李磊磊 陳波 李家春 何俊杰

摘要：針對(duì)普通燃煤烤房能源消耗大、污染環(huán)境和生物質(zhì)燃料烤房存在較大的安全隱患等問題，對(duì)普通烤房進(jìn)行改造，引入空氣源熱泵系統(tǒng)，利用流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)烤房不同氣流形式結(jié)構(gòu)、裝煙室地面分風(fēng)坡結(jié)構(gòu)、加熱室底部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的烘烤過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得烘烤性能最優(yōu)的烤房結(jié)構(gòu)形式；同時(shí)對(duì)溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)烤房溫濕度的精準(zhǔn)調(diào)控，最后開展節(jié)能應(yīng)用效果和溫濕度操控性能正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的空氣源熱泵烤房與普通燃煤烤房和生物質(zhì)燃料烤房相比，能源消耗減少，平均烘干1 kg煙葉可分別節(jié)約0.77元和0.35元，煙農(nóng)節(jié)能增收成效顯著；在溫濕度調(diào)節(jié)上更加準(zhǔn)確靈敏，煙葉烘烤質(zhì)量明顯提高。

關(guān)鍵詞：煙葉烘烤；空氣源熱泵；密集烤房；數(shù)值模擬；溫濕度

中圖分類號(hào)：TK172? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0081-09

Optimum design of high efficiency air source heat pump barn

Li Leilei1， Chen Bo2， Li Jiachun2， He Junjie2

（1. Bijie City Tobacco Company of Guizhou Province， Bijie， 551700， China；2. School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang， 550025， China）

Abstract：

Aiming at the problems such as large energy consumption and environmental pollution in the ordinary coal-fired barn， and a big security risks in biomass fuel baking room， the air source heat pump system was introduced into the ordinary baking room， and the fluid mechanics software FLUENT was used to conduct the numerical simulation of the baking process of different air flow structure， the ground slope structure of the loading chamber and the bottom baffle structure of the heating chamber， so as to obtain the best baking performance of the grill structure. At the same time， the temperature and humidity control system was designed to realize the precise control of the temperature and humidity of the baking room. Finally， the orthogonal experiment of energy saving application effect and temperature and humidity control performance was carried out. The experimental results showed that the energy consumption of the air source heat pump barn designed in this paper was reduced compared with the ordinary coal-fired barn and the biomass fuel barn. The average drying of 1kg tobacco leaves could save 0.77 yuan and 0.35 yuan respectively， and the energy saving and income increase of tobacco farmers were remarkable. The temperature and humidity regulation is more accurate and sensitive， and the baking quality of tobacco leaves is obviously improved.

Keywords：tobacco leaf roasting; air source heat pump; intensive barn; numerical simulation; temperature and humidity levels

0 引言

煙葉產(chǎn)業(yè)是國家稅收的重要來源，煙葉的品質(zhì)影響著煙葉產(chǎn)業(yè)的銷售，煙葉烘烤過程是決定煙葉品質(zhì)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而烤房設(shè)備是影響煙葉烘烤品質(zhì)的關(guān)鍵因素。幾十年來，煙葉烤房經(jīng)歷了從自然通風(fēng)烤房到熱風(fēng)循環(huán)烤房再到如今使用最為廣泛的密集型烤房，顯著減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了煙葉的烘烤品質(zhì)［1］。但普通燃煤密集型烤房仍存在烘烤效率低、環(huán)境污染大及煙葉上存在附著物等問題。近年來，為了獲得結(jié)構(gòu)形式更佳，更有利于烘烤、綠色節(jié)能的烤房設(shè)備，技術(shù)人員在密集烤房的基礎(chǔ)上研發(fā)出各種新型烤房，如生物質(zhì)燃料烤房，其有著改造和使用成本低、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)呈現(xiàn)出廣闊的市場應(yīng)用前景［2］。但由于生物質(zhì)燃料使用的是秸稈、鋸末、甘蔗渣、稻糠等材料，存在爐內(nèi)爆燃、向外噴火引起火災(zāi)和斷料降溫烤壞煙葉等隱患，且仍有污染物排放，因此以清潔能源為代表的空氣源熱泵烤房應(yīng)運(yùn)而生［3， 4］。

