可調(diào)節(jié)氣流方向的閉式循環(huán)熱泵烤房的設(shè)計(jì)應(yīng)用

任 杰，曹亞凡，盧曉華，閆 鼎，高 遠(yuǎn)，李德侖，陳 垚，丁朋輝，龔鵬飛，蔡憲杰*

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東省青島市嶗山區(qū)科苑經(jīng)四路11 號(hào) 266101

2. 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海市楊浦區(qū)長(zhǎng)陽(yáng)路717 號(hào) 200082

3. 貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)519 號(hào) 551700

4. 陜西省煙草公司延安市公司，陜西省延安市七里鋪街 716000

我國(guó)現(xiàn)行密集烤房大多以煤炭為主要能源，每烘烤1 kg 干煙需要消耗1.5～2.0 kg 煤炭，能耗較高，燃煤污染排放較大，致使烘烤成為煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要污染來(lái)源[1-2]，減少烘烤過(guò)程中燃煤污染已成為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)推進(jìn)過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題。我國(guó)是能耗大國(guó)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，利用新能源進(jìn)行煙葉烘烤是發(fā)展趨勢(shì)，而利用電能替代煤炭供熱的熱泵烤房是一種簡(jiǎn)單有效的選擇。有關(guān)熱泵烤房的研究已有較多報(bào)道，但多為開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房[3-6]，而有關(guān)閉式循環(huán)熱泵烤房及其烘烤效果則研究較少。鮮煙葉含水率一般在80%以上，在煙葉烘烤進(jìn)程中，煙葉中的水分大量向空氣中蒸發(fā)進(jìn)入烤房，我國(guó)現(xiàn)行密集烤房一般都采用開(kāi)放式排濕方式，打開(kāi)冷風(fēng)門吸入新鮮空氣，由排濕口直接向外界環(huán)境排出濕空氣以降低烤房?jī)?nèi)的相對(duì)濕度，煙葉干燥速度快，煙葉收縮幅度小，烤后煙葉欠柔軟[7]。此外，高溫高濕空氣的排出造成大量的能量浪費(fèi)，也容易導(dǎo)致烤房?jī)?nèi)溫度劇烈變化，對(duì)烤后煙葉質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。而閉式循環(huán)空氣源熱泵烤房在整個(gè)煙葉烘烤過(guò)程中，烤房?jī)?nèi)循環(huán)的空氣不與外界進(jìn)行交換，排濕階段利用蒸發(fā)器將空氣中的水蒸氣冷凝排出，熱量可以循環(huán)利用，減少了能源浪費(fèi)，并可最大程度地保留煙葉中的致香物質(zhì)和利于提高烘烤品質(zhì)的氣體成分[8-9]。當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)有烤房均為氣流上升式或氣流下降式[10]，一旦烤房建造安裝完畢，則氣流方向不可調(diào)節(jié)。在煙葉實(shí)際烘烤中，有些裝煙方式對(duì)氣流方向有特定要求[11-12]，單一氣流方向會(huì)限制烤房的應(yīng)用。此外，裝煙室一般裝煙3～4 層，根據(jù)不同煙葉烘烤階段，高溫層煙葉溫度較低溫層煙葉溫度高1～3 °C，導(dǎo)致上下層煙葉烘烤進(jìn)度不一致[13]。而可調(diào)節(jié)氣流方向烤房可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)氣流方向，實(shí)現(xiàn)上下層溫度一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤進(jìn)度一致。為此，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)氣流方向的閉式循環(huán)熱泵烤房，并進(jìn)行了烘烤效果試驗(yàn)，以期降低煙葉烘烤對(duì)燃煤的依賴，改善煙葉柔軟性，提高煙葉烘烤質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 烤房結(jié)構(gòu)

