陳霖，袁銳波，錢俊兵，何邦華，劉澤，唐軍

1 昆明理工大學機電工程學院，云南省昆明市呈貢區(qū)景明南路727號 650504；

2 云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

卷煙加料技術是指在卷煙的生產(chǎn)過程中，在煙葉上施加“料液”的工藝過程[1]，目前加料的方法主要有噴料法、浸料法兩種[2]。其中，在使用噴料法對煙葉加料的過程中，滾筒內(nèi)部的溫度控制是非常關鍵的[3]?，F(xiàn)階段關于煙葉加料滾筒溫度研究的報道較少，且主要集中在滾筒壁溫度及出料口溫度測定方面。溫度儀表測量方法分為接觸式和非接觸式。接觸式測溫定位準確、精度高，但加料滾筒工作過程中，會存在不易布線、測量裝置體積較大、不利于固定等測量問題[4]。非接觸式測溫大多采用紅外溫度傳感器，而紅外溫度傳感器也只能固定在被測物體上，無法測量溫度的分布情況[5]。本文采用了非接觸式測溫的方法并結(jié)合紅外熱像儀可以間接測溫的特點[6]，設計了一套基于紅外熱像儀的滾筒內(nèi)部溫度檢測裝置，實現(xiàn)了滾筒內(nèi)部某個截面溫度分布測量的目標，并針對相應檢測結(jié)果進行了分析。

1 儀器與方法

1.1 儀器

紅外熱像儀NEC R300SR-D（測溫范圍-40-500 ℃，溫度分辨率為0.05(±1) ℃）；煙葉加料試驗平臺（載料流量300kg/h，轉(zhuǎn)速4.7-26.5 r/min，內(nèi)徑0.775 m，壁厚8 mm，長度3 m，熱風參數(shù)：風速780 m3/h、熱量30700 Btu/h，熱蒸汽壓力0.4 Mpa、額定蒸發(fā)量4 kg/h、飽和蒸汽溫度為151 ℃）；圓形銅片（密度8.8 g/cm3，直徑70 mm ，厚1 mm）；溫度校驗儀Beamex MC2（0～1820 ℃，分辨率0.01 ℃，溫度系數(shù) ＜± 0.015 %RDG/℃）。

1.2 設計原理及方法

1.2.1 滾筒內(nèi)部溫度分布的仿真分析

利用三維建模軟件SOLIDWORKS對煙葉加料試驗平臺滾筒部分（如圖1(a)所示）進行三維建模，如圖1(b)所示。為了方便研究，可把滾筒運動空間平均分布為六個區(qū)域，分別用截面1至截面5作為分界線，如圖2所示。

圖1 透明加料試驗滾筒裝置實物圖及三維模型Fig.1 Material drawing of cylinder and 3D model

圖2 加料滾筒空間分布示意圖Fig.2 Spatial distribution of casing cylinder

采用CFD商業(yè)軟件ANSYS Fluent 18.0對熱風加熱條件下滾筒內(nèi)部的溫度場進行仿真分析[6]。其中邊界條件為：熱風風速為10 m/s，溫度為70 ℃，排潮出口及落料口設置為壓力出口，默認設置，計算其前100 s的滾筒溫度分布情況，溫度分布云圖如圖3-4所示。

圖3 軸向截面溫度云圖分布Fig.3 Nephogram of axial temperature distribution

圖4 截面5-1徑向溫度云圖分布Fig.4 Nephogram of radial temperature distribution of cross section 5 to 1

從工藝熱風加熱條件下的軸向溫度云圖（圖3）可以看出，滾筒內(nèi)部軸線上不同位置的溫度是不同的；從截面云圖（圖4）可以看出，滾筒截面平均溫度從出熱風入口處向出口處逐漸減小，并且每個截面的溫度分布不均勻。

1.2.2 系統(tǒng)設計

利用紅外熱像儀檢測目標物體在使用工作過程中的溫度狀態(tài)，是溫度檢測技術的一種，主要由信息檢出、信號處理、信號識別評價、預測技術四個方面組成[6]。本測量系統(tǒng)由加料滾筒試驗平臺4、銅片吸熱裝置5和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（紅外熱像儀、電腦）等構成，如圖5所示。通過紅外熱像儀對放置于滾筒內(nèi)的銅片吸熱裝置5進行拍攝，再通過導熱公式進行溫度換算，計算得到該時刻滾筒內(nèi)部截面的溫度，具體流程如圖6所示。

圖5 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of test system

1.2.3 銅片吸熱裝置設計

根據(jù)仿真結(jié)果可知，滾筒內(nèi)部不同截面上的不同位置溫度分布不同，故吸熱設備應能夠吸收不同位置的熱量。銅的導熱系數(shù)為377 W/mK，具有良好的導熱性能，故利用銅片進行吸熱，并進行溫度轉(zhuǎn)換，可得到該位置的溫度數(shù)據(jù)[7]。以此設計的溫度吸熱裝置如圖7所示，由固定環(huán)3，固定器4，支架9、10及圓形銅片11構成，銅片作為吸熱片。該裝置外圈可固定在滾筒內(nèi)，使銅片均勻排布于整個滾筒空間?？紤]到流動干擾，銅片規(guī)格定為直徑70 mm，厚度1 mm，內(nèi)徑775 mm的滾筒可以布置65個圓形銅片。

圖6 溫度測量系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 Flow chart of temperature measurement system

