CC BY
68
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 631.3:628.8/.9
С.А. Андреев, канд. техн. наук, доцент Ю.А. Судник, доктор техн. наук, профессор И.В. Белоусова, инженер
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТЬЮ ВОЗДУХА НА ОБЪЕКТАХ АПК
Для нормального протекания многих технологических процессов АПК требуется строгое поддержание влажности среды. Причем влажность среды (как правило, воздуха) должна быть не просто максимальной или минимальной, а соответствовать определенному значению. Отклонение влажности воздуха от заданной влечет за собой снижение производительности технологического процесса, ухудшение качества продукции и увеличение эксплуатационных затрат [1].
Влажность воздуха в сочетании с его температурой оказывает существенное влияние на состояние здоровья животных, птиц и их продуктивность. Известно, что теплоемкость и теплопроводность воздуха в помещении зависят от концентрации водяных паров (влагосодержания). Поэтому высокая относительная влажность воздуха (85 % и выше) способна угнетать обмен веществ и влиять на окислительновосстановительные процессы в живых организмах. Кроме того, увеличение скорости потока воздуха при повышенной влажности и низкой температуре может вызвать усиление теплоотдачи организма и его переохлаждение, а высокая влажность при высокой температуре — перегрев.
При высокой влажности и пониженной температуре увеличивается расход кормов на единицу
продукции. У животных ухудшается аппетит, снижаются привесы и продуктивность. Так, в свинарниках при удовлетворительном кормлении животных, но при высокой влажности воздуха (80.. .100 %) и низкой температуре (1.8 °С) по сравнению с оптимальными условиями (влажность воздуха 65.80 % и температура 8.12 °С) суточные привесы растущих свиней меньше на 28 %, а затраты кормов составляют 12 корм.ед. на 1 кг привеса (вместо 4,5...5,5 корм.ед.).
Чрезмерно низкая влажность воздуха (менее 30.40 %) при повышенной температуре оказывает неблагоприятное воздействие на состояние молодого потомства. Результатом этого может стать сухость слизистых оболочек, усиленная жажда, потоотделение, резкое снижение сопротивляемости птиц и животных к инфекциям. Низкая влажность определяет повышение запыленности в помещении птичника и животноводческих ферм. Воздушная пыль раздражает и загрязняет кожные и шерстные покровы животных, слизистые оболочки глаз, носа и дыхательных путей, способствует проникновению инфекций. В прямой зависимости от запыленности воздуха находится и его микробная загрязненность. Микробный стресс представляет собой реальную опасность, так как ведет к риску возник-
7
новения респираторных заболеваний и массовых эпидемий, особенно в условиях уплотненного содержания животных.
Кроме того, продолжительное воздействие неблагоприятного температурно-влажностного режима оказывает вредное влияние и на производственные помещения.
Важную роль играет влажность воздуха и в процессе инкубации яиц. Яйца кур и индеек инкубируют при температуре 37,4.37,5 °С и влажности 54.55 %. В последние дни температуру снижают до 36,9.37 °С, а влажность повышают до 70 % и более. Для яиц водоплавающей птицы температура в первые восемь дней должна составлять 37,7.37,8 °С, влажность — 52.56 %; затем 37,4.37,5 °С и влажность 47.48 %; а в последние дни — 36,9.37 °С и 70.80 % соответственно.
Влажность воздушной среды оказывает существенное влияние на качество хранения сельхозпродукции. В процессе хранения продолжается дыхание плодов, в результате которого происходит неизбежная потеря их массы. К примеру, естественная убыль массы груш может составлять до 40 %, из них 10 % будет приходиться на потери влаги в результате испарения и до 30 % на потерю массы в результате процессов дыхания. Регулируя интенсивность процессов дыхания и испарения, можно существенно сократить эти потери.
Чрезмерно высокая влажность воздуха способствует образованию гнили, ухудшению внешнего вида и вкусовых свойств плодов. При повышении влажности усушка снижается, но увеличивается опасность развития плесени и возрастает вероятность потерь от порчи. Поэтому высокую относительную влажность необходимо сочетать с пониженной температурой.
При выращивании с.-х. растений в условиях защищенного грунта влажность воздуха наряду с его температурой оказывает значительное влияние на качество и скорость ростовых процессов. При этом оптимальные значения относительной влажности для различных культур сильно отличаются. Так, для растений огурца требуется относительная влажность в диапазоне 90.95 %, салата — 75.90, цветной капусты — 70.90, лука (на зелень) — 70.80, укропа и шпината — 65.80, перца, баклажана и редиса — 60.80, томата — 60.70 %.
