姬江濤，朱 越，王 俊，張和峰，賀智濤

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，是國民經(jīng)濟重要組成部分。卷煙生產(chǎn)加工過程中不同階段有不同含水率要求，在分級儲藏時，為保證煙葉的后續(xù)加工工藝特性，需要保持13%～18%的含水率，以降低煙葉的破損，提高煙葉質(zhì)量[1]。同時，煙葉的含水率對其理化特性有重要影響，決定卷煙成品的口感和外觀。目前，國內(nèi)烤后煙葉回潮方式主要以自然回潮為主，受自然條件制約較大，占用空間大，且回潮過程中煙葉含水率難以控制。因此，研發(fā)高效、節(jié)能的煙葉增濕回潮設(shè)備對煙站散煙收購具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義[2]。

煙葉回潮是飽和水蒸汽和煙葉傳熱傳質(zhì)的過程，飽和蒸汽通過加濕系統(tǒng)進(jìn)入真空箱體，攜帶的水分和熱量被煙葉吸食，而達(dá)到增溫增濕的目的[3]?；爻睍r煙葉處于靜止?fàn)顟B(tài)，溫度梯度小，流場分布均勻的回潮箱體為煙葉回潮提高穩(wěn)定的場所，可以保證箱體內(nèi)不同位置的煙葉含水率一致。本文基于熱力學(xué)理論，利用COMSOL Multiphysic多物理場仿真軟件，對箱體內(nèi)流場進(jìn)行有限元仿真，得到回潮室的流場分布云圖，并優(yōu)化設(shè)計了回潮箱體。同時，基于優(yōu)化設(shè)計的回潮箱體，進(jìn)行煙葉回潮試驗，得到箱體內(nèi)不同位置煙葉的含水率，為研究回潮機的性能提供重要依據(jù)。

1 回潮方案與工藝流程

1.1 回潮方案

為降低煙葉燥碎、提高煙葉含水率和回潮效率，采用抽真空方式進(jìn)行煙葉回潮，回潮過程中煙葉一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，可以做到煙葉無損耗處理；通過調(diào)整回潮機的工作參數(shù)，可得到不同含水率的煙葉以滿足工藝要求。同時，在抽空過程中，可以去除煙葉中的青雜氣，具有殺蟲滅卵的作用[4]?；爻睓C整機布置如圖1所示。

1.一級真空泵 2.二級真空泵 3.真空泵控制柜 4.回潮箱體 5.煙框 6.蒸氣發(fā)生器控制柜 7.安全閥 8.破真空閥 9.真空表溫度表 10.渦街流量計 11.導(dǎo)流緩沖板

回潮機主要由矩形真空箱體、抽真空系統(tǒng)、加潮系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、煙框及控制系統(tǒng)等組成。箱體采用7mm厚的不銹鋼板，焊接成矩形箱體結(jié)構(gòu)。箱體尺寸為長1 100mm、寬800mm、高800mm，外部用加強筋加固，并設(shè)置有保溫層結(jié)構(gòu)。箱體四角為大圓角貼合過渡，減小了應(yīng)力集中的問題。箱體門采用燕尾型密封槽密封，槽內(nèi)裝有耐壓耐溫橡膠圈密封。抽真空過程中，隨著氣體溫度的升高，抽真空效率降低，因此采用兩級串聯(lián)式水環(huán)真空泵進(jìn)行抽空，降低一級泵的負(fù)荷提高抽空效率，縮短抽空時間。飽和水蒸汽由燃?xì)獍l(fā)生器提供，產(chǎn)氣速度快流量大。

1.2 工藝流程

回潮工藝流程如圖2所示。

圖2 煙葉回潮工藝流程

通入蒸汽預(yù)熱回潮機，避免過多冷凝水的出現(xiàn)打濕煙葉，當(dāng)溫度傳感器顯示溫度數(shù)值大于60℃時，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器。箱體門開啟，將裝有煙葉的煙框放人回潮室，箱體門鎖緊。啟動真空泵，真空傳感器顯示數(shù)值小于-0.094MPa關(guān)閉真空泵。開啟蒸汽發(fā)生器，記錄渦街流量計的數(shù)值，注入蒸汽。抽真空后，煙葉組織和外部環(huán)境存在壓力差，飽和蒸汽迅速滲透到煙葉間隙和內(nèi)部組織，煙葉得到增溫增濕回潮。蒸汽注入結(jié)束，關(guān)閉進(jìn)氣閥，保壓5min讓煙葉充分吸食蒸汽。吸食結(jié)束后，破空閥打開，箱內(nèi)壓力和大氣壓力相等時，開啟箱體門取出煙葉，回潮結(jié)束。回潮過程中，可根據(jù)不同工藝要求，調(diào)整回潮工藝參數(shù)得到不同含水率的煙葉[5]。

