熱風回風口調控對密集烤房排濕的影響

李 研，楊 娜，任洪波，陳升東，崔勇軍，朱衛華*

(1.中船重工(昆明)靈湖科技發展有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省農業科學院農業經濟與信息研究所，云南 昆明 650205)

【研究意義】密集烤房是煙葉調制烘烤的專用設備，因其具有裝煙量大、節約燃煤、省工省時、烘烤質量較高等優良特點，已在國內推廣應用達數十萬座[1-2]。然而，由于裝煙密度過大、雨水天氣、煙葉含水量較高等原因，往往導致密集烤房排濕不暢、排濕量不足等問題，從而在一定程度上增加了蒸片煙、黑糟煙、掛灰煙的比例，加大了煙農的經濟損失[3]。因此，在當前密集烤房結構、裝煙狀態、氣候環境既定的情況下，提高密集烤房排濕能力不失為一種確保煙葉整體烘烤品質的解決辦法。【前人研究進展】熱風回風口是密集烤房熱風循環的重要通道，目前，已有學者嘗試在密集烤房熱風回風口處加裝調控裝置來進行強化排濕的試驗探索[4-6]，但仍然缺乏足夠的數據和理論支撐。【本研究切入點】為探究、驗證回風口開啟、閉合狀態對烤房排濕能力的具體影響，以氣流上升式密集烤房(Airflow-up tobacco intensive barn, Airflow-up TIB)為研究對象，運用FLUENT軟件對密集烤房內氣流分布進行數值模擬仿真，【擬解決的關鍵問題】研究冷風進風量、排濕量隨回風口開度變化的規律，為密集烤房強化排濕裝置設計、調控相關措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 氣流上升式密集烤房物理模型

根據《密集烤房技術規范》(國煙辦綜〔2009〕418號文件)進行氣流上升式密集烤房物理模型搭建，模型示意如圖1所示。該模型包括加熱室、裝煙室、通風機、爐膛、熱風出風口、熱風回風口、冷風進風門、排濕窗、輔助排濕窗，密集烤房相關重要特征完整、尺寸貼合實際。

1：冷風進風門；2：通風機；3：加熱室；4：爐膛；5：熱風出風口；6：裝煙室:7：輔助排濕窗；8：熱風回風口； 9：排濕窗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 氣流上升式密集烤房數學模型

假設空氣不可壓縮。由于密集烤房加熱室和裝煙室內的氣流運動是不規則的，認為空氣流動狀態為湍流。采用半隱式SIMPLE算法和湍流模型進行CFD數值計算[7]。

1.2.1 控制方程 不可壓縮粘性流體的質量守恒方程和動量守恒方程為：

(1)

(2.a)

(2.b)

(2.c)

式(1)、(2)中，u、v、w為速度矢量u在x、y、z軸方向

上的投影量；τ為微元體表面的粘性應力；p為流體作用在微元體上的壓力；ρ為密度；t為時間；Sx、Sy、Sz為廣義源項。

1.2.2 湍流模型 湍流模型為使用最廣泛的標準k-ε模型，其中，k為湍流動能，ε為湍流脈動強度。標準k-ε模型的輸運方程為：

(3.a)

(3.b)

1.2.3 邊界條件 烤房墻壁、爐膛、風機支承面設置為壁面，熱通量為0；熱風出風口與熱風回風口均設置為內部流通面；冷風進風口設置為進風入口，忽略風壓損失；排濕窗和輔助排濕窗均設置為壓力出口，出口處壓力均為標準大氣壓。密集烤房為空載狀態。

通過多項式擬合，得到全壓p-流量v關系如式：

p=144.6+49.88v-3.43v2

(4)

氣流上升式密集烤房所用通風機直徑為700 mm，型號為KY7A型，設置為進風扇邊界，壓力降根據KY7A型通風機的全壓特性曲線確定，具體系數由多項式擬合獲得，如表1、圖2、式(4)所示。熱風回風口開度按照全開、開2/3、開1/3、全閉4種方案進行調整。

表1 KY7A型通風機性能

圖2 風機全壓特性曲線Fig.2 Characteristic curve of full pressure of the fan

2 結果與分析

設計4種仿真方案，對比分析熱風回風口全開、開2/3、開1/3、全閉狀態下冷風進風門、熱風回風口、排濕窗、輔助排濕窗等的氣體流動情況。4種方案對應的烤房縱向中心面速度分布云圖分別如圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示。當冷風進風門和熱風回風口處于開啟狀態時，經冷風進風門進入的冷風與經熱風回風口流出的熱風被吸入風機，經爐膛加熱后通過熱風出風口流入裝煙室進行熱循環，如此往復。當冷風進風門開啟、熱風回風口關閉時，只有冷風經由冷風進風門口、通風機、經爐膛加熱后通過熱風出風口進入裝煙室內，裝煙室內熱空氣經排濕窗排出。

