熱泵引射對煙草烘絲機系統的影響規律研究

朱佳彬 史 狄 何 晉 胡曉俊 陸彬盛 歐陽寅

上海煙草集團有限責任公司

0 前言

煙草烘絲機是煙絲加工中的關鍵設備，煙絲烘制的好壞對煙絲品質至關重要，同時烘絲機也是煙絲加工工藝中的主要耗能工藝，如何在烘絲過程中改善煙絲品質，以及實現系統節能，一直是相關人員研究的重點。

鄭新章［1］總結了國外先進制絲工藝技術及設備的特點，認為提高設備換熱能力對于改善煙絲在烘絲機中的不均勻、不合理干燥和較長時間的翻滾使煙絲變短并產生造碎等具有良好作用，是提升烘絲品質的一個重要方向。李震宇［2］采用兩段式間隔啟動、增設冷凝水排放管與污水管分離等措施對制絲線生產過程中的能源浪費問題進行了改進。張勇［3］采用縮短設備到達參數設定值即預熱結束的時間，減少排冷凝水閥門開啟時間，取得了一定的節能效果。張曉峰［4］針對預熱時間進行了深入分析，并通過改進滾筒烘絲機的預熱模式，有效降低了預熱過程中的能源消耗。羅開才［5］采用溶劑清洗方法對比了烘絲機前后傳熱強化差異，認為桶、板、管零部件在長期使用中，內壁慢慢積集污垢，管子通徑變小，不暢通，原先3.5 bar 筒壓逐漸升至6.0 bar 才能滿足烘干要求。由此可見，提高滾筒烘絲機的換熱能力，對于實現系統節能、提升產品品質有利。

技術中心試驗線應用HAUNI 的KDL2/3 型500 kg/h 滾筒烘絲機在低壓運行時存在疏水不暢問題，疏水不暢會帶來滾筒內靠近疏水出口處抄板換熱面疏水聚集，增加熱阻，使得換熱面表面溫度不足，與蒸汽入口處抄板壁面溫度不一致，尤其是在啟機時溫度偏差甚至達到5 ℃以上。換熱表面溫度的不一致對準確控制煙絲的出口水分帶來挑戰，嚴重時需要開啟旁路進行疏水，以確保出口煙絲水分控制在合理范圍，這會導致系統蒸汽浪費。

熱泵是一種利用高壓蒸汽在噴嘴內轉化為高速蒸汽抽吸低壓蒸汽，并最終形成混合的中壓蒸汽的裝置，廣泛應用于如電廠、海水淡化、造紙、食品加工［6-9］等眾多領域，具有良好的冷凝水吹通及一定的節能效果。因此，應用蒸汽熱泵改善烘絲機中疏水不暢，進而改善換熱面壁溫均一性，同時實現系統節能是理論上可行的。

1 兩種系統前后對比

圖1 是烘絲機新舊兩種蒸汽系統的對比圖。原有系統是通過調節閥直接將10.5 barg 的主蒸汽降壓后進入烘絲機，在烘絲機抄板換熱面冷凝后再進入疏水閃蒸罐，最終通過疏水泵泵出。該系統在設置參數較低時，存在疏水不暢等問題。

圖1 HT 烘絲機新舊兩種系統對比圖

新增系統與原有系統為并聯關系，這樣設置一方面可以隨時通過閥門切換恢復至原有系統，可確保原有設備的正常運行，另一方面蒸汽引射系統只占進滾筒烘絲機內部分蒸汽，擠占掉烘絲機的基礎蒸汽耗量，對于變動調節部分的蒸汽，仍由原有系統來進行調節控制，可實現平穩切換。

新增系統主要由引射器、氣動調節閥、汽水分離器（閃蒸罐）、流量計、壓力表及球閥等組成。新增系統后，主蒸汽會通過原有回路和新增回路進入烘絲機，其中新增回路的流程包括主蒸汽經過主調節閥調節后，進入引射器高壓蒸汽進口，引射從汽水分離器出來的低壓蒸汽，混合成中壓蒸汽后進入烘絲機，冷凝水通過部分循環蒸汽的攜帶作用，順利疏通進入汽水分離器內，分離出來的蒸汽及部分閃蒸蒸汽再進入引射器參與循環，冷凝水則通過下部管道聯通疏水罐，最后由疏水泵送出。

為了加強對新增系統前后的參數對比，在滾筒烘絲機出口側人孔門處進行了改造，更換原有人孔門，在新人孔門中部，正對烘絲機出口合并管組的位置開φ50 mm圓孔，圓孔裝可透視紅外光譜6 mm 厚的特種玻璃，并通過Fluke TiS75+型熱成像儀在線檢測冷凝水管的壁面溫度變化，其中設定發射率0.95，透光率0.7，校準量程范圍-10 ℃～550 ℃。

