薄板烘絲機(jī)預(yù)熱過(guò)程熱力學(xué)參數(shù)耦合作用分析及料頭穩(wěn)定性?xún)?yōu)化

關(guān)鍵詞：薄板烘絲機(jī)；預(yù)熱優(yōu)化；熱力學(xué)耦合；動(dòng)態(tài)控制；煙草加工中圖分類(lèi)號(hào)：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-0797（2025）13-0063-04DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.016

0 引言

在煙草制絲工藝中，烘絲工序?qū)ψ罱K產(chǎn)品的填充值及感官品質(zhì)具有決定性作用。 RD-5000 型薄板烘絲機(jī)（根據(jù)設(shè)備固有程序，后文使用bar作為該設(shè)備壓力單位）作為主流設(shè)備，其熱傳導(dǎo)效率直接影響煙絲脫水均勻性。但實(shí)際生產(chǎn)中，車(chē)間環(huán)境溫濕度波動(dòng) （ΔT=±5%，RH±15%） 導(dǎo)致設(shè)備預(yù)熱階段存在顯著的熱慣性差異。特別是早班首批運(yùn)行時(shí)，筒壁溫度穩(wěn)態(tài)建立時(shí)間達(dá)正常批次的3倍（分別為 45min 及15min） ，造成料頭階段（前 30min） 出口水分波動(dòng)系數(shù)高達(dá)0.35，嚴(yán)重影響產(chǎn)品均質(zhì)化水平。本研究通過(guò)建立熱力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，提出基于冷凝水溫度反饋的預(yù)熱優(yōu)化方案，對(duì)提升制絲工藝穩(wěn)定性具有重要的工程價(jià)值。

1 烘絲工藝現(xiàn)狀及問(wèn)題

1.1 工藝熱力學(xué)特征

烘絲工序旨在通過(guò)對(duì)煙絲進(jìn)行加熱干燥，調(diào)整其水分含量，改善煙絲的物理和化學(xué)性質(zhì)，提升卷煙的吸食品質(zhì)。

RD-5000型設(shè)備采用逆流式熱交換設(shè)計(jì)，筒壁溫度場(chǎng)分布遵循Fourier熱傳導(dǎo)定律[1]： q^′′=-k?T. 其中k為煙絲熱導(dǎo)率 [0.12～0.18W/（m?K）] ， 為溫度梯度。蒸汽壓力 （0.3～0.5MPa） 通過(guò)筒壁傳導(dǎo)熱量，冷凝水溫度 （125～135°C） 反映系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)。

1.2 工藝波動(dòng)分析

由于制絲車(chē)間環(huán)境條件的變化，烘絲機(jī)烘絲筒壁實(shí)測(cè)溫度從開(kāi)始上升至穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài) 0的時(shí)間存在較大差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某卷煙廠首批煙因早上車(chē)間環(huán)境和設(shè)備溫度較低，溫度上升至穩(wěn)定平均需要 45min 左右，而正常批次僅需 15min 左右。并且，早班首批在預(yù)熱完成進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，筒壁實(shí)測(cè)溫度僅約 100°C ，此時(shí)進(jìn)料會(huì)使筒壁實(shí)測(cè)溫度上升時(shí)間延長(zhǎng)至約1h，熱力學(xué)滯后導(dǎo)致料頭煙絲脫水速率差異達(dá) 28% ，顯著影響后續(xù)卷制工藝參數(shù)匹配，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

2 關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)分析及優(yōu)化方案

2.1冷凝水溫與筒壁溫度（壓力）關(guān)系

對(duì)不同牌號(hào)筒壁溫度（壓力）的批間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，畫(huà)出烘絲冷凝水溫、烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力的散點(diǎn)圖。由圖1可以看出，冷凝水溫與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力呈正相關(guān)關(guān)系，即烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力越高，冷凝水溫度越高。

對(duì)冷凝水溫一筒壁溫度（壓力）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，烘絲冷凝水溫與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力存在顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均為0.988，

?表1冷凝水溫一筒壁溫度 （壓力）關(guān)系分析表

P值都小于 0.05 。

對(duì)不同牌號(hào)不同筒壁蒸汽壓力 （溫度）及冷凝水溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，冷凝水溫度與筒壁溫度差值均在 3^°C 以?xún)?nèi)。

對(duì)某一品牌批內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

在冷凝水排放通暢的情況下，冷凝水溫度批內(nèi)波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，在 的范圍內(nèi)波動(dòng)，均值為 129.6^°C ，批次間均值差異不大。進(jìn)料開(kāi)始后，由于烘筒環(huán)境與煙絲進(jìn)行熱交換產(chǎn)生大量冷凝水，溫度會(huì)下降，這屬于正?，F(xiàn)象。隨著煙絲流量穩(wěn)定，烘絲脫水呈穩(wěn)定狀態(tài)后，筒壁實(shí)測(cè)溫度逐漸上升，冷凝水溫度也逐漸上升至穩(wěn)定值。

基于此分析，如果冷凝水溫度與筒壁溫度差值超過(guò)3 ^°C ，說(shuō)明烘絲系統(tǒng)存在冷凝水排放不暢的問(wèn)題，操作人員可據(jù)此進(jìn)行冷凝水的手動(dòng)排放。同時(shí)，在批次開(kāi)始前的準(zhǔn)備狀態(tài)下，該差值也可作為判斷預(yù)熱是否充分的重要依據(jù)。

