散叶装烟密集烤房热湿环境 数值模拟探讨

发布时间:2021-11-26 20:54:14 论文编辑:vicky

本文是一篇EI/SCI论文代写,本研究针对目前散叶装烟技术存在烘烤过程中烟叶温、湿度分布不均匀、最佳装烟量不明确以及烤后烟叶化学成分协调性较差等问题,应用多孔介质理论及 UDS传输方程水分蒸发模型,建立了散叶装烟密集烤房烟叶干燥热湿传递模型,模拟分析了散叶装烟密集烤房温度场、湿度场、气流组织分布规律,并利用试验数据对所建立的烤房 CFD 模型进行验证。结合实际生产工艺,模拟分析了进风速度、装烟密度、堆积间距、分风板角度四种不同工况下的工艺参数对温度分布及叶间风速的影响,实现对散叶烘烤工艺的优化。


第一章  绪论


1.1研究背景及意义

烟草行业在各国的国民经济体系中都占有重要的地位,其附带的上下游产业及税收为国家经济提供坚实的基础,目前世界上生产烟叶的国家已经超过百余个[1]。烟草行业主要以烟草调制加工品为主,而烟叶初烤是生产卷烟原料最重要的环节,是烟叶内在化学物质转化形成的最关键步骤,其重要性不言而喻。

随着烟草行业的发展,大装烟量、高效率的密集烤房已成为我国烟叶烘烤的主流设备[2]。近年来,随着我国城镇化脚步加快,传统烟叶种植区域的农村劳动力不断向城镇转移,劳动力已经成为制约烤烟生产发展的一个重要瓶颈[3]。为了烟草行业可持续发展,根据国家现代农业建设“减工、降本、提质、增效”的工作方针,在密集烤房应用的基础上所创新装烟技术应运而生。而散叶装烟技术,较其它装烟技术在显著增加了装烟量,大幅降低了生物质与燃煤的消耗、节约大量人力物力,受到广大烟农青睐[4-7],同时可用机械设备代替人工编烟,更加符合国家农业现代化生产的需求。但按照标准散叶装烟烘烤工艺进行烘烤目前存在烤房内温、湿度分布及气流组织不均匀的问题,导致散叶装烟烤后烟叶质量及协调性较差[8-10],阻碍了散叶装烟烘烤技术的推广。

近年来,随着计算机的发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)已广泛应用于流体流动和传热的数值模拟研究中[11-13]。可以结合计算机通过数值计算的方法在时间和空间上求得问题的数值解,并通过计算机图像显示技术,将数值计算结果可视化。将 CFD 应用于烟叶密集烘烤中可以实现对密集烤房内真实热湿情况进行仿真分析,并根据模拟结果对不同生产工艺的烤房热湿环境进行研究,弥补了试验研究与理论推导的不足。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状 

1.2.1.1 密集烤房的发展

20 世纪 50 年代中期,  W.H.Johnson 等人在美国首次进行了名为 bulk-curing 试验研究,该试验颠覆了原始的烟叶烤工艺及传统的装烟方式[14],其研究成果标志着烟叶烘烤进入新的时代,密集烘烤技术随之问世。1960 年美国采用砖木和土木制造出了一种密集烤房,该烤房尺寸为3050mm × 3650mm × 1950mm,其中烟叶分两层放置,烟叶以左右对称方式用烟夹固定,烟夹的尺寸参数为1820mm × 410mm,每个夹满烟叶的烟夹约 55kg 左右,初始的密集烤房由此诞生[15]。1960 年底,密集烤房及其配套烘烤技术由美国开始传入到世界各地,从此世界烟草行业进入密集烤房烘烤时代[16-17]。早期日本的烟草研究员通过试验反复摸索,发现在烘烤过程中保持湿球温度在 38℃左右时,根据不同烘烤时期逐步提高干球温度可以使得烟叶烘烤质量较好,基于此发现,研发出了第一代结合烟叶烘烤的湿球控制系统,从此,烟叶烘烤自动化的时代来临[18]。20 世纪 70 年代初,Wilsion  为解决烟叶中香气物质在烘烤过程中流失过多,改进了送风装置,使得密集烤房烘烤技术取得重大突破[19]。到了 70 年代末,随着大箱式堆积烘烤成套设备的问世,极大地解放了生产力,密集烘烤正式进入自动化时代[20]。同期 Suggs 等人优化改进了大箱式烘烤设备的生产工艺,推进了烟叶烘烤自动化的发展[21]。同年 Jordan、Griffin[22-23]先后对密集烤房装烟设备进行了改进,提高了装烟效率。到 1980 年,Horne 设计出了自动控温控湿装置,真正实现了密集烤房烘烤的完全自动化[24]。在之后不断的发展过程中,以密集烤房为基础的智能化、现代化烟叶烘烤技术应运而生。

