基于空氣源熱泵技術的三段五步式烤煙需熱特性分析研究

李金榮，朱斌祥，趙宗彬，張緩緩

（合肥通用機械研究院，合肥通用機電產品檢測院，安徽合肥 230031）

0 引言

煙葉烤房是煙葉烘烤的專用設備，隨著生產力的發展，煙葉烤房不斷更新換代，經歷了明火烤房、自然通風式普通烤房、熱風循環烤房、普改密烤房、密集烤房等形式[1]，目前國內普遍采用燃煤的密集烤房對煙葉進行烘烤，熱利用率低、耗煤量高，通常要烘烤得到1 kg干煙葉需要消耗標準煤1.5～2.5 kg[2]，熱利用率低、耗煤量高，而且燃煤煙氣直接排放的環境污染嚴重。熱泵技術以能夠有效回收低溫余熱，達到高效節能的特有優勢，在各行各業中得到了普遍應用，取得了快速發展[3]。近年來，河南農業大學的宮長榮、合肥通用機械研究院的朱斌祥、山東省標準化研究院的孫曉軍、中國科學院理化技術研究所的張振濤等對以高溫熱泵作為熱源的煙葉密集烤房進行了一些理論和試驗研究。研究結果表明，以高溫熱泵作為熱源的煙葉密集烤房能夠滿足煙葉烘烤工藝要求，與燃煤密集烤房相比，節能效果顯著。迄今為止，已公開的文獻少有針對煙葉烘烤過程中熱負荷變化及其影響機理的研究。煙葉烘烤過程中的需熱特性是研制熱泵加熱機組和設計烤房維護結構的基礎。如需熱特性分析不準確，將導致熱泵加熱機組的制熱能力與烤煙需熱量不匹配和烤房維護結構設計不合理，影響烤房的經濟性和煙葉烘烤質量[4]。因此，煙葉烘烤過程中需熱特性的分析研究對于熱泵加熱式煙葉烘烤技術的發展熱泵加熱式煙葉烤房的推廣應用具有十分重要的意義。對煙葉烘烤過程中需熱特性進行計算分析并經試驗驗證，研究熱負荷的主要組成及其變化規律。為烤房圍護結構及熱泵加熱式煙葉烘烤系統設計提供參考依據。

1 理論計算

1.1 計算基礎條件

1.1.1 熱泵加熱式煙葉烤房基本結構與技術參數

計算依據安徽省研制和推廣了AH系列烤煙密集烤房[4]的改良型熱泵加熱式煙葉烤房。該烤房包括墻體、房頂、門、觀察窗、熱風進風口、熱風進風道、回風口、回風道、排濕口、分風坡或分風裝置、內置掛煙架、編煙裝置等。裝煙室長8 000 mm，寬2 700 mm，高3 500 mm；墻體厚度240 mm，采用磚混結構，整體密封；屋面厚度120 mm，用整澆注鋼筋混凝土制作，設置隔熱層；裝煙室大門寬度2 700 mm，高度3 000 mm，開設于裝煙室一端，采用彩鋼板復合保溫板，保溫材料為聚苯乙烯泡沫板；觀察窗寬度300 mm，高度1 600 mm，裝煙室大門和裝煙室背面各開設一面，雙層中空玻璃。

1.1.2 計算模型的建立

煙葉烘烤是一個復雜的傳熱、傳質過程，同時伴隨著復雜的物理、化學變化[5]。煙葉烘烤過程中熱泵系統將熱量傳給烤房內空氣，煙葉從空氣中吸收熱量使水分蒸發到空氣中，同時煙葉也可能會產生化學反應熱，反應熱難于計算。如將烤房內煙葉、空氣作為一個整體，以烤房維護結構為邊界，該整體與外界環境之間的傳熱傳質過程就變得簡單明了。從宏觀角度，以烤房維護結構為邊界，通過烤房與外界環境的熱量和質量平衡計算，得出煙葉烘烤過程中熱負荷及其變化規律。

煙葉烘烤過程中傳熱傳質示意圖見圖1。

圖1 煙葉烘烤過程中傳熱傳質示意圖

1.1.3 煙葉烘烤工藝

煙葉烘烤是指將田間采收的具有一定潛在品質的鮮煙葉，放在烤房中，按一定的煙葉烘烤方法調節控制干、濕球溫度和通風條件，使煙葉脫水干燥，成為具有一定品質、風格、等級標準的干煙葉。在長期的生產實踐和技術發展的基礎上，目前國內逐漸形成了以三段式烘烤工藝為主的烤煙技術。計算依據適用于安徽皖南地區的云煙97品種三段五步式密集烘烤工藝曲線。