С учетом вышеизложенного становится очевидной целесообразность автоматизации управления влажностью воздуха для успешного протекания перечисленных технологических процессов. Вместе с тем автоматическое управление влажностью является гораздо более сложной задачей, чем управление температурой или воздухообменом. Сложность автоматизации управления влажностью объясняется следующими причинами. Во-первых, несмотря на большое количество конструкций датчиков, опе-
8
ративное и одновременно точное измерение влажности воздуха без участия человека остается проблематичным. Во-вторых, принудительное изменение влажности среды без побочного воздействия на другие ее параметры (например, на температуру) затруднительно. В самом деле, очень сложно увеличить или уменьшить влагосодержание воздуха, не изменив при этом температуру. В-третьих, наряду с относительной простотой процесса искусственного увлажнения воздуха с помощью увлажнителей, распылителей, парогенераторов и атомайзе-ров, осушить воздух в производственных условиях совсем непросто.
На сегодняшний день известны по крайней мере три принципиально различных способа осушения газов (воздуха): ассимиляция, конденсация и адсорбация.
Ассимиляция основана на физической способности теплого воздуха удерживать большее количество водяных паров по сравнению с холодным. Этот метод реализуется посредством вентиляции объекта с предварительным подогревом приточного воздуха. Как видим, ассимиляция реализуется достаточно просто, однако вследствие двух причин этот прием не всегда эффективен:
1) способность поглощения воздухом водяных паров ограниченна и непостоянна. Она зависит от времени года, температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха;
2) ассимиляция характеризуется повышенным энергопотреблением в связи с наличием безвозвратных потерь явного (расходуемого на подогрев приточного воздуха) и скрытого (содержащегося в удаляемых с воздухом парах воды) тепла; следует отметить, что скрытая часть тепла (энтальпия), определяемая теплотой испарения воды, составляет значительную долю общих потерь: с каждым килограммом влаги при этом теряется 580 ккал (2,4 МДж).
Конденсационный метод основан на принципе конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, при охлаждении его ниже точки росы. Фактически конденсационный осушитель является моноблочным кондиционером: вентилятор подает воздух из помещения на испаритель (радиатор с пониженной температурой), при этом воздух охлаждается, влага из воздуха конденсируется и стекает в поддон. Затем осушенный воздух подается на конденсатор (радиатор с повышенной температурой), где нагревается и откуда подается в помещение. Конденсационный метод может быть реализован с использованием принципа теплового удара, создаваемого при работе холодильного контура с расположенными непосредственно друг за другом испарителем и конденсатором.
На рис. 1 представлен принцип действия осушителей конденсационного типа, используемый
Рис. 1. Принцип действия осушителей адсорбционного типа:
1 — вход обрабатываемого воздушного потока; 2 — адсорбционный ротор; 3 — вентилятор на линии обрабатываемого воздушного потока; 4 — выход обрабатываемого воздушного потока; 5 — вход регенирирующего воздушного потока; 6 — фильтр; 7 — нагреватель; 8 — привод;
9 — вентилятор на линии регенирирующего воздушного потока;
10 — выход регенирирующего воздушного потока (влажный воздух)
фирмой Dantherm (Дания). Осушитель конденсационного типа состоит из компрессорной холодильной установки, применяемой для охлаждения поверхности, и вентилятора, подающего воздушные массы на эту поверхность для обеспечения контакта с ней влажного воздуха. Воздух, прошедший через систему осушения и, следовательно, утративший определенную часть содержащейся в нем влаги, вновь подается в помещение и смешивается с находящимся в нем воздухом. Таким образом, абсолютная и относительная влажность воздуха в помещении постепенно снижаются. Особенностью конденсационного метода является то, что соответствующие энергетические переходы осуществляются в пределах замкнутого консервативного цикла, формируемого в пределах обслуживаемого помещения. При этом внутри помещения происходит рециркуляционный воздухообмен. В качестве отдельных компонентов теплового баланса выступают регенерация энергии за счет перехода скрытого тепла в явное при конденсации удаляемой влаги, а также преобразование электрической и механической энергии, связанной с работой компрессора и вентиляторов, в явное тепло. В результате количество теплоты, отдаваемое на конденсаторе, превышает количество теплоты, отбираемое на испарителе. Вследствие этого наряду с осушением воздуха осуществляется его подогрев. При этом разница температур на входе и выходе из осушителя находится в пределах 35 °С.
