11HXD气流干燥过程工艺气流传热探讨

11.HXD气流干燥过程工艺气流传热探讨舒芳誉1王道宽1堵劲松2李清华1林志平1周跃飞1钱继春1（1.厦门卷烟厂，福建厦门市海沧新阳工业区新阳路1号361022；2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市高新技术产业开发区枫杨街2号450001）摘要:厦门卷烟厂使用的是英国迪更生-莱格公司生产的RCC-HXD气流干燥设备。对RCC-HXD设备进行工艺控制参数单因素试验，通过使用在线数据采集系统RSSQL，并运用理论推导和统计分析方法对试验结果进行分析，发现：①在干燥过程中，HXD喂料点前工艺气流与烟丝间的换热量可以用干燥前后工艺气温差的倒数（φ）来衡量；②在其它控制参数不变，只改变排潮模式（手动与自动）的情况下，设置为手动控制排潮时，干燥过程的换热量总是较低；③当设置为自动排潮且HXD蒸气注入量为1800kg/h左右时，是工艺气流干燥能力的转折点。关键词:气流干燥；工艺气流；给热系数气流干燥设备是近年来我国卷烟企业使用的叶丝在线膨胀设备，对叶丝热处理方面是对流传质传热为主的干燥方式，同传统HT-薄板式烘丝设备有较大的区别。厦门卷烟厂使用的是英国迪更生-莱格公司生产的RCC-HXD气流干燥设备。为了研究设备运行规律，我们考察了RCC出口叶丝含水率、RCC循环热风温度、HXD工艺气温度、HXD工艺气流量和HXD蒸气注入量等参数对过程昀终试验测试数据的影响，并对过程采集数据进行统计分析，同时对传热过程进行较深入的探讨。1试验材料及仪器设备“沉香”（三类卷烟）烤烟配方叶丝（6000kg/批）、RCC-HXD气流干燥设备（英国迪更生-莱格公司）、TM710红外水分仪（NDC红外线工程公司）、红外温度仪（美国Raytek（雷泰）公司）、RSSQL数据采集软件2热工原理分析在HXD气流干燥系统中，工艺气流是热质交换的介质，因此，在叶丝快速干燥过程中，工艺气流与叶丝之间进行着快速的传热与传质过程。对稳态的HXD系统做能量平衡，可得下式（1):Q工艺气流,放热=Q水,吸热+Q空气,吸热+Q叶丝,吸热+Q热损失⑴式中：Q工艺气流,放热－干燥过程中工艺气流所提供的总热量；Q水,吸热－将叶丝干燥至某设定含水率时，叶丝干燥所脱水升温至喂料点前工艺气流湿球温度和所脱水汽化至气料分离温度时，所需要吸收的热量；Q空气,吸热－新进空气温度提升至HXD气料分离温度所需要的热量；Q叶丝,吸热－干燥过程中叶丝吸收的热量；Q热损失－干燥过程中管壁向环境散失的热量。工艺气流可视为高温绝干空气和过热蒸气的混合物，当干燥过程处于较稳定状态时，HXD喂料点前的工艺气流的物理状态也是处于较稳定的状态，即绝干空气与过热蒸气的质量分数相对稳定，因此，Q工艺气流,放热可用式（2）表示。Q工艺气流,放热=m工艺气流Cp,工艺气流(T气0-T气1)⑵式中：m工艺气流－HXD喂料点前工艺气流的质量(kg)；Cp,工艺气流－HXD喂料点前工艺气流的平均等压比热容(kJ/kg·K)；T气0－HXD喂料点前工艺气温度(℃)；T气1－HXD气料分离温度(℃)。在HXD干燥过程时，Q水,吸热可用下式表示：Q水,吸热=Q水,升温+Q水汽化潜热+Q水蒸气,吸热⑶式中：Q水,升温－叶丝中的水由进料时温度升至喂料点前工艺气流湿球温度时所吸收的热量；Q水汽化潜热－在喂料点前工艺气流湿球温度下，水汽化为同温度水蒸气时所吸收的热量，此值为定值。Q水蒸气,吸热－汽化后水蒸气由喂料点前工艺气流湿球温度升温至T气1时所吸收的热量。同时，Q空气,吸热=m空气Cp,空气(T气1-T环境)⑷Q叶丝,吸热=m叶丝Cp,叶丝(T料1-T料0)⑸式中：m空气－由进出料气锁进入到干燥管的新进空气量(kg)。在HXD进料流量一定时，该值可视为恒定；Cp,空气－空气的等压比热容(kJ/kg·K)；T环境－新进空气的温度，也即环境温度(℃)；m叶丝－在RCC一定进料流量时，绝干烟草质量(kg)；Cp,叶丝－绝干叶丝的平均比热容(kJ/kg·K)；T料0－HXD进料叶丝温度(℃)；T料1－HXD出口叶丝温度(℃)。