CC BY
80
УДК 664.854.8 Аспирант В.Д. Демьянов
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств. тел. (473) 255-35-54 E-mail: [email protected]
Graduate V.D. Dem^anov
(Voronezh state university of engineering technologies) Department of technology of fats, processes and devices, chemical and food industries. phone (473) 255-35-54 E-mail: [email protected]
Эксергетический анализ технологической линии производства фруктовых цукатов
Exergy analysis of production line candied fruit
Реферат. Задача эксергетического анализа - оценка на основе второго закона термодинамики степени термодинамического совершенства технической системы в целом, а также выявление тех стадий технического процесса, на которых сосредоточены основные потери эксергии, с целью повышения эффективности ее работы. Использование эксергетического анализа позволяет решать широкий круг технических задач на основе унифицированной термодинамической методики. Эксергетический анализ выполнен по методике, в соответствии с которой теплотехнологическая система производства фруктовых цукатов условно отделена от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью. Схема обмена рассматриваемых теплотехнологических производств фруктовых цукатов материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями. Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков: атмосферного воздуха, питьевой воды и раствора лимонной кислоты, а также выводимых потоков, не получивших приращение эксергии в процессе прохождения через контрольную поверхность - отработанных воздуха и воды после мойки, находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю. В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между высушиваемым сырьем и нагретым воздухом, электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурно-механических свойств продукта, и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема воздуха при ее поступлении в рабочую камеру сушилки.Полученный эксергетический КПД равен 8,87 %, что на 3,7 % выше, чем при использовании технологии-прототипа, основанной на воздушно-солнечной сушке продукта. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании СВЧ-нагрева продукта в сочетании с отводом влаги в атмосферу низкотемпературным теплоносителем, что исключает значительные внешние потери эксергии на этапе сушки.
Summary. The task of exergy analysis - evaluation based on the second law of thermodynamics, thermodynamic degree of technical perfection of the whole system, as well as to identify those stages of a technical process, which contains the bulk of the loss of exergy in order to improve its efficiency. Using exergy analysis allows to solve a wide range of technical problems on the basis of a unified thermodynamic methods. Exergy analysis was performed by the method whereby thermotechnological system candied fruit production, conventionally separated from the environment of the closed control surface. Exchange scheme under consideration thermotechnological candied fruit production material, thermal and energy flows to the environment, as well as between the control surfaces. Exergy in external input material streams: air and water and citric acid, as well as output streams without having increment Shih-exergy in the process of passing through the reference surface - of running air-water and after washing, are in thermodynamic equilibrium with the surroundings is zero. In the total number of internal exergy losses include losses from the final result of the temperature difference in the heat exchange between the raw material to be dried and heated air electromechanical arising from irreversible alteration of structural and mechanical properties of the product, and the hydraulic loss due to the sudden increase of the specific volume of air as it enters the working chamber dryer. The resulting exergy efficiency is 8.87 %, which is 3.7 % higher than when using the technology of the prototype based on solar air-dried product. This indicates an increase in the degree of perfection of the thermodynamic system by using microwave heating of the product in combination with the removal of moisture in the atmosphere low temperature coolant, which precludes significant outside exergy loss on drying step.
Ключевые слова: Эксергетический анализ, энергетическая эффективность, цукаты.
Keywords: energy analysis, energy efficiency, candied
Эксергетический анализ является относительно новым методом термодинамической оценки совершенства теплотехнологических систем и базируется на использовании понятия эксергия при исследовании технических процессов. Этот метод применяют при анализе процессов, протекающих как при повышенных температурах, так и с использованием холодильных агрегатов. Развиваются также и технико-экономические приложения эксергетического метода [1].
Для определения возможных направлений повышения энергетической эффективности технологических схем необходимо оценивать уровень использования энергетических ресурсов. Для этого применяют эксергетический метод термодинамического анализа. Эксергетический анализ является относительно новым методом и базируется на использовании понятия эксергия при исследовании технических процессов.
© Демьянов В.Д., 2014
Понятия эксергия и энергия отличаются: энергия определяется фундаментальными свойствами материи, а эксергия характеризует пригодность энергии в данных условиях окружающей среды, параметры которой независимы от воздействия рассматриваемой теплотех-нологической системы [2].
Задача эксергетического анализа - оценка на основе второго закона термодинамики степени термодинамического совершенства технической системы в целом, а также выявление тех стадий технического процесса, на которых сосредоточены основные потери эксергии, с целью повышения эффективности ее работы. Использование эксергетического анализа позволяет решать широкий круг технических задач на основе унифицированной термодинамической методики.
Эксергетический метод анализа позволяет оценить степень использования энергии, ее потери, а также получить распределение этих потерь по отдельным аппаратам производства, то есть выявить наименее эффективные из них.