2 試驗結果及分析

在技術中心試驗線HAUNI的KDL2/3型500 kg/h滾筒烘絲機上分三批次進行了測試，三組測試的基礎參數值如表1 所示，其中數據選取原則是通過3.5%水分含量作為進料過程對應的起止點，且三批次測試均采用前半段為原系統運行，后半段并入熱泵系統。

表1 不同批次測試中基礎參數值

2.1 熱泵系統對疏水的影響

表2 是對比熱泵并入前后疏水管道內流速的結果。可以看出，在總疏水管不變情況下，滾筒內壓力從1.17～6.22 barg 的多組工況測試對比中，疏水管流速由未并入熱泵系統時的0.039～0.09 m/s顯著提升至并入后的3.124～4.644 m/s，整體提升了約35～119 倍不等。在切換前低壓運行時出現的疏水不暢，甚至需要開啟旁通來協助疏水的情況，在開啟熱泵系統后，烘絲機內未見有疏水不暢情況出現，可見熱泵對系統的疏水具有良好的改善效果。

表2 試驗得到的疏水管道水及蒸汽流速

根據滾筒正常運行時速度為14 r/min，在轉筒直徑為1 m 時，冷凝的液滴主要受到離心力及重力的作用，計算可知筒壁的重力作用明顯大于離心力，因此通道內液膜在轉動至滾筒上部時，會受重力作用撕碎形成液滴，在沒有吹通蒸汽情況下，疏水只能通過換熱通道兩側壓差形成疏水動力，當形成蒸汽吹通后，蒸汽對液滴的攜帶作用明顯增強，且由于熱泵帶來的引射效應，汽水分離器處壓力比原系統疏水罐處壓力更低，即在滾筒進出口兩端的壓差更大，驅動力也更足，是導致疏水順暢的根本原因。

新系統配合蒸汽引射可使疏水在汽水分離器中汽、液的分離更為徹底，蒸汽熱泵產生的循環蒸汽還可以將原有管路中殘留的不凝性氣體帶出，也大大減少了由于氣塞導致的疏水不暢問題。

另外，汽水分離器的存在，使得進入疏水罐的管路始終充滿冷凝水，這樣也減少了蒸汽進入疏水管路而引起的汽塞及疏水不暢。

更為完善的方案應該是在汽水分離器罐頂部加裝排空氣閥，使整個系統由于泄漏而產生的不凝性氣體能夠及時排出，這樣除了減少不凝性氣體對疏水的影響，也能減少不凝性氣體對換熱能力的削弱。

2.2 熱泵系統對換熱的影響

表3 是三批次物料在熱泵系統并入前、并入后滾筒平均壁溫的影響規律，可以看出，在熱泵并入后，滾筒壁溫與相同蒸汽壓力下飽和溫度值偏差由原來的0.17%～0.55%降至0.05%～0.5%，即偏差更小，這表明熱泵的引入改善了壁面與蒸汽間的傳熱效果。

表3 熱泵對滾筒壁溫的影響

滾筒內抄板及筒壁換熱是滾筒內換熱的核心部分。圖2a為KDL2/3型滾筒烘絲機端頭的實物結構，主要有抄板4 片，筒壁則分8 組蒸汽管網并聯起來，每組蒸汽管網又并聯有3條流動通道，即主蒸汽是通過一系列并聯管束進行冷凝換熱，并將各條支流的疏水匯集到母管最終流入疏水箱。

圖2 b 和2c分別為熱泵并入前后蒸汽母管及疏水母管的壁面溫度IR 照片。可以看出，熱泵并入后，系統各壁面的表面溫度有明顯提升，并聯蒸汽入管壁面平均溫度由134.1 ℃提高至143.3 ℃，最高溫度點均在主蒸汽集箱表面，分別可達150.9 ℃和156.4 ℃，即熱泵并入后，最高點壁溫升高了5.5 ℃，蒸汽支管平均壁溫升高了9.2 ℃，支管間偏差則由2.6 ℃降至2.3 ℃，表明并聯支管間傳熱溫度偏差也得到了改善。

并入蒸汽各換熱支管的疏水主要聚集在管束出口側，當疏水不暢時，大量疏水會擠占換熱管束內部空間，一方面導致有效蒸汽冷凝換熱面積下降，另一方面冷凝水占有空間換熱能力下降，引起壁面溫度的進一步下降。如前所述，熱泵的引入改善了疏水狀況，增大了有效換熱面積，也減薄了液膜側傳熱熱阻，實現了傳熱強化。

2.3 熱泵系統對能耗的影響

由于熱泵的引射作用，產生的壓降會使一部分蒸汽閃蒸出來，并由熱泵帶入循環使用，代替主蒸汽實現節能。圖3是熱泵在不同引射壓差及疏水壓力下的節能率變化規律。可以看出，疏水壓力越低，相同引射壓差下節能率更高，而相同疏水壓力下，引射壓差越大節能率也越高。

