CC BY
8ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 664.66:621.577 https://doi.org/10.36107/spfp.2021.246
Генерация альтернативной энергии в производстве хлебобулочных изделий с применением теплового насоса
Дранников Алексей Викторович
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
Адрес: 394036, Россия, г. Воронеж, пр-т Революции, д. 19
E-mail: [email protected]
Тертычная Татьяна Николаевна
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет им. Петра I»,
Адрес: 394087, Россия, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1 E-mail: [email protected]
Шевцов Александр Анатольевич
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»,
Адрес: 394036, Россия, г. Воронеж, пр-т Революции, д. 19
E-mail: [email protected]
Засыпкин Никита Владимирович
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
Адрес: 394036, Россия, г. Воронеж, пр-т Революции, д. 19
E-mail: [email protected]
Развитие альтернативной энергетики открывает реальные перспективы в применении тепловых насосов в различных отраслях промышленности. Одновременное получение тепла и холода посредством тепловых насосов основано на использовании низкопотенциальной энергии, которая в значительных объемах сбрасывается в атмосферу. В этой связи внедрение теплонасосных технологий в производство хлебобулочных изделий позволит создать условия для экономии энергетических затрат и снизить влияние негативных факторов на экологическую безопасность. В работе обосновано энергоэффективное вовлечение двухступенчатого парокомпрессионного теплового насоса в технологическую схему, обеспечивающего повышение термодинамического совершенства сложной теплотехнологической системы. В качестве рабочих тел для первой ступени выбран фреон R600а, для второй ступени использована вода R718. Сопряжение ступеней осуществляется через конденсатор-испаритель, который для ступени низкого давления является конденсатором, а для ступени высокого давления испарителем. Установлены режимы функционирования теплового насоса для подготовки высокопотенциального и низкопотенциального теплоносителя для реализации энергоемких процессов расстойки, выпечки и охлаждения тестовых заготовок. Построены термодинамические диаграммы для фреона R600а и воды R718 наглядно отражающие рабочие циклы ступеней теплового насоса. В соответствии с методологией эксергетического анализа технология разбита на семь контрольных поверхностей, между которыми установлен обмен материальными и энергетическими потоками. По методике Бродянского В.М. выполнен эксергетический анализ, построена эксергетическая диаграмма Грассмана-Шаргута, свидетельствующие о повышении эксергетического КПД технологии получения хлебобулочных изделий с применением теплового насоса.
Ключевые слова: хлебобулочные изделия, теплонасосная технология, двухступенчатый парокомпрессионный тепловой насос, эксергетический анализ
Введение
В структуре себестоимости хлебобулочных изделий энергетические затраты составляют до 30 % и более (Ауэрман, 2005; Цыганова, 2014; Пащенко & Жаркова, 2008; Гаранина, 2018). Увеличение энергетических затрат на производство хлебобулоч-
ных изделий, связанных с непрерывным ростом цен на энергоносители ставят перед хлебопекарными предприятиями новые задачи по энергосбережению и поиску инновационных решений в снижении себестоимости выпускаемой продукции (Тенденция формирования хлебопекарного рынка России в 2010-2020 гг., 2021).
В поле зрения специалистов отрасли и ученых профильных вузов всегда остаются актуальные вопросы повышения энергоэффективности производства хлебобулочных изделий, которые в настоящее время решаются на основе принципов энергосбережения, в том числе и за счет внедрения энергосберегающих теплонасосных технологий и рециркуляционных схем на их основе (СЫЛепп, 2018а; СЫЛепп, 2018Ь).
Генерация возобновляемой энергии с использованием тепловых насосов составляет одно из основных направлений современных исследований в области развития альтернативной энергетики (Алексеенко, 2009; Горшков, 2004; СЫЛепп, 2018а; СЫЛепп, 2018Ь).
Возможности подключения тепловых насосов для генерации альтернативной энергии в тепловых и тепломассообменных процессах пищевой и химической технологии обоснованы в работах (Брити-ков & Шевцов, 2012; Остриков и др., 2020; Шевцов и др., 2018; Шевцов и др., 2019).
Многочисленные исследования показали преимущества парокомпрессионных двухступенчатых тепловых насосов (ПКТН), которые обеспечивают получение высокой температуры теплоносителей в технологическом процессе (Елистратов & На-коряков, 2007а; Елистратов & Накоряков, 2007б; Елистратов & Накоряков, 2008; Елистратов, 2009).
Цель работы - разработка теплонасосной технологии хлебобулочных изделий с использованием двухступенчатого парокомпрессионного теплового насоса (ПКТН).
Материалы и методы исследования
Методы
Предложен методологический подход к организации и формированию энергоэффективной технологий хлебобулочных изделий на основе принципов энергосбережения, основанных на рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов с возвратом
низкопотенциальной энергии в тепловые и тепло-массообменные процессы посредством теплового насоса. При разработке теплонасосной технологии хлебобулочных изделий использован балансовый метод распределения энергии в замкнутых термодинамических циклах по материальным и тепловым потокам в сочетании с комплексно-энергетическим подходом, подкрепленным методом эксергетического анализа при оценке термодинамического совершенства предлагаемой технологии.
Использование двухступенчатого ПКТН в технологии хлебобулочных изделий
На основании аннализа накопленного опыт по эффективному замещению в системах теплоснабжения невозобновляемых источников энергии на теплоту возобновляемых и вторичных энергоресурсов посредством ТН1-2-3 предложена те-плонасосная технология хлебобулочных изделий (Рисунок 1).
