CC BY
111
664.723
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СПОСОБОВ СУШКИ ЗЕРНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ МЕТОДОМ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
А.А. ШЕВЦОВ, Д.А. КРИТИКОВ, Е.А. ОСТРИКОВА, А.В. ПОНОМАРЕВ
Воронежский государственный университет инженерных технологий,
394036, г. Воронеж, пр-т Революции, 19; факс: (473) 255-35-54, электронная почта:power-of-inspiration@yandex.ru
Выполнен эксергетический анализ технологических линий сушки зерна с применением парокомпрессионной и пароэжекторной холодильных машин. Определена эксергетическая мощность каждого из потоков, а также внутренние и внешние потери. Расчет эксергетического КПД показал большую энергетическую эффективность технологии с применением пароэжекторной холодильной машины.
Ключевые слова: эксергетический анализ, сушка зерна, энергетическая эффективность, эксергетическая мощность.
Метод эксерегетического анализа, основанный на широком использовании понятия эксергии (технически пригодной энергии), является наиболее общим способом термодинамического исследования различных процессов преобразования энергии [1].
Эксергетический подход широко применяется при анализе теплотехнологических систем, позволяя с достаточной научной строгостью и вместе с тем наглядно определить степень совершенства и источники потерь в установках и их частях, находить пути их модернизации [1, 2].
Разработаны энергосберегающие технологии сушки зерна в замкнутом цикле по сушильному агенту с применением тепловых насосов [3,4]. В первом способе [3] процесс сушки осуществляется с применением парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ) (рис. 1: а - технологическая схема с применением ПКХМ; б - схема обмена потоками с окружающей средой). Отработанный сушильный агент после предварительного нагрева влажного зерна подается сначала на осушение в испаритель, затем в конденсатор теплового насоса, после чего направляется в сушилку.
Во втором способе [4] для осушки отработанного воздуха используется пароэжекторная холодильная машина (ПЭХМ) (рис. 2: а - технологическая схема с применением ПЭХМ; б - схема обмена потоками с окружающей средой). В линии в качестве высокотемпературного теплоносителя применяется пар, одна часть которого используется в качестве рабочего пара, направляемого в эжектор, а другая подается в калориферы для дополнительного нагрева воздуха перед сушкой. Получение пара осуществляется в парогенераторе, однако он может подаваться в систему извне, что позволяет использовать бросовое тепло газотурбинных установок и котельных агрегатов и тем самым эффективно решать задачи энергосбережения. Использование воды вместо токсичных и дорогостоящих хладагентов позволяет считать технологию сушки зерна с применением ПЭХМ экологически безопасной.
Для сравнительной оценки энергетической эффективности двух способов был выполнен эксергетиче-
ский анализ. Применялась методика [2], в соответствии с которой теплотехнологические системы сушки зерна (рис. 1, 2) условно отделены от окружающей среды замкнутыми контрольными поверхностями, а внутри систем с учетом протекающих теплообменных процессов выделено 7 контрольных поверхностей. 1-1У и
VI поверхности включают одни и те же элементы для двух схем: I - теплообменник и циклон, II - 1-я камера сушилки, III - 2-я камера сушилки, IV - камера охлаждения и вентилятор, VI - калориферы и вентилятор; а
V и VII поверхности разнятся: для схемы с ПКХМ VII -теплонасосная установка, V - теплообменник; для схемы с ПЭХМ V - пароэжекторная холодильная машина,
VII - парогенератор, насос и сборник конденсата. Схемы обмена рассматриваемых теплотехнологических систем материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями представлены на рис. 1, б и 2, б.
В качестве абсолютного эксергетического параметра, используемого в расчетах, выбрана эксергетическая мощность Ре, кДж/ч, учитывающая энергию материальных и тепловых потоков с учетом массовой производительности. Уменьшение эксергии по каждой контрольной поверхности рассматриваемых технологических систем, состоящих из классических необратимых процессов, с течением времени демонстрирует зависимость (1) [2].
п I т
Е Ез =Е Е’+Е , (1)
г= 1 к= 1 }= 1
где Е Е* - суммарная эксергия вводимых в контрольную поверх-
\ =1
I
ность материальных и энергетических потоков; Е Е;э - суммарная
\ =1
эксергия выводимых из контрольной поверхности полезных материальных и энергетических потоков; Е = T0AS - суммарные эк} =1
сергетические потери (уравнение Гюи-Стодолы); I = (1; п^-количество вводимых материальных и энергетических потоков; к = ( 1; I) -
1 - теплообменник; 2- 1-я камера сушилки; 3 - 2-я камера сушилки; 4 - зона охлаждения; 5 - сушилка;
б, 16- вентиляторы; 7,14 - калориферы; 8 - циклон; 9 - компрессор; 10- конденсатор; 11,12- резервная и рабочая
секции испарителя; 13 — теплообменник-рекуператор; 15 — нория.
