闭式热风循环密集烤房风冷热管冷凝除湿系统性能分析

谢金梅，罗会龙*，段绍米，陈 颐，邹聪明，崔国民

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.云南烟草农业科学研究院，云南 昆明 650021)

【研究意义】密集烤房是烟叶生产的重要基础设施，其装烟密度较普通烤房大，自动化程度高，操作方便，可降低烟叶烘烤成本[1-4]。此外，密集烤房采取强制通风热风循环，烤房内风速增大，平面与垂直温差小，温度分布均匀。与普通烤房相比，烘烤能力得以提高[5-6]。现阶段，随着中国烤烟规模化生产的发展，密集烤房逐步推广普及，并成为中国烤烟烘烤设备的发展方向[7-8]。但目前密集烤房的能量利用率较低[9-10]，且普遍采用开式排湿方式，多种香气成分及其它有益于提高烟叶烘烤品质的气体成分随着排湿气流直接排出室外，导致烘烤后烟叶颜色浅淡，油分和香气量低，严重影响烟叶质量[11]。【前人研究进展】在密集烤房节能方面，通过对围护结构、加热炉、燃料等方面进行改进，其各项技术均较成熟[12-14]。在实现烘烤过程提质增香方面，崔国民、汪伯军、罗以贵等[11, 15-18]分析了不同烘烤工艺及调制工艺对烤后烟叶香气量及烟叶品质的影响。宫长荣、潘建斌等[19-20]利用热泵加热和冷凝除湿方法，设计热泵型烟叶自控密集烤房进行闭式研究。结果表明烤后烟叶烘烤质量得到有效提高，但热泵除湿的能耗较高。为改善烟叶烘烤质量，刘勇[21]等人通过烤前添加EDTA、柠檬酸、苹果酸和蔗糖等4种外源物质进行烘烤对比研究，结果显示4种外源物质均能不同程度改善烟叶内在品质。李彦东等[22]采用节能型量化排湿控制系统用于烟叶烘烤，通过精准控制湿度，可在一定程度上提升烟叶烤后外观质量，但难以从根本上避免开式排湿的缺陷。王锡金等[23]通过对普通烤房进行改造，添加地面排湿散热系统以期改善烟叶质量及提高烤后烟叶均价，但地面排湿能力有限。【本研究切入点】在烟叶密集烘烤过程中，密集烤房排湿气流温度高，相对湿度大。因而，排湿气流的露点温度较高。在烟叶烘烤季节，室外新风温度低于排湿气流露点温度，因此室外新风能够对其进行有效冷凝除湿。【拟解决的关键问题】在此种背景下，设计并搭建了一种以室外新风为自然冷源的闭式热风循环风冷式重力热管冷凝除湿装置，通过实验测试分析其除湿性能及烟叶烘烤节能、提质性能，以期提高烟叶烘烤品质及能源利用率。

1 材料与方法

1.1 闭式热风循环密集烤房风冷热管冷凝除湿系统构成及工作原理

闭式热风循环密集烤房风冷热管冷凝除湿系统主要由装烟室、加热室、重力热管除湿器、除湿气流风机、新风风机、循环风机、风阀、接水盘、排水管等主要部件构成，其系统构成如图1所示。经过加热室加热后的干燥热空气进入装烟室内，与烟叶进行热质交换。烟叶吸热后，内部水分蒸发逸出，扩散到空气中，最后流出装烟室。流出装烟室的排湿气流，一部分进入除湿器的蒸发段，在蒸发段中热管内工质吸热蒸发，带走排湿气流中的热量，排湿气流被冷却至露点温度后凝结析出水分，水分经过排水管排走，热管内工质吸收热量后蒸发汽化，上升到热管冷凝段，热管冷凝段以室外新风为自然冷源，对工质进行冷却，工质放出热量后变回液体流回蒸发段，继续与排湿气流进行换热，对排湿气流进行冷却。而另一部分则与经过除湿器除湿脱水后的排湿气流混合，混闭式热风循环密集烤房中空气的处理过程如图2所示。1点表示进入装烟室的干燥热空气，1(2表示热空气在装烟室内干燥湿烟叶的等焓增湿过程，热空气向湿烟叶传热，空气自身温度降低，水分蒸发前后空气的焓基本保持不变，而含湿量增加。2点表示离开装烟室的排湿气流状态，2→3→4过程是排湿气流在除湿器中进行冷凝除湿的状态变化过程，可分为2个阶段：2→3过程是等湿降温过程，排湿气流温度被冷却至露点温度而含湿量始终保持不变，3→4是减湿降温过程，排湿气流沿饱和湿度线进一步冷却，排湿气流中水分凝结析出排走，排湿气流的含湿量降低。5点表示经除湿器脱湿后的排湿气流与未经过除湿器冷凝除湿的排湿气流混合后的状态，5→1过程是等湿加热过程，混合后的排湿气流经过加热室加热，温度上升，相对湿度下降，干燥能力提高，进入装烟室内继续对烟叶进行干燥。

