煙葉加料過(guò)程的熱質(zhì)傳遞特性分析

邵禹然,袁銳波,陳 坤,施 濤,李 想,胡啟明

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 昆明 650504;2.光機(jī)電液系統(tǒng)集成與控制研究所, 昆明 650504)

0 引言

中國(guó)煙草現(xiàn)已邁入高質(zhì)量發(fā)展階段,煙草的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是當(dāng)前我國(guó)煙草科技創(chuàng)新的必然選擇[1]。煙葉具有多孔、不均勻、高濕含量等特性,在加料過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的物理形變、增溫、增濕等,其物理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜[2]。噴灑作用在煙葉表面的料液通過(guò)葉片毛細(xì)壓力,浸潤(rùn)并充滿到煙葉孔隙。由于浸潤(rùn)過(guò)程緩慢,使加料過(guò)程會(huì)產(chǎn)生煙葉吸收料液不完全和料液施加不均勻等問(wèn)題[3],直接或間接對(duì)卷煙的后續(xù)加工和口感品質(zhì)造成影響。為優(yōu)化相關(guān)工藝工序,提升加料均勻性,研究煙葉加料的浸潤(rùn)機(jī)制與膨脹變形至關(guān)重要[4]。

現(xiàn)階段,關(guān)于煙草的熱質(zhì)傳遞特性的研究主要集中于干燥過(guò)程,王詩(shī)雨等[5]建立了加熱卷煙再造煙葉等溫干燥動(dòng)力學(xué)模型,研究其干燥過(guò)程中的水分遷移規(guī)律;黃廣華等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了烘烤過(guò)程中不同部位煙葉的失水規(guī)律和化學(xué)成分含量的變化;汪火良[7]從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等理論出發(fā),建立了散葉堆積烤房烘烤過(guò)程的熱質(zhì)傳遞規(guī)律的數(shù)學(xué)模型和控制方程,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。在煙葉、果蔬等植物的變形機(jī)制方面,許冰洋等[8]對(duì)葉絲干燥收縮過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型擬合,建立了考慮收縮形變的葉絲干燥過(guò)程水分?jǐn)U散模型,并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證;徐英英等[9]運(yùn)用孔道網(wǎng)絡(luò)理論和熱質(zhì)傳遞原理,建立了果蔬多孔介質(zhì)干燥傳熱傳質(zhì)的孔道網(wǎng)絡(luò)模型,分析了蘋(píng)果切片的含水率、溫度場(chǎng)等;陳良元等[10]建立了考慮其收縮特性的水分?jǐn)U散動(dòng)力學(xué)模型,并分析了干燥收縮行為對(duì)切片茄子干燥動(dòng)力學(xué)的影響;姜大龍等[11]運(yùn)用紅外聯(lián)合方法對(duì)白蘿卜進(jìn)行熱風(fēng)干燥并求解其熱質(zhì)傳遞模型。目前,針對(duì)煙葉加料過(guò)程熱質(zhì)傳遞特性和膨脹變形機(jī)制的研究文獻(xiàn)鮮見(jiàn)報(bào)道,但考慮未來(lái)卷煙生產(chǎn)的智能化和數(shù)字化需求,因此對(duì)于煙葉在不同加料環(huán)境和料液施加模式下的加料效果、影響因素的研究是必要的。

從多孔介質(zhì)連續(xù)理論和固體力學(xué)出發(fā),運(yùn)用COMSOL Multiphyscis多物理場(chǎng)耦合仿真軟件對(duì)煙葉加料過(guò)程中的溫度、料液浸潤(rùn)率及煙葉膨脹變形進(jìn)行分析,旨在歸納出煙葉加料浸潤(rùn)機(jī)制,對(duì)煙葉加料工藝工序進(jìn)行優(yōu)化,提高物料混合均勻性,并為卷煙數(shù)字化、智能化生產(chǎn)提供有利的數(shù)據(jù)支持以及有效的理論基礎(chǔ)。

