以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕系統(tǒng)數(shù)值模擬分析

謝金梅，羅會(huì)龍

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

烘烤是決定煙葉品質(zhì)及其工業(yè)可用性的關(guān)鍵因素。密集烤房采取強(qiáng)制通風(fēng)及熱風(fēng)循環(huán)，具有裝煙密度大、省工、省時(shí)、易于自控等特點(diǎn)，21世紀(jì)以后，密集烤房已迅速成為國(guó)內(nèi)煙葉烘烤設(shè)備的一個(gè)主要發(fā)展方向[1]。但現(xiàn)行的密集烤房采用開(kāi)放式排濕方式，排濕氣流直接排向室外，排濕氣流中攜帶有大量的煙葉香氣成分及多種有益于提高煙葉烘烤品質(zhì)的氣體成分流失到外界，從而降低煙葉香氣物質(zhì)的含量，影響煙葉內(nèi)在品質(zhì)[2]。且排濕余熱損失嚴(yán)重，能量利用率低，煙葉烘烤能耗居高不下[3-4]。因此，探索新型高效節(jié)能、提質(zhì)增效的煙葉密集烘烤設(shè)施及其除濕特性具有重要的意義。

黃維[5]、王傳義等[6]、王方鋒等[7]分別分析比較氣流下降式密集烤房、氣流上升式密集烤房和普通烤房在烤后煙葉質(zhì)量方面的差異，結(jié)果表明，密集烤房烤后煙葉質(zhì)量比普通烤房好，而氣流下降式密集烤房比氣流上升式密集烤房烤后煙葉質(zhì)量高。孫敬權(quán)等[8]對(duì)已有燃煤密集烤房加熱室、裝煙室等進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，改造后的密集烤房烘烤性能良好、排濕順暢、熱能利用率提高、煙葉烘烤質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益也得到了改善。劉明宏等[9]、張樹(shù)堂等[10]分別設(shè)置了3種不同功率和風(fēng)量的軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)用于煙葉烘烤過(guò)程，結(jié)果表明烘烤時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響烤后煙葉香氣物質(zhì)，風(fēng)機(jī)功率過(guò)大不利于香氣物質(zhì)的形成，適宜風(fēng)機(jī)功率有利于改善烤后煙葉感官質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。包亞峰等[11-13]利用熱泵的節(jié)能環(huán)保性，提出利用熱泵對(duì)煙葉進(jìn)行干燥，通過(guò)數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)烤房?jī)?nèi)的熱濕環(huán)境及熱泵的性能進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了熱泵用于煙葉烘烤的可行性和節(jié)能性。

煙葉密集烘烤過(guò)程，排濕氣流溫度高，相對(duì)濕度大。因而，排濕氣流的露點(diǎn)溫度較高。在煙葉烘烤季節(jié)，室外新風(fēng)溫度低于排濕氣流露點(diǎn)溫度，因此室外新風(fēng)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效冷凝除濕。在此種背景下，為保留煙葉香氣含量，提高能源利用效率，本文提出一種以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕系統(tǒng)，數(shù)值模擬分析其換熱與除濕性能。

1 以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)主要包括裝煙室和加熱室，設(shè)備主要包括以室外新風(fēng)為自然冷源的除濕器、除濕氣流風(fēng)機(jī)、新風(fēng)風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、接水盤(pán)和排水管等，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。流出裝煙室的排濕氣流，一部分通過(guò)送風(fēng)管道進(jìn)入除濕器的蒸發(fā)段，被室外新風(fēng)冷卻至露點(diǎn)溫度以后凝結(jié)析出水分，水分經(jīng)過(guò)排水管排走，而另一部分則與經(jīng)過(guò)除濕器除濕脫水后的排濕氣流混合，混合后的氣流進(jìn)入加熱室進(jìn)行加熱，加熱后的干燥熱空氣進(jìn)入裝煙室內(nèi)繼續(xù)與煙葉進(jìn)行熱質(zhì)交換，重復(fù)下一次循環(huán)。

圖1 以室外新風(fēng)為自然冷源的水密集烤房冷凝除濕系統(tǒng)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

熱管換熱效率高、具有良好的導(dǎo)熱性、恒溫特性、管壁溫度可調(diào)性、可逆流換熱、傳熱速度快、全熱回收效率高、運(yùn)行安全可靠[14]等優(yōu)點(diǎn)，因此熱管及熱管換熱器廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域[15-18]。本文提出的以室外新風(fēng)為自然冷源的除濕器利用熱管的優(yōu)良性能對(duì)排濕氣流進(jìn)行冷凝除濕。如表1所示為除濕器設(shè)計(jì)參數(shù)，熱管采取逆流換熱的方式，叉排正三角形排列，管材為紫銅。

表1 除濕器設(shè)計(jì)參數(shù)

