高温热泵烟叶烤房的研究与应用

摘要热泵可把电能转换为热能,同时又能够回收排湿过程中排出的热量,热泵烤烟房在能源的利用方面比燃煤烤房节省成本10%以上。烤烟试验结果表明,其可严格按照三段式烘烤工艺对烟叶进行烘烤,自动化程度高,实现恒温控制;升温灵活、温度均匀,烤后烟叶成熟度好、颜色鲜亮、叶面叶背色度均匀一致,烟叶颜色均匀度好、组织结构疏松、油分足,杂色烟比例小,提高了烟叶的内在质量和上、中等烟比例,改善了烟叶的外观质量。

关键词热泵;热量回收;烟叶烤房;升温性能;烘烤成本;烤烟质量

中图分类号S226.6;S24文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)01-0252-02

燃煤烤烟是我国烟叶烘烤中长期且广泛采用的烘烤方式。随着近几年来煤炭价格的大幅上涨,致使烟叶生产成本也水涨船高。据统计,近年来燃煤成本在烟叶生产总成本中的比重已经超过18%。煤炭作为不可再生能源,无休止地开采和消耗将造成其快速枯竭。同时,煤炭等石化能源的使用是二氧化碳等温室气体增加的主要来源。煤炭燃烧所产生的二氧化硫等有害物质,更是严重污染了大气环境,影响人们的身体健康。随着现代烟草农业的发展,积极寻求开发可以替代煤炭进行烘烤的新型廉价能源,已成为烤烟生产中亟待解决的问题[1-3]。

空气热源作为大自然赋予人们的宝贵财富,可以说几乎是取之不尽、用之不竭。随着人类科技的进步,太阳能取暖、太阳能发电、空气源热泵多方位利用已越来越受到人们的重视。如果能将空气热源转移到烤房进行烟叶烘烤,无疑将会为烘烤能源的替代开辟新途径。为积极响应国家“节能减排”的号召,达到发展现代烟草农业“降本减工,提质增效”的目的,笔者拟通过对空气热源的收集利用减少烘烤对煤炭的依赖,努力探索出一条循环、生态的烟叶生产发展之路。

1热泵烟叶烤房概述

热泵就是依据热力学第二定律,通过压缩机做功,并利用制热工质的物态变化,把空气中的热能转移至烤烟房内的一种设备。热泵中的压缩机做功需要用电,但这里用电不是用来加热,而主要是用来搬运空气中的热能。压缩机做功产生的热能也可回收到烤烟房内。热泵作为一种新兴的制热装置在发达国家已开始普及。由于其纯环保的制热方式及高效的热效比、成熟的微电脑控制,已经得到了人们的认可,并在生产、生活领域迅速发展。应用热泵烤烟将大幅降低能源消耗,提高烟叶的烘烤质量,将为我国节能减排的经济发展战略作出巨大贡献。热泵制热效率较高,其热效比可达到5以上,烘烤性能稳定,能有效准确地实现烘烤工艺要求的各项指标,确保烟叶内在和外观品质。同时热泵烤烟可实现全自动控制,节约大量人力资源。如50～70座烤房的烘烤基地,在烘烤季节,仅需1台计算机,再配置2个维护人员、2个烤烟技术人员就可以完成烤烟作业工作。工作环境大部分在办公室完成,真正实现轻轻松松烤烟的理想状态[4-6]。

2热泵烤房的技术原理

热泵烟叶烘烤设备主要由装烟室和加热系统两部分组成。其中热泵加热系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四部分组成。其工作原理为:根据热力学第二定律,设备从低温热源吸热,吸收的热能经压缩机做功后,变为高温热源,由管道传输到热交换器,进行热量交换,从而源源不断地向烤房提供热能,满足烟叶烘烤的需要。

3热泵烤房的烘烤特性研究

3.1初试热泵机组制热升温性能测试

2008年笔者在山东省昌乐县宅科烟站把1台燃煤烤烟房改造为热泵烤烟房,以测定其长温性能。首先对原有的移动式燃煤烤房进行初步改造,在装烟室内侧加装3组热交换器,炉头处配备分别为1台2.5匹的三洋压缩机和2台5匹的三洋压缩机;新建1条热量循环通道,通道上方放置1台功率为3.3kW的离心式风机,以利热能进行循环利用;烤房的排湿窗外建2条排湿通道,以利热能的有效回收利用;冷风进风口设在热能循环通道的下部,安装半自动控制开关。改造安装完成后,进行了空炉加热升温试验,从升温效果看,可达到8～10℃/h,完全适应烟叶烘烤的温度要求,最高温度可升至75℃。

3.2热泵定型机组制热升温性能测试

2009年10月研制成功热泵定型机组,并新建1组热泵烟叶烤房。在烟叶装炉烘烤前进行空炉检测,以比较热泵烤房和燃煤烤房的升温性能(见表1)。

由表1可以看出,热泵烤房56℃以前平均升温速度为1℃/min,56℃以后升温速度有所减慢,平均升温速度为0.65 ℃/min。燃煤烤房46℃以前平均升温速度为0.48℃/min,46℃以后平均升温速度为0.24℃/min。可见热泵烤房的升温速度明显优于燃煤烤房,其制热性能高于燃煤烤房,同时也说明热泵烤房的保温性能要好于燃煤烤房。