圖3 熱泵在不同引射壓差及疏水壓力下的節能率

根據通常使用中引射下降0.3～1 barg 及常用的疏水壓力范圍，該部分閃蒸蒸汽節能率可達0.3%～3.35%，因此適當提高引射壓差有利于系統節能。

由圖4可以看出，熱泵系統并入后，對原系統蒸汽流量的擠壓效應明顯，對批次1，未并入時原系統耗蒸汽量為70.64 kg/h，比并入時總耗量36.5 kg/h高近一倍，二者的顯著差異主要體現在送料頻率上，500 kg/h 進料速度時蒸汽有效利用效率高達近70%，在熱泵系統參與情況下，200 kg/h 的進料速度熱效率為52%，此時流經熱泵系統蒸汽占總流量的82.4%，對比批次3 熱泵蒸汽占比也達到了84.3%，但總蒸汽耗量比原系統39.7 kg/h 的蒸汽耗量要高7.6 kg/h，可見進料速度是引起蒸汽耗量差異的關鍵。

圖4 并入熱泵與未并入時蒸汽耗量對比

后兩組并入熱泵的總蒸汽耗量比原系統要高6%～19%，這可能與熱泵系統與原系統參數并未得到較好的匹配有關，如熱泵系統的并入，提高了筒壁溫度，增強了烘干能力，筒內熱風引起的散熱損失也明顯增加，烘絲出口含水量更低，也會消耗更多能量。

系統能耗可從如下幾個方面來考慮，首先熱泵引射使得部分閃蒸蒸汽被回收利用，提高了系統熱效率，其次換熱強化使烘絲機烘干能力得以提高，縮短烘干時間，生產效率及能量利用率得到提高。此外，熱泵的吹通效果，可以提高烘絲機預熱效率，縮短預熱時間，實現系統節能，但不匹配的參數未能將蒸汽吹通的優勢體現出來，這需要后續的進一步測試及調整。

2.4 熱泵系統對出口煙絲含水率的影響

圖5 是不同批次下的對比，其中熱泵并入時間點批次2 為824 s，批次3 為1 530 s，可以看出，無熱泵的批次1，出口煙絲的含水量在烘干初期及烘干末期均較高，前期含水量最大值達到15%，后期也一度達到14.98%，在中期也有較大的波動。中后期并入熱泵的批次2 和批次3 均不存在烘干末期出現大幅度含水率升高的情況，只有在前期分別達

圖5 熱泵對出口煙絲含水率的影響規律

3 結論

蒸汽熱泵并入滾筒烘絲機蒸汽系統是可行的，采用熱泵系統作為基礎蒸汽負荷，現有系統作為調整應變的補充，對原有系統不會產生影響，可以方便切換至原有系統。

通過熱泵引射蒸汽將換熱壁面的冷凝水通過“汽帶水”的形式及時排出，不僅可以有效保證烘絲到最大含水量14.42%和14.66%，這說明熱泵的加入有消除末期煙絲出口含水率波動的功能。

為了減少啟停機數據干擾，將低于13%水分的起始和末尾數據剔除，對應批次1～3 中出口煙絲平均含水率分別為13.4%、12.99%、12.72%，后期對三批次物料的填充度值進行了檢測，結果均為2.9，無明顯差異。

同一批次情況下進一步將數據拆分成有熱泵和無熱泵的對比（如圖6所示）。平均干度值在有熱泵系統加入時比未加入時更低，也體現了熱泵加入提高了滾筒的干燥能力，其中批次1 更高應該與烘干參數調整有關。含水率值的標準偏差已由原來的0.21～0.61 范圍降至有熱泵系統加入后的0.001～0.09，即出口煙絲含水率值的穩定性大大提高，始終在一個穩定的平均值附近波動。煙絲出口含水率是控制煙絲品質的重要參數，出口含水率值的改善對于控制產品質量具有重要意義。機的疏水通暢，同時通過降低換熱面上的液膜厚度，改善了筒壁溫度的一致性并提高筒壁溫度，增強內筒壁換熱能力。

圖6 熱泵系統對煙絲含水率平穩性影響

理論分析來看，蒸汽熱泵的引射作用，可以回收部分閃蒸蒸汽，提高了系統能量利用效率，是有利于系統節能的。實際出現耗能更多與原有系統的參數設置并未與新并入熱泵系統完全匹配有關，同時也與并入熱泵系統后煙絲出口含水率更低，物料烘得過干的規律一致。這也說明下一步工作的重點是對原系統設置參數與熱泵系統進行匹配性調整，以期獲得更好的性能。

熱泵系統的加入，改善了出口煙絲的含水量一致性，減少了水分含量波動，消除了末期水分升高的變化趨勢，有利于提高煙絲產品的品質。