В А Піддубний - Оцінка можливостей рекуперації теплових потоків на сушарках солоду - страница 1

Страницы:
1 

ББК 36.87

Піддубний В.А., кандидат технічних наук

Національний університет харчових технологій

ОЦІНКА МОЖЛИВОСТЕЙ РЕКУПЕРАЦІЇ ТЕПЛОВИХ ПОТОКІВ НА СУШАРКАХ СОЛОДУ

 

Солод, який одержують після пророщування, підлягає сушінню, відокрем­ленню ростків і витримці в часі. Режими термічної обробки під час сушіння ви­бираються певним чином з метою збереження ферментів солоду.

Відомо, що до числа факторів, які зумовлюють баланси теплових і мате­ріальних ресурсів та необхідний екологічний рівень, є технологічне і технічне забезпечення, вид первинних енергоносіїв, способи підготовки сушильних аген­тів та кондиціонування повітря, рівень використання вторинних енергетичних ресурсів, ступінь автоматизації технологічних процесів.

В роботі [1] вказується на те, що рециркуляція димових газів в сушарках зменшує витрати первинних енергоресурсів на 14 %, а витрати теплоти на су­шарках або солодових заводах становлять 85-90 % від загальних витрат її на виробництво солоду. В сушарках на 100 кг сухого солоду одержують біля 80 кг переведеної в стан пари вологи, а на одержання 1 т солоду за умови ощадливого енергокористування витрачають біля 4 млн. кДж.

Втрати теплової енергії мають місце в вихідних матеріальних потоках ди­мових газів, сушильного агента, солоду та в радіаційному або конвективному розсіюванні теплоти на спорудах та обладнанні.

Що стосується теплових втрат з вихідними матеріальними потоками сушарок, то в багатьох випадках здійснюють рекуперацію вторинних теплових ресурсів з димових газів і сушильного агента. Яких-небудь вказівок на спроби утилізувати теплоту солоду після ростковідбивних машин автор не знайшов і пояснити це можна відносно коротким періодом цієї технологічної операції і відносною складністю технічного виконання такого процесу, хоча не варто стверджувати його безперспективність.

Втрати теплоти з сушильним агентом в солодосушарках становлять до ЗО і навіть до 50 % загальних втрат на сушіння солоду. З метою зменшення таких втрат використовують скляні теплообмінники, в яких теплота передається вхідному потоку повітря, що поступає потім в теплогенератор або калорифер. В теплообміннику накопичується конденсат водяної пари, який видаляється без­перервно або циклічно.

Є дані, що скляні теплообмінники скорочують витрати палива на 30-35 %, а термін їх окупності складає біля 2 років.

Відомо, що за інших рівних умов їх мінімізація досягається в сушарці безперервної дії. Певний вплив на кінцевий результат має спосіб сушіння. В літературі є вказівки на те, що за умови імпульсного подавання сушильного агента вдається зекономити до 40 % енерговитрат на етапі сушіння і термічноїобробки порівняно зі звичайним режимом. Таке твердження мабудь може бути справедливим в екстремальних умовах, проте за умови вірно вибраних витрат сушильного агента на процес такий рівень економії енерговитрат здається сум­нівним. Імпульсне сушіння солоду інтенсифікує технологічний процес за раху­нок того, що в проміжках часу зупинки в подаванні сушильного агента тем­пературний і концентраційний градієнти співпадають. Однак випаровування однієї і тієї ж кількості вологи потребує однакових енергетичних витрат, тому загальна кількість підведеної теплової енергії залишається однаковою. Проте економія можлива за рахунок скорочення загального часу сушіння і втрат в навколишнє середовище.

Можливо погодитися з поширеною думкою відносно того, що критерієм оптимізації сушіння солоду мають виступати мінімальні питомі енерговитрати за умови високої якості цільового продукту

Контрольним параметром оптимізації за таким критерієм має бути від­носна вологість відпрацьованого сушильного агента. Останній показник має ко­релювати з вологістю солоду. Таким чином, якщо втримувати показник від­носної вологості в межах розрахункової номінальної, то це означає мінімізацію теплових витрат. Зниження відносної вологості за номінальну при заданій тем­пературі означає наявність теплових втрат.

Певна їх компенсація буде за умови рекуператора теплової енергії, а при відсутності останнього втрати стають незворотніми.

До числа поширених на Україні відносяться двоярусні сушарки, у яких на верхній решітці процес характеризується швидким видаленням вологи від 43­45 % до 10-12 за відносно низьких температур. На нижній решітці видалення вологи здійснюється значно повільніше в діапазоні від 8-10 до 3-3,5 %.

