Оптимизация энергосберегающих схем установок конвективной сушки термолабильных материалов

На правах рукописи

ГАРЯЕВ АНТОН АНДРЕЕВИЧ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СХЕМ УСТАНОВОК КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание учной степени кандидата технических наук

Москва – 2011 г.

2

Работа выполнена на кафедре Тепломассообменных процессов и установок Московского энергетического института (технического университета).

Научный консультант: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Яковлев Игорь Васильевич официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шелгинский Александр Яковлевич.

кандидат технических наук, доцент Шамсутдинов Эмиль Василович Ведущая организация ЗАО «ЭСКоТек»

Защита диссертации состоится «30» июня 2011 года в 14 час 00 мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:

г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «» мая 2011 г.

Председатель диссертационного совета, д.т.н., профессор Рыженков В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительная часть современных конвективных сушильных установок характеризуется низкой энергетической эффективностью. Основная доля потерь теплоты в сушильных установках (до 70%) приходится на потери с отработанным сушильным агентом, а потому энергосберегающие мероприятия должны быть направлены на их снижение или полезное использование данной теплоты для технологических нужд. Для утилизации теплоты отработанных влажных газов помимо распространенного метода частичной рециркуляции все больше внимания уделяется применению теплонасосных установок (ТНУ) и конденсационных теплоутилизаторов (КТУ).

Однако, даже достаточная проработка методов расчета таких установок, наличие исследований их работы и существование действующих сушильных установок с применением рециркуляции, ТНУ или КТУ не дает полной, систематизированной информации и рекомендаций по выбору схемных решений, режимных параметров и по расчету потенциала экономии энергоресурсов. До настоящего времени не рассматривались схемы сушильных установок, совмещающих в себе одновременное применение указанных энергосберегающих мероприятий. Существует необходимость их исследования с целью выбора оптимальных схем с точки зрения энергетической и экономической эффективности. Недостаток информации, подтверждающей техническую и экономическую целесообразность применения схем с использованием КТУ и ТНУ, требующих значительных инвестиций, препятствует их практической реализации.

Для правильного расчета, проектирования, успешной эксплуатации и оценки технико-экономических показателей оптимальных энергосберегающих схем сушки влажных материалов необходима систематизация и комплексное исследование всех возможных вариантов, объединяющих в себе рециркуляцию сушильного агента, использование ТНУ и КТУ в различных комбинациях.

Наибольший потенциал применения теплонасосных установок и конденсационных теплоутилизаторов для использования теплоты отходящего сушильного агента сосредоточен в тех теплотехнологических процессах сушки, в которых агент имеет невысокую температуру. К таким процессам относится сушка термолабильных материалов. Сушка указанных материалов (семена, протеин, лактоза, молочный порошок, винная и лимонная кислота и т.д.) имеет широкое применение в пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Повышение эффективности использования теплоты может привести к существенной экономии энергетических ресурсов в масштабах данной отрасли.

Целью работы является структурная оптимизация энергосберегающих схем установок конвективной сушки термолабильных материалов с одновременным применением в различных комбинациях энергосберегающих мероприятий по утилизации теплоты отходящего сушильного агента: рециркуляции, конденсационного теплоутилизатора и теплонасосной установки.

Для достижения указанной цели поставлен и решен ряд научно-технических задач, включающий:

- разработку обобщенной математической модели установки конвективной сушки термолабильных материалов при использовании теплоты отходящего сушильного агента в технологическом цикле за счет рециркуляции, применения КТУ и ТНУ в различных комбинациях;

- расчет энергетических показателей всех возможных к применению схемных энергосберегающих решений в установках конвективной сушки термолабильных материалов, направленных на утилизацию теплоты отработанного сушильного агента, для регионов с различными климатическими условиями;

- оптимизацию энергосберегающих схем установок конвективной сушки термолабильных материалов на основании результатов энергетического и технико-экономического анализа.

Научная новизна 1. Впервые представлены, систематизированы и сопоставлены возможные варианты энергосберегающих схем конвективной сушки термолабильных материалов при одновременном применении рециркуляции, КТУ и ТНУ в различных комбинациях с целью утилизации теплоты отходящего сушильного агента.

2. Разработана обобщенная математическая модель установки конвективной сушки термолабильных материалов, а также ее отдельных элементов при использовании теплоты отходящего сушильного агента в технологическом цикле за счет рециркуляции, применения КТУ и ТНУ.

3. Проведена оптимизация схем конвективной сушки термолабильных материалов при одновременном применении рециркуляции, КТУ и ТНУ в различных комбинациях с использованием разработанной модели. Впервые показано, что наибольшая экономия первичного условного топлива достигается при применении схемы с парокомпрессионной ТНУ. В рассмотренном в работе диапазоне рабочих технологических параметров (температура наружного воздуха от -33°С до +28,9°С;

производительность сушильной установки от до 440 кг/ч по исходному продукту;

температура сушильного агента 45°С) экономия первичного условного топлива составляет до 50-54%.

