茶叶烘焙机余热回收的研究

林大煜 李钟慎

（华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021）

茶叶烘焙机余热回收的研究

林大煜 李钟慎

（华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021）

现有的茶叶烘焙机在排湿过程中排出的是含有大量热量的高温湿气，直接排放在空气中不仅损失大量的热量，造成环境污染，而且还会使烘焙效率低，能源消耗大。针对现有茶叶烘焙机的不足，提出采用管壳式换热器对茶叶烘焙机的余热进行回收。结果表明，有余热回收装置的茶叶烘焙机节约了能源，提高了效率，具有良好的经济效益和社会效益。

茶叶烘焙机；余热回收；换热器

能源是人类赖以生存的基础。中国拥有世界第二大能源系统，但人均能量资源占有量却仅为世界平均水平的1／2，整体能源使用效率相对于发达国家严重偏低。面对这个现实，节约能源的任务迫切而艰巨。近年来茶叶产业是所有产业中发展最快的产业之一，茶叶生产的发展对加工过程提出了品质管理的要求。茶叶烘干是茶叶加工中的一个重要环节，也是能耗最大的作业，约占茶叶加工中总能耗的50%～70%［1］。因此，回收茶叶烘干过程中的余热，即提高烘焙的效率，又保护了环境，对快速发展中的茶叶产业具有重要的意义［2］。

1 茶叶烘焙机的原理

茶叶烘焙机的结构如图1所示，发热器设置在箱体的内上部，从风机进入箱体内的冷风经过发热器的加热成为热风；热风进入箱体内，筛架在旋转电机的带动下转动，从而带动放置在筛盘上的茶叶转动；在热风的加热下，茶叶均匀受热，从而达到烘焙的效果，经过热传输的热湿风从最后从设置的排气口排出。这种结构的茶叶烘焙机，结构简单，布局合理，烘焙效果好。烘焙机内部设有温度控制系统，通过控制电炉丝的工作状态来使得烘焙箱内温度保持在设定的烘焙温度。

但是热湿气直接由排气口排出不仅仅损失了大量的热量并且造成了环境的污染，而且烘焙效率低，能源消耗大。

图1 茶叶烘焙机的结构图Figure 1 Structure char of tea baker

2 管壳式换热器的原理

管壳式换热器是在一个壳体内设置许多平行的管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（管程）和管外空间（壳程）流过进行热量的交换［3］。图2所示的就是管壳式换热器的基本结构。

管壳式换热器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求，虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但是由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然处于优势地位［4］。

图2 管壳式换热器基本结构Figure 2 The basic structure of shelland－tube heat exchanger

3 采用管壳式换热器进行余热回收

3.1 换热器的结构设计

根据茶叶烘焙机的结构，设计的换热器的结构如图3所示。设计有如下特点：① 采用固定管板式设计，结构简单，重量轻，在壳程相同的情况下可排的管数多［5］；② 由于箱体内的温差不超过100℃，管子在管板上的固定采用焊接法，在高温高下仍然可以保持连接的紧密型，且对管板孔的加工要求较低且工艺简单［6］；③ 管子在管板上的排列采用正方形排列，易于清扫。

图3 换热器外部俯视图Figure 3 Top view of the shell－and－tube heat exchanger

在换热器内部，传热管束的排列方式是类U形，如图4所示，管子的两端固定在同一块管板上，弯曲段不加固定，使每根管子具有伸缩余地而不受其他管子和壳体的影响，易于拆卸和清洗。

进入茶叶烘焙机箱体的冷空气先由热传导进气口进入连接管后经由传热管束进入到换热器的壳体中，而由烘焙机箱体内排出的高温湿气经由烘焙机排气口也进入换热器的壳体中，根据热传导原理，在壳体中，高温湿气和传热管束中的冷空气进行热交换，高温湿气的温度下降的同时传热管束中的冷空气的温度上升，温度上升了的冷空气再经由管箱从烘焙机进气口进入到烘焙机的箱体内，而换热后低温的湿气经由换热器排气口排出，实现了换热器将湿气排出，把热量回收对冷空气预热的功能，实现了节能环保［4］。

