CC BY
69
УДК 637.133:621.58
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА ПРИ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА
Д.К. Ларкин, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
В.К. Скоркин, доктор с.-х. наук, зав. лабораторией
В.П. Аксенова, инженер-исследователь
О.Л. Андрюхина, инженер-исследователь
ФГБНУ Всероссийский НИИ механизации животноводства
Е-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Показана возможность применения теплонасосной установки (ТНУ) на диоксиде углерода для процессов термической обработки молока с обеспечением высокой энергетической эффективности. Отмечены термодинамические преимущества циклов ТНУ на диоксиде углерода, позволяющие получать достаточно высокие температуры нагреваемого теплоносителя. Приведены схемы традиционной термообработки молока и с применением теплонасосной установки. Дано описание схемы ТНУ и изображение диаграммы термодинамического цикла. Рассмотрены термодинамические и экологические преимущества циклов ТНУ на диоксиде углерода. Предложена принципиальная схема термообработки молока с применением ТНУ. Рассчитаны основные характеристики экспериментального образца установки для термообработки молока с тепловым насосом на диоксиде углерода. Проведено сравнение экономических показателей установки для термообработки молока с тепловым насосом на диоксиде углерода и традиционного оборудования для пастеризации молока и последующего охлаждения. Показано, что ТНУ на диоксиде углерода обеспечивают высокую энергетическую и экономическую эффективность, а также экологическую безопасность и универсальность в процессах термообработки молока и других продуктов за счет получения высоких коэффициентов трансформации.
Ключевые слова: термическая обработка молока, тепловые насосы, термодинамические циклы ТНУ, энергосбережение, экономическая эффективность.
Холодильные машины и теплонасосные установки (ТНУ) действуют по одному и тому же обратному термодинамическому циклу и состоят из одних и тех же основных конструктивных элементов, поэтому они имеют общее название - трансформаторы теплоты. Большинство холодильных машин и ТНУ используют рабочие тела, претерпевающие фазовые превращения в процессах подвода и отвода теплоты, и компрессоры, обеспечивающие необходимые параметры циклов, вследствие чего называются паро-компрессионными.
В настоящее время известно более 40 рабочих тел, имеющих различные термодинамические и теплофизические свойства, от которых зависят энергетические характеристики трансформаторов теплоты. Наиболее применяемыми рабочими телами пароком-прессионных трансформаторов теплоты являются: фреоны; аммиак; диоксид углерода.
Фреоны оказывают сильное разрушающее воздействие на озоновый слой (ODP) атмосферы Земли. А их влияние на атмосферу Земли вызывает глобальное потепление (GWP), объясняемое парниковым эффектом. И только благодаря тому, что их выбросы в атмосферу невелики, основное влияние оказывают огромные выбросы углекислого газа при сжигании органического топлива в энергетических и транспортных установках. Аммиак обладает высокой токсичностью, взры-воопасностью, химической активностью, но применяется достаточно широко благодаря своим хорошим термодинамическим свойствам.
В таблице 1 приведены некоторые параметры (температура нормального кипения -¿ж, критическое давление - РКР, критическая температура - ¿КР) наиболее часто применяемых рабочих тел парокомпрессионных трансформаторов теплоты.
Таблица 1. Свойства некоторых рабочих тел для трансформаторов теплоты
Рабочее тело Обозначение Формула ^нк °С Ркр, бар ^кр9 °С ОБР GWP
Аммиак Я717 N Н3 -33,35 114,0 132,4 0 1
Фреоны: Я502 Я22/Я115 -45,6 40,1 82,2 0.33 4300
Я22 СНР2С1 -40,8 49,9 96,1 0,05 1500
Я134а СР3СРН2 -26,5 40.7 101.5 0,0 1300
Я12 СБ2С12 -29,7 41,2 112,0 0,8 8100
Я142Ь СР2С1СН3 -9,2 41,4 136,4 0,1 8500
Я114 СР2С1СР2С1 3,6 33,3 145,7 0,8 9500
Я11 ССЬэР 23,4 44,0 198,0 1,0 4600
Я141Ь СРС12СН3 32,0 42,5 204,1 0,1 630
Я113 СРС12СР2С1 46,8 33.9 214,0 0,8 5000
Я112 СРС12СРС12 92,3 33,3 278,0 не определены
СО2 Я744 СО2 -56,4 73,8 31,05 0 1
Из таблицы видно, что фреоны Я11; Я12; Я113; Ю14 имеют самые высокие озонораз-рушающие потенциалы ODP = 0,8-1,0 и потенциалы глобального потепления - GWP от 4600 до 9500, поэтому в качестве наиболее подходящего рабочего тела для фреоновых ТНУ могут быть выбраны фреоны R134а и Я141Ь, имеющие ODP = 0 и 0,1 и GWP = 630 и 1300, соответственно. Однако R134а имеет низкую критическую температуру, что ограничит возможности нагрева теплоносителя величиной 60-65°С, а Ю41Ь имеет высокую температуру нормального кипения, что значительно снижает возможность использования низкопотенциальных источников теплоты (НПИТ).
