基于碳纖維紅外加熱板的烤煙房設(shè)計(jì)研究

劉鋒濤，葛新鋒

(1.許昌初心智能電氣科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，河南 許昌 461000)

鮮煙葉的烘烤是卷煙生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要的工序，在長(zhǎng)期的卷煙生產(chǎn)過程中已形成完整的烘烤工藝[1]，并依據(jù)這套工藝設(shè)計(jì)了密集烤房[2]，密集烤房以“煙葉容量大、烘烤質(zhì)量高、能量消耗低”的優(yōu)勢(shì)被推廣應(yīng)用[3-4]，在煙葉的烘烤過程中發(fā)揮了重要的作用，因此，密集烤房技術(shù)也就成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)注的熱點(diǎn)，相關(guān)專業(yè)根據(jù)我國(guó)的具體情況對(duì)密集烤房進(jìn)行了改進(jìn)[5]，王龍飛等[6]利用流場(chǎng)分析軟件CFD對(duì)密集烤房的氣流速度場(chǎng)進(jìn)行了分析，優(yōu)化了密集烤房的結(jié)構(gòu)，雖然改進(jìn)了烤房的結(jié)構(gòu)，但密集烤房烘烤過程的能量提供方式仍然是采用燃煤燃燒。

燃煤作為一次能源，燃燒過程中烤房的溫度無(wú)法精確控制，而且煤燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生SO2，CO等有毒有害氣體和粉塵，污染大氣環(huán)境，勞動(dòng)強(qiáng)度大；肖傳友等[7]探討了地溝油作為燃料對(duì)密集烤房進(jìn)行加熱的應(yīng)用潛力，地溝油作為餐飲的廢棄物，如能合理利用能降低烤煙生產(chǎn)過程的成本，但是地溝油在燃燒的過程中需要前處理，還要改進(jìn)密集烤房的燃燒系統(tǒng)，這無(wú)疑提高了烤煙的成本，不利于密集烤房的推廣；蔣篤忠等[8]提出用生物質(zhì)能源作為能量的提供方式對(duì)密集烤房進(jìn)行加熱，生物質(zhì)作為燃料在燃燒的過程中能夠減少污染物的排放，尤其是SO2、CO等有毒有害氣體的排放，但是生物質(zhì)能源在燃燒之前加工的工藝過程復(fù)雜，熱值小，在煙葉烘烤過程中，尤其是定色過程的穩(wěn)溫效果不好，而且增加勞動(dòng)強(qiáng)度。紅外加熱是利用碳纖維在電能的作用下向外輻射能量加熱的一種方式[9-10]，由碳纖維制成紅外加熱板，傳熱方式為面輻射，加熱面積大，升溫速度快，穿透能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的精確控制[11-12]。碳纖維紅外加熱板在農(nóng)作物干燥過程中的應(yīng)用已經(jīng)有了廣泛而深入的研究[13-15]，達(dá)到了比較好的效果。

因此，本研究根據(jù)碳纖維紅外加熱板的加熱特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建基于碳纖維紅外加熱板的烤房，并對(duì)煙葉進(jìn)行烘烤，從外觀和一系列的化學(xué)指標(biāo)對(duì)比，為基于碳纖維紅外加熱烤房的推廣應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 碳纖維紅外加熱烤房的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 烤房的整體結(jié)構(gòu)

碳纖維紅外加熱烤煙房總體結(jié)構(gòu)包括長(zhǎng)方體形狀的烤煙房體、吊煙架,、烘烤系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳纖維紅外加熱烤房結(jié)構(gòu)

烤煙架用來懸掛待烤的煙葉，加熱系統(tǒng)核心部件是單層碳纖維紅外加熱板，由碳纖維紅外加熱板、單頭鉤、雙頭鉤、耐高溫繩索組成。單頭鉤一端固定在墻上，帶鉤的一頭和雙頭鉤的一頭相連，雙頭鉤(可以調(diào)節(jié)繩索的長(zhǎng)度，由于重力和溫升的原因繩索會(huì)伸長(zhǎng)，碳纖維紅外加熱板會(huì)下垂)的另一頭掛耐高溫繩；另一側(cè)對(duì)稱一單頭鉤和雙頭鉤，采用同樣的連接方式。這樣相鄰的兩條繩索構(gòu)成碳纖維紅外加熱板的安裝平臺(tái)。

