帶回熱器的熱泵烤煙除濕系統性能

惠寵 羅會龍 孫茹男 李志國 劉兆宇

摘要：為了增強熱泵烤煙冷凝除濕的除濕量和余熱回收能力，在蒸發器前安裝重力熱管回熱器，對循環空氣進行預冷和預加熱，測試分析了除濕能耗比和預熱后的溫度，并改變空氣特性分析其對除濕量的影響。結果表明，在烤煙的3個階段對應降低除濕能耗比為13.24%～54.73%，平均提高預熱溫度4.05 ℃，并發現當增大進口干球溫度、相對濕度時除濕量增加，而增大風速除濕量先增大后減小，故各階段應選擇合適的風速。

關鍵詞：熱泵;回熱器;顯熱;除濕能耗比;熱泵烤煙除濕系統

中圖分類號： S226.6? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）11-0166-04

收稿日期：2020-10-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：51766005）;云南省煙草專賣局科技項目（編號：2019530000241019）。

作者簡介：惠 寵（1992—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為暖通空調技術。E-mail：2558137175@qq.com。

通信作者：羅會龍，博士，教授，研究方向為建筑節能與能源高效潔凈利用。E-mail：huilongkm@126.com。

煙葉烘烤是一個高能耗的過程[1-2]，普通烤房用煤來直接對空氣加熱，熱利用率較低、消耗煤量較大，直接排放的熱濕空氣對環境污染嚴重[3-4]。近年來隨著現代農業的發展，密集烤房的改進和可替代能源的開發，在煙葉烘烤中越來越受到重視[5-7]。

空氣源熱泵技術吸收空氣中的低品位能量為烤房供熱，綠色無污染、自動化程度高，而且能夠降低成本[8-9]。呂君等進行熱泵煙葉烘烤試驗，發現與傳統的燃煤烘烤相比熱泵烘烤1 kg煙葉可以節省0.85元，熱泵系統除濕能耗比為2.42 kg/（kW·h），同時還對熱泵烘烤下的基于等焓和等溫過程中2種不同的干燥過程進行理論分析得出，等溫干燥比等焓干燥節省0.06元/kg[10-11]。聶榮邦等對比得出空氣源熱泵烘烤比燃煤烘烤的煙葉質量更高，并且化學成分更協調[12-13]。從裝煙室出來的高溫高濕空氣通過熱泵蒸發器，將其一部分顯熱和潛熱進行回收，同時將濕空氣的溫度降到露點溫度，析出冷凝水以達到冷凝除濕的目的[14-15]。但仍有很大一部分余熱被浪費，特別是在烤煙干筋期，為有效提高冷凝除濕效果和加大余熱回收能力，本研究提出增加回熱器來提高熱泵的除濕能力和余熱回收能力。

熱管技術廣泛應用于空氣調節系統，可以有效提高系統的除濕量，并且具有傳熱效率高、熱響應速率快等優點。重力熱管是利用工質管內相變換熱，進行傳熱的高效傳熱組件，它沒有吸液芯是依靠重力作用使工質回流，但必須將冷凝段置于蒸發段之上[16-18]。筆者在熱泵蒸發器之前添加1個用重力熱管做成的回熱器輔助蒸發器除濕。筆者將研究回熱器對熱泵系統除濕性能的影響，以及分析隨空氣特性的變化除濕性能的變化規律。

1 帶回熱器的熱泵除濕工作原理

傳統熱泵烤煙的工作過程是從烤房出來的熱濕空氣直接經過熱泵的蒸發器冷凝除濕，然后經熱泵冷凝器加熱升溫后，進入烤房與煙葉相接觸帶走煙葉的水分，然后再經蒸發器降溫除濕，空氣循環如圖1（1→2→2′→3→4→1）所示。由圖1可知，烤房出來的空氣降溫除濕經歷了2個過程，即2至2′的降溫過程和2′到3的除濕過程。在降溫過程中蒸發器回收的是濕空氣的顯熱;在除濕過程中，吸收的是濕空氣的潛熱。從以上分析可知，蒸發器吸收的潛熱部分越大則析出的凝結水越多。

