叶志成 刘雄

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

随着空气源热泵技术蓬勃发展，热泵烘烤领域涌现出众多系统形式，按照热泵干燥系统中干燥介质的循环情况可分为闭式热泵干燥系统，开式热泵干燥系统以及半开式热泵干燥系统[1]。闭式系统热损失小，节能效果非常明显。该系统若长时间运行，能量以压缩机功耗的形式持续输入系统，会导致干燥室内温度持续升高，不利于烘烤过程中的温湿度控制[2]。烟叶烘烤过程中对温湿度有着严格的要求，因此传统的闭式热泵系统很难满足烟叶烘烤的需求。

本文提出的热泵烤烟系统具有闭式系统的形式，利用压缩机的变频来调节烤烟房内的湿度，利用室外换热器风机变频的方式动态地调节供给烤房的热量，达到精准控制烤房内温湿度的要求，既回收排热节约能源，又能达到烤烟的工艺要求。

1 系统形式

本文提出的新型热泵烤烟系统如图1 所示，在闭式系统的基础上添加了一个室外换热器和一个四通换向阀，通过四通换向阀的转换，动态地实现向室外排热和向室内吸热的调节过程。该新型热泵系统由压缩机，室内蒸发器，室内冷凝器，室外换热器，四通换向阀，节流阀，止回阀以及电动调节阀等组成，通过四通换向阀的切换以及电动阀的通断，可以实现四种烘烤模式。

图1 新型热泵烤烟系统原理图

1）升温模式：该模式中不除湿，电子膨胀阀1 关闭，电子膨胀阀2 全开，电子膨胀阀3 正常工作。室外换热器充当蒸发器，从室外吸热供给室内，制冷剂流程如下：1—2—d—c—3—4'—4''—3'—a—b—1。

2）升温除湿模式：在该模式下，当系统除湿时，回收全部冷凝热加热烤烟房的送风，室外换热器不工作，电子膨胀阀1 正常工作，电子膨胀阀2 全开，电子膨胀阀3 关闭。制冷剂流程如下：1—2—d—c—3—4'—4—1。

3）快速升温除湿模式：当烤烟房内除湿产生的全部冷凝热不能满足烤房内快速升温的需求时，还需利用室外换热器从室外空气中吸热。工作时，电子膨胀阀2 全开，电子膨胀阀1、3 正常工作。压缩机通过变频控制烤烟房内的空气干球温度上升速率。室外换热器风扇通过变频控制烤烟房内的空气湿球温度。制冷剂流程如下：第一路：1—2—d—c—3—4'—4''—3'—a—b—1。第二路：1—2—d—c—3—4'—4—1。

4）调温除湿模式：当热泵烘干机组在除湿过程中吸收的热量大于加热过程中需要供给的热量时，四通阀换向，室外换热器转变为冷凝器，其风扇变频控制烤烟房内的空气干球温度，将多余的热量散发到室外空气当中去。压缩机通过变频控制烤烟房内的空气湿球温度。制冷剂流程如下：第一路：1—2—d—a—3—4'—4—1。第二路：1—2—d—a—3'—4''—4—1。

图2 制冷循环压焓图

为方便后续建立仿真模型，当室外换热器为蒸发器时，假定其出口制冷剂状态与室内蒸发器相同。当室外换热器为冷凝器时，假定其出口制冷剂状态与室内冷凝器相同。则简化后的制冷剂压焓图如图2 所示，制冷循环为1—2—3(3')—4(4'/4'')—1。

热空气循环的焓湿图如图3 所示：R 点是出烤烟房热空气的状态，出烤烟房的热空气被旁通阀分成两部分，一部分空气先通过气-气热交换器进行换热，被等湿从R 点降温到C 点，再进入室内蒸发器从C 点被冷却除湿到L 点，从室内蒸发器出来后再进入气-气热交换器对高温空气预冷，其自身被等湿从L 点加热到H 点。然后再与另一部分空气沿H-R 混合到M 点，混合后的空气进入室内冷凝器被等湿加热至S 点，S点空气经热湿比线送入室内，完成热空气循环。

