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【摘 要】本文对SP31烟丝膨胀机冷冻机组故障率高的问题进行分析，得知蒸发器管路受膨胀介质KC-2腐蚀而泄漏是故障的主要原因。通过在冷罐与冷冻机蒸发器之间加装不易被KC-2介质腐蚀的不锈钢板式热交换器，使含有KC-2的冷罐循环水不直接流经蒸发器，从而避免蒸发器受腐蚀，减少故障率。
【关键词】SP31烟丝膨胀机 冷冻机 蒸发器 不锈钢板式热交换器
引言
膨胀烟丝在卷烟工艺中起着提高卷烟烟丝填充值、降低卷烟单箱耗丝量和降低卷烟焦油含量的作用。SP31烟丝膨胀机采用KC-2介质对烟丝进行膨胀，不仅可以满足制丝生产工艺的需要，而且KC-2作为氟利昂的替代品，可大大减少对大气臭氧层的污染。然而，在生产运行过程中，SP31烟丝膨胀机冷冻机组管路系统常发生故障，影响了生产的正常进行，因此，对SP31烟丝膨胀机冷冻机组管路系统进行改进是一个迫切需要解决的问题。
1 SP31烟丝膨胀机构造及其烟丝膨胀原理
1.1 SP31烟丝膨胀机的构造
SP31烟丝膨胀机由加工罐、热罐、冷罐、冷冻机组等组成。
图1 SP31烟丝膨胀机构造图示意图
1.2 SP31烟丝膨胀机的膨胀原理
SP31烟丝膨胀机借助膨胀介质KC-2对烟丝进行处理，其工作流程如下：首先抽空加工罐，然后往罐内加注KC-2，对需要膨胀的烟丝进行浸泡，使KC-2介质进入烟草细胞内，接着回收烟丝空隙间多余的介质，然后通入蒸汽，使温度迅速提高，这时存留在烟丝中的KC-2迅速汽化膨胀，将烟丝的细胞壁向外推出，从而增大烟丝的体积、提高其填充值，并使卷烟中焦油及尼古丁含量降低
2 SP31烟丝膨胀机冷冻机组管路存在的问题及原因分析
2.1 冷冻机的作用和存在问题
从膨胀机结构和工艺流程可以看出，为减少消耗，需将介质回收利用。回收过程中，气态的KC-2在冷罐经低温的循环水喷淋冷却为液态，冷冻机组就是为在回收KC-2过程中将冷罐中的水维持在一个足够低的温度（31℃）以下而配置的，冷冻机的启停由温度控制器控制，当冷冻机冷水温超过14℃时启动冷冻机，水温低于12℃时冷冻机停止工作。
维修工在日常设备维护中发现，SP31烟丝膨胀机经常因冷冻机组蒸发器管路泄漏而造成故障停机，影响了生产的正常进行。
2008年1-5月份对冷冻机故障类型和故障处理所用的时间进行统计，统计情况如表1。
从表中可看出蒸发器故障占总故障的75%，且累计发生故障的次数也高于其余两项。
2.2 原因分析
通过对SP31烟丝膨胀机的构造和工作原理进行分析可以发现，介质回收时冷冻水在冷罐、冷水泵、蒸发器、喷淋头间不断循环，将气态KC-2冷却为液态，同时将冷罐中热量带走。由于KC-2介质容解性能好，所以冷冻水是水和介质的混合存在。蒸发器内部是铜制作的管道，外壳是碳钢材料制作，工作时，壳程通过的是冷冻水和介质混合物，管程通过的是冷冻机的制冷剂，因为KC-2介质具有一定的腐蚀性，所以会对用碳钢材料制作的冻机管路系统产生腐蚀作用。
3 解决办法
为解决蒸发器及其管路因KC-2腐蚀而出现管道泄漏的现象，首先对设备的原理进行分析：
图2 SP31烟丝膨胀机冷冻水循环工作原理
从原理图可看出，气态的KC-2在冷罐经冷却后变为液态，液态 KC-2介质密度大于水的密度，因而沉在冷罐的底部，且与循环水完全接触，在生产过程中，要把KC-2介质从循环水中完全分离是很难实现的，所以，只能从设备改进上进行考虑，如果对冷冻机组管路系统进行改进，使含有腐蚀性介质的冷冻水不流经蒸发器，同时又能起到冷却作用，那么就能解决这一问题。经分析研究，鉴于不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能，所以决定在蒸发器与冷罐之间加装一个不锈钢材料制作的热交换器，在系统中形成两路冷冻水循环管路，第一路是冷罐冷冻水流经冷水泵、不锈钢热交换器、喷淋头，第二路是蒸发器流出的冷冻水经冷冻水循环泵、不锈钢热交换器、蒸发器。