又HXD设备气流管壁外包一层约15cm厚的ROCKWOOL128W1岩棉（其导热系数为≤0.044W/m·K），且其外表层昀高温度不超过55℃，而在热交换器的换热效率不低于50%的情况下，经推算，在干燥过程中，散热器出口至旋风分离器入口的管壁（约35米），向环境散失的热量约为（HXD燃烧炉设计功率为1870KW）：Q热损失≤37.4t(kJ)≤4%×Q工艺气流,放热⑹式中：t为生产持续时间（单位：小时）。在通常气候条件下，空气平均比热容为1.009kJ/kg·K，Cp,叶丝1.5kJ/kg·K，而根据迪更生-莱格公司提供的工艺气流各组份质量衡算图，经查湿空气H-I（焓-湿）图，可粗略查算得：喂料点前工艺气流湿球温度约为90～100℃。因此，将⑵～⑹式代入⑴式整理，易得：m工艺气流Cp,工艺气流(T气0-T气1)×96%≈1.1394×Q水汽化潜热⑺由⑺式得：m工艺气流Cp,工艺气流(T气0-T气1)=1.1869×Q水汽化潜热或Cp,工艺气流=1.1869×（Q水汽化潜热／m工艺气流）×（1／(T气0-T气1)）或Cp,工艺气流=K常数×（1／(T气0-T气1)）=K常数×φ⑻式中，K常数=1.1869×（Q水汽化潜热／m工艺气流），且一定条件下，m工艺气流+m水+m空气=定值，m水－干燥过程中叶丝脱水量(kg)；φ=1／(T气0-T气1)⑼为了进一步弄清比值（φ）的理论意义和对实际生产的指导作用，通过运用在线数据采集系统与统计分析手段，重点对HXD气流干燥过程中，在不同排潮控制模式和蒸气注入量情况下工艺气流给热情况进行了分析。3试验方案3.1试验参数设置以批为单位，按表1设定参数进行试验。表1试验参数设置工艺参数设定值RCC前叶丝流量(kg/h)5100RCC循环热风温度(℃)65RCC出口叶丝含水率(%)28.0HXD工艺气流量(kg/h)12000HXD工艺气温度(℃)350HXD喂料点负压(mbar)-12系统自动形成HXD排潮控制自动控制排潮开度手动控制排潮开度在25%HXD蒸气注入量(kg/h)05001000150018000500100015001800HXD排潮风机频率(Hz)403.2试验数据采集⑴数据采集项目：牌号、批次、日期、RCC前叶丝流量、RCC前叶丝含水率、RCC出口叶丝温度、RCC出口叶丝含水率、HXD工艺气温度、HXD喂料点工艺气温度、HXD气料分离温度、HXD喂料点负压、HXD工艺气流量、HXD工艺气阀门开度、HXD蒸气注入量、HXD排潮阀门关度、HXD出口叶丝含水率、HXD出口叶丝温度。⑵采集要求：当RCC出口叶丝含水率≥18%或HXD出口叶丝含水率≥9%时，RSSQL每5秒采集上述17点数据一次，并作为一条记录送入数据库。⑶数据处理规则：为了保持各批间数采数据的代表性和一致性，同时考虑到需要保留部分料头料尾数据，在用综合统计软件进行数据统计分析时，采用了如下数据整理规则。a.当RCC前叶丝流量4900kg/h时，RCC前叶丝流量数值用空格替代。b.当RCC出口叶丝含水率26.0%时，RCC出口叶丝温度和RCC出口叶丝含水率数值用空格替代。c.当HXD出口叶丝含水率10.0%时，HXD工艺气温度、HXD喂料点工艺气温度、HXD气料分离温度、HXD喂料点负压、HXD工艺气流量、HXD工艺气阀门开度、HXD蒸气注入量、HXD排潮阀门关度、HXD出口叶丝含水率和HXD出口叶丝温度数值用空格替代。4结果分析4.1结果试验结果整理与汇总见表2。从RCC进出料状态数采统计结果（表2）可以看出，各个试验批次间RCC出口处的叶丝温度和含水率基本相近，特别是含水率标准偏差(SD)均≤0.5%。因此，保证了试验批次间HXD进料的一致性。根据⑼式，分别计算各个试验批次生产过程的比值（φ）（瞬时值），并求平均值，统计结果见表3。