而空氣源熱泵通過卡諾循環(huán)原理，將低品位熱源空氣的能量轉(zhuǎn)移至溫度更高的地方，通過這種方式減少了資源損耗，因此空氣源熱泵烤房已經(jīng)逐漸取代燃煤烤房的使用［57］。為了使空氣源熱泵烤房的烘烤效率和烘烤質(zhì)量提升，吳恩彪等［8］通過添加余熱回收裝置進(jìn)行輔助供熱，避免了因裝煙室的高溫濕氣隨氣流交換直接被排放到烤房之外而造成熱量損失；王永喬［9］搭建了一套太陽能—空氣源熱泵雙熱源供熱系統(tǒng)的示范裝置試驗(yàn)臺(tái)，使得煙葉烘烤過程更能滿足節(jié)能環(huán)保的需求；何雪［10］針對(duì)當(dāng)前熱泵式烤房的溫濕度控制多采用半自控方式容易導(dǎo)致因人而異的烘烤結(jié)果和勞動(dòng)投入較大等問題，提出了利用GPRS技術(shù)對(duì)空氣源熱泵式烤煙烘房進(jìn)行遠(yuǎn)程溫濕度控制，使烘烤效果更加統(tǒng)一；白萬明等［11］將物聯(lián)網(wǎng)與密集烤房控制結(jié)合起來，使得煙葉烘烤的自動(dòng)化水平提高，減小了煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度；Liu等［12］采用基于SSOA的PID控制策略對(duì)煙葉密集烤房溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)；Ju等［13］研究了能容納溫濕度自動(dòng)控制的新型烤房的新型烘烤工藝；Fang等［14］對(duì)一種新型的雙向通風(fēng)烤房進(jìn)行了研究，并通過試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行分析；Bai等［15］提出了一種新型密集煙葉烤房，并使用CFD對(duì)烤房的溫濕度場進(jìn)行分析。以上學(xué)者對(duì)提高空氣源熱泵烤房的烘烤效率進(jìn)行了廣泛研究，但均未考慮烤房結(jié)構(gòu)對(duì)烘烤效率的影響，研究成果對(duì)提升烘烤效率效果不顯著。

為此，本文對(duì)空氣源熱泵烤房的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)烤房氣流形式、加熱室底部導(dǎo)流板角度、裝煙室地面分風(fēng)坡進(jìn)行仿真分析，以期獲得烤房的最佳結(jié)構(gòu)性能，有效提升烘烤效率。

1 高效空氣源熱泵式烤房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過對(duì)燃煤型密集烤房進(jìn)行改造，包括取消排濕窗、排煙管、燒煤爐，并對(duì)裝煙室進(jìn)行隔熱處理，同時(shí)將空氣源熱泵裝置引入系統(tǒng)，得到一種新型高效空氣源熱泵式烤房，烤房整體布局設(shè)計(jì)如圖1所示。

當(dāng)烤房開始工作時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)，將外界大氣的熱量吸收，通過加熱室中的冷凝器將熱量釋放，使空氣被加熱到一定溫度，再由軸流風(fēng)機(jī)將熱空氣沿進(jìn)風(fēng)口輸送到裝煙室中對(duì)煙葉進(jìn)行烘烤，此過程中會(huì)通過電輔熱裝置對(duì)空氣進(jìn)行二次加熱，從而達(dá)到所需的烘烤溫度。烘烤產(chǎn)生的高溫濕氣由裝煙室出風(fēng)口流經(jīng)除濕進(jìn)風(fēng)口后，輸送到余熱吸收裝置中對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱，避免直接排放高溫濕氣造成能源浪費(fèi)。被預(yù)熱后的空氣通過除濕系統(tǒng)送風(fēng)口輸送到加熱室中進(jìn)行再次加熱，低溫濕氣則通過三通排濕口排放到外界環(huán)境中。通過該設(shè)計(jì)，既有效利用了濕氣中的能量，節(jié)省了加熱成本，又避免了直接排放造成的大氣污染。

