閉式熱風循環密集烤房風冷熱管冷凝除濕系統性能分析

謝金梅，羅會龍*，段紹米，陳 頤，鄒聰明，崔國民

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.云南煙草農業科學研究院，云南 昆明 650021)

【研究意義】密集烤房是煙葉生產的重要基礎設施，其裝煙密度較普通烤房大，自動化程度高，操作方便，可降低煙葉烘烤成本[1-4]。此外，密集烤房采取強制通風熱風循環，烤房內風速增大，平面與垂直溫差小，溫度分布均勻。與普通烤房相比，烘烤能力得以提高[5-6]。現階段，隨著中國烤煙規模化生產的發展，密集烤房逐步推廣普及，并成為中國烤煙烘烤設備的發展方向[7-8]。但目前密集烤房的能量利用率較低[9-10]，且普遍采用開式排濕方式，多種香氣成分及其它有益于提高煙葉烘烤品質的氣體成分隨著排濕氣流直接排出室外，導致烘烤后煙葉顏色淺淡，油分和香氣量低，嚴重影響煙葉質量[11]。【前人研究進展】在密集烤房節能方面，通過對圍護結構、加熱爐、燃料等方面進行改進，其各項技術均較成熟[12-14]。在實現烘烤過程提質增香方面，崔國民、汪伯軍、羅以貴等[11, 15-18]分析了不同烘烤工藝及調制工藝對烤后煙葉香氣量及煙葉品質的影響。宮長榮、潘建斌等[19-20]利用熱泵加熱和冷凝除濕方法，設計熱泵型煙葉自控密集烤房進行閉式研究。結果表明烤后煙葉烘烤質量得到有效提高，但熱泵除濕的能耗較高。為改善煙葉烘烤質量，劉勇[21]等人通過烤前添加EDTA、檸檬酸、蘋果酸和蔗糖等4種外源物質進行烘烤對比研究，結果顯示4種外源物質均能不同程度改善煙葉內在品質。李彥東等[22]采用節能型量化排濕控制系統用于煙葉烘烤，通過精準控制濕度，可在一定程度上提升煙葉烤后外觀質量，但難以從根本上避免開式排濕的缺陷。王錫金等[23]通過對普通烤房進行改造，添加地面排濕散熱系統以期改善煙葉質量及提高烤后煙葉均價，但地面排濕能力有限。【本研究切入點】在煙葉密集烘烤過程中，密集烤房排濕氣流溫度高，相對濕度大。因而，排濕氣流的露點溫度較高。在煙葉烘烤季節，室外新風溫度低于排濕氣流露點溫度，因此室外新風能夠對其進行有效冷凝除濕。【擬解決的關鍵問題】在此種背景下，設計并搭建了一種以室外新風為自然冷源的閉式熱風循環風冷式重力熱管冷凝除濕裝置，通過實驗測試分析其除濕性能及煙葉烘烤節能、提質性能，以期提高煙葉烘烤品質及能源利用率。