可調(diào)節(jié)氣流方向的閉式循環(huán)熱泵烤房主要由閉式循環(huán)熱泵一體機(jī)和裝煙建筑系統(tǒng)兩大部分組成，見(jiàn)圖1。其中，閉式循環(huán)熱泵一體機(jī)由導(dǎo)流塊、室內(nèi)換熱器、室外換熱器、室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、四通換向閥、節(jié)流裝置、電磁閥、單向閥、室外冷凝風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)門等組成；裝煙建筑系統(tǒng)由裝煙室、上風(fēng)口、下風(fēng)口、輔助排濕風(fēng)閥等組成。

圖1 可調(diào)節(jié)氣流方向的閉式循環(huán)熱泵烤房結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of closed-loop heat pump curing barn with variable airflow direction

熱泵一體機(jī)連接側(cè)設(shè)有第一上風(fēng)口和第一下風(fēng)口；第一導(dǎo)流塊和第二導(dǎo)流塊分別設(shè)置于機(jī)體內(nèi)；室內(nèi)換熱器A 和室內(nèi)換熱器B 設(shè)于第一導(dǎo)流塊與第二導(dǎo)流塊之間的腔體內(nèi)，均通過(guò)管道與室外換熱器連通；室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)亦設(shè)于第一導(dǎo)流塊與第二導(dǎo)流塊之間的腔體內(nèi)，用于提供機(jī)體內(nèi)氣流流動(dòng)的動(dòng)力；1 號(hào)風(fēng)閥設(shè)于第一導(dǎo)流塊與機(jī)體的內(nèi)頂面之間，2 號(hào)風(fēng)閥設(shè)于第一導(dǎo)流塊與機(jī)體連接側(cè)的內(nèi)側(cè)面之間，3 號(hào)風(fēng)閥設(shè)于第二導(dǎo)流塊與機(jī)體連接側(cè)的內(nèi)側(cè)面之間，4 號(hào)風(fēng)閥設(shè)于第二導(dǎo)流塊與機(jī)體的內(nèi)頂面之間，均用于控制機(jī)體內(nèi)氣流的流向；冷風(fēng)門設(shè)于機(jī)體上，用于控制室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)所在腔體與機(jī)體外的連通和封閉；壓縮機(jī)通過(guò)1 號(hào)四通換向閥連接在室內(nèi)換熱器B 與室外換熱器之間的管道上；節(jié)流裝置也安裝在室內(nèi)換熱器B 與室外換熱器之間的管道上；室外冷凝風(fēng)機(jī)設(shè)置在室外換熱器的一側(cè)。

裝煙建筑系統(tǒng)設(shè)有與第一上風(fēng)口連接的第二上風(fēng)口，以及與第一下風(fēng)口連接的第二下風(fēng)口。上輔助排濕風(fēng)閥和下輔助排濕風(fēng)閥分別設(shè)于裝煙室的頂端和底端，用于控制裝煙室內(nèi)氣體的流進(jìn)和流出。

