CC BY
58
Multifunctional Heat Pump Installation for Dairy Plants
Sit M.L., Sit B.M.
Institute of Power Engineering of the ASM Chisinau, Republic of Moldova
Abstract. The article presents the installation based on the approach using the integration of the carbon dioxide heat pump in pasteurization and cooling installation for milk and in installations for preparing of hot and "icy" water. The scheme differs from the prototype by the use of additional heat exchangers and of their connection to the main elements of the installation. A proposed technique of elements connection in the heat pump installation permits to compensate the effect of temperature of cold water supply source, which is low-grade heat source for the heat pump, on the quality the work of the installation. The design of the installation enables to compensate the impact of seasonal variation of water temperature. The installation ensures the COP = 5.3.
Keywords: heat pump, pasteurization and cooling of milk, carbon dioxide, thermodynamic cycle.
Instalatie cu pompa de caldura multifunctional^ pentru fabricii de procesare a laptelui
Sit M.L., Sit B.M.
Institutul de Energetica al ASM Chisinau, Republica Moldova Rezumat. Pe baza de abordare bazata pe utilizare de integrare a pompei de caldura ca elementul de baza in instalatie de pasteurizare si racire a laptelui si instalatiilor pentru prepararea apei calde si apei de "gheata" este elaborata instalatie de pasteurizare si racire a laptelui pentru produsele lactate cu pompa de caldura cu dioxid de carbon. Schema se difera de cunoscute datorita introducerii circuite suplimentare intre schimbatoare de caldura, precum si cu metoda de legatura lor cu elementele principale ale instalatiei. O metoda de conexiune a elementelor de instalatie permite: de a compensa efectul temperaturii apei din sursa rece, care este sursa de caldura cu potential termic scazut pentru pompa de caldura asupra calitatea de functionare a instalatiei si obtine simultan atat apa calda pentru prelucrare a sanitara de echipament si apa de "gheata" pentru necesitatile tehnologice. Designul instalatiei da posibilitatea compensa influenta schimbarilor sezoniere de temperatura a apei asupra calitatea de functionare. In instalatie COP mediu eate egal cu 5,3.
Cuvinte-cheie: pompa de caldura, instalatie de pasteurizare si racire a laptelui, lapte, dioxid de carbon, ciclul termodinamic.
Многофункциональная теплонасосная установка для молочных заводов
Шит М.Л., Шит Б.М.
Институт энергетики Академии Наук Молдовы Кишинев, Республика Молдова Аннотация. На основании подхода, использующего интеграцию теплового насоса в схему пастеризационно-охладительной установки для молока и установок для получения горячей и «ледяной» воды, разработана схема пастеризационно - охладительной установки для молочных продуктов с тепловым насосом на диоксиде углерода. Схема отличается от известных схем вводом дополнительных теплообменных аппаратов, и способом их связи с основными элементами установки. Способ связи элементов в установке позволяет: компенсировать влияние температуры источника холодного водоснабжения, являющегося источником низкопотенциальной теплоты для теплового насоса, на качество работы установки, одновременно получать как горячую воду для санитарной обработки оборудования и пр., так и «ледяную» воду для технологических нужд. Конструкция установки позволяет компенсировать влиянии сезонного изменения температуры воды на ее качество работы. В установке обеспечивается расчетный СОР=5,3.
Ключевые слова: тепловой насос, пастеризационно-охладительная установка, молоко, термодинамический цикл, диоксид углерода.
