閉式循環(huán)熱泵烤房的設(shè)計及其在安康煙區(qū)的烘烤效能研究

柯美福 任杰 朱峰

摘要 針對密集烘烤烤后煙葉欠柔軟、香氣損失等問題，對閉式循環(huán)熱泵烤房進行了優(yōu)化設(shè)計。以常規(guī)開式循環(huán)熱泵烤房為對照，研究了其除濕速率、能耗水平及其對烤后煙葉柔軟度、常規(guī)化學(xué)成分和感官質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：不同烘烤階段冷凝水流出速率有較大差異，變黃末期冷凝水流出速率最高，此后逐漸下降。閉式循環(huán)熱泵烤房干煙烘烤能耗成本較開式循環(huán)熱泵烤房下降0.51元/kg，烤后煙葉寬度收縮率和柔軟度顯著優(yōu)于開式循環(huán)熱泵烤房。閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉感官質(zhì)量綜合得分高于開式循環(huán)熱泵烤房，主要體現(xiàn)在改善了烤后煙葉的香氣量和余味。

關(guān)鍵詞 閉式循環(huán)；開式循環(huán)；冷凝除濕；熱泵；煙葉烘烤

中圖分類號 TS43? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）06-0177-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.039

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Design of Closed Cycle Heat Pump Curing Barn and Its Curing Efficiency in Ankang Tobacco Area

KE Mei-fu1，REN Jie2，ZHU Feng1

（1.Ankang Branch of Shaanxi Tobacco Company，Ankang，Shaanxi 725000;2.Tobacco Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Qingdao，Shandong? 266101）

Abstract Aiming to the problems of less soft and aroma loss of flue-cured tobacco leaves after intensive curing，the closed cycle heat pump curing barn was optimized.The dehumidification rate，energy consumption level and their effects on the softness，conventional chemical composition and sensory quality of flue-cured tobacco leaves were studied，with conventional open heat pump curing barn as control.The results showed that the outflow rate of condensate water in different baking stages was quite different.The outflow rate of condensate water was the highest at the late yellowing stage，and then gradually decreased.The energy consumption cost per kilogram of dry tobacco curing by closed cycle heat pump curing barn was 0.51 yuan lower than that of the conventional open heat pump curing barn.The width shrinkage and softness of flue-cured tobacco leaves were significantly better than those of the conventional open heat pump curing barn.The comprehensive sensory quality score of flue-cured tobacco leaves was higher than that of the conventional open heat pump curing barn，which was mainly reflected in improving the aroma and aftertaste of flue-cured tobacco leaves.

Key words Closed cycle;Open cycle;Condensation dehumidification;Heat pump;Tobacco leaves curing

我國煙葉烘烤絕大多數(shù)采用的是按照國家煙草專賣局2009年418號文件建造的密集烤房，排濕方式均為開放式強制排濕［1］。在煙葉烘烤過程中，當裝煙室內(nèi)相對濕度高于設(shè)定值時，冷風門打開，在循環(huán)風機作用下從外界吸入新鮮干冷空氣，在氣流壓力作用下裝煙室內(nèi)的濕熱空氣經(jīng)由排濕口直接強制排出烤房，以降低烤房內(nèi)的相對濕度［2］。開放式強制排濕效率高，基本解決了因排濕不及時造成烤壞煙葉的問題，但由此也帶來了煙葉干燥速度過快、煙葉收縮幅度小，烤后煙葉欠柔軟等問題［3-4］，影響了煙葉的工業(yè)可用性。此外，烤房內(nèi)高溫、高濕空氣的排出也導(dǎo)致大量的熱量損耗，烘烤過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性香氣成分也會隨之排出烤房，外界干冷空氣的進入也容易導(dǎo)致烤房內(nèi)溫度的劇烈變化，對烤后煙葉質(zhì)量產(chǎn)生不利影響［5］。