Главным преимуществом конденсационного способа является невысокая стоимость оборудования, недостатки — повышенный шум, невысокая производительность и резкое снижение эффективности при температурах осушаемого воздуха ниже 20 °С. Последний недостаток существенно сдерживает возможность использования конденсационного метода осушения воздуха для технологических процессов АПК. Очевидно, что конденсационный метод осушения невозможно использовать в животноводстве, растениеводстве защищенного грунта, а также при хранении с.-х. продукции.
Адсорбционный метод основан на сорбционных (влагопоглощающих) свойствах некоторых веществ — сорбентов. Имея пористо-капиллярную структуру с химическим импергированием, сорбенты извлекают водяной пар из воздуха. По мере насыщения сорбента влагой эффективность осушения снижается. Поэтому сорбент нужно периодически регенерировать, т. е. удалять из него приобретен-
ную влагу. Обычно это достигается путем продувания сорбента потоком горячего воздуха.
К недостаткам рассматриваемого метода относится повышенное энергопотребление в связи с наличием безвозвратных потерь явного и скрытого тепла. При этом следует отметить, что в данном случае осуществляется нагрев относительно небольшого количества воздуха в регенерирующем плече (около 25.30 % от количества воздуха, циркулирующего в основном контуре) до значительно более высоких температур (порядка 150 °C). К недостаткам адсорбционного метода относится ограниченный срок службы сорбента, особенно при использовании солей лития, подверженных вымыванию при отклонении от номинальных технологических режимов работы. Более практичным является использование силикагеля на стекловолоконном носителе.
Для обеспечения непрерывности процесса фирмой HB Cotes A/S (Дания) была предложена оригинальная конструкция осушителя (рис. 2). В этом осушителе медленно вращающийся барабан сорбента из силикагеля непрерывно перемещает свои рабочие секторы из области продувки осушаемого воздуха в область регенерации.
Сопоставление конденсационного и адсорбционного методов осушения воздуха представлено на рис. 3.
Обращает на себя внимание, что у конденсационных осушителей с ростом температуры воздуха имеет место увеличение влагосъема на 1 кВт потребляемой энергии. У адсорбционных осушителей указанная зависимость является обратной и менее выраженной по сравнению с конденсационными осушителями. Кроме того, эффективность конден-
9
Течение процесса
Рис. 2. Принцип действия осушителей конденсационного типа:
1 — испаритель; 2 — конденсатор
сационных осушителей резко падает с уменьшением относительной влажности воздуха, в то время как у адсорбционных осушителей данная зависимость значительно слабее. В результате можно четко выделить области преимущественного использования каждого из сопоставляемых типов осушителей, что на рис. 3 показано затенением. С экономической точки зрения конденсационный метод является более эффективным по сравнению с адсорбционным при высоких значениях температуры и относительной влажности. Вместе с тем адсорбционные осушители способны поддерживать чрезвычайно низкую относительную влажность, вплоть до 2 %, при температуре до 20 °С. Адсорбционные осушители применяют на молокозаводах, в винных и пивных погребах, морозильных камерах, овощехранилищах и т. п.
Серьезной проблемой на пути к внедрению адсорбционных осушителей является снижение энергопотребления. При работе адсорбциионных осушителей внешняя энергия расходуется на осуществление четырех операций: вращение барабана, подачу осушаемого воздуха, разогрев воздуха в рециркуляционном плече и его подачу. Очевидно, что энергозатраты на вращение барабана незначительны. Подача осушаемого и рециркуляционного воздуха осуществляется посредством традиционных вентиляторов, и существенно снизить их энергопотребление мы не можем.
А вот заменить разогрев рециркуляционного воздуха на более экономичную технологическую операцию вполне возможно. По существу, речь идет все о той же сушке, но теперь объектом снижения влажности является не воздух, а твердое вещество (силикагель).
Перспективными направлениями снижения энергоемкости адсорбционной сушки может стать использование в рециркуляционном плече ультра-
15 20 25 30 35
Рис. 3. Сопоставление конденсационного и адсорбционного методов осушения воздуха
звука, ультрафиолетового излучения, сверхвысокочастотного воздействия и озонированного воздуха. Остановимся на последнем из них.
Согласно основным принципам тепло- и массо-переноса интенсивность сушки прямо пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна его сопротивлению:
р = ШR,
где Я — сопротивление процессу переноса влаги; ЛN— потенциал процесса (разность влагосодержания граничащих сред).