4.2试验结果分析1、HXD工作时，工艺气流与叶丝间是强制对流给热状态，给热系数（α）可由强制对流的准数关联式mncNuPrRe=(c、n、m都是大于零的常数，需由实验确定)[1]导出，即：()()mCnddpcλµµωρλα工艺气流,=其中：d为传热表面的特性尺寸或叶丝的平均长度，λ为叶丝导热系数，ω为工艺气流与烟丝间的相对流速，ρ为工艺气流的密度，μ为工艺气流的粘度。α的物理意义是单位时间单位传热面积上，温差为1[K]时所能传递的热量[J]，它是对流给热强度的标志[1]。由上式知：在d、λ、ω、ρ、μ相对稳定时，提高Cp,工艺气流能增加工艺气流的给热系数。又根据⑻式和表3统计结果可知，φ值可体现喂料点前HXD工艺气流给热强度的变化。2、从表3统计结果知：改变排潮模式能影响喂料点前工艺气流的给热强度。在其它控制参数不变，只变换排潮模式时，手动控制排潮模式下，喂料点前工艺气流的给热强度总是较小。这是由于手动控制排潮模式下，排潮阀门开度相对较大，排潮量增加，致使喂料点前工艺气流的Cp,工艺气流减小。表2沉香叶丝试验结果汇总表牌号及设置批次RCC出口叶丝温度(℃)RCC出口叶丝含水率(%)RCC出口叶丝含水率标准偏差HXD喂料点负压(mbar)HXD气料分离温度(℃)干燥前后工艺气温差(℃)HXD出口叶丝温度(℃)HXD出口时丝含水率(%)样本数909902902885885885885885沉香(0kg/h蒸气,25%排潮开度)450305平均值56.627.890.501-42.67164.3157.463.914.05样本数932913913927927927927927沉香(500kg/h蒸气,25%排潮开度)450306平均值57.328.040.381-37.96167.8144.865.514.05样本数955932932926926926926926沉香(1000kg/h蒸气,25%排潮开度)451302平均值57.027.890.482-31.90171.0139.166.614.27样本数855832832852852852852852沉香(1500kg/h蒸气,25%排潮开度)451401平均值56.227.910.466-25.66171.6132.867.214.40样本数884862862857857857857857沉香(1800kg/h蒸气,25%排潮开度)451402平均值57.427.800.458-21.63173.9129.568.214.22样本数910905905882882882882882沉香(0kg/h蒸气,自动排潮)443001平均值56.727.910.481-12.05171.9137.267.914.04样本数906906906906906906906906沉香(500kg/h蒸气,自动排潮)443002平均值57.527.950.339-12.04173.1131.968.414.10样本数888888888888888888888888沉香(1000kg/h蒸气,自动排潮)443004平均值57.428.030.393-12.00171.8128.768.914.15样本数898897897884884884884884沉香(1500kg/h蒸气,自动排潮)443101平均值56.627.890.492-11.95176.4126.470.413.96样本数951937937951951951951951沉香(1800kg/h蒸气,自动排潮)443102平均值57.028.030.420-12.07174.4123.070.314.04表3各个试验批次的比值（φ）牌号批次比值（φ）×10000沉香(0kg/h蒸气,25%排潮开度)45030563.532沉香(500kg/h蒸气,25%排潮开度)45030669.061沉香(1000kg/h蒸气,25%排潮开度)45130271.891沉香(1500kg/h蒸气,25%排潮开度)45140175.301沉香(1800kg/h蒸气,25%排潮开度)45140277.