烟叶在叶片复烤机干燥过程中的传热传质研究.pdf

1 烟 叶 干 燥 过 程 的 分 析烟 叶 这 种 多 孔 介 质 在 叶 片 复 烤 机 内 的 干 燥包 括 两 个 基 本 过 程 : 首 先 是 对 烟 叶 加 热 使 水 分气 化 的 传 热 过 程 , 然 后 是 气 化 后 的 蒸 气 由 于 其蒸 气 分 压 较 大 而 扩 散 进 入 加 热 介 质 ( 热 空 气 ) 中的 传 质 过 程 。 传 质 过 程 又 包 括 内 部 传 质 和 外 部传 质 两 个 过 程 , 另 外 烟 叶 内 部 的 水 分 通 过 扩 散的 作 用 而 源 源 不 断 地 输 送 到 烟 叶 的 表 面 , 又 是一 个 物 料 内 部 的 传 质 过 程 。 因 此 , 干 燥 过 程 的特 点 是 传 热 与 传 质 同 时 并 存 , 两 者 相 互 影 响 又相 互 制 约 。2 干 燥 过 程 数 学 模 型 的 建 立2 . 1 基 本 假 设在 讨 论 和 研 究 烟 叶 这 种 多 孔 介 质 的 传 热 传质 过 程 时 , 往 往 也 和 处 理 其 他 复 杂 问 题 一 样 ,需 要 我 们 先 对 问 题 做 出 合 理 的 假 设 , 使 问 题 简化 , 以 便 进 行 数 学 描 述 和 求 解 , 针 对 本 文 所 要研 究 的 内 容 , 分 别 对 传 热 和 传 质 两 个 方 面 做 以下 假 设 :( 1 ) 被 干 燥 的 叶 片 宏 观 上 是 均 匀 且 各 向 同 性的 连 续 介 质 , 且 不 与 液 体 及 气 体 发 生 化 学 反 应 ;( 2 ) 忽 略 压 力 梯 度 和 重 力 造 成 的 湿 迁 移 ;烟 叶 在 叶 片 复 烤 机 干 燥 过 程 中 的 传 热 传 质 研 究管 桂 春1 、 2, 胡 芃2( 1 . 山 东 中 鲁 烟 叶 有 限 公 司 , 山 东 临 沂 ;2 . 中 国 科 学 技 术 大 学 热 科 学 与 能 源 工 程 系 , 合 肥 , 2 3 0 0 2 7 )摘 要 : 烟 叶 在 叶 片 复 烤 机 内 的 干 燥 包 含 传 热 和 传 质 两 个 过 程 。 通 过 对 传 热 传 质 过 程 的 分析 , 建 立 干 燥 过 程 的 数 学 模 型 , 分 别 总 结 出 烟 叶 在 恒 速 干 燥 阶 段 和 降 速 干 燥 阶 段 的 能 量 平 衡方 程 , 推 导 出 烟 叶 温 度 、 水 分 随 热 空 气 的 温 度 以 及 干 燥 时 间 的 变 化 关 系 , 对 于 优 化 控 制 设 备的 工 艺 参 数 、 指 导 烟 叶 复 烤 生 产 、 节 约 能 耗 有 着 重 要 的 作 用 。关 键 词 : 叶 片 复 烤 机 ; 干 燥 ; 数 学 模 型 ; 传 热 传 质中 图 分 类 号 : T S 4 4 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 5 - 1 2 9 5 ( 2 0 0 6 ) 0 3 - 0 0 0 5 - 0 4& 收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 3 - 0 6作 者 简 介 : 管 桂 春 ( 1 9 7 2 ) , 男 , 山 东 临 沂 , 工 程 师 , 获 得 中 国 科 大 工 程 硕 士 学 位 , 专 业 方 向 为 机 械 电 子 ,从 事 烟 叶 打 叶 复 烤 的 生 产 工 艺 管 理 工 作 。