基于热泵技术的烤烟应用研究

修科华，李 娇，李永田

(天合智慧能源投资发展(江苏)有限公司，江苏 常州 213031)

按照《国烟运[2011]335 号》文件的总体部署，以及《国烟办综[2012]95号》文件对重点烟草行业能耗单位的具体要求，制订了《GB/T23331—2012》这一针对烟草行业的能源管理体系。企业应根据自己的实际情况，研究建立和执行企业能源管理体系，用“系统、科学、高效”的能源管理制度做好节能工作[1]。

另外，中国烟草行业肩负企业资产保值增值的重任，是国家税收来源之一。我国烟草产量占世界总产量的40%，是世界第二名生产国美国的4倍。虽然，我国一直推崇禁烟，但是，20多年来，我国烟草种植面积增加了9倍，烤烟产量增加了37倍。同时，烤烟过程中需要消耗大量能源，而烘烟房的综合热效率35%～45%。借鉴热泵与热管技术联合干燥谷物的技术路线，选择以热泵技术作为主热源对烟叶进行干燥的工艺。

1 热泵技术介绍

热泵按其工作原理分类：半导体热泵、化学热泵、吸收式热泵、蒸汽压缩式热泵等。其中：蒸汽压缩式热泵最适合用在干燥领域，其系统主要由除湿加热系统、送风干燥系统构成。除湿加热系统主要部件：压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀；送风干燥系统属于干燥过程的辅助部分，包括:干燥室、风机。同时，为了提高热泵系统的COP，尽量选择开式热泵干燥系统，见图1。

图1 开式热泵干燥系统

1)冷媒热力循环描述

低温低压冷媒吸收蒸发器的热量成为中温低压蒸汽，经压缩机压缩，成为高温高压蒸汽，再经冷凝器将热量传递给吸入新风成为低温中压液体，再经节流阀膨胀降压成为低温低压蒸汽，再次进入蒸发器，如此周而复始，形成冷媒热力循环。

2)干燥介质热力循环

新风空气在引风机的作用下，进入冷凝器，吸收热量成为干度较高的高温空气；进入干燥室内吸收烟叶物料中的水分，成为高温高湿度空气；再进入蒸发器，将自身所蕴含的显热及部分潜热通过蒸发器传递给冷媒，析出冷凝水，周而复始，形成干燥介质的热力循环。

热泵干燥较早被用于木材干燥，并逐步用于谷物、种子、食品、陶瓷、纺织、化工、茶叶、造纸等，甚至被用在污泥处理行业。其中：木材、种子、食品物料等领域最为成熟，烤烟作为干燥精度略高的领域，也开始试探性应用。

2 三段式烤烟工艺介绍

依据烟叶在烘烤中外观形态的变化和失水程度， 将烟叶烘烤过程分为变黄、定色、干筋三个阶段，称之为三段式烤烟。在其相应阶段有其相应的技术指标、操作原则、操作工艺。针对通常烟草而言，工艺描述[8]，见图2。

图2 三段式烘烤模式简图

关键控制节点：

(1)变黄阶段:干球起点温度为32～35 ℃， 变黄期间温度36～38 ℃， 变黄完成温度38～42 ℃， 湿球温度比干球温度低1～4 ℃。

烟叶变黄阶段可分为二步：首先，烟叶装满干燥室，要封严进出空气口，开启热泵，以升温1 ℃/h的温升将干燥室的温度升到34～38 ℃，并保持湿球温度比干球温度低1～2.5 ℃，直到底层烟叶80%变到八成黄(即除叶基部、烟筋和烟筋两边为青色外，叶片呈黄色，且叶片开始发软)。其次，将干燥室温度升高到40～42 ℃，保持湿球温度36～37 ℃。要适量打开通气孔进行排湿，使烟叶达到既变黄又变软(即：黄片青筋微带青、主脉发软)。若未如预期变黄，还可适当向干燥室内加水补湿，延缓干燥时间，使得烟叶变黄。

