以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿系统数值模拟分析

谢金梅，罗会龙

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

烘烤是决定烟叶品质及其工业可用性的关键因素。密集烤房采取强制通风及热风循环，具有装烟密度大、省工、省时、易于自控等特点，21世纪以后，密集烤房已迅速成为国内烟叶烘烤设备的一个主要发展方向[1]。但现行的密集烤房采用开放式排湿方式，排湿气流直接排向室外，排湿气流中携带有大量的烟叶香气成分及多种有益于提高烟叶烘烤品质的气体成分流失到外界，从而降低烟叶香气物质的含量，影响烟叶内在品质[2]。且排湿余热损失严重，能量利用率低，烟叶烘烤能耗居高不下[3-4]。因此，探索新型高效节能、提质增效的烟叶密集烘烤设施及其除湿特性具有重要的意义。

黄维[5]、王传义等[6]、王方锋等[7]分别分析比较气流下降式密集烤房、气流上升式密集烤房和普通烤房在烤后烟叶质量方面的差异，结果表明，密集烤房烤后烟叶质量比普通烤房好，而气流下降式密集烤房比气流上升式密集烤房烤后烟叶质量高。孙敬权等[8]对已有燃煤密集烤房加热室、装烟室等进行结构改造，改造后的密集烤房烘烤性能良好、排湿顺畅、热能利用率提高、烟叶烘烤质量和经济效益也得到了改善。刘明宏等[9]、张树堂等[10]分别设置了3种不同功率和风量的轴流风机应用于烟叶烘烤过程，结果表明烘烤时间过长影响烤后烟叶香气物质，风机功率过大不利于香气物质的形成，适宜风机功率有利于改善烤后烟叶感官质量，提高经济效益。包亚峰等[11-13]利用热泵的节能环保性，提出利用热泵对烟叶进行干燥，通过数值模拟以及实验研究，对烤房内的热湿环境及热泵的性能进行了分析，验证了热泵用于烟叶烘烤的可行性和节能性。

烟叶密集烘烤过程，排湿气流温度高，相对湿度大。因而，排湿气流的露点温度较高。在烟叶烘烤季节，室外新风温度低于排湿气流露点温度，因此室外新风能够对其进行有效冷凝除湿。在此种背景下，为保留烟叶香气含量，提高能源利用效率，本文提出一种以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿系统，数值模拟分析其换热与除湿性能。

1 以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿系统

1.1 系统介绍

以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿系统的主体结构主要包括装烟室和加热室，设备主要包括以室外新风为自然冷源的除湿器、除湿气流风机、新风风机、循环风机、风阀、接水盘和排水管等，其系统构成如图1所示。流出装烟室的排湿气流，一部分通过送风管道进入除湿器的蒸发段，被室外新风冷却至露点温度以后凝结析出水分，水分经过排水管排走，而另一部分则与经过除湿器除湿脱水后的排湿气流混合，混合后的气流进入加热室进行加热，加热后的干燥热空气进入装烟室内继续与烟叶进行热质交换，重复下一次循环。

图1 以室外新风为自然冷源的水密集烤房冷凝除湿系统

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

热管换热效率高、具有良好的导热性、恒温特性、管壁温度可调性、可逆流换热、传热速度快、全热回收效率高、运行安全可靠[14]等优点，因此热管及热管换热器广泛应用于各研究领域[15-18]。本文提出的以室外新风为自然冷源的除湿器利用热管的优良性能对排湿气流进行冷凝除湿。如表1所示为除湿器设计参数，热管采取逆流换热的方式，叉排正三角形排列，管材为紫铜。

表1 除湿器设计参数

利用Fluent软件对除湿器内排湿气流的流动与换热过程进行模拟。由于除湿器中热管管束较多，考虑到除湿器内热管对称分布，因此本文选取如图2所示的代表性区域作为计算区域进行模拟研究。

图2 计算域几何模型

假设排湿气流是不可压缩的理想气体，是由空气和水蒸气组成的单相多组分混合物，忽略排湿气流冷凝过程中凝结液膜对流动换热的影响，不考虑排湿气流冷凝过程中的动量传递。控制方程包括了三维的连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程。本计算模型中入口边界条件为速度入口，出口边界条件为自由出流，热管壁面设为无滑移的固体边界，边界类型为wall，其余面为上下模型的对称面，设为对称边界。

根据昆明市密集烤房烟叶烘烤工艺，分别对各烘烤阶段排湿气流经过除湿器蒸发段的冷凝除湿过程进行模拟分析。烘烤各阶段除湿器蒸发段入口处的排湿气流参数如表2所示。工况1～工况7分别为昆明市密集烤房烟叶烘烤工艺的7个烘烤阶段。

表2 排湿气流入口参数

2.2 模拟结果分析

2.2.1 换热性能分析

效率是评价系统性能的重要指标，表征除湿器换热效果的物理量有显热效率、潜热效率和全热效率[19-21]。图3所示为除湿器在烘烤各阶段的换热效率。由图3可知，在烘烤过程中除湿器显热效率逐渐升高，潜热效率则先增大后减小，全热效率介于显热效率和潜热效率之间，除湿器的平均显热效率为53.58%，平均潜热效率为26.68%，平均全热效率为36.35%。

图3 烘烤各阶段换热效率

2.2.2 除湿性能分析

热湿交换中全热量与显热量的比值称为析湿系数ξ，表示因湿交换而增大了的换热量。

在烘烤各阶段除湿器的析湿系数变化如图4所示。变黄后期析湿系数最大为3.54，此后随着烘烤过程中排湿气流温度上升，相对湿度下降，潜热换热量的比重减小，因此析湿系数逐渐降低，在干筋后期析湿系数最低为1.54。在变黄前期由于烟叶刚进入烘烤状态，装烟室内温度较低，烟叶中水分蒸发量小，因此排湿气流中水蒸气含量低，潜热换热量相对较小，变黄前期析湿系数较变黄后期小。

