闭式循环热泵烤房的设计及其在安康烟区的烘烤效能研究

柯美福 任杰 朱峰

摘要 针对密集烘烤烤后烟叶欠柔软、香气损失等问题，对闭式循环热泵烤房进行了优化设计。以常规开式循环热泵烤房为对照，研究了其除湿速率、能耗水平及其对烤后烟叶柔软度、常规化学成分和感官质量的影响。结果表明：不同烘烤阶段冷凝水流出速率有较大差异，变黄末期冷凝水流出速率最高，此后逐渐下降。闭式循环热泵烤房干烟烘烤能耗成本较开式循环热泵烤房下降0.51元/kg，烤后烟叶宽度收缩率和柔软度显著优于开式循环热泵烤房。闭式循环热泵烤房烤后烟叶感官质量综合得分高于开式循环热泵烤房，主要体现在改善了烤后烟叶的香气量和余味。

关键词 闭式循环；开式循环；冷凝除湿；热泵；烟叶烘烤

中图分类号 TS43  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）06-0177-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.039

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Closed Cycle Heat Pump Curing Barn and Its Curing Efficiency in Ankang Tobacco Area

KE Mei-fu1，REN Jie2，ZHU Feng1

（1.Ankang Branch of Shaanxi Tobacco Company，Ankang，Shaanxi 725000;2.Tobacco Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Qingdao，Shandong  266101）

Abstract Aiming to the problems of less soft and aroma loss of flue-cured tobacco leaves after intensive curing，the closed cycle heat pump curing barn was optimized.The dehumidification rate，energy consumption level and their effects on the softness，conventional chemical composition and sensory quality of flue-cured tobacco leaves were studied，with conventional open heat pump curing barn as control.The results showed that the outflow rate of condensate water in different baking stages was quite different.The outflow rate of condensate water was the highest at the late yellowing stage，and then gradually decreased.The energy consumption cost per kilogram of dry tobacco curing by closed cycle heat pump curing barn was 0.51 yuan lower than that of the conventional open heat pump curing barn.The width shrinkage and softness of flue-cured tobacco leaves were significantly better than those of the conventional open heat pump curing barn.The comprehensive sensory quality score of flue-cured tobacco leaves was higher than that of the conventional open heat pump curing barn，which was mainly reflected in improving the aroma and aftertaste of flue-cured tobacco leaves.

Key words Closed cycle;Open cycle;Condensation dehumidification;Heat pump;Tobacco leaves curing

我國烟叶烘烤绝大多数采用的是按照国家烟草专卖局2009年418号文件建造的密集烤房，排湿方式均为开放式强制排湿［1］。在烟叶烘烤过程中，当装烟室内相对湿度高于设定值时，冷风门打开，在循环风机作用下从外界吸入新鲜干冷空气，在气流压力作用下装烟室内的湿热空气经由排湿口直接强制排出烤房，以降低烤房内的相对湿度［2］。开放式强制排湿效率高，基本解决了因排湿不及时造成烤坏烟叶的问题，但由此也带来了烟叶干燥速度过快、烟叶收缩幅度小，烤后烟叶欠柔软等问题［3-4］，影响了烟叶的工业可用性。此外，烤房内高温、高湿空气的排出也导致大量的热量损耗，烘烤过程中产生的挥发性香气成分也会随之排出烤房，外界干冷空气的进入也容易导致烤房内温度的剧烈变化，对烤后烟叶质量产生不利影响［5］。

