CC BY
42
УДК 631.365.25:633.853.494
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СУБЛИМАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
В.И.Сыроватка, академик РАН, зав. отделом Всероссийский НИИ механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Представлен анализ теплового баланса котельного агрегата, функционирующего в составе сублимационной установки, при сжигании твердого и газообразного топлива. Теплота, введенная в котел в виде угля или газа, распределяется на восемь составляющих, часть из них используется на полезные процессы, а остальные - необратимые потери. Используя приведенные данные, можно приближенно свести до минимума необратимые потери и повысить КПД сублимационной установки. В частности, при использовании газообразного или жидкого топлива потери q2 и q6 приближаются к нулю, а q3 снижается в два раза. Значительный резерв экономии теплоты можно получить от повторного использования горячей воды после охлаждения де-сублиматоров, а также тщательно утепляя сублимационную камеру. Важно выдерживать оптимальную температуру сублимации в процессе всего цикла (10-15 часов); температура определяется опытным путем для каждого вида обрабатываемой продукции и закладывается в алгоритм управления процессом. Ключевые слова: сублимационная установка, тепловой баланс котла, десублиматор, КПД сублимационной установки, параметры тройной точки, тепловые потоки.
Цель исследования - для сублимационной установки заданной производительности подобрать оптимальный котельный агрегат.
Сублимационной сушкой называют удаление влаги под вакуумом из замороженных продуктов (кормов) путем возгонки льда (отсос) непосредственно из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Консервированный таким образом продукт можно длительное время хранить в обычных условиях. Продукт легко поглощает воду, сохраняет размер, форму, цвет и вкус, масса его снижается в несколько раз.
Методика. В комбикормовом производстве этот вид сушки целесообразно применять для лечебных препаратов, витаминных добавок, стимуляторов роста и других биотермальных добавок, которые вводятся в комбикорма в малых дозах, подлежат сохранности, транспортируются на большие расстояния, упаковываются в трехслойные металлизированные пакеты с азотным наполнением и могут храниться несколько лет при обычной температуре.
Сублимированные продукты используются как оздоровительное питание и как направленное лечебно-профилактическое средство. Эти продукты используются в детском питании. Особая роль им отводится в создании государственных резервов продоволь-
ствия. Перед сушкой продукты замораживают, при этом важно обеспечить оптимальную скорость замораживания. Приемлемая структура кристаллов льда образуется при замораживании продукта в воздушном морозильном аппарате при температуре воздуха -30...-35°С или -50...-55°С в зависимости от вида продуктов.
Для осуществления сублимации парциальное давление водяного пара над сушимым материалом должно быть ниже давления тройной точки. Параметры тройной точки чистой воды следующие: температура 00С, давление 610,5 Па (4,58 мм рт. ст.). В воде, содержащейся в продуктах питания, растворены различные соли и минеральные вещества, поэтому температура ее замерзания и равновесное давление водяного пара ниже, чем для чистой воды. Соответственно для сублимации льда, образующегося в реальных продуктах питания, парциальное давление пара составляет 40-133 Па (0,3-1,0 мм рт. ст.). Этот процесс называют атмосферной сублимационной сушкой, так как он происходит в естественных условиях при атмосферном давлении в среде холодного и сухого воздуха с относительной влажностью менее 100% (например, высушивание рыбы на морозе в солнечные дни). Однако такой процесс очень длителен.
Известны результаты исследований, направленных на интенсификацию процесса атмосферной сублимационной сушки в промышленных аппаратах путем использования лучистого подвода теплоты к сушимому продукту, обдуваемому холодным воздухом или инертным газом, а также путем организации процесса высушивания гранулированного продукта в кипящем слое [ 1].
Вакуум-сублимационной установкой называют комплекс технологического оборудования, предназначенный для удаления из объекта обработки легколетучего компонента путем его перехода из твердого состояния в парообразное в условиях вакуума. Установки такого типа используют в химической промышленности для осуществления процессов разделения, а в биологической, медицинской и пищевых отраслях - для консервирования скоропортящихся продуктов посредством удаления части содержащейся в них влаги.
_Техническая характеристика УСС-5_
Единовременная загрузка, кг
Средняя продолжительность цикла, ч
Площадь противней, м2
Количество противней, шт.