При протекании процесса без аккумулирования тепла или влаги сопротивление последовательных по ходу движения потоков участков равно их сумме. Сумма сопротивлений участков адсорбента складывается из внутреннего сопротивления (внутри частиц силикагеля) и внешнего, характеризующегося перемещением влаги от его поверхности. В свою очередь, при рассмотрении внешнего сопротивления на поверхности частиц силикагеля можно выделить три слоя: влажностный, тепловой и гидродинамический. Влажностный слой характеризуется максимальным парциальным давлением у поверхности силикагеля. При движении агента сушки в окрестности силикагеля у его поверхности образуется ламинарный подслой. Перенос влаги и тепла в этом слое является молекулярным, а сам подслой представляет собой существенное сопротивление внешнему процессу тепловлагопереноса. Влажностный слой обычно считают самым тонким, за ним следует тепловой слой, а затем — гидродинамический. С ростом турбулентности потока происходит увеличение доли переноса газовых частиц, и разность между толщинами различных пограничных слоев уменьшается. При малых значениях числа Рейнольдса (Яе < 10) сушильный агент симметрично обтекает частицы силикагеля. В этот момент
толщина ламинарного подслоя максимальна. При
10 < Яе < 30 симметричность нарушается, пограничный слой частично разрушается, а при Яе > 30 разрушается полностью. Известно, что озон не влияет на эффективность сушки при высокой турбулентности потока. Следовательно, процессы внешнего теп-ловлагопереноса, обусловленные изменением толщины пограничного слоя, озон не меняет.
Сопротивление внутреннему переносу определяется механизмом движения влаги от внутренних слоев частицы силикагеля к периферии. Это сопротивление зависит от текущих значений влагосо-держания Ж и температуры Т. Присутствие озона в агенте сушки приводит к существенному ускорению внутреннего влагопереноса. Известно, например, что при сушке сыпучих веществ (зерна) озонированным агентом по сравнению с неозониро-ванным коэффициент массопроводности в среднем возрастает на 15.18 % [2].
Влияние озонированного сушильного агента на интенсивность влагопереноса удобно рассматривать как зависимость отношения коэффициента диффузии к коэффициенту массопереноса от влажности Ж сушимого материала:
Ь = ^ = / (Ж).
Км-п
Для большинства сушимых сыпучих веществ эта зависимость имеет экстремум при Ж = 10.18 %. Небольшим значениям исходной влажности (Ж = 5.10 %) соответствуют относительно низкие величины Ь (1,02.1,08). Далее, с возрастанием Ж до 12.16 %, значения Ь достигают максимума (1,12.1,15), после чего вплоть до Ж = 24 % происходит уменьшение Ь до нуля. На третьем интервале изменения влажности (в начале процесса сушки) влияние озона на эффективность процесса незначительное. Это свидетельствует о том, что из пор или с поверхности вещества влага испаряется без заметного распада озона. На втором интервале влага перемещается к свободной поверхности как в жидком, так и в газообразном состоянии. И на первом интервале — в виде паровой фазы.
Традиционные методы сушки силикагеля основаны на действии градиентов влагосодержания, температуры и общего давления. Сушка с использованием озонированного воздуха сопровождается возникновением дополнительных термодинамических движущих сил. Воздействие озона аналогично влиянию неоднородного электрического поля, при котором происходит ускорение процесса движения материальных частиц. Озон ориентирует диполи молекул воды таким образом, что создает градиент, направленный наружу относительно частицы силикагеля. Это увеличивает влагоперенос в порах как за счет воздействия на молекулы пара, так и за счет
интенсификации пленочного течения и подтягивания капиллярного конденсата к поверхности.
Реализация предложенного способа может быть осуществлена различными техническими средствами, в том числе с помощью устройства с осью вращения адсорбционного барабана, параллельной направлению движения осушаемого воздух, как показано на рис. 4.
В этом устройстве адсорбционный барабан 1 выполнен в виде решетчатого кожуха 2 с размещенным внутри него силикагелем 3. С целью экономии силикагеля решетчатый кожух размещен только в переферийной части барабана. Внутренняя его область выполнена в виде металлического диска 4. Адсорбционный барабан через редуктор 5 связан с электродвигателем 6. Верхняя и нижняя части внешней области барабана являются активными. Нижняя находится в зоне подачи осушаемого воздуха, верхняя — в рециркуляционном плече. Для предотвращения обратного попадания удаленной влаги в осушаемый объект в рециркуляционном плече обязательно должен быть предусмотрен пароот-вод 7. С целью перемещения осушаемого и рециркуляционного воздуха в устройство входят вентиляторы 8 и 9. На пути следования рециркуляционного воздуха установлен электроозонатор 10, подключенный к высоковольтному источнику 11.
