密集烤煙房熱負荷分布規(guī)律研究

姚 曜 祝 健

?

密集烤煙房熱負荷分布規(guī)律研究

姚 曜 祝 健

（合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院 合肥 230009）

分析密集烤煙房熱負荷的組成，以烤房整體為對象分析其傳熱傳質(zhì)過程，建立合理的烤煙房能耗模型，探究烤煙房負荷分布規(guī)律。以云煙97品種為例，計算其煙葉烘烤過程的逐時負荷。研究結果表明：烤煙房負荷分布規(guī)律主要受煙葉失水速率影響，與排濕負荷分布規(guī)律類似；最大熱負荷出現(xiàn)在定色期后期；烤房的圍護結構負荷隨著時間的增長而增大，總量約占烤煙房熱負荷總量的15%。

烤煙房；負荷計算；圍護結構負荷；排濕負荷；分布

0 引言

我國是煙草大國，燃煤烘烤是我國各煙區(qū)長期以來廣泛采用的烤煙方式。燃煤烘烤無效能耗過大，既污染環(huán)境，又不經(jīng)濟。因此，熱泵烤煙成為烤煙節(jié)能的新途徑。近年來，空氣源熱泵技術開始廣泛應用于密集烤房煙葉烘烤，替代傳統(tǒng)燃煤烤房?？諝庠礋岜醚b置節(jié)約占用建筑面積，無需冷卻塔、冷卻水泵等管路系統(tǒng)，使用方便[1]?？緹煼繜嶝摵傻挠嬎闶菬岜煤婵驹O備選型的依據(jù)，烤煙房負荷分布規(guī)律的預測為系統(tǒng)的設計、節(jié)能運行及煙葉烘烤質(zhì)量都有很大的影響。因此，針對密集烘烤烤煙房負荷的計算和分析非常必要且具有現(xiàn)實意義。

1 煙葉烘烤的特點

煙葉烘烤采用現(xiàn)收現(xiàn)烤，一般在每年的7～9月，烘烤季節(jié)氣溫高，烘烤時間短，一個完整的烘烤周期約為6～8天，整個烘烤時間因煙葉的品種、質(zhì)量及其烘烤特性存在差異。

為保證煙葉的色澤、有效成分含量等，在烤煙各階段烤房的室內(nèi)熱濕環(huán)境均有嚴格的要求，現(xiàn)一般采用三段式烘烤工藝。整個烘烤過程分為變黃期、定色期和干筋期三個階段。變黃期烤煙房內(nèi)溫度低（36～42℃），排濕量大；定色期溫度相對較高（42～54℃），排濕量最大；干筋期溫度最高（65～68℃），排濕量非常小[2,3]。整個烘烤階段通過對烘烤環(huán)境溫度、濕度、時間的調(diào)控，依據(jù)煙葉外觀顏色和水分變化判斷葉內(nèi)物質(zhì)變化，達到將煙葉烤黃、烤干、烤香的目的。

2 烤煙房負荷的確定

2.1 烤煙房熱負荷計算模型的建立

烤煙房的負荷主要由外圍護結構產(chǎn)生的熱負荷和煙葉脫水產(chǎn)生的排濕負荷兩部分組成。外圍護結構的熱負荷可按常規(guī)圍護結構熱損失公式計算，因此烤煙房負荷確定的關鍵在于合理的確定煙葉脫水產(chǎn)生的熱負荷。

煙葉烘烤是一個復雜的傳熱、傳質(zhì)過程，同時伴隨著復雜的物理、化學變化。煙葉烘烤過程中熱泵系統(tǒng)將熱量傳給烤房內(nèi)的空氣，煙葉從空氣中吸收熱量使水分蒸發(fā)到空氣中，再由流動的熱空氣吸濕帶走。建立合理的烤煙房能耗模型，是確定烤煙房的負荷的關鍵。在諸多熱泵干燥系統(tǒng)的理論分析中，通常將干燥室內(nèi)空氣和物料的熱濕交換過程看作等焓吸濕過程?？諝夤┙o物料中水分蒸發(fā)的熱量又被蒸發(fā)出來的水蒸氣帶回到空氣中，即水分蒸發(fā)前后空氣的焓值基本不變[4]，空氣狀態(tài)變化如圖1所示。圖中，W為室外新風狀態(tài)點，R為與煙葉熱濕交換后的空氣狀態(tài)點，O為冷凝器進口空氣狀態(tài)點，S為冷凝器出口空氣狀態(tài)點，即送風狀態(tài)點。