Целесообразность использования диоксида углерода в качестве рабочего тела термодинамического цикла ТНУ средней и большой мощности впервые была обоснована работами Московского государственного открытого университета (МГОУ) в 19901992 гг. [1, 2]. В итоге, диоксид углерода был включен в перечень рекомендуемых рабочих тел для теплонасосной и холодильной техники [3].
Диоксид углерода является озонобез-опасным, доступным, неядовитым, негорючим, химически инертным по отношению к металлам веществом. Его стоимость в 40 раз ниже стоимости другого озонобезопасного рабочего тела Я-134а, а объемная теплопро-изводительность на порядок выше. Это очень важное свойство, определяющее компактность установки и позволяющее создавать достаточно мощные ТНУ.
Не менее важными являются термодинамические преимущества цикла ТНУ на диоксиде углерода. Из-за низкой критической температуры (31°С) цикл не может быть реализован в области насыщенного пара, как в ТНУ, в которых осуществляется докритиче-ский обратный цикл Ренкина с конденсацией рабочего тела после компрессора. Поэтому здесь реализуется цикл при сверхкритических давлениях, который может быть назван либо сверхкритическим обратным циклом Ренкина, либо обобщенным циклом Лоренца, включающим две адиабаты и две политропы (изотерму подвода и изобару отвода теплоты).
Образуется цикл, который еще называют треугольным и который, в частности, наглядно показывает, что при одной и той же температуре нагрева теплоносителя потребляемая приводная мощность ТНУ будет значительно ниже, а коэффициент преобразования - выше, чем в ТНУ, работающей по обратному циклу Ренкина. Теплофизические и термодинамические свойства диоксида углерода, необходимые для расчета параметров цикла, приведены в литературе [4, 5].
Развитие и использование ТНУ с диоксидом углерода позволяет значительно расширить область параметров нагреваемых теплоносителей для применения их не только в системах теплоснабжения, но и в промышленности и в сельском хозяйстве.
Применение теплонасосных установок (ТНУ) на диоксиде углерода [6-8] с целью утилизации сбросной теплоты является одним из наиболее перспективных путей энер-
госбережения в промышленных и сельскохозяйственных теплотехнологических процессах. При работе с различными термодинамическими циклами они могут обеспечить получение горячей воды и пара с температурами до 150°С и давлениями до 10 бар.
Можно отметить несколько возможных вариантов применения тепловых насосов в сельском хозяйстве. В линиях первичной обработки молока на молочных фермах существенную долю расхода энергоресурсов составляют затраты электроэнергии на привод компрессоров холодильных машин, предназначенных для охлаждения свежевыдоенного молока и на нагрев воды для санитарно-технологических нужд. Такое сочетание потребности в теплоте и холоде создает благоприятные условия для применения тепловых насосов.
С вентилируемым воздухом животноводческих помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве НПИТ для малых тепловых насосов. Применение ТНУ на животноводческих фермах обеспечит одновременно кондиционирование воздуха в помещениях и теплоснабжение производственных помещений.
Применение ТНУ в процессах сушки (сена, зерна и пр.) может также обеспечить значительную экономию энергоресурсов за счет утилизации сбросной теплоты уходящего воздуха. Анализ тепловых потребителей показал, что в качестве греющих теплоносителей используются преимущественно горячая вода с температурой от 60 до 150°С и насыщенный водяной пар с давлением от 1 до 14 бар (реже до 16 бар), что соответствует температурам насыщения от 100 до 195°С (реже до 200°С). Такие параметры могут быть обеспечены ТНУ на диоксиде углерода, работающими по сверхкритическому треугольному циклу Лоренца с дросселированием рабочего тела после его охлаждения в водонагревателе.
На рис. 1 показаны схема и термодинамический цикл диоксида углерода в ТНУ в Г^-диаграмме (Т - абсолютная температура, К; £ - энтропия рабочего тела, кДж/(кг-К)). Схема работает следующим образом: пары рабочего тела, поступающие из испарителя (И) при давлении Р1, сжимаются в компрессоре до давления Р2 (процесс 1 -2).
