太陽能輔助加熱密集化烤房應(yīng)用研究

張志正，郭改英，劉艷濤

(長春工程學(xué)院吉林省建筑能源供應(yīng)與室內(nèi)環(huán)境控制中心，長春 130012)

太陽能輔助加熱密集化烤房應(yīng)用研究

張志正，郭改英，劉艷濤

(長春工程學(xué)院吉林省建筑能源供應(yīng)與室內(nèi)環(huán)境控制中心，長春 130012)

闡述了白城煙草公司太陽能輔助加熱氣流上升式連體密集烤房技術(shù)的原理，設(shè)計了太陽能輔助烤煙系統(tǒng)，對煙葉實際烘烤節(jié)能效果進(jìn)行了實驗和分析，達(dá)到了預(yù)期目的，該方法可以在密集化烤房的節(jié)能改造中進(jìn)行推廣。

氣流上升；煙草烤房；太陽能空氣加熱集熱器

0 引言

為發(fā)展我國現(xiàn)代煙草行業(yè)，相關(guān)部門已經(jīng)在全國范圍內(nèi)大力推廣密集烤房的使用，使烘烤效果有了很大提升，但目前煙葉烘烤過程所需的熱量主要來自于燃煤或燃油，燃燒效率低，且燃燒排放出的有害氣體污染了大氣環(huán)境。吉林省白城地區(qū)有很多煙葉烘烤園區(qū)，緊挨莫莫格濕地自然保護(hù)區(qū)，擁有原始和古樸的生態(tài)環(huán)境，這就要求很高的環(huán)境質(zhì)量，且煙葉烘烤期間擁有較豐富的太陽能資源，因此煙葉烘烤期間太陽能等清潔能源的使用將顯得尤為重要。太陽能熱利用是選用合適的太陽能集熱器，將太陽輻射能收集起來轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用。太陽能集熱器主要有平板型集熱器、真空管集熱器、熱管式集熱器以及聚焦型集熱器4種[1]，其應(yīng)用范圍很廣，包括太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)、太陽能工業(yè)加熱系統(tǒng)、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能海水淡化系統(tǒng)以及被動式太陽房等。本文采用自行設(shè)計的太陽能加熱干燥系統(tǒng)來配合導(dǎo)熱油爐集中供熱烘烤系統(tǒng)。

1 集中供熱加熱密集化烤房系統(tǒng)介紹

白城煙草公司鎮(zhèn)南煙葉園區(qū)利用導(dǎo)熱油集中供熱系統(tǒng)加熱密集化烤煙房工程項目建成使用已經(jīng)有6～7年了，集中供熱系統(tǒng)運行時，導(dǎo)熱油在鍋爐內(nèi)吸熱升溫，在用熱設(shè)備(即烤房散熱器)內(nèi)放熱降溫，系統(tǒng)高端以管道連接膨脹器，用以導(dǎo)熱油受熱過程中體積膨脹及水蒸氣溢出時排氣之用，系統(tǒng)低端連接儲油罐和注油泵[2]。經(jīng)實踐檢驗，該集中供熱系統(tǒng)具有提質(zhì)增效、節(jié)省人工的突出優(yōu)點，整體布置如圖1所示。

圖1 白城地區(qū)密集煙草烤房供熱系統(tǒng)示意圖

煙葉烘烤中的主要任務(wù)是將鮮煙葉烤黃、烤干、烤香，烘烤中耗熱主要是用于煙葉內(nèi)水分蒸發(fā)，密集烤房的排濕方式是采用常溫常濕的空氣在風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)與換熱器熱交換升溫后進(jìn)入烤房，與烤房內(nèi)的高溫高濕蒸汽進(jìn)行置換，濕熱廢氣從烤房排濕口處排出，從而達(dá)到降低烤房內(nèi)濕度的目的[3]。在排濕過程中，烤房內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于常溫下的空氣溫度，為確保排濕過程烤房內(nèi)溫度不下降，往往需加大供熱設(shè)備的供熱量，使得常溫空氣經(jīng)與供熱設(shè)備熱交換后能迅速升溫。若能充分利用太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)，將烘烤排濕過程中送入的常溫常濕空氣加熱，則可減少供熱設(shè)備一定的熱負(fù)荷，進(jìn)一步降低燒煤量，達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的效果。

2 太陽能輔助加熱密集化烤房系統(tǒng)設(shè)計

太陽能輔助加熱密集化烤房，是設(shè)計合理的太陽能集熱系統(tǒng)，選擇合適的太陽能集熱器元件，充分利用太陽能轉(zhuǎn)化的熱能資源，作為密集烤房煙葉烘烤的輔助熱源，從而達(dá)到減低煤耗、電耗以及保護(hù)環(huán)境的目的。

