ZJ116型卷接机组循环风机的改进设计
图1：水冷循环风机安装示意图（1.水冷循环风机 2.冷却水管路机构 3.空气分配箱 4.法兰座）
图2：补风装置结构图（1.补风口 2.热交换器 3.除尘管道 4.排风口）
目前国内卷烟生产企业常用的高速卷接机组有德国虹霓公司生产的PROTOS2-2、M5和M8，国产机型有ZJ116型和ZJ112型，这些机型的供料系统均采用流化床供丝技术；常用的中速卷接机组主要是国产的ZJ17型和德国虹霓公司的PROTOS70，其供料系统为拋丝辊供丝。据观察，实际生产中，中速机组ZJ17供料系统生产的烟丝束温度明显低于高速机组ZJ116生产的烟丝束温度，而温度是卷烟加工过程中的关键控制参数，对于烟丝的物理特性具有重要意义。由于ZJ17机组是当前国内卷烟企业的主流设备，烟丝配方也大多以适应ZJ17机组而设计。
为保证烟支感官质量，浙江中烟工业有限责任公司对生产过程中的烟丝束设定了温度范围，并提出了“三机打通”要求，即高速机组ZJ116、ZJ112与中速机组ZJ17必须实现生产牌号打通，且所有机型生产的同一牌号卷烟感官质量相近。分析发现，高速机组采用的流化床供丝技术在生产中主要以循环风机为载体，参与生产的循环空气在系统内不断循环，温度不断升高，超过了烟丝束生产所要求的温度，从而使高速机组生产的烟支感官质量有别于品牌特有的口感。为此，我们以ZJ116机组为研究对象，在不改变机组现有布局的条件下，采用水冷加风冷的方法对循环风机进行改造，使循环空气温度降低到卷烟工艺要求范围内，以满足企业的个性化生产需求，提高卷烟产品感官质量的一致性。
原因分析
ZJ116机组采用的流化床供丝系统主要由流化床、循环风机、空气分配箱等部分组成。循环风机的入风口通过入风管道、旋风除尘器与流化床腔体相连，出风口通过出风管道与空气分配箱相连，经过空气分配箱将空气分配至流化床喷嘴和一次、二次分选喷嘴，从而形成循环系统，使烟丝柔和成型并形成烟丝束。
为分析流化床供丝系统各部位的温度变化，我们对浙江中烟杭州卷烟厂3组ZJ116机组风机入风口、风机出风口及空气分配箱3个测试点的温度进行测量。由于流化床喷嘴的空气由空气分配箱提供，因此空气分配箱内的温度即为流化床喷嘴的温度。
测量结果表明，3台ZJ116机组空气分配箱内的平均温度为42.23℃，风机入风口平均温度为33.33℃，出风口平均温度为42.70℃。在额定生产速度下，风机出风口与入风口的温差达9.37℃，而出风口与空气分配箱之间的温差只有0.47℃。分析可见，空气通过风机后温度升高是引起流化床内部温度过高的主要原因。温差计算公式为：
式中，Δt为空气通过风机后的温差（℃），H为风机的全压（Pa），η为电机安装位置修正系数，η1为风机的全压效率，η2为电机效率。
查阅相关设备资料可知，风机的H=8700Pa，η1=0.8，电机安装在风机外部，则η=η2。计算可得Δt=8.7℃，风机理论温差8.7℃与实测温差9.37℃非常接近。这是由于风机在高速运转过程中，空气在风机叶轮带动下与风机外壳内壁摩擦产生大量热量，使风机出口的空气温度上升，而风机本身无自动冷却装置，也没有外部空气补充，由此造成流化床内部空气温度逐渐升高。
改进方法
1.降低循环风机温度。
为降低循环风机出风口与入风口之间的温差，我们重新定制了一台水冷循环风机，其主要技术参数与原风机参数基本相同。该风机总体结构分为3层：内层循环风机、中间多面包覆水冷装置、外覆隔热保温层。其工作原理为：循环风机工作时，空气在风机叶轮带动下与风机外壳摩擦所产生的热能，被多面包覆水冷装置吸收后使出风口温度降低；外覆隔热保温层阻断冷却水与环境空气进行热能交换，防止外表面出现冷凝现象。
