煙草制絲香料噴嘴霧化效果校驗裝置的設(shè)計*

吳鐫峰，黃 杰，殷 宏，王德吉

(陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司漢中卷煙廠，漢中 723102)

加香加料工序是卷煙制絲環(huán)節(jié)的關(guān)鍵工藝加工環(huán)節(jié)，煙葉或煙絲通過滾筒的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)均勻地松散，香精香料通過霧化噴嘴被蒸汽或空壓氣引射霧化后均勻地噴灑在煙葉或煙絲表面上，從而實現(xiàn)本環(huán)節(jié)的加水、加料或加香工藝。由于噴頭工作的區(qū)域一般是處于一個基本封閉的滾筒類設(shè)備中，導(dǎo)致噴頭的霧化效果只能在剛開始噴射的幾秒鐘進行觀察，幾秒鐘過后，筒體內(nèi)充滿了水蒸氣，霧化效果無法清楚的查看，人也無法進入筒體內(nèi)部進行檢查。即使噴頭霧化不好或者有成滴料液落下，也無法觀察和排除，噴灑在葉片上的料液霧化效果難以確定。且霧化效果和霧化角度沒有定性或定量標準，驗證質(zhì)量難以保證。還會造成加香加料筒壁黏附物料，增加消耗。所以,應(yīng)嚴格檢測噴嘴霧化效果，定期對噴嘴進行調(diào)整，以保證噴出的料液呈霧狀。目前行業(yè)檢查調(diào)整噴嘴的方法為在滾筒內(nèi)部進行調(diào)整，然后進行噴散觀察，這種調(diào)節(jié)噴嘴霧化效果的方法大多是依靠經(jīng)驗調(diào)節(jié),帶有人為的試湊性和不確定性因素,并且對加料噴嘴霧化缺乏深入的研究，且霧化效果和霧化角度沒有定性或定量標準，驗證質(zhì)量難以保證[1]。目前行業(yè)內(nèi)卷煙加工企業(yè)針對增溫增濕、加料設(shè)備噴嘴角度噴射范圍和噴嘴固定支架裝置調(diào)整定位等方面的研究較多，但行業(yè)內(nèi)對噴嘴霧化效果如何檢測驗證以及檢驗標準量化方面的研究并不多見。文獻[2]提出了一種快速在線校準加香加料流量系統(tǒng)的方法，解決了流量計在線校驗困難的問題；文獻[3]對加料加香系統(tǒng)進行分析，改造了加香加料管道系統(tǒng)運行控制；文獻[4]模擬實際生產(chǎn)時的參數(shù)條件對噴嘴間隙進行調(diào)試。但是都沒有研究霧化噴嘴實際工作工藝條件下各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，文獻[1]研究了空氣噴射壓力、氣液相對速度和空氣入射角等對加料噴嘴霧化特性的影響，未給出數(shù)據(jù)分析如何快速準確校驗噴嘴霧化效果。以上這些研究對解決噴嘴在滾筒內(nèi)憑經(jīng)驗調(diào)整霧化效果提供了一定思路，因此，為保證料液施加的均勻性，需尋找出理想的噴嘴霧化效果，通過研發(fā)雙元噴嘴霧化校驗平臺，在可見空間內(nèi)能比較直觀的觀察到噴嘴的噴射情況，減少了安裝調(diào)整的盲目性，保證了噴嘴霧化效果，提高加濕、加料的均勻性，從而為提高卷煙內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 雙元噴嘴霧化校驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 校驗平臺管路設(shè)計

在設(shè)計雙元噴嘴霧化校驗平臺管路時，根據(jù)加香加料和增濕水霧化的管路原理優(yōu)化管柜布局，縮小管路結(jié)構(gòu)，保證霧化校驗平臺的可操作性。應(yīng)用近年來國內(nèi)噴嘴霧化檢測方面的研究成果和技術(shù)，進行噴嘴角度量化的研究應(yīng)用，使用快速定位裝置實現(xiàn)噴嘴與筒體內(nèi)噴嘴支架精確吻合[5]。根據(jù)機械加工工藝和設(shè)計標準，并結(jié)合工作人員操作習(xí)慣等因素各管路模塊布局如圖1所示。

