热风回风口调控对密集烤房排湿的影响

李 研，杨 娜，任洪波，陈升东，崔勇军，朱卫华*

(1.中船重工(昆明)灵湖科技发展有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省农业科学院农业经济与信息研究所，云南 昆明 650205)

【研究意义】密集烤房是烟叶调制烘烤的专用设备，因其具有装烟量大、节约燃煤、省工省时、烘烤质量较高等优良特点，已在国内推广应用达数十万座[1-2]。然而，由于装烟密度过大、雨水天气、烟叶含水量较高等原因，往往导致密集烤房排湿不畅、排湿量不足等问题，从而在一定程度上增加了蒸片烟、黑糟烟、挂灰烟的比例，加大了烟农的经济损失[3]。因此，在当前密集烤房结构、装烟状态、气候环境既定的情况下，提高密集烤房排湿能力不失为一种确保烟叶整体烘烤品质的解决办法。【前人研究进展】热风回风口是密集烤房热风循环的重要通道，目前，已有学者尝试在密集烤房热风回风口处加装调控装置来进行强化排湿的试验探索[4-6]，但仍然缺乏足够的数据和理论支撑。【本研究切入点】为探究、验证回风口开启、闭合状态对烤房排湿能力的具体影响，以气流上升式密集烤房(Airflow-up tobacco intensive barn, Airflow-up TIB)为研究对象，运用FLUENT软件对密集烤房内气流分布进行数值模拟仿真，【拟解决的关键问题】研究冷风进风量、排湿量随回风口开度变化的规律，为密集烤房强化排湿装置设计、调控相关措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 气流上升式密集烤房物理模型

根据《密集烤房技术规范》(国烟办综〔2009〕418号文件)进行气流上升式密集烤房物理模型搭建，模型示意如图1所示。该模型包括加热室、装烟室、通风机、炉膛、热风出风口、热风回风口、冷风进风门、排湿窗、辅助排湿窗，密集烤房相关重要特征完整、尺寸贴合实际。

1：冷风进风门；2：通风机；3：加热室；4：炉膛；5：热风出风口；6：装烟室:7：辅助排湿窗；8：热风回风口； 9：排湿窗1: Cold air inlet; 2: Fan; 3: Heating chamber; 4: Hearth; 5: Hot air outlet; 6: Tobacco chamber; 7: Auxiliary drainage window; 8: Hot air outlet; 9: Drainage window

1.2 气流上升式密集烤房数学模型

假设空气不可压缩。由于密集烤房加热室和装烟室内的气流运动是不规则的，认为空气流动状态为湍流。采用半隐式SIMPLE算法和湍流模型进行CFD数值计算[7]。

1.2.1 控制方程 不可压缩粘性流体的质量守恒方程和动量守恒方程为：

(1)

(2.a)

(2.b)

(2.c)

式(1)、(2)中，u、v、w为速度矢量u在x、y、z轴方向

上的投影量；τ为微元体表面的粘性应力；p为流体作用在微元体上的压力；ρ为密度；t为时间；Sx、Sy、Sz为广义源项。

1.2.2 湍流模型 湍流模型为使用最广泛的标准k-ε模型，其中，k为湍流动能，ε为湍流脉动强度。标准k-ε模型的输运方程为：

(3.a)

(3.b)

1.2.3 边界条件 烤房墙壁、炉膛、风机支承面设置为壁面，热通量为0；热风出风口与热风回风口均设置为内部流通面；冷风进风口设置为进风入口，忽略风压损失；排湿窗和辅助排湿窗均设置为压力出口，出口处压力均为标准大气压。密集烤房为空载状态。

通过多项式拟合，得到全压p-流量v关系如式：

p=144.6+49.88v-3.43v2

(4)

气流上升式密集烤房所用通风机直径为700 mm，型号为KY7A型，设置为进风扇边界，压力降根据KY7A型通风机的全压特性曲线确定，具体系数由多项式拟合获得，如表1、图2、式(4)所示。热风回风口开度按照全开、开2/3、开1/3、全闭4种方案进行调整。