Особенностью технологического потока является применение хлебопекарной печи с секционной обогревающей рубашкой фирмы ThermoRol. Хлебопекарная печь ThermoRoll - это современная сквозная ленточная печь в термомасляном исполнении с программируемым управлением всех функций. В такой печи в качестве высокотемпературного теплоносителя применяется специальное масло, которое подогревается до заданной температуры и с помощью маслонасоса перекачивается к нагревательным панелям, установленных в печи. Тепловое излучение нагревательных панелей при подаче воды обеспечивает необходимые термовлажностные условия в каждой секции по длине ленты, на которой располагаются тестовые заготовки1-2-3.
В процессе выпечки осуществляется утилизация парообразующейся смеси, которая отводится из каждой секции термомасляной печи в теплообменник-рекуператор 15, охлаждается и методом отгонки разделяется на воду и этиловый спирт.
Разработан способ управления теплонасосной технологией в области допустимых технологиче-
1 Шевцов, А. А., Ткач, В. В., Тертычная, Т. Н., & Сердюкова, Н. А. (2019). Способ управления процессом переработки масличных семян в биодизельное топливо (Патент РФ 2693046). Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова. https://patents.google.com/patent/RU2693046C1/ru
2 Четверикова, И. В., Шевцов, А. А., Ткач, В. В., & Сердюкова, Н. А . (2019). Способ комплексной переработки семян сои с выделением белоксодержащих фракций (Патент РФ 2689672). Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова. https://patents.google.com/patent/RU2689672C1/ru
3 Чертов, Е. Д., Чешинский, В. Л., Магомедов, Г. О., Шевцов, А. А., Пономарева, Е. И., & Одинцова, А. В. (2017). Способ производства хлебобулочных изделий (Патент РФ 2613283). Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова. https://patenton.ru/patent/RU2689672C1
Рисунок 1. Теплонасосная технология хлебобулочных изделий
1, 6; машины тестомесильные 2, 7; дозировочные станции 3, 8; нагнетатель 4; бункер для брожения 5; корыто Рабиновича 9; тестоделитель 10; округлитель 11; расстойный шкаф 12; термомасляную поточную туннельную печь 13 с секционной обогревающей панелью и форсунками для впрыска воды; кулер конвективного охлаждения хлебобулочных изделий 14; конденсатор-рекуператор 15; теплообменный аппарат 16 с греющей рубашкой для разделения собранного конденсата методом отгонки на воду и спирт; сборник 17; двухступенчатый ПКТН, включающий компрессоры 18 и 19 соответственно первой и второй ступени, испаритель 20, конденсатор-испаритель 21, конденсатор 22, терморегулирующие вентили 23 и 24 соответственно первой и второй ступени; сборник конденсата 25; парогенератор 26; распределители потоков 27, 28; масляный насос 29; насосы 30, 31; вентиляторы 32, 33, 34; потоки: 1.1 - муки; 1.2 - закваски; 1.3 - выброженной закваски; 1.4 - замешанной закваски; 1.5 - воды; 1.51 - горячей воды; 1.52 - холодной воды; 2.0 - воздуха; 2.1 -парообразующейся смеси; 2.2 - конденсата; 2.3 -спирта; 3.0 -насыщенного пара; 3.1 -отработанной паровоздушной смеси; 3.2 - охлажденной и осушенной паровоздушной смеси; 3.3 -паровоздушной смеси; 4.0, 4.1 -хладагента первой и второй ступени теплового насоса; теплового насоса; 5.0 -термомасла.
ских свойств получаемых хлебобулочных изделий. В соответствии с программно-логическим алгоритмом сигналы отклонения текущих значений технологических параметров от заданных значений используются для оперативного управления технологией в целом4.
Регулирование технологических параметров в процессах расстойки, выпечки и охлаждения (Таблица 1) осуществляется в интервале заданных значений в соответствии с технологическими инструкциями5.
Для подготовки теплоносителей в замкнутых термодинамических циклах используется масло в
качестве промежуточного теплоносителя для получения насыщенного пара в парогенераторе 26 и в качестве основного высокопотенциального энергоносителя, подаваемого в секционную обогревающую панель термомасляной печи 13.
Эксергетический анализ технологии хлебобулочных изделий
Эксергетический анализ выполнялся для линии производства хлебобулочных изделий производительностью 0,8-1,2 т/ч. Линия включала циклон-разгрузитель, машины тестомесильные А2-ХТТ для замеса закваски и теста; дозировочную станцию СДМ-4М; лопастной нагнетатель;
Шевцов, А. А., Тертычная, Т. Н., Куликов, С. С., Дранников, А. В., & Засыпкин, Н. В. (2020). Способ управления технологией получения хлебобулочных изделий (Патент РФ 2758516). Воронежский государственный университет инженерных технологий. https://yandex.ru/patents/doc/RU2758516С 1_20211029
Сборник технологических инструкций для производства хлеба и хлебобулочных изделий. (1989). М.: Прескурантиздат.
4
Таблица 1
Заданные значения регулируемых параметров
Наименование хлеба
Параметры дарницкий подовый украинский новый подовый
Температура, оС:
в расстойном шкафу 38 ± 0,5 39 ± 0,5
в первой зоне выпечки 110 ± 0,5 118 ± 0,5
во второй зоне выпечки 180 ± 0,5 187 ± 0,5
в третьей зоне выпечки 230 ± 0,5 238 ± 0,5
в четвертой зоне выпечки 150 ± 0,5 170 ± 0,5
в кулере конвектив- 15 ± 0,5 16 ± 0,5
ного охлаждения
термомасла после конденсатора 260 ± 0,5 280 ± 0,5
Относительная влажность паровоздушной смеси, %:
в расстойном шкафу 77,0 ± 2,5 78,0 ± 2,5
в первой зоне выпечки 77,5 ± 2,5 78,5 ± 2,5
во второй зоне выпечки 77,5 ± 2,5 78,5 ± 2,5
в третьей зоне выпечки 77,5 ± 2,5 78,5 ± 2,5
в четвертой зоне выпечки 77,5 ± 2,5 78,5 ± 2,5
в кулере конвектив- 60,5 ± 2,5 65,5 ± 2,5
ного охлаждения
температур обеспечивалось в многоступенчатом центробежном компрессоре типа Руте (^атоип et а1., 2012).