利用Fluent軟件對(duì)除濕器內(nèi)排濕氣流的流動(dòng)與換熱過(guò)程進(jìn)行模擬。由于除濕器中熱管管束較多，考慮到除濕器內(nèi)熱管對(duì)稱(chēng)分布，因此本文選取如圖2所示的代表性區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域進(jìn)行模擬研究。

圖2 計(jì)算域幾何模型

假設(shè)排濕氣流是不可壓縮的理想氣體，是由空氣和水蒸氣組成的單相多組分混合物，忽略排濕氣流冷凝過(guò)程中凝結(jié)液膜對(duì)流動(dòng)換熱的影響，不考慮排濕氣流冷凝過(guò)程中的動(dòng)量傳遞?？刂品匠贪巳S的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分輸運(yùn)方程。本計(jì)算模型中入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由出流，熱管壁面設(shè)為無(wú)滑移的固體邊界，邊界類(lèi)型為wall，其余面為上下模型的對(duì)稱(chēng)面，設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界。

根據(jù)昆明市密集烤房煙葉烘烤工藝，分別對(duì)各烘烤階段排濕氣流經(jīng)過(guò)除濕器蒸發(fā)段的冷凝除濕過(guò)程進(jìn)行模擬分析。烘烤各階段除濕器蒸發(fā)段入口處的排濕氣流參數(shù)如表2所示。工況1～工況7分別為昆明市密集烤房煙葉烘烤工藝的7個(gè)烘烤階段。

表2 排濕氣流入口參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 換熱性能分析

效率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，表征除濕器換熱效果的物理量有顯熱效率、潛熱效率和全熱效率[19-21]。圖3所示為除濕器在烘烤各階段的換熱效率。由圖3可知，在烘烤過(guò)程中除濕器顯熱效率逐漸升高，潛熱效率則先增大后減小，全熱效率介于顯熱效率和潛熱效率之間，除濕器的平均顯熱效率為53.58%，平均潛熱效率為26.68%，平均全熱效率為36.35%。

圖3 烘烤各階段換熱效率

2.2.2 除濕性能分析

熱濕交換中全熱量與顯熱量的比值稱(chēng)為析濕系數(shù)ξ，表示因濕交換而增大了的換熱量。

在烘烤各階段除濕器的析濕系數(shù)變化如圖4所示。變黃后期析濕系數(shù)最大為3.54，此后隨著烘烤過(guò)程中排濕氣流溫度上升，相對(duì)濕度下降，潛熱換熱量的比重減小，因此析濕系數(shù)逐漸降低，在干筋后期析濕系數(shù)最低為1.54。在變黃前期由于煙葉剛進(jìn)入烘烤狀態(tài)，裝煙室內(nèi)溫度較低，煙葉中水分蒸發(fā)量小，因此排濕氣流中水蒸氣含量低，潛熱換熱量相對(duì)較小，變黃前期析濕系數(shù)較變黃后期小。

圖4 烘烤各階段析濕系數(shù)

煙葉烘烤過(guò)程中，定色期為大排濕階段，失水量大，失水速度快；變黃期失水量適中，但失水速度慢；干筋期失水量少，但失水速度較變黃期快。圖5所示為烘烤各階段模擬除濕量變化情況，定色期除濕量最大，最大除濕量達(dá)到38.76 kg/h。

圖5 烘烤各階段的除濕量

3 優(yōu)化分析

3.1 迎風(fēng)面熱管間距優(yōu)化

迎風(fēng)面熱管間距是以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器中最大質(zhì)量流速的決定性結(jié)構(gòu)參數(shù)，與除濕器的傳熱強(qiáng)度、流動(dòng)阻力、振動(dòng)以及積灰狀況緊密相關(guān)，影響除濕器的除濕性能，是除濕器設(shè)計(jì)及選型中的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文分析迎風(fēng)面熱管間距為S=40 mm、S=45 mm、S=50 mm時(shí)對(duì)以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器換熱及除濕性能的影響。

3.1.1 換熱性能分析

分析煙葉密集烘烤過(guò)程各個(gè)烘烤階段，迎風(fēng)面熱管間距對(duì)以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器換熱性能的影響，如圖6～圖8分別為各烘烤階段3種不同迎風(fēng)面熱管間距下除濕器的顯熱效率、潛熱效率和全熱效率變化情況。由圖6～圖8可知，隨著迎風(fēng)面熱管間距增大，烘烤各階段除濕器的顯熱效率、潛熱效率和全熱效率降低，且降幅增大。干筋期排濕氣流進(jìn)出口溫差大，顯熱效率最高；定色期排濕氣流濕負(fù)荷較大，潛熱效率最高；變黃前期排濕氣流的溫度和含濕量較低，除濕器的顯熱效率、潛熱效率和全熱效率最低。