1 材料與方法

1.1 閉式熱風循環密集烤房風冷熱管冷凝除濕系統構成及工作原理

閉式熱風循環密集烤房風冷熱管冷凝除濕系統主要由裝煙室、加熱室、重力熱管除濕器、除濕氣流風機、新風風機、循環風機、風閥、接水盤、排水管等主要部件構成，其系統構成如圖1所示。經過加熱室加熱后的干燥熱空氣進入裝煙室內，與煙葉進行熱質交換。煙葉吸熱后，內部水分蒸發逸出，擴散到空氣中，最后流出裝煙室。流出裝煙室的排濕氣流，一部分進入除濕器的蒸發段，在蒸發段中熱管內工質吸熱蒸發，帶走排濕氣流中的熱量，排濕氣流被冷卻至露點溫度后凝結析出水分，水分經過排水管排走，熱管內工質吸收熱量后蒸發汽化，上升到熱管冷凝段，熱管冷凝段以室外新風為自然冷源，對工質進行冷卻，工質放出熱量后變回液體流回蒸發段，繼續與排濕氣流進行換熱，對排濕氣流進行冷卻。而另一部分則與經過除濕器除濕脫水后的排濕氣流混合，混閉式熱風循環密集烤房中空氣的處理過程如圖2所示。1點表示進入裝煙室的干燥熱空氣，1(2表示熱空氣在裝煙室內干燥濕煙葉的等焓增濕過程，熱空氣向濕煙葉傳熱，空氣自身溫度降低，水分蒸發前后空氣的焓基本保持不變，而含濕量增加。2點表示離開裝煙室的排濕氣流狀態，2→3→4過程是排濕氣流在除濕器中進行冷凝除濕的狀態變化過程，可分為2個階段：2→3過程是等濕降溫過程，排濕氣流溫度被冷卻至露點溫度而含濕量始終保持不變，3→4是減濕降溫過程，排濕氣流沿飽和濕度線進一步冷卻，排濕氣流中水分凝結析出排走，排濕氣流的含濕量降低。5點表示經除濕器脫濕后的排濕氣流與未經過除濕器冷凝除濕的排濕氣流混合后的狀態，5→1過程是等濕加熱過程，混合后的排濕氣流經過加熱室加熱，溫度上升，相對濕度下降，干燥能力提高，進入裝煙室內繼續對煙葉進行干燥。

1.2 實驗裝置構建

在昆明某煙葉密集烘烤基地對供試密集烤房(8000 mm×2700 mm×3500 mm)進行改造，安裝風冷式重力熱管冷凝除濕裝置，構建以室外新風為自然冷源的風冷熱管冷凝除濕閉式熱風循環實驗密集烤房，并選1座相同規格的密集烤房為對照烤房。重力熱管除濕器的結構見圖3。根據除濕運行工況，熱管工質采用丙酮。

圖3 重力熱管除濕器Fig.3 Gravity heat pipe dehumidifier

采用田間長勢一致，部位及成熟度相同的云煙K326鮮煙葉，分別裝入實驗密集烤房及對照密集烤房。裝煙量約為4000 kg，鮮煙葉含水率在85 % ～ 90 %。采用“七步式”烘烤工藝進行密集烘烤。

測試對照烤房的排濕風量、排濕氣流參數，計算三段式工藝煙葉密集烘烤各階段的理論除濕負荷。測試閉式熱風循環實驗密集烤房重力熱管除濕器除濕氣流與室外新風的流量及進出口參數，分析計算風冷重力熱管除濕器的除濕性能。測試系統如圖4所示，空氣的干球溫度、濕球溫度采用Keithly 2700多通道數據采集儀自動采集，空氣流量采用Testo 405-V1電子微風儀測量。

圖4 測試系統Fig.4 Test system

1.3 風冷重力熱管除濕器除濕性能分析

風冷重力熱管除濕器的顯熱效率、潛熱效率、全熱效率、析濕系數分別由式(1)、式(2)、式(3) 、式(4)計算[24-25]。

風冷重力熱管除濕器的顯熱效率：

(1)

式中,ηi為重力熱管換熱器的顯熱效率；t1、t2為重力熱管蒸發段進出口空氣干球溫度， ℃；t3為室外新風干球溫度， ℃。

風冷重力熱管除濕器的潛熱效率：

(2)

式中,ηd為重力熱管換熱器的潛熱效率；d1、d2為重力熱管蒸發段進出口空氣含濕量，g·kg-1；d3為室外新風含濕量，g·kg-1。

風冷重力熱管除濕器的全熱效率：

(3)

式中,ηt為重力熱管換熱器的全熱效率；h1、h2為重力熱管蒸發段進出口空氣焓值，kJ·kg-1；h3為室外新風焓值，kJ·kg-1。

風冷重力熱管除濕器的析濕系數：

(4)

