TECHNIQUE TO GENERALIZE A MAXIMUM SUPERFICIAL GAS VELOSITYDATA FOR THREE-LAYER DUAL FLOW TRAY WITH NO DOWNCOMER
A.YU. ADZHIEV E.N. KONSTANTINOV2, A.V. LITVINENKO S.I. BOYKO \ P.F. OVCHINNIKOV1
1 Open Joint Stock Company «Scientific Research and Design Institute for Gas Processing.»,
118, Krasnaya st., Krasnodar, 350000; e-mail: [email protected] 2Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: [email protected]
The technique of processing of experimental data is developed and the generalized dependence for calculation maximum superficial gas velocity of three-layer dual flow tray with no downcomer is received.
Key words: maximum superficial gas velocity, dual flow tray with no downcomer, processing of experimental data.
636.085.54:536.7
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИКОРМОВ ВЫРОВНЕННОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
А.А. ШЕВЦОВ, Л.Н. ЛЫТКИНА, А.В. ПОНОМАРЕВ, P.M. МАДЖИДОВ
Воронежская государственная технологическая академия,
394000, г. Воронеж, пр-т Революции, 19; тел.: (4732) 55-65-11, факс: (4732) 55-37-16, электронная почта: [email protected]
Посредством эксергетического анализа проведена оценка термодинамической эффективности технологических систем кормопроизводства по традиционной технологии и технологии с применением теплонасосных установок с учетом степени использования различных видов энергии, затрачиваемых в технологических процессах исходя из свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне. Показано, что применение предлагаемых холодильных систем в сочетании с основной технологией позволило повысить степень ее термодинамического совершенства и создать реальные перспективы экономии теплоэнергетических ресурсов и улучшения качества готовой продукции.
Ключевые слова: эксергия, технология комбикормов, компрессор, эжектор.
Достижения теории, техники и технологии кормопроизводства подготовили условия для научного подхода к инновационному развитию технологических процессов, обеспечивающих наименьшие затраты энергетических ресурсов при высокой однородности получаемых кормовых смесей [1, 2]. Разработке предложений по экономии энергии и повышению качества продукции предшествовали системные исследования принципиальных вопросов организации теплотехнологических процессов [3]. Важнейшим инструментом оценки термодинамической эффективности технологической системы является эксергетический анализ, который учитывает на основе второго закона термодинамики степень использования различных видов энергии, затрачиваемых в технологических процессах исходя из свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне [4].
В технологии комбикормов выровненного гранулометрического состава вспомогательные тепловые процессы играют важную роль в энергетических превращениях и определяют термодинамическое совершенство системы, характеризуемое эксергетическим КПД тужс.
Эксергетический анализ выполнен по методике [4, 5], в соответствии с которой теплотехнологическая система производства комбикормов (рис. 1) условно отделена от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью, а внутри системы с учетом
протекающих теплообменных процессов выделены следующие контрольные поверхности: I - пресс-грану-лятор 1 с электроприводом; II - гравитационный смеситель 2 и бункер-теплообменник 3;Ш — вентилятор 10 для подачи охлаждающего воздуха в охладитель; IV -охладитель 4; V - измельчитель 5 и сепаратор б с электроприводами; VI - смеситель 7 с электроприводом; VIfl - жиротопка 8 и насос для подачи жира 9.
Эксергия в каждой контрольной поверхности изучаемой технологической системы, состоящей из классических необратимых процессов, уменьшается с течением времени, что связано с диссипацией энергии [4]:
піт
(і)
і=1 к= 1 ]= 1
где - суммарная эксергия вводимых в контрольную поверх-
ность материальных и энергетических потоков; ^ Е'/ - суммарная
эксергия выводимых из контрольной поверхности полезных материальных и энергетических потоков; , =Т0А5 - суммарные эк-
7=1
сергетические потери (уравнение Гюи-Стодолы [4]); і = ^1; - ко-
личество вводимых материальных и энергетических потоков; к = (\ /^-количество выходящих полезных потоков; / = ^1; «^-количество эксергетических потерь.
Рис. 1
Для производства комбикорма выровненного гранулометрического состава по традиционной технологии [2], по технологиям с применением парокомпрессионной и пароэжекторной холодильных машин [6, 7], работающих в режиме теплового насоса, соотношение (1) рассматривалось в виде следующих уравнений:
е; +е: +£“ +е; +е" +££дв =
Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков: рассыпного комбикорма Е'Н , жира Е'Н и атмосферного воздуха Е' , находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю. Для приведения уравнений к единой системе отсчета будем определять эксергию энергетических и материальных потоков относительно условно выбранной окружающей среды с температурой Гпр, равной 273 К.