Материальные потоки: 0.2.1 - влажное зерно; 0.2.2 - нагретое зерно; 0.2.3 - высушенное зерно;
0.2.4 - взвешенные частицы; 1.4 - конденсат; 3.0 - атмосферный воздух; 3.1 - отработанный сушильный агент;
3.2 - кондиционированный сушильный агент; 4.6 - хладагент
Рис. 1
1 - теплообменник; 2- 1-я камера сушилки; 3 - 2-я камера сушилки; 4 - зона охлаждения; 5 - сушилка; б, 18,20- вентиляторы; 7,19 - калориферы; 8 - циклон; 9 - парогенератор; 10- эжектор; 11 - испаритель,
12 — холодоприемник; 13 - конденсатор; 14 - терморегулирующий вентиль; 15 - нория; 16,17 - насосы;
21 - предохранительный клапан; 22 - сборник конденсата.
Материальные потоки: 0.2.1 - влажное зерно; 0.2.2 - высушенное зерно; 0.2.3 - взвешенные частицы; 1.0 — хладагент;
1.1 - пары хладагента; 1.3 - хладагент в испаритель; 1.4 - конденсат; 1.5 - вода; 2.2 - пар; 3.0 - сухой воздух;
3.1 - отработанный сушильный агент; 3.2 - кондиционированный сушильный агент
количество
количество выходящих полезных потоков; ] = ^1; т^ -эксергетических потерь.
Соотношение (1) для сравниваемых технологических линий сушки зерна производительностью 20 т/ч [2] рассматривалось на примере пшеницы с начальной влажностью 20%, высушиваемой до конечного содержания влаги 14%, в следующем виде:
^ Еэп = Егп + ^ Бе .(2)
Е Iі + Е 2Н + Е 3Н +
Слагаемые этого уравнения - эксергетическая мощность (кДж/ч): исходного зерна пшеницы Е1Н, воздуха Е2Н, пара Е3Н (только для схемы с ПЭХМ), подаваемых в систему; готового продукта (высушенного и охлажденного зерна) Егп ; суммарная эксергия, вводимая в систему с электроэнергией для работы приводов машин ^ Еэп ; сумма потерь эксергии в результате необратимости процессов, происходящих внутри контроль-
ной поверхности Е В1; сумма потерь эксергии во внешнюю среду Е~Р е .
Уравнение (2) отражает изменение эксергии теплотехнологических систем за счет ввода исходного зерна, воздуха и пара, подвода электроэнергии к приводам машин и ТЭНам парогенератора; покрытия потерь, возникающих вследствие необратимости процессов тепловой обработки сырья и продуктов; изменения их теплофизических свойств; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды. Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков: Е1Н, Е2Н, Е3Н, находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.
В процессе термической обработки зерна пшеницы в технологическом оборудовании его химическая эксергия постоянна, так как состав не претерпевает изменений. Таким образом, учитывается только его удель-
Таблица 1
Контрольная поверхность
Наименование Эксергетическая мощность, кДж/ч Вклад потерь в общие потери,% КПД (л), %
Восприня- тая Передан- ная Потери
Обозначение кДж/ч
Способ с применением ПКХМ
Теплообменник и циклон 96851 75072 О 19800 4,09 77,51
1979 0,41
1-я камера сушилки 224822 181888 О'п 25889 5,34 80,90
Оп 17045 3,52
2-я камера сушилки 263567 223206 О VII 23192 4,78 84,69
о™ 17170 3,54
Камера охлаждения 243522 60715 ОIII 19800 4,09 24,93
и вентилятор Ош 163007 33,63
Еш 60715
Теплообменник 100957 34532 ОIV 35822 7,39 34,20
DeIv 30603 6,31
Калориферы и вентилятор 326237 301325 О VI 22176 4,58 92,36
2736 0,56
Теплонасосная 75600 15,60
259375 153897 59,33
установка 29878 6,16
-^слив 3589
Итого 1515331 1030635 484696 100 68,01
Способ с применением ПЭХМ
Теплообменник и циклон 96851 75072 О 19800 4,66 77,51
1979 0,47
1-я камера сушилки 224822 181888 0П 25889 6,09 80,90
Оп 17045 4,01
2-я камера сушилки 263567 223206 О VII 23192 5,46 84,69
Ота 17170 4,04
Камера охлаждения 219999 60715 ОIII 19800 4,66 27,60
и вентилятор Ош 139483 32,81
Еш 60715
185029 176385 Оу 7200 1,69 95,33
Пароэжекторная холодильная машина 1444 0,34
Калориферы и вентилятор 345277 303708 О VI 39600 9,32 87,96
1970 0,46
Парогенератор, насос 411999 301496 ОIV 86400 20,33 73,18
и сборник конденсата 24103 5,67
-^слив 3811
Итого 1747543 1322469 425074 100 75,68
III
IV
V
VI
VII
II
III
IV
V
VI
VII
II
ная термическая эксергия, определяемая на основании уравнения Гюи-Стодолы:
Ае = е - е0 = к - ко - Т0( 5 - 5 0) (3)
где е, е0, к, к0, 5, 50 - удельная термическая эксергия, кДж/кг, удельная энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг • К), продукта при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой.
