KDF4濾棒成型機甘油霧化量控制研究分析

李 斌

(紅云紅河煙草(集團)有限責任公司紅河卷煙廠,云南 紅河 654400)

0 引 言

纖維濾棒成型機組是以二醋酸纖維素絲束為原料，集絲束開松、上膠和濾棒成型為一體的煙用濾棒生產設備[1]。KDF4濾棒成型機采用霧化技術噴灑甘油，添加甘油主要是為了增加濾棒的硬度、彈性，改善濾棒的切割、復合、接裝等加工性能[2]。KDF4目前已成為濾棒生產的主要機型，相比于KDF2通過單毛刷高速轉動噴灑甘油的方式，KDF4通過高壓噴霧技術，可以使甘油霧化顆粒均勻，通過活門擋板的開啟，能更好的控制甘油施加量[3-5]。活門開啟的大小與主機的運行速度有關，但目前還沒有相關文獻研究過甘油的施加量與甘油密度、活門開度、絲束寬度、噴嘴數量及主機運行速度之間的關系，因此筆者將進行相關方面的基礎理論研究，并通過試驗對該理論進行驗證，引入修正系數，對該理論進行修正，以滿足精確施加甘油的需求。

1 甘油霧化工作原理

甘油霧化施加到絲束的過程如圖1所示，裝置啟動，加熱器開始加熱，恒壓泵將甘油通過注油管注入分流器中，分流器上有7個均勻布置的噴嘴，當分流器內達到一定的壓力后，甘油即可通過噴嘴霧化噴出至絲束上，多余的甘油通過回油管回流至甘油箱。活門置于擋板下方，通過活門的開度來控制霧化面積，即達到控制甘油施加量，活門的開度大小與主機的運行速度有關，主機運行速度越快，活門開度越大。

圖1 甘油霧化系統1.甘油箱 2.注油管 3.回油管 4.恒壓泵 5.加熱器 6.分流器 7.噴嘴 8.活門 9.絲束 10.擋板

2 活門開度與霧化面積關系研究

KDF4噴嘴為丹佛斯噴嘴，霧化角度為60°，霧化形狀為實心錐形，如圖2所示。從圖2可以看出，活門左右移動，實現甘油霧化量的調節，即通過活門的移動改變陰影部分面積(噴霧面積)。假設噴霧過程中，噴霧量均勻分布在整個圓面積上，因此只要計算出陰影面積占圓面積的百分比，即可計算出噴霧量與活門開度x的關系式。

圖2 噴嘴霧化形狀

由上述幾何關系得：

扇形OAB的面積：

(1)

三角形OAB的面積：

(2)

霧化弦長AB：

(3)

霧化半徑OC：

(4)

式(1)～(4)聯解得陰影部分面積：

S陰=S扇形-SOAB

(5)

OA=tan(30)×h

(6)

式中：h為噴嘴至絲束的距離。

由于在活門移動過程中，陰影面積不停的變化，扇形角度間隔0.5°取值，計算出0°～360°陰影部分的面積所占整圓的面積及對應的活門移動距離x，施加量百分比為y，通過計算出的數據擬合后，得出甘油施加量百分比與活門移動距離的關系如圖3所示。

圖3 施加量百分比與活門開度擬合曲線

R2=1，說明擬合出的公式誤差值很小，能很好的反映出施加量百分比與活門移動距離之間的關系。

甘油施加量百分比與活門移動距離之間的關系式如式(7)所示：

y=-0.000 003x3+0.000 4x2+0.006 1x-0.004

(7)

3 噴嘴壓力與流量之間的關系研究

不同壓力對應不同的流量。據丹佛斯噴嘴0.5usgal的型號，得出壓力流量如表1所列。

表1 壓力與流量對應表

該表數據進行非線性回歸分析，擬合出如圖4所示曲線。

圖4 壓力與流量擬合曲線圖

設：壓力為p(bar)，噴嘴流量為Q1(L/h)，則壓力、流量之間的關系如式(8)所示：

Q1=0.000 3p5-0.014 3p4+0.270 5p3-2.507 2p2+

11.518p-19.304

(8)

甘油霧化采用7個噴嘴，施加到絲束的甘油量隨著壓力與活門開度在改變。

噴到絲束的總甘油量：

Q2=7×Q1×y

(9)

該噴嘴流量標定采用燃油進行標定，標定密度為：820 kg/m3。如果噴射不同液體時，需要考慮到密度對流量的影響，設密度用ρ表示，則方程式修訂為式(10)：

=7×(0.000 3p5-0.014 3p4+0.270 5p3-

2.507 2p2+11.518p-19.304)×

0.006 1x-0.004)

(10)