為解決現(xiàn)有開式排濕烤房烤后煙葉欠柔軟、香氣損失的問題，近幾年國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)開展了閉式除濕烤房研究［6-10］，但未見其應(yīng)用于煙葉烘烤的報道。筆者前期初步設(shè)計建造了一種閉式循環(huán)熱泵烤房，并對其烘烤效果與燃煤密集烤房進行了比較［5］。在煙葉烘烤過程中，閉式循環(huán)熱泵烤房內(nèi)的循環(huán)空氣不主動與外界進行氣體交換，當裝煙室內(nèi)相對濕度高于設(shè)定值時，閉式循環(huán)熱泵烤房利用熱泵的蒸發(fā)器將濕熱空氣中的水蒸氣冷凝為液態(tài)水，然后排出烤房，水蒸氣冷凝散發(fā)的熱量可以回收利用，減少了熱量的損耗，也最大程度抑制了煙葉烘烤過程可揮發(fā)香氣成分的逸失。但是，該烤房在實際烘烤中存在管路設(shè)計不合理、壓縮機不匹配等問題，采用燃煤密集烤房與其進行烘烤效果對比發(fā)現(xiàn)，燃煤密集烤房用燃煤作為能源，溫濕度控制精度差［11-12］，可能對研究結(jié)果造成一定影響。該研究對閉式循環(huán)熱泵烤房進行優(yōu)化設(shè)計，并用開式循環(huán)熱泵烤房作為對照，系統(tǒng)研究其烘烤效能，以期明確閉式循環(huán)熱泵烤房對煙葉烘烤保香增柔、節(jié)能減排的效果，為改善烤后煙葉香氣量和柔軟度提供新的技術(shù)解決方案。

1 烤房優(yōu)化設(shè)計

在前人研究［5］的基礎(chǔ)上，對閉式循環(huán)熱泵烤房進行了優(yōu)化設(shè)計。閉式循環(huán)熱泵烤房主要由閉式循環(huán)熱泵一體機和裝煙系統(tǒng)兩部分組成，見圖1。其中，閉式循環(huán)熱泵一體機由室外蒸發(fā)器、室內(nèi)蒸發(fā)器、冷凝器、室內(nèi)循環(huán)風機、室外風機、壓縮機、四通換向閥、節(jié)流裝置、除濕電磁閥、吸熱電磁閥、冷凝水盤及出水管、電加熱輔助設(shè)備等組成；裝煙系統(tǒng)由裝煙室、進風口、回風口、冷風門、輔助排濕口等組成。主要優(yōu)化之處如下：①蒸發(fā)器和冷凝器由水平前后放置改為垂直上下放置；②室內(nèi)循環(huán)風機由水平放置改為垂直放置；③壓縮機功率由8.8 kW增至10.3 kW。

閉式循環(huán)熱泵機組設(shè)置于裝煙室外，通過進出風管軟連接，分別與裝煙室的進風口和出風口相連。室內(nèi)循環(huán)風機安裝于冷凝器上方，用于提供循環(huán)氣流流動的動力。冷凝器與壓縮機通過管路連通，室內(nèi)蒸發(fā)器位于冷凝器下方，通過管道與壓縮機連通。閉式循環(huán)熱泵機組還設(shè)有電加熱輔助設(shè)備，設(shè)置于室內(nèi)循環(huán)風機下方、冷凝器上方。室內(nèi)蒸發(fā)器下方設(shè)置有冷凝水盤和出水管，用于收集及排出冷凝水。壓縮機通過控制閥和連接管路連接冷凝器、室內(nèi)蒸發(fā)器和室外蒸發(fā)器。室外風機設(shè)置在室外蒸發(fā)器一側(cè)?？刂崎y包括室外節(jié)流裝置、吸熱電磁閥、室內(nèi)節(jié)流裝置、除濕電磁閥、四通換向閥、單向閥。吸熱電磁閥、室外節(jié)流裝置設(shè)置在冷凝器和室外蒸發(fā)器之間的管道上，除濕電磁閥、室內(nèi)節(jié)流裝置設(shè)置在室內(nèi)蒸發(fā)器和冷凝器之間的管道上。閉式循環(huán)熱泵機組還設(shè)有冷風門，用于控制烤房內(nèi)外氣流的連通和封閉。裝煙室底部兩側(cè)還設(shè)有輔助排濕口，用于輔助外排濕時裝煙室內(nèi)氣體的流出。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

烘烤試驗于2022年8月在陜西省旬陽市豐家?guī)X試驗點進行。供試品種為云煙87，烤煙栽培管理均按照安康市優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)方案實施。

供試烤房為優(yōu)化后的閉式循環(huán)熱泵烤房和開式循環(huán)熱泵烤房。2種不同類型烤房裝煙室規(guī)格均為8.0 m×2.7 m×3.5 m，氣流方向為下降式。

2.2 試驗設(shè)計

設(shè)計閉式循環(huán)熱泵烤房和開式循環(huán)熱泵烤房2個試驗處理。2類烤房采用同質(zhì)鮮煙，按照“同田塊、同熟相、同時采、同時編、同時開烤操作”的要求進行操作。用煙竿編煙分別裝入閉式循環(huán)熱泵烤房和開式循環(huán)熱泵烤房。此外，從所采摘煙葉中挑選鮮煙素質(zhì)基本一致的煙葉10竿，閉式循環(huán)熱泵烤房和開式循環(huán)熱泵烤房各放5竿，分別放在2種烤房的二棚中間位置。采用8點式工藝［13］進行烘烤。

