CC BY
17
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
ОТ ПРИМЕНЕНИЯ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ
ПРОМЕЖУТОЧНЫХ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
НА МОБИЛЬНЫХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ
ОБЩЕСТВЕННОГО
ПИТАНИЯ
Зиборов Дмитрий Михайлович
ассистент, аспирант кафедры
технологических машин и
оборудования
РЭУ им. Г. В. Плеханова.
Адрес: ФГБОУ ВПО «Российский
экономический университет имени
Г. В. Плеханова», 117997, Москва,
Стремянный пер., д. 36.
E-mail: [email protected]
В статье показываются экономические выгоды от использования чистого пропиленгликоля, а также его водных растворов в качестве универсальных теплоносителей, использующихся как для косвенного обогрева стенок рабочих камер тепловых аппаратов, так и в качестве теплоносителя для систем отопления на мобильных предприятиях общественного питания. Новизна данной статьи состоит в том, что на сегодняшний день в рубашечных аппаратах общественного питания используется обычная вода, вызывающая повышение давления в рубашке. Автором проведена работа по определению теплофизических показателей ряда промежуточных теплоносителей на основе пропи-ленгликоля, а также проанализированы существующие теплоносители, выпускаемые промышленностью.
ECONOMIC EFFECT OF USING THE PROMISING INTERIM HEAT CARRIERS AT MOBILE EXTERPRISES OF PUBLIC CATERING
Ziborov, Dmitiiy M.
Assistant Lecturer, post-graduate student of the Department for Technological Machines and Equipment of the PRUE. Address: Plekhanov Russian University of Economics, 36 Stremyanny Lane, Moscow, 117997, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The article shows economic advantages of using propylene glycol and its water solutions as universal heat carriers which can be used for indirect heating of walls of working chambers in heat apparatus. At the same time they can be used as heat carriers for heating systems at mobile enterprises of public catering. The article is really acute and new as today shirt apparatus of public catering use ordinary water which causes the increase of pressure in the shirt. The author studied thermal and physical parameters of a number of interim heat carriers on the basis of propylene glycol and analyzed existing heat carriers that are manufactured by industry.
Ключевые слова: мобильные предприятия питания, пищеварочные котлы, теплоноситель, пропилен-гликоль, общественное питание.
Keywords: mobile enterprises of public catering, food-cooking boiler, heat carrier, propylene glycol, public catering.
Мобильные предприятия общественного питания предназначены для обеспечения питания людей в рассредоточенных коллективах. Контингент питающихся - геологи, буровики, транспортные строители, строители линий электропередач, сельскохозяйственные работники, работники лесной промышленности и целый ряд других профессий. В настоящее время в России общее количество рассредоточенных коллективов, нуждающихся в питании, непрерывно растет, что связано с развитием новых форм организации труда при освоении отдаленных районов, таких как дежурные смены, краткосрочные десанты, вахтовый метод и т. д.1 В связи с этим возникает необходимость разработки мощных, компактных, экономичных, унифицированных по энерго- и теплоносителю комплектов оборудования для передвижных и полевых предприятий общественного питания.
Сегодня на передвижных предприятиях общественного питания в качестве основного теплоносителя используется вода. Вода применяется как для тепловой обработки продуктов питания в качестве промежуточного двухфазного теплоносителя в тепловых технологических аппаратах с косвенным обогревом, так и для обогрева самих передвижных предприятий питания в системе отопления. Также для отопления мобильных предприятий питания применяют электронагреватели-конвекторы и тепловые завесы мощностью 2,5-4 кВт, которые потребляют большое количество электроэнергии. Использование же воды в системе отопления приводит к снижению надежности, особенно в областях с холодным климатом и при резких перепадах температур.
Если использовать теплоноситель, способный работать одновременно и в тепловых аппаратах, и в системе отопления передвижных предприятий общественного питания, при этом имеющий низкую температуру кристаллизации, можно значительно расширить географию применения передвижных предприятий питания. При этом если теплоноситель сможет работать в рубашечных тепловых аппаратах питания при атмосферном давлении, можно значительно упростить их конструкцию, уменьшить металлоемкость и снизить их вес, что даст значительную экономическую выгоду.
