热泵密集烤房烘烤过程中干湿球温度响应研究

李晗 侯欣 于涛 谭效磊 刘文涛 王兴春 徐秀红 刘迎超 杨趁义 王玉军

摘要：为探究热泵密集烤房烘烤过程中干湿球温度响应情况以及与燃煤密集烤房的差异，优化热泵密集烤房烘烤环境，在热泵密集烤房与燃煤密集烤房内用SSN-22温湿度自动记录仪测量烤房不同空间、不同时间的干湿球温度并与设定值对比分析。结果表明：①热泵密集烤房烘烤过程中的干球温度响应度略小于燃煤密集烤房烘烤过程中的干球温度响应度。②热泵密集烤房烘烤过程中的湿球温度响应度大于燃煤密集烤房烘烤过程中的湿球温度响应度。③热泵密集烤房与燃煤密集烤房烘烤过程中水平方向的干湿球温度响应度高于垂直方向的干湿球温度响应度。④热泵密集烤房与燃煤密集烤房烘烤过程中的干球温度响应度高于湿球温度响应度。提高热泵密集烤房供热能力和通风能力是提高烟叶烘烤质量的重要措施。

关键词：热泵密集烤房;干球温度;湿球温度;响应度

中图分类号：S572.092 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2019）12-0015-05

Abstract In order to explore the differences of wet and dry bulb temperature responses between heat pump and coal-fired bulk curing barn， and optimize the baking environment of heat pump curing barn， the wet and dry bulb temperatures of different spaces and times in curing barns were measured by SSN-22 temperature and humidity automatic recorder， and were contrasted with the set value. The results showed that the dry bulb temperature response degree of heat pump bulk curing barn was slightly smaller than that of coal-fired bulk curing barn during the curing process. But the wet bulb temperature response degrees of the two curing barns were contrast to the dry bulb. The wet and dry bulb temperature response degrees of different curing barns in horizontal diretion were higher than those in vertical direction. The dry bulb temperature response degrees of the two curing barns were higher than the wet bulb temperature response degrees. Improving the heating capacity and ventilation capacity of heat pump barn were the important measure to improve the curing quality of tobacco leaves.

Keywords Heat pump curing barn; Dry bulb temperature; Wet bulb temperature; Response degree

煙叶烘烤是烤烟生产中的一个重要环节，目前我国烤烟主要的烘烤设备是燃煤密集烤房[1，2]。该类型烤房存在自动化水平低、控温难、用工多、劳动强度大、污染重等问题[3-5]。而热泵密集烤房以空气热能供热，绿色环保，自动化程度高，安全性和可控性高;热泵密集烤房烘烤的烟叶化学成分比例更为协调，烘烤质量更高;热泵密集烤房能够显著减少用工和降低烘烤成本[6-13]。热泵密集烤房能够克服燃煤密集烤房应用之缺陷，对实现我国烟草行业现代化发展具有重要意义[13，14]。

在烤房温湿度变化方面前人做了一定研究。欧阳进等[15]使用Fluent 软件对普通燃煤密集烤房风速场与温度场进行数值模拟，最终得出了进风量与烤房中风速分布的关系。刘浩等[16]设计出基于ARM和Matlab的燃煤密集烤房温湿度场的测量及可视化分析系统。相关研究表明：气流上升式与气流下降式燃煤密集烤房在烘烤过程中不同时间、空间上的温湿度均存在差异[17-19]。潘建斌等[12]研究表明，热泵密集烤房性能较好，平面温差和垂直温差较小，风速适宜，通风排湿顺畅。

但对于热泵密集烤房烘烤全过程干湿球温度响应的研究却鲜有报道。干湿球温度响应度是烤房响应设计烘烤曲线的程度，也就是烤房实际干湿球温度与设计干湿球温度的符合程度。为探究热泵密集烤房供热能力、干湿球温度是否达到设计干湿球温度，本试验对热泵密集烤房与燃煤密集烤房烘烤过程中不同空间、不同时间的干湿球温度响应情况进行对比研究，旨在为热泵密集烤房烘烤工艺优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2018年8月至2019年8月在山东省临沂市沂水县富官庄镇金旭烟农合作社进行。

供试烟叶：选取同地块生长状况、成熟度一致的烤烟品种中烟100的中上部烟叶。

供试烤房：气流上升式热泵密集烤房、气流上升式燃煤密集烤房（自动加煤）。装烟室均为：8.0 m×2.7 m ×3.5 m。

主机规格：热泵密集烤房主机采用山东启邦博冠科技发展有限公司提供的双7匹压缩机系统，最大制热量45 kW，最大输入功率15.6 kW。

测试仪器：深圳宇问加壹传感系统有限公司生产的 SSN-22温湿度自动记录仪。

装烟方式：采用烟夹方式，挂烟3层，每个烤房装烟336夹，每夹烟叶质量（10±0.5）kg，烟夹均匀分布在装烟室内。

1.2 试验设计

干球温度与湿球温度的测定：将9个温湿度自动记录仪均匀放置于烤房装烟室内挂烟架的上、中、下三层，每层前、中、后部各1个，靠近烤房门的装烟室区域为前部，靠近加热室的装烟室区域为后部，具体位置如图1所示。以燃煤密集烤房作为对照烤房，均按照“8点式精准烘烤工艺”进行烘烤，烘烤工艺如表1所示。记录各点干湿球温度，绘制出折线图，并与设定干湿球温度进行对比，分析烘烤过程中干湿球温度响应情况。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计分析与作图。所用数据为两年试验的平均值。