2.3 測定項目和方法

①對2種烤房烤后煙葉依據(jù)烤煙國標GB 2635—1992［14］進行分級，計算各等級比例和均價。②對2種烤房5竿代表性烤后煙葉去除青雜煙后，送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心進行常規(guī)化學(xué)成分分析和感官質(zhì)量評價，總糖、還原糖、總植物堿、總氮、蛋白質(zhì)含量按照文獻［15］方法進行測定，感官質(zhì)量評價按照行業(yè)標準［16］進行。③計算各處理烘烤后干煙烘烤耗電量及能耗成本。④收縮率參照文獻［17］方法進行測定，柔軟度采用RH-R1000 電腦柔軟度儀（廣州潤湖儀器有限公司）測定［18］。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件采用Duncan 法對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 閉式循環(huán)熱泵烤房除濕速率

由圖2可知，閉式循環(huán)熱泵烤房主要通過濕熱空氣冷凝除濕，在烘烤過程中冷凝水流出速率表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。38 ℃時冷凝水流出速率平均為22.35 kg/h，此后逐漸升高，42 ℃（變黃末期）時達到最高，冷凝水流出速率平均為30.40 kg/h;此后冷凝水流出速率逐漸下降，干筋未期（68 ℃）冷凝水流出速率最低，平均值為7.32 kg/h。

3.2 烘烤能耗

從圖3可以看出，在烘烤134 h（50 ℃）之前閉式循環(huán)熱泵烤房總耗電量緩慢勻速增加，烘烤134 h后總耗電量迅速增加。從不同烘烤階段單位時間耗電量來看，烘烤72 h（變黃期）耗電337 kW·h，每小時平均耗電4.68 kW·h。烘烤90 h耗電437 kW·h，對應(yīng)42.1～45.0 ℃階段單位時間耗電量5.56 kW·h。烘烤106 h 耗電542 kW·h，對應(yīng)45.1～47.0 ℃ 階段單位時間耗電量6.56 kW·h。烘烤120 h耗電 647 kW·h，對應(yīng)47.1～50.0 ℃階段單位時間耗電量7.50 kW·h。烘烤134 h耗電 770 kW·h，對應(yīng)50.1～54.0 ℃階段單位時間耗電量8.79 kW·h。烘烤168 h耗電 1 158 kW·h，對應(yīng)54.1～68.0 ℃階段單位時間耗電量11.41 kW·h。

從表1可以看出，干筋期平均每小時耗電量和總耗電量均最大。變黃期雖然平均每小時耗電量最小，但烘烤時間最長，變黃期總耗電量僅次于干筋期。定色后期總耗電量大于定色前期。

從表2可以看出，不同類型烤房能耗成本存在較大差異。開式循環(huán)熱泵烤房需要吸入外界干冷空氣，同時向外界排出濕熱空氣，導(dǎo)致熱量損耗，而閉式循環(huán)熱泵烤房基本不與外界發(fā)生氣體交換，熱量損失少，因此閉式循環(huán)熱泵烤房干煙烘烤耗電量小于開式循環(huán)熱泵烤房，干煙烘烤能耗成本下降0.51元/kg。

52卷6期 柯美福等 閉式循環(huán)熱泵烤房的設(shè)計及其在安康煙區(qū)的烘烤效能研究

3.3 烤后煙葉收縮率和柔軟度

從圖4A可以看出，2種烤房烤后煙葉收縮率具有一定差異。采用冷凝除濕模式的閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉長度收縮率略高于開式循環(huán)熱泵烤房，但差異不顯著（P>0.05）。閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉寬度收縮率顯著高于開式循環(huán)熱泵烤房（P<0.05）。

煙葉柔軟度是表征煙葉抗彎曲阻力與抗滑動摩擦阻力綜合特性的指標。柔軟度越大，表示煙葉抗彎曲能力越強，則煙葉柔軟度越差［19］。煙葉柔軟度與煙葉質(zhì)量呈顯著正相關(guān)［20］。從圖4B可以看出，2種熱泵烤房烤后煙葉柔軟度具有顯著差異。開式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉柔軟度平均值為65.1 mN，而閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉柔軟度平均值為39.5 mN，顯著低于開式循環(huán)熱泵烤房，說明閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉柔軟度優(yōu)于開式循環(huán)熱泵烤房。