1.2 工作原理

可調(diào)節(jié)氣流方向烤房具有制冷、制熱、閉式循環(huán)除濕、輔助外排濕、氣流方向可調(diào)節(jié)5 大功能：①制冷模式。采用裝煙室內(nèi)的循環(huán)空氣作為蒸發(fā)制冷的換熱介質(zhì)，經(jīng)過(guò)室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的循環(huán)作用，室內(nèi)換熱器B 釋放冷量，熱量通過(guò)室外換熱器釋放到室外，實(shí)現(xiàn)制冷功能。②制熱模式。通過(guò)室外換熱器吸收機(jī)體外空氣中的熱量，經(jīng)過(guò)室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的循環(huán)作用，室內(nèi)換熱器B 釋放熱量，采用裝煙室內(nèi)的循環(huán)空氣作為烘烤調(diào)制冷凝的換熱介質(zhì)，將室內(nèi)煙葉中水分吸收到干燥空氣中，同時(shí)將裝煙室內(nèi)排出的潮濕空氣排放到裝煙室外。③閉式循環(huán)除濕模式。從裝煙室內(nèi)排出的潮濕高溫空氣經(jīng)過(guò)管道輸送到室內(nèi)換熱器B 進(jìn)行熱交換，處理到低溫干燥狀態(tài)，同時(shí)將冷凝水排出系統(tǒng)外；處理后的低溫干燥空氣經(jīng)過(guò)室內(nèi)換熱器A 進(jìn)行熱交換，再處理到高溫干燥狀態(tài)；處理后的空氣經(jīng)過(guò)室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)額定輸送到裝煙室內(nèi)，干燥的高溫空氣經(jīng)過(guò)放置在裝煙室內(nèi)的煙葉，吸收煙葉中的水分后再次成為潮濕高溫空氣。④輔助外排濕模式。在極端特殊情況下，當(dāng)閉式循環(huán)除濕模式不能滿足排濕要求時(shí)，打開(kāi)冷風(fēng)門補(bǔ)充新風(fēng)，上輔助排濕風(fēng)閥和/或下輔助排濕風(fēng)閥開(kāi)啟，裝煙室內(nèi)高濕空氣排出室外。⑤氣流方向轉(zhuǎn)換模式。通過(guò)對(duì)1～4 號(hào)風(fēng)閥進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)氣流在上升式與下降式之間切換。其中，1 號(hào)風(fēng)閥開(kāi)、2 號(hào)風(fēng)閥關(guān)、3 號(hào)風(fēng)閥開(kāi)、4 號(hào)風(fēng)閥關(guān)組合，氣流方向?yàn)樯仙剑? 號(hào)風(fēng)閥關(guān)、2 號(hào)風(fēng)閥開(kāi)、3 號(hào)風(fēng)閥關(guān)、4 號(hào)風(fēng)閥開(kāi)組合，氣流方向?yàn)橄陆凳健?/p>

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018 年8 月份在貴州省畢節(jié)市黔西縣高錦烘烤工場(chǎng)進(jìn)行。供試品種為韭菜坪2 號(hào)，烤煙栽培管理均按照畢節(jié)市優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)方案實(shí)施。

供試烤房為閉式循環(huán)熱泵烤房和燃煤密集烤房。閉式循環(huán)熱泵一體機(jī)在蘇州沃斯利新能源設(shè)備有限公司組裝，運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)地點(diǎn)后直接與裝煙室相連組成閉式循環(huán)熱泵烤房。兩種不同配置烤房土建規(guī)格均為8 m×2.7 m×3.5 m，調(diào)整氣流方向統(tǒng)一為下降式。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采收成熟上部、中部煙葉，處理與對(duì)照采用同質(zhì)鮮煙，按照“同田塊、同熟相、同時(shí)采、同時(shí)編、同時(shí)開(kāi)烤操作”的要求進(jìn)行操作。用煙桿編煙分別裝入熱泵烤房和燃煤烤房。此外，從所采煙葉中挑選鮮煙素質(zhì)基本一致的煙葉10 桿，熱泵烤房和燃煤烤房各放5 桿，分別放在兩種烤房的二棚中間位置。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

①對(duì)兩種烤房烤后煙葉依據(jù)烤煙國(guó)標(biāo)GB 2635—1992[14]進(jìn)行分級(jí)，計(jì)算各等級(jí)比例和均價(jià)，并進(jìn)行煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。②對(duì)兩種烤房5 桿代表性烤后煙葉去除青雜煙后送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行常規(guī)化學(xué)成分分析，參考文獻(xiàn)[15]方法進(jìn)行總糖、還原糖、總植物堿、總氮、蛋白質(zhì)含量測(cè)定，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16]對(duì)煙葉樣品進(jìn)行感官品質(zhì)評(píng)價(jià)。③計(jì)算各處理烘烤后干煙耗煤量和耗電量。④收縮率參考文獻(xiàn)[17]方法進(jìn)行測(cè)定，柔軟度采用RH-R1000 電腦柔軟度儀（廣州潤(rùn)湖儀器有限公司）測(cè)定[18]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0 軟件用Duncan 法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 負(fù)載條件下兩種烤房的升溫穩(wěn)溫性能

