香料廚房桶裝物料保溫加熱系統的設計與應用

陳加坤，劉銀初，彭斌，查成

（江西中煙工業有限責任公司 井岡山卷煙廠 制絲車間，江西 吉安 343100）

0 引言

制絲香精物料主要是由多種濃度高且黏稠的不同基料進行科學合理計算，并經反復調試試驗、配比混合均勻后制作而成。再經技術中心發送至不同卷煙廠制絲車間進行自主調配。由于運輸及貯存時間長，極易導致香精物料內部濃度高且黏稠的基料在常溫下形成沉淀積物，進而嚴重影響香精物料的配比混合均勻度。為此，現階段只能采用本地式逐個香精物料桶進行人工攪拌方式配比混合，該過程不僅會因攪拌不均引起基料損耗造成混合配比差異，而且會嚴重影響批次生產準時化，另外，更是極大提高了操作人員的勞動強度。為解決此類問題，楊衛娟等[1]設計了一種蒸汽混合加熱式的物料溶解罐，主要是將蒸汽直接通入溶液進行物料溶解式加熱；王志清等[2]設計了一種桶裝固體物料加熱裝置，主要是通過在加熱箱的底部設置有出氣孔的蒸汽管方式加熱；談偉明等[3]設計了一種針對桶裝原料的快速加熱裝置，主要采用電控發熱體式快速加熱；施丹等[4]設計了一種桶裝物料加熱箱，主要采用翅片管式加熱方式加熱；楊新崗等[5]設計了一種液體物料加熱裝置，同樣采用在加熱箱底部設置有出氣孔的蒸汽管方式加熱。然而上述加熱方式不僅存在蒸汽直接式帶來的安全隱患而且成本相對較大，且無法實現保溫控制，無法較好地滿足本研究的實際需求。為此，設計一種桶裝物料保溫加熱系統，通過蒸汽加熱水箱底部換熱盤管以換熱常溫水后，對其配比好的香精物料桶進行保溫控制加熱，以降低香精物料桶內部高濃度、高黏度基料的流動性，進而使得基料快速溶解流動后能夠很好地混合均勻配比。本研究不僅能夠規避現階段人工攪拌方式混合而引起的基料損耗和混合配比差異等后果，而且可大大降低操作人員的勞動強度，設計實用性廣、可靠性高、操作簡便、安全穩定高效，控制準確，滿足了實際需求，提高了工作效率。

1 加熱方式

根據現場及實際使用需求進行加熱方式的分析，現有兩種加熱方式可選用：一種是采取蒸汽通過文丘里噴射器[6-9]加熱水箱的方式（如圖1）；另一種是采用蒸汽通過換熱盤管[10-13]加熱水箱的方式（如圖2）。文丘里噴射器加熱方式特點是加熱快、能耗低、成本低，但蒸汽在直接加熱常溫水過程中不僅傳熱而且傳質，即易導致水箱內部水位升溫后不斷上升而溢出，危險系數高；換熱盤管換熱式加熱方式的特點是常溫水升溫過程中水位不會出現上升至溢流現象，且過程中產生的冷凝水可直接排出，相對較為容易控制，但能耗較大，且需要換熱盤管換熱，成本較高。通過綜合考慮實際運維安全因素，選擇了危險系數較低的換熱盤管換熱式加熱作為保溫加熱系統的加熱方式。

圖1 文丘里噴射器加熱水箱裝置示意圖

圖2 換熱盤管加熱水箱裝置示意圖

2 系統設計

2.1 系統結構

蒸汽通過換熱盤管換熱加熱水箱式的桶裝物料保溫加熱系統主要由水箱、控制閥門、換熱盤管、溫控系統、管路排空裝置、冷凝水排放和蒸汽管路等部分組成，如圖3、圖4所示。其工作原理為：源蒸汽通過蒸汽管路及相應控制閥門進入換熱盤管，換熱盤管位于水箱下層，換熱盤管出口連接冷凝水排放管路及相應控制閥門，一定數量所需保溫加熱的香精物料桶放置于盛有一定水位高度的水箱上層支撐板上，換熱盤管經通蒸汽加熱后換熱加熱水箱內部常溫水，進而傳熱香精物料桶以使其內部基料溶解后流動，另外水箱內設有溫控裝置，用于保溫加熱水箱內部常溫水，進而完成整個桶裝物料保溫加熱過程。