圖7 銅片吸熱裝置Fig.7 Temperature acquisition equipment

銅片吸熱裝置可任意放置于不同的滾筒截面處，如圖8所示。

圖8 溫度測量系統(tǒng)安裝示意圖Fig.8 Installation of temperature measurement system

1.2.4 溫度轉(zhuǎn)換

通過紅外熱像儀采集不同截面處吸熱裝置上銅片的溫度，利用溫度轉(zhuǎn)換公式1，進行溫度轉(zhuǎn)換。

式中：TWO為銅片壁溫度，K；T1為熱流體溫度，K；Qi為傳熱量，W；A為外表面積，m2；α為傳熱系數(shù)，W/（m·k）。銅的導熱系數(shù)398 W/（m·k），圓形銅片直徑70 mm。

1.2.5 溫度測量的非線性校正

與其他測溫元件一樣，測量溫度與轉(zhuǎn)換后的溫度之間存在非線性關系，需要通過非線性校正來提高溫度測量精度[7-8]。本文采用溫度傳感器為Pt100 鉑電阻高精度溫度檢驗儀Beamex MC2，對溫度測量進行比對校正，得到校正公式為:

經(jīng)過校正過的試驗溫度數(shù)據(jù)與校驗儀檢測的溫度對比如表1所示，最大誤差為3.84%。

表1 試驗數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Test data and parity data

2 結(jié)果與分析

2.1 滾筒內(nèi)溫度場檢測結(jié)果

利用紅外熱像儀對不同工況不同位置的銅片吸熱裝置進行拍攝，持續(xù)100 s。導出溫度數(shù)據(jù)并進行溫度裝換，對應各個圓形銅片的溫度數(shù)據(jù)進行排列，得出如圖9-13所示的溫度分布情況。

從溫度分布圖可以看出，在熱風加熱條件下（圖9-13 a）從截面5到截面1溫度分布逐漸趨于均勻，總體溫度逐漸降低，高溫區(qū)域主要集中在軸線以下部位；熱蒸汽作用下（圖9-13 b）加熱區(qū)域較為集中，滾筒軸線以下部分溫度較低；熱風及熱蒸汽共同作用下（圖9-13 c），溫度分布更為均勻，覆蓋面積更大，整個截面溫度更高。

圖9 截面5 熱風(a)、熱蒸汽(b)、熱風熱蒸汽(b)作用下的溫度分布 Fig.9 Temperature distribution at Section 5 under the action of hot air (a), hot steam (b) and hot air and hot steam (b)

圖10 截面4 熱風(a)、熱蒸汽(b)、熱風熱蒸汽(b)作用下的溫度分布 Fig.10 Temperature distribution at Section 4 under the action of hot air (a), hot steam (b) and hot air and hot steam (b)

圖11 截面3 熱風(a)、熱蒸汽(b)、熱風熱蒸汽(b)作用下的溫度分布 Fig.11 Temperature distribution at Section 3 under the action of hot air (a), hot steam (b) and hot air and hot steam (b)

圖12 截面2 熱風(a)、熱蒸汽(b)、熱風熱蒸汽(b)作用下的溫度分布 Fig.12 Temperature distribution at Section 2 under the action of hot air (a), hot steam (b) and hot air and hot steam (b)

圖13 截面1 熱風(a)、熱蒸汽(b)、熱風熱蒸汽(b)作用下的溫度分布 Fig.13 Temperature distribution at Section 1 under the action of hot air (a), hot steam (b) and hot air and hot steam (b)

2.2 滾筒內(nèi)溫度場結(jié)果分析

從入料端正視滾筒內(nèi)部的煙葉運動示意圖，利用計算機仿真軟件EDEM模擬煙葉空間運動示意圖，如圖14(a)所示，煙葉在加料過程中主要集中在右下位置，該區(qū)域為煙葉的有效運動空間，選取該區(qū)域定義為煙葉的核心加熱區(qū)[9]，并在銅片吸熱裝置示意圖上進行標記如圖14(b)。核心加熱區(qū)內(nèi)由32片銅片的溫度數(shù)據(jù)作為加熱性能的主要指標。

圖14 煙葉運動示意圖(a)，核心加熱區(qū)示意圖(b) Fig.14 Diagrams of tobacco leaf movement(a) and core heating zone(b)

提取各加熱工況下的核心加熱區(qū)溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計求出平均值，繪制如下溫度圖表。

圖15 各截面不同加熱條件的溫度分布 Fig.15 Temperature distribution at different sections under different heating conditions

由圖15可看出，同一時刻從入料端到出料端各截面核心加熱區(qū)溫度逐漸降低；熱蒸汽作用下溫度的升高速率較快但不夠穩(wěn)定，存在一定的波動；熱風作用下溫度的升高較平穩(wěn)但增加速率緩慢；熱蒸汽及熱風共同作用下溫度升高較快，溫度上升更平穩(wěn)，加熱效果更佳。

3 結(jié)論

利用紅外熱像儀及銅片吸熱裝置搭建了滾筒內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)，能夠檢測滾筒內(nèi)部不同截面處的溫度分布情況。（1）滾筒內(nèi)部徑向截面存在核心加熱區(qū)，遠離入料口位置核心區(qū)平均溫度逐漸降低，不同截面處的加熱效率不同；（2）滾筒徑向溫度存在較大偏差，且隨著加熱時間的增加，溫差減小，內(nèi)部溫度趨于均勻。（3）熱風、熱蒸汽共同作用下更有助于滾筒內(nèi)部溫度的升高及加熱的效率；通過溫度檢測系統(tǒng)能夠直觀的表示出滾筒內(nèi)部不同截面處的溫度分布情況，為加料過程溫度場分析提供一定的參考。