Методика расчета эксргетических потерь
Расчет эксергии каждого материального и энергетического потока осуществлялся по методике6 Бро-дянского (Бродянский и др., 1988), в соответствии с моделью окружающей среды Шаргута (Шаргут & Петела, 1968) по схеме обмена потоками между контрольными поверхностями (Рисунок 3).
Технологическая система условно отделена от окружающей среды замкнутыми контрольными поверхностями: I - подготовки жидкой закваски, II - подготовки теста, III - расстойки тестовых заготовок, IV - выпечки и охлаждения тестовых заготовок; V - получения пара в парогенераторе; VI - подготовки термомасла в двухступенчатом каскадном парокомпрессионном тепловом насосе; VII - конденсации парообразующейся смеси в процессе выпечки и ее разделение методом отгонки на воду и спирт (Рисунок 1).
Таблица 2
Параметры двухступенчатого парокомпрессионно-
бункер для брожения закваски И8-ХТА-12/2; дозатор закваски И8-ХТА-12/4; дозировочную станцию СДМ5; емкость для брожения теста И8-Х-ТА-12/6; тестоделитель «Кузбасс-68-2М»; ленточный округлитель; шкаф окончательной расстойки Т1-ХРЗ-120; термомасляную поточную четырех-секционную туннельную печь фирмы ThermoRo1; кулер для конвективного охлаждения хлебобулочных изделий КВЛ-1.
Энергоэффективные режимы технологических операций в области допустимых свойств получаемой хлебной продукции осуществлялись с помощью двухступенчатого парокомпрессионного теплового насоса (Таблица 2).
Термодинамические циклы ступеней ПКТН обеспечивали реализацию заданных термовлажност-ных режимов процессов расстойки, выпечки и охлаждения тестовых заготовок (Рисунок 2).
Использование воды как наилучшего хладагента для второй ступени ПКТН имеет существенные преимущества. Сжатие водяных паров до высоких
го теплового насоса
Рабочее тело первой ступени (хладагент)
Фреон R600а
Температурой кипения в испа- минус 12 рителе первой ступени, оС
Коэффициент теплопереда- 5,8-8,0 чи в испарителе, кВт/(м2 Ч
Температура конденсации в кон- 110 - 120 денсаторе-испарителе, оС
Коэффициент теплопереда- 2,2-3,5 чи в конденсаторе, кВт/(м2Ч
Компрессор первой ступени ФВБС6
Мощность электродвигателя ком- 4,2-4.5 прессора первой ступени, кВт
Рабочее тело второй ступени (хладагент) R718 (вода)
Температура кипения в кон- 100 денсаторе-испарителе, оС
Температура конденсации в кон- 260-280 денсаторе второй ступени, оС
Компрессор второй ступени Cross Air
Мощность злектродвигателя ком- 7,5-8,2 прессора второй ступени, кВт
6 Бродянский, В. М., Верхивкер, Г. П., Дубовской, С. В., Карчев, Я. Я., Лейтес, И. Л., Максимова, Т. В., Никитин, Д. Г., Нестеров, Б. П., Оносовский, В. В., Прохоров, В. И., Шилкопер, С. М., Сорин, М. В., Щеголев, Г. М., Хлебалин, Ю. М., Попов, А. И., & Янтов-ский, Я. И. (1991). Эксергетические расчеты технических систем. Справочное пособие. Киев: Наукова Думка.
Рисунок 2. Термодинамические циклы в диаграмме ^Р- I: а - первой ступени теплового насоса ^600а); б - второй ступени ^718); Р - давление, кПа; I - энтальпия, кДж/кг
В качестве абсолютного эксергетического параметра, используемого в расчетах, выбрана экс-ергетическая мощность Ре, кДж/ч, учитывающая энергию материальных и тепловых потоков. Изменение эксергии по каждой контрольной поверхности технологической системы, состоящей из классических необратимых процессов с течением времени, определялась по формуле7.
(1)
где - суммарная эксергия вводимых в
контрольную поверхность материальных и энергетических потоков; - суммарная экс-ергия выводимых из контрольной поверхности полезных материальных и энергетических потоков; ^у.ц-Оу =Т0 - суммарные эксергетические
потери (уравнение Гюи-Стодолы); г = (1;п) - количество вводимых материальных и энергетических потоков; к = (1;/) - количество выходящих полезных потоков; ) = (1;т) - количество эксергетиче-ских потерь.
Распределение потоков и их обозначение (Таблица 3) легли в основу расчета эксергетического КПД и построения эксергетической диаграммы Грасс-мана-Шаргута.
Соотношение (1) для рассматриваемой технологической линии представлено в следующем виде:
7 Там же.
Е1 + Е2 + 2Еэп = Е3 + Е4 + Е5 + Ш + (2)
где слагаемые этого уравнения - эксергетическая мощность (кДж/ч): исходной муки Е1, компонентов Е2, суммарная эксергия, вводимая в систему с электроэнергией для работы приводов машин ; эк-сергетическая мощность, выводимая из системы с готовыми хлебобулочными изделиями Е3, с водой Е4, и воздухом пневмотранспорта Е5; сумма потерь эксергии в результате необратимости процессов, происходящих внутри контрольной поверхности 20; сумма потерь эксергии во внешнюю среду
Уравнение (2) отражает изменение эксергии те-плотехнологической системы за счет ввода паровоздушной смеси в расстойный шкаф и кулер конвективного охлаждения готовых хлебобулочных изделий, подвода электроэнергии к приводам насосов, вентиляторов и компрессоров двухступенчатого парокомпрессионного теплового насоса; покрытия потерь, возникающих вследствие необратимости процессов получения закваски, муки, расстойки, выпечки, рекуперативного теплообмена при конденсации парообразующейся смеси, ее разделение методом отгонки на воду и другие компоненты, в том числе этиловый спирт; изменения теплофизических свойств промежуточных продуктов; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды.
