摘要：針對使用燃煤烤房污染大、成本高等問題，研究應(yīng)用一種以變頻熱泵為熱源的智能變頻除濕熱泵烤房，以常規(guī)電熱泵供熱烤房和燃煤密集烤房為對照，對比分析該型烤房在烘烤能耗、煙葉質(zhì)量等方面的差異。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)燃煤型密集烤房相比，EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房能耗成本可降低40.8%；與普通熱泵烤房相比，節(jié)能效果可達(dá)14.9%?？竞鬅熑~結(jié)構(gòu)疏松，香氣量足，油分增多，上等煙比例可提高3%～5%（絕對值）。綜合分析，該型烤房可為優(yōu)化當(dāng)前密集烤房供熱方式、改善烘烤性能、推動煙葉烘烤降本增效提供借鑒。

關(guān)鍵詞：煙葉；烘烤；變頻熱泵；閉式；除濕；研究

中圖分類號：S572文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：0253?2301（2024）04?0056?04

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.04.010

Research and Application of EACHTCS Intelligent Frequency Conversion Dehumidification HeatPump Curing Barn

GUO Quan-wei1 ，F(xiàn)AN Zeng-bo1 ，ZHANG Cheng-shuang1 ，WANG Yu-hua1 ，ZHANG Yong1 ，SONG De-wei1 ，WANG Xiang2

（1. Shandong Weifang Tobacco Co.， Ltd.， Weifang， Shandong 261205， China;

2. Shandong Yunda New Energy Technology Co.， Ltd.， Weifang， Shandong 261200， China）

Abstract： Aiming at the problems of severe pollution and high cost in using the coal-fired curing barn， an intelligent frequency conversion dehumidification heat pump curing barn with frequency conversion heat pump as the heat source was studied and applied. By taking the conventional electric heat pump heating bakery and the coal-fired bulk curing barn as the control， the differences in the baking energy consumption and tobacco leaf quality were compared and analyzed. Theresultsshowedthatcomparedwiththetraditionalcoal-firedintensivebakinghouses，theenergy consumption cost of EACHTCS intelligent frequency conversion dehumidification heat pump curing barn could be reduced by 40.8%. Compared with the ordinary heat pump curing barn， the energy-saving effect could reach 14.9%. After baking， the structure of tobacco leaves was loose， the aroma was sufficient， and the oil content was increased. The proportion of high-quality tobacco could be increased by 3%?5%（absolute value）. Based on the comprehensive analysis， this type of curing barn could provide reference for optimizing the heating mode of the current intensive baking rooms， improving the baking performance， and promoting the cost reduction and efficiency increase of tobacco leaf curing.

Key words： Tobacco leaves；Baking；Variable frequency heat pump；Closed；Dehumidifying；Research

雙碳背景下，熱泵供熱烤煙已成為煙葉烘烤領(lǐng)域重點研究方向[1?2]。呂君等[3]通過研究，發(fā)現(xiàn)使用熱泵烤房，公斤干煙烘烤成本較燃煤烤房降低0.85元·kg?1。聶榮邦等[4]研究表明，使用熱泵烤房，上等煙比例較傳統(tǒng)燃煤烤房平均高出5.8%。李志國[5]研究結(jié)果顯示，閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤較生物質(zhì)顆粒烘烤和燃煤烘烤在節(jié)能減排、減工降本、提質(zhì)增效方面有明顯優(yōu)勢，具有良好的節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，圍繞能源替代，相關(guān)人員在熱源裝置、裝煙方式和密度、控制邏輯等方面對傳統(tǒng)烤房進(jìn)行了深入研究，并取得了較好的業(yè)績。但相關(guān)理念仍采用單一的熱源替換，簡單解決環(huán)保問題，能源消耗不理想，煙葉烘烤品質(zhì)未考慮；同時，仍沿用開放式排氣除濕法，排濕氣流中含大比重的致香物及其有益成分，隨濕氣排出烤房外，導(dǎo)致烘烤后的煙葉香氣含量降低、顏色變淡、油分減少、煙葉品質(zhì)不高等[6]。本研究以變頻熱泵供熱系統(tǒng)應(yīng)用為切入點，采用閉式循環(huán)除濕，在實現(xiàn)節(jié)能減排降本基礎(chǔ)上，降低了煙葉香氣的排放量，保證了煙葉內(nèi)在質(zhì)量。

