熱泵節能烤煙房的建造與試驗

中國海洋大學食品科學與工程學院 ■ 董艷華

中國科學院理化技術研究所 ■ 魏娟 張振濤 楊魯偉

嵩縣煙草公司 ■ 李照民

北京林業大學 ■ 張璧光

一 引言

煙葉烘烤是一個大量耗熱的過程，普通烤房采用煤直接供熱，熱利用率低，耗煤量高。通常烤干1kg煙葉耗煤量需要1.5～2.5kg標準煤，環境污染嚴重[1]。河南農業大學宮長榮等人[2]在國內最先開展了熱泵烘烤煙葉的研究工作，研究發現采用熱泵加熱方式和熱風循環的方法烤煙能充分利用熱能、節能效果明顯，而且煙葉烘烤質量也得到改進和提高。將熱泵干燥技術應用于煙葉烘烤，不僅能節省能源，而且可消除污染物的排放，有利于保護環境。目前我國熱泵烘烤煙葉的技術研究還很少。中國科學院理化技術研究所與河南嵩縣煙草公司合作，搭建了熱泵烤煙房并進行了相關的試驗。本文著重介紹熱泵節能烤煙房的設備設計建造與試驗情況。

二 熱泵烤煙房的設計與設備組成

1 設計條件與任務

實施地點在嵩縣大章鄉楊莊村；實施時間一般為每年的7、8、9三個月；氣象參數為：大氣環境的平均干球溫度25.1℃，相對濕度為78%；設計任務要求裝煙量2500kg鮮煙。

2 熱泵系統的及煙葉裝房參數

經設計計算，熱泵系統的參數見表1。工質為R134a制冷劑，熱泵室內外機如圖1所示。烤房體積為8m×2.9m×3.3m。墻體是由內嵌厚100mm的巖棉彩鋼板搭建而成，見圖2。

表1 熱泵系統主要參數

圖1 熱泵室內外機形

圖2 烤煙房

3 熱泵系統的特點

本設計的熱泵系統具有使烤房升溫和除濕兩種功能[3]。當關閉新風閥和排濕閥時，蒸發器采集大氣環境中的熱量供烤房升溫(圖3)；如果開啟新風閥和排濕閥，烤房內的熱濕空氣流過蒸發器，可達到除濕和回收熱量的目的(圖4)。因此與目前的熱泵烤煙系統需采用2個獨立的蒸發器來實現這兩種功能相比，本項目采用的新系統具有結構簡單、控制方便、成本較低等優點。

圖3 升溫工況下的實驗系統簡圖

圖4 除濕工況下的實驗系統簡圖

三 熱泵烤煙的試驗

1 熱泵烤煙的試驗條件

烤煙的烘烤時間為2011年9月22日至10月10日。烘烤部位為中部煙，裝煙質量2532kg，實驗地點為河南洛陽嵩縣。

熱泵烤煙系統性能的試驗數據見表2。由表2可知，在變黃期隨著烤房內空氣溫度升高，壓縮機的總功耗不斷增加，系統制熱量不斷減少，導致系統的COP不斷降低。當烤房內干球溫度為42℃時COP減至2.82，產生的原因是由于烤煙的特殊工藝需要，選用了功率較大的室內風機(約占系統總功耗的40%)。到了定色期，二號壓縮機也參與工作，當烤房內干球溫度升至46℃時，壓縮機總功耗、系統平均制熱量和COP都明顯增加。

隨著烘烤繼續的進行，烤房內的空氣溫度進一步升高，壓縮機總功耗不斷增加，系統制熱量和COP不斷降低。這是因為根據熱泵的相關資料報道[1]，只要熱泵干燥機的供熱系數大于3就可節約一次能源，同時若工業鍋爐及管網的供熱總效率取0.6，則只要熱泵干燥機供熱系數大于1.8就優于鍋爐供熱，所以這套熱泵烤煙系統在變黃期和定色前期是節能的，定色后期和干筋期也優于燃煤的鍋爐供熱。

2 熱泵烤煙的燃煤烤煙的經濟性比較

熱泵烤煙和燃煤烤煙的經濟性比較見表3。由表3可看出，采用熱泵烘烤每kg成本可減少0.85元，若裝煙量以每次2532kg計，則每次可節省2152.2元。

表2 熱泵烤煙系統穩溫段壓縮機工況和系統性能

四 結論與建議

(1) 總體說來，這套熱泵烤煙系統達到了節能和環保的目的，熱泵供熱系數為1.92～3.25。采用熱泵烘烤每kg烤煙的成本低于燃煤烤房0.85元，裝煙量以每次2532kg計，則每次可節省2152.2元。

表3 熱泵烤煙和燃煤烤煙的經濟性比較

(2) 由于是研制單套熱泵烤煙系統，所以初投資相對較高，批量化生產后，熱泵設備的成本會明顯降低。目前河南省該地區正準備投資100萬元建造30套熱泵烤房的產業化示范區。

(3) 河南地區在烤煙季節正值雨季，原有系統配備的太陽能集熱器效果較差，建議在太陽能較充足的地區配置太陽能供熱系統，節能效果會更明顯。

[1] 伊松林, 張璧光. 太陽能及熱泵干燥技術[M] . 北京: 化學工業出版社, 2011.

[2] 宮長榮, 潘建斌. 熱泵型煙葉自控烘烤設備的研究[J] . 農業工程學報, 2003,19(1): 155－158.

[3] 呂君, 魏娟, 張振濤,等. 熱泵烤煙系統性能的試驗研究[J] . 農業工程學報, 2012, 28(25): 63－67.