1 煙葉加料仿真模型

1.1 加料過(guò)程基本假設(shè)

煙葉加料過(guò)程中,煙葉與滾筒中的熱風(fēng)熱蒸汽存在著熱量交換,煙葉通過(guò)與熱風(fēng)熱蒸汽之間的熱傳導(dǎo),以及內(nèi)部孔隙中流體與外環(huán)境間的對(duì)流傳熱,使煙葉自身溫度升高。噴嘴噴出的料液在適宜的溫度、壓力等因素下,通過(guò)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)入到煙葉中,從而實(shí)現(xiàn)加料的目的,如圖1所示。在構(gòu)建并求解加料過(guò)程中煙葉熱質(zhì)傳遞與膨脹變形的多物理場(chǎng)耦合模型中,為簡(jiǎn)化分析進(jìn)行如下假設(shè):

1) 將煙葉視作各向同性的連續(xù)性多孔材料。

2) 熱風(fēng)連續(xù)均勻地穿過(guò)煙葉。

3) 噴出的料液、熱蒸汽作用到煙葉中部。

4) 加料過(guò)程中滾筒內(nèi)部熱風(fēng)熱蒸汽流速連續(xù)均勻且環(huán)境濕度相對(duì)穩(wěn)定。

5) 在初始狀態(tài)下,煙葉內(nèi)部濕度為零,溫度分布均勻,不含溫度梯度。

6) 在最終狀態(tài)下,煙葉內(nèi)部孔隙充滿料液。

7) 煙葉的幾何邊界膨脹變形有各向同性。

圖1 煙葉加料過(guò)程示意圖

1.2 煙葉物理模型構(gòu)建

即將進(jìn)入加料滾筒的煙葉可被視為連續(xù)的多孔介質(zhì),如圖2所示。事實(shí)上煙葉加料過(guò)程涉及到復(fù)雜的各種物理化學(xué)變化,以及進(jìn)入滾筒的煙葉會(huì)產(chǎn)生破碎的現(xiàn)象,并且煙葉內(nèi)部微觀孔隙空間相互連通,氣相、液相或氣液兩相流體充滿葉片內(nèi)部孔隙,空間幾何結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,給研究煙葉加料內(nèi)部的浸潤(rùn)機(jī)制和膨脹變形帶來(lái)了巨大困難。為了提高煙葉加料仿真計(jì)算速度和分析煙葉膨脹變形尺寸變化情況的準(zhǔn)確性,不計(jì)葉脈和葉梗的熱濕特性與分布[12]。通過(guò)測(cè)量實(shí)際加料過(guò)程中大量不規(guī)則煙葉的尺寸并尋找煙葉形狀共性,將煙葉物理模型設(shè)計(jì)為長(zhǎng)為35 mm,寬為30 mm的二維不規(guī)則圖形,并在求解過(guò)程中加入葉片厚度為0.08 mm,煙葉模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 煙葉實(shí)物(35.33 mm×29.67 mm)

1.3 仿真模擬方法

通過(guò)多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL Multiphyscis對(duì)煙葉加料過(guò)程的熱質(zhì)傳遞特性進(jìn)行求解,分析其溫度、料液浸潤(rùn)率以及應(yīng)力應(yīng)變隨加料時(shí)間的變化規(guī)律。在仿真模擬過(guò)程中,先添加多孔介質(zhì)傳熱模塊、多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞模塊,對(duì)葉片的溫度分布和料液分布進(jìn)行求解,選取滾筒環(huán)境溫度仿真值為35、45、55、65 ℃,分別求出煙葉的料液浸潤(rùn)率,并得到料液浸潤(rùn)率隨溫度的變化情況,再把求解結(jié)果應(yīng)用到固體力學(xué)模塊中,在多物理場(chǎng)耦合中選取吸濕膨脹,求解溫度梯度與濃度梯度共同作用下的煙葉應(yīng)力場(chǎng)和等效應(yīng)變場(chǎng),在后處理模塊中獲得加料過(guò)程中的煙葉應(yīng)力應(yīng)變曲線,最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),仿真流程如圖4所示。

