CC BY
44
УДК 620.9:005,93:502.174
Проблемы энергоэффективности
в пищевой промышленности
В.И. Клешканов, С.С. Петров, кандидаты техн. наук Московский государственный университет технологий и управления В.Н. Хохловский, канд. техн. наук, доцент ЗАО «Шнейдер Электрик» А.А. Королёв, аспирант
НИИ пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии, Московская обл.
В настоящее время вопросам повышения энергетической эффективности российских предприятий уделяется значительное внимание со стороны государственной власти (разрабатываются и внедряются новые нормативные акты, методики, стандарты) и поставщиков оборудования (внедряются новые технологии, повышается энергоэффективность устройств и экологичность оборудования).
Основные элементы энергетической политики России сформулированы в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. N 1715-р и в Законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 г.
Государственное регулирование в области энергосбережения и повышения энергоэффективности будет осуществляться путем установления, в частности, требований к обороту отдельных товаров, функциональное назначение которых предполагает использование энергетических ресурсов (в том числе путем установления запретов или ограничений производства и оборота товаров, имеющих низкую энергоэффективность), обязанности проведения обязательного энергетического обследования, обязанности по учету используемых энергоресурсов, требований энергоэффективности зданий, строений, сооружений, требований к «энергетическому паспорту», требований к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергоэффективности, а также порядка исполнения соответствующих обязанностей (ст. 9 Закона № 261-ФЗ).
Ключевые слова: энергоэффективность; пищевая промышленность; комбинированная сушка
Key words: power efficiency; the food-processing industry; the combined drying
Решение вопроса повышения эффективности потребления электроэнергии российских предприятий протекает крайне медленно. Это определяется следующими причинами:
превалирование интересов специалистов-технологов над интересами энергетиков на крупных российских предприятиях- на большинстве промышленных и инфраструктурных объектов России (за исключением предприятий, занятых непосредственно в производстве, передаче и распределении энергии) специалисты-энергетики выполняют исключительно «сервисную» функцию, а значит, не имеют возможности влиять на разработку и реализацию энергосберегающих программ;
отсутствие примеров, образцов и структурированных программ, описывающих направления повышения энергоэффективности на конкретном предприятии и иллюстрирующих методологию проведения первоочередных, среднесрочных и долгосрочных программ энергосбережения с выработкой концепции энергосбережения и конкретных управленческих решений;
недостаточная мотивация персонала компаний к энергосбережению, отсутствие личной заинтересованности на уровне каждого отдельного сотрудника в экономии энергоресурсов;
закрепление требуемого срока окупаемости инвестиционных программ в области энергосбережения
на уровне 1-2 лет, что не всегда достаточно для эффективного сокращения энергозатрат;
отсутствие комплексного подхода к реализации программ в области энергоэффективности.
Зачастую, даже если на предприятии определены мероприятия по повышению энергоэффективности, они носят непоследовательный и неструктурированный характер. Реализация подобных мер может обеспечить снижение потребления энергоресурсов на конкретном участке, в цехе или другом технологическом переделе, но не эффективна с точки зрения оптимизации энергопотребления предприятия в целом.
Учитывая актуальность проблемы энергоэффективности, в Московском государственном университете технологий и управления была открыта Международная школа бизнеса энергоэффективности в пищевой промышленности (МШБЭПП «МГУ-ТУ - Schneider-Electric»).
Цель деятельности МШБЭПП -разработка, внедрение, научно-методическое и образовательное сопровождение технологий энергосбережения и энергоэффективности в пищевой промышленности.
Применение технологий и оборудования компании Schneider Electric в разработках МШБЭПП позволяет обеспечить комплексное решение задач повышения энергоэффективности.
Компания Schneider Electric - один из ведущих разработчиков и поставщиков энергоэффективных решений на российском рынке.
При реализации проектов компания выделяет две составляющие энергоэффективности: пассивную и активную.
«Пассивная» энергоэффективность предполагает осуществление базовых шагов в области сбережения энергии: устранение утечек, установку менее энергоемкого оборудования, обеспечение теплоизоля-
ции, замену ламп накаливания в системах освещения и пр.
