香料厨房桶装物料保温加热系统的设计与应用

陈加坤，刘银初，彭斌，查成

（江西中烟工业有限责任公司 井冈山卷烟厂 制丝车间，江西 吉安 343100）

0 引言

制丝香精物料主要是由多种浓度高且黏稠的不同基料进行科学合理计算，并经反复调试试验、配比混合均匀后制作而成。再经技术中心发送至不同卷烟厂制丝车间进行自主调配。由于运输及贮存时间长，极易导致香精物料内部浓度高且黏稠的基料在常温下形成沉淀积物，进而严重影响香精物料的配比混合均匀度。为此，现阶段只能采用本地式逐个香精物料桶进行人工搅拌方式配比混合，该过程不仅会因搅拌不均引起基料损耗造成混合配比差异，而且会严重影响批次生产准时化，另外，更是极大提高了操作人员的劳动强度。为解决此类问题，杨卫娟等[1]设计了一种蒸汽混合加热式的物料溶解罐，主要是将蒸汽直接通入溶液进行物料溶解式加热；王志清等[2]设计了一种桶装固体物料加热装置，主要是通过在加热箱的底部设置有出气孔的蒸汽管方式加热；谈伟明等[3]设计了一种针对桶装原料的快速加热装置，主要采用电控发热体式快速加热；施丹等[4]设计了一种桶装物料加热箱，主要采用翅片管式加热方式加热；杨新岗等[5]设计了一种液体物料加热装置，同样采用在加热箱底部设置有出气孔的蒸汽管方式加热。然而上述加热方式不仅存在蒸汽直接式带来的安全隐患而且成本相对较大，且无法实现保温控制，无法较好地满足本研究的实际需求。为此，设计一种桶装物料保温加热系统，通过蒸汽加热水箱底部换热盘管以换热常温水后，对其配比好的香精物料桶进行保温控制加热，以降低香精物料桶内部高浓度、高黏度基料的流动性，进而使得基料快速溶解流动后能够很好地混合均匀配比。本研究不仅能够规避现阶段人工搅拌方式混合而引起的基料损耗和混合配比差异等后果，而且可大大降低操作人员的劳动强度，设计实用性广、可靠性高、操作简便、安全稳定高效，控制准确，满足了实际需求，提高了工作效率。

1 加热方式

根据现场及实际使用需求进行加热方式的分析，现有两种加热方式可选用：一种是采取蒸汽通过文丘里喷射器[6-9]加热水箱的方式（如图1）；另一种是采用蒸汽通过换热盘管[10-13]加热水箱的方式（如图2）。文丘里喷射器加热方式特点是加热快、能耗低、成本低，但蒸汽在直接加热常温水过程中不仅传热而且传质，即易导致水箱内部水位升温后不断上升而溢出，危险系数高；换热盘管换热式加热方式的特点是常温水升温过程中水位不会出现上升至溢流现象，且过程中产生的冷凝水可直接排出，相对较为容易控制，但能耗较大，且需要换热盘管换热，成本较高。通过综合考虑实际运维安全因素，选择了危险系数较低的换热盘管换热式加热作为保温加热系统的加热方式。

图1 文丘里喷射器加热水箱装置示意图

图2 换热盘管加热水箱装置示意图

2 系统设计

2.1 系统结构

蒸汽通过换热盘管换热加热水箱式的桶装物料保温加热系统主要由水箱、控制阀门、换热盘管、温控系统、管路排空装置、冷凝水排放和蒸汽管路等部分组成，如图3、图4所示。其工作原理为：源蒸汽通过蒸汽管路及相应控制阀门进入换热盘管，换热盘管位于水箱下层，换热盘管出口连接冷凝水排放管路及相应控制阀门，一定数量所需保温加热的香精物料桶放置于盛有一定水位高度的水箱上层支撑板上，换热盘管经通蒸汽加热后换热加热水箱内部常温水，进而传热香精物料桶以使其内部基料溶解后流动，另外水箱内设有温控装置，用于保温加热水箱内部常温水，进而完成整个桶装物料保温加热过程。

图3 蒸汽通过换热盘管加热水箱式的桶装物料保温加热系统结构示意图

图4 蒸汽通过换热盘管加热水箱式的桶装物料保温加热系统现场安装图

2.2 水箱

水箱采用矩形钢上下层可移动式结构设计，如图5所示。其内部盛放空间满足实际需求，上下层间设有可拆卸式支撑板，用于支撑放置的桶装物料，同时支撑板上等距开有一定数量的孔，如图6所示，可使上下层的水流能够互通。水箱底部安装有可拆卸式的换热盘管，用于通过蒸汽加热换热盘管而加热常温水，换热盘管进口端连通蒸汽源，出口端连通冷凝水排放管路。水箱整体外围墙板结构采用夹层式设计，夹层间填充有保温层，用于确保操作人员不被加热后的水箱外侧墙板所烫伤。另外，水箱边角正上方设有常温水供给管路，便于水箱工作时灌注所需的常温水；水箱底部则加装了带有球阀的排水管路，用于使用后排放水箱内部常温水。

