第 1 章  緒論  

1.1  密集烤房烘烤煙葉的研究背景 
密集烤房是農(nóng)業(yè)烤煙生產(chǎn)工作中不可或缺的特有設(shè)備，而它性能的好壞將會直接影響到煙葉的烘烤質(zhì)量和煙農(nóng)的種植收益[1]。密集烤房最初起源于 20 世紀 50 年代，美國北卡羅來納州立大學約翰遜等人對密集烤房進行了實驗研究，分別分析了煙葉烘烤設(shè)備、綁煙、裝煙方式和烘烤的工藝，并進行了重大改革，揭開了煙葉烘烤工作的新篇章[2]。他們在先后多次實驗研究中，裝煙方式從最初的將煙葉直接放置在有縫隙的地板上再到將新鮮煙葉懸掛起來進行烘烤，并將熱風循環(huán)方式改進為強制通風，同時對烤房的結(jié)構(gòu)形式以及供熱設(shè)備進行了改善。改善后，烤房建成了磚木或土木結(jié)構(gòu)，裝煙室長 3.05m，寬 3.65m，高為 1.95m，可以裝 2 層新鮮煙葉，每層設(shè)置 2 路煙夾，煙夾尺寸為1.82m×0.41m，單個煙夾裝新鮮煙葉 54.43kg。實驗結(jié)果充分證明了使用密集烤房烘烤的煙葉質(zhì)量明顯要比普通烤房高，燃料燃燒的熱效率有了很大提升，節(jié)省了勞動力，縮短了烘烤周期。20 世紀 60 年代中期以后，在日本、美國等國外煙草專家的研究與探索下，密集烤房供熱設(shè)備所使用的燃料、烤房結(jié)構(gòu)設(shè)計、煙葉夾掛設(shè)備以及烘烤工藝等方面又有了不斷的改善和進步。燃料從開始的煤氣改進為石油、天然氣，進風管在烤房下端，回風管在烤房的上端，憑借風機運轉(zhuǎn)提供動力實現(xiàn)熱風的強制循環(huán)，通過煙葉層散熱后經(jīng)回風管返回，再經(jīng)熱源加熱后送入裝煙室，如此反復循環(huán)。1969 年，在日本鹿兒島煙草試驗場試驗中，通過將濕球溫度控制在 38℃，再根據(jù)工藝要求升高干球溫度，實現(xiàn)了煙葉烘烤的自動控制，相比普通烘烤，不僅節(jié)約了成本，減少了勞動力，而且提高了煙葉的烘烤質(zhì)量[3]。密集烤房相比普通烤房存在著很大的優(yōu)勢，因此在密集烤房誕生以后，很快便得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，20 世紀 60 年代初美國已經(jīng)建造了 250 座密集烤房，到 1974年僅北卡羅來納州就有了 3 萬多座密集烘烤設(shè)備，此后密集烤房得到了更加廣泛的應(yīng)用，1983 年 Weybrew[4]提出了去主脈烘烤，有很好的節(jié)能效果。 
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1.2  太陽能熱利用現(xiàn)狀與發(fā)展 
我國具有豐富的太陽能資源，而太陽能是世界上最豐富的永久性能源，有 60%以上的地區(qū)每年太陽輻照量超過 5000MJ/m2，年日照小時數(shù) 2200h 以上[8]。在中國太陽能資源區(qū)劃中，吉林省處于太陽能資源一般區(qū)，水平面上年太陽輻照量5000~5400MJ/(m2·a)，年日照小時數(shù)為 2200~3000h，具有較豐富的太陽能資源。 太陽能熱利用是選用合適的太陽能集熱器，將太陽輻射能收集起來，通過物質(zhì)間的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用，太陽能集熱器主要有平板型集熱器、真空管集熱器、熱管式集熱器以及聚焦型集熱器 4 種[9]。太陽能熱利用可分為低溫（80℃以下）、中溫（80~350℃）和高溫（350℃以上）3 種。進入 21 世紀以來，太陽能熱利用已經(jīng)逐步成為一種比較成熟的可再生能源利用方式，它在可再生能源技術(shù)領(lǐng)域商業(yè)化程度最高，推廣應(yīng)用最普遍。太陽能可以分別轉(zhuǎn)化為熱能、電能、化學能，目前太陽能熱利用的范圍很廣泛，包括太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)、太陽能工業(yè)加熱系統(tǒng)、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能海水淡化系統(tǒng)以及被動式太陽房等。太陽能熱利用工程市場之所以發(fā)展步伐如此之快，主要源于住宅建筑熱水需求的增長、公共建筑熱水系統(tǒng)的積極安裝以及太陽能熱水惠農(nóng)政策和工農(nóng)業(yè)對熱量的需求，運用太陽能熱技術(shù)將陽光聚合，憑借其能量產(chǎn)生熱水、蒸汽和電力[10]。 太陽能資源用之不盡、取之不竭，21 世紀以來，太陽能熱利用技術(shù)日趨成熟，尤其是太陽能熱水器的發(fā)展[11]，因此太陽能的開發(fā)和利用也正在融入人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，各國都十分注重太陽能資源的開發(fā)利用，而我國有著豐富的太陽能資源，因此充分利用新能源是實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。 
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第 2 章  太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