2 空氣源熱泵烤房結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化

由于裝煙室內(nèi)結(jié)構(gòu)布局形式對(duì)烤房內(nèi)氣流組織的分布有嚴(yán)重影響，均勻的氣流組織有利于得到較好的煙葉質(zhì)量，而烤房內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布局形式?jīng)Q定了烤房裝煙室內(nèi)氣流組織分布的均勻程度，本文利用流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)不同結(jié)構(gòu)布局的烤房烘烤過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得烘烤性能最佳的烤房結(jié)構(gòu)形式。

2.1 烤房不同氣流形式結(jié)構(gòu)對(duì)烘烤性能的影響

烤房一般有氣流上升式烤房與氣流下降式烤房［16］，二者在外形結(jié)構(gòu)和尺寸上基本一致，主要區(qū)別在于加熱室內(nèi)各組件安裝布置位置的不同，如氣流上升式冷凝器布置在軸流風(fēng)機(jī)的上端；而氣流下降式冷凝器布置在軸流風(fēng)機(jī)的下端［17］。

煙葉烘烤過程是通過熱空氣與煙葉之間的熱交換將煙葉中的水分蒸發(fā)，具體流程是加熱室內(nèi)的空氣被冷凝器加熱后，在軸流風(fēng)機(jī)作用下由進(jìn)風(fēng)口吹入裝煙室對(duì)煙葉進(jìn)行烘烤作用。對(duì)于氣流上升式烤房，熱空氣由烤房底端逐漸上升至頂端，在與煙葉充分接觸后由烤房上端的出風(fēng)口回到加熱室內(nèi)，而氣流下降式烤房內(nèi)氣流形式與此相反。兩種烤房烘烤過程氣流組織形式如圖2所示。

為更好地比較兩種烤房裝煙室內(nèi)氣流組織分布的情況，使用FLUENT流體仿真軟件進(jìn)行對(duì)比分析。以烤房的進(jìn)風(fēng)口作為入口邊界，類型設(shè)置為入口速度，利用風(fēng)速儀測量得到軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處風(fēng)速為5 m/s，因此將入口速度設(shè)置為5 m/s，溫度設(shè)置為323.15 K（50 ℃）；以烤房的出風(fēng)口作為出口邊界，類型設(shè)置為壓力出口，出口氣流的壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口氣流溫度為外部環(huán)境的溫度。烤房的墻體及屋頂壁面按對(duì)流換熱邊界條件處理，地板近似處理為絕熱邊界條件。根據(jù)國家《密集烤房技術(shù)規(guī)范（試行）》的規(guī)定，烤房的計(jì)算模型參數(shù)如表1所示。在云圖上設(shè)置12個(gè)節(jié)點(diǎn)，以裝煙室長度方向?yàn)閤軸，高度方向?yàn)閥軸，以裝煙室左下角壁面為坐標(biāo)原點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。

仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示，以裝煙室長度方向的中截面仿真結(jié)果作為研究對(duì)象，各節(jié)點(diǎn)溫度如表3所示。

通過表3計(jì)算出氣流上升式和氣流下降式溫度均值分別為320.53 K和320.3 K，顯然氣流上升式的溫度更接近設(shè)定溫度。由圖3（a）可知，烤房氣流分布主要呈現(xiàn)入口處速度最快，四邊的速度稍慢，中間位置氣流速度最低；由圖3（b）可知，氣流上升式烤房除角落溫度稍低之外，其余位置溫度均勻分布，該種分布有利于各位置的煙葉均勻受熱，烘干程度大致相同，保證了烘烤質(zhì)量；由圖3（c）可知，其與圖3（a）無明顯區(qū)別；但從圖3（d）可知，其左側(cè)部位的溫度明顯高于右側(cè)部位，將導(dǎo)致左側(cè)煙葉烘烤過度，導(dǎo)致煙葉質(zhì)量不佳。

