CN109259291B - 用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法 - Google Patents

用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法，将滚筒烘丝机沿轴向划分为若干等距的微单元，针对各微单元内的烟丝和气流建立热质传递的数学模型；基于质量守恒方程、能量守恒方程和热质平衡方程，利用计算机语言进行编程求解；由烟丝运动模型和修正后的经验公式计算烟丝热质传递数学模型中涉及的停留时间；通过试验方法测得不同温度、含水率条件下烟丝的有效换热系数和传质系数，建立数据库，在计算烟丝沿滚筒烘丝机轴向的温度和含水率时直接调用已编入程序的数据库数据；最后将生产工艺中的运行参数输入模拟***即可得到烟丝的出口温度、含水率以及其沿滚筒烘丝机轴向的温度和含水率变化曲线。

Description

用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法
技术领域
本发明涉及化工、烟草领域，具体涉及一种用于测量烟丝在滚筒烘丝机内热质传递 规律的方法。
背景技术
干燥作为一种历史悠久的工艺方式，其主要目的在于去除物料中的水分，以便储藏、 运输及改善产品品质等。在卷烟工艺中，烟丝干燥即是制丝工艺中的一道关键工序。烟丝的热质交换特性直接关系到其被干燥或者回潮的整个过程，从而影响颗粒本身的含水率、烟丝的填充能力和卷制过程的造碎率以及成品烟的感官质量，与卷烟制品的最终经 济效益密切相关。烟草制丝生产过程中，对复烤后的配方烟片经过松散回潮、加料调制 后，含水率达到有利于烟草形变的水平，之后将烟片切削成丝状颗粒，此时烟丝的含水 率较高，为有利于烟丝的卷烟机卷制成型及香烟的贮存，切后烟丝需要进行干燥至适宜 的水分。现阶段，卷烟工艺生产过程中往往采用现场调试运行参数、多次试验的方法获 取最优操作参数，但是干燥过程中烟丝在滚筒内含水率与温度的数据不易测量，传统的 实验方法则会遇到工作量大、成本高、周期长、能耗大等障碍，生产工艺水平仍停留在 依靠经验操作的阶段，不利于烟丝品质的提高，同时也无法发挥烘丝机的优势。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可以对不同生 产条件下烟丝在滚筒烘丝机内干燥过程中温度和含水率的变化规律进行预测的数值方法。
技术方案：一种用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法，包括如下 步骤：
步骤一：建立不同运行条件下烟丝在滚筒烘丝机内停留时间数学模型；针对不同滚 筒倾角、转速、抄板结构条件下烟丝在滚筒内的停留时间进行实验研究，实验研究考察了当滚筒倾角(2°、2.5°和3°)，转速(8转/分钟，10转/分钟和12转/分钟)，抄板结构 (2块抄板、4块抄板、6块抄板)条件下，烟丝颗粒在滚筒内的停留时间。然后基于 Friedman andMarshall模型获得修正后关于烟丝停留时间的经验公式；将该经验公式编 入烟丝热质交换模拟***，输入不同操作参数，得到烟丝在滚筒烘丝机内的停留时间；
步骤二：建立烟丝干燥过程中有效换热系数、传质系数的数据库；通过试验方法对不同温度和含水率条件下烟丝的有效换热系数和传质系数进行测量，并以此建立数据 库，供预测计算时读取使用，在计算烟丝沿滚筒烘丝机轴向的温度和含水率时直接调用 已编入程序的数据库数据；
步骤三：建立不同运行条件下烟丝在滚筒烘丝机内热质交换数学模型；针对每一控 制微单元内建立质量守恒方程、能量守恒方程、热质平衡方程，计算出烟丝在各个单元内的温度和含水率，从而获得烟丝的温度和含水率在滚筒烘丝机内沿其轴向的变化规 律；烟丝在第i个微单元中所计算得到的出口温度和含水率将作为第i+1个微单元的入 口参数，依此类推得到烟丝在各个微单元内的温度和含水率变化规律。
所述步骤二中，当烟丝温度和含水率处于数据库中某两个值之间时，则通过插值方 法获得。
优选的，所述步骤三中，利用Jacob迭代法计算出烟丝在各个单元内的温度和含水率。
