密集烤煙房熱負(fù)荷分布規(guī)律研究

姚 曜 祝 健

?

密集烤煙房熱負(fù)荷分布規(guī)律研究

姚 曜 祝 健

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 合肥 230009）

分析密集烤煙房熱負(fù)荷的組成，以烤房整體為對(duì)象分析其傳熱傳質(zhì)過(guò)程，建立合理的烤煙房能耗模型，探究烤煙房負(fù)荷分布規(guī)律。以云煙97品種為例，計(jì)算其煙葉烘烤過(guò)程的逐時(shí)負(fù)荷。研究結(jié)果表明：烤煙房負(fù)荷分布規(guī)律主要受煙葉失水速率影響，與排濕負(fù)荷分布規(guī)律類(lèi)似；最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在定色期后期；烤房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，總量約占烤煙房熱負(fù)荷總量的15%。

烤煙房；負(fù)荷計(jì)算；圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷；排濕負(fù)荷；分布

0 引言

我國(guó)是煙草大國(guó)，燃煤烘烤是我國(guó)各煙區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)廣泛采用的烤煙方式。燃煤烘烤無(wú)效能耗過(guò)大，既污染環(huán)境，又不經(jīng)濟(jì)。因此，熱泵烤煙成為烤煙節(jié)能的新途徑。近年來(lái)，空氣源熱泵技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于密集烤房煙葉烘烤，替代傳統(tǒng)燃煤烤房?？諝庠礋岜醚b置節(jié)約占用建筑面積，無(wú)需冷卻塔、冷卻水泵等管路系統(tǒng)，使用方便[1]?？緹煼繜嶝?fù)荷的計(jì)算是熱泵烘烤設(shè)備選型的依據(jù)，烤煙房負(fù)荷分布規(guī)律的預(yù)測(cè)為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、節(jié)能運(yùn)行及煙葉烘烤質(zhì)量都有很大的影響。因此，針對(duì)密集烘烤烤煙房負(fù)荷的計(jì)算和分析非常必要且具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 煙葉烘烤的特點(diǎn)

煙葉烘烤采用現(xiàn)收現(xiàn)烤，一般在每年的7～9月，烘烤季節(jié)氣溫高，烘烤時(shí)間短，一個(gè)完整的烘烤周期約為6～8天，整個(gè)烘烤時(shí)間因煙葉的品種、質(zhì)量及其烘烤特性存在差異。

為保證煙葉的色澤、有效成分含量等，在烤煙各階段烤房的室內(nèi)熱濕環(huán)境均有嚴(yán)格的要求，現(xiàn)一般采用三段式烘烤工藝。整個(gè)烘烤過(guò)程分為變黃期、定色期和干筋期三個(gè)階段。變黃期烤煙房?jī)?nèi)溫度低（36～42℃），排濕量大；定色期溫度相對(duì)較高（42～54℃），排濕量最大；干筋期溫度最高（65～68℃），排濕量非常小[2,3]。整個(gè)烘烤階段通過(guò)對(duì)烘烤環(huán)境溫度、濕度、時(shí)間的調(diào)控，依據(jù)煙葉外觀顏色和水分變化判斷葉內(nèi)物質(zhì)變化，達(dá)到將煙葉烤黃、烤干、烤香的目的。

2 烤煙房負(fù)荷的確定

2.1 烤煙房熱負(fù)荷計(jì)算模型的建立

烤煙房的負(fù)荷主要由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱負(fù)荷和煙葉脫水產(chǎn)生的排濕負(fù)荷兩部分組成。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷可按常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失公式計(jì)算，因此烤煙房負(fù)荷確定的關(guān)鍵在于合理的確定煙葉脫水產(chǎn)生的熱負(fù)荷。

煙葉烘烤是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，同時(shí)伴隨著復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。煙葉烘烤過(guò)程中熱泵系統(tǒng)將熱量傳給烤房?jī)?nèi)的空氣，煙葉從空氣中吸收熱量使水分蒸發(fā)到空氣中，再由流動(dòng)的熱空氣吸濕帶走。建立合理的烤煙房能耗模型，是確定烤煙房的負(fù)荷的關(guān)鍵。在諸多熱泵干燥系統(tǒng)的理論分析中，通常將干燥室內(nèi)空氣和物料的熱濕交換過(guò)程看作等焓吸濕過(guò)程。空氣供給物料中水分蒸發(fā)的熱量又被蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣帶回到空氣中，即水分蒸發(fā)前后空氣的焓值基本不變[4]，空氣狀態(tài)變化如圖1所示。圖中，W為室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，R為與煙葉熱濕交換后的空氣狀態(tài)點(diǎn)，O為冷凝器進(jìn)口空氣狀態(tài)點(diǎn)，S為冷凝器出口空氣狀態(tài)點(diǎn)，即送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖1 烘烤過(guò)程空氣狀態(tài)變化

