双压缩机密闭式热泵烤烟系统性能研究

李志国 罗会龙 刘兆宇

摘要：为研究空气源热泵烟叶烘烤的系统特征，并为工程实际应用提供有意义的参考，本研究测试了1种具加热及除湿功能的密闭式热泵烤烟系统双压缩机的运行特征，并基于Solkane软件对系统进行了热力性能分析。分析结果表明，整个烟叶烘烤过程，热泵加热子系统和除湿子系统的平均性能系数分别为2.99和3.08，综合系统平均性能系数为3.68，综合系统瞬时性能系数最大值为4.19;整个过程的除湿能耗比为2.41 kg/（kW·h）。此外，对比该系统与生物质颗粒烤房的烘烤成本发现，烘烤得到1 kg干烟叶，该系统较生物质颗粒烤房节约成本54.70%。

关键词：密闭式热泵;烟叶烘烤;性能系数

烟叶烘烤是一个大量耗能的过程[1-2]，若使用燃煤做主要燃料，烤干1 kg烟叶通常需要1.5～2.5 kg 标准煤[3]。但煤炭的燃烧排放是大气污染的主要污染源之一[4]，且燃煤具有燃烧不稳定，热能利用率低等多种问题。发展与利用清洁能源进行烟叶烘烤将是今后烟叶密集烘烤的发展趋势[5]。赵新帅等将生物质颗粒燃料替代煤炭在烟叶烘烤中做了一定应用研究，但生物质颗粒燃烧依然会排放环境污染物[6-7]。1950年热泵干燥技术以其节能优势在美国获取专利后便在工业领域获得了迅速发展应用[8-10]。宫长荣等2003年开展热泵烟叶烘烤研究，研究结果表明，热泵自控烘烤设备利用热泵加热和冷凝除湿，充分利用热能，提高了热能利用率，提高了烤后烟叶质量，具有显著的环境效益和社会效益[11]。贺智谋等研究表明，空气源热泵烤房烤后烟叶外观质量优于传统密集烤房，且上等烟率也有所提高[12-13]。孙晓军等根据热泵原理进行了热泵型烟叶烤房的设计探究及实例运行，研究结果表明，热泵烤房可有效提高烟叶烘烤质量，明显降低烘烤成本[14]。彭宇等使用热泵并利用太阳能作为辅助热源，探究了热泵型太阳能密集烤房的节能效果，热泵型太阳能密集烤房比热泵烤房节省能耗成本32.86%[15]。Bryan等使用热泵作为供热除湿设备对烟叶进行烘烤除湿，发现使用热泵之后的烤房较普通对照烤房烤后烟叶质量得到提高，烘烤成本也得到降低[16]。

迄今为止，涉及密闭式热泵烤烟系统性能的研究较少。本试验研究了双压缩机密闭式热泵烤房的系统性能，同时对比其与生物质颗粒烤房烘烤成本。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

双压缩机密闭式热泵烤烟系统主要由压缩机（2台）、冷凝器、室内蒸发器、室外换热器、膨胀阀、风机和装烟室等组成，系统装置见图1。

系统在冷凝器的前端安装有功率为1.6 kW的轴流风机1台，在室内蒸发器上端装有0.3 kW除湿内风机1台，室外换热器为顶出风结构，外风机功率为 04 kW。

此系统可实现热泵加热和除湿2种功能。系统原理见图2，热泵加热子系统由冷凝器（3）、室外换热器（6）、加热压缩机（7）、外风机（4）、内循环风机（2）组成。热泵除湿子系统由冷凝器（3）、室内蒸发器（12）、除湿压缩机（8）、除湿内风机（11）、冷凝水通道（10）组成。

热泵加热：根据热力学第二定律[17]，通过加热压缩机（7）消耗电能做功，将室外换热器（6）内的制冷剂液体蒸发以吸收环境空气中的热量。制冷剂经压缩机（7）做功后变为高温高压蒸汽后进入冷凝器（3）冷凝放出大量热量，热量被内循环风机（2）从加热室经进风口（1）送入装烟室对烟叶进行烘烤。此后制冷剂经膨胀阀又被送至室外换热器蒸发，依此循环往复。

热泵除湿：经回风口（13）流出的气流部分或全部经过室内蒸发器（6）与制冷剂进行热交换，将温湿气流温度降低至露点温度，水蒸气冷凝排出，降低其水蒸气分压力。被除湿后的气流由除湿内风机（11）牵引进入加热室，经冷凝器（3）加热后送入装烟室烘烤烟叶。

1.2 试验材料

烟叶烘烤品种为红花大金元。供试烟叶按照同一部位、同一时间、成熟度一致的原则，选取中部叶为供试材料。双压缩机密闭式热泵烤烟系统内装3 958.63 kg鲜烟，装烟方式为3层编竿装烟。为对比烘烤经济性，采用生物质颗粒烤房烘烤相同部位烟叶进行对照，其装烟量为3 704.70 kg鲜烟，装烟方式相同。

1.3 试验方法

双压缩机密闭式热泵烤烟系统及生物质颗粒烤房烘烤工艺均以3段式烘烤理论[18]为基础。双压缩机密闭式热泵烤房中的干球温度通过加热压缩机的启停控制系统冷凝器放热，湿球温度通过除湿压缩机启停控制室内蒸发器除湿。

