熱管熱風爐在密集型烤房中的應用研究

陳慶山 李建華 孫曉偉 王維超 曹曉濤 孫永軍

摘要 針對國內現有密集烤房熱能利用效率普遍較低問題，提出一種由熱管元件制作的熱管熱風爐設計方案，采用自主研制的熱管熱風爐開展試驗研究，對實測結果進行分析。試驗結果表明，熱管熱風爐換熱效率高，節能效果顯著，可以克服現有密集烤房供熱設備的不足，密集烤房熱能利用效率得到大幅提升，與現有密集烤房熱風爐相比，節能效率達到33.0%以上，具有很好的推廣應用前景。

關鍵詞 密集烤房；煙葉烘烤；熱風爐；熱管技術；節能降耗

中圖分類號 S26+3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）18-0176-03

Study of Heat Pipe Hot Blast Stove System in the Bulk Curing Barn Application

CHEN Qingshan1，LI Jianhua2， SUN Xiaowei2 et al （1.Henan Xinnuo Heat Pipe Technology Co.，Ltd.， Xiangcheng ，Henan 461700；2.Henan Tobacco Company Xuchang City Company， Xuchang， Henan 461000）

Abstract In view of several disadvantages of the existing coalburning hot blast stove in China， such as large volume， large weight， low energy conversion efficiency and other common problems， and in order to deal with the heating equipment insufficiency， a new type of bulk curing barn which combines the heat pipe technology was proposed， and an integrated heat pipe bulk curing barn system was made， then the experimental data was obtained during field application. The results show that the adaptability and the heat transfer efficiency of the heat pipe hot blast stove system in the bulk curing barn application are good. When comparing with the normal coalburning hot blast stove， heat pipe hot blast stove has a higher conversion rate of 33.0% at least， which could demonstrate the good application prospect of the heat pipe hot blast stove system in the bulk curing barn.

Key words Bulk curing barn；Flue cured tobacco；Hot blast stove；Heat pipe technology；Energy conservation and consumption reduction

密集烤房的推廣應用在烤煙生產中發揮了重要作用，較好地促進了我國烤煙適度規模化的發展。但是，目前密集烤房在使用中普遍存在熱能利用效率較低等問題。據測算，煙葉烘烤所需熱量僅占現有燃燒爐燃料發熱量的30%左右[1]，無效能耗過高，存在很大的節能潛力。據調查研究，影響現有密集烤房熱能利用效率的因素較多，但供熱設備的熱能轉換效率較低是其中的一個重要因素。

2016—2017年，河南新諾熱管技術有限公司與河南省煙草公司許昌市公司合作，承擔了“密集烤房高效節能技術試驗研究”攻關課題項目，在襄城縣煙草分公司的協作下，筆者針對現有密集烤房熱能利用效率普遍較低問題，有針對性地設計、制備熱管傳熱元件，形成熱管熱風爐供熱系統，并開展了煙葉烘烤應用試驗研究。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用熱管熱風爐由河南新諾熱管技術有限公司組織設計和生產，其結構如圖1所示。

熱管熱風爐由燃燒爐和熱管換熱器組成，兩者采用法蘭連接為一體；熱管換熱器由熱管元件和換熱器管箱構成；熱管元件在換熱器上為橫向傾斜設置結構[2]；熱管材質為低碳鋼無縫管；熱管冷凝段設置有散熱翅片，熱管與翅片采用高頻焊接；熱管蒸發段為滑壁光管；熱管蒸發段設置在換熱器管箱煙氣側，熱管冷卻段在換熱器管箱外側為裸露狀態的開放型散熱結構；換熱器空氣側熱管的冷凝段為等長度配置，換熱器管箱內高溫區域熱管的蒸發段為變長度階梯形配置[3]；熱管工質為注入有高濃度緩蝕劑的復合型水工質。

熱管熱風爐熱管結構參數Ⅰ如下：熱管總數72支，熱管直徑32 mm，橫向管間距105 mm，縱向管間距90 mm，空氣側翹片高13 mm，空氣側翹片厚1.5 mm，空氣側翹片節距5 mm。熱管熱風爐熱管結構參數Ⅱ如下：

