全熱換熱器和雙層同心風(fēng)道在掛面全封閉烘房中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

王保法,汪 磊,張 欣,劉躍銘

(1.河南海弗星換熱科技有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450052)

掛面是我國(guó)產(chǎn)值最大面制品主食之一，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)資料顯示，國(guó)內(nèi)掛面的年產(chǎn)量已達(dá)到812萬t，其消費(fèi)額達(dá)到155億元人民幣[1]。掛面市場(chǎng)的發(fā)展加劇了掛面行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，掛面企業(yè)需要不斷進(jìn)行技術(shù)設(shè)備創(chuàng)新，以便于降低生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。在掛面生產(chǎn)過程中，干燥是掛面生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是掛面企業(yè)生產(chǎn)、加工能耗控制的基石，不合理的能源浪費(fèi)直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。郭穎提出在掛面干燥過程中，用于掛面中水分遷移的能耗僅占總能耗的46%[3]。王振華等通過對(duì)烘房能耗測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，排潮溫度過高是造成能量損耗的重要原因之一[4]。如何提高能源的利用率，降低掛面在干燥階段的能量損失，對(duì)于節(jié)能減排，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本具有重大的意義[5]。

全熱交換器是一種能夠應(yīng)用在掛面干燥系統(tǒng)的高效節(jié)能裝置，全熱包括潛熱和顯熱，也即是空氣的焓，它能夠在室內(nèi)的排風(fēng)和室外的新風(fēng)之間同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱量和水分的傳遞[6]。掛面烘干一般都采用對(duì)流熱力烘干法，即利用熱源加熱烘干室的空氣，借助風(fēng)力使熱空氣對(duì)流，用以加熱濕面條，同時(shí)帶走濕面條中的水分，熱空氣就成為干燥介質(zhì)，既是載熱體也是載濕體，也就是說，掛面烘干需要熱量，靠熱量進(jìn)行濕熱交換，濕面條只有在吸收熱量之后，才能使自身水分汽化并排放出去，達(dá)到干燥的目的[7-8]。傳統(tǒng)的烘干室是半開放型的，在掛面干燥過程中需要向外界排出大量的濕熱空氣帶走干燥出的水分，同時(shí)又需要大量的新風(fēng)補(bǔ)進(jìn)干燥系統(tǒng)中[9]。烘干室中的排潮風(fēng)在烘房底部通過排潮孔，在風(fēng)機(jī)的作用下被強(qiáng)制排出烘干室，新風(fēng)在室內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)入烘干室，由于烘干室沒有專門的進(jìn)風(fēng)設(shè)施或裝置，沒有凈化的新風(fēng)直接進(jìn)入烘干室，污染室內(nèi)環(huán)境，食品衛(wèi)生無保障，特別在室外環(huán)境溫度過低時(shí)，新風(fēng)直接進(jìn)入烘干室，高溫高濕的室內(nèi)空氣遇到新風(fēng)時(shí)，容易結(jié)露，存在食品安全隱患，影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)大量的高溫高濕的氣體直接排到大氣環(huán)境中去，造成極大的能量損失[10-11]。分析掛面烘干室進(jìn)風(fēng)（新風(fēng)）與排風(fēng)（排潮風(fēng)）的狀況，在掛面品種、產(chǎn)量、初始與終了水分相對(duì)穩(wěn)定的前提下 ，進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)的焓值（熱量）變化是影響熱能供應(yīng)的主要因素，直接關(guān)系著烘干成本的高低。在烘干室內(nèi)的進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)相對(duì)穩(wěn)定的前提下，使進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)通過熱交換，保證進(jìn)風(fēng)溫度穩(wěn)定并相對(duì)較高，降低烘干成本。

針對(duì)現(xiàn)有掛面干燥過程中能量的浪費(fèi)，本文提出了采用全熱換熱器和雙層同心風(fēng)道聯(lián)合使用的掛面干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用清潔的新風(fēng)與烘干室排出的溫度恒定的排潮風(fēng)進(jìn)行熱交換，保證進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)穩(wěn)定，降低烘干成本，避免結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也合理利用了干燥中的熱能。

1 傳統(tǒng)掛面烘房進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)

1.1 負(fù)壓進(jìn)風(fēng)-機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)

如圖1所示，在相對(duì)密閉的烘干室內(nèi)，壓氣扇作用于加熱管道加熱新風(fēng)，然后傳遞給軌道上運(yùn)行的濕掛面，濕掛面內(nèi)部水分在熱風(fēng)的作用下，變成水蒸氣通過排潮通道在風(fēng)機(jī)的作用下排到室外，室內(nèi)始終處于微負(fù)壓狀態(tài)，新風(fēng)源源不斷地進(jìn)入烘干室，進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)即：

圖1 傳統(tǒng)掛面密閉烘房進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)示意

式中：Nj為進(jìn)風(fēng)、Np為排風(fēng)。

1.2 預(yù)熱正壓進(jìn)風(fēng)-機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)

