烟叶烘烤过程中的热湿分析与优化

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1、烟叶烘烤过程中的热湿分析与优化1绪论1.1本课题的研究背景和意义目前，国内的密集烤房供热主要以燃煤为主[1]，没有热回收等节能方式，采用燃煤直接供热，换热方式简单，控热方式粗放，不仅燃料使用量大，生成大量温室气体污染环境，其中燃煤烤房有效能耗仅占燃煤低位发热量的20%~35%。煤炭燃烧所产生的SO2等有害物质，更是严重污染了大气环境和人民的身体健康。并且由于近年来熟练技工的减少和日益上涨的人工成本费，燃煤烤房的劣势越来越明显。烤烟生产过程大致可分为三个阶段，分别为育苗阶段、田间生长阶段和烟叶烘烤阶段，而烟叶烘烤又可以分为初烤和复烤。每

2、年的7~10月，是重庆市巫山县烟叶种植基地的采烟烤烟季节。从田间收获的鲜烟叶中含有大量的水分，不能直接进仓储存，必须要根据相应的烟叶烘烤工艺对烟叶进行干燥，将烟叶的物性参数调制到合理的程度，否则就会失去使用价值，这一环节称为烟叶的初烤。如果不重视初烤的技术规程以及烤房条件，即使培育出良好的鲜烟叶，烘烤质量不过关，就会直接影响烟叶的品种分级和烟农的经济效益。烘烤的好坏是反映和决定烤烟品质和生产效益的关键环节之一。从田间采来的湿烟叶含水量在85%左右，烟叶烘烤就是在保证烟叶各种物性参数的前提下，将高湿度的鲜烟叶干燥至含水量大致为12%的过

3、程。密集悬挂的烟叶可以被认为是连续的多孔介质。多孔介质是由多相物质共同占据的同一个空间，也是多相物质共存的一种组合体，没有固体骨架的那部分空间称作孔隙，由液体或气体或气液两相共同占有，相对于其中一相来说，其他相都弥散在其中，并以固相为固体骨架，构成孔隙空间的某些空洞是相互连通的[2，3]。密集型烤房内悬挂的烟叶属于较大空间上的连续多孔介质，它的热风干燥过程是典型的多孔介质传热传质过程，通过热泵机组制热，经过循环风机使得热空气获得相应的动能在烤房内循环流动，使得热空气与湿烟叶不断进行着换热过程，湿烟叶受热水分蒸发从排湿口排除，达到排除烟

4、叶内部水分的目的。干燥过程中同时发生着热量和质量的传递，并且烤房内各项参数处于不平衡状态，在热风的驱动力下持续进行换热和排湿过程。烟叶烘烤质量好坏的关键在于在烤房内平面和立体上都创造较为稳定的温湿度条件以及在升温过程中掌握好升温的规律使得烤房内温湿度平稳上升，从而促使烟叶的各项物理化学特性以及烟叶品质朝着有利于提高烟叶质量的方向转变[4]。...........1.2国内外研究现状上文提到，密集悬挂的烟叶可以被认为是连续的多孔介质。在多孔介质的热风干燥过程中，干燥介质获得驱动力在烤房内循环流动，接触到温度较低的湿物料时就会发生热量的转

5、移，湿物料内部的水分不断的被蒸发出来，变成自由水，湿物料往慢慢的往干物料方向变化，蒸发出来的水分最后以水蒸气或者液态水的形式从排湿口排出，从而达到干燥除湿的目的。在热风干燥的过程中随着流体的相变各物理量不是平衡不变的，而是处于不断的运动变化，尤其是物料中存在结合水和自由水，它的湿分的迁移机制受到各种内部参数以及外部物理量的共同影响，使得物料内部的各种运动形式十分复杂。热风干燥过程中同时发生着热量、动量和质量的传递，并且传递过程中各种参数影响是互相耦合并且是非线性的，很难用统一的数学表达式来描述这一热湿传递过程。虽然对于多孔介质的干燥过

6、程研究经历了上百年的发展，但由于当时的技术水平限制，无法具体测出多孔介质的各类参数，多年来对多孔介质的研究没有较好的数学理论支持，依然停留在从实验中获得数据参数的情况，并没有较大的进展。二十一世纪以来，对于多孔介质的研究层面已经扩展到从宏观水平、微观水平、微尺度水平的研究。对于目前湿物料的热风干燥过程，主流的研究方向还是从宏观角度上假设认为多孔介质在排列组合上属于连续物理模型，里面所有空间点在任意时刻都有相应的质点所对应，从而在数学模型上形成时间和空间的连续函数，输入物体本身性质和外部条件参数即可求得相应的数值解。在高等数学的内容中，

7、面对这样的传热传质连续方程，可采用欧拉方法或拉格朗日方法来建立其连续介质的传输模型，从而为利用数值分析软件进行计算提供了必要的前提条件。........2多孔介质传递机理和基本参数多孔介质的干燥可分为关于物料外部热质传递和内部热湿迁移的两部分，属于典型的相变传热传质耦合过程。外部和内部条件变化对干燥过程的影响互相耦合。对外部条件而言，含湿多孔介质（烟叶）从干燥介质（高温空气）中吸收了热量，烟叶不断与空气进行着热量的交换；对内部条件而言，烟叶受热后内部存在着温度梯度，水分不断的从内部向外部析出，并且不断的排出到室外环境中，直至烟叶的含水

8、量降低到符合工艺要求为止。烤房内无时无刻不在进行大量的质量交换和能量交换[55]。目前，尽管对多孔介质干燥过程有了大量的研究，但对于干燥过程中内部传热传质的机理认识仍不充分。在本章节中，我们探讨多孔介质传递机理和了解其各