圖1 烘烤過程空氣狀態(tài)變化

烘烤過程中，煙葉發(fā)生一系列的生理生化變化，產(chǎn)生對香氣有利的化學成分，這部分反應熱難以計算。因此，可將烤煙房內(nèi)的煙葉、空氣看作一個整體，以烤房圍護結構為邊界，通過烤煙房與外界環(huán)境的熱量和質(zhì)量平衡計算，得出煙葉烘烤過程中的熱負荷。煙葉烘烤過程簡化的傳熱傳質(zhì)過程如圖2所示。

圖2 烘烤過程傳熱傳質(zhì)簡化模型

圖中為進入和排出烤煙房的濕空氣的質(zhì)量流量，kg/h；1，2分別為進入烤煙房的新風和排出烤煙房的濕空氣的含濕量，g/kg；1，2分別為進入烤煙房的新風和排出烤煙房的濕空氣的焓值，kJ/kg；1，2分別為進入烤煙房的新風和排出烤煙房的濕空氣的溫度，℃；1，2為烘烤前鮮煙葉和烘烤后干煙葉的質(zhì)量；1，2為烘烤前鮮煙葉和烘烤后干煙葉的含水量；1為烤煙房圍護結構熱損失，kW；Q為熱泵機組的制熱量，kW。

2.2 烤煙房熱負荷的計算

2.2.1 烘烤工藝

圖3 云煙97品種三段五步式密集烘烤工藝曲線

目前國內(nèi)密集烘烤主要采用三段五步式密集烘烤技術，不同品種煙葉的烘烤工藝曲線存在一定差異，本文以云煙97品種為例，其三段五步式密集烘烤工藝曲線如圖3[5]所示，給定了烤房內(nèi)空氣溫濕度隨烘烤時間變化的情況。云煙97變黃速度略快，容易烘烤，在采收充分成熟煙葉的基礎上，變黃期溫度為38～42℃，使煙葉基本變黃，定色期為52～54℃，將葉片基本烤干，干筋期溫度不超過68℃，烘干全部煙葉。以工藝曲線給定的溫濕度為烤煙房內(nèi)設計參數(shù)計算圍護結構熱負荷。

2.2.2 圍護結構熱負荷的計算

1=(t-t) （1）

式中，1為圍護結構熱負荷，W；為計算傳熱面積，m2；為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；t為烤煙房內(nèi)設計溫度，℃；t為烤煙房外環(huán)境計算溫 度，℃。

煙葉烘烤是一個耗熱量很大的過程，我國煙葉烘烤無效能耗過大的原因之一是烤房圍護結構保溫性不夠，在標準烤房的基礎上進行保溫改造，可提高熱能利用率。

2.2.3 煙葉脫水排濕負荷的計算

根據(jù)質(zhì)量守恒，煙葉烘烤過程中的失水速率計算公式如下：

G=(2-1) （2）

式中，G為煙葉失水速率，kg/h。由該式可計算出進入和排出烤煙房的空氣質(zhì)量流量。

煙葉在烘烤過程中大致的失水情況為：變黃期失水率為27%～35%，定色期失水率為50～55%，干筋期失水率為10%～23%[3,6,7]。煙葉烘烤過程中的詳細失水速率[8]見表1。

表1 密集烘烤過程中煙葉葉片失水速率

綜合以上規(guī)律，結合工藝曲線對失水速率進行簡化計算，變黃期、定色期、干筋期失水量分別取31%、52.5%、16.5%，再結合表1各階段的失水速率來分配，最終確定各階段失水速率，見表2（表中數(shù)值為占總脫水量的比例）。