2 结果与分析

2.1 热泵密集烤房与燃煤密集烤房干球温度响应度

2.1.1 水平方向干球温度响应度 对烤房装烟室内水平方向前、中、后部干球温度数值进行统计（每部位均为上、中、下三层平均值），其分布及变化动态见图2。

由图2A可知，热泵密集烤房水平方向干球温度与设定干球温度差值在变黄前期较小，即响应度较高，温度差在0.9℃以内;变黄后期开始变大，即响应度变低，最大温度差为1.47℃。定色期前期温度差最大，达2℃;定色后期及干筋前期温度差又逐渐变小，在0.5℃内。干筋中期烤房内温度差又逐渐变大，达到最大温度差2.74℃，干筋后期温度差又逐渐变小，在0.47℃以内。三个部位变化动态以前部最为明显。

由图2B可知，燃煤密集烤房水平方向干球温度与设定干球温度差值在变黄期较小，温度差在0.8℃以内;定色期温度差变大，最大温度差为0.8℃;干筋前期变小，干筋中后期设定温度达到68℃时，温度差达到最大，为1.67℃。烘烤结束时温度差又变小，在0.47℃左右。

综合比较，水平方向的干球温度响应度燃煤密集烤房要大于热泵密集烤房，且热泵烤房干球温度差值主要为负值，而燃煤烤房干球温度差值主要为正值。

2.1.2 垂直方向干球温度响应度 对烤房装烟室内垂直方向上、中、下层干球温度数值进行统计（每层均为前、中、后三点平均值），其分布及变化动态见图3。

由图3A可知，热泵密集烤房垂直方向干球温度与设定干球温度差值在变黄前期较稳定，温度差在0.83℃以内;定色期温度差开始变大，最大温度差为1.63℃;干筋期烤房温度达到68℃时温度差达到最大，为4℃，烘烤结束时温度差在0.5℃左右。

由图3B可知，燃煤密集烤房垂直方向干球温度与设定干球温度差值在变黄前期较大，最大差值为1.7℃，变黄后期逐渐缩小到1.23℃以内;定色期温差先变大后变小，最大温度差为2.27℃，定色后期温度差在1.23℃以内;干筋期温度差先变大后变小，当温度达到68℃时温度差最大，为2.53℃;烘烤结束时温度差稳定在0.5℃左右。

综合比较，除烤房快速升温到68℃时外，其它时间热泵密集烤房在垂直方向的干球温度响应度要大于燃煤密集烤房。两类烤房均为中部响应度最高，而上、下部响应度相对较低，且上部干球温度差值主要为负值，下部干球温度差值主要为正值。

2.2 热泵密集烤房与燃煤密集烤房湿球温度响应度

2.2.1 水平方向湿球温度响应度 通过对烤房装烟室内水平方向前、中、后湿球温度数值统计（每部位均为上、中、下三层平均值），其分布及变化动态见图4。

由图4A可知，热泵密集烤房水平方向湿球温度与设定湿球温度差值在变黄期保持相对稳定，最大温度差为1.05℃;定色期温度差波动较大，最大温度差为1.1℃;干筋前期温度差较大，为0.96℃，干筋后期湿球温度差逐渐稳定;烘烤结束时湿球温度差在0.3℃左右。

由图4B可知，燃煤密集烤房水平方向湿球温度与设定湿球温度差值在变黄期较小，最大为0.97℃，变黄后期差值逐渐变大，最大为2.27℃;定色期温度差变小但波动较大，最大差值为1.07℃;干筋前期温度差波动较小，但干筋后期差值及波动性又变大，最大差值为1.71℃;烘烤结束时湿球温度差在0.5℃左右。

综合比较，热泵密集烤房水平方向的湿球温度响应度大于燃煤密集烤房水平方向的湿球温度响应度。

2.2.2 垂直方向湿球温度响应度 通过对烤房装烟室内垂直方向上、中、下层湿球温度数值统计（每层均为前、中、后三点平均值），其分布及变化动态见图5。

由图5A可知，热泵密集烤房垂直方向湿球温度与设定湿球温度差值在变黄期较小且保持相对稳定，最大温度差为0.93℃;定色期差值和波动性变大，最大温度差为1.03℃;整个干筋期湿球温度波动性仍较大，干筋前期溫度差达到最大，为1.07℃，干筋后期温度差逐渐变小;烘烤结束时湿球温度差在0.2℃左右。

