热管热风炉在密集型烤房中的应用研究

陈庆山 李建华 孙晓伟 王维超 曹晓涛 孙永军

摘要 针对国内现有密集烤房热能利用效率普遍较低问题，提出一种由热管元件制作的热管热风炉设计方案，采用自主研制的热管热风炉开展试验研究，对实测结果进行分析。试验结果表明，热管热风炉换热效率高，节能效果显著，可以克服现有密集烤房供热设备的不足，密集烤房热能利用效率得到大幅提升，与现有密集烤房热风炉相比，节能效率达到33.0%以上，具有很好的推广应用前景。

关键词 密集烤房；烟叶烘烤；热风炉；热管技术；节能降耗

中图分类号 S26+3 文献标识码

A 文章编号 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

密集烤房的推廣应用在烤烟生产中发挥了重要作用，较好地促进了我国烤烟适度规模化的发展。但是，目前密集烤房在使用中普遍存在热能利用效率较低等问题。据测算，烟叶烘烤所需热量仅占现有燃烧炉燃料发热量的30%左右[1]，无效能耗过高，存在很大的节能潜力。据调查研究，影响现有密集烤房热能利用效率的因素较多，但供热设备的热能转换效率较低是其中的一个重要因素。

2016—2017年，河南新诺热管技术有限公司与河南省烟草公司许昌市公司合作，承担了“密集烤房高效节能技术试验研究”攻关课题项目，在襄城县烟草分公司的协作下，笔者针对现有密集烤房热能利用效率普遍较低问题，有针对性地设计、制备热管传热元件，形成热管热风炉供热系统，并开展了烟叶烘烤应用试验研究。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用热管热风炉由河南新诺热管技术有限公司组织设计和生产，其结构如图1所示。

热管热风炉由燃烧炉和热管换热器组成，两者采用法兰连接为一体；热管换热器由热管元件和换热器管箱构成；热管元件在换热器上为横向倾斜设置结构[2]；热管材质为低碳钢无缝管；热管冷凝段设置有散热翅片，热管与翅片采用高频焊接；热管蒸发段为滑壁光管；热管蒸发段设置在换热器管箱烟气侧，热管冷却段在换热器管箱外侧为裸露状态的开放型散热结构；换热器空气侧热管的冷凝段为等长度配置，换热器管箱内高温区域热管的蒸发段为变长度阶梯形配置[3]；热管工质为注入有高浓度缓蚀剂的复合型水工质。

热管热风炉热管结构参数Ⅰ如下：热管总数72支，热管直径32 mm，横向管间距105 mm，纵向管间距90 mm，空气侧翘片高13 mm，空气侧翘片厚1.5 mm，空气侧翘片节距5 mm。热管热风炉热管结构参数Ⅱ如下：

冷凝段长度400 mm，蒸发段长度第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 试验于2017年7月20日至9月20日在襄城县汾陈乡大路村烟叶烘烤工场进行。

试验设计：955号烤房安装热管热风炉，以953号烤房现有热风炉为对照。燃料品种：热管热风炉和现有热风炉采用内蒙古产同一批次、同一煤质原煤。烟叶品种：采用烟叶品种为“中烟100”。

烟叶采摘：依照烟叶生长正常采摘部位，在烟叶不同成熟阶段，分别采摘同一烟田中烟叶外观质量和鲜烟素质相同的烟叶，分别对下部、中部、上部烟叶进行烘烤试验。

鲜烟重量：各烤次烟叶装炕时随机抽取10竿鲜烟称重，折合每竿鲜烟重量。

1 kg干烟用煤量：烟叶烘烤时记录试验烤房每炕次用煤量，再根据各烤次回潮后干烟叶总量计算1 kg干烟平均耗煤量。

配套设施：955号烤房和953号烤房温、湿度控制系统均采用辽宁海帝升公司生产的HD-6型控制器；热风循环系统采用福建华达公司生产的1.5～2.2 kW变速风机；热风炉供风设备采用贵阳九州公司生产的ZY-150型鼓风机；烘烤试验烤房均为气流上升式烤房；同一时间起火烘烤，炉子点火时，2个烘烤试验烤房的起始温度、湿度相同；烟叶烘烤时烤房温、湿度变化同步进行，按照三段式烟叶烘烤工艺[4]进行烘烤操作。

试验针对热管热风炉在密集烤房中应用的可行性、适用性、节煤量、节能效率进行考察和实际测试，目的是通过烘烤试验对热管热风炉在密集烤房中应用的适用性和节能效果进行研究。

2 结果与分析

表1反映了下部烟叶的烘烤试验结果，可以看出，在所有烘烤试验条件完全相同的情况下，下部烟叶烘烤结果：热管热风炉烤房的干烟耗煤量1.50 kg/kg；现有热风炉烤房的干烟耗煤量2.16 kg/kg。相比之下，热管热风炉节省燃煤236 kg/炕，1 kg干烟耗煤量减少0.66 kg/kg，节能效率30.6%。

表2反映了中部烟叶烘烤的试验结果，可以看出，在所有烘烤试验条件完全相同的情况下，中部烟叶烘烤结果如下：热管热风炉烤房的干烟耗煤量1.16 kg/kg；现有热风炉烤房的干烟耗煤量1.75 kg/kg。相比之下，热管热风炉节省燃煤281 kg/炕，1 kg干烟耗煤量减少0.59 kg/kg，节能效率33.7%。