圖4 煙葉加料仿真流程

1.4 多物理場(chǎng)耦合參數(shù)設(shè)置

目前高質(zhì)高效大批量已是加料行業(yè)的目標(biāo)[13],將加料滾筒按煙葉進(jìn)出順序依次劃分為推進(jìn)區(qū)、加料區(qū)、出料區(qū),如圖5所示。加料滾筒內(nèi)部環(huán)境溫度一般控制在45～70 ℃,總體溫度由推進(jìn)區(qū)向出料區(qū)逐漸遞減,如圖6所示,選取加料時(shí)間為70 s。加料初始煙葉溫度和料液溫度設(shè)定為310 K,初始干基含水率為11.8%,初始料液含量為零。煙葉加料平臺(tái)的載料流量為300 kg/h,轉(zhuǎn)速為4.55～26.75 r/min,長(zhǎng)度為3.5 m,熱風(fēng)參數(shù):流量為785 m3/h,熱量為30 800 Btu/h,熱蒸汽壓力為0.48 MPa,額定蒸發(fā)量為5 kg/h,飽和蒸汽溫度為140 ℃。其中,1 Btu/h= 0.293 071 W。

1.排潮出口;2.噴嘴入口;3.煙葉出料口;4.蒸汽入口;5.煙葉入料口;6.熱風(fēng)入口

圖6 煙葉加料滾筒溫度變化曲線

在加料過(guò)程中煙葉物性參數(shù)會(huì)隨著加料的時(shí)間變化而改變,且料液由多種化學(xué)成分組成,因此本研究中的煙葉自身物性參數(shù)、料液濃度、加料介質(zhì)通過(guò)測(cè)算后,以值或表達(dá)式的形式給出,如表1所示[13-14]。

表1 煙葉物性參數(shù)

2 煙葉加料熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型

2.1 傳熱控制方程

煙葉加料模型的傳熱微分方程通過(guò)傅里葉定律來(lái)確定,即為:

(1)

式中:ρ為煙葉密度,kg/m3;C為煙葉比熱容,J/(kg·K);λ為煙葉導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);t為時(shí)間,s;T為溫度,K;x為模型長(zhǎng)度,mm;y為模型寬度,mm。

通過(guò)傳熱微分方程可得二維傳熱控制方程,方程左邊表示煙葉溫度隨時(shí)間的變化,右邊表示煙葉在熱傳導(dǎo)作用下的各方向上的溫度傳遞[15],即為:

(2)

式中:γ為料液蒸發(fā)潛熱,J/kg;ρl為料液密度,kg/m3;Y為料液濃度,mol/m3。

由于加料中的煙葉包含固相骨架和孔隙中的料液成分,所以可表示出煙葉的熱性參數(shù)與孔隙率之間的關(guān)系為:

ρC=(1-θ)C·ρ+θρlCl

(3)

式中:θ為孔隙率,%;Cl為料液的比熱容,J/(kg·K)。

根據(jù)牛頓冷卻定律求解煙葉對(duì)流傳熱邊界條件為:

q0=α(T1-T0)

(4)

式中:α為對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K);T1為滾筒內(nèi)部環(huán)境溫度,K;T0為煙葉初始溫度,K。

2.2 傳質(zhì)控制方程

在煙葉加料過(guò)程中,料液通過(guò)霧化后,作用在煙葉表面上,由于濃度差的作用,煙葉微元體中的料液逐漸增加,產(chǎn)生質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。根據(jù)菲克第二定律分析確定煙葉加料過(guò)程的傳質(zhì)控制方程,方程左邊表示煙葉料液濃度隨時(shí)間的變化,右邊表示加料過(guò)程中煙葉各方向上的料液擴(kuò)散遷移狀態(tài)[16],即為:

(5)

式中:Dm為料液有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

加料的對(duì)流傳質(zhì)中,料液從煙葉內(nèi)部向四周擴(kuò)散,并傳遞到邊界處,致使煙葉內(nèi)部的氣相流體從邊界處逸出,即傳質(zhì)邊界條件表示為:

