李志國 羅會龍 劉兆宇

摘要：為研究空氣源熱泵煙葉烘烤的系統(tǒng)特征，并為工程實際應(yīng)用提供有意義的參考，本研究測試了1種具加熱及除濕功能的密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)雙壓縮機的運行特征，并基于Solkane軟件對系統(tǒng)進行了熱力性能分析。分析結(jié)果表明，整個煙葉烘烤過程，熱泵加熱子系統(tǒng)和除濕子系統(tǒng)的平均性能系數(shù)分別為2.99和3.08，綜合系統(tǒng)平均性能系數(shù)為3.68，綜合系統(tǒng)瞬時性能系數(shù)最大值為4.19;整個過程的除濕能耗比為2.41 kg/（kW·h）。此外，對比該系統(tǒng)與生物質(zhì)顆?？痉康暮婵境杀景l(fā)現(xiàn)，烘烤得到1 kg干煙葉，該系統(tǒng)較生物質(zhì)顆?？痉抗?jié)約成本54.70%。

關(guān)鍵詞：密閉式熱泵;煙葉烘烤;性能系數(shù)

煙葉烘烤是一個大量耗能的過程[1-2]，若使用燃煤做主要燃料，烤干1 kg煙葉通常需要1.5～2.5 kg 標準煤[3]。但煤炭的燃燒排放是大氣污染的主要污染源之一[4]，且燃煤具有燃燒不穩(wěn)定，熱能利用率低等多種問題。發(fā)展與利用清潔能源進行煙葉烘烤將是今后煙葉密集烘烤的發(fā)展趨勢[5]。趙新帥等將生物質(zhì)顆粒燃料替代煤炭在煙葉烘烤中做了一定應(yīng)用研究，但生物質(zhì)顆粒燃燒依然會排放環(huán)境污染物[6-7]。1950年熱泵干燥技術(shù)以其節(jié)能優(yōu)勢在美國獲取專利后便在工業(yè)領(lǐng)域獲得了迅速發(fā)展應(yīng)用[8-10]。宮長榮等2003年開展熱泵煙葉烘烤研究，研究結(jié)果表明，熱泵自控烘烤設(shè)備利用熱泵加熱和冷凝除濕，充分利用熱能，提高了熱能利用率，提高了烤后煙葉質(zhì)量，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益[11]。賀智謀等研究表明，空氣源熱泵烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)密集烤房，且上等煙率也有所提高[12-13]。孫曉軍等根據(jù)熱泵原理進行了熱泵型煙葉烤房的設(shè)計探究及實例運行，研究結(jié)果表明，熱泵烤房可有效提高煙葉烘烤質(zhì)量，明顯降低烘烤成本[14]。彭宇等使用熱泵并利用太陽能作為輔助熱源，探究了熱泵型太陽能密集烤房的節(jié)能效果，熱泵型太陽能密集烤房比熱泵烤房節(jié)省能耗成本32.86%[15]。Bryan等使用熱泵作為供熱除濕設(shè)備對煙葉進行烘烤除濕，發(fā)現(xiàn)使用熱泵之后的烤房較普通對照烤房烤后煙葉質(zhì)量得到提高，烘烤成本也得到降低[16]。

迄今為止，涉及密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)性能的研究較少。本試驗研究了雙壓縮機密閉式熱泵烤房的系統(tǒng)性能，同時對比其與生物質(zhì)顆?？痉亢婵境杀?。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)主要由壓縮機（2臺）、冷凝器、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外換熱器、膨脹閥、風機和裝煙室等組成，系統(tǒng)裝置見圖1。

系統(tǒng)在冷凝器的前端安裝有功率為1.6 kW的軸流風機1臺，在室內(nèi)蒸發(fā)器上端裝有0.3 kW除濕內(nèi)風機1臺，室外換熱器為頂出風結(jié)構(gòu)，外風機功率為 04 kW。

