散烟收购前置增湿机的设计

摘要针对烟站散烟在收购过程中水分散失很快，烟叶造碎率较高问题，同时为实现散烟收购线的全面自动化、降低分级难度、营造洁净的分级环境、保证烟叶质量等，设计开发了散烟收购前置增湿机。该增湿机利用真空泵抽吸真空箱体内的空气，使回潮箱内形成真空，然后由加湿系统对烟叶进行快速增湿回潮。该增湿机可以根据烟叶品种、堆积密度、工艺要求等，实现连续多次抽空加潮。该增湿机主要由回潮箱体、抽真空系统、门系统、控制系统、加潮系统、物流系统组成。试验结果表明，经回潮后的烟叶水分增加2%～5%，无破碎现象，作业質量符合工艺要求；机具结构设计合理，为烟站的烟叶快速增湿提供了技术支持。

关键词真空；增湿机；工艺；有限元分析；蒸汽流场；在线

中图分类号S220.2文献标识码A文章编号0517-6611（2017）05-0211-03

AbstractIn order to ensure the quality of the tobacco， previa humidifier for tobacco was designed and developed to improve the problems for the tobacco station in the acquisition process of water loss quickly， higher rate of broken pieces of tobacco， implementation of comprehensive automation， reduction of classification difficulty and creation of clean classification environment. The humidifier used air of vacuum pump vacuum suction box to form the cabine in a vacuum reverberation box， and then by the humidification system tobacco was rapidly regained moisture. The humidifier could be based on tobacco varieties， bulk density， process requirements， etc.， to achieve several consecutive pumping evacuation tide. The humidifier was mainly composed of regurgitated cabinet， vacuum system， door system， control system， humidification system and logistics system. The experimental results showed that the moisture content of tobacco leaves increased by 2%-5% with no broken phenomenon， and the operation quality was in accordance with the technological requirement.Its structure was reasonable， and provided technical support for increasing the humidity rapidly in the tobacco station.

Key wordsVacuum；Humidifier；Process；Finite element analysis；Steam flow field；Online

基金项目河南省烟草公司郑州市公司项目（201415）。

作者简介刘文（1981—），女，河南郑州人，农艺师，从事烟草生产技术研究。*通讯作者，教授，从事现代农业装备研究。

收稿日期2016-12-28

我国烟草农业正大力推进传统农业向现代烟草农业的转变，各产区对烟叶收购模式进行了改进，以提高烟叶收购等级质量和收购效率。对烤烟部分等级散烟收购方式进行了积极的探索，在控制杂质混入、增加售烟收益以及提高烟叶质量方面取得明显成效。同时，散烟收购过程中也存在一些问题：由于烟叶处于分散状态，水分散失很快，收购分级时烟叶含水率不到10%，导致烟叶造碎率较高；同时烟对分级工人的身体健康造成不良影响[1]。烤后烟叶在不同阶段具有不同的含水量要求，在短期贮存时要求14%～15%，因此烟站在收储烟叶时必须进行前置增湿处理使烟叶回软，便于后续分级、堆放、储藏等操作，确保烟叶质量和产量不受损失[2]。经前置增湿的烟叶水分含量增加2%～5%，降低了分级难度，提高分级正确率，同时有助于营造洁净的分级环境，减少对分级工人的伤害[3]。

笔者研制一种烟站专用的能够实现快速增湿设备，解决了烟叶在收储回潮中的一些问题。该增湿机具有较强工作性能，能够实现在线快速增湿，为散烟收购全自动化作业提供了必要的技术支撑。

1前置增湿机的结构和工艺流程

为了降低造碎、提高烟叶的含水率和温度，以满足后续加工要求。该方案采用真空方式回潮，在加工过程中烟叶一直处于静止状态，可以做到烟叶无损耗处理。

该设备由真空回潮箱、真空系统、加潮系统、控制系统、气动系统等组成。其结构见图1。回潮箱体是一个矩形空腔，箱体壁板采用不锈钢板折制焊接而成，外部采用加强筋加固，回潮箱两端采用手动旋转启闭式箱门。门封条采用硅橡胶条密封，气密性能好。抽真空控制系统主要由抽空控制柜和真空泵组成，由于真空回潮机是在大量水蒸气环境中工作，因此采用优化设计的罗茨泵和水环泵联合机组进行抽空工作。加潮系统主要由蒸汽发生器和水雾化单元组成。通过汽水混合器调节水和蒸汽的混合比例湿度，从而达到更好的回潮效果。门的锁紧通过可旋转锁紧机构和锁紧销的调节控制门的开启。烟框可以输送机构实现在线输送。回潮箱体底部设有排水开关，可以实时控制箱体底部积留的水。