-Dm·▽Y=Kc·ΔY

(6)

式中:Kc為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),m/s;ΔY為料液濃度差,mol/m3。

2.3 固體力學(xué)控制方程

根據(jù)廣義胡克定律,考慮溫濕度及重力的共同作用下,煙葉加料的應(yīng)力控制方程為:

ε=δ·σ

(7)

式中:ε為應(yīng)變向量;σ為應(yīng)力向量;δ為彈性柔度矩陣,其表達(dá)式分別為[17]:

ε={εxεyγxy}

(8)

σ={σxσyτxy}

(9)

(10)

式中:σx、σy為正應(yīng)力,N/m2;τxy為切應(yīng)力,N/m2;εx、εy為正應(yīng)變;γxy為切應(yīng)變;μ為泊松比;E為彈性模量,Pa;G為剪切模量,即為:

(11)

在加料過(guò)程中存在著溫度梯度和濃度梯度,即造成煙葉發(fā)生膨脹變形的總應(yīng)變?yōu)?

ε=εT+εY

(12)

式中:εT為熱應(yīng)變;εY為料液應(yīng)變。

假定煙葉加料過(guò)程的溫度、料液濃度與應(yīng)變呈線性關(guān)系,即為:

(13)

式中:φ為熱膨脹系數(shù);β為吸濕膨脹系數(shù)[18],β=0.408α。

2.4 控制方程參數(shù)確定

對(duì)流傳熱系數(shù)由如下公式確定[19-20]:

(14)

式中:α為對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K);Re為雷諾數(shù);l為煙葉特征長(zhǎng)度,m;λa為熱風(fēng)蒸汽導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Pr為Prandtl數(shù);ua為熱風(fēng)熱蒸汽流速,m/s;ρa(bǔ)為熱風(fēng)熱蒸氣密度,kg/m3;μa為熱風(fēng)熱蒸汽動(dòng)力黏度,m2/s;υa為熱風(fēng)熱蒸汽運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;Da為空氣擴(kuò)散系數(shù),m2/s。

對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)由如下公式確定[21]:

(15)

式中:Kc為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),m/s。

3 結(jié)果分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

煙葉在進(jìn)入加料滾筒之前一般是要經(jīng)過(guò)回潮的,回潮后的葉片濕度為10%～12%,煙葉所吸收的實(shí)際料液量是檢測(cè)煙葉加料均勻性的重要指標(biāo),同時(shí)葉片溫度也是影響料液施加均勻性的重要因素。加料過(guò)程中料液和蒸汽充分混雜進(jìn)入煙葉,工藝規(guī)范要求加料后煙葉的料液浸潤(rùn)率在18%～25%和葉片溫度在45～55 ℃的范圍內(nèi)[22]。因此,采用COMSOL軟件求解不同時(shí)刻的煙葉料液濃度和溫度,再計(jì)算料液浸潤(rùn)率,通過(guò)與理論值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證仿真加料模型的有效性。結(jié)合體積摩爾濃度公式,料液浸潤(rùn)率的仿真值計(jì)算如下:

(16)

式中:Qt為料液浸潤(rùn)率,%;m0為加料前煙葉的質(zhì)量,g;Yt為t時(shí)刻料液濃度,mol/m3;M為料液分子量,g/mol;V為煙葉體積,m3。

為驗(yàn)證仿真加料模型的可靠性,選取加料環(huán)境溫度為65 ℃,通過(guò)COMSOL軟件求解可得葉片不同時(shí)刻的料液浸潤(rùn)率,再通過(guò)與劉澤等[23]研究的理論值進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示,料液浸潤(rùn)率的理論值與仿真值均呈現(xiàn)出逐漸上升并達(dá)到恒定,仿真值與理論值的變化趨勢(shì)基本一致,且仿真值均滿足19%～22%的加料工藝規(guī)范,表明COMSOL軟件仿真模擬具有準(zhǔn)確性。

