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

本发明专利技术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系统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。

【技术实现步骤摘要】
用于预测烟丝在滚筒烘丝机内热质传递规律的数值方法
本专利技术涉及化工、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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有技术存在的问题，本专利技术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FriedmanandMarshall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系统，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，本专利技术具有如下显著进步：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为本专利技术的步骤流程示意图；图2滚筒微单元的划分示意图；图3本专利技术实施例的建模计算流程图；图4为VisualBasic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专利技术的技术方案做进一步说明：如图1所示，本专利技术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系统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。本专利技术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系统，向所编写的软件系统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。本专利技术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FriedmanandMarshall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系统，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)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～本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；针对不同条件下烟丝在滚筒内的停留时间进行实验研究，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系统，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，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；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。

【技术特征摘要】
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；针对不同条件下烟丝在滚筒内的停留时间进行实验研究，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系统，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，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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾丛汇，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32