太阳能辅助烘烤烟叶系统设计与应用

发布时间：2016-07-11 08:48

第 1 章  绪论  

1.1  密集烤房烘烤烟叶的研究背景 
密集烤房是农业烤烟生产工作中不可或缺的特有设备，而它性能的好坏将会直接影响到烟叶的烘烤质量和烟农的种植收益[1]。密集烤房最初起源于 20 世纪 50 年代，美国北卡罗来纳州立大学约翰逊等人对密集烤房进行了实验研究，分别分析了烟叶烘烤设备、绑烟、装烟方式和烘烤的工艺，并进行了重大改革，揭开了烟叶烘烤工作的新篇章[2]。他们在先后多次实验研究中，装烟方式从最初的将烟叶直接放置在有缝隙的地板上再到将新鲜烟叶悬挂起来进行烘烤，并将热风循环方式改进为强制通风，同时对烤房的结构形式以及供热设备进行了改善。改善后，烤房建成了砖木或土木结构，装烟室长 3.05m，宽 3.65m，高为 1.95m，可以装 2 层新鲜烟叶，每层设置 2 路烟夹，烟夹尺寸为1.82m×0.41m，单个烟夹装新鲜烟叶 54.43kg。实验结果充分证明了使用密集烤房烘烤的烟叶质量明显要比普通烤房高，燃料燃烧的热效率有了很大提升，节省了劳动力，缩短了烘烤周期。20 世纪 60 年代中期以后，在日本、美国等国外烟草专家的研究与探索下，密集烤房供热设备所使用的燃料、烤房结构设计、烟叶夹挂设备以及烘烤工艺等方面又有了不断的改善和进步。燃料从开始的煤气改进为石油、天然气，进风管在烤房下端，回风管在烤房的上端，凭借风机运转提供动力实现热风的强制循环，通过烟叶层散热后经回风管返回，再经热源加热后送入装烟室，如此反复循环。1969 年，在日本鹿儿岛烟草试验场试验中，通过将湿球温度控制在 38℃，再根据工艺要求升高干球温度，实现了烟叶烘烤的自动控制，相比普通烘烤，不仅节约了成本，减少了劳动力，而且提高了烟叶的烘烤质量[3]。密集烤房相比普通烤房存在着很大的优势，因此在密集烤房诞生以后，很快便得到了广泛的应用和推广，20 世纪 60 年代初美国已经建造了 250 座密集烤房，到 1974年仅北卡罗来纳州就有了 3 万多座密集烘烤设备，此后密集烤房得到了更加广泛的应用，1983 年 Weybrew[4]提出了去主脉烘烤，有很好的节能效果。 
.........

1.2  太阳能热利用现状与发展 
我国具有丰富的太阳能资源，而太阳能是世界上最丰富的永久性能源，有 60%以上的地区每年太阳辐照量超过 5000MJ/m2，年日照小时数 2200h 以上[8]。在中国太阳能资源区划中，吉林省处于太阳能资源一般区，水平面上年太阳辐照量5000~5400MJ/(m2·a)，年日照小时数为 2200~3000h，具有较丰富的太阳能资源。 太阳能热利用是选用合适的太阳能集热器，将太阳辐射能收集起来，通过物质间的相互作用转换成热能并加以利用，太阳能集热器主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器以及聚焦型集热器 4 种[9]。太阳能热利用可分为低温（80℃以下）、中温（80~350℃）和高温（350℃以上）3 种。进入 21 世纪以来，太阳能热利用已经逐步成为一种比较成熟的可再生能源利用方式，它在可再生能源技术领域商业化程度最高，推广应用最普遍。太阳能可以分别转化为热能、电能、化学能，目前太阳能热利用的范围很广泛，包括太阳能制冷空调系统、太阳能工业加热系统、太阳能干燥系统、太阳能热发电系统、太阳能海水淡化系统以及被动式太阳房等。太阳能热利用工程市场之所以发展步伐如此之快，主要源于住宅建筑热水需求的增长、公共建筑热水系统的积极安装以及太阳能热水惠农政策和工农业对热量的需求，运用太阳能热技术将阳光聚合，凭借其能量产生热水、蒸汽和电力[10]。 太阳能资源用之不尽、取之不竭，21 世纪以来，太阳能热利用技术日趋成熟，尤其是太阳能热水器的发展[11]，因此太阳能的开发和利用也正在融入人们的日常生活和工业生产中，各国都十分注重太阳能资源的开发利用，而我国有着丰富的太阳能资源，因此充分利用新能源是实现资源可持续发展的必由之路。 
............

第 2 章  太阳能辅助烘烤烟叶系统设计基础

2.1  吉林省白城市太阳能资源和气象资料分析

吉林省烟草公司白城市公司位于吉林省白城市，北纬 45°38′，东经 122°50′，居北半球中纬度北温带，根据中国太阳能资源的规划，该地区水平面上年太阳辐照量 5000~5400MJ/(m2·a)，拥有 2200~3000h 的年日照小时数，如表 2-1 所示。随后，对白城市近三年 7、8、9 三个月份时期的气象参数进行了测试，最后统计出白城市烟叶烘烤期间的平均气象资料：室外平均干球温度 20.5℃，室外平均相对湿度 69.3%（即湿球温度 16.8℃）。 

.........

