全热换热器和双层同心风道在挂面全封闭烘房中的应用设计

王保法,汪 磊,张 欣,刘跃铭

(1.河南海弗星换热科技有限公司,河南 新乡 453000;2.河南工业大学粮油食品学院，郑州 450052)

挂面是我国产值最大面制品主食之一，据行业协会统计资料显示，国内挂面的年产量已达到812万t，其消费额达到155亿元人民币[1]。挂面市场的发展加剧了挂面行业的竞争，挂面企业需要不断进行技术设备创新，以便于降低生产成本，增加产品的核心竞争力。在挂面生产过程中，干燥是挂面生产的关键环节，是挂面企业生产、加工能耗控制的基石，不合理的能源浪费直接影响企业的经济效益[2]。郭颖提出在挂面干燥过程中，用于挂面中水分迁移的能耗仅占总能耗的46%[3]。王振华等通过对烘房能耗测定后发现，排潮温度过高是造成能量损耗的重要原因之一[4]。如何提高能源的利用率，降低挂面在干燥阶段的能量损失，对于节能减排，降低企业的生产成本具有重大的意义[5]。

全热交换器是一种能够应用在挂面干燥系统的高效节能装置，全热包括潜热和显热，也即是空气的焓，它能够在室内的排风和室外的新风之间同时实现热量和水分的传递[6]。挂面烘干一般都采用对流热力烘干法，即利用热源加热烘干室的空气，借助风力使热空气对流，用以加热湿面条，同时带走湿面条中的水分，热空气就成为干燥介质，既是载热体也是载湿体，也就是说，挂面烘干需要热量，靠热量进行湿热交换，湿面条只有在吸收热量之后，才能使自身水分汽化并排放出去，达到干燥的目的[7-8]。传统的烘干室是半开放型的，在挂面干燥过程中需要向外界排出大量的湿热空气带走干燥出的水分，同时又需要大量的新风补进干燥系统中[9]。烘干室中的排潮风在烘房底部通过排潮孔，在风机的作用下被强制排出烘干室，新风在室内负压状态下进入烘干室，由于烘干室没有专门的进风设施或装置，没有净化的新风直接进入烘干室，污染室内环境，食品卫生无保障，特别在室外环境温度过低时，新风直接进入烘干室，高温高湿的室内空气遇到新风时，容易结露，存在食品安全隐患，影响产品质量，同时大量的高温高湿的气体直接排到大气环境中去，造成极大的能量损失[10-11]。分析挂面烘干室进风（新风）与排风（排潮风）的状况，在挂面品种、产量、初始与终了水分相对稳定的前提下 ，进风与排风的焓值（热量）变化是影响热能供应的主要因素，直接关系着烘干成本的高低。在烘干室内的进风与排风相对稳定的前提下，使进风与排风通过热交换，保证进风温度稳定并相对较高，降低烘干成本。

针对现有挂面干燥过程中能量的浪费，本文提出了采用全热换热器和双层同心风道联合使用的挂面干燥系统，该系统通过使用清洁的新风与烘干室排出的温度恒定的排潮风进行热交换，保证进风温度相对稳定，降低烘干成本，避免结露现象的发生，同时也合理利用了干燥中的热能。

1 传统挂面烘房进风与排风系统

1.1 负压进风-机械排风系统

如图1所示，在相对密闭的烘干室内，压气扇作用于加热管道加热新风，然后传递给轨道上运行的湿挂面，湿挂面内部水分在热风的作用下，变成水蒸气通过排潮通道在风机的作用下排到室外，室内始终处于微负压状态，新风源源不断地进入烘干室，进风与排风始终处于动态平衡状态即：

图1 传统挂面密闭烘房进风与排风示意

式中：Nj为进风、Np为排风。

1.2 预热正压进风-机械排风系统

如图2所示，为保证烘干室内的食品卫生安全，避免外部环境中的尘土及小虫等杂物进入烘干室内，新风在进入烘干室前经过新风过滤器集中过滤，并对新风进行预热，降低新风与排风的温差，避免室内结露现象发生，过滤后的新风在风机作用下通过集中管道进入室内，按不同部位的风量需求分点进风[12]；为了保证室内产生的粉末及颗粒不被排到环境中去，每个出风口都装有空气过滤器，处理过的湿热风汇集在统一的管道，在风机的作用下排到室外，保证室内外环境隔离，室内压力相对平衡。集中进新风与传统负压进风对比，加强了新风及排潮风过滤，保证了食品安全及环境卫生，新风预热，减少结露现象发生，但因采取了机械进风，增加了动力成本[13]。

图2 挂面烘房机械进风与排风示意

1.3 热交换正压进风与机械排风

如图3所示，为了减少新风预热的能量消耗，在1.2的基础上增设进风与排风在室外密闭的热交换器内进行无动力热交换，保证进入室内的新风温度相对恒定，减少固定投资与运营成本，但由于无动力热交换要求风速较低，且风阻较大，箱体体积大，机械动力配比较大，增大了固定投资及运行成本。

