热泵节能烤烟房的建造与试验

中国海洋大学食品科学与工程学院 ■ 董艳华

中国科学院理化技术研究所 ■ 魏娟 张振涛 杨鲁伟

嵩县烟草公司 ■ 李照民

北京林业大学 ■ 张璧光

一 引言

烟叶烘烤是一个大量耗热的过程，普通烤房采用煤直接供热，热利用率低，耗煤量高。通常烤干1kg烟叶耗煤量需要1.5～2.5kg标准煤，环境污染严重[1]。河南农业大学宫长荣等人[2]在国内最先开展了热泵烘烤烟叶的研究工作，研究发现采用热泵加热方式和热风循环的方法烤烟能充分利用热能、节能效果明显，而且烟叶烘烤质量也得到改进和提高。将热泵干燥技术应用于烟叶烘烤，不仅能节省能源，而且可消除污染物的排放，有利于保护环境。目前我国热泵烘烤烟叶的技术研究还很少。中国科学院理化技术研究所与河南嵩县烟草公司合作，搭建了热泵烤烟房并进行了相关的试验。本文着重介绍热泵节能烤烟房的设备设计建造与试验情况。

二 热泵烤烟房的设计与设备组成

1 设计条件与任务

实施地点在嵩县大章乡杨庄村；实施时间一般为每年的7、8、9三个月；气象参数为：大气环境的平均干球温度25.1℃，相对湿度为78%；设计任务要求装烟量2500kg鲜烟。

2 热泵系统的及烟叶装房参数

经设计计算，热泵系统的参数见表1。工质为R134a制冷剂，热泵室内外机如图1所示。烤房体积为8m×2.9m×3.3m。墙体是由内嵌厚100mm的岩棉彩钢板搭建而成，见图2。

表1 热泵系统主要参数

图1 热泵室内外机形

图2 烤烟房

3 热泵系统的特点

本设计的热泵系统具有使烤房升温和除湿两种功能[3]。当关闭新风阀和排湿阀时，蒸发器采集大气环境中的热量供烤房升温(图3)；如果开启新风阀和排湿阀，烤房内的热湿空气流过蒸发器，可达到除湿和回收热量的目的(图4)。因此与目前的热泵烤烟系统需采用2个独立的蒸发器来实现这两种功能相比，本项目采用的新系统具有结构简单、控制方便、成本较低等优点。

图3 升温工况下的实验系统简图

图4 除湿工况下的实验系统简图

三 热泵烤烟的试验

1 热泵烤烟的试验条件

烤烟的烘烤时间为2011年9月22日至10月10日。烘烤部位为中部烟，装烟质量2532kg，实验地点为河南洛阳嵩县。

热泵烤烟系统性能的试验数据见表2。由表2可知，在变黄期随着烤房内空气温度升高，压缩机的总功耗不断增加，系统制热量不断减少，导致系统的COP不断降低。当烤房内干球温度为42℃时COP减至2.82，产生的原因是由于烤烟的特殊工艺需要，选用了功率较大的室内风机(约占系统总功耗的40%)。到了定色期，二号压缩机也参与工作，当烤房内干球温度升至46℃时，压缩机总功耗、系统平均制热量和COP都明显增加。

随着烘烤继续的进行，烤房内的空气温度进一步升高，压缩机总功耗不断增加，系统制热量和COP不断降低。这是因为根据热泵的相关资料报道[1]，只要热泵干燥机的供热系数大于3就可节约一次能源，同时若工业锅炉及管网的供热总效率取0.6，则只要热泵干燥机供热系数大于1.8就优于锅炉供热，所以这套热泵烤烟系统在变黄期和定色前期是节能的，定色后期和干筋期也优于燃煤的锅炉供热。

2 热泵烤烟的燃煤烤烟的经济性比较

热泵烤烟和燃煤烤烟的经济性比较见表3。由表3可看出，采用热泵烘烤每kg成本可减少0.85元，若装烟量以每次2532kg计，则每次可节省2152.2元。

表2 热泵烤烟系统稳温段压缩机工况和系统性能

四 结论与建议

(1) 总体说来，这套热泵烤烟系统达到了节能和环保的目的，热泵供热系数为1.92～3.25。采用热泵烘烤每kg烤烟的成本低于燃煤烤房0.85元，装烟量以每次2532kg计，则每次可节省2152.2元。

表3 热泵烤烟和燃煤烤烟的经济性比较

(2) 由于是研制单套热泵烤烟系统，所以初投资相对较高，批量化生产后，热泵设备的成本会明显降低。目前河南省该地区正准备投资100万元建造30套热泵烤房的产业化示范区。

(3) 河南地区在烤烟季节正值雨季，原有系统配备的太阳能集热器效果较差，建议在太阳能较充足的地区配置太阳能供热系统，节能效果会更明显。

[1] 伊松林, 张璧光. 太阳能及热泵干燥技术[M] . 北京: 化学工业出版社, 2011.

[2] 宫长荣, 潘建斌. 热泵型烟叶自控烘烤设备的研究[J] . 农业工程学报, 2003,19(1): 155－158.

[3] 吕君, 魏娟, 张振涛,等. 热泵烤烟系统性能的试验研究[J] . 农业工程学报, 2012, 28(25): 63－67.