式中,cp為空氣定壓比熱容，kJ (kg干·K)-1。

2 結果與分析

2.1 除濕氣流干球溫度、濕球溫度及露點溫度變化

在“七步式”煙葉密集烘烤過程中，除濕氣流干球溫度、濕球溫度、露點溫度及室外新風干球溫度的變化見圖5。除濕氣流的干球溫度較高，在干筋后期最高可達65.54 ℃。室外新風干球溫度在22.25 ～ 24.83 ℃，開式排濕時將存在較大的余熱損失。除濕氣流的露點溫度在32.57 ～ 35.15 ℃，與室外新風干球溫度存在8 ℃ ～ 13 ℃的溫差。由此可見，以室外新風為自然冷源，采用重力熱管除濕器可以對除濕氣流進行有效的冷凝除濕。

圖5 除濕氣流干球溫度、濕球溫度、露點溫度及室外新風溫度變化Fig.5 Changes of dehumidification air dry bulb temperature, wet bulb temperature, dew point temperature and outdoor fresh air temperature

2.2 煙葉密集烘烤理論除濕負荷與重力熱管除濕器實際除濕負荷的變化

“七步式”煙葉密集烘烤過程中，理論除濕負荷與重力熱管除濕器實際除濕負荷隨烘烤時間的變化見圖6。定色期是煙葉烘烤過程中除濕負荷、失水率最高的時期，定色后期理論最大除濕負荷可達33.58 kg·h-1。理論除濕負荷在變黃前期最小，約為10.2 kg·h-1。重力熱管除濕器的實際最大除濕負荷可達32.92 kg·h-1，能夠滿足“七步式”煙葉密集烘烤除濕速率的要求。此外，重力熱管除濕器實際除濕負荷與煙葉密集烘烤理論除濕負荷的最大相對誤差約為12 %，能夠滿足“七步式”煙葉密集烘烤工藝控制精度的要求。

圖6 理論除濕負荷與實際除濕負荷Fig.6 Theoretical dehumidification load and actual dehumidification load

2.3 重力熱管除濕器的換熱效率

“七步式”煙葉密集烘烤過程中，風冷重力熱管除濕器的顯熱效率、潛熱效率、全熱效率見圖7。隨著烘烤過程中除濕氣流溫度上升，風冷式重力熱管除濕器的顯熱效率、潛熱效率、全熱效率均先增大，后減小。這主要是由于除濕氣流入口與出口溫差增大，強化了除濕氣流在重力熱管除濕器內的熱傳遞，故顯熱效率增大。而煙葉中水分不斷汽化逸出，除濕氣流的含濕量增大，強化了除濕氣流在重力熱管除濕器內的質傳遞，故潛熱效率增大，在定色期達到最大值。干筋期，煙葉失水收縮，風速增大，除濕氣流在重力熱管除濕器內停留時間變短，導致顯熱效率、潛熱效率、全熱效率降低。在“七步式”煙葉密集烘烤過程中，平均顯熱效率、潛熱效率、全熱效率分別為52.75 %、21.23 %、33.19 %。由此可見，風冷重力熱管除濕器具有較好的換熱性能。

圖7 重力熱管除濕器的換熱效率Fig.7 Heat transfer efficiency of gravity heat pipe dehumidifier

2.4 重力熱管除濕器析濕系數

析濕系數表示熱濕交換中全熱量與顯熱量的比值，其值的大小直接反映因潛熱交換而增加的換熱量。在“七步式”煙葉密集烘烤過程中，風冷重力熱管除濕器的析濕系數變化見圖8。在變黃期，因除濕氣流的相對濕度大，其析濕系數較大，最高可達3.75。隨著烘烤過程中除濕氣流溫度上升、相對濕度下降，潛熱換熱量的比重減少，析濕系數隨之不斷降低，干筋后期低至1.32。

圖8 重力熱管除濕器析濕系數Fig.8 Moisture absorption coefficient of gravity heat pipe heat dehumidifier

2.5 風冷重力熱管冷凝除濕閉式熱風循環密集烘烤節能與提質性能

2.5.1 節能性分析 風冷重力熱管冷凝除濕閉式熱風循環實驗密集烤房與對照密集烤房的燃料消耗量見表1。實驗密集烤房烤后平均每夾干煙葉重1.44 kg，對照密集烤房平均每夾干煙葉重1.38 kg，實驗密集烤房每千克干煙葉燃料消耗量比對照密集烤房低0.57 kg，每千克干煙葉的烘烤成本比對照密集烤房低0.48元，表明實驗密集烤房節能效果顯著，熱能利用率得到提高，烘烤成本降低。

