Flow Simulation辅助烘丝机中心风筒设计

2014-12-23胡尚礼

科技视界 2014年6期

高文胡尚礼

(秦皇岛烟草机械有限责任公司，河北秦皇岛066004)

0 引言

烘丝机是制丝线中对烟丝进行在线干燥膨胀的主机设备。筒式烘丝是以筒体加热为主、热风加热为辅，传导加对流的方式来干燥烟丝。首先通过饱和蒸汽加热筒体和抄料板，烟丝吸收筒体和抄料板传来的热量后，烟丝中的水分蒸发为水蒸气，然后工艺气体即被加热的室内空气，将从烟丝中蒸发出来的水蒸气带走，同时也与烟丝进行一部分的热交换，最后高温高湿的空气通过排潮管道排出。在整个过程中，完成对烟丝的干燥膨胀。

图1 烘丝机筒体截面

烘丝机筒体截面情况如图1所示：烟丝在翻炒过程中，形成A区域的物料抛落帘，而B区没有任何物料。这样，一方面大部分热风从B区流过，没有与烟丝进行充分接触，没有进行热交换并吸收烟丝蒸发出来的水分，而是直接进入排潮管道，造成能量的浪费；另一方面由于物料的落差较大，引起烟丝造碎大，造成物料的浪费。因此，在筒体轴线上增加一个与筒体同步旋转的中心风筒，使热风与烟丝均匀混合，提高热风的使用效率，同时使烟丝先落到中心风筒上，再落在筒体上，减少落差，减少造碎。

Flow Simulation是Solidworks的插件，用于对流体进行简单的分析[1-3]。

1 顺逆流分析

根据筒体中热风的流向与烟丝的流向的关系，将筒式烘丝分为顺流式和逆流式两种加工方式。

图2 顺流热风的相对湿度与物料水分的关系

顺流时，热风的相对湿度和物料水分的关系如图2所示，从进料端到出料端，热风的相对湿度逐渐升高，一直到接近饱和后就不再变化，而物料的水分是逐渐降低的，因此物料的出口水分均匀，水分波动标准差小。而且因为烟丝自身的含水量或环境的含水量总是有一方较大，所以物料在高温条件下对烟草的吸味影响最小，但同时造成烟丝的填充值相对较低。

逆流时，热风的相对湿度和物料水分的关系如图3所示，烟丝在进料端，水分先有一个小幅度的上升，是因为高温高湿的热风对烟丝有一定的加热加湿作用，可以提高烟丝填充值，节省烟丝使用量。而后物料和热风的湿度梯度逐渐增大，因此物料的出口水分标准差有增大的风险。

图3 逆流热风的相对湿度与物料水分的关系

因此，考虑将中心风筒的出风口放在筒体中间，进料端、出料端同时排潮，形成顺逆流相结合的方式，综合两种方式的优点。同时，顺流段热风温度低，利于保持烟草本香，逆流段热风温度高，利于提高烟丝填充值。综合实际的风量和筒体结构尺寸，使用Solidworks建立简单模型。考虑理想情况，将低温风和高温风的流量设为相等，即进、出料端的风速相等，这样可以忽略进、出料端的互相影响，模拟结果如图4。可以看出，及时在最理想的情况下，筒体中部还是出现了大量的紊流情况，筒体内的热风难以控制，高、低温热风难以区分，这在工业生产中是不允许的，所以，顺逆流的方案是不可行的。

图4 理想情况的模拟结果

2 热风均匀性分析

2.1 筒内风速均匀性

为了保证中心风筒中的热风既能有足够的风量把烟丝中蒸发出来的水蒸汽带走，又不能使风速太大，降低烟丝的处理强度，减少造碎。需要在保证风量的基础上，使热风从出风口均匀、低速地吹出。

在设定分析的边界条件时，设定进风口的风速为3m/s，筒体进出口的环境压力为标准大气压，进行模拟后，观察结果项目“Cut Plot”，选择观察压力参数，结果如图5。

可以看出由于前段封口的阻挡，中心风筒内的气体压强成阶梯上升的趋势，但是压强变化在150Pa以内，根据理想气体状态方程和伯努利方程：

式中：

P——绝对压力（Pa）

v——比体积或比容（m3/kg），

T——热力学温度（K），

Rg——气体常数（J/(kg·K)）

ρ——流体的密度(kg/m3)

cf——流体速度（m/s）

可以得出，在不考虑压力损失和热量变化的情况下，由于压力变化不大，温度不变，所以热风的比体积或密度不会有大的变化，因此热风在中心风筒中的流速也不会有太大的变化。在“Cut Plot”中改为选择观察速度参数，结果如图6。可以看出即使在中心风筒内，热风的风速有明显的梯度，但在出风口处，风速是基本相等的，因此不需要再中心风筒的内部设置额外的均风结构。

图5 压力图

图6 速度图

2.2 导风组件对热风均匀性的影响

在保证热风低速、均匀的同时，还要保证中心风筒跟随筒体同步旋转时，烟丝不能从进风口进入中心风筒，因此需要在中心风筒上安装导风组件，在烟丝下落的方向上设置挡板。首先考虑导风组件对中心风筒内热风均匀性的影响，为简化模拟运算，先将导风组件设置为简单的弯管，模拟结果如图7，可以看出增加导风组件后，提高了中心风筒内热风的均匀性，但在导风组件出口处，速度在某些位置出现急剧的升高，各导风组件的出风口风速不均匀。