1 См.: Осколков С. К. Повышение эффективности автономных жидкотопливных горе-лочных устройств для передвижных предприятий общественного питания : дис. ... канд. техн. наук. - М., 2009.
Цель исследования была определена как подбор двухфазных теплоносителей, имеющих температуру кипения при атмосферном давлении порядка 105-110°С, обеспечивающих эффективный температурный напор и мягкий косвенный обогрев стенок рабочих камер варочных технологических аппаратов, при этом обладающих достаточно низкой температурой кристаллизации. Одним из перспективных направлений является использование водных растворов различных видов с пониженной температурой кристаллизации.
С целью подбора оптимального теплоносителя были проведены аналитические расчеты теплотехнических характеристик, а также экспериментальные исследования ряда водных растворов солей, щелочей и глицерина. Как показали расчеты, некоторые из исследованных растворов по своим теплотехническим и ценовым характеристикам отвечают требованиям, предъявляемым к двухфазным промежуточным теплоносителям, работающим в рубашках тепловых технологических аппаратов предприятий общественного питания. Однако экспериментальные исследования данных водных растворов показали, что при их нагревании до температуры кипения в резервуаре образуется недопустимо большое количество накипи, что ведет к быстрому уменьшению концентрации соли или щелочи в растворе. Также накипь вызывает ухудшение процесса теплопередачи и приводит к коррозии стенок теплообменников. По результатам экспериментального исследования был сделан вывод о нецелесообразности использования водных растворов солей и щелочей в качестве двухфазных промежуточных теплоносителей, использующихся для косвенного обогрева стенок рабочих камер тепловых технологических аппаратов предприятий общественного питания.
В ходе дальнейшего исследования веществом, рассмотренным в качестве двухфазного промежуточного теплоносителя, стал пропи-ленгликоль CзH6(OH)2. По химической структуре и теплофизическим характеристикам он близок к этиленгликолю, однако не ядовит и полностью безопасен для человека и окружающей среды, что подтверждают паспорт безопасности № 30193885/SDS_GEN_RU/RU от 19 января 2006 г. и санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.916.Д.004723.06.04 от 7 июня 2004 г. Пропиленгликоль хорошо растворяется в воде, его водные растворы отвечают требованиям, предъявляемым к двухфазным промежуточным теплоносителям.
В табл. 1 приведены основные теплотехнические характеристики чистого пропиленгликоля, а также его 55%-ного водного раствора, обеспечивающего температуру кипения, необходимую для работы в рубашках пищеварочных котлов с косвенным обогревом. Как видно из таблицы, температура кипения представленного в ней раствора про-пиленгликоля составляет 110°С, что позволяет использовать его в каче-
стве двухфазного промежуточного теплоносителя, использующегося для косвенного обогрева стенок рабочих камер в варочных аппаратах предприятий общественного питания. Также эта температура кипения позволяет использовать раствор пропиленгликоля в системах обогрева передвижных предприятий питания. Температура кипения чистого пропиленгликоля составляет 189°С, что делает возможным его применение в высокотемпературном жарочном оборудовании предприятий общественного питания. Температуры кристаллизации чистого про-пиленгликоля и его водного раствора достаточно низки, поэтому он может применяться на передвижных предприятиях общественного питания в любой климатической зоне России без каких-либо затруднений.
Т а б л и ц а 1
Основные теплотехнические характеристики чистого пропиленгликоля
и его водного раствора
Вещество
и
Я «
Л
«
Л
о в
т
В £
с о
о в о
Г
55%-ный водный раствор пропиленгликоля
110
-50
0,55
8,06 (110°С)
985 (110°С)
3830 (110°С)
0,331 (110°С)
0,98 (110°С)
Чистый пропи-
ленгликоль
С3Нб(ОН)2
187
-60
1,0
7,12 (187°С)
896 (187°С)
2480 (187°С)
0,218 (187°С)
0,54 (187°С)
Промышленность на сегодняшний день выпускает широкий спектр теплоносителей, в основе которых лежит водный раствор про-пиленгликоля. Эти теплоносители используются как в быту, так и на предприятиях в отопительных системах в качестве автомобильных антифризов, антиобледенителей.
