CN108311314A - 一种烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法。将喷嘴轴向喷射方向雾化效果初次划分为喷射区与非喷射区；在此基础上，根据特征粒径的料液雾化颗粒的空间离散度指标作为划分依据，将非喷射区划分为雾化区与扩散区，从而实现喷嘴轴向喷射方向的喷射区、雾化区与扩散区的三区精确划分。三区划分把制丝精细化研究从整滚筒内的料液分布区域精细化推进到直接影响加料过程及效果的雾化区，明确了滚筒内影响制丝精细化的关键区，为进一步精细化研究提供了基础，对于指导生产实践、实现加料过程喷嘴雾化的透明化，对烟草行业制丝生产线加料工序质量控制起到至关重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟草专用喷嘴雾化技术领域，具体是一种烟叶加料过程的喷雾雾化过程的三个区域划分及方法。
背景技术
近年来，卷烟企业对料液施加过程研究已经从传统的加料精度(加香)的结果控制逐步发展到过程控制，对料液施加到烟叶上的均匀性提出了更高的工艺要求。制丝过程的加料工序是料液喷洒雾化与不断翻落的烟片相结合的过程，生产中对滚筒内料液如何完成喷洒雾化的过程所知较少。目前对制丝生产过程加料工序中喷嘴的雾化机理无系统、深入的研究，阻碍了烟叶加料均匀性、准确性、烟叶品质的进一步提高。
发明内容
鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是提供一种通过对喷雾的区域进行三区划分的方法，可实时在喷雾的雾化形式的直观体现，从而有利于揭示不同工况下的喷嘴雾化特性。
本发明从喷雾的空间形态及分布特征对喷雾进行区域划分，三区划分把制丝精细化研究从整滚筒内的料液分布区域精细化推进到直接影响加料过程及效果的雾化区，明确了滚筒内影响制丝精细化的关键区，为进一步精细化研究指明了方向，并建立了喷雾明确的划分原则。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：通过高速摄像机对相应工况下喷嘴的喷射行为进行拍摄，然后对拍摄图片进行图形处理，提取出各个位置的粒径特征，定义特征粒径，计算出离散度，根据离散度进行三区划分；其具体步骤如下：
A.数据提取：将高速摄像机安装在垂直于喷嘴喷雾轴线上的位置，分别对各个位置进行相应工况喷拍摄，对拍摄的照片进行图形处理，提取出各个位置的喷雾粒径；
B.定义特征粒径：在相应工况下，分析相应排潮风门的开度定义特征粒径的下限，通过滚筒内液滴的体积、液滴密度与其外部气体密度差的浮力关系公式FB＝(ρl-ρg)Vi，式中，Vi为液滴体积，Vi为液滴密度，ρg外部气体密度，FB为液滴受到的浮力，计算出速度与风量的公式
式中：D是液滴直径，CD是阻力系数，得到相应条件下排潮风能吸走的最小粒径，以此定义喷雾的特征粒径下限，再根据烟叶对液滴的吸收范围，定义喷雾的特征粒径上限为800μm；
C.定义离散度：在三维坐标系xyz中，设喷嘴雾化锥角为α，直线L为xoy平面上雾化锥角的边缘线，某时刻一个通过点(x1，0，0)的雾化截面h，截面圆半径为r，面积为Sh，该截面上的有效液滴数为N个，空间离散度w的表达式定义为：
D.定义三区划分：喷射区又称为破碎区，该区域的特征是含有不规则的大液束、液块，将含有大液束、液块的区域定义为喷射区，以雾化颗粒在滚筒内的空间离散度指标作为划分依据，以中片烟叶面积与特征粒径颗粒所占据的滚筒截面面积之比为1时作为离散度临界值，将非喷射区划分为雾化区与扩散区，从而实现喷嘴轴向喷射方向的喷射区、雾化区与扩散区精确划分，即叶片上平均液滴个数小于1滴的叶片为吸收不到料液的烟叶，公式转化为其中α1、α2分别为中片及以上叶片占比、矩形形状叶片占比，A为中叶片面积，以某位置处中片烟叶面积与特征粒径颗粒所占据的滚筒截面面积之比为1时作为离散度临界值，记为y，考虑到其余大小叶片上的液滴分布情况，定义w＜y时中片及以下叶片的受液滴情况不再均匀表现为雾化不均匀，为扩散区，该位置点的空间分布为扩散分界点，w＞y时的区域区划分为雾化区。
