可调节气流方向的闭式循环热泵烤房的设计应用

任 杰，曹亚凡，卢晓华，闫 鼎，高 远，李德仑，陈 垚，丁朋辉，龚鹏飞，蔡宪杰*

1. 中国农业科学院烟草研究所，山东省青岛市崂山区科苑经四路11 号 266101

2. 上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717 号 200082

3. 贵州省烟草公司毕节市公司，贵州省毕节市七星关区519 号 551700

4. 陕西省烟草公司延安市公司，陕西省延安市七里铺街 716000

我国现行密集烤房大多以煤炭为主要能源，每烘烤1 kg 干烟需要消耗1.5～2.0 kg 煤炭，能耗较高，燃煤污染排放较大，致使烘烤成为烟草农业生产的主要污染来源[1-2]，减少烘烤过程中燃煤污染已成为现代烟草农业推进过程中亟需解决的问题。我国是能耗大国，调整能源结构，利用新能源进行烟叶烘烤是发展趋势，而利用电能替代煤炭供热的热泵烤房是一种简单有效的选择。有关热泵烤房的研究已有较多报道，但多为开式循环热泵烤房[3-6]，而有关闭式循环热泵烤房及其烘烤效果则研究较少。鲜烟叶含水率一般在80%以上，在烟叶烘烤进程中，烟叶中的水分大量向空气中蒸发进入烤房，我国现行密集烤房一般都采用开放式排湿方式，打开冷风门吸入新鲜空气，由排湿口直接向外界环境排出湿空气以降低烤房内的相对湿度，烟叶干燥速度快，烟叶收缩幅度小，烤后烟叶欠柔软[7]。此外，高温高湿空气的排出造成大量的能量浪费，也容易导致烤房内温度剧烈变化，对烤后烟叶质量产生不利影响。而闭式循环空气源热泵烤房在整个烟叶烘烤过程中，烤房内循环的空气不与外界进行交换，排湿阶段利用蒸发器将空气中的水蒸气冷凝排出，热量可以循环利用，减少了能源浪费，并可最大程度地保留烟叶中的致香物质和利于提高烘烤品质的气体成分[8-9]。当前我国现有烤房均为气流上升式或气流下降式[10]，一旦烤房建造安装完毕，则气流方向不可调节。在烟叶实际烘烤中，有些装烟方式对气流方向有特定要求[11-12]，单一气流方向会限制烤房的应用。此外，装烟室一般装烟3～4 层，根据不同烟叶烘烤阶段，高温层烟叶温度较低温层烟叶温度高1～3 °C，导致上下层烟叶烘烤进度不一致[13]。而可调节气流方向烤房可以根据需要调节气流方向，实现上下层温度一致，进而实现烟叶烘烤进度一致。为此，设计了一种可调节气流方向的闭式循环热泵烤房，并进行了烘烤效果试验，以期降低烟叶烘烤对燃煤的依赖，改善烟叶柔软性，提高烟叶烘烤质量。

1 系统设计

1.1 烤房结构

可调节气流方向的闭式循环热泵烤房主要由闭式循环热泵一体机和装烟建筑系统两大部分组成，见图1。其中，闭式循环热泵一体机由导流块、室内换热器、室外换热器、室内循环风机、压缩机、四通换向阀、节流装置、电磁阀、单向阀、室外冷凝风机、冷风门等组成；装烟建筑系统由装烟室、上风口、下风口、辅助排湿风阀等组成。

图1 可调节气流方向的闭式循环热泵烤房结构图Fig.1 Structure of closed-loop heat pump curing barn with variable airflow direction

热泵一体机连接侧设有第一上风口和第一下风口；第一导流块和第二导流块分别设置于机体内；室内换热器A 和室内换热器B 设于第一导流块与第二导流块之间的腔体内，均通过管道与室外换热器连通；室内循环风机亦设于第一导流块与第二导流块之间的腔体内，用于提供机体内气流流动的动力；1 号风阀设于第一导流块与机体的内顶面之间，2 号风阀设于第一导流块与机体连接侧的内侧面之间，3 号风阀设于第二导流块与机体连接侧的内侧面之间，4 号风阀设于第二导流块与机体的内顶面之间，均用于控制机体内气流的流向；冷风门设于机体上，用于控制室内循环风机所在腔体与机体外的连通和封闭；压缩机通过1 号四通换向阀连接在室内换热器B 与室外换热器之间的管道上；节流装置也安装在室内换热器B 与室外换热器之间的管道上；室外冷凝风机设置在室外换热器的一侧。

装烟建筑系统设有与第一上风口连接的第二上风口，以及与第一下风口连接的第二下风口。上辅助排湿风阀和下辅助排湿风阀分别设于装烟室的顶端和底端，用于控制装烟室内气体的流进和流出。