有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、优化了卷烟加工工艺中的干燥环节，能根据工业生产中设备尺寸和运行参数，通过数值模拟计算获得不同运 行条件下烟丝在滚筒烘丝机内干燥过程中的热质传递规律，提前对烟丝出口温度和含水 率进行预报。2、可大大降低生产能耗和环境污染，提高生产效率，适用于不同的运行 条件。3、测量精确度高，与不同实际生产结果进行了对比验证，相对误差在10％以内。
附图说明
图1为本发明的步骤流程示意图；
图2滚筒微单元的划分示意图；
图3本发明实施例的建模计算流程图；
图4为Visual Basic语言编写程序的界面；
图5为其中一种干燥模式下程序的入口界面；
图6为操作参数的输入界面；
图7为烟丝和气流含水率的计算结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明：
如图1所示，本发明采用划分微单元的方法，将滚筒烘丝机沿轴向划分为若干等距的微单元，针对每个微单元内的烟丝和气流建立热质传递的数学模型。基于质量守恒方程、能量守恒方程和热质平衡方程，利用计算机语言进行编程求解。烟丝热质传递数学 模型中涉及的停留时间可根据烟丝运动模型和修正后的经验公式计算得出。不同温度、 含水率条件下烟丝的有效换热系数和传质系数通过试验方法测得，并将所得的试验数据 建立数据库，在计算烟丝沿滚筒烘丝机轴向的温度和含水率时直接调用已编入程序的数 据库数据。最后，将生产工艺中的运行参数输入模拟***即可计算出烟丝的出口温度和 含水率，以及其沿滚筒烘丝机轴向的温度和含水率变化曲线。
本发明公开了一种预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法，并基于该方 法编写形成了计算机软件***，向所编写的软件***中输入滚筒烘丝机尺寸、转速、倾角，烟丝初始温度、含水率、质量流量，气流温、湿度和流速，气流与烟丝运动方向(逆 流或顺利)，即可输出烟丝在滚筒烘丝机内干燥过程中沿滚筒轴向的温度和含水率，并 绘制出烟丝的干燥曲线。
该方法基于质量守恒定律和能量守恒定律，在滚筒烘丝机两端，潮湿散体与气流受 到进料口与出料口混合效应的影响，烟丝运动及传热传质比较复杂，由于滚筒的进、出口段占整个滚筒长度的比例较小，故着重对滚筒主要干燥段进行数学建模，不包含进、 出口段区域。沿滚筒轴向将其划分成若干等距单元，并且针对每一控制微单元内建立质 量守恒方程、能量守恒方程、热质平衡方程。
本发明的方法所包含的主要数值过程如下：
步骤一：不同运行条件下烟丝在滚筒烘丝机内停留时间数学模型的建立。针对不同 滚筒倾角、转速、抄板结构条件下烟丝在滚筒内的停留时间进行实验研究，而后基于Friedman and Marshall模型获得修正后关于烟丝停留时间的经验公式。将该经验公式编入烟丝热质交换模拟***，输入不同操作参数即可得到烟丝在滚筒烘丝机内的停留时 间；
步骤二：建立烟丝干燥过程中有效换热系数、传质系数的数据库。通过实验方法对不同温度和含水率条件下烟丝的有效换热系数和传质系数进行测量，并以此建立数据 库，供预测计算时读取使用，当烟丝温度和含水率处于数据库中某两个值之间时，则通 过插值方法获得；
步骤三：不同运行条件下烟丝在滚筒烘丝机内热质交换数学模型的建立。针对每一 控制微单元内建立质量守恒方程、能量守恒方程、热质平衡方程，利用Jacob迭代法计算出烟丝在各个单元内的温度和含水率。烟丝在微单元i中所计算得到的出口温度和含 水率将作为i+1单元的入口参数，依此类推得到烟丝在各个微单元内的温度和含水率变 化规律。
实施例
如图2所示，将滚筒沿轴向划分为若干微单元，基于如下导热、对流换热和对流传质公式，针对每个单元内的热质传递过程列能量和质量守恒方程，假设滚筒内烟丝处于 稳定流动状态；
∑Qin＝∑Qout (1)
Q1(i-1)+Q2(i-1)+Hp(i-1)+Hg(i-1)＝Hp(i)+Hg(i) (2)
Q1(i-1)＝α1F1(Tw-Tp(i-1)) (3)
Q2(i-1)＝α2F2(Tw-Tg(i-1)) (4)
Hp(i-1)＝Wdp(Cdp+X(i-1)CH2O)(Tp(i-1)-Tref) (5)
Hg(i-1)＝Wdg(Cdg+Y(i-1)CV)(Tg(i-1)-Tref)+WdgY(i-1)r (6)
Figure BDA0001870202610000041
Figure BDA0001870202610000042