圖6 不同迎風(fēng)面熱管間距下烘烤各階段顯熱效率變化

圖7 不同迎風(fēng)面熱管間距下烘烤各階段潛熱效率變化

圖8 不同迎風(fēng)面熱管間距下烘烤各階段全熱效率變化

3.1.2 除濕性能分析

分析煙葉密集烘烤過(guò)程中各個(gè)烘烤階段，迎風(fēng)面熱管間距對(duì)以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器除濕性能的影響。圖9和圖10所示分別為各烘烤階段不同迎風(fēng)面熱管間距下除濕器的析濕系數(shù)與除濕量的變化。由圖9～圖10可知，在3種不同迎風(fēng)面熱管間距下析濕系數(shù)的變化較小，而除濕量則隨著迎風(fēng)面熱管間距的增大而先增大后減小，即迎風(fēng)面熱管間距S=45 mm時(shí)除濕器的除濕量最大，各烘烤階段中定色后期除濕量最大，變黃前期除濕量最小。

圖9 不同迎風(fēng)面熱管間距下烘烤各階段析濕系數(shù)變化

圖10 不同迎風(fēng)面熱管間距下烘烤各階段除濕量變化

綜合上述分析結(jié)果可得，迎風(fēng)面熱管間距為S=45 mm時(shí)除濕器的換熱效率略低于S=40 mm時(shí)的換熱效率，高于S=50 mm時(shí)的換熱效率，但除濕量最高。因此經(jīng)過(guò)綜合考慮，以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器中迎風(fēng)面熱管間距選取S=45 mm比較合適。

3.2 排濕氣流速度優(yōu)化

排濕氣流速度是影響以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器性能的重要因素，本文主要分析排濕氣流速度v分別為1、2、3、4和5 m/s時(shí)，對(duì)以室外新風(fēng)為自然冷源的密集烤房冷凝除濕器的換熱性能和除濕性能的影響。

3.1.1 換熱性能分析

分析煙葉密集烘烤過(guò)程各個(gè)烘烤階段，排濕氣流進(jìn)口速度對(duì)除濕器換熱性能的影響，如圖11～圖13分別為各烘烤階段不同排濕氣流進(jìn)口速度下除濕器的顯熱效率、潛熱效率與全熱效率變化情況。由圖11～圖13可知，排濕氣流進(jìn)口速度增大，烘烤各階段除濕器的顯熱效率、潛熱效率和全熱效率整體呈逐漸降低趨勢(shì)，干筋期顯熱效率最高，定色期潛熱效率最高，變黃前期排濕氣流溫度及含濕量較低，經(jīng)冷凝除濕后，排濕氣流溫度及含濕量變化較小，排濕氣流速度對(duì)除濕器換熱性能的影響較小。

圖11 不同進(jìn)口速度下烘烤各階段顯熱效率變化

圖12 不同進(jìn)口速度下烘烤各階段潛熱效率變化

圖13 不同進(jìn)口速度下烘烤各階段全熱效率變化

3.1.2 除濕性能分析

分析排濕氣流進(jìn)口速度對(duì)除濕器除濕性能的影響，如圖14～圖15分別為各烘烤階段不同排濕氣流進(jìn)口速度下除濕器析濕系數(shù)和除濕量的變化。由圖14～圖15可知，v=2 m/s和v=3 m/s時(shí)的析濕系數(shù)相對(duì)其他速度較大，但整體上烘烤各階段不同排濕氣流進(jìn)口速度下的析濕系數(shù)變化較小，而各烘烤階段的除濕量隨著排濕氣流進(jìn)口速度的增大而升高。

圖14 不同進(jìn)口速度下烘烤各階段析濕系數(shù)變化

圖15 不同進(jìn)口速度下烘烤各階段除濕量變化

綜合上述分析結(jié)果可得，排濕氣流進(jìn)口速度增大，除濕器的換熱效率整體上逐漸降低，但除濕量逐漸升高，v=2～3 m/s時(shí)除濕器的除濕性能較好，且在此速度下的除濕量已滿(mǎn)足煙葉密集烘烤工藝的除濕要求?？紤]到排濕氣流速度過(guò)大易將水蒸氣凝結(jié)析出的水分?jǐn)y帶進(jìn)入送風(fēng)系統(tǒng)，且對(duì)熱管的磨損也增大，影響除濕器的使用壽命，因此在滿(mǎn)足除濕負(fù)荷的前提下，選擇排濕氣流的適宜進(jìn)口速度為2～3 m/s。

4 結(jié)論

本文利用Fluent軟件對(duì)除濕器內(nèi)排濕氣流的流動(dòng)與換熱過(guò)程進(jìn)行模擬，分析了烘烤階段除濕器的換熱與除濕性能，并對(duì)迎風(fēng)面熱管間距及排濕氣流速度進(jìn)行優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論：

1）烘烤各階段除濕器的平均顯熱效率為53.58%，平均潛熱效率為26.68%，平均全熱效率為36.35%。最大除濕量出現(xiàn)在定色后期為34.89 kg/h；

2）結(jié)合煙葉密集烘烤運(yùn)行工況及除濕負(fù)荷分布規(guī)律，獲得了優(yōu)化后的迎風(fēng)面熱管間距為S=45 mm及適宜的排濕氣流進(jìn)口速度為2～3 m/s。