新型超聲波輔助煮繭系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

鄭祚福，蔣芳，彭勇，朱夢琦，秦龍斌，林海濤

[1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006;2.廣西科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（軟件學(xué)院），廣西 柳州545006]

煮繭工藝是繅絲過程中的關(guān)鍵工序，對后續(xù)的繅絲及生絲的品質(zhì)具有重要的影響。雖然國內(nèi)外已有多種煮繭的工藝及技術(shù)，但其技術(shù)方法原理主要是利用繭層內(nèi)外的溫差或壓差，實(shí)現(xiàn)水溶劑滲透或穿過繭層，從而達(dá)到滲潤繭層并使絲膠層膨脹，減弱繭絲間的膠著力[1-2]。從煮繭的效果與質(zhì)量看，目前的煮繭工藝及技術(shù)或時間長、或能耗高、或采用化學(xué)助劑、或繭層滲透及煮熟程度不夠、或絲膠膨潤不均勻、或絲膠溶失大、或繅折高，從而影響繅絲的效果及生絲質(zhì)量。

因此，煮繭工藝技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展的空間較大。通過煮繭技術(shù)的創(chuàng)新，改善煮繭質(zhì)量，提高解舒率、降低繅折以及改善生絲的品質(zhì)，對蠶繭業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過新技術(shù)新方法的應(yīng)用，發(fā)展低溫、低能耗、快速、高效以及綠色的煮繭新技術(shù)新工藝，是提高蠶繭業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會效益所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 煮繭工藝

1.1 設(shè)計原理

傳統(tǒng)煮繭是利用熱傳導(dǎo)，繭層由外向內(nèi)傳導(dǎo)熱。由于熱傳導(dǎo)速度慢，繭層不能同時受熱，容易造成繭層煮熟情況不均勻、外層適熟內(nèi)層偏生或者內(nèi)層適熟外層過熟的現(xiàn)象，不利于蠶繭的解舒率、生絲的產(chǎn)量和品質(zhì)提高，并且由于煮繭時間較長，體系內(nèi)酸度增大會影響生絲的質(zhì)量和增加內(nèi)層落緒[3]。利用超聲波促進(jìn)絲膠溶解，膨潤繭絲膠著點(diǎn)，減少疵點(diǎn)發(fā)生，可以提高生絲的潔凈度，提高解舒率[4]。

1.2 工藝流程

由于傳統(tǒng)煮繭技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)運(yùn)用較為成熟，工廠大幅度更改工藝，將導(dǎo)致較高的投資，因此本設(shè)備在原有煮繭桶的基礎(chǔ)上通過增設(shè)部件方式達(dá)到提高煮繭效果的目的。主要的增設(shè)是獨(dú)特排列的內(nèi)置超聲發(fā)射器、射流循環(huán)部件和多功能蓋板。利用超聲波輔助下的射流循環(huán)煮繭，既不影響蠶絲的機(jī)械性能，又能打開蠶繭膠著點(diǎn)[5]。其工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

由圖1，系統(tǒng)主要分為撥繭、真空滲透、沸水煮繭、調(diào)整保護(hù)和單?？壗z五個部分。其中真空滲透部分滲透給藥的工藝參數(shù)是：時間2min、溫度40℃、真空度>0.092Mpa；沸水煮繭部分蒸煮吐水的工藝參數(shù)是：時間2min；調(diào)整保護(hù)部分超聲處理的工藝參數(shù)是：超聲功率60-150w、超聲浴比1∶9-1∶36、超聲時間15-180s和超聲溫度50-80℃。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)主要目的是使蠶繭在低水溫、低能耗的狀態(tài)下達(dá)到內(nèi)外繭層均勻滲透、內(nèi)外繭層絲膠均勻膨潤，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。使用的內(nèi)置防水超聲波和射流混繭結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠改善煮繭質(zhì)量，提高解舒率、降低繅折以及改善生絲的品質(zhì)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 送繭

在剝繭后，送繭功能主要由多功能蓋板完成。其由內(nèi)、外兩層筒蓋組成（見圖2）。內(nèi)蓋板是由兩片半圓型沖孔網(wǎng)或者網(wǎng)狀材料制成的；該煮繭桶內(nèi)桶蓋主要作用在開蓋送繭的同時，能夠防水和通氣。此外多功能蓋板的外桶蓋為鍋狀蓋板，可以沿軸轉(zhuǎn)動打開，上裝有壓力表、測溫元件。

