茶葉烘焙機(jī)余熱回收的研究

林大煜 李鐘慎

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

茶葉烘焙機(jī)余熱回收的研究

林大煜 李鐘慎

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

現(xiàn)有的茶葉烘焙機(jī)在排濕過(guò)程中排出的是含有大量熱量的高溫濕氣，直接排放在空氣中不僅損失大量的熱量，造成環(huán)境污染，而且還會(huì)使烘焙效率低，能源消耗大。針對(duì)現(xiàn)有茶葉烘焙機(jī)的不足，提出采用管殼式換熱器對(duì)茶葉烘焙機(jī)的余熱進(jìn)行回收。結(jié)果表明，有余熱回收裝置的茶葉烘焙機(jī)節(jié)約了能源，提高了效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

茶葉烘焙機(jī)；余熱回收；換熱器

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。中國(guó)擁有世界第二大能源系統(tǒng)，但人均能量資源占有量卻僅為世界平均水平的1／2，整體能源使用效率相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)重偏低。面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)，節(jié)約能源的任務(wù)迫切而艱巨。近年來(lái)茶葉產(chǎn)業(yè)是所有產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，茶葉生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)加工過(guò)程提出了品質(zhì)管理的要求。茶葉烘干是茶葉加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是能耗最大的作業(yè)，約占茶葉加工中總能耗的50%～70%［1］。因此，回收茶葉烘干過(guò)程中的余熱，即提高烘焙的效率，又保護(hù)了環(huán)境，對(duì)快速發(fā)展中的茶葉產(chǎn)業(yè)具有重要的意義［2］。

1 茶葉烘焙機(jī)的原理

茶葉烘焙機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)熱器設(shè)置在箱體的內(nèi)上部，從風(fēng)機(jī)進(jìn)入箱體內(nèi)的冷風(fēng)經(jīng)過(guò)發(fā)熱器的加熱成為熱風(fēng)；熱風(fēng)進(jìn)入箱體內(nèi)，篩架在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)放置在篩盤(pán)上的茶葉轉(zhuǎn)動(dòng)；在熱風(fēng)的加熱下，茶葉均勻受熱，從而達(dá)到烘焙的效果，經(jīng)過(guò)熱傳輸?shù)臒釢耧L(fēng)從最后從設(shè)置的排氣口排出。這種結(jié)構(gòu)的茶葉烘焙機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，烘焙效果好。烘焙機(jī)內(nèi)部設(shè)有溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)控制電爐絲的工作狀態(tài)來(lái)使得烘焙箱內(nèi)溫度保持在設(shè)定的烘焙溫度。

但是熱濕氣直接由排氣口排出不僅僅損失了大量的熱量并且造成了環(huán)境的污染，而且烘焙效率低，能源消耗大。

圖1 茶葉烘焙機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure char of tea baker

2 管殼式換熱器的原理

管殼式換熱器是在一個(gè)殼體內(nèi)設(shè)置許多平行的管子（稱這些平行的管子為管束），讓兩種流體分別從管內(nèi)空間（管程）和管外空間（殼程）流過(guò)進(jìn)行熱量的交換［3］。圖2所示的就是管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)。

管殼式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，選材范圍廣，處理能力大，還能適應(yīng)高溫高壓的要求，雖然它面臨著各種新型熱交換器的挑戰(zhàn)，但是由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然處于優(yōu)勢(shì)地位［4］。

圖2 管殼式換熱器基本結(jié)構(gòu)Figure 2 The basic structure of shelland－tube heat exchanger

3 采用管殼式換熱器進(jìn)行余熱回收

3.1 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)茶葉烘焙機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的換熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：① 采用固定管板式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，在殼程相同的情況下可排的管數(shù)多［5］；② 由于箱體內(nèi)的溫差不超過(guò)100℃，管子在管板上的固定采用焊接法，在高溫高下仍然可以保持連接的緊密型，且對(duì)管板孔的加工要求較低且工藝簡(jiǎn)單［6］；③ 管子在管板上的排列采用正方形排列，易于清掃。

圖3 換熱器外部俯視圖Figure 3 Top view of the shell－and－tube heat exchanger

在換熱器內(nèi)部，傳熱管束的排列方式是類U形，如圖4所示，管子的兩端固定在同一塊管板上，彎曲段不加固定，使每根管子具有伸縮余地而不受其他管子和殼體的影響，易于拆卸和清洗。