1.2 噴嘴角度定位組件設(shè)計

在實際生產(chǎn)過程中，加料、加香和加水噴嘴角度通常依靠操作人員的經(jīng)驗進行調(diào)整，無法將其軸向和徑向角度標準量化。為了準確量化噴嘴角度，以便在筒體中對應(yīng)安裝，達到模擬實驗的效果，借鑒行業(yè)在滾筒內(nèi)部設(shè)計噴嘴定位支架的成熟技術(shù)[6]，設(shè)計帶有刻度盤的噴嘴快速定位組件，實現(xiàn)噴嘴在軸向和徑向兩個方向上的精準定位，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體管路設(shè)計圖Fig.1 Overall design of the pipeline

1—上活動板(縱向)刻度表盤;2—上活動板;3—噴嘴;4—固定螺栓;5—下活動板;6—活頁銷;7—固定架;8—橫向指針;9—下活動板(橫向)刻度表盤。圖2 噴嘴角度調(diào)整裝置示意圖Fig.2 Schematic of the nozzle’s angle adjustment device

1.3 角度調(diào)整

徑向角度調(diào)整時根據(jù)物料的下降位置進行定位。物料約在筒體的11刻線位置沿拋物曲線的頂端開始下落，此時加入料液吸收效果較佳， 因此噴嘴的霧化區(qū)域落在11刻線位置時料液可完全霧化。軸向角度調(diào)整時，根據(jù)滾筒直徑的大小進行優(yōu)化。當(dāng)噴嘴方向過于靠近進料端時，容易在筒壁形成液態(tài)的料液，無法將料液充分霧化；當(dāng)噴嘴方向遠離進料端時，料液霧化區(qū)域未落在物料下落區(qū)域，煙葉不能充分吸收料液。因此噴嘴需要在徑向和軸向兩個方向進行定位。角度調(diào)節(jié)需要6個步驟完成：① 翻動上活動板(松動螺栓)；② 調(diào)整徑向/軸向角度；③ 確認徑向角度調(diào)整到位，否則繼續(xù)調(diào)整；④ 鎖定固定支架上的螺栓；⑤ 讀取刻度盤刻度值；⑥ 定位徑向/軸向角度。

1.4 校驗平臺電控系統(tǒng)設(shè)計

采用變頻控制方式，加料流量恒定,批次加水量恒定，研究加香加料工序霧化介質(zhì)種類、霧化壓力、霧化角度與霧化半徑和霧化效果之間的相互關(guān)系，以及對產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的影響。通過手動調(diào)節(jié)變頻器頻率驅(qū)動計量泵來控制被霧化介質(zhì)的瞬時流量，完全模擬生產(chǎn)現(xiàn)場料液施加的實際流量和料液壓力，從而提高霧化的均勻性和穩(wěn)定性。通過對流量計、變頻器和計量泵等電氣元件的選擇，在保證霧化效果的前提下，有效減少水、蒸汽、空壓氣和料液的消耗，達到節(jié)能降耗的目的。參考移動式喂料機的電控設(shè)計，電控柜設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)小而精簡，結(jié)構(gòu)美觀，保證平臺使用的實用性。電路控制如圖3所示。AC308V/N為動力電源，QF為熱保護開關(guān)，KM為交流接觸器主觸點，KA為運行繼電器觸點，AC/DC為直流電源(輸入電壓為220 V，輸出電壓為24 V)，QF/AUX為熱保護開關(guān)輔助觸點，SB1為停止按鈕，SB2為啟動按鈕，KM1為交流接觸器輔助觸點，KA1為運行繼電器觸點，HL為運行指示燈。