因此在設(shè)計(jì)烤房時(shí)，應(yīng)以氣流上升式作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過該方式，能有效提升煙葉烘烤質(zhì)量，避免因溫度不均勻而導(dǎo)致的煙葉質(zhì)量的差異。

2.2 裝煙室地面分風(fēng)坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上分析可知，烤房應(yīng)以氣流上升式作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。同時(shí)為便于裝煙室內(nèi)的熱風(fēng)進(jìn)行循環(huán)，提高煙葉的烘烤質(zhì)量和性能，因此裝煙室底部需要開設(shè)一定的坡度。根據(jù)國家《密集烤房技術(shù)規(guī)范（試行）》的規(guī)定，需要在裝煙室遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口處的地面上設(shè)置4.2%～5%的坡度，故本文采用FLUENT在氣流上升式烤房的基礎(chǔ)上對(duì)4.2%、4.6%和5%三種坡度的熱泵烤煙房的內(nèi)部流場分布情況進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而確定烤房的最合適坡度，地面坡度示意如圖4所示。

通過表4計(jì)算出坡度4.2%、坡度4.6%、坡度5%溫度均值分別為321.01 K、322.0 K和321.43 K，顯然坡度4.6%的溫度更接近設(shè)定溫度。仿真結(jié)果如圖5所示，選取垂直于寬度方向的中截面上溫度分布云圖作對(duì)比?？梢钥闯?，當(dāng)坡度為4.2%時(shí)，高溫氣流在裝煙室內(nèi)分布較為均勻，但在進(jìn)風(fēng)口處一側(cè)及角落處溫度有明顯梯度，該位置的煙葉烘干程度將晚于其他位置，達(dá)不到最佳標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)坡度為4.6%時(shí)，高溫氣流在裝煙室內(nèi)分布均勻，僅在左側(cè)角落處有微小差別，該坡度的煙葉烘干程度基本一致，烘烤質(zhì)量較佳。坡度為5%時(shí)，高溫氣流分布與坡度為4.2%時(shí)相似，與坡度為4.6%相比，溫度分布較不均勻，將導(dǎo)致烘烤質(zhì)量降低。

根據(jù)仿真結(jié)果分析，在氣流上升式熱泵烤房裝煙室地面設(shè)置4.6%的坡度能有效提高氣流的均勻度，從而緩解因氣流分布不均而導(dǎo)致的煙葉烘烤質(zhì)量不佳。

2.3 加熱室底部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于熱泵烤房的長度較長，從加熱室產(chǎn)生的熱氣流無法充分到達(dá)烤房裝煙室前端，進(jìn)而導(dǎo)致裝煙室內(nèi)熱氣流流動(dòng)不均勻，造成對(duì)裝煙室內(nèi)不同位置的煙葉烘干程度不一致，影響烘干效果的問題［18］。因此本文在氣流上升式和4.6%坡度的基礎(chǔ)上，在加熱室的底部設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)如圖6所示，使得軸流風(fēng)機(jī)鼓出的熱風(fēng)經(jīng)過導(dǎo)流板導(dǎo)流后，減少氣流紊亂而帶來的損耗，使得進(jìn)入裝煙室內(nèi)的熱氣流流動(dòng)變得均勻，從而保證煙葉烘烤的質(zhì)量。