1.2 实验装置构建

在昆明某烟叶密集烘烤基地对供试密集烤房(8000 mm×2700 mm×3500 mm)进行改造，安装风冷式重力热管冷凝除湿装置，构建以室外新风为自然冷源的风冷热管冷凝除湿闭式热风循环实验密集烤房，并选1座相同规格的密集烤房为对照烤房。重力热管除湿器的结构见图3。根据除湿运行工况，热管工质采用丙酮。

图3 重力热管除湿器Fig.3 Gravity heat pipe dehumidifier

采用田间长势一致，部位及成熟度相同的云烟K326鲜烟叶，分别装入实验密集烤房及对照密集烤房。装烟量约为4000 kg，鲜烟叶含水率在85 % ～ 90 %。采用“七步式”烘烤工艺进行密集烘烤。

测试对照烤房的排湿风量、排湿气流参数，计算三段式工艺烟叶密集烘烤各阶段的理论除湿负荷。测试闭式热风循环实验密集烤房重力热管除湿器除湿气流与室外新风的流量及进出口参数，分析计算风冷重力热管除湿器的除湿性能。测试系统如图4所示，空气的干球温度、湿球温度采用Keithly 2700多通道数据采集仪自动采集，空气流量采用Testo 405-V1电子微风仪测量。

图4 测试系统Fig.4 Test system

1.3 风冷重力热管除湿器除湿性能分析

风冷重力热管除湿器的显热效率、潜热效率、全热效率、析湿系数分别由式(1)、式(2)、式(3) 、式(4)计算[24-25]。

风冷重力热管除湿器的显热效率：

(1)

式中,ηi为重力热管换热器的显热效率；t1、t2为重力热管蒸发段进出口空气干球温度， ℃；t3为室外新风干球温度， ℃。

风冷重力热管除湿器的潜热效率：

(2)

式中,ηd为重力热管换热器的潜热效率；d1、d2为重力热管蒸发段进出口空气含湿量，g·kg-1；d3为室外新风含湿量，g·kg-1。

风冷重力热管除湿器的全热效率：

(3)

式中,ηt为重力热管换热器的全热效率；h1、h2为重力热管蒸发段进出口空气焓值，kJ·kg-1；h3为室外新风焓值，kJ·kg-1。

风冷重力热管除湿器的析湿系数：

(4)

式中,cp为空气定压比热容，kJ (kg干·K)-1。

2 结果与分析

2.1 除湿气流干球温度、湿球温度及露点温度变化

在“七步式”烟叶密集烘烤过程中，除湿气流干球温度、湿球温度、露点温度及室外新风干球温度的变化见图5。除湿气流的干球温度较高，在干筋后期最高可达65.54 ℃。室外新风干球温度在22.25 ～ 24.83 ℃，开式排湿时将存在较大的余热损失。除湿气流的露点温度在32.57 ～ 35.15 ℃，与室外新风干球温度存在8 ℃ ～ 13 ℃的温差。由此可见，以室外新风为自然冷源，采用重力热管除湿器可以对除湿气流进行有效的冷凝除湿。

图5 除湿气流干球温度、湿球温度、露点温度及室外新风温度变化Fig.5 Changes of dehumidification air dry bulb temperature, wet bulb temperature, dew point temperature and outdoor fresh air temperature

2.2 烟叶密集烘烤理论除湿负荷与重力热管除湿器实际除湿负荷的变化

“七步式”烟叶密集烘烤过程中，理论除湿负荷与重力热管除湿器实际除湿负荷随烘烤时间的变化见图6。定色期是烟叶烘烤过程中除湿负荷、失水率最高的时期，定色后期理论最大除湿负荷可达33.58 kg·h-1。理论除湿负荷在变黄前期最小，约为10.2 kg·h-1。重力热管除湿器的实际最大除湿负荷可达32.92 kg·h-1，能够满足“七步式”烟叶密集烘烤除湿速率的要求。此外，重力热管除湿器实际除湿负荷与烟叶密集烘烤理论除湿负荷的最大相对误差约为12 %，能够满足“七步式”烟叶密集烘烤工艺控制精度的要求。

图6 理论除湿负荷与实际除湿负荷Fig.6 Theoretical dehumidification load and actual dehumidification load

2.3 重力热管除湿器的换热效率

“七步式”烟叶密集烘烤过程中，风冷重力热管除湿器的显热效率、潜热效率、全热效率见图7。随着烘烤过程中除湿气流温度上升，风冷式重力热管除湿器的显热效率、潜热效率、全热效率均先增大，后减小。这主要是由于除湿气流入口与出口温差增大，强化了除湿气流在重力热管除湿器内的热传递，故显热效率增大。而烟叶中水分不断汽化逸出，除湿气流的含湿量增大，强化了除湿气流在重力热管除湿器内的质传递，故潜热效率增大，在定色期达到最大值。干筋期，烟叶失水收缩，风速增大，除湿气流在重力热管除湿器内停留时间变短，导致显热效率、潜热效率、全热效率降低。在“七步式”烟叶密集烘烤过程中，平均显热效率、潜热效率、全热效率分别为52.75 %、21.23 %、33.19 %。由此可见，风冷重力热管除湿器具有较好的换热性能。