图4 换热器内部结构图Figure 4 Internal structure of the shelland－tube heat exchanger

3.2 对比试验

3.2.1 试验对象 无余热回收装置的茶叶烘焙机和有余热回收装置的茶叶烘焙机。

3.2.2 试验条件

（1）4层茶叶；

（2）茶叶重：4×1.25＝5 kg（含水率为28%）；

（3）水重：4×0.27＝1.08 kg；

（4）试验时间：1 h；

（5）烘焙机设定的烘焙温度：100℃。

3.2.3 测量参数

（1）升温时间：烘焙机刚开始工作时，箱体内烘焙温度由20℃升至100℃所需要的时间。

（2）加热时间：当烘焙机达到设定的烘焙温度后，在温度控制系统的控制下电炉丝的工作时间。

（3）保温时间：当烘焙机达到设定的烘焙温度后，在温度控制系统的控制下电炉丝的不工作的时间。

（4）耗电量：烘焙机完成一次烘焙所耗的电量。

试验结果如表1所示（前、中、后指的是保温和加热过程中的3个不同时间段，通过这3个时间段的对比更可以看出余热回收的效果）。

表1 试验结果+Table 1 The results of experiment ／s

经试验得出：在茶叶烘焙过程中，有余热回收的茶叶烘焙机升温时间和加热时间都明显减小，而保温的时间延长。每台有余热回收的茶叶烘焙机每小时可省电2.2 k W／h，按每度三相电0.73元，每台烘焙机每天工作8 h计算，每台烘焙机每年大概可以省电约4 625元，具有良好的经济效益。

4 结论

试验表明有余热回收装置的茶叶烘焙机热交换强度高，有利于在平均温差下工作。结构简单，采用了管壳式的设计，增加了传热的面积，使得进入烘焙机的冷风的温度提高了10～12℃，大大提高了烘焙的效率。而且安装方便，需要更换或者清洗时只需将管束抽出即可，经济合理且运行可靠。保证了热交换中的流体的阻力较小，减少了换热器的动力消耗，进一步的节约能源，提高效率，经济效益好，具有很好的发展前景。

1 余建祖.换热器原理与设计［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2006：25～27.

2 徐昌盛.废气焚烧装置余热回收热交换器的设计［J］.大众科技，2006（4）：103～105.

3 支浩.换热器的研究发展现状［J］.化工进展，2009（28）：338～342.

4 余建祖.换交换器设计中两种方法的比较［J］.郑州轻工学院学报，2006，21（1）：81～83.

5 杨军飞.板式热交换器与管式热交换器的比较分析［J］.包装与机械，2008，29（7）：205～206.

6 杨光，汤广发.小型热回收装置的可行性研究［J］.建筑热能通风空调，2005，24（3）：56～59.

Study of residual heat of the tea baker

LIN Da－yu LI Zhong－shen

（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，Fujian361021，China）

The existing tea baker discharged the hot and wet air when it in the course of discharging the wet air which has a lot of heat.The hot and wet air discharged into the environment directly not only wasting but also polluting the environment，with low bake efficiency.Residual heat of the tea baker using the shell－and－tube heat exchanger was presented according to the shortage.The experiments showed that the tea baker with the shell－and－tube heat exchanger conserves energy，improves efficiency，had a good economic and social benefits.

tea baker；residual heat recovery；shell－and－tube heat exchanger

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.031

泉州市科技计划项目（编号：2010Z52）；华侨大学基本科研业务费专项基金（编号：JB－ZR1107）

林大煜（1985－），男，华侨大学在读硕士研究生。E－mail：nihaoarrow＠163.com

李钟慎

2011－11－01