CC BY
14
УДК 621.6.036
А.П. Усачев, А.В. Рулев, Е.Ю. Усачева
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ
В ИСПАРИТЕЛЕ И КОНДЕНСАТОРЕ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СУШИЛОК, РАБОТАЮЩИХ НА НЕАЗЕОТРОПНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЯХ
Предложена конструкция теплонасосной воздушной сушилки, использующей в качестве рабочего агента неазеотропную смесь предельных углеводородов состава 40 мол. % R290 и 60 мол. % Я601а и реализующей принцип противоточного теплообменника с переменной температурой как рабочего, так и сушильного агентов. Для определения температурных условий кипения и конденсации неазеотропной смеси R290 и R601а в испарителе и конденсаторе тепловых насосов получены расчетные формулы, согласно которым построена диаграмма «температура - состав» указанной смеси при давлениях 0,4 и 0,6МПа и различных концентрациях R290 в смеси.
Температурные условия, теплонасосная сушилка, испаритель, конденсатор, неазеотропная углеводородная смесь, рабочий и сушильный агенты, осушка воздуха
A.P. Usachev, A.V. Rulev, E.Yu. Usacheva
A STUDY OF TEMPERATURE CONDITIONS IN EVAPORATORS AND CONDENSERS OF HEAT PUMP DRYERS OPERATING ON NON-AZEOTROPIC HYDROCARBON MIXTURES
The proposed design of heat pump air dryers that uses for the working agent a non-azeotropic mixture of saturated hydrocarbon composition of 40 mol. % R290 and 60 mol. % R601a, and implements the principle of counter flow heat exchanger with the temperature variable for both production and drying agents. To determine the temperature under the boiling and condensation non-azeotropic mixtures of R290 and R601a in the evaporator and condenser heat pumps formulas, which helped in constructing the "temperature-composition" diagram for the given mixture at 0.4 and 0.6 MPa pressures and different R290 concentrations in the mixture.
Temperature conditions, a study of heat pump dryer, evaporator, condenser, non-azeotropic hydrocarbon mixture, working and drying agents, dehydration of the air
Значительный расход энергетических и материальных ресурсов строительных и сельскохозяйственных предприятий приходится на сушку древесины, керамических изделий, травянистых кормов, зерна и ряда других материалов.
Анализ работ [1-4] показывает, что наиболее эффективная и качественная сушка указанной продукции может быть обеспечена с помощью тепловых насосов.
В целях повышения энергоэффективности процессов сушки предложена схема теплонасосной сушилки, реализующей цикл с переменными температурами. Схема теплонасосной сушилки с приводом от газового двигателя внутреннего сгорания показана на рис. 1. Такой тип привода дан только в качестве примера. Выбор типа привода имеет важное значение и осуществляется в каждом конкретном случае индивидуально.
В предлагаемой конструкции теплонасосной сушилки нагрев воздуха до 70°С (343 К) осуществляется в устройстве с полной рециркуляцией воздушного сушильного агента (рис. 1), использующего в качестве рабочего агента неазеотропную смесь углеводородов, реализующих цикл с переменной температурой как рабочих, так и сушильных агентов.
Рис. 1. Схема теплонасосной сушилки, работающей на неазеотропной смеси углеводородов,
с приводом от газового двигателя внутреннего сгорания: 1 и 2 - испаритель и конденсатор ТНУ; 3, 4 - теплообменники системы охлаждения двигателя и дымовых газов; 5 - вентилятор; 6, 7, 11, 12 - трубопроводная обвязка оборудования; 8 - дросселирующий вентиль; 9 - компрессор; 10 - двигатель внутреннего сгорания; 13 - высушиваемый материал; 14 - сушильная камера; 15, 17 - каналы для выброса и забора воздуха; 16 - рециркуляционный канал; 18 - сливной патрубок образовавшегося в испарителе конденсата; 19 - корпус теплового насоса; 20 - выход охлажденных дымовых газов
Наибольшая энергетическая и экономическая эффективность тепловых насосов, работающих на рабочих агентах и реализующих цикл с переменными температурами, достигается при осушке уходящего из сушилки воздуха с высокой относительной влажностью (30 и более %). Средний срок окупаемости таких устройств согласно [1, 5, 6] составляет 3-4 года.
