加料工序?qū)Ｓ脽峤粨Q器的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用

林敏，溫延，羅民，劉興樂

湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，湖北省武漢市東西湖區(qū)金銀湖辦事處環(huán)湖路51號(hào) 430051

制絲加料工序是卷煙生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，加料工序的工藝任務(wù)是依據(jù)產(chǎn)品配方設(shè)計(jì)的要求，對(duì)配方原料和模塊準(zhǔn)確、均勻地施加料液，使得料液充分被煙葉吸收。加料對(duì)于發(fā)揮煙葉原料潛質(zhì)、改善煙葉不良缺陷以及提高料液有效利用率和制絲生產(chǎn)效率等都有直接的影響[1-10]。片煙加料工序通過采用熱交換器對(duì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的空氣進(jìn)行加熱，以滿足煙葉制絲的工藝要求。傳統(tǒng)熱交換器采用鋼制圓管，在管壁上加裝散熱翅片，通過向圓管輸送熱介質(zhì)，將介質(zhì)內(nèi)的熱量經(jīng)圓管傳到翅片上，再對(duì)流經(jīng)翅片的空氣或工藝氣體進(jìn)行加熱，達(dá)到熱交換目的。由于煙草加工過程中有大量粉塵，且煙草粉塵中有少量油質(zhì)，與空氣混合后的粉塵經(jīng)過傳統(tǒng)的熱交換器時(shí)，部分粉塵會(huì)停留在熱交換器的翅片上，傳統(tǒng)的翅片管結(jié)構(gòu)熱交換器易沉積料液、不便于保養(yǎng)，長期運(yùn)行后將導(dǎo)致料液利用率大大降低，影響加料質(zhì)量及加工產(chǎn)品的一致性。因此研究設(shè)計(jì)一種新型的熱交換器具有重要的意義。

目前，針對(duì)于片煙加料工序有許多研究[5-14]。朱勛亮等通過改進(jìn)加料噴嘴的，優(yōu)化安裝噴嘴角度，減少加料機(jī)滾筒內(nèi)壁粘附煙葉量[5]；熊安言等研究了不同加工參數(shù)對(duì)加料效果的影響[6]； 廖惠云等提出了一種加料工序均勻性的評(píng)價(jià)方法[7]；胡建軍等采用田口分析方法，研究了各影響因素對(duì)加料工序加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明熱風(fēng)溫度對(duì)加料后葉片的平均含水率和溫度影響均為最大[8]；劉澤等研究了熱風(fēng)溫度、排潮風(fēng)門開度、循環(huán)風(fēng)門開度、熱風(fēng)電機(jī)速比、噴嘴壓縮空氣壓力對(duì)料液施加效果的影響[9]；李秀芳等將固定的抽拉式排潮網(wǎng)改造為由旁鏈固定的排潮網(wǎng)帶，并設(shè)計(jì)一套霧化料液收集和清洗系統(tǒng)，以降低循環(huán)熱風(fēng)波動(dòng)和加料機(jī)出口含水率批次差異[10]；張麗娜等針對(duì)于實(shí)驗(yàn)室煙絲加料加香小樣制樣環(huán)節(jié)仍多采用手工配料配香，存在精度低、均勻性差，及烘烤后煙絲水分精度無法精準(zhǔn)控制等問題，研制了高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備[11]；鄭松錦等為解決常規(guī)PID 控制器在片煙加料過程中控制時(shí)間滯后、控制精度低等問題，基于ARX 前饋模型與自適應(yīng)神經(jīng)元PID 建立了一種片煙加料復(fù)合控制系統(tǒng)[12]；?，|等通過Fluent 研究了滾筒加料機(jī)內(nèi)部顆粒物料運(yùn)動(dòng)軌跡[13]；陳霖等提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MIV 算法的煙葉加料工藝參數(shù)優(yōu)化方法[14]。以上研究主要針對(duì)加工參數(shù)、控制系統(tǒng)、物料狀態(tài)等對(duì)加料工序的影響，缺乏針對(duì)熱交換器的研究。因此，本研究設(shè)計(jì)了加料工序?qū)Ｓ脽峤粨Q器（注：該裝置已獲國家專利授權(quán)，專利號(hào)：ZL201410787096.0），通過設(shè)計(jì)交叉式管板結(jié)構(gòu)和清洗結(jié)構(gòu)，能夠有效改善料液沉積問題，避免管路堵塞，提高加料利用率，保證加工產(chǎn)品的一致性，實(shí)現(xiàn)制絲加料工序過程質(zhì)量的提升。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加料機(jī)設(shè)備型號(hào)為SJ1517，進(jìn)熱交換器熱風(fēng)溫度為65 ℃，出熱交換器熱風(fēng)溫度為130 ℃，使用蒸汽壓力為0.8 MPa，蒸汽溫度為175 ℃，每小時(shí)加熱空氣所需熱量Q1為：

式中C 為比熱容；m 為加熱空氣的質(zhì)量；ρ 為空氣密度，1.29 Kg/m3；G 為風(fēng)量，0.481 m3/s；T1為進(jìn)熱交換器熱風(fēng)溫度，T2為出熱交換器熱風(fēng)溫度。

專用熱交換器通風(fēng)面為530 mm×530 mm，有效加熱面積為38.5 m2，排數(shù)設(shè)計(jì)為15 排，每排片數(shù)49片或50 片，長度為3000 mm，相鄰散熱片件呈交叉式分布，通風(fēng)凈截面積為0.08 m2。每小時(shí)熱交換器的傳熱量Q2為：

