烟草制丝香料喷嘴雾化效果校验装置的设计*

吴镌峰，黄 杰，殷 宏，王德吉

(陕西中烟工业有限责任公司汉中卷烟厂，汉中 723102)

加香加料工序是卷烟制丝环节的关键工艺加工环节，烟叶或烟丝通过滚筒的旋转实现均匀地松散，香精香料通过雾化喷嘴被蒸汽或空压气引射雾化后均匀地喷洒在烟叶或烟丝表面上，从而实现本环节的加水、加料或加香工艺。由于喷头工作的区域一般是处于一个基本封闭的滚筒类设备中，导致喷头的雾化效果只能在刚开始喷射的几秒钟进行观察，几秒钟过后，筒体内充满了水蒸气，雾化效果无法清楚的查看，人也无法进入筒体内部进行检查。即使喷头雾化不好或者有成滴料液落下，也无法观察和排除，喷洒在叶片上的料液雾化效果难以确定。且雾化效果和雾化角度没有定性或定量标准，验证质量难以保证。还会造成加香加料筒壁黏附物料，增加消耗。所以,应严格检测喷嘴雾化效果，定期对喷嘴进行调整，以保证喷出的料液呈雾状。目前行业检查调整喷嘴的方法为在滚筒内部进行调整，然后进行喷散观察，这种调节喷嘴雾化效果的方法大多是依靠经验调节,带有人为的试凑性和不确定性因素,并且对加料喷嘴雾化缺乏深入的研究，且雾化效果和雾化角度没有定性或定量标准，验证质量难以保证[1]。目前行业内卷烟加工企业针对增温增湿、加料设备喷嘴角度喷射范围和喷嘴固定支架装置调整定位等方面的研究较多，但行业内对喷嘴雾化效果如何检测验证以及检验标准量化方面的研究并不多见。文献[2]提出了一种快速在线校准加香加料流量系统的方法，解决了流量计在线校验困难的问题；文献[3]对加料加香系统进行分析，改造了加香加料管道系统运行控制；文献[4]模拟实际生产时的参数条件对喷嘴间隙进行调试。但是都没有研究雾化喷嘴实际工作工艺条件下各参数之间的关联关系，文献[1]研究了空气喷射压力、气液相对速度和空气入射角等对加料喷嘴雾化特性的影响，未给出数据分析如何快速准确校验喷嘴雾化效果。以上这些研究对解决喷嘴在滚筒内凭经验调整雾化效果提供了一定思路，因此，为保证料液施加的均匀性，需寻找出理想的喷嘴雾化效果，通过研发双元喷嘴雾化校验平台，在可见空间内能比较直观的观察到喷嘴的喷射情况，减少了安装调整的盲目性，保证了喷嘴雾化效果，提高加湿、加料的均匀性，从而为提高卷烟内在质量的稳定性奠定基础。

1 双元喷嘴雾化校验系统设计

1.1 校验平台管路设计

在设计双元喷嘴雾化校验平台管路时，根据加香加料和增湿水雾化的管路原理优化管柜布局，缩小管路结构，保证雾化校验平台的可操作性。应用近年来国内喷嘴雾化检测方面的研究成果和技术，进行喷嘴角度量化的研究应用，使用快速定位装置实现喷嘴与筒体内喷嘴支架精确吻合[5]。根据机械加工工艺和设计标准，并结合工作人员操作习惯等因素各管路模块布局如图1所示。

1.2 喷嘴角度定位组件设计

在实际生产过程中，加料、加香和加水喷嘴角度通常依靠操作人员的经验进行调整，无法将其轴向和径向角度标准量化。为了准确量化喷嘴角度，以便在筒体中对应安装，达到模拟实验的效果，借鉴行业在滚筒内部设计喷嘴定位支架的成熟技术[6]，设计带有刻度盘的喷嘴快速定位组件，实现喷嘴在轴向和径向两个方向上的精准定位，如图2所示。