此系統(tǒng)可實現(xiàn)熱泵加熱和除濕2種功能。系統(tǒng)原理見圖2，熱泵加熱子系統(tǒng)由冷凝器（3）、室外換熱器（6）、加熱壓縮機（7）、外風機（4）、內(nèi)循環(huán)風機（2）組成。熱泵除濕子系統(tǒng)由冷凝器（3）、室內(nèi)蒸發(fā)器（12）、除濕壓縮機（8）、除濕內(nèi)風機（11）、冷凝水通道（10）組成。

熱泵加熱：根據(jù)熱力學第二定律[17]，通過加熱壓縮機（7）消耗電能做功，將室外換熱器（6）內(nèi)的制冷劑液體蒸發(fā)以吸收環(huán)境空氣中的熱量。制冷劑經(jīng)壓縮機（7）做功后變?yōu)楦邷馗邏赫羝筮M入冷凝器（3）冷凝放出大量熱量，熱量被內(nèi)循環(huán)風機（2）從加熱室經(jīng)進風口（1）送入裝煙室對煙葉進行烘烤。此后制冷劑經(jīng)膨脹閥又被送至室外換熱器蒸發(fā)，依此循環(huán)往復。

熱泵除濕：經(jīng)回風口（13）流出的氣流部分或全部經(jīng)過室內(nèi)蒸發(fā)器（6）與制冷劑進行熱交換，將溫濕氣流溫度降低至露點溫度，水蒸氣冷凝排出，降低其水蒸氣分壓力。被除濕后的氣流由除濕內(nèi)風機（11）牽引進入加熱室，經(jīng)冷凝器（3）加熱后送入裝煙室烘烤煙葉。

1.2 試驗材料

煙葉烘烤品種為紅花大金元。供試煙葉按照同一部位、同一時間、成熟度一致的原則，選取中部葉為供試材料。雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)內(nèi)裝3 958.63 kg鮮煙，裝煙方式為3層編竿裝煙。為對比烘烤經(jīng)濟性，采用生物質(zhì)顆?？痉亢婵鞠嗤课粺熑~進行對照，其裝煙量為3 704.70 kg鮮煙，裝煙方式相同。

1.3 試驗方法

雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)及生物質(zhì)顆?？痉亢婵竟に嚲?段式烘烤理論[18]為基礎(chǔ)。雙壓縮機密閉式熱泵烤房中的干球溫度通過加熱壓縮機的啟停控制系統(tǒng)冷凝器放熱，濕球溫度通過除濕壓縮機啟停控制室內(nèi)蒸發(fā)器除濕。

1.4 測定項目

1.4.1 運行特征 試驗測量壓縮機吸氣、排氣溫度。

1.4.2 烘烤成本 設(shè)定煙葉樣品，記錄鮮煙質(zhì)量、干煙質(zhì)量，從而計算整爐鮮煙質(zhì)量、干煙質(zhì)量和鮮干比。記錄熱泵系統(tǒng)烤房用電量，生物質(zhì)顆粒烤房生物質(zhì)顆粒消耗量及耗電量。

1.5 性能指標

雙壓縮機密閉式熱泵子系統(tǒng)運行壓焓（圖3）中理想循環(huán)為1′-2′-4′-5′-1′，實際循環(huán)為1-2-4-5-1。其中實際循環(huán)1-2為制冷劑經(jīng)壓縮機等熵壓縮過程;2-4為制冷劑經(jīng)冷凝器等壓放熱過程;4-5為制冷劑經(jīng)膨脹閥等焓節(jié)流過程;5-1為制冷劑經(jīng)室內(nèi)蒸發(fā)器或室外換熱器等壓吸熱過程。

1.5.1 熱泵系統(tǒng)制熱量 制熱量Q指系統(tǒng)運行時冷凝器產(chǎn)生的熱負荷，由公式（1）確定。

1.5.2 壓縮機耗功及等熵效率 壓縮機理論耗功Wysj是指制冷劑在壓縮機內(nèi)等熵壓縮消耗功率，由公式（2）確定。

1.5.3 性能系數(shù) 表征熱泵性能的參數(shù)為制熱系數(shù)（簡稱COP），定義為熱泵制取的熱量與消耗的能量之比[20]，雙壓縮機密閉式熱泵烤煙子系統(tǒng)的性能系數(shù)COP由公式（4）確定。

