打叶复烤成品片烟在线降温系统的设计与应用

高 伟，吴 铭，王 丽，刘佳敏，吴 雷，米 锋，马致轶，张延锋

1.咸阳烟叶复烤有限责任公司，陕西省西咸新区秦汉新城咸红路 712042

2.陕西工业职业技术学院，陕西省咸阳市文汇西路12 号 712000

在打叶复烤生产过程中，成品片烟含水率和温度是保证片烟质量的重要工艺指标。含水率和温度过低，会降低片烟的耐加工性，打包时容易产生造碎，影响片烟存储过程中醇化的有效性；含水率和温度过高，片烟在存储和醇化过程中容易发生霉变，降低片烟使用价值［1］。近年来成品片烟普遍采用套装塑料内膜袋的包装方式，保持片烟含水率稳定，防止病虫害侵入。但因烟箱内片烟打包时的温度与存储和运输等环境温度存在较大差异，烟箱中的高温高湿气体在散发过程中容易在内膜袋内侧形成冷凝水，造成片烟局部含水率超标，增加片烟霉变风险［2］。针对此，打叶复烤企业大多采用增加凉包工序以及开箱排查等方式解决该问题，但增加了作业工序和生产成本。郭春雷等［3］通过分析烟草热湿区域结露发霉原因，采用切断冷热源的方式预防烟叶霉变，但不适用于连续生产场合。王春录等［4］研制了一种烟叶密封堆垛结露预警装置，通过保持库房温度预防烟叶结露，但不适用于打叶复烤生产线。刘斌等［5］研究了真空降温技术在打叶复烤中的应用，结果表明采用真空降温技术可有效降低复烤后片烟装箱温度，提高片烟存储安全性，但需要配置独立的真空降温系统。咸阳烟叶复烤有限责任公司地处关中平原，打叶复烤加工时间主要集中在每年的11 月至次年4月，期间环境温度低（10 ℃以下），复烤后片烟装箱温度要求35～45 ℃。为此，以咸阳烟叶复烤有限责任公司打叶复烤生产线为研究对象，采用真空降温技术设计了一种成品片烟在线降温系统（以下简称降温系统），并对复压打包机（以下简称复压机）进行改进，同时利用2018—2020 年加工生产的成品片烟进行测试，以期降低成品片烟霉变风险，提高片烟质量。

1 系统设计

1.1 系统结构

降温系统主要由水环式真空泵（1）、一级真空缓冲罐（2）、管道（3）、二级真空缓冲罐（4）、反吹扫装置（5）、红外温度传感器（6）以及空腔压头（7）等部分组成，见图1。采用水环式真空泵为降温系统提供动力；通过一、二级真空缓冲罐平衡真空系统压力，避免抽真空过程中压力波动；利用管道连接系统中各个设备；采用反吹扫装置实现系统自清洁，保持系统功能稳定；用红外温度传感器实时监测烟箱温度变化；降温系统与复压机共用空腔压头，并设置湿热空气排出通道。

图1 在线降温系统结构示意图Fig.1 Structure of online cooling system

将降温系统安装在复压机上，与复压机共用空腔压头，在烟箱复压过程中同时完成烟箱复压定型和降温工作。当复秤合格的成品烟箱进入复压机时，空腔压头下行，抽气阀门打开，降温系统启动。在保压过程中，烟箱内湿热空气在负压作用下从底部和侧面的真空吸口进入空腔压头，经二级真空缓冲罐、管道、一级真空缓冲罐、真空泵后排出，抽真空过程一般持续10～20 s，当达到设定的抽真空时间时，抽气阀门关闭。在抽真空过程中，真空泵自动启停，将系统真空度稳定在-50～-75 kPa 之间。当复压机空腔压头运行至上位接近开关时，反吹扫装置启动，利用压缩空气对进入管道的烟末以及粘附在空腔压头上的碎烟片进行吹扫，避免真空吸口堵塞。此外，在空腔压头上方安装温度传感器，用于反馈抽真空过程中烟箱温度变化。在二级真空缓冲罐上方安装压力传感器（检测范围0～100 kPa），采集真空吸口处的真空度值，并通过控制系统中的模拟量信号板传输到PLC，以曲线等形式实时显示数据。