图7 重力热管除湿器的换热效率Fig.7 Heat transfer efficiency of gravity heat pipe dehumidifier

2.4 重力热管除湿器析湿系数

析湿系数表示热湿交换中全热量与显热量的比值，其值的大小直接反映因潜热交换而增加的换热量。在“七步式”烟叶密集烘烤过程中，风冷重力热管除湿器的析湿系数变化见图8。在变黄期，因除湿气流的相对湿度大，其析湿系数较大，最高可达3.75。随着烘烤过程中除湿气流温度上升、相对湿度下降，潜热换热量的比重减少，析湿系数随之不断降低，干筋后期低至1.32。

图8 重力热管除湿器析湿系数Fig.8 Moisture absorption coefficient of gravity heat pipe heat dehumidifier

2.5 风冷重力热管冷凝除湿闭式热风循环密集烘烤节能与提质性能

2.5.1 节能性分析 风冷重力热管冷凝除湿闭式热风循环实验密集烤房与对照密集烤房的燃料消耗量见表1。实验密集烤房烤后平均每夹干烟叶重1.44 kg，对照密集烤房平均每夹干烟叶重1.38 kg，实验密集烤房每千克干烟叶燃料消耗量比对照密集烤房低0.57 kg，每千克干烟叶的烘烤成本比对照密集烤房低0.48元，表明实验密集烤房节能效果显著，热能利用率得到提高，烘烤成本降低。

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

2.5.2 烤后烟叶外观质量对比分析 风冷重力热管冷凝除湿闭式热风循环实验密集烤房与对照密集烤房的烤后烟叶外观见图9。实验密集烤房烤后烟叶优于对照密集烤房，叶色均以橘红色为主，柠檬黄为辅，有极少部分青筋烟，无挂灰烟。对照烤房烤后烟叶柠檬黄偏多，平板烟也相对较多。此外，实验烤房烤后烟叶香气度明显高于对照烤房。

图9 烤后烟叶外观Fig.9 Comparison of flue-cured tobacco leaves appearance

2.5.3 烤后烟叶等级结构对比分析 风冷重力热管冷凝除湿闭式热风循环实验密集烤房与对照密集烤房的烤后烟叶等级结构见表2。实验密集烤房与对照密集烤房相比上等烟比例平均高于对照烤房7.4 %，中等烟比例则平均低于对照烤房2.2 %，下等烟叶比例平均低于对照烤房5.2 %。此外，实验烤房烤后干烟叶均价提高0.87元·kg-1，提质增效性能较显著。

表2 烤后烟叶分级Table 2 Classification of tobacco leaves after baking

3 讨 论

本研究中，闭式热风循环密集烤房风冷热管冷凝除湿系统采用闭式热风循环，利用室外新风为自然冷源，通过风冷重力热管除湿器对流出装烟室的排湿气流进行有效冷凝除湿，除湿换热性能良好，较传统燃煤型密集烤房，排湿余热损失减少，排湿气流中的香气成分含量得到保留。除湿方式与李彦东等[22]采用节能型量化排湿控制系统和王锡金等[23]设计地面排湿散热系统相比，排湿气流余热都能得到有效回收利用，热能利用率提高。烘烤效果与宫长荣、潘建斌等[19-20]利用热泵型自控密集烤房烘烤一致，烘烤能耗降低，烤后烟叶品质得到改善。然而本研究仅以烤后烟叶外观、烟叶分级结果、经济效益分析烘烤提质性能，对烤后烟叶的化学成分、评吸质量的测试及评定则尚有待进一步研究。

4 结 论

针对密集烤房开式排湿能量利用率与烤后烟叶品质较低的缺陷，设计并搭建了一种以室外新风为自然冷源的闭式热风循环风冷重力热管冷凝除湿装置。采用“七步式”烟叶密集烘烤工艺，测试分析了闭式热风循环风冷重力热管冷凝除湿系统的除湿性能与烟叶节能、提质性能。

(1)室外新风温度与除湿气流露点温度的温差在8 ～ 13 ℃，采用室外新风为自然冷源能够对除湿气流进行有效除湿。

(2)以室外新风为自然冷源的风冷重力热管冷凝除湿器具有良好的换热性能，其平均显热效率、潜热效率、全热效率分别为52.75 %、21.23 %、33.19 %。

(3)以室外新风为自然冷源的风冷重力热管冷凝除湿器，除湿性能可以满足闭式热风循环的除湿要求，其析湿系数可达3.75，除湿量可达32.92 kg·h-1。

(4)与对照密集烤房相比，设置风冷重力热管冷凝除湿系统的闭式热风循环密集烤房，每千克干烟叶的燃料消耗量降低0.57 kg·kg-1，烟叶烘烤成本降低0.48元·kg-1，烤后上等烟比例平均提高7.4 %，中等烟比例降低2.2 %，下等烟叶比例降低5.2 %，烤后烟叶均价提高0.87元·kg-1。