冷凝段長度400 mm，蒸發段長度第1排130 mm，第2排 190 mm，第3排250 mm，第4排320 mm.第5排380 mm，第6～8排400 mm。

1.2 方法 試驗于2017年7月20日至9月20日在襄城縣汾陳鄉大路村煙葉烘烤工場進行。

試驗設計：955號烤房安裝熱管熱風爐，以953號烤房現有熱風爐為對照。燃料品種：熱管熱風爐和現有熱風爐采用內蒙古產同一批次、同一煤質原煤。煙葉品種：采用煙葉品種為“中煙100”。

煙葉采摘：依照煙葉生長正常采摘部位，在煙葉不同成熟階段，分別采摘同一煙田中煙葉外觀質量和鮮煙素質相同的煙葉，分別對下部、中部、上部煙葉進行烘烤試驗。

鮮煙重量：各烤次煙葉裝炕時隨機抽取10竿鮮煙稱重，折合每竿鮮煙重量。

1 kg干煙用煤量：煙葉烘烤時記錄試驗烤房每炕次用煤量，再根據各烤次回潮后干煙葉總量計算1 kg干煙平均耗煤量。

配套設施：955號烤房和953號烤房溫、濕度控制系統均采用遼寧海帝升公司生產的HD-6型控制器；熱風循環系統采用福建華達公司生產的1.5～2.2 kW變速風機；熱風爐供風設備采用貴陽九州公司生產的ZY-150型鼓風機；烘烤試驗烤房均為氣流上升式烤房；同一時間起火烘烤，爐子點火時，2個烘烤試驗烤房的起始溫度、濕度相同；煙葉烘烤時烤房溫、濕度變化同步進行，按照三段式煙葉烘烤工藝[4]進行烘烤操作。

試驗針對熱管熱風爐在密集烤房中應用的可行性、適用性、節煤量、節能效率進行考察和實際測試，目的是通過烘烤試驗對熱管熱風爐在密集烤房中應用的適用性和節能效果進行研究。

2 結果與分析

表1反映了下部煙葉的烘烤試驗結果，可以看出，在所有烘烤試驗條件完全相同的情況下，下部煙葉烘烤結果：熱管熱風爐烤房的干煙耗煤量1.50 kg/kg；現有熱風爐烤房的干煙耗煤量2.16 kg/kg。相比之下，熱管熱風爐節省燃煤236 kg/炕，1 kg干煙耗煤量減少0.66 kg/kg，節能效率30.6%。

表2反映了中部煙葉烘烤的試驗結果，可以看出，在所有烘烤試驗條件完全相同的情況下，中部煙葉烘烤結果如下：熱管熱風爐烤房的干煙耗煤量1.16 kg/kg；現有熱風爐烤房的干煙耗煤量1.75 kg/kg。相比之下，熱管熱風爐節省燃煤281 kg/炕，1 kg干煙耗煤量減少0.59 kg/kg，節能效率33.7%。

表3反映了上部煙葉烘烤的試驗結果，可以看出，在所有烘烤試驗條件完全相同的情況下，上部煙葉烘烤結果如下：熱管熱風爐烤房的干煙耗煤量0.85 kg/kg；現有熱風爐烤房的干煙耗煤量1.30 kg/kg。相比之下，熱管熱風爐節省燃煤359 kg/炕，1 kg干煙耗煤量減少0.45 kg/kg，節能效率34.6%。

3 討論

在熱能的利用過程中，能量的利用是通過能量的傳遞來實現的，所以能量的利用過程通常也是一個能量的傳遞過程，能量傳遞的實質實際上就是能量利用的實質[5]。

熱風爐是燃料燃燒、加熱空氣、生產熱風的設備，是密集烤房中的核心組成部分，在密集烤房中扮演的是熱能轉換的重要角色，能否將爐膛內燃料燃燒的發熱量及時有效地轉換到烤房當中，在很大程度上決定了煙葉烘烤的能耗狀況。根據煙葉烘烤試驗結果可以看出，供熱設備的熱能轉換效率對于提高密集烤房的熱能利用效率有著直接和關鍵性的作用。

根據調查研究，現有密集烤房熱風爐主要存在如下4個方面問題：①換熱方式和換熱性質方面的問題，從煙氣到空氣的氣-氣換熱方式，換熱系數本來就不高，加之熱風爐受金屬導熱性質的限制，熱阻大、換熱效率低。②爐膛容量與三段式煙葉烘烤工藝不匹配，在小火期和中火期，爐膛內燃料燃燒不充分，燃燒效率低，揮發成分、可燃物向外排放造成浪費[6]。③熱風爐受到結構體積的限制，散熱面積小，散熱能力受限，熱量不能實現及時有效轉換，煙氣排放溫度高。④現有熱風爐換熱結構極易積灰，積灰帶來的附加熱阻嚴重影響受熱面熱量的傳遞，造成換熱能力下降。由于多種因素的制約影響現有熱風爐的熱能轉換能力，造成現有密集烤房熱能利用效率普遍較低，烤煙能耗居高不下。