圖3 電控系統(tǒng)原理圖Fig.3 Diagram of electrical control system

2 介質(zhì)流量控制

2.1 控制模型的構(gòu)建

選取主要工序中的梗絲加料雙元噴嘴在校驗平臺上測試，讓校驗環(huán)境更加接近實際生產(chǎn)，分析加料系統(tǒng)的過程能力[7]，每隔1 min記錄一個流量數(shù)據(jù)，觀察介質(zhì)流量的變化情況，數(shù)據(jù)見表1。

表1 梗絲加料介質(zhì)流量統(tǒng)計表Tab.1 Flow rate statistical

根據(jù)數(shù)據(jù)繪制梗絲加料雙元噴嘴介質(zhì)流量的單值移動極差控制圖，并進行所有的特殊原因檢驗，如圖4所示。

從控制圖可以看出，梗絲加料前室噴嘴介質(zhì)流量穩(wěn)定地控制在43.615～45.265 kg·h-1之間，波動較小，與生產(chǎn)時流量相符。

圖4 單值移動極差控制圖Fig.4 Range control chart of single-value movement

介質(zhì)的流量是通過調(diào)節(jié)變頻器頻率對齒輪泵進行控制，實現(xiàn)對介質(zhì)流量的控制。變頻器頻率與介質(zhì)流量的對應(yīng)關(guān)系是通過介質(zhì)霧化試驗確定，以加料噴嘴為實驗對象統(tǒng)計不同頻率下單位時間介質(zhì)流，見表2。

借鑒行業(yè)相關(guān)成功分析案例[8]，分析得到頻率和流量的Pearson相關(guān)系數(shù)為 0.998，顯著性概率P值為0。P值遠遠低于0.05，數(shù)據(jù)之間成線性相關(guān)關(guān)系。對其進行線性回歸分析，結(jié)果如圖5所示。

回歸方程為

Q=41.42+9.043f。

(1)

式中：Q為流量；f為頻率。

加料流量與物料流量、加料比例之間的關(guān)系為

Qa=Qmq。

(2)

式中：Qa為加料流量；Qm為物料流量；q為加料比例。

表2 不同頻率下單位時間介質(zhì)流量統(tǒng)計Tab.2 Time media flow statistics per unit time at different frequencies

圖5 頻率和流量的擬合線圖Fig.5 Fitting of frequency and flow

根據(jù)式(2)，將式(1)轉(zhuǎn)化為

Y=(X1X2-41.42)/9.043。

(3)

式中：Y為加料霧化平臺齒輪泵對應(yīng)瞬時加料流量下的工作頻率；X1為物料流量；X2為料液加料比例。

2.2 模型分析與評價

經(jīng)方差分析可得，離均差平方和為54 469.7，均方為54 384.6，顯著性差異水平F值為11 513.40，表示線性回歸方程效果顯著。測定系數(shù)為99.8%，調(diào)整測定系數(shù)為99.8%，測定系數(shù)和調(diào)整測定系數(shù)相等，模型達到精度要求。圖6～7為頻率和流量的殘差圖。由圖6～7可知，殘差對于觀測值順序呈隨機分布；殘差與擬合值未見喇叭形和漏斗形，圖形正常；殘差的正態(tài)概率圖服從正態(tài)分布；整個線性回歸方程與數(shù)據(jù)擬合是較好的，流量-頻率回歸方程是接近于實際情況的。

為檢測校驗平臺性能，根據(jù)加香加料系統(tǒng)校驗方法[9]，分別安裝加香、加料工序的噴嘴進行測試。選取加香、加料流量計算對應(yīng)的齒輪泵頻率，分別在 0.20 MPa和0.25 MPa霧化壓力下分別用空壓和蒸汽作為引射介質(zhì)對加香和加料噴嘴的間隙進行調(diào)試，將調(diào)試好的噴嘴安裝到對應(yīng)工序設(shè)備，連續(xù)測試 5 d，由技術(shù)人員對噴嘴霧化效果進行確認。

