導熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫設計

明文虎，張鶴松，阮正學，李曉丹

（1. 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司，昆明 650231；2.云南昆船電子設備有限公司，昆明 650236）

0 引言

成熟采收的煙葉，調制后其品質雖得到一定改善，但仍存在青雜氣較重、吸味粗糙、刺激性較大等缺陷。因此，需要經過儲藏醇化來進一步改善煙葉品質和工業可用性[1]，目前，煙葉發酵過程一般分為自然醇化和人工發酵兩種，盡管人工發酵可以大大縮短發酵時間,然而自然醇化則能更有效地提升煙葉品質，效果較人工發酵更好，但同時也存在醇化周期長、成本高的問題[2]。國內煙草企業和相關研究所對煙葉醇化進行一系列的研究，重點是如何能讓煙葉醇化時間縮短且品質不受太大負面影響[3]，尤其是利用人工輔助設備控制煙葉醇化環境的研究居多，大多以人工模擬自然醇化[4]。自然醇化方式下煙葉殘酷的溫度應該控制在20℃～30℃，高溫高濕季節溫度要控制在35℃以下。煙葉倉庫的相對濕度應該控制在55%～65%[5]。21世紀能源危機的當今，太陽能熱利用是保證可持續發展的一條重要途徑，其按溫度范圍可以分為低溫應用系統（＜80℃）、中溫工業應用系統（80℃～250℃）和高溫熱發電系統（＞250℃）。我國太陽能低溫利用行業生產規模巨大，而中高溫熱利用方面還處在起步階段，相對缺少大系統的設計、建設和運行經驗[6]，結合導熱油特性，設計最高工作溫度在300℃～320℃[7]之間的導熱油型煙葉醇化實驗庫,使用清潔環保的能源達到又好又快的進行煙葉醇化。

1 系統結構及技術實現

1.1 系統結構

太陽能醇化庫分為太陽能集熱系統、空氣源熱泵輔助加熱系統、風柜風機盤管供熱系統、控制系統、控濕系統、新風系統和太陽能追蹤系統。各個部分相對獨立，可單獨運行，又相互關聯，由控制系統集中控制。各循環采用鋼管連接，由耐高溫齒輪泵驅動。太陽能集熱系統完成太陽能的光熱轉換，采用真空管收集熱能，并存儲于儲熱油箱中。供熱系統連接儲熱油箱和末端供熱設備風柜、風機盤管和散熱器，當庫房需要加熱時，高溫導熱油經過末端換熱，將熱量輸送至庫房，同時形成庫房內空氣循環，防止局部受熱。控濕系統由控制系統控制智能加濕機，對庫房的濕度進行調控。新風系統主要為庫房內補充新風，提供煙葉醇化所必須的氧氣。

醇化庫對現有自然醇化庫房進行改造，設計先對庫房采暖熱負荷進行計算，根據圍護結構的基本耗熱量進行計算[8～10]，然后根據系統熱負荷確定儲熱油箱和集熱器的數量[11]。實驗庫房選取18m2，層高3.6m的庫房，設計使用10組中低溫槽式太陽能集熱器和2.4m3的儲熱油箱。系統采暖原理如圖1所示。

圖1 系統采暖原理圖

集熱循環由高溫齒輪泵驅動。帶自動追蹤功能。集熱器通過光熱轉換，將導熱油加熱。在集熱器組出口處設有溫度傳感器，當導熱油溫度達到所需加熱溫度后，太陽能齒輪泵啟動，將高溫油泵入儲熱油罐的上部，同時將油罐底部溫度較低的導熱油吸入集熱器，實現對油罐內的導熱油進行循環加熱，積蓄熱量。為充分發揮太陽能供熱功效，系統配置的儲熱系統應具有一定熱量存儲能力，儲熱油箱選用不銹鋼自制，內填充聚氨酯保溫隔熱層。儲熱油箱采用雙層不銹鋼箱體，保溫層采用巖棉制作，厚度大于100mm。儲熱油箱可同時替代膨脹箱的功能。

供熱系統主要控制系統末端換熱設備，當庫房需要加熱時，齒輪泵將油罐上端的熱油分別泵入風柜、風機盤管和散熱器中，由風機將加熱的空氣鼓入庫房，加熱庫內空氣，庫內空氣從庫房兩側的回風口回到風道中再次加熱，由此使庫房內空氣進行強制循環，實現余熱利用。風柜使熱空氣具有一定風速，能夠到達庫房底部，熱空氣逐步向上移動的過程中逐步散發熱量，使整個庫房內溫度均衡。在風柜上設有新風風門，可以通過控制新風風門的開度控制庫內含氧量及對庫內進行降溫。

配置計算機智能化全自動控制系統，使整個系統達到最佳節能運行效果。控制系統采用工控機控制，軟件使用易控（INSPEC）2009組態I/O模塊，為整個系統提供友好的人機交互界面，主要實現狀態監控、參數設置、數據存儲和分析、歷史數據查詢、報表打印和系統操作權限管理等功能。監控畫面實時動態顯示系統的運行狀態，反應完整系統原理，畫面美觀大方[12]。控制系統架構如圖2所示。電控系統設計采用集中管理，分散控制的方式。對整個系統的數據統一實時監控，對成熟穩定的部件進行分散控制，數據采集選用通用可靠I/O模塊和通用的Modbus協議傳輸，方便靈活的模塊化、參數化方法進行設計。控制系統主要由動力配電和控制程序組成，二者通過I/O模塊相互關聯，模塊與主控器件工業計算機之間采用穩定可靠的RS485通訊，進行實時數據交互。人機界面使用組態軟件編制，管路上溫度傳感器采用穩定、寬限的PT100溫度溫度傳感器，庫內溫度傳感器采用帶數顯的無線溫度傳感器。