Інтереси технології потребують постійного зростання температури су­шильного агента від початку до завершення процесу.

Для оцінки стану солоду використовують такий непрямий показник як різниця температур сушильного агента під решіткою і над шаром солоду. Два інших важливих параметри сушильного агента, такі як витрати за одиницю часу і відносна вологість, практично не контролюються.

За відомих переваг компоновки двоярусних сушарок мають місце і недо­ліки. Відомо, що витрати сушильного агента через нижню і верхню решітки практично однакові, хоча масообмінні процеси на них суттєво відрізняються через різні форми зв'язку вологи і супроводжується різними кількостями вида­леної вологи.

Якоюсь мірою ця невідповідність компенсується різницею температур су­шильного агента на нижній і верхній решітках, але ця компенсація явно не­достатня. Різниця температур повітря до і після шару буде відносно малою. Тому для одержання різних режимів сушіння на нижній і верхній решітках виникає необхідність подавання свіжого повітря під верхню решітку, де воно змішується в певній пропорції з сушильним агентом і утворює суміш необхід­них параметрів.з

При цьому вся теплота, яка необхідна для сушіння солоду і компенсації втрат теплоти сушаркою, передається повітрю, що потрапляє під нижню решіт­ку. Надалі цю частину будемо називати первинним повітрям.

Робота сушарки з додаванням вторинного повітря тим більш доцільна, що інтереси технології потребують швидкого видалення вологи за значних витрат повітря.

Керуючись відомими по­ложеннями в організації роботи двоярусних сушарок, визначимо перспективи рекуперації тепло­вої енергії і зменшення витрат останньої на процес. Рекупера­тивними режимами передбачи­мо утилізацію теплоти газів зго­рання теплогенератора і відпра­цьованого повітря. Розглянемо кілька варіантів.

Варіант 1. Стосується су­шарки, яка працює в режимі, коли кількість повітря на нижній і верхній ре­шітках однакова (рис. 1). Схемою передбачається двоступінчасте підігрівання повітря, яке подається в теплогенератор. Така система передбачає можливість регулювання повітряних потоків, повне згорання газу і зменшує витрати теплоти

на догрівання повітря.


Повітря


Варіант 2. Схема з по­даванням вторинного повіт­ря (рис. 2). Тут у теплооб­міннику 5 продукти згоран­ня підігрівають потік повіт­ря, який потім поділяється на три частини: перша - це вторинне повітря; друга - по­тік, що поступає на газоге­нератор 4, третя - потік, що поступає на газогенератор і основний калорифер. Вто­ринне повітря за необхід­ності може відбиратися і після теплообмінника 4. До­цільність вибору місця вста­новлення подільника пото­ку залежить від вхідних да-них і характеристики системи.

Аналіз роботи двоярусних сушарок призводить до висновку, що використовувані графіки сушіння і динаміка зміни вологи суперечать можливості оптимізації процесу. Це протиріччя в своїй основі має кардинальну різницю навантажень нижньої і верхньої решіток по волозі і ускладнюється складністю витримки необхідних співвідношень первинного і вторинного повітря. За умовами роботи нижньої решітки може бути можливою часткова рециркуляція повітря, що пройшла через неї. На верхній решітці рециркуляція неможлива.

Заслуговує на увагу об'єднана думка спеціалістів Воронезької академії харчових технологій та Національного університету харчових технологій [1], яка грунтується на системному аналізі біотехнологічних процесів, що відбува­ються при ворушінні солоду під час сушіння і термічної обробки. Встановлено, що ворушіння солоду в цей період не прискорює сушіння, а навпаки знижує його ефективність.

Фізичну суть такого явища пояснюють тим, що за умови значного шару солоду до першого перемішування утворюється вагома різниця вологості зерна по висоті. Очевидно, що й сушильний агент змінює показник своєї відносної вологості саме по висоті шару. Тому не виключено, що більше висушений солод нижніх шарів, потрапляючи в верхні шари після перемішування, буде в умовах поза межами зрівноваженого стану по вологості, і в результаті буде зволожуватись. По зовнішнім оцінкам в цьому твердженні є логічні ознаки, однак ґрунтовні докази авторами не наводяться. Зрозуміло, що відсутність перемішування в певній мірі спрощує технологію, і приводить до зменшення витрат електроенергії, однак те, що нижні і верхні шари солоду за весь цикл одержать різні впливи сушильного агента сумніву не викликає. Зі збільшенням шару солоду ця різниця впливів зростає. Негативні явища повторного зволо­ження можливо нівелювати, наприклад, за рахунок активного перемішування, проте все більше поширення знаходить практика сушіння солоду в високому шарі і без перемішування. А за таких умов, як було показано, рекуперація теплоти сушильного агента стає обов'язковою.