圖6 流量的殘差圖Fig.6 Variance diagram of flow

圖7 流量響應(yīng)圖Fig.7 Flow response diagram

經(jīng)確認，校驗的噴嘴霧化效果確認良好，與按工序設(shè)備原有方式調(diào)試出的噴嘴霧化效果不相上下。同時，對噴嘴在校驗平臺和工序設(shè)備調(diào)試占用的生產(chǎn)時間進行對比，結(jié)果見表3。

可見，用校驗平臺調(diào)試噴嘴，能通過調(diào)節(jié)引射介質(zhì)壓力和泵頻率，達到與工序生產(chǎn)霧化系統(tǒng)相同的霧化條件，該校驗平臺調(diào)試出來的噴嘴可以直接安裝到設(shè)備上投入實際生產(chǎn)，減少了生產(chǎn)時間的浪費。

表3 調(diào)試時間統(tǒng)計Tab.3 Debug time statistics

3 加料流量與霧化壓力的相關(guān)性分析

加料噴嘴霧化壓力的大小影響混合的均勻性。如果霧化壓力過小，料液霧化不完全，不利于煙葉對料液的吸附，容易出現(xiàn)濕團煙葉；如果霧化壓力過大，噴射出的料液霧柱會將物料沖散開，直抵滾筒內(nèi)壁，使?jié)L筒壁黏附大量的煙葉；同時，過大的霧化壓力下料液霧滴粒徑過小，飄散的霧滴容易在排潮風(fēng)機的作用下隨負壓排出，造成料液浪費。試驗設(shè)備采用噴嘴霧化校驗平臺，實驗材料采用帶墨汁的水，測量儀器采用TPI150-Ⅱ投影儀測定取樣區(qū)域內(nèi)的霧滴粒徑值。

3.1 評價指標確定

霧滴粒徑和霧滴數(shù)量是評價霧化效果的兩個關(guān)鍵指標[10]。以霧滴粒徑在某一范圍內(nèi)占比作為主要評價指標，以霧滴數(shù)量作為輔助評價指標。通過測量霧滴在排潮負壓下出現(xiàn)飄散時，采集紙上霧滴粒徑值來確定主要評價指標下限。通過在0.20 MPa霧化壓力下,測試不同加料流量下，滾筒內(nèi)煙葉黏附量及霧滴粒徑均值來確定主要評價指標上限，測試數(shù)據(jù)見表4～5。

表4 紙上霧滴粒徑值Tab.4 Size of mist particles on paper

表5 煙葉黏附量與霧滴粒徑均值Tab.5 Adhesive amount and size of droplet in tobacco leaves

從霧滴粒徑均值與滾筒內(nèi)壁物料黏附量的對應(yīng)關(guān)系中看出，紙上霧滴粒徑均值為148 μm；當(dāng)霧滴粒徑達到549 μm時，滾筒內(nèi)壁物料黏附量明顯增加。由此確定評價指標上限和下限分別為150 μm和550 μm。

3.2 流量與霧化壓力的關(guān)系

在60 kg·h-1加料流量時，霧化壓力為0.15 MPa，此時150～550 μm的霧滴占比最大(79.89%)；霧化效果最佳,并且根據(jù)研究成果，壓力增大到一定程度，流量和噴射效果將不會發(fā)生變化[11]。在70 kg·h-1加料流量時，霧化壓力為0.15 MPa，此時150～550 μm的霧滴占比最大(79.56%)；霧化效果最佳。采用相同的統(tǒng)計分析方法，得到加料流量為80,90,…,340,350 kg·h-1時的最佳霧化壓力。將各加料流量下的最佳霧化壓力進行匯總，結(jié)果見表6。

表6 流量與霧化壓力的關(guān)系Tab.6 Correlation between flow and atomization pressure

由表6可知，流量和霧化壓力的 Pearson相關(guān)系數(shù)為0.995，P值為0.000。P值遠遠低于0.05，數(shù)據(jù)之間成線性相關(guān)關(guān)系?；貧w方程為

pm=0.127+0.000 394Q。

(4)