式中：Q2為施加到絲束的甘油總量(L/h);p為壓力(bar);ρ為甘油密度(kg/m3);x為活門開度(mm)。

4 主機速度與活門開啟量關系研究

霧化噴灑裝置往絲束上添加甘油的量是由活門控制的，活門開啟的大小是隨主機速度變化的，主機速度慢，活門開啟小，主機速度快，活門開啟大。因此需要找到主機速度與活門開啟量x的關系式。

絲束的質量為g(g/m2)，主機運行速度為v(m/min),寬度為：w(m)，甘油施加比例為k1(甘油施加比例為單位時間內所需噴灑質量G1與單位時間內絲束重量G2之比,一般根據煙廠工藝配方設置)。

(11)

單位時間內(min)絲束質量G2與主機運行速度v和絲束的寬度w有關。

G2=v×w×g

(12)

式中：G2為單位時間內絲束總質量(g/min)；w為絲束的寬度；v為主機運行速度(m/min)；g為絲束單位重量(g/m2)。

單位時間內所需甘油質量為：

(13)

式中：G1為單位時間內所需甘油重量(g/min)；Q2為施加到絲束的量(L/h)；ρ為甘油密度(kg/m3)。

由于經過活門后噴灑出來的量不一定全都覆蓋到絲束上，因此此處引入損失系數k2，G1方程式修正如式(14)所示：

(14)

k2取值范圍為:0

由甘油施加比例k1建立的關系式，代入G1、G2得式(15)：

(15)

根據式(15)求解出Q2：

(16)

主機速度與活門開啟量即可建立關系式(17)：

2.5072p2+11.518p-19.304)×

0.0004x2+0.0061x-0.004)

(17)

由式(17)即可求出x的值。考慮到x3可能存在復數，因此降低百分比的擬合精度，采用線性回歸進行擬合，R2=0.9955，得出甘油噴灑面積比與活門移動量的線性關系式(18)：

y= 0.015 4x-0.040 3

(18)

通過研究發現，將噴嘴和壓力進行線性回歸分析后，R2=0.996 3，擬合出的公式如式(19)所示：

Q1=0.116 7p+1.067 4

(19)

因此主機速度與活門開啟量即可建立以下關系式：

求解后得活門開度x如式(20)所示：

(20)

式中：v為主機運行速度,m/min；w為絲束寬度,m;g為絲束單位質量：g/m2；ρ為甘油密度：kg/m3；p為霧化壓力：bar；x為活門開啟量：mm。

通過式(20)看出，根據現場甘油霧化量的測量結果，可以通過調整損失系數k2來調整活門的開啟量，從而控制甘油霧化量。

5 試驗驗證

從式(10)可知，甘油霧化總量為：

式中:甘油密度ρ為1 161 kg/m3；壓力p為12 bar。

試驗方法：采用干毛巾稱重，記錄重量為m1，然后將干毛巾放置于噴嘴上方，啟動恒壓泵進行甘油噴霧，記錄噴濕后毛巾質量為m2，理論霧化量為m3，誤差率δ如式(21)所示：

(21)

記錄數據如表2所列。

表2 甘油霧化施加量實驗表

從上表可以看出，干毛巾實際吸收量與理論計算霧化量存在誤差，干毛巾吸收量小于理論計算霧化量，主要原因是霧化出的甘油沒有被毛巾全部吸收，有一小部分回流到甘油箱，因此理論公式需要引入損失系數k2來進行霧化量的調節。

本實驗損失系數k2確定方法：

(22)

引入損失系數k2后，誤差率計算如表3所列。

表3 引入損失系數后的誤差率

從表3可以看出，引入損失系數后，理論計算霧化量與實驗霧化量之間的誤差率很小，有一定的指導意義，可以進行公式(20)的修正。

6 結 論

(1) 根據式(20)可知，活門的開啟量與主機速度、絲束寬度、絲束單位質量、甘油密度、霧化壓力有關，在實際參數設定時，絲束寬度、絲束單位質量、甘油密度以及霧化壓力的參數為定值，因此通過該式即可根據需要的甘油霧化量，在不同主機運行速度下調節活門的開啟量，由于誤差的存在，需要引入調整系數k2來進行霧化量的調節，以方便精確控制甘油的霧化量。

(2) 文中研究方法適用于香料、水份等液體的霧化施加，在實際運用中，需要根據噴嘴的型號、霧化液體的密度和受霧化材質的寬度、單位面積重量等進行相關參數設定。

(3) 文中中霧化參數之間的關系式研究，為霧化甘油量的控制提供了算法及調節參數，可以確保KDF4在運行過程中，結合測試參數，精確控制甘油施加量。