2前置增湿机的工作原理

烟叶通过输送装置进入回潮箱内，关闭箱门真空泵抽吸回潮箱体内的空气，使回潮室内形成真空，然后由放气放水系统将水蒸汽和水混合成水雾后以低压湿蒸汽的形式喷进回潮室；抽空后烟叶内部和表面存在压力差，水雾迅速向烟叶内扩散并布满烟叶组织内孔隙；由于烟叶温度较低，进入烟叶组织内部的水雾迅速冷凝，使烟叶迅速回潮，水雾的温度也传递给烟叶，从而提高烟叶的温度，完成烟叶回潮。

该回潮机可以根据不同烟叶的特性和工艺要求设置回潮次数和时间，保证经过回潮的烟叶能较大幅度地增加水分而內在品质不发生变化。

3主体结构设计

3.1真空回潮箱

真空回潮箱体的结构见图2。回潮箱体框架采用大R弧形工钢连接，箱板采用优质不锈钢整板拼接工艺，经专用工装压制与工钢无缝焊接，抽空时箱体受力均匀，增加箱体耐用度。门采用丁晴橡胶密封圈，抽真空后保压性能好。

回潮箱是完成烟叶回潮的关键部分，烟叶在回潮室内进行真空回潮工作，因此要求箱体有良好的密封性和抗压性，回潮箱体的质量决定烟叶回潮效果。为确定真空室的壁厚，应按薄壳理论对真空室进行强度计算，对于一般真空容器，用碳钢和低合金钢，壁厚不小于3 mm，用不锈钢时壁厚不小于2 mm。为了减少板材厚度，回潮箱体每个平面应尽可能小且在大平面上用加强筋加固。通过试验方案查阅资料[4]，可得304不锈钢σb=137 MPa，σs=137 MPa，取B1=150 MPa，H=800 mm，L=800 mm，B=300 mm，nb=3.0，ns=1.5。

计算最小壁厚：

式中，S0为箱体计算壁厚，B为矩形板的窄边长度，

S为箱体实际壁厚，C为壁厚附加量，

[σ]弯为弯曲许用应力。

通过计算可得箱体的最小壁厚S0=6.62 mm，此计算仅考虑由材料最大负差引起的附加量，需要留出一定的附加量保证设备的可靠性，选取附加量C=0.38 mm时，壁厚S=7 mm。

真空箱体属于压力容器，需要进行抗压校核。校核水压试验[5]，取，P水=0.196 MPa，b=200 mm，水静压力P静=ρgh，总压力P=P水+P静。当用水压试验时矩形板压力计算公式：

3.2加强筋

真空箱体属于压力容器，为了减少容器的变形、延长箱体的使用寿命，通常需要用加强筋补强，此设计选用矩形截面（b）型加强筋（图3）。

选用型钢做加强筋，金属材料都有截面模量，需要对其进行计算，若型材截面模量值大于计算截面模量则可以选用。每个加强筋在受弯时的抗弯截面模量：

式中，WP为抗弯截面模量，L为箱体宽度，取L=800，P为设计压力，取P=0.196 MPa，SP为加强筋宽度。通过计算可得WP=105.6 mm，SP=14 mm，查阅资料可得[5-7]，矩形截面加强筋的高度hp=70 mm。

加强筋和壁联合的截面模量：

加强筋与壁联合作用的截面模量：

由上式计算可得σ=104 MPa<0.96 σs，因此设计满足水压试验要求。

3.3矩形门

矩形真空箱体门是加工过程的关键，门由密封法兰、门链接、密封圈、封头、预紧机构等组成，矩形门用矩形钢板焊接而成，为减少门的厚度，采用加强筋对门进行加固，用硅橡胶进行密封，同时箱门设置观察视镜便于观察回潮室内烟叶状态，门上的法兰采用焊后精加工[8]。

