CC BY
18
УДК621.59.01(075.8) Доц. В.Й. Лабай, канд. техн. наук;
проф. Я.М. Ханик, д-р техн. наук - НУ "Л.beiecbm полтехшка"
ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ТА ЕКСЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНСИ БАРАБАННО1 СУШАРКИ ДЛЯ ЦУКРУ-П1СКУ
Описано методику енергетичного та ексергетичного аналiзiв роботи барабанно! сушарки. Розрахунки для процесу сушшня цукру-nicKy показали, що енергетична ефективнiсть становить 14,3 %, а ексергетична - 3,4 %. Запропоновано для тдви-щення ефективност роботи сушарки встановити оптимальне стввщношення мiж су-шильним та охолоджувальним агентами.
Ключов1 слова: енерпя, ексергiя, баланс, барабанна сушарка, ефективнiсть.
Doc. V.Yo. Labay;prof. Ya.M. Hanyk-NU "Lvivs'ka Politekhnika" Energetic and exergetic balances of drum drier for granulated sugar
The method of energetic and exergetic analysises of the drum drier work was described. Calculations, that carried out for dry process of granulated sugar, have demonstrated, that the energetic efficiency equals 14,3 % and the exergetic efficiency - 3,4 %. It was proposed to define optimal correlation between drying and cooling substances for increasing of the drum drier work efficiency.
Keywords: energy, exergy, balance, drum drier, efficiency.
Зменшення витрат енерги, споживано! сушильними установками, дик-туе необхщшсть !х оптим1заци, що найповшше може бути досягнуто методом ексергетичного анашзу, який враховуе не тшьки кшьюсть, але й яюсть затрачено! енерги [1, 2].
Авторами виконаний анашз роботи барабанно! сушильно-охолоджу-вально! установки польського виробництва за лщенз1ею ф1рми "Dunford-Elli-ott" (Англ1я) для сушшня цукру-шску, схема яко! наведена на рис. 1. Експе-рименти проведет на Луцькому цукровому завод1 в теплий перюд року. В результат отримано таю вхщт дат: кшьюсть висушеного продукту G2 = 7,64 кг/с = 27504 кг/год. (660 т/добу); початкова волопсть матер1алу (на за-гальну масу) w1 = 1,55 %, кшцева - w2 = 0,041 %; початкова температура цукру Тм1 — 273 = 60 °С, кшцева - Тм2 - 273 = 35 °С; витрата сушильного агента Ьса = 20255 кг/год., витрата охолоджувального агента £оха = = 48704 кг/год. Параметри повггря за сухим i мокрим термометрами у вщпо-вщних перерiзах установки зведенi у табл. 1.
На пiдставi отриманих експериментальних даних виконано матерiаль-ний, тепловий та ексергетичний баланси барабанно! сушильно-охолоджу-вально! установки.
На пiдставi матерiального балансу за вЫм висушуваним матерiалом визначаемо кшьюсть випарувано! вологи [3]:
Wi — w2
W = G2 --1-2 = 0,117 = 0Д2 кг/с = 432 кг/год. (1)
100 — w1
Перевiряемо знайдену кiлькiсть випарувано! вологи складанням мате-рiального балансу за вологою:
^ = Ьсум • х5 - Ьса • х1 - £ох.а • х0 = 0,119 = 0,12 кг/с = 432 кг/год., (2)
де х0, х1 i х5 - вологовмют повпря у вiдповiдних точках процесу (див. рис. 2), кг/кг.
Рис. 1. Схема барабанно'1 сушильно-охолоджувальноК установки для цукру-тску
польського виробництва (за лiцензieю фiрми "Вып/огй-ЕШоП"): 1 - сушильно-охолоджувальний барабан; 2 -розвантажувальна камера; 3 - витяжний патрубок в1дпрацьованого сушильного агента; 4 - жалюзи барабану; 5 - вузол завантаження вологого цукру; 6 - вузол розвантаження сухого цукру; 7 - вентилятор сушильного
агента; 8 - вентилятор охолоджувального агента; 9 - витяжний вентилятор сумш в1дпрацьованого повтря; 10 - фыьтр ком1рковий; 11 - калориферна секция; 12 - промивний циклон в1дпрацьованого повтря; 13 - транспортер вологого цукру;
14 - транспортер сухого цукру
Табл. 1. Параметри повтря у вiдповiдних перерiзахустановки
Температура повггря, °С Перер1з установки
на вход1 у калорифер на виход1 з калорифера на виход1 з сушиль-но! секцп на вход1 в охоло-джуваль-ну секцш на виход1 з охоло-джуваль-но! секцп на виход1 з установки
за сухим термометром, 37 91 50 25 37 41
за мокрим термометром, Гм 25 35,8 37 23,4 22,3 27
Рiвняння балансу потоюв теплово! енергп мае вигляд: £вх = бвих = 7349491 кДж/год. = 2042 кВт;
(3)
бс.а1 + бох.а0 + бкал + бм1 = Ос.а3 + бох.а4 + Qм2 + бвтр , (4)
Де Qвх 1 Qвих - вщповщно потж теплоти, який внесений в установку 1 винесе-
^вх * к^вих
ний з не!.