Хоча питаннями утилізації теплоти сушильних агентів займаються вироб­ничники і вчені вже біля ста років, вітчизняні підприємства мають обмежений досвід експлуатації рекуператорів. Між тим подальший розвиток виробництва солоду багато в чому залежатиме саме від впровадження енергозберігаючих технологій.

В літературних джерелах [1,2] вказується на те, що до числа утилізаторів теплоти відносяться: 1) регенератори - обертальні, статичні з насадками, плас­тинчасті; 2) рекуператори пластинчасті, трубчасті, з проміжним теплоносієм; 3) теплові насоси; 4) багатокамерні (баштові), з проміжним теплоносієм; 5) теп­лообмінники з тепловими трубами статичні і відцентрові. Створення рекупера­торів пов'язано з проблемою підвищення коефіцієнтів теплопередачі, оскільки температурні перепади обмежені. Особливості рекуперації на сушарках солоду складаються з необхідності передачі теплоти від одного відносно великого га­зового потоку до іншого. В таких умовах важко обійтись без проміжного тепло­носія. Якщо теплоносій вибрати таким чином, щоб на ділянці відбирання теп­лоти у відпрацьованого агента він кипів, а на ділянці передачі теплоти свіжому повітрю конденсувався, то фазові переходи проміжного теплоносія дадуть най­більші з можливих коефіцієнтів тепловіддачі [2, 3].

Необхідні значення коефіцієнтів теплопровідності можливо отримати відповідним вибором матеріалу поверхні теплопередавання. Очевидно, що лімі­тувати процес в таких умовах будуть коефіцієнти тепловіддачі від агента до стінки теплопередавальної поверхні і від неї до свіжого повітря. Відомо, що на цих ділянках інтенсифікувати процес можливо за рахунок швидкості газових потоків, проте останнє пов'язано зі зростанням втрат напору.

Створення такої схеми рекуперації, однак, пов'язується з необхідністю врахування режимів роботи сушарок, бо відомо, що температура сушильного агента на виході змінюється в одному циклі від 20 до 85-100 °С. Змінюється також і температура повітря, що забираєть­ся на процес. В таких умовах реалізація си­стеми з фазовими пе­реходами проміжного теплоносія можлива лише за рахунок зміни тиску в його контурі. Схематичне зображен­ня системи наведено нарис. З [4].

Для системи з фа­зовими переходами проміжного теплоно­сія циркуляційний кон­тур 2 перетворюється власне на теплову тру­бу з розвиненими зона­ми випаровування і конденсації, роль яких відіграють теплообмінники 1 і 3 відповідно. За вертикального розташування системи (як на схемі), гравітаційні сили повертатимуть конденсат проміжного теплового агента в випаровувач-теплообмінник 1. За таких умов робота буде можливою і без насоса 5.

Практично у діапазоні температур системи можливе використання води в ролі проміжного теплоносія і тоді використання насоса 5 буде бажаним, оскіль­ки конвективної циркуляції буде недостатньо. Важливо те, що вказана система може бути здійснена на основі складових, які поставлені на серійне вироб­ництво підприємствами України.

В умовах фазових переходів можуть працювати такі теплоносії як аміак, фреони або навіть вода за створення відповідного розрідження в циркуля­ційному контурі. Перші два з числа названих теплоносіїв використовуються і в теплових насосах, хоча можливий діапазон температурних режимів за їх вико­ристання може бути суттєво більшим. Нагадаємо, що тепловий насос склада­ється з тих же основних елементів, що і холодильний пристрій (випаровувач, компресор, конденсатор, дросель). Завдяки останньому одержуємо можливість конденсацію і випаровування здійснювати за різних тисків і температур і це дає змогу відбирати теплоту у більш охолоджених матеріалів і передавати більш нагрітим за рахунок роботи компресора. Холодильний коефіцієнт для різних насосів складає від 3 до 7 одиниць і це означає, що на 1 кВт потужності припа­дає від 3 до 7 кВт теплових потоків.

Важливою перевагою теплового насоса можна вважати можливість робо­ти в умовах змінних температур охолоджувального потоку сушильного агента і свіжого повітря. Вибором температурних режимів процес відбирання теплоти у відпрацьованого сушильного агента доцільно спрямовувати в режимі конден­сації вологи для підвищення ефективності процесу. Проте слід пам'ятати, що за наявності сірковмістких первинних теплоносіїв і коли продукти згоряння є сушильним агентом, термін роботи теплообмінного апарата різко скорочується.

