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密集烤房不同保温材料烘烤效能研究

更新时间:2009-03-28

随着科技和经济的进步,根据烤烟规模化生产及我国烤烟生产可持续发展的需要,密集烤房在烤烟生产中逐渐推广并成为当前烤烟设备的发展方向。从早期自然通风气流上升式烤房至当前采用的机械强制通风热循环烤房,烤房发展历程一直注重在热风循环系统以及加热系统方面的改进[1]。当前推广的密集烤房虽然在装烟量、烟叶烘烤质量、集约化程度方面体现出巨大优势,但由于密集烤房墙体建造材质大多选用导热性较强的红砖或空心砖[2-3],烘烤过程中燃料提供的热量一部分用于烟叶脱水干燥,一部分通过空气渗漏、墙体的传导、辐射等方式散失了。研究表明,即使是一座封闭良好的全新烤房,其热能利用率也只能达到60%左右[4]。热能利用率较低会增加系统能耗,烘烤过程中热量供给不及时还会造成失水变色不协调,从而增加烤坏烟的发生率,这些因素都在一定程度上降低了烟叶烘烤的经济效益。因此,提升烤房热能利用率,促进烘烤过程中烟叶处于均匀温湿度场,对于降低烘烤成本、提升烟叶质量具有重要意义。

两相瞬变流采用的基本方程和单相流一样,但需分相列出质量方程,因不计相间的动量变换,所以动量方程可以合并为一个混合体的动量方程。基本方程式及其推演略述。

近年来针对提升烤房热能利用率的技术或材料已有很多研究,Danford[5]设计一种新型密集型烟叶烘烤和干燥设备,该设备中的逆流余热回收换热器可从废气中回收热量,节省大量的能源。宋朝鹏等[4]将纳米涂料喷涂于密集烤房装烟室内壁与未做处理的烤房进行对比,结果表明,纳米涂料处理的烤房用电量和耗煤量均有所降低;整体热效率提升10.75%,并有效缩短烘烤时长、增加烤后烟上中等比例,烟田烟农增收29 643.75元/hm2。卢军等[6]在密集烤房中添加泡沫保温材料,结果表明,使用泡沫保温材料处理的烤房在缩短烘烤耗时、能耗以及提升烤后烟叶经济性状方面均表现出较大优势。以往研究均集中在材料的应用效果方面,不同保温处理之间的对比分析尚未见报道。试验在密集烤房中分别铺设泡沫保温材料和涂抹纳米涂料,同时以普通密集烤房为对照,对比分析两种保温材料在烘烤性能和效果方面的差异,旨在为进一步提升密集烤房烘烤效果、增加烟农收益提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016~2017年在河南省襄城县紫云镇开展,供试品种为中烟100,试验田土壤肥力中等,前茬作物为芝麻;田间管理按优质烤烟栽培生产技术规范进行,分别选取成熟度、颜色均匀一致的下部叶(5~6位叶)、中部叶(11~12位叶)、上部叶(15~16位叶)进行3次烘烤试验。

1.2 试验设计

在试验点密集烤房群中选择规格一致的气流上升式烤房3座(装烟室模式为2路3层设计,装烟室规格为8.0 m×2.7 m×3.5 m,烘烤能力1.33 hm2)。以三段式烘烤工艺[7]为基础,结合当地烟叶烘烤特性对烘烤过程中温湿度做适当调整。试验设3个处理,CK:普通密集烤房;T1:密集烤房装烟室铺设泡沫保温材料;T2:密集烤房装烟室内壁涂抹纳米涂料。

4)缸套水系统:本系统是由4台发动机中的缸套水(106~108℃、10 t/(h·台))分别与板式换热器A1~A4换热,换热后96℃热水汇合,经汇合后送到板式换热器B与烟气换热器,经烟气换热器升温后送至ORC机组发电,排出70℃的水与板式换热器B出水汇合回到板式换热器A1~A4重复循环。

12)脚手板操作面的端头处绑两道防护栏杆,建筑物顶部脚手架要高出屋面1.0m,高出部分要绑两道护身栏,并立挂安全网。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 空载试验保温性能测试 关闭三座烤房的装烟门,添加相同重量的燃煤,循环风机模式调至高速挡,同时点火,每2 h记录1次温湿度表盘显示的温度,直至烤房中温度趋于稳定时结束。

[1] 王卫峰,陈江华,宋朝鹏,等. 密集烤房的研究进展[J]. 中国烟草科学,2005,26(3):12-14.

