一种适用于烟片加料工序的隧道式加料机的研究

2023-02-21吕江萍徐志强周翠江纪多敏

现代制造技术与装备 2023年1期

余东吕江萍范超徐志强周翠江纪多敏

（江西中烟工业有限责任公司广丰卷烟厂，广丰 334600）

烟片加料机是制丝线中的重要设备，功能是给烟片均匀施加香糖料，改善烟片的感官质量和物理性能，以满足增香、保润以及防霉等各种需求。使用过程中，为使烟片充分吸收香糖料液，会对烟片进行增温和抛掷翻滚处理，用以提高烟片的持水性，且使烟片表面与香糖料充分接触，均匀混合[1]。

1 烟片加料机现状

目前，行业内常用的烟片加料机为滚筒式，依靠滚筒内壁的杷钉带动烟片上升，并随着筒体保持一定倾角旋转翻滚向出口移动。在加热功能方面，滚筒式烟片加料机依靠“筒内蒸汽直喷+热交换器热风”模式实现对烟片的精准加热。在加料功能方面，通过各管路精确控制，将配方比例的香糖料液在蒸汽的引射雾化下喷洒在筒体内翻滚的物料上。

然而，在实际生产过程中，传统的滚筒式烟片加料机存在无法忽视的缺点。一是能量利用率低，加热效果差。由于来料烟片与筒内环境温差较大，且蒸汽介质的热传导和热空气的热对流，换热效率偏低，大量蒸汽与热空气未经换热完全就被排潮风管排出滚筒，造成了极大的热量浪费。此外，这对受热烟片的接触面积、叶组配方均匀性以及物料热容稳定性要求较高，易造成筒内环境温度的波动，导致出口温度的不稳定。二是蒸汽冷凝成小水珠，会影响烟片的含水率，是“蒸汽直喷”方式加热烟片和“引射蒸汽”雾化香糖料存在的弊端。筒内蒸汽会在相对低温的筒内环境和物料换热过程中冷凝成小水珠附着于烟片表面或被烟片吸收，可能直接造成烟片含水率不稳定[2]。三是香糖料液雾化喷洒范围有限。香糖料液经滚筒进料端喷嘴由蒸汽引射雾化进入筒体，料液施加范围可看作一个以喷嘴为顶点的圆锥形施料范围[3]。受限于滚筒翻滚、蒸汽直喷和热风作用，烟片在筒内的停留时间不一致，不可避免会造成香糖料施加量不均匀，导致烟片无法充分接触而不能均匀吸收料液[4]。

2 研究内容

2.1 设计原理

为解决滚筒式烟片加料机面临的问题，创新性地设计一种隧道式烟片加料机。区别于滚筒式烟片加料机的加热与加料过程同时进行，隧道式烟片加料机将加热与加料过程分段进行。

在加热段，创新性地运用热辐射的传热方式加热烟片[5]。相较于热量由外向内进行传递的热传导和热对流方式，热辐射的传热效率更高，原因是电磁波能够通过辐射传递能量。当电磁波放射源辐射出的电磁波波长和被加热物体的波长一致时，会引起物体内部的原子和分子发生共振，相互摩擦产生热量，从而升高物体的温度，达到快速加热物体的目的（因为烟草吸收红外辐射的范围主要集中在远红外波段上，所以电磁波加热技术在行业中的应用主要以远红外辐射为主）[6]。隧道式烟片加料机的加热段基本能实现在不改变烟片水分的前提条件下使烟片内外均匀受热，在进一步打开烟叶细胞呼吸孔的同时，提高烟片加料工序出口水分和出口温度的稳定性。

在加料段，创新性地使用压缩空气对糖香料进行引射雾化，排除蒸汽引射对烟片水分的影响。它的主体结构设计为隧道式振槽。区别于利用滚筒的倾角和烟片自重进行翻滚移动的运输方式，它的加料段充分利用振槽的运输原理，推动物料按照一定方向谐振[7]。当加速度达到一定值时，物料会在槽体内沿着运输方向产生抛掷前移。如此往复进行，既能实现运输物料的目的，也能满足对加料过程对烟片抛掷翻滚处理的要求[8]。槽底安装有多组规律排列的料液雾化喷嘴[9]，可以无死角地对进料烟片施加雾化料液[10]。振槽顶部安装有可拆卸的密封盖板。槽体内壁和顶部都设计为菱状的凹凸面，目的是防止烟片粘附加料通道内壁。当烟叶在隧道振槽内以松散抛掷状态前进进入加料隧道后，管路系统内的料液在压缩空气的引射作用下雾化[11]，与隧道内均匀喷射的雾状料液充分接触，并在振槽持续抛掷下与料液混合吸收，达到给烟片均匀加料的目的。