3.4 烤后煙葉等級結(jié)構(gòu)和均價 由表3可知，閉式循環(huán)熱泵烤房烤后中部煙葉上等煙比例較開式循環(huán)熱泵烤房提高了23.84 百分點，下等煙比例下降了5.38百分點，均價提高了3.59元/kg。閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉等級結(jié)構(gòu)和均價均優(yōu)于開式循環(huán)熱泵烤房。

3.5 烤后煙葉常規(guī)化學(xué)成分

由表4可知，2種排濕方式烤房對烤后煙葉還原糖、總糖、總植物堿、總氮、蛋白質(zhì)等常規(guī)化學(xué)成分含量的影響不大，2個處理間均不存在顯著差異。2種排濕方式烤房烤后煙葉兩糖比、糖堿比、氮堿比等化學(xué)成分含量均無顯著差異。

3.6 烤后煙葉感官質(zhì)量

由表5可知，2種烤房烤后煙葉感官質(zhì)量在香氣質(zhì)、雜氣、刺激性、燃燒性、灰度方面無明顯差異，但在香氣量、余味指標方面閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉得分略高于開式循環(huán)熱泵烤房，閉式循環(huán)熱泵烤房綜合得分高于開式循環(huán)熱泵烤房。

4 討論

在煙葉烘烤過程中，熱空氣給煙葉提供熱量使其水分不斷蒸發(fā)，引起葉片內(nèi)部和外部壓力的不平衡，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致煙葉收縮［21］。閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉長度收縮率與開式熱泵烤房無顯著差異，但寬度收縮率顯著高于開式循環(huán)熱泵烤房，這可能與2種烤房的排除濕方式有關(guān)。對開式循環(huán)熱泵烤房來說，當烤房內(nèi)濕球溫度高于設(shè)定值時，冷風門開啟，外部干冷空氣在循環(huán)風機作用下進入烤房，在氣流壓力作用下烤房內(nèi)濕熱空氣通過排濕口排出烤房，屬于階段性快排濕［2］，較快的排濕干燥速率導(dǎo)致煙葉表面無法形成水汽飽和層，導(dǎo)致煙葉表面快速干燥形成表面硬化的“硬殼”，將煙葉形狀固定而難以發(fā)生收縮形變［22］。對閉式循環(huán)熱泵烤房來說，濕熱空氣中的水分以冷凝水形式排出，無須過大風速，加上熱泵烤房控溫精度高，可實現(xiàn)煙葉烘烤持續(xù)性慢除濕［5］，在較慢的除濕干燥速率條件下水分從葉片內(nèi)部向外部擴散的速率與表面蒸發(fā)的速率相同，在煙葉表面形成水汽飽和層，葉片中不會形成明顯的水分梯度，使煙葉均勻收縮形變［23］。閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉柔軟度顯著優(yōu)于開式循環(huán)熱泵烤房，這可能與閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉更能充分收縮有關(guān)。研究表明，干燥后物料的收縮形變小，質(zhì)地僵硬［23-24］。

煙葉烘烤過程中不可避免伴隨著熱量的耗散，對燃煤密集烤房來說主要是排濕熱耗散、排煙熱耗散、燃料不完全燃燒損失和維護結(jié)構(gòu)散熱損失等［25］。對開式排濕熱泵烤房來說，主要是排濕熱耗散和維護結(jié)構(gòu)散熱損失等。對閉式循環(huán)熱泵烤房來說，僅存在維護結(jié)構(gòu)散熱損失，濕熱水汽冷凝散發(fā)的熱量可以回收利用，降低了煙葉烘烤能耗，因此閉式循環(huán)熱泵烤房能耗低于開式循環(huán)熱泵烤房。

煙葉烘烤過程中要進行一系列的生理生化反應(yīng)，各種有機物質(zhì)進行分解變成小分子化合物，而這些小分子化合物是煙葉產(chǎn)生香味的根源。該研究結(jié)果表明，閉式循環(huán)熱泵烤房對烤后煙葉香氣量和余味有一定的改善作用。這可能是因為開式循環(huán)熱泵烤房在排濕過程中不僅將大量的熱量帶出裝煙室，而且會將煙葉分解出來的易揮發(fā)有機物質(zhì)帶出室外，從而降低了裝煙室內(nèi)香氣物質(zhì)濃度和烤后煙葉的香氣程度［25］。閉式循環(huán)熱泵烤房則可將易揮發(fā)香氣物質(zhì)留在裝煙室內(nèi)，從而抑制煙葉中易揮發(fā)香氣物質(zhì)的進一步逸失［5］。

綜上所述，閉式循環(huán)熱泵烤房能夠降低煙葉烘烤的能耗，改善煙葉收縮率和柔軟度，提升煙葉感官質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)煙葉保香增柔烘烤。

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