圖3 蒸汽通過換熱盤管加熱水箱式的桶裝物料保溫加熱系統結構示意圖

圖4 蒸汽通過換熱盤管加熱水箱式的桶裝物料保溫加熱系統現場安裝圖

2.2 水箱

水箱采用矩形鋼上下層可移動式結構設計，如圖5所示。其內部盛放空間滿足實際需求，上下層間設有可拆卸式支撐板，用于支撐放置的桶裝物料，同時支撐板上等距開有一定數量的孔，如圖6所示，可使上下層的水流能夠互通。水箱底部安裝有可拆卸式的換熱盤管，用于通過蒸汽加熱換熱盤管而加熱常溫水，換熱盤管進口端連通蒸汽源，出口端連通冷凝水排放管路。水箱整體外圍墻板結構采用夾層式設計，夾層間填充有保溫層，用于確保操作人員不被加熱后的水箱外側墻板所燙傷。另外，水箱邊角正上方設有常溫水供給管路，便于水箱工作時灌注所需的常溫水；水箱底部則加裝了帶有球閥的排水管路，用于使用后排放水箱內部常溫水。

圖5 水箱整體結構示意圖

圖6 支撐板結構示意圖

2.3 蒸汽量計算

基料的流動性主要取決于濃度及黏度，經過前期實驗室試驗分析得知，通常將香精物料桶水浴升溫加熱到（60±5）℃時，即可較好地實現香精物料桶內部基料的流動。為此依據香料廚房實際蒸汽供給工作環境，在節能、低耗、安全和高效的前提下，計算該保溫加熱系統的最佳蒸汽量。蒸汽量計算主要是計算所需的蒸汽總量，主要依據實際生產批次所用香精物料總質量需求、本地蒸汽源壓力值和加熱所需最快時間來確定。從而根據所需蒸汽總量，選用適宜的蒸汽管路口徑、控制閥門等。當前設計需求即將含香精物料桶總質量為725 kg的常溫水，在10 min以內由15 ℃加熱至60 ℃，采用能量計算公式[14]可以計算出所需的蒸汽總量：

式中：Q為能量，kJ；c為水的比容，kJ/（kg·℃）；m為總質量，kg；Δt為溫度差，℃。

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

根據飽和蒸汽壓力－焓表[15]查詢得到的蒸汽比焓為2756 kJ/kg，計算可得：

蒸汽總量（m）=137025 kJ÷2756 kJ/kg=49.7 kg。

根據設計升溫時間10 min，計算可得所需的蒸汽總量=49.7 kg×（1 h÷10 min）=49.7×6=298.2 kg。

2.4 蒸汽供給部分

為滿足實際安裝位置需求及成本要求，蒸汽接入口設計選擇在香料廚房減壓之后，如圖7所示。蒸汽供給管路上分別安裝有兩組截止閥、過濾器、溫控裝置和排空閥等。其中兩組截止閥設計便于操作運維，溫控系統用于自動調節控制水箱加熱溫度并使其保持恒溫設定值，排空閥主要用于排放蒸汽供給管路內部產生的空氣，以保障蒸汽供給的穩定性。

圖7 蒸汽接入口位置示意圖

2.4.1 材料

依據實際需求和材料對照表（如表1），本系統中蒸汽供給管路選用了無縫鋼管設計，且無縫鋼管口徑一般在DN32～DN50之間。

表1 材料對照表

2.4.2 閥門選型

在利用蒸汽加熱過程中，截止閥是不可或缺的。為此，通過所需蒸汽總量，采用質量流量公式可以計算出閥門流量系數，再經查表即可選擇最佳閥門類型。

根據kv值口徑選型表[16]，可選型得出：kvs標準為10，kvs即DN 25，為此本系統蒸汽供給管路上所用控制截止閥均選用DN25規格為最佳。

2.5 溫控系統

為能夠使得蒸汽通過換熱盤管加熱水箱后實現桶裝物料的保溫效果，特設計加裝了一溫控裝置，溫控裝置主要由溫控閥、自作用執行器（毛細管）、帶機械旋鈕式的感應器、保護套組成。其中溫控閥采用法蘭式安裝于主蒸汽供給管路的過濾器之后，且連有毛細管一端需垂直朝下安裝，毛細管采用的是液體熱脹冷縮工作原理，由波紋管實現無摩擦動作，可靠耐用；保護套采用焊接方式貫穿固定于水箱一側墻板上，3/4部分位于水箱內側，1/4部分位于水箱外側；帶機械旋鈕式的感應器則直接鑲嵌入保護套中并旋緊，其溫度設定明了，無需供電、供氣，“設定然后忘記”是它的特點。其溫控過程即首先通過調節機械旋鈕設定水箱所需加熱的溫度值，然后在加熱過程中水箱內部溫感裝置會實時測量水箱中的溫度，再通過毛細管傳導到溫控閥體本體，進而以調節閥體開度大小，最后以控制進入換熱盤管內部蒸汽流量來實現加熱后的水溫恒溫不變。

2.6 換熱盤管計算及冷凝水排放設計

為考慮水箱下層位置安裝空間及后期換熱盤管的運維需求，換熱盤管蒸汽進口端及冷凝水排放端需與溫控裝置設計安裝于水箱同側為最佳，換熱盤管進出端均采用法蘭式連接，且與水箱底層面板采用卡箍式可拆卸方式固定，如圖8所示。