帶回熱器的熱泵除濕系統見圖2，從烤房出來的熱濕空氣先經過回熱器的下方蒸發段，熱管管內的工質吸熱蒸發，同時將循環空氣預冷到接近露點溫度，然后再進入到熱泵蒸發器進行充分的冷凝除濕。除濕后的空氣再經過熱管回熱器上部的冷凝段進行預熱，然后進入冷凝器得到充分的加熱升溫，變為高溫低濕的干燥空氣。空氣的循環如圖1（1→2→2′→3→4→5→5′→1）所示，帶回熱器的熱泵除濕系統相當于對熱濕空氣進行了2次降溫和升溫。當蒸發器制冷量一定時，由于回熱器對熱濕空氣先預冷，減小了蒸發器消耗在預冷過程中的冷量，使得冷量主要用于吸收熱濕空氣的潛熱，有效增強了系統的除濕能力;同時熱管工質吸收的熱量傳遞到熱管的冷凝端對從蒸發器出來的低溫低濕空氣進行預熱升高溫度。

2 試驗方法

2.1 試驗裝置

試驗主要由熱泵烘烤系統、重力熱管回熱器、烤房組成。熱泵烤煙系統由2臺5匹渦旋壓縮機、翅片管式蒸發器、翅片管式冷凝器組成，工質為R134a。在冷凝器的前端裝有循環風機，功率為0.09 W×2，風量Q>15 000 m3/h，室外蒸發器側風機風量為8 000 m3/h，功率為0.4 kW。回熱器尺寸大小為700 mm×600 mm×540 mm，外殼為鋼制矩形殼體，殼體內鋪設1層保溫棉，以減小熱損失。回熱器中間用鋼制隔板隔開，被分為上下2個部分，熱管貫穿隔板，下部為蒸發段、上部為冷凝段，管內有制冷劑，共296根重力熱管，共16排，排列方式為叉排，橫向間距為30mm、縱向間距為40 mm，見圖3。裝煙室尺寸為8 000 mm×2 700 mm×3 500 mm（長×寬×高），送風方式為氣流上升式送風。溫度測定采用型號BD-PT100-920鉑電阻溫度傳感器，精確度±0.15 ℃、測量范圍為-30～200 ℃;濕度測定采用型號為DS33-3-XX-H-T1的數字式濕度傳感器，精度為±1%;風速采用testo-425熱敏風速儀測量，精度為±（0.03 m/s+5%測量值），測量范圍為0～20 m/s。

2.2 試驗條件

本試驗于2019年8月進行，云南省昆明市石林縣煙草合作社為試驗數據采集點。烤房內裝煙3 000 kg，分4層懸掛，供試烤煙品種為K326，按照烤煙3段式烘烤工藝提供所需的溫濕度條件。在相同環境下進行對比試驗，分別對2座烤房的數據進行記錄，測點的位置布置見圖2，點1測量進回熱器蒸發段的氣流溫濕度以及風速、點2測出蒸發段的溫濕度、點3測出熱泵蒸發器的氣流溫濕度、點4測出回熱器冷凝段的溫濕度、點5測進烤房的溫濕度和風速。試驗分別選取烤煙系統穩定狀態下的6個工況，進行數據整理，并在各個穩定器用量杯收集冷凝水并記錄所需時間和所用的電量，對比分析顯熱比（ε）和除濕能耗比（SMER）的大小。同時試驗選取了定色期作為研究對象，因為定色期處于大量排濕階段，影響因素的改變對除濕量的影響較為明顯，采用控制變量法在定色期研究進口風速（v）、相對濕度（RH） 、干球溫度（tg）的改變對帶回熱器系統除濕量的影響。

2.3 主要性能指標

2.3.1 顯熱比

為了考察系統的除濕能力大小引入顯熱比（ε），它代表在除濕過程中顯熱換熱量在除濕的總換熱量中所占的比例[19]。

ε1-4=cp1-4（T1-T4）h1-h4;（1）

ε1-5=cp1-5（T1-T5）h1-h5。（2）

式中：ε1-4為熱泵烤煙除濕系統的顯熱比;cp1-4為熱泵烤煙除濕過程中循環空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）;T1、T4分別為循環空氣進、出蒸發器的溫度，℃;h1、h4分別為循環空氣進出蒸發器的焓，kJ/kg;ε1-5表示帶回熱器的熱泵烤煙除濕系統的顯熱比;cp1-5表示帶回熱器的熱泵除濕過程中循環空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）;T5表示空氣出回熱器冷凝段的溫度，℃;h5表示空氣出回熱器冷凝段的焓，kJ/kg。