图3 热空气循环焓湿图

2 负荷计算与系统选型

本文以云烟97 品种为例，烤前鲜烟叶质量为4000 kg，根据相关文献及烟叶烘烤实践确定模拟烟叶烘烤时间为154 h。选取7 月5 日18:00 至7 月12 日5:00 为一个烟叶烘烤周期来计算烤烟房的热负荷。根据《密集式烤房建设技术规范》规定[3]，烤烟房结构设计为7000 mm×2800 mm×3500 mm 的单体式密集烤房，墙面材料选用双面彩钢聚氨酯板，导热系数为0.023 W/(m·K)，室内表面对流换热系数取8.7 W/(m2·K)，室外表面对流换热系数取23.3 W/(m2·K)。室内温湿度由烤烟工艺曲线给定[4]，如图4 所示。

图4 “三段式”密集烤烟工艺曲线

室外温湿度选取云南昆明7 月5 日至7 月12 日内的室外气象数据，如图5 所示。

图5 烘烤周期气象参数

分析烤烟房的负荷，可以分为显热负荷和湿负荷两个部分。显热负荷主要由外围护结构传热，烟叶本身蓄热以及加热室内空气的热负荷组成，其中烟叶蓄热又可分为烟叶干物质蓄热和烟叶中的水分蓄热。至于烟叶脱水引起的排湿负荷，在诸多热泵干燥系统的理论分析中，通常将干燥室内空气和物料的热湿交换过程看作等焓吸湿过程。空气供给物料中水分蒸发的热量又被蒸发出来的水蒸气带回到空气中，即水分蒸发前后空气的焓值基本不变。

水分蒸发所需要的汽化潜热并不引起室内焓值的变化，所以在计算烘房湿空气状态变化的热湿比线时取得是烤房显热负荷与湿负荷之比。采用DeST 软件模拟计算，烤烟周期内烤房显热负荷曲线具体如图6 所示。

图6 烤烟房总显热负荷

本文总结现有参考文献和相关数据，得出烟叶烘烤失水规律。烟叶在烘烤过程中大致的失水情况为：变黄期失水量为27%～35%，定色期失水量为50%～55%，干筋期失水量为10%～23%[5]。

云烟97 鲜烟叶的湿基含水率为88%，烘烤结束时的湿基含水率约为6.5%[6]，则总失水量为4000×(88%-6.5%)=3260 kg，由文献[6-7]得各阶段的失水速率如表1 所示。

表1 烘烤各阶段失水速率

依据表1 给出的失水速率计算得到对应的湿负荷变化趋势如图7 所示。

图7 烤烟房湿负荷

依据计算得出的烤烟房热湿负荷，对热泵系统进行设计，得出的系统各部件结构参数如表2 所示。

表2 系统各部件参数表

3 系统仿真计算与分析

在建立系统仿真模型时，只对系统主要部件建立了较为详细的数学模型[8-9]，即变频压缩机，冷凝器，蒸发器和电子膨胀阀，系统其它部件被简化为制冷剂与环境的传热关系式或以定值代替，同时忽略了系统中的热损失。

3.1 仿真模型建立

1）压缩机模型

式中：Vth为压缩机的理论容积输气量；vin为压缩机进口的制冷剂气态比容；λ 为输气系数；P 为涡旋体节距，P=2πr，r 为基圆半径；t 为涡旋体壁厚，t=2rα，α 为渐开线起始角；N 为压缩腔室对数；H 为涡旋体高；Wcom为压缩机输入功率；pin为吸气压力；pout为排气压力；k 为多变指数；η 为涡旋压缩机电效率。

2）电子膨胀阀模型

式中：ΔpFFv为阀前后压降；AEEV为阀的流通面积；CV为流量系数。

3）换热器模型

式中：Kof为以管外面积为基准的传热系数；αi为管内表面的传热系数；αj为管外表面的传热系数；β 为肋化系数；r0为污垢热阻；Δtme为管内外对数平均温差；Q 为传热量；Aof为换热面积。