В отличие от нее «активная» энергоэффективность представляет собой целенаправленные и системные меры по управлению, оптимизации и ведению постоянного мониторинга энергопотребления (например, выключения освещения там, где в нем нет необходимости, автоматического отключения вентиляции в офисах в выходные дни и т. д.).
Таким образом, стратегия компании в области создания комплексных энергоэффективных систем на предприятиях России базируется на трех составляющих: решение базовых, фундаментальных вопросов, без которых любые энергоэффективные технологии теряют смысл; выполнение автоматизации энергоустановки или системы энергоснабжения, т.е. обеспечение управления электроэнергией; проведение постоянного мониторинга функционирования энергоустановки.
На территории Российской Федерации ЗАО «Шнейдер Электрик» развивает направление «Энергоэффективность» в рамках взаимодействия с такими организациями, как ОАО «Газпром», ОАО «Нижнекамск-нефтехим», ОАО «Норильский Никель», ОАО «ЭнергоМаш», ОАО «Балтика», ОАО «Кондитерское объединение Россия» и др.
Сотрудничество специалистов МГУТУ и ЗАО «Шнейдер Электрик» позволяет соединять в одной разработке новые технологические решения с современными энергоэффективными средствами автоматизации.
Хорошим примером такого сотрудничества служит создание автоматизированного комплекса на базе дезинтегратора ДК-1 с двигателями различной мощности. Данный комплекс предназначен для решения различных технологических задач, начиная от производства активированной воды для аквакультуры и комбикормов повышенной пищевой ценности с использованием пептидов, получаемых методом микровихревого гидродинамического дробления на дезинтеграторе ДК-1, и заканчивая получением строительного на-номатериала.
Ниже приводится краткое описание метода, положенного в основу создания автоматизированного комплекса.
В конце прошлого века было экспериментально показано, что при обтекании вязкой жидкостью твердой поверхности в пограничном
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
слое возникают самоорганизующиеся вихревые гидродинамические течения. Эти явления наблюдались при числах Рейнольдса от 20 до 100 в сугубо ламинарной области течения [1, 2].
Исходя из результатов экспериментальных работ и предположения о том, что безвихревое движение вязкой жидкости в пограничном слое невозможно, в работах [2, 3] были предложены методы технологического использования этого эффекта. Дальнейшие исследования в области гидродинамики капиллярных каналов позволили при определенных скоростях движения вязкой среды создать условия для генерации в пограничном слое потенциальных вихревых структур, составляющих доли толщины пограничного слоя. При попадании жидкой суспензии в зону генерации потенциальных вихревых структур, твердые частички материала, входящие в суспензию, измельчаются до размеров нескольких десятков нанометров [2]. При этом вязкая среда интенсивно гомогенизируется и нагревается, что освещено в работе [3].
Первые опыты по гидродинамическому дроблению, подтверждающие утверждения [3], проводили на гуматах с целью их измельчения и получения высокоэффективного гу-минового удобрения. В результате первых же экспериментов удалось получить дробление стахостических молекул гуминового вещества до размеров 10-50 НМ, а также получить воду, обладающую высокой биологической активностью. Биологическая активация воды, произошедшая в результате воздействия на нее микровихревых гидродинамических структур, может быть объяснена разрушением водных кластеров и получения на какой-то период времени мономолекулярной воды.
Используя способ вихревого гидродинамического дробления [3], на основании анализа экспериментальных работ в 2009 г. в МГУТУ с целью интенсификации измельчения и гомогенизации в вязкой жидкой среде нами был создан дезинтегратор ДК-1.
Опыты, проведенные на дезинте-граторе ДК-1, показали, что в условиях генерации микровихревых гидродинамических структур в
вязкой среде происходит не только измельчение твердых частиц, входящих в состав суспензии, но и дезинтеграция молекул с образованием сверхактивных наночастиц, время жизни которых определяется временем нахождения этих частиц в микровихре. По нашим оценкам, время жизни микровихрей составляет единицы микросекунды. За это время происходят процессы дезинтеграции молекулы и ее реструктуризации. На месте разрыва молекулы образуются свободные молекулярные связи, к которым и присоединяются свободные ионы из суспензии. В случае производства органических нано-удобрений в роле таких ионов выступают микроэлементы, необходимые для поддержания ферментативной активности в клетке растения.