В процессе нагрева мелкой фракции комбикорма при гранулировании и последующем смешивании горячих гранул с рассыпным комбикормом химическая эксергия продукта постоянна, так как состав получаемой смеси не изменяется. Поэтому учитывается только удельная термическая эксергия комбикорма, определяемая на основании уравнения Гюи—Стодолы:
=в-е11р=А-А1ф-Г11р(5-511р), (5)
где », к, -Я 5пр — удельная термическая эксергия, кДж/кг,
удельная энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг * К), продукта при текущих параметрах технологического процесса и параметрах условно принятой окружающей среды.
Удельную эксергию готовой продукции определяли, рассматривая ее как бинарную систему, состоящую из комбикорма и жира:
=й$>Л,ф-Г1ф 5-^со;5;
(6)
(2)
(3)
=Е1 +е; +
Е* +Е“ +Е; +евх+'£ещ = ЕЧ +Е: +е; +^£дв =е« +^Ч^В',(4)
где слагаемые этих уравнений: эксергия, кДж: рассыпного комбикорма Е,"; пара Е2', подаваемого в пресс-гранулятор; атмосферного воздуха Е'н, подаваемого на охлаждение комбикорма; отработанного воздуха Е3к, выбрасываемого в атмосферу; жира Е4' и пара Её', подаваемых в жиротопку; пара Е7', подаваемого в пароэжекторную машину; готового комбикорма Е *; эксергия, вводимая в систему с электроэнергией для работы компрессора Еком; суммарная эксергия, вводимая в систему с электроэнергией для работы приводов машин И Едв; сумма потерь эксергии врезультате необратимости процессов, происходящих внутри контрольной поверхности Е £)'; сумма потерь эксергии во внешнюю среду Е Вв.
Уравнения (2)—(4) отражают изменение эксергии системы за счет ввода рассыпного комбикорма, жира и охлаждающего воздуха; покрытия потерь, возникающих вследствие необратимости процессов тепловой обработки комбикорма и жира; изменения их теплофизических свойств; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды.
где к, к,пр, 5, 5,пр — удельная энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг * К), готовой продукции при текущих параметрах технологического процесса и ее компонентов при параметрах окружающей среды; со, - массовая доля комбикорма и жира в полученной кормовой смеси, %.
Приращение полезной эксергии комбикорма достигается за счет нагрева комбикорма паром в прессе-гра-нуляторе и жиром, нагреваемым в жиротопке или в конденсаторе холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса. Увеличение полезной эксергии при гранулировании комбикорма достигается в основном за счет эксергии конденсации пара [5]:
Е г
конд конд
Т -Т
-1 Я -1 ЦП
(7)
где Ск1шд — расход сконденсированного пара, кг/ч; г — удельная теплота парообразования, кДж/(кг - К); Т, - температура пара, К.
Параметры пара, конденсата и охлаждающего воздуха взяты из термодинамических таблиц М.П. Вукалови-ча; параметры жира, а также значения приводной мощности машин и аппаратов — из нормативно-технической докуме3тации.
В работе рассмотрено влияние на систему внутренних В и внешних В» эксергетических потерь.
В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между комбикормом и паром в прессе-грануляторе, электромеханические и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема пара и охлаждающего воздуха при поступлении из трубопровода в оборудо-
Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле
О =С
гг =2"
(8)
где £то - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; т е - среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.
Фактор Карно или эксергетическая температурная функция [4] равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды:
^ = (Тш ~ТиР)/Тш .
где Гкп - температура теплоносителя внутри контрольной поверхности, К.
Эксергетические потери вследствие падения давления теплоносителей при их подаче в контрольную поверхность определяли по формуле
О' =С.[8ШГ
(9)
О1 -О,,
(10)
где Qm — суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; хе — фактор Карно.
Определены эксергетические потери на выходе готовой продукции из смесителя при достижении им термодинамического равновесия с условно принятой окружающей средой:
-Ьи„-Тиг,с1п-
(11)
где врп — выход готового комбикорма, кг/ч; Тгп — энтальпия и тем-
пература готового продукта, соответственно кДж/кг и К; с — средняя удельная теплоемкость готового комбикорма, кДж/(кг * К).