進(jìn)入茶葉烘焙機(jī)箱體的冷空氣先由熱傳導(dǎo)進(jìn)氣口進(jìn)入連接管后經(jīng)由傳熱管束進(jìn)入到換熱器的殼體中，而由烘焙機(jī)箱體內(nèi)排出的高溫濕氣經(jīng)由烘焙機(jī)排氣口也進(jìn)入換熱器的殼體中，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，在殼體中，高溫濕氣和傳熱管束中的冷空氣進(jìn)行熱交換，高溫濕氣的溫度下降的同時(shí)傳熱管束中的冷空氣的溫度上升，溫度上升了的冷空氣再經(jīng)由管箱從烘焙機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入到烘焙機(jī)的箱體內(nèi)，而換熱后低溫的濕氣經(jīng)由換熱器排氣口排出，實(shí)現(xiàn)了換熱器將濕氣排出，把熱量回收對(duì)冷空氣預(yù)熱的功能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保［4］。

圖4 換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Internal structure of the shelland－tube heat exchanger

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)對(duì)象 無(wú)余熱回收裝置的茶葉烘焙機(jī)和有余熱回收裝置的茶葉烘焙機(jī)。

3.2.2 試驗(yàn)條件

（1）4層茶葉；

（2）茶葉重：4×1.25＝5 kg（含水率為28%）；

（3）水重：4×0.27＝1.08 kg；

（4）試驗(yàn)時(shí)間：1 h；

（5）烘焙機(jī)設(shè)定的烘焙溫度：100℃。

3.2.3 測(cè)量參數(shù)

（1）升溫時(shí)間：烘焙機(jī)剛開(kāi)始工作時(shí)，箱體內(nèi)烘焙溫度由20℃升至100℃所需要的時(shí)間。

（2）加熱時(shí)間：當(dāng)烘焙機(jī)達(dá)到設(shè)定的烘焙溫度后，在溫度控制系統(tǒng)的控制下電爐絲的工作時(shí)間。

（3）保溫時(shí)間：當(dāng)烘焙機(jī)達(dá)到設(shè)定的烘焙溫度后，在溫度控制系統(tǒng)的控制下電爐絲的不工作的時(shí)間。

（4）耗電量：烘焙機(jī)完成一次烘焙所耗的電量。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示（前、中、后指的是保溫和加熱過(guò)程中的3個(gè)不同時(shí)間段，通過(guò)這3個(gè)時(shí)間段的對(duì)比更可以看出余熱回收的效果）。

表1 試驗(yàn)結(jié)果+Table 1 The results of experiment ／s

經(jīng)試驗(yàn)得出：在茶葉烘焙過(guò)程中，有余熱回收的茶葉烘焙機(jī)升溫時(shí)間和加熱時(shí)間都明顯減小，而保溫的時(shí)間延長(zhǎng)。每臺(tái)有余熱回收的茶葉烘焙機(jī)每小時(shí)可省電2.2 k W／h，按每度三相電0.73元，每臺(tái)烘焙機(jī)每天工作8 h計(jì)算，每臺(tái)烘焙機(jī)每年大概可以省電約4 625元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明有余熱回收裝置的茶葉烘焙機(jī)熱交換強(qiáng)度高，有利于在平均溫差下工作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用了管殼式的設(shè)計(jì)，增加了傳熱的面積，使得進(jìn)入烘焙機(jī)的冷風(fēng)的溫度提高了10～12℃，大大提高了烘焙的效率。而且安裝方便，需要更換或者清洗時(shí)只需將管束抽出即可，經(jīng)濟(jì)合理且運(yùn)行可靠。保證了熱交換中的流體的阻力較小，減少了換熱器的動(dòng)力消耗，進(jìn)一步的節(jié)約能源，提高效率，經(jīng)濟(jì)效益好，具有很好的發(fā)展前景。

1 余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2006：25～27.

2 徐昌盛.廢氣焚燒裝置余熱回收熱交換器的設(shè)計(jì)［J］.大眾科技，2006（4）：103～105.

3 支浩.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀［J］.化工進(jìn)展，2009（28）：338～342.

4 余建祖.換交換器設(shè)計(jì)中兩種方法的比較［J］.鄭州輕工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21（1）：81～83.

5 楊軍飛.板式熱交換器與管式熱交換器的比較分析［J］.包裝與機(jī)械，2008，29（7）：205～206.

6 楊光，湯廣發(fā).小型熱回收裝置的可行性研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，24（3）：56～59.

Study of residual heat of the tea baker

LIN Da－yu LI Zhong－shen

（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，F(xiàn)ujian361021，China）

The existing tea baker discharged the hot and wet air when it in the course of discharging the wet air which has a lot of heat.The hot and wet air discharged into the environment directly not only wasting but also polluting the environment，with low bake efficiency.Residual heat of the tea baker using the shell－and－tube heat exchanger was presented according to the shortage.The experiments showed that the tea baker with the shell－and－tube heat exchanger conserves energy，improves efficiency，had a good economic and social benefits.

tea baker；residual heat recovery；shell－and－tube heat exchanger

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.031

泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2010Z52）；華僑大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（編號(hào)：JB－ZR1107）

林大煜（1985－），男，華僑大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：nihaoarrow＠163.com

李鐘慎

2011－11－01