2 煙葉回潮熱力學(xué)分析

煙葉屬于毛細(xì)多孔吸水性物質(zhì)，煙葉回潮過程中吸收的是飽和霧化蒸氣，霧化蒸氣是指攜帶著細(xì)微懸浮顆粒的小液滴，該液滴霧化越充分、分子顆粒越細(xì)微，煙葉吸食效果越好。抽真空后箱體內(nèi)壓力減小，煙葉組織內(nèi)部和表面空間存在壓力梯度差，霧化水蒸氣進(jìn)入真空箱體，迅速向煙葉組織擴散并滲透到細(xì)胞間隙，同時水霧的溫度也傳遞給煙葉吸食[6]。

流體的流動會引起能量的傳遞，流動的路徑和方向?qū)δ芰康膫鬟f有很大影響。熱量傳遞過程，主要有熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對流3種形式，熱量總是自發(fā)地從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，煙葉回潮過程中主要以熱對流為主，熱量和水分通過飽和水蒸氣提供，其傳熱過程由熱力學(xué)方程決定。傳熱方程可表示為[7]

(1)

3 材料與方法

本文采用兩種方法進(jìn)行分析：一是基于Comsol Multiphysics的熱力學(xué)優(yōu)化仿真；二是基于優(yōu)化設(shè)計的回潮機，并進(jìn)行煙葉回潮試驗。煙葉真空回潮是強耦合的流體傳熱傳質(zhì)過程，COMSOL Multiphysics 多物理場仿真軟件以有限元為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程實現(xiàn)物理現(xiàn)象的仿真，具有豐富的算法方便應(yīng)用拓展，能夠很好地解決煙葉回潮過程中的耦合現(xiàn)象[8]。箱體內(nèi)流場分布影響煙葉含水率的變化，對優(yōu)化設(shè)計的箱體進(jìn)行回潮試驗，分析箱體內(nèi)不同位置煙葉的含水率，得到箱體內(nèi)流場分布。

3.1 仿真分析

3.1.1 模型的建立

回潮箱體是煙葉回潮的場所，是回潮機的關(guān)鍵部件。箱體頂部為蒸汽注入口，底部為出口。設(shè)定箱內(nèi)真空度為-0.94MPa，蒸氣溫度424K，壓力0.4MPa，箱體尺寸為設(shè)計尺寸。箱體由噴射入口、控制閥、煙框、傳感器及密封元件等組成。為提高仿真計算效率，對箱體模型進(jìn)行簡化，網(wǎng)格基本單元采用適應(yīng)性較強的自由四面體網(wǎng)格，減少了網(wǎng)格剖分過程中小面和長條邊的出現(xiàn)，提高了運算精度[9]。箱體簡化模型如圖3所示。

圖3 箱體簡化模型

3.1.2 控制方程

回潮室內(nèi)流場具有較強的非線性、強耦合性，煙葉回潮是流體的傳熱傳質(zhì)過程。根據(jù)蒸氣的流動特性和熱力學(xué)特性，室內(nèi)蒸氣可視為連續(xù)的弱可壓縮湍流流動，流動過程中忽略蒸氣與箱體壁的熱量損失。根據(jù)流量連續(xù)性方程、動量守恒定律及能量守恒定律，可得到蒸氣流場的湍流控制模型?？刂品匠蘙10-11]如下

連續(xù)性方程為

(2)

其中，u、n、w為流體的速度分量。

動量方程為

(3)

其中，r為流體密度 (kg/m3)；Fbx、Fby、Fbz為單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力在3個方向上的分量；pyx為流體內(nèi)應(yīng)力張量的分量。

能量方程為

(4)

蒸氣在回潮室內(nèi)流動，產(chǎn)生劇烈的湍流現(xiàn)象，因此需要對湍流現(xiàn)象進(jìn)行約束，湍流模型采用κ-ε方程模型，該模型能夠很好的模擬室內(nèi)湍流流動現(xiàn)象。

湍流能動方程為

(5)

(6)

湍流動能耗散率方程為

(7)

其中，p為流體微源上的壓力；k為湍流能動；e為湍流動能消耗率；r為流體密度；μt為湍流粘性系數(shù)；sk、se、C1e、C2e、Cμ為模型常數(shù)，Cμ取0.09,C1e取1.44，C2e取1.92，sk取1，se取1.3[12-13]。

3.1.3 邊界條件

頂部進(jìn)氣口采用壓力入口邊界條件，底部排氣口為壓力出口邊界條件，蒸氣流動為連續(xù)性流動?；爻笔彝獠繅毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，箱體壁無滑現(xiàn)象且與外界無熱量交換，介質(zhì)為高壓飽和水蒸汽。

3.2 結(jié)果分析

通過模擬計算，得到回潮室蒸氣分子速度云圖，如圖4所示。從圖4中可以看出：蒸氣進(jìn)入真空箱體，在入口和出口形成一個高速區(qū)域，底部平面分子速度較大，氣體分子和底部壁面碰撞后，發(fā)生反彈，頂部和側(cè)面的速度被削弱；壁碰撞過程中，氣體分子運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在中心位置左右兩側(cè)區(qū)域形成斡旋，導(dǎo)致箱體內(nèi)流場分布不均勻。