1.2 真空泵选型

降温系统主要采用真空降温技术降低烟箱内部温度，减少高温高湿气体的蓄积［6］。成品烟箱抽真空是一个准静态绝热过程，其中气体温度随压强的变化率为：

式中：T 为温度，℃；p 为压强，Pa；C 为比热容，J/（kg·℃）；V 为烟箱体积，m³；α为体胀系数；S 为熵，J/K。

在抽真空过程中，气体的熵S 保持不变，随着气体体积膨胀压强降低，气体温度随之下降。由公式（1）和（2）可得，在烟箱体积一定的情况下，通过负压的方式可以降低气体温度。抽真空时间与真空容积存在以下关系：

式中：t 为抽真空时间，s；2.3 为常系数；Vb为真空容积，m3；Se为有效排气速度，m3/s；P1为起始压强，Pa；P2为极限压强，Pa。

在一定压强下单位时间内从烟箱中抽出的气体量定义为真空产生率，计算公式为：

式中：V'为单位时间内流过管道截面的气体体积，m3；P为管道截面处的压强，Pa。

在烟箱抽真空过程中利用空气作为工作介质，使空气与片烟发生湿热交换过程。其中，一是使水分汽化的传热过程，二是汽化后的蒸汽因分压较大而产生的扩散传质过程。抽真空时片烟水分主要是表面水的蒸发，而内蒸发非常微弱可将其忽略［7］。水在汽化时吸收汽化潜热，而汽化潜热又随着沸点的下降而升高。在对烟箱抽真空时，由于烟箱内部压力降低，在大气压力作用下，内膜袋与片烟之间的间隙消除，随着烟箱内水分蒸发，烟箱内温度降低，避免在储运过程中产生冷凝水［8-10］。根据生产线对成品片烟打包效率的需求（48 箱/h），真空抽气时间在10～20 s内即可达到设定的真空度，使烟箱内温度下降5 ℃以上。

利用公式（1）～（4）计算可确定二级真空缓冲罐体积为1.2 m3。依据成品烟箱的体积及温度范围，系统配置了1 台单级水环真空泵（型号2BV51310KC00-7P，抽气量400 m³/h，真空度可达到-96.7 kPa，德国西门子公司）和2 台0.6 m3的二级真空缓冲罐［11］。为提高系统真空度的稳定性，一级真空缓冲罐体积确定为2 m3，配合二级真空缓冲罐可以将真空度稳定控制在-50～-75 kPa之间。

1.3 改进复压机打包压头

在原有复压机打包压头上增设真空抽气功能，即将平板式打包压头改为安装有真空吸口的空腔压头，在空腔压头下行复压打包时，将烟箱中的湿热空气从真空吸口抽出，见图2。空腔压头与复压机的下压油缸连接，在抽真空过程中不改变生产流程，不影响打包效率，实现打包、取样和抽真空3种功能。由图2b可见，改进后在空腔压头的底部和侧面分别增加真空吸口作为湿热空气的排出口。其中，底部设置18 个真空吸口，直径50 mm；侧面设置42 个真空吸口，直径6 mm，可以满足设定的10～20 s抽气时间和抽气量。因底部真空吸口直接接触烟坯，为避免片烟和烟末进入管道，采取了以下措施：①扩大真空吸口与烟坯接触部分的面积，通过降低抽吸风速避免片烟和烟末进入管道；②设置可快速拆装的过滤器，避免烟草颗粒进入管道；③空腔压头可以整体拆卸，方便对抽真空管道进行清理。

图2 改进前后复压机打包压头结构示意图Fig.2 Structure of pressing head of bale presser before and after modification

1.4 增加反吹扫装置

为避免片烟或烟草颗粒进入真空管道，在空腔压头底部及侧面的真空吸口处配置了过滤器，并增加压缩空气反吹扫装置。反吹扫装置由贮气罐（1）、压缩空气气源（2）、系统管路（3）、电控快速脉冲阀（4）、反吹扫口（5）组成，见图3。在降温系统抽真空完成后，空腔压头运行至上位接近开关，反吹扫装置电控快速脉冲气阀接通，射出的气流产生较大冲击力，将进入真空管道以及粘附在真空吸口处的碎烟片清除，保持抽真空系统性能稳定。压头顶部配有可拆装的密闭清理口，可由人工清理复压机压头腔体内积累的碎烟片及灰尘。