2.3.2 烤煙系統的除濕能耗比

除濕系統綜合性能的一個主要指標是除濕能耗比（SMER），定義為消耗單位能量所除去煙葉中水分的質量[20]，用公式表示為

SMER=Mdeme。（3）

式中：SMER為除濕能耗比，kg/（kW·h）;Mde為從煙葉中去除水分的質量，kg;me為系統耗電量，kW·h。

3 結果與分析

3.1 除濕顯熱比的對比分析

圖4、圖5是根據煙葉在3段烘烤工藝過程中系統穩定運行狀態下選取的6個代表工況，具體工況見表1，然后根據公式（1）得到顯熱比。

由圖4可知，隨著進口空氣溫度的增大，經過除濕后的空氣溫度也在增加，無回熱器、帶回熱器的最大出口溫度分別為42.82、49.47 ℃，安裝回熱器系統的出口溫度明顯高于無回熱器的出口溫度，而且隨著進口空氣溫度的升高二者的差距也逐漸增大，最大溫度差出現在烤煙的最大出口溫度時，為6.65 ℃。這是因為回熱器蒸發段熱管工質蒸發吸收的熱量，在空氣除濕之后又將吸收的熱量傳遞給了除濕后的空氣，相當于對空氣進行了1次回熱，因此空氣出帶回熱器系統的溫度高于出熱泵除濕系統的溫度。

由圖5可知，隨著進口干球溫度的增大，二者的顯熱比趨勢大致相同，都是先減小后增大，這是因為隨著烘烤溫度的上升各階段除去水分的質量是先增大后減小。帶回熱器的顯熱比與無回熱器的顯熱比相比減少了27.28%～39.19%，這是因為回熱器吸收了一部分顯熱，所以蒸發器能夠吸收更多的潛熱，說明帶回熱器的熱泵系統除濕能力更強。

3.2 烘烤過程中除濕能耗比的對比分析

由圖6可知，無回熱器、帶回熱器2座烤房的除濕能耗比分別在1.45～3.78、2.25～4.32 kg/（kW·h）之間，回熱器可以增加13.24%～54.73%的除濕能耗比，說明帶回熱器系統單位能量除去煙葉的水分更多，增加原因主要在于回熱器完成了空氣預冷的功能，吸收了循環空氣的部分顯熱，同時回熱器也合理利用了這部分顯熱，對除濕后的循環空氣進行預熱，避免這部分顯熱的浪費，有效實現了節能，并隨著進口空氣溫度的升高，熱濕空氣自身顯熱的增加，節能效果更加顯著。

3.3 空氣特性對除濕量的影響

3.3.1 進口干球溫度對除濕量的影響

由圖7可知，在保持相對濕度和風速不變的情況下，隨著進口空氣溫度的增加，帶回熱器系統的除濕量也在增加。這是因為隨著進口空氣溫度的升高，雖然相對濕度不變，但是實際的含濕量是增大的;同時隨著干球溫度的升高，回熱器熱管里面工質的蒸發會更加劇烈，工質冷凝降落的速率也會加快，沖刷管壁使擾動增強，這樣吸收的顯熱也就越多，因此除濕量也隨之增大。

3.3.2 進口相對濕度對除濕量的影響

由圖8可知，當干球溫度和風速不變時隨著進口空氣相對濕度的增大除濕量也在增加，這是因為空氣的相對濕度增大使空氣所含的水蒸氣含量增大，當處理到露點溫度時，析出的冷凝水也就越多，縱向對比可以看出溫度越高則除濕量在同等濕度下也越大，與圖7相對應。

3.3.3 進口風速對除濕量的影響

由圖9可知，當干球溫度和相對濕度不變時隨著風速的增大除濕量大多呈現先增大后減小的趨勢，縱向對比可以發現隨著相對濕度的增加，最大除濕量對應的風速點向右移動，即向風速高的方向移動。故存在一個最優進口風速（v′）使除濕量最大，當vv′時，由于流經的空氣未能充分交換熱量，所以導致隨著風速的增大除濕量又逐漸呈現下降的趨勢。