图4 烘烤各阶段析湿系数

烟叶烘烤过程中，定色期为大排湿阶段，失水量大，失水速度快；变黄期失水量适中，但失水速度慢；干筋期失水量少，但失水速度较变黄期快。图5所示为烘烤各阶段模拟除湿量变化情况，定色期除湿量最大，最大除湿量达到38.76 kg/h。

图5 烘烤各阶段的除湿量

3 优化分析

3.1 迎风面热管间距优化

迎风面热管间距是以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器中最大质量流速的决定性结构参数，与除湿器的传热强度、流动阻力、振动以及积灰状况紧密相关，影响除湿器的除湿性能，是除湿器设计及选型中的主要结构参数。本文分析迎风面热管间距为S=40 mm、S=45 mm、S=50 mm时对以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器换热及除湿性能的影响。

3.1.1 换热性能分析

分析烟叶密集烘烤过程各个烘烤阶段，迎风面热管间距对以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器换热性能的影响，如图6～图8分别为各烘烤阶段3种不同迎风面热管间距下除湿器的显热效率、潜热效率和全热效率变化情况。由图6～图8可知，随着迎风面热管间距增大，烘烤各阶段除湿器的显热效率、潜热效率和全热效率降低，且降幅增大。干筋期排湿气流进出口温差大，显热效率最高；定色期排湿气流湿负荷较大，潜热效率最高；变黄前期排湿气流的温度和含湿量较低，除湿器的显热效率、潜热效率和全热效率最低。

图6 不同迎风面热管间距下烘烤各阶段显热效率变化

图7 不同迎风面热管间距下烘烤各阶段潜热效率变化

图8 不同迎风面热管间距下烘烤各阶段全热效率变化

3.1.2 除湿性能分析

分析烟叶密集烘烤过程中各个烘烤阶段，迎风面热管间距对以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器除湿性能的影响。图9和图10所示分别为各烘烤阶段不同迎风面热管间距下除湿器的析湿系数与除湿量的变化。由图9～图10可知，在3种不同迎风面热管间距下析湿系数的变化较小，而除湿量则随着迎风面热管间距的增大而先增大后减小，即迎风面热管间距S=45 mm时除湿器的除湿量最大，各烘烤阶段中定色后期除湿量最大，变黄前期除湿量最小。

图9 不同迎风面热管间距下烘烤各阶段析湿系数变化

图10 不同迎风面热管间距下烘烤各阶段除湿量变化

综合上述分析结果可得，迎风面热管间距为S=45 mm时除湿器的换热效率略低于S=40 mm时的换热效率，高于S=50 mm时的换热效率，但除湿量最高。因此经过综合考虑，以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器中迎风面热管间距选取S=45 mm比较合适。

3.2 排湿气流速度优化

排湿气流速度是影响以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器性能的重要因素，本文主要分析排湿气流速度v分别为1、2、3、4和5 m/s时，对以室外新风为自然冷源的密集烤房冷凝除湿器的换热性能和除湿性能的影响。

3.1.1 换热性能分析

分析烟叶密集烘烤过程各个烘烤阶段，排湿气流进口速度对除湿器换热性能的影响，如图11～图13分别为各烘烤阶段不同排湿气流进口速度下除湿器的显热效率、潜热效率与全热效率变化情况。由图11～图13可知，排湿气流进口速度增大，烘烤各阶段除湿器的显热效率、潜热效率和全热效率整体呈逐渐降低趋势，干筋期显热效率最高，定色期潜热效率最高，变黄前期排湿气流温度及含湿量较低，经冷凝除湿后，排湿气流温度及含湿量变化较小，排湿气流速度对除湿器换热性能的影响较小。

图11 不同进口速度下烘烤各阶段显热效率变化

图12 不同进口速度下烘烤各阶段潜热效率变化

图13 不同进口速度下烘烤各阶段全热效率变化

3.1.2 除湿性能分析

分析排湿气流进口速度对除湿器除湿性能的影响，如图14～图15分别为各烘烤阶段不同排湿气流进口速度下除湿器析湿系数和除湿量的变化。由图14～图15可知，v=2 m/s和v=3 m/s时的析湿系数相对其他速度较大，但整体上烘烤各阶段不同排湿气流进口速度下的析湿系数变化较小，而各烘烤阶段的除湿量随着排湿气流进口速度的增大而升高。

图14 不同进口速度下烘烤各阶段析湿系数变化

图15 不同进口速度下烘烤各阶段除湿量变化

综合上述分析结果可得，排湿气流进口速度增大，除湿器的换热效率整体上逐渐降低，但除湿量逐渐升高，v=2～3 m/s时除湿器的除湿性能较好，且在此速度下的除湿量已满足烟叶密集烘烤工艺的除湿要求。考虑到排湿气流速度过大易将水蒸气凝结析出的水分携带进入送风系统，且对热管的磨损也增大，影响除湿器的使用寿命，因此在满足除湿负荷的前提下，选择排湿气流的适宜进口速度为2～3 m/s。

4 结论

本文利用Fluent软件对除湿器内排湿气流的流动与换热过程进行模拟，分析了烘烤阶段除湿器的换热与除湿性能，并对迎风面热管间距及排湿气流速度进行优化分析，得出如下结论：

1）烘烤各阶段除湿器的平均显热效率为53.58%，平均潜热效率为26.68%，平均全热效率为36.35%。最大除湿量出现在定色后期为34.89 kg/h；

2）结合烟叶密集烘烤运行工况及除湿负荷分布规律，获得了优化后的迎风面热管间距为S=45 mm及适宜的排湿气流进口速度为2～3 m/s。