Загрузка противня, кг
Максимальная температура нагревания, 0С
Температура поверхности десублиматора, 0С
Рабочее давление в сублиматоре, Па_
27003900 10-15 432 720 4-6 180 - 40 66,5
Современная вакуум-сублимационная установка УСС-5 (рис. 1) включает в себя сушильную (сублимационную) камеру, в которой расположены объект сушки (продукт) и средства энергоподвода, десублиматор с искусственно охлаждаемой поверхностью, на которой осаждается (десублимирует) удаленный из материала водяной пар, вакуум-насосы, создающие рабочий вакуум в сублимационной камере и непрерывно эвакуирующие из нее неконденсирующиеся газы, а также средства контроля и регулирования процесса сушки.
Результаты обсуждений. При сжигании твердого и жидкого топлива тепловой баланс котла составляют в килоджоулях (килокалориях) и относят к 1 кг израсходованного топлива; при сжигании газообразного топлива баланс составляют также в килоджоулях (килокалориях) и относят к 1 м3 газа, введенного в топку котельного агрегата. В обоих случаях тепловой баланс можно представить также в процентах [2, 3].
Распределение теплоты, полученной при сжигании топлива, на полезную теплоту и на потери теплоты, называется тепловым балансом котельного агрегата. За величину прихода теплоты принимают теплоту, внесенную в топку котла с рабочим топливом, т.е. низшую теплоту сгорания топлива.
Уравнение теплового баланса котельного агрегата в килоджоулях при сжигании 1 кг твердого или 1 м3 газообразного топлива представляется следующим образом (рис. 2):
Рис. 1. Принципиальная схема сублимационной установки УСС-5: 1- сублимационная камера;
2- манометрический преобразователь; 3- лоток с продуктами; 4- продуктовая тележка; 5- комплект термопреобразователей; 6- коллектор нагревательных плит; 7- вакуумный затвор; 8- пульт управления; 9 - вакуумный агрегат
Рис. 2. Диаграмма тепловых потоков сублимационной установки
QP = Ql + & + Qз + Q4 + Q5 + Q6 + Q^ + Q8,
где QP - теплота, введенная в котел;
01 - теплота, полезно использованная в котле на получение пара и горячей воды;
02 - потери теплоты с дымовыми газами;
03 - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
04 - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;
05 - потери теплоты в окружающую среду;
06 - потери с физической теплотой шлаков, удаляемых из топки;
07 - потери теплоты с водой из талого льда в канализацию;
08 - теплота на растопку льда из батарей де-сублиматора.
В располагаемую теплоту Qр, приходящуюся на 1 кг или 1 м3 топлива, входит теплота, вносимая в топку самим топливом, но так как величина физической теплоты топлива исключительно мала и не превышает 0,1-0,2% теплоты сгорания топлива, ее обычно исключают Q|р = 0Н- Разделив каждый член уравнения теплового баланса котельного агрегата из левой и правой частей на фН и умножив его на 100, получим тепловой баланс в процентах от теплоты сгорания: 100 = + Ц2 + Ц3 + ЦА + + Цб + 47 + Чв где
При сжигании жидкого и газообразного топлива потери теплоты q4 и отсутствуют, и уравнение теплового баланса котельного агрегата в процентах имеет вид:
100 = + Ц2 + Чз + + 47 + Чв -
^ X 100%; ц2 = X 100%.
Ун Ун
Абсолютное Температура Энтальпия Теплота Энтальпия сухого Удельный объем
давление р, МПа(кгс/см2) насыщения / 0С жидкости Г парообразования г насыщенного пара Г''=Г'+г сухого насыщенного пара V'', м3/кг
кДж/кг ккал/кг кДж/кг ккал/кг кДж/кг ккал/кг
0,1(1) 99,1 415,6 99,2 2260,5 539,5 2676,6 638,8 1,725
09(9) 174,5 739,5 176,5 2035,5 485,8 2775,0 662,3 0,219
1,4(4) 194,1 826,7 197,3 1964,7 468,9 2791,4 666,2 0,1434
2,4(24) 220,7 947,8 226,2 1856,2 443,0 2803,9 669,2 0,085
3,9(40) 249,1 1082,7 258,4 1720,4 410,6 2813,0 669,0 0,0508
Пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении, называется перегретым. Количество теплоты, расходуемое для получения 1 кг перегретого пара из воды 00С, называется энтальпи-
ей или теплосодержанием перегретого пара и обозначается /пе.