В табл. 2 приведены сравнительные теплотехнические характеристики, а также приблизительная цена трех самых распространенных отечественных теплоносителей на основе водного раствора пропи-ленгликоля. Как видно из таблицы, выпускаемые промышленностью теплоносители на основе водного раствора пропиленгликоля имеют сравнительно схожие с 55%-ным водным раствором пропиленгликоля теплотехнические характеристики, однако они содержат дополнительные присадки, снижающие коррозию, пенообразование, растворе-
ние, образование отложений. Эти присадки являются коммерческой тайной производителя. При необходимости возможно использование одного из этих теплоносителей как в системе отопления, так и в качестве промежуточных двухфазных теплоносителей в рубашках пищева-рочных котлов и других тепловых технологических аппаратов общественного питания с косвенным обогревом.
Т а б л и ц а 2 Основные теплотехнические характеристики и цены некоторых теплоносителей, выпускаемых промышленностью
Теплоноситель Температура кипения, °С Температура кристаллизации, °С Концентрация пропиленгликоля Плотность раствора, кг/ м3 Удельная теплоемкость, Дж/кг • град Теплопроводность X, Вт/м • К Кинематическая вязкость, • 10-6 м2/с Цена за кг, руб.
ХНТ-40 106 -40 0,46 1060 3500 0,35 1,3 78-89
Хот Блад-65Эко 110 -50 0,50 1048 3620 0,78 1,1 78-92
DixisTop 106 -40 0,451 1045 4128 0,59 1,2 65-72
К достоинствам теплоносителя на основе водного раствора про-пиленгликоля можно также отнести способность менять температуру кипения в зависимости от концентрации.
С целью экспериментального подтверждения способности водного раствора пропиленгликоля работать в качестве двухфазного теплоносителя в рубашечных аппаратах предприятий общественного питания на кафедре технологических машин и оборудования РЭУ им. Г. В. Плеханова был смонтирован экспериментальный стенд на основе рубашечного пищеварочного котла Groen TDB-6/10. Проведенные эксперименты показали, что использование 55%-ного водного раствора пропиленгликоля в качестве промежуточного двухфазного теплоносителя обеспечивает необходимую температуру разогрева, равномерное температурное поле и мягкий косвенный обогрев пищевой среды. При этом при определенном режиме нагрева давление в герметизированной рубашке не превышало 0,25 бар, в то время как при использовании в рубашке чистой воды давление находится на отметке не ниже 0,5 бар. Раствор пропиленгликоля (55%-ный) также можно использовать при негерметизированной рубашке, т. е. при атмосферном давлении, однако это требует дополнительных приспособлений, препятствующих
испарению теплоносителя из рубашки. Использование же воды в рубашке при атмосферном давлении невозможно в принципе.
Экономические выгоды от применения в качестве промежуточных теплоносителей водных растворов пропиленгликоля, а также чистого пропиленгликоля заключаются в следующих аспектах:
- снижении металлоемкости пищеварочных котлов за счет уменьшения толщины стенок греющей рубашки и пищеварочного сосуда, так как при использовании водных растворов пропиленгликоля давление в рубашке снижается на 50-100%. При снижении металлоемкости понижается масса оборудования, что влечет за собой экономию топлива, используемого транспортом для передвижения мобильных предприятий питания, а также уменьшение расхода теплоты на разогрев конструкции аппарата;
- использовании одного вида теплоносителя в разных концентрациях как в системе жидкостного отопления, так и в варочном и жа-рочном оборудовании передвижных предприятий питания, что снижает номенклатуру закупаемых теплоносителей. Изменение концентрации раствора достигается путем разбавления теплоносителя водой;
- возможности предварительного нагрева теплоносителя в системе жидкостного отопления мобильных предприятий питания для последующего его использования в варочном оборудовании, что исключает энергетические затраты на разогрев теплоносителя, которые всегда присутствуют в рубашечных пищеварочных котлах, использующих в качестве промежуточного теплоносителя обычную воду.
