摘 要：真空回潮设备在夏季经常出现抽真空时间长、真空度低及烟叶回透率低的问题，各项工作指标均有明显下降。利用热交换技术对真空回潮机循环水冷却系统进行了重新设计，在储水箱与冷却塔之间增设一套内循环水系统，可不通过真空回潮机实现冷却水快速循环降温。实际应用效果表明，此举措可明显降低冷却循环水进水温度，恢复并提高了抽真空系统的抽空效率，提高生产效率和产品质量。
关键词：真空回潮机；喷射泵；冷凝器
0 引言
真空回潮是卷烟生产中一道重要的工艺，真空回潮机一般采用带有两个级间冷凝器的三级四段式蒸汽喷射抽真空系统[1]。每当进入夏季(7-9月)，由于冷却系统一次降温幅度有限，冷却循环水进水温度过高，导致冷凝器无法正常工作，抽真空系统紊乱，所以真空回潮各项工作指标不正常。经分析，在蒸汽压力、汽质、冷却水进水量及冷凝器冷凝面积等条件均无法再改善的情况下，要恢复抽真空性能，唯有通过增加冷却水内循环系统，经多次循环降低冷却循环水进水温度，从而改善冷凝器的冷凝效果来提高整个抽真空系统的工作效率和稳定性，最终达到恢复整机工作性能的目的。
1 问题与分析
1.1 存在问题
真空回潮机每年在夏季期间，出现了真空回潮机生产时间明显延长、真空度偏低及生产效率下降的问题。在抽真空阶段发现一、二级泵抽真空用时明显延长，时间较平时增加了50s左右；并且系统真空度只能达到-95.7kPa。通过延长一级泵的喷射时间，真空度会略微有所提高，但真空度无法达到工艺要求，进而影响烟叶的回透率[2]，不利于真空回潮机工艺任务的实现，如图1所示。
图1 改进前抽真空曲线图
1.2 原因分析
a) 抽真空系统设置冷凝器原因分析
在多级喷射泵系统中，前级泵排出的混合气体中含有失去工作能力的水蒸气(可冷凝)和不可冷凝的空气，为减轻下级泵工作负荷，通过设置中间冷凝器，将混合气体中水蒸气冷凝成水以减少混合气体体积的方法来达到目的。
现有真空回潮机采用三级四段式蒸汽喷射抽真空系统如图2所示。系统分别在一级泵、二级泵后设置冷凝器，可大量冷凝一级泵、二级泵后混合气体中的水蒸气，大幅减少二级泵和三(四)级泵的工作负荷。
1—回潮箱体；2—分汽包；3—一级泵；4—一号冷凝器；5—二级泵；6—二号冷凝器；7—三级泵；8—四级泵；9—真空水箱
图2 蒸汽喷射抽真空系统
冷却水循环系统主要作用是通过把真空水箱的热水通过排水泵加压输送至冷却塔[3]，热水在冷却塔中与流过的空气进行热交换、质交换，致使水温下降后自流进入储水箱暂存，以备一、二号冷凝器的工作再利用。
但由于冷却塔一次降温幅度有限，夏季降温更少，如果只利用真空回潮工作流程作一次循环根本无法保证冷凝冷却进水温度维持在正常状态。
延吉卷烟厂存在的问题是夏季冷却水进水温度高，但由于冷凝器及真空水箱容积有限，有限的工作时间内无法通过大幅加大进水量来改善冷凝器的冷凝效果，一级泵、二级泵后混合气体无法被高效冷凝，混合气体容积迅速加大，喷射泵排出阻力也随之增大，二级泵及三(四)级泵均超设计负荷工作，无法高效抽空，抽真空系统出现紊乱，导致工作时间长，真空度不高等一系列问题。
根据真空回潮机供货厂家提供数据可知，理想状态下，工作蒸汽压力在1.0MPa时，一级泵工作蒸汽流量：491.5kg/h，蒸气焓2 781.71 kj/kg，蒸气温度179.88℃, 按一号冷凝器进水温度32℃, 进水流量40m3/h，完全冷凝，计算如下：
蒸汽降温释放的热量Q1：
Q1=C1×M1×ΔT；ΔT=T2-T1 (热容C：kJ/kg·℃ )；
蒸汽质量M1=Go×t (t为消耗的时间)；
蒸汽释放的潜热Q2为：
Q2=M1×H (H：液体的蒸发焓(汽化热)J/kg) ；
总释放热量Q0=Q1+Q2；
冷却水吸收的热量Q3：
Q3=C2×M2×ΔT； ΔT=T1-T0 (热容C：kJ/kg·℃)；
冷却水质量M2=G1×t (t为消耗的时间)；
Q0=2.1×491.5×t×(179.88-T1)+491.5×t×2 781
Q3=4.2×40×103×t×(T1-34)；
Q0= Q3 可得出冷凝后水温：T1=43.15℃。