Параметры перегретого пара, вырабатываемого в котлах низкого и среднего давления, приведены в таблице 2.
Таблица 2. Параметры перегретого пара
Температура Энтальпия Удельный объем V, м /кг
перегретого перегретого пара, /пе
пара ¿,°С кДж/кг ккал/кг
225 2891,5 690,1 0,2501
250 2946,4 703,2 0,2647
440 3353,3 800,3 0,3693
Полезно использованная теплота q1.
Полезно использованной считается теплота, затраченная на получение пара заданного давления и температуры питательной воды [4]. При нагреве воды в котле упругость образующегося в нем пара и давление возрастают, одновременно увеличивается и температура кипения: чем выше давление, тем выше температура кипения.
Пар, находящийся в котле вместе с кипящей водой, называется насыщенным, температура, при которой происходит кипение жидкости (при данном давлении) - температурой кипения или температурой насыщения и обозначается . Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара, обозначается буквой х и выражается в долях или процентах. Если в насыщенном паре нет капелек воды, то он называется сухим насыщенным паром (х=1 или х=100%).
Количество теплоты, расходуемое для нагрева 1кг воды от 00 С до температуры кипения при постоянном давлении, называется теплотой или энтальпией жидкости.
Количество теплоты, которое требуется для того, чтобы при неизменном давлении и температуре превратить 1 кг кипящей воды в пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой г.
Общее теплосодержание сухого насыщенного пара, кДж/кг (ккал/кг), складывается из теплосодержания жидкости при температуре кипения и скрытой теплоты парообразования I "=1 '+г.
Потери теплоты ф с уходящими газами в окружающую среду. Эти потери в процентах определяются как разность энтальпий продуктов сгорания, уходящих из котельного агрегата, и холодного воздуха, поступающего в агрегат. Потери теплоты ф2 в значительной степени зависят от режима
работы и состояния качества эксплуатации котельного агрегата. Например, потери теплоты с уходящими газами в котлах, оснащенных топками с ручным обслуживанием, бывают велики из-за периодичности загрузки топлива, неравномерного выделения теплоты и расхода воздуха.
Потери теплоты ф от химической неполноты горения. При сжигании твердых топлив показателем химической неполноты горения является присутствие в уходящих дымовых газах окиси углерода, а сжигании газообразного топлива - окиси углерода и метана. При нормальном ведении режима горения ф =1% для слоевых и 0-0,5% для пылеугольных топок.
Потери теплоты ф4 от механической неполноты горения. Потери теплоты от механической неполноты горения состоят из потерь от провала несгоревших частиц топлива через колосники в зольник и уноса мелких частиц топлива в газоходы котла. Эти потери зависят от конструкции колосниковой решетки, силы тяги, размеров кусков топлива и его спекаемости.
Потери с уносом могут быть значительными при слоевом сжигании, если дутье слишком сильное и тяга излишне велика. В этом случае происходит большой вынос мелких частиц топлива, которые представляют собой несгоревший кокс.
Особенно нежелательна смесь крупного топлива с мелочью. В этом случае горение слоя получается неоднородным: мелочь выгорает быстрее и потоком воздуха выдувается из слоя, образуя кра-теры, через которые в топку поступает лишний воздух, охлаждая ее. Крупные куски топлива покрываются шлаковой коркой и полностью не выгорают. В среднем потери с механической неполнотой сгорания для пылеугольных поток составляют 1-2%.
Потери теплоты ф5 в окружающую среду. Потери теплоты нагретыми внешними поверхностями в окружающую среду зависят от типа и паропроизводительности котла, его конструкции, качества обмуровки и нагрузки котлоагрегата. Если в процессе эксплуатации котлоагрегата будут часто и на продолжи-
тельное время открывать дверки и лючки, то потери на лучеиспускание в окружающую среду возрастут. Возрастут потери также при сквозняках в котельном помещении.
Потери q6 с физической теплотой шлаков, удаляемых от топки котла. Эти потери учитывают только при сжигании твердых топлив как в кусковом, так и в пылевидном состоянии. Они зависят от зольности топлива и системы шлакозолоудаления. С увеличением зольности потеря теплоты возрастет.
Выводы.