 

式中 t1’~ t9’为顶棚温度计读数,t1’’~t9’’为底棚与其相对应的各温度计读数,n(1,2,3)代表烤房棚次。

1.3.3 烘烤耗时及能耗统计 烘烤时长和能耗计算参照《烟叶烘烤原理》[9]进行统计。

  

图1 烤房温度计放置位点(烤房建造参数单位:cm)

1.3.4 经济性状 参照YC/T 291—2009进行烤后烟叶等级划分。

为消除装烟量对烘烤成本的影响,数据统计后计算出1 kg干烟叶产出所需燃料用量及耗电量。由表2可以看出,T1和T2处理在耗煤量和耗电量方面较对照均有所降低,其中,T1和T2处理在燃料成本方面较CK处理分别减少了0.42和0.52元/kg,耗电成本方面较CK处理分别减少了0.02和0.05元/kg。综合烘烤成本包括煤炭使用成本和用电成本,T1和T2处理较CK处理降低幅度分别达到17.05%和22.09%。

1.3.5 感官评吸质量 聘请河南农业大学烟草学院8位相关专家,参照国家标准YC/T 530—2015烤烟烟叶质量风格特色感官评价方法,按“九分制”评分标准对各处理的各部位烟叶进行打分。

1.4 数据处理

数据统计和作图用SPSS 17. 0和Microsoft Excel 2010软件。

2 结果与分析

2.1 空载试验保温效果对比分析

表7列示了供给侧改革下技术人员聘任的回归结果。其中Inovation-Policy系数在混合样本和非国有企业样本中显著为正的0.040,且分别通过了1%和5%水平检验。这表明民营企业在创新驱动供给侧改革阶段并没有采用过于保守稳健的创新策略,理解并正确认知了创新在市场竞争中的作用与地位,开始大量聘用储备技术人员,为下一阶段的创新研发作铺垫。该结果很好地修正了利用R&D研发投入与专利产出作为衡量指标的局限性,证实了创新驱动供给侧改革对民营企业创新研发投入的引导与激励作用。

  

图2 不同处理空载试验保温效果对比

2.2 烘烤耗时对比分析

由图3可知,对照处理烘烤时长分别高出T1和T2两个处理13和18 h,且差异达到显著水平(P<0.05),两个保温材料处理烤房烘烤时长为T1>T2,二者差异不显著。烘烤时间长短反映了烘烤劳动强度和能耗高低,如果以对照普通烤房用工强度设定为1,结合T1和T2两个处理烘烤耗时,用工强度分别节省0.11和0.14个。因此烤房装烟室中增设保温材料在一定程度上可以降低劳动强度、削减烘烤成本,且纳米涂料涂抹烤房在节省烘烤耗时方面的效果优于泡沫保温材料处理的烤房。

  

图3 不同处理烘烤耗时

2.3 平面温差与垂直温差对比分析

RFID技术也叫射频识别技术,主要是利用无线电讯号来感知监测对象,同时将监测数据记录下来,适用于短距离的数据识别和传输。RFID技术主要包括软件处理系统、阅读器、应答器等3个部分,其具有抗污染能力强、耐久性高、扫描迅速等优点,且数据记忆容量较大,因而在物联网中得到了广泛的应用。其中,阅读器能够及时检测到检测目标发出的信号,然后利用天线将射频信号散发出去,软件系统接收到信号之后对其进行处理,同时将处理信息向阅读器反馈,阅读器接收到频率信号后进行相应数据分析,从而实现信息控制。

企业增设信用信息管理部门,使其在企业组织结构上作为一个独立的部门存在,工作人员在对客户信用管理中能够保持客观的态度,不会受销售人员的影响、做出错误的判断,影响客户信用评级,导致应收账款在后续货款回收中出现失误。

2.4 烘烤能耗对比分析

“团体邀请展”版块,则邀请了近几年活跃在中国油画界的新锐艺术团体“八零油画社”15位新生代艺术家的30件作品参展。该社作为一支年轻的油画学术团体被邀请集体参展,体现了策展团队对年轻一代艺术家寄予的厚望与关注。

2.5 烤后烟经济性状对比分析

35℃-40℃的温水,是胃肠道感觉最舒服的温度。晨起喝杯温开水,能帮助缓解便秘,降低脑血栓、心肌梗死的发病率,还能帮助吸收早餐中的营养。

烟叶质量的高低决定了烟叶烘烤的经济效益,和烟农的利益直接相关,同时也可以作为衡量烤房性能的关键指标之一。从表3统计的不同处理烤房烤后烟叶各等级可以看出,相对于CK处理,T1和T2处理上等烟比例提高幅度分别为7.41%和10.88%;下等烟比例降低幅度分别为10.92%和15.14%,虽然中等烟比例较对照有所降低,但由于上等烟、下等烟比例的差异最终使均价分别提高0.74和1.29元/kg。可见,经保温处理的烤房可以在一定程度上可提升上等烟比例,降低烤坏烟比例,且纳米涂料处理的烤房提升烟叶质量的效果高于泡沫保温材料烤房。