為研究不同導(dǎo)流板角度對(duì)氣流速度場的影響，分別建立導(dǎo)流板角度為0°（即未設(shè)置導(dǎo)流板）、10°、20°、30°的烤房模型，利用FLUENT軟件對(duì)加裝不同角度導(dǎo)流板的烤房流場進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7所示，各節(jié)點(diǎn)溫度如表5所示。通過表5計(jì)算出0°導(dǎo)流板、10°導(dǎo)流板、20°導(dǎo)流板和30°導(dǎo)流板溫度均值分別為320.08 K、322.24 K、322.1 K和320.27 K，顯然10°導(dǎo)流板的溫度更接近設(shè)定溫度。由圖7分析結(jié)果可知，當(dāng)加熱室未設(shè)置導(dǎo)流板時(shí)，高溫氣流在裝煙室中部和右側(cè)頂部集中，四周位置明顯低于中部，將導(dǎo)致中部煙葉提前烘干，而四周煙葉水分仍未烘干，使得烘烤程度不一致；當(dāng)加熱室設(shè)置10°導(dǎo)流板時(shí)，高溫氣流在裝煙室內(nèi)分布均勻，僅左側(cè)兩個(gè)角落溫度有輕微降低，但對(duì)整體烘烤質(zhì)量影響不大；而20°導(dǎo)流板相較于10°導(dǎo)流板，其在烤房中部有較為明顯的溫度差，將導(dǎo)致煙葉烘烤程度不一致，可見10°導(dǎo)流板相較于20°導(dǎo)流板，氣流的均勻度更好；而30°導(dǎo)流板的烤房模型，由于導(dǎo)流板支起的角度過大，使得高溫氣流分布更為不均，將嚴(yán)重影響煙葉的烘烤質(zhì)量。

綜上所述，在加熱室下腔體中加裝10°導(dǎo)流板，能有效減小進(jìn)入裝煙室的熱氣流的不均勻性，減小裝煙室下部和上部的溫度差，從而提高煙葉烘烤質(zhì)量。

3 溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)構(gòu)建的除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，整個(gè)除濕系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)除濕和強(qiáng)排濕兩種［19］，兩種除濕方式根據(jù)烘烤階段和除濕量進(jìn)行分階段除濕，當(dāng)烘烤溫度處低于329.15 K（變黃期、定色期）屬于內(nèi)循環(huán)除濕［20］，由高溫?zé)岜脵C(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)行除濕，且將除濕的冷凝水進(jìn)行回收；當(dāng)烘烤溫度處在329.15 K之上（干筋期），此時(shí)蒸發(fā)器除濕量無法滿足要求，因此兩個(gè)三通閥同時(shí)打開，其中三通閥1將熱交換的濕熱空氣排出到余熱回收裝置，使用余熱收集裝置將新鮮空氣和排濕口排出的濕熱空氣進(jìn)行熱量交換，預(yù)熱后的新鮮空氣吹向進(jìn)風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)排濕氣體的熱回收，避免了排濕過程中熱量的流失，節(jié)省電能。三通閥2引進(jìn)外界新風(fēng)，此時(shí)熱泵機(jī)組主要用來給裝煙室供熱。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用S7-200PLC作為核心，控制器系統(tǒng)組成如圖9所示。

其中裝煙室內(nèi)的溫濕度采集模塊用于檢測裝煙室內(nèi)的溫濕度；圖像識(shí)別模塊用于采集裝煙室內(nèi)煙葉圖像以便判斷煙葉所處的烘烤階段；加熱室內(nèi)的溫度監(jiān)控模塊用于監(jiān)控?zé)峤粨Q器的換熱溫度和冷凝器熱交換溫度；存儲(chǔ)器模塊用于對(duì)每一次的烘烤數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存以便為后期大數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供案例；整流逆變模塊用于光伏發(fā)電系統(tǒng)提供控制接口和電能供應(yīng)接口；通信接口一方面用于烤房區(qū)域的現(xiàn)場監(jiān)控，另一方面為后期大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控層研發(fā)提供基礎(chǔ)。通過以上設(shè)計(jì)能更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的完善性、多功能性，能更好地滿足用戶需求。

