基于Fluent 仿真的膨脹煙絲回潮筒的優化改進

徐 敏，龔劍強，金 偉，孫科雷，祝 俊，鄔曉龍，章 敏，鄭 超，林 斌，朱群曉，胡堅峰，姚科東

浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經濟開發區葭浦西路2001 號 315040

膨脹煙絲工藝作為卷煙工業的一項重要煙絲處理技術，因具有提高煙絲填充值、降低生產成本、減少煙葉損耗等作用而被廣泛采用［1］。膨脹煙絲回潮筒是保證膨脹煙絲含水率的關鍵設備，主要用于對膨脹后煙絲進行加濕，使煙絲含水率達到工藝要求［2-4］。但受到加水均勻性和準確性的影響，生產中會出現濕團煙絲現象，造成部分煙絲含水率不符合工藝要求，影響卷煙產品質量。針對此，蘇福彬等［5］對回潮筒的導流板進行了升級改造，將濕團煙絲質量從13 kg/批次降低至9 kg/批次；吳玉生等［6］對膨脹煙絲回潮系統進行了改進，提高了煙絲含水率的穩定性；資文華等［7］對煙絲膨脹過程的工藝參數進行優化，提高了煙絲耐加工性能。上述改進在一定程度上減少了膨脹煙絲回潮后產生的濕團煙絲質量，但仍未有效降低濕團率。Fluent 是通用CFD（Computational Fluid Dynamics）的一種仿真軟件，主要用于模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，該軟件采用完全非結構化網格的有限體積法，包括基于網格節點和網格單元兩種梯度算法，具有適用范圍廣、效率高、穩定性好、精度高等特點［8-9］。為此，通過對膨脹煙絲回潮筒工作原理進行分析，利用Fluent 軟件對進入回潮筒的煙絲運行狀況進行模擬，并根據仿真結果優化設計加水方式，以期提高膨脹煙絲加工工藝水平。

1 問題分析

1.1 回潮筒工作原理

回潮筒主要由進料罩、筒體、噴淋裝置、出料罩、排潮系統等部分組成，見圖1。浸漬膨脹處理后的煙絲經過輸送帶進入回潮筒，依靠回潮筒傾角在自身重力作用下，煙絲隨旋轉的回潮筒向出料口呈螺旋狀前進［10］?；爻蓖矁葒娏苎b置中均布有12 個噴嘴，對煙絲進行加濕處理，每4 個噴嘴為一個區，分為一、二、三共3 個區。其中，一區和二區的加水量為前饋控制，即系統將電子皮帶秤測得的煙絲流量傳遞給PLC，PLC 根據加水比例設定值控制一區和二區的加水量。三區的加水量為反饋控制，即系統將回潮筒后方水分儀測得的出料煙絲含水率傳遞給PLC，PLC 通過對比實際值與設定值，利用氣動薄膜閥調節控制加水量，而未被煙絲吸收的霧化水通過設置在回潮筒出料罩處的排潮系統排出。

圖1 膨脹煙絲回潮筒結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of conditioning cylinder for expanded tobacco

1.2 存在問題

當煙絲由回潮筒輸出并經輸送機進入風選除雜工序后，在設備下方的剔除口處經常發現大量濕團煙絲，由此造成煙絲浪費，且容易產生水漬煙，影響成品膨脹煙絲質量。

以寧波卷煙廠為例，膨脹煙絲線設計生產能力為1 140 kg/h，采用的是WQ397 型回潮筒（秦皇島煙草機械有限責任公司），回潮筒入料口煙絲含水率為7.5%，根據膨脹煙絲工藝標準，回潮后煙絲含水率應達到12.5%，因此煙絲在回潮筒中的吸水量為1 140×（12.5%-7.5%）kg/h=57 kg/h。但在實際生產中，回潮筒的加水量約為120 kg/h，遠大于煙絲吸水量57 kg/h?？梢?，加水量過大造成煙絲無法充分吸收水分并產生濕團煙絲，且大量的霧化水被排潮系統排出導致生產用水浪費。

實際生產中一、二、三區的加水比例為2∶2∶1。當煙絲通過回潮筒前的振槽進入筒內時，由于慣性作用煙絲處于懸空下落狀態，并未與回潮筒筒壁接觸跟隨回潮筒旋轉做圓周運動。因此，一區噴嘴噴射的霧化水有一部分未與煙絲接觸，而是直接噴射在筒壁上，霧化水凝結成水珠遇到新進入回潮筒的煙絲時容易產生濕團。而三區的噴嘴噴射的霧化水距離排潮系統較近，有一部分霧化水尚未被煙絲充分吸收就被排潮系統排出，導致加水效果較差。此外，生產中使用的霧化噴嘴存在水滴滴落現象，與煙絲混合后會形成濕團，影響膨脹煙絲品質。

