柯美福 任杰 朱峰

摘要 針對(duì)密集烘烤烤后煙葉欠柔軟、香氣損失等問(wèn)題，對(duì)閉式循環(huán)熱泵烤房進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以常規(guī)開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房為對(duì)照，研究了其除濕速率、能耗水平及其對(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)式循環(huán)；冷凝除濕；熱泵；煙葉烘烤

中圖分類號(hào) TS43? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2024）06-0177-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.039

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guó)煙葉烘烤絕大多數(shù)采用的是按照國(guó)家煙草專賣局2009年418號(hào)文件建造的密集烤房，排濕方式均為開(kāi)放式強(qiáng)制排濕［1］。在煙葉烘烤過(guò)程中，當(dāng)裝煙室內(nèi)相對(duì)濕度高于設(shè)定值時(shí)，冷風(fēng)門(mén)打開(kāi)，在循環(huán)風(fēng)機(jī)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(qiáng)制排出烤房，以降低烤房?jī)?nèi)的相對(duì)濕度［2］。開(kāi)放式強(qiáng)制排濕效率高，基本解決了因排濕不及時(shí)造成烤壞煙葉的問(wèn)題，但由此也帶來(lái)了煙葉干燥速度過(guò)快、煙葉收縮幅度小，烤后煙葉欠柔軟等問(wèn)題［3-4］，影響了煙葉的工業(yè)可用性。此外，烤房?jī)?nèi)高溫、高濕空氣的排出也導(dǎo)致大量的熱量損耗，烘烤過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性香氣成分也會(huì)隨之排出烤房，外界干冷空氣的進(jìn)入也容易導(dǎo)致烤房?jī)?nèi)溫度的劇烈變化，對(duì)烤后煙葉質(zhì)量產(chǎn)生不利影響［5］。

為解決現(xiàn)有開(kāi)式排濕烤房烤后煙葉欠柔軟、香氣損失的問(wèn)題，近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了閉式除濕烤房研究［6-10］，但未見(jiàn)其應(yīng)用于煙葉烘烤的報(bào)道。筆者前期初步設(shè)計(jì)建造了一種閉式循環(huán)熱泵烤房，并對(duì)其烘烤效果與燃煤密集烤房進(jìn)行了比較［5］。在煙葉烘烤過(guò)程中，閉式循環(huán)熱泵烤房?jī)?nèi)的循環(huán)空氣不主動(dòng)與外界進(jìn)行氣體交換，當(dāng)裝煙室內(nèi)相對(duì)濕度高于設(shè)定值時(shí)，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(guò)程可揮發(fā)香氣成分的逸失。但是，該烤房在實(shí)際烘烤中存在管路設(shè)計(jì)不合理、壓縮機(jī)不匹配等問(wèn)題，采用燃煤密集烤房與其進(jìn)行烘烤效果對(duì)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(duì)研究結(jié)果造成一定影響。該研究對(duì)閉式循環(huán)熱泵烤房進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房作為對(duì)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(duì)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?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

在前人研究［5］的基礎(chǔ)上，對(duì)閉式循環(huán)熱泵烤房進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。閉式循環(huán)熱泵烤房主要由閉式循環(huán)熱泵一體機(jī)和裝煙系統(tǒng)兩部分組成，見(jiàn)圖1。其中，閉式循環(huán)熱泵一體機(jī)由室外蒸發(fā)器、室內(nèi)蒸發(fā)器、冷凝器、室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、四通換向閥、節(jié)流裝置、除濕電磁閥、吸熱電磁閥、冷凝水盤(pán)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(jìn)風(fēng)口、回風(fēng)口、冷風(fēng)門(mén)、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(fēng)機(jī)由水平放置改為垂直放置；③壓縮機(jī)功率由8.8 kW增至10.3 kW。

閉式循環(huán)熱泵機(jī)組設(shè)置于裝煙室外，通過(guò)進(jìn)出風(fēng)管軟連接，分別與裝煙室的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口相連。室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)安裝于冷凝器上方，用于提供循環(huán)氣流流動(dòng)的動(dòng)力。冷凝器與壓縮機(jī)通過(guò)管路連通，室內(nèi)蒸發(fā)器位于冷凝器下方，通過(guò)管道與壓縮機(jī)連通。閉式循環(huán)熱泵機(jī)組還設(shè)有電加熱輔助設(shè)備，設(shè)置于室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)下方、冷凝器上方。室內(nèi)蒸發(fā)器下方設(shè)置有冷凝水盤(pán)和出水管，用于收集及排出冷凝水。壓縮機(jī)通過(guò)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(fēng)機(jī)設(shè)置在室外蒸發(fā)器一側(cè)。控制閥包括室外節(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(jī)組還設(shè)有冷風(fēng)門(mén)，用于控制烤房?jī)?nèi)外氣流的連通和封閉。裝煙室底部?jī)蓚?cè)還設(shè)有輔助排濕口，用于輔助外排濕時(shí)裝煙室內(nèi)氣體的流出。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

烘烤試驗(yàn)于2022年8月在陜西省旬陽(yáng)市豐家?guī)X試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)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(shí)施。

供試烤房為優(yōu)化后的閉式循環(huán)熱泵烤房和開(kāi)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?yàn)橄陆凳健?/p>