所述大液束是直径大于2mm的圆柱形液束。
所述液块是粒径大于2mm的不规则块状液体。
所述的高速摄像机可采用Photron公司推出的FASTCAM Mini UX100，图像数据处理可采用matlab软件进行。
本发明所述的测试方法，是综合烟草行业烟叶加料性能研究的要求而设计，由高速摄像机、分析计算软件构成。通过本发明可以对不同工况下的喷嘴加料过程喷雾进行准确跟踪监测，并对喷雾过程进行细化，更加理论的了解喷雾加料过程的关键因素。明确了滚筒内影响制丝精细化的关键区，为进一步精细化研究提供了基础，对于指导生产实践、实现加料过程喷嘴雾化的透明化，这对烟草行业制丝生产线加料工序质量控制起到至关重要的作用。
本发明具有以下有益效果：
1、本方法可解决不同工况下喷嘴的雾化分区问题。
2、本方法通过分区的方式把难以掌控的雾化过程进行量化，更加明了的揭示喷雾喷射过程的能量装换。
3、本方法利用现有资源合理配置资源，使现有资源合理运用达到预期效果，实现绿色环保理念。
附图说明
图1是本发明的雾化空间高速摄像图；
图2是本发明的雾化空间模拟图；
图3是本发明的三区划分示意图，(a)喷射区0-0.405m，(b)雾化区0.405-2.255m，(c)扩散区>2.255m。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
实施例1
以云南某卷烟厂某生产线加料喷嘴为例，料液温度为55度，流量为30kg/h，气压为3.5bar时，采用本发明来进行喷雾的三区划分，过程如下：
步骤1：定义特征粒径。通过滚筒内液滴的体积、液滴密度与其外部气体密度差的浮力关系公式FB＝(ρl-ρg)Vi，式中，Vi为液滴体积，Vi为液滴密度，ρg外部气体密度，FB为液滴受到的浮力。计算出速度与风量的公式
得到滚筒排潮开度为20％条件下的临界喷雾为粒径39.593μm，即在相应条件下喷雾粒径为39.593μm及以下的喷雾会被排潮风吸走，为了方便区域划分，即定义特征粒径为40μm。
步骤2：定义离散度。根据喷嘴在工作过程中其雾化液滴基本包络在一个圆锥体内的特性，将雾化空间分布示意由图1进行表示。为了描述液滴在空间的分布状态，用特征液滴空间离散度进行滚筒内雾化空间的三区划分。
在如图2所示的三维坐标系xyz中，设喷嘴雾化锥角为α，直线L为xoy平面上雾化锥角的边缘线，某时刻一个通过点(x1，0，0)的雾化截面h，截面圆半径为r，面积为Sh，该截面上的有效液滴数为N个。空间离散度w的表达式定义为：
步骤3：定义三区划分。选取40μm-800μm粒径的料液雾化颗粒在滚筒内的空间离散度指标作为划分依据，以中片烟叶面积与特征粒径颗粒所占据的滚筒截面面积之比为1时作为离散度临界值，即离散度为1290个/m2，将非喷射区划分为雾化区与扩散区，从而实现喷嘴轴向喷射方向的喷射区、雾化区与扩散区精确划分。即叶片上平均液滴个数小于1滴的叶片为吸收不到料液的烟叶，公式转化为其中α1、α2分别为中片及以上叶片占比、矩形形状叶片占比，A为中叶片面积，则w＝1292.71，考虑到其余大小叶片上的液滴分布情况，定义w＜1290时中片及以下叶片的受液滴情况不再均匀表现为雾化不均匀，为扩散区，该位置点的空间分布为扩散分界点，w＞1290时的区域区划分为雾化区。