散煙收購前置增濕機的設(shè)計

劉文 姬江濤 朱越 王俊

摘要針對煙站散煙在收購過程中水分散失很快，煙葉造碎率較高問題，同時為實現(xiàn)散煙收購線的全面自動化、降低分級難度、營造潔凈的分級環(huán)境、保證煙葉質(zhì)量等，設(shè)計開發(fā)了散煙收購前置增濕機。該增濕機利用真空泵抽吸真空箱體內(nèi)的空氣，使回潮箱內(nèi)形成真空，然后由加濕系統(tǒng)對煙葉進(jìn)行快速增濕回潮。該增濕機可以根據(jù)煙葉品種、堆積密度、工藝要求等，實現(xiàn)連續(xù)多次抽空加潮。該增濕機主要由回潮箱體、抽真空系統(tǒng)、門系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加潮系統(tǒng)、物流系統(tǒng)組成。試驗結(jié)果表明，經(jīng)回潮后的煙葉水分增加2%～5%，無破碎現(xiàn)象，作業(yè)質(zhì)量符合工藝要求；機具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，為煙站的煙葉快速增濕提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞真空；增濕機；工藝；有限元分析；蒸汽流場；在線

中圖分類號S220.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0211-03

AbstractIn order to ensure the quality of the tobacco， previa humidifier for tobacco was designed and developed to improve the problems for the tobacco station in the acquisition process of water loss quickly， higher rate of broken pieces of tobacco， implementation of comprehensive automation， reduction of classification difficulty and creation of clean classification environment. The humidifier used air of vacuum pump vacuum suction box to form the cabine in a vacuum reverberation box， and then by the humidification system tobacco was rapidly regained moisture. The humidifier could be based on tobacco varieties， bulk density， process requirements， etc.， to achieve several consecutive pumping evacuation tide. The humidifier was mainly composed of regurgitated cabinet， vacuum system， door system， control system， humidification system and logistics system. The experimental results showed that the moisture content of tobacco leaves increased by 2%-5% with no broken phenomenon， and the operation quality was in accordance with the technological requirement.Its structure was reasonable， and provided technical support for increasing the humidity rapidly in the tobacco station.

Key wordsVacuum；Humidifier；Process；Finite element analysis；Steam flow field；Online

基金項目河南省煙草公司鄭州市公司項目（201415）。

作者簡介劉文（1981—），女，河南鄭州人，農(nóng)藝師，從事煙草生產(chǎn)技術(shù)研究。*通訊作者，教授，從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究。

收稿日期2016-12-28

我國煙草農(nóng)業(yè)正大力推進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，各產(chǎn)區(qū)對煙葉收購模式進(jìn)行了改進(jìn)，以提高煙葉收購等級質(zhì)量和收購效率。對烤煙部分等級散煙收購方式進(jìn)行了積極的探索，在控制雜質(zhì)混入、增加售煙收益以及提高煙葉質(zhì)量方面取得明顯成效。同時，散煙收購過程中也存在一些問題：由于煙葉處于分散狀態(tài)，水分散失很快，收購分級時煙葉含水率不到10%，導(dǎo)致煙葉造碎率較高；同時煙對分級工人的身體健康造成不良影響[1]?？竞鬅熑~在不同階段具有不同的含水量要求，在短期貯存時要求14%～15%，因此煙站在收儲煙葉時必須進(jìn)行前置增濕處理使煙葉回軟，便于后續(xù)分級、堆放、儲藏等操作，確保煙葉質(zhì)量和產(chǎn)量不受損失[2]。經(jīng)前置增濕的煙葉水分含量增加2%～5%，降低了分級難度，提高分級正確率，同時有助于營造潔凈的分級環(huán)境，減少對分級工人的傷害[3]。

筆者研制一種煙站專用的能夠?qū)崿F(xiàn)快速增濕設(shè)備，解決了煙葉在收儲回潮中的一些問題。該增濕機具有較強工作性能，能夠?qū)崿F(xiàn)在線快速增濕，為散煙收購全自動化作業(yè)提供了必要的技術(shù)支撐。

1前置增濕機的結(jié)構(gòu)和工藝流程

為了降低造碎、提高煙葉的含水率和溫度，以滿足后續(xù)加工要求。該方案采用真空方式回潮，在加工過程中煙葉一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，可以做到煙葉無損耗處理。

該設(shè)備由真空回潮箱、真空系統(tǒng)、加潮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)見圖1?；爻毕潴w是一個矩形空腔，箱體壁板采用不銹鋼板折制焊接而成，外部采用加強筋加固，回潮箱兩端采用手動旋轉(zhuǎn)啟閉式箱門。門封條采用硅橡膠條密封，氣密性能好。抽真空控制系統(tǒng)主要由抽空控制柜和真空泵組成，由于真空回潮機是在大量水蒸氣環(huán)境中工作，因此采用優(yōu)化設(shè)計的羅茨泵和水環(huán)泵聯(lián)合機組進(jìn)行抽空工作。加潮系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生器和水霧化單元組成。通過汽水混合器調(diào)節(jié)水和蒸汽的混合比例濕度，從而達(dá)到更好的回潮效果。門的鎖緊通過可旋轉(zhuǎn)鎖緊機構(gòu)和鎖緊銷的調(diào)節(jié)控制門的開啟。煙框可以輸送機構(gòu)實現(xiàn)在線輸送?；爻毕潴w底部設(shè)有排水開關(guān)，可以實時控制箱體底部積留的水。