3.2.1 溫濕度收集模塊

烤房內(nèi)溫度、濕度是影響烤煙品質(zhì)的兩個(gè)最為關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)，因此控制系統(tǒng)對(duì)溫度和濕度進(jìn)行了采集。首先選用高精度、數(shù)字化溫度傳感器DS18B20作為溫度采集，其次選用干濕球溫度計(jì)作為濕度采集模塊，需要注意的是濕度測量時(shí)需在芯片外用蒸餾水潤濕的透水紗布裹住，紗布下端放入裝有蒸餾水的壺中。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是實(shí)現(xiàn)烤房內(nèi)溫濕度智能控制的核心部分，本烤房的數(shù)據(jù)處理模塊選用智能化烤房溫濕度控制器。其原理是：當(dāng)烤房內(nèi)的溫度、濕度達(dá)到或超過預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，控制器中的繼電器觸點(diǎn)閉合，風(fēng)扇接通電源開始工作，對(duì)烤房內(nèi)進(jìn)行鼓風(fēng)，增加循環(huán)量，以減少溫度或濕度；一段時(shí)間后，箱內(nèi)溫度或濕度遠(yuǎn)離設(shè)定值，控制器中的繼電器觸點(diǎn)斷開，鼓風(fēng)停止。除基本功能外不同型號(hào)還帶有斷線報(bào)警輸出、變送輸出、通信、強(qiáng)制加熱鼓風(fēng)等輔助功能。

3.2.3 通信模塊

通信模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程的關(guān)鍵部分，烤房的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸模塊傳輸給用戶端，包括手機(jī)端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端，前者利用GSM通信實(shí)現(xiàn)，后者利用GPRS通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需求，本烤房選用GRM200G智能GPRS無線傳輸終端。

4 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的空氣源熱泵烤房的效果，2020年7月20—31日在貴州省畢節(jié)市威寧縣烘烤工場使用中部煙葉開展了普通燃煤烤房、生物質(zhì)顆?？痉颗c空氣源熱泵烤房節(jié)能應(yīng)用效果和溫濕度操控性能正交試驗(yàn)，為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，使用18座烤房進(jìn)行試驗(yàn)，每種烘烤方式包含6座烤房。通過對(duì)比烘烤干煙成本和烤房內(nèi)部的溫度和濕度變化，從而判斷出哪種烘烤方式在減少烘烤成本的同時(shí)，又能減小烘烤過程中溫度和濕度的波動(dòng)，避免影響煙葉烘烤質(zhì)量。

4.1 節(jié)能應(yīng)用效果試驗(yàn)

通過表6可以看出，普通燃煤烤房烘烤煙葉時(shí)主要消耗煤，電能消耗較少，但由于使用煤為燃料，安全性較差，因此需要更多的人力去照看，最終每座烤房烘烤干煙總價(jià)為1 158.5元；生物質(zhì)顆?？痉恐饕纳镔|(zhì)顆粒以及一部分電能，最終每座烤房烘烤干煙總價(jià)為902.5元；空氣源熱泵烤房僅消耗電能，且由于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性，減少了電能消耗，最終每座烤房烘烤干煙總價(jià)為695元。

通過對(duì)比可以看出，空氣源熱泵烤房烘烤1座烤房煙葉的總成本比普通燃煤烤房低463.5元，烘烤出1 kg干煙節(jié)約0.77元；比生物質(zhì)顆?？痉康?07.5元，烘烤出1 kg干煙節(jié)約0.35元。

4.2 溫濕度操控性能試驗(yàn)

從表7可以看出，在溫度控制上，普通燃煤烤房實(shí)際溫度與設(shè)定溫度值變化在各個(gè)溫度段之間波動(dòng)較大，在309.15 K～312.15 K溫度段，實(shí)際溫度比設(shè)定溫度低273.15 K，在320.15 K～328.15 K溫度段，實(shí)際溫度比設(shè)定溫度高275.15 K，其余各溫度段溫差最高達(dá)274.65 K，較大的溫度變化將煙葉烤壞或者未烘干。生物質(zhì)顆?？痉吭?06.15 K～309.15 K溫度段時(shí)，實(shí)際溫度比設(shè)定溫度低275.15 K，其余各溫度段波動(dòng)變化減小，但仍有274.45 K的波動(dòng)，整體烘烤質(zhì)量優(yōu)于普通燃煤烤房。空氣源熱泵烤房在各溫度段溫度變化比較均勻，最高變化只有274.35 K，在320 .15 K～343.15 K甚至只有274.25 K的波動(dòng)，優(yōu)于生物質(zhì)顆?？痉浚f明空氣源熱泵烤房控制系統(tǒng)溫度調(diào)控靈敏，響應(yīng)及時(shí)。

