Анализ систем регенерации испарителей криоконцентраторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.24:637.14

АНАЛИЗ СИСТЕМ РЕГЕНЕРАЦИИ ИСПАРИТЕЛЕЙ КРИОКОНЦЕНТРАТОРОВ В.Ю. Овсянников, С.М. Ященко, О.А. Семенихин, А.Н. Денежная

В статье проведен анализ циклов работы испарителей криоконцентраторов при регенерации путем оттаивания вымороженного льда. Отмечено, что энергетическая эффективность холодильного оборудования может быть повышена при использовании тепловой эффективности льда, полученного из концентрируемого продукта и талой воды. Проанализированы различные виды систем оттайки криоконцентраторов с позиции энергетической и технико- экономической эффективности. Установлено, что наиболее рациональной является трехпоточная система, в которой для подвода горячих паров хладагента к испарителю применяется один дополнительный теплоизолированный трубопровод. Отмечено, что энергетическая эффективность оттайки снижается с увеличением массы конструкции крироконцентратора

Ключевые слова: технико- экономический анализ, криоконцентратор, регенерация испарителя, оттайка

В наиболее общем виде в работе криоконцентраторов циклического действия выделяют два режима: вымораживание льда при концентрировании исходного жидкого продукта и регенерацию теплообменных элементов- оттайку. Процесс вымораживания влаги в подобных установках осуществляется, как правило, периодически, т.е. состоит из так называемых рабочих циклов холодильной машины или установки [1, 2]. В вымораживающих установках малой производительности по концентрируемому продукту длительность цикла зависит от характера пуска и остановки компрессора. В установках средней и большой производительности, таких как, например зарубежных компаний «Sulzer Chemtech AG», «Frigo Daubron», «Union Carbide», «Struthers Scientific and International Corp», общая холодопроизводительность также регулируется пуском- остановкой компрессора, а процесс концентрирования жидких сред в отдельных параллельных попеременно работающих вымораживателях- эпизодическим отключением соответствующего испарителя путем перекрытия электромагнитного клапана на магистрали подачи хладагента в испаритель [3].

Действительное время активной работы установки криоконцентрирования, т.е. периода, когда хладагент поступает в испаритель, составляет 0,75...0,80 от общего времени вымораживания влаги и изменяется в течение суток в зависимости от условий концентрирования.

В процессе работы криоконцентрирующей установки на её теплообменной поверхности образуется слой вымороженного льда, с ростом

Овсянников Виталий Юрьевич - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 255-38-96

Ященко Сергей Михайлович - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(920) 400-60-84

Семенихин Олег Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 243-76-70

Денежная Анастасия Николаевна - ВГУИТ, студент, тел. 8(473) 255-38-96

толщины которого уменьшается тепловой поток через его поверхность и возникает необх-димость оттайки. Цикл работы криоконцентра-тора до этого момента называется циклом льдообразования. Он состоит из множества рабочих циклов, суммарную продолжительность которых обозначим как т1, а продолжительность последующего цикла оттайки как т2.

Процесс регенерации криоконцентратора, естественно, связан с некоторыми неудобствами: уменьшением холодопроизводительности, так как в это время испаритель не отбирает теплоту от концентрируемого продукта; необходимостью подвода энергии для реализации процесса оттайки; увеличением теплопритоков в установку вследствие тепловых потерь в процессе оттайки; эпизодическим ростом диапазона колебаний температуры в рабочем объеме установки, который может превысить допустимые границы.

В тоже время эти недостатки в определенной степени компенсируются возможностью повышения энергетической эффективности холодильной установки благодаря использованию вымороженного льда и талой воды для первоначального охлаждения концентрируемого продукта и переохлаждения жидкого хладагента, а также использованием «бросовой» теплоты холодильной установки для реализации от-тайки [4, 5].

В цикле регенерации испарителя криокон-центратора можно выделить следующие периоды (рис. 1):

I- инициация процесса оттайки и подготовка испарителя, включающая осушку теплообменно-го пространства испарителя (удаление оставшегося там хладагента), выравнивание температуры испарителя, отключение подачи вымораживаемого продукта т21.

II- процесс нагрева, т.е. подвода теплоты извне, и таяние вымороженного льда- т22, в том

числе:

• пуск нагревателей, обогрев стоков испарителя, нагрев до температуры таяния льда-

т22а;

• таяние льда на поверхности испарителя, сопровождающееся стабилизацией его температуры Т22ь;

• рост температуры поверхности испарителя выше температуры плавления вымороженного льда- т22с (в случае оттайки горячими парами на этой стадии происходит удаление из полости испарителя сконденсированного там хладагента);

• выключение нагревателей и выравнивание температуры теплообменной поверхности испарителя перед последующим концентрированием- т22^

III- окончание периода оттайки, переключение криоконцентратора в режим вымораживания влаги, понижение температуры испарителя, подачу исходного продукта в установку и достижения первоначально установленной температуры кипения хладагента- т23.