表2 烘烤各階段失水速率

煙葉脫水產(chǎn)生的排濕負荷Q可通過下式計算：

Q=(2-1) （3）

綜上，烤煙房的熱負荷為圍護結構熱負荷與煙葉脫水排濕負荷之和，即：

0=1+Q（4）

3 算例

依據(jù)本文提出的計算模型，以安徽皖南地區(qū)的云煙97品種的烘烤為例，計算其烘烤熱負荷。該品種的三段五步式密集烘烤工藝曲線如圖3所示，地點為宣城，圍護結構負荷采用DeST模擬。

計算條件說明：煙葉品種為云煙97，烤前鮮煙葉質(zhì)量為4000kg，煙葉烘烤時間按155h，實際煙葉生產(chǎn)過程中當天采收煙葉，當天裝房開烤（上午采收新鮮煙葉，下午編煙、裝煙，傍晚開始烘烤[7]），因此，選取7月3日18:00至7月10日5:00一個煙葉烘烤周期來估算烤煙房熱負荷。

3.1 圍護結構熱負荷的計算

烤煙房基本結構與參數(shù)[9]如表3所示。

表3 烤房基本結構與參數(shù)

在DeST中建立烤煙房模型，對其7月3日至7月10日的圍護結構負荷進行了逐時模擬，模擬結果如圖4所示。

圖4 烤煙房圍護結構熱負荷曲線

從模擬結果看出，烤煙房圍護結構熱負荷值整體隨著烤房內(nèi)溫度的升高而增大，峰值為7.23kW，出現(xiàn)在7月8日21:00時，主要原因是受逐時模擬氣象參數(shù)值影響。烘烤過程中，圍護結構熱負荷累計總量為562.63kWh。

3.2 煙葉脫水排濕熱損失的計算

云煙97為中部煙葉，鮮煙葉的濕基含水率一般在85%～90%（取88%計算），烘烤結束時的濕基含水率約為6.5%，依據(jù)表2給出的失水速率計算得到對應的失水量變化趨勢如圖5所示。圖中可以看出，定色期失水速率最大，變黃期次之，干筋期失水速率最小。

根據(jù)式（2）、式（3）求出進入烤煙房的空氣質(zhì)量流量和排濕熱損失Q。進入烤煙房的空氣質(zhì)量流量和排濕熱損失隨時間的變化情況如圖6和圖7所示。

在烘烤初始時刻，烤房內(nèi)相對濕度低于工藝要求，因此不通入新風，先對烤房內(nèi)空氣密閉加熱，至相對濕度達到工藝要求再通入新風，維持烤房內(nèi)的溫濕度使其滿足工藝要求。該密閉加熱階段時長經(jīng)計算不足5min，相較整個烘烤過程155h影響很小，為了方便討論，忽略不計。

圖6中表明，烘烤過程中排濕所需的新風量曲線與煙葉失水速率曲線變化趨勢一致。在初變黃期，快速升溫（見工藝曲線圖3，升至36℃），失水量較大，同時初始階段烤房內(nèi)與室外空氣的含濕量差較小，因此所需風量較大；在變黃穩(wěn)溫期（38～42℃），空氣流量維持在600kg/h左右；在定色期前期（42～48℃）空氣流量在1300kg/h左右，定色期后期（48～54℃）約為1800kg/h左右，空氣流量峰值也在此時期，達到2120kg/h；干筋期空氣流量維持在400～500kg/h。

圖5 煙葉失水速率

圖6 排濕空氣質(zhì)量流量

圖7 排濕負荷

煙葉脫水排濕熱損失與排濕空氣流量和烤煙房內(nèi)外空氣焓差成正比，在烘烤工藝曲線確定的情況下，室外環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)是最主要的影響因素。如圖7所示，烘烤過程中排濕熱損失最大值為47.49kW，出現(xiàn)在定色期后期。

3.3 烤煙房的熱負荷

綜上，根據(jù)式（4）烤煙房的熱負荷隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8 烤煙房熱負荷

