HDT烘丝机燃烧炉换热管清洁装置的设计.pdf

2024 年 3 月第 57 卷第 3 期烟草科技Tobacco Science&TechnologyMar.2024Vol.57 No.3摘要：为解决HDT烘丝机燃烧炉换热管内积碳积垢清洁不彻底而影响换热效率等问题，设计了一种清洁装置。该装置主要由管道内壁清洁单元、导风条清洁单元、空压机和工业吸尘器组成，可以将换热管拆分为管道和导风条后分别进行清理；清理管道内壁的柔性磨头和清理麻花状导风条的柔性滚刷分别由气动马达（额定转速4 500 r/min）和电机（额定转速1 351 r/min）驱动，气动马达由空压机提供压力为0.3 MPa的压缩空气作为气源；清洁后形成的粉尘经密闭除尘管进入工业吸尘器，避免造成扬尘污染。以柳州卷烟厂使用的HDT-FX3000烘丝机为对象进行测试，结果表明：清洁装置应用后，每台烘丝机换热管平均清洁用时由172 min/次减少至63 min/次，降幅63.1%；烘丝过程中天然气消耗量由86.49 m3/批次下降至82.19 m3/批次，燃烧炉平均功率降低15.9%。该技术可为提高HDT烘丝机传热效率和减少生产能耗提供支持。关键词：HDT烘丝机；燃烧炉；换热管；气动马达；管道内壁；导风条；清洁装置中图分类号：TS432文献标志码：A文章编号：1002-0861（2024）03-0108-05收稿日期：2023-10-24录用日期：2023-11-25基金项目：广西中烟工业有限责任公司科技项目“HDT烘丝机燃烧炉热交换管内壁新型清洁装置的研制”（GXZYCX2021D003）；广西工业和信息化厅技术创新项目“HDT烘丝机燃烧炉热交换管内壁新型清洁装置的研制”（园区20210054）。第一作者：梁志远（1988），男，本科，工程师，从事烟机设备维护与技术改造工作。E-mail：*通信作者：韦斌（1976），男，本科，高级技师，工程师，从事烟机设备维护与技术改造工作。E-mail：引用本文：梁志远，贺朋涛，韦斌，等.HDT烘丝机燃烧炉换热管清洁装置的设计 J.烟草科技，2024，57（3）：108-112.（LIANG Zhiyuan，HE Pengtao，WEI Bin，et al.Device for cleaning heat exchanger in combustion chamber of HDT tobacco dryer J.TobaccoScience&Technology，2024，57（3）：108-112.DOI：10.16135/j.issn1002-0861.2023.0668）HDT烘丝机燃烧炉换热管清洁装置的设计梁志远1，贺朋涛1，韦斌*1，曹建华1，李彬21.广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西柳州市城中区静兰路1号5450052.沈阳万洁智能环境科技有限公司，沈阳市东陵区创新路155-5号832室110000Device for cleaning heat exchanger in combustion chamberof HDT tobacco dryerLIANG Zhiyuan1,HE Pengtao1,WEI Bin*1,CAO Jianhua1,LI Bin21.Liuzhou Cigarette Factory,China Tobacco Guangxi Industrial Co.,Ltd.,Liuzhou 545005,Guangxi,China2.Shenyang Wanjie Intelligent Environment Technology Co.,Ltd.,Shenyang 110000,ChinaAbstract：In order to remove the ash built up on the inside wall of the heat exchanger tubes in thecombustion chamber of HDT tobacco dryer and promote the heat transfer efficiency,a cleaningdevice was designed.The device mainly consists of a tube cleaning unit,a deflector cleaning unit,anair compressor and an industrial vacuum cleaner.The flexible grinding head for cleaning the tube andthe flexible roller brush for cleaning the deflector are driven by an air motor（rated speed of 4 500 r/min）and an electric motor（rated speed of 1 351 r/min）,respectively;and the