1.4 测定项目

1.4.1 运行特征 试验测量压缩机吸气、排气温度。

1.4.2 烘烤成本 设定烟叶样品，记录鲜烟质量、干烟质量，从而计算整炉鲜烟质量、干烟质量和鲜干比。记录热泵系统烤房用电量，生物质颗粒烤房生物质颗粒消耗量及耗电量。

1.5 性能指标

双压缩机密闭式热泵子系统运行压焓（图3）中理想循环为1′-2′-4′-5′-1′，实际循环为1-2-4-5-1。其中实际循环1-2为制冷剂经压缩机等熵压缩过程;2-4为制冷剂经冷凝器等压放热过程;4-5为制冷剂经膨胀阀等焓节流过程;5-1为制冷剂经室内蒸发器或室外换热器等压吸热过程。

1.5.1 热泵系统制热量 制热量Q指系统运行时冷凝器产生的热负荷，由公式（1）确定。

1.5.2 压缩机耗功及等熵效率 压缩机理论耗功Wysj是指制冷剂在压缩机内等熵压缩消耗功率，由公式（2）确定。

1.5.3 性能系数 表征热泵性能的参数为制热系数（简称COP），定义为热泵制取的热量与消耗的能量之比[20]，双压缩机密闭式热泵烤烟子系统的性能系数COP由公式（4）確定。

2 结果与分析

为研究双压缩机密闭式热泵烤烟系统性能，试验选取10个稳温阶段（表1），测试压缩机运行特征，并使用软件SOLKANE refrigerants对系统进行性能分析。

2.1 压缩机运行特性分析

不同阶段2台压缩机的吸气、排气温度变化见图4。随着烟叶烘烤所需干球温度的升高，2台压缩机的排气温度整体上呈上升趋势。第10阶段，烘烤要求干球温度为67 ℃时，1#、2#压缩机排气温度分别达到78.2、79.0 ℃。整个过程2#压缩机排气温度均高于1#压缩机排气温度;第5阶段处于定色期，烟叶失水速率较大，系统除湿速率要求较大，导致2#压缩机排气温度上升，同时1#压缩机的排气温度降低。不同阶段2台压缩机吸气温度变化范围较小，整体上1#压缩机吸气温度低于2#压缩机，2台压缩机在不同阶段的平均吸气温度分别为1#压缩机10.77 ℃，2#压缩机22.54 ℃。

不同阶段2台压缩机压比及等熵效率见图5。随着烘烤温度的升高，压缩机的压比整体上呈上升趋势，且加热子系统1#压缩机压比相较于除湿子系统2#压缩机压比较高，这是因为1#压缩机排气、吸气温度差大于2#压缩机排气、吸气温度差;整个烘烤过程，1#压缩机压比最大值为4.88，处于第10阶段，2#压缩机压比最大值为3.59，处于第9阶段。此外，1#压缩机等熵效率平均值为0.826，2#压缩机等熵效率平均值为0.833，均较高，这得益于2个压缩机压比均较低。

2.2 系统性能特性分析

烘烤过程系统制热量、压缩功和系统瞬时性能系数见图6、图7。从图6可看出，系统制热量与压缩功变化趋势相同，均随烘烤温度升高而上升。从图7可看出， 除湿子系统（2#循环）COP大于加热子系统（1#循环），除湿子系统COP平均值为3.08，加热子系统COP平均值为2.99，综合系统COP平均值为3.68。在第4阶段烘烤要求干球温度为42 ℃时，整个系统瞬时性能系数最大，达4.19。

2.3 经济性比较

双压缩机密闭式热泵烤烟系统和生物质颗粒烤房烘烤的基本情况和烘烤成本见表2，红花大金元中部叶干烟烘烤成本为双压缩机密闭式热泵系统烤房1.30元/kg，生物质颗粒烤房2.87元/kg。干烟烘烤成本，双压缩机密闭式热泵系统烤房比生物质颗粒烤房低54.70%。且双压缩机密闭式热泵烤房消耗清洁能源电能，烘烤过程中不会产生对大气环境不利的危害气体，自动化控制高，节省了大量的人工成本。表明密闭式热泵烤房在环保节能、减工降本方面具有明显效果，在烟叶烘烤领域具有经济优势。

从表2可以看出，双压缩机密闭式热泵烘烤系统的除湿能耗比（SMER）为2.41 kg/（kW·h），表示平均消耗1 kW·h电能够从烟叶中去除2.41 kg水分，系统节能优势明显。

3 结论

笔者对双压缩机密闭式热泵烤烟系统进行了性能分析研究，该系统具有加热及除湿功能。研究结果表明：（1）随着烘烤温度的升高，2台压缩机排气温度整体上升，吸气温度整体趋于不变;1#压缩机压比最大值为4.88，2#压缩机压比最大值为3.59;1# 压缩机等熵效率平均值为0.826，2#压缩机等熵效率平均值为0.833。（2）加热子系统COP平均值为2.99，除湿子系统COP平均值为3.08，综合系统COP平均值为3.68，综合系统瞬时性能系数最大值为4.19;整个烘烤过程的除湿能耗比（SMER）为241，节能优势明显。（3）双压缩机密闭式热泵系统烘烤得到干烟的成本为1.30元/kg，而生物质颗粒烤房为2.87元/kg，该系统较生物质颗粒烤房节约成本54.70%，在烟叶烘烤领域具有较大经济竞争力。

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