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第二章  烟叶水分干燥及数值模拟理论基础


2.1 烟叶水分干燥理论

2.1.1 烟叶干燥的基本知识 

在烘烤变黄期时,此时由于烟叶较为新鲜,其中还含有较多的水分以继续维持植物组织细胞的生命活动,随着温度和湿度的升高,其中的色素、淀粉和蛋白质等物质在各种酶的作用下发生分解转化,不断形成新的小分子物质[61]。在这个反应过程中,若温度和湿度调控不合理,很大程度上会影响淀粉的降解以及还原糖的合成,同时对烟叶的外观质量及协调性造成不可逆的负面影响[65-67]。

在烘烤定色期需要将前期形成的化学物质及色泽固定,在该时期烟叶叶片中的水分大量散失,烟叶细胞活性大幅降低,使得酶活性逐步终止[61]。因此为了促进烟叶物质的分解转化,排出烟叶中的大量水分,调控合理的热湿环境就变得尤为重要。定色期合理的调控,使得烟叶脱水速度及脱水量合适,烤后烟叶油份较好,香气浓郁,外观质量佳[68-70]。反之由于烟叶脱水不合理,香气形成较差,味道苦涩,同时青杂气味较明显,严重影响烟叶烤后质量[71]。

烘烤中干筋期是烟叶主脉中水分散失的主要时期,同时直接影响烟叶中致香物质的形成,采用更高温度和更低湿度的烘烤环境条件,可以使得烤后烟叶香气细腻柔和,甜润度好,舒适性较佳[72-73]。

因此在整个烟叶烘烤过程中,合理调控不同阶段烟叶的失水量,使之与生理代谢活动相协调具有极其重要的意义。

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2.2 多孔介质理论 

多相物质存在的组合体空间称为多孔介质[78-79]。其中固体相也称为多孔介质的固体骨架,除固体骨架外,其余部分为多孔介质的孔隙,其中存在着多孔介质的液相或气相。在整个多孔介质中,相互连通的孔隙称为有效孔隙,液相和气相可以通过这些有效孔隙在多孔介质中流动,因此多孔介质具有渗透性[80]。将其热质传递过程根据多孔介质中不同相流体类型分为单相系统和多相系统。

当热气流流经烟叶堆积区域时,由于烟叶固体骨架的阻挡,热气流在烟叶固体骨架的表面形成“附面层”,在该附面层的内部靠近固体骨架的区域,流体受到摩擦力作用相对而言是静止的,流体基本处于层流状态,而远离固体骨架区域的流体速度较大,因此在该附面层上产生速度梯度,此时形成粘性阻力[82]。除此之外一部分流体加速流动,由此引起惯性阻力。

在自然界中,热量传递的基本方程由三种:热传导、热对流、热辐射。只要存在着温差,热量传递的过程就不会停止[83],三种基本的热力传递方式各有特点。通常来说在研究固体内部的传热现象时只考虑热传导,热量从固体的高温区域向低温区域传递,而在涉及到液体和气体时,一般会忽略热传导现象,只考虑热对流和热辐射影响,用传导系数衡量物体热量传递性能,物体传导系数越高,说明物体是热的良导体,热辐射较为特殊,热辐射在各种物体中都存在,但是如果温度不是足够高,其影响很小,几乎可以忽略[78]。

SCI论文代写

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第三章 散叶装烟密集烤房温、湿度及流场研究 .................. 27

3.1 烟叶烘烤过程烟叶含水率变化试验 ...................... 27

3.1.1 试验材料及设备 ................................. 27

3.1.2 试验方法 ....................................... 28

第四章 数值模拟结果的验证与试验分析 ........................ 49

4.1 试验材料及方法 ...................................... 49

4.1.1 试验材料 ....................................... 49

4.1.2 试验设备 ....................................... 49

第五章 散叶装烟烘烤工艺优化 ................................ 63

5.1 研究方法 ............................................ 63

5.2 进风口风速对温度分布及叶间风速的影响 ................ 63

第五章  散叶装烟烘烤工艺优化


5.1 研究方法

根据标准散叶装烟烘烤工艺下密集烤房热湿环境的数值模拟结果可知,在标准烘烤工艺下装烟室内部热湿环境及气流组织分布不合理,同时相关研究表明,烟叶烘烤的关键指标是合理的烘烤温度与气流组织分布[105-106],在合理的温度下,烟叶失水速率直接影响了还原糖、总氨基酸含量[107]。而较高的变黄温度有利于叶绿素降解更彻底[108],如控制温度缓慢升高,烟叶中化学成分转化合理,协调性较高,使得烟叶香气充足,烟叶烤后质量好[109]。