Оценку термодинамического совершенства энерготехнологической системы производства комбикормов проводили по эксергетическому КПД:
Е^3 Е^3
(12)
где Ст и Твх — расход, кг/ч, и температура, К, теплоносителя на входе в контрольную поверхность; АНг - гидравлические потери, м.
По формуле Дарси—Вейсбаха [8] найдены гидравлические потери при входе теплоносителя в контрольную поверхность:
ДЯ,. =5-2-,
где Увх - средняя скорость прохождения теплоносителя по сечению подводящего трубопровода, м/с; £, - коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению трубопровода.
Внутренние потери эксергии при механической обработке продукта рабочими органами машин и аппаратов Гэм (смесителя, пресса-гранулятора, измельчителя, сепаратора) возникают вследствие необратимости изменения механической энергии, связанной с необратимостью изменения структуры частиц комбикорма. Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов оборудования.
Внешние потери Г» связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Эти потери обусловлены отличием температуры теплоносителей от температуры окружающей среды, несовершенством тепловой изоляции оборудования, выбросом потока отработанного воздуха в атмосферу, эксергия которого соответствует внешним потерям го; .
Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции, были найдены по формуле
При этом эксергетический КПД определяли исходя из значения эксергии готовой продукции — комбикорма выровненного гранулометрического состава.
Эксергия каждого материального и энергетического потока и количество внутренних и внешних эксерге-тических потерь, рассчитанные по формулам (5)—(11), составили эксергетический баланс теплотехнологической системы производства комбикорма (табл. 1). При построении эксергетических диаграмм Грассмана— Шаргута для традиционной технологии (рис. 2) и технологии с использованием парокомпрессионной (ПКХМ) и пароэжекторной (ПЭХМ) холодильных машин (рис. 3, 4 соответственно) в качестве абсолютного
Рис. 2
Таблица 1
Кон- трольная поверх- ность Подвод эксергии Отвод и потери эксергии
Наименование потока % от суммарной эксергии % от суммарной эксергии
кДж/ч • 103 Традиционная тех- С применением С применением Обозначе- ние кДж/ч • 103 Традиционная тех- С применением С применением
нология ПКХМ ПЭХМ нология ПКХМ ПЭХМ
I Электро- энергия 126,00 8,3 12,3 11,2 о; 179,38 11,8 17,5 16,0
Пар 290,30 19,2 28,4 - Л 31,18 2,1 3,0 2,8
Рассыпной О), 16,19 1,1 1,6 1,4
II комби- корм 208,66 13,8 20,4 18,6 о;; 20,80 1,4 2,0 1,8
Электро- энергия 36,00 2,4 3,5 3,2 55,53* 4,5 5,4 4,8
III Охлаж- дающий воздух 492,87 32,6 - - о,,
IV - - - - - к о», 21,17* 553,65 2,0 36,6 2,6 2,4
V Электро- энергия 83,00 5,5 8,1 7,4 о; 83,00 5,5 8,1 7,4
VIа Жир Пар 45,23 158,44 3,0 10,5 - - о;,„ Ок 27,48 18,32 1,8 1,2 - -
VI Электро- энергия 72,00 4,8 7,0 6,4 О); Е,„ о,,. 82,87 384,28 16,14 5,5 25,4 1,1 8,1 37,5 1,6 7.4 34,2 1.4
VII а Электро- энергия 147,25 - 14,4 - О,, 59,20 - 5,8 -
VII б Пар 553,65 - - 49,2 о;,, 161,99 - - 14,3
VIII Жир 45,23 - 4,4 4,0 °т, о,™ 10,74** 17,43** - 1,0 1,9 1,0 1,4
IX - - - - - 29,20 - - 2,6
X Пар 15,48 - 1,5 - о; 32,98 - 3,9 1,1
Итого: традиционная технология 1512,50 1512,50
ПКХМ 1023,92 100 - 1023,92 100
ПЭХМ
1124,54
1124,54
указаны для системы с применением ПКХМ и ПЭХМ, а для традиционной схемы
Примечание: * - эксергетические потери 0'ш = 68,15 кДж/ч, = 31,06 кДж/ч; ** - эксергетические потери и указаны для схемы с применением ПКХМ, а для схемы с применением ПЭХМ = 11,44 кДж/кг, = 15,37 кДж/кг.