2.1 太陽能輔助加熱密集化烤房技術(shù)的基本原理

針對白城煙草公司現(xiàn)有的密集化烤房結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)，太陽能輔助加熱密集化烤房技術(shù)的基本原理是在烤房屋頂安裝結(jié)構(gòu)合理、集熱效果好的太陽能集熱裝置，包括有透明蓋板、風(fēng)道、吸熱層(吸熱涂料和吸熱板)、風(fēng)機(jī)和控制器等[4]，主要用于加熱煙葉烘烤各個階段排濕過程時送入裝煙室的室外冷空氣。裝置中透明頂蓋設(shè)在風(fēng)道的頂端，吸熱涂層穿設(shè)在風(fēng)道內(nèi)，風(fēng)道的出口與加熱室相連通，風(fēng)機(jī)設(shè)在加熱室內(nèi)，烤房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門與控制器相連接，控制器控制烤房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門的開合，其原理如圖2所示。

1.地基；2.烤房；3.吸熱涂層；4.風(fēng)口；5.低鐵超白玻璃；6.循環(huán)風(fēng)機(jī)；7.烤房散熱器(接導(dǎo)熱油鍋爐)圖2 太陽能輔助加熱密集化烤房系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)中的被加熱介質(zhì)為室外的新鮮空氣，太陽能集熱裝置中吸熱板選擇薄的不銹鋼板，透明蓋板采用低鐵超白玻璃，吸熱涂料選擇吸收率高且反射率極低的RLHY-2337型太陽能吸熱涂料，該涂料涂刷前需保證待涂刷物體表面上無灰塵、油污、碎片、銹、水分以及其他影響附著力的異物，涂刷物體或設(shè)備最佳表面溫度是15～60 ℃，不能直接涂在正在運行的低溫和高溫物體表面上，涂刷厚度要在0.1～0.2 mm之間，涂刷1～2遍。

太陽能輔助加熱密集化烤房系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)的具體工作原理為：在煙葉烘烤過程中，當(dāng)烤房內(nèi)干濕球溫度計測得裝煙室內(nèi)部濕球溫度高于此時設(shè)定的目標(biāo)濕球溫度時(說明此時烤房內(nèi)濕度超標(biāo),烤房需要吸收新風(fēng),排出熱濕空氣)，將信號傳遞給控制器，控制器控制系統(tǒng)啟動，首先開啟烤房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門使室外空氣進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)，并在風(fēng)道中吸收太陽能熱量，升高溫度后的熱空氣通過風(fēng)道的出口進(jìn)入加熱室參與裝煙室循環(huán)，若此時風(fēng)道出口處的烤房前干濕球溫度計測得溫度值符合烘烤要求，則熱空氣直接進(jìn)入裝煙室，若此時烤房前干濕球溫度計測得溫度值達(dá)不到烘烤要求，則控制器開啟加熱器上的導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)閥，新風(fēng)與加熱室的加熱器進(jìn)一步吸熱。吸入新風(fēng)造成裝煙室內(nèi)壓力增大，一部分熱濕空氣從裝煙室排濕口排出室外，所以調(diào)節(jié)新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門開度達(dá)到排濕的目的。一定時間后若裝煙室濕球溫度恢復(fù)正常，則關(guān)閉烤房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門。隨著烘烤過程的繼續(xù)和煙葉水分的析出，若烤房內(nèi)干濕球溫度計測得裝煙室內(nèi)部濕球溫度必定又出現(xiàn)高于目標(biāo)濕球溫度的情況，則繼續(xù)通過調(diào)節(jié)烤房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門開度來調(diào)節(jié)新風(fēng)量，來控制烤房內(nèi)干濕球溫度。

1.裝煙室；2.透明頂蓋；3.風(fēng)道；4.吸熱涂層；5.風(fēng)機(jī)；6.控制器；7.出口；8.加熱室；9.烤房內(nèi)干濕球溫度計；10.排濕口；11.烤房前干濕球溫度計；12.加熱器；13.流量調(diào)節(jié)閥圖3 太陽能輔助加熱密集化烤房系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)

2.2 太陽能輔助加熱密集化烤房系統(tǒng)自動控制策略

煙葉烘烤過程中濕熱空氣的流動和新風(fēng)的吸入可以利用加熱室的循環(huán)風(fēng)機(jī)在上部空間形成的負(fù)壓作為動力，且集熱器中阻力較小，因此，系統(tǒng)的運行無需額外加設(shè)風(fēng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)的實現(xiàn)采用模糊控制原理，將干濕球溫度計檢測到的烤房裝煙室內(nèi)部實際濕球溫度作為輸入變量，烤房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門和導(dǎo)熱油閥門的開啟角度作為輸出變量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和烘烤專家經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則庫，經(jīng)過模糊化、模糊推理以及反模糊化來設(shè)計出精確度較高的模糊控制系統(tǒng)，將溫度計測試的數(shù)字信號反饋給信號分析儀或計算機(jī)，計算機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析，控制系統(tǒng)的執(zhí)行器動作，使控制閥門的開度大小按照濕球溫度變化來確定。