Таким способом было получено органическое наноудобрение Ferba-па1 L, производимое в настоящее время в ЕС. При этом гектарная норма внесения наноудобрения при опрыскивании составляет всего 3-4 л за сезон, а достоверная прибавка урожая составляет от 20 до 60 %. Необходимо отметить, что сверхактивные, живущие микросекунды на-ночастицы, образующиеся в процессе дезинтеграции, не вызывают в дальнейшем отрицательных явлений для живой клетки. Именно поэтому Ferbanat L рекомендован сертификационными организациями к применению в экологическом земледелии в странах ЕС.
Сложность процессов измельчения, зависимость их от многих факторов делает невозможным теоретический расчет минимальной работы, необходимой для измельчения [4]. Если считать полезной работой ту, которая тратится на образование поверхности, то в известных измельчи-тельных аппаратах большая часть подводимой механической энергии
ООО
Торговый немещмю
«IC.T.K. »>
представитель ^jjL шщфш
EMSLAND-STAKKE GMBH
ПРЕДЛАГАЕТ следующие пищевые добавки;
КпАХМА 11 hi* ■ картофельный модифицированный 1U niliTirvA JLJlt ■ кукурузный модифицированный
•соусов, кетчупов и майонеза для »детского питания и молочных продуктов
прпмчвплгтял- .консервов и мясной гастрономии итои^надивд, «безалкогольныхнапитков
• кондитерских и хлебобулочных изделий
СУХОЕ КАРТОФЕЛЬНОЕ ПЮРЕ И КАРТОФЕЛЬНЫЙ ГРАНУЛЯТ
мешки но 25 кг
Спшбилгмые поставки. Вся продукция сертифицировав (49» 575 6471, 575 6570 х/ф, <49» 573 -4083 (495) 508-85-72, 508-85-73
14HQQ Россия, Московская область, г. Химки, ул. Энгельса, д, 10 19
превращается в тепловую, рассеиваясь бесполезно. КПД таких аппаратов составляет от доли процента до нескольких процентов в лучшем случае.
Исследования показали, что часть механической энергии запасается измельчаемыми твердыми телами. Шеллингер обнаружил, что доля затраченной энергии, которая не была обнаружена в виде тепловой, составляет 10-19 %. Эти экспериментальные данные далее подтвердились [5].
Общая «избыточная» энергия, аккумулированная измельчаемым веществом, зависит от условий измельчения, но не превышает 2530 % от подведенной энергии.
С нашей точки зрения физика процесса гидродинамического микровихревого дробления основана на тех же самых процессах перераспределения энергии межмолекулярных и внутримолекулярных связей, что и при механической активации.
Можно предположить, что так называемая «избыточная» энергия или энергия, не перешедшая в тепло, идет на реструктуризацию измельчаемых частиц (групп молекул) или даже на создание новых соединений и новых веществ. «Избыточная» энергия не исчезает, а превращается во внутреннюю энергию связей новых более мелких частиц размалываемого твердого вещества. За счет этой энергии и образуются новые химические соединения в процессе механической активации.
По-видимому, именно за счет разрушения межкластерных водородных связей и преобразования энергии этих связей в тепловую происходит биологическая активация воды и ее нагрев в пограничном слое при обтекании твердого тела. В зависимости от объемной плотности прилагаемой энергии мы можем получать в дезинтеграторе тот или иной результат.
Таким образом, технология гидродинамического дробления, основанная на физическом воздействии в микровихревых потоках на молекулярном уровне, нуждается в сверхтонкой регулировке, так как при дроблении различных веществ требуется различная плотность энергопотребления. Дальнейшие исследовательские работы без создания современной АСУ ТП нам не представляются возможными ввиду невозможности оптимизации энергопотребления в зависимости от нескольких технологических параметров.
