筒干燥機后更加分散，預熱效果更優(yōu)，前段水分濃度明顯升高，預熱階段含濕量就達到6 g/kg。與此同時，增加的風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。但大幅增加熱風流速會降低煙絲在滾筒內的停留時間，導致煙絲中水分受熱蒸發(fā)時間減少，從而造成干燥效果下降。繼續(xù)將熱風流速提高到1.0 m/s，由于煙絲密度較低，煙絲隨著氣流進入干燥機后繼續(xù)呈拋物線運動一段距離，導致預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 風速下，滾筒內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時的蒸發(fā)速率。此外，增加熱風流速會加快滾筒干燥機內水分排出，造成整體水分濃度略微下降。

圖10 不同進口熱風流速對筒內氣體含濕量的影響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，分別設置筒壁溫度為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。隨著熱風和煙絲溫度達到水分蒸發(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，整個干燥過程水分蒸發(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，筒內達到平衡時的物料溫度較低，因此水分蒸發(fā)速率相比于110 ℃和130 ℃較低，從而導致最終的筒內含濕量偏低。

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

3.4 滾筒轉速對水分分布的影響

試驗研究發(fā)現(xiàn)停留時間隨著滾筒轉速的增加呈指數(shù)型降低［8］，而停留時間長短對物料干燥有重要影響。在保證熱風流速、熱風溫度和滾筒壁溫恒定條件下，分別設置滾筒轉速為6、9 和12 r/min 進行研究，結果見圖12。隨著滾筒轉速的增加，筒內水分含量呈降低趨勢，說明隨著滾筒轉速的提升，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間，煙絲無法獲得足夠熱量。此外提高滾筒轉速導致煙絲隨筒壁做圓周運動的時間減少，并在氣流作用下煙絲向出口的運動加快，從而降低了煙絲在筒內的停留時間［18］，因而滾筒干燥機內的水分含量降低。

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

4 結論

針對煙絲在滾筒干燥機內干燥過程的影響，分別對進口熱風溫度、進口熱風流速、筒壁溫度和滾筒轉速對干燥過程中筒內水分分布的影響展開研究。結果表明，煙絲在進入滾筒后在抄板的旋轉作用下先隨著筒壁運動，達到一定的高度后被拋灑，在該過程中煙絲會與滾筒壁面和進口熱風進行熱量交換，煙絲的溫度逐漸升高，其中煙絲水分開始變?yōu)闅鈶B(tài)進入熱風中。在進口熱風的作用下，煙絲在不斷的拋灑過程中向出口方向運動，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)時變化明顯，并隨著干燥過程的進行，濕度不斷增加，筒內濕度與溫度呈負相關關系。

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