2 改進方法

2.1 噴嘴改進

2.1.1 Fluent 仿真

采用CFD 分析法對回潮筒體內的煙絲狀態進行仿真，并根據仿真結果對噴嘴進行選型。在進行Fluent 仿真前，需要建立流體計算區域，即建立回潮筒的旋轉域和靜止域，見圖2。圖中，顏色較淺部分為靜止域，筒內顏色較深部分為旋轉域。

圖2 回潮筒旋轉域與靜止域的劃分Fig.2 Partition of rotating domain and stationary domain

網格劃分決定了仿真結果的準確性。四面體網格是Fluent 軟件中常用的一種網格，劃分簡單且可以加密，但是當四面體網格的節點位置接近平面時難以計算其垂直梯度，導致模型邊緣的凸點容易出現較大誤差。因此，在劃分網格時將四面體改為多面體網格，多面體相對于四面體網格節點多，可以減少網格數量，縮短計算時間?；诖?，對筒體內部煙絲運動復雜且需要精密計算的旋轉域和隔板網格進行加密處理（圖3），對煙絲運動簡單且影響較小的靜止域網格不進行加密（圖4）。

圖3 回潮筒內部旋轉域和隔板網格的劃分Fig.3 Partition of rotating domain and partition grid inside conditioning cylinder

圖4 回潮筒內部靜止域網格的劃分Fig.4 Meshing of stationary domain inside conditioning cylinder

在完成網格劃分后，通過Fluent 軟件對煙絲進入回潮筒過程進行仿真。進入回潮筒前膨脹煙絲各項工藝指標為：含水率7.5%，填充值7.1 m3/g，整絲率82%，碎絲率1.4%。在此基礎上，對Fluent 仿真參數進行調整，并與筒內滯留時間、煙絲拋射高度等數據進行比對，最終設置煙絲流密度780 kg/m3，黏度0.000 1 kg/ms，表面張力0.03 N/m。由圖5 可見，煙絲在進入回潮筒15 s 時即進入了霧化水噴射二區。因此，截取前15 s的仿真圖進行分析。

圖5 煙絲進入回潮筒15 s 時的仿真圖Fig.5 Simulation screen of expanded tobacco at the 15th second after entering conditioning cylinder

由圖5 可見，煙絲從入料口進入回潮筒時，依靠回潮筒傾角在煙絲自身重力的作用下螺旋前進，在10 s 左右達到煙絲運動的最高點，此時煙絲之間的狀態最為松散，因此在煙絲進入回潮筒10 s時開始向煙絲加水效果較好。為驗證仿真結果的準確性，在排除筒內多余煙絲運動干擾的前提下，選取10 批次膨脹煙絲的頭料，在出料罩處的觀察窗觀察煙絲進入回潮筒的情況。通過秒表記錄煙絲運動達到最高點所需時間以及進入霧化水噴射二區所需時間，取平均值，結果見表1?？梢?，煙絲在進入回潮筒9.87 s 時達到運動最高點，14.98 s時進入霧化水噴射二區，與仿真結果基本一致。

表1 煙絲進入回潮筒后運動時間Tab.1 Statistics of movement time of expanded tobacco inside conditioning cylinder （s）

對進入回潮筒15 s 時煙絲運動進行徑向仿真（圖6）可知，煙絲最高點位于回潮筒10 點半方向。在出料罩處通過相機拍攝煙絲達到最高點時的照片（圖7），可見煙絲達到最高點的位置正好在回潮筒10 點半方向，與仿真結果一致。此時，噴嘴與煙絲最高點的實測距離為116 cm。

圖6 煙絲進入回潮筒15 s 時徑向仿真圖Fig.6 Radial simulation screen of expanded tobacco at the 15th second after entering conditioning cylinder

圖7 煙絲進入回潮筒后達到最高點時畫面Fig.7 Picture when cut tobacco reached the highest point after entering conditioning cylinder

2.1.2 噴嘴選型

WQ397 型回潮筒采用的是美國Spraying 公司生產的內部混合空氣霧化噴嘴，噴嘴液體帽型號為2850，空氣帽型號為73328。該公司新研發的外部混合空氣霧化噴嘴，噴射流速高，可有效避免噴嘴堵塞，霧化效果良好。根據上述仿真結果，在選擇噴嘴時既要保證噴嘴的霧化區域合理，又要使噴嘴的最遠噴射距離略小于116 cm，從而將水分全部噴射在煙絲上，避免水分與筒壁接觸而產生冷凝水。查閱相關資料，最終選定編號為SU-HTE60D 的噴嘴，液體帽和空氣帽型號分別為PF28100 和LP130262-60，噴射最遠距離為114 cm，最大噴射截面直徑為25 cm，可以滿足回潮筒霧化水噴射要求。

