新型电烤烟房的研究.docx

新型电烤烟房的研究 张宗锦1 ，胡建新1* ，郭 川2( 1 四川省烟草公司攀枝花市公司，四川攀枝花 617026; 2 四川省星川生物科技有限公司，四川成都 610000)摘要 应用热力学基本原理，获取电烤房能耗的理论值，以此为依据，设计改造了攀枝花平地镇密集烤房群的一座标准烤烟房并进行了实际对比试验研究。结果表明，新烤房在能耗上低于传统烤房，而烤烟品质上无明显差异。关键词 电烤烟房; 能源费用; 烤烟质量; 电烤房能耗的理论值中图分类号 s 219 08文献标识码 a文章编号 0517 6611( 2012) 13 07984 03research on the new electric flue-cured tobacco housezhang zong-jin et al ( panzhihua branch，sichuan tobacco company，panzhihua，sichuan 617026)abstract according to the basic principles of thermodynamics，the theoretical energy consumption of electric flue-cured tobacco house wasobtained，based on which a standard flue-cured tobacco house was reconstructed and then compared with other traditional tobacco houses inpingdi town of panzhihua city the results showed that the new electric flue-cured tobacco house consumed less energy than the traditional house without much difference in their tobacco qualitykey wordselectric flue-cured tobacco house; energy costs; quality of flue-cured tobacco; theoretical value of energy consumption在我国密集烤房的发展过程中，面临着燃煤质量差异大，烟农种植比较分散，烘烤的劳动强度和技术难度都比较 大等问题，专业化烘烤发展的相对缓慢成为了制约某些地区 烟草生产的关键因素之一1 3。我国传统的烟叶烘烤设备 主要是以燃煤为主的小型烤烟房，这种小型烤房现有 400 多 万座，其中 90% 以上是煤烤房4。虽然烟业工作者对其进行 了卓有成效的改造5，但这些烤房仍然能耗高、系统热效率 低 ( 低于 35% ) ，所烤烟叶的质量不稳定。由于分散烤烟，对 环境的污染也不可小视6。近年来，随着煤炭的日益紧张， 加上物流成本的上升，能耗的费用越来越高。由于煤烤房的 自动化改造不现实，而用工成本却在不断攀升，于是人们开 始研究以电能为主要能源的烤房改造方案。不容置疑，过去人们对以电为主要能源的烤烟过程存在 过误区，以为过高的用电量会大幅提高烤烟成本。因此，到 目前为止，还没有发现有文献报道基于密集型标准烤房的理 论用电量的可信数据。笔者通过经典热力学方法和蒸发过 程水在不同物质中聚集的氢键变化，试图寻找以电为主要能 源的理论用电量。并以此为依据对传统煤烤房进行技术改 造，以期为解决烤烟过程中电能的理论能耗与实际运行过程 的节能措施，提供基础理论性研究数据。令: m = 18 g( 水的相对分子量) ， = 3 594 kj / h( 一度电的每小时的电功率) ，vap hm ( h2 o) = 40 kj / mol( 水在 373 k( 100 ) 时的蒸发焓) ，代入( 1) 式得: w = 1 617 kg / h，即一度电每 小时可蒸发 1 67 kg 水量。若不考虑自然蒸发和其他因素的情况下，3 600 kg 的水要全部蒸发需耗电量 l 为:0l = 3 600 / w( 2)0带入 w = 1 617 kg / h，计算得 l0 = 3 600 / w = 2 222( 度) 。也就是说，标准烤房 400 竿若用电能烤制，需耗电 2 222 度。 按每度电 0 78 元计，能源费用就高达 1 732 元，比用煤的传 统烤房的平均能源费用 1 100 元( 500 kg 精煤，220 度电，外加 50 kg 的柴火) 要高出 600 多元。这样的高费用，显然没有人敢问津此项煤改电的尝试。但是，上述计 算 中，有 明 显 的 误 判，那就是把水当作纯 水，没有考虑水在烟叶中的存在形式。根据 文 献 报 道7 8， 水在植物叶面里主要是以植物生物膜水以及毛细管水的形式存在。这样，水分子间的氢键将会大大削弱，甚至不存在，其蒸发焓也将极大地降低。 