帶回?zé)崞鞯臒岜每緹煶凉裣到y(tǒng)性能

惠寵 羅會(huì)龍 孫茹男 李志國 劉兆宇

摘要：為了增強(qiáng)熱泵烤煙冷凝除濕的除濕量和余熱回收能力，在蒸發(fā)器前安裝重力熱管回?zé)崞?，對循環(huán)空氣進(jìn)行預(yù)冷和預(yù)加熱，測試分析了除濕能耗比和預(yù)熱后的溫度，并改變空氣特性分析其對除濕量的影響。結(jié)果表明，在烤煙的3個(gè)階段對應(yīng)降低除濕能耗比為13.24%～54.73%，平均提高預(yù)熱溫度4.05 ℃，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)增大進(jìn)口干球溫度、相對濕度時(shí)除濕量增加，而增大風(fēng)速除濕量先增大后減小，故各階段應(yīng)選擇合適的風(fēng)速。

關(guān)鍵詞：熱泵;回?zé)崞?顯熱;除濕能耗比;熱泵烤煙除濕系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： S226.6? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）11-0166-04

收稿日期：2020-10-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51766005）;云南省煙草專賣局科技項(xiàng)目（編號(hào)：2019530000241019）。

作者簡介：惠 寵（1992—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)榕照{(diào)技術(shù)。E-mail：2558137175@qq.com。

通信作者：羅會(huì)龍，博士，教授，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能與能源高效潔凈利用。E-mail：huilongkm@126.com。

煙葉烘烤是一個(gè)高能耗的過程[1-2]，普通烤房用煤來直接對空氣加熱，熱利用率較低、消耗煤量較大，直接排放的熱濕空氣對環(huán)境污染嚴(yán)重[3-4]。近年來隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，密集烤房的改進(jìn)和可替代能源的開發(fā)，在煙葉烘烤中越來越受到重視[5-7]。

空氣源熱泵技術(shù)吸收空氣中的低品位能量為烤房供熱，綠色無污染、自動(dòng)化程度高，而且能夠降低成本[8-9]。呂君等進(jìn)行熱泵煙葉烘烤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的燃煤烘烤相比熱泵烘烤1 kg煙葉可以節(jié)省0.85元，熱泵系統(tǒng)除濕能耗比為2.42 kg/（kW·h），同時(shí)還對熱泵烘烤下的基于等焓和等溫過程中2種不同的干燥過程進(jìn)行理論分析得出，等溫干燥比等焓干燥節(jié)省0.06元/kg[10-11]。聶榮邦等對比得出空氣源熱泵烘烤比燃煤烘烤的煙葉質(zhì)量更高，并且化學(xué)成分更協(xié)調(diào)[12-13]。從裝煙室出來的高溫高濕空氣通過熱泵蒸發(fā)器，將其一部分顯熱和潛熱進(jìn)行回收，同時(shí)將濕空氣的溫度降到露點(diǎn)溫度，析出冷凝水以達(dá)到冷凝除濕的目的[14-15]。但仍有很大一部分余熱被浪費(fèi)，特別是在烤煙干筋期，為有效提高冷凝除濕效果和加大余熱回收能力，本研究提出增加回?zé)崞鱽硖岣邿岜玫某凉衲芰陀酂峄厥漳芰Α?/p>

熱管技術(shù)廣泛應(yīng)用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以有效提高系統(tǒng)的除濕量，并且具有傳熱效率高、熱響應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)。重力熱管是利用工質(zhì)管內(nèi)相變換熱，進(jìn)行傳熱的高效傳熱組件，它沒有吸液芯是依靠重力作用使工質(zhì)回流，但必須將冷凝段置于蒸發(fā)段之上[16-18]。筆者在熱泵蒸發(fā)器之前添加1個(gè)用重力熱管做成的回?zé)崞鬏o助蒸發(fā)器除濕。筆者將研究回?zé)崞鲗岜孟到y(tǒng)除濕性能的影響，以及分析隨空氣特性的變化除濕性能的變化規(guī)律。

