CC BY
28
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ СУШКИ БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПАРОКОМПРЕССИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА Е.Н. Г оряка1, Л.И. Балыкова2, С.И. Алексейчук3
1-3Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
Ie-mail: goryaka@mail.ru
В статье обсуждаются вопросы по снижению энергетических затрат в процессе сушки на разработанном экспериментальном стенде сушильной установки с использованием парокомпрессионного теплового насоса. Проведены исследования, позволяющие обосновать режимы сушки бурых водорослей.
Ключевые слова: сушильные установки, бурые водоросли, сушка, энергетическая эффективность, тепловой насос, оптимальный режим сушки.
Justification for drying conditions of brown algae using a vapour compression heat pump.
E.N. Goryaka1, L.I. Balykova2, S.I. Alekseichuk3 (1-3 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
Saving energy costs in the drying process on the developed test-bed of the dryer using a vapour compression heat pump is discussed in this article. The researches allowing to justify the drying conditions of brown algae are done.
Key words: dryers, brown algae, drying, energy efficiency, heat pump, optimum drying conditions.
Добыча и переработка морепродуктов является одной из важнейших задач рыбной промышленности. Продовольственная независимость России требует развития перерабатывающих отраслей рыбопромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых технологий и оборудования. Рыночные отношения диктуют необходимость создания конкурентоспособного оборудования для малых и средних перерабатывающих компаний, производящих различные продукты питания из биосырья. Разработка и внедрение на предприятиях рыбной промышленности высокоэффективных технологических сушильных аппаратов позволят перевести отрасли на современный уровень, а также получить новые виды продуктов и значительно снизить энергетические затраты.
Несмотря на большое разнообразие существующих сушильных установок, их применение в рыбной отрасли ограничено свойствами объектов сушки, а выбор зачастую произволен. Сушку морских водорослей на водорослевых комбинатах осуществляют в сушилках различных типов и конструкций: СПК-15, СПК-45, СПК-90, камерных, туннельных, распылительных, барабанных, транспортерных и других, которые имеют ряд недостатков, в том числе высокие затраты энергии.
Сушку водорослей осуществляют двумя способами: в слоевищах и в измельченном состоянии на установках камерного, туннельного, ротационного (барабанного) и транспортного типа. Камерные и туннельные конструкции сушилок представляют собой производственные секции с цепными транспортирующими органами, на которых вручную, поштучно навешивают слоевища. Секции с сырьем последовательно перемещаются по трем зонам - загрузки, сушки и выгрузки. Громоздкость конструкции этих установок, значительная их энергоемкость, длительное время сушки (10-14 ч), неэффективность использования теплоносителя, большие занимаемые производственные площади указывают на низкую эффективность оборудования и несовершенство технологии сушки данных производств.
В ротационных и транспортных сушилках измельченная морская капуста выделяет на поверхностях частиц клейкие коллоидные денатурируемые растворы (слизь) и тем самым способствует налипанию на барабаны и транспортеры, образованию комков, слипающихся в бесформенную массу, в результате чего производственники вынуждены в процессе сушки завышать приемлемые оптимальные температуры сушки биосырья. Это приводит к получению некачественной продукции и неоправданному расходу энергоносителя. Отдельные частицы пережигаются, в то время как другие (слипшиеся в комки) не высыхают до нужной остаточной влажности. Конечный продукт требует дополнительных затрат на доработку [1-3].
Однако в настоящее время разработаны и созданы принципиально новые сушильные
установки с взвешенно-закрученными потоками теплоносителя для сушки шинкованной ламинарии. В результате высушивания в данных установках морская капуста имеет хороший внешний вид и максимально сохраняет свой химический состав и физические свойства [4-6].
До настоящего времени не налажен выпуск новых установок для сушки ламинарии в слоевищах, позволяющих получить сушеную морскую капусту высокого качества при более низких энергозатратах по сравнению с существующими сушилками. Разработка новой сушильной техники требует проведение работ, направленных на оптимизацию тепловлажностных процессов сушки, а также обоснование технических решений, позволяющих снизить энергетические затраты.
Обычно в сушильных установках не используется эффективно теплота отработанного сушильного агента. В теплообменных аппаратах сушильных установок воздух нагревается от начальной температуры 15^20°С до 80^150°С и подается в сушильную камеру. Отработанный увлажненный воздух, с температурой от 35°С до 100°С, выбрасывается в атмосферу, при этом с 1 кг теплоносителя теряется от 15кДж до 80кДж теплоты. Рекуперация теплоты с помощью трансформаторов теплоты, одним из которых является тепловой насос, позволяет снизить энергозатраты. Использование теплового насоса в сушильных установках обеспечит утилизацию теплоты отработанного воздуха при одновременном его нагреве до параметров, требуемых по технологии сушки.