水中氢键键能的实验值为9: = 25 kj / mol 据此，考虑一种极端情况，视生物体内没有聚集水，水与水之间的氢键不存在，故可近似计算出此时水在 373 k( 100 ) 时的蒸发焓为:vap hm ( 无氢键) = vap hm ( h2 o) = 40 2511 1材料与方法电烤房能耗算法的理论研究 从物质状态变化来看，烟叶是一种含水量达 90% 的物质，烤烟过程的本质就是将烟叶中的含水除去的过程。按目前标准烤房装烟量平均 400竿，每竿 10 kg 计 算，一 次 烤 烟 量 为 4 000 kg。若 含 水 量 为90% ，那就是要将 3 600 kg 的水蒸发掉。通过推导可以得到，( 3)= 15 kj / mol然而，在正常烤烟过程中，一般保持烤房的温度在 40 65 左右，还需计算此温度区间水的蒸发焓。10根据 基 尔 霍 夫 定 律，任意温度的水的蒸发焓 vap hm ( t2 ) 的计算式为:w = m ( 1)vap hm ( h2 o)vap hm ( t2 )= vap hm ( t1 ) + t + cp，m dtt2( 4)作者简介 张宗锦 ( 1977 ) ，男，四川广元 人，助 理 农 艺 师，硕 士，从 事烤烟研究。* 通讯作者，高级农艺师，从事烤烟生产研究，e-mail: pzhhujianxin 163 com。收稿日期 2012-02-021其中，vap hm ( t1 ) 为 373 k( 100 ) 时水的蒸发焓，cp，m为水的等压热容变化值，cp，m = cp，m ( l) cp，m ( g) ，而水的不40 卷 13 期张宗锦等 新型电烤烟房的研究7985同状态的等压热容为: cp，m ( l) = 75 3 j / kmol，cp，m ( g) =33 6 j / kmol。根据公式( 4) 计算出 40、45、50、55、60、65 温度下，烟 叶中水的蒸发焓分别为 12 5、12 7、12 9、13 1、13 3 和 13 5 kj / mol。取均值 13 0 kj / mol，按式( 1) 和式( 2) 可计算出要 全部蒸发 3 600 kg 水，需耗电量 l1 为 723 度电。上诉计算没 有考虑生物膜和毛细管中水的氢键存在，也没有考虑在实际 烤烟过程中热的损耗。723 度是标准烤房条件下，理论烤烟 电消耗量。此外，烤烟装烟叶时的环境温度 t1 往往低于烤制时期 的温度 t2 。若装烟时，烟叶的温度为 20 ，需加热到近 40 ，这需要消耗电能，其计算方法如下:图 1电烤房侧面设备安装图大，比传统煤烤房还略有优势，但未达到显著性差异。表 1电烤房与传统烤房能源费用比较干烟总能源 单位干烟叶 装竿量用电量 用煤量 用柴量试验组重量费用 烟能耗m部位 竿度kg kg kg 元元 / kg l2 = mcp，m ( h2 o) ( t2 t1 )( h2o)其中，cp，m 为水的等压热容 cp，m = 75 3 j / kmol; m 为烟叶中水的含量( g) ; m( h2 o) 为水的摩尔质量; l2 为升温过程的耗 电量( 度) 。以 400 竿烟叶，含水量 3 600 kg 计算，从 20 升温为 50 ，需耗电约 125 度。这样，烤烟全过程的理论总耗电量为:l = l1 + l2 = 723 + 125 = 848( 度) 。若考虑热损耗 40% 的正常 情况下，标准烤房装烟叶量平均 400 竿 计 算，其 耗 电 量 为:848 1 4 = 1 187( 度) 。按每度电 0 78 元计，能源费用为 925元，比用煤 的传统烤房的平均能源 费 用 1 100 元 要 节 省 近175 元。根据以上计算，可以得出一个结论，采用电加热的烤房 在能耗方面的费用比用煤的传统烤房要节省。电烤房上部中部 底部上部中部 底部416450396420420400457 6458 0319 7462 0379 7281 71 3091 3561 1252302092251 017 91 058 0877 51 231 31 035 21 086 12 222 312 742 672 733 86传统煤烤房500487498505050注: 当地燃煤价格是 1 800 元 / t，电价是 0 8 元 / 度。烤烟品质对比图 2、3 分别绘出一个典型的烤烟温度2 2曲线，由此可见，电烤房的温度曲线较传统烤房更加平缓，其烤烟质量完全可控。表 3 列出了该两种烤烟的品质及其销 售价格对比，不难看出，电烤房完全能达到传统烤房的质量 水平。1 2试验场地和试验设计针对云烟 85 的生长期，试验时间从 2011 年 7 月 16 日持续到 9 月 12 日，共进行了 4 次全面烤烟试验，分别对上、中、下部位烟叶实施烘烤。试验安排在攀枝花市平地镇密集式烤房群的 1 号烤房， 对比烤房( 煤烤) 为 2 号烤房，试验用烤烟品种为云烟 85，田 间长势一致，成熟度较好。烤房装烟量 400 竿左右，竿距 12 cm，装烟密度 41 7 50 kg / m3 。注: 图中 1 为上部干球温度; 2 为下部干球温度; 3 为上部 湿 球 温度; 4 为下部湿球温度，下图同。图 2 电烤烟房温度曲线1 3 电烤房设计烤房是烤烟生产中必不可少的专用设备，烤房性能的优劣直接关系到烟叶烘烤的成败，是烤好烟叶的重要保障。为此，根据密集烤房的实际大小，笔者设计 了电发热系统烤房( 见图 1) 。