Введение
Энергетическая безопасность и борьба с изменениями климата являются целями социально-экономического развития государства. Повышение энергоэффективности в молочной промышленности является целью работы, как
разработчиков оборудования, так и эксплуатационного персонала. Для снижения потребления как электрической, так и тепловой энергии при пастеризации и охлаждении молочных продуктов
предлагается интегрировать теплонасосные
установки (ТНУ) в схемы пастеризационно-охладительных установок (ПОУ) [1-9]. Однако, надо признать, что работы в этом направлении еще не достигли уровня достаточного для внедрения в промышленность, хотя внимание к ним обращено, начиная с 1980 г. (см. библиографию к [2-8]). В [6] приведена схема, где ТНУ используется для получения ледяной воды на испарителе и горячей воды 85 оС на конденсаторе с последующей подачей воды на пастеризационно-охладительную установку. Недостатком такой схемы является ограничение по температуре входного молока (10оС), а также низкий СОР из-за высокой разности температур между испарителем и конденсатором. Кроме того, расположение испарителя в баке для ледяной воды требует использования дополнительного насоса для обеспечения ее циркуляции, что увеличивает электрическую мощность, потребляемую установкой. Схема охлаждения молока в [6] имеет КПД более низкий, чем схема с прямым охлаждением молока в испарителе. Задачей, поставленной в исследовании, является создание теплонасосной
пастеризационно-охладительной установки с возможностью параллельного получения горячей и ледяной воды, в которой стоимость энергозатрат ниже, чем в установках, не использующих тепловые насосы. Нами рассматривается режим пастеризации и охлаждения молока с температурами на входе и выходе 4оС и с температурой пастеризации 78оС, который дополняет схемы ПОУ с ТНУ [10,11], в которой объединены ПОУ и установка для производства горячей и ледяной воды и которая может работать в широком диапазоне температур источника холодного водоснабжения.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
Поставленная цель достигается за счет создания интегрированной установки, в которой производится как пастеризация и охлаждение молока, так и получение одновременно горячей и ледяной воды посредством интегрирования элементов этих в теплонасосную парокомпрессионную установку. Схема установки, в которой приведены входные и выходные
энергетические и технологические потоки приведена на рис. 1.
Электроэнергия
Молоко с температурой 4 гр.С
Водопроводная вода
Основной процесс: Пастеризация и Охлаждение молока
Молоко с температурой
4гр .С Ледяная вода
Горячая вода
Рис.1. Схема установки
Гидравлическая схема установки приведена рис.2. Установка (рис.2) состоит из следующих основных элементов:
компрессора, двух газоохладителей, четырех испарителей (из которых могут использоваться только три в зависимости от температуры водопроводной воды), двух рекуперативных теплообменников, двух эжекторов, предназначенных для повышения давления на входе в компрессор, регулирующих клапанов давления и расхода. На рис.2 красным цветом показаны номера аппаратов, черным цветом - номера точек на схеме, рис.1, цифры в кружках - значения температур. Она отличается от описанных в [1-3] наличием: теплообменника 15, который использует часть теплой воды для стабилизации температуры водопроводной воды на входе в испаритель 11, испарителя 13, который охлаждает водопроводную воду до требуемой температуры на входе в испаритель 11, газоохладителя 20 для приготовления горячей воды. Условия, которым должны соответствовать теплота, отдаваемая газоохладителем молоку, и теплоты, поглощаемые испарителями в зависимости от температуры водопроводной воды, выражены уравнениями (1-6)
С2 - Сп + Сп + Сц + С9 -С20,
- Ст8Сдт
ОдЫц - От9Сдт,Мт9,
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Индексы при обозначениях расходов, перепадов энтальпий, теплоемкостей, разностей температур указывают на номер теплообменного аппарата, через который
протекает та или иная среда (хладагент, вода, молоко).
и ^^^«
Водопроводная вода
горячая вода для технологических нужд
-сё
Ч15 А | I ^Охлажден-
\ _ | ■ ■ ная вода
©1С У
¡1 ^^Охлажден-ная вода
1. Компрессор. 2. Газоохладитель. 3. Рекуперативный теплообменник. 4. Маслоотделитель. 5. Ресивер. 6, 7, 10, 12 - регулирующие клапаны давления. 8, 9, 1, 13 - испарители. 14. Теплообменник приготовления горячей воды. 15. Теплообменник для стабилизации температуры воды на испаритель 11 (стабилизация режима работы газоохладителя 2. 16, 21 - эжекторы. 17. Рекуперативный теплообменник в линии подачи молока на пастеризацию. 18. Регулятор температуры молока перед испарителем 8. 19. Теплообменник для повышения СОР установки. 20. Газоохладитель приготовления горячей воды.