Эксергетический анализ выполнен по методике, в соответствии с которой тепло-технологическая система производства фруктовых цукатов (рисунок 1) условно отделена от
воздух отработанный
^ Д Д Д , '
окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью, а внутри системы с учетом протекающих теплообменных процессов выделены следующие контрольные поверхности: I - подготовка сырья; II - удаление семенного гнезда; III - резка; IV - сульфитация; V - сушка.
Схемы обмена рассматриваемых тепло-технологических производства фруктовых цукатов материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями представлена на рисунке 2.
Эксергия в каждой контрольной поверхности изучаемой технологической системы сушки, состоящей из классических необратимых процессов, уменьшается с течением времени, что связано с диссипацией энергии:
I Ез = 1 Е +1В , (1)
где IЕЗ - суммарная эксергия вводимых в контрольную поверхность материальных и энергетических потоков; IЕЭ - суммарная эк-сергия выводимых из контрольной поверхности полезных материальных и энергетических потоков; IВ = Т0 • ДО - суммарные эксергетиче-ские потери (уравнение Гюи-Стодолы).
1 Л ( А 1 | фруктовые 1 цукаты
□ I I □ I □ 1
\ / \ / 1 /
4 / - \ 1 - у
воздух из атмосферы
у (е)о---------
Рисунок 1. Схема технологического процесса: ► - продукт; - жидкость;
—О - воздух; — — — - границы контрольных поверхностей. 1 - моечно-калибровочный комплекс; 2 - машина для удаления семенного гнезда; 3 - резательная машина; 4 - сульфитатор; 5 - СВЧ-конвективная сушилка; 6 - вентилятор
Соотношение (1) для рассматриваемой технологии [9] рассматривалось в следующем виде: Е + X е + X е: + X Е: + X Е = = ЕК + X Ек + X Л, +Х De где слагаемые этих уравнений - эксергия (кДж): исходного фруктового сырья Е" ; атмосферного воздуха X Е" ; питьевой воды X Е" лимонной кислоты для сульфитации X Е" суммарной электроэнергии X Е" ; фруктовых
цукатов (готовый продукт) ЕК; воздуха, выбрасываемого в атмосферу X Е2К , отводимой после мойки сырья воды X Е3К ; сумма потерь эксергии в результате необратимости процессов, происходящих внутри контрольной поверхности X Л.; сумма потерь эксергии во внешнюю среду X De .
исходное сырье
вода
воздух из атмосферы I И
подготовка сырья
I воздух отработанный
Ч>
вода отработанная дефектные экземпляры
мелкие примеси
очищенный продукт
IV
сульфитация
лимонная кислота
кубики
продукта
II
удаление
семенного
гнезда
I___________
плоды без сердцевины
семенное гнездо
-1 отбеленный продукт г - V сушка готовый продукт
отработанный нагретый воздух
воздух из атмосферы
Рисунок 2. Схема обмена потоками между контрольными поверхностями предлагаемой теплотехнологической
системы: - —► - продукт; —- вода;
""— ~~ ~~" - границы контрольных поверхностей
Уравнение (2) отражает изменение эксер-гии теплотехнологической системы за счет ввода исходного фруктового сырья, атмосферного воздуха, подвода электроэнергии к магнетронам; необратимых изменений структурно-
механических свойств продукта, сопряженных с затратами электроэнергии на приводы технологического оборудования; приращения эксергии от механического трения в процессе удаления семенного гнезда, калибрования фруктов и измельчения; покрытия потерь, возникающих при необратимости процессов тепловой обработки промежуточного продукта в сушилке; изменения его теплофизических свойств; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды.
Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков: атмосферного воздуха, питьевой воды и раствора лимонной кислоты, а также выводимых потоков, не получивших приращение эксергии в процессе прохождения через контрольную поверхность - отработанных возду-
- воздух;
- электроэнергия;
ха и воды после мойки, находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.
В процессе нагрева сырья в технологическом оборудовании его химическая эксергия постоянна, так как его состав в процессе переработки не претерпевает изменений. Поэтому учитывается только его удельная термическая эксергия, определяемая на основании уравнения Гюи-Стодолы:
еэ.*.= е - ео = К - К - То(Я - Яо) , (3) где е , е0, К, К0, Я, Я0 - удельная термическая эксергия, кДж/кг, удельная энтальпия, кДж/кг и энтропия, кДжДкгК) продукта при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой.
Данные по теплофизическим свойствам воздуха, воды, сырья и продукта различной влажности и температуры взяты из справочной литературы [3-5].
