變頻調(diào)速技術(shù)在煙葉密集烘烤中的應(yīng)用研究初報(bào)

劉 闖，王學(xué)龍，豆顯武，李統(tǒng)帥，王戰(zhàn)義，宮長(zhǎng)榮

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002;2.湖北省煙草公司 襄樊市公司，湖北 襄樊 441000)

烤房?jī)?nèi)的適度通風(fēng)是保證煙葉烘烤能夠順利進(jìn)行的重要前提條件之一，在煙葉烘烤中強(qiáng)調(diào)煙葉水分汽化要與通風(fēng)排濕同步［1］。宮長(zhǎng)榮等［1］研究認(rèn)為，不同烘烤階段煙葉中水分的散失速率不同，每1 h變黃階段為0.3% ～0.5%，定色階段為0.9%～1.2%，干筋階段為0.3% ～0.7%。因此，不同烘烤階段對(duì)葉間風(fēng)速的要求也不一樣，需要深入研究烤房?jī)?nèi)適宜的葉間風(fēng)速范圍。國(guó)外曾有研究提出，密集烤房葉間隙風(fēng)速在 0.2～0.3 m·s-1為宜［2］，但國(guó)外烤房與我國(guó)在裝煙密度上有很大差別。目前關(guān)于密集烘烤不同階段適宜風(fēng)速的研究很少［3］。變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上得到普遍應(yīng)用［4-5］，這既能合理調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速，同時(shí)有一定節(jié)電效果。因此，在密集烘烤中應(yīng)用變頻技術(shù)研究煙葉在不同烘烤階段對(duì)風(fēng)速的需求，使得煙葉在整個(gè)烘烤過(guò)程中處于適宜流場(chǎng)環(huán)境中，對(duì)于優(yōu)化密集烤房烘烤工藝，提高煙葉質(zhì)量和節(jié)約能源具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2009年進(jìn)行。試驗(yàn)材料來(lái)自湖北省襄樊市襄陽(yáng)區(qū)黃渠河現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)示范區(qū)田間長(zhǎng)相一致的6.67 hm2連片煙田，選取中部葉 (第11～12葉位)，品種為中煙98，土壤質(zhì)地為壤土，土壤肥力中等。試驗(yàn)選用5座8 m ×2.7 m×3.3 m的氣流上升式臥式密集烤房，烤房有效散熱面積 (爐頂和換熱器)為12.15 m2。循環(huán)風(fēng)機(jī)為7號(hào)風(fēng)機(jī)，功率為1.5 kW，最大轉(zhuǎn)速為1 450 r·min-1，最大風(fēng)量為21 600 m3·h-1。變頻器由華中科技大學(xué)提供，與循環(huán)風(fēng)機(jī)相連?？痉颗鋫洫?dú)立電表。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

烤房的裝煙密度為65 kg·m-3。當(dāng)干球溫度在42℃以前，風(fēng)機(jī)頻率統(tǒng)一為32 Hz(960 r·min-1)，達(dá)到后設(shè)5個(gè)處理:處理1，干球溫度42～54℃ 風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz(1 450 r·min-1)，54℃ 以后為32 Hz(960 r·min-1);處理2，干球溫度42～54℃ 風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz(1 450 r·min-1)，54℃ 以后為 24 Hz(720 r·min-1);處理3，干球溫度42～54℃ 風(fēng)機(jī)頻率為 32 Hz(960 r·min-1)，54℃ 以 后 為 32 Hz(960 r·min-1);處理4，干球溫度42～54℃ 風(fēng)機(jī)頻率為 32 Hz(960 r·min-1)，54℃ 以后為 24 Hz(720 r·min-1);處理5(對(duì)照)，風(fēng)機(jī)頻率50 Hz(1 450 r·min-1)不變。所有處理均嚴(yán)格按照三段式烘烤工藝烘烤，采用統(tǒng)一購(gòu)買的同一煤礦同一批次的原煤。

在裝煙時(shí)，5座烤房各選取10竿素質(zhì)相同的煙葉，分別掛置在各供試烤房的中間 (4 m處)位置，其中底層、中層、上層各3、4、3竿，用做烤后煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)和分級(jí)。各處理煙葉烘烤后選用中桔三 (C3F)樣品進(jìn)行主要化學(xué)成分分析。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