图1 系统整体管路设计图Fig.1 Overall design of the pipeline

1—上活动板(纵向)刻度表盘;2—上活动板;3—喷嘴;4—固定螺栓;5—下活动板;6—活页销;7—固定架;8—横向指针;9—下活动板(横向)刻度表盘。图2 喷嘴角度调整装置示意图Fig.2 Schematic of the nozzle’s angle adjustment device

1.3 角度调整

径向角度调整时根据物料的下降位置进行定位。物料约在筒体的11刻线位置沿抛物曲线的顶端开始下落，此时加入料液吸收效果较佳， 因此喷嘴的雾化区域落在11刻线位置时料液可完全雾化。轴向角度调整时，根据滚筒直径的大小进行优化。当喷嘴方向过于靠近进料端时，容易在筒壁形成液态的料液，无法将料液充分雾化；当喷嘴方向远离进料端时，料液雾化区域未落在物料下落区域，烟叶不能充分吸收料液。因此喷嘴需要在径向和轴向两个方向进行定位。角度调节需要6个步骤完成：① 翻动上活动板(松动螺栓)；② 调整径向/轴向角度；③ 确认径向角度调整到位，否则继续调整；④ 锁定固定支架上的螺栓；⑤ 读取刻度盘刻度值；⑥ 定位径向/轴向角度。

1.4 校验平台电控系统设计

采用变频控制方式，加料流量恒定,批次加水量恒定，研究加香加料工序雾化介质种类、雾化压力、雾化角度与雾化半径和雾化效果之间的相互关系，以及对产品内在质量的影响。通过手动调节变频器频率驱动计量泵来控制被雾化介质的瞬时流量，完全模拟生产现场料液施加的实际流量和料液压力，从而提高雾化的均匀性和稳定性。通过对流量计、变频器和计量泵等电气元件的选择，在保证雾化效果的前提下，有效减少水、蒸汽、空压气和料液的消耗，达到节能降耗的目的。参考移动式喂料机的电控设计，电控柜设计应体现小而精简，结构美观，保证平台使用的实用性。电路控制如图3所示。AC308V/N为动力电源，QF为热保护开关，KM为交流接触器主触点，KA为运行继电器触点，AC/DC为直流电源(输入电压为220 V，输出电压为24 V)，QF/AUX为热保护开关辅助触点，SB1为停止按钮，SB2为启动按钮，KM1为交流接触器辅助触点，KA1为运行继电器触点，HL为运行指示灯。

图3 电控系统原理图Fig.3 Diagram of electrical control system

2 介质流量控制

2.1 控制模型的构建

选取主要工序中的梗丝加料双元喷嘴在校验平台上测试，让校验环境更加接近实际生产，分析加料系统的过程能力[7]，每隔1 min记录一个流量数据，观察介质流量的变化情况，数据见表1。

表1 梗丝加料介质流量统计表Tab.1 Flow rate statistical

根据数据绘制梗丝加料双元喷嘴介质流量的单值移动极差控制图，并进行所有的特殊原因检验，如图4所示。

从控制图可以看出，梗丝加料前室喷嘴介质流量稳定地控制在43.615～45.265 kg·h-1之间，波动较小，与生产时流量相符。

图4 单值移动极差控制图Fig.4 Range control chart of single-value movement

介质的流量是通过调节变频器频率对齿轮泵进行控制，实现对介质流量的控制。变频器频率与介质流量的对应关系是通过介质雾化试验确定，以加料喷嘴为实验对象统计不同频率下单位时间介质流，见表2。

借鉴行业相关成功分析案例[8]，分析得到频率和流量的Pearson相关系数为 0.998，显著性概率P值为0。P值远远低于0.05，数据之间成线性相关关系。对其进行线性回归分析，结果如图5所示。

回归方程为

Q=41.42+9.043f。

(1)

式中：Q为流量；f为频率。

加料流量与物料流量、加料比例之间的关系为

Qa=Qmq。

(2)

式中：Qa为加料流量；Qm为物料流量；q为加料比例。

表2 不同频率下单位时间介质流量统计Tab.2 Time media flow statistics per unit time at different frequencies