如圖2所示，為保證烘干室內(nèi)的食品衛(wèi)生安全，避免外部環(huán)境中的塵土及小蟲等雜物進(jìn)入烘干室內(nèi)，新風(fēng)在進(jìn)入烘干室前經(jīng)過新風(fēng)過濾器集中過濾，并對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，降低新風(fēng)與排風(fēng)的溫差，避免室內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生，過濾后的新風(fēng)在風(fēng)機(jī)作用下通過集中管道進(jìn)入室內(nèi)，按不同部位的風(fēng)量需求分點(diǎn)進(jìn)風(fēng)[12]；為了保證室內(nèi)產(chǎn)生的粉末及顆粒不被排到環(huán)境中去，每個(gè)出風(fēng)口都裝有空氣過濾器，處理過的濕熱風(fēng)匯集在統(tǒng)一的管道，在風(fēng)機(jī)的作用下排到室外，保證室內(nèi)外環(huán)境隔離，室內(nèi)壓力相對(duì)平衡。集中進(jìn)新風(fēng)與傳統(tǒng)負(fù)壓進(jìn)風(fēng)對(duì)比，加強(qiáng)了新風(fēng)及排潮風(fēng)過濾，保證了食品安全及環(huán)境衛(wèi)生，新風(fēng)預(yù)熱，減少結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生，但因采取了機(jī)械進(jìn)風(fēng)，增加了動(dòng)力成本[13]。

圖2 掛面烘房機(jī)械進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)示意

1.3 熱交換正壓進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)

如圖3所示，為了減少新風(fēng)預(yù)熱的能量消耗，在1.2的基礎(chǔ)上增設(shè)進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)在室外密閉的熱交換器內(nèi)進(jìn)行無動(dòng)力熱交換，保證進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)溫度相對(duì)恒定，減少固定投資與運(yùn)營(yíng)成本，但由于無動(dòng)力熱交換要求風(fēng)速較低，且風(fēng)阻較大，箱體體積大，機(jī)械動(dòng)力配比較大，增大了固定投資及運(yùn)行成本。

圖3 掛面烘干系統(tǒng)室外熱交換排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)示意

2 同心風(fēng)道與全熱換熱器進(jìn)風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)

2.1 雙層同心風(fēng)道正壓進(jìn)風(fēng)-排風(fēng)系統(tǒng)

如圖4所示，雙層同心風(fēng)道是制作的回型管道，通常用鍍鋅薄板或薄不銹鋼板制作，緊貼烘道兩邊的墻壁或烘干房頂部安裝，內(nèi)管走新風(fēng)，新風(fēng)管穿過外管在對(duì)烘房一側(cè)形成出風(fēng)口或向下形成出風(fēng)口；外管走排潮風(fēng)，通過管道從接近地面開口回風(fēng)，進(jìn)出風(fēng)口安裝有調(diào)節(jié)風(fēng)門，通過控制自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速與風(fēng)量，進(jìn)風(fēng)口裝有過濾器，避免異物進(jìn)入風(fēng)道，起到凈化空氣的作用，進(jìn)風(fēng)與回風(fēng)在風(fēng)機(jī)的作用下，逆向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中通過金屬壁導(dǎo)熱進(jìn)行熱交換，保證新風(fēng)進(jìn)入烘房的溫度相對(duì)恒定，新風(fēng)在進(jìn)入烘房?jī)?nèi)高溫高濕環(huán)境時(shí)不產(chǎn)生冷凝水，另外進(jìn)入的新風(fēng)是經(jīng)空氣凈化器過濾的，保證了食品衛(wèi)生及安全[14]。

圖4 掛面烘干雙層同心風(fēng)道示意

2.2 全熱換熱器

全熱換熱器通常是指一種含有全熱換芯體的新風(fēng)、排風(fēng)換熱設(shè)備。如圖5所示，產(chǎn)品工作時(shí)，室內(nèi)排風(fēng)和新風(fēng)分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱器芯體時(shí)，由于氣流分隔板兩側(cè)氣流存在著溫差和蒸汽分壓差，兩股氣流通過分隔板時(shí)呈現(xiàn)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，引起全熱交換過程[15-16]。由于烘房?jī)?nèi)需要排除的空氣溫度濕度相對(duì)恒定，新風(fēng)一年四季的溫度濕度差異較大，夏季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)與室內(nèi)空氣溫度接近，進(jìn)入烘房?jī)?nèi)的新風(fēng)溫度變化較??；冬季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)與烘房排風(fēng)通過換熱芯體的全熱換熱過程，讓進(jìn)入烘房的新風(fēng)，溫度升高并相對(duì)穩(wěn)定，室內(nèi)管道加熱新風(fēng)的能量也基本穩(wěn)定，所需求的熱量不會(huì)忽高忽低。

圖5 掛面烘干全熱交換器工作原理

2.3 雙層同心風(fēng)道與全熱換熱器在烘干室的應(yīng)用：

如圖6所示，由于烘干室內(nèi)進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)都采用集中處理的方式，采用同心雙層風(fēng)管沒有增加管道的材料成本，同時(shí)由于同心雙層風(fēng)道在進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)逆向運(yùn)動(dòng)的過程中完成了大部分熱量交換，減小了全熱換熱器的換熱面積，降低了系統(tǒng)的綜合固定投入成本與運(yùn)行成本。

