熱泵密集烤房烘烤過程中干濕球溫度響應研究

李晗 侯欣 于濤 譚效磊 劉文濤 王興春 徐秀紅 劉迎超 楊趁義 王玉軍

摘要：為探究熱泵密集烤房烘烤過程中干濕球溫度響應情況以及與燃煤密集烤房的差異，優(yōu)化熱泵密集烤房烘烤環(huán)境，在熱泵密集烤房與燃煤密集烤房內用SSN-22溫濕度自動記錄儀測量烤房不同空間、不同時間的干濕球溫度并與設定值對比分析。結果表明：①熱泵密集烤房烘烤過程中的干球溫度響應度略小于燃煤密集烤房烘烤過程中的干球溫度響應度。②熱泵密集烤房烘烤過程中的濕球溫度響應度大于燃煤密集烤房烘烤過程中的濕球溫度響應度。③熱泵密集烤房與燃煤密集烤房烘烤過程中水平方向的干濕球溫度響應度高于垂直方向的干濕球溫度響應度。④熱泵密集烤房與燃煤密集烤房烘烤過程中的干球溫度響應度高于濕球溫度響應度。提高熱泵密集烤房供熱能力和通風能力是提高煙葉烘烤質量的重要措施。

關鍵詞：熱泵密集烤房;干球溫度;濕球溫度;響應度

中圖分類號：S572.092?文獻標識號：A?文章編號：1001-4942（2019）12-0015-05

Abstract?In order to explore the differences of wet and dry bulb temperature responses between heat pump and coal-fired bulk curing barn， and optimize the baking environment of heat pump curing barn， the wet and dry bulb temperatures of different spaces and times in?curing barns were measured by SSN-22 temperature and humidity automatic recorder， and were contrasted?with the set value. The results showed that the dry bulb temperature response degree of heat pump bulk curing barn was slightly smaller than that of coal-fired bulk curing barn during the curing process. But the wet bulb temperature response degrees of the two curing barns were contrast to the dry bulb. The wet and dry bulb temperature response degrees of different curing barns in horizontal diretion were higher than those in vertical direction. The dry bulb temperature response degrees of the two curing barns were higher than the wet bulb temperature response degrees. Improving the heating capacity and ventilation capacity of heat pump barn were the important measure to improve the curing quality of tobacco leaves.

Keywords?Heat pump curing barn; Dry bulb temperature; Wet bulb temperature; Response degree

煙葉烘烤是烤煙生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，目前我國烤煙主要的烘烤設備是燃煤密集烤房[1，2]。該類型烤房存在自動化水平低、控溫難、用工多、勞動強度大、污染重等問題[3-5]。而熱泵密集烤房以空氣熱能供熱，綠色環(huán)保，自動化程度高，安全性和可控性高;熱泵密集烤房烘烤的煙葉化學成分比例更為協(xié)調，烘烤質量更高;熱泵密集烤房能夠顯著減少用工和降低烘烤成本[6-13]。熱泵密集烤房能夠克服燃煤密集烤房應用之缺陷，對實現(xiàn)我國煙草行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義[13，14]。

在烤房溫濕度變化方面前人做了一定研究。歐陽進等[15]使用Fluent 軟件對普通燃煤密集烤房風速場與溫度場進行數(shù)值模擬，最終得出了進風量與烤房中風速分布的關系。劉浩等[16]設計出基于ARM和Matlab的燃煤密集烤房溫濕度場的測量及可視化分析系統(tǒng)。相關研究表明：氣流上升式與氣流下降式燃煤密集烤房在烘烤過程中不同時間、空間上的溫濕度均存在差異[17-19]。潘建斌等[12]研究表明，熱泵密集烤房性能較好，平面溫差和垂直溫差較小，風速適宜，通風排濕順暢。

但對于熱泵密集烤房烘烤全過程干濕球溫度響應的研究卻鮮有報道。干濕球溫度響應度是烤房響應設計烘烤曲線的程度，也就是烤房實際干濕球溫度與設計干濕球溫度的符合程度。為探究熱泵密集烤房供熱能力、干濕球溫度是否達到設計干濕球溫度，本試驗對熱泵密集烤房與燃煤密集烤房烘烤過程中不同空間、不同時間的干濕球溫度響應情況進行對比研究，旨在為熱泵密集烤房烘烤工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?供試材料