Толщина стенки греющей рубашки и пищеварочного сосуда у серийно выпускаемых котлов, работающих с использованием в качестве промежуточного теплоносителя воды при давлении в рубашке 0,5 бар, обычно составляет 2-2,5 и 3-4 мм соответственно. При снижении давления в рубашке до 0,25 бар можно принять толщину стенки пищеварочного сосуда 1,5 мм и внешней стенки пищеварочной рубашки 2 мм1.
Металлоемкость экспериментального котла вычисляется по формуле
п(Ярб - 5рб ) • V • Лрб + П(Окс - 5в.с ) • 5в.с • ¿в.с +
п п
+ 7 Ьемк • 5в.с • (кемк + 30в.с - 4^в.с ) + 7 Арб.с • V • (Арб.с + 3^рб - 4^рб )
• Рст , (1)
п
^ емк в.с 4 емк в.с в.с ^
где Врб, Вв.с - диаметры соответственно греющей рубашки и варочного сосуда;
1 См.: Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и го-
рячей воды РД 10-249-98. - М. : АООТ «НПОЦКТИ им. И. И. Ползунова», 1999.
йрб, йв.с - толщина стенки соответственно греющей рубашки и варочного сосуда;
Нрб, Нв.с - высота цилиндрической части соответственно греющей рубашки и варочного сосуда;
Ьрб.с, Немк - высота сферической части соответственно греющей рубашки и варочного сосуда;
рст - плотность стали.
Согласно расчетам при изменении толщины стенки варочного сосуда с 2 до 1,5 мм, а внешней стенки греющей рубашки с 3 до 2 мм снижение металлоемкости для экспериментального котла достигает 30%. Учитывая массу постамента и блока управления, которая не меняется и составляет 45% общей массы пищеварочного агрегата, снижение общей массы пищеварочного агрегата составит 16,5%.
Потери тепла на разогрев конструкции аппарата (Юраз) определяются по формуле
Ораз = ЪМ - *Г ) (2)
г=1
где 2 - сумма потерь тепла;
п - число элементов конструкции аппарата;
Сг - удельная теплоемкость, Дж/кг • °С;
Мг - масса, кг;
¿1к - средняя конечная температура, °С;
¿1н - средняя начальная температура, °С.
Как видно из формулы (2), потери на разогрев конструкции котла находятся в прямой зависимости от массы пищеварочного сосуда и греющей рубашки агрегата. Масса постамента и блока управления при расчетах не учитывается, так как они практически не нагреваются. Следовательно, уменьшение количества теплоты, затраченного на разогрев конструкции аппарата, будет равно уменьшению массы пище-варочного сосуда и греющей рубашки, т. е. 30%.
Годовой экономический эффект от изменения конструктивных параметров греющей рубашки определялся по следующей формуле [4]:
Э = Г£ ДС, -Ен •(Кг -К1) _;=1 _
где Э - годовой экономический эффект;
г - статьи эксплуатационных затрат, на которые влияет внедрение новой техники;
АСг - изменение затрат по г-й статье;
Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;
К2 - удельные капитальные вложения по варианту новой техники;
• А2, (3)
К1 - удельные капитальные вложения по базовому варианту;
А2 - годовой объем производства продукции с помощью новой техники.
Поскольку изменение конструктивных параметров пищевароч-ного сосуда и греющей рубашки не требует дополнительных капитальных вложений в производство, то произведение Ен • (К2 - К1) принимаем равным нулю. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Т а б л и ц а 3
Экономический эффект от изменения конструктивных параметров варочного сосуда и греющей рубашки аппаратов на примере пищеварочного котла емкостью 10 литров с годовым выпуском 6 000 единиц
Наименование показателя Значение
Диаметр обечайки рубашки, мм 340
Диаметр варочного сосуда, мм 320
Толщина обечайки, мм 3
Изменение толщины обечайки, мм 1
Толщина стенки варочного сосуда, мм 2
Изменение толщины стенки варочного сосуда, мм 0,5
Снижение расхода стали Л1Б1 321(08Х18Н10Т), кг 2,33
Средняя цена стали Л1Б1 321(08Х18Н10Т), руб/кг 160
Снижение себестоимости одного котла, руб. 372,8
Годовой экономический эффект, тыс. руб. 2236,8
На основании проведенных экспериментов можно заключить, что водный раствор пропиленгликоля подтвердил эффективность его применения в качестве двухфазного промежуточного теплоносителя при различных тепловых режимах. Применение данного теплоносителя позволяет добиться значительных экономических выгод: снижения материалоемкости агрегата, а следовательно, и снижения расхода теплоты на разогрев конструкции котла. В случае с передвижными предприятиями питания снижение материалоемкости влечет за собой снижение расхода топлива, используемого транспортом для передвижения мобильных предприятий питания за счет снижения массы оборудования.