По сравнению с сушилками, использующими рециркуляцию или теплообменники-рекуператоры [7], такие схемы обеспечивают следующие преимущества: 1) значительно увеличивается количество теплоты конденсации водяных паров за счет более глубокой осушки воздуха; 2) уменьшается средний температурный напор между воздухом в сушилках и окружающей средой за счет подбора смесей рабочих агентов с переменными температурами кипения и конденсации и организацией, таким образом, принципа противоточного теплообменника.
Рабочие вещества, используемые в теплонасосных сушилках, не должны разрушать озоновый слой атмосферы, оказывать негативное влияние на потепление климата; должны быть экономичными, энергоэффективными и иметь температурные условия кипения и конденсации, наиболее приемлемые для процессов сушки древесины, травы, зерна и аналогичных материалов. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют сжиженные углеводородные смеси, состоящие из 40 мол.% Я290 (пропана) и 60 мол.% Я601а (изопентана). По степени активности разрушения озонового слоя Земли Я290 и Я601а считаются полностью озонобезопасными. Данные газы не вызывают парникового эффекта и не оказывают негативного влияния на потепление климата. Низкокипящий компонент Я290 имеет температуру кипения при атмосферном давлении t = минус 40°С, а высококипящий компонент Я601а - температуру t = плюс 27,85°С.
Низкотемпературные сушилки (рис. 1) представляют собой камеру 14, внутри которой высушиваемый материал 13 укладывается таким образом, чтобы обеспечить доступ теплого сухого воздуха ко всем частям высушиваемого материала. Иногда высушиваемая продукция передвигается с помощью ленточного транспортера. В ряде случаев используются сушка во вращающемся барабане или реализуется принцип кипящего слоя.
Начальная влажность воздуха, подаваемого в сушилку, составляет 8-10 масс.%. Циркулируя через слои высушиваемой продукции с помощью осевых вентиляторов, воздух постепенно остывает и повышает свою влажность до 70-80%.
Отработанный влажный воздух через рециркуляционный канал 16 поступает в корпус 19 теплового насоса. Выходящий из канала 16 сушилки воздух с температурой 62°С (435 К) и относительной влажностью 45% сначала охлаждается до температуры 38°С (311К) в испарителе 1. При этом он увеличивает свою влажность до 100% и выделяет скрытую теплоту конденсации водяных паров. Образовавшийся конденсат удаляется через сливной патрубок 18 в систему водоотведения. Затем воздух нагревается в конденсаторе 2, увеличивая свою температуру до 70°С (343 К). Работу газомоторного теплового насоса можно понять непосредственно из схемы (см. рис. 1).
Процессы кипения и конденсации неазеотропных смесей происходят при переменных температурах. Это обстоятельство позволяет использовать их при нагревании и охлаждении окружающих сред с ограниченной теплоемкостью типа вода - воздух. При этом значительно уменьшаются необратимые потери в процессах теплообмена и достигается увеличение конечной температуры окружающей среды, особенно при использовании испарителя 1 и конденсатора 2 с противоточным течением через них неазеотропной смеси и сушильного агента.
При оценке тепловой эффективности тепловых насосов, работающих на насыщенных неазео-тропных смесях, первостепенным вопросом является определение температурных условий в процессе их кипения и конденсации в испарителе 1 и конденсаторе 2. Поскольку смеси Я290 и Я601а отвечают условиям идеальных растворов, молярное содержание Я290 в жидкой (у^) и в паровой (у1„) фазах находятся на основе законов Рауля и Дальтона [8]. С целью удобства и простоты записи в формулах (1)-( 10) введем следующие обозначения компонентов: Я290 - 1; Я601а - 2. Например, давление насыщенных паров РК290 будет обозначено как Рь а Р^ша будет обозначено как Р2. Тогда молярное содержание Я290 в жидкой (у^) и в паровой (у1„) фазах, согласно законам Рауля и Дальтона, будет записано следующим образом:
у = (р ~ Р2) . (1) У(Р, - Р2); (1)
У 1п
РЛРс - Р2) Рс (Р1
(2)
с^ 1 Р2)
где Рс - абсолютное общее давление смеси, Па105; Р1, Р2 - давление насыщенных паров Я290 (пропана) и Я601а (изопентана), Па-105.