air motor is driven bycompressed air of 0.3 MPa from the air compressor.The removed ash is collected by the industrialvacuum cleaner.The designed cleaning device was tested on the HDT-FX3000 tobacco dryer atLiuzhou Cigarette Factory.The results showed that the average time for cleaning the heat exchangerwas reduced from 172 to 63 min,the natural gas consumption for drying a batch of tobacco wasreduced from 86.49 m3to 82.19 m3,and the average power consumption of the combustion chamberwas reduced by 15.9%.This device is helpful for promoting the heat transfer efficiency of HDTtobacco dryer and reducing energy consumption in production.第 57 卷第 3 期Keywords：HDT tobacco dryer;Combustion chamber;Heat exchanger tube;Air motor;Inside wall oftube;Deflector;Cleaning deviceHDT烘丝机因具有结构紧凑、能耗低、操作简单以及出口烟丝含水率均匀性好等特点被广泛应用于卷烟生产企业1-2。烘丝机运行时的工艺气体温度对叶丝的物理指标和感官质量均有较大影响3-4，控制系统通过自动调节燃料流量将热风温度稳定在设定范围内，进而提高叶丝含水率的稳定性5。燃烧炉是HDT烘丝机的重要组成部分，通过燃烧天然气或柴油等燃料产生热量，生成的热风通过换热管与工艺气体进行热交换。为保障热交换效果，目前一般采用长杆刷等工具配合压缩空气定期清除换热管中的积碳积垢，存在耗时长、清理不彻底等问题，进而影响预热时间，增大燃料消耗。针对换热管的清洁技术已有较多研究，张望平等6开展浸泡清洗、喷淋清洗和压力环洗对比实验，发现压力环洗方式对换热管外壁的清洁效果较好；洪性镐7发明一种吹灰器，通过接入高压蒸汽对换热管外壁进行吹扫；舒明荣8针对干冰膨胀烟丝生产线中的IN-60焚烧炉设计一种水-气混合的雾化式清洗喷枪，通过调节水、气压力实现对换热管外壁的有效清洁；黄海松9采用清洗剂和水对HXD烘丝机的换热管外壁进行冲洗，并采用聚乙烯薄膜塑料保护燃烧炉炉膛内壁的保温耐火材料不被浸湿，提高了换热管的清洁效果。HDT烘丝机因燃烧炉热风在换热管内部流动而导致积碳积垢主要附着在管道内壁和导风条上，无法采用上述针对换热管外壁的清洁技术。为此，设计了一种适用于HDT烘丝机燃烧炉换热管的清洁装置，以期提高换热管清洁效率并改善换热效果。1问题分析如图1所示，HDT烘丝机燃烧炉（1）内的换热器由 44 支长 2 530 mm、内径 34 mm 的换热管（2）组成，每支换热管内有一个麻花状导风条（4）；工艺气体在换热管外侧流动，燃烧炉产生的热风进入换热管内部流动，利用导风条增加接触面积可有效提高换热效率。生产中燃料燃烧不充分产生的积碳和天然气燃烧产生的硫化物积垢10会附着在换热管内壁（5）和导风条表面，导致热传导效率降低11，而采用压缩空气或长杆刷子等简易工具对换热管进行吹扫清理则存在以下问题：清洁时间长，工作效率低；换热管属于细长管，内部清理难度大，清洁效果不理想；吹扫产生的粉尘对周围环境造成污染，部分粉尘被吹进燃烧炉炉膛会导致再次点火燃烧时加剧积碳产生。2系统设计2.1系统结构燃烧炉换热管清洁装置主要由管道内壁清洁单元、导风条清洁单元、空压机和工业吸尘器组成，见图2。管道内壁清洁单元（7）包括进气管（4）、三级伸缩杆（5）、Y形管（6）和气动清洁头（8）。其中，Y形管右侧两个端口分别为导向支路（25）和除尘支路（24），清洁作业时将Y形管左侧端口（3锥面）固定在换热管一端，手持气动清洁头对管道内壁进行清洁，清理出的粉尘经除尘支路进入工业吸尘器（1）；从导向支路中穿过的三级伸缩杆为中空杆体，两端分别与进气管和气动清洁头连接，可以在清洁作业时将空压机（2）提供的压缩空气输送至气动清洁头。导风条清洁单元（21）包括电控盒（18）、负压清洁仓（10）和支座（19），清洁作业时手动控制导风条沿负压清洁仓上的通道（11）和电控盒上的通道（16）水平移动，即可完成导风条的清洁；负压清洁仓为下吸式独立仓，通过下方除尘接口（12）与除尘管（20）连接，仓内设置两个直径可调节的柔性滚刷（22），导风条从两个滚刷中间通过时，高速旋转的滚刷贴合导风条的麻花状曲面将积碳积垢剥离，形成的粉尘在负压作用下经除尘管进入工业吸尘器；柔性滚刷由清洁仓下方两台42GP-4260型无刷调速电机（13，14，深圳市名扬电机1.