Эксергия вводимых в систему внешних матери-
гн
альных потоков: исходной муки и компонентов Е х
Таблица 3
Эксергия энергетических и материальных потоков
№ Наименование потока Е, кДж/ч
потоков_
1 Мука 0
2 Замешанная закваска 0
3 Горячая вода 8496
4 Электроэнергия привода тестомесильной машины для замеса опары 19800
5 Электроэнергия привода дозатора дозировочной станции 5400
6 Электроэнергия привода мешалки бункера для брожения закваски 10800
7 Электроэнергия привода нагнетателя опары 7200
8 Электроэнергия привода вентилятора подачи воздуха в циклон-разгрузитель 10800
9 Выброженная закваска 52568
10 Воздух пневмотранспорта из циклона-разгрузителя 0
11 Мука 0
12 Холодная вода 0
13 Воздух пневмотранспорта в циклон -разгрузитель 0
14 Электроэнергия привода тестомесильной машины для замеса теста 14400
15 Электроэнергия привода дозатора закваски 5400
16 Электроэнергия привода лопастного нагнетателя теста 5400
17 Электроэнергия привода тестоделителя 10800
18 Электроэнергия привода ленточного округлителя 39600
19 Электроэнергия привода посадчика заготовок в люльки расстойного шкафа 5400
20 Замешанное тесто 89280
21 Тестовые заготовки после округлителя 17856
22 Воздух после циклона-разгрузителя 0
23 Пар на подготовку паровоздушной смеси в расстойный шкаф 33457
24 Воздух на получение паровоздушной смеси 0
25 Паровоздушная смесь в расстойный шкаф 31248
26 Электроэнергия привода конвейера расстойного шкафа 5400
27 Электроэнергия привода нагнетающего вентилятора 10800
28 Тестовые заготовки после расстойки 62496
29 Отработанная паровоздушная смесь 6570
30 Термомасло в термомасляную поточную туннельную печь 267840
31 Вода на увлажнение тестовых заготовок при выпечке 0
32 Электроэнергия привода конвейера термомасляной поточной туннельной печи 19800
33 Термомасло из термомасляной поточной туннельной печи 124992
34 Парообразующаяся смесь в процессе выпечки 535568
35 Готовые хлебопекарные изделия 17556
36 Термомасло в змеевик парогенератора 132774
37 Конденсат в парогенератор 52570
38 Термомасло из змеевика парогенератора 124992
39 Термомасло в термомасляную печь 267840
40 Электроэнерги я привода компрессора первой ступени 16200
41 Электроэнерги я привода компрессора второй ступени 29520
42 Электроэнерги я привода маслонасоса 23400
43 Электроэнергия вентилятора рециркуляции охлаждаемой паровоздушной смеси 5400
44 Пар на подготовку паровоздушной смеси в аппарат для отгонки спирта 58420
45 Воздух на получение паровоздушной смеси 0
46 Паровоздушная смесь на отгонку спирта 53568
47 Электроэнергия привода вентилятора отвода парообразующей смеси 5400
48 Холодная вода на конденсацию парообразующей смеси 0
49 Отработанная вода 350
50 Вода после отгонки паров избыточного спирта из парообразующей смеси 520
51 Отработанная паровоздушная смесь 26784
Рисунок 3. Схема обмена потоками между контрольными поверхностями
гн
транспортирующего воздуха Е ь находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключалась из баланса.
Эксергия вещества в потоке, как правило, зависит от вида энергетических взаимодействий с окружающей средой и характеризуется температурой, давлением и химическим потенциалом8.
Термической составляющей эксергии обладали потоки, имеющие температуру выше принятой для окружающей среды (293,13 К). Удельную термическую эксергию вычисляли по уравнению Гюи-Стодоллы:
е{ = е - в0 = И - Н0 - Т0 (Б - S0)
деляли, рассматривая её как бинарную смесь, состоящую из 1 кг воздуха и х кг водяных паров:
=св(Т-Т0)-Т0св1п^-Шп Р +
Р-*оР.(То)
(4)
+х{к-к0п)-Т0{Бп-Б°п),
(3)
где е, е0, И, И0, Б, Б0, Т, Т0 - удельная термическая эксергия, кДж/кг, удельная энтальпия, кДж/кг, энтропия, кДж/(кг-К) и температура (К) продукта при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой.
Эксергию паровоздушной смеси, участвующей в процессах расстойки тестовых заготовок и охлаждения готовых хлебобулочных изделий, опре-
где с~в - средняя удельная изобарная теплоемкость паровоздушной смеси между его текущим состоянием в потоке и состоянием равновесия с окружающей средой, кДж/(кг-К); р, ро, ф, фо - полное давление, Па, и относительная влажность воздуха, в потоке и в окружающей среде; р5(Т), Р5(Т0) -давление насыщенного водяного пара при температуре потока и окружающей среды, Па; Ип, И п, Бп, Бп - энтальпия и энтропия паровоздушной смеси при параметрах потока и окружающей среды, кДж/ кг и кДж/(кг-К). Данные по теплофизическим свойствам воздуха, воды, сырья и продукта различной влажности и температуры9,10 взяты из справочной литературы (Вукалович, 1967; Богословский, 2001).
Механическая составляющая эксергии характеризовалась различием в давлении потока веществ и окружающей среды:
= Ж7^
>1
(5)
8 Там же.
9 Чубик, И. А., & Маслов, А. М. (1970). Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Пищевая промышленность.
10 Миснар, А. (1968). Справочник. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир.