云煙97品種烘烤工藝曲線見圖2。

圖2 云煙97品種烘烤工藝曲線

由圖2可知，整個煙葉烘烤過程分為三段、五步，第一段為變黃階段，包括初變黃、主變黃兩步；第二段為定色階段，包括黃筋期和干葉期兩步；第三段為干筋階段，即干筋期。烤房控制的目標是使烤房內的干濕球溫度按照給定的三段五步式煙葉烘烤工藝曲線變化，為煙葉干燥提供適宜的干、濕球溫度條件，并確保煙葉在農藝過程中形成和積累的優良性狀顯露并固定下來。

1.1.4 其他條件

（1） 煙葉品種為云煙97，烤前鮮煙葉質量為5 000 kg，煙葉類型為中部煙葉，鮮煙葉（濕基）含水率（W1）一般在85%～90%（這里按88%計算），烘烤結束時干煙葉平均濕基含水率（W2）為6.5%，煙葉烘烤時間按150 h。

（2） 環境干濕球溫度按安徽宣城6月～8月平均值，干球溫度27℃，濕球溫度19℃。

（3）假定整個烘烤周期烤房裝煙室內干濕球溫度分布均勻。

1.2 熱負荷計算方法

以烤房維護結構為邊界，煙葉烘烤過程中熱量損失包括單位時間排濕帶走的熱量和單位時間圍護結構熱損失。

根據質量守恒，烘烤過程中煙葉失水速率可用下式計算：

式中：Gw——煙葉失水速率，kg/h。

根據能量守恒可得，烤房熱負荷Q0等于單位時間熱泵加熱機組的制熱量Qd，Qd可用下式計算：

式中：Q1——圍護結構熱損失，kW；Qp——排濕熱損失，kW。

Qp可通過下式計算，即：

Ql可通過圍護結構的熱損失公式計算，即：

式中：Q1——圍護結構熱損失，kW；

K——傳熱系數，w/（m2·℃）；

F——維護結構計算傳熱面積，m2；

tn——烤房內設計溫度，℃；

twn——烤房外環境計算溫度，℃；α——溫差修正系數。

1.3 結果與分析

1.3.1 煙葉烘烤過程中失水速率

根據煙葉外形變化和其脫水干燥程度的規律，以及前人對烘烤過程中煙葉含水量的實測結果，結合上述計算基礎條件中的相關數據，可得出煙葉烘烤過程中煙葉失水速率Gw與烘烤時間的關系曲線。

煙葉失水速率曲線見圖3。

圖3 煙葉失水速率曲線

由圖3可知，在煙葉烘烤過程中的干筋期以前，煙葉失水速率隨烤房內干濕球溫度呈上升趨勢，在干濕球溫度相對穩定的階段，煙葉失水速率基本恒定，在定色后期，煙葉失水速率達到最大值55 kg/h。

1.3.2 煙葉烘烤過程中排出烤房濕空氣流量

根據煙葉烘烤過程中煙葉失水速率、各階段進入烤房的新風和排出烤房的濕空氣的焓值，由公式（1）可得煙葉烘烤過程中排出烤房濕空氣質量流量變化曲線。

排濕空氣流量曲線見圖4。

圖4 排濕空氣流量曲線

由圖4可知，排出烤房濕空氣流量的主要影響因素為煙葉失水速率，其隨烘烤時間的變化規律與煙葉失水速率隨烘烤時間的變化規律類似，同時受烤房內外空氣含濕量的影響。

1.3.3 煙葉烘烤過程中排濕熱損失

煙葉烘烤過程中排濕熱損失按公式（3）計算，進入烤房新風的焓值I2和排出烤房的濕空氣的焓值I1根據空氣狀態參數查表確定，根據上述計算公式及計算參數，煙葉烘烤過程中排濕熱損失隨烘烤時間的變化曲線。

排濕熱損失曲線見圖5。

圖5 排濕熱損失曲線

由圖5可知，煙葉烘烤過程中排濕的目的是帶走煙葉中汽化至的烤房空氣中的水分，但同時也帶走了煙葉汽化潛熱和熱空氣的顯熱，排濕熱損失與排濕空氣流量和烤房內、外空氣焓差的乘積成正比，在煙葉烘烤工藝曲線確定的情況下，烤房外環境空氣狀態參數是最主要的影響因素。煙葉烘烤過程中排濕熱損失最大值為40.6 kW，出現在定色后期。

1.3.4 煙葉烤房維護結構熱損失

煙葉烤房維護結構熱損失按公式（4） 計算，圍護結構傳熱系數K根據THvac8.0天正暖通設計軟件確定，烤房內計算干球溫度tn按云煙97品種三段五步式密集烘烤工藝曲線確定，烤房外環境計算干球溫度twn按27℃計算，溫差修正系數α取1。根據上述計算公式及計算參數，煙葉烘烤過程中維護結構熱損失隨烘烤時間的變化曲線。