图5 频率和流量的拟合线图Fig.5 Fitting of frequency and flow

根据式(2)，将式(1)转化为

Y=(X1X2-41.42)/9.043。

(3)

式中：Y为加料雾化平台齿轮泵对应瞬时加料流量下的工作频率；X1为物料流量；X2为料液加料比例。

2.2 模型分析与评价

经方差分析可得，离均差平方和为54 469.7，均方为54 384.6，显著性差异水平F值为11 513.40，表示线性回归方程效果显著。测定系数为99.8%，调整测定系数为99.8%，测定系数和调整测定系数相等，模型达到精度要求。图6～7为频率和流量的残差图。由图6～7可知，残差对于观测值顺序呈随机分布；残差与拟合值未见喇叭形和漏斗形，图形正常；残差的正态概率图服从正态分布；整个线性回归方程与数据拟合是较好的，流量-频率回归方程是接近于实际情况的。

为检测校验平台性能，根据加香加料系统校验方法[9]，分别安装加香、加料工序的喷嘴进行测试。选取加香、加料流量计算对应的齿轮泵频率，分别在 0.20 MPa和0.25 MPa雾化压力下分别用空压和蒸汽作为引射介质对加香和加料喷嘴的间隙进行调试，将调试好的喷嘴安装到对应工序设备，连续测试 5 d，由技术人员对喷嘴雾化效果进行确认。

图6 流量的残差图Fig.6 Variance diagram of flow

图7 流量响应图Fig.7 Flow response diagram

经确认，校验的喷嘴雾化效果确认良好，与按工序设备原有方式调试出的喷嘴雾化效果不相上下。同时，对喷嘴在校验平台和工序设备调试占用的生产时间进行对比，结果见表3。

可见，用校验平台调试喷嘴，能通过调节引射介质压力和泵频率，达到与工序生产雾化系统相同的雾化条件，该校验平台调试出来的喷嘴可以直接安装到设备上投入实际生产，减少了生产时间的浪费。

表3 调试时间统计Tab.3 Debug time statistics

3 加料流量与雾化压力的相关性分析

加料喷嘴雾化压力的大小影响混合的均匀性。如果雾化压力过小，料液雾化不完全，不利于烟叶对料液的吸附，容易出现湿团烟叶；如果雾化压力过大，喷射出的料液雾柱会将物料冲散开，直抵滚筒内壁，使滚筒壁黏附大量的烟叶；同时，过大的雾化压力下料液雾滴粒径过小，飘散的雾滴容易在排潮风机的作用下随负压排出，造成料液浪费。试验设备采用喷嘴雾化校验平台，实验材料采用带墨汁的水，测量仪器采用TPI150-Ⅱ投影仪测定取样区域内的雾滴粒径值。

3.1 评价指标确定

雾滴粒径和雾滴数量是评价雾化效果的两个关键指标[10]。以雾滴粒径在某一范围内占比作为主要评价指标，以雾滴数量作为辅助评价指标。通过测量雾滴在排潮负压下出现飘散时，采集纸上雾滴粒径值来确定主要评价指标下限。通过在0.20 MPa雾化压力下,测试不同加料流量下，滚筒内烟叶黏附量及雾滴粒径均值来确定主要评价指标上限，测试数据见表4～5。

表4 纸上雾滴粒径值Tab.4 Size of mist particles on paper

表5 烟叶黏附量与雾滴粒径均值Tab.5 Adhesive amount and size of droplet in tobacco leaves

从雾滴粒径均值与滚筒内壁物料黏附量的对应关系中看出，纸上雾滴粒径均值为148 μm；当雾滴粒径达到549 μm时，滚筒内壁物料黏附量明显增加。由此确定评价指标上限和下限分别为150 μm和550 μm。

