薄板烘絲機預熱過程熱力學參數耦合作用分析及料頭穩定性優化

關鍵詞：薄板烘絲機；預熱優化；熱力學耦合；動態控制；煙草加工中圖分類號：TS43 文獻標志碼：A文章編號：1671-0797（2025）13-0063-04DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.016

0 引言

在煙草制絲工藝中，烘絲工序對最終產品的填充值及感官品質具有決定性作用。 RD-5000 型薄板烘絲機（根據設備固有程序，后文使用bar作為該設備壓力單位）作為主流設備，其熱傳導效率直接影響煙絲脫水均勻性。但實際生產中，車間環境溫濕度波動 （ΔT=±5%，RH±15%） 導致設備預熱階段存在顯著的熱慣性差異。特別是早班首批運行時，筒壁溫度穩態建立時間達正常批次的3倍（分別為 45min 及15min） ，造成料頭階段（前 30min） 出口水分波動系數高達0.35，嚴重影響產品均質化水平。本研究通過建立熱力學參數關聯模型，提出基于冷凝水溫度反饋的預熱優化方案，對提升制絲工藝穩定性具有重要的工程價值。

1 烘絲工藝現狀及問題

1.1 工藝熱力學特征

烘絲工序旨在通過對煙絲進行加熱干燥，調整其水分含量，改善煙絲的物理和化學性質，提升卷煙的吸食品質。

RD-5000型設備采用逆流式熱交換設計，筒壁溫度場分布遵循Fourier熱傳導定律[1]： q^′′=-k?T. 其中k為煙絲熱導率 [0.12～0.18W/（m?K）] ， 為溫度梯度。蒸汽壓力 （0.3～0.5MPa） 通過筒壁傳導熱量，冷凝水溫度 （125～135°C） 反映系統熱平衡狀態。

1.2 工藝波動分析

由于制絲車間環境條件的變化，烘絲機烘絲筒壁實測溫度從開始上升至穩定生產狀態 0的時間存在較大差異。據統計，某卷煙廠首批煙因早上車間環境和設備溫度較低，溫度上升至穩定平均需要 45min 左右，而正常批次僅需 15min 左右。并且，早班首批在預熱完成進入準備狀態時，筒壁實測溫度僅約 100°C ，此時進料會使筒壁實測溫度上升時間延長至約1h，熱力學滯后導致料頭煙絲脫水速率差異達 28% ，顯著影響后續卷制工藝參數匹配，難以保證產品質量的一致性。

2 關鍵參數關聯分析及優化方案

2.1冷凝水溫與筒壁溫度（壓力）關系

對不同牌號筒壁溫度（壓力）的批間數據進行統計分析，畫出烘絲冷凝水溫、烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力的散點圖。由圖1可以看出，冷凝水溫與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力呈正相關關系，即烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力越高，冷凝水溫度越高。

對冷凝水溫一筒壁溫度（壓力）進行相關性分析，結果如表1所示。

可以發現，烘絲冷凝水溫與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力存在顯著的正相關性，相關系數均為0.988，

?表1冷凝水溫一筒壁溫度 （壓力）關系分析表

P值都小于 0.05 。

對不同牌號不同筒壁蒸汽壓力 （溫度）及冷凝水溫度的數據進行統計，結果如表2所示。

由表2可以看出，冷凝水溫度與筒壁溫度差值均在 3^°C 以內。

對某一品牌批內數據進行分析，結果如圖2所示。

在冷凝水排放通暢的情況下，冷凝水溫度批內波動相對穩定，在 的范圍內波動，均值為 129.6^°C ，批次間均值差異不大。進料開始后，由于烘筒環境與煙絲進行熱交換產生大量冷凝水，溫度會下降，這屬于正常現象。隨著煙絲流量穩定，烘絲脫水呈穩定狀態后，筒壁實測溫度逐漸上升，冷凝水溫度也逐漸上升至穩定值。

基于此分析，如果冷凝水溫度與筒壁溫度差值超過3 ^°C ，說明烘絲系統存在冷凝水排放不暢的問題，操作人員可據此進行冷凝水的手動排放。同時，在批次開始前的準備狀態下，該差值也可作為判斷預熱是否充分的重要依據。