Согласно [7] сушку ламинарии рекомендуется осуществлять при температуре воздуха около 80°С со скоростью 3-4 м/с. С помощью парокомпрессионного теплового насоса, работающего на холодильном агенте Я134а, возможно получить воздух с температурой не более 60°С. Доведение воздуха до температуры 80°С возможно обеспечить путем нагрева в дополнительном аппарате, например в электрокалорифере. Анализ использования парокомпрессионного теплового насоса для сушки ламинарии показал экономию тепловой энергии от 40% до 70%, в зависимости от вида холодильного агента, однако проведенные исследования учитывают только затраты на нагрев воздуха в теплообменных аппаратах и не учитывают энергозатраты сушильной установки в целом.
Таким образом, использование теплового насоса для сушки ламинарии является эффективным способом снижения энергозатрат.
Цель проведения экспериментальных исследований по сушке ламинарии с использованием парокомпрессионного теплового насоса заключается в получении параметров режима сушки, обеспечивающих максимальное качество продукции с наименьшими энергетическими затратами.
В задачи исследований входило:
1) определение теплопроизводительности теплового насоса;
2) определение затраченной мощности на получение тепла;
3) определение действительного коэффициента преобразования цд;
4) построение цикла теплового насоса в соответствии с действительными параметрами его работы и проведение эксергетического анализа экспериментальной установки;
5) определение изменения температуры ламинарии в процессе сушки;
6) определение скорости сушки ламинарии при различных режимах сушки.
Для решения поставленных задач на кафедре «Холодильные и энергетические установки» КамчатГТУ был разработан и смонтирован экспериментальный стенд сушильной установки на базе парокомпрессионного теплового насоса, который предусматривает возможность работы сушильной установки в двух режимах в широком диапазоне температур сушки.
Режим №1. Использование как теплового насоса, так и электрокалорифера для обеспечения заданных параметров воздуха в процессе сушки продукции.
Режим № 2. Использование только теплового насоса для обеспечения заданных параметров воздуха.
Во время исследований определяли:
1) давление паров холодильного агента на всасывании в компрессор ро, давление нагнетания паров холодильного агента компрессора рк;
2) температуру холодильного агента при входе и выходе из компрессора ^ и ґ2, при входе и
выходе из конденсатора і2 и ґ3, при входе и выходе из воздухоохладителя і4 и ґ5;
3) температуру воды при входе и выходе из водяного конденсатора ґк1 и ґ„2;
4) расход воды через конденсатор Gw;
5) количество отводимой теплоты в водяном конденсаторе Qw;
6) температуру воздуха по сухому термометру и влажность на выходе из воздухоохладителя
^в.сух.і и ф1, температуру воздуха по сухому термометру и влажность на выходе из воздушного конденсатора ¿в.сух.2 и ф2, температуру воздуха по сухому термометру и влажность на выходе из электрокалорифера ¿в.сух.3 и ф3, температура воздуха по сухому термометру и влажность на выходе
из сушильной камере ^.сух4 и ф4;
7) скорость воздушного потока на входе в камеру ив;
8) мощность, подводимую к электродвигателю компрессоров Ж,л.к.;
9) мощность, подводимую к электродвигателю вентилятора Ж,лв.;
10) мощность, подводимую к ТЭНам электрокалорифера ^л.к.;
11) температуру воздуха по сухому термометру и влажность в помещении ^.сух. и фпом.;
12) температуру продукта в камере tпр,..;
13) массу продукта Мпр..
По данным, полученным в результате проведения эксперимента, определяли средние значения величин и производили расчет параметров работы теплового насоса и энергетическую эффективность (табл. 1).
