带回热器的热泵烤烟除湿系统性能

惠宠 罗会龙 孙茹男 李志国 刘兆宇

摘要：为了增强热泵烤烟冷凝除湿的除湿量和余热回收能力，在蒸发器前安装重力热管回热器，对循环空气进行预冷和预加热，测试分析了除湿能耗比和预热后的温度，并改变空气特性分析其对除湿量的影响。结果表明，在烤烟的3个阶段对应降低除湿能耗比为13.24%～54.73%，平均提高预热温度4.05 ℃，并发现当增大进口干球温度、相对湿度时除湿量增加，而增大风速除湿量先增大后减小，故各阶段应选择合适的风速。

关键词：热泵;回热器;显热;除湿能耗比;热泵烤烟除湿系统

中图分类号： S226.6  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）11-0166-04

收稿日期：2020-10-21

基金项目：国家自然科学基金（编号：51766005）;云南省烟草专卖局科技项目（编号：2019530000241019）。

作者简介：惠 宠（1992—），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为暖通空调技术。E-mail：2558137175@qq.com。

通信作者：罗会龙，博士，教授，研究方向为建筑节能与能源高效洁净利用。E-mail：huilongkm@126.com。

烟叶烘烤是一个高能耗的过程[1-2]，普通烤房用煤来直接对空气加热，热利用率较低、消耗煤量较大，直接排放的热湿空气对环境污染严重[3-4]。近年来随着现代农业的发展，密集烤房的改进和可替代能源的开发，在烟叶烘烤中越来越受到重视[5-7]。

空气源热泵技术吸收空气中的低品位能量为烤房供热，绿色无污染、自动化程度高，而且能够降低成本[8-9]。吕君等进行热泵烟叶烘烤试验，发现与传统的燃煤烘烤相比热泵烘烤1 kg烟叶可以节省0.85元，热泵系统除湿能耗比为2.42 kg/（kW·h），同时还对热泵烘烤下的基于等焓和等温过程中2种不同的干燥过程进行理论分析得出，等温干燥比等焓干燥节省0.06元/kg[10-11]。聂荣邦等对比得出空气源热泵烘烤比燃煤烘烤的烟叶质量更高，并且化学成分更协调[12-13]。从装烟室出来的高温高湿空气通过热泵蒸发器，将其一部分显热和潜热进行回收，同时将湿空气的温度降到露点温度，析出冷凝水以达到冷凝除湿的目的[14-15]。但仍有很大一部分余热被浪费，特别是在烤烟干筋期，为有效提高冷凝除湿效果和加大余热回收能力，本研究提出增加回热器来提高热泵的除湿能力和余热回收能力。

热管技术广泛应用于空气调节系统，可以有效提高系统的除湿量，并且具有传热效率高、热响应速率快等优点。重力热管是利用工质管内相变换热，进行传热的高效传热组件，它没有吸液芯是依靠重力作用使工质回流，但必须将冷凝段置于蒸发段之上[16-18]。笔者在热泵蒸发器之前添加1个用重力热管做成的回热器辅助蒸发器除湿。笔者将研究回热器对热泵系统除湿性能的影响，以及分析随空气特性的变化除湿性能的变化规律。

1 带回热器的热泵除湿工作原理

传统热泵烤烟的工作过程是从烤房出来的热湿空气直接经过热泵的蒸发器冷凝除湿，然后经热泵冷凝器加热升温后，进入烤房与烟叶相接触带走烟叶的水分，然后再经蒸发器降温除湿，空气循环如图1（1→2→2′→3→4→1）所示。由图1可知，烤房出来的空气降温除湿经历了2个过程，即2至2′的降温过程和2′到3的除湿过程。在降温过程中蒸发器回收的是湿空气的显热;在除湿过程中，吸收的是湿空气的潜热。从以上分析可知，蒸发器吸收的潜热部分越大则析出的凝结水越多。