燃烧炉2.换热管3.折流板4.麻花状导风条5.换热管内壁6.换热管外壁7.积碳积垢图1燃烧炉换热器换热原理与结构示意图Fig.1Heat transfer principle and structure of heatexchanger in combustion chambera.换热器换热原理b.换热管结构梁志远，等：HDT烘丝机燃烧炉换热管清洁装置的设计 1092024 年烟草科技有限公司）驱动，旋转电控盒上的调速旋钮（17）可以改变电机转速，从而调节对导风条的清洁能力；通道入口处安装有两个激光传感器（23），通过感应是否有导风条经过负压清洁仓来控制电机开关。a.系统结构b.负压清洁仓内部结构c.Y形管结构1.工业吸尘器2.空压机3，20.除尘管4.进气管5.三级伸缩杆6.Y形管7.管道内壁清洁单元8.气动清洁头9.观察窗10.负压清洁仓11.通道12.除尘接口13，14.无刷调速电机15.启动按钮16.通道17.调速旋钮18.电控盒19.支座21.导风条清洁单元22.柔性滚刷23.激光传感器24.除尘支路25.导向支路图2换热管清洁装置结构示意图Fig.2Structure of device for cleaning heat exchanger tube2.2管道内壁清洁单元参数设计三级伸缩杆采用碳纤维材料制成，具有质量轻、强度高、便于操作等特点，与清洁管内壁碰撞时不会产生火花；第一、二、三级杆体的外径分别为24、20、18 mm，最短可以收缩至1 400 mm，便于携带和运输。如图3所示，气动清洁头由柔性磨头（1）、环形支架（2，4）和气动马达（3）组成，柔性磨头安装在气动马达的输出轴上，当气动马达在压缩空气作用下高速旋转时，柔性磨头上并列排布的砂布条充分打磨换热管（7）内壁，使积碳积垢脱落；气动马达轴向两端安装的环形支架具有支撑作用，可以使气动马达沿换热管轴线方向运动，脱落的粉尘从支架上沿轴向设置的气流风道进入除尘管，避免产生扬尘。清洁换热管内壁时，依靠柔性磨头上砂布条与换热管内壁之间的摩擦力f1剥离积碳积垢。经现场测试，剥离积碳积垢所需的最小作用力F1=3.9 N，根据运动物体力学公式12可得：f1=1FN1F1FN1=FM1=m121r11=2n1（1）式中：1为砂布条与换热管内壁之间的摩擦系数，取0.8；FN1为砂布条对换热管内壁产生的正压力，N；FM1为气动马达带动柔性磨头高速旋转时砂布条产生的离心力，N；m1为纱布条质量，取0.002 1 kg；1为气动马达的角速度，rad/s；r1为换热管内腔半径，为0.017 m；n1为气动马达的转速，r/s。根据公式（1）可得：58.8 r/s=3 528 r/minn1=f1421m1r1（2）根据牛顿-莱布尼兹公式12计算气动马达受到的扭矩T1：T1=02F1r1d=F1r1|02=2F1r1=0.42 N m（3）因此，选用QPG52型气动马达（额定转速4 500r/min，额定扭矩1.06 N m，瑞安市欧旭机械厂）可满足设计需求。2.3导风条清洁单元参数设计清洁导风条时，依靠柔性滚刷上砂布条与导风条麻花状曲面的摩擦力f2剥离积碳积垢。经现场测试，剥离积碳积垢所需的最小作用力F2=1.8 N，根据运动物体力学公式12可得：f2=2FN2F2FN2=FM2=m222r22=2n2（4）1.柔性磨头2，4.环形支架3.气动马达5.Y形管6.三级伸缩杆7.换热管图3管道内壁清洁单元作业示意图Fig.3Schematic diagram of operation of tube s insidewall cleaning unit 110第 57 卷第 3 期梁志远，等：HDT烘丝机燃烧炉换热管清洁装置的设计式中：2为砂布条与导风条表面之间的摩擦系数，取0.8；FN2为砂布条对导风条表面产生的正压力，N；FM2为无刷调速电机带动柔性滚刷高速旋转时砂布条产生的离心力，N；m2为纱布条质量，取0.003 7 kg；2为无刷调速电机的角速度，rad/s；r2为柔性滚刷旋转半径，为0.05 m；n2为无刷调速电机的转速，r/s。根据公式（4）可得：17.6 r/s=1 056 r/minn2=f2422m2r2（5）根据力矩公式12计算电机受到的扭矩T2：T2=F2r2=0.09 N m（6）因此，选用42GP-4260型无刷调速电机（额定转速1 351 r/min，额定扭矩0.8 N m，深圳市名扬电机有限公司）可满足设计需求。2.4空压机和工业吸尘器选型查阅QPG52型气动马达说明书可知，在满足额定转速4 500 r/min，额定扭矩1.06 Nm情况下，气源压力0.3 MPa，流量115 L/min。因此，选用DC1081-1200W型空压机（工作压力0.30.9 MPa，工作流量125 L/min，浙江铁成工贸有限公司）可以满足设计需求。分别对管道内壁和导风条进行清洁测试，确定满足除尘效果的最小负压吸力和风量。