где Л - универсальная газовая постоянная, кДж/ (моль-К); М - молярная масса газа, кг/моль; К; Р, Р0 - давление газа в рассматриваемом потоке и в состоянии равновесия с окружающей средой, кПа.
Химическая эксергия обусловлена тем, что получаемая закваска и тесто имеют концентрацию, отличающуюся от концентрации распределяемых в окружающей среде компонентов. Расчет химической эксергии соединений при получении закваски и теста определялся реакциями образования соединения из более простых веществ. Для этой реакции находится энергия Гиббса, которая суммируется с энергией компонентов реакции, значение которой, как правило, известно по термодинамическим справочникам. В общем случае химическая (концентрационная) эксергия каждого из потоков продуктов разделения заданного состава, извлекаемых из исходной смеси, определялась по той же формуле, что и термомеханическая эксергия потока. Отличие заключалось в том, что общая величина эксергии определялась алгебраической суммой идеальных работ изменения концентрации каждого компонента сме-си11.
В расчетах учтено влияние на систему внутренних Б{ и внешних Бе эксергетических потерь. Первые связаны с необратимостью любых реальных процессов, а вторые - с условиями взаимодействия системы с окружающей средой. В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входили потери от конечной разности температур в результате рекуперативного теплообмена между потоками; электромеханические для работы приводов машин; потери возникающие при необратимом изменении свойств промежуточных продуктов; гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема паровоздушной смеси, а также внезапным снижением напора термомасла при поступлении во внутреннюю полость оборудования.
Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле:
Вто = дто • Те, (9)
где Ото - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; те- среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.
Молярная химическая эксергия вещества вычислялась по формуле:
8, = Д^ + • Е1, (6)
где - энергия Гиббса образования вещества; Л1 - коэффициенты в уравнении реакции, 8; - молярная эксергии исходных веществ, кДж/моль.
Теплоемкость смеси муки и компонентов определяли методом нестационарного теплового режима (Волькенштейн, 1971) по формуле:
Ср(р,Т) = ср(Т)^^, (7)
т т - т0
где ср (р,Т), с "р(Т) - изобарная теплоемкость исследуемого образца при давлении р и температуре Т и эталонного образца при соответствующем давлении р0 и температуре Т, кДж/кг-К; т и т" -массы образца и эталонного вещества, кг; т и т" - время запаздывания измерительных термопар соответственно для исследуемого и эталонного образцов, с; т0 - время запаздывания измерительных термопар пустой измерительной ячейки, с.
Фактор Карно или эксергетическая температурная функция (Бродянский, Фратшер, & Михалек, 1988) равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды:
Те = (Ткп - То)/ТкП (9)
где Ткп - температура теплоносителя внутри контрольной поверхности, К.
Эксергетические потери вследствие падения давления паровоздушной смеси при их подаче в контрольную поверхность определяли по формуле:
Вг = я • ДИг • Ткп/Твх , (10)
где Твх - температура, К, газа (пара) на входе в контрольную поверхность; ДИг - гидравлические потери, м; я — ускорение силы тяжести, м/с2.
По формуле Дарси-Вейсбаха найдены гидравлические потери при входе паровоздушной смеси в контрольную поверхность:
Л (11)
11 Бродянский, В. М., Верхивкер, Г. П., Дубовской, С. В., Карчев, Я. Я., Лейтес, И. Л., Максимова, Т. В., Никитин, Д. Г., Нестеров, Б. П., Оносовский, В. В., Прохоров, В. И., Шилкопер, С. М., Сорин, М. В., Щеголев, Г. М., Хлебалин, Ю. М., Попов, А. И., & Янтовский, Я. И. (1991). Эксергетические расчеты технических систем. Справочное пособие. Киев: Наукова Думка.
где V,,,, - средняя скорость паровоздушной смеси по сечению подводящего трубопровода, м/с;
- коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению входного отверстия.
Внешние потери De связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Эти потери обусловлены отличием определяющих потенциалов (температуры, давления, химического потенциала) внутри рассматриваемой системы от равновесных с окружающей средой значений.
Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции, найдены по формуле:
Г = Оиз • те, (12)
где Оиз - суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; те -фактор Карно.
Эксергия каждого материального и энергетического потока, а также внутренние и внешние экс-ергетические потери составили эксергетический баланс теплотехнологической системы получения хлебобулочных изделий (Таблица 3).
Таблица 3
Внутренние и внешние эксергетические потери контрольных поверхностей
Кон- Эксергетическая мощность, кДж/ч
троль- Наименование Потери, КПД,
ная
поверхность контрольной поверхности Воспри- Пере- Потери % %
нятая данная Обозначение кДж/ч
I Подготовка жидкой закваски (тестомесильная машина, дозировочная станция, бункер для брожения, лопастной нагнетатель, циклон разгрузитель) 62496 9989 28192 24315 3,49 3,05 15,98
II Подготовка теста (тестомесильная машина, дозировочная станция, дозатор закваски; емкость для брожения; те-стоделитель; округлитель, лопастной нагнетатель, циклон-разгрузитель) 89280 17856 Гп ге„ 36425 34999 4,52 4,34 20,00
III Расстойка тестовых заготовок (расстойный шкаф) 107136 13884 Гш Геш 47760 45492 5,92 5,64 12,96
IV Выпечка и охлаждение тестовых заготовок (термомасляная хлебопекарная печь, кулер для охлаждения готовых изделий) 267840 37847 ге„ 134507 95486 16,68 11,84 14,13
V Получение пара в парогенераторе (парогенератор) 98208 15783 Г\ Г\ 47213 35212 5,85 4,34 16,07
VI Подготовка термомасла в двухступенчатом парокомпрессионном тепловом насосе (испаритель, конденсатор-испаритель, конденсатор, компрессоры ТРВ, маслонасос, насосы) 249984 51027 109479 89478 13,57 11,09 20,41
VII Конденсация парообразующейся смеси в процессе выпечки и ее разделение методом отгонки на воду и спирт (рекуперативный теплообменник, устройство для отгонки спирта из парообразующей смеси) 89280 11287 Ге и IV 41515 36478 5,15 4,52 12,64
Итого 964224 157673 Бф' + De) 806551 100 16,35
Результаты и их обсуждение
Оценку термодинамического совершенства тепло-технологической системы получения хлебобулочных изделий проводили по эксергетическому КПД:
(13)
к=\ 1=1
I
где ^Е" - суммарная эксергетическая мощность
к=1 п
полезных потоков, кДж/ч; ^Е(3 - суммарная за-
¿=1
траченная эксергетическая мощность, кДж/ч.