平面、垂直溫、濕度差檢測(cè):采用華中科技大學(xué)研制的TUOKE DH系列溫、濕度傳感器及控制儀測(cè)量。溫、濕度檢測(cè)點(diǎn)位于上下兩層架煙槽以下50 cm。在兩側(cè)墻體打眼，安裝內(nèi)徑為3 cm的PVC管，放入溫、濕度探頭，探頭不接觸任何雜物，共計(jì)12個(gè)位點(diǎn)。

垂直溫 (濕) 差△t垂=(∣ t′1-t″1∣ + ∣ t′2-t″2∣ + … + ∣ t′6-t″6∣)/6;平面溫 (濕) 差△t平=t′max-t′min。

式中:t′1～ t′6為頂棚溫濕度計(jì)讀數(shù)，t″1… … t″6為底棚與其相對(duì)應(yīng)的各溫濕度計(jì)讀數(shù);t′max、t′min為底棚對(duì)應(yīng)點(diǎn)的最大、小溫、濕度差之絕對(duì)值。

風(fēng)速:采用日本KANOMAX生產(chǎn)的電子風(fēng)速儀，型號(hào)為ALNOR540，測(cè)量位點(diǎn)與溫、濕度檢測(cè)點(diǎn)相同。

外觀質(zhì)量評(píng)價(jià):按烤煙國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB2635—92)對(duì)各試驗(yàn)烤房回潮后的標(biāo)記煙葉，逐片分級(jí)，記錄各等級(jí)及達(dá)不到等級(jí)煙葉數(shù)量，根據(jù)全竿葉片總數(shù)和各等級(jí)葉片數(shù)計(jì)算供試煙葉各等級(jí)比例。

主要化學(xué)成分測(cè)定。煙堿:采用紫外分光光度法［6］;水溶性總糖:采用乙醇提取，蒽酮比色法［7］;還原糖:采用苦味酸法［7］;總氮:采用濃硫酸-雙氧水消化法［6］;淀粉:采用酸解法［8］;鉀:采用火焰光度法測(cè)定［6］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS16.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 烘烤溫、濕度差

烘烤過(guò)程中烤房?jī)?nèi)溫、濕度分布及動(dòng)態(tài)變化，是流場(chǎng)環(huán)境的綜合反應(yīng)，也是確定烘烤技術(shù)的依據(jù)。由表1可知，烤房?jī)?nèi)平面溫差和垂直溫差表現(xiàn)出同一處理在變黃階段，烤房?jī)?nèi)溫差較小;定色階段升溫較快，溫差較大;干筋階段由于葉片已基本干燥，葉間孔隙較大，空氣流通順暢，溫差又有所降低的規(guī)律。不同處理間在定色階段差異最大，其中處理3平面溫差最大，較對(duì)照高0.76℃，處理4垂直溫差最大，較對(duì)照高1.05℃，較溫差最小的處理2高1.08℃。

由表2可知，濕度差表現(xiàn)出了與溫差相類似的規(guī)律。

同一處理在變黃階段，烤房?jī)?nèi)濕度差較小;處理4濕度差最大，定色階段平面濕度差較對(duì)照高0.60個(gè)百分點(diǎn)，垂直濕度差較對(duì)照高0.61個(gè)百分點(diǎn)，較最小的處理2高0.65個(gè)百分點(diǎn)。

表1 不同變頻條件對(duì)烤房?jī)?nèi)平面溫差和垂直溫差的影響

表2 不同變頻條件對(duì)烤房?jī)?nèi)平面濕度差和垂直濕度差的影響

2.2 烤房?jī)?nèi)葉間風(fēng)速

不同變頻處理的葉間隙風(fēng)速見(jiàn)表3，各處理風(fēng)速在變黃階段差別不大，在定色及干筋階段隨著風(fēng)機(jī)頻率的變化而變化。其中定色階段處理3、4葉間風(fēng)速較小，干筋階段處理2葉間風(fēng)速較小。在同一頻率、同一階段下的不同處理間的葉間風(fēng)速差別不大。