Эксергию влажного воздуха, участвующего в процессе сушки сырья (в качестве охлаждающего агента), определяли, рассматривая его как бинарную смесь, состоящую из 1 кг воздуха и X кг водяных паров:
= с, -(Т - Т, )-
'т,^. • 1пТ-К • 1п Р-*• Р'(Т) - Л
Т0 Ро -Ф, • Р' (Т0)
(4)
ч+х •( К - к - Т •( 'п - 'П)) у где с, - средняя удельная изобарная теплоемкость влажного воздуха между его текущим состоянием в потоке и состоянием равновесия с окружающей средой, кДж/(кг-К); р , р0 и р, ф0 - полное давление, Па и относительная влажность воздуха, % в потоке и в окружающей среде; рх (Т), рх(Т0) - давление насыщенного водяного пара при температуре потока и окружающей среды, Па; кп, к"п и Бп, Б"п -энтальпия и энтропия водяного пара при параметрах потока и окружающей среды, кДж/кг и кДж/(кгК).
В работе рассмотрено влияние на систему внутренних В и внешних Ве эксергетиче-ских потерь.
В суммарное количество внутренних эк-сергетических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между высушиваемым сырьем и нагретым воздухом, электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурно-механических свойств продукта, и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема воздуха при ее поступлении в рабочую камеру сушилки.
Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле:
Вт = -, (5)
где О"" - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; ге - среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.
Фактор Карно или эксергетическая температурная функция равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды:
т =(Т - Т ) / Т , (6)
е \ кп о / кп '
где Тп - температура теплоносителя внутри контрольной поверхности, К.
Эксергетические потери вследствие падения давления воздуха при его подаче в контрольную поверхность (при его подводе в моечную ванну) определяли по формуле:
В = g • АНг • ^ , (7)
вх
где Тх - температура, К воздуха на входе в контрольную поверхность; АНг - гидравлические потери, м.
По формуле Дарси-Вейсбаха [6] найдены гидравлические потери при входе теплоносителя в контрольную поверхность:
АН = 5—^, г 5 2g
(8)
где Ух - средняя скорость прохождения воздуха по сечению подводящего трубопровода, м/с; 5 - коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема моечной ванны, рассматриваемой в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению входного отверстия.
Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов технологического оборудования (моечно-калибровочный комплекс, машина для удаления семенного гнезда и т.д.), используемого в процессе обработки сырья и промежуточных продуктов [8].
Внешние потери В" связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Они обусловлены различием температур теплоносителя и окружающей среды, несовершенством теплоизоляции оборудования, выбросом отработанного воздуха в атмосферу.
Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции были найдены по формуле:
В = О, Т" , (9)
где О, - суммарные потери теплоты в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; те - фактор Карно.
Эксергетические потери готовых фруктовых цукатов на выходе из последней секции сушилки при достижении ими термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле:
Т
В = к - К - Т0 • с • 1п-^ , (10)
пр пр пр 0 т 0 " 4 '
пр
где кпр, Тр - энтальпия, кДж/кг и температура,
К высушенного продукта, с - средняя удельная теплоемкость продукта между его текущим состоянием в момент выгрузки и в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, кДж/(кг-К).
е
2
Е?=0 (А
Бсп=0,76%
I____I
Е"=8,25% й® Еу=4,63% Е',',,=31,01%
Рисунок 3. Диаграмма Грассмана-Шаргута для исследуемой технологии. 1-У - номера контрольных поверхностей
Т а б л и ц а 1
Обозначения потоков на диаграмме Грассмана-Шаргута исследуемой линии (прочерк - в значении внутренних потоков)
№ потока Наименование потока Е, кДж/ч
1 Исходное фруктовое сырье 0
2 Вода 0
3 Воздух из атмосферы в камеру мойки 0
4 Приводы моечно-калибровочного комплекса 12400
5 Промытое и очищенное от примесей сырье -
6 Привод машины для удаления семенного гнезда 5400
7 Плоды без сердцевины -
8 Привод резательной машины 13000
9 Кубики продукта -
10 Привод сульфитатора 5400
11 Лимонная кислота (0,15%-ный раствор) 320
12 Отбеленный продукт -
13 Воздух из атмосферы в сушилку 0
14 Приводы вентилятора и транспортера 3460
15 Электроэнергия магнетронов 1940
16 Готовый продукт 3720
Т а б л и ц а 2
Эксергетический баланс исследуемой линии получения цукатов
Подвод эксергии Отвод и потери эксергии
§ £ е й е й
Й § ох & л й и нв оо « и Наименование Обозначени Е, кДж/ч % суммарно эксергии Наименование и ние § к з о б О Е, кДж/ч % суммарно эксергии
1 2 3 4 5 6 7 8 9
I подготовка сырья ев 0 0 Внутренние потери D¡ 9890 23,59
Еф, 0 0 Внешние потери ^
Е®озд 0 0 (отработанные воздух и вода) 1070 2,55
Еп, 12400 29,58
II удаление Епп 5400 12,88 Внутренние потери 4140 9,88
семенного гнезда Внешние потери 320 0,76
III резка Епш 13000 31,01 Внутренние потери 12000 28,63
IV сульфитация ¿"у 5400 320 12,88 0,76 Внутренние потери &1У 5400 12,88
П р о д о л ж е н и е т а б л. 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
V сушка Е\ 3460 8,25 Готовый продукт Егп 3720 8,87
Ему 1940 4,63 Внутренние потери DV 4170 9,95
Внешние потери Dev 1210 2,89
И Т О Г О: 41920 100 - - 41920 100
Эксергетический КПД: 8,87%
Оценку термодинамического совершенства теплотехнологической системы производства фруктовых цукатов проводили по эксер-гетическому КПД, исходя из значения эксер-гии готовой продукции:
л =
I экс n
X< -XD.