控制系統(tǒng)由單片機(jī)根據(jù)溫度和濕度傳感器檢測(cè)的溫度和濕度來控制碳纖維紅外加熱板開啟和加熱時(shí)間以及抽濕機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的工作。當(dāng)碳纖維紅外加熱板溫度傳感器測(cè)得溫度達(dá)到極限溫度，而烤煙室溫度傳感器測(cè)得的溫度比較低時(shí)進(jìn)行保溫，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)加速烤煙室的氣流流動(dòng)；當(dāng)烤煙室的濕度傳感器測(cè)得的濕度大于烤煙工藝要求的濕度時(shí)，抽濕機(jī)啟動(dòng)，在密封室進(jìn)行干燥；當(dāng)烤煙室溫度傳感器測(cè)得的溫度大于烤煙工藝要求的溫度時(shí)斷開碳纖維紅外加熱板，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)加速氣流的流動(dòng)；經(jīng)過抽濕機(jī)干燥的空氣經(jīng)上底板重新回到烘烤室，避免熱量的損失。

1.2 碳纖維紅外加熱板的結(jié)構(gòu)和加熱原理

碳纖維紅外加熱板如圖2所示，由上基材層、下基材層、發(fā)熱層依次經(jīng)粘合劑粘貼，經(jīng)高溫密閉熱壓而成。

圖2 碳纖維紅外加熱板的結(jié)構(gòu)示意圖

其中，上基層材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯樹脂、 下基層材質(zhì)為環(huán)氧樹脂玻璃纖維布。加熱層由一層碳纖維導(dǎo)電紙構(gòu)成，為非金屬面狀電阻體，通電后直接將電能轉(zhuǎn)化為輻射熱，而且整個(gè)面上均勻輻射，溫度一致性好。碳纖維紅外加熱板在通電運(yùn)行后，碳原子在電激條件下產(chǎn)生熱反應(yīng)，在面狀電熱板上產(chǎn)生高速布朗運(yùn)動(dòng)，相互撞擊摩擦產(chǎn)生熱量，發(fā)出遠(yuǎn)紅外波，穿透介質(zhì)，均勻散熱[16]。一塊碳纖維紅外加熱板長(zhǎng)寬約 60 cm×90 cm，厚度 2～3 mm，升溫后易形變，通電后發(fā)出 8～15 μm 遠(yuǎn)紅外電磁波，發(fā)熱面溫度高可達(dá) 120 ℃。

2 碳纖維紅外加熱烤房的煙葉烘烤工藝

烘烤在烤煙房進(jìn)行，供烘烤的品種為豫煙11號(hào)，選中部成熟葉為烘烤對(duì)象。煙葉烘烤的基本要求分變黃、定色、干筋3個(gè)階段，總時(shí)長(zhǎng)約 140 h。根據(jù)煙葉的烘烤要求變黃分兩步：第一步，煙葉裝滿烤房后，鼓風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，抽濕機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，碳纖維紅外加熱板以每小時(shí)升溫 1℃的速度將烤房溫度升到 34～38℃，直到煙葉80%以上變到八成黃。第二步，將烤房溫度升高到 40～42℃。抽濕機(jī)處于工作狀態(tài)，使煙葉達(dá)到既變黃又變軟。定色階段烤房?jī)?nèi)溫度以平均2～3 h升溫1℃的速度提高到54～55℃。干筋階段以1℃·h-1的升溫速度使烤房溫度提高到 67～69℃，抽濕機(jī)停止工作。

根據(jù)烘烤要求設(shè)置控制程序，烤房?jī)?nèi)需要升到某個(gè)溫度段時(shí)，通過溫濕度傳感器測(cè)得的溫濕度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)進(jìn)行判斷然后控制碳纖維紅外電熱板加熱程序開關(guān)自動(dòng)打開進(jìn)行加熱； 當(dāng)達(dá)到所需溫度時(shí)，關(guān)閉碳纖維紅外加熱板的程序開關(guān)，立即停止加熱。在變黃期只啟用熱風(fēng)循環(huán)，進(jìn)入排濕階段后同時(shí)用啟用碳纖維紅外加熱板和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)。

3 碳纖維紅外加熱烤房的煙葉烘烤效果

3.1 外觀表現(xiàn)