Удельную изобарную теплоемкость пшеницы (Дж/кг • К) определяли по эмпирической формуле [5]:
с = ( 891,7+ 87,49Ж -1,545Ж2 + 0,01149Ж3) х
V > (4)
х(1 + 0,287-10-3(25-Ж)(г - 28)),
где Ж - влажность зерна пшеницы, %; г -температура зерна пшеницы, °С.
Теплофизические свойства веществ, образующих материальные потоки, взяты из справочной литературы [6, 7].
Рассмотрено влияние на систему двух групп энергетических потерь: внутренних В и внешних Ве. Первые связаны с необратимостью любых реальных процессов, а вторые - с условиями взаимодействия системы с окружающей средой.
В суммарное количество внутренних эксергетиче-ских потерь входили потери от конечной разности температур в результате рекуперативного теплообмена между продуктом и воздухом, а также между паром и воздухом (в схеме с ПЭХМ) и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема теплоносителя при его поступлении из трубопровода в камеры сушки и охлаждения.
Внешние потери Ве связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Они обусловлены отличием температуры теплоносителей от температуры окружающей среды, несовершенством тепловой изоляции оборудования, сбросом конденсата и удалением из циклона взвешенных частиц.
а
Оценку термодинамического совершенства теплотехнологической системы сушки зерна проводили по эксергетическому КПД [2]:
I / п
Л экс =Е Е'1 Е Е/, (5)
к = 1 / 1 = 1
I
где Е Е" - суммарная эксергетическая мощность полезных поток =1
ков, кДж/ч; ЕЕ■ - суммарная затраченная эксергетическая мощ-
1 =1
ность, кДж/ч.
Эксергия каждого материального и энергетического потока, а также внутренние и внешние эксергетиче-ские потери, рассчитанные по [2], составили эксерге-тический баланс теплотехнологических систем сушки зерна (табл. 1).
При построении эксергетических диаграмм Грасс-мана-Шаргута (рис. 3: а - способ с применением ПКХМ; б - способ с применением ПЭХМ) в качестве абсолютного эксергетического параметра использовалась эксергетическая мощность Ре, кДж/ч. Обозначение потоков на рис. 3 представлено в табл. 2.
В результате эксергетического анализа установлено, что эксергетический КПД для способов сушки зерна с применением ПКХМ и ПЭХМ составляет 68,01 и 75,68% соответственно, что существенно выше, чем у известных технологий [8]. Это свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства системы за счет использования отработанных теплоносителей и организации работы системы в замкнутом цикле. Схема с использованием ПЭХМ более эффективна и дает основания для рекомендации ее к внедрению в производстве.