1. Уравнение теплового баланса позволяет вычислить КПД (п) котла, при этом определить реальные тепловые потери. В рассматриваемом случае полезно используемая теплота rj=Qi + <<=60+15=75%.
2. Величина тепловых потерь равна 100-П=100-75=25%. Анализ соответствующих потерь показывает, что <<=5% - потери теплоты воды из талого льда на сублиматорах в канализацию можно при небольших затратах на очистку повторно использовать в котле. Большие потери теплоты дымовыми газами (9%), их возможно сократить за счет снижения подачи воздуха и периодичности загрузки топки.
3. Возможно повысить КПД котла до 80%.
Литература:
1. Камовников Б.П., Фомин М.Е. Технико-экономические показатели сублимационных установок // Мясная индустрия СССР. 1975. №7. С. 16-18.
2. Что такое тепловой баланс? URL: http:// www. kak-prosto.ru (дата обращения: 14.01.2015)
3. Составные части теплового баланса котла (котельного агрегата). URL: www.sergey-osetrov.narod.ru (дата обращения: 14.01.2015)
4. Сыроватка В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. М., 2010.
5. Сыроватка В.И., Обухова Н.В., Комарчук А.С. Новые технические решения приготовления комбикормов в хозяйствах // Кормопроизводство. 2010. №7.
6. Сыроватка В.И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах // Техника и оборудование для села. 2011. №6. С. 22-25.
7. Сыроватка В.И., Сергеев Н.С. Исследование рабочих органов измельчителей семян рапса и фуражного зерна // Техника в сельском хозяйстве. 2008. №2.
8. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по механизации и автоматизации животноводства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2009. №1. С. 10.
Literatura:
1. Kamovnikov B.P., Fomin M.E. Tehniko-ekonomiches-kie pokazateli sublimacionnyh ustanovok // Myasnaya industriya SSSR. 1975. №7. S. 16-18.
2. Chto takoe teplovoy balans? URL: http://www.kak-prosto.ru (data obrascheniya: 14.01.2015)
3. Sostavnye chasti teplovogo balansa kotla (kotelnogo agregata). URL: www.sergey-osetrov.narod.ru (data obrascheniya: 14.01.2015)
4. Syrovatka V.I. Mashinnye tehnologii prigotovleniya kombikormov v hozyaystvah. M., 2010.
5. Syrovatka V.I., Obuhova N.V., KomarchukA.S. Novye tehnicheskie resheniya prigotovleniya kombikormov v hozyaystvah // Kormoproizvodstvo. 2010. №7.
6. Syrovatka V.I. Resursosberezhenie pri proizvodstve kombikormov v hozyaystvah // Tehnika i oborudovanie dlya sela. 2011. №6. S. 22-25.
7. Syrovatka V.I., Sergeev N.S. Issledovanie rabochih or-ganov izmelchiteley semyan rapsa i furazhnogo zerna // Tehnika v selskom hozyaystve. 2008. №2.
8. Ivanov Y.A. Napravleniya nauchnykh issledovanij po mekhanizatsii i avtomatizatsii zhivotnovodstva // Sel'sko-khozyajstvennye mashiny i tekhnologii. 2009. №1. S. 10.
HEAT BALANCE FREEZE-DRYERS
V.I. Syrovatka, Academician of Russian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences, Head. department All-Russian Research Animal Husbandry Mechanization Institute
Abstract. It's presented an analysis of thermal balance of the sublimated installation boiler unit operates in solid and gas fuel combustion. The heat is introduced into the boiler in the form of coal or gas, is divided into eight components, some of them are used for useful processes, and other are believed as irreversible losses. By using the given above data irreversible losses approximately can be minimize reduced and its Useful Effect Coefficient of sublimated installation efficiency increased. In particular, by gas or liquid fuel using the q2 and q6 losses are approached zero, and q3 is cut in two times. A great deal of heat savings reserve can be obtained from the reusing of hot water after cooling it by a desublimation, as well as of insulation sublimated camera warming. It is important to maintain the optimal temperature of sublemation during the entire cycle (10-15 hours), that is determined by experience for each type of processing products and put into the process control algorithm.
Keywords: sublimating installation, the boiler's heat balance, desublimator, Useful Effect Coefficient, the triplrx point 's parameters, the heat flows.