4. Показано, что наилучшими технико-экономическими показателями (чистый дисконтированный доход, срок окупаемости) обладает схема с совместным применением КТУ и ТНУ вне зависимости от времени года и климатических условий. При этом экономия первичного условного топлива соизмерима с экономий в схеме с применением только ТНУ.

5. Показано, что в схемах с утилизацией теплоты отработанного сушильного агента посредством ТНУ существует оптимальное, с точки зрения технико экономических показателей, распределение тепловой нагрузки между ТНУ и другими источниками теплоты (КТУ, дополнительный подогреватель).

Практическая ценность 1. Разработанные в диссертации математическая модель и программный модуль позволяют производить трудоемкие (в том числе многовариантные) расчеты энергосберегающих схем установок конвективной сушки термолабильных материалов с утилизацией теплоты отходящего сушильного агента при применении рециркуляции, парокомпрессионного теплового насоса и конденсационного теплоутилизатора. После соответствующей модификации разработанный программный модуль может быть применен для расчета и сопоставления энергосберегающих схем установок конвективной сушки для других типов материалов и применяемого оборудования.

2. Предложенный метод расчета цикла парокомпрессионного теплового насоса позволяет отказаться от использования таблиц и диаграмм термодинамических и теплофизических свойств за счет применения полиномиальных и рациональных функций и производить многовариантные расчеты, а также импортировать их результаты в другие программные модули.

3. Созданы программные модули для расчета времени сушки древесины в камерных конвективных сушильных установках периодического и непрерывного действия в соответствии с Руководящими техническими материалами по технологии камерной сушки пиломатериалов (ОАО «Научдревпром - ЦНИИМОД»), позволяющие производить расчеты, отказавшись от трудоемкого метода с использованием таблиц.

На защиту выносятся:

Математическая модель и программный модуль расчета энергосберегающих схем установок конвективной сушки термолабильных материалов и элементов схем с применением рециркуляции, ТНУ, КТУ во всем спектре комбинаций.

Результаты оптимизации схем конвективной сушки термолабильных материалов для различных климатических условий при одновременном применении рециркуляции, КТУ и ТНУ в различных комбинациях с использованием разработанной модели и программного комплекса.

Заключение о достижении наибольшей экономии первичного условного топлива при реализации энергосберегающей схемы установки конвективной сушки термолабильных материалов с применением ТНУ в исследованном диапазоне рабочих параметров независимо от периода года и климатических условий.

Рекомендации по выбору энергосберегающих схем установок конвективной сушки термолабильных материалов, полученные на основании результатов энергетического и технико-экономического анализа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на национальных и международных конференциях: 13, 14, 15 и Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов:

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва, 2007-2010 гг.;

Третьей, Четвертой и Пятой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика». Москва, 2006, 2008 и 2010 г.;

Третьей Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». Москва, 2008 г.;

Международной научно-практической конференции "Биоэнергетика и биотехнологии эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки".

Москва, 2010 г.

Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 10 опубликованных работах, в том числе в одной публикации в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 96 наименований, и приложений. Общий объем диссертации составляет 172 страницы, включая рисунки и таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность применения энергосберегающих мероприятий при сушке термолабильных материалов с использованием утилизированной теплоты отходящего сушильного агента в технологическом процессе. Сформулированы цели работы, обоснована ее актуальность, показана научная и практическая ценность. Отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены результаты анализа теоретических и экспериментальных исследований методов утилизации теплоты отработанного сушильного агента в установках конвективного типа, составляющих основную долю в парке эксплуатируемых в России и СНГ сушил. Подтверждена необходимость подробного исследования мероприятий, решающих задачу снижения энергоемкости процесса сушки.

Наиболее распространенным из числа энергосберегающих мероприятий является рециркуляция сушильного агента, широко используемая на действующих в промышленности установках. Причем это касается не только высокотемпературной сушки, например кирпича, но и низкотемпературной сушки таких материалов, как продукция фармацевтической отрасли, некоторые породы древесины и т.д. Положительный эффект от использования рециркуляции в виде сэкономленного топлива может быть достигнут в основном в высокотемпературной сушке. При низких температурах агента сушки рециркуляция оправдана с точки зрения повышения качества конечного продукта при условии покрытия дополнительных эксплуатационных затрат, вызванных ростом времени сушки, приростом прибыли от продажи продукции.

Теоретические вопросы рециркуляции изучались в работах Данилова О.Л., Коновальцева С.И. и др. Ими были рассмотрены и изучены все принципиальные возможности организации рециркуляции, выявлены наиболее перспективные, введены понятия оптимального и предельного коэффициентов рециркуляции.