試驗于2018年8月至2019年8月在山東省臨沂市沂水縣富官莊鎮(zhèn)金旭煙農合作社進行。

供試煙葉：選取同地塊生長狀況、成熟度一致的烤煙品種中煙100的中上部煙葉。

供試烤房：氣流上升式熱泵密集烤房、氣流上升式燃煤密集烤房（自動加煤）。裝煙室均為：8.0 m×2.7 m ×3.5 m。

主機規(guī)格：熱泵密集烤房主機采用山東啟邦博冠科技發(fā)展有限公司提供的雙7匹壓縮機系統(tǒng)，最大制熱量45 kW，最大輸入功率15.6 kW。

測試儀器：深圳宇問加壹傳感系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的 SSN-22溫濕度自動記錄儀。

裝煙方式：采用煙夾方式，掛煙3層，每個烤房裝煙336夾，每夾煙葉質量（10±0.5）kg，煙夾均勻分布在裝煙室內。

1.2?試驗設計

干球溫度與濕球溫度的測定：將9個溫濕度自動記錄儀均勻放置于烤房裝煙室內掛煙架的上、中、下三層，每層前、中、后部各1個，靠近烤房門的裝煙室區(qū)域為前部，靠近加熱室的裝煙室區(qū)域為后部，具體位置如圖1所示。以燃煤密集烤房作為對照烤房，均按照“8點式精準烘烤工藝”進行烘烤，烘烤工藝如表1所示。記錄各點干濕球溫度，繪制出折線圖，并與設定干濕球溫度進行對比，分析烘烤過程中干濕球溫度響應情況。

1.3?數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖。所用數(shù)據(jù)為兩年試驗的平均值。

2?結果與分析

2.1?熱泵密集烤房與燃煤密集烤房干球溫度響應度

2.1.1?水平方向干球溫度響應度?對烤房裝煙室內水平方向前、中、后部干球溫度數(shù)值進行統(tǒng)計（每部位均為上、中、下三層平均值），其分布及變化動態(tài)見圖2。

由圖2A可知，熱泵密集烤房水平方向干球溫度與設定干球溫度差值在變黃前期較小，即響應度較高，溫度差在0.9℃以內;變黃后期開始變大，即響應度變低，最大溫度差為1.47℃。定色期前期溫度差最大，達2℃;定色后期及干筋前期溫度差又逐漸變小，在0.5℃內。干筋中期烤房內溫度差又逐漸變大，達到最大溫度差2.74℃，干筋后期溫度差又逐漸變小，在0.47℃以內。三個部位變化動態(tài)以前部最為明顯。

由圖2B可知，燃煤密集烤房水平方向干球溫度與設定干球溫度差值在變黃期較小，溫度差在0.8℃以內;定色期溫度差變大，最大溫度差為0.8℃;干筋前期變小，干筋中后期設定溫度達到68℃時，溫度差達到最大，為1.67℃。烘烤結束時溫度差又變小，在0.47℃左右。

綜合比較，水平方向的干球溫度響應度燃煤密集烤房要大于熱泵密集烤房，且熱泵烤房干球溫度差值主要為負值，而燃煤烤房干球溫度差值主要為正值。

2.1.2?垂直方向干球溫度響應度?對烤房裝煙室內垂直方向上、中、下層干球溫度數(shù)值進行統(tǒng)計（每層均為前、中、后三點平均值），其分布及變化動態(tài)見圖3。

由圖3A可知，熱泵密集烤房垂直方向干球溫度與設定干球溫度差值在變黃前期較穩(wěn)定，溫度差在0.83℃以內;定色期溫度差開始變大，最大溫度差為1.63℃;干筋期烤房溫度達到68℃時溫度差達到最大，為4℃，烘烤結束時溫度差在0.5℃左右。