由圖2 可見(jiàn)，在負(fù)載條件下，燃煤烤房干球溫度和濕球溫度均有較大波動(dòng)，尤其是夜間氣溫較低時(shí)，干濕球溫度波動(dòng)更大，而熱泵烤房較燃煤烤房升溫靈敏，實(shí)測(cè)干濕球溫度與目標(biāo)干濕球溫度基本吻合。在煙葉烘烤過(guò)程的變黃期、定色期以及干筋期均能達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫濕度，且在穩(wěn)溫階段溫濕度波動(dòng)較小（±0.3 °C），能夠滿足烘烤對(duì)溫濕度的要求。

3.2 不同烘烤階段熱泵烤房除濕速率

圖2 閉式循環(huán)熱泵烤房（A）和燃煤烤房（B）實(shí)時(shí)干濕球溫度Fig.2 Real-time wet and dry bulb temperatures in closed-loop heat pump curing barn and coal-fueled curing barn

由圖3 可見(jiàn)，在閉式循環(huán)除濕模式下，不同烘烤階段的除濕速率（冷凝水流出速率）有較大差別。在煙葉變黃后期，除濕速率最高（30 kg/h），此后除濕速率逐漸下降；在干筋期，通過(guò)閉式循環(huán)除濕模式很難將水分排出，基本無(wú)冷凝水流出。這可能是因?yàn)樽凕S后期烤房?jī)?nèi)相對(duì)濕度較高（80%～87%），空氣中含有的水蒸氣較多，容易冷凝流出。而在干筋期，烤房相對(duì)濕度下降至15%左右，空氣干燥，空氣中水蒸氣較少，不容易冷凝流出，因此除濕困難。

圖3 閉式循環(huán)熱泵烤房不同烘烤階段冷凝水流出速率Fig.3 Flow rate of condensate water at different curing stages in closed-loop heat pump curing barn

3.3 烤后煙葉收縮率和柔軟性

由圖4A 可見(jiàn)，熱泵烤房烤后煙葉長(zhǎng)度收縮率（10.36%）略高于燃煤烤房（9.86%），但差異不顯著。熱泵烤房烤后煙葉寬度收縮率（29.65%）明顯高于燃煤烤房（24.97%）。熱泵烤房與燃煤烤房設(shè)計(jì)原理相似，但除濕方式不同，這可能是造成烤后煙葉形變不同的主要原因。燃煤烤房屬于階段性快排濕，烘烤過(guò)程中當(dāng)實(shí)測(cè)濕球溫度大于設(shè)定濕球溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)冷風(fēng)門，通過(guò)大風(fēng)速快速排出烤房?jī)?nèi)的濕空氣，造成煙葉內(nèi)水分驟減，導(dǎo)致煙葉來(lái)不及充分收縮形變[7]。而采用熱泵烤房，濕空氣中的水分以冷凝水形式排出，無(wú)需過(guò)大風(fēng)速，加之熱泵烤房控溫精度高（±0.3 °C），可實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤持續(xù)性慢除濕，使煙葉充分收縮形變。

烤后煙葉柔軟性與煙葉質(zhì)量顯著正相關(guān)[19]，煙葉的柔軟度反映了煙葉抗彎曲阻力與抗滑動(dòng)摩擦阻力的綜合特性（主要反映材料的挺硬性）。柔軟度值越大，則煙葉柔軟性越差；柔軟度值越小，表示煙葉柔軟性越好[20]。由圖4B 可見(jiàn)，熱泵烤房烤后煙葉柔軟度[7.69 mN（RH60%）]顯著低于燃煤烤房烤后煙葉[16.67 mN（RH60%）]，說(shuō)明熱泵烤房烤后煙葉柔軟性顯著優(yōu)于燃煤烤房。這可能與烤后煙葉收縮率有關(guān)，有研究表明，物料干燥后的收縮率小，則質(zhì)地僵硬[21-22]。

圖4 不同類型烤房烤后煙葉收縮率（A）和柔軟度（B）Fig.4 Shrinkage rate (A) and softness (B) of tobacco cured by different type barns