Речь идет об унификации оборудования, созданного на базе дезинтегратора ДК-1 с использованием патента RU2343003, для самых различных технологических задач, путем автоматического изменения технологических параметров в зависимости от поставленной задачи.
АСУ комплекса на базе ДК-1 обеспечивает измерение параметров рабочего процесса в режиме реального времени и на основе их анализа вырабатывает управляющие воздействия на электродвигатели и дроссельные механизмы.
В зависимости от нагрузки на электродвигатели, температуры, вязкости и расхода рабочей среды формируется управляющий сигнал для дроссельной заслонки, изменяющей давление на выходе из дезинтегратора ДК-1.
АСУ обеспечивает обработку аварийных ситуаций (превышение предельных параметров по температуре, давлению и нагрузке на электродвигатели).
АСУ позволяет обеспечивать автоматическое управление процессом при изменении состава сырья или выпуске различной по составу продукции.
Все управляющие воздействия и измеряемые параметры выводятся на интерфейс в реальном масштабе времени и сохраняются в архиве.
АСУ выполнена на базе микропроцессорного контроллера марки «Premium» и включает в свой состав частотно-регулируемый привод «Altivar», панель оператора «Magelis» и другие компоненты и программные средства компании Schneider Electric.
Другой пример - создание нового технологического решения повышения энергоэффективности способами традиционной сушки и СВЧ-до-сушки растительного сырья.
Комбинированная сушка включает конвективный энергоподвод на стадии постоянной скорости сушки и СВЧ (или ИК) - энергоподвод на стадии подающей скорости сушки
Эффект сочетания конвективного и СВЧ-энергоподвода значителен. Так, для конвективного метода суммарная энергоемкость процесса с учетом рециркуляции теплоносителя составляет около 2 кВт-ч/кг испаренной влаги. Для СВЧ-сушки при прохождении полного диапазона влаж-ностей эта величина составляет 1,501,55 кВт-ч/кг. При оптимальном же сочетании методов удается достичь
величины около 1,15 кВт-ч/кг испаренной влаги.
Время сушки картофеля (очищенного, нарезанного, бланшированного) при комбинированной сушке сокращается по сравнению с чисто конвективной сушкой более чем в 1,5 раза. Было отмечено, что при относительной влажности картофеля менее 35-30 % клеточная структура продукта приобретает упругость и сформированные при интенсивной конвективной сушке каналы позволяют эффективно транспортировать влагу из внутренних слоев нарезанного продукта к поверхности при СВЧ-досушке.
При сушке косточковых плодов комбинированное обезвоживание показало заметное снижение (2530 %) удельных затрат энергии при высоком качестве сушеных продуктов [6].
Исследования НИР, проведенные в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 гг.», показывают, что комбинированная сушка плодов и овощей с использованием СВЧ-поля имеет существенные преимущества по сравнению с конвективной сушкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кикнадзе, Г.И. Самоорганизация смерчеобразных вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификация тепло- и массообме-на/Г.И. Кикнадзе, В.Г. Олейников. Препринт № 227-90. - М.: Институт теплофизики СО АН СССР, - 1990.
2. Клешканов, В.И. Технологические способы повышения надежности и долговечности авиационных гидроагрегатов; Дисс. ... канд. техн. наук/В.И. Клешканов. - М.: Московский авиационный технологический институт им. К.Э. Циолковского, 1989.
3. Патент RU2343003.
4. Авакумов, Е.Г. Механические методы активации химических про-цессов/Е.Г. Аввакумов. - Новосибирск: Наука, 1986.
5. Krupa, V. Klassifikacia melitelnosti pomoccou energetikotransformacnych merani. Banicke listy (Mimoriadne cislo)/V. Krupa, F. Sekyla, M. Merva. -Bratislava: VEDA, 1980. - S. 208-213.
6. Королев, А.А. Комбинированная сушка фруктов: Сб. тр. 13-й все-росс. научно-практ. конф. «Проблемы создания продуктов здорового питания. Наука и технологии/ А.А. Королев, В.Б. Пенто. - Углич, 2007.