图3 挂面烘干系统室外热交换排风与进风示意

2 同心风道与全热换热器进风排风系统

2.1 双层同心风道正压进风-排风系统

如图4所示，双层同心风道是制作的回型管道，通常用镀锌薄板或薄不锈钢板制作，紧贴烘道两边的墙壁或烘干房顶部安装，内管走新风，新风管穿过外管在对烘房一侧形成出风口或向下形成出风口；外管走排潮风，通过管道从接近地面开口回风，进出风口安装有调节风门，通过控制自动调节风速与风量，进风口装有过滤器，避免异物进入风道，起到净化空气的作用，进风与回风在风机的作用下，逆向运动，在运动的过程中通过金属壁导热进行热交换，保证新风进入烘房的温度相对恒定，新风在进入烘房内高温高湿环境时不产生冷凝水，另外进入的新风是经空气净化器过滤的，保证了食品卫生及安全[14]。

图4 挂面烘干双层同心风道示意

2.2 全热换热器

全热换热器通常是指一种含有全热换芯体的新风、排风换热设备。如图5所示，产品工作时，室内排风和新风分别呈正交叉方式流经换热器芯体时，由于气流分隔板两侧气流存在着温差和蒸汽分压差，两股气流通过分隔板时呈现传热传质现象，引起全热交换过程[15-16]。由于烘房内需要排除的空气温度湿度相对恒定，新风一年四季的温度湿度差异较大，夏季运行时，新风与室内空气温度接近，进入烘房内的新风温度变化较小；冬季运行时，新风与烘房排风通过换热芯体的全热换热过程，让进入烘房的新风，温度升高并相对稳定，室内管道加热新风的能量也基本稳定，所需求的热量不会忽高忽低。

图5 挂面烘干全热交换器工作原理

2.3 双层同心风道与全热换热器在烘干室的应用：

如图6所示，由于烘干室内进风与排风都采用集中处理的方式，采用同心双层风管没有增加管道的材料成本，同时由于同心双层风道在进风与排风逆向运动的过程中完成了大部分热量交换，减小了全热换热器的换热面积，降低了系统的综合固定投入成本与运行成本。

图6 双层同心风道与全热换热器联合工作示意

3 实例分析与结果讨论

3.1 某地区一年四季的室外新风的焓值

空气的焓值是指空气所含有的总热量，通常以干空气的单位质量为基准。焓用符号i代表，单位是kJ/kg干空气。湿空气焓值等于相应1 kg干空气的焓值与相应水蒸气焓值之和。湿空气焓值计算公式化为：

式中：t为空气温度，℃；d为空气的含湿量，g/kg干空气；1.01和1.84分别为干空气和水蒸气的平均定压比热，kJ/(kg·K)；2 500为 0℃时水的汽化潜热，kJ/kg。由公式（2）可以看出：（1.01+1.84 d）t是随温度变化的热量，即“显热”；而2 500 d则是0℃时dkg水的汽化潜热，它仅随含湿量而变化，与温度无关，即是“潜热”。

根据地区一年四季的平均温湿度，计算出室外环境空气的焓值如表1所示。

表1 某地区四季外界空气焓值

3.2 挂面排潮风的焓值：

某企业采用1000型40 t/d中低温挂面烘干线四季排潮风焓值见表2：

表2 40 t/d中低温挂面烘干线排潮风焓值

3.3 通过双层同心风道与全热换热器热交换后的进入室内新风焓值

由于室内回风温度始终高于新风温度，热交换后新风温度为：

室内新风温度=室外新风温度+（室内排风温度-室外新风温度）×GUA热交换效率，

其中，热交换效率为70%。

表3 室内外四季焓值计算表

3.4 同心风道与全热换热器进风排风系统节能

节约的能量=新风风量×（热交换后室内新风焓值-室外新风焓值）

3.5 采用新技术前后的热能设备功率配比分析

根据某地区的环境状况，40 t/d中低温烘干线生产线配置热源设备，以冬季所需热量配置，采用新技术前每吨挂面（初始水分31%，终了水分12.5%）配置热能 35万 kcal，时产 1.67 t，需要热能 58.45×104 kcal，即680 kW；采用新技术后冬季节约能量98 kW，节约14%，只需配置582 kW（50万 kcal）的热源设备即可，降低了热源设备初次投资费用。

表4 四季能量节约表

按照地区目前冬季的天然气价格3.5元/m3计算，单元热值价格为4.12元/万大卡，每小时节约8.43万大卡（98 kW），节约成本34.73元，吨挂面节约成本34.73/1.67=20.81元。其它季节天然气价格为3元/m3，以此计算春秋季节每吨挂面节约10.0元，夏季每吨挂面节约7.9元，每月按25 d生产计算，冬季 3 个月节约 20.8×40×25×3=6.24 万；春秋季6个月节约10×40×25×6=6万元；夏季3个月节约7.9×40×25×3=2.37 万元，全年可节约 14.61 万元。

4 结语

由于挂面烘干是个很复杂的热交换过程，热量总需求及转移包含：湿挂面水分蒸发、新风加热、挂面升温及烘干房结构散热等，通过排风带走了90%左右的供给热量，故利用排潮风无动力余热加热新风技术既解决了热能供给，减少了热源设备功率的配置，又降低了一次性固定投入，还能降低烘干成本，增加了产品的市场竞争力。以40 t/d中低温烘干线生产线为例，全年可节约14.61万元。所以利用双层同心风道与全热换热器无动力热交换技术对于挂面或粉丝烘干工艺改造具有很高的推广价值。