Рис.2. Схема установки (без вторичного контура узла приготовления ледяной воды)
Режим работы испарителей определяется из условия недопущения попадания жидкости в компрессор, т.е. обеспечения минимального перегрева пара после испарителя. В газоохладитель 2 поступает столько хладагента, сколько это необходимо из условий поддержания необходимого температурного режима нагреваемой среды.
Это вытекает из условий теплового баланса. На рис. 4 приведена схема термодинамического цикла установки в координатах «давление - энтальпия». При построении графика были введены упрощения, связанные с определением точных температур внутри эжекторов.
Зависимость ЭНТАЛЬПИИ от давления
Н, ки/кд
Рис. 3. Термодинамический цикл установки в координатах «давление -энтальпия»
В таблице 1 приведены данные о характерных точках термодинамического цикла
Таблица 1. - Параметры узловых точек термодинамического цикла, на рис. 3
№ п/п Т, ос Р, МПа в,% Н, кДж / кг 5, кДж / кг
1 2.0 3.67 100 -77.179 -0.905
2 11.30 3.67 100 -61.009 -0.847
3 20.0 3.67 100 -48.224 -0.803
4 85.75 8.0 0 -6.775 -0.788
5 29,0 8.0 0 -228.080 -1.484
6 25.0 8.0 0 -244.108 -1.538
7 12.0 4,72 16.60 -244.108 -1.522
8 12.0 4.72 100 -86.032 -0.967
9 2.0 3.67 25.70 -244.108 -1.512
10 2.0 3.67 100 -77.179 -0.905
11 -6.10 2.95 31.0 -244.108 -1.502
12 -6.10 2.95 100 -73.104 -0.861
13 60.0 6.10 0 -24.485 -0.800
14 22.30 6.10 0 -244.108 -1.530
СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ТЕПЛООБМЕННИКОВ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ
Компенсация возмущений по температуре холодной воды через газоохладитель 20 может осуществляться путем регулирования
ее расхода. Изменение расхода хладагента через газоохладитель 20, вызванное работой контура стабилизации температуры молока на выходе газоохладителя 2 также может компенсироваться изменением расхода водопроводной воды. При этом можно
использовать комбинированную систему стабилизации, рис.4.
WB
Wv
W Wo
Рис.4. Структурная схема системы управления температурой на выходе газоохладителя поз.2 (рис.1)
Вид передаточных функций и числовые значения коэффициентов для кожухозмеевикового газоохладителя,
состоящего из семи параллельно включенных по хладагенту и воде блоков, при общем расходе хладагента 5.5 м3/с и расходе воды 5.84 м3/час, давлении газа 9 МПа, температуре хладагента от 30оС до 80оС в каждом из которых длина трубки (материал -сталь) составляет 30м, внутренний диаметр трубки 0,01м, толщина стенки трубки 0.001 м, диаметр навивки трубки - 0.25м. представлены ниже. Необходимо сразу оговориться, что значения коэффициентов существенно зависят от режима работы ТНУ и значительно изменяются в зависимости от параметров цикла ТНУ [8]. Передаточная функция по каналу: «температура воды -расход воды».
W (Р) = %3 Р + 1)(T«, +1)
kA2 = 11,17;Тз = 5,35;T44 = 0,76.
Передаточная функция по каналу возмущения (расходу хладагента) имеет вид:
W32(p) = k/T р +,, К = 5,04;T32 = 2,2.