圖6 雙層同心風(fēng)道與全熱換熱器聯(lián)合工作示意

3 實(shí)例分析與結(jié)果討論

3.1 某地區(qū)一年四季的室外新風(fēng)的焓值

空氣的焓值是指空氣所含有的總熱量，通常以干空氣的單位質(zhì)量為基準(zhǔn)。焓用符號(hào)i代表，單位是kJ/kg干空氣。濕空氣焓值等于相應(yīng)1 kg干空氣的焓值與相應(yīng)水蒸氣焓值之和。濕空氣焓值計(jì)算公式化為：

式中：t為空氣溫度，℃；d為空氣的含濕量，g/kg干空氣；1.01和1.84分別為干空氣和水蒸氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；2 500為 0℃時(shí)水的汽化潛熱，kJ/kg。由公式（2）可以看出：（1.01+1.84 d）t是隨溫度變化的熱量，即“顯熱”；而2 500 d則是0℃時(shí)dkg水的汽化潛熱，它僅隨含濕量而變化，與溫度無關(guān)，即是“潛熱”。

根據(jù)地區(qū)一年四季的平均溫濕度，計(jì)算出室外環(huán)境空氣的焓值如表1所示。

表1 某地區(qū)四季外界空氣焓值

3.2 掛面排潮風(fēng)的焓值：

某企業(yè)采用1000型40 t/d中低溫掛面烘干線四季排潮風(fēng)焓值見表2：

表2 40 t/d中低溫掛面烘干線排潮風(fēng)焓值

3.3 通過雙層同心風(fēng)道與全熱換熱器熱交換后的進(jìn)入室內(nèi)新風(fēng)焓值

由于室內(nèi)回風(fēng)溫度始終高于新風(fēng)溫度，熱交換后新風(fēng)溫度為：

室內(nèi)新風(fēng)溫度=室外新風(fēng)溫度+（室內(nèi)排風(fēng)溫度-室外新風(fēng)溫度）×GUA熱交換效率，

其中，熱交換效率為70%。

表3 室內(nèi)外四季焓值計(jì)算表

3.4 同心風(fēng)道與全熱換熱器進(jìn)風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能

節(jié)約的能量=新風(fēng)風(fēng)量×（熱交換后室內(nèi)新風(fēng)焓值-室外新風(fēng)焓值）

3.5 采用新技術(shù)前后的熱能設(shè)備功率配比分析

根據(jù)某地區(qū)的環(huán)境狀況，40 t/d中低溫烘干線生產(chǎn)線配置熱源設(shè)備，以冬季所需熱量配置，采用新技術(shù)前每噸掛面（初始水分31%，終了水分12.5%）配置熱能 35萬 kcal，時(shí)產(chǎn) 1.67 t，需要熱能 58.45×104 kcal，即680 kW；采用新技術(shù)后冬季節(jié)約能量98 kW，節(jié)約14%，只需配置582 kW（50萬 kcal）的熱源設(shè)備即可，降低了熱源設(shè)備初次投資費(fèi)用。

表4 四季能量節(jié)約表

按照地區(qū)目前冬季的天然氣價(jià)格3.5元/m3計(jì)算，單元熱值價(jià)格為4.12元/萬大卡，每小時(shí)節(jié)約8.43萬大卡（98 kW），節(jié)約成本34.73元，噸掛面節(jié)約成本34.73/1.67=20.81元。其它季節(jié)天然氣價(jià)格為3元/m3，以此計(jì)算春秋季節(jié)每噸掛面節(jié)約10.0元，夏季每噸掛面節(jié)約7.9元，每月按25 d生產(chǎn)計(jì)算，冬季 3 個(gè)月節(jié)約 20.8×40×25×3=6.24 萬；春秋季6個(gè)月節(jié)約10×40×25×6=6萬元；夏季3個(gè)月節(jié)約7.9×40×25×3=2.37 萬元，全年可節(jié)約 14.61 萬元。

4 結(jié)語(yǔ)

由于掛面烘干是個(gè)很復(fù)雜的熱交換過程，熱量總需求及轉(zhuǎn)移包含：濕掛面水分蒸發(fā)、新風(fēng)加熱、掛面升溫及烘干房結(jié)構(gòu)散熱等，通過排風(fēng)帶走了90%左右的供給熱量，故利用排潮風(fēng)無動(dòng)力余熱加熱新風(fēng)技術(shù)既解決了熱能供給，減少了熱源設(shè)備功率的配置，又降低了一次性固定投入，還能降低烘干成本，增加了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。以40 t/d中低溫烘干線生產(chǎn)線為例，全年可節(jié)約14.61萬元。所以利用雙層同心風(fēng)道與全熱換熱器無動(dòng)力熱交換技術(shù)對(duì)于掛面或粉絲烘干工藝改造具有很高的推廣價(jià)值。