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)閉式循環(huán)熱泵烤房和開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房2個(gè)試驗(yàn)處理。2類烤房采用同質(zhì)鮮煙，按照“同田塊、同熟相、同時(shí)采、同時(shí)編、同時(shí)開(kāi)烤操作”的要求進(jìn)行操作。用煙竿編煙分別裝入閉式循環(huán)熱泵烤房和開(kāi)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(kāi)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(diǎn)式工藝［13］進(jìn)行烘烤。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

①對(duì)2種烤房烤后煙葉依據(jù)烤煙國(guó)標(biāo)GB 2635—1992［14］進(jìn)行分級(jí)，計(jì)算各等級(jí)比例和均價(jià)。②對(duì)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(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行常規(guī)化學(xué)成分分析和感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，總糖、還原糖、總植物堿、總氮、蛋白質(zhì)含量按照文獻(xiàn)［15］方法進(jìn)行測(cè)定，感官質(zhì)量評(píng)價(jià)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［16］進(jìn)行。③計(jì)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(xiàn)［17］方法進(jìn)行測(cè)定，柔軟度采用RH-R1000 電腦柔軟度儀（廣州潤(rùn)湖儀器有限公司）測(cè)定［18］。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件采用Duncan 法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)濕熱空氣冷凝除濕，在烘烤過(guò)程中冷凝水流出速率表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。38 ℃時(shí)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(shí)達(dá)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(shí)間耗電量來(lái)看，烘烤72 h（變黃期）耗電337 kW·h，每小時(shí)平均耗電4.68 kW·h。烘烤90 h耗電437 kW·h，對(duì)應(yīng)42.1～45.0 ℃階段單位時(shí)間耗電量5.56 kW·h。烘烤106 h 耗電542 kW·h，對(duì)應(yīng)45.1～47.0 ℃ 階段單位時(shí)間耗電量6.56 kW·h。烘烤120 h耗電 647 kW·h，對(duì)應(yīng)47.1～50.0 ℃階段單位時(shí)間耗電量7.50 kW·h。烘烤134 h耗電 770 kW·h，對(duì)應(yīng)50.1～54.0 ℃階段單位時(shí)間耗電量8.79 kW·h。烘烤168 h耗電 1 158 kW·h，對(duì)應(yīng)54.1～68.0 ℃階段單位時(shí)間耗電量11.41 kW·h。

從表1可以看出，干筋期平均每小時(shí)耗電量和總耗電量均最大。變黃期雖然平均每小時(shí)耗電量最小，但烘烤時(shí)間最長(zhǎng)，變黃期總耗電量?jī)H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(kāi)式循環(huán)熱泵烤房需要吸入外界干冷空氣，同時(shí)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(kāi)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(jì)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(zhǎng)度收縮率略高于開(kāi)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(kāi)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(dòng)摩擦阻力綜合特性的指標(biāo)。柔軟度越大，表示煙葉抗彎曲能力越強(qiáng)，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(kāi)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(kāi)式循環(huán)熱泵烤房，說(shuō)明閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉柔軟度優(yōu)于開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房。

3.4 烤后煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)和均價(jià) 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(kāi)式循環(huán)熱泵烤房提高了23.84 百分點(diǎn)，下等煙比例下降了5.38百分點(diǎn)，均價(jià)提高了3.59元/kg。閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)和均價(jià)均優(yōu)于開(kāi)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(duì)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(gè)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(wú)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(wú)明顯差異，但在香氣量、余味指標(biāo)方面閉式循環(huán)熱泵烤房烤后煙葉得分略高于開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房，閉式循環(huán)熱泵烤房綜合得分高于開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房。

4 討論

在煙葉烘烤過(guò)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(zhǎng)度收縮率與開(kāi)式熱泵烤房無(wú)顯著差異，但寬度收縮率顯著高于開(kāi)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(duì)開(kāi)式循環(huán)熱泵烤房來(lái)說(shuō)，當(dāng)烤房?jī)?nèi)濕球溫度高于設(shè)定值時(shí)，冷風(fēng)門(mén)開(kāi)啟，外部干冷空氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入烤房，在氣流壓力作用下烤房?jī)?nèi)濕熱空氣通過(guò)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(wú)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(duì)閉式循環(huán)熱泵烤房來(lái)說(shuō)，濕熱空氣中的水分以冷凝水形式排出，無(wú)須過(guò)大風(fēng)速，加上熱泵烤房控溫精度高，可實(shí)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(kuò)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(huì)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(kāi)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(guò)程中不可避免伴隨著熱量的耗散，對(duì)燃煤密集烤房來(lái)說(shuō)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(hù)結(jié)構(gòu)散熱損失等［25］。對(duì)開(kāi)式排濕熱泵烤房來(lái)說(shuō)，主要是排濕熱耗散和維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱損失等。對(duì)閉式循環(huán)熱泵烤房來(lái)說(shuō)，僅存在維護(hù)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(kāi)式循環(huán)熱泵烤房。

煙葉烘烤過(guò)程中要進(jìn)行一系列的生理生化反應(yīng)，各種有機(jī)物質(zhì)進(jìn)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(duì)烤后煙葉香氣量和余味有一定的改善作用。這可能是因?yàn)殚_(kāi)式循環(huán)熱泵烤房在排濕過(guò)程中不僅將大量的熱量帶出裝煙室，而且會(huì)將煙葉分解出來(lái)的易揮發(fā)有機(jī)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(jìn)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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