Таблица 1
Основные рабочие параметры теплового насоса
№ п/п Режим сушки Давление конденсации, МПа яние п ки а <и ^ не л Да Температура кипения, °С Температура конденсации, °С Теплота, подведенная в испарителе, кВт Теплота, отводимая в воздушном конденсаторе, кВт и ^ я е яа р о им тоа од анс вет та, ок к то м ло пн Теп ндя о в Мощность, потребленная электроприводами, кВт-час Мощность, потребленная ТЭНами электрокалорифера, кВт-час Максимальная температура продукта при сушке, °С Влажность воздуха при сушке, %
1 80°С, 4 м/с 2,4 0,7 25 75 42 25,2 36,8 20 16,8 72 35-85
2 80°С, 1 м/с 2,4 0,7 25 75 28,9 17,4 25,4 13,8 11,6 42 85
3 60°С, 4 м/с 2,4 0,7 25 75 35 35 17,5 17,5 0 53 55-85
4 60°С, 1 м/с 2,4 0,7 25 75 11,7 11,7 6 6 0 35 85
5 2- ступенчатая сушка 2,4 0,7 25 75 23 23 17,5 12 5,5 40 85
Исследования по сушке ламинарии проводили при скорости воздуха от 1 м/с до 4 м/с и температуре от 60°С до 80°С.
В опытах по сушке морской капусты в качестве сырья использовали L. bongardiana. Сбор слоевищ водорослей для проведения опытов осуществлялся в Авачинской губе с июля по август. Слоевища водорослей сортировались, промывались от загрязнений пресной водой, нарезались пластами длиной от 40 см до 180 см и укладывались в сетчатые клети, которые затем развешивалась в сушильной камере, при этом между клетьями обеспечивалось расстояния 1,5^3 см для циркуляции воздуха. Максимальное количество сырца продукта, которое можно единовременно загрузить в камеру, - 35 кг. Средняя начальная влажность водорослей составляла 85%.
Регулирование производительности теплового насоса осуществлялось как путем изменения расхода воздуха через конденсатор и испаритель, так и перенастройкой системы автоматизации и регулирования.
Основные показатели работы теплового насоса определяли по тепловым балансам конденсаторов и испарителя. Энергетический и эксергетический анализ теплового насоса проводился по методикам, изложенным в работах [8, 9].
Определение скорости сушки при различных параметрах воздуха проводили по методике, изложенной в работе [10].
На рис. 1 представлен график скорости сушки морской капусты при различных параметрах воздуха.
0,0100
„о
^ 0,0080
5
к
5 0,0060 3 > о
н 0,0040
о
а
о
*
° 0,0020
0,0000
1 \
2 \ 3 \ 4 *
5 N / ^
*_|Г. ' , Г —7 / /
Г * 6 /7 7 / 9 / 8 9 4
> ► \
Яг )г
15% 25% 35% 45% 55% 65%
Влажность продукта М, %
75%
85%
Рис. 1. Скорость сушки морской капусты при различных параметрах воздуха:
1 - двухступенчатая сушка; 2 - Г = 80°С, ю = 4 м/с; 3 - Г = 80°С, ю = 3 м/с; 4 - Г = 80°С, ю = 2 м/с;
5 - Г = 80°С, ю = 1 м/с; 6- Г = 60°С, ю = 4 м/с; 7- Г = 60°С, ю = 3 м/с;
8 - Г = 60°С, ю = 2 м/с; 9 - Г = 60°С, ю = 1 м/с
На рис. 2 представлен график влагосодержания морской капусты при различных параметрах воздуха.
Анализ полученных данных показал, что существенное влияние температуры и скорости воздуха на процесс сушки морской капусты наблюдается в период постоянной скорости сушки. Так, при температуре 80°С и скорости воздуха 4 м/с продолжительность сушки составляет около 40 мин, а при скорости 1 м/с - увеличивается до 50 мин. Продолжительность сушки при температуре 60°С и скорости воздуха 4 м/с составляет 60 мин, а при скорости 1 м/с - 65 мин. При этом влагосодержание продукта находится в пределах от 90% до 50%. Это объясняется тем, что в данный период происходит интенсивный перенос влаги из центра продукта к его поверхности, вследствие чего требуются повышенные энергозатраты для ее удаления. Продолжительность указанного периода находится в пределах от 40 до 65 мин для исследуемых вариантов при температуре воздуха от 60°С до 80°С и его скорости от 1м/с до 4 м/с.
В период убывающей скорости сушки влияние температуры и скорости воздуха не столь существенны. Это связано с уменьшением количества внутренней влаги, а скорость сушки зависит от прочности связи влаги с материалом и скорости ее переноса от центра к поверхности.
При температуре 60°С и скорости 2 м/с продолжительность сушки от влагосодержания 50% до 20% больше на 15% и составляет 120 мин по сравнению с сушкой при температуре 60°С и скоростью воздуха 4 м/с.
I
55%
45%
35%
V
X44
у
•ч 6
/ * N л
’ N 8
2 ' ^ ч \ 5ь * N „9
3 / N>1 ч .
V ^ .