(2)定色阶段:干球温度43～54 ℃， 湿球温度37～40 ℃。

定色阶段的目的是叶片干燥，黄色固定下来并防止出现褐色出现。要逐渐热泵输出功率较高，并增加辅助热源，加大排湿量。干燥室内温升较快，0.3～0.5 ℃/h的升温速率至54～55 ℃，湿球温度缓慢升高并保持在37～40 ℃。在此工况下需要足够的时间，不仅要使烟叶达到大卷筒，也要注意使叶背面灰白色变为黄色。同时，湿球温度过高将导致烟叶烤坏，湿球温度过低既不利于烟叶质量，并会造成燃料浪费。

(3)干筋阶段:干球温度65～68 ℃， 湿球温度40～43 ℃。

干筋阶段是关键阶段，以1 ℃/h的速度升温，使烘干室温度提高到67～69 ℃，其间要逐渐关通风口，并先关进风口，通风口开度以保持湿球温度41～42 ℃为准。湿球温度过低将不利于烟叶色度，也造成燃料浪费；湿球过高又会形成烤红烟。

三段式烤烟工艺所要求的温度、湿度、升温速度，热泵技术均可满足，使用热泵技术烘干烟叶理论上可行。

3 热力模型

为准确获取系统的能源情况，建立烟草干燥系统模型与热泵系统模型。

1)热平衡方程

(1)

2)质量平衡方程

(2)

3)湿度平衡方程

RHa=RHe

(3)

4)干燥速率方程

(4)

式中：Lvap为水的蒸发潜热，J/kg；M为烟叶含湿量，g/g；Cg、Cw、Cv分别为烟叶、水、水蒸气的比热容，kJ/(kg·K-1)；ma为空气质量流量，kg/s；H为空气的含湿量，g/g；RHa、RHg为空气、烟叶的相对湿度；ρg为烟叶堆密度，kg/m3；MR为干燥速率；M0、Mg为烟叶初始、结束含湿量，g/g；K为干燥常数；t为干燥时间，S；Ta、Tg为空气、烟叶的温度，℃。

3.1 热泵系统模型

蒸发器模型与冷凝器模型一致，以蒸发器模型给予表示：

1)换热量

(5)

2)能效系数

ε=f(NTU)

(6)

3)换热单元

(7)

3.2 前提假设

(1)标定热泵的参数指标；

(2)标定风机的工况；

(3)标定天平的精度，并准确称重；

(4)标定温度计、湿度计、流量计；

(5)将系统按要求装完毕，试验3～5室烟叶，确保烘干室密闭且保温稳定可靠；

(6)对参数试验人员进行实验前安全、操作规程培训；

(7)测量时间内的大气压及相对湿度是否适合试验，不选择5级以上大风及阴雨天。

4 试验结果

4.1 基础数据

(1)烟叶质量：m0=1 200 kg左右；

(2)环境温度：25 ℃；

(3)天气晴朗，风速可忽略；

(4)烟叶相对湿度预判：M0=0.85 g/g；Mg=0.13～0.16 g/g ；

(5)测试环境相对湿度：RHa=64.2%；

(6)烟叶堆密度：627 kg/m3；

(7)烘烤时间：110～120 min。

4.2 计算数值

经多次测量求其均值，在110 min内完成1 216 kg的原烟叶干燥，消耗电量425 kW·h，当地电价为0.67元/(kW·h-1)，1kW·h电能可使得烟叶脱水2.5 kg。记录见表1。

表1 热泵干燥烟叶结果

4.3 经济性

资料显示，传统以煤作为燃料的能源成本为2.97元/kg(干烟)，煤价按880元/t，低位发热量按5 500 kcal/kg考虑[9]。目前煤价降低，约700元/t，折合用煤的能源成本是2.36元/kg(干烟)。可以得出每干燥出1 kg烟叶，节约资金为0.52元。

5 结论与建议

(1)利用热泵技术干燥烟叶，经济上较为合理，每出1 kg烟叶比直接采用电烘干节约0.52元。

(2)热泵技术较为成熟，可在烟叶烘干领域广泛应用，也可以推广至粮食、中药材集中推广。

(3)建议利用分体式热管技术与热泵串联。干燥后湿热空气先进入分体式热管的蒸发器，再进入热泵的蒸发器，通过分体式热管设备将进行系统的新风进行预热后，再进行热泵的冷凝器，节能效果会更明显。