Полученные результаты подготовили условия для научного обоснования реализации энергосберегающих технологий зерносушения в замкнутом цикле по сушильному агенту по наиболее рациональным с энергетической точки зрения схемам подключения тепловых насосов. Эффективное замещение с помощью тепловых насосов в процессе сушки различных видов топ-
б
Таблица 2
Номер потока Наименование потока E, кДж/ч Номер потока Наименование потока E, кДж/ч
Потоки, общие для двух схем 19 Электроэнергия вентилятора, подающего воздух в камеру охлаждения 19800
1 Исходное зерно 0 20 Электроэнергия компрессора 252000
2 Нагретое зерно 55586 21 Электроэнергия 1-го калорифера 86400
3 Подсушенное зерно 131479 22 Электроэнергия 2-го калорифера 151200
4 Высушенное зерно 196565 23 Электроэнергия вентилятора, подающего воздух на калориферы 19800
5 Охлажденное зерно 60715 Потоки схемы с применением ПЭХМ
6 Осушенный воздух, отводимый от камеры охлаждения 0 12 Осушенный воздух, подаваемый в камеру охлаждения 3633
7 Воздух после 2-й камеры сушки 26641 13 Подогретый воздух 166335
8 Воздух после 1-й камеры сушки 50410 14 Пар, подаваемый в эжектор 158343
9 Отработанный воздух, отводимый от камеры нагрева 19486 15 Пар, подаваемый в калориферы 139342
10 Нагретый воздух, подаваемый в 1-ю камеру суш- 16 Сконденсировавшиеся пары из осушаемого воз-
ки 169236 духа 2309
11 Нагретый воздух, подаваемый во 2-ю камеру сушки 132089 17 Сконденсировавшийся пар 4107
Потоки схемы с применением ПКХМ 18 Конденсат, отводимый от калориферов 2383
12 Осушенный воздух, подаваемый в камеру охлаждения 27157 19 Конденсат, выводимый из системы 3811
13 Осушенный воздух, отводимый от испарителя те- 20 Электроэнергия вентилятора, подающего воздух
плонасосной установки 81471 в циклон 19800
14 Осушенный воздух, подаваемый в конденсатор 21 Электроэнергия вентилятора, подающего воздух
теплонасосной установки 7267 в камеру охлаждения 19800
15 Отработанный воздух, подаваемый в конденсатор 22 Электроэнергия насоса, подающего воду на паро-
теплонасосной установки 108 генератор 7200
16 Подогретый воздух 68837 23 Электроэнергия ТЭНа парогенератора 396000
17 Вода 3589 24 Электроэнергия насоса пароэжекторной холодильной машины 7200
18 Электроэнергия вентилятора, подающего воздух 25 Электроэнергия вентилятора, подающего воздух
в циклон 19800 в калориферы 39600
лива на тeплoтy вoзoбнoвляeмыx и втopичныx доточ-никoв oткpывaeт peaльныe пepcпeктивы в энepгocбepe-жении и oxpaHe oкpyжaющeй cpeды на зepнoпepepaбa-тывaющиx пpeдпpиятияx.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шаргут Я., Петела В. Эксергия: Пер. с польск. - М.: Энергия, 1968. - 279 с.
2. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксерге-тический метод и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -287 с.
3. Пат. 2204097 РФ, МПК7 Б 26 В 25/22. Способ автоматического управления процессом сушки / А.А. Шевцов, А.В. Евдокимов, А.Н. Зотов; Воронеж. гос. технол. акад. // БИПМ. - 10.05.2003.
4. Пат. 2406340 С2 РФ, Mm А 23 В 9/02. Способ сушки зерна / А.А. Шевцов, Д.А. Бритиков, А.В. Дранников и др.; Воронеж. гос. технол. акад. // БИПM. - 20.12.2010.
5. Жидко B.^, Резчиков B.A., Уколов B.C. Зерносуше-ние и зерносушилки. - M.: Колос, 1982. - 239 с.
6. Богословский C.B. Физические свойства газов и жидкостей. - СПб.: СПбГУАП, 2001. - 73 с.
7. Byкалoвич М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - M.: Mашиностроение, 1967. - 160 с.
8. ^H36ypr A.C. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. - M.: Агропромиздат, 1985. -336 с.
Поступила 02.05.12 г.
GRAIN DRYING METHODS COMPARATIVE ENERGY EVALUATION BY EXERGY ANALYSIS
A.A. SHEVTSOV, D.A. BRITIKOV, E.A. OSTRIKOVA, A.V. PONOMAREV
Voronezh State University of Engineering Technologies,
19, Revolution av., Voronezh, 394036; fax: (473) 255-35-54, e-mail:power-of-inspiration@yandex.ru
Exergy analysis of grain drying production lines with the application of vapor compression refrigerating machine and steam-jet ejector refrigerating machine was carried out. Exergy capacity of each flow and both internal and external loss were defined. Exergy efficiency calculation showed higher energy efficiency of the technology using steam-jet ejector refrigerating machine. Key words: exergy analysis, grain drying, energy efficiency, exergy capacity.