Вымораживание А Регенерация-оттаивание А

/

/ \

-------

Т1 Т22а Т22Ь Т7

Рис. 1. Характер изменения температур в испарителе криоконцентратора во время вымораживания влаги и оттаивания льда

На рис. 2 представлены примерные интервалы продолжительности регенерации в зависимости от температуры испарителя.

Здесь можно выделить три диапазона рабочих температур: I- ниже минус 30°С; II- от минус 30 до минус 1 (область эвтектических температур) и III - около 0°С (область крио-скопических температур). Отличают эти три диапазона интенсивность льдообразования, плотность, теплопроводность и структура льда, а также продолжительность процесса регенерации.

На выбор системы оттайки влияет много факторов, но самым существенным являются затраты энергии на циклическую оттайку.

1

■! п |ш

1

1 1

-33 -28 -23 -18 -13 -8 -3 2 I, °С

Рис. 2. Продолжительность регенерации в зависимости от температуры испарителя

Отмечено, что частота оттайки зависит от условий эксплуатации криоконцентратора в режиме вымораживания (разности температур концентрируемого продукта и поверхности испарителя, начальной температуры и содержания растворимых веществ в продукте, гидродинамической обстановки в аппарате) и площади теплообменной поверхности испарителя. Поэтому так важны предварительный технико-экономический анализ стоимости каждого технического решения, связанного с регенерацией, и оценка его вклада в общие эксплуатационные расходы криоконцентратора.

Так, например, применение электрических, более дорогостоящих систем оттайки может быть оправдано малой частотой оттайки или значительной удаленностью рабочей зоны криоконцентратора от машинного отделения.

Более дешевые многопоточные системы оттайки горячими парами хладагента также отличаются друг от друга капитальными и эксплуатационными расходами. Двухпоточную систему целесообразно применять в установках с реверсируемым циклом или в очень компактном оборудовании и при малой частоте оттай-ки. Применение подобной системы в работающих на несколько криоконцентраторов многоиспарительных установках приведет к существенному увеличению количества требуемых элементов автоматического управления и использованию специальных байпасных магистралей. Поскольку во время оттайки для подвода горячих паров хладагента используется всасывающие манистрали, они должны быть подогреты на несколько десятков градусов. Количество теплоты, необходимое для этого, зависит от массы трубопроводов, их теплоемкости и качества тепловой изоляции. Таким образом, двухпоточная система кроме сложности регулирования характеризуется также меньшей энергетической эффективностью и более длительной продолжительностью оттайки.

Четырехпоточная система характеризуется наиболее простым регулированием, однако монтаж двух необходимых дополнительных магистралей повышает капитальные затраты. Наиболее рациональной является трехпоточная система, в которой для подвода горячих паров хладагента к испарителю применяется один дополнительный теплоизолированный трубопровод. Учитывая достаточно простое регулирование и небольшие потери при перемещении теплоты от компрессора до испарителя трехпо-точная система наиболее часто используется в условиях оттайки горячими парами хладагента.

Рассмотрим влияние оттайки на работу парокомпрессорной холодильной установки. Потери производительности испарителя крио-концентратора, вызванные перерывом в его работе на цикл оттайки, уменьшают холодопро-изводительность установки на величину равную

00 = *2 #0, (1)

где т2 - продолжительность оттайки, с; N -

холодопроизводительность холодильной установки, Вт.

Количество теплоты, подводимой для под-плавления льда с теплообменной поверхности испарителя

0л = N , (2)

где Nл - холодопроизводительность холодильной установки, Вт.

Эта теплота расходуется не только на под-плавление вымороженного льда, но и на подогрев массы испарителя, на тепловые потери тепловое излучение. Отмечено, что энергетическая эффективность оттайки снижается с увеличением массы конструкции крироконцентра-тора. Поэтому при высокой интенсивности льдообразования и частой регенерации необходимо стремиться к минимизации их теплоемкости. С другой стороны, существует реальная опасность того, что при небольшой установленной мощности электрических нагревателей и низких температурах (-30...-20 °С) вымороженный на поверхности испарителя криокон-центратора лёд будет подтаивать очень долго.

С учетом вышеописанных потерь можно записать

0л = 0 пл^пот '

(3)

где 0пл - теоретически необходимое количество теплоты для удаления массы льда из криокон-центратора, 0пот - потери теплоты во время оттайки.