Давление насыщенных паров этих углеводородов определяется как функция от температуры по формуле Антуана [9]:
В1
Р = 10
а -
с1 +г
в2
а2 — Р = 10 С2 +г.
(3)
(4)
где Р - абсолютное давление, Па10 ; Аь Вь С и А2, В2, С2 - коэффициенты, характерные для предельных углеводородов Я290 и Я601а, в определенных пределах температуры; г - температура кипения индивидуального углеводорода (К290 и Я601а), °С.
На основании наиболее точных экспериментальных данных по давлению насыщенных паров Я290 и Я601а в [10] подобраны коэффициенты Аь Вь С1 и А2, В2, С2, приведенные в формулах (3) и (4). Подставляя формулы (3) и (4) для подсчета давления насыщенных паров К290 и Я601а в выражения (1) и (2), получим
(
А2 --
В2 Л
Р -10
С2 + г
У1ж
V
А —
10
С + г
А2 -
-10
В2 > С2 + г
(5)
А -
В1 Г
10
А2 -
В2
Рс -10 С2 +г V J
Р
В1 В2
А1--— А2--—
10 С1 + г - 10 С2 + г
(6)
V
J
По формулам (5) и (6) построена диаграмма «температура - состав» (рис. 2) кривых кипения и конденсации смеси К290 и Я601а при давлениях 0,4 и 0,6 МПа и различных концентрациях К290 в смеси.
Процесс кипения и конденсации смеси в трубных змеевиках испарителя 1 и конденсатора 2 теплового насоса происходит при неизменном составе. На диаграмме «температура - состав» (рис. 2) процесс кипения смеси, содержащей 40 мол. % И290 при давлении Рс = 0,4 МПа изобразится вертикальным отрезком 1-2. При этом температура смеси (с) в испарителе (и) повысится от начальной (н) г^ = 26°С (температура насыщенной жидкости) до конечной (к) г^ = 58°С (температура насыщенного пара).
Процесс конденсации смеси, содержащей 40 мол. % К290 при давлении Рс = 0,6 Мпа, изобразится вертикальным отрезком 3-4. При этом температура смеси в конденсаторе (кд) понизится с
начальной (н) г СН = 74°С (температура насыщенного пара) до конечной (к) г^^ = 42°С (температура насыщенной жидкости).
При оценке энергетической эффективности исследуемых теплонасосных сушилок важно знать характер изменения температуры кипения г в зависимости от относительного количества выкипевшей смеси, то есть степени сухости пара Х. Изменение содержания К290 в жидкой и паровой фазах в испарителе и конденсаторе теплового насоса в зависимости от относительного количества Х выкипевшей или сконденсировавшейся смеси заданного исходного химического состава у [8] определяется, согласно первому закону Коновалова, по формуле
В
С1 + г
х = У-У 1ж ,
У 1п -У 1ж '
(7)
где у - содержание К290 в исходной жидкости, с которым она попадает в испаритель и конденсатор теплового насоса, мол %; У\ж, У\п - равновесные содержания Я290 в жидкой и паровой фазах, мол %.
Рис. 2. Равновесные кривые кипения и конденсации неазеотропных смесей Р290-Р601а
На диаграмме «температура - состав» (рис. 2) приведено содержание Я290 в жидкой у\ж (точка 6) и паровой (точка 7) фазах для смеси исходного заданного состава у (точка 5). Из диаграммы видно, что от начала процесса испарения (точка 1) и до его конца (точка 2) содержание Я290 в жидкой у!ж (точка 6) и паровой у!п (точка 7) фазах будет непрерывно меняться. Это обстоятельство обусловливает нелинейную зависимость у от Х.
Подставляя в (7) значения у!ж и у1п, определяемые по формулам (5), (6), и проводя необходимые преобразования, получим характер изменения температуры кипения г в зависимости от относительного количества выкипевшей смеси Х:
X = Р
( 1 л У+ 1-У
Р X
У
(8)
где
х=
В2 ^
а2
Р -10 с2 + (
А, -
Р - 10 с + г
(9)
Нахождение г при заданных Х осуществляется по формуле (8) методом подбора.