图3 SP31烟丝膨胀机冷冻水循环管路改造设计图
根据生产工艺条件要求，利用板式热交换器选型软件进行选型计算，最终确定加装的热交换器具体参数如下：
传热系数K=4000 W/（㎡·℃）；
换热面积A=6㎡
换热平均温差△t=3℃
传热效率≧0.6
SP31烟丝膨胀机采用的是CW120型水冷螺旋冷冻机组，其设备参数如下：
名义工况制冷量：135kW
功率：30.7kW
制冷剂：R22
冷冻水流量：26t/h
进水温度：12℃
出水温度：7℃
传热效率≧0.7
为验证加装不锈钢板式热交换器对循环水冷却效果和效率的影响，通过如下热力学计算：
冷冻机每小时制冷量Q=cm△t=4200×26000×（12-7）J
=546000KJ
板式热交换器每小时传热量Q=KA△t
=4000×6×3 Wh
=72KWh
=72×3600KJ
=259200KJ
冷罐循环冷却水每小时传热量Q=cm△t
=4200×1000×3J
=12600 KJ
由以上计算比较可以得出：（0.7×546000KJ）﹥259200KJ，且（0.6×259200KJ）﹥12600 KJ，即机冷冻机制冷量大于热交换器传热量，且热交换器的换热量能满足冷却循环水的换热要求，故对板式热交换器的选型是能满足生产工艺要求的。
4 结论
根据设计方案对SP31烟丝膨胀机安装了不锈钢板式热交换器经过跟踪观察和统计，发现经改进管路系统后的冷冻机组运行稳定，故障率为零，大大提高了烟丝膨胀机的有效作业率，也降低了因生产过程停机而对产品质量所造成的影响，有效保证了产品质量的稳定性。
参考文献
[1] 《卷烟工艺规范》中央文献出版社 2003年4月出版
[2] 《工程热力学》中国电力出版社 2007年9月 严家鵦，王永青
[3] 《中国机械行业标准汇编冷冻空调设备卷》机械工业出版社
[4] 《热力学》北京大学出版社 2011年9月 圆山重直（日）
【关键词】SP31烟丝膨胀机 冷冻机 蒸发器 不锈钢板式热交换器
引言
膨胀烟丝在卷烟工艺中起着提高卷烟烟丝填充值、降低卷烟单箱耗丝量和降低卷烟焦油含量的作用。SP31烟丝膨胀机采用KC-2介质对烟丝进行膨胀，不仅可以满足制丝生产工艺的需要，而且KC-2作为氟利昂的替代品，可大大减少对大气臭氧层的污染。然而，在生产运行过程中，SP31烟丝膨胀机冷冻机组管路系统常发生故障，影响了生产的正常进行，因此，对SP31烟丝膨胀机冷冻机组管路系统进行改进是一个迫切需要解决的问题。
1 SP31烟丝膨胀机构造及其烟丝膨胀原理
1.1 SP31烟丝膨胀机的构造
SP31烟丝膨胀机由加工罐、热罐、冷罐、冷冻机组等组成。
图1 SP31烟丝膨胀机构造图示意图
1.2 SP31烟丝膨胀机的膨胀原理
SP31烟丝膨胀机借助膨胀介质KC-2对烟丝进行处理，其工作流程如下：首先抽空加工罐，然后往罐内加注KC-2，对需要膨胀的烟丝进行浸泡，使KC-2介质进入烟草细胞内，接着回收烟丝空隙间多余的介质，然后通入蒸汽，使温度迅速提高，这时存留在烟丝中的KC-2迅速汽化膨胀，将烟丝的细胞壁向外推出，从而增大烟丝的体积、提高其填充值，并使卷烟中焦油及尼古丁含量降低
2 SP31烟丝膨胀机冷冻机组管路存在的问题及原因分析
2.1 冷冻机的作用和存在问题
从膨胀机结构和工艺流程可以看出，为减少消耗，需将介质回收利用。回收过程中，气态的KC-2在冷罐经低温的循环水喷淋冷却为液态，冷冻机组就是为在回收KC-2过程中将冷罐中的水维持在一个足够低的温度（31℃）以下而配置的，冷冻机的启停由温度控制器控制，当冷冻机冷水温超过14℃时启动冷冻机，水温低于12℃时冷冻机停止工作。