2.2  吉林省烟草公司白城市公司集中供热烘烤模式 
近几年我国烟叶烘烤工作中集中供热烘烤模式发展还比较慢，其主要形式是选用单台或几台供热设备（例如选择常压热水锅炉、承压热水锅炉、蒸汽锅炉或有机热载体锅炉等）向一个烟叶园区内多座连体密集烤房群集中供热，锅炉燃烧燃料放出热量传递给热载体，热载体通过有序调控经保温管道流入各个烤房加热间预先安装好的散热器内部，由于此时热载体与送入烤房的冷空气存在温度差，因此可以加热烤房中的循环空气，并且能够集中控制输入烤房散热器中的热载体温度。我国主要以热水锅炉和蒸汽锅炉为主，但是热水锅炉热载体为水，气化温度 100℃，而烤房烟叶处于干筋阶段时，，烤房干球温度最高需要达到 70℃左右，因此送入烤房的热空气干球温度不得低于 70℃，冷热流体之间换热温差小，势必会影响传热效果，降低锅炉的热效率，造成大量煤的燃烧，污染大气，同时又不能够满足大面积烘烤烟叶的需要；蒸汽锅炉虽然锅炉出口处热载体温度要比热水锅炉高，可以克服换热温差小的问题，但蒸汽的循环供热系统的要求很大，而且蒸汽在管道里的循环不稳定，会产生超压以及汽水共腾现象，热能又很难实现自动精确化控制，也很容易对系统造成危害。 吉林省烟草公司白城市公司从 2009 年开始使用以导热油为热载体的集中供热式烟叶烘烤系统，具有严格的安全管理要求，但不泄露条件下安全性高于水和蒸汽系统，系统整体运行示意如图 2-1 所示。该系统以煤为燃料，导热油为循环介质来传递热量，运行时凭借循环油泵提供动力，使该高温加热系统在较低的压力环境下工作，安全稳定；常压条件下，导热油可以获得更高的操作温度，最高可达300℃以上，且省略了水处理过程，减少了初投资；热媒吸热快，散热迅速，可以在更广的温度范围内满足加热、冷却工艺，能够达到烟叶在不同烘烤阶段对热量的要求；能够通过控制进入散热器的导热油流量进而控制散入密集烤房的热量，实现智能化烘烤。 
.........

第 3 章  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统 .......... 15 
3.1  方案设计 .... 15 
3.2  太阳能集热器各元件的选择 .... 16
3.3  平板型太阳能空气集热器的布置与安装 ........ 19 
3.4  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统自动控制 .... 21 
3.4.1  密集烤房温湿度控制方案.......... 21 
3.4.2  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统的控制原理.......... 22 
3.4.3  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶控制系统设计...... 28 
第 4 章  敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统 .......... 31 
4.1  方案设计 .... 31 
4.2  敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统自动控制 .... 33 
第 5 章  太阳能辅助烘烤烟叶系统的试验应用 .......... 39 
5.1  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统试验应用 .... 39 
5.1.1  封闭式试验系统及装置...... 39 
5.1.2  试验数据及分析.......... 42
5.2  敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统试验应用 .... 45 

第 5 章  太阳能辅助烘烤烟叶系统的试验应用  

5.1  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统试验应用
封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统设计完成后，为验证太阳能辅助烘烤烟叶系统的集热效果，在学校实验楼阳光照射充足处搭建了太阳能空气集热系统模型，由于实际空间因素，模型中烤房与烟叶园区实际密集烤房大小按照 1：2 的比例搭建，即烤房长 4m，宽 1.4m，高 1.8m，烤房设备（风机、集中供热热源等）均按需求重新配置。烟叶烘烤中，烤房的密封性需良好，以尽量减少热量的散失，密集烤房模型采用 100mm 的彩钢板搭建，保温性能良好，同时为保证试验台的稳固，搭建之前首先建一个 100mm 的地基，将烤房模型固定到地基上，模型建成后用密封胶填充间隙，增强烤房模型的密封性，同时也可保护烤房模型不被雨水渗漏而破坏，试验系统模型如图 5-1 至 5-8 所示。吉林省烟草公司白城市公司烟叶园区中密集烤房集中供热烘烤热源为导热油锅炉，试验烤房中无法实现此热源，且密集烤房模拟试验台与实际装烟容量不相同，太阳能为间歇性能源，夜间不能够提供热量，另外若试验中出现阴雨天，也同样无法提供热量，因此根据试验地点的太阳能资源和烟叶烘烤各阶段的热量需求，需重新确定试验台合适的供热热源，根据密集烤房模型运行时循环风机的风量选择合适的循环风机型号。常用的热源中，电加热能量转换率高，并且初投资少、无污染，比较容易控制，因此试验中选用电加热代替导热油锅炉来作为烟叶烘烤主要热源。
........

结论 

本文主要研究了以太阳能作为辅助热源给烟叶烘烤提供热量的太阳能辅助烘烤烟叶系统，分别设计了封闭式和敞开式两种太阳能辅助烘烤烟叶系统及其自动精确化控制方案，进行了太阳能集热装置各个构成部分的选型，搭建了系统各自的试验台并试验测试以及烟叶园区现场烘烤，整理分析了烘烤试验数据，研究了系统各自吸收的热量及其节能效果，获得了适用于集中供热烟叶烘烤的太阳能辅助烘烤烟叶系统。 经过试验测试以及烟叶园区烘烤试验，所设计太阳能集热装置均能够吸收一定的太阳能热量并将其传递给循环空气，送给烤房烟叶，有助于减少散热器内流过的导热油流量，节省一定的锅炉燃煤量，且控制系统均以 PLC 可编程控制器为主控制器，其可靠性高，自动控制系统能够保证太阳能集热系统安全、稳定的运行，提高了系统的效率。初期投入与节能效果方面，封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统和敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统相比较，因封闭式系统施工相对复杂，且其经过太阳能集热器的回风风量与回加热间风量不易准确控制，较难实现太阳能集热装置中空气的稳定流动，进而会影响集热效率，经试验数据的分析，其节能效果远没有敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统高，此外，敞开式系统控制较简单，容易实现且能准确控制，因此适用于集中供热式烟叶烘烤。 
.........
参考文献(略)

本文编号：68787