图3 反吹扫装置结构示意图Fig.3 Structure of opposite-blow cleaning device

1.5 增加PLC控制系统

为提高降温系统的自动化程度，增加了PLC控制系统，经PLC采集和处理后的真空度值和烟箱温度可实时显示在触摸屏上，见图4。触摸屏作为主要的人机界面，可实时显示系统结构图以及真空泵、电磁阀的工作状态，并可根据权限控制设备的启停、设定一二级缓冲罐真空度以及设定压缩空气反吹频次等。系统具有本地和远程控制功能，可在现场和中央控制室对触摸屏上的参数进行调整。数显仪表配有模拟或数字通信接口，可将数据上传至生产管理系统。

图4 PLC控制系统示意图Fig.4 Schematic diagram of PLC control system

2 应用效果

2.1 实验设计

材料：2018、2020 年烤季（每年11 月份至次年4月份）咸阳烟叶复烤有限责任公司生产的打叶复烤成品烟箱，共162 310箱。加工烟叶掺配比例为陕西烟叶约67%，甘肃约10%，其他省份约13%，加工方式为模块化加工。

仪器和设备：在线抽真空降温系统（自制）；双金属温度计（精度0.5，上海自动化仪器三厂）；HS-100AiP 型红外温度传感器（台湾乐通电子科技有限公司）；D-47055 型快速烘箱（精度0.01%，德国布拉本德公司）。

方法：应用降温系统前后，由人工对复烤后凉包7 d的所有成品烟箱进行开箱排查，若烟箱中出现局部冷凝水聚集现象，则对冷凝水聚集部位的片烟进行取样，并利用D-47055 型快速烘箱进行片烟含水率检测。依据YC/T 147—2010［12］将片烟含水率＞13.0%的烟箱记为含水率超标，统计含水率超标箱数，计算超标比例；分别选取约2 000箱成品烟箱，利用双金属温度计依据YC/T 146—2010［13］测量烟箱中片烟温度，取平均值。应用前检测时间为2018年11月—2019年4月，共生产成品烟箱95 785箱；应用后检测时间为2020年11月—2021年4月，共生产成品烟箱66 525箱。

2.2 数据分析

由表1 可见，应用降温系统后，成品烟箱局部含水率超标比例降低1.995百分点，降幅为91.5%；仅有2 箱成品烟箱出现霉变现象，霉变烟箱所占比例为0.003%，降幅为99.4%；烟箱平均温度为24.27 ℃，下降3.12 ℃。说明在复压打包工序中使用降温系统可以有效减小烟箱内片烟与环境温度的差异，降低片烟含水率超标比例。此外，改进后取消了人工开箱排查工序，可节约人工费用约1.5 万元/万箱。因烟箱温度降低，凉包库房室温高于烟箱露点，塑料内膜袋内未再出现结露现象，因此库房内不需设置采暖设施，每年可节约采暖蒸汽费用约24 万元（应用前每年采暖使用蒸汽量约1 200 t，蒸汽价格为200元/t）。

表1 降温系统应用前后成品烟箱检测结果Tab.1 Test results of tobacco strip case before and after applying cooling system

3 结论

在打叶复烤复压打包工序中增加在线降温系统，利用水环式真空泵将成品烟箱中的湿热气体抽出，解决了成品烟箱在凉包过程中出现的局部片烟含水率超标问题，降低了片烟霉变风险。在抽真空过程中不改变生产流程，不影响打包效率，实现打包、取样和抽真空3种功能。以咸阳烟叶复烤有限责任公司生产的成品烟箱为对象进行测试，结果表明：使用降温系统后，烟箱平均温度下降3.12 ℃，局部片烟含水率超标比例降低1.995 百分点，降幅超过90%，有效提高了打叶复烤生产质量；可节约人工费用约1.5 万元/万箱，节省采暖蒸汽费用约24 万元/年，在打叶复烤企业中具有推广应用价值。