2.2 回潮筒加水區域的改進

2.2.1 一區噴嘴位置優化

通過現場測量可知煙絲從回潮筒入料口至出料口所用時間為61 s，筒體長度為4.7 m，根據Fluent 仿真結果顯示煙絲在進入回潮筒10 s 左右達到最高點。因此，可計算得到一區第1 個噴嘴的最佳位置，即第1 個噴嘴與進料口之間的距離S。

式中：S 為一區第1 個噴嘴與進料口之間的距離，m；L 為筒長，m；t2為煙絲進入回潮筒后達到最高點的時間，s；t1為煙絲在回潮筒內的運動時間，s。

根據公式（1）計算可得，一區第1 個噴嘴安裝于距離進料口770 mm 時，霧化水噴射效果最優。

2.2.2 三區噴嘴位置優化

三區位于筒體的尾部，其加水量根據回潮筒后方水分儀的測試數據進行反饋控制。三區的后方安裝有排潮系統，可以將多余霧化水排出?，F場觀察發現，當三區最后一個噴嘴（即第4 個噴嘴）不使用時，對煙絲含水率無任何影響，且能減少加水量。因此，將三區第3 個噴嘴作為最后一個噴嘴，通過測量可知其與回潮筒出料口距離為1 450 mm。

2.2.3 噴嘴布局及加水量確定

一區第1 個噴嘴安裝于距離進料口770 mm處，三區第3 個噴嘴與回潮筒出料口距離為1 450 mm。根據實際生產情況，將噴嘴數量減少為9個，并均分為3 個區，每個噴嘴相距310 mm，以滿足噴嘴最大噴射截面直徑為25 cm 的要求，改進后回潮筒噴嘴布局見圖8。此外，根據設備工作原理及煙絲吸水特性，將一、二、三區的加水比例調節為7∶6∶3，加水量調整為80 kg/h。

圖8 改進后回潮筒噴嘴布局示意圖Fig.8 Schematic diagram of nozzles’arrangement inside conditioning cylinder after modification

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：膨脹煙絲（浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠提供）。

儀器和設備：膨脹煙絲線生產能力為1 140 kg/h，WQ397 型回潮筒（秦皇島煙草機械有限責任公司）；SB16001 型電子天平（精度0.001 kg，瑞士Mettler Toledo 公司）。

測試方法：設WQ397 型回潮筒滾筒轉速為35 r/min，排潮風機頻率為30 Hz。依據《膨脹煙絲質量檢驗指標與判定（寧波卷煙廠）》（QJ/ZY-GY.02-036-2018）和《寧波卷煙廠在制品質量檢驗規程（制絲）》（QJ/ZY-CF.02-007-2016），分別檢測改進前后各18 批次正常生產情況下回潮筒出口膨脹煙絲含水率、填充值、整絲率、碎絲率、純凈度以及回潮筒后風選除雜機剔除物中的濕團煙絲質量，判斷膨脹煙絲是否符合工藝要求，并計算濕團率。

3.2 數據分析

由表2 可見，改進后膨脹煙絲含水率、填充值、整絲率、碎絲率、純凈度指標與改進前基本一致，均符合工藝要求，煙絲品質未受到影響。由表3 可見，改進后平均煙絲質量為4 425.44 kg/批次，濕團煙絲質量由改進前的5.155 kg/批次降低到0.166 kg/批次，濕團率由降低到降低96.9%，有效提高了膨脹煙絲回潮效果。

表2 改進前后膨脹煙絲工藝指標對比①Tab.2 Comparison of process indexes of expanded tobacco before and after modification

表3 改進前后膨脹煙絲濕團率對比Tab.3 Comparison of caking rate of expanded tobacco before and after modification

4 結論

基于膨脹煙絲生產及回潮筒工作原理，采用Fluent 仿真軟件對回潮筒加水及煙絲運動情況進行模擬，并根據仿真結果對回潮筒內噴嘴數量及布局進行了優化，對回潮筒加水量及加水比例進行了調整。以寧波卷煙廠生產的膨脹煙絲為對象進行測試，結果表明：回潮筒加水方式改進后，膨脹煙絲含水率、填充值、整絲率、碎絲率、純凈度指標與改進前基本一致，均符合工藝要求，煙絲品質未受影響；濕團煙絲質量由改進前的5.155 kg/批次降低到0.166 kg/批次，濕團率由降低到降低96.9%，有效提高了膨脹煙絲回潮效果，進一步完善了膨脹煙絲生產工藝。