Теоретически необходимое количество

теплоты для удаления массы льда из криокон-центратора определяется из уравнения

0пл = (с (0 - Ха ) + г), (4)

где тл - удельная масса льда на теплообменной

поверхности, кг/м2; F - площадь теплообмен-

2

ной поверхности, м ; Сл - теплоемкость льда, кДж/(кгК); 1л - температура льда, °С; г -

удельная теплота плавления льда, кДж/кг.

Введя показатель эффективности оттайки криоконцентратора (КПД оттайки)

0пл

Л от

0л

(5)

и, определяя количество теплоты, подведенное системой оттайки к криоконцентратору, после преобразований зависимостей (3) и (5) получим

0пот = 0Л (1 - Лот ) = N (1 - Лот ) (6)

В таком виде, удобном для оценки энергетической эффективности криоконцентратора, не учтены потери Qпг на линии подачи греющей среды. При анализе систем оттайки эти потери, как правило не учитываются, ввиду их малости и недостаточно полного изучения процессов, происходящих на различных участках системы в процессе оттайки. В тоже время учет этих потерь позволяет существенно скорректировать результаты сравнения различных систем оттай-ки. Это, прежде всего, касается систем оттайки горячими парами хладагента или при помощи промежуточного теплоносителя. Указанные потери не учитываются только в системах с электронагревателями, прикрепленными непосредственно к поверхности испарителя.

Величина, характеризующая потери тепловой энергии на магистрали подачи греющей среды, представляется в виде отношения 0л _ 1

Лпот

(7)

0п 1 + 0« / 0л

где 0п - полная тепловая энергия, подведенная

к системе оттайки от источника.

Некоторое повышение общей эффективности оттайки испарителя криоконцентратора можно достичь при использовании внешней регенерации теплоты в холодильном цикле. Внешняя регенерация- это полезное использование низкопотенциальной теплоты (холода), содержащегося в вымороженном льде, талой воде и массе самого испарителя для переохлаждения жидкого хладагента перед дросселированием в терморегулирующем вентиле холодильного агрегата. Вытекающий отсюда энергетической эффективности может быть пред-

ставлен в виде следующей зависимости прирост

п = 1 + п с ( t -1)

1пэ I рт в V к в J

\ - ^

/ r ,

(8)

где прт - КПД регенеративного теплообменника; се - теплоемкость воды из вымороженного льда, кДж/(КгК); tK, te - температура конденсации хладагента и воды из вымороженного льда соответственно, °С; ^ - коэффициент представляющий собой отношение общего количества подведенной теплоты вместе с теплотой конденсации, к количеству теплоты, подведенной путем конвекции; r - удельная теплота конденсации, кДж/кг.

Рассмотрим теперь эксплуатационные затраты на систему электрической оттайки испарителя криоконцентратора.

Цена 1 кВт электрической энергии в России неуклонно растет, что заставляет задумываться над энергосбережением при эксплуатации холодильного оборудования, и процесс регенерации криоконцентратора играет здесь важнейшую роль.

На отдельно взятом предприятии в зависимости от переменных составляющих расходов на эксплуатацию цена потребленной энергии будет различаться даже при постоянной стоимости 1 кВт.

Стоимость электрической оттайки испарителя криоконцентратора в течение года составит

Сот = m (РЧоткг?2П) , (9)

где m - количество рабочих дней в году; F -

поверхность испарителя криоконцентратора,

2 « м ; Чот - удельная мощность электрической оттайки, Вт/м2; кг - цена 1 кВтч электроэнергии, руб; т2 -продолжительность цикла оттайки, ч;

n - число циклов регенерации, 1/сут.

Еще одной составляющей затрат является стоимость отвода выделившейся при оттайке теплоты, которая попала в рабочую камеру крио-концентратора. Принимая, что только часть общей подведенной к системе оттайки теплоты попадает в рабочую камеру криоконцентратора (остальная теплота уходит вместе с талой водой и вымороженным льдом) и учитывая уравнения (6) и (9), можно записать, что стоимость затраченной на это электрической энергии составляет

(10)

CKK = m (^отТ2n)(1 -Пот ) /

£д - действительный холодильный коэффициент установки.

Формула для определения общих затрат на оттайку принимая во внимание уравнения (9) и (10) и при условии одинаковой стоимости 1 кВт для обоих процессов выразится уравнением

(

С = С + С = mFq кт n

сум от кк ^от г 2

1 +

1-по

Л

(11)

При этом следует учитывать, что в стоимость охлаждения после оттайки вымороженного льда входят еще и такие затраты, как амортизация оборудования, оплата обслуживающего персонала с накладными расходами, стоимости ремонтов, воды и канализационного отвода и т.д.

