碳纤维红外线烤房技术研究与应用①

单士睿

（许昌职业技术学院 河南许昌 461000）

在烤烟生产中，必须经过鲜烟叶的烘烤处理环节。而在我国烤烟产区的烟农普遍采用小型烤房对烟叶进行最初烘烤处理。这种小型烤烟房的热量来源主要依靠烧柴或烧煤，存在加热不方便、烟农烤烟劳动强度大，烤烟受热不均匀以及烤烟排放的烟尘碳物质污染环境等诸多弊端。因此，设计一种新的碳纤维红外线烤烟房是整个烟草行业中迫切需要解决的技术问题。全国用于烤烟初加工的烤房约80万间，随着烟叶种植户均面积逐年递增，预计每年新增5%烤房。目前，烤烟房设备生产方面存在部分未进入统计口径的小型生产企业，其产品档次较低。

1 传统烤烟技术

传统的烟草烘烤是利用柴煤进行烘烤。柴煤炉设置在烤房外，通过热管或鼓风机将热量输送到烤房内[1]。传统的柴煤烤烟有5大弊端：①热能利用率低，只有25%；②烤烟成本很高，烤出500 g黄烟，柴煤成本为0.7元左右；③劳动强度很大，除搬运量大外，烤烟期间，需昼夜看火，加柴添煤，无法安眠；④烤烟质量难控，升温降温，凭感觉，热力均匀不好把握；⑤对环境有污染，有碎渣、烟尘及二氧化碳、硫化物等污染环境。烤烟起先是烧柴，后来改用煤。目前，烤房虽然整体改进，排湿性能先进的“密集式烤房”也出现了，但是烤烟烧柴、烧煤却是百年未有改变。近年，随着技术革新，出现了酒精、空气泵、太阳能等烤烟技术设备，但由于价格贵、不方便、不适用于现烤房等缘故，这些设备无法被实践应用[2]。

2 碳纤维红外线烤房技术

2.1 技术原理

碳纤维（carbon fiber）是含碳量高于90%的无机高分子纤维。碳纤维的轴向强度与模量高，密度低，比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性能介于非金属与金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，X射线透过性好。碳纤维电热板，是使用高分子非金属发热材料，即将碳纤维与高强度绝缘材料玻璃纤维及聚氨脂，经高温高压密闭复合而成。碳纤维电热板，为非金属面状电阻体，通电后电热板2面同时均匀散热，是电阻丝散热面积的百倍，2 min内碳纤维电热板表面即可升到设定温度，电热转换率98%以上，且受热温度均匀。碳纤维电热板在通电运行后，碳原子在电激条件下产生热反应，在面状电热板上产生高速布朗运动，相互撞击摩擦产生热量，发送出红外波，穿透介质，均匀散热。碳纤维电热板发出的红外线，系8～15 m远红外光波，被医学界称为“生命之光”，极易被人体和其它生物吸收，激活生物体内细胞活性，促进体内新陈代谢，提高免疫力。碳纤维电热板，使用220 V市电。电热板运行后，面板通过发出红外线波，穿透介质，均匀生热散热。面板本身不产生高温热量，用手触摸只有热感 ，但不会灼伤。电热板通电运行后，无静电、无噪音、无电磁污染，防水防潮耐腐蚀。非电线部位板面具有阻燃性，是最新的科技节能环保新产品[3]。