Другим доступным методом утилизации теплоты отработанного сушильного агента является использование установленного на его пути перед выбросом в атмосферу КТУ. Применяются утилизаторы как рекуперативного, так и контактного типа, однако, для малых и средних по производительности сушильных установок, подходящих для сушки небольших объемов термолабильных материалов, именно рекуперативные могут дать ряд преимуществ: простота интеграции в газоход, отсутствие необходимости организации схемы оборотного водоснабжения и т.д. Благодаря внедрению КТУ в схему установки появляется возможность утилизировать скрытую теплоту уходящего сушильного агента (при температурах свежего агента, меньших температуры точки росы отработанного). Осушенный при этом сушильный агент расширяет возможности применения рециркуляции. На практике КТУ применяются при производстве бумаги на целлюлозно бумажных комбинатах, на деревообрабатывающих предприятиях, в окрасочных камерах. Авторы, исследовавшие работу КТУ в сушильной технике (С.А.

Перейра и др.), подтвердили перспективность их применения в данной области.

Однако, отсутствие сравнительного анализа различных схемных решений, слабая проработка вариантов одновременного использования КТУ и рециркуляции (в т.ч. применительно к низкотемпературной сушке, где положительный эффект их внедрения еще необходимо доказать) указывают на необходимость более глубокой проработки данного вопроса.

В последнее время расширяется применение ТНУ, в первую очередь парокомпрессионного типа, имеющих перспективы. На данном этапе развития теплонасосной техники основного эффекта от применения теплонасосных сушильных установок (ТНСУ) следует ожидать именно при сушке различных термолабильных материалов (в настоящее время они применяются для сушки семенного зерна, кукурузы, солода, лекарственных растений и т.д.). Невысокие температуры конденсации применяемых экологически безопасных рабочих веществ, используемых в парокомпрессионных машинах, и невысокая эффективность их работы при большой разнице температур источника и потребителя теплоты ограничивают применение ТНСУ для сушки материалов, нагрев которых превышает 60-65°С. Абсолютное большинство исследований работы ТНУ в технологическом комплексе с конвективными сушильными установками относится к схеме с замкнутым контуром циркуляции сушильного агента. Результаты исследований (Чайченец Н.С., Янторовский Е.И. и др.) показали возможности существенной экономии финансовых средств при отказе от электрокалориферов или теплогенераторов на жидком топливе в пользу ТНУ. Вместе с тем, отдельные авторы подчеркивают, что при отсутствии особо высоких требований к качеству высушенного материала, схемы с теплонасосным осушителем могут быть менее экономичными в сравнении с прямоточными. Как и в случае с КТУ, основные пробелы в теоретических и экспериментальных исследованиях ТНСУ лежат в области обобщения, сопоставления и анализа показателей различных схем. В случае одновременного исследования нескольких схем практически отсутствуют рекомендации по применению того или иного варианта. За исключением работ Захарова М.К., Евдокимова А.В., Гришина Б.И., Снежкина Ю.Ф. и Чалаева Д.М, основная доля работ по ТНСУ относится к 80-90 гг. прошлого века. За время произошли существенные изменения в теплонасосной технике:

появились новые типы хладагентов, компрессоров и т.д. Остро стоит необходимость в пересчете достижимых энергосберегающих эффектов и создании доступного инструмента для его выполнения – программного модуля, на основании которого можно будет проводить численные исследования перспективных схем и многовариантные расчеты характеристик уже применяемых схем для сушки термолабильных материалов.

Применение любого из вышеперечисленных энергосберегающих мероприятий не позволяет нагревать исходный сушильный агент до высоких температур, поэтому их применение может быть рекомендовано, в первую очередь, для процессов обезвоживания термолабильных материалов.

В литературе по сушке представлены лишь единичные исследования комбинированных схем с использованием вышеперечисленных мероприятий, к ним относятся, например, работы С.А. Перейры, выявляющие потенциал совместного применения ТНУ и КТУ. Таким образом, систематический анализ различных комплексных энергоэффективных схем установок для сушки термолабильных материалов, как и рекомендации по их использованию для различных периодов года и различных регионов, представляют значительный научный и практический интерес. Также для таких схем требуются оценки получаемого энергосберегающего эффекта и технико-экономических показателей.

Во второй главе описан процесс создания модели с сосредоточенными параметрами, описывающей процесс сушки термолабильного материала в конвективной сушильной установке непрерывного действия с применением энергосберегающих мероприятий, направленных на утилизацию теплоты отработанного сушильного агента.

Рассматривалась установка камерного типа, в которой проводилась сушка лекарственного сырья – семян тмина. В основу модели положены уравнения кинетики сушки, уравнения тепловых и материальных балансов для элементов схемы, уравнения теплопередачи теплообменных аппаратов, термодинамические зависимости для расчета парокомпрессионной ТНУ.

Рассматриваемые в работе схемы состоят из повторяющихся элементов, что позволило разбить всю модель на отдельные характерные блоки, из которых далее компоновать любой вариант расчетной схемы, благодаря принятому условию взаимозаменяемости. Разработаны следующие элементарные блоки:

блок расчета статики сушки;

кинетики (времени) сушки;

блок расчета процесса рециркуляции;

расчетный блок теплонасосной установки с подсистемами расчета его испарителя и конденсатора;

блок расчета КТУ и наконец, итоговый блок сопоставления результатов.