烤煙房熱負荷隨時間變化規(guī)律與排濕熱損失隨時間變化規(guī)律類似，即烤煙房熱負荷主要取決于失水速率。整個烘烤過程中最大熱負荷為51.74kW，出現(xiàn)在定色期后期，此時排濕熱損失為47.49kW，占烘烤熱負荷的91.8%，圍護結構熱損失為4.25kW，占烘烤熱負荷8.2%。整個烘烤過程負荷總量為3847.95kWh，平均負荷為24.83kW，排濕負荷總量為3285.32kWh，負荷總量的85.4%，圍護結構負荷總量為562.63kWh，占負荷總量的14.6%。

4 總結

（1）本文對密集烘烤烤煙房負荷的計算進行了簡要分析，以烤房整體為對象做了簡化的傳熱傳質(zhì)分析，建立了計算模型；并以云煙97品種為例，對其烘烤過程中的逐時負荷進行了計算分析。

（2）計算結果表明烤煙房負荷分布規(guī)律與排濕負荷分布規(guī)律類似；最大熱負荷出現(xiàn)在定色期后期；圍護結構負荷總量占烤煙房熱負荷總量的14.6%，不可忽視，一些文獻認為圍護結構負荷相較排濕負荷比例很小，可忽略不計，是不可取的。

（3）烤煙房熱負荷確定的難點在于烘烤過程中煙葉的失水速率的確定，而煙葉品種的不同，具體烘烤工藝曲線的不同對失水速率都有影響，若需進行更精確的計算，則需要各品種煙葉詳細的烘烤失水速率。

[1] 唐娟,李夔寧.基于可再生能源的熱泵空調(diào)技術[J].制冷與空調(diào),2007,21(4):62-65.

[2] 晏明,于軍強,張立志.烤煙房熱濕回收利用研究進展[J].農(nóng)機化研究,2010,(5):247-252.

[3] 馬翠玲,李佛琳,崔國民.不同類型烤房中煙葉水分動態(tài)變化規(guī)律[J].中國農(nóng)學通報,2007,23(6):630-633.

[4] 呂君,魏娟,張振濤,等.基于等焓和等溫過程的熱泵烤煙系統(tǒng)性能的理論分析與比較[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28 (20):265-271.

[5] 徐楓.烤煙三段式烘烤技術工藝操作要領（圖）[J/OL].[2011-07-13].http://www.tobaccochina.com/tobaccoleaf/curing/curing/20117/20117814271_472710.shtml

[6] 趙銘欽,宮長榮,汪耀富,等.不同烘烤條件下煙葉失水規(guī)律的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報,1995,29(4):382-387.

[7] 宮長榮,王曉劍,馬京民,等.烘烤過程中煙葉的水分動態(tài)與生理變化關系的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報,2000,34 (3):229-231

[8] 趙華武.密集烘烤過程中烤煙葉水分、電特性和葉間風速變化的研究[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學,2012.

[9] Q/GDYY 019-2011,密集式烤房建設技術規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2011.

The Study of the Heating Load Distribution of Bulk Curing Barn

Yao Yao Zhu Jian

( School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, 230009 )

This paper aims to analyze the constitution of the heating load of bulk curing barn and the heat and mass transfer process for the whole bulk curing barn and set up the energy consumption model to explore the load distribution of bulk curing barn. Calculating the hourly load in the process of tobacco curing by Yunyan97 as an illustration. The results shows that the load distribution is mainly affected by the dehydration rate of tobacco, which is similar to the distribution of humidity load; the largest heat load appeares in the later period of the color fixing stage; the envelope heating load increases with the growth of time, which amount is 15% of the amount of the heating load of the bulk curing barn.

bulk curing barn; load calculation; envelope heating load; humidity load; distribution

1671-6612（2017）04-411-05

TU83

A

姚 曜（1992-），女，在讀碩士研究生，E-mail：771588242@qq.com

祝 健（1967-），女，碩士，副教授，碩士生導師，E-mail：244532273@qq.com

2016-08-02