加料工序專用熱交換器的設計開發與應用

林敏，溫延，羅民，劉興樂

湖北中煙工業有限責任公司武漢卷煙廠，湖北省武漢市東西湖區金銀湖辦事處環湖路51號 430051

制絲加料工序是卷煙生產的重要環節，加料工序的工藝任務是依據產品配方設計的要求，對配方原料和模塊準確、均勻地施加料液，使得料液充分被煙葉吸收。加料對于發揮煙葉原料潛質、改善煙葉不良缺陷以及提高料液有效利用率和制絲生產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進入設備內部的空氣進行加熱，以滿足煙葉制絲的工藝要求。傳統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，將介質內的熱量經圓管傳到翅片上，再對流經翅片的空氣或工藝氣體進行加熱，達到熱交換目的。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，與空氣混合后的粉塵經過傳統的熱交換器時，部分粉塵會停留在熱交換器的翅片上，傳統的翅片管結構熱交換器易沉積料液、不便于保養，長期運行后將導致料液利用率大大降低，影響加料質量及加工產品的一致性。因此研究設計一種新型的熱交換器具有重要的意義。

目前，針對于片煙加料工序有許多研究[5-14]。朱勛亮等通過改進加料噴嘴的，優化安裝噴嘴角度，減少加料機滾筒內壁粘附煙葉量[5]；熊安言等研究了不同加工參數對加料效果的影響[6]； 廖惠云等提出了一種加料工序均勻性的評價方法[7]；胡建軍等采用田口分析方法，研究了各影響因素對加料工序加工質量的影響，結果表明熱風溫度對加料后葉片的平均含水率和溫度影響均為最大[8]；劉澤等研究了熱風溫度、排潮風門開度、循環風門開度、熱風電機速比、噴嘴壓縮空氣壓力對料液施加效果的影響[9]；李秀芳等將固定的抽拉式排潮網改造為由旁鏈固定的排潮網帶，并設計一套霧化料液收集和清洗系統，以降低循環熱風波動和加料機出口含水率批次差異[10]；張麗娜等針對于實驗室煙絲加料加香小樣制樣環節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控制等問題，研制了高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設備[11]；鄭松錦等為解決常規PID 控制器在片煙加料過程中控制時間滯后、控制精度低等問題，基于ARX 前饋模型與自適應神經元PID 建立了一種片煙加料復合控制系統[12]；?，|等通過Fluent 研究了滾筒加料機內部顆粒物料運動軌跡[13]；陳霖等提出一種基于神經網絡MIV 算法的煙葉加料工藝參數優化方法[14]。以上研究主要針對加工參數、控制系統、物料狀態等對加料工序的影響，缺乏針對熱交換器的研究。因此，本研究設計了加料工序專用熱交換器（注：該裝置已獲國家專利授權，專利號：ZL201410787096.0），通過設計交叉式管板結構和清洗結構，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，保證加工產品的一致性，實現制絲加料工序過程質量的提升。

1 系統設計

加料機設備型號為SJ1517，進熱交換器熱風溫度為65 ℃，出熱交換器熱風溫度為130 ℃，使用蒸汽壓力為0.8 MPa，蒸汽溫度為175 ℃，每小時加熱空氣所需熱量Q1為：

式中C 為比熱容；m 為加熱空氣的質量；ρ 為空氣密度，1.29 Kg/m3；G 為風量，0.481 m3/s；T1為進熱交換器熱風溫度，T2為出熱交換器熱風溫度。

專用熱交換器通風面為530 mm×530 mm，有效加熱面積為38.5 m2，排數設計為15 排，每排片數49片或50 片，長度為3000 mm，相鄰散熱片件呈交叉式分布，通風凈截面積為0.08 m2。每小時熱交換器的傳熱量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，23.26 W/m2·℃；TH為蒸汽溫度。

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

因此，設計的專用熱交換器能滿足所需要求。

加料工序專用熱交換器主要由交叉式管板結構和清洗裝置組成。結構示意圖如圖1 所示。氣流進入專用熱交換器中，經過交叉式板管結構進行熱交換，在熱交換器中停留時間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。整個氣流加熱的過程中，使用蒸汽作為加熱介質，輸入熱交換板管中，經熱交換后，蒸汽形成的冷凝水經板管輸出。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，并通過清洗系統對板管進行清洗，避免板管結構積垢，保證熱交換效果。

1.1 交叉式管板結構

專用熱交換器板管為特殊工藝制作，將圓形管道進行壓制形成中間扁、兩端具有收口的管件，可實現管道散熱面積增加，管道中安裝加強桿，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置，相鄰蒸汽管道上的板管則交錯一定角度，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，對進入裝置的氣流有緩沖作用，使氣流在裝置中停留的時間更長，受熱更充分，通過采用板管替代翅片管，可避免氣隙對散熱效果帶來的影響。

圖1 專用熱交換器結構示意圖Fig. 1 The diagram of heat-exchanger

圖2 管板結構示意圖Fig. 2 The diagram of tube-sheet structure

1.2 清洗結構

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構聯通，專用熱交換器的自動清洗功能的控制方式為手動控制，在需要進行熱交換器清洗時，人工選擇進入清洗模式，清洗水閥將打開開始清洗散熱器，一分鐘后水閥自動關閉。在清洗過程中可人工將清洗功能中止。清洗水儲存在水罐中，加熱系統將水溫維持在50 度左右，可避免熱交換器遇冷水產生的冷變形。

圖3 清洗結構示意圖Fig. 3 The diagram of cleaning system

2 應用效果

每批投葉量為5000 kg，在加料熱交換器深度保養后，每生產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 熱交換器實物圖Fig. 4 The photo of heat-exchanger

記錄改進前、后熱交換器的總積垢量，如圖5 所示，橫坐標表示批次數，單位為次，縱坐標表示每10 批生產后的總積垢量，單位為kg。從圖4、圖5可知：熱交換器改進前，隨著生產時間、生產批次的增長，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，這是交叉式管板結構的熱交換器能夠保障管路的通暢，使得料液不會沉積在交叉式管板結構上，有利于提高了料液的利用率。

圖5 改進前、后積垢量對比表Fig. 5 Comparison of the scale weight before and after improvement

將進汽薄膜閥開度調整到50%，熱風風機頻率30 Hz，排潮風機頻率50 Hz，經過生產跟蹤，記錄改進前、后，加料工序預熱熱風溫度達到130 ℃時所需時間如表1 所示。由表1 可知：在相同條件下，改進后所需的預熱時間由12.36 min 減少至9.94 min，縮短了2.42 min，這是由于改進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 改進前后預熱效果對比Tab. 1 Comparison of the preheating effectiveness before and after improvement

3 結論

制絲片煙加料工序專用熱交換器，不僅可通過交叉式管板結構保障管路的通暢，使得料液不會沉積在交叉式管板結構上，讓料液隨熱風循環不斷的被物料吸收及利用，提高料液的利用率；同時清洗結構能夠有效清潔交叉式管板結構，保證管路的順暢，避免管板堵塞，有利于生產批次間的穩定性。該裝置保證了熱風系統的穩定，提高了生產自動控制能力，實現制絲加料工序過程質量的提升。