把w＝1299带入离散度公式结合各个截面提取的粒径数目N，计算出该工况下喷嘴出口轴线距离xi的取值，xi为0.405-2.255米(m)时为雾化区，xi大于2.255米(m)的喷雾区域为扩散区。实验结果如图3所示，喷射区又称为破碎区，该区域的特征是含有不规则的大液束、液块，将含有这类含有大液束(直径大于200μm的圆柱形液束)、液块(粒径大于200μm的不规则块状液体)的区域定义为喷射区，实验得到的破碎区xi的取值范围为0-0.405米(m)。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以不脱离发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法，其特征在于按以下步骤进行：
A.数据提取：将高速摄像机安装在垂直于喷嘴喷雾轴线上的位置，分别对各个位置进行相应工况喷拍摄，对拍摄的照片进行图形处理，提取出各个位置的喷雾粒径；
B.定义特征粒径：在相应工况下，分析相应排潮风门的开度定义特征粒径的下限，通过滚筒内液滴的体积、液滴密度与其外部气体密度差的浮力关系公式FB＝(ρl-ρg)Vi，式中，Vi为液滴体积，Vi为液滴密度，ρg外部气体密度，FB为液滴受到的浮力，计算出速度与风量的公式
式中：D是液滴直径，CD是阻力系数，得到相应条件下排潮风能吸走的最小粒径，以此定义喷雾的特征粒径下限，再根据烟叶对液滴的吸收范围，定义喷雾的特征粒径上限为800μm；
C.定义离散度：在三维坐标系xyz中，设喷嘴雾化锥角为α，直线L为xoy平面上雾化锥角的边缘线，某时刻一个通过点(x1，0，0)的雾化截面h，截面圆半径为r，面积为Sh，该截面上的有效液滴数为N个，空间离散度w的表达式定义为：
D.定义三区划分：喷射区又称为破碎区，该区域的特征是含有不规则的大液束、液块，将含有大液束、液块的区域定义为喷射区，以雾化颗粒在滚筒内的空间离散度指标作为划分依据，以中片烟叶面积与特征粒径颗粒所占据的滚筒截面面积之比为1时作为离散度临界值，将非喷射区划分为雾化区与扩散区，从而实现喷嘴轴向喷射方向的喷射区、雾化区与扩散区精确划分，即叶片上平均液滴个数小于1滴的叶片为吸收不到料液的烟叶，公式转化为其中α1、α2分别为中片及以上叶片占比、矩形形状叶片占比，A为中叶片面积，以某位置处中片烟叶面积与特征粒径颗粒所占据的滚筒截面面积之比为1时作为离散度临界值，记为y，考虑到其余大小叶片上的液滴分布情况，定义w＜y时中片及以下叶片的受液滴情况不再均匀表现为雾化不均匀，为扩散区，该位置点的空间分布为扩散分界点，w＞y时的区域区划分为雾化区。
2.根据权利要求1所述烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法，其特征在于所述大液束是直径大于2mm的圆柱形液束。
3.根据权利要求1所述烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法，其特征在于所述液块是粒径大于2mm的不规则块状液体。
4.根据权利要求1所述烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法，其特征在于xi为0.405-2.255米(m)时为雾化区，xi大于2.255米(m)的喷雾区域为扩散区，xi为0-0.405米(m)时为破碎区。
5.根据权利要求1所述烟叶加料喷嘴喷雾三区划分的方法，其特征在于所述的高速摄像机采用Photron公司推出的FASTCAM Mini UX100，图像数据处理采用matlab软件进行。
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