2.2 煮繭桶

本系統(tǒng)煮繭桶分為內(nèi)外桶，長形窄桶（見圖2）。一般煮繭設(shè)備的設(shè)計口徑都比較大，本系統(tǒng)著重提高超聲波滲透效果，采用長形窄桶設(shè)計，可以進(jìn)一步減少超聲波發(fā)射器和蠶繭的距離。

2.3 射流

桶內(nèi)上下雙斜口射流對沖射流混繭：區(qū)別于其他機(jī)械（桿，片，震動，特異性內(nèi)桶和翻轉(zhuǎn)[6-9]）作用方式，能夠有效地避免繭絲勾結(jié)，增加設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用效果（見圖3）。圖中標(biāo)示的是上、下雙斜口射流對沖下蠶繭的預(yù)期運(yùn)行路徑。對于其他方式而言，只能單純地讓蠶繭沿著軸心轉(zhuǎn)圈，并不能很好地將軸心處遠(yuǎn)離超聲波發(fā)射器的蠶繭送至桶壁超聲波發(fā)射器附近接受超聲波空化。上、下雙斜口射流對沖能夠很好地解決這個問題，能夠一步步地將軸心部位未良好滲透和清潔的蠶繭帶向超聲波發(fā)射器。

圖3 射流示意圖

3 超聲波輔助效果

為了測試系統(tǒng)輔助蠶繭在低水溫、低能耗狀態(tài)下達(dá)到內(nèi)外繭層均勻滲透、內(nèi)外繭層絲膠均勻膨潤的效果，系統(tǒng)在鹿寨縣貴盛繭絲工貿(mào)有限公司進(jìn)行了一系列控制變量實(shí)驗(yàn)，分別得出了：超聲功率-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線；超聲時間-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線；超聲浴比-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線；超聲溫度-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線。

3.1 超聲功率

圖4為溫度65℃，時間120s，浴比1∶36時超聲功率-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線。

圖4 超聲功率-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線

通過圖4“功率-解舒率曲線”可以看出，超聲波輔助煮繭時解舒率的變化呈先升后降的趨勢，最大解舒率在功率為75w時出現(xiàn)，且只有在功率為150w時，解舒率較低，其他超聲功率下的解舒率相對波動不大。

通過圖4“功率-光折曲線”可以看出，光折隨超聲功率增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且光折在功率過大和過小時都減小。此時超聲功率導(dǎo)致絲膠溶解和凝固的動態(tài)平衡會影響光折。繭解舒好時，對應(yīng)落緒少，光折小。但大超聲功率導(dǎo)致外層絲膠溶失過多，落緒增多，反而又增加光折。所以在這種動態(tài)平衡中，光折的變化曲線較為復(fù)雜。

通過圖4“功率-千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線”可以看出，曲線隨著功率的變大，呈現(xiàn)先減小后上升趨勢。這是由于功率小時，空化效應(yīng)不足以使大部分絲膠溶解，殘留較多膠著點(diǎn)，后續(xù)單?？壗z疵點(diǎn)增多；功率過大時，絲膠大量溶失，容易產(chǎn)生疵點(diǎn)；功率為75w時，繭絲膠著點(diǎn)充分膨潤，此時解舒率高。

3.2 超聲時間

圖5為溫度65℃，功率75w，浴比1∶36時超聲時間-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線。

圖5 超聲時間-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線

通過圖5“時間-解舒率曲線”可以看出，其曲線隨著時間呈現(xiàn)先增加后減少，再增加再減少的趨勢。時間為10s時，解舒率低，此時空化效應(yīng)難以打斷蠶絲膠著點(diǎn)，煮繭的熱濕環(huán)境強(qiáng)化了絲膠結(jié)構(gòu)，絲膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定則未溶失；時間為30s時，此時絲膠膨潤，促進(jìn)解舒；時間為60s時，由于溶解絲膠再固化，解舒率又降低；時間超過100s，再固化的絲膠第二次溶解，解舒率又開始提高?？傮w來說，需要選取絲膠在固化和溶解的動態(tài)平衡中恰當(dāng)?shù)某晻r間，才能得到良好的解舒率。