/ T 32 р + 1
Можно показать, что при приведенных данных комбинированная система управления при использовании ПИД-регулятора в основном контуре решает задачу компенсации возмущений.
Выводы
1. Применение рассмотренной схемы теплонасосной установки на диоксиде углерода в составе комбинированнойых пастеризационно-охладительных установки для молочных продуктов, в которую интегрирована установка для нагрева воды и получения ледяной воды для различных
климатических условии позволяет
существенно снизить потребление природного газа на предприятиях молочноИ промышленности, и установка с предложенной схемоИ может иметь приемлемые сроки окупаемости инвестиций. 2. В схему системы регулирования температуры продукта необходимо ввести: систему регулирования расхода ледяной воды с целью повышения качества системы стабилизации выходной мощности пастеризационно-охладительной установки и приготовления горячей воды в дополнительном газоохладителе установки, систему стабилизации температуры воды на входе в испаритель для приготовления ледяной воды.
Литература (References)
[1] Becker H., Vuillermoz A., Marechal F., Heat pump integration in a cheese factory. Applied Thermal Engineering, 2012, v43, October 2012, p.118-127.
[2] Becker H., Marechal F. , Vuillermoz A., Process Integration and Opportunities for Heat Pumps in Industrial Processes. International Journal of Thermodynamics, Vol. 14 (No.2), pp.59-70, 2011. doi: 10.5541/ijot.260.
[3] Soylemez M.S., Operational cost minimization of heat pump for milk pasteurization in dairy. Journal of Dairy Research, 2005, v72, p.482-485.
[4] Soylemez M.S., Optimum heat pump in milk pasteurizing in dairy. Journal of Food Engineering, V.74, 2006, p. 546-551.
[5] http://telemiks.by/geo/food.html
[6] Ozyurt O., Comakli O., Yilmaz and Karsh S., Heat pump use in milk pasteurization: an exergy analysis. International Journal of Energy Research. V28, Iss.9, p.833-846, July 2004.
[7] Vezirishvili O.S., Hvitia M.T. Kaskadnaia tepolnasosonaia ustanovka dlia ohlazhdenia I pasterizatsii moloka, [Cascade heat pump station for cooling and pasteurization of milk] Holodilinaia tehnika, № 7, 1990, pp.4-6, (in Russian).
[8] Sit M.L., Zhuravleov A.A., Sit B.M. Upravlenie gazoohladitelem teplovogo nasosa na dioxide ugleroda pri rabote v nepererivnom regime. [Carbon dioxide gas cooler control at the work in the continuous regime]."Trudi Odesskoi Natsionalinoi Academii Pischvih tehnologii" iss.35, vol.2., 2009. pp. 241-246 (in Russian).
[9] Zagurenko A.G., Korotovskikh V.A., Kolesnikov A.A., Timonov A.V., Kardymon D.V. Technical and economic optimization of hydrofracturing design. Neftyanoe khozyaistvo - Oil Industry, 2008, no.11, pp. 54-57 (in Russian).
[10] Sit M.L., Sit B.M. Sistema upravlenia teplovim nasosom v sostave ustanovki dlia pasterizatsii i ohlazhdenia moloka. Ch.I [Automatic control system for heat pump embedded in installation for
Сведения об авторах:
Шит Михаил Львович - к.т.н., в.н.с., лаборатории, «Энергетической эффективности и возобновляемых источников энергии» института энергетики АНМ. Область научных интересов: тепловые насосы, автоматиеское управление технологическими процессами в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве. Email: mihail_sit@mail.ru
pasteurization and cooling of milk, part I]. Problems of of the Regional Energetics, N3(20) 2012, pp.48-57, (in Russian).
РШит Борис Михайлович -
инженер-программист Института энергетики АНМ. Область научных интересов: тепловые насосы, автома-тическое управление
технологическими процессами в энергетике, промышленности,
сельс-ком хозяйстве. E-mail: boris@fld.rambler.ru.