圖4 速度云圖

抽真空后箱體內(nèi)阻力減小，空氣和蒸氣分子碰撞減少，能量得到充分發(fā)展，分子無規(guī)則熱運動激烈；蒸氣和箱體壁發(fā)生碰撞，能量被削弱[14]。在箱體形成溫度不均勻的等值面，如圖5所示。箱體空間位置存在溫度梯度差，蒸氣注入口和出口空間位置溫度高，頂部壁和側(cè)壁溫度低。

圖5 溫度等值面

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3.1 速度矢量分析

蒸氣以U0的速度進(jìn)入回潮室，與水平方向夾角為θ的帶孔導(dǎo)流緩沖板接觸，經(jīng)導(dǎo)流板的阻抗剪切作用，分子動量被削弱速度減小，速度方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且速度方向隨θ角的增大而增大。速度矢量如圖6所示。

3.3.2 結(jié)果與分析

仿真結(jié)果如圖7所示。通過仿真，蒸氣通過帶孔導(dǎo)流緩沖板，氣流小得到緩沖，下游氣體壓降減小，氣體運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仿真結(jié)果與速度矢量分析吻合，具有較好的可靠性。

圖6 速度矢量

圖7 壓降速度矢量圖

3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

3.4.1 箱體優(yōu)化設(shè)計

由上述仿真可知，蒸氣進(jìn)入箱體速度沒得到導(dǎo)流緩沖作用，箱體內(nèi)流場分布不均勻，溫度梯度大。在回潮室頂部設(shè)置與水平面成θ角的梯形導(dǎo)流緩沖板，緩沖板上均勻布滿直徑為8mm的圓孔，同時增大蒸氣入口管徑，如圖8所示。

3.4.2 結(jié)果與分析

通過仿真分析，得到箱體溫度等值面云圖，如圖9所示。在導(dǎo)流緩沖板的作用下，高速運動的蒸氣流被導(dǎo)流緩沖，蒸氣對箱體底部沖擊降低，速度場在箱體內(nèi)被重整，箱體內(nèi)溫度分布均勻，且頂部和底部溫度梯度小，符合預(yù)期的設(shè)計要求。

3.5 煙葉回潮試驗

3.5.1 試驗材料

試驗物料為烘烤后未經(jīng)處理的云煙87，試驗器材為TD1000電子天平(精度為0.001)、101A-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱、工具刀、密封袋、細(xì)繩及標(biāo)簽紙等，試驗設(shè)備為優(yōu)化設(shè)計的增濕增濕機，如圖10所示。

圖8 優(yōu)化的箱體

圖9 溫度等值面分布圖

圖10 煙葉增濕回潮機

3.5.2 試驗方法

試驗前，按烤煙國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2635-92測得煙葉含水率為11.42%。從已知含水率的密封袋中隨機抽取5片煙葉，并稱重貼上標(biāo)簽，用細(xì)繩懸掛在煙框四周及中間位置，如圖11所示。

圖11 煙葉空間布置圖

通入蒸氣使回潮機充分預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后，將裝有煙葉的煙框放入回潮室，鎖緊密封門；真空泵開啟，箱體內(nèi)真空度達(dá)到-0.94MPa，關(guān)閉真空泵；開啟蒸氣發(fā)生器，設(shè)置渦街流量計的流量值，從箱體內(nèi)注入1.5kg蒸氣；關(guān)閉蒸氣發(fā)生器，聯(lián)通破空閥，回潮箱體內(nèi)壓力和外界環(huán)境壓力相等時，開啟箱體門，迅速將煙葉取出，放入帶標(biāo)簽的塑料密封袋并稱取質(zhì)量記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)上述實驗方法進(jìn)行3次試驗，記錄相應(yīng)位置的煙葉質(zhì)量，取平均值，并計算煙葉含水率，數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 煙葉含水率

3.5.3 結(jié)果與分析

由圖12可以看出：回潮后煙葉含水率都達(dá)到16%以上，煙框內(nèi)不同位置煙葉水率變化小于0.5%，含水率一致性較好，可以看出回潮室內(nèi)蒸氣流場分布均勻，仿真分析和試驗結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

1)飽和蒸汽注入真空室回潮室，在室內(nèi)形成較大斡旋，通過仿真優(yōu)化設(shè)計，在回潮室頂部設(shè)置導(dǎo)流緩沖板，增大蒸氣注入入口尺寸，回潮室內(nèi)流場均勻性分布得到有效提高。

2)通過煙葉回潮試驗，不同位置煙葉含水率都達(dá)到16%以上，含水率變化小于0.5%，符合預(yù)期要求。

3)仿真結(jié)果和試驗結(jié)果一致性較好，回潮后煙葉含水率均勻，優(yōu)化設(shè)計的箱體性能優(yōu)異。