Содержание к диссертации
Введение
1. Рынок технологического оборудования для термической обработки диэлектрических сред и материалов 9
1.1. Физические основы диэлектрического нагрева и области его применения 9
1.2. ВЧ и СВЧ установки диэлектрического нагрева 13
1.3. Технологические процессы и режимы работы, реализуемые в установках диэлектрического нагрева 17
1.4. Критерии сопоставления электротехнологических и теплотехноло-гических установок для термообработки 23
2. Технико-экономическое сравнение различных типов установок термообработки 27
2.1. Особенности процессов термообработки 27
2.2. Целевая функция технико-экономического сравнения 34
2.3. Использование целевой функции для технико-экономического сравнения различных типов установок термообработки и создание единого алгоритма проектирования СВЧ электротермических установок 49
3. Технологические процессы и установки для термообработки диэлектриков 55
3.1. Сушка пиломатериалов 56
3.1.1.Рабочие камеры СВЧ сушилок пиломатериалов 56
3.1.2. Тепловые режимы СВЧ сушилки 67
3.1.3. СВЧ сушилка пиломатериалов 71
3.1.4. Альтернативные сушилки пиломатериалов 72
3.1.5. Технико-экономическое сравнение установок периодической сушки пиломатериалов с разными способами энергоподвода . 78
3.2. Сушка сельскохозяйственной продукции 81
3.2.1. Рабочие камеры СВЧ сушилок зерна 82
3.2.2. Тепловые режимы СВЧ сушилки вертикального типа 86
3.2.3. СВЧ сушилка зерна 92
3.2.4. Альтернативные сушилки зерна 95
3.2.5. Технико-экономическое сравнение зерносушилок с разными способами энергоподвода 99
3.3. Пастеризация жидких пищевых продуктов 101
3.3.1. Рабочие камеры СВЧ пастеризаторов молока 102
3.3.2. Тепловой режим работы камеры СВЧ пастеризатора 111
3.3.3. СВЧ пастеризатор молока 115
3.3.4. Альтернативные пастеризаторы молока 121
3.3.5. Технико-экономическое сравнение пастеризаторов молока с разными способами энергоподвода 130
4. Методологические основы повышения конкурентоспособности СВЧ электротермического оборудования 134
4.1. Способы повышения конкурентоспособности СВЧ электротермического оборудования 134
4.2. Технико-экономическая оптимизация структуры и параметров СВЧ электротермического оборудования 137
4.3. Минимизация затрат на электроснабжение 144
4.4. Повышение конкурентоспособности СВЧ электротермических установок путем решения проблемы ценообразования 169
4.5. Технические и организационные мероприятия, повышающие эффективность СВЧ установки на стадии эксплуатации 172
Заключение 180
Литература 183
- Технологические процессы и режимы работы, реализуемые в установках диэлектрического нагрева
- Использование целевой функции для технико-экономического сравнения различных типов установок термообработки и создание единого алгоритма проектирования СВЧ электротермических установок
- Технико-экономическое сравнение установок периодической сушки пиломатериалов с разными способами энергоподвода
- Технико-экономическая оптимизация структуры и параметров СВЧ электротермического оборудования
Введение к работе
Среди технологических процессов большое место занимает термообработка, в том числе диэлектриков. Термообработку диэлектриков можно осуществить как с помощью СВЧ диэлектрического нагрева, так и альтернативными способами.
Хорошо известны технологические преимущества СВЧ диэлектрического нагрева — равномерный по сравнению с другими способами объемный нагрев, более высокая скорость обработки. На сегодняшний день накоплен обширный опыт в проектировании СВЧ электротермических установок, в первую очередь в области методов расчета и математического моделирования этих процессов. В то же время при проектировании СВЧ электротермических установок практически не проводится сопоставлений с установками с альтернативными способами энергоподвода несмотря на то, что эти установки активно конкурируют между собой на рынке технологического оборудования. Между тем такое сопоставление позволило бы выявить те сегменты рынка технологического оборудования, в которых использование СВЧ установок было бы наиболее эффективным.
Для решения этой проблемы необходима четкая система приоритетов, в соответствии с которыми проводится выбор и конструирование установки. В качестве таких приоритетов могут выступать экономические критерии, как наиболее интересующие потенциальных покупателей таких установок.
Работы, посвященные технико-экономическим проблемам СВЧ электротермии, появились еще в прошлом десятилетии, что было вызвано переходом к рыночной экономике. Значительные успехи в этой области достигнуты благодаря работам Ю. С.Архангельского, В. А. Воронкина, В. А. Толстова, Ю. И. Блинова и др.
Однако до сих пор технико-экономические расчеты в СВЧ диэлектрическом нагреве предлагалось проводить исключительно для оптимизации структуры СВЧ электротермических установок, то есть для решения частной задачи. В этой области хорошо известны работы Е. В. Колесникова и А. В. Доценко.