Время сушки древесины, ч 140 60 3 4 5 Номер режима сушки Рис.1. Зависимость времени сушки древесины сосны от психрометрической разности 1 – метод приведенного критического влагосодержания (н);

2 - метод приведенного критического влагосодержания (п);

3 – программный модуль РТМ (н);

4 – программный модуль РТМ (п);

5 – ручной счет РТМ (н);

6 – ручной счет РТМ (п);

(н) – непрерывная сушка;

(п) – периодическая В качестве метода расчета времени сушки был выбран метод приведенного критического влагосодержания А.В. Лыкова, как хорошо зарекомендовавший себя на протяжении многих лет для различных условий сушки. В основе метода лежит замена действительной кривой сушки, имеющей сложный характер, на прямую благодаря вводу относительного коэффициента сушки.

Разработанная Удельная тепловая мощность, программа 205 Solkane 6. CoolPack 1. -2,5% кДж/кг +2,5% REFPROP 6. 185 (NIST) DuPont (PRSV) 30 35 40 45 Температура конденсации, °С Рис.2. Зависимость удельная мощности конденсатора идеальной парокомпрессионной теплонасосной установки от температуры конденсации при следующих параметрах:

температура испарения -5°С, перегрев 10°С, переохлаждение 0°С В силу наибольшего развития ТНСУ для сушки древесины апробация модели проведена на данном материале, тем более что некоторые его типы обладают свойствами термолабильности. С целью проверки работоспособности модели и упрощения ее возможного практического использования в дальнейшем был разработан дополнительный блок расчета времени сушки. За основу был принят РТМ (Руководящий технический материал) по технологии камерной сушки пиломатериалов ОАО «Научдревпром - ЦНИИМОД». Сопоставление полученных результатов приведено на рис.1. Максимальное расхождение результатов расчетов по модели и инженерной методике составляет 6,6%.

Разработанная математическая модель и программный блок расчета цикла работы парокомпрессионного теплового насоса позволяет рассчитывать термодинамические и теплофизические свойства его рабочего агента (фреон R407c), а именно: t j, p j, h j, s j, j, c pj, j, j, во всех точках цикла Для расчета параметров хладагента после сжатия в идеальном компрессоре были предложены следующие уравнения:

hs k (log( ps pV ))2 l (log( ps pV )) hV, (1) где коэффициенты k 8,5260 106 hV 0,0115 hV 4,9719 hV 6,8814, (2) l 3,4870 104 hV 0,4222 hV 170,1940 hV 22,8974 103, 3 (3) (152,6655 40,4003 ss 11,5615 ln( ps )) hs. (4) (1 0,2277 ss 0,0638 ln( ps ) 0,0025 (ln( ps ))2 ) Первое уравнение (1) используется при отсутствии или небольших значениях перегрева паров хладагента перед компрессором ТНУ, второе (4) – при больших.

1, 1, Холодильный коэффициент +5% 1, R407c трансформации 1, (эксперимент) 1, 1,2 Модель 1, -5% 0, -40 -38 -36 -34 -32 - Температура испарения, °С Рис.3. Сравнение холодильного коэффициента трансформации, полученного экспериментально и с помощью разработанной модели работы парокомпрессионной машины Для подтверждения адекватности данной модели было произведено сравнение с результатами вычислений, выполненных по европейским нормам EN12900 и по существующим программам расчета свойств фреонов: Solkane 6.0.1.6, REFPROP 6.01 и CoolPack 1,46, а также с результатами вычислений по уравнению состояния Пенга-Робинсона, которое легло в основу табличных данных производителя хладагентов - компании DuPont. Отметим, что непосредственное использование при разработке расчетного модуля уполянутых программ было невозможно в силу следующих основных причин:

- отсутствие функциональной возможности интеграции результатов проведенных вычислений в иные программы для последующего использования, что делает невозможным их использование в расчетах и исследованиях систем, в которых холодильная машина является не единственным элементом;

- отсутствие возможности проведения многовариантных расчетов, что ставит под вопрос возможность системного моделирования холодильных систем и поиска их оптимального режима работы. Результаты сравнения приведены на рис.2.

Было произведено сравнение (рис.3.) итоговой модели с результатами экспериментальных работ из области холодильной техники (Ж. Хелльман и Р.

Доринг - А. Йоханнсен). Результаты расчетов по модели отличаются от экспериментальных данных не более чем на 5,3%, поэтому разработанную математическую модель можно считать адекватной и пригодной для численных исследований.

Целью создания подсистем для теплообменных аппаратов ТНУ было проведение их конструктивного расчета. В качестве метода расчета испарителя был выбран метод коэффициент влаговыпадения (5), как наиболее подходящий в силу следующих объективных причин:

- температура поверхности теплообмена не изменяется или изменяется слабо (величина перегрева паров фреона невелика (до 10°С), испарение, если пренебречь малой величиной температурного глайда 5-7°С, испарение идет при постоянной температуре);

- температура поверхности близка к температуре холодного теплоносителя (верно в силу значительной величины коэффициента теплоотдачи фреона).

