Flow Simulation輔助烘絲機中心風筒設計

高 文 胡尚禮

(秦皇島煙草機械有限責任公司，河北 秦皇島066004)

0 引言

烘絲機是制絲線中對煙絲進行在線干燥膨脹的主機設備。筒式烘絲是以筒體加熱為主、熱風加熱為輔，傳導加對流的方式來干燥煙絲。首先通過飽和蒸汽加熱筒體和抄料板，煙絲吸收筒體和抄料板傳來的熱量后，煙絲中的水分蒸發為水蒸氣，然后工藝氣體即被加熱的室內空氣，將從煙絲中蒸發出來的水蒸氣帶走，同時也與煙絲進行一部分的熱交換，最后高溫高濕的空氣通過排潮管道排出。在整個過程中，完成對煙絲的干燥膨脹。

圖1 烘絲機筒體截面

烘絲機筒體截面情況如圖1所示：煙絲在翻炒過程中，形成A區域的物料拋落簾，而B區沒有任何物料。這樣，一方面大部分熱風從B區流過，沒有與煙絲進行充分接觸，沒有進行熱交換并吸收煙絲蒸發出來的水分，而是直接進入排潮管道，造成能量的浪費；另一方面由于物料的落差較大，引起煙絲造碎大，造成物料的浪費。因此，在筒體軸線上增加一個與筒體同步旋轉的中心風筒，使熱風與煙絲均勻混合，提高熱風的使用效率，同時使煙絲先落到中心風筒上，再落在筒體上，減少落差，減少造碎。

Flow Simulation是Solidworks的插件，用于對流體進行簡單的分析[1-3]。

1 順逆流分析

根據筒體中熱風的流向與煙絲的流向的關系，將筒式烘絲分為順流式和逆流式兩種加工方式。

圖2 順流熱風的相對濕度與物料水分的關系

順流時，熱風的相對濕度和物料水分的關系如圖2所示，從進料端到出料端，熱風的相對濕度逐漸升高，一直到接近飽和后就不再變化，而物料的水分是逐漸降低的，因此物料的出口水分均勻，水分波動標準差小。而且因為煙絲自身的含水量或環境的含水量總是有一方較大，所以物料在高溫條件下對煙草的吸味影響最小，但同時造成煙絲的填充值相對較低。

逆流時，熱風的相對濕度和物料水分的關系如圖3所示，煙絲在進料端，水分先有一個小幅度的上升，是因為高溫高濕的熱風對煙絲有一定的加熱加濕作用，可以提高煙絲填充值，節省煙絲使用量。而后物料和熱風的濕度梯度逐漸增大，因此物料的出口水分標準差有增大的風險。

圖3 逆流熱風的相對濕度與物料水分的關系

因此，考慮將中心風筒的出風口放在筒體中間，進料端、出料端同時排潮，形成順逆流相結合的方式，綜合兩種方式的優點。同時，順流段熱風溫度低，利于保持煙草本香，逆流段熱風溫度高，利于提高煙絲填充值。綜合實際的風量和筒體結構尺寸，使用Solidworks建立簡單模型。考慮理想情況，將低溫風和高溫風的流量設為相等，即進、出料端的風速相等，這樣可以忽略進、出料端的互相影響，模擬結果如圖4。可以看出，及時在最理想的情況下，筒體中部還是出現了大量的紊流情況，筒體內的熱風難以控制，高、低溫熱風難以區分，這在工業生產中是不允許的，所以，順逆流的方案是不可行的。

圖4 理想情況的模擬結果

2 熱風均勻性分析

2.1 筒內風速均勻性

為了保證中心風筒中的熱風既能有足夠的風量把煙絲中蒸發出來的水蒸汽帶走，又不能使風速太大，降低煙絲的處理強度，減少造碎。需要在保證風量的基礎上，使熱風從出風口均勻、低速地吹出。

在設定分析的邊界條件時，設定進風口的風速為3m/s，筒體進出口的環境壓力為標準大氣壓，進行模擬后，觀察結果項目“Cut Plot”，選擇觀察壓力參數，結果如圖5。

可以看出由于前段封口的阻擋，中心風筒內的氣體壓強成階梯上升的趨勢，但是壓強變化在150Pa以內，根據理想氣體狀態方程和伯努利方程：

式中：

P——絕對壓力（Pa）

v——比體積或比容（m3/kg），

T——熱力學溫度（K），

Rg——氣體常數（J/(kg·K)）

ρ——流體的密度(kg/m3)

cf——流體速度（m/s）

可以得出，在不考慮壓力損失和熱量變化的情況下，由于壓力變化不大，溫度不變，所以熱風的比體積或密度不會有大的變化，因此熱風在中心風筒中的流速也不會有太大的變化。在“Cut Plot”中改為選擇觀察速度參數，結果如圖6。可以看出即使在中心風筒內，熱風的風速有明顯的梯度，但在出風口處，風速是基本相等的，因此不需要再中心風筒的內部設置額外的均風結構。

圖5 壓力圖

圖6 速度圖

2.2 導風組件對熱風均勻性的影響

在保證熱風低速、均勻的同時，還要保證中心風筒跟隨筒體同步旋轉時，煙絲不能從進風口進入中心風筒，因此需要在中心風筒上安裝導風組件，在煙絲下落的方向上設置擋板。首先考慮導風組件對中心風筒內熱風均勻性的影響，為簡化模擬運算，先將導風組件設置為簡單的彎管，模擬結果如圖7，可以看出增加導風組件后，提高了中心風筒內熱風的均勻性，但在導風組件出口處，速度在某些位置出現急劇的升高，各導風組件的出風口風速不均勻。

圖7 導風組件對熱風均勻性的影響

考慮是導風組件的出風口不夠大，造成熱風無法流暢地從各導風組件吹出，引起紊流。將彎管直徑變大，模擬后的結果如圖8，可以看出速度梯度變小，各導風組件出風口的風速基本均勻。

圖8 增大彎管直徑的模擬結果

2.3 導風組件熱風均勻性

為防止煙絲進入中心風筒，首先考慮如圖9的遮擋式的結構，出風口有遮擋結構，熱風曲折吹出，經模擬分析可以看出，熱風紊流現象明顯，分布不均勻，導風組件靠近中心風筒筒壁的位置基本沒有熱風流出。

考慮如圖10所示的導流式結構，可以看出，熱風流線在導風組件出風口基本均勻分布。

圖9 遮擋式結構

圖10 導流式結構

最后，根據模擬的結果還可以看出，筒體內熱風基本分布在靠近筒體筒壁的圓周上，且在靠近進料端的筒體內基本沒有熱風。煙絲在筒體內的翻炒形成的落料簾可以平衡熱風在筒體圓截面分布不均的情況，為了解決進料端熱風少的問題，可以增加一部分順流熱風來補償。增加順流熱風后，筒體內熱風的流場分布如圖11所示。

圖11 增加順流熱風筒體內熱風的流場分布

3 結論

1）無法通過中心風筒實現筒體內熱風的順逆流結合。

2）不需要增加額外的導風結構來均勻中心風筒出風口的熱風。

3）增加導風組件后，使中心風筒內的熱風更加均勻，為保證導風組件出風的均勻性，導風組件出風口的面積要足夠大。

4）導風組件應采用導流式的結構，有利于熱風均勻吹出。

［1］張也.影流體力學[M].高等教育出版社.

［2］蘇銘德，黃素逸.計算流體力學基礎[M].清華大學出版社.

［3］陳超祥，葉修梓.SolidWorks Flow Simulation教程[M].機械工業出版社.