烘烤過(guò)程中，煙葉發(fā)生一系列的生理生化變化，產(chǎn)生對(duì)香氣有利的化學(xué)成分，這部分反應(yīng)熱難以計(jì)算。因此，可將烤煙房?jī)?nèi)的煙葉、空氣看作一個(gè)整體，以烤房圍護(hù)結(jié)構(gòu)為邊界，通過(guò)烤煙房與外界環(huán)境的熱量和質(zhì)量平衡計(jì)算，得出煙葉烘烤過(guò)程中的熱負(fù)荷。煙葉烘烤過(guò)程簡(jiǎn)化的傳熱傳質(zhì)過(guò)程如圖2所示。

圖2 烘烤過(guò)程傳熱傳質(zhì)簡(jiǎn)化模型

圖中為進(jìn)入和排出烤煙房的濕空氣的質(zhì)量流量，kg/h；1，2分別為進(jìn)入烤煙房的新風(fēng)和排出烤煙房的濕空氣的含濕量，g/kg；1，2分別為進(jìn)入烤煙房的新風(fēng)和排出烤煙房的濕空氣的焓值，kJ/kg；1，2分別為進(jìn)入烤煙房的新風(fēng)和排出烤煙房的濕空氣的溫度，℃；1，2為烘烤前鮮煙葉和烘烤后干煙葉的質(zhì)量；1，2為烘烤前鮮煙葉和烘烤后干煙葉的含水量；1為烤煙房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，kW；Q為熱泵機(jī)組的制熱量，kW。

2.2 烤煙房熱負(fù)荷的計(jì)算

2.2.1 烘烤工藝

圖3 云煙97品種三段五步式密集烘烤工藝曲線(xiàn)

目前國(guó)內(nèi)密集烘烤主要采用三段五步式密集烘烤技術(shù)，不同品種煙葉的烘烤工藝曲線(xiàn)存在一定差異，本文以云煙97品種為例，其三段五步式密集烘烤工藝曲線(xiàn)如圖3[5]所示，給定了烤房?jī)?nèi)空氣溫濕度隨烘烤時(shí)間變化的情況。云煙97變黃速度略快，容易烘烤，在采收充分成熟煙葉的基礎(chǔ)上，變黃期溫度為38～42℃，使煙葉基本變黃，定色期為52～54℃，將葉片基本烤干，干筋期溫度不超過(guò)68℃，烘干全部煙葉。以工藝曲線(xiàn)給定的溫濕度為烤煙房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷。

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的計(jì)算

1=(t-t) （1）

式中，1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，W；為計(jì)算傳熱面積，m2；為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；t為烤煙房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；t為烤煙房外環(huán)境計(jì)算溫 度，℃。

煙葉烘烤是一個(gè)耗熱量很大的過(guò)程，我國(guó)煙葉烘烤無(wú)效能耗過(guò)大的原因之一是烤房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性不夠，在標(biāo)準(zhǔn)烤房的基礎(chǔ)上進(jìn)行保溫改造，可提高熱能利用率。

2.2.3 煙葉脫水排濕負(fù)荷的計(jì)算

根據(jù)質(zhì)量守恒，煙葉烘烤過(guò)程中的失水速率計(jì)算公式如下：

G=(2-1) （2）

式中，G為煙葉失水速率，kg/h。由該式可計(jì)算出進(jìn)入和排出烤煙房的空氣質(zhì)量流量。

煙葉在烘烤過(guò)程中大致的失水情況為：變黃期失水率為27%～35%，定色期失水率為50～55%，干筋期失水率為10%～23%[3,6,7]。煙葉烘烤過(guò)程中的詳細(xì)失水速率[8]見(jiàn)表1。

表1 密集烘烤過(guò)程中煙葉葉片失水速率

綜合以上規(guī)律，結(jié)合工藝曲線(xiàn)對(duì)失水速率進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，變黃期、定色期、干筋期失水量分別取31%、52.5%、16.5%，再結(jié)合表1各階段的失水速率來(lái)分配，最終確定各階段失水速率，見(jiàn)表2（表中數(shù)值為占總脫水量的比例）。