將求解到的不同時(shí)刻加料過(guò)程中的煙葉溫度與陳霖[24]和汪平[25]的研究理論值進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示,加料中葉片溫度呈現(xiàn)出逐漸上升且緩慢趨向于恒定的趨勢(shì),在加料0～30 s的范圍內(nèi),升溫速率較大,當(dāng)加料時(shí)間為40 s時(shí),增溫速率較為緩慢,仿真值與理論值變化趨勢(shì)基本一致,且仿真值均符合47～53 ℃范圍內(nèi)的加料工藝規(guī)范,說(shuō)明了本研究煙葉加料建模的有效性。

圖7 煙葉料液浸潤(rùn)率理論值與仿真值曲線

3.2 加料過(guò)程中煙葉溫度變化分析

由圖8的仿真結(jié)果可知,當(dāng)煙葉剛進(jìn)入到推進(jìn)區(qū)時(shí),煙葉溫度便開(kāi)始緩慢上升,這是因?yàn)樵谥亓Α犸L(fēng)熱蒸汽的作用下,煙葉在滾筒中被快速向前推進(jìn)。隨后葉片溫度上升速率增加,增溫速度約為2 ℃/s,煙葉溫度上升達(dá)臨界值,約為45 ℃,這是因?yàn)闊熑~到達(dá)了核心加料區(qū),煙葉充分受到熱傳導(dǎo)的作用,使葉片溫度達(dá)到臨界值。當(dāng)煙葉進(jìn)入出料區(qū)時(shí),溫度緩慢地趨向于恒定,并上升到達(dá)峰值,約為50 ℃,這是由于煙葉到出料區(qū)后,葉片溫度受料液和熱蒸汽的影響較小。

圖8 煙葉溫度理論值與仿真值曲線

當(dāng)煙葉進(jìn)入到核心加料區(qū)時(shí),約為20 s,煙葉溫度分布如圖9所示,葉片中部溫度分布較高且四周分布較低;當(dāng)加料時(shí)間達(dá)到40 s時(shí),煙葉中部溫度趨于恒定,四周溫度快速升高,這是因?yàn)閲娮靽姵龅牧弦?、熱蒸汽以液滴的形式首先作用在煙葉中部,逐漸葉片中部區(qū)域溫度便達(dá)到峰值,之后在溫度梯度作用下,溫度逐漸由中部向四周轉(zhuǎn)移,所以煙葉溫度呈現(xiàn)出由中部區(qū)域向四周傳遞的趨勢(shì)。

圖9 不同加料時(shí)刻下的溫度分布(單位:K)

3.3 加料過(guò)程中料液浸潤(rùn)機(jī)制分析

為了探究加料過(guò)程中煙葉吸收料液的機(jī)制,及煙葉料液浸潤(rùn)率受滾筒環(huán)境溫度的影響情況,對(duì)整體模型求解后可得煙葉加料不同時(shí)刻的料液濃度分布,如圖10所示,隨著加料時(shí)間的延長(zhǎng),中部區(qū)域的料液濃度首先迅速升高,并逐步擴(kuò)散到葉片邊緣,這是由于料液首先作用于葉片的中部,與葉片內(nèi)部孔隙形成較大濃度差,隨后在料液濃度梯度的作用下,料液逐漸擴(kuò)散到葉片四周。當(dāng)加料時(shí)間約為60 s時(shí),葉片吸收的料液已經(jīng)相對(duì)均勻地?cái)U(kuò)散到了葉片的全部區(qū)域,這是由于料液已充滿煙葉內(nèi)部孔隙,葉片已趨于相對(duì)飽和的狀態(tài),不再吸收料液。