1工作原理與建造方法

1.1工作原理

1.1.1供熱系統(tǒng)“EACHTCS 智能熱泵”主要由蒸發(fā)器、冷凝器、變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥、溫度與濕度傳感器、冷凝水回收器等部分組成。其工作腔分為內(nèi)外兩套裝置，一個系統(tǒng)可以制熱亦可制冷，原理相同。依靠壓縮機(jī)把氣態(tài)的介質(zhì)提高壓力和溫度后，冷凝器中放熱凝為液態(tài)，再經(jīng)過電子膨脹閥膨脹，進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，相變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)，氣態(tài)介質(zhì)進(jìn)入變頻壓縮機(jī)，至此完成了介質(zhì)的閉路循環(huán)。內(nèi)回路負(fù)責(zé)制冷除濕，外回路負(fù)責(zé)制熱提溫[7?8]。其變頻壓縮機(jī)的頻率，隨溫度變化實時跟蹤，解決了定頻壓縮機(jī)因起停時間過長造成的溫度滯后問題。

1.1.2排濕系統(tǒng)針對傳統(tǒng)烤房通過排濕口，將濕熱氣體排出，同時進(jìn)入等量的低溫干空氣，維持烤房內(nèi)的平衡，進(jìn)出均損失熱能，降低了能效比，此為開路排氣濕法，該型烤房采用冷凝液化除濕代替排氣除濕。系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器、排液管等組成，其工作原理：烤房內(nèi)的濕空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動下內(nèi)部循環(huán)，濕熱空氣通過低溫蒸發(fā)器時，遇冷凝露，液化成液態(tài)水排到儲液罐中，同時冷凝端的熱量，釋放在烤房內(nèi)，此循環(huán)為閉路，無外界空氣參與，熱能未流失。閉路制冷除濕的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開路排掉的能量，節(jié)能明顯，且保留了有效的煙葉成分，同時析出的液態(tài)水放在儲液罐中，回潮時使用，也避免了水的二次污染。

1.1.3烘烤工藝根據(jù)變頻循環(huán)式熱泵的特點，改變布煙結(jié)構(gòu)，利用煙葉除濕的冷凝水，返補(bǔ)給干煙葉，形成“四段六步除濕法”煙葉烘烤工藝，即變黃期、定色期、干筋期、回潮期4個階段，變黃、凋萎、變筋、烤桔、干筋、回潮6步措施。針對各烘烤階段需要的風(fēng)速風(fēng)量不同，當(dāng)烤房內(nèi)部濕量增加時，烤房內(nèi)的壓縮機(jī)頻率自動跟蹤，匹配濕度的增量，制冷液化析出液態(tài)水，保持烤房內(nèi)溫濕度的平衡，避免掛灰、青筋現(xiàn)象。因4個階段中熱量不等，變頻壓縮機(jī)的頻率與溫度成正比例，AI 自學(xué)習(xí)式 PID 算法實時跟蹤，保持輸入輸出等量，精確到一位小數(shù)，除濕端吸熱制冷，放熱端內(nèi)部無損放熱，從而節(jié)約能源。

1.2建造方法

該系統(tǒng)將熱能、烤房、風(fēng)道、烘烤工藝、布煙及裝卸進(jìn)行全面升級，將其全部納入一個系統(tǒng)，從全局考慮問題，改進(jìn)了傳統(tǒng)烤煙房與烤煙工藝中的不足，著眼整體，優(yōu)化了整個烘烤過程。