圖2 控制系統架構圖

控制系統采用工控計算機和軟件組態，考慮到殺蟲劑對器件的腐蝕，傳感器端使用無線網由數據采集器和串口通訊，形成以無線數據采集模塊為中心的無線Zigbee網絡[13]，并通過Modbus串行接口，數據統一由組態軟件組態和監控，不能使用無線的傳感器或無線網絡不能覆蓋的區域的數據，采用支持標準Modbus協議的模擬量模塊組態。整個系統基于組態軟件開發，適應醇化庫系統功能。主控系統網絡拓撲圖如3所示。

圖3 控制系統網絡拓撲圖

1.2 技術實現

主控系統完成整個系統內所有設備的監控，控制范圍包括太陽能循環泵、追蹤系統、儲熱油箱溫度監視、熱泵輔助加熱系統、供熱循環泵、風柜、風機盤管、熱量調節閥、新風風門、加濕器、庫內溫濕度及含氧量監視等。其主要控制庫內環境，其余各項控制均為庫內環境控制服務，庫內環境控制分為溫度控制、濕度控制、含氧量控制。庫內人工環境的控制流程如圖4所示。

圖4 主控系統控制流程圖

太陽能集熱系統的合理控制，直接影響著集熱系統的集熱效率，系統在集熱器組出口處設有溫度傳感器，當陽關被反光板聚焦于集熱真空管上，完成光熱轉換，集熱器內的導熱油被持續加熱，溫度升高，按照設計經驗，當導熱油溫度升高到100℃左右時，循環泵啟動，將以加熱的導熱油泵入到儲熱油箱上部，同時將儲熱油箱底部的低溫導熱油吸入到集熱器內完成下一次加熱。循環泵啟動溫度100℃為經驗值，也可在系統設置頁面進行設置。熱泵式系統的輔助熱源，在太陽能不足時提供系統用熱，熱泵的耗電功率較大，合理的使用熱泵可增加系統的經濟性，只有儲熱油箱的溫度特別低時，才啟用熱泵機組。熱泵機組的啟動溫度值，也可根據系統經濟性設置。

系統控制程序是系統各執行器件動作的指揮官，也是人為控制思想在計算機上的體現。導熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫采用易控軟件架構，編程語言采用的是C#，開發環境集成了硬件編程控件，程序編輯器內關聯了系統變量列表，可直接調用已經組態的硬件地址和系統變量，方便開發人員使用[14]。整個系統進行模塊化編程，程序段可設定程序段相應的執行頻率，系統程序按設備進行模塊劃分，程序塊內按照設備需要的邏輯進行編程，以達到設備本身設計所需求的效果和目的，以太陽能循環泵的啟停為例，根據太陽能循環泵的動作邏輯，C#語言程序實現代碼如下。

//太陽能循環泵////////////////////////////////////////

float 溫差;

溫差=工程值.太陽能板溫度-工程值.灌底溫度;

if (工程值.太陽能板溫度＞設定值.太能能板溫度設定值&&溫差＞設定值.太陽能循環泵溫差啟動設定值)

{數字量輸出.太陽能循環泵啟停=true;}

else

{數字量輸出.太陽能循環泵啟停=false;}

if(工程值.室內含氧量＜設定值.室內氧含量設定值)

{

數字量輸出.新風閥關=false;

數字量輸出.新風閥開=true;

}

控制程序對所有系統內設備的控制模塊進行統一調用，并自動循環執行，組成控制系統，完成整個系統的集中調用和控制。另外，組態軟件還提供人機交互界面，系統數據存儲等功能。

2 試驗驗證及應用效果

導熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫經過樣機試制和測試，太陽能集熱端正常工作溫度在100℃～180℃，最高溫度可達到300℃，可為煙葉醇化提供足夠多的高溫熱源，實驗庫內溫度控制范圍在20℃～40℃，最高溫度能升高至45℃，濕度控制范圍5%～90%，能滿足煙葉醇化所需的各種條件，是煙葉醇化能更好更快的完成。

3 結束語

目前，我國工業能源消耗日益增加，卷煙生產能耗也頗為顯著。卷煙企業承擔著節能減排的重要責任，對其能源利用現狀進行科學分析是促進節能工作的基礎，是實現增強可持續發展能力，建設資源節約型、環境友好型企業具體要求的有效途徑[15]。導熱油型太陽能煙葉醇化庫的設計本著高效、節能的出發點，既可以提高卷煙企業的經濟效益，又可以為國家可持續發展做貢獻。

導熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫系統是一項太陽能熱源使用的典范，可以擴展應用到有熱源需求的各個領域和場所，例如工業采暖、醫療、烘烤等行業，也可在設備現有技術的基礎上，增加吸收型冷水機組，將太陽能用于制冷，開發應用成為太陽能空調等。總之，導熱油型太陽能以其高溫太陽能的優勢，有著廣闊的開發應用前景。

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