Перспективы развития процессов сушки материалов и продуктов с использованием теплового насоса

УДК 674.02

И. Ф. Хакимзянов, П. А. Кайнов, Р. Т. Хасаншина

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ И ПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Ключевые слова: регенерация тепла; тепловой насос; сушка.

Данная статья посвящена, прогрессирующему в последнее время, процессу сушки с использованием теплового насоса (ТН), рассмотрены различные условия эксплуатации и принципы работы системы сушки с использованием теплового насоса (ТН). В статье представлены различные варианты процесса сушки для достижения продукта необходимого качества.

Keywords: heat recovery; heat pump; drying.

This article is dedicated, progressive recently, the drying process using heat pump, considered various operating conditions and principles of the system of drying with heat pump. The paper presents various options for the drying process to achieve the desired product quality.

Введение

Процесс сушки относится к способу, в котором влага удаляется за счет использованного тепла затраченной энергии. Сушка является сложным процессом, с участием комбинированного производства тепла и массопереноса. Здесь очевидно, что сушка - процесс энергоемкий, потому что теплота должна быть подана в сам материал. Сушка нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, таких как сельское хозяйство, химическая, бумажная, лесная, текстильная и фармацевтическая. Большое внимание уделяется развитию энергосбережению в процессах сушки. Одна из таких систем, которая использует тепловой насос в конфигурации с обратной связью, является предметом данной обзорной статьи. В последнее время наблюдается значительный рост потенциальных рынков для сушки с использованием тепловых насосов, опирающихся на влияние новых проектов в стадии разработки или недавно появившихся на рынке. Тепловые насосы, как известно, экономят электроэнергию при комбинированном использовании в процессе сушки. Основные преимущества сушки с использованием теплового насоса возникают из способности тепловых насосов восстановить энергию от выхлопных газов, а также их способность контролировать независимо друг от друга температуру сушки и влажность газа. Многие исследователи признали важность получения ряда точных условий сушки для просушки широкого ассортимента продукции и улучшения их качества. В то же время, Макартур отметил необходимость оптимизации компонентов и конструкции системы для повышения энергетической эффективности с тепловым насосом. Очевидно, что любой осушитель, который использует конвекцию в качестве основного режима входного тепла в сушилку (с или без дополнительного подвода тепла от друга режима теплообмена) может быть снабжен соответствующим тепловым насосом (ТН).

На рис. 1 показана обобщенная схема классификации сушильных установок с использованием теплового насоса.

Рис. 1 - Обобщенная схема классификации сушильных установок с использованием теплового насоса

Целью данной статьи является обзор сушки с использованием теплового насоса, его эксплуатационные характеристики, нынешние достижения и некоторые идеи о будущих тенденциях. Конкретно рассматриваются следующие вопросы:

• Проведение опыта сушильных установок с использованием теплового насоса;

• Преимущества и недостатки сушки с использованием теплового насоса;

• Стратегии управления для улучшения работы и повышения энергетической эффективности;

• Последние открытия и тенденции развития в процессах сушки с использованием теплового насоса.

Принцип теплового насоса сушки

На рис. 2 приведена план-схема различных компонентов, объединенных в сушильной камере. На входе воздух для сушки проходит через сушильную камеру в точке 1 и поднимает влагу из продукта. Влажный воздух в точке 2 затем направляется в испаритель. Существует два типа испарителя. Одним из них является прямое расширение в змеевике, в результате чего хладагент подвергается двухфазному изменению: из жидкости в пар, чтобы охладить и осушить воздух. Другой тип: система охлаждающей воды, в которой поток холодной воды в змеевике контролируется для охлаждения и осушения. В процессе осушения от 2 до 3 точки, воздух

сначала охлаждают до его точки росы. Дальнейшее охлаждение происходит в результате конденсации воздуха. Скрытая теплота парообразования затем поглощается испарителем для кипения хладагента, тепло «закачивается» в конденсатор. Охлажденный и осушенный воздух затем поглощает тепло от конденсатора, передвигаясь от точки 4 в 1 для нагрева до требуемой температуры. Энергетическая эффективность теплового насоса определяется коэффициентом преобразования (COP):