3.2 流量与雾化压力的关系

在60 kg·h-1加料流量时，雾化压力为0.15 MPa，此时150～550 μm的雾滴占比最大(79.89%)；雾化效果最佳,并且根据研究成果，压力增大到一定程度，流量和喷射效果将不会发生变化[11]。在70 kg·h-1加料流量时，雾化压力为0.15 MPa，此时150～550 μm的雾滴占比最大(79.56%)；雾化效果最佳。采用相同的统计分析方法，得到加料流量为80,90,…,340,350 kg·h-1时的最佳雾化压力。将各加料流量下的最佳雾化压力进行汇总，结果见表6。

表6 流量与雾化压力的关系Tab.6 Correlation between flow and atomization pressure

由表6可知，流量和雾化压力的 Pearson相关系数为0.995，P值为0.000。P值远远低于0.05，数据之间成线性相关关系。回归方程为

pm=0.127+0.000 394Q。

(4)

式中：pm为雾化压力；Q为流量。

测定系数预测值为99.0%，测定系数调整值为98.9%，线性回归方程总效果是显著的。图8为雾化压力的残差分析图，由图8可知,残差对于观测值顺序呈随机分布，残差值之间是相互独立的。残差与拟合值未见喇叭形和漏斗形，图形正常，残差是等方差的。残差的正态概率图中，数据点基本在一条直线上，残差服从正态分布。整个线性回归方程与数据拟合是较好的。因此，回归方程是接近于实际情况的。

图8 雾化压力的残差分析图Fig.8 Analysis of residual atomization pressure

根据加料流量与加料比例、物料流量之间的关系，可将回归方程转化为

pmo=0.127+0.000 394X1X2。

(5)

式中：pmo为最佳雾化压力；X1为物料流量；X2为加料比例。

加料流量与最佳雾化压力之间的关系分析，为不同加料比例及不同物料流量下的最佳雾化压力参数设置提供理论依据，能在实际生产中指导加料工序在不同料液流量时，通过调节雾化压力来保证雾化效果的一致性。

4 雾化效果验证

研究表明，随着扇面控制孔压力的增大,空气喷嘴的雾幅也在逐渐增大,但气流场中心线的轴向速度会减小。且扇面控制孔的压力不能过大[12]。

在雾化压力为0.2 MPa时对各工序前后室定比加料喷嘴[13]的雾化半径进行测试，在雾化稳定后，用钢卷尺测量各工序喷嘴雾化的半径R。雾化半径如图9所示，统计测量数据见表7。

通过表7看出，各工序喷嘴随着介质流量不同，雾化半径有所不同。

通过实验分析，SJ1024型加料机最佳喷射角度如下：加料喷嘴轴向定位约为 92.5°，径向定位约为 87.4°。即喷嘴喷射点距滚筒进料端约1 m，用此方法对其他几道工序的喷嘴进行依次验证，数据见表8。

喷嘴角度调整组件较好地解决了加料喷嘴角度无法精确定位的问题，维护人员根据准确的轴向和径向刻度值对喷嘴重新定位，操作简单方便，满足了喷嘴径向和轴向双向精确定位的要求。

图9 雾化半径示意图Fig.9 Diagram of atomization radius

表7 各工序喷嘴雾化半径统计Tab.7 Statistics of atomization radius of nozzles

表8 喷嘴轴向和径向定位统计Tab.8 Statistics of axial and radial angles of nozzles

5 结 论

文中提出了一种烟草制丝香料喷嘴雾化效果校验装置，该装置能真实模拟喷嘴在筒体内的雾化状况，将喷嘴调整到最佳状态后在设备上直接使用，可使封闭的不可观察空间内喷嘴雾化距离、雾化半径和效果粒径等指标变成可观测的量化值；该装置可使喷嘴雾化效果调节由原来凭经验调节变为在开阔的场所根据观测状态快速准确调节喷嘴雾化效果，调整好的喷嘴可以直接安装到设备上投入实际生产。双元喷嘴雾化均匀，消除了喷嘴滴漏产生湿团的现象，有效降低了烟草制丝环节筒体类设备内原料黏附量，对稳定烟草制丝加香加料均匀性起到关键作用。