圍護結構熱損失曲線見圖6。

圖6 圍護結構熱損失曲線

由圖6可知，維護結構熱損失主要受烤房內干球溫度影響，在烤房外環境溫度一定時，與烤房內干球溫度成正比。

1.3.5 煙葉烘烤熱負荷

煙葉烘烤熱負荷等于單位時間熱泵加熱機組的制熱量，包括排濕熱損失和圍護結構熱損失，煙葉烘烤熱負荷可用公式（2） 計算其隨烘烤時間的變化曲線。

煙葉烘烤熱負荷曲線見圖7。

圖7 煙葉烘烤熱負荷曲線

由圖7可知，煙葉烘烤熱負荷隨烘烤時間的變化規律和煙葉失水速率隨烘烤時間的變化規律類似，整個烘烤過程中的最大熱負荷為43.7 kW，出現在定色后期。此時，排濕熱損失為40.6 kW，占煙葉烘烤熱負荷的93%，維護結構熱損失為3.1 kW，占煙葉烘烤熱負荷的7%。

2 試驗驗證及結果

2.1 試驗烤房

2.1.1 試驗烤房概述

在上述理論計算分析的基礎上，項目組自行研制的一套熱泵加熱及強制排濕煙葉密集烘干烤房，包括磚混結構的機房和裝煙室、變頻高溫熱泵加熱裝置和排濕風機等。

熱泵加熱式烤房結構示意圖見圖8。

圖8 熱泵加熱式烤房結構示意圖

2.1.2 試驗烤房運行原理

熱泵加熱裝置產生的熱風經布置在熱泵加熱裝置下部的出風口送入烤房下部，熱風經過煙葉后溫度降低，濕度增加，經回風道和回風口回到熱泵加熱裝置。烤房內濕度過大時，濕熱空氣由排濕風機排出室外。烤房采用干濕球溫度獨立控制。干球溫度通過變頻調速的方式來控制熱泵加熱裝置的制熱能力，以使熱泵加熱裝置制熱能力與煙葉烘烤過程中各個時段烘烤工藝所需的制熱量和加熱速率相匹配。濕球溫度通過排濕風機的啟停和排濕調節風閥的動作來控制。

2.1.3 試驗應用的烘烤曲線

試驗應用的烘烤曲線是以云煙97品種烘烤工藝曲線為基礎，烘烤過程中根據試驗煙葉的實際情況進行微調確定。

試驗煙葉烘烤工藝曲線見圖9。

圖9 試驗煙葉烘烤工藝曲線

2.1.4 試驗條件

試驗條件見表1。

表1 試驗條件

2.2 試驗結果

試驗通過驗證煙葉烘烤熱負荷理論計算的準確性，進而改進熱泵加熱機組的設計，使熱泵加熱機組的制熱量與煙葉烘烤過程中所需熱量更加匹配，溫度控制更精準，系統更節能。試驗利用畢托管測量熱泵加熱裝置出風口的風量，并根據對應時刻回風口空氣狀態參數和出風口空氣狀態參數，采用焓差法測算各時段熱泵加熱裝置的制熱量。

理論計算熱負荷曲線與實際制熱量曲線的對比見圖10。

圖10 理論計算熱負荷曲線與實際制熱量曲線的對比

3 結論

（1）理論計算熱負荷與熱泵加熱裝置實際制熱量曲線的變化趨勢大致相同。理論計算最大熱負荷為45.97 kW，試驗測算的最大制熱量為43.60 kW，相差2.37 kW，出現的階段與實際結果一致，同為定色后期。

（2） 實際制熱量曲線中出現了多個高峰區間，對應的階段為煙葉烘烤過程中的升溫階段，這與理論計算有一定差別，出現這種差別的原因是實際烘烤時升溫階段的升溫速率遠遠大于烘烤工藝曲線的升溫速率，而烤房內煙葉和空氣急速上升需要大量熱量。因而出現了升溫階段制熱量相對比穩溫階段熱負荷高的現象。

（3）烤房熱負荷隨烘烤時間變化趨勢與煙葉失水速率隨烘烤時間變化趨勢相似，在干筋期前呈上升趨勢，同時與烤房內干球溫度呈正相關，在干筋期隨煙葉失水速率的降低而減小，呈急速下降趨勢。

（4）在烤房熱負荷最大時，排濕熱損失約占烤房熱負荷的93%，圍護結構熱損失約占烤房熱負荷的7%。由此可知，煙葉烘烤過程中，排濕帶走的熱量是烤房熱負荷的主要來源，圍護結構熱損失所占比例很小。因此在熱泵加熱式煙葉烤房設計時，不宜過高要求烤房圍護結構的保溫性能，應重點考慮減少排濕熱損失或采取排熱回收措施，使熱泵烤房更經濟、節能。

（5） 從以上的比較分析來看，由于環境溫度、烘烤曲線等差異，理論計算結果雖然帶來了一定誤差和差異，但是從工藝要求來看，是可以接受的。因此利用此方法計算分析煙葉烘烤過程的需熱特性是可行的，且對熱泵加熱式煙葉烤房的設計具有一定參考意義。