式中：pm為霧化壓力；Q為流量。

測定系數(shù)預(yù)測值為99.0%，測定系數(shù)調(diào)整值為98.9%，線性回歸方程總效果是顯著的。圖8為霧化壓力的殘差分析圖，由圖8可知,殘差對于觀測值順序呈隨機分布，殘差值之間是相互獨立的。殘差與擬合值未見喇叭形和漏斗形，圖形正常，殘差是等方差的。殘差的正態(tài)概率圖中，數(shù)據(jù)點基本在一條直線上，殘差服從正態(tài)分布。整個線性回歸方程與數(shù)據(jù)擬合是較好的。因此，回歸方程是接近于實際情況的。

圖8 霧化壓力的殘差分析圖Fig.8 Analysis of residual atomization pressure

根據(jù)加料流量與加料比例、物料流量之間的關(guān)系，可將回歸方程轉(zhuǎn)化為

pmo=0.127+0.000 394X1X2。

(5)

式中：pmo為最佳霧化壓力；X1為物料流量；X2為加料比例。

加料流量與最佳霧化壓力之間的關(guān)系分析，為不同加料比例及不同物料流量下的最佳霧化壓力參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)，能在實際生產(chǎn)中指導(dǎo)加料工序在不同料液流量時，通過調(diào)節(jié)霧化壓力來保證霧化效果的一致性。

4 霧化效果驗證

研究表明，隨著扇面控制孔壓力的增大,空氣噴嘴的霧幅也在逐漸增大,但氣流場中心線的軸向速度會減小。且扇面控制孔的壓力不能過大[12]。

在霧化壓力為0.2 MPa時對各工序前后室定比加料噴嘴[13]的霧化半徑進行測試，在霧化穩(wěn)定后，用鋼卷尺測量各工序噴嘴霧化的半徑R。霧化半徑如圖9所示，統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)見表7。

通過表7看出，各工序噴嘴隨著介質(zhì)流量不同，霧化半徑有所不同。

通過實驗分析，SJ1024型加料機最佳噴射角度如下：加料噴嘴軸向定位約為 92.5°，徑向定位約為 87.4°。即噴嘴噴射點距滾筒進料端約1 m，用此方法對其他幾道工序的噴嘴進行依次驗證，數(shù)據(jù)見表8。

噴嘴角度調(diào)整組件較好地解決了加料噴嘴角度無法精確定位的問題，維護人員根據(jù)準確的軸向和徑向刻度值對噴嘴重新定位，操作簡單方便，滿足了噴嘴徑向和軸向雙向精確定位的要求。

圖9 霧化半徑示意圖Fig.9 Diagram of atomization radius

表7 各工序噴嘴霧化半徑統(tǒng)計Tab.7 Statistics of atomization radius of nozzles

表8 噴嘴軸向和徑向定位統(tǒng)計Tab.8 Statistics of axial and radial angles of nozzles

5 結(jié) 論

文中提出了一種煙草制絲香料噴嘴霧化效果校驗裝置，該裝置能真實模擬噴嘴在筒體內(nèi)的霧化狀況，將噴嘴調(diào)整到最佳狀態(tài)后在設(shè)備上直接使用，可使封閉的不可觀察空間內(nèi)噴嘴霧化距離、霧化半徑和效果粒徑等指標變成可觀測的量化值；該裝置可使噴嘴霧化效果調(diào)節(jié)由原來憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)變?yōu)樵陂_闊的場所根據(jù)觀測狀態(tài)快速準確調(diào)節(jié)噴嘴霧化效果，調(diào)整好的噴嘴可以直接安裝到設(shè)備上投入實際生產(chǎn)。雙元噴嘴霧化均勻，消除了噴嘴滴漏產(chǎn)生濕團的現(xiàn)象，有效降低了煙草制絲環(huán)節(jié)筒體類設(shè)備內(nèi)原料黏附量，對穩(wěn)定煙草制絲加香加料均勻性起到關(guān)鍵作用。