2.2 技术方案

利用碳纤维电热板的发热原理对烤烟房内的烟叶进行烘烤；同时，由于其碳纤维电热板呈多孔状且呈相互独立的多块，可相互独立控制，因此可以通过控制每块碳纤维电热板的工作温度，使烤烟房体内的各局部区域相互间可以形成温差带，以方便不同烟叶同时烘烤以及特殊烘烤时的要求[4]；另外，其结构中用于构建固定架设碳纤维电热板的安装平台的绳索由于是通过长度可以调节（即可以进行松紧）的绳头钩组件与烤烟房体的内侧壁上的挂钩相连接，因此绳索的拆装、松紧非常方便，进而使碳纤维电热板的安装与更换方便。烤烟房体的一对宽方向上侧壁内表面至少均开设有一排螺纹盲孔，并且两侧壁内表面的螺纹盲孔相互对称，挂钩旋接入上述的螺纹盲孔，钩头外露。再进一步的技术优选方案中挂钩与烤烟房体间拆装方便，当上述烤烟房体的一对宽方向的侧壁内表面均开设有多排螺纹盲孔时，即表示挂钩在烤烟房体的内侧壁上的高度可以进行调整，使构建碳纤维电热板安装平台用的绳索高度同步进行调整，最终使碳纤维电热板与烤烟房体内挂在吊烟架上的烟叶间的距离可以调整，满足不同烟叶的烘烤温度要求。烤烟房体的一侧壁外表面上固定有安装框架，在该安装框架上固定有鼓风机，在鼓风机的风口上套设有分歧管，分歧管的所有输出管均贯穿烤烟房体的侧壁，并延伸进入烤烟房体内。鼓风机能促使烤烟房体内的空气进行流动，使烤烟房体内的温度一致性更好，并且加快烤烟房体内气流流向待烘烤烟叶表面的速率，提升烤烟房体的烟叶烘烤效率。烤烟房体设有上、下底板，其中上底板与下底板间形成密封腔室，上底板为网孔板，并且在该上底板的中心位置开设安装通孔，安装通孔内固定抽湿机，该抽湿机的进风口朝向上底板以上的整个烤烟房体内室，其出风口朝向上述的密封腔室。抽湿机能抽走烤烟房内气流中的大量水蒸气，保持烤烟房内干燥性，提升烤烟效率；同时由于通过抽湿机除湿后的干燥空气通过网孔板结构的上底板吹向烤烟房体，使烤烟房内的空气温度更加均匀。纤维电热板安装到烤烟房体内，通过电加热后使烤烟房内的空气迅速升温，达到理想温度值，在144 h不等值恒温下，使烟叶褪去水分，转为色泽金黄、味道香醇的烟草，有效保护森林资源，避免空气污染；同时还具备快速升温、均匀发热、电热转换效率高、用电量小、结构简单、设备偏移等一系列优点[5]。

碳纤维红外线烤房设备构成，主要由“碳纤维电热板”与“智能控制箱”2部分组成。电热板安装在加热室，热探头安装在装烟室，当温度达到目标后，信号自动传输到智能控制箱，控制箱自动发出指令，让电热板加热或停止工作。调节目标温度，用遥控器。电热板由碳纤维材料制成。每板尺寸35 cm×105 cm。电热板分3组；每组4块板；每板3 kW，总功率36 kW，额定电压380 V。空房测试：在环境温度25 ℃的情况下，每小时升温10 ℃，3 h后可升温至55 ℃。5 d可完成1炉烟叶烘烤，用电量为2 100～3 100 kW·h。为了便于烟农在烤房内进出工作方便，将电热板设置在烤房的天花板上。在天花板上，预先安装好悬吊架，再用螺丝将电热板固定在悬吊架上。天花板上的电热板，与顶层烟叶之间的空隙距离，确保在20 cm以上。由于电热板的板面温度只有70 ℃，有20 cm以上的间距，即是安全的。由于烤房容积不大，加上烤房原有的煤炉风机装在上端，利用原风机的循环风，即可达到热量在烤房内的流动。碳纤维红外线烤房构成见图1。

图1 碳纤维红外线烤房结构

3 结语

红外线烤房技术改变了中国传统烟草烤制方式。是置放在烤烟房内，然后接通电能，利用电热板在烤房内发出红外线热量进行烟叶烘烤。利用碳纤维材料作为电热板，用220 V电。碳纤维电热板在通电后，内部碳原子产生高速布朗运动，相互撞击摩擦，产生远红外波，穿透介质，均匀散热。使烤烟房迅速升温，达到理想温度值，完成烤烟过程。碳纤维红外线烤房技术，利用红外热量热传播均匀的技术原理，进行烟叶烘烤加工，烤烟质量稳定，热能利用率高，采用此技术，可提高生产效率，降低人工成本，具有一定的创新性和较好的环保、节能效果。碳纤维红外线烤房技术最大的优势是该技术能在农民现有的烤房中安装应用，无须再建新烤房，设备成本不高，电费也可承受，是现有各种烟叶烘烤机械中，最具竞争力、最易普及的设备。碳纤维红外线烤房技术，是现有电热烘烤设备中，价格最低廉，安装使用最便捷的设备，是未来烟叶烘烤“电代煤”转型中最有希望得到广泛普及的代替产品。