可調節氣流方向的閉式循環熱泵烤房的設計應用

任 杰，曹亞凡，盧曉華，閆 鼎，高 遠，李德侖，陳 垚，丁朋輝，龔鵬飛，蔡憲杰*

1. 中國農業科學院煙草研究所，山東省青島市嶗山區科苑經四路11 號 266101

2. 上海煙草集團有限責任公司，上海市楊浦區長陽路717 號 200082

3. 貴州省煙草公司畢節市公司，貴州省畢節市七星關區519 號 551700

4. 陜西省煙草公司延安市公司，陜西省延安市七里鋪街 716000

我國現行密集烤房大多以煤炭為主要能源，每烘烤1 kg 干煙需要消耗1.5～2.0 kg 煤炭，能耗較高，燃煤污染排放較大，致使烘烤成為煙草農業生產的主要污染來源[1-2]，減少烘烤過程中燃煤污染已成為現代煙草農業推進過程中亟需解決的問題。我國是能耗大國，調整能源結構，利用新能源進行煙葉烘烤是發展趨勢，而利用電能替代煤炭供熱的熱泵烤房是一種簡單有效的選擇。有關熱泵烤房的研究已有較多報道，但多為開式循環熱泵烤房[3-6]，而有關閉式循環熱泵烤房及其烘烤效果則研究較少。鮮煙葉含水率一般在80%以上，在煙葉烘烤進程中，煙葉中的水分大量向空氣中蒸發進入烤房，我國現行密集烤房一般都采用開放式排濕方式，打開冷風門吸入新鮮空氣，由排濕口直接向外界環境排出濕空氣以降低烤房內的相對濕度，煙葉干燥速度快，煙葉收縮幅度小，烤后煙葉欠柔軟[7]。此外，高溫高濕空氣的排出造成大量的能量浪費，也容易導致烤房內溫度劇烈變化，對烤后煙葉質量產生不利影響。而閉式循環空氣源熱泵烤房在整個煙葉烘烤過程中，烤房內循環的空氣不與外界進行交換，排濕階段利用蒸發器將空氣中的水蒸氣冷凝排出，熱量可以循環利用，減少了能源浪費，并可最大程度地保留煙葉中的致香物質和利于提高烘烤品質的氣體成分[8-9]。當前我國現有烤房均為氣流上升式或氣流下降式[10]，一旦烤房建造安裝完畢，則氣流方向不可調節。在煙葉實際烘烤中，有些裝煙方式對氣流方向有特定要求[11-12]，單一氣流方向會限制烤房的應用。此外，裝煙室一般裝煙3～4 層，根據不同煙葉烘烤階段，高溫層煙葉溫度較低溫層煙葉溫度高1～3 °C，導致上下層煙葉烘烤進度不一致[13]。而可調節氣流方向烤房可以根據需要調節氣流方向，實現上下層溫度一致，進而實現煙葉烘烤進度一致。為此，設計了一種可調節氣流方向的閉式循環熱泵烤房，并進行了烘烤效果試驗，以期降低煙葉烘烤對燃煤的依賴，改善煙葉柔軟性，提高煙葉烘烤質量。

1 系統設計

1.1 烤房結構

可調節氣流方向的閉式循環熱泵烤房主要由閉式循環熱泵一體機和裝煙建筑系統兩大部分組成，見圖1。其中，閉式循環熱泵一體機由導流塊、室內換熱器、室外換熱器、室內循環風機、壓縮機、四通換向閥、節流裝置、電磁閥、單向閥、室外冷凝風機、冷風門等組成；裝煙建筑系統由裝煙室、上風口、下風口、輔助排濕風閥等組成。

圖1 可調節氣流方向的閉式循環熱泵烤房結構圖Fig.1 Structure of closed-loop heat pump curing barn with variable airflow direction