表1 KY7A型通风机性能

图2 风机全压特性曲线Fig.2 Characteristic curve of full pressure of the fan

2 结果与分析

设计4种仿真方案，对比分析热风回风口全开、开2/3、开1/3、全闭状态下冷风进风门、热风回风口、排湿窗、辅助排湿窗等的气体流动情况。4种方案对应的烤房纵向中心面速度分布云图分别如图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示。当冷风进风门和热风回风口处于开启状态时，经冷风进风门进入的冷风与经热风回风口流出的热风被吸入风机，经炉膛加热后通过热风出风口流入装烟室进行热循环，如此往复。当冷风进风门开启、热风回风口关闭时，只有冷风经由冷风进风门口、通风机、经炉膛加热后通过热风出风口进入装烟室内，装烟室内热空气经排湿窗排出。

图3 不同热风回风口开闭状态下的烤房纵向中心面速度分布Fig.3 Air velocity distribution figures of TIB longitudinal center plane under different opening degrees of hot air outlet

如图4所示，4种热风回风口开闭状态下热风回风口和冷风进风门的风速大小对比，从图中可知，随着热风回风口由全开逐渐闭合时，热风回风口和冷风进风门风速都有所增加，但冷风进风门风速增大幅度明显，由3.123 m/s增大至9.682 m/s，而热风回风口风速增加缓慢，由4.285 m/s增加至5.782 m/s，之后逐渐减小为0 m/s。

图4 不同回风口开闭状态下的回风口和冷风进风口速度对比Fig.4 Air velocity comparison between hot air outlet and cold air inlet under different opening degrees of hot air outlet

二者风速对比如表2所示，可以看出，热风回风口开度减小时，冷风进风门风速成倍增加，当冷风进风门开度一定时，干冷空气进风量也成倍增加，而随着热风回风口开度成倍减小，即使热风回风口风速增加，也会导致从热风回风口循环排出的湿热空气量有所减少。因此，在单位时间内，外部干冷空气置换内部湿热空气的速度会逐渐加快，达到强化排湿的效果。

表2 热风回风口与冷风进风口风速对比

如图5所示，4种热风回风口开闭状态下排湿窗和辅助排湿窗的风速大小对比，①当排湿窗和辅助排湿窗同时全开时，辅助排湿窗风速较排湿窗风速要大；②随着热风回风口由全开逐渐闭合时，排湿窗和辅助排湿窗风速均逐渐增大，排湿速度加快，强化排湿的效果逐渐增强，且排湿窗和辅助排湿窗风速差逐渐缩小。二者风速对比如表3所示。当热风回风口关闭时，烤房内的排湿状态属于完全排湿。

图5 不同回风口开闭状态下的排湿窗和辅助排湿窗速度对比Fig.5 Air velocity comparison between drainage window and auxiliary drainage window under different opening degrees of hot air outlet

表3 排湿窗与辅助排湿窗风速对比

3 讨 论

密集烤房排湿效果好坏对烟叶烘烤质量有直接影响。在实际烘烤过程中，烤房内实际湿球温度可能会高于工艺湿球温度，在部分地区烘烤季、下雨天条件下，此现象尤其明显，从而难以保证烤烟质量。部分国内学者、工艺人员结合现场经验，通过加装热风回风调控装置来探究其对烤房排湿的影响，相关研究均基于现场试验，试验周期长，成本高。为此，基于计算流体力学软件FLUENT，设计了4种仿真方案，分别对热风回风口不同开度下的密集烤房气流情况进行了数值模拟与对比分析，所建模型根据密集烤房实际配置、规格、边界条件进行搭建。研究结果表明，通过调控热风回风口开度，配合冷风进风门和排湿窗的调控，可以在一定程度上实现密集烤房的强化排湿。为简化模型，缩短数值计算时间，未能对烟叶布满密集烤房情形下的气流情况进行模拟。为能更加真实、准确地模拟密集烤房内的气体流动状态，考虑烟叶模型的密集烤房气流分布数值模拟有待深入研究。

4 结 论

以气流上升式密集烤房为研究对象，建立了考虑风机边界的密集烤房物理模型和气流数学模型，对不同热风回风口开度下的冷风进风门、热风回风口、排湿窗、辅助排湿窗风速进行了数值模拟和对比分析。结果表明：热风回风口开度逐渐减小时，冷风进风门风速逐渐增大，在冷风进风门调控配合下，可以实现干冷空气进风量成倍增加，从而加快干冷空气与内部湿热空气的置换；热风回风口开度逐渐减小时，排湿窗和辅助排湿窗风速逐渐增大，在排湿窗调控配合下，可实现排湿量的增加；通过调控热风回风口开度，可在一定程度上达到密集烤房强化排湿的目的，研究结果可为密集烤房强化排湿装置的设计和调控提供参考依据。