制絲過(guò)程蒸汽性質(zhì)變化分析及對(duì)過(guò)程控制精度的影響

王正偉

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠 河南 許昌 461000）

在煙絲加工過(guò)程中，根據(jù)工藝要求，煙絲的很多加工工序需要利用飽和蒸汽直接或間接的對(duì)煙片和煙絲進(jìn)行加熱、除濕、加濕等。之所以利用飽和蒸汽，因?yàn)轱柡驼羝写罅康臐摕?，在利用飽和蒸汽控制煙絲水分及溫度過(guò)程中，蒸汽壓力只要穩(wěn)定，換熱設(shè)備不會(huì)形成溫度梯度，并且飽和蒸汽壓力和溫度存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽壓力，熱設(shè)備溫度容易得到精確控制。

飽和蒸汽利用前，往往需要經(jīng)過(guò)減壓閥、調(diào)節(jié)閥、噴嘴等不同的調(diào)節(jié)設(shè)備。例如：烘絲機(jī)檢測(cè)來(lái)料煙絲的流量及水分波動(dòng)的前饋信號(hào)和出口煙絲水分的反饋信號(hào)來(lái)控制調(diào)節(jié)閥開度，保證進(jìn)入滾筒內(nèi)的蒸汽壓力與給定的蒸汽壓力相等[1]。而這種通過(guò)控制蒸汽壓力控制滾筒溫度即控制煙絲出口水分的方式，是建立在蒸汽為飽和蒸汽的基礎(chǔ)之上的。對(duì)換熱設(shè)備和煙絲來(lái)說(shuō)，飽和蒸汽的干度越高越好。實(shí)際上，對(duì)工藝要求更嚴(yán)格的生產(chǎn)過(guò)程，調(diào)節(jié)閥前飽和蒸汽適當(dāng)含有水分，更有利于進(jìn)入設(shè)備的蒸汽接近飽和蒸汽，即煙絲加熱、去濕過(guò)程更精確。

當(dāng)蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥、噴嘴等節(jié)流降壓后，蒸汽的壓力、溫度、體積等物理參數(shù)發(fā)生變化，隨調(diào)節(jié)閥前蒸汽中含水率的不同，節(jié)流后的蒸汽含水率會(huì)降低，出現(xiàn)三種可能：濕蒸汽、干飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽。

例：10bar（表壓）的飽和蒸汽，干度分別為95%、98%、99.5%、100%時(shí)，經(jīng)減壓閥或調(diào)節(jié)閥后壓力降低到6bar（表壓），分別確定降壓后的干度。

表1 干飽和蒸汽焓值如下表[2]：

10bar壓力下干度95%蒸汽總焓值h1：

6bar壓力下干飽和蒸汽總焓值h2：

忽略閥門熱損失，由于降壓前蒸汽總焓值h1小于6bar壓力下干飽和蒸汽總焓值h2，因此降壓后蒸汽含有一定的水分，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽。設(shè)降壓后蒸汽焓值h3，干度為x，根據(jù)降壓前后蒸汽焓值相等，即

按照以上方法，同樣可得出10bar（表壓）飽和蒸汽的干度分別為98%、99.5%、100%時(shí)，經(jīng)調(diào)節(jié)閥壓力降低到6bar（表壓）后的狀態(tài)，現(xiàn)將結(jié)果列于表2。

表2 飽和蒸汽降壓后狀態(tài)表：

由以上分析及計(jì)算可知，降壓后蒸汽的干度提高了。從干飽和蒸汽焓值表1可看出，干飽和蒸汽壓力小于約30bar時(shí)，干飽和蒸汽的總焓值隨壓力升高而升高，當(dāng)壓力大于30bar時(shí)，總焓值開始降低。因此，壓力在30bar以下的飽和蒸汽在經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓后可能形成干飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽，過(guò)熱度隨節(jié)流前飽和蒸汽壓力、干度的升高而升高。