熱泵一體機連接側設有第一上風口和第一下風口；第一導流塊和第二導流塊分別設置于機體內；室內換熱器A 和室內換熱器B 設于第一導流塊與第二導流塊之間的腔體內，均通過管道與室外換熱器連通；室內循環風機亦設于第一導流塊與第二導流塊之間的腔體內，用于提供機體內氣流流動的動力；1 號風閥設于第一導流塊與機體的內頂面之間，2 號風閥設于第一導流塊與機體連接側的內側面之間，3 號風閥設于第二導流塊與機體連接側的內側面之間，4 號風閥設于第二導流塊與機體的內頂面之間，均用于控制機體內氣流的流向；冷風門設于機體上，用于控制室內循環風機所在腔體與機體外的連通和封閉；壓縮機通過1 號四通換向閥連接在室內換熱器B 與室外換熱器之間的管道上；節流裝置也安裝在室內換熱器B 與室外換熱器之間的管道上；室外冷凝風機設置在室外換熱器的一側。

裝煙建筑系統設有與第一上風口連接的第二上風口，以及與第一下風口連接的第二下風口。上輔助排濕風閥和下輔助排濕風閥分別設于裝煙室的頂端和底端，用于控制裝煙室內氣體的流進和流出。

1.2 工作原理

可調節氣流方向烤房具有制冷、制熱、閉式循環除濕、輔助外排濕、氣流方向可調節5 大功能：①制冷模式。采用裝煙室內的循環空氣作為蒸發制冷的換熱介質，經過室內循環風機的循環作用，室內換熱器B 釋放冷量，熱量通過室外換熱器釋放到室外，實現制冷功能。②制熱模式。通過室外換熱器吸收機體外空氣中的熱量，經過室內循環風機的循環作用，室內換熱器B 釋放熱量，采用裝煙室內的循環空氣作為烘烤調制冷凝的換熱介質，將室內煙葉中水分吸收到干燥空氣中，同時將裝煙室內排出的潮濕空氣排放到裝煙室外。③閉式循環除濕模式。從裝煙室內排出的潮濕高溫空氣經過管道輸送到室內換熱器B 進行熱交換，處理到低溫干燥狀態，同時將冷凝水排出系統外；處理后的低溫干燥空氣經過室內換熱器A 進行熱交換，再處理到高溫干燥狀態；處理后的空氣經過室內循環風機額定輸送到裝煙室內，干燥的高溫空氣經過放置在裝煙室內的煙葉，吸收煙葉中的水分后再次成為潮濕高溫空氣。④輔助外排濕模式。在極端特殊情況下，當閉式循環除濕模式不能滿足排濕要求時，打開冷風門補充新風，上輔助排濕風閥和/或下輔助排濕風閥開啟，裝煙室內高濕空氣排出室外。⑤氣流方向轉換模式。通過對1～4 號風閥進行組合，可以實現氣流在上升式與下降式之間切換。其中，1 號風閥開、2 號風閥關、3 號風閥開、4 號風閥關組合，氣流方向為上升式；1 號風閥關、2 號風閥開、3 號風閥關、4 號風閥開組合，氣流方向為下降式。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗于2018 年8 月份在貴州省畢節市黔西縣高錦烘烤工場進行。供試品種為韭菜坪2 號，烤煙栽培管理均按照畢節市優質烤煙生產技術方案實施。

供試烤房為閉式循環熱泵烤房和燃煤密集烤房。閉式循環熱泵一體機在蘇州沃斯利新能源設備有限公司組裝，運輸到試驗地點后直接與裝煙室相連組成閉式循環熱泵烤房。兩種不同配置烤房土建規格均為8 m×2.7 m×3.5 m，調整氣流方向統一為下降式。

2.2 試驗設計

采收成熟上部、中部煙葉，處理與對照采用同質鮮煙，按照“同田塊、同熟相、同時采、同時編、同時開烤操作”的要求進行操作。用煙桿編煙分別裝入熱泵烤房和燃煤烤房。此外，從所采煙葉中挑選鮮煙素質基本一致的煙葉10 桿，熱泵烤房和燃煤烤房各放5 桿，分別放在兩種烤房的二棚中間位置。