1.3循環(huán)風(fēng)道

傳統(tǒng)密集烤房，人為控制裝煙量與空間比例，品質(zhì)與產(chǎn)量很難兼得；人為地壓縮煙葉間空隙，反而增加風(fēng)速風(fēng)壓的強(qiáng)循環(huán)，增大煙葉間的風(fēng)流量，此與煙葉的水分蒸發(fā)速率非線性比例，惡性循環(huán)，背離烘烤高品質(zhì)煙葉課題。根據(jù)靜壓箱的原理，該型烤房設(shè)計了擋風(fēng)板與孔板，使循環(huán)風(fēng)壓力更小，更柔均勻地流過煙葉間，并將循環(huán)風(fēng)機(jī)更換為變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)烘烤工藝及溫濕度，實時調(diào)速，并配合布煙方式組合使用，達(dá)到柔烤香烤的目的。

1.4布煙方式

傳統(tǒng)的裝煙方式為固定煙梁平推式，在烤煙房內(nèi)的兩側(cè)墻壁上，預(yù)制支架，通過人工，在烤煙房的狹小空間中裝卸煙桿，裝煙不均，數(shù)量不等，煙葉間的風(fēng)道縫隙無法暢通，造成每爐的烘烤成品有差異；裝煙、卸煙不便、效率低下。

“EACHTCS 智能熱泵烤煙系統(tǒng)”結(jié)合現(xiàn)狀特點，優(yōu)化并匹配新型熱源及工藝，設(shè)計了“波浪定位移動式布煙車”，變平板布煙為立體波浪式布煙，提高煙葉跟熱風(fēng)，在單位時間內(nèi)的換熱率，從而同步了除濕的速率與煙葉內(nèi)部水分蒸發(fā)的速率，精準(zhǔn)分離，提升了煙葉品質(zhì)；同時，煙葉編織好后，在烤房外輕松裝入，或晾或烤，都可直接進(jìn)入烤房，卸煙如同裝煙，方便快捷，效率高，損失小；所有烤房通用，可任意組合，每個烤煙房按4個小車設(shè)計。

2試驗設(shè)計

EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房研究始于2021年，試驗于2021?2023年在臨朐、諸城煙葉烘烤工場進(jìn)行。試驗將中煙特香301作為供試品種，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)組織實施。供試烤房為 EACHTCS智能變頻除濕熱泵烤房，由傳統(tǒng)密集烤房改建而成；以常規(guī)定頻熱泵烤房（CK1）和燃煤密集烤房（CK2）作為對照。供試煙葉來自當(dāng)?shù)赝粺熑~農(nóng)場。3種不同配置烤房土建規(guī)格均為8 m ×2.7 m×3.5 m。

采收成熟中部、上部煙葉，處理與對照所用煙葉品種、部位、成熟度與鮮煙素質(zhì)基本相同，全部采用煙桿編煙；同時，分別從處理爐和對照爐二棚中間位置挑選20桿鮮煙素質(zhì)基本一致的煙葉進(jìn)行外觀和內(nèi)在質(zhì)量評價。烘烤采用“四段六步除濕”煙葉烘烤工藝。

3結(jié)果與分析

3.1煙葉烘烤成本

由表1可知，常規(guī)定頻熱泵烤房（CK1）折合1 kg 干煙耗電2.16 kwh ，耗電成本1.21元；燃煤密集烤房（CK2）折合1 kg 干煙煤電成本1.74元。EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房1 kg 干煙能耗成本僅為1.03元，較常規(guī)電熱泵供熱烤房降低0.18元，節(jié)能效果達(dá)到14.9%；較燃煤密集烤房降低0.71元，節(jié)能效果達(dá)到40.8%。

3.2烤后煙葉等級質(zhì)量

由表2可知，EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房烤后煙葉桔黃煙、上等煙比例與常規(guī)定頻熱泵烤房差異不明顯，與燃煤密集烤房差異明顯，其中，桔黃煙比例高出燃煤密集烤房4%（絕對值），上等煙比例高出10%（絕對值），雜色煙降低4%（絕對值）。通過計產(chǎn)計值，EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房烤后煙葉均價較常規(guī)定頻熱泵烤房、燃煤密集烤房分別高出0.57、1.64元·kg?1。EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房烤后煙葉鮮干比最小。