3.3热泵热量回收及冷风预热效果研究

烟叶水分的排除是烟叶烘烤的主要过程。燃煤烤房的排湿过程主要是指烤房内的湿热空气通过排湿窗直接排放到空气中,这样就造成热能的无效消耗,通常由排湿窗排出的物理热占烘烤全部耗热的30%~50%。热泵则可以通过冷凝器内制热工质的物态变化,把排湿汽中的热量大部分回收起来。热泵烤房在排湿窗口加装2条热回收管道,湿热空气流经热泵冷凝器后,水分从气态变为液态,释放大量的热,热能被热泵充分回收,再通过压缩机送入烤烟房的换热器内,继续加热烤烟房,实现了热能的有效利用;同时冷风流经预热管道在烤房内预热后,温度则平均提高23℃左右,节约10%左右的热能(见表2)。

3.4热泵烤房烘烤成本分析

在整个烘烤季节,按烟叶不同着生部位,热泵烤房与燃煤烤房共计进行了5炉次烘烤试验(见表3),从效能对比结果来看,热泵烤房表现出较好的制热节能效果,干烟烘烤成本仅为1.67元/kg,比燃煤烤房节省0.11元/kg,烘烤时间延长13h,节能效果较为突出(见表4)。热泵烤房能耗情况可通过耗电量进行分析。其5个炕次的干烟叶耗电量分别为1.78、2.80、2.41、2.00、2.16kW·h/kg。由此可以看出,烤干1kg烟叶平均耗电量为2.23kW·h,热泵的耗电量随外界环境温度的升高而降低。尤其外界环境温度越高,制热效率越高,节能效果越好。当外界环境温度低于15℃时,其制热主要以电能损耗为主,烘烤成本要明显高于燃煤烤房。

3.5热泵烤烟房烟叶质量与产值分析

从中部烟叶外观质量评价来看,热泵烤房烤出的烟叶外观质量要明显好于燃煤烤房,烤后烟叶叶色加深,叶片正反面色泽均匀,油分增多,光泽强,多桔黄烟。热泵烤房由于升温衡定,烟叶变黄充分均匀,烤后烟叶上等烟比例高于燃煤烤房10.93个百分点,中上等烟比例提高9.49个百分点,烟均价提高了1.47元/kg,经济效益显著提高(见表5)。说明热泵烤房升温灵活,各层温差小,温湿度变化均衡,能明显提高烟叶的烘烤质量,有利于提高上中等烟比例。

4结论

(1)热泵烤房升温排湿性能稳定,供热效能比传统供热有一定程度地提高,可有效降低烘烤成本10%以上。热泵烤房由于保温性能较好,受外界环境影响较小,温度保持均衡,波动范围很小,在烟叶变黄阶段、定色阶段、干筋阶段温度变幅基本稳定在±0.5℃,各阶段基本上不存在温度梯度,避免了出现温度猛升烤青烟的现象,有利于烟叶质量的提高。

(2)热泵烤烟可真正实现自动化控制与数据处理。热泵工作一般根据三段式烘烤工艺对温湿度的要求,能自动地进行开、停机,确保烤房内衡定的温、湿度。当烤房内温度与外界温差较大时,热泵设备的工作频率将按自动化控制程序设计的要求,有规律地增加,以保证烤房内温度不会出现过低或过高的现象,从而从根本上避免了烤青和挂灰现象的产生。热泵烤烟工作大部分在办公室完成,可实行全自动控制,节省大量的人力资源。

(3)实现了烟叶烘烤的废气零排放。热泵烤房在工作过程中无废渣,无污染气体排放,具有绿色环保优点,有显著的社会效益和环境效益。

(4)改善烟叶的外观质量,提高烟叶品质。热泵烤房由于升温灵活、温度均匀,烤后烟叶成熟度好、颜色鲜、叶面叶背色度均匀一致,烟叶颜色均匀度好、组织结构疏松、油分足,杂色烟比例小,提高了烟叶的内在质量和上、中等烟比例,能够很大程度地改善烟叶的外观质量。热泵烘烤设备的研制成功,不仅是一次烟叶烘烤设备的技术创新,而且将由此带动烤烟烘烤质量水平的整体提升。热泵作为一种纯绿色的节能设备,不仅能够解决能源节约的问题,适应建设生态农业的要求,而且是一种环保高效资源在烟草行业的应用,对推进现代烟草农业建设具有重大现实意义。

5参考文献

[1] 王卫峰,陈江华,宋朝鹏,等.密集烤房的研究进展[J].中国烟草学科学,2005(3):12-14.

[2] 宫长荣.烤烟三段式烘烤导论[M].北京:科学出版社,2006.

[3] 孙敬权,任四海,吴永德.烤烟燃煤密集烤房的改进探讨[J].烟草科技,2004(9):43-44.

[4] 王庆福,甘福芳.立式炉热风室烤房试验初报[J].贵州农业科学,2003(2):37-39.

[5] 胡云见.立式炉热风室节能烤房研究与应用[J].山东农业生物学报,2003(3):200-203.

[6] 吕芬,王丽萍,肖志文.烤烟不同烤房烘烤对比试验[J].云南农业科技,2006(2):25-27.

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