4 結論與討論

給熱泵除濕系統添加重力熱管回熱器對進口熱濕空氣進行預冷，有效提高了熱泵除濕系統的除濕量并對除濕后的空氣進行回熱，合理利用了這部分能量，達到節能除濕的效果。

回熱器的應用顯著降低了熱泵除濕系統的顯熱比，增加了除濕能耗比，在煙葉烘烤的3個階段顯熱比的降低區間在27.28%～39.19%之間，除濕能耗比的增加區間在13.24%～54.73%之間，降低和增加的幅度隨著進口空氣溫度的增加而增大。改變空氣的進口溫度、相對濕度、風速，發現增加空氣溫度和相對濕度可以增加除濕量，增加風速除濕量先增大后減小，所以烤煙各階段應選擇合適的風速進行除濕。

參考文獻：

[1]宮長榮，潘建斌，宋朝鵬. 我國煙葉烘烤設備的演變與研究進展[J]. 煙草科技，2005（11）：34-36.

[2]Siddiqui K M. Analysis of a Malakisi barn used for tobacco curing in East and Southern Africa[J]. Energy Conversion and Management，2001，42（4）：483-490.

[3]王衛峰，陳江華，宋朝鵬，等. 密集烤房的研究進展[J]. 中國煙草科學，2005，26（3）：12-14.

[4]段紹米，羅會龍，劉海鵬. 煙葉密集烤房的研究應用進展與改進設計[J]. 江蘇農業科學，2019，47（1）：202-207.

[5]孫曉軍，杜傳印，王兆群，等. 熱泵型煙葉烤房的設計探究[J]. 中國煙草學報，2010，16（1）：31-35.

[6]周芳芳，詹 軍，王柱石，等. 密集烤房與普通烤房烤后上部煙葉香氣品質分析[J]. 江蘇農業科學，2014，42（3）：229-233.

[7]徐秀紅，孫福山，王 永，等. 我國密集烤房研究應用現狀及發展方向探討[J]. 中國煙草科學，2008，29（4）：54-56，61.

[8]Chua K J，Chou S K，Yang W M. Advances in heat pump systems：a review[J]. Applied Energy，2010，87（12）：3611-3624.

[9]陳 東，謝繼紅. 熱泵技術及其應用[M]. 北京：化學工業出版社，2006.

[10]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（增刊1）：63-67.

[11]呂 君，魏 娟，張振濤，等. 基于等焓和等溫過程的熱泵烤煙系統性能的理論分析與比較[J]. 農業工程學報，2012，28（20）：265-271.

[12]聶榮邦，王 政，韋建玉，等. 空氣能熱泵密集烤房研制及其煙葉烘烤效果[J]. 作物研究，2017，31（2）：178-180.

[13]孟智勇，宗勝杰，高相彬，等. 熱泵密集烤房不同烘烤工藝效果比較[J]. 江蘇農業科學，2019，47（22）：247-251.

[14]劉 林，王 強. 熱式熱泵干燥裝置的設計分析[J]. 制冷與空調（四川），2018，32（5）：520-523.

[15]程 同，李娟玲，楊道龍. 全封閉空氣能CO2熱泵干燥系統的研制[J]. 江蘇農業科學，2016，44（7）：403-406.

[16]Yau Y H，Ahmadzadehtalatapeh M. A review on the application of horizontal heat pipe heat exchangers in ai conditioning systems in the tropics[J]. Applied Thermal Engineering，2010，30（2/3）：77-84.

[17]艾澤健，程遠達，賈 捷，等. 熱虹吸型散熱器與空氣源熱泵復合供熱系統的實測研究與經濟性分析[J]. 可再生能源，2019，37（12）：1882-1889.

[18]Xu S X，Ding R C，Niu J H，et al. Investigation of air-source heat pump using heat pipes as heat radiator[J]. International Journal of Refrigeration，2018，90：91-98.

[19]羅喬軍，張進疆，吳耀森，等. 稻谷熱管輔助熱泵除濕干燥技術[J]. 農業工程學報，2014，45（增刊1）：247-251.

[20]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.