КОНД1НСЛТОР

©

О

©

о

©

ИСПАРИТЕЛЬ

путь воздуха

путь хладагента }

Рис. 2 - Схематическое изображение системы сушки с тепловым насосом

Максимальная эффективность теплового насоса теоретически задается Карно как

СОРКарно не может быть физически реализован, но используется в качестве меры для определения насколько далека система охлаждения от идеальной системы. На практике, фактическая эффективность теплового насоса, как правило, составляет от 40 до 50% от теоретического коэффициента Карно.

Показатель эффективности, который обычно используется для определения производительности сушильной установки, является удельная влага (8МБЯ). 8МБЯ определяется как

-, кг/кВт*ч

Кроме того, еще один параметр, известный как SEC (удельная энергия потребления), который является обратным SMER, может быть использован для сравнения повышения эффективности использования энергии различных видов сушилок. Существует связь между SEC и COP:

-

Значения SMER сушилки с тепловым насосом, как было установлено, зависит от максимальной температуры воздуха, влажности, испарителя и конденсатора рабочей температуры и общей эффективности цикла теплового насоса. Как правило, в качестве COP цикла теплового насоса увеличивается значение SMER сушилки с тепловым насосом, так-

же увеличивается соотношение между SMER и COP, задается как:

Преимущества и недостатки сушки с использованием ТН

Как и все другие механические системы, сушка с использованием ТН имеет свой набор преимуществ и недостатков, которые должны быть рассмотрены до принятия приложений технологии сушки.

1. Достоинства:

а) Повышение эффективности. Основным преимуществом сушки с использованием ТН является улучшение своей энергоэффективности. Влажный воздух, обладает значительным количеством скрытой энергии. При этом воздух проходит через испаритель, скрытая энергия восстанавливается и повторно генерируется обратно в цикл теплового насоса. Результаты рекуперации тепла в нижней потребляемой энергии для каждого блока воды удаляются.

б) Точный контроль условий сушки управления. Сушка с использованием ТН позволяет точно и независимо контролировать температуру, влажность и воздушный поток. Хорошо контролируемые условия сушки - преимущество термочувствительных материалов и значительно производят лучшее качество продукции.

в) Широкий диапазон условий сушки. Широкий диапазон условий сушки, как правило, от 20 до 100оС (со вспомогательным нагревом) и относительной влажностью от 15 до 80% (с системой увлажнения). Этот диапазон условий сушки составляет универсальную сушку, чтобы сушилось много различных типов материалов.

г) Повышение качества продукции. При наличии новых онлайн датчиков и современных контроллеров, теперь можно настроить температуру испарителя и конденсатора, создать условия сушки в соответствии с реальным временем. Эта характеристика сушки с использованием теплового насоса важна, чтобы получить высокое качество высокотехнологичной продукции.

д) Увеличение пропускной способности и уменьшения стоимости эксплуатации. Сушку с использованием ТН можно рассматривать как «рабочую лошадь», способную работать 24 часа в сутки. Таким образом, обеспечивается пропускная способность. Кроме того, безубыточность - период первоначального капиталовложения может значительно уменьшиться за счет снижения эксплуатационных расходов и увеличения объема производства.

2. Недостатки сушки с использованием ТН:

а) Выход в окружающую среду. Использование ХФУ озоноразрушающих хладагентов в большинстве систем теплового насоса вызвал большой интерес у экологов. Тем не менее, в настоящее время, ведется направление на переход экологически чистых ГХФУ и даже природные хладагенты, такие как аммиак и вода, устраняющие этот недостаток.

б) Обслуживание. Сушка с использованием ТН требует регулярного технического обслуживания компрессоров, фильтров хладагента, теплообменников и т.д., чтобы содержать сушильную установку в оптимальном эксплуатационном состоянии.