В ходе исследования было выявлено, что снижение давления в рубашке на 0,25 бар, вызванное применением нового теплоносителя, позволяет уменьшить материалоемкость агрегата на 16,5%, а затраты теплоты на разогрев конструкции аппарата - на 30%. Годовой экономический эффект на примере исследуемого котла марки Groen TDB-6/10 может достигать 2 236 800 рублей. Также имеются перспективы исследования режимов работы котлов на мобильных предприятиях питания, при которых промежуточный теплоноситель будет предварительно нагреваться в жидкостной системе отопления и поступать после этого в греющую рубашку котла.
Список литературы
1. Ботов М. И., Зиборов Д. М. Расчет теплотехнических характеристик растворов некоторых веществ // Труды инженерно-экономического факультета. - Вып. 7. - М. : Изд-во Россельхозакадемии, 2012.
2. Зиборов Д. М. Пропиленгликоль и его водные растворы - перспективный универсальный двухфазный промежуточный теплоноситель // Актуальт проблеми розвитку харчових виробництв, ресторанного та готельного господарств i торгiвлi : тези доповщей всеукраiнськоi науково-практичноi конференцп молодих учених i студенев (25 квггня 2013 року). - Ч. 1. - Харьков : ХДУХТ, 2013.
3. Шихалев С. В., Ермаков С. А., Решетников И. Ф. Моделирование процесса нестационарной теплопередачи в аппаратах с рубашкой / / Журнал прикладной химии. - 2008. - Т. 81. - Вып. 9. - С. 1432-1435.
4. Ярышев Н. А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. - Л. : Энергия, Ленинградское отделение, 1967.
References
1. Botov M. I., Ziborov D. M. Raschet teplotekhnicheskikh kharakteristik rastvorov nekotorykh veshchestv [Calculating Thermal and Technical Characteristics of Solutions of Certain Matters], Trudy inzhenerno-ekonomicheskogo fakuVteta [Works by Engineering and Economics Faculty], Issue 7, Moscow, Publishing House of Rossrlkhzacademii, 2012. (In Russ.).
2. Ziborov D. M. Propilenglikol' i ego vodnye rastvory -perspektivnyy universal'nyy dvukhfaznyy promezhutochnyy teplonositel' [Propylene Glycol and its Water Solutions - Promissing Universal Two-Phase Interim Heat Carrier], AktuaVni problemi rozvitku kharchovikh virobnitstv, restorannogo ta gotel'nogo gospodarstv i torgivli, tezi dopovidey vseukrains'koi naukovo-praktichnoi konferentsii molodikh uchenikh i studentiv (25 kvitnya 2013 roku) [Acute Problems of the Development of Public Catering, Materials of the Conference, 2013], Part 1, Khar'kov, KhDUKhT, 2013. (In Russ.).
3. Shikhalev S. V., Ermakov S. A., Reshetnikov I. F. Modelirovanie protsessa nestatsionarnoy teploperedachi v apparatakh s rubashkoy [Modeling of the Process of Non-Stationary Heat Transfer in Devices with a Jacket], Zhurnal prikladnoy khimii [Journal of Applied Chemistry], 2008, Vol. 81, No. 9, pp. 1432-1435. (In Ross.).
4. Yaryshev N. A. Teoreticheskie osnovy izmereniya nestatsionarnykh temperatur [Theoretical Grounds of Measuring Non-Stationery Temperatures], Leningrad, Energiya, Leningradskoe otdelenie, 1967. (In Russ.).