При этом повышается и температура рабочего тела до ¿2. Затем диоксид углерода отдает свою теплоту в противоточном водонагревателе (ВН) воде (процесс 2-3), нагревая ее от температуры ¿т1 до необходимой для потребителя теплоты температуры ¿т2. При этом рабочее тело охлаждается до температуры ¿3. После чего рабочее тело дросселируется в дроссельном клапане (Др) и поступает в испаритель, где кипит при температуре ¿о, охлаждая воду низкопотенциального источника теплоты.
Рис. 1. Схема ТНУ с дросселированием рабочего тела и термодинамический цикл рабочего тела в ^-диаграмме: КМ - компрессор; Дв -двигатель компрессора; ВН - водонагреватель; Др - дроссельный клапан; И - испаритель; НПИТ -
низкопотенциальный источник теплоты; ХВ - холодная вода; ГВ - горячая вода; цифры на схеме отвечают соответствующим точкам цикла
Методика термодинамических расчетов циклов ТНУ на диоксиде углерода подробно приведена в работах [9-12]. Коэффициент трансформации теплоты ТНУ, т.е. отношение теплопроизводительности Q к мощности привода компрессора Ыпр, рассчитывается по формуле:
(2
^ «пр
(1)
В упрощенном виде принципиальную схему термообработки молока традиционным способом можно представить в виде, показанном на рис. 2. Схема работает следующим образом. Паром от котельной, горячей водой или электронагревателем нагревается промежуточная чистая вода в баке горячей воды БГВ (или бойлере, в зависимости от температуры), которая насосом Н1 подается в пастеризатор (Паст) или сте-рилизатор (в зависимости от процесса).
Сырое молоко загружается в бак сырого молока (БСМ), откуда молочным насосом (МН) подается в пастеризатор через регенеративный теплообменник (РТО), где подогревается встречным потоком горячего молока. После РТО молоко сливается в бак охлажденного молока (БОМ), где охлаждается ледяной водой, подаваемой насосом (Н2) из бака ледяной воды (БЛВ), в котором она охлаждается испарителем (Исп) холодильной установки, включающей также компрессор (Км) с двигателем (Дв), конденсатор (Конд) и дроссель (Др). Конденсатор может охлаждаться технической (оборотной) водой или воздухом. Теплота охлаждения молока сбрасывается в окружающую среду.
ципиальную схему термообработки молока с применением ТНУ можно представить в виде, показанном на рис. 3.
Рис. 2. Принципиальная схема традиционной термообработки молока
Применение теплового насоса для утилизации сбросной теплоты позволяет существенно снизить (или устранить) энергозатраты на нагрев горячей воды в БГВ. Прин-
Рис. 3. Принципиальная схема термообработки молока с применением теплового насоса: БСМ -
бак сырого молока, СМ - сырое молоко из молоко-провода, РТО - регенеративный теплообменник, ПАСТ - пастеризатор молока, ОМ - охладитель молока, БХМ - бак охлажденного молока, ХМ -охлажденное молоко, ИСП - испаритель ТНУ, КМ -компрессор ТНУ с электродвигателем, НАГР - водонагреватель-охладитель СО2 ТНУ, Др - дроссельный клапан, ХВ - холодная вода, ГВ - горячая вода, БГВ - бак горячей воды, МН - молочный насос, НХВ - насос холодной воды.
Схема работает следующим образом. Вода, нагретая в охладителе молока (ОМ), отдает теплоту рабочему телу в испарителе (ИСП), через который эта вода прокачивается насосом (НХВ). Теплота рабочего тела, трансформированная в ТНУ с помощью термодинамического цикла до необходимой температуры, передается водопроводной воде в нагревателе (НАГР), которая при температуре 90°С поступает в пастеризатор (ПА-СТ) и после него в бак горячей воды (БГВ) с температурой около 60°С. Молоко из бака сырого молока (БСМ) прокачивается молочным насосом (МН) через рекуператор (РТО) и пастеризатор, после чего охлаждается в охладителе молока (ОМ) до температуры 4-5°С и поступает в бак холодного молока (БХМ). Предлагаемая технологическая
схема работает со значительным уменьшением потребления энергоресурсов. Ориентировочные энергетические характеристики теплового насоса (ТН) приведены в табл. 2.
Рассчитанные коэффициенты трансформации показывают, что при мощности привода компрессора Мк можно в водонагревателе ТН получить тепловую мощность Q = ^.-ТМк. Например, затрачивая 1 кВт мощности на привод компрессора, можно получить в водонагревателе тепловую мощность 4,38 кВт с электроприводом и 5,65 кВт с газотурбинным приводом, нагревая воду до 96°С.