系統(tǒng)運行時，在白天陽光充足時，在烘烤的前期，太陽能提供的熱量可以滿足烘烤要求，控制系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽能的熱量，當(dāng)黑夜或陰天太陽能不能滿足要求時，通過調(diào)節(jié)集中供熱系統(tǒng)的每個烤房的導(dǎo)熱油閥門，通過散熱器加熱新風(fēng)，達(dá)到烘烤曲線干球溫度的要求。濕球溫度始終由新風(fēng)進(jìn)風(fēng)門開度來控制新風(fēng)量和排風(fēng)量。

3 實驗與分析

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在吉林省白城市白城煙草農(nóng)業(yè)科技示范園68號烤房搭建了太陽能輔助加熱裝置，頂棚太陽能空氣加熱收集器的安裝，如圖4所示。

圖4 太陽能集熱裝置

太陽能加熱后的新風(fēng)與加熱室的連接處，如圖5所示。

根據(jù)一個烤煙生產(chǎn)期(約3個月)，和若干個烘烤周期(約7天烤1房煙)，項目組對使用太陽能輔助加熱的68號烤房進(jìn)行測試，測試了自制太陽能集熱器的效率，平均集熱效率約為72%。在使用太陽能集熱器的68號烤房和相鄰的未使用太陽能集熱器的69號烤房的導(dǎo)熱油散熱器的回油管路均加裝了流量計，測量了68號烤房由于使用太陽能集熱器而使散熱器導(dǎo)熱油流量減少的累積情況，與69號烤房的導(dǎo)熱油散熱器的導(dǎo)熱油流量進(jìn)行比較，一個生產(chǎn)周期約減少20%的導(dǎo)熱油流量。該烘烤系統(tǒng)有100個烤房，只有68號烤房節(jié)省導(dǎo)熱油流量對整個鍋爐燃煤量的節(jié)省影響很小，也很難測量，如果100個烤房全部使用項目組自制的太陽能空氣集熱器，配合鍋爐燃燒，導(dǎo)熱油鍋爐必定有約20%的燃料節(jié)省。

圖5 第68號實驗烤房原新風(fēng)入口與太陽能集熱器連接處

4 結(jié)語

白城地區(qū)煙葉烘烤在7月—9月末，烘烤期約3個月，經(jīng)實驗分析最終核算，若進(jìn)行100個密集烤房的太陽能輔助加熱節(jié)能減排改造，由于自制的太陽能空氣集熱器、控制系統(tǒng)及安裝費不超過1 960元，100個烤房加裝太陽能空氣集熱器系統(tǒng)投資約為19.6萬元，100個烤房每年耗煤量約920 t，按每年節(jié)省20%燃煤量，約184 t，以及近期白城市煙草公司購煤價格約為350元/t計算，即每年節(jié)省約6.7萬元，2.83年可回收加裝太陽能空氣集熱器系統(tǒng)的投資成本，而安裝的太陽能空氣集熱器的工作年限約15年，故該方法值得在密集化烤房的節(jié)能改造中進(jìn)行推廣。

[1] 趙利勇，胡明輔，楊貞妮.太陽能利用技術(shù)與發(fā)展[J].能源與環(huán)境，2007(4):55-57.

[2] 王金樹.關(guān)于導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)計的探討[J].低碳世界，2014(2):321-322.

[3] 宮長榮，陳江華，吳洪田，等.密集烤房[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 劉丹.采用沖縫型吸熱板的新型太陽能空氣集熱器的熱性能研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

The Application Research on Solar Assisted Heating for the Intensive Burning Barn

ZHANG Zhi-zheng，et al.

(JilinProvinceBuildingEnergySupplyandIndoorEnvironmentControlCenter，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

This paper describes the principle of the solar assisted heating siamese intensive barn technology air rising bulk in Baicheng tobacco company China，and designs the solar assisted curing tobacco system.The test and analysis have been made to energy-saving effect of the actual curing tobacco，and the energy-saving effect is reached.The method can be promoted in the energy saving improvement of the intensive curing barn.

air rising bulk；burning barn；solar air heating collector

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.014

2016-12-25

吉林省“十二五”科技發(fā)展計劃項目(20130206081SF)

張志正(1971-)，男(漢)，山東招遠(yuǎn)，教授，博士 主要研究熱能及太陽能利用。

TK511.2

A

1009-8984(2017)01-0057-03