2.3 測定項目和方法

①對兩種烤房烤后煙葉依據烤煙國標GB 2635—1992[14]進行分級，計算各等級比例和均價，并進行煙葉外觀質量評價。②對兩種烤房5 桿代表性烤后煙葉去除青雜煙后送農業農村部煙草產業產品質量監督檢驗測試中心進行常規化學成分分析，參考文獻[15]方法進行總糖、還原糖、總植物堿、總氮、蛋白質含量測定，按照行業標準[16]對煙葉樣品進行感官品質評價。③計算各處理烘烤后干煙耗煤量和耗電量。④收縮率參考文獻[17]方法進行測定，柔軟度采用RH-R1000 電腦柔軟度儀（廣州潤湖儀器有限公司）測定[18]。

2.4 數據處理

采用SPSS 13.0 軟件用Duncan 法對數據進行差異顯著性分析。

3 結果與討論

3.1 負載條件下兩種烤房的升溫穩溫性能

由圖2 可見，在負載條件下，燃煤烤房干球溫度和濕球溫度均有較大波動，尤其是夜間氣溫較低時，干濕球溫度波動更大，而熱泵烤房較燃煤烤房升溫靈敏，實測干濕球溫度與目標干濕球溫度基本吻合。在煙葉烘烤過程的變黃期、定色期以及干筋期均能達到設定的目標溫濕度，且在穩溫階段溫濕度波動較小（±0.3 °C），能夠滿足烘烤對溫濕度的要求。

3.2 不同烘烤階段熱泵烤房除濕速率

圖2 閉式循環熱泵烤房（A）和燃煤烤房（B）實時干濕球溫度Fig.2 Real-time wet and dry bulb temperatures in closed-loop heat pump curing barn and coal-fueled curing barn

由圖3 可見，在閉式循環除濕模式下，不同烘烤階段的除濕速率（冷凝水流出速率）有較大差別。在煙葉變黃后期，除濕速率最高（30 kg/h），此后除濕速率逐漸下降；在干筋期，通過閉式循環除濕模式很難將水分排出，基本無冷凝水流出。這可能是因為變黃后期烤房內相對濕度較高（80%～87%），空氣中含有的水蒸氣較多，容易冷凝流出。而在干筋期，烤房相對濕度下降至15%左右，空氣干燥，空氣中水蒸氣較少，不容易冷凝流出，因此除濕困難。

圖3 閉式循環熱泵烤房不同烘烤階段冷凝水流出速率Fig.3 Flow rate of condensate water at different curing stages in closed-loop heat pump curing barn

3.3 烤后煙葉收縮率和柔軟性

由圖4A 可見，熱泵烤房烤后煙葉長度收縮率（10.36%）略高于燃煤烤房（9.86%），但差異不顯著。熱泵烤房烤后煙葉寬度收縮率（29.65%）明顯高于燃煤烤房（24.97%）。熱泵烤房與燃煤烤房設計原理相似，但除濕方式不同，這可能是造成烤后煙葉形變不同的主要原因。燃煤烤房屬于階段性快排濕，烘烤過程中當實測濕球溫度大于設定濕球溫度時，系統自動打開冷風門，通過大風速快速排出烤房內的濕空氣，造成煙葉內水分驟減，導致煙葉來不及充分收縮形變[7]。而采用熱泵烤房，濕空氣中的水分以冷凝水形式排出，無需過大風速，加之熱泵烤房控溫精度高（±0.3 °C），可實現煙葉烘烤持續性慢除濕，使煙葉充分收縮形變。

烤后煙葉柔軟性與煙葉質量顯著正相關[19]，煙葉的柔軟度反映了煙葉抗彎曲阻力與抗滑動摩擦阻力的綜合特性（主要反映材料的挺硬性）。柔軟度值越大，則煙葉柔軟性越差；柔軟度值越小，表示煙葉柔軟性越好[20]。由圖4B 可見，熱泵烤房烤后煙葉柔軟度[7.69 mN（RH60%）]顯著低于燃煤烤房烤后煙葉[16.67 mN（RH60%）]，說明熱泵烤房烤后煙葉柔軟性顯著優于燃煤烤房。這可能與烤后煙葉收縮率有關，有研究表明，物料干燥后的收縮率小，則質地僵硬[21-22]。