Эксергетический КПД предлагаемой теплонасо-сной технологии составил 16,35 %. Двухступенчатый ПКТН обеспечил реализацию резервов энергоэффективности и вернул значительную часть бросовой энергии в технологическую систему.
Эксергетическая диаграмма Грассмана-Шаргу-та (Рисунок 4) иллюстрирует возврат в систему вторичного низкопотенциального тепла, за счет чего существенно снижется расход энергии на единицу массы готовой хлебопекарной продукции.
51
Рисунок 4. Эксергетическая диаграмма Грассмана-Шаргута
Выводы
Использование двухступенчатого ПКТН позволило повысить степень термодинамического совершенства технологии хлебобулочных изделий. Генерация альтернативной энергии за чет утилизации и рекуперации теплоты низкопотенциальных источников в замкнутых термодинамических циклах позволила вернуть в систему часть энергии отработанных теплоносителей и снизить
удельные энергозатраты на 25-30 % и как следствие снизить себестоимость хлебобулочных изделий.
Литература
Алексеенко, С. В. (2009). Исследования и разработки Сибирского отделения РАН в области энергоэффективных технологий. Новосибирск: Наука.
Ауэрман, Л. Я. (2005). Технология хлебопекарного производства. М.: Профессия.
Богданова, О. В., Алексеева, Л. В., & Петрова, А. А. (2019). Современное состояние и тенденции развития Российского рынка хлеба и хлебобулочных изделий. Вестник Тверского государственного университета, 2, 167-174.
Богословский, С. В. (2001). Физические свойства газов и жидкостей. СПб.: СПбГУАП.
Бритиков, Д. А., & Шевцов, А. А. (2012). Энергосбережение в процессах сушки зерновых культур с использованием теплонасосных технологий: Монография. М.: ДеЛи плюс.
Бродянский, В. М., Фратшер, В., & Михалек, К. (1988). Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат.
Волькенштейн, В. С. (1971). Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.: Энергия.
Вукалович, М. П. (1967). Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение.
Гаранина, В. В. (2018). Основные тенденции развития хлебопекарной отрасли в современных условиях. Молодой ученый, 50, 122-123.
Горшков, В. Г. (2004). Тепловые насосы. Аналитический обзор. Справочник промышленного оборудования, 2, 47-80.
Долинский, А. А., Драганов, Б. Х., & Морозюк, Т. В. (2007). Альтернативное теплоснабжение на базе тепловых насосов: критерии оценки. Промышленная теплотехника, 6, 67-71.
Елистратов, С. Л. (2009). Оценка границ технико-экономической эффективности применения тепловых насосов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Энергетика, 15, 72-78.
Елистратов, С. Л., & Накоряков, В. Е. (2007а). Передовые схемные решения теплонасосных установок. Известия Вузов. Проблемы энергетики, 11-12, 64-75.
Елистратов, С. Л., & Накоряков, В. Е. (2007б). Экологические аспекты применения пароком-прессионных тепловых насосов. Известия РАН. Энергетика, 4, 76-83.
Елистратов, С. Л., & Накоряков, В. Е. (2008). Энергетическая эффективность комбинированных отопительных установок на базе тепловых насосов с электроприводом. Промышленная энергетика, 3, 28-33.
Закиров, Д. Г., Мухамедшин, М. А., Николаев, А. В., Файзрахманов, Р. А., & Рюмкин, А. А. (2018). Разработка и внедрение технологий использования низкопотенциального тепла тепловыми насосами. Технологии и технические средства механизированного производства продукции рас-
тениеводства и животноводства, 94, 85-90. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10012 Зверев, В. Г., Назаренко, В. А., & Теплоухов, А. В. (2010). Идентификация теплофизических характеристик материалов. Инженерно-физический журнал, 3, 614-621. Остриков, А. Н., Шевцов, А. А., Тертычная, Т. Н., & Сердюкова, Н. А. (2020). Технология получения гранул из шрота семян рапса с использованием двухступенчатого каскадного паро-компрессионного теплового насоса. Хранение и переработка сельхозсырья, 4, 22-30. https://doi. org/10.36107/spfp.2020.390 Пащенко, Л. П., & Жаркова, И. М. (2008). Технология
хлебобулочных изделий. М.: КолосС. Тенденция формирования хлебопекарного рынка России в 2010-2020 гг. (2021). Хлебопродукты, 1, 16-17.