2.1  吉林省白城市太陽能資源和氣象資料分析

吉林省煙草公司白城市公司位于吉林省白城市，北緯 45°38′，東經(jīng) 122°50′，居北半球中緯度北溫帶，根據(jù)中國太陽能資源的規(guī)劃，該地區(qū)水平面上年太陽輻照量 5000~5400MJ/(m2·a)，擁有 2200~3000h 的年日照小時數(shù)，如表 2-1 所示。隨后，對白城市近三年 7、8、9 三個月份時期的氣象參數(shù)進行了測試，最后統(tǒng)計出白城市煙葉烘烤期間的平均氣象資料：室外平均干球溫度 20.5℃，室外平均相對濕度 69.3%（即濕球溫度 16.8℃）。 

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2.2  吉林省煙草公司白城市公司集中供熱烘烤模式 
近幾年我國煙葉烘烤工作中集中供熱烘烤模式發(fā)展還比較慢，其主要形式是選用單臺或幾臺供熱設(shè)備（例如選擇常壓熱水鍋爐、承壓熱水鍋爐、蒸汽鍋爐或有機熱載體鍋爐等）向一個煙葉園區(qū)內(nèi)多座連體密集烤房群集中供熱，鍋爐燃燒燃料放出熱量傳遞給熱載體，熱載體通過有序調(diào)控經(jīng)保溫管道流入各個烤房加熱間預先安裝好的散熱器內(nèi)部，由于此時熱載體與送入烤房的冷空氣存在溫度差，因此可以加熱烤房中的循環(huán)空氣，并且能夠集中控制輸入烤房散熱器中的熱載體溫度。我國主要以熱水鍋爐和蒸汽鍋爐為主，但是熱水鍋爐熱載體為水，氣化溫度 100℃，而烤房煙葉處于干筋階段時，，烤房干球溫度最高需要達到 70℃左右，因此送入烤房的熱空氣干球溫度不得低于 70℃，冷熱流體之間換熱溫差小，勢必會影響傳熱效果，降低鍋爐的熱效率，造成大量煤的燃燒，污染大氣，同時又不能夠滿足大面積烘烤煙葉的需要；蒸汽鍋爐雖然鍋爐出口處熱載體溫度要比熱水鍋爐高，可以克服換熱溫差小的問題，但蒸汽的循環(huán)供熱系統(tǒng)的要求很大，而且蒸汽在管道里的循環(huán)不穩(wěn)定，會產(chǎn)生超壓以及汽水共騰現(xiàn)象，熱能又很難實現(xiàn)自動精確化控制，也很容易對系統(tǒng)造成危害。 吉林省煙草公司白城市公司從 2009 年開始使用以導熱油為熱載體的集中供熱式煙葉烘烤系統(tǒng)，具有嚴格的安全管理要求，但不泄露條件下安全性高于水和蒸汽系統(tǒng)，系統(tǒng)整體運行示意如圖 2-1 所示。該系統(tǒng)以煤為燃料，導熱油為循環(huán)介質(zhì)來傳遞熱量，運行時憑借循環(huán)油泵提供動力，使該高溫加熱系統(tǒng)在較低的壓力環(huán)境下工作，安全穩(wěn)定；常壓條件下，導熱油可以獲得更高的操作溫度，最高可達300℃以上，且省略了水處理過程，減少了初投資；熱媒吸熱快，散熱迅速，可以在更廣的溫度范圍內(nèi)滿足加熱、冷卻工藝，能夠達到煙葉在不同烘烤階段對熱量的要求；能夠通過控制進入散熱器的導熱油流量進而控制散入密集烤房的熱量，實現(xiàn)智能化烘烤。 
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第 3 章  封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng) .......... 15 
3.1  方案設(shè)計 .... 15 
3.2  太陽能集熱器各元件的選擇 .... 16
3.3  平板型太陽能空氣集熱器的布置與安裝 ........ 19 
3.4  封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)自動控制 .... 21 
3.4.1  密集烤房溫濕度控制方案.......... 21 
3.4.2  封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)的控制原理.......... 22 
3.4.3  封閉式太陽能輔助烘烤煙葉控制系統(tǒng)設(shè)計...... 28 
第 4 章  敞開式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng) .......... 31 
4.1  方案設(shè)計 .... 31 
4.2  敞開式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)自動控制 .... 33 
第 5 章  太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)的試驗應(yīng)用 .......... 39 
5.1  封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)試驗應(yīng)用 .... 39 
5.1.1  封閉式試驗系統(tǒng)及裝置...... 39 
5.1.2  試驗數(shù)據(jù)及分析.......... 42
5.2  敞開式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)試驗應(yīng)用 .... 45 