由图 1 可知，电烤房的主要结 构，其中热源主要由加热风机提供，而 2 个置于对角线上得350 w 轴流风机主要起到扰动气流，使热扩散均匀的目的。为了减少热能的耗散，烤房四周内壁用保温材料加以覆盖。1 4试验方法为了控制烤烟质量，试验过程中聘请有多年烤烟经验的当地技师对电烤房和传统烤房同时进行烤烟作业，每隔 10 min 记录用电量和煤烤房中的温湿度。试验数 据采用 excel 2003 和 origin 软件进行统计与分析。2 结果与分析图 3 传统煤烤烟房温度曲线烘烤成本比较 由表 1 可知，电烤房与传统煤烤房的2 1在密集烤房的基础上，对2 3电烤房建造设备成本能源消耗及其费用的比较，电烤房在运行过程中成本波动不其进行电气化改造，建造设备成本为 0 75 万元，不包括物流7986安徽农业科学2012 年及人工费用。新型电烤房加装了保温层，费用约为 800 元，热风机 4 000 元，轴 流 风 机 两 台 700 元，外加电路改造费用 2 000 元。施装置，将更有效地降低能源消耗。( 3) 若采用自动控制技术，还可使烤烟过程的能耗降低， 烤烟质量可控，减少人为波动干扰。( 4) 通过对烤烟质量的 评 价，采用电烤制的香烟，在 变 黄、定色、干筋过程均与传统烤制品质相差无几。参考文献1中国农业科学院烟草研究所 中国烟草栽培学m 上海:上海科学技 术出版社，19872宫长荣，潘建斌，宋朝鹏 我国烟叶烘烤设备的演变与研究进展j 烟 草科技，2005(11):34 363蒋笃忠，高春洋，聂新柏，等 普通烤房密集化改造技术的研究j 作 物研究，2008，22(1):36 384陈其峰，杨培钰，王东明，等 密集烤房关键设备类型对烟叶烘烤成本 的影响j 中国烟草科学，2009，30(4):67 685杨威，赵松义，朱列书，等 新型无机非金属材料烤房的研究j 作物 学报，2011，25(2):110 1136宋朝鹏，李富欣，陈少斌，等，烤烟烘烤技术现状与发展趋势j 作物 学报，2010(1):6 87r张 物理化学及其在生物体系中的应用m 北京:科学出版社，19868c西伯斯马 生物物理引论m 北京:科学出版社，19799周公都 结构化学基础m 北京:北京大学出版社，200910朱传征 物理化学m 北京:科学出版社，2008表 3电烤房与传统烤房烤烟销售价格对比烟叶部位装竿量竿干烟总重量kg平均销售单价元 / kg销售总价值元试验组电烤房上部中部 底部 上部 中部 底部416 0450 0396 0420 0420 0400 0457 6458 0319 7462 0379 7281 715 4518 3814 2615 4618 2114 247 069 008 418 134 559 957 141 006 912 444 010 13传统煤烤房3 结论与讨论( 1) 通过热力学计算，采用电加热烤制烟叶在理论上是 完全可行的。( 2) 采用较好的保温措施，可有效保证电烤房的温度，使 电能消耗降低，若进一步在排湿过程中，考虑余热回用的设檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪w机组纯作业生产率，hm2 / h; b作业幅宽，m; v机组的作业速度，km / h。检测结果见表 3。由表 3 可知，深松联合耕作的油耗明 显低于对照。通过两种耕法的比较，可以得出: 1zms-350 深松型联合 整地机的保墒效果明显好于没有深松装置的联合整地机。4 结论( 1) 深松型联合整地机可以打破多年以来 形 成 的 犁 地 层，改良土壤、增 强 土 壤 活 力，提 高 土 壤抵抗自然灾害的能 力，为农民稳产、增产提供基础保障。拖拉机一次进地就可 以使田面达到待播状态，减少了拖拉机对土壤的压实，节约作业环节，减少成本投入，节约能源消耗。( 2) 实现深松联合作业。该机具组合作业一次可完成根 茬粉碎还田、垄上和垄沟深松、起垄、镇压等项作业。实现真 正意义上的组合作业。秋季可以独立灭茬深松作业，春季可 以独立深松旋耕作业也可以联合作业。( 3) 该机具适宜东北垄作地区春秋整地作业，具有结构 简单，地块转移方便，作业效率高等特点。参考文献1周建来，李源知，焦乔凤 国内外旋耕机的枝术状况j 农机化研究，2000(2):49 512岳丽雅，郭景才，李文明 机械深松联合整地技术的应用j 农机化研 究，2001(1):91 923邵长发，郑志安，林启瑞 全方位深松在农业可持续发展中的作用研究j 农业机械学报，1999，30(5):81 854贾鸿社，周立志，周政 拖拉机机组系统研究现状及展望j 拖拉机与农用运输车，2000(4):13 175韩树明，冯文化，崔国立，等 sgtn-210 型联合整地机的研究设计j农机化研究，2002(1):79 806李连豪，张欣悦，汪春，等 1gsz-350 型联合整地机铲柄力学分析j农机使用与维修，2009(1):21 227贾洪雷，陈忠亮，刘昭辰，等 耕整联合作业工艺及配套机具的研究j 农业机械学报，2001，32(5):40 438鲁力群，李其昀，赵静 深松旋耕沟播联合作业机深松技术j 山东理工大学学报:自然科学版，2003，17(6):72 759张