2.2 结构组成

隧道式烟片加料机加热段由远红外隧道炉、远红外加热元件、输送带、输送带传动系统以及检修观察窗组成。隧道式烟片加料机加料段由隧道式加料振槽体、雾化喷嘴、传动系统、可拆卸密封盖板以及管路系统组成。隧道式烟片加料机的结构，如图1所示。

图1 隧道式烟片加料机的结构

远红外隧道为拱形结构，垂直安装在输送带上，构成两头互通、四面封闭的加热隧道结构。炉内顶部安装有远红外加热元件，炉外两侧设有检修观察窗，可作为维护保养时维修或更换远红外加热元件的出入口。整个隧道炉体和输送带为不锈钢材质（不锈钢加热波长不在远红外光波长范围，不吸收且反射远红外光，能高效利用远红外光辐射能量，节约成本，且具有耐热、耐高温、抗腐蚀的特点，能延长其使用寿命）。输送带传动系统由前后两组驱动电机和传动轴组成，驱动电机安装于传动轴一侧，为传动轴牵引输送网带提供动力。通过调节驱动电机，实现输送网带运输速度的调整。

加料段隧道振槽与多块可拆卸密封盖板组成加料隧道结构，多组雾化喷嘴规律排列于槽底。传动系统由多组连杆和安装于振槽底部的驱动电机组成。多组连杆连接隧道振槽体和固定机架。驱动电机为隧道振槽振动提供动力支持。管路系统由料液管路和压缩空气管路组成，入口端由不锈钢管固定于机架，出口端则由不锈钢软管并联于雾化喷嘴。料液在压缩空气的引射作用下进行雾化。

如图2所示，雾化喷嘴结构包括喷嘴头部、气管路和液管路。喷嘴头部的轴线与气管路的轴线重复。液管路的轴线相对于气管路的轴线倾斜设置。喷嘴头部与气管路一端的外螺纹螺纹连接，气管路内且位于液管路与气管路的一端面之间的腔体构成混合腔，用于实现气液的混合。喷嘴头部包括收缩段和扩散段，其中扩散段形成出口孔。混合腔的内周面设置有碰撞部，用于使气液充分碰撞、混合，从而使料液的粒度/粒径更小。

图2 雾化喷嘴结构

2.3 工作流程

烟片在经过定量喂料管和电子皮带的精准限流后，通过输送带匀速平铺进入加热段的远红外隧道炉。在炉内部的远红外光照射下，烟片吸收电磁波升温至预定值后，经输送带送至加料段的隧道振槽入口处。烟片在隧道式的加料振槽的抛掷运输下进入一段由多组压缩空气喷嘴引射成雾状料液通道，使叶片与隧道内的雾状料液充分接触，并在振槽持续抛掷下翻滚，充分混合，达到料液与烟片全面接触的目的，如图3所示。

图3 隧道式烟片加料机的工作流程

3 应用前景

设计的隧道式烟片加料机具有能量利用率高、加热效果好以及节能环保的特点。因为是通过电磁波辐射加热，加热过程发生在烟片内部，由内而外进行，所以温度分布均匀，有利于加料工序出口温度的稳定性。此外，加热过程不依靠中介介质，大幅提高了能量传输效率，降低了能耗，节约了经济成本。相较于传统滚筒式加料机，过程中没有蒸汽的干扰，能进一步提高加料工序出口水分的稳定性，提高工业生产过程指标控制精度，提升了卷烟工艺整体的加工质量，使料液施加更加准确、均匀。增加多组料液雾化喷嘴，通过隧道式振槽的抛掷翻滚作用，使烟片与料液充分接触，有助于烟片充分吸收料液，提升均匀性和卷烟产品的感官质量。此外，设备结构简单，便于维护保养，降低了工人操作难度，安全性能较高，对环境和人身安全危害极小。