由圖11可知,隨著加料過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行,料液浸潤(rùn)率總體都呈上升趨勢(shì),當(dāng)加料時(shí)間約為50 s時(shí),不同仿真溫度下的葉片料液浸潤(rùn)率都到達(dá)臨界值,約為19.8%。在加料前10 s內(nèi),料液浸潤(rùn)速率較低,這是由于葉片剛進(jìn)入到推進(jìn)區(qū)且距離噴嘴口較遠(yuǎn),料液液滴與葉片的接觸次數(shù)較少,料液浸潤(rùn)量較少。當(dāng)葉片進(jìn)入到核心加料區(qū)時(shí),料液浸潤(rùn)速率逐漸提高,且不同仿真溫度下的料液浸潤(rùn)速率提升速率都約為0.9%/s,這是由于葉片孔隙所驅(qū)動(dòng)的料液濃度梯度較大,浸潤(rùn)到葉片四周的料液量較多。當(dāng)葉片接近出料區(qū)時(shí),料液濃度梯度較小,浸潤(rùn)速率降低,料液浸潤(rùn)率逐漸恒定,葉片已趨于相對(duì)飽和?？梢园l(fā)現(xiàn),同一時(shí)刻下,料液浸潤(rùn)率隨著滾筒環(huán)境溫度仿真值的提高而提高,這是由于煙葉的料液浸潤(rùn)速率受加料環(huán)境溫度影響較大,葉片溫度梯度對(duì)料液浸潤(rùn)具有一定的推動(dòng)作用,仿真表明最適加料滾筒環(huán)境溫度約為65 ℃。

圖10 不同加料時(shí)刻下的料液分布(單位:mol/m3)

圖11 不同溫度下的煙葉料液浸潤(rùn)率變化曲線

3.4 加料過(guò)程中煙葉膨脹變形特性

加料過(guò)程中煙葉的濕應(yīng)力和熱應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖12所示,隨著加料的持續(xù)進(jìn)行,濕應(yīng)力和熱應(yīng)力均呈現(xiàn)出快速升高后逐漸降低,最后逐漸趨于恒定的趨勢(shì),初始階段各應(yīng)力均為零,這是由于基本假設(shè)中煙葉表面的初始溫度分布和濕度分布都是均勻的。當(dāng)煙葉進(jìn)入到推進(jìn)區(qū)時(shí),濕應(yīng)力和熱應(yīng)力的上升速率達(dá)到最快,這是因?yàn)闊熑~剛進(jìn)入滾筒中,葉片便受到了料液的拍打和滾筒內(nèi)部環(huán)境溫度的熱傳導(dǎo)作用,使葉片受熱均勻并產(chǎn)生濕應(yīng)力。濕應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在15 s左右,熱應(yīng)力的最大值也出現(xiàn)在15 s左右,說(shuō)明煙葉出現(xiàn)的膨脹變形最大值在加料過(guò)程的15 s左右。通過(guò)對(duì)比葉片的濕應(yīng)力和熱應(yīng)力變化趨勢(shì)來(lái)看,料液脅迫煙葉變形的程度大于溫度脅迫煙葉變形的程度,表明熱風(fēng)熱蒸汽在加料過(guò)程中對(duì)煙葉的膨脹效應(yīng)是存在且不可忽視的。

圖12 煙葉熱應(yīng)力與濕應(yīng)力曲線

由圖13可知,煙葉等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在葉片中部區(qū)域,這是因?yàn)榱弦号拇蛟谌~片的中部,在熱量傳遞和料液遷移的共同作用下,產(chǎn)生較大的溫度和濕度梯度,使葉片中部形成較大的等效應(yīng)力。煙葉到達(dá)加料后期,葉片等效應(yīng)力傳遞到四周并達(dá)到恒定,表明葉片的膨脹變形致使固相骨架空間變大,擴(kuò)大且促進(jìn)料液的浸潤(rùn)遷移通道,證明煙葉的膨脹變形對(duì)加料中的料液浸潤(rùn)具有積極作用。

圖13 不同加料時(shí)刻下的等效應(yīng)力分布(單位:N/m2)