 

表1 负载条件下各处理烘烤过程中温差统计 (℃)

  

注:表中同列不同小、大写字母分别表示差异达显著水平(P<0.05)、极显著水平(P<0.01)。下同。

 

垂直温差底 层 中 层 顶 层 平均值 底层-顶层CK 3.37±0.28 bB 3.78±0.36 bB 3.97±0.41 bB 3.71 aA 4.07 aA T1 2.65±0.27 aA 2.84±0.33 aA 3.09±0.37 abAB 2.86 bB 3.39 bB T2 2.36±0.21 aA 2.53±0.25 aA 2.67±0.27 aA 2.52 bB 2.72 cC处 理 平面温差

 

表2 不同处理烘烤干烟所需成本

  

注:动力煤价格为950元/t,电价为0.65元/kW·h。

 

处 理 耗煤量(kg/kg) 燃料成本(元/kg) 干烟用电(kw·h/kg) 干烟耗电成本(元/kg) 干烟综合烘烤成本(元/kg)CK 2.37±0.14 aA 2.25 aA 0.50±0.07 aA 0.33 aA 2.58 aA T1 1.93±0.09 bB 1.83 bB 0.47±0.09 aA 0.31 aA 2.14 bA T2 1.82±0.06 bB 1.73 bB 0.43±0.09 aA 0.28 aA 2.01 bA

2.6 感官质量评价

从表4可以看出,各处理烤烟感官评吸质量的各项评价指标得分均比较接近,经保温材料处理的烤房在香气量和香气质两个指标得分方面较对照略有提升,和余金龙等[10]研究结果一致。此外,T1和T2两个处理的C3F在燃烧性方面较对照有所提升,可能是由于烟叶部位特性[11]和感官评吸人员的主观性所致[12]。整体来看,T1和T2两个处理在感官评吸质量方面得分较为接近,略好于对照。

 

表3 不同处理烤后烟经济性状统计

  

处 理 上等烟比例(%)均 价(元)CK 25.10 68.03 6.87 22.68 T1 26.96 66.92 6.12 23.42 T2 27.83 64.67 5.83 23.97中等烟比例(%)下等烟比例(%)

 

表4 不同处理烤烟感官评吸质量统计 (分)

  

处 理 等 级 香气质 香气量 劲 头 浓 度 余 味 杂 气 刺激性 灰 色 燃烧性CK X2F 6.0 6.2 7.7 6.0 6.0 6.0 6.2 6.5 8.0 C3F 5.8 5.9 7.7 6.0 6.0 5.8 6.0 6.5 7.5 B2F 5.5 5.7 7.5 5.9 5.6 5.4 5.9 6.5 7.5 T1 X2F 6.2 6.5 7.7 6.0 6.2 6.0 6.2 6.5 8.0 C3F 6.2 6.0 7.7 6.0 6.0 6.0 6.0 6.5 8.0 B2F 5.6 5.7 7.6 5.9 5.8 5.4 5.9 6.5 7.5 T2 X2F 6.5 6.5 7.7 6.0 6.2 6.0 6.2 6.5 8.0 C3F 6.2 6.1 7.7 6.0 6.2 6.0 6.0 6.5 8.0 B2F 5.8 5.8 7.6 6.0 5.9 5.5 6.0 6.5 7.5

3 结论与讨论

试验表明,经保温材料处理的烤房在烘烤性能和效果方面均优于普通密集烤房。在装烟室内铺设泡沫保温材料较普通密集烤房烘烤成本降低0.44元/kg,缩短烘烤耗时13 h左右,烤后烟均价提升0.74元/kg;而装烟室内壁涂抹纳米材料较普通密集烤房烘烤成本可降低0.57元/kg,缩短烘烤耗时18 h左右,烤后烟均价提升1.29元/kg;二者均表现出明显的增质提效、省工降本作用。纳米涂料在缩短烘烤耗时、节省烘烤能耗、增加烤后烟经济性状方面均优于泡沫保温材料,平面温差不同保温处理之间差异达到显著水平,垂直温差差异达到极显著水平,但保温材料处理对于烤后烟感官评吸质量提升效果并不明显。