2 結(jié)果與分析

為研究雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)性能，試驗選取10個穩(wěn)溫階段（表1），測試壓縮機運行特征，并使用軟件SOLKANE refrigerants對系統(tǒng)進行性能分析。

2.1 壓縮機運行特性分析

不同階段2臺壓縮機的吸氣、排氣溫度變化見圖4。隨著煙葉烘烤所需干球溫度的升高，2臺壓縮機的排氣溫度整體上呈上升趨勢。第10階段，烘烤要求干球溫度為67 ℃時，1#、2#壓縮機排氣溫度分別達到78.2、79.0 ℃。整個過程2#壓縮機排氣溫度均高于1#壓縮機排氣溫度;第5階段處于定色期，煙葉失水速率較大，系統(tǒng)除濕速率要求較大，導致2#壓縮機排氣溫度上升，同時1#壓縮機的排氣溫度降低。不同階段2臺壓縮機吸氣溫度變化范圍較小，整體上1#壓縮機吸氣溫度低于2#壓縮機，2臺壓縮機在不同階段的平均吸氣溫度分別為1#壓縮機10.77 ℃，2#壓縮機22.54 ℃。

不同階段2臺壓縮機壓比及等熵效率見圖5。隨著烘烤溫度的升高，壓縮機的壓比整體上呈上升趨勢，且加熱子系統(tǒng)1#壓縮機壓比相較于除濕子系統(tǒng)2#壓縮機壓比較高，這是因為1#壓縮機排氣、吸氣溫度差大于2#壓縮機排氣、吸氣溫度差;整個烘烤過程，1#壓縮機壓比最大值為4.88，處于第10階段，2#壓縮機壓比最大值為3.59，處于第9階段。此外，1#壓縮機等熵效率平均值為0.826，2#壓縮機等熵效率平均值為0.833，均較高，這得益于2個壓縮機壓比均較低。

2.2 系統(tǒng)性能特性分析

烘烤過程系統(tǒng)制熱量、壓縮功和系統(tǒng)瞬時性能系數(shù)見圖6、圖7。從圖6可看出，系統(tǒng)制熱量與壓縮功變化趨勢相同，均隨烘烤溫度升高而上升。從圖7可看出， 除濕子系統(tǒng)（2#循環(huán)）COP大于加熱子系統(tǒng)（1#循環(huán)），除濕子系統(tǒng)COP平均值為3.08，加熱子系統(tǒng)COP平均值為2.99，綜合系統(tǒng)COP平均值為3.68。在第4階段烘烤要求干球溫度為42 ℃時，整個系統(tǒng)瞬時性能系數(shù)最大，達4.19。

2.3 經(jīng)濟性比較

雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)和生物質(zhì)顆粒烤房烘烤的基本情況和烘烤成本見表2，紅花大金元中部葉干煙烘烤成本為雙壓縮機密閉式熱泵系統(tǒng)烤房1.30元/kg，生物質(zhì)顆?？痉?.87元/kg。干煙烘烤成本，雙壓縮機密閉式熱泵系統(tǒng)烤房比生物質(zhì)顆?？痉康?4.70%。且雙壓縮機密閉式熱泵烤房消耗清潔能源電能，烘烤過程中不會產(chǎn)生對大氣環(huán)境不利的危害氣體，自動化控制高，節(jié)省了大量的人工成本。表明密閉式熱泵烤房在環(huán)保節(jié)能、減工降本方面具有明顯效果，在煙葉烘烤領(lǐng)域具有經(jīng)濟優(yōu)勢。

從表2可以看出，雙壓縮機密閉式熱泵烘烤系統(tǒng)的除濕能耗比（SMER）為2.41 kg/（kW·h），表示平均消耗1 kW·h電能夠從煙葉中去除2.41 kg水分，系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)論