表3反映了上部烟叶烘烤的试验结果，可以看出，在所有烘烤试验条件完全相同的情况下，上部烟叶烘烤结果如下：热管热风炉烤房的干烟耗煤量0.85 kg/kg；现有热风炉烤房的干烟耗煤量1.30 kg/kg。相比之下，热管热风炉节省燃煤359 kg/炕，1 kg干烟耗煤量减少0.45 kg/kg，节能效率34.6%。

3 讨论

在热能的利用过程中，能量的利用是通过能量的传递来实现的，所以能量的利用过程通常也是一个能量的传递过程，能量传递的实质实际上就是能量利用的实质[5]。

热风炉是燃料燃烧、加热空气、生产热风的设备，是密集烤房中的核心组成部分，在密集烤房中扮演的是热能转换的重要角色，能否将炉膛内燃料燃烧的发热量及时有效地转换到烤房当中，在很大程度上决定了烟叶烘烤的能耗状况。根据烟叶烘烤试验结果可以看出，供热设备的热能转换效率对于提高密集烤房的热能利用效率有着直接和关键性的作用。

根据调查研究，现有密集烤房热风炉主要存在如下4个方面问题：①换热方式和换热性质方面的问题，从烟气到空气的气-气换热方式，换热系数本来就不高，加之热风炉受金属导热性质的限制，热阻大、换热效率低。②炉膛容量与三段式烟叶烘烤工艺不匹配，在小火期和中火期，炉膛内燃料燃烧不充分，燃烧效率低，挥发成分、可燃物向外排放造成浪费[6]。③热风炉受到结构体积的限制，散热面积小，散热能力受限，热量不能实现及时有效转换，烟气排放温度高。④现有热风炉换热结构极易积灰，积灰带来的附加热阻严重影响受热面热量的传递，造成换热能力下降。由于多种因素的制约影响现有热风炉的热能转换能力，造成现有密集烤房热能利用效率普遍较低，烤烟能耗居高不下。

热管热风炉与现有密集烤房热风炉相比，两者有着本质上的区别。热管是一种具有很高传热性能的元件，它充分利用了热传导原理与物质相变介质的快速传递性质，通过工作介质的蒸发与冷凝传递热量[7]，可将大量热量通过其很小的截面积远距离传输而无需外加动力，能够将热量快速脱离热源，转移到利用的环境当中，为热能的传输建立一个快速的导热通道，最终实现热能的快速转换和高效利用。

热管的基本工作原理如图2所示，典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成[8]，将管内抽真空后注入一定量的工质，热管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（散热段），根据应用需要中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽瞬间流向另一端并放出热量凝结成液体，液体依靠毛细力的作用回流至蒸发段继续受热，热量被源源不断地由一端传至另一端，如此往复循环，完成工质的合理流动和热量传递过程。

热管作为高效传热元件应用于热风炉中具有下列优点：

较大的传热能力。

由于热管的传热主要靠工作介质相变时吸收和释放气化潜热以及蒸汽流动传输热量，热阻很小，而多数工质的汽化潜热值很大（例如水的潜热值2 300 kJ/kg左右），因此不需要很大的蒸发量就能带走大量的热量。

较高的等温性。热管表面的温度分布取决于蒸汽的温度分布和相变时的温差以及通过管壁和毛细芯的温降[9]。腔体内的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，所以温降亦很小，而管壁和毛细芯比较薄，所以蒸汽流动和相变时热管的表面温度梯度很小，当热流密度很低时可以得到高度等温的表面。热管的当量导热系数愈大则等温性愈高。

具有较高的换热效率和环境适应性。由于烟气与空气均在热管外侧流动，热管可以利用自身的结构特点，根据热流密度需求，在热管表面焊接翅片来增加换热面积，实现强化换热，这就可以从根本上解决了气-气换热系数较低的问题；而且热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，冷、热两段结构和位置布置灵活，可以适应各种复杂场合，环境适应性较好。

具有热流密度变换能力。由于热管中蒸发和凝结的空间是分开的，热管冷、热两段的各种参数都可以灵活地做出调整，因此可以实现热流密度变换[10]。即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，变换比例可以在较大范围内变化，能够实现对热量输入的控制和内部工作温度的调控，从而可以解决一些其他热风炉难以解决的换热难题。

从以上烟叶烘烤试验結果及分析可以看出，热管热风炉与现有密集烤房热风炉相比，下部烟叶烘烤试验的节能效率达到30.6%，中部烟叶烘烤试验的节能效率达到33.7%，上部烟叶烘烤试验的节能效率达到34.6%，平均节能效率为33.0%。试验结果与试验设计预期目标基本吻合，取得了比较满意的效果。

4 结论

通过对热管热风炉系统进行烟叶烘烤试验和实测结果分析，可以得出以下结论：供热设备的热能转换效率对于提高密集烤房的热能利用效率有着直接和关键性的作用；热管热风炉是一种高效的换热设备，对烟叶密集烤房具有很好的适用性，与现有密集烤房热风炉相比，换热效率高，节能效果显著，可以克服现有密集烤房供热设备的不足，能够大幅提高密集烤房热能利用效率，具有很好的推广应用前景。

参考文献

[1]

和智君，罗会龙，钟浩，等.烟叶烘烤密集型烤房节能技术途径分析[J].中国农学通报，2010，26（8）：337-340.

[2] 陈庆山.一种用于热风炉的热交换器：201521107363.1[P].2015-12-29.

[3] 乔中复，吴强.变加热段热管空气预热器的研制[C]//第四届全国热管会议论文集.北京：中国工程热物理学会，1994：194-200.