2前置增濕機的工作原理

煙葉通過輸送裝置進(jìn)入回潮箱內(nèi)，關(guān)閉箱門真空泵抽吸回潮箱體內(nèi)的空氣，使回潮室內(nèi)形成真空，然后由放氣放水系統(tǒng)將水蒸汽和水混合成水霧后以低壓濕蒸汽的形式噴進(jìn)回潮室；抽空后煙葉內(nèi)部和表面存在壓力差，水霧迅速向煙葉內(nèi)擴散并布滿煙葉組織內(nèi)孔隙；由于煙葉溫度較低，進(jìn)入煙葉組織內(nèi)部的水霧迅速冷凝，使煙葉迅速回潮，水霧的溫度也傳遞給煙葉，從而提高煙葉的溫度，完成煙葉回潮。

該回潮機可以根據(jù)不同煙葉的特性和工藝要求設(shè)置回潮次數(shù)和時間，保證經(jīng)過回潮的煙葉能較大幅度地增加水分而內(nèi)在品質(zhì)不發(fā)生變化。

3主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1真空回潮箱

真空回潮箱體的結(jié)構(gòu)見圖2?；爻毕潴w框架采用大R弧形工鋼連接，箱板采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼整板拼接工藝，經(jīng)專用工裝壓制與工鋼無縫焊接，抽空時箱體受力均勻，增加箱體耐用度。門采用丁晴橡膠密封圈，抽真空后保壓性能好。

回潮箱是完成煙葉回潮的關(guān)鍵部分，煙葉在回潮室內(nèi)進(jìn)行真空回潮工作，因此要求箱體有良好的密封性和抗壓性，回潮箱體的質(zhì)量決定煙葉回潮效果。為確定真空室的壁厚，應(yīng)按薄殼理論對真空室進(jìn)行強度計算，對于一般真空容器，用碳鋼和低合金鋼，壁厚不小于3 mm，用不銹鋼時壁厚不小于2 mm。為了減少板材厚度，回潮箱體每個平面應(yīng)盡可能小且在大平面上用加強筋加固。通過試驗方案查閱資料[4]，可得304不銹鋼σb=137 MPa，σs=137 MPa，取B1=150 MPa，H=800 mm，L=800 mm，B=300 mm，nb=3.0，ns=1.5。

計算最小壁厚：

式中，S0為箱體計算壁厚，B為矩形板的窄邊長度，

S為箱體實際壁厚，C為壁厚附加量，

[σ]彎為彎曲許用應(yīng)力。

通過計算可得箱體的最小壁厚S0=6.62 mm，此計算僅考慮由材料最大負(fù)差引起的附加量，需要留出一定的附加量保證設(shè)備的可靠性，選取附加量C=0.38 mm時，壁厚S=7 mm。

真空箱體屬于壓力容器，需要進(jìn)行抗壓校核。校核水壓試驗[5]，取，P水=0.196 MPa，b=200 mm，水靜壓力P靜=ρgh，總壓力P=P水+P靜。當(dāng)用水壓試驗時矩形板壓力計算公式：

3.2加強筋

真空箱體屬于壓力容器，為了減少容器的變形、延長箱體的使用壽命，通常需要用加強筋補強，此設(shè)計選用矩形截面（b）型加強筋（圖3）。

選用型鋼做加強筋，金屬材料都有截面模量，需要對其進(jìn)行計算，若型材截面模量值大于計算截面模量則可以選用。每個加強筋在受彎時的抗彎截面模量：

式中，WP為抗彎截面模量，L為箱體寬度，取L=800，P為設(shè)計壓力，取P=0.196 MPa，SP為加強筋寬度。通過計算可得WP=105.6 mm，SP=14 mm，查閱資料可得[5-7]，矩形截面加強筋的高度hp=70 mm。

加強筋和壁聯(lián)合的截面模量：

加強筋與壁聯(lián)合作用的截面模量：

由上式計算可得σ=104 MPa<0.96 σs，因此設(shè)計滿足水壓試驗要求。

3.3矩形門

矩形真空箱體門是加工過程的關(guān)鍵，門由密封法蘭、門鏈接、密封圈、封頭、預(yù)緊機構(gòu)等組成，矩形門用矩形鋼板焊接而成，為減少門的厚度，采用加強筋對門進(jìn)行加固，用硅橡膠進(jìn)行密封，同時箱門設(shè)置觀察視鏡便于觀察回潮室內(nèi)煙葉狀態(tài)，門上的法蘭采用焊后精加工[8]。

3.4 加潮系統(tǒng)