筆者對雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)進行了性能分析研究，該系統(tǒng)具有加熱及除濕功能。研究結(jié)果表明：（1）隨著烘烤溫度的升高，2臺壓縮機排氣溫度整體上升，吸氣溫度整體趨于不變;1#壓縮機壓比最大值為4.88，2#壓縮機壓比最大值為3.59;1# 壓縮機等熵效率平均值為0.826，2#壓縮機等熵效率平均值為0.833。（2）加熱子系統(tǒng)COP平均值為2.99，除濕子系統(tǒng)COP平均值為3.08，綜合系統(tǒng)COP平均值為3.68，綜合系統(tǒng)瞬時性能系數(shù)最大值為4.19;整個烘烤過程的除濕能耗比（SMER）為241，節(jié)能優(yōu)勢明顯。（3）雙壓縮機密閉式熱泵系統(tǒng)烘烤得到干煙的成本為1.30元/kg，而生物質(zhì)顆?？痉繛?.87元/kg，該系統(tǒng)較生物質(zhì)顆?？痉抗?jié)約成本54.70%，在煙葉烘烤領(lǐng)域具有較大經(jīng)濟競爭力。

參考文獻：

[1]Kadete H. Energy conservation in tobacco curing[J]. Energy，1989，14（7）：415-420.

[2]段紹米，羅會龍，劉海鵬. 煙葉密集烤房的研究應(yīng)用進展與改進設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（1）：202-207.

[3]陳坤杰，李娟玲，張瑞合. 熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2000，31（3）：109-111，105.

[4]范沿沿，李建華，林智宗，等. 煙葉烘烤生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計與試驗[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（12）：256-260.

[5]胡小東，晏 飛，鄒聰明，等. 清潔能源在烤煙密集烤房中的應(yīng)用研究進展[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學，2017，45（5）：132-138.

[6]趙新帥，羅會龍，祁志敏.生物質(zhì)顆粒燃料密集烤房與燃煤型密集烤房性能對比研究[J]. 昆明理工大學學報（自然科學版），2019，44（2）：69-74.

[7]徐成龍，蘇家恩，張聰輝，等. 不同能源類型密集烤房烘烤效果對比研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2015，43（2）：264-266.

[8]Neslihan C，Hepbasli A. A review of heat pump drying：part1-Systems，models and studies[J]. Energy Conversion and Management，2009，50（9）：2180-2186.

[9]陳 東，謝繼紅. 熱泵干燥裝置[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[10]孟智勇，宗勝杰，高相彬，等. 熱泵密集烤房不同烘烤工藝效果比較[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（22）：247-251.

[11]宮長榮，潘建斌. 熱泵型煙葉自控烘烤設(shè)備的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（1）：155-158.

[12]賀智謀，邱榮俊，廖成福，等. 空氣能熱泵烤房與傳統(tǒng)密集烤房煙葉烘烤成本及質(zhì)量對比研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（24）：10033，10044.

[13]王娓娓，王高杰，焦桂珍，等. 空氣源熱泵烤房與密集式烤房烤后煙葉質(zhì)量對比[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學，2014，42（5）：493-496.

[14]孫曉軍，杜傳印，王兆群，等. 熱泵型煙葉烤房的設(shè)計探究[J]. 中國煙草學報，2010，16（1）：31-35.

[15]彭 宇，王 剛，馬 瑩，等. 熱泵型太陽能密集烤房烘烤節(jié)能途徑探討[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學，2011，40（8）：215-218.

[16]Bryan W，Maw J，Michael M. Heat pump dehumidification during the curing of flue-cured tobacco[C]. Nashville：The Proceedings of the 41st Tobacco Workers Conference，2004.

[17]李世軍. 排濕熱回收熱泵煙葉烤房及其自動控制的研究[J]. 中國農(nóng)機化學報，2017，38（12）：63-67.

[18]汪伯軍，江厚龍，許安定，等. 三段六步式烘烤工藝研究及應(yīng)用初報[J]. 西南大學學報（自然科學版），2014，36（8）：189-193.

[19]Yan G，Hu H，Yu J L. Performance evaluation on an internal auto-cascade refrigeration cycle with mixture refrigerant R290/R600a[J]. Applied Thermal Engineering，2015，75：994-1000.

[20]胡連營. 地源熱泵技術(shù)講座（二）熱泵循環(huán)與熱泵機組[J]. 可再生能源，2008，26（2）：114-116.云文麗. 河套灌區(qū)向日葵節(jié)水灌溉預報模型研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2021，49（3）：187-191.