KDF4滤棒成型机甘油雾化量控制研究分析

李 斌

(红云红河烟草(集团)有限责任公司红河卷烟厂,云南 红河 654400)

0 引 言

纤维滤棒成型机组是以二醋酸纤维素丝束为原料，集丝束开松、上胶和滤棒成型为一体的烟用滤棒生产设备[1]。KDF4滤棒成型机采用雾化技术喷洒甘油，添加甘油主要是为了增加滤棒的硬度、弹性，改善滤棒的切割、复合、接装等加工性能[2]。KDF4目前已成为滤棒生产的主要机型，相比于KDF2通过单毛刷高速转动喷洒甘油的方式，KDF4通过高压喷雾技术，可以使甘油雾化颗粒均匀，通过活门挡板的开启，能更好的控制甘油施加量[3-5]。活门开启的大小与主机的运行速度有关，但目前还没有相关文献研究过甘油的施加量与甘油密度、活门开度、丝束宽度、喷嘴数量及主机运行速度之间的关系，因此笔者将进行相关方面的基础理论研究，并通过试验对该理论进行验证，引入修正系数，对该理论进行修正，以满足精确施加甘油的需求。

1 甘油雾化工作原理

甘油雾化施加到丝束的过程如图1所示，装置启动，加热器开始加热，恒压泵将甘油通过注油管注入分流器中，分流器上有7个均匀布置的喷嘴，当分流器内达到一定的压力后，甘油即可通过喷嘴雾化喷出至丝束上，多余的甘油通过回油管回流至甘油箱。活门置于挡板下方，通过活门的开度来控制雾化面积，即达到控制甘油施加量，活门的开度大小与主机的运行速度有关，主机运行速度越快，活门开度越大。

图1 甘油雾化系统1.甘油箱 2.注油管 3.回油管 4.恒压泵 5.加热器 6.分流器 7.喷嘴 8.活门 9.丝束 10.挡板

2 活门开度与雾化面积关系研究

KDF4喷嘴为丹佛斯喷嘴，雾化角度为60°，雾化形状为实心锥形，如图2所示。从图2可以看出，活门左右移动，实现甘油雾化量的调节，即通过活门的移动改变阴影部分面积(喷雾面积)。假设喷雾过程中，喷雾量均匀分布在整个圆面积上，因此只要计算出阴影面积占圆面积的百分比，即可计算出喷雾量与活门开度x的关系式。

图2 喷嘴雾化形状

由上述几何关系得：

扇形OAB的面积：

(1)

三角形OAB的面积：

(2)

雾化弦长AB：

(3)

雾化半径OC：

(4)

式(1)～(4)联解得阴影部分面积：

S阴=S扇形-SOAB

(5)

OA=tan(30)×h

(6)

式中：h为喷嘴至丝束的距离。

由于在活门移动过程中，阴影面积不停的变化，扇形角度间隔0.5°取值，计算出0°～360°阴影部分的面积所占整圆的面积及对应的活门移动距离x，施加量百分比为y，通过计算出的数据拟合后，得出甘油施加量百分比与活门移动距离的关系如图3所示。

图3 施加量百分比与活门开度拟合曲线

R2=1，说明拟合出的公式误差值很小，能很好的反映出施加量百分比与活门移动距离之间的关系。

甘油施加量百分比与活门移动距离之间的关系式如式(7)所示：

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

(7)

3 喷嘴压力与流量之间的关系研究

不同压力对应不同的流量。据丹佛斯喷嘴0.5usgal的型号，得出压力流量如表1所列。

表1 压力与流量对应表

该表数据进行非线性回归分析，拟合出如图4所示曲线。

图4 压力与流量拟合曲线图

设：压力为p(bar)，喷嘴流量为Q1(L/h)，则压力、流量之间的关系如式(8)所示：

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

11.518p-19.304

(8)

甘油雾化采用7个喷嘴，施加到丝束的甘油量随着压力与活门开度在改变。

喷到丝束的总甘油量：

Q2=7×Q1×y

(9)

该喷嘴流量标定采用燃油进行标定，标定密度为：820 kg/m3。如果喷射不同液体时，需要考虑到密度对流量的影响，设密度用ρ表示，则方程式修订为式(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为施加到丝束的甘油总量(L/h);p为压力(bar);ρ为甘油密度(kg/m3);x为活门开度(mm)。