Цыганова, Т. Б. (2014). Технология и организация производства хлебобулочных изделий. М.: Академия. Шаргут, Я., & Петела, В. (1968). Эксергия. М.: Энергия. Шахрай, Т. А., Воробьева, О. В., & Викторова, Е. П. (2021). Основные тенденции развития рынка функциональных хлебобулочных изделий. Новые технологии, 17(3), 51-58. https://doi. org/10.47370/2072-0920-2021-17-3-51-58 Шевцов, А. А., Бунин, Е. С., Ткач, В. В., Сердю-кова, Н. А., & Фофонов, Д. И. (2018). Эффективное внедрение парокомпрессионного теплового насоса в линию комплексной переработки семян масличных культур. Хранение и переработка сельхозсырья, 1, 60-64. Шевцов, А. А., Тертычная, Т. Н., Ткач, В. В., & Сердюкова, Н. А. (2019). Энергосберегающая технология выделения белоксодержащих фракций из масличных семян с применением пароэжекторного теплового насоса. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2, 35-40. https://doi. org/10.20914/2310-1202-2019-2-35-40 Chamoun, M., Rulliere, R., Haberschill, P, & Berail, J. F. (2012). Вода как хладагент для нового высокотемпературного теплового насоса. Холодильная техника, 12, 30-35. Chicherin, S. (2018a). Low-temperature district heating distributed from transmission-distribution junctions to users: Energy and environmental modeling. Energy Procedia, 147, 382-389. https://doi. org/10.1016/j.egypro.2018.07.107 Chicherin, S. V. (2018b). ^mparison of a district heating system operation based on actual data -Omsk city, Russia, case study. International Journal of Sustainable Energy, 38(6), 603-614. https://doi.or g/10.1080/14786451.2018.1548466
Generation of Alternative Energy in Production Bakery Products with the use of Heat Pump
Aleksey B. Drannikov,
Voronezh State University of Engineering Technologies, 19, Revolution Avenue, Russia, Voronezh, 394036, Russian Federation
E-mail: [email protected]
Tatiana N. Tertychnaya,
Voronezh State Agrarian University named after Peter I", 19, Revolution Avenue, Russia, Voronezh, 394036, Russian Federation
E-mail: [email protected]
Aleksander A. Shevtsov,
Voronezh State University of Engineering Technologies, 19, Revolution Avenue, Russia, Voronezh, 394036, Russian Federation
E-mail: [email protected]
Nikita V. Zasypkin,
Voronezh State University of Engineering Technologies, 19, Revolution Avenue, Russia, Voronezh, 394036, Russian Federation
E-mail: [email protected]
The development of alternative energy opens up real prospects for the use of heat pumps in various industries. The simultaneous production of heat and cold by means of heat pumps is based on the use of low-potential energy, which is discharged into the atmosphere in significant volumes. In this regard, the introduction of heat pump technologies in the production of bakery products will create conditions for saving energy costs and reduce the impact of negative factors on environmental safety. The paper substantiates the energy-efficient involvement of a two-stage vapor compression heat pump in the technological scheme, which ensures an increase in the thermodynamic perfection of a complex heat technology system. Freon R600a was selected as working fluids for the first stage, R718 water was used for the second stage. The stages are connected via a condenser-evaporator, which is a condenser for the low-pressure stage and an evaporator for the high-pressure stage. The modes of operation of the heat pump for the preparation of high-potential and low-potential heat carrier for the implementation of energy-intensive processes of proofing, baking and cooling of dough pieces have been established. Thermodynamic diagrams for R600a freon and R718 water are built, which clearly reflect the operating cycles of the heat pump stages. In accordance with the methodology of exergy analysis, the technology is divided into seven control surfaces, between which the exchange of material and energy flows is established. According to the method of V.M. Brodyansky. an exergy analysis was carried out, an exergy diagram of Grassmann- Shargut was constructed, indicating an increase in the exergy efficiency of the technology for obtaining bakery products using a heat pump.
Keywords: bakery products, heat pump technology, two-stage steam compression heat pump, energetic analysis.
References
Alekseenko, S. V. (2009). Issledovaniya i razrabot-ki Sibirskogo otdeleniya RAN v oblasti energoef-fektivnykh tekhnologii [Research and development of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences in the field of energy efficient technologies]. Novosibirsk: Nauka.
Auerman, L. Ya. (2005). Tekhnologiya khlebopekar-nogo proizvodstva [Technology of bakery production]. Moscow: Professiya. Bogdanova, O. V., Alekseeva, L. V., & Petrova, A. A. (2019). Sovremennoe sostoyanie i tendentsii razvitiya Rossiiskogo rynka khleba i khlebobu-lochnykh izdelii [Current state and development trends of the Russian market of bread and bak-
ery products]. Vestnik Tverskogo go-sudarstvenno-go universiteta [Bulletin of Tver State University], 2, 167-174.
Bogoslovskii, S. V. (2001). Fizicheskie svoistva gazov i zhidkostei [Physical properties of gases and liquids]. S-Petersburg: SPbGUAP.
Britikov, D. A., & Shevtsov, A. A. (2012). Energo-sberezhenie v protsessakh sushki zernovykh kul'tur s ispol'zovaniem teplonasosnykh tekhnologii: Mono-grafiya [Energy saving in the processes of drying grain crops using heat pump technologies: Monograph]. Moscow: DeLi plyus.
Brodyanskii, V. M., Fratsher, V., & Mikhalek, K. (1988). Eksergeticheskii metod i ego prilozheniya [The exergy method and its applications]. Moscow: Energoatomizdat.
Dolinskii, A. A., Draganov, B. Kh., & Morozyuk, T. V. (2007). Al'ternativnoe teplosnabzhenie na baze teplovykh nasosov: kriterii otsenki [Alternative heat supply based on heat pumps: evaluation criteria]. Promyshlennaya teplotekhnika [Industrial Heat Engineering], 6, 67-71.
Elistratov, S. L. (2009). Otsenka granits tekhniko-eko-nomicheskoi effektivnosti primeneniya teplo-vykh nasosov [Assessment of the boundaries of the technical and economic efficiency of the use of heat pumps]. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Energetika [Bulletin of the South Ural State University. Energy], 15, 72-78.
Elistratov, S. L., & Nakoryakov, V. E. (2007a). Ekolo-gicheskie aspekty primeneniya parokom-pression-nykh teplovykh nasosov [Environmental aspects of the use of vapor compression heat pumps]. Izvestiya RAN. Energetika [Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Energy], 4, 76-83.
