基于热力学的烟叶回潮机优化设计试验研究

2019-12-21姬江涛张和峰贺智涛

农机化研究 2019年3期

姬江涛，朱越，王俊，张和峰，贺智涛

(河南科技大学农业装备工程学院，河南洛阳 471003)

0 引言

烟草是我国重要的经济作物，是国民经济重要组成部分。卷烟生产加工过程中不同阶段有不同含水率要求，在分级储藏时，为保证烟叶的后续加工工艺特性，需要保持13%～18%的含水率，以降低烟叶的破损，提高烟叶质量[1]。同时，烟叶的含水率对其理化特性有重要影响，决定卷烟成品的口感和外观。目前，国内烤后烟叶回潮方式主要以自然回潮为主，受自然条件制约较大，占用空间大，且回潮过程中烟叶含水率难以控制。因此，研发高效、节能的烟叶增湿回潮设备对烟站散烟收购具有重要的经济意义和社会意义[2]。

烟叶回潮是饱和水蒸汽和烟叶传热传质的过程，饱和蒸汽通过加湿系统进入真空箱体，携带的水分和热量被烟叶吸食，而达到增温增湿的目的[3]。回潮时烟叶处于静止状态，温度梯度小，流场分布均匀的回潮箱体为烟叶回潮提高稳定的场所，可以保证箱体内不同位置的烟叶含水率一致。本文基于热力学理论，利用COMSOL Multiphysic多物理场仿真软件，对箱体内流场进行有限元仿真，得到回潮室的流场分布云图，并优化设计了回潮箱体。同时，基于优化设计的回潮箱体，进行烟叶回潮试验，得到箱体内不同位置烟叶的含水率，为研究回潮机的性能提供重要依据。

1 回潮方案与工艺流程

1.1 回潮方案

为降低烟叶燥碎、提高烟叶含水率和回潮效率，采用抽真空方式进行烟叶回潮，回潮过程中烟叶一直处于静止状态，可以做到烟叶无损耗处理；通过调整回潮机的工作参数，可得到不同含水率的烟叶以满足工艺要求。同时，在抽空过程中，可以去除烟叶中的青杂气，具有杀虫灭卵的作用[4]。回潮机整机布置如图1所示。

1.一级真空泵 2.二级真空泵 3.真空泵控制柜 4.回潮箱体 5.烟框 6.蒸气发生器控制柜 7.安全阀 8.破真空阀 9.真空表温度表 10.涡街流量计 11.导流缓冲板

回潮机主要由矩形真空箱体、抽真空系统、加潮系统、检测系统、烟框及控制系统等组成。箱体采用7mm厚的不锈钢板，焊接成矩形箱体结构。箱体尺寸为长1 100mm、宽800mm、高800mm，外部用加强筋加固，并设置有保温层结构。箱体四角为大圆角贴合过渡，减小了应力集中的问题。箱体门采用燕尾型密封槽密封，槽内装有耐压耐温橡胶圈密封。抽真空过程中，随着气体温度的升高，抽真空效率降低，因此采用两级串联式水环真空泵进行抽空，降低一级泵的负荷提高抽空效率，缩短抽空时间。饱和水蒸汽由燃气发生器提供，产气速度快流量大。

1.2 工艺流程

回潮工艺流程如图2所示。

图2 烟叶回潮工艺流程

通入蒸汽预热回潮机，避免过多冷凝水的出现打湿烟叶，当温度传感器显示温度数值大于60℃时，关闭蒸汽发生器。箱体门开启，将装有烟叶的烟框放人回潮室，箱体门锁紧。启动真空泵，真空传感器显示数值小于-0.094MPa关闭真空泵。开启蒸汽发生器，记录涡街流量计的数值，注入蒸汽。抽真空后，烟叶组织和外部环境存在压力差，饱和蒸汽迅速渗透到烟叶间隙和内部组织，烟叶得到增温增湿回潮。蒸汽注入结束，关闭进气阀，保压5min让烟叶充分吸食蒸汽。吸食结束后，破空阀打开，箱内压力和大气压力相等时，开启箱体门取出烟叶，回潮结束。回潮过程中，可根据不同工艺要求，调整回潮工艺参数得到不同含水率的烟叶[5]。

2 烟叶回潮热力学分析

烟叶属于毛细多孔吸水性物质，烟叶回潮过程中吸收的是饱和雾化蒸气，雾化蒸气是指携带着细微悬浮颗粒的小液滴，该液滴雾化越充分、分子颗粒越细微，烟叶吸食效果越好。抽真空后箱体内压力减小，烟叶组织内部和表面空间存在压力梯度差，雾化水蒸气进入真空箱体，迅速向烟叶组织扩散并渗透到细胞间隙，同时水雾的温度也传递给烟叶吸食[6]。

流体的流动会引起能量的传递，流动的路径和方向对能量的传递有很大影响。热量传递过程，主要有热辐射、热传导、热对流3种形式，热量总是自发地从高温区域向低温区域传递，烟叶回潮过程中主要以热对流为主，热量和水分通过饱和水蒸气提供，其传热过程由热力学方程决定。传热方程可表示为[7]

(1)

3 材料与方法

本文采用两种方法进行分析：一是基于Comsol Multiphysics的热力学优化仿真；二是基于优化设计的回潮机，并进行烟叶回潮试验。烟叶真空回潮是强耦合的流体传热传质过程，COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件以有限元为基础，通过求解偏微分方程实现物理现象的仿真，具有丰富的算法方便应用拓展，能够很好地解决烟叶回潮过程中的耦合现象[8]。箱体内流场分布影响烟叶含水率的变化，对优化设计的箱体进行回潮试验，分析箱体内不同位置烟叶的含水率，得到箱体内流场分布。