4 主机速度与活门开启量关系研究

雾化喷洒装置往丝束上添加甘油的量是由活门控制的，活门开启的大小是随主机速度变化的，主机速度慢，活门开启小，主机速度快，活门开启大。因此需要找到主机速度与活门开启量x的关系式。

丝束的质量为g(g/m2)，主机运行速度为v(m/min),宽度为：w(m)，甘油施加比例为k1(甘油施加比例为单位时间内所需喷洒质量G1与单位时间内丝束重量G2之比,一般根据烟厂工艺配方设置)。

(11)

单位时间内(min)丝束质量G2与主机运行速度v和丝束的宽度w有关。

G2=v×w×g

(12)

式中：G2为单位时间内丝束总质量(g/min)；w为丝束的宽度；v为主机运行速度(m/min)；g为丝束单位重量(g/m2)。

单位时间内所需甘油质量为：

(13)

式中：G1为单位时间内所需甘油重量(g/min)；Q2为施加到丝束的量(L/h)；ρ为甘油密度(kg/m3)。

由于经过活门后喷洒出来的量不一定全都覆盖到丝束上，因此此处引入损失系数k2，G1方程式修正如式(14)所示：

(14)

k2取值范围为:0

由甘油施加比例k1建立的关系式，代入G1、G2得式(15)：

(15)

根据式(15)求解出Q2：

(16)

主机速度与活门开启量即可建立关系式(17)：

2.5072p2+11.518p-19.304)×

0.0004x2+0.0061x-0.004)

(17)

由式(17)即可求出x的值。考虑到x3可能存在复数，因此降低百分比的拟合精度，采用线性回归进行拟合，R2=0.9955，得出甘油喷洒面积比与活门移动量的线性关系式(18)：

y= 0.015 4x-0.040 3

(18)

通过研究发现，将喷嘴和压力进行线性回归分析后，R2=0.996 3，拟合出的公式如式(19)所示：

Q1=0.116 7p+1.067 4

(19)

因此主机速度与活门开启量即可建立以下关系式：

求解后得活门开度x如式(20)所示：

(20)

式中：v为主机运行速度,m/min；w为丝束宽度,m;g为丝束单位质量：g/m2；ρ为甘油密度：kg/m3；p为雾化压力：bar；x为活门开启量：mm。

通过式(20)看出，根据现场甘油雾化量的测量结果，可以通过调整损失系数k2来调整活门的开启量，从而控制甘油雾化量。

5 试验验证

从式(10)可知，甘油雾化总量为：

式中:甘油密度ρ为1 161 kg/m3；压力p为12 bar。

试验方法：采用干毛巾称重，记录重量为m1，然后将干毛巾放置于喷嘴上方，启动恒压泵进行甘油喷雾，记录喷湿后毛巾质量为m2，理论雾化量为m3，误差率δ如式(21)所示：

(21)

记录数据如表2所列。

表2 甘油雾化施加量实验表

从上表可以看出，干毛巾实际吸收量与理论计算雾化量存在误差，干毛巾吸收量小于理论计算雾化量，主要原因是雾化出的甘油没有被毛巾全部吸收，有一小部分回流到甘油箱，因此理论公式需要引入损失系数k2来进行雾化量的调节。

本实验损失系数k2确定方法：

(22)

引入损失系数k2后，误差率计算如表3所列。

表3 引入损失系数后的误差率

从表3可以看出，引入损失系数后，理论计算雾化量与实验雾化量之间的误差率很小，有一定的指导意义，可以进行公式(20)的修正。

6 结 论

(1) 根据式(20)可知，活门的开启量与主机速度、丝束宽度、丝束单位质量、甘油密度、雾化压力有关，在实际参数设定时，丝束宽度、丝束单位质量、甘油密度以及雾化压力的参数为定值，因此通过该式即可根据需要的甘油雾化量，在不同主机运行速度下调节活门的开启量，由于误差的存在，需要引入调整系数k2来进行雾化量的调节，以方便精确控制甘油的雾化量。

(2) 文中研究方法适用于香料、水份等液体的雾化施加，在实际运用中，需要根据喷嘴的型号、雾化液体的密度和受雾化材质的宽度、单位面积重量等进行相关参数设定。

(3) 文中中雾化参数之间的关系式研究，为雾化甘油量的控制提供了算法及调节参数，可以确保KDF4在运行过程中，结合测试参数，精确控制甘油施加量。