圖8 換熱盤管布置及固定方式示意圖

2.6.1 盤管尺寸

1）換熱盤管功率計算公式為

式中：P為換熱盤管的功率，kW；Q為加熱所需熱量，kJ；t為換熱盤管加熱時間，s。

已知Q=137025 kJ，t=1/6 h=600 s，計算可得

P=137025÷600=228.375 kW。

2）換熱盤管面積計算公式為

式中：F為換熱盤管面積，m2；C為換熱量及盤管內阻力；e為結垢影響系數；K為傳熱系數，kW/（m2·℃）；Δt為前后溫度差，℃。

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

3）換熱盤管長度，由式（5）對其外表面面積進行計算,其1 m的外表面積公式為

式中：S為換熱盤管外表面積，m2；L為管道長度，m；C為換熱盤管管道周長，m。

由閥門選型為DN 25，所以選用DN 25的管路，已知DN 25管道外徑為φ33.7 mm，計算可得

由式（5）計算總的換熱盤管長度：

2.6.2 冷凝水排放設計

閥門是控制介質流動的一種管路附件, 本系統中用到的閥門有截止閥、溫控閥、疏水閥、止回閥等。在蒸汽加熱系統中，疏水閥不可或缺，其通過排水阻氣使得蒸汽在換熱盤管內盡可能地干燥，以最大程度地利用熱能。為此，疏水閥的選用在該系統設計中尤為重要,它關系到冷凝水能否順利排出, 從而直接影響到蒸汽換熱盤管加熱系統的性能，綜合考慮本系統所屬環境特點，選擇了機械型疏水閥，該類型疏水閥有自由浮球式、自由半浮球式、杠桿浮球式、倒吊桶式等，其原理即利用冷凝水與蒸汽的密度差,通過冷凝水液位變化,使浮子升降帶動閥瓣開啟和關閉,進而達到排水阻氣的目的[17]。在該系統中,選用了自由浮球式疏水閥，其排量大,排空性能好,能連續排除冷凝水,結構簡單體積小且浮球和閥座易互換，但抗水擊能力差,閥內存在熱量損失,排放冷凝水時有小部分蒸汽外溢，同時考慮本系統設計時采用的是直排至水溝，為此綜合考慮上述因素，以防止蒸汽停止時水逆流至疏水閥造成閥門故障和因直排伸入水中易引起冷凝水飛濺傷人等情況，特在疏水閥前后均設置有截止閥, 閥后設有窺視鏡[18]，并設有旁通，如圖9所示。

圖9 冷凝水疏水閥組布置示意圖

3 應用效果

3.1 試驗設計

以相同條件下配比具有高黏度及濃度基料的桶裝物料為水箱保溫加熱對象，對研制的香料廚房桶裝物料保溫加熱系統應用效果予以測試驗證試驗及對比試驗，測試驗證方法為：1）相同條件下進行10組設定溫度值為60 ℃的試驗，并在20 min內驗證溫控裝置的控制穩定性及準確性，測量溫度偏差范圍為±5 ℃；2）相同條件下進行10組試驗，并在10 min內驗證水箱保溫加熱后桶裝物料內部基料流動性情況。對比試驗方法為：相同條件下蒸汽通過文丘里噴射器直接保溫加熱進行10組對比試驗，在設定溫度值為60℃下，20 min內驗證保溫控制的穩定性及存在的安全隱患情況。

3.2 數據分析

1）經現場測試驗證試驗過程結果顯示：相同條件下進行的10組試驗，在20 min內水箱內部水溫均能保持在設定溫度值偏差范圍內，表明溫控裝置控制穩定、準確，如表1所示。

表1 20 min內水箱內部水溫的溫度值數據統計表 ℃

2）經現場測試驗證試驗過程結果顯示：相同條件下進行的10組試驗，在10 min內10組試驗對象中的全部桶裝物料內部基料流動性均呈較佳狀態，如表2所示。

表2 桶裝物料內部基料流動狀態統計表

3）經現場對比試驗結果顯示：蒸汽通過文丘里噴射器直接保溫加熱進行的10組對比試驗，設定溫度值為60℃，20 min內蒸汽通過文丘里噴射器加熱的保溫控制穩定性相對波動較大，且存在水位上升外溢、沸水飛濺等安全隱患現象，而采用蒸汽通過換熱盤管加熱的保溫控制穩定性較高，且基本無上述現象，如表3所示。

表3 對比試驗數據統計表 ℃

4 結論

香料廚房桶裝物料保溫加熱系統的應用，有效解決了當前制絲車間香料廚房桶裝香精物料基料黏度高、混合配比均勻難度大等問題。應用效果顯示，該系統操作簡便、安全可靠、實用性強，換熱升溫速度快、效率高，恒溫控制準確度高，基料溶解明顯。不僅滿足了需保溫加熱香精物料品牌的多批次生產加工需求，而且有效保障了生產準時化，極大降低了操作人員的勞動強度。