H '2 H '' (5) c psr (t '2 t ''2 ) Расчет конденсатора проводился по стандартной методике. В расчетах и испарителя, и конденсатора теплового насоса полагалось, что эффективность аппаратов равна 80%.

В данной работе установка КТУ рассматривается в качестве альтернативы использования теплового насоса для утилизации теплоты отработанного влажного агента сушки или в качестве его дополнения. По условиям работы КТУ температурный уровень работы сушильной установки будет небольшим, а режимы сушки – мягкими (низкотемпературными). С учетом вышесказанного справедливы следующие допущения:

- зависимость температуры и энтальпии поверхности теплообмена в рабочем интервале температур с достаточной точностью можно считать линейной;

- Стефанов поток пренебрежимо мал;

- плнка конденсата не оказывает существенного влияния на процесс теплообмена, поскольку влагосодержание вытяжного воздуха невелико;

- выполняется аналогия между процессами тепло- и массообмена, и справедливы соотношение Льюиса и уравнение Меркеля:

x, q ( H1 H w ) (6), (7) cp cp Расчет конденсационного теплоутилизатора, в качестве которого выступает пластинчатый теплообменный аппарат с оребренной поверхностью, производился по методу, предложенному А.Б. Гаряевым. Он основан на решении системы дифференциальных уравнений в частных производных (8), сводимой к дифференциальному уравнению второго порядка гиперболического типа для разности температур теплоносителей, аналитическое решение которого было получено Анцелиусом и Нуссельтом.

G1 c p H L x ( H1 H w ) 1 1 01 y (8) G2 c p1 c p 2 t2 ( H H ) L y 1 w 1 1 01 x Энтальпия холодного теплоносителя на стенке может быть найдена через баланс тепловых потоков на оребренной стенке, пренебрегая е термическим сопротивлением:

1 01 1 ( H1 H w ) 1 01 1 H 2 02 2 (tw t2 ) (9) c p1 c p В результате получено распределение разности энтальпий, позволившее найти количество переданной теплоты в теплообменнике при заданных расходах и параметрах теплоносителей на входе, а также заданных размерах.

При расчете параметров воздуха на выходе из КТУ было сделано допущение о линейности процесса его осушения, проходящего через точку, характеризующуюся средней температурой поверхности теплообмена.

Завершается 2-ая глава описанием комплексной модели и алгоритма, которые позволяют производить расчеты энергосберегающих схем сушильных установок, включающих в себя все рассмотренные элементы в различных комбинациях.

В третьей главе на основе численных исследований проводится оптимизация и анализ энергосберегающих схем конвективных сушильных установок для сушки термолабильных материалов. Данные схемы рассматриваются для случаев теплого (неотопительного) и холодного (отопительного) периодов года, т.к. в эти периоды воздух, используемый в качестве сушильного агента, имеет различную исходную температуру и влажность. Исследования проведены для трех городов России: Ростова-на Дону, Кирова и Омска.

На первом этапе проводилась структурная оптимизация рассматриваемых схем. В качестве целевых функций принимались затраты условного и первично условного топлива на осуществление цикла сушки термолабильного материала.

В качестве основного критерия сопоставления схем был использован суммарный расход первичного условного топлива (тонны п.у.т.) при теплоснабжении от местной котельной и использовании электроэнергии из сети энергосистемы с соответствующими величинами удельных расходов: 237 кг п.у.т./Гкал и 389 г п.у.т./ кВтч.

В качестве предлагаемых к совместному внедрению повышающих эффективность работы сушильной установки мероприятий использовались рециркуляция, применение КТУ и ТНУ. Тем самым было решено остановиться на 3-х группах схем:

- схемы с одновременным применением рециркуляции части или всего объема отработанных газов и теплонасосной установки парокомпрессионного типа во всех возможных вариантах организации схем;

- схемы с одновременным применением рециркуляции и конденсационного теплоутилизатора, осуществляющего нагрев свежего сушильного агента за счет теплоты отработанного;

- схемы с совместным использованием КТУ и ТНУ.

Первая группа схем содержала 22 возможных варианта организации системы, из которых после первичного анализа было отобрано и подробно исследовано в летний период и 8 – в зимний. Большое число исключенных из рассмотрения схем объясняется крайне низкой эффективностью применения рециркуляции при низкотемпературной сушке.

а) б) Рис.4. Принципиальный вид схем утилизации ВЭР отработанного сушильного агента конвективной сушильной установки с одновременным применением его рециркуляции и ТНУ: а) – Схема с ТНУ;

б) – Схема с ТНУ и рециркуляцией СК – сушильная камера;

Д – дополнительный подогреватель;

И – испаритель ТНУ;

К – конденсатор ТНУ Расчетным путем установлено, что вариантом, оптимальным с точки зрения потребления энергоресурсов, является схема с применением ТНУ (рис.4а). Ее применение позволит сэкономить около 35,3% энергоресурсов при расчетных условиях холодного периода в сравнении с исходной схемой без энергосберегающих мероприятий и до 56,2% - при расчетных условиях теплого.