由于水冷风机外形及安装尺寸发生改变，需重新对安装法兰座、空气分配箱进行设计，保证与换型后的水冷风机无缝对接。采用Creo软件参数化设计，得到水冷风机装配模型（见图1）。
2.降低循环风机入风口温度。
在循环风机入风口补充适量低温空气，降低入风口处温度。改进后选用了一台水汽式热交换器，该热交换器在冷却水温度15℃的条件下能够将流量为600立方米/小时的空气温度由24℃降低到18℃。根据热交换器的外形尺寸和安装方式，设计了安装支架并安装在ZJ116供料成条机的右罩壳部分。
根据ZJ116流化床供丝系统工作原理，系统内风量必须保持恒定才能保证整个系统的平衡和稳定。因此，通过循环风机入风口补充一定量的低温空气时，必须同时从系统内排出等量气体。为此，将排风口设计在旋风除尘器上方的管道上，排出的风量通过除尘管道调整后进入机组的除尘系统。
现场测得，循环风机入风管道风速v1=32m/s，补风口管道直径D1=27mm，旋风除尘器上方管道风速v2=45m/s，冷水风机上共有4个补风口，则补充的风量Q1为：
式中，Q1为补充的风量（m3/s），v1为循环风机入风管道风速（m/s），D1为补风口管道直径（mm）。
排出的风量Q2为：
式中，Q2为排出的风量（m3/s），v2为循环风机入风管道风速（m/s），D2为排风口管道直径（mm）。
由于风量要保持恒定，则Q1=Q2，由此可以计算得出排风口管道直径D2=46mm。根据得到的直径D2设计排风口管道，采用Creo软件参数化设计，得到补风装置模型（见图2）。
应用效果
为验证改进效果，我们对杭州卷烟厂ZJ116机组进行了改进及现场对比测试。
1.试验设计。
材料：“利群”牌号卷烟配套烟丝及辅料。
设备和仪器：ZJ116、ZB48、ZJ17、ZB45各1组，MC6多功能过程校验仪（温度精度为0.01℃）1台，TA2437型温度传感器3个。
温度检测方法：将3个温度传感器分别设置在ZJ116机组循环风机入风口、循环风机出风口及空气分配箱，再将3个温度传感器分别与多功能过程校验仪连接读取温度数值。在3种工作条件下分别对改进后系统进行测试：①只对冷水风机进行制冷，不补充低温空气，即降低风机温度；②只对风机入风口补充低温空气，冷水风机不制冷，即降低入风口温度；③冷水风机制冷且风机入风口补充低温空气。
感官质量评价：ZJ116和ZJ17机组均使用同一批次烟丝，分别稳定运行30分钟后取样。制作样品分为5种，即ZJ116机组降温前生产样品A，降温后3种条件下生产样品B、C、D，ZJ17机组正常生产样品E。参照相关标准文件，由浙江中烟技术中心进行卷烟感官质量评价。
2.数据分析。
温度控制效果。试验结果表明，只降低冷水风机温度时，出风口与入风口的温差为6℃左右，与改进前温差9.37℃相比，减少3.37℃，空气分配箱温度降低到38.40℃；只降低风机入风口温度时，空气分配箱温度降低到39.32℃；冷水风机制冷且风机入风口补充低温空气时，空气分配箱温度降低到36.41℃，满足了浙江中烟生产工艺温度要求。
感官质量评价。改进后，ZJ116机组随着空气分配箱内温度的降低，感官质量得分显著提高，主要体现在香气质量、烟气浓度、丰富性、细腻度和圆润感有较大提升。其中，ZJ116在冷水风机制冷且风机入风口补充低温空气条件下生产的样品D得分最高，基本与ZJ17正常生产的样品E得分一致，仅在烟气丰富性、圆润度以及干燥性上略有差异。