Та обставина, що в режимі конденсації вологи відпрацьований сушиль­ний агент осушується, дає можливість якусь його долю повертати в режимі ре­циркуляції в калорифери на вхід до сушарки. Взагалі використання теплових насосів і осушування повітря дають можливість створення замкнених циклів користування повітрям.

В ліретатурних джерелах є вказівки на можливість використання хіміч­них осушувачів повітря, наприклад літій-хлоридних. Осушене повітря дозволяє майже на третину скоротити процес і повністю перейти на рекупераційне повіт­ря, що мінімізує енергетичні витрати, хоча літієвий осушувач потребує певної кількості теплоти для регенерації робочого середовища.

Теплові насоси для відповідної підготовки повітря (нагрівання і охо­лодження) на рівні серійних агрегатів освоєні Мелітопольським заводом холо­дильного машинобудування під назвою теплохолодильна установка. В якості холодильного агента використовується фреон-142, який має більш високу тем­пературу конденсації, ніж фреон-12. За тиску в межах 0,6-1,1 МПа після ком­пресора повітря після конденсатора нагрівається до 40-67° С.

Перспективною є можливість одержання температури сушильного агента 60-80 °С при використанні фреонів, а для вимог одержання більш високих тем­ператур потрібно використовувати інші речовини або комбінувати нагрівання повітря в теплових насосах з іншими методами енергопідведення. В практич­них умовах робота вказаних систем здійснюється з коефіцієнтом трансформації енергії, який є відношенням енергії, що передається сушильному агенту в кон­денсаторі до використаної енергії в компресорі, рівним від 4,5 до 5,4 одиниць. За таких співвідношень використання теплових насосів стає економічно доціль­ним і навіть в умовах сезонних виробництв сільского господарства вони почали знаходити все більш широке використання в країнах Європи та Америки ще у вісімдесяті роки минулого століття.


 

 

5

 

^І

6

7

1 3

 

? 1 4

\ в •*

Свіже ^        \ ^

і

»

і

 

»»

______ ТГ

 

Рис. 4. Схема до комплексного використан­ня теплового насоса у виробництві солоду: 1 - компресор; 2 - конден­сатор; 3 - дросель; 4 - випаровувач; 5 - солодоростильний ящик; 6 - теп­лообмінник; 7 - сушарка; 8 - тепло­генератор

Поєднання інтересів процесів пророщування солоду і його сушіння дося­гається саме використанням теплових насосів, оскільки відпрацьоване повітря після сушарки охолоджується у випаровувачі і може бути спрямоване на аерацію в солодоростильні пристрої. Останнє доцільно як в літній, так і в зимовий сезони, оскільки влітку буде от­римано охолоджене і насиче­не вологою повітря, а взимку зникає необхідність енерге­тичних втрат, пов'язаних з нагріванням холодного повіт­ря. Принципова схема такої схеми комплексного викорис­тання теплового насоса пока­зана нарис. 4 [4].

Висновки. 1. Запропоновано до використання кілька схем рекуперації теплової енергії.

2.     Збільшення висоти шару солоду в процесі сушіння потребує
використання рекупераційних схем.

3.  Вирішення задачі теплообміну між двома повітряними потоками може
досягатися використанням схеми з проміжним теплоносієм або в схемах з теп-
ловими насосами.

Література

1.   Домарецький В.А., Прибильський В.А., Михайлов М.Г. Технологія екс­трактів, концентратів і напоїв із рослинної сирвоини. - Вінниця: Нова книга, -2005.-408 с.

2.   Соколенко А.І., Українець А.І., Піддубний В.А. Транспортно-техноло­гічні системи пивзаводів. - К.: АртЕк, - 2002. - 304 с.

3.   Домарецький В.А. Технологія солоду та пива. - К: Урожай, - 1999. - 537 с.

4.   Деклараційний патент України № 15647. Система рекуперації енерге­тичних потоків у виробництві солоду. Соколенко А.І., Шевченко О.Ю., Бут С.А., Піддубний В.А. та ін. Опубл. 17.07.06. Бюл. № 7.

5.   Деклараційний патент України № 14523. Пристрій для рекуперативного повернення теплової енергії в системах теплообміну між двома газовими пото­ками. Соколенко А.І., Шевченко О.Ю., Рєзнік В.Г., Піддубний В.А. Опубл. 15.05.06. Бюл. № 5.

Страницы:
1 


Похожие статьи

В А Піддубний - Оцінка можливостей рекуперації теплових потоків на сушарках солоду