由圖3B可知，燃煤密集烤房垂直方向干球溫度與設定干球溫度差值在變黃前期較大，最大差值為1.7℃，變黃后期逐漸縮小到1.23℃以內;定色期溫差先變大后變小，最大溫度差為2.27℃，定色后期溫度差在1.23℃以內;干筋期溫度差先變大后變小，當溫度達到68℃時溫度差最大，為2.53℃;烘烤結束時溫度差穩(wěn)定在0.5℃左右。

綜合比較，除烤房快速升溫到68℃時外，其它時間熱泵密集烤房在垂直方向的干球溫度響應度要大于燃煤密集烤房。兩類烤房均為中部響應度最高，而上、下部響應度相對較低，且上部干球溫度差值主要為負值，下部干球溫度差值主要為正值。

2.2?熱泵密集烤房與燃煤密集烤房濕球溫度響應度

2.2.1?水平方向濕球溫度響應度?通過對烤房裝煙室內水平方向前、中、后濕球溫度數(shù)值統(tǒng)計（每部位均為上、中、下三層平均值），其分布及變化動態(tài)見圖4。

由圖4A可知，熱泵密集烤房水平方向濕球溫度與設定濕球溫度差值在變黃期保持相對穩(wěn)定，最大溫度差為1.05℃;定色期溫度差波動較大，最大溫度差為1.1℃;干筋前期溫度差較大，為0.96℃，干筋后期濕球溫度差逐漸穩(wěn)定;烘烤結束時濕球溫度差在0.3℃左右。

由圖4B可知，燃煤密集烤房水平方向濕球溫度與設定濕球溫度差值在變黃期較小，最大為0.97℃，變黃后期差值逐漸變大，最大為2.27℃;定色期溫度差變小但波動較大，最大差值為1.07℃;干筋前期溫度差波動較小，但干筋后期差值及波動性又變大，最大差值為1.71℃;烘烤結束時濕球溫度差在0.5℃左右。

綜合比較，熱泵密集烤房水平方向的濕球溫度響應度大于燃煤密集烤房水平方向的濕球溫度響應度。

2.2.2?垂直方向濕球溫度響應度?通過對烤房裝煙室內垂直方向上、中、下層濕球溫度數(shù)值統(tǒng)計（每層均為前、中、后三點平均值），其分布及變化動態(tài)見圖5。

由圖5A可知，熱泵密集烤房垂直方向濕球溫度與設定濕球溫度差值在變黃期較小且保持相對穩(wěn)定，最大溫度差為0.93℃;定色期差值和波動性變大，最大溫度差為1.03℃;整個干筋期濕球溫度波動性仍較大，干筋前期溫度差達到最大，為1.07℃，干筋后期溫度差逐漸變小;烘烤結束時濕球溫度差在0.2℃左右。

由圖5B可知，燃煤密集烤房垂直方向濕球溫度與設定濕球溫度差值在變黃期較大，變黃前期最大溫度差為0.97℃，變黃后期最大溫度差為2.27℃;定色期差值變小，最大溫度差為1.0℃;干筋期差值先變大后變小，最大溫度差為1.71℃;烘烤結束時濕球溫度差在0.5℃左右。變黃后期至干筋期，濕球溫度的波動性均較大。

綜合比較，熱泵密集烤房垂直方向的濕球溫度響應度大于燃煤密集烤房在垂直方向的濕球溫度響應度。

3?討論

熱泵密集烤房與燃煤密集烤房在烘烤過程中不同時間、不同區(qū)位與設定的干濕球溫度均存在一定差異。熱泵密集烤房的干濕球溫度響應度總體要比燃煤密集烤房高，這與前人的研究結果基本一致[14]。但在烤房需熱強度迅速增大階段，熱泵密集烤房在水平方向和垂直方向升溫速度要比燃煤密集烤房慢，即響應度較低。我們推測原因為熱泵密集烤房的供熱強度有限，在烤房需熱量較少時無明顯差異，但當需熱量較大時，升溫速度相對較慢所致。因此我們可以更換更大功率的風機和主機，增強熱泵密集烤房的供熱能力和通風能力，以此來提高煙葉烘烤質量。