кДж кг
Г2=91 °С
х3=0,032
/,=133,2
=0,0154
--0,0093
х, кг/кг
Рис. 2. Зображення процеЫв, як вiдбуваються в барабаннш сушильно-охолоджувальнш установщ на 1-х — дiаграмi: 1-2 - нагр1вання сушильного агента в калорифер1; 2-3 - процес сушшня в сушильнш секцп барабану; 0-4 - процес суштня в охолоджувальнй секцп барабану; 3-4 - процес змшування сушильного I охолоджувального агент1в (точка 5 в1дпов1дае стану сумш1)
Складов! балансу теплово! енерги визначались за такими виразами [3]. Надходження потоку теплоти з сушильним агентом до калорифера:
Qс.а 1 = ■ 11 = 1553559 кДж/год. = 432 кВт, (5)
де 11 - питома ентальтя сушильного агента до калорифера.
Надходження потоку теплоти з охолоджувальним агентом:
Qох.а0 = Ьохя ■ 10 = 2376755 кДж/год. = 660 кВт, (6)
де 10 - початкова питома ентальтя охолоджувального агента.
Потж теплоти, отриманий сушильним агентом у калорифера
бкал = ^с.а • ((2 - II) = 1132255 кДж/год. = 315 кВт, (7)
де /2 - питома ентальшя сушильного агента пiсля калорифера. Надходження потоку теплоти з матерiалом:
2м1 = ^2 • См1 • (( - 273)+ Ж • Св • (Тм1 - 273) = 2286922 кДж/год. = 635 кВт, (8)
де см1 i св = 4,19 кДж/(кг^К) - вiдповiдно питома теплоемнiсть продукту до сушшня i вологи.
Питома теплоемшсть продукту до сушiння визначалась за такою формулою [1]:
См1 = [св • + Сс.м2 -(100 - )]/100 = 1,32 кДж/(кг^К), (9)
де ссм 2 = 1,27 кДж/(кг^К) - питома теплоемшсть абсолютно сухого цукру в
кшщ процесу сушшня [4].
Втрати потоку теплоти з вщпрацьованим сушильним агентом:
Qс.а 3 = Ьсл • 13 = 2697966 кДж/год. = 749 кВт, (10)
де 13 - питома ентальшя сушильного агента в кшщ процесу сушшня.
Втрати потоку теплоти з вщпрацьованим охолоджувальним агентом: Qох.а4 = ¿оха • 14 = 3224204 кДж/год. = 896 кВт, (11)
де 14 - питома ентальшя охолоджувального агента в кшщ процесу охолод-ження.
Втрати потоку теплоти з висушеним матерiалом:
Qм2 = • См2 •(Тм2 - 273) = 1222553 кДж/год. = 340 кВт, (12)
де см 2 - питома теплоемнiсть висушеного продукту.
Питома теплоемшсть висушеного продукту визначалась за такою формулою [1]
См2 = [св • ^2 + Сс м2 •(100 - ^2)]/100 = 1,27 кДж/(кгК (13)
Втрати потоку теплоти через стшки барабану в навколишне середовище: Qвтр = аз • ^ • (Тб - Т0) = 204768 кДж/год. = 57 кВт, (14)
де: а з - середнш коефiцiент тепловiддaчi вiд зовшшньо! стiнки барабану до навколишнього пов^я; ^ - площа зовшшньо! поверхш тепловiддaчi стiнки барабану; Тб - середня температура зовшшньо! поверхнi барабану; Т0 - температура навколишнього середовища.
Результати розрaхункiв зведено в табл. 2.