Установлено, что общая стоимость получения 1 кВт холода примерно в 5.. .7 раз выше стоимости, затраченной на производство электрической энергии, что можно учесть в формуле (11) коэффициентом Ь2. Кроме того, стоимость 1 кВт электической энергии, затрачиваемой в процесса оттайки и охлаждения (^ и

k2), может различаться. С учетом указанного

формула (11) может быть переисана следующим образом

(

С! = mFqornT2П Ь1к1 +

1 -по

Л

b2 к2

(12)

где пот - КПД оттайки, согласно уравнению (5);

V °а

где b2= 5...7.

При этом, составная часть указанных выше эксплуатационных затрат, а именно затраты связанные с ремонтами системы оттайки, если их составляющие не входят в коэффициент b2 , должны быть учтены в формуле (12) посредством коэффициента b1, величина которого может быть

оценена в интервале 2.3.

Анализ формулы (12) показывает, что с ростом частоты регенерации оттайкой стоимости ее пропорционально повышаются. Следовательно, необходим рациональный подход к настройкам регуляторов оттайки, поскольку несбалансированные циклы оттайки приводят к завышенному расходу электрической энергии и весьма затратные для производителя концентрированных жидких пищевых и биологических сред. Годовые расходы Сот на электрическую энергию для системы электрической от-тайки криоконцентратора пропорциональны как частоте оттайки, так и цене 1 кВт электрической энергии.

На основании вышеизложенного анализа

можно сформулировать следующие выводы:

• экономически оптимальная частота от-тайки зависит от интенсивности вымораживания льда и конструктивного исполнения системы оттайки;

• применение систем оттайки горячими парами холодильного агента обеспечивает быструю окупаемость капитальных вложений вследствие низких эксплуатационных расходов;

• затраты энергии на реализацию электрической оттайки зависят от мощности системы оттайки, продолжительности, частоты цикла и вносят существенный вклад в эксплуатационные расходы холодильной установки;

• затраты на отвод теплоты, выделившейся в процессе оттайки испарителя криоконцен-тратора, соизмеримы с затратами на оттайку и не могут не учитываться в проектных расчетах и при анализе эффективности существующих систем регенерации криоконцентрирующих

установок циклического действия.

Литература

1. Термодинамические особенности процесса концентрирования жидких сред вымораживанием [Текст]/С.Т. Ан-типов, В.Ю. Овсянников, Я.И. Кондратьева, Н.И. Бостынец // Современные наукоемкие технологии. 2014.- № 5-1.- С.159.

2. Разработка модели анализа и прогноза основных характеристик процесса криоконцентрирования [Текст] / С.Т. Антипов, В.Ю. Овсянников, А.Н. Рязанов, С.М. Ященко // Хранение и переработка сельхозсырья.- 2001.- № 4.- С. 36-38.

3. Овсянников, В. Ю. Исследование процесса вымораживания влаги из экстрактов эндокринного и специального сырья [Текст] / В.Ю. Овсянников. Дисс. канд. техн. наук: 05.18.12: защищена 29.04.2003: утв. 03.10.2003. Воронеж. гос. технол. акад., 2003.- 184 с.

4. Овсянников, В. Ю. Оптимальные режимы концентрирования плазмы крови вымораживанием [Текст] / В.Ю.Овсянников // Мясная индустрия.- 2012.- № 1.- С. 65-68.

5. Овсянников, В. Ю. Определение режимов концентрирования яблочного сока вымораживанием [Текст] / В.Ю. Овсянников // Хранение и переработка сельхозсырья.- 2012. -№ 7.- С. 16-18.

Воронежский государственный университет инженерных технологий Воронежский государственный технический университет

ANALYSIS OF RECOVERY SYSTEMS VAPORIZERS OF FREEZING PLANTS V.Yu. Ovsyannikov, S.M. Yaschenko, О.А. Semenikhin, A.N. Denezhnaja

The article analyzes the cycles of evaporators ayoconcentrations during regeneration by thawing frozen ice. Noted that the energy efficiency of refrigeration equipment can be increased by using a heat capacity of the frozen ice of the concentrated product and melt water. Analyzed different types of defrost systems the chiller position with energy and technical- economic efficiency. Noted that the energy efficiency of refrigeration equipment can be improved by using the thermal efficiency, the resulting ice from the concentrated product and melt water. Noted that energy efficiency is reduced defrost with increase structural mass chiller plant

Key words: techno - economic analysis, the chiller, plant regeneration, evaporator defrost