式中：A 為熱交換器有效加熱面積；K 為熱交換器傳熱系數(shù)，23.26 W/m2·℃；TH為蒸汽溫度。

根據(jù)公式（1）和公式（2），假定比熱容C 為1.4×103J/(Kg·℃)不變，計(jì)算Q1和Q2。

因此，設(shè)計(jì)的專用熱交換器能滿足所需要求。

加料工序?qū)Ｓ脽峤粨Q器主要由交叉式管板結(jié)構(gòu)和清洗裝置組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。氣流進(jìn)入專用熱交換器中，經(jīng)過交叉式板管結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱交換，在熱交換器中停留時(shí)間3－5 秒，其中因熱交換作用，被板管加熱升溫，再從熱氣流出口輸出。整個(gè)氣流加熱的過程中，使用蒸汽作為加熱介質(zhì)，輸入熱交換板管中，經(jīng)熱交換后，蒸汽形成的冷凝水經(jīng)板管輸出。因板管表面光滑，被加熱氣體中的粉塵，料液微粒等不易附著，并通過清洗系統(tǒng)對(duì)板管進(jìn)行清洗，避免板管結(jié)構(gòu)積垢，保證熱交換效果。

1.1 交叉式管板結(jié)構(gòu)

專用熱交換器板管為特殊工藝制作，將圓形管道進(jìn)行壓制形成中間扁、兩端具有收口的管件，可實(shí)現(xiàn)管道散熱面積增加，管道中安裝加強(qiáng)桿，以避免管道受壓變形，如圖2 所示。加熱器板管為交叉式布置，同一蒸汽管道上的板管均傾斜相同角度設(shè)置，相鄰蒸汽管道上的板管則交錯(cuò)一定角度，這樣在同等空間容納的情況下，散熱面積增大，可有效提高散熱效率。因板管呈交叉分布，對(duì)進(jìn)入裝置的氣流有緩沖作用，使氣流在裝置中停留的時(shí)間更長，受熱更充分，通過采用板管替代翅片管，可避免氣隙對(duì)散熱效果帶來的影響。

圖1 專用熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The diagram of heat-exchanger

圖2 管板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 The diagram of tube-sheet structure

1.2 清洗結(jié)構(gòu)

清洗管道安裝在清洗門上，管道上分布有清洗孔，清洗孔位于交叉式板管上方。清洗水管接頭與清洗機(jī)構(gòu)聯(lián)通，專用熱交換器的自動(dòng)清洗功能的控制方式為手動(dòng)控制，在需要進(jìn)行熱交換器清洗時(shí)，人工選擇進(jìn)入清洗模式，清洗水閥將打開開始清洗散熱器，一分鐘后水閥自動(dòng)關(guān)閉。在清洗過程中可人工將清洗功能中止。清洗水儲(chǔ)存在水罐中，加熱系統(tǒng)將水溫維持在50 度左右，可避免熱交換器遇冷水產(chǎn)生的冷變形。

圖3 清洗結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 The diagram of cleaning system

2 應(yīng)用效果

每批投葉量為5000 kg，在加料熱交換器深度保養(yǎng)后，每生產(chǎn)10 批次物料，記錄每批后清理熱交換器的積垢量，觀察60 批后，加料熱交換器的情況，如圖4 所示。

圖4 熱交換器實(shí)物圖Fig. 4 The photo of heat-exchanger

記錄改進(jìn)前、后熱交換器的總積垢量，如圖5 所示，橫坐標(biāo)表示批次數(shù)，單位為次，縱坐標(biāo)表示每10 批生產(chǎn)后的總積垢量，單位為kg。從圖4、圖5可知：熱交換器改進(jìn)前，隨著生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)批次的增長，熱交換器上物料、料液等積垢量逐漸增多，熱交換器改進(jìn)后，熱交換器上物料、料液的積垢量顯著較少，這是交叉式管板結(jié)構(gòu)的熱交換器能夠保障管路的通暢，使得料液不會(huì)沉積在交叉式管板結(jié)構(gòu)上，有利于提高了料液的利用率。

圖5 改進(jìn)前、后積垢量對(duì)比表Fig. 5 Comparison of the scale weight before and after improvement

將進(jìn)汽薄膜閥開度調(diào)整到50%，熱風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率30 Hz，排潮風(fēng)機(jī)頻率50 Hz，經(jīng)過生產(chǎn)跟蹤，記錄改進(jìn)前、后，加料工序預(yù)熱熱風(fēng)溫度達(dá)到130 ℃時(shí)所需時(shí)間如表1 所示。由表1 可知：在相同條件下，改進(jìn)后所需的預(yù)熱時(shí)間由12.36 min 減少至9.94 min，縮短了2.42 min，這是由于改進(jìn)后的專用熱交換器便于清潔，提高了管路的順暢度，保證了加熱效果。

表1 改進(jìn)前后預(yù)熱效果對(duì)比Tab. 1 Comparison of the preheating effectiveness before and after improvement

3 結(jié)論

制絲片煙加料工序?qū)Ｓ脽峤粨Q器，不僅可通過交叉式管板結(jié)構(gòu)保障管路的通暢，使得料液不會(huì)沉積在交叉式管板結(jié)構(gòu)上，讓料液隨熱風(fēng)循環(huán)不斷的被物料吸收及利用，提高料液的利用率；同時(shí)清洗結(jié)構(gòu)能夠有效清潔交叉式管板結(jié)構(gòu)，保證管路的順暢，避免管板堵塞，有利于生產(chǎn)批次間的穩(wěn)定性。該裝置保證了熱風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)自動(dòng)控制能力，實(shí)現(xiàn)制絲加料工序過程質(zhì)量的提升。