由图5B可知，燃煤密集烤房垂直方向湿球温度与设定湿球温度差值在变黄期较大，变黄前期最大温度差为0.97℃，变黄后期最大温度差为2.27℃;定色期差值变小，最大温度差为1.0℃;干筋期差值先变大后变小，最大温度差为1.71℃;烘烤结束时湿球温度差在0.5℃左右。变黄后期至干筋期，湿球温度的波动性均较大。

综合比较，热泵密集烤房垂直方向的湿球温度响应度大于燃煤密集烤房在垂直方向的湿球温度响应度。

3 讨论

热泵密集烤房与燃煤密集烤房在烘烤过程中不同时间、不同区位与设定的干湿球温度均存在一定差异。热泵密集烤房的干湿球温度响应度总体要比燃煤密集烤房高，这与前人的研究结果基本一致[14]。但在烤房需热强度迅速增大阶段，热泵密集烤房在水平方向和垂直方向升温速度要比燃煤密集烤房慢，即响应度较低。我们推测原因为热泵密集烤房的供热强度有限，在烤房需热量较少时无明显差异，但当需热量较大时，升温速度相对较慢所致。因此我们可以更换更大功率的风机和主机，增强热泵密集烤房的供热能力和通风能力，以此来提高烟叶烘烤质量。

4 结论

本试验中，热泵密集烤房在烘烤过程中的干球温度响应度略小于燃煤密集烤房在烘烤过程中的干球温度响应度，且热泵烤房干球温度差值主要为负值，而燃煤烤房干球温度差值主要为正值;热泵密集烤房在烘烤过程中的湿球温度响应度大于燃煤密集烤房在烘烤过程中的湿球温度响应度;热泵密集烤房与燃煤密集烤房在烘烤过程中水平方向的干湿球温度响应度高于垂直方向的干湿球温度响应度;热泵密集烤房与燃煤密集烤房在烘烤过程中干球温度响应度高于湿球温度响应度;热泵密集烤房在烘烤过程中变黄期干湿球温度响应度高于定色期和干筋期。

参 考 文 献：

[1] 宫长荣. 烟草调制学[M]. 北京：中国农业出版社，2003.

[2] 王卫峰，陈江华，宋朝鹏，等. 密集烤房的研究进展[J]. 中国烟草科学，2005，26（3）：12-14.

[3] 浦秀平，徐世峰，任杰，等. 不同装烟方式对密集烘烤效率及烟叶质量的影响[J]. 中国烟草科学，2013，34（4）：98-102.

[4] 徐成龙，苏家恩，张聪辉，等. 不同能源类型密集烤房烘烤效果对比研究[J]. 安徽农业科学，2015，43（2）：264-266.

[5] 肖艳松，李晓燕，李圣元，等. 不同类型烤房的烘烤效果比较[J]. 烟草科技，2009（2）：61-63.

[6] 崔云，黄成波，武传国，等. 热泵烤房应用效果研究[J]. 农业开发与装备，2018（9）：124-125.

[7] 谭波. 热泵烤房对烟叶烘烤质量的影响[J]. 安徽农业科学，2018，46（8）：191-192，217.

[8] 孙晓军，杜传印，王兆群，等. 热泵型烟叶烤房的设计探究[J]. 中国烟草学报，2010，16（1）：31-35.

[9] 潘周云，陈杰，包正元，等. 空气能热泵密集烤房烘烤成本及效益分析[J]. 耕作与栽培，2017（6）：31-32，18.

[10]周孚美，谷云松，李丁华，等. 空气能热泵式与燃煤密集型烤房的烘烤效果对比[J]. 浙江农业科学，2017，58（11）：2039-2041，2045.

[11]赵金辉，孙帅杰. 热泵节能型烤烟技术的应用[J]. 低温建筑技术，2017，39（9）：137-140.

[12]潘建斌，王卫峰，宋朝鹏，等. 热泵型烟叶自控密集烤房的应用研究[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2006，34（1）：25-29.

[13]譚方利，邱坤，杨鹏，等. 新型能源在烟叶烘烤中应用前景和效果分析[J]. 天津农业科学，2018，24（1）：59-63.

[14]李峥，谭方利，吴文信，等. 烟叶烘烤新型能源和技术研究进展[J]. 天津农业科学，2017，23（11）：68-72，90.

[15]欧阳进，王永乔，罗会龙，等. 密集烤房内温度与气流分布数值模拟研究[J]. 中国农学通报，2015，31（14）：279-284.

[16]刘浩，普恩平，王春林，等. 密集烤房温湿度场测量及可视化分析系统的设计与实现[J]. 新型工业化，2017，7（9）：35-40.

[17]贺庆祥，刘凯，李朋发，等. 密集烤房烘烤过程中温湿度时空分布及层间烘烤效果差异化研究[J]. 山东农业科学，2017，49（6）：54-59.

[18]唐力为. 密集烤房中温湿度分布状况及其对烟叶化学和外观品质的影响[D]. 雅安：四川农业大学，2013.

[19]董祥洲，王豹祥，高琴，等. 气流上升式密集烤房烘烤过程中温湿度差异及气流运动方向研究[J]. 安徽农学通报，2019，25（1）：95-97.