维修工在日常设备维护中发现，SP31烟丝膨胀机经常因冷冻机组蒸发器管路泄漏而造成故障停机，影响了生产的正常进行。
2008年1-5月份对冷冻机故障类型和故障处理所用的时间进行统计，统计情况如表1。
从表中可看出蒸发器故障占总故障的75%，且累计发生故障的次数也高于其余两项。
2.2 原因分析
通过对SP31烟丝膨胀机的构造和工作原理进行分析可以发现，介质回收时冷冻水在冷罐、冷水泵、蒸发器、喷淋头间不断循环，将气态KC-2冷却为液态，同时将冷罐中热量带走。由于KC-2介质容解性能好，所以冷冻水是水和介质的混合存在。蒸发器内部是铜制作的管道，外壳是碳钢材料制作，工作时，壳程通过的是冷冻水和介质混合物，管程通过的是冷冻机的制冷剂，因为KC-2介质具有一定的腐蚀性，所以会对用碳钢材料制作的冻机管路系统产生腐蚀作用。
3 解决办法
为解决蒸发器及其管路因KC-2腐蚀而出现管道泄漏的现象，首先对设备的原理进行分析：
图2 SP31烟丝膨胀机冷冻水循环工作原理
从原理图可看出，气态的KC-2在冷罐经冷却后变为液态，液态 KC-2介质密度大于水的密度，因而沉在冷罐的底部，且与循环水完全接触，在生产过程中，要把KC-2介质从循环水中完全分离是很难实现的，所以，只能从设备改进上进行考虑，如果对冷冻机组管路系统进行改进，使含有腐蚀性介质的冷冻水不流经蒸发器，同时又能起到冷却作用，那么就能解决这一问题。经分析研究，鉴于不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能，所以决定在蒸发器与冷罐之间加装一个不锈钢材料制作的热交换器，在系统中形成两路冷冻水循环管路，第一路是冷罐冷冻水流经冷水泵、不锈钢热交换器、喷淋头，第二路是蒸发器流出的冷冻水经冷冻水循环泵、不锈钢热交换器、蒸发器。
图3 SP31烟丝膨胀机冷冻水循环管路改造设计图
根据生产工艺条件要求，利用板式热交换器选型软件进行选型计算，最终确定加装的热交换器具体参数如下：
传热系数K=4000 W/（㎡·℃）；
换热面积A=6㎡
换热平均温差△t=3℃
传热效率≧0.6
SP31烟丝膨胀机采用的是CW120型水冷螺旋冷冻机组，其设备参数如下：
名义工况制冷量：135kW
功率：30.7kW
制冷剂：R22
冷冻水流量：26t/h
进水温度：12℃
出水温度：7℃
传热效率≧0.7
为验证加装不锈钢板式热交换器对循环水冷却效果和效率的影响，通过如下热力学计算：
冷冻机每小时制冷量Q=cm△t=4200×26000×（12-7）J
=546000KJ
板式热交换器每小时传热量Q=KA△t
=4000×6×3 Wh
=72KWh
=72×3600KJ
=259200KJ
冷罐循环冷却水每小时传热量Q=cm△t
=4200×1000×3J
=12600 KJ
由以上计算比较可以得出：（0.7×546000KJ）﹥259200KJ，且（0.6×259200KJ）﹥12600 KJ，即机冷冻机制冷量大于热交换器传热量，且热交换器的换热量能满足冷却循环水的换热要求，故对板式热交换器的选型是能满足生产工艺要求的。
4 结论
根据设计方案对SP31烟丝膨胀机安装了不锈钢板式热交换器经过跟踪观察和统计，发现经改进管路系统后的冷冻机组运行稳定，故障率为零，大大提高了烟丝膨胀机的有效作业率，也降低了因生产过程停机而对产品质量所造成的影响，有效保证了产品质量的稳定性。
参考文献
[1] 《卷烟工艺规范》中央文献出版社 2003年4月出版
[2] 《工程热力学》中国电力出版社 2007年9月 严家鵦，王永青
[3] 《中国机械行业标准汇编冷冻空调设备卷》机械工业出版社
[4] 《热力学》北京大学出版社 2011年9月 圆山重直（日）