3.4 加潮系统

加潮系统是决定回潮效果好坏的关键部件，高性能的加潮装置，能够使高压蒸汽进入回潮箱与烟叶接触，转化为低压下的饱和湿蒸汽。高压饱和蒸汽转化为低压饱和蒸汽需要释放大量热能，而低温水汽化是吸收热能的有效途径。水与蒸气均匀混合，充分汽化是解决上述矛盾的关键。

因此，该回潮机采用底部加潮的方式，并设计新型的水汽混合器，解决了回潮蒸汽在相对低压下的饱和问题，加潮器将水强制均匀混合雾化，并通过水蒸汽将雾化水携带入真空箱体。该汽体进入箱体后仍处于过热状态，然后在真空条件下再与箱体底部同压力的液态水混合，使低压下的过热蒸汽转化为湿蒸汽，并迅速渗透到烟包中与烟叶发生传质、传热作用，将水分和热量传递给烟叶，使烟叶均匀而有效地吸潮，同时液态水蒸发有助于低温回潮，由于重力影响，多余的液态水自动留在回潮箱底部，避免明水打湿烟叶，同时解决了回潮时产生的水渍烟，提高烟叶的等级质量和外观[9]。

3.5真空系统

真空回潮机具有大量水蒸气，最适宜的真空系统是射流真空泵组，但由于蒸汽介质的局限性，该方案采用优化设计的罗茨泵和水环泵联合机组的形式，水环泵的工作水消耗量420 L/h，温度≤25 ℃；罗茨泵的冷却水与之串联安装，试验机采用循环冷却装置。选择时，需要进行真空系统的设计，以确定管道、阀门、管件和仪表的规格及数量，复核系统空气泄漏量，确定真空管道中的流体压力损失和流体通导能力，将其与已经计算的真空封闭空间压力P和抽气速率S结合，确定真空泵的极限真空和抽气速率。综合考虑后，选择罗茨泵ZJY-600A作为主泵，选择2SK-12作为二级泵与罗茨泵串联。该真空系统抽速快，能耗低，对环境无污染。

4壳体的焊接

箱体焊接主要分真空箱体焊接与加强筋的焊接，其两者在焊接过程中将不可避免地产生焊接残余变形。箱体焊接变形主要体现在材料、结构合理性、工艺科学性等关键因素[10]。合理的布置焊缝位置是箱体焊接结构的关键，与箱体产品质量、生产率、成本以及箱体的耐用性具有密切的关系。真空箱体焊接其变形更为凸显，箱体焊接过程中需要分析变形影响因素和控制措施。

真空箱体在加工过程中，应尽量减少焊缝尺寸和焊缝的总长度。箱体焊接要结合箱体的结构，简化的结构可减小不必要的焊接接口和变形。焊缝的布置尽可能分散；焊缝的位置应尽可能对称，避开最大应力和应力集中的位置，板料在设计时适当布置加强筋的位置，焊接过程中采用钨级氩弧焊，氩弧焊电弧稳定、飞溅小、焊缝致密，表面无熔渣，成型美观，同时在焊接过程中，采用氩气保护焊接，电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，焊接速度较快，焊接热影响区较窄，焊后变形小。同时可以避免高温下材料氧化及金相组织发生变化。壁厚件焊接选择适宜的焊接坡口及变形槽，加强筋和箱体采用T字接焊缝接头[11]。

5结论

（1）该回潮机利用抽真空的方式，借助抽真空后烟叶叶片内外存在的压力差，对烟叶进行增湿回潮，使水雾迅速向烟叶内部扩散并布满烟叶组织内的孔隙，同时水雾的温度也传递给烟叶，从而提高烟叶的温度，完成烟叶回潮，使烟叶的造碎率降低，提高烟叶品质。

（2）与同类烟叶回潮机相比，该回潮机由于采用抽真空的方式回潮，回透率较高，烟叶含水率和温度均达到收购分级时的标准，在整个工作过程中烟叶处于静止状态，烟叶表面的平整性得到很好地保持，同时无水渍烟叶，烟包内部回潮均匀。

（3）该回潮机结构紧凑，功率消耗低，适合烟站的前置增湿回潮，将改变烟站缺乏适合于在线应用的增湿设备现状，可以在烟站推广使用。

参考文献

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