Важный результат получен при численном исследовании варианта схемы с одновременным применением ТНУ и рециркуляции (рис. 4б), рассматривалась рециркуляция части отработанного воздуха после его прохождения через испаритель теплового насоса для расчетных условий холодного периода: здесь при коэффициенте рециркуляции, равном 0,111, наблюдается оптимум (минимум) суммарных затрат первичного условного топлива. Первоначально снижение требуемой тепловой мощности на нагрев сушильного агента опережает прирост времени сушки, что приводит к снижению подводимой к воздуху теплоты за цикл. При дальнейшем росте коэффициента рециркуляции ситуация меняется на противоположную. В итоге это приводит к нелинейному характеру изменения расхода топлива на теплоснабжение (вариант с местной котельной) – рис. 5, и расхода теплоты на цикл – рис.6.

0,22 2, 0,06 0, 0, 0,055 0, 0,18 1, 0,05 0,009 0, 0,14 1, 0,045 0, 0, 0,04 0,004 0,1 0 1 2 3 4 0 1 2 3 Коэффициент рециркуляции Коэффициент рециркуляции Суммарный расход топлива на Количество подводимой сушку, т пут теплоты, Гкал Расход топлива на Требуемая тепловая теплоснабжение, т пут мощность, Гкал/ч Расход топлива на Время сушки, ч электроснабжение, т пут Рис.5. Зависимость расхода Рис.6. Зависимость расхода теплоты первичного условного топлива от на сушку и ее времени от коэффициента рециркуляции в схеме коэффициента рециркуляции в схеме с ТНУ и рециркуляцией с ТНУ и рециркуляцией Примечание: значения точек графических зависимостей, построенных пунктирной линией, нанесены на правую вспомогательную ось.

Второй набор схем (рециркуляция с использованием КТУ) имеет возможных вариантов организации схем сушки. Из них численно исследовалось 7 для варианта эксплуатации в холодный период, поскольку остальные являются нереализуемыми на практике. В неотопительный период эффективность применения КТУ для подогрева свежего сушильного агента за счет теплоты отработанного крайне низка ввиду теплоперепада, стремящегося вместе с величиной сэкономленной теплоты к нулю.

Оптимальным с точки зрения затрат первичного топлива оказался простейший вариант с КТУ (рис.7), позволяющий при температуре наружного воздуха, равной -33°С, снизить расход энергоресурсов на 29,8%.

Третья группа схем, характеризующаяся одновременным применением КТУ и ТНУ, содержит 15 вариантов. Для зимних условий было проработано вариантов, для летних – 7. Другие варианты были отклонены на этапе предварительного анализа, как заведомо нереализуемые или малоэффективные.

Из результатов проведенных исследований можно сделать вывод о наибольшей перспективности схемы, изображенной на рис.8.

Рис.7. Принципиальный вид схемы с КТУ утилизации ВЭР отработанного сушильного агента конвективной сушильной установки в КТУ СК – сушильная камера;

КТУ – конденсационный теплоутилизатор Рис.8. Принципиальный вид схемы утилизации ВЭР отработанного сушильного агента конвективной сушильной установки с одновременным применением ТНУ и КТУ.

(Обозначения те же, что на рис.4 и 7) Схема является промежуточным вариантом первых двух отобранных схем;

сочетая в себе все их основные положительные качества, предоставляя возможность достижения соизмеримой величины экономии – 41,5% зимой и 58,5% летом. Схема позволяет исключить недостатки схем, в которых КТУ и ТНУ используются раздельно, а именно:

- добиться экономии энергоресурсов летом, что недостижимо при использовании в системе только конденсационного теплоутилизатора;

- повысить надежность схемы в период аварии, ремонта или обслуживания одного из утилизаторов, поскольку в работе остается другой;

- снизить первоначальные капиталовложения в теплонасосную установку, являющуюся самым дорогостоящим элементом схемы.

Для проведения дальнейших технико-экономических расчетов на данном этапе были отобраны три оптимальные схемы по принципу минимума энергозатрат на их работу. Сделан вывод о наибольшей перспективности схемы с одновременным применением последовательно включенных КТУ и ТНУ по ходу движения утилизируемых отработанных газов при конвективной сушке термолабильных материалов.

В четвертой главе проведено экономическое сопоставление выбранных в третьей главе схем, оптимальных исходя из минимума энергетических затрат на цикл сушки влажного материала. Таких схем в итоге было отобрано три (плюс прямоточная схема для сопоставления результатов):

- прямоточная сушильная установка с парокомпрессионным тепловым насосом, испаритель которого установлен на выходе из камеры сушки, а конденсатор – на входе, но перед дополнительным подогревателем, чье применение может потребоваться в холодный период года;

- прямоточная сушильная установка с КТУ, нагревающим свежий сушильный агент за счет утилизации теплоты отработанного;

- прямоточная сушильная установка с одновременным применением КТУ и ТНУ, испаритель которой установлен за утилизатором по ходу движения отработанных газов.