5 п - . _
20 40 60 80 100 120 140 160
Продолжительность сушки , Т мин
180
85%
75%
65%
25%
0
Рис. 2. Влагосодержание морской капусты при различных параметрах воздуха:
1 - двухступенчатая сушка; 2 - Г = 80°С, т = 4 м/с; 3 - Г = 80°С, т = 3 м/с; 4 - Г = 80°С, т = 2 м/с; 5 - Г = 80°С, т = 1 м/с; 6 - Г = 60°С, т = 4 м/с; 7 - Г = 60°С, т = 3 м/с; 8 - Г = 60°С, т = 2 м/с; 9 - Г = 60°С, т = 1 м/с
Результаты проведенных исследований показали, что процесс сушки целесообразно разбивать на две ступени. Первая ступень - это сушка морской капусты, при постоянной скорости сушки, от влагосодержания 90% до 50%, при температуре воздуха плюс 80°С и его скорости 4 м/с. Вторая ступень - это сушка, при убывающей скорости сушки, от влагосодержания 50% до 20%, при температуре воздуха плюс 60°С и скорости 2 м/с.
Как уже отмечалось выше, использование теплового насоса в процессе двухступенчатой сушки ламинарии возможно лишь частично. В первой ступени сушки тепловой насос может использоваться для предварительного подогрева воздуха до температуры плюс 60°С. Затем повышение температуры воздуха до плюс 80°С осуществляется другим аппаратом, в нашем случае электрокалорифером. Во второй ступени сушки необходимо поддерживать температуру около 60°С, что обеспечивает тепловой насос.
На рис. 1 и рис. 2 линиями 1 показаны скорость сушки и влагосодержание морской капусты при двухступенчатом режиме сушки.
В табл. 2 представлен сравнительный анализ различных способов сушки ламинарии.
Таблица 2
Основные параметры воздуха в различных сушильных установках
№ п/п Вид сушки Рабочие параметры воздуха Продолжительность сушки т, мин Влагосо-держание, W % Максимальная температура прод. при сушке, t^, °С Расход условного топлива на тонну гото-вой продукции, т.у.т./т
t, °С ю, м/с Ф, % а, Вт/м2К
1 Туннельные, ленточные, конвейерные сушилки 5090 2-4 15 30-35 600-840 16-20 40-90 1,8
2 Барабанные сушилки 120-140 3-6 10 30-45 10-20 16 100-110 1
3 Сушилки с взвешенно-закрученными потоками 100 6-8 10 50-70 15 16 80 0,7
4 Двухступенчатая сушка в сушильной установки на базе теплового насоса 80, 60 1-4 15 30-35 170-180 18 40 0,33
Энергетический анализ сушильной установки на базе теплового насоса при двухступенчатой сушке ламинарии показал, что для получения 1 кг готовой ламинарии с влагосодержанием 18% необходимо около 2,6 кВт/час электроэнергии.
Литература
1. Автономная опытно-промышленная установка для сушки шинкованной морской капусты в кипящем слое: Отчет по теме № 130/83-85 / Дальрыбвтуз; Рук. Ю.П. Маслюков. - Владивосток, 1983. - 45 с.
2. Цапко А.С. Механизация добычи и первичная переработка морских водорослей. - М.: Пищ. пром-сть, 1968. - 160 с.
3. Оборудование для обработки морепродуктов / С.Е. Губась, И.Е. Зинина, В.И. Мейта, Л.М. Попов. - М.: Пищ. пром-сть, 1977. - 142 с.
4. А.с. 1262239 (СССР). Установка для сушки материалов в кипящем слое / А.Н Доронин, В.И. Погонец, А.А. Тушко. Опубл. в Б.И., 1986, № 37.
5. Погонец В.И. Новое оборудование для сушки морепродуктов и основы его расчета: Учеб. пособие. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 1996. - 108 с.
6. Погонец В.И. Сушка морепродуктов во взвешенно-закрученных потоках. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2000. - 193 с.
7. Воскресенский Н.А., Лагунов Л.Л. Технология рыбных продуктов. - М.: Пищ. пром-сть, 1968. - 425 с.
8. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. - М.: Энергоиздат, 1982. - 144 с.
9. Эксергетические расчеты технических систем: Справ. пособие / В.М. Бродянский, Г.П. Верхиевкер, Я.Я. Карчев и др.; Под ред. А.А. Долинского, В.М. Бродянского. АН УССР. Ин-т технической теплофизики. - Киев: Наук. думка, 1991. - 360 с.
10. ГиндзбургА.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1985. - 336 с.
