茶葉烘焙機余熱回收的研究

林大煜 李鐘慎

（華僑大學機電及自動化學院，福建 廈門 361021）

茶葉烘焙機余熱回收的研究

林大煜 李鐘慎

（華僑大學機電及自動化學院，福建 廈門 361021）

現有的茶葉烘焙機在排濕過程中排出的是含有大量熱量的高溫濕氣，直接排放在空氣中不僅損失大量的熱量，造成環境污染，而且還會使烘焙效率低，能源消耗大。針對現有茶葉烘焙機的不足，提出采用管殼式換熱器對茶葉烘焙機的余熱進行回收。結果表明，有余熱回收裝置的茶葉烘焙機節約了能源，提高了效率，具有良好的經濟效益和社會效益。

茶葉烘焙機；余熱回收；換熱器

能源是人類賴以生存的基礎。中國擁有世界第二大能源系統，但人均能量資源占有量卻僅為世界平均水平的1／2，整體能源使用效率相對于發達國家嚴重偏低。面對這個現實，節約能源的任務迫切而艱巨。近年來茶葉產業是所有產業中發展最快的產業之一，茶葉生產的發展對加工過程提出了品質管理的要求。茶葉烘干是茶葉加工中的一個重要環節，也是能耗最大的作業，約占茶葉加工中總能耗的50%～70%［1］。因此，回收茶葉烘干過程中的余熱，即提高烘焙的效率，又保護了環境，對快速發展中的茶葉產業具有重要的意義［2］。

1 茶葉烘焙機的原理

茶葉烘焙機的結構如圖1所示，發熱器設置在箱體的內上部，從風機進入箱體內的冷風經過發熱器的加熱成為熱風；熱風進入箱體內，篩架在旋轉電機的帶動下轉動，從而帶動放置在篩盤上的茶葉轉動；在熱風的加熱下，茶葉均勻受熱，從而達到烘焙的效果，經過熱傳輸的熱濕風從最后從設置的排氣口排出。這種結構的茶葉烘焙機，結構簡單，布局合理，烘焙效果好。烘焙機內部設有溫度控制系統，通過控制電爐絲的工作狀態來使得烘焙箱內溫度保持在設定的烘焙溫度。

但是熱濕氣直接由排氣口排出不僅僅損失了大量的熱量并且造成了環境的污染，而且烘焙效率低，能源消耗大。

圖1 茶葉烘焙機的結構圖Figure 1 Structure char of tea baker

2 管殼式換熱器的原理

管殼式換熱器是在一個殼體內設置許多平行的管子（稱這些平行的管子為管束），讓兩種流體分別從管內空間（管程）和管外空間（殼程）流過進行熱量的交換［3］。圖2所示的就是管殼式換熱器的基本結構。

管殼式換熱器的主要優點是結構簡單，造價較低，選材范圍廣，處理能力大，還能適應高溫高壓的要求，雖然它面臨著各種新型熱交換器的挑戰，但是由于它的高度可靠性和廣泛的適應性，至今仍然處于優勢地位［4］。

圖2 管殼式換熱器基本結構Figure 2 The basic structure of shelland－tube heat exchanger

3 采用管殼式換熱器進行余熱回收

3.1 換熱器的結構設計

根據茶葉烘焙機的結構，設計的換熱器的結構如圖3所示。設計有如下特點：① 采用固定管板式設計，結構簡單，重量輕，在殼程相同的情況下可排的管數多［5］；② 由于箱體內的溫差不超過100℃，管子在管板上的固定采用焊接法，在高溫高下仍然可以保持連接的緊密型，且對管板孔的加工要求較低且工藝簡單［6］；③ 管子在管板上的排列采用正方形排列，易于清掃。

圖3 換熱器外部俯視圖Figure 3 Top view of the shell－and－tube heat exchanger

在換熱器內部，傳熱管束的排列方式是類U形，如圖4所示，管子的兩端固定在同一塊管板上，彎曲段不加固定，使每根管子具有伸縮余地而不受其他管子和殼體的影響，易于拆卸和清洗。

