Энергосберегающий комплекс сушильного участка производства молока на основе теплонасосной установки

Энергосберегающий комплекс сушильного участка производства молока на основе теплонасосной установки

Л.В. Плотникова, А.Ю. Карабаев, И.И. Чиликова, А.Р. Абкадыров Казанский государственный энергетический университет

Аннотация: Предложена к внедрению теплонаносная установка, позволяющая обеспечить покрытие тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение конкретного молочного производства за счет утилизации сбросной энергии в виде конденсата. Показано, что предлагаемая установка позволит полезно использовать вторичный пар и конденсат, обеспечит сокращение затрат на топливо, упростит схему теплового потребления, снизит эксплуатационные расходы на обслуживание системы теплоснабжения, снизит теплопотери и выбросы в окружающую среду.

Ключевые слова: энергосбережение, молочное производство, сбросная энергия, конденсат, утилизация, теплонасосная установка.

Введение

Важным направлением развития промышленной теплотехники является использование возобновляемых источников энергии и сбросной энергии. Сбросная энергия, которую возможно использовать на том же предприятии - это вторичные энергетические ресурсы (ВЭР). В качестве ВЭР могут выступать тепловые сбросы объектов энергетики, промышленности, коммунального хозяйства в виде тепла конденсата, отработанного пара, дымовых газов, тепла охлаждения технологических продуктов. Использование ВЭР осуществляется в теплоутилизационых установках, в качестве которых могут быть использованы теплообменные аппараты различных конструкций, термотрансформаторы, в частности, теплонасосные установки (ТНУ). Применение ТНУ позволяет при использовании их в системах теплоснабжения предприятий обеспечить экономию тепловой энергии за счет использования вторичной энергии, снизить стоимость тепловой энергии [1].

При реализации технологических процессов пищевой промышленности, а также при теплоснабжении и хладоснабжении пищевых

предприятий имеют место источники вторичной энергии, которую можно полезно использовать, в частности, с применением ТНУ. Как, в принципе, и при реализации прочих энергоемких процессов промышленных предприятий многих отраслей промышленности [2-8]. В молочной промышленности технологические процессы являются энергоемкими, так, например, при производстве сгущённого молока и сухого молока требуется энергия в виде водяного пара, которая в последующем используется для увеличения концентрации продукта. Как следствие, имеет место выход вторичных энергоресурсов в виде конденсата, сбросного пара. Особо актуально применение тепловых насосов в цехах, связанных с процессами сушки продукта, например в цехе производства сухого обезжиренного молока.

В классической ТНУ [9, 10] рабочее тело пребывает в двух агрегатных состояниях: жидком и газообразном. Тепловой насос содержит четыре узла: компрессор 2, испаритель 1, расширительный клапан 4 и конденсатор 3 (рис. 1). Эти узлы связаны замкнутым трубопроводом. В трубопроводе циркулирует хладагент, который в одной части цикла находится в жидком состоянии, а в другой - в газообразном. Рабочий цикл теплового насоса осуществляется в четыре этапа:

1. Путем регулировки давления расширительным вентилем 4 настраивается такой поток хладагента в испаритель 1, чтобы температура его кипения была ниже температуры рабочей жидкости в коллекторе. Вскипая в испарителе 1, жидкий хладагент поглощает тепло от греющего теплоносителя.

2. Образовавшийся при испарении газ направляется в компрессор 2, где сжимается, далее поступает в конденсатор 3.

3. При конденсации газ превращается в жидкость, выделяя при этом тепло. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплового насоса. Здесь

тепло через теплообменник передается нагреваемому теплоносителю, циркулирующему по отдельной системе отопительного контура.

4. Жидкий хладагент через расширительный вентиль возвращается в испаритель. Рабочий цикл замыкается.

Тепло от низкопотщольного историка тепла.

Рис. 1. - Схема теплового насоса: 1 - испаритель, 2 - компрессор, 3 - конденсатор, 4 - дроссель.

Источники вторичной энергии для теплового насоса в процессах сушки

участка производства молока

Вакуум-выпарная установка (рис. 2) предназначена для выпаривания влаги из молока. Молоко поступает в приёмный бак 1, откуда насосом подаётся в водоподогреватели 2. Подогреватели обогреваются греющим паром, в результате отработки которого образуется конденсат и вторичный пар. Затем молоко переходит в высокотемпературный подогреватель 3 и далее поступает в самоиспаритель 4. Здесь происходит частичное удаление влаги, в результате чего молоко охлаждается. Далее молоко насосом подаётся подаётся в промежуточный резервуар для последующих этапов сушки.

Рис 2. - Структурная схема вакуум-выпарной установки: 1 - приемный бак, 2 - водоподогреватели, 3 - высокотемпературный подогреватель, 4 - самоиспаритель

Система утилизации вторичной энергии

В существующей системе теплоснабжения участка сушки при производстве сухого обезжиренного молока имеется место ряд недостатков: утилизация сбросной энергии в виде конденсата не производится, следовательно, схема теплоснабжения имеет значительные потери. В связи с этим предлагается использование теплового насоса с использованием хладагента фреона Ю2 [9, 10] в качестве утилизатора теплоты.

Схема включения теплового насоса работает следующим образом (рис. 3). Холодная вода с температурой 8 - 15 °С поступает в испаритель 1 теплового насоса. В испарителе он отдаёт свою теплоту хладагенту, охлаждаясь при этом до температуры 3 - 5°С. От испарителя теплоноситель поступает в водоводяной теплообменный аппарат 9, в котором нагревается конденсатом К1, имеющего температуру 90 - 95°С. Далее подогретая вода идёт в конденсатор 2 теплового насоса. Здесь пары хладагента отдают своё тепло воде - теплоносителю. Далее теплоноситель подогревается конденсатом К2 с сушильной установки, имеющим температуру 100 °С. Здесь вода разделяется на два потока. Первый поток направляется на калориферную установку. Второй поток догревается сбросным паром П1.Второй поток после пароводяного теплообменного аппарата имеет уже температуру 105 °С и расходуется на отопление. Теплоноситель Т,

отработавший в системах вентиляции, отопления и горячего водоснабжения, вновь поступает в испаритель. Таким образом, цикл замыкается и обеспечивается циркуляция теплоносителя циркуляционным насосом. Для восполнения потерь теплоносителя предусмотрена подпитка системы холодной водой.