в) Утечка хладагента. Хладагент попадает в окружающую среду, вследствие трещин в трубе, возникающих при эксплуатации под большим давлением. После того, как происходит утечка, давление в тепловом насосе постепенно падает и соответственно уменьшается производительность процесса сушки.

г) Капитальные затраты. По сравнению с сушилкой, использующей в качестве источника солнечную энергию, начальные капитальные затраты сушилки с использованием ТН, могут быть выше. Большинство капитальных затрат будут использоваться для приобретения контроллеров, компрессоров, теплообменников и т. д. Тем не менее, способность сушки с использованием ТН для восстановления тепла приводит к эксплуатационным расходам и компенсирует более высокие капитальные затраты.

Работа теплового насоса

В существующих циклах используют одноступенчатые компрессоры. Производительность компрессора очень сильно зависит от температуры между испарителем и конденсатором. Одним из возможных улучшений, которые позволяют сократить малоэффективность, являются многоступенчатость или каскад сжатия. Такая холодильная техника позволит существенно повысить эффективность системы, пусть и в ущерб более сложной техники, сложность цикла.

Одним из дополнительных преимуществ цикла многоступенчатого теплового насоса является то, что он имеет дополнительный механизм управления для регулирования влажности воздуха. В двухступенчатом тепловом насосе пар хладагента разделен на два потока на выходе из конденсатора. Один поток поступает в расширительный клапан с высокой мощностью разряда и регулируется в «малой» установке испарителя. Тем не менее, этот поток входит в еще один расширительный клапан, чтобы расширить до более высокой температуры.

На высоком и низком давлении в испарителе, происходит испарение хладагента. Давление пара хладагента на выходе из испарителя высокого давления регулируется регулятором. Давление смешанных паров повышается компрессором или конденсатором. Затем этот двухступенчатый цикл повторяется.

На рис. 3 а показана система с тремя испарителями, двумя компрессорами низкого давления и одним компрессором высокого давления. Такая система теплового насоса имеет большие преимущества, когда она используется в промышленном предприятии, которая осуществляет и сушку процессов холодного хранения. Как показано на рис. 3а и 3б, имеется три испарителя, которые проводят процессы охлаждения и осушения. Сочетание испарителей, конденсатора и переохладителя могут быть применимы как для процессов сушки, так и для процессов замораживания. Эта система может вызвать боль-

шой интерес в морской пищевой промышленности для сушки и замораживания многих морских продуктов. Сложность системы может быть заключена в том, что она первоначально понесет большие капитальные затраты, но, с точки зрения капитальных затрат на единицу системы, она ниже из-за универсальности испарителя проводить одновременно несколько задач. Кроме того, такая система может снизить общие эксплуатационные издержки за счет лучшего восстановления тепла от различных сушильных и морозильных камер.

Рис. 3а - Схема с тремя испарителями

Рис. 3б - Давление и энтальпия системы с тремя испарителями

Заключение

Сушка с использованием теплового насоса превратилась в развитую технологию за последние два десятилетия. Тем не менее, они не применяются так широко в промышленных процессах. Первоначальные затраты, а также эксплуатационные расходы требуют дальнейшего сокращения.

Эффективное использование энергии в таких энергоемких процессах, как сушка, имеет решающее значение по сокращению потребления чистой энергии и, следовательно, выброса парниковых газов в атмосферу.

Кроме того, конструкции новых систем с применением теплового насоса сделали его более универсальным при выполнении нескольких задач (например, хранение, замораживание и кондиционирование воздуха), помимо его основной функции.

Литература

1. Сафин Р.Г. Перспективы развития лесопромышленного комплекса Республики Татарстан на базе научных разработок кафедр лесотехнического профиля КНИТУ /

Сафин Р.Г., Сафин Р.Р. // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 3. С. 22-27.

2. Сафин Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю., Оладышкина Н.А. // Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2010. № 9. С. 542-546.

3. Сафин Р.Р. Новые подходы к совершенствованию ваку-умно-конвективных технологий сушки древесины / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г., Кайнов П.А. // Деревообрабатывающая промышленность. 2005. № 5. С. 16.