1 帶回?zé)崞鞯臒岜贸凉窆ぷ髟?/p>

傳統(tǒng)熱泵烤煙的工作過程是從烤房出來的熱濕空氣直接經(jīng)過熱泵的蒸發(fā)器冷凝除濕，然后經(jīng)熱泵冷凝器加熱升溫后，進(jìn)入烤房與煙葉相接觸帶走煙葉的水分，然后再經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕，空氣循環(huán)如圖1（1→2→2′→3→4→1）所示。由圖1可知，烤房出來的空氣降溫除濕經(jīng)歷了2個(gè)過程，即2至2′的降溫過程和2′到3的除濕過程。在降溫過程中蒸發(fā)器回收的是濕空氣的顯熱;在除濕過程中，吸收的是濕空氣的潛熱。從以上分析可知，蒸發(fā)器吸收的潛熱部分越大則析出的凝結(jié)水越多。

帶回?zé)崞鞯臒岜贸凉裣到y(tǒng)見圖2，從烤房出來的熱濕空氣先經(jīng)過回?zé)崞鞯南路秸舭l(fā)段，熱管管內(nèi)的工質(zhì)吸熱蒸發(fā)，同時(shí)將循環(huán)空氣預(yù)冷到接近露點(diǎn)溫度，然后再進(jìn)入到熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行充分的冷凝除濕。除濕后的空氣再經(jīng)過熱管回?zé)崞魃喜康睦淠芜M(jìn)行預(yù)熱，然后進(jìn)入冷凝器得到充分的加熱升溫，變?yōu)楦邷氐蜐竦母稍锟諝?。空氣的循環(huán)如圖1（1→2→2′→3→4→5→5′→1）所示，帶回?zé)崞鞯臒岜贸凉裣到y(tǒng)相當(dāng)于對熱濕空氣進(jìn)行了2次降溫和升溫。當(dāng)蒸發(fā)器制冷量一定時(shí)，由于回?zé)崞鲗釢窨諝庀阮A(yù)冷，減小了蒸發(fā)器消耗在預(yù)冷過程中的冷量，使得冷量主要用于吸收熱濕空氣的潛熱，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的除濕能力;同時(shí)熱管工質(zhì)吸收的熱量傳遞到熱管的冷凝端對從蒸發(fā)器出來的低溫低濕空氣進(jìn)行預(yù)熱升高溫度。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要由熱泵烘烤系統(tǒng)、重力熱管回?zé)崞?、烤房組成。熱泵烤煙系統(tǒng)由2臺(tái)5匹渦旋壓縮機(jī)、翅片管式蒸發(fā)器、翅片管式冷凝器組成，工質(zhì)為R134a。在冷凝器的前端裝有循環(huán)風(fēng)機(jī)，功率為0.09 W×2，風(fēng)量Q>15 000 m3/h，室外蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為8 000 m3/h，功率為0.4 kW。回?zé)崞鞒叽绱笮?00 mm×600 mm×540 mm，外殼為鋼制矩形殼體，殼體內(nèi)鋪設(shè)1層保溫棉，以減小熱損失?；?zé)崞髦虚g用鋼制隔板隔開，被分為上下2個(gè)部分，熱管貫穿隔板，下部為蒸發(fā)段、上部為冷凝段，管內(nèi)有制冷劑，共296根重力熱管，共16排，排列方式為叉排，橫向間距為30mm、縱向間距為40 mm，見圖3。裝煙室尺寸為8 000 mm×2 700 mm×3 500 mm（長×寬×高），送風(fēng)方式為氣流上升式送風(fēng)。溫度測定采用型號(hào)BD-PT100-920鉑電阻溫度傳感器，精確度±0.15 ℃、測量范圍為-30～200 ℃;濕度測定采用型號(hào)為DS33-3-XX-H-T1的數(shù)字式濕度傳感器，精度為±1%;風(fēng)速采用testo-425熱敏風(fēng)速儀測量，精度為±（0.03 m/s+5%測量值），測量范圍為0～20 m/s。