为解决现有开式排湿烤房烤后烟叶欠柔软、香气损失的问题，近几年国内学者陆续开展了闭式除湿烤房研究［6-10］，但未见其应用于烟叶烘烤的报道。笔者前期初步设计建造了一种闭式循环热泵烤房，并对其烘烤效果与燃煤密集烤房进行了比较［5］。在烟叶烘烤过程中，闭式循环热泵烤房内的循环空气不主动与外界进行气体交换，当装烟室内相对湿度高于设定值时，闭式循环热泵烤房利用热泵的蒸发器将湿热空气中的水蒸气冷凝为液态水，然后排出烤房，水蒸气冷凝散发的热量可以回收利用，减少了热量的损耗，也最大程度抑制了烟叶烘烤过程可挥发香气成分的逸失。但是，该烤房在实际烘烤中存在管路设计不合理、压缩机不匹配等问题，采用燃煤密集烤房与其进行烘烤效果对比发现，燃煤密集烤房用燃煤作为能源，温湿度控制精度差［11-12］，可能对研究结果造成一定影响。该研究对闭式循环热泵烤房进行优化设计，并用开式循环热泵烤房作为对照，系统研究其烘烤效能，以期明确闭式循环热泵烤房对烟叶烘烤保香增柔、节能减排的效果，为改善烤后烟叶香气量和柔软度提供新的技术解决方案。

1 烤房优化设计

在前人研究［5］的基础上，对闭式循环热泵烤房进行了优化设计。闭式循环热泵烤房主要由闭式循环热泵一体机和装烟系统两部分组成，见图1。其中，闭式循环热泵一体机由室外蒸发器、室内蒸发器、冷凝器、室内循环风机、室外风机、压缩机、四通换向阀、节流装置、除湿电磁阀、吸热电磁阀、冷凝水盘及出水管、电加热辅助设备等组成；装烟系统由装烟室、进风口、回风口、冷风门、辅助排湿口等组成。主要优化之处如下：①蒸发器和冷凝器由水平前后放置改为垂直上下放置；②室内循环风机由水平放置改为垂直放置；③压缩机功率由8.8 kW增至10.3 kW。

闭式循环热泵机组设置于装烟室外，通过进出风管软连接，分别与装烟室的进风口和出风口相连。室内循环风机安装于冷凝器上方，用于提供循环气流流动的动力。冷凝器与压缩机通过管路连通，室内蒸发器位于冷凝器下方，通过管道与压缩机连通。闭式循环热泵机组还设有电加热辅助设备，设置于室内循环风机下方、冷凝器上方。室内蒸发器下方设置有冷凝水盘和出水管，用于收集及排出冷凝水。压缩机通过控制阀和连接管路连接冷凝器、室内蒸发器和室外蒸发器。室外风机设置在室外蒸发器一侧。控制阀包括室外节流装置、吸热电磁阀、室内节流装置、除湿电磁阀、四通换向阀、单向阀。吸热电磁阀、室外节流装置设置在冷凝器和室外蒸发器之间的管道上，除湿电磁阀、室内节流装置设置在室内蒸发器和冷凝器之间的管道上。闭式循环热泵机组还设有冷风门，用于控制烤房内外气流的连通和封闭。装烟室底部两侧还设有辅助排湿口，用于辅助外排湿时装烟室内气体的流出。

2 材料与方法

2.1 试验材料

烘烤试验于2022年8月在陕西省旬阳市丰家岭试验点进行。供试品种为云烟87，烤烟栽培管理均按照安康市优质烤烟生产技术方案实施。

供试烤房为优化后的闭式循环热泵烤房和开式循环热泵烤房。2种不同类型烤房装烟室规格均为8.0 m×2.7 m×3.5 m，气流方向为下降式。

2.2 试验设计

设计闭式循环热泵烤房和开式循环热泵烤房2个试验处理。2类烤房采用同质鲜烟，按照“同田块、同熟相、同时采、同时编、同时开烤操作”的要求进行操作。用烟竿编烟分别装入闭式循环热泵烤房和开式循环热泵烤房。此外，从所采摘烟叶中挑选鲜烟素质基本一致的烟叶10竿，闭式循环热泵烤房和开式循环热泵烤房各放5竿，分别放在2种烤房的二棚中间位置。采用8点式工艺［13］进行烘烤。