300, 126,12 47,67 123, 250, 200, Разница затрат, т 150, п.у.т.

246, Суммарные 100,00 198, затраты, т 123, 120, п.у.т.

50, 0, Прямоточная Схема с ТНУ Схема с КТУ Схема с КТУ схема и ТНУ Рис.9. Гистограмма суммарных затрат в первичном условном топливе при теплоснабжении сушильных установок от местной котельной: г. Киров Работа всех схем была исследована в условиях холодного (отопительного) периода, теплого (неотопительного) периода и за весь год для трех областей возможного применения: Омской, Кировской и Ростовской. Численные исследования показали, что независимо от местоположения установки наибольшей экономии первичного условного топлива в случае замещения нагрузки, покрываемой местной котельной, при эксплуатации только в неотопительный период можно добиться при применении схемы с последовательным включением КТУ и ТНУ. Различной будет лишь величина экономии энергоресурсов: 57,0%, 57,5% и 56% соответственно.

ЧДД, тыс.руб.

Схема с ТНУ Схема с КТУ 0 8 16 - Схема с КТУ+ТНУ - - Количество часов работы в сут, ч Рис.10 Зависимость ЧДД от реализации рассматриваемых мероприятий от количества часов эксплуатации в сут. (при теплоснабжении от местной котельной) При эксплуатации рассматриваемой конвективной сушильной установки исключительно в отопительный период наиболее выгодна с энергетической точки зрения схема с теплонасосоной установкой: она позволит добиться экономии энергоресурсов в пределах от 47,5 до 52,1% в зависимости от местонахождения установки. При круглогодичной эксплуатации экономия от применения данных двух схем будет сопоставима и максимальна.

Расчет экономических характеристик (чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности (ИД), простой и дисконтированный сроки окупаемости) инвестиционных проектов организации отобранных схем был произведен для условий города Киров. Показано время эксплуатации установок в сутки, необходимое для достижения положительного эффекта за срок эксплуатации до первого капитального ремонта, который был принят равным 10 годам. Так, например, при эксплуатации менее 8 часов в день даже затраты на установку КТУ, незначительные в сравнении с вложениями в схемы с ТНУ, не будут возвращены в полном объеме.

ЧДД, тыс.руб.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Доля загрузки ТНУ а) 2000 Инвестиции / Эксплуатационные 1800 затраты за 10 лет, тыс.руб.

1000 800 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 б) Доля загрузки ТНУ Рис.11 Зависимость: а) ЧДД от реализации инвестиционного мероприятия внедрения ТНУ в конвективную сушильную установку от доли загрузки ТНУ;

б) капиталовложений и эксплуатационных затрат (здесь - без учета дисконтирования) за принятый срок в 10 лет от доли загрузки ТНУ На основании полученных результатов можно сделать вывод о целесообразности организации схемы с одновременным применением КТУ и ТНУ при значительной величине часов использования оборудования в год, когда достижимая экономия позволяет окупить значительные первоначальные капиталовложения. Также можно сделать вывод о необходимости проведения технико-экономических расчетов вновь предложенных вариантов организации схем энергосберегающей конвективной сушки термолабильных материалов в зависимости от количества часов их эксплуатации. Для оценочных расчетов применительно к рассмотренным в данной работе схемам может быть использован график на рис.10.

Также было проведено численное исследование зависимости величины ЧДД от доли возможной нагрузки, покрываемой за счет ТНУ, в схемах, где для утилизации теплоты отработанного сушильного агента используется именно это мероприятие. Выявлено существование оптимального распределения тепловой нагрузки между ТНУ и прочими источниками теплоты (КТУ, дополнительный подогреватель). Оптимум вызван ощутимым уменьшением исходных капиталовложений при снижении доли использования теплового насоса и сопровождающим его ростом эксплуатационных затрат на функционирование схемы.

Результаты данного исследования на примере схемы с ТНУ с дополнительным подогревателем приведены на рис.11. В рассматриваемых условиях можно добиться увеличения чистого дисконтированного дохода от реализации инвестиционного мероприятия внедрения ТНУ на 22,7%, из чего можно сделать вывод о необходимости проведения, по крайней мере, оценочных расчетов технико-экономических показателей для выбора мощности ТНУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Впервые представлены, систематизированы и сопоставлены все возможные варианты энергосберегающих схем (49 схем) конвективной сушки термолабильных материалов при одновременном применении рециркуляции, КТУ и ТНУ в различных комбинациях с целью утилизации теплоты отработанного сушильного агента.

2. Разработана обобщенная математическая модель установки конвективной сушки термолабильных материалов, а также ее отдельных элементов при использовании теплоты отходящего сушильного агента в технологическом цикле за счет рециркуляции, применения парокомпрессионного теплового насоса и пластинчатого воздухо-воздушного конденсационного теплообменника-утилизатора. Модель позволяет проводить расчеты схем с комбинированным использованием теплоты отходящего сушильного агента путем его рециркуляции, применения КТУ и ТНУ.