A b s t r a c t : H e a t t r a n s f e r a n d m a s s t r a n s f e r a r e i n c l u d e d w h e n t o b a c c o a r e d r y i n g i n t h e r e d r y e r . B a s e d o n h e a tt r a n s f e r a n d m a s s t r a n s f e r a n a l y s i s , t h e m a t h e m a t i c m o d e l o f d r y i n g p r o c e s s i s e s t a b l i s h e d . E n e r g y - b a l a n c e e q u a t i o n so f t o b a c c o i n c o n s t a n t - s p e e d d r y i n g a n d s p e e d r e d u c t i o n s t a g e s a r e s u m m a r i z e d . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t o b a c c ot e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e , h o t a i r t e m p e r a t u r e a n d d r y i n g t i m e i s o b t a i n e d . A l l t h e c o n c l u s i o n s a r e i m p o r t a n t f o rt e c h n i c s o p t i m i z a t i o n , t o b a c c o r e d r y i n g , a n d c o n s u m p t i o n c o n s e r v a t i o n .K e y w o r d s : t o b a c c o r e d r y e r ; d r y i n g ; m a t h e m a t i c s m o d e l ; h e a t t r a n s f e r a n d m a s s t r a n s f e rR e s e a r c h o n t h e H e a t T r a n s f e r a n d M a s s T r a n s f e r o f T o b a c c o D u r i n g D r y i n gP r o c e s s i n T o b a c c o R e d r y e A N G u i !c h u n , H U P e n g( D e p a r t m e n t o f T h e r m a l S c i e n c e A n d E n e r g y E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o f C h i n a , H e f e i 2 3 0 0 2 7 )烟 叶 在 叶 片 复 烤 机 干 燥 过 程 中 的 传 热 传 质 研 究 管 桂 春 , 胡 芃5包 装 与 食 品 机 械 2 0 0 6 年 第 2 4 卷 第 3 期图 2 坐 标 系 的 建 立( 3 ) 多 孔 介 质 中 水 与 水 蒸 汽 的 流 动 R e 值 较低 , 故 液 体 水 和 水 蒸 汽 的 对 流 传 质 可 以 忽 略 不 计 ;( 4 ) 流 体 与 固 体 骨 架 ( 烟 叶 ) 之 间 瞬 时 得 到热 平 衡 , 烟 叶 与 烟 叶 之 间 的 热 传 导 忽 略 不 计 ;( 5 ) 没 有 融 冻 问 题 , 即 干 燥 过 程 在 冰 点 以上 进 行 ;( 6 ) 由 于 热 空 气 温 度 不 高 , 不 计 辐 射 换 热 ;( 7 ) 烤 机 壁 为 绝 热 体 , 其 热 容 量 忽 略 不 计 ;2 . 2 物 理 模 型在 复 烤 机 内 , 烟 叶 在 干 燥 过 程 中 , 干 燥 介质 ( 热 空 气 ) 的 状 态 ( 温 度 、 湿 度 ) 不 断 地 随 时 间和 位 置 的 不 同 而 发 生 变 化 , 网 板 上 烟 叶 的 水 分也 不 断 地 随 时 间 发 生 变 化 。