从图2可以看出,空载条件下各试验烤房温度变化均呈现相同的变化趋势,0~10 h为燃料燃烧供热阶段,烤房中温度在此阶段不断上升,但上升速率有所不同,T1、T2、CK3个处理在此阶段平均升温速率分别为4.36、3.86、3.43℃/h。各处理烤房温度均在10 h左右达到最高值,其中表现为T1>T2>CK。由于燃料消耗完毕,烤房中温度和外界温度差值较大,因此在10~18 h存在快速降温阶段,18 h之后烤房中温度经缓慢下降后趋于稳定状态,在降温阶段各处理烤房温度均表现为T1>T2>CK的趋势。综合各处理烤房升温降温情况,可以看出保温材料处理的烤房较普通烤房在升温速度以及保温性能方面均有提升,且以泡沫保温材料处理的烤房效果最高。

纳米涂料在降低烤房温差方面表现出的明显优势主要是由于纳米涂料自身电磁学性能、光学性能、流体学性能所致[13]。特别是纳米微粒的的吸收带普遍存在“蓝移”现象[14],热能通过漫射的方式在烤房中各个位置自由流动。而现有泡沫保温材料大多通过泡沫的密闭性达到物理保温效果[15],最终导致泡沫保温材料和纳米涂料在促进烤房中温度均衡性方面出现较大差异。综合来看,在密集烤房经保温处理后在烟叶烘烤的省工、降本、提质、增效方面均有一定程度的提升作用,但材料本身的挥发性对于烟叶品质以及安全性的影响仍需进一探究。

参考文献:

1.3.2 平面温差和垂直温差 参照王建安等[8]方法在烤房中每个层位悬挂9个温度计,共27个检测位点(图1),每2 h记录1次数据。

[2] 艾绥龙,李先锋,牛瑜德,等. 汉中市密集烘烤现状及展望[J]. 河北农业科学,2009,13(3):85-86.

[3] 王文超,贺 帆,徐成龙,等. 烟叶烘烤节能技术研究进展[J]. 南方农业学报,2011,42(10):1267-1270.

[4] 宋朝鹏,彭万师,杨 超,等. 纳米涂料在烤烟密集烘烤中的应用[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2009,37(8):97-100.

[5] Danford T J. Energy efficient bulk tobacco curing and drying structure:US,US4263721[P]. 1981.

从表1可以看出,对照普通烤房平均平面温差分别高出T1和T2两个处理0.85℃和1.19℃,CK处理和T1、T2处理差异平均值达极显著差异,两个保温材料处理之间差异不显著;垂直温差较平面温差进一步增大,3个处理表现相同趋势,T1和T2处理分别较CK处理降低16.71%和33.17%,且各处理之间差异均达到极显著水平。可见经保温材料处理的烤房装烟室的各个位点在烘烤过程中稳温性较普通烤房均有所提升,从而使烤房内各个位置烟叶所处的温湿度环境近似相同,促进烟叶失水和变色相协调,对提升烟叶的整体烘烤质量具有重要意义,纳米涂料较泡沫保温材料在减小烤房温差方面存在一定优势。

[6] 卢 军,袁建君,王 勇. 泡沫保温材料在密集烤房中的应用效果分析[J]. 南方农业学报,2012,43(7):1033-1036.

[7] 宫长荣. 烟草调制学[M]. 北京:中国农业出版社,2003.

[8] 王建安,武圣江,郭 燕,等. 纳米涂料对密集烤房烘烤性能及烟叶质量的影响[J]. 云南农业大学学报,2011,26(3):400-404.

[9] 宫长荣. 烟叶烘烤原理[M]. 北京:科学出版社,1994.

[10] 余金龙,谭方利,邓世雄. 烤房纳米功能涂料在烟叶烘烤中的应用效果[J]. 中国烟草科学,2009,30(5):29-33.

[11] 于海芹,焦芳婵,肖炳光,等. 云南烤烟主产区烟叶化学成分含量特点分析[J]. 基因组学与应用生物学,2011,30.

[12] 李炎强,冼可法. 测试顶空气相成分评价不同类型烟草质量[J]. 烟草科技,2001,(3):27-33.

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[13] 宋朝鹏,张钦松,杨 超,等. 纳米涂料在烟叶烘烤中的应用前景[J].作物杂志,2009,(1):8-10.

[14] 庞 欢. 功能性微纳米材料的控制合成及其性能研究[D]. 南京大学,2011.

[15] 沈运文,张彦华,朱丽滨,等. 脲醛树脂泡沫保温材料的研究与发展[J]. 化工新型材料,2016,(1):25-27.

 
李昊
《湖南农业科学》 2018年第03期
《湖南农业科学》2018年第03期文献

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