圖3 不同熱風回風口開閉狀態下的烤房縱向中心面速度分布Fig.3 Air velocity distribution figures of TIB longitudinal center plane under different opening degrees of hot air outlet

如圖4所示，4種熱風回風口開閉狀態下熱風回風口和冷風進風門的風速大小對比，從圖中可知，隨著熱風回風口由全開逐漸閉合時，熱風回風口和冷風進風門風速都有所增加，但冷風進風門風速增大幅度明顯，由3.123 m/s增大至9.682 m/s，而熱風回風口風速增加緩慢，由4.285 m/s增加至5.782 m/s，之后逐漸減小為0 m/s。

圖4 不同回風口開閉狀態下的回風口和冷風進風口速度對比Fig.4 Air velocity comparison between hot air outlet and cold air inlet under different opening degrees of hot air outlet

二者風速對比如表2所示，可以看出，熱風回風口開度減小時，冷風進風門風速成倍增加，當冷風進風門開度一定時，干冷空氣進風量也成倍增加，而隨著熱風回風口開度成倍減小，即使熱風回風口風速增加，也會導致從熱風回風口循環排出的濕熱空氣量有所減少。因此，在單位時間內，外部干冷空氣置換內部濕熱空氣的速度會逐漸加快，達到強化排濕的效果。

表2 熱風回風口與冷風進風口風速對比

如圖5所示，4種熱風回風口開閉狀態下排濕窗和輔助排濕窗的風速大小對比，①當排濕窗和輔助排濕窗同時全開時，輔助排濕窗風速較排濕窗風速要大；②隨著熱風回風口由全開逐漸閉合時，排濕窗和輔助排濕窗風速均逐漸增大，排濕速度加快，強化排濕的效果逐漸增強，且排濕窗和輔助排濕窗風速差逐漸縮小。二者風速對比如表3所示。當熱風回風口關閉時，烤房內的排濕狀態屬于完全排濕。

圖5 不同回風口開閉狀態下的排濕窗和輔助排濕窗速度對比Fig.5 Air velocity comparison between drainage window and auxiliary drainage window under different opening degrees of hot air outlet

表3 排濕窗與輔助排濕窗風速對比

3 討 論

密集烤房排濕效果好壞對煙葉烘烤質量有直接影響。在實際烘烤過程中，烤房內實際濕球溫度可能會高于工藝濕球溫度，在部分地區烘烤季、下雨天條件下，此現象尤其明顯，從而難以保證烤煙質量。部分國內學者、工藝人員結合現場經驗，通過加裝熱風回風調控裝置來探究其對烤房排濕的影響，相關研究均基于現場試驗，試驗周期長，成本高。為此，基于計算流體力學軟件FLUENT，設計了4種仿真方案，分別對熱風回風口不同開度下的密集烤房氣流情況進行了數值模擬與對比分析，所建模型根據密集烤房實際配置、規格、邊界條件進行搭建。研究結果表明，通過調控熱風回風口開度，配合冷風進風門和排濕窗的調控，可以在一定程度上實現密集烤房的強化排濕。為簡化模型，縮短數值計算時間，未能對煙葉布滿密集烤房情形下的氣流情況進行模擬。為能更加真實、準確地模擬密集烤房內的氣體流動狀態，考慮煙葉模型的密集烤房氣流分布數值模擬有待深入研究。

4 結 論

以氣流上升式密集烤房為研究對象，建立了考慮風機邊界的密集烤房物理模型和氣流數學模型，對不同熱風回風口開度下的冷風進風門、熱風回風口、排濕窗、輔助排濕窗風速進行了數值模擬和對比分析。結果表明：熱風回風口開度逐漸減小時，冷風進風門風速逐漸增大，在冷風進風門調控配合下，可以實現干冷空氣進風量成倍增加，從而加快干冷空氣與內部濕熱空氣的置換；熱風回風口開度逐漸減小時，排濕窗和輔助排濕窗風速逐漸增大，在排濕窗調控配合下，可實現排濕量的增加；通過調控熱風回風口開度，可在一定程度上達到密集烤房強化排濕的目的，研究結果可為密集烤房強化排濕裝置的設計和調控提供參考依據。