其中，F1的范围为滚筒表面积的1/2～2/3，在此取0.6；F2一般为滚筒表面积的1/3～1/2， 在此取0.4；
Q1(i-1)+Q3(i-1)＝Qph+Qv+Qhv (9)
Q3(i-1)＝α3F3(Tg(i-1)-Tp(i-1)) (10)
Qph＝Wdp(Cdp+X(i)CH2O)(Tp(i)-Tp(i-1)) (11)
Qv＝Wdp(X(i-1)-X(i))r (12)
Qhv＝Wdp(X(i-1)-X(i))Cv(Tg(i)-Tp(i-1)) (13)
Figure BDA0001870202610000043
Figure BDA0001870202610000051
其中，F3＝Fm；
Wdp(X(i-1)-X(i))＝Wdg(Y(i)-Y(i-1)) (16)
M(i)＝kmFm(cg(i)-cp(i))Mr (17)
M(i-1)＝-WdgdY (18)
Figure BDA0001870202610000052
jH＝StPr2/3 (20)
Figure BDA0001870202610000053
jM＝jH (22)
Figure BDA0001870202610000054
其中，τm为烟丝在滚筒内的平均停留时间；
Figure RE-GDA0001911629490000055
上式中各参数的定义如下：
Cdg：干空气的比热容,单位为kJ/kg·K；
Cdp：干颗粒的比热容,单位为kJ/kg·K；
cg(i)：单位体积内气流中水分浓度,单位为kmol/m3；
CH2O：水的比热,单位为kJ/kg·K；
cp(i)：单位体积内颗粒中水分浓度,单位为kmol/m3；
Cv：水蒸气的比热,单位为kJ/kg·K；
D：滚筒内经单位为m；
F1：微单元内烟丝与筒壁面的接触面积,单位为m2；
F2：微单元内筒壁面与气流的接触面积,单位为m2；
F3：微单元内气流与烟丝之间的接触面积,单位为m2；
Hg：气流的焓,单位为W；
Hp：烟丝的焓,单位为W；
km：对流传质系数,单位为kg/m2·s；
Q1(i)：微单元i内烟丝与筒壁面的导热量,单位为W；
Q2(i)：微单元i内筒壁面与气流之间的对流换热量，单位为W；
Q3(i)：微单元i内气流与烟丝的对流换热量，单位为W；
Qhv：水蒸发所需热量,单位为W；
Qph：烟丝的热量,单位为W；
Qv：汽化潜热,单位为W；
r：水的汽化潜热,单位为kJ/kg；
Tg(i)：微单元i内气流温度,单位为K；
Tp(i)：微单元i内烟丝温度,单位为K；
Tref：参考温度,单位为K；
Tw：滚筒壁面温度,单位为K；
Wdg：干空气质量流量,单位为kg/s；
Wdp：干烟丝质量流量,单位为kg/s；
X(i)：微单元i内烟丝干基含水率,单位为kg/kg；
Y(i)：微单元i内气流湿度,单位为kg/kg；
α1：筒壁面与烟丝之间的导热系数,单位为W/m2·K；
α2：筒壁面与气流之间的对流换热系数,单位为W/m2·K；
α3：烟丝与气流之间的对流换热系数,单位为W/m2·K；
通过Visual Basic语言对以上公式进行编程求解，得到每个微单元内烟丝的温度和 湿基含水率，以及气流的温度和湿度；
通过Visual Basic语言编程绘制烟丝在滚筒内的温度、湿基含水率变化曲线以及气 流的温湿度变化曲线，并输出该曲线；
通过改变以上公式中涉及的操作参数，如滚筒转速、倾角、烟丝入口温度、烟丝质量流量、气流速度、湿度、滚筒壁面温度等，预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律。
图4为Visual Basic语言编写程序的界面，说明了将滚筒烘丝机三种干燥模式集合 在一个程序中可方便操作。图5为其中一种干燥模式下程序的入口界面。图6为操作参数的输入界面，说明了改变操作参数可以快速得到滚筒烘丝机内气流和烟丝的温度和含水率变化曲线。图7为烟丝和气流含水率的计算结果，说明了以上程序可以直接导出气 流和烟丝在滚筒烘丝机内的变化情况，直观地显示出烟丝在滚筒烘丝机内的热质传递规 律。
综上，本发明通过将滚筒烘丝机沿轴向划分若干微单元的方法，在多变量(滚筒尺寸、倾角、转速，烟丝初始温度、含水率、质量流量，气流温度、湿度、速度，烟丝与 气流逆流、顺流)的条件下，能够快速获取烟丝在滚筒烘丝机内干燥过程中热质交换规 律。