4?結論

本試驗中，熱泵密集烤房在烘烤過程中的干球溫度響應度略小于燃煤密集烤房在烘烤過程中的干球溫度響應度，且熱泵烤房干球溫度差值主要為負值，而燃煤烤房干球溫度差值主要為正值;熱泵密集烤房在烘烤過程中的濕球溫度響應度大于燃煤密集烤房在烘烤過程中的濕球溫度響應度;熱泵密集烤房與燃煤密集烤房在烘烤過程中水平方向的干濕球溫度響應度高于垂直方向的干濕球溫度響應度;熱泵密集烤房與燃煤密集烤房在烘烤過程中干球溫度響應度高于濕球溫度響應度;熱泵密集烤房在烘烤過程中變黃期干濕球溫度響應度高于定色期和干筋期。

參?考?文?獻：

[1]?宮長榮. 煙草調制學[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2003.

[2]?王衛(wèi)峰，陳江華，宋朝鵬，等. 密集烤房的研究進展[J]. 中國煙草科學，2005，26（3）：12-14.

[3]?浦秀平，徐世峰，任杰，等. 不同裝煙方式對密集烘烤效率及煙葉質量的影響[J]. 中國煙草科學，2013，34（4）：98-102.

[4]?徐成龍，蘇家恩，張聰輝，等. 不同能源類型密集烤房烘烤效果對比研究[J]. 安徽農業(yè)科學，2015，43（2）：264-266.

[5]?肖艷松，李曉燕，李圣元，等. 不同類型烤房的烘烤效果比較[J]. 煙草科技，2009（2）：61-63.

[6]?崔云，黃成波，武傳國，等. 熱泵烤房應用效果研究[J]. 農業(yè)開發(fā)與裝備，2018（9）：124-125.

[7]?譚波. 熱泵烤房對煙葉烘烤質量的影響[J]. 安徽農業(yè)科學，2018，46（8）：191-192，217.

[8]?孫曉軍，杜傳印，王兆群，等. 熱泵型煙葉烤房的設計探究[J]. 中國煙草學報，2010，16（1）：31-35.

[9]?潘周云，陳杰，包正元，等. 空氣能熱泵密集烤房烘烤成本及效益分析[J]. 耕作與栽培，2017（6）：31-32，18.

[10]周孚美，谷云松，李丁華，等. 空氣能熱泵式與燃煤密集型烤房的烘烤效果對比[J]. 浙江農業(yè)科學，2017，58（11）：2039-2041，2045.

[11]趙金輝，孫帥杰. 熱泵節(jié)能型烤煙技術的應用[J]. 低溫建筑技術，2017，39（9）：137-140.

[12]潘建斌，王衛(wèi)峰，宋朝鵬，等. 熱泵型煙葉自控密集烤房的應用研究[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2006，34（1）：25-29.

[13]譚方利，邱坤，楊鵬，等. 新型能源在煙葉烘烤中應用前景和效果分析[J]. 天津農業(yè)科學，2018，24（1）：59-63.

[14]李崢，譚方利，吳文信，等. 煙葉烘烤新型能源和技術研究進展[J]. 天津農業(yè)科學，2017，23（11）：68-72，90.

[15]歐陽進，王永喬，羅會龍，等. 密集烤房內溫度與氣流分布數(shù)值模擬研究[J]. 中國農學通報，2015，31（14）：279-284.

[16]劉浩，普恩平，王春林，等. 密集烤房溫濕度場測量及可視化分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 新型工業(yè)化，2017，7（9）：35-40.

[17]賀慶祥，劉凱，李朋發(fā)，等. 密集烤房烘烤過程中溫濕度時空分布及層間烘烤效果差異化研究[J]. 山東農業(yè)科學，2017，49（6）：54-59.

[18]唐力為. 密集烤房中溫濕度分布狀況及其對煙葉化學和外觀品質的影響[D]. 雅安：四川農業(yè)大學，2013.

[19]董祥洲，王豹祥，高琴，等. 氣流上升式密集烤房烘烤過程中溫濕度差異及氣流運動方向研究[J]. 安徽農學通報，2019，25（1）：95-97.