3.4 烤后煙葉化學(xué)成分

由表1 可見(jiàn)，熱泵烤房烤后煙葉還原糖和總糖含量明顯高于燃煤烤房。在總植物堿、總氮、鉀、氯和淀粉含量方面則無(wú)明顯差異。在化學(xué)成分協(xié)調(diào)性方面，兩種烤房烤后煙葉氮堿比和鉀氯比無(wú)明顯差異。熱泵烤房烤后煙葉兩糖比和糖堿比均適宜，而燃煤烤房烤后煙葉兩糖比和糖堿比均偏低。這可能與熱泵烤房升溫靈敏且對(duì)溫濕度控制精確，不會(huì)出現(xiàn)燃煤烤房因加煤操作而產(chǎn)生溫度波動(dòng)現(xiàn)象有關(guān)。研究表明，烘烤過(guò)程中溫度波動(dòng)越大，煙葉內(nèi)含物質(zhì)的損耗越大，烤后煙葉內(nèi)在質(zhì)量越差[2]。

表1 不同類型烤房烤后煙葉化學(xué)成分①Tab.1 Chemical components in tobacco cured by different type barns

3.5 烤后煙葉感官質(zhì)量

由表2 可見(jiàn)，兩種烤房烤后煙葉感官質(zhì)量在香氣質(zhì)、刺激性、燃燒性、灰色方面無(wú)明顯差異，但在香氣量、余味、雜氣方面，熱泵烤房烤后煙葉得分高于燃煤烤房，綜合得分熱泵烤房高于燃煤烤房。同時(shí)還由上海煙草集團(tuán)有限公司對(duì)烤后煙葉樣品感官質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：兩種烤房烤后煙葉香氣質(zhì)無(wú)明顯差異，但在濃度、勁頭、香氣量、透發(fā)性方面，熱泵烤房烤后煙葉優(yōu)于燃煤烤房（數(shù)據(jù)未列出）。

表2 不同類型烤房烤后煙葉感官質(zhì)量①Tab.2 Sensory quality of tobacco cured by different type barns

3.6 能耗成本

由表3 可見(jiàn)，燃煤烘烤煤耗較高，折合1 kg 干煙煤耗1.73 kg，1 kg 干煙煤耗成本2.39 元。熱泵烤房采用電能加熱，1 kg 干煙能耗成本僅為1.27元。綜合分析兩種烤房能耗，熱泵烤房1 kg 干煙能耗成本較燃煤烤房下降1.40 元。在烘烤用工方面，熱泵烤房無(wú)需加料操作，烘烤操作用工大幅減少，1 人即可實(shí)現(xiàn)25 座烤房的烘烤管理，而10 座燃煤烤房一般需要2 人晝夜輪換進(jìn)行烘烤操作[1]。熱泵烤房較燃煤烤房1 kg 干煙烘烤用工成本下降0.48 元。綜合能耗及烘烤用工，熱泵烤房較燃煤烤房生產(chǎn)成本下降1.88 元/kg。

表3 不同類型烤房每kg 干煙烘烤用工及能耗成本①Tab.3 Cost of labor and energy of tobacco cured by different type barns

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)制造了一種可調(diào)節(jié)氣流方向的閉式循環(huán)熱泵烤房，具備制熱、制冷、閉式循環(huán)除濕、輔助外排濕和可調(diào)節(jié)氣流方向5 項(xiàng)功能，升溫準(zhǔn)，控溫穩(wěn)，能夠滿足烤煙密集烘烤對(duì)溫濕度的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同烘烤階段的冷凝水流出速率有較大差別，隨烘烤進(jìn)行冷凝水流出速率逐漸下降。熱泵烤房烤后煙葉寬度收縮率和柔軟性顯著高于燃煤密集烤房，且煙葉化學(xué)成分含量更為適宜，化學(xué)成分比例更為協(xié)調(diào)，烤后煙葉感官質(zhì)量綜合得分高于燃煤烤房。在烘烤用工及能耗成本方面，熱泵烤房較燃煤烤房每kg 干煙成本下降1.88元，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。