1.2 工作原理

可调节气流方向烤房具有制冷、制热、闭式循环除湿、辅助外排湿、气流方向可调节5 大功能：①制冷模式。采用装烟室内的循环空气作为蒸发制冷的换热介质，经过室内循环风机的循环作用，室内换热器B 释放冷量，热量通过室外换热器释放到室外，实现制冷功能。②制热模式。通过室外换热器吸收机体外空气中的热量，经过室内循环风机的循环作用，室内换热器B 释放热量，采用装烟室内的循环空气作为烘烤调制冷凝的换热介质，将室内烟叶中水分吸收到干燥空气中，同时将装烟室内排出的潮湿空气排放到装烟室外。③闭式循环除湿模式。从装烟室内排出的潮湿高温空气经过管道输送到室内换热器B 进行热交换，处理到低温干燥状态，同时将冷凝水排出系统外；处理后的低温干燥空气经过室内换热器A 进行热交换，再处理到高温干燥状态；处理后的空气经过室内循环风机额定输送到装烟室内，干燥的高温空气经过放置在装烟室内的烟叶，吸收烟叶中的水分后再次成为潮湿高温空气。④辅助外排湿模式。在极端特殊情况下，当闭式循环除湿模式不能满足排湿要求时，打开冷风门补充新风，上辅助排湿风阀和/或下辅助排湿风阀开启，装烟室内高湿空气排出室外。⑤气流方向转换模式。通过对1～4 号风阀进行组合，可以实现气流在上升式与下降式之间切换。其中，1 号风阀开、2 号风阀关、3 号风阀开、4 号风阀关组合，气流方向为上升式；1 号风阀关、2 号风阀开、3 号风阀关、4 号风阀开组合，气流方向为下降式。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验于2018 年8 月份在贵州省毕节市黔西县高锦烘烤工场进行。供试品种为韭菜坪2 号，烤烟栽培管理均按照毕节市优质烤烟生产技术方案实施。

供试烤房为闭式循环热泵烤房和燃煤密集烤房。闭式循环热泵一体机在苏州沃斯利新能源设备有限公司组装，运输到试验地点后直接与装烟室相连组成闭式循环热泵烤房。两种不同配置烤房土建规格均为8 m×2.7 m×3.5 m，调整气流方向统一为下降式。

2.2 试验设计

采收成熟上部、中部烟叶，处理与对照采用同质鲜烟，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。用烟杆编烟分别装入热泵烤房和燃煤烤房。此外，从所采烟叶中挑选鲜烟素质基本一致的烟叶10 杆，热泵烤房和燃煤烤房各放5 杆，分别放在两种烤房的二棚中间位置。

2.3 测定项目和方法

①对两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，并进行烟叶外观质量评价。②对两种烤房5 杆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，参考文献[15]方法进行总糖、还原糖、总植物碱、总氮、蛋白质含量测定，按照行业标准[16]对烟叶样品进行感官品质评价。③计算各处理烘烤后干烟耗煤量和耗电量。④收缩率参考文献[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

采用SPSS 13.0 软件用Duncan 法对数据进行差异显著性分析。

3 结果与讨论

3.1 负载条件下两种烤房的升温稳温性能

由图2 可见，在负载条件下，燃煤烤房干球温度和湿球温度均有较大波动，尤其是夜间气温较低时，干湿球温度波动更大，而热泵烤房较燃煤烤房升温灵敏，实测干湿球温度与目标干湿球温度基本吻合。在烟叶烘烤过程的变黄期、定色期以及干筋期均能达到设定的目标温湿度，且在稳温阶段温湿度波动较小（±0.3 °C），能够满足烘烤对温湿度的要求。

3.2 不同烘烤阶段热泵烤房除湿速率

图2 闭式循环热泵烤房（A）和燃煤烤房（B）实时干湿球温度Fig.2 Real-time wet and dry bulb temperatures in closed-loop heat pump curing barn and coal-fueled curing barn

由图3 可见，在闭式循环除湿模式下，不同烘烤阶段的除湿速率（冷凝水流出速率）有较大差别。在烟叶变黄后期，除湿速率最高（30 kg/h），此后除湿速率逐渐下降；在干筋期，通过闭式循环除湿模式很难将水分排出，基本无冷凝水流出。这可能是因为变黄后期烤房内相对湿度较高（80%～87%），空气中含有的水蒸气较多，容易冷凝流出。而在干筋期，烤房相对湿度下降至15%左右，空气干燥，空气中水蒸气较少，不容易冷凝流出，因此除湿困难。

图3 闭式循环热泵烤房不同烘烤阶段冷凝水流出速率Fig.3 Flow rate of condensate water at different curing stages in closed-loop heat pump curing barn