Экспериментальный образец установки для термообработки молока с тепловым насосом на диоксиде углерода разрабатывается с целью создания конкурентоспособного энергосберегающего устройства и предназначен для применения в тепловых процессах предварительной обработки молока на фермах КРС с поголовьем 200-400-800 голов [13]. Ориентировочные энергетические характеристики экспериментального образца установки приведены в таблице 3.
Теплообменное оборудование экспериментального образца предназначено для нагревания и охлаждения воды в диапазоне от 2 до 90°С при давлениях, превышающих атмосферное на величину, определяемую высотой гидростатического столба (вследствие разности уровней воды) и гидравлическим сопротивлением контура. Конструктивно должно быть выполнено в виде пластинчатых теплообменников, имеющих следующие ориентировочные характеристики (табл. 4). Установка должна обеспечивать непрерывное нагревание сырого молока в потоке до заданной температуры (80-85°С)
горячей водой, нагретой в тепловом насосе за счет теплоты, отводимой от молока при охлаждении его после термообработки.
Таблица 3. Ориентировочные энергетические характеристики экспериментального образца _установки_
Характеристики Значения
Температура нагреваемой воды на входе в нагреватель, °С 5-10
Температура нагреваемой воды на выходе из нагревателя, °С 90-95
Температура охлаждаемой воды на входе в испаритель, °С 35
Температура охлаждаемой воды на выходе из испарителя, °С 2
Температура кипения СО2 в испарителе, °С 0
Давление СО2 в испарителе, бар 34,8
Давление СО2 в нагревателе воды, бар 110-120
Тепловая мощность нагревателя воды, кВт 10-12
Тепловая мощность испарителя - охладителя воды, кВт 7,5-9
Мощность двигателя компрессора, кВт 2,5-3,0
Коэффициент трансформации ТН 4,0-4,1
Поверхность теплообмена нагревателя, м2 0,70-0,75
Поверхность теплообмена испарителя, м2 0,95-1,0
Расход воды через нагреватель, м3/ч 0,10-0,13
Расход воды через испаритель, м3/ч 0,19-0,23
Таблица 4. Характеристики теплообменного
Характеристики РТО ПАСТ ОМ
Температура горячего теплоносителя (вход-выход), оС 85-55 90-60 55-5
Температура холодного теплоносителя (вход-выход), оС 30-55 55-85 2-45
Расход молока, м3/ч 0,1 0,1 0,1
Расход воды, м3/ч 0,1 0,2
Необходимая тепловая мощность, кВт 3,6 3,6 7,3
Поверхность теплообмена, м2 0,14 0,5 0,84
Проверку работоспособности и технических характеристик экспериментального образца предполагается выполнить с использованием воды вместо молока. Сравнение экономических показателей установки для термообработки молока с тепловым насосом на диоксиде углерода и традиционного оборудования для пастеризации молока и последующего охлаждения, состоящего из пастеризатора молока с роторным нагревателем ПМР-0,2-1 на 1000 л/ч и резервуара-охладителя молока РОЗ-5 емкостью 5,0 м3, для
Таблица 2. Энергетические характеристики теплового насоса на диоксиде углерода
Параметры Значения
Температура нагреваемой воды на выходе, °С 59,8 69,5 79,5 88,6 96,1 103,0
Температура нагреваемой воды на входе, °С 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0
Коэффициент трансформации ТН - цэтн 5,77 5,29 4,90 4,53 4,38 4,18
фермы КРС на 400 коров при их продуктивности 7000 кг молока в год показало, что ТНУ обеспечивает снижение капитальных затрат на 670 тыс. рублей.
Таким образом, можно отметить, что тепловые насосы на диоксиде углерода могут быть использованы с высокой энергетической и экономической эффективностью в процессах термообработки молока и др. продуктов; годовые эксплуатационные затраты на термообработку, охлаждение молока и горячее водоснабжение по сравнению с традиционной технологией снижаются на 47%.
Литература:
1. Теплонасосные установки с закритическими параметрами рабочего тела // Теплоэнергетика. 1990. №6.
2. Ozonesafe working fiuid for compression Heat Pumps // Heat Recovery Systems and CHP. 1992. Vol. 12, №3.
3. Использование СО2 в качестве хладоагента // Холодильная техника. 2000. №11. С. 26-27.
4. Теплофизические свойства СО2. М., 1965. 455 с.
5. Богданов С.Н. Холодильная техника. М., 1985.
6. Ларкин Д. Промышленные теплонасосные установки на СО2 многоцелевого назначения // ЭИВ. 2012. №6.