通過圖5“時間-光折曲線”可以看出，影響光折的趨勢和影響解舒率的趨勢相近，但影響光折的曲線尾部反彈更快?！皶r間-光折曲線”前期變化同“時間-解舒率曲線”相近，其隨著絲膠在固化和溶解的動態(tài)平衡中呈現(xiàn)先增加后減少，再增加再減少的趨勢。時間為10s時，煮繭熱濕環(huán)境強(qiáng)化了絲膠結(jié)構(gòu)，抑制絲膠溶解，從而增加光折；時間為30s時，此時絲膠溶解，光折變大；時間為60s時，同樣因?yàn)榻z膠的二次固化，光折較大；時間為90s時，二次凝固的絲膠在超聲作用三次溶解，所以光折較?。粫r間大于90s，絲膠過量溶失，光折變大。

通過圖5“時間-千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線”可以看出，曲線明顯分為兩部分：超聲時間小于150s時，千米疵點(diǎn)個數(shù)變化不明顯，且都較少，此時超聲波輔助煮繭的效果非常優(yōu)異，能很好減少后續(xù)繅絲的疵點(diǎn)；在時間超過150s的部分，疵點(diǎn)大幅度增加，此時超聲時間對疵點(diǎn)影響過于敏感，可以推斷蠶繭結(jié)構(gòu)明顯被超聲破壞，千米疵點(diǎn)個數(shù)上漲幅度巨大。

3.3 超聲浴比

圖6為溫度65℃，功率75w，超聲時間90s條件下，超聲浴比-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線。此處超聲浴比為：干繭重量/超聲湯體積（kg/L）。

圖6 超聲浴比-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線

通過圖6“浴比-解舒率曲線”可以看出，解舒率曲線不斷上揚(yáng)。浴比小，則煮繭時蠶繭周圍給藥濃度較大，絲膠溶解飽和上限低，且濃度提高，體系內(nèi)酸性變大，低pH環(huán)境抑制絲膠溶失。浴比越大，越有利于絲膠的溶解，利于解舒，但對絲膠溶解的增益過程是有極限的，曲線在遠(yuǎn)端逐漸水平。

通過圖6“浴比-光折曲線”可以看出，浴比的變化對光折的影響與超聲時間對千米疵點(diǎn)個數(shù)的影響相反，曲線明顯分為兩部分：超聲浴比小于1∶18時，蠶繭周圍給藥濃度過高，抑制蠶繭吸水和繭絲間膨潤，導(dǎo)致光折變大；在浴比超過1∶18的部分，浴比增大，促進(jìn)絲膠溶解，解舒率提高，光折變小。

通過圖6“浴比-千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線”可以看出，所有不同的浴比，千米疵點(diǎn)個數(shù)在0.55～0.88/個之間，疵點(diǎn)波動相對其他影響因素（0.5～2.5/個）穩(wěn)定，所以浴比并不是千米疵點(diǎn)個數(shù)的敏感因素。

3.4 超聲溫度

圖7為功率75w，時間90s，浴比1∶36時超聲溫度-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)變化曲線。

圖7 超聲溫度-解舒率/光折/千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線

通過圖7“溫度-解舒率曲線”可以看出，在50℃～80℃區(qū)間內(nèi)解舒率，只有70℃附近解舒率低，此時絲膠過量溶失，導(dǎo)致繭絲解舒不佳。在50℃、60℃和80℃解舒率都較高，此時溫度利于繭絲膨潤。

通過圖7“溫度-光折曲線”可以看出，光折隨超聲溫度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，50℃時繭絲膨潤不佳，光折偏大；溫度為60℃～70℃時，繭絲充分膨潤，光折降低；但若絲膠過量溶失，則光折偏大。

通過圖7“溫度-千米疵點(diǎn)個數(shù)曲線”可以看出，其同“溫度-光折曲線”相近，都是先減小后增大。升溫能促進(jìn)絲膠的溶解，疵點(diǎn)數(shù)隨溫度升高而減少，但若絲膠過量溶失，則易產(chǎn)生疵點(diǎn)。

4 結(jié) 語

利用本實(shí)驗(yàn)所有曲線關(guān)系，進(jìn)行多元線性擬合，可以探究出應(yīng)用本系統(tǒng)的最佳工藝為：超聲功率75w、超聲時間90s、超聲溫度65℃、超聲浴比1∶27。相對于傳統(tǒng)煮繭解舒率約40%、光折約270%、千米疵點(diǎn)個數(shù)約0.9個，在優(yōu)化工藝條件下，本系統(tǒng)的煮繭解舒率明顯提高23%，光折減少9%，千米疵點(diǎn)個數(shù)降低0.5個，這對降低煮繭成本、提高其繅制生絲的潔凈度有重要意義。