Elistratov, S. L., & Nakoryakov, V. E. (2007b). Pere-dovye skhemnye resheniya teplonasosnykh usta-novok [Advanced circuit solutions for heat pump installations]. Izvestiya Vuzov. Problemy energetiki [Izvestiya Universities. Energy Issues], 11-12, 64-75.
Elistratov, S. L., & Nakoryakov, V. E. (2008). Energe-ticheskaya effektivnost' kombiniro-vannykh oto-pitel'nykh ustanovok na baze teplovykh nasosov s elektroprivodom [Energy efficiency of combined heating systems based on electrically driven heat pumps]. Promyshlennaya energetika [Industrial Energy], 3, 28-33.
Garanina, V. V. (2018). Osnovnye tendentsii razvitiya khlebopekarnoi otrasli v sovremennykh usloviyakh [The main trends in the development of the baking industry in modern conditions]. Molodoi uchenyi [YoungScientist], 50, 122-123.
Gorshkov, V. G. (2004). Teplovye nasosy. Analiticheskii obzor [Heat pumps. Analytical review]. Spravochnik promyshlennogo oborudovaniya [Directory of Industrial Equipment], 2, 47-80.
Ostrikov, A. N., Shevtsov, A. A., Tertychnaya, T. N., & Serdyukova, N. A. (2020). Tekhnologiya polucheni-ya granul iz shrota semyan rapsa s ispol'zovaniem dvukhstupenchatogo kaskadnogo paro-kompres-sionnogo teplovogo nasosa [Technology for obtaining granules from rapeseed meal using a two-stage cascade vapor-compression heat pump]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and processing of Farm Products], 4, 22-30. https://doi. org/10.36107/spfp.2020.390 Pashchenko, L. P., & Zharkova, I. M. (2008). Tekhnologiya khlebobulochnykh izdelii [Technology of bakery products]. Moscow: KolosS. Shakhrai, T. A., Vorob'eva, O. V., & Viktorova, E. P. (2021). Osnovnye tendentsii razvitiya ryn-ka funktsional'nykh khlebobulochnykh izdelii [The main trends in the development of the market of functional bakery products]. Novye tekhnologii [New Technologies], 17(3), 51-58. https://doi. org/10.47370/2072-0920-2021-17-3-51-58 Shargut, Ya., & Petela, V. (1968). Eksergiya [Exergy].
Moscow: Energiya. Shevtsov, A. A., Bunin, E. S., Tkach, V. V., Serdyukova, N. A., & Fofonov, D. I. (2018). Effektivnoe vnedrenie parokompressionnogo teplovogo na-sosa v liniyu kompleksnoi pererabotki semyan maslichnykh kul'tur [Efficient implementation of a vapor compression heat pump in the line of complex processing of oilseeds]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and processing of Farm Products], 1, 60-64. Shevtsov, A. A., Tertychnaya, T. N., Tkach, V. V., & Serdyukova, N. A. (2019). Energosberegayushchaya tekhnologiya vydeleniya beloksoderzhashchikh fraktsii iz maslichnykh semyan s primeneniem paroezhektornogo teplovogo nasosa [Energy-saving technology for the extraction of protein-containing fractions from oilseeds using a steam jet heat pump]. Vestnik Voronezhskogo go-sudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekh-nologii [Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2, 35-40. https://doi. org/10.20914/2310-1202-2019-2-35-40 Tendentsiya formirovaniya khlebopekarnogo rynka Rossii v 2010-2020 gg [The trend in the formation of the Russian bakery market in 2010-2020]. (2021). Khleboprodukty [Bakery Products], 1, 16-17. Tsyganova, T. B. (2014). Tekhnologiya i organizatsiya proizvodstva khlebobulochnykh izdelii [Technology and organization of production of bakery products]. Moscow: Akademiya. Vol'kenshtein, B. C. (1971). Skorostnoi metod opre-deleniya teplofizicheskikh kharakteristik materia-lov [High-speed method for determining the ther-mophysical characteristics of materials]. Leningrad: Energiya.
Vukalovich, M. P. (1967). Teplofizicheskie svoistva vody i vodyanogo para [Thermophysical properties of water and steam]. Moscow: Mashinostroenie.
Zakirov, D. G., Mukhamedshin, M. A., Nikola-ev, A. V., Faizrakhmanov, R. A., & Ryumkin, A. A. (2018). Razrabotka i vnedrenie tekhnologii is-pol'zovaniya nizkopotentsial'nogo tepla teplo-vymi nasosami [Development and implementation of technologies for the use of low-grade heat by heat pumps]. Tekhnologii i tekhnich-eskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodst-va produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva [Technologies and Technical Means of Mechanized Production of Crop And Livestock Products], 94, 85-90. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10012
Zverev, V. G., Nazarenko, V. A., & Teploukhov, A. V. (2010). Identifikatsiya teplofizicheskikh kharak-teristik materialov [Identification of thermo-
physical characteristics of materials]. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal [Engineering Physics Journal], 3, 614-621.
Chamoun, M., Rulliere, R., Haberschill, P, & Berail, J. F. (2012). Voda kak khladagent dlya no-vogo vysokotemperaturnogo teplovogo naso-sa [Water as refrigerant for new high temperature heat pump]. Kholodil'naya tekhnika [Refrigeration Technology], 12, 30-35.
Chicherin, S. (2018a). Low-temperature district heating distributed from transmission-distribution junctions to users: Energy and environmental modeling. Energy Procedia, 147, 382-389. https:// doi.org/10.1016/j.egypro.2018.07.107
Chicherin, S. V. (2018b). Comparison of a district heating system operation based on actual data -Omsk city, Russia, case study. International Journal of Sustainable Energy, 38(6), 603-614. https://doi.or g/10.1080/14786451.2018.1548466