由圖14可知,在加料初始階段的推進(jìn)區(qū)內(nèi),葉片便出現(xiàn)顯著的等效應(yīng)變,這是因?yàn)闊熑~在滾筒推進(jìn)區(qū)內(nèi)距離熱風(fēng)蒸汽入口較近,大量的氣體分子充分均勻進(jìn)入葉片孔道內(nèi),增加了與其固相骨架內(nèi)壁撞擊的頻率,造成了明顯的壁面效應(yīng),致使煙葉產(chǎn)生明顯的變形量。

圖14 不同加料時(shí)刻下的等效應(yīng)變分布

由圖15可知,濕應(yīng)變和熱應(yīng)變先呈逐漸遞增后變緩的趨勢(shì),且濕應(yīng)變值大于熱應(yīng)變值,是因?yàn)榱弦航?rùn)速率的提升引起的膨脹變形大于熱量傳遞引起的膨脹變形。煙葉在推進(jìn)區(qū)10～20 s內(nèi)便產(chǎn)生了應(yīng)變,且應(yīng)變量的變化速率較大,這是由于葉片孔道內(nèi)壓力較小使料液浸潤(rùn)速率較快,在濕應(yīng)力的作用下使葉片整體膨脹變形速率提高。在料液持續(xù)浸潤(rùn)下,葉片逐漸趨于相對(duì)飽和狀態(tài),煙葉溫度梯度和濕度梯度逐漸減小,從而葉片濕應(yīng)變和熱應(yīng)變?cè)黾铀俾孰S之變緩,煙葉濕度和溫度趨于恒定。

圖15 等效熱應(yīng)變與等效濕應(yīng)力曲線

煙葉加料結(jié)束后,由于料液浸潤(rùn)葉片內(nèi)部孔隙會(huì)造成煙葉膨脹,致使表面面積增加,通過(guò)式(17)計(jì)算得到煙葉表面面積的膨脹率為8.6%,與李柏[26]、李軍等[27]的研究結(jié)果相比偏小,這是因?yàn)榉抡婺Ｐ偷募恿檄h(huán)境溫度低于試驗(yàn)溫度,且未考慮加料過(guò)程中的料液對(duì)煙葉的化學(xué)變化影響。

(17)

式中:S為膨脹率,%;A1為加料后煙葉表面面積,m2;A0為加料前煙葉表面面積,m2。

4 結(jié)論

1) 加料過(guò)程中煙葉濕應(yīng)力遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力,表明料液的浸潤(rùn)對(duì)葉片膨脹變形的影響要大于滾筒環(huán)境溫度的影響,葉片峰值溫度為49.25 ℃,溫度在加料過(guò)程中對(duì)葉片的膨脹效應(yīng)的影響是不可忽視的。

2) 煙葉的料液浸潤(rùn)速率受加料環(huán)境溫度影響較大,料液浸潤(rùn)率仿真峰值為19.85%,最適加料滾筒環(huán)境溫度約為65 ℃,葉片的溫度梯度對(duì)料液浸潤(rùn)具有一定推動(dòng)作用。

3) 料液、熱風(fēng)熱蒸汽混合后的氣體分子進(jìn)入葉片孔道后,增加了與其骨架內(nèi)壁撞擊的頻率,引發(fā)壁面效應(yīng)使其產(chǎn)生變形,同時(shí)吸濕膨脹使骨架孔隙擴(kuò)大,在濃度梯度作用下葉片孔隙變大,料液擴(kuò)散到葉片四周。加料結(jié)束后煙葉的膨脹率為8.6%,表明加料中的膨脹變形對(duì)料液擴(kuò)散具有積極作用。

4) 本研究為優(yōu)化煙葉加料工藝參數(shù)和提高加料質(zhì)量提供理論支持,僅對(duì)單一葉片加料中的熱質(zhì)傳遞特性進(jìn)行分析,未考慮料液具體化學(xué)成分、煙葉加料規(guī)模化、葉片破碎等影響,未來(lái)研究關(guān)鍵在于構(gòu)建加料過(guò)程的全方位多角度模型,考慮建立加料環(huán)境變化和煙葉本身之間的關(guān)系聯(lián)接。