即进水温度34 ℃时，冷凝后水温将达到43.15 ℃，接近一级泵排出压力60Torr下对应水的沸点44 ℃，此时将产生大量汽化，恒定流量的水无法将多余蒸汽冷凝，直接造成下级泵超设计负荷工作。如果实际工况中有蒸汽压力高或者进水量小的状况，在进水温度32 ℃～33 ℃时就可能出现冷凝后水温>44 ℃问题。
b) 工作状态分析
1) 检查气源压力表示数>1.0MPa，且示数稳定，未有压力波动；真空回潮入口蒸汽管路疏水良好，是干度较高的工作蒸汽，符合真空回潮机真空系统工作要求。
2) 检查喷嘴，未出现磨损或堵塞现象。
3) 检查箱体密封和管路无泄漏、各阀类器件均正常。
4) 检查进入冷凝器的水流量较平时无变化。
5) 检查进入1号和2号冷凝器的进水温度为34℃，与真空回潮机要求冷凝器进水温度≤32℃的要求不符。
经过检查分析，初步确定进水温度偏高极有可能是造成问题出现的原因。
c) 工作条件一定的情况下，冷凝器的进、排水温度关系
在多级泵串联时，需要设置冷凝器来冷凝工作后的蒸汽，在带有中间冷凝器的蒸汽喷射抽空系统中，向冷凝器内排气的前一级泵所能建立的排气压力，实际上取决于中间冷凝器中水的温度，因为这一级泵的出口压力不能低于其后的冷凝器中冷凝水的饱和蒸汽压力。
从真空回潮机供货厂家提供数据可知，真空系统正常工作所需条件：工作蒸汽压力0.8～1.1MPa ，冷却水进水温度应≤32℃。
按真空系统工作条件，保持工作蒸汽压力1.0MPa，冷却水流量恒定的情况下，经现场实验可以发现，在冷却水进口温度由29℃提高至34℃时，冷凝器工作后排水温度明显上升，数据如表1。
表1 冷凝器实验工况数据表
d) 冷却水进水温度造成一、二级泵工作时间延长和真空度低的原因分析
在工作条件 (工作蒸汽压力、工作蒸汽流量，冷却水流量)一定的情况下，冷却水进水温度升高造成真空系统一、二级泵工作时间延长的2种情况分析。
1) 单独开二级
如果二号水进水水温过高，进入二号冷凝器的冷却水无法及时将二级泵工作后的蒸汽冷凝，多余混合气体无法被三级泵完全抽走，造成冷凝器中局部压力升高，二级泵排出阻力变大，导致二级泵不能正常工作,工作时间延长且无法达到设计真空度。
2) 一级、二级同时工作
从真空回潮机供货厂家提供数据可知，一级泵的设计出口压力60Torr(1T0rr=133.33 Pa)，在此压力下对应水的沸点为44 ℃，根据表1实验结果，在冷却水进水温度≥34 ℃时，一号冷凝器内混合水温度将超过临界值，冷却水在此压力下大量蒸发，冷凝器内混合气体容积大幅增加，直接导致二级泵工作负荷增加，同时由于混合气体容积增加，一号冷凝器内压力增大，一级泵排出阻力随之加大无法获得设计抽气速率也无法在工作时间内达到设计工作真空度，所以工作时间大幅延长；本工作过程二号冷凝器中的情况和1)类似，综合起来造成真空系统整体运行紊乱。
综上所述，冷凝器进水温度是影响真空系统抽真空时间和真空度的主要因素，要想改善冷凝器的冷凝效果，恢复真空系统抽空性能，需对冷却水循环系统进行改造以降低冷凝器进水温度。
2 设计方法
2.1 设计思路
在2#储水箱与冷却塔之间增设1台内循环泵，与2台冷却塔之间形成一个内循环系统，1#、2#冷却水箱内的水可不经过真空回潮直接通过冷却水循环泵输送到2个冷却塔，详见图3。降温后的冷却水通过回水管道自流回1#储水箱，详见图4。在真空回潮机使用期间，只要冷却水温度超标，就开启内循环模式，通过内循环泵将储水箱内的水反复利用冷却塔冷却，充分发挥冷却塔的工作效率，使2个储水箱里的水快速有效地下降。
冷却水循环系统供水主要包括：冷却水循环泵，压力表2个(水泵进出口各1个)，密闭式蝶阀2个(水泵进出口各1个)，软接头2个(水泵进出口各1个)，止回阀1个(水泵出口)，Y型过滤器(水泵入口)，硬密闭蝶阀4个(冷却水箱)以及Φ133×4循环水供水管道。
1—1#储水箱；2—2#储水箱；3—供水管道；4—压力表；5—截止阀；6—过滤器；7—止回阀；8—软接头；9—1#冷却塔；10—2#冷却塔；11—蝶阀
图3 冷却水供水系统
1—1#储水箱；2—2#储水箱；3—连通管；4—1#冷却塔；5—2#冷却塔；6—回水管道