表2 烘烤各階段失水速率

煙葉脫水產(chǎn)生的排濕負(fù)荷Q可通過(guò)下式計(jì)算：

Q=(2-1) （3）

綜上，烤煙房的熱負(fù)荷為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷與煙葉脫水排濕負(fù)荷之和，即：

0=1+Q（4）

3 算例

依據(jù)本文提出的計(jì)算模型，以安徽皖南地區(qū)的云煙97品種的烘烤為例，計(jì)算其烘烤熱負(fù)荷。該品種的三段五步式密集烘烤工藝曲線(xiàn)如圖3所示，地點(diǎn)為宣城，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷采用DeST模擬。

計(jì)算條件說(shuō)明：煙葉品種為云煙97，烤前鮮煙葉質(zhì)量為4000kg，煙葉烘烤時(shí)間按155h，實(shí)際煙葉生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)天采收煙葉，當(dāng)天裝房開(kāi)烤（上午采收新鮮煙葉，下午編煙、裝煙，傍晚開(kāi)始烘烤[7]），因此，選取7月3日18:00至7月10日5:00一個(gè)煙葉烘烤周期來(lái)估算烤煙房熱負(fù)荷。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的計(jì)算

烤煙房基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)[9]如表3所示。

表3 烤房基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)

在DeST中建立烤煙房模型，對(duì)其7月3日至7月10日的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷進(jìn)行了逐時(shí)模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 烤煙房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷曲線(xiàn)

從模擬結(jié)果看出，烤煙房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷值整體隨著烤房?jī)?nèi)溫度的升高而增大，峰值為7.23kW，出現(xiàn)在7月8日21:00時(shí)，主要原因是受逐時(shí)模擬氣象參數(shù)值影響。烘烤過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷累計(jì)總量為562.63kWh。

3.2 煙葉脫水排濕熱損失的計(jì)算

云煙97為中部煙葉，鮮煙葉的濕基含水率一般在85%～90%（取88%計(jì)算），烘烤結(jié)束時(shí)的濕基含水率約為6.5%，依據(jù)表2給出的失水速率計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的失水量變化趨勢(shì)如圖5所示。圖中可以看出，定色期失水速率最大，變黃期次之，干筋期失水速率最小。

根據(jù)式（2）、式（3）求出進(jìn)入烤煙房的空氣質(zhì)量流量和排濕熱損失Q。進(jìn)入烤煙房的空氣質(zhì)量流量和排濕熱損失隨時(shí)間的變化情況如圖6和圖7所示。

在烘烤初始時(shí)刻，烤房?jī)?nèi)相對(duì)濕度低于工藝要求，因此不通入新風(fēng)，先對(duì)烤房?jī)?nèi)空氣密閉加熱，至相對(duì)濕度達(dá)到工藝要求再通入新風(fēng)，維持烤房?jī)?nèi)的溫濕度使其滿(mǎn)足工藝要求。該密閉加熱階段時(shí)長(zhǎng)經(jīng)計(jì)算不足5min，相較整個(gè)烘烤過(guò)程155h影響很小，為了方便討論，忽略不計(jì)。

圖6中表明，烘烤過(guò)程中排濕所需的新風(fēng)量曲線(xiàn)與煙葉失水速率曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致。在初變黃期，快速升溫（見(jiàn)工藝曲線(xiàn)圖3，升至36℃），失水量較大，同時(shí)初始階段烤房?jī)?nèi)與室外空氣的含濕量差較小，因此所需風(fēng)量較大；在變黃穩(wěn)溫期（38～42℃），空氣流量維持在600kg/h左右；在定色期前期（42～48℃）空氣流量在1300kg/h左右，定色期后期（48～54℃）約為1800kg/h左右，空氣流量峰值也在此時(shí)期，達(dá)到2120kg/h；干筋期空氣流量維持在400～500kg/h。

圖5 煙葉失水速率

圖6 排濕空氣質(zhì)量流量

圖7 排濕負(fù)荷

煙葉脫水排濕熱損失與排濕空氣流量和烤煙房?jī)?nèi)外空氣焓差成正比，在烘烤工藝曲線(xiàn)確定的情況下，室外環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)是最主要的影響因素。如圖7所示，烘烤過(guò)程中排濕熱損失最大值為47.49kW，出現(xiàn)在定色期后期。