3.2 性能评价指标

依据算法模型，采用Matlab 软件进行仿真模拟。烤烟系统的性能指标采用制热系数COP 和单位能耗除湿量SMER。

1）热泵的制热系数（COP）

热泵的制热系数为热泵制取的热量与所消耗的驱动能量之比，公式如下：

式中：Qc为热泵的制热量；Wc为热泵消耗的功率。

2）热泵的除湿能耗比SMER

热泵干燥装置的除湿能耗比为消耗单位能量所除去物料中水分量。该指标是反映热泵干燥装置综合性能的主要指标，其数值越大越好。公式如下：

式中：SMER 为除湿能耗比；Mde为从物料中除去的水分的质量；t 为干燥时间。

3.3 仿真结果分析

通过使用MATLAB 软件对蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀部件，辅助换热器分别建模，并通过各部件之间的耦合参数将各部件模型进行结合，联立求解。

烘烤过程中系统制热系数COP 随烘烤时间的变化情况如图8 所示。由图中可以看出，初始升温阶段，随着温度的升高，COP 有所上升，到10 h 时，COP 达到最大值5.28。变色稳温期，烟叶处于闷烤状态，除湿量很小，供热量也很小，COP 有所降低。定色升温阶段，供热量增加，压缩机功耗也有所增加，压缩机功耗增长的速度更快，导致COP 随之下降。定色稳温阶段，供热量增大，压缩机功耗也急剧增大，由于压缩机功耗增长幅度更大，导致COP 降低，达到最小值2.84。干筋阶段，COP 达到3.05。平均COP 达到3.82。

图8 制热系数COP 变化曲线

烘烤过程中单位能耗除湿量SMER 随烘烤时间的变化情况如图9 所示，由图9 中可以看出，初始升温阶段，随着温度的升高，SMER 有所上升，到10 h 时，SMER 达到最大值6.05。变色稳温期，烟叶处于闷烤状态，除湿量很小，供热量也很小，SMER 有所降低。定色升温阶段，供热量增加，压缩机功耗也有所增加，压缩机功耗增长的速度更快，导致SMER 随之下降。定色稳温阶段，供热量增大，压缩机功耗也急剧增大，由于压缩机功耗增长幅度更大，导致SMER 降低，达到最小值3.05。干筋阶段，SMER 达到1.78。平均SMER 达到3.97。

图9 单位能耗除湿量SMER 变化曲线

烘烤过程中辅助换热量随烘烤时间的变化情况如图10 所示，辅助换热量大于0，代表系统从外界吸热。辅助换热量小于0，代表系统向外界排热。在初始升温阶段，需要将烤烟房内的温度升高到除湿起始温度，此阶段只升温不除湿，室内蒸发器关闭，系统采用升温模式，室外换热器充当蒸发器，从室外吸热供给烤烟房升温，烤烟期处于7 月份，烤烟房内温度较高，起始干球温度达28 ℃，经过计算烤烟房内温度升高到除湿起始干球温度30 ℃仅需要5 min，所以图中并未明确标出初始升温阶段。在变黄期以及定色升温期，辅助换热量大于零，系统需要从外界吸热，系统采用快速升温除湿模式，室外换热器充当蒸发器，从室外环境中吸热，补充给系统。在定色稳温期，辅助换热量小于0，系统需要向室外环境那种排热，四通阀换向，系统切换到调温除湿模式，室外换热器充当冷凝器，向室外散热。进入干筋阶段，辅助换热量再次大于0，系统又需要从室外环境中吸热，四通阀再次换向，重新切换到快速升温除湿模式，室外换热器充当蒸发器，从室外环境中吸热，补充给系统。图中用粗虚线标出了±0.2 kW 范围，辅助换热量在此范围内，代表系统内室内蒸发器端的吸热加上压缩机的功耗近似等于烤烟房需要的供热量，此时室外换热器关闭，系统采用升温除湿模式。

图10 辅助换热量变化曲线

4 结论

1）本文以云烟97 为例，对新型热泵除湿烘干机系统进行仿真模拟计算，得出一个烤烟周期内COP 和SMER 的变化情况，COP 最大值为5.28，SMER 最大值为6.05，平均COP 达到3.82，平均SMER 达到3.97。

2）根据模拟得出的辅助换热量变化情况，设计出机组的运行模式。在初始升温阶段，系统采用升温模式。在变黄期以及定色升温期，采用快速升温除湿模式。在定色稳温期，采用调温除湿模式。进入干筋阶段，再次启用快速升温除湿模式。辅助换热量在±0.2 kW 范围，系统内室内蒸发器端的吸热加上压缩机的功耗近似等于烤烟房需要的供热量，系统采用升温除湿模式。