3.1 仿真分析

3.1.1 模型的建立

回潮箱体是烟叶回潮的场所，是回潮机的关键部件。箱体顶部为蒸汽注入口，底部为出口。设定箱内真空度为-0.94MPa，蒸气温度424K，压力0.4MPa，箱体尺寸为设计尺寸。箱体由喷射入口、控制阀、烟框、传感器及密封元件等组成。为提高仿真计算效率，对箱体模型进行简化，网格基本单元采用适应性较强的自由四面体网格，减少了网格剖分过程中小面和长条边的出现，提高了运算精度[9]。箱体简化模型如图3所示。

图3 箱体简化模型

3.1.2 控制方程

回潮室内流场具有较强的非线性、强耦合性，烟叶回潮是流体的传热传质过程。根据蒸气的流动特性和热力学特性，室内蒸气可视为连续的弱可压缩湍流流动，流动过程中忽略蒸气与箱体壁的热量损失。根据流量连续性方程、动量守恒定律及能量守恒定律，可得到蒸气流场的湍流控制模型。控制方程[10-11]如下

连续性方程为

(2)

其中，u、n、w为流体的速度分量。

动量方程为

(3)

其中，r为流体密度 (kg/m3)；Fbx、Fby、Fbz为单位质量流体上的质量力在3个方向上的分量；pyx为流体内应力张量的分量。

能量方程为

(4)

蒸气在回潮室内流动，产生剧烈的湍流现象，因此需要对湍流现象进行约束，湍流模型采用κ-ε方程模型，该模型能够很好的模拟室内湍流流动现象。

湍流能动方程为

(5)

(6)

湍流动能耗散率方程为

(7)

其中，p为流体微源上的压力；k为湍流能动；e为湍流动能消耗率；r为流体密度；μt为湍流粘性系数；sk、se、C1e、C2e、Cμ为模型常数，Cμ取0.09,C1e取1.44，C2e取1.92，sk取1，se取1.3[12-13]。

3.1.3 边界条件

顶部进气口采用压力入口边界条件，底部排气口为压力出口边界条件，蒸气流动为连续性流动。回潮室外部压力为标准大气压，箱体壁无滑现象且与外界无热量交换，介质为高压饱和水蒸汽。

3.2 结果分析

通过模拟计算，得到回潮室蒸气分子速度云图，如图4所示。从图4中可以看出：蒸气进入真空箱体，在入口和出口形成一个高速区域，底部平面分子速度较大，气体分子和底部壁面碰撞后，发生反弹，顶部和侧面的速度被削弱；壁碰撞过程中，气体分子运动方向发生偏转，在中心位置左右两侧区域形成斡旋，导致箱体内流场分布不均匀。

图4 速度云图

抽真空后箱体内阻力减小，空气和蒸气分子碰撞减少，能量得到充分发展，分子无规则热运动激烈；蒸气和箱体壁发生碰撞，能量被削弱[14]。在箱体形成温度不均匀的等值面，如图5所示。箱体空间位置存在温度梯度差，蒸气注入口和出口空间位置温度高，顶部壁和侧壁温度低。

图5 温度等值面

3.3 结构优化

3.3.1 速度矢量分析

蒸气以U0的速度进入回潮室，与水平方向夹角为θ的带孔导流缓冲板接触，经导流板的阻抗剪切作用，分子动量被削弱速度减小，速度方向发生偏转，且速度方向随θ角的增大而增大。速度矢量如图6所示。

3.3.2 结果与分析

仿真结果如图7所示。通过仿真，蒸气通过带孔导流缓冲板，气流小得到缓冲，下游气体压降减小，气体运动方向发生偏转，仿真结果与速度矢量分析吻合，具有较好的可靠性。

图6 速度矢量

图7 压降速度矢量图

3.4 结构优化及仿真分析

3.4.1 箱体优化设计

由上述仿真可知，蒸气进入箱体速度没得到导流缓冲作用，箱体内流场分布不均匀，温度梯度大。在回潮室顶部设置与水平面成θ角的梯形导流缓冲板，缓冲板上均匀布满直径为8mm的圆孔，同时增大蒸气入口管径，如图8所示。

3.4.2 结果与分析

通过仿真分析，得到箱体温度等值面云图，如图9所示。在导流缓冲板的作用下，高速运动的蒸气流被导流缓冲，蒸气对箱体底部冲击降低，速度场在箱体内被重整，箱体内温度分布均匀，且顶部和底部温度梯度小，符合预期的设计要求。

3.5 烟叶回潮试验

3.5.1 试验材料

试验物料为烘烤后未经处理的云烟87，试验器材为TD1000电子天平(精度为0.001)、101A-1型电热鼓风恒温干燥箱、工具刀、密封袋、细绳及标签纸等，试验设备为优化设计的增湿增湿机，如图10所示。

图8 优化的箱体

图9 温度等值面分布图

图10 烟叶增湿回潮机

3.5.2 试验方法

试验前，按烤烟国家标准GB 2635-92测得烟叶含水率为11.42%。从已知含水率的密封袋中随机抽取5片烟叶，并称重贴上标签，用细绳悬挂在烟框四周及中间位置，如图11所示。

图11 烟叶空间布置图

通入蒸气使回潮机充分预热，预热结束后，将装有烟叶的烟框放入回潮室，锁紧密封门；真空泵开启，箱体内真空度达到-0.94MPa，关闭真空泵；开启蒸气发生器，设置涡街流量计的流量值，从箱体内注入1.5kg蒸气；关闭蒸气发生器，联通破空阀，回潮箱体内压力和外界环境压力相等时，开启箱体门，迅速将烟叶取出，放入带标签的塑料密封袋并称取质量记录数据。重复上述实验方法进行3次试验，记录相应位置的烟叶质量，取平均值，并计算烟叶含水率，数据如图12所示。