7. Энергосбережение в промышленности с применением тепловых насосов на СО2 // ЭИВ. 2013. №2.
8. Ларкин Д. Эффективность энергосбережения промышленными ТНУ многоцелевого назначения на СО2 // Энергосбережение и водоподготовка. 2014. №1.
9. Исследование циклов ТНУ с СО2 и эффективности их применения в энергосберегающих системах теплоснабжения // Тр. конф. ИМАШ РАН. М., 2006.
10. Исследование термодинамических циклов мощных ТНУ на СО2 // Результаты фундаментальных исследований в области энергетики. М., 2008.
11. Термодинамическое исследование циклов на СО2 // Энергосбережение и водоподготовка. 2011. №2.
12. Ларкин Д.К., Проценко В.П. Коэффициент преобразования ТНУ с поршневыми компрессорами // Промышленная энергетика. 1988. №8.
13. Ларкин Д.К., Скоркин В.К. Термическая обработка молока с использованием теплового насоса на СО2 // Техника и оборудование для села. 2017. №2.
Literatura:
1. Teplonasosnye ustanovki s zakriticheskimi parametra-mi rabochego tela // Teploehnergetika. 1990. №6.
2. Ozonesafe working fiuid for compression Heat Pumps // Heat Recovery Systems and CHP. 1992. Vol. 12, №3.
3. Ispol'zovanie SO2 v kachestve hladoagenta // Holo-dil'naya tekhnika. 2000. №11. S. 26-27.
4. Teplofizicheskie svojstva СО2. M., 1965. 455 s.
5. Bogdanov S.N. Holodil'naya tekhnika. M., 1985.
6. Larkin D. Promyshlennye teplonasosnye ustanovki na СО2 mnogocelevogo naznacheniya // EHIV. 2012. №6.
7. EHnergosberezhenie v promyshlennosti s primeneniem teplovyh nasosov na СО2 // EHIV. 2013. №2.
8. Larkin D.K. EHffektivnost' ehnergosberezheniya pro-myshlennymi TNU mnogocelevogo naznacheniya na СО2 // EHnergosberezhenie i vodopodgotovka. 2014. №1.
9. Issledovanie ciklov TNU s СО2 i ehffektivnosti ih pri-meneniya v ehnergosberegayushchih sistemah teplosnab-zheniya // Tr. konf. IMASH RAN. M., 2006.
10. Issledovanie termodinamicheskih ciklov moshchnyh TNU na СО2 // Rezul'taty fundamental'nyh issledovanij v oblasti ehnergetiki. M., 2008.
11. Termodinamicheskoe issledovanie ciklov na СО2 // EHnergosberezhenie i vodopodgotovka. 2011. №2.
12. Larkin D.K., Procenko V.P. Koehfficient preobrazo-vaniya TNU s porshnevymi kompressorami // Promysh-lennaya ehnergetika. 1988. №8.
13. Larkin D.K., Skorkin V.K. Termicheskaya obrabotka moloka s ispol'zovaniem teplovogo nasosa na СО2 // Tek-hnika i oborudovanie dlya sela. 2017. №2.
THE DIOXIDE CARBON HEAT PUMPS USING AT THE MILK PASTEURIZATION D.K. Larkin, candidate of technical sciences, leading research worker V.K. Skorkin, doctor of agricultural sciences, laboratory chief V.P. Aksenova, engineer-researcher O.L. Andruhina, engineer-researcher FGBNY All-Russian NII of livestock mechanization
Abstract. The possibility of heat pump installation (TNU) on carbon dioxide using for the milk thermal treatment processes with high energy efficiency is shown. The thermodynamic advantages of the TNU cycles on carbon dioxide, allowing to obtain a sufficiently high temperature of the heated warm carrier are noted. The schemes of the traditional milk heat treatment with the heat pumps installation using is conducted. This description of TNU schema and thermodynamic cycle diagram's image is given. The thermodynamic and ecologic advantages of TNU cycles on carbon dioxide are reviewed. The principal schema of milk heat treatment with the TNU using is proposed. The main characteristics of the milk heat treatment installation's experimental sample for milk thermal treatment with heat pump on carbon dioxide are calculated. A comparison of the economic performances of the milk heat treatment installation with heat pump on carbon dioxide and milk pasteurization and subsequent cooling's traditional equipment is conducted. It is shown that TNU on carbon dioxide provide a high energy and economic efficiency, and ecological safety and versatility in the heat treatment processes of milk and other products by a high transformation coefficients obtaining.
Keywords: milk heat treatment, heat pumps, TNU thermodynamic cycles, energy saving, economic efficiency.