在濕度控制上，普通燃煤烤房實(shí)際濕度與設(shè)定濕度值變化在各個(gè)溫度段之間波動(dòng)較大，在309.15 K～312.15 K溫度段，實(shí)際濕度比設(shè)定濕度低了2%RH，在320.15 K～328.15 K溫度段時(shí)，實(shí)際濕度比設(shè)定濕度高了2%RH，其余各溫度段也有0.5%RH～1%RH的差距，較大的濕度變化將導(dǎo)致煙葉未能充分烘干，進(jìn)而引起煙葉發(fā)霉。生物質(zhì)顆粒烤房在306.15 K～309.15 K和334.15 K～343.15 K溫度段時(shí)，實(shí)際濕度比設(shè)定濕度低了1%RH，其余各溫度段波動(dòng)變化減小，但仍有0.3%RH～0.6%RH的波動(dòng)，總體烘烤質(zhì)量優(yōu)于普通燃煤烤房?？諝庠礋岜每痉吭诟鳒囟榷螡穸茸兓容^均勻，僅在334.15 K～343.15 K溫度段有0.7%RH變化，在其余各溫度段只有0.1%RH～0.4%RH的波動(dòng)，整體優(yōu)于生物質(zhì)顆粒烤房，說明空氣源熱泵烤房的濕度控制系統(tǒng)調(diào)控靈敏準(zhǔn)確，操作性能更佳。

5 結(jié)論

本文通過開展空氣源熱泵烤房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行節(jié)能應(yīng)用效果和溫濕度操控性能對(duì)比試驗(yàn)。

1） 通過FLUENT仿真模擬：（1）對(duì)裝煙室氣流下降式和氣流上升式烤房的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，得出氣流上升式烤房的內(nèi)部氣流流場和溫度場更加均勻；（2）對(duì)裝煙室4.2%、4.6%和5%三種坡度內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，得出4.6%坡度的流場更加均勻；（3）對(duì)加熱室底部導(dǎo)流板角度為0°、10°、20°和30°的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，得出10°導(dǎo)流板更能保證氣流均勻度。

2） 通過正交試驗(yàn)：（1）在溫度控制上，本文設(shè)計(jì)的空氣源熱泵烤房控制系統(tǒng)的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度值變化在274.25 K～274.35 K之間，相比普通燃煤烤房的274.65 K～275.15 K和生物質(zhì)烤房的274.35 K～274.45 K，控制更加精準(zhǔn)；（2）在濕度控制上，本文設(shè)計(jì)的空氣源熱泵烤房控制系統(tǒng)的實(shí)際濕度與設(shè)定濕度在0.1%RH～0.4%RH之間，普通燃煤烤房濕度差值在1%RH～2%RH之間，生物質(zhì)在0.3%RH～0.6%RH之間，操控性能上表現(xiàn)更佳。

3） 在節(jié)能效益上，本文設(shè)計(jì)的空氣源熱泵烤房與普通燃煤烤房和生物質(zhì)燃料烤房相比，平均烘干1 kg煙葉可分別節(jié)約0.77元和0.35元，并且沒有附加污染物排放，避免了大氣污染。

參 考 文 獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合成果［2019］4412號(hào)）；貴州省煙草公司畢節(jié)市公司科技項(xiàng)目（畢煙技［2017］140號(hào)）

第一作者：李磊磊，男，1986年生，山東臨邑人，碩士，農(nóng)藝師；研究方向?yàn)闊熑~調(diào)制。E-mail： 471934071@qq.com

通訊作者：李家春，男，1974年生，貴州畢節(jié)人，博士，教授；研究方向?yàn)楦邷責(zé)岜煤徒Y(jié)構(gòu)優(yōu)化等。E-mail： 420544028@qq.com