4. Сафин Р.Р. Математическая модель конвективной сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г. // Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2005. № 1. С. 266.

5. Сафин Р.Р. Экспериментальные исследования осциллирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2008. Т. 51. № 12. С. 104-106.

6. Сафин Р.Р. Исследование совмещенной сушки пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Галяветдинов Н.Р., Иманаев Р. М. // Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2006. № 6. С. 78.

7. Сафин Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов: Монография / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю. // Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Казансткий гос. технологический ун-т". Казань. 2009.

8. Сафин Р.Р. Математическая модель процесса конвективной сушки пиломатериалов в разряженной среде / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г. // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2006. № 4. С. 64-71.

9. Сафин Р.Р. Снижение расхода энергии на проведение процессов сушки древесины посредством вакуумно-конвективной технологии / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Гильмиев Р.Р., Валиев Ф.Г. // Деревообрабатывающая промышленность. 2008. № 5. С. 22-23.

10. Сафин Р.Р. Обзор современных решений сотрудников ФГБОУ ВПО "КНИТУ" в области техники и технологии сушки пиломатериалов / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А. // Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2013. Т. 16. № 23. С. 76-78.

11. Патент № 2425305 Российская Федерация, МПК В27Ш/28. Способ сушки и термической обработки дре-

весины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Оладышкина Н.А., Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А., Кузьмин И.А., Мазохин М.А., Шайхутдинова А.Р., Ахтямова Т.Н., Воронин А.Е.; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2010108198/06; заявл. 04.03.2010; опубл. 27.07.2011. - 10 с.: ил.

12. Сафин Р.Р. Совершенствование режимов сушки пиломатериалов в вакуумно-кондуктивных камерах / Сафин Р.Р., Мустафин З.Р., Чернышёв А.Н. // Деревообрабатывающая промышленность. 2007. № 2. С. 6.

13. Сафина А.В. Анализ потенциалов снижения энергозатрат деревообрабатывающих предприятий / Сафина А. В. // Деревообрабатывающая промышленность. 2013. № 14. С. 40-43.

14. Сафина А. В. Структурные преобразования лесопромышленного комплекса Республики Татарстан в сфере глубокой переработки древесины / Сафина А.В. // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 4. С. 4547.

15. Сафин Р.Р. Разработка энергосберегающей технологии сушки древесины в жидкостях / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р.. Валиев Ф.Г. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008. № 1112. С. 159-163.

16. Сафин Р.Р. Установка для вакуумно-осциллирующей сушки с тепловым насосом / Сафин Р.Р., Мухаметзянов Ш.Р., Каримов А.З., Герасимов М.К. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 6. С. 173-175.

17. Мухаметзянов Ш.Р. Исследование режимов сушки в вакуум-осциллирующей сушке / Хасаншин Р.Р., Муха-метзяновШ.Р. // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 6. С. 207-210.

18. Сафин Р.Р. Вакуумно-осциллирующая сушка с использованием теплового насоса / Сафин Р.Р., Мухамет-зянов Ш. Р. // Деревообрабатывающая промышленность. 2013. № 1. С. 26-29.

19. Сафин Р.Р. Разработка комплекса эффективного использования топливных ресурсов для получения тепловой энергии / Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Хасаншина Р. Т. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 18. С. 219-221.

20. Сафин Р.Р. Обзор современных технологических решений повышения энергоэффективности в процессах сушки пиломатериалов / Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Николаев А.Н., Сафина А.В. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 21. С. 50-52.

© И. Ф. Хакимзянов - асс. каф. «Архитектура и дизайн изделий из древесины» КНИТУ, ilshat_170@mail.ru; П. А. Кайнов -к.т.н., доц. той же кафедры, olambis@rambler.ru; Р. Т. Хасаншина - магистрант той же кафедры.

© I. F.Khakimzyanov - Assistant of the Department "Architecture and design of wood", KNRTU, ilshat_170@mail.ru; P. A. Kainov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Architecture and design of wood", KNRTU, olambis@rambler.ru; R. T. Khasanshina - Master of of "Architecture and design of wood", KNRTU.