表1 烘烤能耗比較Table 1 Comparison of energy consumption in baking

2.5.2 烤后煙葉外觀質量對比分析 風冷重力熱管冷凝除濕閉式熱風循環實驗密集烤房與對照密集烤房的烤后煙葉外觀見圖9。實驗密集烤房烤后煙葉優于對照密集烤房，葉色均以橘紅色為主，檸檬黃為輔，有極少部分青筋煙，無掛灰煙。對照烤房烤后煙葉檸檬黃偏多，平板煙也相對較多。此外，實驗烤房烤后煙葉香氣度明顯高于對照烤房。

圖9 烤后煙葉外觀Fig.9 Comparison of flue-cured tobacco leaves appearance

2.5.3 烤后煙葉等級結構對比分析 風冷重力熱管冷凝除濕閉式熱風循環實驗密集烤房與對照密集烤房的烤后煙葉等級結構見表2。實驗密集烤房與對照密集烤房相比上等煙比例平均高于對照烤房7.4 %，中等煙比例則平均低于對照烤房2.2 %，下等煙葉比例平均低于對照烤房5.2 %。此外，實驗烤房烤后干煙葉均價提高0.87元·kg-1，提質增效性能較顯著。

表2 烤后煙葉分級Table 2 Classification of tobacco leaves after baking

3 討 論

本研究中，閉式熱風循環密集烤房風冷熱管冷凝除濕系統采用閉式熱風循環，利用室外新風為自然冷源，通過風冷重力熱管除濕器對流出裝煙室的排濕氣流進行有效冷凝除濕，除濕換熱性能良好，較傳統燃煤型密集烤房，排濕余熱損失減少，排濕氣流中的香氣成分含量得到保留。除濕方式與李彥東等[22]采用節能型量化排濕控制系統和王錫金等[23]設計地面排濕散熱系統相比，排濕氣流余熱都能得到有效回收利用，熱能利用率提高。烘烤效果與宮長榮、潘建斌等[19-20]利用熱泵型自控密集烤房烘烤一致，烘烤能耗降低，烤后煙葉品質得到改善。然而本研究僅以烤后煙葉外觀、煙葉分級結果、經濟效益分析烘烤提質性能，對烤后煙葉的化學成分、評吸質量的測試及評定則尚有待進一步研究。

4 結 論

針對密集烤房開式排濕能量利用率與烤后煙葉品質較低的缺陷，設計并搭建了一種以室外新風為自然冷源的閉式熱風循環風冷重力熱管冷凝除濕裝置。采用“七步式”煙葉密集烘烤工藝，測試分析了閉式熱風循環風冷重力熱管冷凝除濕系統的除濕性能與煙葉節能、提質性能。

(1)室外新風溫度與除濕氣流露點溫度的溫差在8 ～ 13 ℃，采用室外新風為自然冷源能夠對除濕氣流進行有效除濕。

(2)以室外新風為自然冷源的風冷重力熱管冷凝除濕器具有良好的換熱性能，其平均顯熱效率、潛熱效率、全熱效率分別為52.75 %、21.23 %、33.19 %。

(3)以室外新風為自然冷源的風冷重力熱管冷凝除濕器，除濕性能可以滿足閉式熱風循環的除濕要求，其析濕系數可達3.75，除濕量可達32.92 kg·h-1。

(4)與對照密集烤房相比，設置風冷重力熱管冷凝除濕系統的閉式熱風循環密集烤房，每千克干煙葉的燃料消耗量降低0.57 kg·kg-1，煙葉烘烤成本降低0.48元·kg-1，烤后上等煙比例平均提高7.4 %，中等煙比例降低2.2 %，下等煙葉比例降低5.2 %，烤后煙葉均價提高0.87元·kg-1。