эксергетического параметра выбрана эксергетическая мощность Е, кДж/ч, учитывающая энергию материальных и тепловых потоков с учетом массовой производительности, которая особенно важна в технологических системах с разветвленной структурой однородных по эксергии потоков.
Из диаграммы (рис. 2) следует, что наибольшие внешние эксергетические потери системы вызваны выбросом в атмосферу отработанного воздуха, а наибольшие удельные энергозатраты - использованием пара для подогрева жира, подаваемого в смеситель.
Выполненные расчеты (табл. 2) свидетельствуют о преимуществе технологии с применением холодильных машин, так как эксергия отработанного воздуха утилизируется в испарителе холодильной машины, косвенно переходя в эксергию жира в конденсаторе.
По эксергетической мощности потоков установлена зависимость эксергетического КПД от производительности линии по готовому комбикорму для технологий с применением ПКХМ, ПЭХМ и традиционной
технологии (рис. 5: кривые 1, 2 и 3 соответственно). Увеличение эксергетического КПД в схемах с применением ПКХМ и ПЭХМ (рис. 3, 4) на 25,7-32,2% свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства системы как совокупности тепловых процессов. Экстремальный характер зависимостей г| жс = / (Ск/к) показывает наличие оптимального значения расхода комбикорма С1к/к, соответствующего максимальному значению г|.жс. Целесообразность применения холодильных машин при реализации энергосберегающей технологии комбикормов зависит от конкретных производственных условий. С учетом сравнительного анализа, а также известных преимуществ теплоиспользующей холодильной техники наибольшее предпочтение отдается системе охлаждения комбикорма ПЭХМ. В этом случае появляется возможность использовать теплоту низкотемпературного потенциала, в частности бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов (например, вторичного пара на сахарных заводах). Конструкция ПЭХМ более ком-
пактна, а отсутствие механического привода существенно повышает надежность.
Таблица 2
Номер потока на рис. 2-4 Наименование потока Эксергетическая мощность Ре, 103 кДж/кг
Потоки, включенные во все технологические схемы
1 Электроэнергия 126,00
2 Мелкая фракция комбикорма 51,11
3 Пар для гранулирования 290,30
4 Гранулированный комбикорм 256,85
5 Рассыпной комбикорм 208,66
6 Смесь гранул и рассыпного комбикорма 428,52
7 Охлаждающий воздух 492,87
8 Отработанный воздух 553,65
9 Электроэнергия 36,00
10 Охлажденный комбикорм 304,53
11 Крупная фракция комбикорма 45,10
12 Электроэнергия 83,00
13 Средняя фракция комбикорма 253,42
14 Электроэнергия 72,00
15 Нагретый жир 157,87
16 Готовый комбикорм 384,28
17 Жир 45,23
Потоки, включенные в традиционную схему
18 Пар для нагрева жира 158,44
19 Циркулирующий пар 129,44
Потоки, включенные в схему с применением ПКХМ
18 Электроэнергия 147,25
19 Хладагент из испарителя 60,75
20 Хладагент из компрессора 148,80
21 Конденсат 8,34
22 Пар для регенерации испарителя 15,48
Потоки, включенные в схему с применением ПЭХМ
18 Греющий пар 553,65
19 Хладагент из теплообменника 91,57
20 Хладагент из эжектора 192,93
21 Конденсат 53,48
22 Хладагент из испарителя 24,28
Однако при отсутствии источников вторичного тепла в условиях децентрализованных систем теплоснабжения, когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, предпочтение отдается ПКХМ, способ-
40
15 ---------------------------------------------
12 14 16 О. т/ч 20
Рис. 5
Рис. 3
ным перекрывать мощность различных теплоисточников комбикормовой промышленности.
Очевидно, что недостатки традиционной схемы производства комбикормов полностью исключаются при использовании ПКХМ и ПЭХМ, работающих в режиме теплового насоса [9]. Применение предлагаемых комбинированных энергетических систем в сочетании
Рис. 4
с основной технологией комбикормов позволяет оптимизировать параметры смежных подсистем технологии, обеспечить повышение технико-экономических показателей и создать реальные перспективы экономии теплоэнергетических ресурсов и улучшения качества готовой продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шевцов А.А., Лыткина Л.И., Шенцова Е.С., Маджи-
дов P.M. Совершенствование теплотехнологических процессов в производстве комбикормов. - Воронеж: ВГТА, 2007. - 188 с.