加潮系統(tǒng)是決定回潮效果好壞的關(guān)鍵部件，高性能的加潮裝置，能夠使高壓蒸汽進(jìn)入回潮箱與煙葉接觸，轉(zhuǎn)化為低壓下的飽和濕蒸汽。高壓飽和蒸汽轉(zhuǎn)化為低壓飽和蒸汽需要釋放大量熱能，而低溫水汽化是吸收熱能的有效途徑。水與蒸氣均勻混合，充分汽化是解決上述矛盾的關(guān)鍵。

因此，該回潮機采用底部加潮的方式，并設(shè)計新型的水汽混合器，解決了回潮蒸汽在相對低壓下的飽和問題，加潮器將水強制均勻混合霧化，并通過水蒸汽將霧化水?dāng)y帶入真空箱體。該汽體進(jìn)入箱體后仍處于過熱狀態(tài)，然后在真空條件下再與箱體底部同壓力的液態(tài)水混合，使低壓下的過熱蒸汽轉(zhuǎn)化為濕蒸汽，并迅速滲透到煙包中與煙葉發(fā)生傳質(zhì)、傳熱作用，將水分和熱量傳遞給煙葉，使煙葉均勻而有效地吸潮，同時液態(tài)水蒸發(fā)有助于低溫回潮，由于重力影響，多余的液態(tài)水自動留在回潮箱底部，避免明水打濕煙葉，同時解決了回潮時產(chǎn)生的水漬煙，提高煙葉的等級質(zhì)量和外觀[9]。

3.5真空系統(tǒng)

真空回潮機具有大量水蒸氣，最適宜的真空系統(tǒng)是射流真空泵組，但由于蒸汽介質(zhì)的局限性，該方案采用優(yōu)化設(shè)計的羅茨泵和水環(huán)泵聯(lián)合機組的形式，水環(huán)泵的工作水消耗量420 L/h，溫度≤25 ℃；羅茨泵的冷卻水與之串聯(lián)安裝，試驗機采用循環(huán)冷卻裝置。選擇時，需要進(jìn)行真空系統(tǒng)的設(shè)計，以確定管道、閥門、管件和儀表的規(guī)格及數(shù)量，復(fù)核系統(tǒng)空氣泄漏量，確定真空管道中的流體壓力損失和流體通導(dǎo)能力，將其與已經(jīng)計算的真空封閉空間壓力P和抽氣速率S結(jié)合，確定真空泵的極限真空和抽氣速率。綜合考慮后，選擇羅茨泵ZJY-600A作為主泵，選擇2SK-12作為二級泵與羅茨泵串聯(lián)。該真空系統(tǒng)抽速快，能耗低，對環(huán)境無污染。

4殼體的焊接

箱體焊接主要分真空箱體焊接與加強筋的焊接，其兩者在焊接過程中將不可避免地產(chǎn)生焊接殘余變形。箱體焊接變形主要體現(xiàn)在材料、結(jié)構(gòu)合理性、工藝科學(xué)性等關(guān)鍵因素[10]。合理的布置焊縫位置是箱體焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，與箱體產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、成本以及箱體的耐用性具有密切的關(guān)系。真空箱體焊接其變形更為凸顯，箱體焊接過程中需要分析變形影響因素和控制措施。

真空箱體在加工過程中，應(yīng)盡量減少焊縫尺寸和焊縫的總長度。箱體焊接要結(jié)合箱體的結(jié)構(gòu)，簡化的結(jié)構(gòu)可減小不必要的焊接接口和變形。焊縫的布置盡可能分散；焊縫的位置應(yīng)盡可能對稱，避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置，板料在設(shè)計時適當(dāng)布置加強筋的位置，焊接過程中采用鎢級氬弧焊，氬弧焊電弧穩(wěn)定、飛濺小、焊縫致密，表面無熔渣，成型美觀，同時在焊接過程中，采用氬氣保護(hù)焊接，電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，熔池較小，焊接速度較快，焊接熱影響區(qū)較窄，焊后變形小。同時可以避免高溫下材料氧化及金相組織發(fā)生變化。壁厚件焊接選擇適宜的焊接坡口及變形槽，加強筋和箱體采用T字接焊縫接頭[11]。

5結(jié)論

（1）該回潮機利用抽真空的方式，借助抽真空后煙葉葉片內(nèi)外存在的壓力差，對煙葉進(jìn)行增濕回潮，使水霧迅速向煙葉內(nèi)部擴散并布滿煙葉組織內(nèi)的孔隙，同時水霧的溫度也傳遞給煙葉，從而提高煙葉的溫度，完成煙葉回潮，使煙葉的造碎率降低，提高煙葉品質(zhì)。

（2）與同類煙葉回潮機相比，該回潮機由于采用抽真空的方式回潮，回透率較高，煙葉含水率和溫度均達(dá)到收購分級時的標(biāo)準(zhǔn)，在整個工作過程中煙葉處于靜止?fàn)顟B(tài)，煙葉表面的平整性得到很好地保持，同時無水漬煙葉，煙包內(nèi)部回潮均勻。

（3）該回潮機結(jié)構(gòu)緊湊，功率消耗低，適合煙站的前置增濕回潮，將改變煙站缺乏適合于在線應(yīng)用的增濕設(shè)備現(xiàn)狀，可以在煙站推廣使用。

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