3.3 烤后烟叶收缩率和柔软性

由图4A 可见，热泵烤房烤后烟叶长度收缩率（10.36%）略高于燃煤烤房（9.86%），但差异不显著。热泵烤房烤后烟叶宽度收缩率（29.65%）明显高于燃煤烤房（24.97%）。热泵烤房与燃煤烤房设计原理相似，但除湿方式不同，这可能是造成烤后烟叶形变不同的主要原因。燃煤烤房属于阶段性快排湿，烘烤过程中当实测湿球温度大于设定湿球温度时，系统自动打开冷风门，通过大风速快速排出烤房内的湿空气，造成烟叶内水分骤减，导致烟叶来不及充分收缩形变[7]。而采用热泵烤房，湿空气中的水分以冷凝水形式排出，无需过大风速，加之热泵烤房控温精度高（±0.3 °C），可实现烟叶烘烤持续性慢除湿，使烟叶充分收缩形变。

烤后烟叶柔软性与烟叶质量显著正相关[19]，烟叶的柔软度反映了烟叶抗弯曲阻力与抗滑动摩擦阻力的综合特性（主要反映材料的挺硬性）。柔软度值越大，则烟叶柔软性越差；柔软度值越小，表示烟叶柔软性越好[20]。由图4B 可见，热泵烤房烤后烟叶柔软度[7.69 mN（RH60%）]显著低于燃煤烤房烤后烟叶[16.67 mN（RH60%）]，说明热泵烤房烤后烟叶柔软性显著优于燃煤烤房。这可能与烤后烟叶收缩率有关，有研究表明，物料干燥后的收缩率小，则质地僵硬[21-22]。

图4 不同类型烤房烤后烟叶收缩率（A）和柔软度（B）Fig.4 Shrinkage rate (A) and softness (B) of tobacco cured by different type barns

3.4 烤后烟叶化学成分

由表1 可见，热泵烤房烤后烟叶还原糖和总糖含量明显高于燃煤烤房。在总植物碱、总氮、钾、氯和淀粉含量方面则无明显差异。在化学成分协调性方面，两种烤房烤后烟叶氮碱比和钾氯比无明显差异。热泵烤房烤后烟叶两糖比和糖碱比均适宜，而燃煤烤房烤后烟叶两糖比和糖碱比均偏低。这可能与热泵烤房升温灵敏且对温湿度控制精确，不会出现燃煤烤房因加煤操作而产生温度波动现象有关。研究表明，烘烤过程中温度波动越大，烟叶内含物质的损耗越大，烤后烟叶内在质量越差[2]。

表1 不同类型烤房烤后烟叶化学成分①Tab.1 Chemical components in tobacco cured by different type barns

3.5 烤后烟叶感官质量

由表2 可见，两种烤房烤后烟叶感官质量在香气质、刺激性、燃烧性、灰色方面无明显差异，但在香气量、余味、杂气方面，热泵烤房烤后烟叶得分高于燃煤烤房，综合得分热泵烤房高于燃煤烤房。同时还由上海烟草集团有限公司对烤后烟叶样品感官质量进行评价，结果显示：两种烤房烤后烟叶香气质无明显差异，但在浓度、劲头、香气量、透发性方面，热泵烤房烤后烟叶优于燃煤烤房（数据未列出）。

表2 不同类型烤房烤后烟叶感官质量①Tab.2 Sensory quality of tobacco cured by different type barns

3.6 能耗成本

由表3 可见，燃煤烘烤煤耗较高，折合1 kg 干烟煤耗1.73 kg，1 kg 干烟煤耗成本2.39 元。热泵烤房采用电能加热，1 kg 干烟能耗成本仅为1.27元。综合分析两种烤房能耗，热泵烤房1 kg 干烟能耗成本较燃煤烤房下降1.40 元。在烘烤用工方面，热泵烤房无需加料操作，烘烤操作用工大幅减少，1 人即可实现25 座烤房的烘烤管理，而10 座燃煤烤房一般需要2 人昼夜轮换进行烘烤操作[1]。热泵烤房较燃煤烤房1 kg 干烟烘烤用工成本下降0.48 元。综合能耗及烘烤用工，热泵烤房较燃煤烤房生产成本下降1.88 元/kg。

表3 不同类型烤房每kg 干烟烘烤用工及能耗成本①Tab.3 Cost of labor and energy of tobacco cured by different type barns

4 结论

设计制造了一种可调节气流方向的闭式循环热泵烤房，具备制热、制冷、闭式循环除湿、辅助外排湿和可调节气流方向5 项功能，升温准，控温稳，能够满足烤烟密集烘烤对温湿度的要求。试验结果表明，不同烘烤阶段的冷凝水流出速率有较大差别，随烘烤进行冷凝水流出速率逐渐下降。热泵烤房烤后烟叶宽度收缩率和柔软性显著高于燃煤密集烤房，且烟叶化学成分含量更为适宜，化学成分比例更为协调，烤后烟叶感官质量综合得分高于燃煤烤房。在烘烤用工及能耗成本方面，热泵烤房较燃煤烤房每kg 干烟成本下降1.88元，具有良好的推广应用价值。