k=1 1 _i=1 ' 1 =1 1
(11)
X < X <
i=1 i=1 l
где X еЭ - суммарная удельная эксергия цука-
k=1
n
тов, кДж/кг; X e3t - суммарная затраченная
i=1
удельная эксергия (подведенная в систему
m
извне), кДж/кг; X D - суммарные эксергети-
1=1 1
ческие потери, кДж/кг.
Эксергия материальных и энергетических потоков, а также внутренние и внешние эксергетические потери, рассчитанные по фор-
ЛИТЕРАТУРА
1 Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический анализ и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.
2 Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. М.: Химия, 1992. 208 с.
3 Гуляев В.Н., Дремина Н.В., Кац З.А. и др. Справочник технолога пищеконцентратного и ово-щесушильного производства. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 488 с.
4 Богословский С.В. Физические свойства газов и жидкостей. СПб.: СПбГУАП, 2001. 73 с.
5 Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теп-лофизическим свойствам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Пищевая промышленность, 1970. 184 с.
6 Остриков А.Н., Красовицкий Ю.В., Шевцов А.А. и др. Процессы и аппараты пищевых производств. Кн. 1. СПб.: ГИОРД, 2007. 704 с.
7 Калашников Г.В., Остриков А.Н. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов. Воронеж: Издательство ВГУ, 2001. 356 с.
8 Кац З.А. Производство сушеных овощей, картофеля и фруктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 216 с.
мулам (5-10), составили эксергетический баланс теплотехнологической системы производства фруктовых цукатов (таблица 2). Обозначение потоков на рисунк 3 представлено в таблице 1. При построении эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута (рисунок 3) в качестве абсолютного эксергетического параметра выбрана эксергетическая мощность Е, кДж/ч.
Полученный по формуле (11) эксергетиче-ский КПД равен 8,87 %, что на 3,7 % выше, чем при использовании технологии-прототипа, основанной на воздушно-солнечной сушке продукта. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании СВЧ-нагрева продукта в сочетании с отводом влаги в атмосферу низкотемпературным теплоносителем, что исключает значительные внешние потери эксергии на этапе сушки.
REFERENCES
1 Brodyanskii V.M., Fratsher V., Mikhalek K. Eksergeticheskii analiz i ego prilozheniia [Exergy analysis and its applications]. Moscow, Ener-goatomizdat, 1988. 288 p. (In Russ.).
2 Sazhin B.S., Bulekov A.P. Eksergeticheskii metod v khimicheskoi tekhnologii [Exergic method in chemical engineering]. Moscow, Khimiia, 1992. 208 p. (In Russ.).
3 Guliaev V.N., Dremina N.V., Kats Z.A. et al. Spravochnik tekhnologa pishchekontsentratnogo i ovoshchesushil'nogo proizvodstva [Directory technologist-food and vegetable drying the concentrate production]. Moscow, Legkaia i pishchevaia promyshlennost', 1984. - 488 p. (In Russ.).
4 Bogoslovskii S.V. Fizicheskie svoistva gazov i zhidkostei [The physical properties of gases and liquids]. Saint-Petersburg, SPbGUAP, 2001. 73 p. (In Russ.).
5 Chubik I.A., Maslov A.M. Spravochnik po tep-lofizicheskim svoistvam produktov i polufabrikatov [Handbook on thermophysical properties of food products and semi-manufactured goods]. Moscow, Pishchevaia promyshlennost', 1970. 184 p. (In Russ.).
6 Ostrikov A.N., Krasovitskii Iu.V., Shevtsov A.A. et al. Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv [Processes and devices of food manufactures]. Saint-Petersburg, GIORD, 2007. 704 p. (In Russ.).
7 Kalashnikov G.V., Ostrikov A.N. Resursos-bereaiushchie tekhnologii pishchevykh kontsentratov [Saving technologies of food concentrates]. Voronezh, Izda-tel'stvo VGU, 2001. 356 p.. (In Russ.).
8 Kats Z.A. Proizvodstvo sushenykh ovoshchei kartofelia i fruktov [Production of dried vegetables, potatoes and fruits] Moscow, Legkaia i pishchevaia promysh-lennost', 1984. 216 p. (In Russ.).