带回热器的热泵除湿系统见图2，从烤房出来的热湿空气先经过回热器的下方蒸发段，热管管内的工质吸热蒸发，同时将循环空气预冷到接近露点温度，然后再进入到热泵蒸发器进行充分的冷凝除湿。除湿后的空气再经过热管回热器上部的冷凝段进行预热，然后进入冷凝器得到充分的加热升温，变为高温低湿的干燥空气。空气的循环如图1（1→2→2′→3→4→5→5′→1）所示，带回热器的热泵除湿系统相当于对热湿空气进行了2次降温和升温。当蒸发器制冷量一定时，由于回热器对热湿空气先预冷，减小了蒸发器消耗在预冷过程中的冷量，使得冷量主要用于吸收热湿空气的潜热，有效增强了系统的除湿能力;同时热管工质吸收的热量传递到热管的冷凝端对从蒸发器出来的低温低湿空气进行预热升高温度。

2 试验方法

2.1 試验装置

试验主要由热泵烘烤系统、重力热管回热器、烤房组成。热泵烤烟系统由2台5匹涡旋压缩机、翅片管式蒸发器、翅片管式冷凝器组成，工质为R134a。在冷凝器的前端装有循环风机，功率为0.09 W×2，风量Q>15 000 m3/h，室外蒸发器侧风机风量为8 000 m3/h，功率为0.4 kW。回热器尺寸大小为700 mm×600 mm×540 mm，外壳为钢制矩形壳体，壳体内铺设1层保温棉，以减小热损失。回热器中间用钢制隔板隔开，被分为上下2个部分，热管贯穿隔板，下部为蒸发段、上部为冷凝段，管内有制冷剂，共296根重力热管，共16排，排列方式为叉排，横向间距为30mm、纵向间距为40 mm，见图3。装烟室尺寸为8 000 mm×2 700 mm×3 500 mm（长×宽×高），送风方式为气流上升式送风。温度测定采用型号BD-PT100-920铂电阻温度传感器，精确度±0.15 ℃、测量范围为-30～200 ℃;湿度测定采用型号为DS33-3-XX-H-T1的数字式湿度传感器，精度为±1%;风速采用testo-425热敏风速仪测量，精度为±（0.03 m/s+5%测量值），测量范围为0～20 m/s。

2.2 试验条件

本试验于2019年8月进行，云南省昆明市石林县烟草合作社为试验数据采集点。烤房内装烟3 000 kg，分4层悬挂，供试烤烟品种为K326，按照烤烟3段式烘烤工艺提供所需的温湿度条件。在相同环境下进行对比试验，分别对2座烤房的数据进行记录，测点的位置布置见图2，点1测量进回热器蒸发段的气流温湿度以及风速、点2测出蒸发段的温湿度、点3测出热泵蒸发器的气流温湿度、点4测出回热器冷凝段的温湿度、点5测进烤房的温湿度和风速。试验分别选取烤烟系统稳定状态下的6个工况，进行数据整理，并在各个稳定器用量杯收集冷凝水并记录所需时间和所用的电量，对比分析显热比（ε）和除湿能耗比（SMER）的大小。同时试验选取了定色期作为研究对象，因为定色期处于大量排湿阶段，影响因素的改变对除湿量的影响较为明显，采用控制变量法在定色期研究进口风速（v）、相对湿度（RH） 、干球温度（tg）的改变对带回热器系统除湿量的影响。

2.3 主要性能指标

2.3.1 显热比

为了考察系统的除湿能力大小引入显热比（ε），它代表在除湿过程中显热换热量在除湿的总换热量中所占的比例[19]。

ε1-4=cp1-4（T1-T4）h1-h4;（1）

ε1-5=cp1-5（T1-T5）h1-h5。（2）

式中：ε1-4为热泵烤烟除湿系统的显热比;cp1-4为热泵烤烟除湿过程中循环空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）;T1、T4分别为循环空气进、出蒸发器的温度，℃;h1、h4分别为循环空气进出蒸发器的焓，kJ/kg;ε1-5表示带回热器的热泵烤烟除湿系统的显热比;cp1-5表示带回热器的热泵除湿过程中循环空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）;T5表示空气出回热器冷凝段的温度，℃;h5表示空气出回热器冷凝段的焓，kJ/kg。