在制絲工藝中，會(huì)去除蒸汽中水分，如安裝汽水分離器，防止水分偏高對(duì)工藝設(shè)備的影響。而對(duì)于可能產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽的影響卻忽視了。過(guò)熱蒸汽主要有以下弊端：

1.過(guò)熱蒸汽較飽和蒸汽傳熱系數(shù)下降。同壓力的過(guò)熱蒸汽雖然溫度較飽和蒸汽溫度高，但由于飽和蒸汽傳熱系數(shù)可能是過(guò)熱蒸汽的數(shù)倍（隨過(guò)熱度及換熱方式等變化），因此換熱效率不如飽和蒸汽，例如：大氣壓下的飽和蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)約是過(guò)熱蒸汽的一百多倍[2]；

2.過(guò)熱蒸汽換熱過(guò)程中產(chǎn)生較大的溫度梯度。在過(guò)熱蒸汽溫度降到飽和蒸汽溫度之前，過(guò)熱蒸汽比熱較低，會(huì)在換熱面上形成從高到低的溫度梯度。飽和蒸汽含有大量的潛熱，飽和蒸汽直接從飽和狀態(tài)放熱，因此溫度較穩(wěn)定。

3.過(guò)熱蒸汽冷卻到飽和溫度前放出熱量少。由于過(guò)熱蒸汽從過(guò)熱狀態(tài)開始放熱，過(guò)熱蒸汽比熱小，具有熱焓少，而且，同樣壓力下的過(guò)熱蒸汽密度較飽和蒸汽密度低。

4.需要更多的換熱面積。在同樣的壓力下，換熱器交換同樣的熱量，飽和蒸汽降壓后形成的過(guò)熱蒸汽需要更大的換熱面積。

5.工藝可能出現(xiàn)煙絲水分損失或先損失后增加的狀況。如果直接用蒸汽加濕煙絲，在起初階段未達(dá)到飽和溫度之前，由于是過(guò)熱蒸汽只放熱不冷凝，煙絲水分會(huì)被吸收。如果蒸汽與煙絲接觸過(guò)程較長(zhǎng)，當(dāng)過(guò)熱蒸汽放熱變成飽和蒸汽后才開始冷凝，又出現(xiàn)加濕。這兩種狀況都對(duì)制絲過(guò)程質(zhì)量控制造成不利影響。

6.過(guò)熱蒸汽溫度和壓力不是直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。過(guò)熱蒸汽溫度、壓力是獨(dú)立的物理參數(shù)，對(duì)于煙絲的溫濕度控制，特別是工藝過(guò)程精確控制存在困難。

值得思考的是：根據(jù)蒸汽的物理性質(zhì)，控制閥后蒸汽為干飽和蒸汽是理想的控制標(biāo)準(zhǔn)，即煙絲溫濕度過(guò)程控制最精確、穩(wěn)定。雖然出口煙絲溫濕度合格，但產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽對(duì)制絲工藝過(guò)程產(chǎn)生的影響是否會(huì)影響煙草的口感、品質(zhì)。如果有影響，由于過(guò)熱蒸汽溫度高于對(duì)應(yīng)壓力下的飽和蒸汽，是否可以檢測(cè)溫度和壓力對(duì)應(yīng)參數(shù)的偏差，調(diào)節(jié)汽水分離器的分離精度或蒸汽流量，如效率100%的汽水分離器設(shè)旁通調(diào)節(jié)閥等技術(shù)手段；或者根據(jù)烘絲機(jī)等制絲設(shè)備給定的蒸汽壓力和調(diào)節(jié)閥前蒸汽的波動(dòng)情況，直接檢測(cè)、控制調(diào)節(jié)閥前蒸汽含水率至合理，使節(jié)流減壓后的蒸汽最接近干飽和蒸汽，甚至為干飽和蒸汽，避免出現(xiàn)過(guò)熱蒸汽，是提升制絲工藝在線加工控制能力值得探討的問(wèn)題。