2.2 筒壁壓力-溫度耦合效應

通過對不同牌號筒壁溫度（壓力）的批間數據進行統計分析，畫出烘絲筒壁實測溫度（烘絲筒壁溫度ST5，ST5為設備溫度監測點代碼）、烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力的散點圖（圖3），進行初步判斷。

可以看出，烘絲筒壁實測溫度ST5與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力呈正相關關系，即烘絲筒壁溫度越高，烘絲筒壁實測溫度ST5越高；烘絲筒壁壓力越大，烘絲筒壁實測溫度ST5越高。

對筒壁實測溫度一筒壁溫度 （壓力）進行相關性分析，結果如表3所示。

可以發現，烘絲筒壁實測溫度ST5與烘絲筒壁溫度、烘絲筒壁壓力存在顯著的正相關性，相關系數均為0.741，P值都小于0.05。

對不同牌號不同筒壁蒸汽壓力 （溫度）及筒壁實測數據進行統計，結果如表4所示。

由表4可以看出，筒壁實測溫度ST5與筒壁溫度差值均在 10^°C 以內，在批次間筒壁實測溫度ST5相對穩定，與筒壁壓力呈正相關性，筒壁溫度也是表征烘絲透水能力及蒸汽系統、冷凝水排放是否正常的重要指標。

對某一品牌批內數據進行分析，結果如圖4所示。

由圖4可知，筒壁實測溫度批次內由 111.3^°C 至123.8^°C ，呈上升趨勢。批間準備好的狀態下，筒壁蒸汽壓力在 0.8bar ，筒壁溫度在 116^°C 左右；進入生產狀態后，筒壁蒸汽壓力上升到 2.4bar ，筒壁溫度在135.7°C 左右，隨著筒壁壓力上升，筒壁實測溫度逐漸由 111.3^°C 開始升高，在 15min 左右，達到穩定值123.8°C ，直至批次生產結束。筒壁實測溫度是一個在一定范圍內逐漸上升的參數，其中，在批次間筒壁實測溫度上升至穩定的時間不固定，首批與正常批、早與晚、冬季與夏季差異較大，時間在 15～45min 不等。

2.3 優化方案

2.3.1 分級預熱控制

開發溫度梯度控制策略，如表5所示。

2.3.2 動態排放優化

根據冷凝水溫-烘絲筒壁溫度關系建立多元回

歸模型：

式中： T_wall 代表烘絲筒壁溫度 CC） ： T_cond 代表冷凝水溫（^°C） 。

當 |T_cond|^-T_wall|gt;3^°C 時，系統存在冷凝水滯留風險 ?χ²=18.7，Plt;0.01? 。通過實施溫差預警機制，冷凝水排放效率提升 40% 。

設計冷凝水溫度反饋算法：

Q_drain=k₁（T_cond-T_wall）+k₂?dT/dt

式中： Q_drain 為冷凝水動態排放速率 （L/min） ）； T_wall 為烘絲筒壁溫度 （^°C） ： T_cond 為冷凝水溫 C） ！ k₁=0.15L/ ^°C?min） ： k₂=0.08L?min/^°C. 0

實施后冷凝水滯留量減少 72% 。

3 效果驗證

經三個月生產驗證 （_n=686 批），效果如表6所示。

在實施上述解決方案后，對后續生產批次進行跟蹤監測。經686生產批次驗證，結果顯示，首批與正常批的烘絲工序筒壁溫度從開始上升至穩定狀態的差異明顯減小，料頭出口水分波動得到有效控制，穩定性顯著提高，如圖5所示。優化后預熱時間縮短66.7%[（45±8）min]（15±3）min] ，出口水分均勻性提升 42.9%（CV：0.350.20） ，蒸汽單耗降低 10.7% （2.8kg/kg2.5kg/kg） 。

料頭烘透程度也得到了更好的保證，產品質量的一致性得到提升，有效驗證了本研究提出的解決方案的有效性和可行性。

4結束語

本研究通過建立烘絲機熱力學參數關聯模型，開發出基于冷凝水溫度反饋的預熱控制策略，有效解決了料頭階段工藝波動問題。該方案在煙草行業具有推廣價值，后續可結合數字孿生技術實現智能預測控制。

[參考文獻]

[1]Incropera F P，Dewitt D P.Fundamentals of heat and mass transfer [M].7th ed.State of New Jersey： Wiley，2013.