При работе устройства электродвигатель 6 через редуктор 5 сообщает вращающий момент ад-
9
Рис. 4. Адсорбционный осушитель с осью вращения, параллельной направлению движения осушаемого воздуха:
1 — адсорбционный барабан; 2 — решетчатый кожух;
3 — силикагель; 4 — металлический диск;
5 — редуктор; 6 — электродвигатель; 7 — пароотвод; 8 — вентилятор осушаемого воздуха; 9 — вентилятор рециркуляционного воздуха; 10 — электроозонатор; 11 — высоковольтный источник
11
сорбционному барабану 1. Барабан вращается с частотой 0,01.0,2 м-1. Поток осушаемого воздуха проходит через нижнюю область адсорбционного барабана параллельно его оси. Силикагель поглощает влагу и вместе с ней перемещается в верхнюю область. Здесь происходит подсушка силикагеля озонированным воздушным потоком и удаленная влага через пароотвод 7 выводится за пределы объекта.
Вертикальное расположение адсорбционного барабана позволяет легко менять параметры осушителя за счет варьирования толщины слоя силикагеля d.
Эффект от воздействия озона обусловлен сокращением длительности сушки на 20.25 %. Это позволяет заявить о возможности сбережения энергии
или получения дополнительного эффекта за счет снижения температуры сушки силикагеля в рециркуляционном плече. Наиболее перспективной является технология низкотемпературной сушки силикагеля озоновоздушной смесью с концентрацией озона 3.5 мг/м3 с использованием озонаторов барьерного и коронного разрядов.
Список литературы
1. Беляев, П.С. АСУ влажностно-тепловыми параметрами / П.С. Беляев, И.Ф. Бородин, Б.И. Герасимов. — М.: Рос-агропромиздат, 1988. — 224 с.
2. Эффективность применения озоновоздушных смесей в процессах сушки зерна: сборник материалов Всероссийского семинара «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» / А.В. Голубкович, Ю.Н. Вы-говский, Н.Ю. Выговская [и др.]. — М.: МГУ, 2003.
УДК 637.115.02
В.В. Кирсанов, доктор техн. наук, профессор В.Н. Кравченко, канд. техн. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ
Ведущим направлением развития пастеризационно-охладительных установок является совершенствование тонкослойных пластинчатых аппаратов с использованием новых методов энергетического воздействия на молоко.
Термоэлектрические устройства проточного типа представляют собой термоэлектрические батареи с конвективными теплообменниками на теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонах и являются, по существу, теплообменником-рекуператором. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена происходит по известным в теплопередаче зависимостям для прямо- и противоточного движения сред. Наличие тока питания в термоэлектрической батарее меняет характер переноса теплоты в термомодулях, который определяется теперь еще и эффектами Пельтье, Томсона и Джоуля. При этом характер изменения температур сред вдоль поверхностей батарей описываются иначе, чем для обычного рекуператора.
Принципиальные схемы таких элементарных аппаратов, состоящих из теплохолодильных секций, с учетом характера движения жидкостей представлены на рисунке.
Схемы можно использовать в пластинчатых теплообменных аппаратах, пастеризационно-охладительных установках или в пластинчатых охладителях. В этих секциях значительно интенсифи-
12
цируется процесс теплообмена за счет охлаждения горячей стороны модулей потоком жидкости. Значительно полнее используется тепловая энергия, вырабатываемая термомодулем + Qг). В статье подробнее будет рассмотрен расчет именно этих схем.
В соответствии с теорией теплопередачи общий тепловой поток через поверхность теплообмена определяется интегралом
г
Q = | КШ¥, (1)
о
где Г — поверхность теплообмена, м2; К — коэффициент теплопередачи, Вт/м2-°С; Лt — разность температур, °С; — элементарная площадка теплообмена.
В нашем случае для упрощения расчетных формул примем следующие допущения: поверхность одной теплообменной пластины р приблизительно равна суммарной поверхности расположенных на ней термоэлектрических модулей:
П
/пл ~ ^ /тэм,
1=1
где /пл — площадь одной теплообменной пластины, м2; /тэм — площадь, занимаемая одним термомодулем, м2; п — число термомодулей, расположенных на одной пластине.