2.2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)于2019年8月進(jìn)行，云南省昆明市石林縣煙草合作社為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)?？痉績?nèi)裝煙3 000 kg，分4層懸掛，供試烤煙品種為K326，按照烤煙3段式烘烤工藝提供所需的溫濕度條件。在相同環(huán)境下進(jìn)行對比試驗(yàn)，分別對2座烤房的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，測點(diǎn)的位置布置見圖2，點(diǎn)1測量進(jìn)回?zé)崞髡舭l(fā)段的氣流溫濕度以及風(fēng)速、點(diǎn)2測出蒸發(fā)段的溫濕度、點(diǎn)3測出熱泵蒸發(fā)器的氣流溫濕度、點(diǎn)4測出回?zé)崞骼淠蔚臏貪穸?、點(diǎn)5測進(jìn)烤房的溫濕度和風(fēng)速。試驗(yàn)分別選取烤煙系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的6個(gè)工況，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并在各個(gè)穩(wěn)定器用量杯收集冷凝水并記錄所需時(shí)間和所用的電量，對比分析顯熱比（ε）和除濕能耗比（SMER）的大小。同時(shí)試驗(yàn)選取了定色期作為研究對象，因?yàn)槎ㄉ谔幱诖罅颗艥耠A段，影響因素的改變對除濕量的影響較為明顯，采用控制變量法在定色期研究進(jìn)口風(fēng)速（v）、相對濕度（RH） 、干球溫度（tg）的改變對帶回?zé)崞飨到y(tǒng)除濕量的影響。

2.3 主要性能指標(biāo)

2.3.1 顯熱比

為了考察系統(tǒng)的除濕能力大小引入顯熱比（ε），它代表在除濕過程中顯熱換熱量在除濕的總換熱量中所占的比例[19]。

ε1-4=cp1-4（T1-T4）h1-h4;（1）

ε1-5=cp1-5（T1-T5）h1-h5。（2）

式中：ε1-4為熱泵烤煙除濕系統(tǒng)的顯熱比;cp1-4為熱泵烤煙除濕過程中循環(huán)空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）;T1、T4分別為循環(huán)空氣進(jìn)、出蒸發(fā)器的溫度，℃;h1、h4分別為循環(huán)空氣進(jìn)出蒸發(fā)器的焓，kJ/kg;ε1-5表示帶回?zé)崞鞯臒岜每緹煶凉裣到y(tǒng)的顯熱比;cp1-5表示帶回?zé)崞鞯臒岜贸凉襁^程中循環(huán)空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）;T5表示空氣出回?zé)崞骼淠蔚臏囟?，?h5表示空氣出回?zé)崞骼淠蔚撵剩琸J/kg。

2.3.2 烤煙系統(tǒng)的除濕能耗比

除濕系統(tǒng)綜合性能的一個(gè)主要指標(biāo)是除濕能耗比（SMER），定義為消耗單位能量所除去煙葉中水分的質(zhì)量[20]，用公式表示為

SMER=Mdeme。（3）

式中：SMER為除濕能耗比，kg/（kW·h）;Mde為從煙葉中去除水分的質(zhì)量，kg;me為系統(tǒng)耗電量，kW·h。

3 結(jié)果與分析

3.1 除濕顯熱比的對比分析

圖4、圖5是根據(jù)煙葉在3段烘烤工藝過程中系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下選取的6個(gè)代表工況，具體工況見表1，然后根據(jù)公式（1）得到顯熱比。

由圖4可知，隨著進(jìn)口空氣溫度的增大，經(jīng)過除濕后的空氣溫度也在增加，無回?zé)崞?、帶回?zé)崞鞯淖畲蟪隹跍囟确謩e為42.82、49.47 ℃，安裝回?zé)崞飨到y(tǒng)的出口溫度明顯高于無回?zé)崞鞯某隹跍囟?，而且隨著進(jìn)口空氣溫度的升高二者的差距也逐漸增大，最大溫度差出現(xiàn)在烤煙的最大出口溫度時(shí)，為6.65 ℃。這是因?yàn)榛責(zé)崞髡舭l(fā)段熱管工質(zhì)蒸發(fā)吸收的熱量，在空氣除濕之后又將吸收的熱量傳遞給了除濕后的空氣，相當(dāng)于對空氣進(jìn)行了1次回?zé)?，因此空氣出帶回?zé)崞飨到y(tǒng)的溫度高于出熱泵除濕系統(tǒng)的溫度。

由圖5可知，隨著進(jìn)口干球溫度的增大，二者的顯熱比趨勢大致相同，都是先減小后增大，這是因?yàn)殡S著烘烤溫度的上升各階段除去水分的質(zhì)量是先增大后減小。帶回?zé)崞鞯娘@熱比與無回?zé)崞鞯娘@熱比相比減少了27.28%～39.19%，這是因?yàn)榛責(zé)崞魑樟艘徊糠诛@熱，所以蒸發(fā)器能夠吸收更多的潛熱，說明帶回?zé)崞鞯臒岜孟到y(tǒng)除濕能力更強(qiáng)。