同时叶间风速是衡量装烟室内气流组织合理性的重要指标,宫长荣[110]等研究表明,密集烤房三层装烟时,叶间风速在  0.2~0.4 m/s  较为适宜。风速大时,烤后烟叶颜色趋于柠檬黄,香气淡,辛辣味重,刺激性大;风速小时,烤后烟叶颜色较深,香气和吃味浓郁[111]。叶间风速的合理范围也有相关研究,王勇军[112]研究认为,定色期叶间风速为 0. 30~0. 32 m/s,干筋期叶间风速在 0. 26 m/ s 左右是烘烤过程中较为适宜。李旭华[113]等研究表明保持叶间风速稳定在 0.2~0.5 m/s 范围内烤后烟叶质量较好。

因此保证装烟室内合理的温度分布和叶间风速可以有效提高烟叶的烘烤质量,而进风速度、装烟密度、堆积间距、分风板角度四个烘烤工艺参数与装烟室内温度分布及气流组织息息相关。因此,可以利用 CFD 模型对进风速度、装烟密度、堆积间距、分风板角度四种不同工况下的工艺参数进行仿真模拟,根据模拟结果得到最优的散叶烘烤工艺参数,从而达到提高散叶装烟烘烤质量的目的。

SCI论文代写

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第六章  总结与展望


6.1 结 论

本研究针对目前散叶装烟技术存在烘烤过程中烟叶温、湿度分布不均匀、最佳装烟量不明确以及烤后烟叶化学成分协调性较差等问题,应用多孔介质理论及 UDS传输方程水分蒸发模型,建立了散叶装烟密集烤房烟叶干燥热湿传递模型,模拟分析了散叶装烟密集烤房温度场、湿度场、气流组织分布规律,并利用试验数据对所建立的烤房 CFD 模型进行验证。结合实际生产工艺,模拟分析了进风速度、装烟密度、堆积间距、分风板角度四种不同工况下的工艺参数对温度分布及叶间风速的影响,实现对散叶烘烤工艺的优化。本研究主要结论如下:

(1)标准散叶装烟烘烤工艺下的密集烤房数值模拟结果表明,装烟室压力后部大于前部,后部上方区域压力最大,约为 70Pa,并且由右上角向左下角出风口位置呈递减的压力梯度变化,在出风口位置附近压力最小,接近 0Pa;风速在装烟室顶部呈现递减的锥形速度梯度,在装烟室底部呈现递增的锥形速度梯度,在出风口附近速度最大,约 9.5m/s,在烟叶堆积区域速度变化较小,约为 0.2 m/s ~0.25m/s。在温度分布上,上层烟叶堆积区域温度大于下层烟叶,中后部烟叶堆积区域温度大于前部温度,并且竖直方向上温度梯度变化大于水平方向;而进风口区域相对湿度最低,越靠近大门一侧底部区域相对湿度越高,竖直方向上相对湿度变化大于水平方向变化,变黄期整体相对湿度在 85%~95%左右,定色期整体相对湿度在 45%~70%左右,干筋期整体相对湿度在 10%~25%左右。在标准散叶烘烤工艺下装烟室内热湿环境及气流组织分布不合理。

(2)标准散叶装烟烘烤工艺的试验结果表明,上层烟叶堆积区域温度始终高于下层烟叶堆积区域,中后部烟叶堆积区域温度始终高于前部烟叶堆积区域,随着烘烤的进行,上下层温差同时呈现出先变大后变小的特点;上层烟叶堆积区域相对湿度始终低于下层烟叶堆积区域,并且上层烟叶相对湿度最先开始发生下降,装烟室内的相对湿度下降幅度整体呈现出先变大后变小的特点;同时密集烤房散叶烘烤的CFD 模型数值模拟结果与试验数据高度正相关,同时误差保持在合理范围内,证明运用该 CFD 模型进行装烟室内热湿环境分析是可行的。

参考文献(略)

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