圖4 不同類型烤房烤后煙葉收縮率（A）和柔軟度（B）Fig.4 Shrinkage rate (A) and softness (B) of tobacco cured by different type barns

3.4 烤后煙葉化學成分

由表1 可見，熱泵烤房烤后煙葉還原糖和總糖含量明顯高于燃煤烤房。在總植物堿、總氮、鉀、氯和淀粉含量方面則無明顯差異。在化學成分協調性方面，兩種烤房烤后煙葉氮堿比和鉀氯比無明顯差異。熱泵烤房烤后煙葉兩糖比和糖堿比均適宜，而燃煤烤房烤后煙葉兩糖比和糖堿比均偏低。這可能與熱泵烤房升溫靈敏且對溫濕度控制精確，不會出現燃煤烤房因加煤操作而產生溫度波動現象有關。研究表明，烘烤過程中溫度波動越大，煙葉內含物質的損耗越大，烤后煙葉內在質量越差[2]。

表1 不同類型烤房烤后煙葉化學成分①Tab.1 Chemical components in tobacco cured by different type barns

3.5 烤后煙葉感官質量

由表2 可見，兩種烤房烤后煙葉感官質量在香氣質、刺激性、燃燒性、灰色方面無明顯差異，但在香氣量、余味、雜氣方面，熱泵烤房烤后煙葉得分高于燃煤烤房，綜合得分熱泵烤房高于燃煤烤房。同時還由上海煙草集團有限公司對烤后煙葉樣品感官質量進行評價，結果顯示：兩種烤房烤后煙葉香氣質無明顯差異，但在濃度、勁頭、香氣量、透發性方面，熱泵烤房烤后煙葉優于燃煤烤房（數據未列出）。

表2 不同類型烤房烤后煙葉感官質量①Tab.2 Sensory quality of tobacco cured by different type barns

3.6 能耗成本

由表3 可見，燃煤烘烤煤耗較高，折合1 kg 干煙煤耗1.73 kg，1 kg 干煙煤耗成本2.39 元。熱泵烤房采用電能加熱，1 kg 干煙能耗成本僅為1.27元。綜合分析兩種烤房能耗，熱泵烤房1 kg 干煙能耗成本較燃煤烤房下降1.40 元。在烘烤用工方面，熱泵烤房無需加料操作，烘烤操作用工大幅減少，1 人即可實現25 座烤房的烘烤管理，而10 座燃煤烤房一般需要2 人晝夜輪換進行烘烤操作[1]。熱泵烤房較燃煤烤房1 kg 干煙烘烤用工成本下降0.48 元。綜合能耗及烘烤用工，熱泵烤房較燃煤烤房生產成本下降1.88 元/kg。

表3 不同類型烤房每kg 干煙烘烤用工及能耗成本①Tab.3 Cost of labor and energy of tobacco cured by different type barns

4 結論

設計制造了一種可調節氣流方向的閉式循環熱泵烤房，具備制熱、制冷、閉式循環除濕、輔助外排濕和可調節氣流方向5 項功能，升溫準，控溫穩，能夠滿足烤煙密集烘烤對溫濕度的要求。試驗結果表明，不同烘烤階段的冷凝水流出速率有較大差別，隨烘烤進行冷凝水流出速率逐漸下降。熱泵烤房烤后煙葉寬度收縮率和柔軟性顯著高于燃煤密集烤房，且煙葉化學成分含量更為適宜，化學成分比例更為協調，烤后煙葉感官質量綜合得分高于燃煤烤房。在烘烤用工及能耗成本方面，熱泵烤房較燃煤烤房每kg 干煙成本下降1.88元，具有良好的推廣應用價值。