由 于 我 们 主 要 研 究 复 烤 机 干 燥 过 程 的 热 工问 题 , 因 此 确 定 烟 叶 的 温 度 、 水 分 随 时 间 的 变化 规 律 就 是 我 们 的 研 究 目 标 , 它 们 的 初 始 值 分别 是 外 界 环 境 的 湿 球 温 度 和 烟 叶 的 初 始 水 分 ,当 烟 叶 进 入 复 烤 机 后 , 它 与 穿 过 烟 叶 层 的 热 空气 存 在 着 热 、 质 交 换 , 烟 叶 通 过 对 流 从 热 空 气中 吸 收 热 量 , 升 高 温 度 , 并 将 所 含 的 水 分 扩 散至 热 空 气 中 , 由 热 空 气 带 走 , 烟 叶 本 身 的 湿 度下 降 , 从 而 达 到 干 燥 的 目 的 。为 了 简 化 研 究 , 我 们 仅 考 虑 沿 高 度 方 向 这一 维 的 情 况 , 通 过 借 助 相 关 公 式 和 方 程 , 研 究这 一 方 向 上 各 点 的 温 度 、 水 分 在 上 述 物 理 条 件下 随 时 间 的 变 化 关 系 。2 . 3 数 学 计 算在 前 面 简 单 介 绍 了 烟 叶 中 的 热 质 传 递 以 后 ,还 要 介 绍 一 下 不 可 逆 传 递 过 程 规 律 。所 谓 不 可 逆 传 递 过 程 规 律 , 就 是 反 映 传 递 过程 的 激 发 力 或 驱 动 力 与 传 递 反 应 及 传 递 通 量 之 间的 关 系 , 这 种 关 系 反 映 了 与 物 质 内 部 结 构 相 关 的物 质 固 有 的 实 质 性 特 点 , 称 之 为 本 构 关 系 , 而 将表 述 这 种 关 系 的 数 学 公 式 称 为 本 构 方 程 。与 烟 叶 传 递 过 程 有 关 的 本 构 方 程 有 下 列 几 种 :F o u r i c e 定 律 :J q = - k g r a d T ( 1 )F i c k 定 律 :J m = - r a d C ( 2 )N e w t o n 定 律 :J v = - g r a d ( 3 )D a r c y 定 律 :J f = r a d ( 4 )前 面 各 个 公 式 中 , 各 符 号 的 物 理 意 义 见 参考 文 献 4 , 不 再 赘 述 。大 量 经 验 和 事 实 证 明 , 无 论 在 烟 叶 这 种 多孔 介 质 还 是 一 般 介 质 中 , 各 种 不 可 逆 传 递 过 程之 间 存 在 着 相 互 影 响 , 给 予 各 种 传 递 过 程 相 对应 的 通 量 和 驱 动 力 之 间 存 在 相 互 影 响 , 我 们 把它 称 为 耦 合 效 应 。为 了 对 前 面 所 述 的 物 理 模 型 进 行 数 学 描 述 ,我 们 选 取 坐 标 系 如 下 图 所 示 。在 对 烟 叶 的 干 燥 过 程 进 行 研 究 时 , 我 们 关心 的 主 要 参 数 就 是 烟 叶 的 温 度 和 湿 度 , 由 前 章的 内 容 可 知 , 烟 叶 温 度 的 变 化 是 从 环 境 湿 球 温度 升 高 到 热 空 气 的 温 度 , 烟 叶 湿 度 即 水 分 的 变化 则 是 从 初 始 湿 度 降 低 到 该 干 燥 条 件 下 的 平 衡水 分 。在 前 面 讲 述 的 基 本 假 设 条 件 下 , 应 用 宏 观方 法 , 借 助 相 关 的 本 构 方 程 , 对 烟 叶 干 燥 过 程中 的 热 、 质 传 递 分 析 如 下 :1 ) 热 量 分 析根 据 能 量 平 衡 分 析 , 可 得 能 量 平 衡 微 分 方程 如 下 :图 1 叶 片 复 烤 机 的 热 质 传 递 示 意 图水 分烟 叶热 空 气 面下 表 面热 空 气xT q D 06C !T!