2. Шевцов А.А., Остриков А.Н., Лыткина Л.И., Сухарев А.И. Повышение эффективности производства комбикормов. -М.: ДеЛи принт, 2005. - 243 с.
3. Экспериментально-статистическая оценка точности и устойчивости теплотехнологической системы производства комбикормов и методологический подход к ее развитию / А.А. Шевцов. Л.И. Лыткина, Р.М. Маджидов и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. -№ 2-3. - С. 87-91.
4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксерге-тический анализ и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -288 с.
5. Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. - М.: Химия, 1992. - 208 с.
6. Пат. 2251885 РФ, МКИ7 А 23 К 1/00, А 23 N 17/00. Способ обработки комбикорма для птицы / А.А. Шевцов, Л.И. Лыткина. Е.С. Шенцова и др. // БИПМ. - 2005. -№ 14.
7. Пат. 2328135 РФ, МПК7 А 23 К 1/00. Способ приготовления комбикорма/А.А. Шевцов, Л.И. Лыткина, А.В. Дранников и др. // БИПМ.-2008.-№ 19.
8. Процессы и аппараты пищевых производств. Кн. 1 / А.Н. Остриков, Ю.В. Красовицкий, А.А. Шевцов и др.; Под. ред. А.Н. Острикова. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 704 с.
9. Калнинь И.М., Савицкий А.И., Пустовалов С.Б. Тепловые насосы нового поколения, использующие экологические и безопасные рабочие вещества //Холодильная техника. - 2007. - № 1. -С. 46-50.
Поступила 10.10.08 г.
EXERGETIC ANALYSIS OF TECHNOLOGY OF MIXED FODDERS LEVELED GRANULOMETRIC STRUCTURE
A.A. SHEVTSOV, L.I. LYTKINA, A.V. PONOMARYOV, R.M. MADZHIDOV
Voronezh State Technological Academy,
19, Revolution Avenue, Voronezh, 394000; ph.: (4732) 55-65-11, fax: (4732) 55-37-16, e-mail: [email protected]
By means of the exergetic analysis the estimation of thermodynamic efficiency of technological systems production of mixed fodders on traditional technology and technology with application heat pump plant, in view of a degree of use ofvarious kinds of the energy spent in technological processes proceeding from properties of raw material, the work carried out above system and total quantity of all kinds of the energy involved from the outside is lead. It is shown, that application of the offered combined power systems in a combination to the basic technology has allowed to increase a degree of thermodynamic perfection and to create real prospects in economy of heat power resources and improvement of quality of finished goods.
Key words: exergy, technology of mixed fodders, compressor, ejector.
664.8.037.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗМОРАЖИВАНИЯ ПЛОДОВ И ЯГОД В ЖИДКИХ СРЕДАХ
С.В. ФРОЛОВ, В.Е. КУЦАКОВА, М.И. КРЕМЕНЕВСКАЯ, В.И. ФИЛИППОВ, Р.С. НЕЧАЙ
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий,
191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9; факс: (812) 571-80-16, электронная почта: [email protected]
Показано, что размораживание плодов и ягод в сиропах приводит к образованию намороженного слоя льда на их поверхности. Предложены расчетные соотношения для расчета времени образования слоя максимальной толщины. Установлено, что намороженный слой может полностью растаять уже после начала дефростации ягоды. Это способствует снижению потерь ценных растворимых компонентов ягод и сохранению их тургора.
Ключевые слова: размораживание плодов, намороженный слой, криоскопическая температура, снижение потерь растворимых компонентов.
Размораживание является последним звеном в сока и растворимых веществ, которые обуславливают
сложной цепи холодильной обработки и хранения пи- пищевую ценность. Поэтому размораживание быстро-
щевых продуктов, поэтому при неудовлетворительном замороженных плодов и ягод часто совмещают с их ку-
его проведении может значительно ухудшиться качест- линарной обработкой.
во продукта, несмотря на соблюдение режимов всех в промышленной практике при замораживании
предшествующихтехнологических операций. плодов и ягод широко применяют добавление сахара
Существенным недостатком быстрозамороженной или сиропа, благоприятное влияние которых основано
растительной продукции является ухудшение качества на прекращении доступа кислорода, осмотическом
при размораживании, связанное с потерей клеточного воздействии на ферменты, предотвращении потерь