图5 水箱整体结构示意图

图6 支撑板结构示意图

2.3 蒸汽量计算

基料的流动性主要取决于浓度及黏度，经过前期实验室试验分析得知，通常将香精物料桶水浴升温加热到（60±5）℃时，即可较好地实现香精物料桶内部基料的流动。为此依据香料厨房实际蒸汽供给工作环境，在节能、低耗、安全和高效的前提下，计算该保温加热系统的最佳蒸汽量。蒸汽量计算主要是计算所需的蒸汽总量，主要依据实际生产批次所用香精物料总质量需求、本地蒸汽源压力值和加热所需最快时间来确定。从而根据所需蒸汽总量，选用适宜的蒸汽管路口径、控制阀门等。当前设计需求即将含香精物料桶总质量为725 kg的常温水，在10 min以内由15 ℃加热至60 ℃，采用能量计算公式[14]可以计算出所需的蒸汽总量：

式中：Q为能量，kJ；c为水的比容，kJ/（kg·℃）；m为总质量，kg；Δt为温度差，℃。

已知c=4.2 kJ/（kg·℃），m=725 kg，Δt=45 ℃，计算可得Q=4.2×725×45=137025 kJ。

根据饱和蒸汽压力－焓表[15]查询得到的蒸汽比焓为2756 kJ/kg，计算可得：

蒸汽总量（m）=137025 kJ÷2756 kJ/kg=49.7 kg。

根据设计升温时间10 min，计算可得所需的蒸汽总量=49.7 kg×（1 h÷10 min）=49.7×6=298.2 kg。

2.4 蒸汽供给部分

为满足实际安装位置需求及成本要求，蒸汽接入口设计选择在香料厨房减压之后，如图7所示。蒸汽供给管路上分别安装有两组截止阀、过滤器、温控装置和排空阀等。其中两组截止阀设计便于操作运维，温控系统用于自动调节控制水箱加热温度并使其保持恒温设定值，排空阀主要用于排放蒸汽供给管路内部产生的空气，以保障蒸汽供给的稳定性。

图7 蒸汽接入口位置示意图

2.4.1 材料

依据实际需求和材料对照表（如表1），本系统中蒸汽供给管路选用了无缝钢管设计，且无缝钢管口径一般在DN32～DN50之间。

表1 材料对照表

2.4.2 阀门选型

在利用蒸汽加热过程中，截止阀是不可或缺的。为此，通过所需蒸汽总量，采用质量流量公式可以计算出阀门流量系数，再经查表即可选择最佳阀门类型。

根据kv值口径选型表[16]，可选型得出：kvs标准为10，kvs即DN 25，为此本系统蒸汽供给管路上所用控制截止阀均选用DN25规格为最佳。

2.5 温控系统

为能够使得蒸汽通过换热盘管加热水箱后实现桶装物料的保温效果，特设计加装了一温控装置，温控装置主要由温控阀、自作用执行器（毛细管）、带机械旋钮式的感应器、保护套组成。其中温控阀采用法兰式安装于主蒸汽供给管路的过滤器之后，且连有毛细管一端需垂直朝下安装，毛细管采用的是液体热胀冷缩工作原理，由波纹管实现无摩擦动作，可靠耐用；保护套采用焊接方式贯穿固定于水箱一侧墙板上，3/4部分位于水箱内侧，1/4部分位于水箱外侧；带机械旋钮式的感应器则直接镶嵌入保护套中并旋紧，其温度设定明了，无需供电、供气，“设定然后忘记”是它的特点。其温控过程即首先通过调节机械旋钮设定水箱所需加热的温度值，然后在加热过程中水箱内部温感装置会实时测量水箱中的温度，再通过毛细管传导到温控阀体本体，进而以调节阀体开度大小，最后以控制进入换热盘管内部蒸汽流量来实现加热后的水温恒温不变。

2.6 换热盘管计算及冷凝水排放设计

为考虑水箱下层位置安装空间及后期换热盘管的运维需求，换热盘管蒸汽进口端及冷凝水排放端需与温控装置设计安装于水箱同侧为最佳，换热盘管进出端均采用法兰式连接，且与水箱底层面板采用卡箍式可拆卸方式固定，如图8所示。