图4 冷却水回水系统
为了保证冷却水冷却效果，系统设计时采取了以下措施：
1) 冷却水循环水系统由2#储水箱取水。通过冷却水泵将冷却水由4个出水口向2个冷却塔中进行注水。1#、2#出水口向1#冷却塔注水，3#、4#出水口向2#冷却塔注水。这样既能够保证冷却水的布水均匀，使冷却水与空气充分接触。也能够通过阀门开关，调整进入2个冷却塔的水量，充分利用2个冷却塔的冷却效率，实现节能要求。
2) 冷却后的冷却水，通过回水管道自流到1#储水箱，在1#储水箱和2#储水箱之间底部用连通管进行连通，进行二次混合降温。
3) 将输送给真空回潮现场的供水管道改为由2#储水箱提供。生产过程中进入抽真空阶段时，1#系统和2#系统的真空水箱水通过各自的排水泵分别将热水输送至1#、2#冷却塔，通过1#、2#冷却塔冷却后的水直接注入1#储水箱，通过连接管道向2#水箱补水，保证2个水箱里的水正常循环。在抽真空停止时或者进水温度超标时，均可开启新增的内循环系统，保证持续对水箱里的高温水进行充分冷却。
4) 在原有储水箱里增设了水温传感器，当水温传感器探测到水温高于32 ℃(真空回潮工作条件要求上限)时，系统会自动开启内循环泵和2台冷却塔风扇，对循环水进行冷却处理；当储水箱里的水温降到28 ℃以下时， 循环泵和2台冷却风扇就会自动停止工作。
改造前后的冷却水循环系统示意图如图5、图6所示。
1—1号抽空系统的二号冷凝器；2—1号抽空系统的一号冷凝器；3—二号抽空系统的1号冷凝器；4—二号抽空系统的二号冷凝器；5—一号储水箱；6—一号供水泵；7—二号储水箱；8—二号供水泵；9—1号冷凝器；10—2号冷凝器
图5 改进前冷却水循环系统示意图
2.2 设计计算
2个水箱中的存水量约为30m3按照设计循环一次水所需要的时间为20min,泵的流量Q约为90m3/h。由动力管道设计手册[4-5]，水流速应在1.5～3 m/s合理，取经济流速2 m/s，由计算公式Q=vpD2/4得出D=126mm，可取系统管道直径为DN125。根据冷却塔的安装高度、系统管道长度和局部压力损失等参数可计算得出新增水泵至少需要17m的扬程才能克服系统的阻力。
1—1号抽空系统的二号冷凝器；2—1号抽空系统的一号冷凝器；3—二号抽空系统的1号冷凝器；4—二号抽空系统的二号冷凝器；5—一号储水箱；6—内循环泵；7—二号储水箱；8—一号供水泵；9—二号供水泵；10—一号冷却塔；11—一号冷却塔
图6 改进后冷却水循环系统示意图
根据给排水常用设备手册[6]，考虑预留余量，选取ISG 100-125,流量 100m3/h，扬程20m,功率11kW，管径DN125。
2.3 管道说明
冷却水循环管道采用管径为Φ133×4的304不锈钢管。根据管道支架设计手册[7]和现场实际情况：最终选择管道支架间距为3m，管道支架采用型号为#8槽钢作为主要支撑材料。考虑到室外管道的冬季防冻要求，管道采用30mm的橡塑保温，外包0.5mm的不锈钢板做保护层。
回水采用重力回水，回水管道采用管径为Φ219×4.5的304不锈钢管。室内管道采用30mm的橡塑保温。室外管道采用30mm的橡塑保温，并外包0.5mm的不锈钢板做保护层。
3 效果
冷凝器冷凝水循环系统改进后，在夏季按照每个工作日连续6h生产，经过30个工作日验证，此项改进取得了良好效果，具体体现如下所述。
1) 从抽真空曲线图(图7)可以看出，改进后的二级泵抽空时间由原有的每1.95min左右减少到1.12min左右，节省了50s左右；系统真空度由原来-95.7kPa提高到-99.2kPa；有效提高生产效率，减少抽空装置的磨损，延长设备的使用寿命。
2) 节约了蒸汽的耗量如表2所示。
表2 蒸汽耗量数据表 t
图7 改进后抽真空曲线图
3) 改善了回透率的工艺指标如表3所示。
表3 回透率指标数据表 (%)
4 结语
通过增加冷却水内循环系统，有效解决了夏季冷却水进水温度高的问题，真空回潮机抽真空系统性能得到恢复，抽真空时间长、蒸汽消耗大、真空度低及烟叶回透率低等问题也随之解决，达到了提高生产效率和产品质量的目标。