進入茶葉烘焙機箱體的冷空氣先由熱傳導進氣口進入連接管后經由傳熱管束進入到換熱器的殼體中，而由烘焙機箱體內排出的高溫濕氣經由烘焙機排氣口也進入換熱器的殼體中，根據熱傳導原理，在殼體中，高溫濕氣和傳熱管束中的冷空氣進行熱交換，高溫濕氣的溫度下降的同時傳熱管束中的冷空氣的溫度上升，溫度上升了的冷空氣再經由管箱從烘焙機進氣口進入到烘焙機的箱體內，而換熱后低溫的濕氣經由換熱器排氣口排出，實現了換熱器將濕氣排出，把熱量回收對冷空氣預熱的功能，實現了節能環保［4］。

圖4 換熱器內部結構圖Figure 4 Internal structure of the shelland－tube heat exchanger

3.2 對比試驗

3.2.1 試驗對象 無余熱回收裝置的茶葉烘焙機和有余熱回收裝置的茶葉烘焙機。

3.2.2 試驗條件

（1）4層茶葉；

（2）茶葉重：4×1.25＝5 kg（含水率為28%）；

（3）水重：4×0.27＝1.08 kg；

（4）試驗時間：1 h；

（5）烘焙機設定的烘焙溫度：100℃。

3.2.3 測量參數

（1）升溫時間：烘焙機剛開始工作時，箱體內烘焙溫度由20℃升至100℃所需要的時間。

（2）加熱時間：當烘焙機達到設定的烘焙溫度后，在溫度控制系統的控制下電爐絲的工作時間。

（3）保溫時間：當烘焙機達到設定的烘焙溫度后，在溫度控制系統的控制下電爐絲的不工作的時間。

（4）耗電量：烘焙機完成一次烘焙所耗的電量。

試驗結果如表1所示（前、中、后指的是保溫和加熱過程中的3個不同時間段，通過這3個時間段的對比更可以看出余熱回收的效果）。

表1 試驗結果+Table 1 The results of experiment ／s

經試驗得出：在茶葉烘焙過程中，有余熱回收的茶葉烘焙機升溫時間和加熱時間都明顯減小，而保溫的時間延長。每臺有余熱回收的茶葉烘焙機每小時可省電2.2 k W／h，按每度三相電0.73元，每臺烘焙機每天工作8 h計算，每臺烘焙機每年大概可以省電約4 625元，具有良好的經濟效益。

4 結論

試驗表明有余熱回收裝置的茶葉烘焙機熱交換強度高，有利于在平均溫差下工作。結構簡單，采用了管殼式的設計，增加了傳熱的面積，使得進入烘焙機的冷風的溫度提高了10～12℃，大大提高了烘焙的效率。而且安裝方便，需要更換或者清洗時只需將管束抽出即可，經濟合理且運行可靠。保證了熱交換中的流體的阻力較小，減少了換熱器的動力消耗，進一步的節約能源，提高效率，經濟效益好，具有很好的發展前景。

1 余建祖.換熱器原理與設計［M］.北京：北京航天航空大學出版社，2006：25～27.

2 徐昌盛.廢氣焚燒裝置余熱回收熱交換器的設計［J］.大眾科技，2006（4）：103～105.

3 支浩.換熱器的研究發展現狀［J］.化工進展，2009（28）：338～342.

4 余建祖.換交換器設計中兩種方法的比較［J］.鄭州輕工學院學報，2006，21（1）：81～83.

5 楊軍飛.板式熱交換器與管式熱交換器的比較分析［J］.包裝與機械，2008，29（7）：205～206.

6 楊光，湯廣發.小型熱回收裝置的可行性研究［J］.建筑熱能通風空調，2005，24（3）：56～59.

Study of residual heat of the tea baker

LIN Da－yu LI Zhong－shen

（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，Fujian361021，China）

The existing tea baker discharged the hot and wet air when it in the course of discharging the wet air which has a lot of heat.The hot and wet air discharged into the environment directly not only wasting but also polluting the environment，with low bake efficiency.Residual heat of the tea baker using the shell－and－tube heat exchanger was presented according to the shortage.The experiments showed that the tea baker with the shell－and－tube heat exchanger conserves energy，improves efficiency，had a good economic and social benefits.

tea baker；residual heat recovery；shell－and－tube heat exchanger

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.031

泉州市科技計劃項目（編號：2010Z52）；華僑大學基本科研業務費專項基金（編號：JB－ZR1107）

林大煜（1985－），男，華僑大學在讀碩士研究生。E－mail：nihaoarrow＠163.com

李鐘慎

2011－11－01