3.2 烘烤過程中除濕能耗比的對比分析

由圖6可知，無回?zé)崞?、帶回?zé)崞?座烤房的除濕能耗比分別在1.45～3.78、2.25～4.32 kg/（kW·h）之間，回?zé)崞骺梢栽黾?3.24%～54.73%的除濕能耗比，說明帶回?zé)崞飨到y(tǒng)單位能量除去煙葉的水分更多，增加原因主要在于回?zé)崞魍瓿闪丝諝忸A(yù)冷的功能，吸收了循環(huán)空氣的部分顯熱，同時(shí)回?zé)崞饕埠侠砝昧诉@部分顯熱，對除濕后的循環(huán)空氣進(jìn)行預(yù)熱，避免這部分顯熱的浪費(fèi)，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，并隨著進(jìn)口空氣溫度的升高，熱濕空氣自身顯熱的增加，節(jié)能效果更加顯著。

3.3 空氣特性對除濕量的影響

3.3.1 進(jìn)口干球溫度對除濕量的影響

由圖7可知，在保持相對濕度和風(fēng)速不變的情況下，隨著進(jìn)口空氣溫度的增加，帶回?zé)崞飨到y(tǒng)的除濕量也在增加。這是因?yàn)殡S著進(jìn)口空氣溫度的升高，雖然相對濕度不變，但是實(shí)際的含濕量是增大的;同時(shí)隨著干球溫度的升高，回?zé)崞鳠峁芾锩婀べ|(zhì)的蒸發(fā)會(huì)更加劇烈，工質(zhì)冷凝降落的速率也會(huì)加快，沖刷管壁使擾動(dòng)增強(qiáng)，這樣吸收的顯熱也就越多，因此除濕量也隨之增大。

3.3.2 進(jìn)口相對濕度對除濕量的影響

由圖8可知，當(dāng)干球溫度和風(fēng)速不變時(shí)隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大除濕量也在增加，這是因?yàn)榭諝獾南鄬穸仍龃笫箍諝馑乃魵夂吭龃?，?dāng)處理到露點(diǎn)溫度時(shí)，析出的冷凝水也就越多，縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯鰷囟仍礁邉t除濕量在同等濕度下也越大，與圖7相對應(yīng)。

3.3.3 進(jìn)口風(fēng)速對除濕量的影響

由圖9可知，當(dāng)干球溫度和相對濕度不變時(shí)隨著風(fēng)速的增大除濕量大多呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)隨著相對濕度的增加，最大除濕量對應(yīng)的風(fēng)速點(diǎn)向右移動(dòng)，即向風(fēng)速高的方向移動(dòng)。故存在一個(gè)最優(yōu)進(jìn)口風(fēng)速（v′）使除濕量最大，當(dāng)vv′時(shí)，由于流經(jīng)的空氣未能充分交換熱量，所以導(dǎo)致隨著風(fēng)速的增大除濕量又逐漸呈現(xiàn)下降的趨勢。

4 結(jié)論與討論

給熱泵除濕系統(tǒng)添加重力熱管回?zé)崞鲗M(jìn)口熱濕空氣進(jìn)行預(yù)冷，有效提高了熱泵除濕系統(tǒng)的除濕量并對除濕后的空氣進(jìn)行回?zé)?，合理利用了這部分能量，達(dá)到節(jié)能除濕的效果。

回?zé)崞鞯膽?yīng)用顯著降低了熱泵除濕系統(tǒng)的顯熱比，增加了除濕能耗比，在煙葉烘烤的3個(gè)階段顯熱比的降低區(qū)間在27.28%～39.19%之間，除濕能耗比的增加區(qū)間在13.24%～54.73%之間，降低和增加的幅度隨著進(jìn)口空氣溫度的增加而增大。改變空氣的進(jìn)口溫度、相對濕度、風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)增加空氣溫度和相對濕度可以增加除濕量，增加風(fēng)速除濕量先增大后減小，所以烤煙各階段應(yīng)選擇合適的風(fēng)速進(jìn)行除濕。

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