Корисна витрата потоку теплоти, тобто потж теплоти на випаровуван-ня вологи з мaтерiaлу [1]:
Qкор = Qвип = Ж • г = 1050797 кДж/год. = 292 кВт, (15)
де г = 2432,4 кДж/кг - питома теплота пароутворення за 1м = 27 °С.
Табл. 2. Тепловий (енергетичний) баланс сушильно-охолоджувалыинустановки
Надходження теплоти кДж % Втрата теплоти кДж %
кг вологи кг вологи
1. З сушильним агентом до калорифера 3596,2 21,2 1. З ввдпрацьованим сушильним агентом 6245,3 36,7
2. З охолоджувальним агентом 5501,7 32,3 2. З вщпрацьованим охолоджувальним агентом 7463,4 43,9
3. В основному (зов-тшньому) калорифер! 2621,0 15,4 3. З висушеним матерь алом 2830,0 16,6
4. З матер1алом 5293,8 31,1 4. У навколишне середо-вище 474,0 2,8
Всього 17012,7 100 Всього 17012,7 100
Енергетичний ККД сушарки [1]:
Пен = ^кор .100 = .100 = 14,3%. (16)
бвх 7349491
Ексергетичний баланс складався для термiчно! ексерги, яка е сумою фiзично! i хiмiчно! ексергiй. Для визначення складових ексергетичного балансу використано положення, як встановленi в [1, 2, 5]. Нехтуемо енерпею сорбцп i десорбци вологи в цукрьшску. Процеси сушiння i охолодження приймаемо iзобаричними.
Питома ексергiя сушильного та охолоджувального агентiв у характер-них перерiзах установки визначалась за формулами [5]:
e = eф + eх, кДж/кг, (17)
де питома фiзична ексерпя
л
eф = (сс.пов + x ' cп )'
T - To - To ' 1п Т т0 у
(18)
де cспов = 1,005 кДж/(кГ'К) i cп = 1,86 кДж/(кг-К) - вiдповiдно середня питома теплоемшсть сухого повiтря i водяно! пари; Питома хiмiчна ексергiя
ех = Т0 '
(и пЬ 0,622 + х0 x
((с.пов + x ' Rп )'1п ^^ 0 + x ' Rп '1п —
0,622 + x x0
(19)
де -Кспов = 0,287 кДж/(кГ'К) i Яп = 0,462 кДж/(кГ'К) - вщповщно газова стала сухого пов^я i водяно! пари.
Рiвняння балансу потоюв ексерги:
Eвх = Eвих = 211148 кДж/год. = 58,65 кВт; (20)
Eсa + А£Кал + ДЕм! = Д^уш + ^охол + ^сум + Eсум + ^м 2 + ^незв, (21)
де Евх i Евих - вщповщно потiк ексерги, який внесений в установку i винесе-ний з не!.
Складовi ексергетичного балансу визначались за такими залежностя-ми [1, 2]. Надходження потоку ексерги з сушильним агентом до калорифера:
Ес.а = ься • е1 = 9755 кДж/год. = 2,71 кВт, (23)
де е1 = 0,4816 кДж/кг - питома ексергiя сушильного агента до калорифера.
Надходження потоку ексерги в основному (зовнiшньому) калорифер^ АЕкал = Ьсл • (е2 - е1) = 128692 кДж/год. = 35,75 кВт, (24)
де е2 = 6,8352 кДж/кг - питома ексерпя сушильного агента пiсля калорифера. Надходження потоку ексерги з мaтерiaлом:
АЕм 1 = °2 • См 1
с т ^
ТТ ГТ1 ГТ! Л м 1
м 1 - Т0 - Т0 •1п — Т0 )
+ Ж • св
Т
ТТ ГТ1 ГТ1 1 м 1
м 1 - Т0 - Т0 •1п —
V Т0
= 72701 кДж/год. = 20,20 кВт. (25)
Втрати потоку ексерги в сушильнш секцп установки:
АЕсуш = Ьсл • (е2 - е3 )= 71152 кДж/год. = 19,77 кВт, (26)
де е3 = 3,3224 кДж/кг - питома ексерпя сушильного агента на виходi з су-шильно! секци.
Втрати потоку ексерги в охолоджувальнш секци установки:
АЕохол = Аох.а • (е4 - е0) = 13209 кДж/год. = 3,67 кВт, (27)
де е0 = 0 кДж/кг i е4 = 0,2712 кДж/кг - вщповщно питома ексерпя охолод-
жувального агента до i пiсля охолоджувально! секци.