Рис. 3. - Технологическая схема с теплонасосной установкой: 1 - испаритель ТНУ, 2 - конденсатор ТНУ, 3 - компрессорная установка ТНУ, 4 - дросселирующее устройство ТНУ, 5 - питательный насос, 6 -сетевой насос, 7 - распределительный коллектор, 8 - водоводяной теплообменный аппарат, 9 - пароводяной теплообменный аппарат, К1 -кондесатопровод с автоматизированного моющего устройства, К2 -кондесатопровод с сушильной установки, П1 - вторичный пар

Таким образом, установка утилизации конденсата с включением теплового насоса позволит обеспечить покрытие тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Результаты

В результате расчета предлагаемой системы утилизации сбросной энергии в виде конденсата вакуум-выпарной установки получены следующие

результаты. Количество сэкономленной тепловой энергии конденсата 1380 кВт. Выбрано оборудование: фреоновая машина марки МКТ110-7-2 на базе компрессорного агрегата П110 холодопроизводительностью 128 кВт; конденсатор марки КРТР-25, площадью наружной поверхности теплообмена 25 м2.

Проведен расчет технико-экономических показателей эксплуатации тепловой сети с включением теплового насоса и расчет стоимости 1 ГДж отпускаемой тепловой энергии. Можно сделать вывод о целесообразности включения теплонасосной установки в теплотехнологическую схему сушки молока, так как данное внедрение позволит снизить себестоимость 1 ГДж тепла с 180 рублей до 159 рублей, а срок окупаемости составит 1,4 года.

Литература

1. Руденко Н.Н. Особенности прогнозирования эффективности работы теплового насоса // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 1) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1129/.

2. Красавина Е.О., Фаздалова А.И., Плотникова Л.В. Использование термодинамического анализа при построении оптимальной структуры установки «ректификационная колонна - тепловой насос» // В сборнике: Технологии XXI века: проблемы и перспективы развития. Сборник статей Международной научно-практической конференции. 2016. С. 97-99.

3. Филонова И.И., Плотникова Л.В. Разработка энергосберегающих систем рекуперации вторичной энергии в целлюлозно-бумажной промышленности на основе структурно-термодинамического анализа // Технические науки - от теории к практике. 2012. № 15. С. 59-63.

4. Плотникова Л.В., Андреева С.А., Ефремов Г.И. Организация энергосберегающей системы утилизации вторичных ресурсов стадии пиролиза в производстве этилена // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 2. С. 9-12.

5. Плешко М.С., Илиев А.Г., Занина И. А. Методика расчета эффективности использования тепловых вторичных энергоресурсов без изменения агрегатного состояния промышленных сточных вод // Инженерный вестник Дона, 2015, №2 (часть 2) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/2903/.

6. Плешивцева Ю.Э., Афиногентов А. А. Оптимальное управление энерготехнологическими процессами в производственных комплексах // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2008. № 3. С. 51-55.

7. Keil C., Plura S., Radspieler M., Schweigler C. Application of customized absorption heat pumps for utilization of low-grade heat sources // Applied Thermal Engineering. 2008. V. 28. № 16. pp. 2070-2076.

8. Chung T.D., Hong W.T., Chyou Y.P., Yu D.D., Lin K.F., Lee C.H. Efficiency analyses of solid oxide fuel cell power plant systems // Applied Thermal Engineering. 2008. V. 28. № 8-9. pp. 933-941.

9. Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности. М.: Издательство МЭИ, 2001. 364 с.

10. Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 407 с.

References

1. Rudenko N.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4 (part 1) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1129/.

2. Krasavina E.O., Fazdalova A.I., Plotnikova L.V. Tekhnologii XXI veka: problemy i perspektivy razvitiya. Sbornik statey Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. 2016. pp. 97-99.

3. Filonova I.I., Plotnikova L.V. Tekhnicheskie nauki - ot teorii k praktike. 2012. № 15. pp. 59-63.

4. Plotnikova L.V., Andreeva S.A., Efremov G.I. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2009. № 2. pp. 9-12.

5. Pleshko M.S., Iliev A.G., Zanina I.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, № 2 (part 2) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/2903/.

6. Pleshivtseva Yu.E., Afinogentov A.A. Elektromekhanika. 2008. № 3. pp. 51-55.

7. Keil C., Plura S., Radspieler M., Schweigler C. Applied Thermal Engineering. 2008. T. 28. № 16. pp. 2070-2076.

8. Chung T.D., Hong W.T., Chyou Y.P., Yu D.D., Lin K.F., Lee C.H. Applied Thermal Engineering. 2008. T. 28. № 8-9. pp. 933-941.

9. Nazmeev Yu.G., Konakhina I.A. Organizatsiya energotekhnologicheskikh kompleksov v neftekhimicheskoy promyshlennosti [Organization of energy technology complexes in the petrochemical industry]. M.: Izdatel'stvo MEI, 2001. 364 p.

10. Nazmeev Yu.G., Konakhina I.A. Teploenergeticheskie sistemy i energobalansy promyshlennykh predpriyatiy [Thermal energy systems and energy balances of the industrial enterprises]. M.: Izdatel'stvo MEI, 2002. 407 p.