選同一塊煙田的中部成熟葉在許昌某鄉(xiāng)煙葉烘烤工場(chǎng)進(jìn)行，該鄉(xiāng)共建碳纖維紅外加熱烤房600多座。其中2座采用密集烤房(烤房規(guī)格2.7 m×4 m，裝煙量100～120桿)和58座采用碳纖維紅外加熱烤房(烤房規(guī)格2.7 m×4 m，裝煙量100～120桿)烘烤兩批煙葉，圖3是煤作為燃料的密集烤房烘烤出來的煙葉，圖4是碳纖維紅外加熱板烤房烘烤出來的煙葉。

整體來看傳統(tǒng)煤烘烤出的煙葉比較皺，不平坦，顏色比較暗淡，組織結(jié)構(gòu)致密，葉片干枯，葉片有破損，焦邊現(xiàn)象。采用碳纖維紅外加熱板烘烤出的煙葉葉面比較平坦，顏色整體比較亮，整體呈檸檬黃色，組織結(jié)構(gòu)比較疏松，葉片比較豐滿、厚實(shí)、油潤(rùn)，葉片比較完整，沒有破損，焦邊。

從表1可以看出，采用碳纖維紅外加熱板烘烤出來的煙葉橘黃色和檸檬黃色的比例都高于，青雜煙的比例低于傳統(tǒng)煤作為燃料烘烤的方式，而且采用碳纖維加熱板烘烤出的煙葉片疏松，用工成本和烘烤總成本都有不同程度的降低。

圖3 傳統(tǒng)煤烘烤出的煙葉

圖4 碳纖維紅外加熱板烘烤出的煙葉

表1 傳統(tǒng)煤烘烤的煙葉和碳纖維紅外加熱板烘烤的煙葉外觀質(zhì)量和成本對(duì)比

3.2 化學(xué)指標(biāo)

煙葉的化學(xué)成分是決定煙葉的內(nèi)在品質(zhì)因素之一，目前已發(fā)現(xiàn)的化學(xué)成分多達(dá)5 295種，很多化學(xué)成分的含量都很低，對(duì)煙草質(zhì)量的影響都很小，這里主要探討對(duì)煙草質(zhì)量影響較大，含量相對(duì)較高的化學(xué)成分的影響[17]。

從表2可以看出，采用碳纖維紅外加熱板烘烤的煙葉中總糖和還原糖含量比采用傳統(tǒng)的煤加熱烘烤的煙葉中總糖和還原糖含量有所降低，說明在碳纖維紅外加熱板烘烤煙葉過程中淀粉的轉(zhuǎn)化更加充分；K2O(助燃)的含量有一定程度的提高，Cl(阻燃)含量有一定程度的降低，說明采用碳纖維紅外加熱板烘烤出來的煙葉更能充分燃燒，煙葉的化學(xué)成分有明顯的提高。

表2 傳統(tǒng)煤烘烤的煙葉和碳纖維紅外加熱板烘烤的煙葉主要化學(xué)成分對(duì)比 g·kg-1

由表3可知，采用碳纖維紅外加熱板烘烤煙葉質(zhì)量要優(yōu)于采用煤加熱烘烤的煙葉，其香氣質(zhì)、香氣量、余味都有所提高。

表3 傳統(tǒng)煤烘烤的煙葉和碳纖維紅外加熱板烘烤中部煙葉的質(zhì)量檢測(cè)表

4 結(jié) 論

根據(jù)碳纖維紅外加熱板溫度易控制、無(wú)污染的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于碳纖維紅外加熱板烤煙房。并進(jìn)行了煙葉的烘烤試驗(yàn)。

(1)結(jié)合碳纖維紅外加熱板外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了支撐平臺(tái)和控制系統(tǒng)，根據(jù)煙葉的烘烤工藝進(jìn)行烘烤。

(2)通過和傳統(tǒng)煤作為燃料進(jìn)行烘烤對(duì)比，結(jié)果表明，采用碳纖維紅外加熱板進(jìn)行烘烤的煙葉在外觀上橘黃色煙葉和檸檬黃色煙葉的比例分別提高4.1%和4.5%，青雜煙降低9%，用工成本每公斤降低1.3元，總成本每公斤降低3.5元。

(3)通過和傳統(tǒng)煤作為燃料進(jìn)行烘烤對(duì)比，結(jié)果表明，采用碳纖維紅外加熱板進(jìn)行烘烤的煙葉總糖和還原糖分別低于傳統(tǒng)煤作為燃料的烤房2 g·kg-1和6 g·kg-1，香氣質(zhì)、香氣量分別提高0.5和0.4，總體化學(xué)成分更加適宜，而且碳纖維紅外加熱板溫度容易實(shí)現(xiàn)精確控制，無(wú)污染。