Втрати потоку ексерги тд час змшування сушильного та охолоджу-вального агенпв:
АЕсум = ^с.а • еъ + 1ох.а • е4 - ^ум • е5 = 26178 кДж/год. = 7,27 кВт, (28)
де е5 = 0,7878 кДж/кг - питома ексерпя сумiшi сушильного та охолоджу-вального aгентiв на виходi з установки.
Втрати потоку ексерги з сумшшю сушильного та охолоджувального aгентiв на виходi з установки:
Есум = ¿сум • е5 = 54326 кДж/год. = 15,09 кВт. (29)
Втрати потоку ексерги з мaтерiaлом:
АЕм 2 = ^2 • См 2
Т 9Л
7т т лт! л м 2
м 2 - Т0 - Т0 • Ь — Т0
= 5733 кДж/год. = 1,59 кВт. (30)
Втрати потоку ексерги на незворотшсть процеЫв тепло- i масоперене-сення АЕнезв = 40550 кДж/год. = 11,26 кВт визначали з рiвняння ексергетич-
ного балансу (21).
Результати розрахунюв зведено в табл. 3.
Корисна витрата ексерги, тобто ексергiя насичено! пари (у випадку, коли волога загалом вiльнa) [1, 2]:
Екор = АЕвип = Ж • Аевол.вип = Ж • [п - ¿вол - Т0 • (^п - ^вол )] =
7208 кДж/год. = 2,0 кВт. (31)
де: /п = 2552,0 кДж/кг i = 8,5225 кДж/(кг'К) - вщповщно ентальпiя та ен-тропiя насичено! пари за температури (м = 27 °С; /вол = 113,2 кДж/кг i ^вол =
= 0,3946 кДж/(кг-К) - вiдповiдно ентальшя та ентропiя вологи за температури tм = 27 °С; Деволвип = 16,686 кДж/кг - кшьюсть ексерги витрачено на випа-ровування 1 кг вологи.
Табл. 3. Ексергетичний баланс сушильно-охолоджувальноIустановки
Надходження ексерги кДж % Втрата ексерги кДж %
кг вологи кг вологи
1. З сушильним агентом до калорифера 22,6 4,6 1. У сушильнш секци установки 164,7 33,7
2. В основному (зовтшньому) калорифер! 297,9 61,0 2. У охолоджувальнш секци установки 30,6 6,3
3. З матер!алом 168,3 34,4 3. Пвд час зм!шування сушильного та охолоджувального агенив 60,6 12,4
4. З сумшшю ввдпрацьованих сушильного та охолоджувального агенив 125,8 25,7
5. З висушеним матер!алом 13,3 2,7
6. На незвороттсть процешв тепло- ! масоперенесення 93,8 19,2
Всього 488,8 100 Всього 488,8 100
Ексергетичний ККД сушарки [1]:
Е 7208
пекс = -кор-'100 ^ '100 = 3,4%. (32)
екс Евх 211148
Аналiз наведених даних показуе, що найбiльшi витрати ексерги вщбу-ваються в сушильнш секци установки 33,7 %. З теплового балансу видно, що теплова енерпя загалом (97,2 %) витрачаеться з сумiшшю вiдпрацьованих агентiв i матерiалом. Водночас ексергетичним балансом встановлено, що ек-сергетична цiннiсть сумiшi вiдпрацьованих агентiв становить 25,7 %.
На пiдставi ексергетичного аналiзу сушильно-охолоджувально! установки для цукру-шску запропоновано для шдвищення ефективностi !! роботи вста-новити оптимальне спiввiдношення мiж сушильним та охолоджувальним агентами i використати на початковiй стади сушiння сумiш вiдпрацьованих агентiв.
Лггература
1. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1985. - 336 с.
2. Сажин Б.С. Основы техники сушки. - М.: Химия, 1984. - 320 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 784 с.
4. Заборсин А.Ф., Милютенко Б.Ф., Шевцов Д.С. Сушильно-охладительные установки для сахара-песка в псевдоожиженом слое. Обзор ЦНИИТЭИпищепром. - М.: Химия, 1972. - 76 с.
5. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. Перевод с польского под ред. В.М. Бродянского. -М.: Энергия, 1968. - 280 с. _