2.3 测定项目和方法

①对2种烤房烤后烟叶依据烤烟国标GB 2635—1992［14］进行分级，计算各等级比例和均价。②对2种烤房5竿代表性烤后烟叶去除青杂烟后，送农业农村部烟草产业产品质量监督检验测试中心进行常规化学成分分析和感官质量评价，总糖、还原糖、总植物碱、总氮、蛋白质含量按照文献［15］方法进行测定，感官质量评价按照行业标准［16］进行。③计算各处理烘烤后干烟烘烤耗电量及能耗成本。④收缩率参照文献［17］方法进行测定，柔软度采用RH-R1000 电脑柔软度仪（广州润湖仪器有限公司）测定［18］。

2.4 数据处理

使用SPSS 13.0统计软件采用Duncan 法对试验数据进行差异顯著性分析。

3 结果与分析

3.1 闭式循环热泵烤房除湿速率

由图2可知，闭式循环热泵烤房主要通过湿热空气冷凝除湿，在烘烤过程中冷凝水流出速率表现出先升高后下降的趋势。38 ℃时冷凝水流出速率平均为22.35 kg/h，此后逐渐升高，42 ℃（变黄末期）时达到最高，冷凝水流出速率平均为30.40 kg/h;此后冷凝水流出速率逐渐下降，干筋未期（68 ℃）冷凝水流出速率最低，平均值为7.32 kg/h。

3.2 烘烤能耗

从图3可以看出，在烘烤134 h（50 ℃）之前闭式循环热泵烤房总耗电量缓慢匀速增加，烘烤134 h后总耗电量迅速增加。从不同烘烤阶段单位时间耗电量来看，烘烤72 h（变黄期）耗电337 kW·h，每小时平均耗电4.68 kW·h。烘烤90 h耗电437 kW·h，对应42.1～45.0 ℃阶段单位时间耗电量5.56 kW·h。烘烤106 h 耗电542 kW·h，对应45.1～47.0 ℃ 阶段单位时间耗电量6.56 kW·h。烘烤120 h耗电 647 kW·h，对应47.1～50.0 ℃阶段单位时间耗电量7.50 kW·h。烘烤134 h耗电 770 kW·h，对应50.1～54.0 ℃阶段单位时间耗电量8.79 kW·h。烘烤168 h耗电 1 158 kW·h，对应54.1～68.0 ℃阶段单位时间耗电量11.41 kW·h。

从表1可以看出，干筋期平均每小时耗电量和总耗电量均最大。变黄期虽然平均每小时耗电量最小，但烘烤时间最长，变黄期总耗电量仅次于干筋期。定色后期总耗电量大于定色前期。

从表2可以看出，不同类型烤房能耗成本存在较大差异。开式循环热泵烤房需要吸入外界干冷空气，同时向外界排出湿热空气，导致热量损耗，而闭式循环热泵烤房基本不与外界发生气体交换，热量损失少，因此闭式循环热泵烤房干烟烘烤耗电量小于开式循环热泵烤房，干烟烘烤能耗成本下降0.51元/kg。

52卷6期 柯美福等 闭式循环热泵烤房的设计及其在安康烟区的烘烤效能研究

3.3 烤后烟叶收缩率和柔软度

从图4A可以看出，2种烤房烤后烟叶收缩率具有一定差异。采用冷凝除湿模式的闭式循环热泵烤房烤后烟叶长度收缩率略高于开式循环热泵烤房，但差异不显著（P>0.05）。闭式循环热泵烤房烤后烟叶宽度收缩率显著高于开式循环热泵烤房（P<0.05）。

烟叶柔软度是表征烟叶抗弯曲阻力与抗滑动摩擦阻力综合特性的指标。柔软度越大，表示烟叶抗弯曲能力越强，则烟叶柔软度越差［19］。烟叶柔软度与烟叶质量呈显著正相关［20］。从图4B可以看出，2种热泵烤房烤后烟叶柔软度具有显著差异。开式循环热泵烤房烤后烟叶柔软度平均值为65.1 mN，而闭式循环热泵烤房烤后烟叶柔软度平均值为39.5 mN，显著低于开式循环热泵烤房，说明闭式循环热泵烤房烤后烟叶柔软度优于开式循环热泵烤房。