2.2 筒壁壓力-溫度耦合效應(yīng)

通過(guò)對(duì)不同牌號(hào)筒壁溫度（壓力）的批間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，畫(huà)出烘絲筒壁實(shí)測(cè)溫度（烘絲筒壁溫度ST5，ST5為設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)代碼）、烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力的散點(diǎn)圖（圖3），進(jìn)行初步判斷。

可以看出，烘絲筒壁實(shí)測(cè)溫度ST5與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力呈正相關(guān)關(guān)系，即烘絲筒壁溫度越高，烘絲筒壁實(shí)測(cè)溫度ST5越高；烘絲筒壁壓力越大，烘絲筒壁實(shí)測(cè)溫度ST5越高。

對(duì)筒壁實(shí)測(cè)溫度一筒壁溫度 （壓力）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

可以發(fā)現(xiàn)，烘絲筒壁實(shí)測(cè)溫度ST5與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力存在顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均為0.741，P值都小于0.05。

對(duì)不同牌號(hào)不同筒壁蒸汽壓力 （溫度）及筒壁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，筒壁實(shí)測(cè)溫度ST5與筒壁溫度差值均在 10^°C 以?xún)?nèi)，在批次間筒壁實(shí)測(cè)溫度ST5相對(duì)穩(wěn)定，與筒壁壓力呈正相關(guān)性，筒壁溫度也是表征烘絲透水能力及蒸汽系統(tǒng)、冷凝水排放是否正常的重要指標(biāo)。

對(duì)某一品牌批內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，筒壁實(shí)測(cè)溫度批次內(nèi)由 111.3^°C 至123.8^°C ，呈上升趨勢(shì)。批間準(zhǔn)備好的狀態(tài)下，筒壁蒸汽壓力在 0.8bar ，筒壁溫度在 116^°C 左右；進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)后，筒壁蒸汽壓力上升到 2.4bar ，筒壁溫度在135.7°C 左右，隨著筒壁壓力上升，筒壁實(shí)測(cè)溫度逐漸由 111.3^°C 開(kāi)始升高，在 15min 左右，達(dá)到穩(wěn)定值123.8°C ，直至批次生產(chǎn)結(jié)束。筒壁實(shí)測(cè)溫度是一個(gè)在一定范圍內(nèi)逐漸上升的參數(shù)，其中，在批次間筒壁實(shí)測(cè)溫度上升至穩(wěn)定的時(shí)間不固定，首批與正常批、早與晚、冬季與夏季差異較大，時(shí)間在 15～45min 不等。

2.3 優(yōu)化方案

2.3.1 分級(jí)預(yù)熱控制

開(kāi)發(fā)溫度梯度控制策略，如表5所示。

2.3.2 動(dòng)態(tài)排放優(yōu)化

根據(jù)冷凝水溫-烘絲筒壁溫度關(guān)系建立多元回

歸模型：

式中： T_wall 代表烘絲筒壁溫度 CC） ： T_cond 代表冷凝水溫（^°C） 。

當(dāng) |T_cond|^-T_wall|gt;3^°C 時(shí)，系統(tǒng)存在冷凝水滯留風(fēng)險(xiǎn) ?χ²=18.7，Plt;0.01? 。通過(guò)實(shí)施溫差預(yù)警機(jī)制，冷凝水排放效率提升 40% 。

設(shè)計(jì)冷凝水溫度反饋算法：

Q_drain=k₁（T_cond-T_wall）+k₂?dT/dt

式中： Q_drain 為冷凝水動(dòng)態(tài)排放速率 （L/min） ）； T_wall 為烘絲筒壁溫度 （^°C） ： T_cond 為冷凝水溫 C） ！ k₁=0.15L/ ^°C?min） ： k₂=0.08L?min/^°C. 0

實(shí)施后冷凝水滯留量減少 72% 。

3 效果驗(yàn)證

經(jīng)三個(gè)月生產(chǎn)驗(yàn)證 （_n=686 批），效果如表6所示。

在實(shí)施上述解決方案后，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)批次進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。經(jīng)686生產(chǎn)批次驗(yàn)證，結(jié)果顯示，首批與正常批的烘絲工序筒壁溫度從開(kāi)始上升至穩(wěn)定狀態(tài)的差異明顯減小，料頭出口水分波動(dòng)得到有效控制，穩(wěn)定性顯著提高，如圖5所示。優(yōu)化后預(yù)熱時(shí)間縮短66.7%[（45±8）min]（15±3）min] ，出口水分均勻性提升 42.9%（CV：0.350.20） ，蒸汽單耗降低 10.7% （2.8kg/kg2.5kg/kg） 。

料頭烘透程度也得到了更好的保證，產(chǎn)品質(zhì)量的一致性得到提升，有效驗(yàn)證了本研究提出的解決方案的有效性和可行性。

4結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)建立烘絲機(jī)熱力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，開(kāi)發(fā)出基于冷凝水溫度反饋的預(yù)熱控制策略，有效解決了料頭階段工藝波動(dòng)問(wèn)題。該方案在煙草行業(yè)具有推廣價(jià)值，后續(xù)可結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測(cè)控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Incropera F P，Dewitt D P.Fundamentals of heat and mass transfer [M].7th ed.State of New Jersey： Wiley，2013.