滾筒烘絲機內(nèi)煙絲傳熱傳質特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、干燥是一種傳統(tǒng)的操作工藝，應用領域十分廣泛。隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高、生產(chǎn)加工過程的需要，干燥技術被更廣泛的應用于木制品的生產(chǎn)、食品的加工、糧食的存儲、藥品的制造等各個行業(yè)，現(xiàn)已成為國民經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的生產(chǎn)手段。雖然干燥技術歷史悠久，但由于傳熱傳質問題本身的復雜性，對干燥過程的研究一直落后于生產(chǎn)應用，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道了。與此同時，隨著人們對此類產(chǎn)品品質要求的不斷提高，迫切需求一套更加先

2、進的干燥方法來指導生產(chǎn)，因此，煙絲的干燥技術成為當下研究的熱點和難點。
　　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)向外轉移是干燥的基本過程，因此，干燥技術的核心問題是熱、質的傳遞與轉移。在煙絲干燥領域，由于煙絲制品的特殊性以及干燥所用設備——滾筒烘絲機，使得干燥過程受多種因素的綜合影響，比如運行方式、加熱方式、干燥氣流參數(shù)等，煙草加工企業(yè)對滾筒烘絲機內(nèi)煙絲傳熱傳質特性缺乏深層次的認識，目前的操作基本上是

3、按照經(jīng)驗和慣例進行，不利于深入發(fā)展，而傳統(tǒng)的實驗研究方法則會遇到工作量、財力方面的困難。
　　隨著計算機技術的發(fā)展及多相流動理論的完善，數(shù)值模擬方法日漸成為研究滾筒烘絲機內(nèi)煙絲傳熱傳質問題的有效途徑，該法具有成本低、效率快、準確性高等優(yōu)點，并可配合生產(chǎn)及實驗進行研究，詳細揭示干燥過程中煙絲含水率、溫度的變化規(guī)律，為實際生產(chǎn)帶來一定的指導。因此，為了研究滾筒烘絲機內(nèi)煙絲傳熱傳質特性及煙絲顆粒運動狀態(tài)與停留時間等問題，本文通過計算機數(shù)

4、值模擬的方法，依照干燥基本原理、傳熱傳質學、氣固兩相流動等理論，對煙絲在滾筒烘絲機內(nèi)的傳熱傳質過程建立了質量平衡方程、傳質方程、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動與碰撞的軟球模型，分析研究了滾筒烘絲機內(nèi)煙絲顆粒的傳熱傳質特性、煙絲顆粒的停留時間與其影響因素的關系等問題，編程開發(fā)了“滾筒烘絲機數(shù)值模擬系統(tǒng)”，便于日后人員應用。獲得了以下結論:
　　(1)當煙絲與干燥氣流在滾筒內(nèi)的運動方向一致時（順流情況下），煙絲

5、干燥過程存在著比較明顯的兩個階段:預熱段與恒速段。在預熱段，煙絲含水率下降速度相對較慢，傳質進程較弱，同時，煙絲溫度急劇上升，可達60℃以上;在恒速段，傳質進程明顯加強，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)當煙絲與干燥氣流在滾筒內(nèi)的運動方向相反時（逆流情況下），煙絲干燥過程存在著比較明顯的三個階段:預熱段、恒速段、降速段。在預熱段，煙絲并沒有被干燥，反而吸濕，含水率上升，同時升溫劇烈，但該階段持

6、續(xù)時間較短;進入恒速段后，滾筒內(nèi)部的傳質過程非常強烈，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70℃左右。
　　(3)滾筒筒壁溫度是影響煙絲傳熱傳質特性的重要因素，本文模擬了不同壁溫度(120℃、130℃、140℃)對煙絲傳熱傳質特性的影響。結果表明，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特性。不同氣流流速、不同氣流初始濕度對煙絲傳熱傳質特性的影響并不明顯，但氣流初始溫度對煙絲傳熱傳質特性的影響較大，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算結果顯示，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熱，氣流只是起到加速傳質、帶走水分的作用。
　　(6)影響煙絲顆粒在滾筒內(nèi)停留時間的主要因素有

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