Claims (2)

1.一种用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法，其特征在于，包括：
步骤一：建立不同滚筒长度、滚筒内径、滚筒倾角、滚筒转速、烟丝质量流量、烟丝当量直径、气流速度条件下烟丝在滚筒烘丝机内停留时间数学模型；针对不同滚筒长度、滚筒内径、滚筒倾角、滚筒转速、烟丝质量流量、烟丝当量直径、气流速度条件下烟丝在滚筒内的停留时间进行实验研究，基于Friedman and Marshall模型获得修正后关于烟丝停留时间的经验公式，所述经验公式如下：
Figure FDA0002616691980000011
其中，τm为烟丝在滚筒内的平均停留时间，D为滚筒内径，L为滚筒长度，S为滚筒倾角，N为滚筒转速，Ss为烟丝质量流量，dp为烟丝当量直径，G为气体流量，0.3344和0.6085为常数；
将该经验公式编入烟丝热质交换模拟***，输入不同滚筒长度、滚筒内径、滚筒转速、滚筒倾角、烟丝质量流量、烟丝当量直径、气流速度，得到烟丝在滚筒烘丝机内的停留时间；
步骤二：建立烟丝干燥过程中有效换热系数、传质系数的数据库；通过试验方法对不同温度和含水率条件下烟丝的有效换热系数和传质系数进行测量，并以此建立数据库，在计算烟丝沿滚筒烘丝机轴向的温度和含水率时直接调用已编入程序的数据库数据；
步骤三：采用划分微单元的方法，将滚筒烘丝机沿轴向划分为若干等距的微单元；改变滚筒长度、滚筒内径、滚筒倾角、滚筒转速、烟丝质量流量、烟丝当量直径、气流速度的参数，得到不同的运行条件，建立不同运行条件下烟丝在滚筒烘丝机内热质交换数学模型；针对每一控制微单元内建立质量守恒方程、能量守恒方程、热质平衡方程，计算出烟丝在各个微单元内的温度和含水率；烟丝在第i个微单元中所计算得到的出口温度和含水率将作为第i+1个微单元的入口参数，依此类推得到烟丝在各个微单元内的温度和含水率变化规律。
2.根据权利要求1所述的用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法，其特征在于：所述步骤二中，当烟丝温度和含水率处于数据库中某两个值之间时，则通过插值方法获得。
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Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

Denomination of invention: Numerical method for predicting heat and mass transfer law of cut tobacco in drum dryer

Granted publication date: 20201002

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EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract

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Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

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