в
Характер изменения температуры в зависимости от степени сухости Х для смеси с содержанием Я290, равным у = 40 мол %, при абсолютных давлениях Рс = 0,4 МПа и Рс = 0,6 МПа показан на графике (рис. 3). Из графика следует выраженная нелинейная зависимость г от Х.
Рис. 3. Характер изменения температуры выкипающей или сконденсировавшейся смеси в зависимости от степени сухости при абсолютных давлениях 0,4 МПа и 0,6 МПа
Дополнительный анализ показывает, что характер изменения температуры смеси сильно зависит от ее исходного состава, с которым она попадает в испаритель и конденсатор. Температурные интервалы полного выкипания (конденсации) для смесей различного состава неодинаковы и увеличиваются по мере приближения к составу ¥ = 50 мол %.
Характер изменения температуры сконденсировавшейся (выкипевшей) смеси, зависящий от степени сухости Х, обусловливает, в свою очередь, характер изменения температуры нагреваемого или охлаждаемого сушильного агента.
Выводы:
1. Предложена схема теплонасосной воздушной сушилки, использующей в качестве рабочего агента неазеотропную смесь предельных углеводородов состава 40 мол. % Я290 и 60 мол. % Я601а и реализующей принцип противоточного теплообменника с переменной температурой как рабочего, так и сушильного агентов. Применение предложенной схемы обеспечивает увеличение теплоты конденсации водяных паров за счет более глубокой осушки воздуха, уменьшение среднего температурного напора между воздухом и неазеотропной смесью в испарителе и конденсаторе с переменными температурами кипения и конденсации. В конечном итоге значительно увеличивается коэффициент преобразования теплонасосной воздушной сушилки и расход энергии на привод компрессора.
2. Получены формулы (5) и (6) по определению температурных условий кипения и конденсации неазеотропной смеси Я290 и Я601а в испарителе и конденсаторе тепловых насосов. По формулам (5) и (6) построена диаграмма «температура - состав» кривых кипения и конденсации смеси Я290 и Я601а при давлениях 0,4 и 0,6 МПа и различных концентрациях Я290 в смеси.
3. Предложены зависимости (8)-(10) по вычислению значений температуры насыщенной смеси Я290 и Я601а заданного химического состава у в испарителе и конденсаторе теплового насоса, в зависимости от относительного количества выкипевшей или сконденсировавшейся смеси, то есть степени сухости пара Х.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: пер. с англ. М.: Энергоиздат, 1982. 224 с.
2. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989.
128 с.
3. International Simposium on the Industrial Application of Heat Pump. 1982. № 24-26, March. 189 p.
4. Поз М.Я., Кучумова И.Г. Использование тепловых насосов для утилизации тепла удаляемого воздуха // Новые системы отопления и вентиляции промышленных зданий. М., 1982. С. 91-100.
5. Оценка эффективности внедрения теплонасосных установок в южных районах / О.Ш. Вези-ришвили, Г.И. Чоговадзе и др. // Теплоэнергетика. 1981. № 12. С. 45-47.
6. Курицын Б.Н. Основы энергосбережения в отопительно-вентиляционной технике. Саратов: Надежда, 1996. 92 с.
7. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1973.
320 с.
8. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. М.: Химия, 1975. 583 с.
9. Thomson G.W. The Antoine equation for vapor-presseure date // Chemical Reviews. 1946. Vol. 38. № 1. P. 128-143.
10. Курицын Б.Н. Системы снабжения сжиженным газом. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988.
196 с.
Усачев Александр Прокофьевич - Aleksandr P. Usachev -
доктор технических наук, профессор Dr. Sc., Professor
кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, Department of Heat and Gas Supply,
водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Ventilation, Water Supply and
Саратовского государственного технического Aplied Fluid and Gas Dynamics,
университета имени Гагарина Ю.А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Рулев Александр Владимирович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Усачева Елена Юрьевна -
студент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksandr V. Rulev -
Dr. Sc., Professor
Department of Heat and Gas Supply,
Ventilation, Water Supply and
Aplied Fluid and Gas Dynamics,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Elena Yu. Usacheva -
Undergraduate
Department of Heat and Gas Supply,
Ventilation, Water Supply and
Aplied Fluid and Gas Dynamics,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.04.15, принята к опубликованию 10.11.15