3.3 烤煙房的熱負(fù)荷

綜上，根據(jù)式（4）烤煙房的熱負(fù)荷隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 烤煙房熱負(fù)荷

烤煙房熱負(fù)荷隨時(shí)間變化規(guī)律與排濕熱損失隨時(shí)間變化規(guī)律類(lèi)似，即烤煙房熱負(fù)荷主要取決于失水速率。整個(gè)烘烤過(guò)程中最大熱負(fù)荷為51.74kW，出現(xiàn)在定色期后期，此時(shí)排濕熱損失為47.49kW，占烘烤熱負(fù)荷的91.8%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失為4.25kW，占烘烤熱負(fù)荷8.2%。整個(gè)烘烤過(guò)程負(fù)荷總量為3847.95kWh，平均負(fù)荷為24.83kW，排濕負(fù)荷總量為3285.32kWh，負(fù)荷總量的85.4%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷總量為562.63kWh，占負(fù)荷總量的14.6%。

4 總結(jié)

（1）本文對(duì)密集烘烤烤煙房負(fù)荷的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以烤房整體為對(duì)象做了簡(jiǎn)化的傳熱傳質(zhì)分析，建立了計(jì)算模型；并以云煙97品種為例，對(duì)其烘烤過(guò)程中的逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算分析。

（2）計(jì)算結(jié)果表明烤煙房負(fù)荷分布規(guī)律與排濕負(fù)荷分布規(guī)律類(lèi)似；最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在定色期后期；圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷總量占烤煙房熱負(fù)荷總量的14.6%，不可忽視，一些文獻(xiàn)認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷相較排濕負(fù)荷比例很小，可忽略不計(jì)，是不可取的。

（3）烤煙房熱負(fù)荷確定的難點(diǎn)在于烘烤過(guò)程中煙葉的失水速率的確定，而煙葉品種的不同，具體烘烤工藝曲線(xiàn)的不同對(duì)失水速率都有影響，若需進(jìn)行更精確的計(jì)算，則需要各品種煙葉詳細(xì)的烘烤失水速率。

[1] 唐娟,李夔寧.基于可再生能源的熱泵空調(diào)技術(shù)[J].制冷與空調(diào),2007,21(4):62-65.

[2] 晏明,于軍強(qiáng),張立志.烤煙房熱濕回收利用研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,(5):247-252.

[3] 馬翠玲,李佛琳,崔國(guó)民.不同類(lèi)型烤房中煙葉水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,23(6):630-633.

[4] 呂君,魏娟,張振濤,等.基于等焓和等溫過(guò)程的熱泵烤煙系統(tǒng)性能的理論分析與比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28 (20):265-271.

[5] 徐楓.烤煙三段式烘烤技術(shù)工藝操作要領(lǐng)（圖）[J/OL].[2011-07-13].http://www.tobaccochina.com/tobaccoleaf/curing/curing/20117/20117814271_472710.shtml

[6] 趙銘欽,宮長(zhǎng)榮,汪耀富,等.不同烘烤條件下煙葉失水規(guī)律的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,29(4):382-387.

[7] 宮長(zhǎng)榮,王曉劍,馬京民,等.烘烤過(guò)程中煙葉的水分動(dòng)態(tài)與生理變化關(guān)系的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34 (3):229-231

[8] 趙華武.密集烘烤過(guò)程中烤煙葉水分、電特性和葉間風(fēng)速變化的研究[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[9] Q/GDYY 019-2011,密集式烤房建設(shè)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

The Study of the Heating Load Distribution of Bulk Curing Barn

Yao Yao Zhu Jian

( School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, 230009 )

This paper aims to analyze the constitution of the heating load of bulk curing barn and the heat and mass transfer process for the whole bulk curing barn and set up the energy consumption model to explore the load distribution of bulk curing barn. Calculating the hourly load in the process of tobacco curing by Yunyan97 as an illustration. The results shows that the load distribution is mainly affected by the dehydration rate of tobacco, which is similar to the distribution of humidity load; the largest heat load appeares in the later period of the color fixing stage; the envelope heating load increases with the growth of time, which amount is 15% of the amount of the heating load of the bulk curing barn.

bulk curing barn; load calculation; envelope heating load; humidity load; distribution

1671-6612（2017）04-411-05

TU83

A

姚 曜（1992-），女，在讀碩士研究生，E-mail：771588242@qq.com

祝 健（1967-），女，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：244532273@qq.com

2016-08-02