第 5 章  太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)的試驗應(yīng)用  

5.1  封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)試驗應(yīng)用
封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)設(shè)計完成后，為驗證太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)的集熱效果，在學校實驗樓陽光照射充足處搭建了太陽能空氣集熱系統(tǒng)模型，由于實際空間因素，模型中烤房與煙葉園區(qū)實際密集烤房大小按照 1：2 的比例搭建，即烤房長 4m，寬 1.4m，高 1.8m，烤房設(shè)備（風機、集中供熱熱源等）均按需求重新配置。煙葉烘烤中，烤房的密封性需良好，以盡量減少熱量的散失，密集烤房模型采用 100mm 的彩鋼板搭建，保溫性能良好，同時為保證試驗臺的穩(wěn)固，搭建之前首先建一個 100mm 的地基，將烤房模型固定到地基上，模型建成后用密封膠填充間隙，增強烤房模型的密封性，同時也可保護烤房模型不被雨水滲漏而破壞，試驗系統(tǒng)模型如圖 5-1 至 5-8 所示。吉林省煙草公司白城市公司煙葉園區(qū)中密集烤房集中供熱烘烤熱源為導熱油鍋爐，試驗烤房中無法實現(xiàn)此熱源，且密集烤房模擬試驗臺與實際裝煙容量不相同，太陽能為間歇性能源，夜間不能夠提供熱量，另外若試驗中出現(xiàn)陰雨天，也同樣無法提供熱量，因此根據(jù)試驗地點的太陽能資源和煙葉烘烤各階段的熱量需求，需重新確定試驗臺合適的供熱熱源，根據(jù)密集烤房模型運行時循環(huán)風機的風量選擇合適的循環(huán)風機型號。常用的熱源中，電加熱能量轉(zhuǎn)換率高，并且初投資少、無污染，比較容易控制，因此試驗中選用電加熱代替導熱油鍋爐來作為煙葉烘烤主要熱源。
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結(jié)論 

本文主要研究了以太陽能作為輔助熱源給煙葉烘烤提供熱量的太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)，分別設(shè)計了封閉式和敞開式兩種太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)及其自動精確化控制方案，進行了太陽能集熱裝置各個構(gòu)成部分的選型，搭建了系統(tǒng)各自的試驗臺并試驗測試以及煙葉園區(qū)現(xiàn)場烘烤，整理分析了烘烤試驗數(shù)據(jù)，研究了系統(tǒng)各自吸收的熱量及其節(jié)能效果，獲得了適用于集中供熱煙葉烘烤的太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)。 經(jīng)過試驗測試以及煙葉園區(qū)烘烤試驗，所設(shè)計太陽能集熱裝置均能夠吸收一定的太陽能熱量并將其傳遞給循環(huán)空氣，送給烤房煙葉，有助于減少散熱器內(nèi)流過的導熱油流量，節(jié)省一定的鍋爐燃煤量，且控制系統(tǒng)均以 PLC 可編程控制器為主控制器，其可靠性高，自動控制系統(tǒng)能夠保證太陽能集熱系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行，提高了系統(tǒng)的效率。初期投入與節(jié)能效果方面，封閉式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)和敞開式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)相比較，因封閉式系統(tǒng)施工相對復雜，且其經(jīng)過太陽能集熱器的回風風量與回加熱間風量不易準確控制，較難實現(xiàn)太陽能集熱裝置中空氣的穩(wěn)定流動，進而會影響集熱效率，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)的分析，其節(jié)能效果遠沒有敞開式太陽能輔助烘烤煙葉系統(tǒng)高，此外，敞開式系統(tǒng)控制較簡單，容易實現(xiàn)且能準確控制，因此適用于集中供熱式煙葉烘烤。 
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參考文獻(略)

本文編號：68787