3.3烤后煙葉化學(xué)成分及評吸結(jié)果

煙葉化學(xué)成分檢測結(jié)果（表3）表明，EAC-HTCS 智能變頻除濕熱泵烤房與常規(guī)定頻熱泵烤房、燃煤密集烤房總糖、還原糖兩項指標(biāo)總體適宜，化學(xué)成分協(xié)調(diào)性較好，鉀、氯、煙堿等指標(biāo)在處理間稍有差異但均在適宜范圍內(nèi)。感官評吸總體評價（表4）差異不明顯，EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房得分高于常規(guī)定頻熱泵烤房與燃煤密集烤房，香氣量稍有增加。

4討論與結(jié)論

4.1討論

EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房由于采用變頻熱泵加熱及冷凝除濕系統(tǒng)，變頻循環(huán)熱風(fēng)，密封性良好，熱利用率高，有效降低烘烤成本達(dá)40%以上，與任杰[9]研究結(jié)果基本一致。熱泵的耗電量與烤房內(nèi)溫度成反比，濕度增加能耗降低，尤其是后期的定色、干筋階段，排出的濕空氣溫度高體量大，相反制熱效率高，節(jié)能效果好。整個烘烤過程中，均以電能供熱，屬清潔能源，實現(xiàn)了煙葉烘烤的廢物零排放，社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)四段六步法的烘烤工藝溫濕度的要求，控制壓縮機(jī)自動開關(guān)機(jī)，保證烤房內(nèi)的溫度平衡，從根本上杜絕了烤青和掛灰問題。整個烘烤過程人員少，自動化程度高，烘烤人員成本降低顯著。

從烤后中部煙葉的外觀品質(zhì)評價來看，EAC- HTCS 智能變頻除濕熱泵烤房烤出的煙葉品質(zhì)明顯優(yōu)于煤源烤房，烤后色澤鮮亮而飽滿，葉片正反面顏色均勻，油分足而柔軟，組織結(jié)構(gòu)疏松。變頻熱泵烤房控溫精準(zhǔn)，葉片變黃充分，烤后煙葉中上等比例高于煤源烤房，經(jīng)濟(jì)效益提高顯著。通過中部煙葉的產(chǎn)值比分析，EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房控溫精準(zhǔn)，溫濕度均衡提升，明顯提高了煙葉的烘烤質(zhì)量，烘烤后，中上等煙葉的比例很高。結(jié)合評吸結(jié)果看，EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房，在節(jié)約成本的同時，明顯提高了初烤煙葉的評吸品質(zhì)。研究結(jié)果與張紀(jì)利等[10]相關(guān)研究得出的結(jié)論基本相同。

4.2結(jié)論

EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房以變頻熱泵代替定頻熱泵提供熱源，實現(xiàn)了節(jié)能降耗；由開路排風(fēng)式排濕優(yōu)化為閉路除濕，烘烤冷凝過程中熱量得到回收利用，廢水及廢氣實現(xiàn)零排放；頂部安裝多孔式分風(fēng)板，配合五層交叉移動掛煙方式，可顯著降低烘烤過程葉間風(fēng)速；使用變頻風(fēng)機(jī)代替高低速風(fēng)機(jī)，保證了烘烤全過程最佳風(fēng)速匹配，進(jìn)一步提升了烤后煙葉質(zhì)量。

EACHTCS 智能變頻除濕熱泵烤房具有節(jié)能減排、提質(zhì)增效的優(yōu)點。與傳統(tǒng)燃煤型密集烤房相比，能耗成本可降低40%以上；與普通熱泵烤房相比，節(jié)能效果可達(dá)10%以上?？竞鬅熑~結(jié)構(gòu)疏松，香氣量足，油分增多，上等煙比例可提高3%～5%。該型烤房可為優(yōu)化當(dāng)前密集烤房供熱方式、改善烘烤性能、推動煙葉烘烤降本增效提供借鑒。

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（責(zé)任編輯：林玲娜）