2.3 烤后煙葉外觀質(zhì)量

對(duì)各處理烤后煙葉外觀質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià) (表4)后可知，不同的處理對(duì)烤后煙葉的成熟度、油分、組織結(jié)構(gòu)、沒(méi)有明顯的影響，但對(duì)身分和色度影響較大。處理2、4的身分適中，其它處理的身分稍薄;處理1、2、5色度強(qiáng)，其它處理為中。從試驗(yàn)的總體情況來(lái)說(shuō)，處理2的烤后煙葉外觀質(zhì)量最好;處理1、5次之;而處理3、4表現(xiàn)相對(duì)較差。

表3 不同處理烤房?jī)?nèi)的葉間隙風(fēng)速

表4 不同處理對(duì)烤后煙葉外觀質(zhì)量的影響

2.4 常規(guī)化學(xué)成分

表5可知，經(jīng)變頻處理后煙葉主要化學(xué)成分含量有很大不同。各處理還原糖含量均比對(duì)照高，差異極顯著。處理2、1總糖含量，淀粉含量與對(duì)照相比，均有極顯著差異。說(shuō)明處理2、1烤房?jī)?nèi)流場(chǎng)環(huán)境可能更容易使淀粉得到降解，增加煙葉中總糖、還原糖含量，提高糖堿比，化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)。處理3、4的含氮化合物含量比對(duì)照都高，且處理3煙堿含量與對(duì)照有極顯著差異，表明處理3烤房?jī)?nèi)流場(chǎng)環(huán)境可能不適宜含氮化合物的代謝。鉀元素含量除處理4顯著性低于對(duì)照外，其它處理與對(duì)照并無(wú)差異。綜合比較，處理1、2各項(xiàng)指標(biāo)較為協(xié)調(diào)，處理5次之，處理3、4常規(guī)化學(xué)成分不是很協(xié)調(diào)。

2.5 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本

根據(jù)對(duì)整個(gè)烘烤過(guò)程中的能耗和烤后煙葉的分級(jí)情況的分析可知，在各個(gè)處理中，耗煤與對(duì)照差異不大，處理3較低 (表6);在耗電量方面，各變頻處理差異較小，均低于對(duì)照。變頻處理的耗電量為0.31～0.33 kW·h·kg-1，而對(duì)照的耗電量達(dá)到0.62 kW·h·kg-1;上等煙比例以處理1、2、5的比例較大，處理4比例最小;均價(jià)以處理2較高;平均成本以處理3最低。綜合效益比較，處理2的投入較少，產(chǎn)值最高。按照煙葉產(chǎn)量2 250 kg·hm-2，電價(jià)0.8元· (kW·h)-1計(jì)算，處理3比對(duì)照可節(jié)約電費(fèi)697.5元·hm-2。按綜合效益計(jì)算，處理2增收效果最多，較對(duì)照增收877.5 元·hm-2。

表5 不同處理烤后煙葉常規(guī)化學(xué)成分的差異 (C3 F)

表6 不同處理的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本比較

3 小結(jié)與討論

通過(guò)比較4個(gè)處理之間以及處理與對(duì)照間溫、濕度和葉間風(fēng)速的差異，得出各處理與對(duì)照在變黃階段溫、濕度差不大，960 r·min-1的風(fēng)速是可以滿足要求的。定色階段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r·min-1時(shí)更能縮小烤房?jī)?nèi)溫、濕度差，也即定色階段葉間風(fēng)速在0.45 m·s-1左右時(shí)更能優(yōu)化烤房?jī)?nèi)流場(chǎng)環(huán)境。而960 r·min-1時(shí)則表現(xiàn)出排濕速度跟不上煙葉蒸發(fā)脫水速度，造成烤后煙葉有掛灰和花片現(xiàn)象。干筋階段720 r·min-1的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是可以滿足烘烤要求的。對(duì)各處理的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)、常規(guī)化學(xué)成分分析結(jié)果表明，處理1、2外觀質(zhì)量較好，各項(xiàng)化學(xué)成分較協(xié)調(diào)，而處理3、4則相對(duì)較差，這可能與處理3、4在定色階段葉間風(fēng)速較小，排濕不暢，造成烤房?jī)?nèi)高溫高濕環(huán)境有關(guān)。處理2各項(xiàng)指標(biāo)綜合效果最好。

目前變頻調(diào)速技術(shù)在密集烤房中的應(yīng)用還較少，如果推廣應(yīng)用，能提高烤后煙葉質(zhì)量，降低烘烤成本，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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