2.3.2 烤烟系统的除湿能耗比

除湿系统综合性能的一个主要指标是除湿能耗比（SMER），定义为消耗单位能量所除去烟叶中水分的质量[20]，用公式表示为

SMER=Mdeme。（3）

式中：SMER为除湿能耗比，kg/（kW·h）;Mde为从烟叶中去除水分的质量，kg;me为系统耗电量，kW·h。

3 结果与分析

3.1 除湿显热比的对比分析

图4、图5是根据烟叶在3段烘烤工艺过程中系统稳定运行状态下选取的6个代表工况，具体工况见表1，然后根据公式（1）得到显热比。

由图4可知，随着进口空气温度的增大，经过除湿后的空气温度也在增加，无回热器、带回热器的最大出口温度分别为42.82、49.47 ℃，安装回热器系统的出口温度明显高于无回热器的出口温度，而且随着进口空气温度的升高二者的差距也逐渐增大，最大温度差出现在烤烟的最大出口温度时，为6.65 ℃。这是因为回热器蒸发段热管工质蒸发吸收的热量，在空气除湿之后又将吸收的热量传递给了除湿后的空气，相当于对空气进行了1次回热，因此空气出带回热器系统的温度高于出热泵除湿系统的温度。

由图5可知，随着进口干球温度的增大，二者的显热比趋势大致相同，都是先减小后增大，这是因为随着烘烤温度的上升各阶段除去水分的质量是先增大后减小。带回热器的显热比与无回热器的显热比相比减少了27.28%～39.19%，这是因为回热器吸收了一部分显热，所以蒸发器能够吸收更多的潜热，说明带回热器的热泵系统除湿能力更强。

3.2 烘烤过程中除湿能耗比的对比分析

由图6可知，无回热器、带回热器2座烤房的除湿能耗比分别在1.45～3.78、2.25～4.32 kg/（kW·h）之间，回热器可以增加13.24%～54.73%的除湿能耗比，说明带回热器系统单位能量除去烟叶的水分更多，增加原因主要在于回热器完成了空气预冷的功能，吸收了循环空气的部分显热，同时回热器也合理利用了这部分显热，对除湿后的循环空气进行预热，避免这部分显热的浪费，有效实现了节能，并随着进口空气温度的升高，热湿空气自身显热的增加，节能效果更加显著。

3.3 空气特性对除湿量的影响

3.3.1 进口干球温度对除湿量的影响

由图7可知，在保持相对湿度和风速不变的情况下，随着进口空气温度的增加，带回热器系统的除湿量也在增加。这是因为随着进口空气温度的升高，虽然相对湿度不变，但是实际的含湿量是增大的;同时随着干球温度的升高，回热器热管里面工质的蒸发会更加剧烈，工质冷凝降落的速率也会加快，冲刷管壁使扰动增强，这样吸收的显热也就越多，因此除湿量也随之增大。

3.3.2 进口相对湿度对除湿量的影响

由图8可知，当干球温度和风速不变时随着进口空气相对湿度的增大除湿量也在增加，这是因为空气的相对湿度增大使空气所含的水蒸气含量增大，当处理到露点温度时，析出的冷凝水也就越多，纵向对比可以看出温度越高则除湿量在同等湿度下也越大，与图7相对应。

3.3.3 进口风速对除湿量的影响

由图9可知，当干球温度和相对湿度不变时随着风速的增大除湿量大多呈现先增大后减小的趋势，纵向对比可以发现随着相对湿度的增加，最大除湿量对应的风速点向右移动，即向风速高的方向移动。故存在一个最优进口风速（v′）使除湿量最大，当vv′时，由于流经的空气未能充分交换热量，所以导致随着风速的增大除湿量又逐渐呈现下降的趋势。

4 结论与讨论

给热泵除湿系统添加重力热管回热器对进口热湿空气进行预冷，有效提高了热泵除湿系统的除湿量并对除湿后的空气进行回热，合理利用了这部分能量，达到节能除湿的效果。

回熱器的应用显著降低了热泵除湿系统的显热比，增加了除湿能耗比，在烟叶烘烤的3个阶段显热比的降低区间在27.28%～39.19%之间，除湿能耗比的增加区间在13.24%～54.73%之间，降低和增加的幅度随着进口空气温度的增加而增大。改变空气的进口温度、相对湿度、风速，发现增加空气温度和相对湿度可以增加除湿量，增加风速除湿量先增大后减小，所以烤烟各阶段应选择合适的风速进行除湿。

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