结果表明，管道内壁清洁单元的除尘负压吸力22 kPa，风量175 m3/h；导风条清洁单元的除尘负压吸力17 kPa，风量110 m3/h。因此，选用VZSB-30型工业吸尘器（吸力28 kPa，风量318 m3/h，浙东莞汇乐环保股份有限公司）可以满足设计需求。3应用效果3.1实验设计材料：A牌号卷烟烟丝（由广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂提供）。设备与仪器：HDT-FX3000型烘丝机（德国HAUNI公司）；天然气流量计（精度0.01 m3，德国ESTER公司）；TM710型水分仪（精度0.1%，美国NDC公司）。方法：HDT-FX3000型烘丝机生产能力为3 000kg/h，采用批次化生产模式，每批次处理烟丝总量4 750 kg，入口烟丝含水率（18.81.0）%，每月烘丝约 80 批次/台（每天烘丝 4 批次，每月 20 个工作日）。采用原清洁方式（长杆刷等简易工具配合压缩空气）和清洁装置分别对2个月未清洁的烘丝机换热管进行清洁，并在清洁后运行2个月和4个月时分别进行第2次和第3次清洁，记录两种清洁方式下烘丝机3次清洁用时，取平均值；每次清洁后，采集前两批次烘丝过程中燃烧炉功率和天然气消耗量，取平均值。3.2数据分析由表1和表2可知，采用清洁装置后，HDT烘丝机燃烧炉换热管的平均清洁用时由172 min/次减少至63 min/次（降幅63.1%）；烘丝过程中天然气平均消耗量由86.49 m3/批次下降至82.19 m3/批次（降幅5.0%），燃烧炉平均功率由87.0%下降至71.1%（降幅15.9%）。表明清洁装置的应用提高了换热管清洁效率并改善了清洁效果，通过提高传热效率有效降低了能源消耗量。表1清洁装置应用前后HDT烘丝机换热管清洁用时对比Tab.1Time for cleaning heat exchanger tubes of HDTtobacco dryer before and after application of thecleaning device清洁次序第1次第2次第3次平均值烘丝机换热管清洁用时/（min 次-1）应用前173174168172应用后62616763注：应用前统计时间为2022年38月，应用后为2022年9月2023年2月。下同。表2清洁装置应用前后HDT烘丝机能耗数据对比Tab.2Energy consumption data of HDT tobacco dryer before and after application of the cleaning device清洁次序第1次第2次第3次平均值清洁后烘丝批次第1批第2批第1批第2批第1批第2批改进前燃烧炉功率/%87.986.787.985.886.287.287.0天然气消耗量/m386.8387.7487.9084.1785.8786.4286.49改进后燃烧炉功率/%71.369.672.370.471.771.271.1天然气消耗量/m382.4681.7482.2382.6881.5882.4782.19 1112024 年烟草科技4结论针对HDT烘丝机设计了一种燃烧炉换热管清洁装置，将换热管拆分为管道和麻花状导风条后分别利用管道内壁清洁单元和导风条清洁单元进行清洁，清洁后形成的粉尘由工业吸尘器收集以避免造成扬尘污染。以柳州卷烟厂使用的HDT-FX3000烘丝机为对象进行测试，结果表明：清洁装置应用后，每台烘丝机换热管平均清洁用时降低63.1%，烘丝时天然气消耗量和燃烧炉平均功率分别降低5.0%和15.9%。该装置可在采用同类型燃烧炉换热管的设备中推广应用。参考文献1 刘远涛，陆妍.HDT气流烘丝机工艺参数对卷烟感官质量的影响 J.湖北农业科学，2020，59（增刊 1）：427-430.LIU Yuantao，LU Yan.Effects of technical parametersof HDT air drier on sensory quality of cigaretteJ.Hubei Agricultural Sciences，2020，59（S1）：427-430.2 代建文，杨枚.HDT设备结构及其工艺控制原理 J.烟草科技，2006（4）：16-19.DAI Jianwen，YANG Mei.Structure and technicalcontrolprincipleofHDT J.TobaccoScience&Technology，2006（4）：16-19.3 蒋志刚，闫龙，于涛，等.HDT在线膨胀设备热气流温度对叶丝质量的影响技术研究 C/中国烟草学会2006年学术年会论文集.广州：中国烟草学会，2007：578-589.JIANGZhigang，YANLong，YUTao，etal.EngineeringresearchinHDTon-lineinflationequipment hot air stream temperature to cut tobaccoqualityinfluence C/Proceedingsof2006AnnualAcademicConferenceofChinaTobaccoSociety.Guangzhou：China Tobacco Society，2007：578-589.4 于涛，翟玉俊，蒋志刚，等.