= - d i v q + qc v( 5 a )式 中 , q = - ( k T ) + i+ v( 5 b )以 上 两 式 中 , q 为 烟 叶 内 热 流 密 度 , ( 气 、 液 相 ) 的 比 焓 , jm 相 的 质 量 流 率 , 式( 5 b ) 中 右 端 第 一 项 为 热 传 导 热 流 密 度 , 第 二 项和 第 三 项 分 别 为 液 态 水 和 水 蒸 汽 流 动 所 传 递 的热 流 密 度 , 由 基 本 假 设 , 这 两 项 可 以 忽 略 , 为水 分 蒸 发 所 需 的 热 流 密 度 , 它 可 以 表 示 成 :qe v= #!D!式 中 , 为 相 变 因 子 ; #= ! ( 5 c )式 中 , 为 汽 化 潜 热 , ! 为 相 变 准 数 ;!=d De ( 5 d )即 ! 是 相 变 引 起 的 湿 量 相 对 浓 度 变 化 d De 量 相 对 浓 度 总 变 化 d D 之 比 。2 ) 质 量 分 析由 对 物 料 微 元 体 内 的 水 分 质 量 平 衡 可 知 ,水 分 的 质 量 浓 度 随 时 间 的 变 化 率!( D !)! 水分 的 质 量 扩 散 流 量 j 变 流 量 之 和 !, 即!D!= - d i v ( j m) + !( 6 a )若 暂 不 考 虑 相 变 流 量 , 又 根 据 物 料 中 各 种传 递 过 程 的 耦 合 分 析 , 有j m= j m , D+ j m , q+ j m , p( 6 b )式 中 , j m , 湿 量 浓 度 梯 度 而 导 致 的 水 分质 量 扩 散 密 度 :j m , D= - D ( 6 c )j m , 温 度 梯 度 所 引 起 的 水 分 质 量 扩 散 流量 密 度 :j m , q= - a !T ( 6 d )j m , 料 中 水 分 在 压 力 梯 度 作 用 下 , 所 产生 的 质 量 迁 移 流 量 密 度 , 由 基 本 假 设 知 , 这 项也 可 忽 略 。经 过 以 上 分 析 , 将 热 湿 迁 移 方 程 组 总 结 如下 :!D!= d i v ( D + T ) ( 7 )c !T!= d i v ( k T ) + # !D!( 8 )其 中 , D 为 物 料 中 水 分 与 水 蒸 汽 的 质 量 浓度 , D = 体 质 量 , 分 和 水 蒸 气 的 质 量 ;T 为 物 料 的 温 度 ;c 为 物 料 的 比 容 ;! 为 物 料 的 密 度 ;k 为 物 料 的 导 热 系 数 ; 料 的 对 流 传 质 系 数 ; 为 物 料 的 热 梯 度 系 数 , = 为 热传 质 系 数 ;# 为 相 变 因 子 ; 为 时 间 。整 个 干 燥 过 程 的 初 始 条 件 是 , 沿 烟 叶 层 高度 方 向 上 各 点 的 温 湿 度 为 :T = T w D iT w b 为 环 境 湿 球 温 度 , D i 为 烟 叶 初 始 水 分 。如 前 所 述 , 烟 叶 的 干 燥 过 程 一 般 可 分 三 个阶 段 : 预 热 阶 段 、 恒 速 干 燥 阶 段 和 降 速 干 燥 阶段 。 在 预 热 阶 段 , 由 于 热 空 气 与 烟 叶 存 在 较 大温 度 差 , 并 且 当 时 干 燥 速 率 较 小 , 造 成 升 速 段时 间 较 短 , 与 其 他 阶 段 相 比 , 对 过 程 的 影 响 不大 , 可 忽 略 , 重 点 研 究 后 两 个 阶 段 。( 1 ) 恒 速 干 燥 阶 段此 阶 段 是 表 面 蒸 发 阶 段 , 烟 叶 的 内 蒸 发 效果 可 忽 略 , 即 相 变 因 子 为 0 。 这 样 通 过 对 ( 7 ) 、( 8 ) 方 程 进 行 化 简 , 即 可 得 到 该 阶 段 的 传 质 方 程( 9 ) 和 传 热 方 程 ( 1 0 ) , 此 阶 段 结 束 的 标 志 是 烟 叶表 面 达 到 临 界 水 分 。!D!= d i v ( D ) ( 9 )c !T!