熱管熱風爐與現有密集烤房熱風爐相比，兩者有著本質上的區別。熱管是一種具有很高傳熱性能的元件，它充分利用了熱傳導原理與物質相變介質的快速傳遞性質，通過工作介質的蒸發與冷凝傳遞熱量[7]，可將大量熱量通過其很小的截面積遠距離傳輸而無需外加動力，能夠將熱量快速脫離熱源，轉移到利用的環境當中，為熱能的傳輸建立一個快速的導熱通道，最終實現熱能的快速轉換和高效利用。

熱管的基本工作原理如圖2所示，典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成[8]，將管內抽真空后注入一定量的工質，熱管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（散熱段），根據應用需要中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽瞬間流向另一端并放出熱量凝結成液體，液體依靠毛細力的作用回流至蒸發段繼續受熱，熱量被源源不斷地由一端傳至另一端，如此往復循環，完成工質的合理流動和熱量傳遞過程。

熱管作為高效傳熱元件應用于熱風爐中具有下列優點：

較大的傳熱能力。

由于熱管的傳熱主要靠工作介質相變時吸收和釋放氣化潛熱以及蒸汽流動傳輸熱量，熱阻很小，而多數工質的汽化潛熱值很大（例如水的潛熱值2 300 kJ/kg左右），因此不需要很大的蒸發量就能帶走大量的熱量。

較高的等溫性。熱管表面的溫度分布取決于蒸汽的溫度分布和相變時的溫差以及通過管壁和毛細芯的溫降[9]。腔體內的蒸汽處于飽和狀態，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小，所以溫降亦很小，而管壁和毛細芯比較薄，所以蒸汽流動和相變時熱管的表面溫度梯度很小，當熱流密度很低時可以得到高度等溫的表面。熱管的當量導熱系數愈大則等溫性愈高。

具有較高的換熱效率和環境適應性。由于煙氣與空氣均在熱管外側流動，熱管可以利用自身的結構特點，根據熱流密度需求，在熱管表面焊接翅片來增加換熱面積，實現強化換熱，這就可以從根本上解決了氣-氣換熱系數較低的問題；而且熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，冷、熱兩段結構和位置布置靈活，可以適應各種復雜場合，環境適應性較好。

具有熱流密度變換能力。由于熱管中蒸發和凝結的空間是分開的，熱管冷、熱兩段的各種參數都可以靈活地做出調整，因此可以實現熱流密度變換[10]。即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，變換比例可以在較大范圍內變化，能夠實現對熱量輸入的控制和內部工作溫度的調控，從而可以解決一些其他熱風爐難以解決的換熱難題。

從以上煙葉烘烤試驗結果及分析可以看出，熱管熱風爐與現有密集烤房熱風爐相比，下部煙葉烘烤試驗的節能效率達到30.6%，中部煙葉烘烤試驗的節能效率達到33.7%，上部煙葉烘烤試驗的節能效率達到34.6%，平均節能效率為33.0%。試驗結果與試驗設計預期目標基本吻合，取得了比較滿意的效果。

4 結論

通過對熱管熱風爐系統進行煙葉烘烤試驗和實測結果分析，可以得出以下結論：供熱設備的熱能轉換效率對于提高密集烤房的熱能利用效率有著直接和關鍵性的作用；熱管熱風爐是一種高效的換熱設備，對煙葉密集烤房具有很好的適用性，與現有密集烤房熱風爐相比，換熱效率高，節能效果顯著，可以克服現有密集烤房供熱設備的不足，能夠大幅提高密集烤房熱能利用效率，具有很好的推廣應用前景。

參考文獻

[1]

和智君，羅會龍，鐘浩，等.煙葉烘烤密集型烤房節能技術途徑分析[J].中國農學通報，2010，26（8）：337-340.

[2] 陳慶山.一種用于熱風爐的熱交換器：201521107363.1[P].2015-12-29.

[3] 喬中復，吳強.變加熱段熱管空氣預熱器的研制[C]//第四屆全國熱管會議論文集.北京：中國工程熱物理學會，1994：194-200.