高温管式叶丝在线膨胀对卷烟综合质量的影响分析 C/中国烟草学会工业专业委员会烟草工艺学术研讨会论文集.南宁：中国烟草学会，2009：1-6.YU Tao，ZHAI Yujun，JIANG Zhigang，et al.Influenceof online high temperature tubular expansion of cutstripsoncomprehensivequalityofcigarette C/Proceedings ofSymposium on Tobacco Technology ofIndustrialSpecializedCommitteeofChina TobaccoSociety.Nanning：China Tobacco Society，2009：1-6.5 孙成顺，蔡培良，周家贤，等.基于恒脱水量的HDT烘丝机烘丝模式的设计 J.烟草科技，2018，51（3）：95-100.SUN Chengshun，CAI Peiliang，ZHOU Jiaxian，et al.Design of control system in HDT tobacco dryer basedon constant dehydration amount J.Tobacco Science&Technology，2018，51（3）：95-100.6 张望平，李德华，甘悦，等.高效换热管外表面清洗技术应用研究 J.装备制造技术，2021（5）：167-169.ZHANG Wangping，LI Dehua，GAN Yue，et al.Studyon the application of cleaning technology for the outersurfaceofhighefficiencyheatexchangetube J.EquipmentManufacturingTechnology，2021（5）：167-169.7 洪性镐.吹灰器和使用吹灰器清洁管状热交换器的方法：CN109863362A P.2019-06-07.HONG Xinghao.Soot blower and method for cleaningtubular heat exchanger by using same：CN109863362AP.2019-06-07.8 舒明荣.焚烧炉换热器换热管清洗喷枪的研制 C/云南省烟草学会2006年学术年会论文集.昆明：中国烟草学会，云南省烟草学会，2006：329-334.SHU Mingrong.Development of cleaning spray gun forheat exchanger tubes of incinerator C/Proceedingsof2006 Academic Conference of Yunnan TobaccoSociety.Kunming：ChinaTobaccoSociety，YunnanTobacco Society，2006：329-334.9 黄海松.清洁HXD燃烧炉换热器的新方法 J.设备管理与维修，2018（21）：112-113.HUANG Haishong.A new method for cleaning heatexchangerofHXDcombustionfurnace J.PlantMaintenance Engineering，2018（21）：112-113.10 董鹏，李贺，刘庆海.含硫气体对燃气发动机的危害及 脱 硫 方 法J.内 燃 机 与 动 力 装 置，2012（2）：10-12.DONGPeng，LIHe，LIUQinghai.Hazardsofsulfurous gas to gas engine and desulphurization J.Internal Combustion Engine&Powerplant，2012（2）：10-12.11 杨世铭，陶文铨.传热学 M.4版.北京：高等教育出版社，2006：4-15.YANG Shiming，TAO Wenquan.Heat transfer M.4thed.Beijing：Higher Education Press，2006：4-15.12 北京科技大学，东北大学.工程力学：静力学 M.4版.北京：高等教育出版社，2008.UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Northeastern University.Engineering mechanics：StaticsM.4th ed.Beijing：Higher Education Press，2008.责任编辑张玉聪 112