3. Проведена оптимизация 49-ти возможных схем конвективной сушки термолабильных материалов (на примере семян тмина) при одновременном применении рециркуляции, КТУ и ТНУ в различных комбинациях с использованием разработанной модели. Впервые показано, что наибольшая экономия первичного условного топлива достигается при применении схемы с парокомпрессионной ТНУ. В рассмотренном в работе диапазоне рабочих технологических параметров (температура наружного воздуха от -33°С до +28,9°С;

производительность сушильной установки от 300 до 440 кг/ч по исходному продукту;

температура сушильного агента 45°С) экономия первичного условного топлива составляет до 50-54%.

Также обоснована перспективность схемы с одновременным применением КТУ и ТНУ, позволяющей достигнуть наибольшего экономического эффекта за счет снижения требуемых капиталовложений при достижении соизмеримой величины экономии топлива.

4. Выявлено, что в схемах, где для утилизации теплоты отработанного сушильного агента используется ТНУ, существует оптимальное распределение тепловой нагрузки между ТНУ и прочими источниками теплоты (КТУ, дополнительный подогреватель), при котором достигаются наилучшие значения технико-экономических показателей.

5. Предложен метод расчета парокомпрессионного теплового насоса, позволяющий отказаться от использования таблиц и диаграмм теплофизических свойств за счет применения полиномиальных и рациональных функций, дающий возможность интегрировать результаты в другие программы.

6. Разработаны программные модули для расчета времени сушки древесины в камерных конвективных сушильных установках периодического и непрерывного действия в соответствии с РТМ по технологии камерной сушки пиломатериалов, позволяющие производить расчеты, отказавшись от трудоемкого метода с использованием таблиц.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ t - температура, С;

p –давление, бар;

h- энтальпия, кДж/кг;

H - энтальпия влажного газа, Дж/кг;

s – энтропия, кДж/кг;

– плотность, кг/м3;

ср – удельная теплоемкость, кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость, м2/с;

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

- коэффициент массоотдачи, отнесенный к разнице концентраций, м/с;

– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

– коэффициент влаговыпадения;

q - плотность потока теплоты, Вт/м2;

коэффициент развития поверхности теплообмена;

0 - КПД оребренной поверхности теплообмена;

L – длина поверхности теплообмена КТУ, м;

G – массовый расход теплоносителя, кг/с;

x,y – декартовы координаты, м;

Индексы: 1 – горячий влажный газ;

2- холодный теплоноситель;

w- стенка;

вход в теплообменный аппарат;

- выход их теплообменного аппарата.

Сокращения: КТУ – конденсационный теплоутилизатор;

ТНУ – теплонасосная установка;

ТНСУ – теплонасосная сушильная установка;

ВЭР – вторичные энергоресурсы;

ЧДД – чистый дисконтированный доход;

ИД – индекс доходности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Оценка эффективности тепловых насосов в процессах конвективной сушки// Вестник МЭИ.–2010. – №3. – С.63-70.

2. Гаряев А.А., Данилов О.Л. Применение тепловых насосов в теплотехнологиях// Третья Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика»: Сб. трудов – М.:

Издательство МЭИ. –2006. – С.163-168.

3. Гаряев А.А., Данилов О.Л. Применение тепловых насосов в теплотехнологиях// Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. – М.: Издательство МЭИ. –2007. – Т.2. – С.418-419.

4. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Оценка энергоэффективности применения теплонасосных установок в процессах конвективной сушки// Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ 2008: Тр. III-й Межд. науч.- практ. конф., в 2-х томах.-2008.-Т.2.-С.272-276.

5. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Оценка энергоэффективности применения теплонасосных установок в процессах конвективной сушки с рециркуляцией// Четвертая Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика»: Сб. трудов – М.: Издательский дом МЭИ. –2008. – С.189-191.

6. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Оценка энергетической эффективности системы «технологическая установка - тепловой насос»// Четырнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов:

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. – М.: Издательский дом МЭИ. –2008. – Т.2. – С.373-374.

7. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Оценка энергетической эффективности совместного применения рециркуляции и теплового насоса при конвективной сушке// Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.

докл. – М.: Издательский дом МЭИ. –2009. – Т.2. – С.390-391.

8. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Энергоэффективность применения рециркуляции и теплового насоса в процессах конвективной сушки// Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. – М.:

Издательский дом МЭИ. –2010. - Т.2. – С.438-440.

9. Гаряев А.А., Яковлев И.В. О выборе режимов сушки древесины с использованием тепловых насосов// Международная научно-практическая конференция «Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки»: Тез. докл –2009.– С.47.

10. Гаряев А.А., Яковлев И.В. Сравнение энергетической эффективности мероприятий по использованию теплоты уходящего сушильного агента в конвективной сушке// Пятая Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика»: Сб. трудов – М.:

Издательский дом МЭИ. –2010. – С.43-46.

Подписано в печать Зак. Тир. Пл.