图8 换热盘管布置及固定方式示意图

2.6.1 盘管尺寸

1）换热盘管功率计算公式为

式中：P为换热盘管的功率，kW；Q为加热所需热量，kJ；t为换热盘管加热时间，s。

已知Q=137025 kJ，t=1/6 h=600 s，计算可得

P=137025÷600=228.375 kW。

2）换热盘管面积计算公式为

式中：F为换热盘管面积，m2；C为换热量及盘管内阻力；e为结垢影响系数；K为传热系数，kW/（m2·℃）；Δt为前后温度差，℃。

已知C=1.2，e=0.8，K=7 kW/（m2·℃），Δt=45 ℃，计算可得

3）换热盘管长度，由式（5）对其外表面面积进行计算,其1 m的外表面积公式为

式中：S为换热盘管外表面积，m2；L为管道长度，m；C为换热盘管管道周长，m。

由阀门选型为DN 25，所以选用DN 25的管路，已知DN 25管道外径为φ33.7 mm，计算可得

由式（5）计算总的换热盘管长度：

2.6.2 冷凝水排放设计

阀门是控制介质流动的一种管路附件, 本系统中用到的阀门有截止阀、温控阀、疏水阀、止回阀等。在蒸汽加热系统中，疏水阀不可或缺，其通过排水阻气使得蒸汽在换热盘管内尽可能地干燥，以最大程度地利用热能。为此，疏水阀的选用在该系统设计中尤为重要,它关系到冷凝水能否顺利排出, 从而直接影响到蒸汽换热盘管加热系统的性能，综合考虑本系统所属环境特点，选择了机械型疏水阀，该类型疏水阀有自由浮球式、自由半浮球式、杠杆浮球式、倒吊桶式等，其原理即利用冷凝水与蒸汽的密度差,通过冷凝水液位变化,使浮子升降带动阀瓣开启和关闭,进而达到排水阻气的目的[17]。在该系统中,选用了自由浮球式疏水阀，其排量大,排空性能好,能连续排除冷凝水,结构简单体积小且浮球和阀座易互换，但抗水击能力差,阀内存在热量损失,排放冷凝水时有小部分蒸汽外溢，同时考虑本系统设计时采用的是直排至水沟，为此综合考虑上述因素，以防止蒸汽停止时水逆流至疏水阀造成阀门故障和因直排伸入水中易引起冷凝水飞溅伤人等情况，特在疏水阀前后均设置有截止阀, 阀后设有窥视镜[18]，并设有旁通，如图9所示。

图9 冷凝水疏水阀组布置示意图

3 应用效果

3.1 试验设计

以相同条件下配比具有高黏度及浓度基料的桶装物料为水箱保温加热对象，对研制的香料厨房桶装物料保温加热系统应用效果予以测试验证试验及对比试验，测试验证方法为：1）相同条件下进行10组设定温度值为60 ℃的试验，并在20 min内验证温控装置的控制稳定性及准确性，测量温度偏差范围为±5 ℃；2）相同条件下进行10组试验，并在10 min内验证水箱保温加热后桶装物料内部基料流动性情况。对比试验方法为：相同条件下蒸汽通过文丘里喷射器直接保温加热进行10组对比试验，在设定温度值为60℃下，20 min内验证保温控制的稳定性及存在的安全隐患情况。

3.2 数据分析

1）经现场测试验证试验过程结果显示：相同条件下进行的10组试验，在20 min内水箱内部水温均能保持在设定温度值偏差范围内，表明温控装置控制稳定、准确，如表1所示。

表1 20 min内水箱内部水温的温度值数据统计表 ℃

2）经现场测试验证试验过程结果显示：相同条件下进行的10组试验，在10 min内10组试验对象中的全部桶装物料内部基料流动性均呈较佳状态，如表2所示。

表2 桶装物料内部基料流动状态统计表

3）经现场对比试验结果显示：蒸汽通过文丘里喷射器直接保温加热进行的10组对比试验，设定温度值为60℃，20 min内蒸汽通过文丘里喷射器加热的保温控制稳定性相对波动较大，且存在水位上升外溢、沸水飞溅等安全隐患现象，而采用蒸汽通过换热盘管加热的保温控制稳定性较高，且基本无上述现象，如表3所示。

表3 对比试验数据统计表 ℃

4 结论

香料厨房桶装物料保温加热系统的应用，有效解决了当前制丝车间香料厨房桶装香精物料基料黏度高、混合配比均匀难度大等问题。应用效果显示，该系统操作简便、安全可靠、实用性强，换热升温速度快、效率高，恒温控制准确度高，基料溶解明显。不仅满足了需保温加热香精物料品牌的多批次生产加工需求，而且有效保障了生产准时化，极大降低了操作人员的劳动强度。