= d i v ( k T ) ( 1 0 )由 于 在 烟 叶 层 和 热 空 气 间 存 在 着 热 质 交 换 ,由 烟 叶 层 表 面 处 的 质 能 守 恒 , 可 得 该 阶 段 在 烟叶 层 表 面 处 的 边 界 条 件 是 :!T!d( !q) + !x( 1 1 )!T!c ( w) - k!T!d( !q) ( 1 2 )其 中 , ! 叶 层 表 面 处 水 蒸 汽 的 密 度 ;! 离 烟 叶 层 表 面 的 主 流 热 空 气 中 水 蒸 汽烟 叶 在 叶 片 复 烤 机 干 燥 过 程 中 的 传 热 传 质 研 究 管 桂 春 , 胡 芃7包 装 与 食 品 机 械 2 0 0 6 年 第 2 4 卷 第 3 期今 天 , 美 国 康 创 公 司 ( C o n t r o l o t r o n ) 和 西门 子 公 司 签 署 了 一 份 协 议 , 西 门 子 公 司 将收 购 康 创 公 司 的 业 务 。 康 创 公 司 是 外 夹 式超 声 波 流 量 计 全 球 领 先 的 制 造 商 , 公 司 总部 位 于 美 国 纽 约 , 目 前 雇 用 员 工 1 2 0 人 。康 创 公 司 拥 有 一 个 全 球 的 销 售 网 络 , 西 门子 公 司 将 把 这 一 销 售 网 络 整 合 到 其 过 程 仪表 及 分 析 仪 器 部 , 具 体 业 务 收 购 将 在 2 0 0 6年 5 月 进 行 。西 门 子 自 动 化 与 驱 动 集 团 副 总 裁 A n t o H u b e r 认 为 , 流 量 计 在 当 今 的 过 程 仪 表 领域 占 到 了 大 约 四 分 之 一 的 需 求 。 他 说 : “ 收购 康 创 公 司 的 流 量 计 进 一 步 拓 展 了 我 们 在 过程 自 动 化 领 域 的 业 务 。 康 创 公 司 的 非 接 触 式超 声 波 流 量 计 是 对 西 门 子 现 有 流 量 计 产 品 的有 力 补 充 , 它 将 整 合 我 们 现 有 的 竞 争 优 势 ,让 我 们 在 客 户 眼 中 更 具 有 吸 引 力 。 ”外 夹 式 超 声 波 流 量 计 , 不 需 要 接 触 介质 , 通 过 夹 在 管 道 外 的 两 个 传 感 器 , 利 用 多普 勒 超 声 波 原 理 对 管 道 中 液 体 或 气 体 的 流 量进 行 精 确 测 量 , 特 别 适 用 于 石 油 与 天 然 气 ,水 和 污 水 处 理 及 供 热 等 行 业 。 ( 张 薇 )的 密 度 ; 为 热 风 和 烟 叶 层 间 的 对 流 换 热 系 数 ; 风 和 烟 叶 层 间 的 对 流 传 质 系 数 ; 叶 层 表 面 温 度 ; 流 热 空 气 的 温 度 ; ;若 将 水 蒸 汽 视 为 理 想 气 体 , 又 有 :u u , q( 1 3 )R 为 水 蒸 汽 的 气 体 常 数 ; 流 热 空 气 中 水 蒸 汽 的 压 力 ; 叶 表 层 处 的 水 蒸 汽 的 压 力 ;P ( ( 1 4 )P ( 为 烟 叶 层 表 面 温 度 应 的 饱 和 水蒸 汽 的 压 力 。另 外 , = 0 . 3 3 2LR 2 3( 1 5 )d= 3( 1 6 )R 空 气 的 雷 诺 数 ;L e 为 热 空 气 的 刘 易 士 数 。( 2 ) 降 速 干 燥 阶 段此 阶 段 还 是 表 面 蒸 发 阶 段 , 内 部 传 输 以 液态 水 迁 移 为 主 , 内 蒸 发 仍 可 忽 略 。 在 表 面 干 燥时 , 这 一 阶 段 就 结 束 了 , 由 上 述 分 析 及 对 方 程( 7 ) 、 ( 8 ) 方 程 进 行 化 简 , 即 可 得 到 该 阶 段 的 传 质方 程 和 传 热 方 程 , 可 得 此 阶 段 的 传 热 、 传 质 方程 , 如 式 ( 9 ) 和 ( 1 0 ) 。该 阶 段 的 边 界 条 件 和 恒 速 干 燥 阶 段 的 边 界条 件 基 本 相 同 , 只 是 烟 叶 层 表 面 处 的 水 蒸 气 压力 应 改 为 : p ( ( 1 7 ) = ( Dc r)2 / 3( 1 8 ) 叶 层