3.4 烤后烟叶等级结构和均价 由表3可知，闭式循环热泵烤房烤后中部烟叶上等烟比例较开式循环热泵烤房提高了23.84 百分点，下等烟比例下降了5.38百分点，均价提高了3.59元/kg。闭式循环热泵烤房烤后烟叶等级结构和均价均优于开式循环热泵烤房。

3.5 烤后烟叶常规化学成分

由表4可知，2种排湿方式烤房对烤后烟叶还原糖、总糖、总植物碱、总氮、蛋白质等常规化学成分含量的影响不大，2个处理间均不存在显著差异。2种排湿方式烤房烤后烟叶两糖比、糖碱比、氮碱比等化学成分含量均无显著差异。

3.6 烤后烟叶感官质量

由表5可知，2种烤房烤后烟叶感官质量在香气质、杂气、刺激性、燃烧性、灰度方面无明显差异，但在香气量、余味指标方面闭式循环热泵烤房烤后烟叶得分略高于开式循环热泵烤房，闭式循环热泵烤房综合得分高于开式循环热泵烤房。

4 讨论

在烟叶烘烤过程中，热空气给烟叶提供热量使其水分不断蒸发，引起叶片内部和外部压力的不平衡，产生收缩应力，导致烟叶收缩［21］。闭式循环热泵烤房烤后烟叶长度收缩率与开式热泵烤房无显著差异，但宽度收缩率显著高于开式循环热泵烤房，这可能与2种烤房的排除湿方式有关。对开式循环热泵烤房来说，当烤房内湿球温度高于设定值时，冷风门开启，外部干冷空气在循环风机作用下进入烤房，在气流压力作用下烤房内湿热空气通过排湿口排出烤房，属于阶段性快排湿［2］，较快的排湿干燥速率导致烟叶表面无法形成水汽饱和层，导致烟叶表面快速干燥形成表面硬化的“硬壳”，将烟叶形状固定而难以发生收缩形变［22］。对闭式循环热泵烤房来说，湿热空气中的水分以冷凝水形式排出，无须过大风速，加上热泵烤房控温精度高，可实现烟叶烘烤持续性慢除湿［5］，在较慢的除湿干燥速率条件下水分从叶片内部向外部扩散的速率与表面蒸发的速率相同，在烟叶表面形成水汽饱和层，叶片中不会形成明显的水分梯度，使烟叶均匀收缩形变［23］。闭式循环热泵烤房烤后烟叶柔软度显著优于开式循环热泵烤房，这可能与闭式循环热泵烤房烤后烟叶更能充分收缩有关。研究表明，干燥后物料的收缩形变小，质地僵硬［23-24］。

烟叶烘烤过程中不可避免伴随着热量的耗散，对燃煤密集烤房来说主要是排湿热耗散、排烟热耗散、燃料不完全燃烧损失和维护结构散热损失等［25］。对开式排湿热泵烤房来说，主要是排湿热耗散和维护结构散热损失等。对闭式循环热泵烤房来说，仅存在维护结构散热损失，湿热水汽冷凝散发的热量可以回收利用，降低了烟叶烘烤能耗，因此闭式循环热泵烤房能耗低于开式循环热泵烤房。

烟叶烘烤过程中要进行一系列的生理生化反应，各种有机物质进行分解变成小分子化合物，而这些小分子化合物是烟叶产生香味的根源。该研究结果表明，闭式循环热泵烤房对烤后烟叶香气量和余味有一定的改善作用。这可能是因为开式循环热泵烤房在排湿过程中不仅将大量的热量带出装烟室，而且会将烟叶分解出来的易挥发有机物质带出室外，从而降低了装烟室内香气物质浓度和烤后烟叶的香气程度［25］。闭式循环热泵烤房则可将易挥发香气物质留在装烟室内，从而抑制烟叶中易挥发香气物质的进一步逸失［5］。

综上所述，闭式循环热泵烤房能够降低烟叶烘烤的能耗，改善烟叶收缩率和柔软度，提升烟叶感官质量，能够实现烟叶保香增柔烘烤。

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