5 Исследования в области изучения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок по сравнению с альтернативными по способу энергоподвода до сих пор не проводились. А между тем эти проблемы особенно обострились в условиях экономического кризиса и зачастую ставят под угрозу само существование СВЧ электротермии.
Таким образом, проблема изучения и повышения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок представляется актуальной. Решение этой проблемы на стадиях проектирования и эксплуатации СВЧ установок позволит реализовать их технологические преимущества с обеспечением максимальной экономической эффективности этого вида оборудования.
Целью диссертационной работы является разработка методов, критериев оценки и путей повышения конкурентоспособности СВЧ электротермических установок на стадиях проектирования и эксплуатации.
Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:
Разработать алгоритм проектирования СВЧ электротермических установок, включающий сравнительный анализ их конкурентоспособности на рынке технологического оборудования.
Разработать методики оценочного расчета рабочих камер СВЧ электротермических установок, позволяющие определить основные технико-экономические параметры установок на этапе, предшествующем анализу их конкурентоспособности.
Разработать мероприятия по повышению конкурентоспособности СВЧ электротермических установок и критерии для их оценки.
Для решения этих задач были использованы методология системных исследований, основы электродинамики СВЧ, теории тепломассопереноса в СВЧ электромагнитном поле, методология математического моделирования технологических процессов и технико-экономического анализа.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием широко апробированных и хорошо зарекомендовавших себя методов численного моделирования, соответствием результатов математиче-
ского моделирования известным представлениям о процессах СВЧ термообработки.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые поставлена и решена задача технико-экономического сопоставления СВЧ электротермических установок с конкурирующими установками. В частности:
разработаны методики оценочного расчета рабочих камер СВЧ сушилки пиломатериалов, зерна и пастеризатора молока;
предложены мероприятия по улучшению технико-экономических показателей СВЧ электротермических установок на стадиях проектирования и эксплуатации в тех случаях, когда они не имеют преимущества перед альтернативными;
на основе феноменологического подхода разработана математическая модель процесса периодической сушки диэлектриков, позволяющая исследовать кинетику сушки в зависимости от ее режимов и дающая возможность определить этапы сушки, на которых энергосбережение может быть реализовано с наибольшим эффектом.
Практическая полезность диссертационной работы.
Предложенный алгоритм проектирования СВЧ установки, включающий процедуры сравнения ее с установками с альтернативными способами энергоподвода и позволяющий повысить ее конкурентоспособность.
Целевая функция технико-экономического сравнения установок термообработки диэлектриков с различными способами энергоподвода, позволяющая рассчитать сравнительный интегральный эффект на любом временном интервале.
Результаты технико-экономического сопоставления СВЧ и конкурирующих установок для сушки пиломатериалов, зерна и пастеризации молока, показывающие перспективность использования СВЧ энергоподвода в выбранных отраслях.
Способы повышения конкурентоспособности СВЧ сушилки при рациональном комбинировании СВЧ и конвективной составляющей сушки.
7 Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
Разработанный алгоритм проектирования СВЧ электротермической установки позволяет обеспечить ее конкурентоспособность.
Методики оценочного расчета рабочих камер СВЧ сушилок пиломатериалов, зерна и пастеризаторов молока позволяют рассчитать параметры СВЧ электротермических установок и сопоставить их с параметрами альтернативных установок.
Технико-экономические расчеты с использованием целевой функции сравнительного интегрального эффекта на стадии проектирования СВЧ электротермической установки дают возможность прогнозировать ее конкурентоспособность.
Критерии относительного интегрального эффекта, относительных затрат на электроэнергию и относительной цены установки позволяют оценить результативность мероприятий по повышению конкурентоспособности СВЧ электротермической установки.
Феноменологическая модель процесса СВЧ термообработки диэлектрика позволяет анализировать влияние параметров технологического процесса на энергопотребление установки.
Реализация результатов работы. Исследования проведены на основании плана работы ведущей научной школы России НШ-9553.2006.8 (СГТУ).
Предложенные в диссертации методики технико-экономического сопоставления вариантов СВЧ электротермических установок с установками с альтернативными способами энергоподвода используются ООО ИТФ «Элмаш-Микро» при составлении и реализации перспективного плана разработок и закупок элементной базы СВЧ электротермических установок. Результаты проведенных в диссертации исследований обсуждены на семинарах лаборатории математического моделирования ОАО «НИИ Тантал» и признаны перспективными при разработке оборудования для СВЧ термообработки.
Результаты диссертационной работы используются при чтении курса лекций по дисциплине «Электротехнологические установки и системы» для сту-
8 дентов специальности 140605 - Электротехнологические установки и системы на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ, а также «Современные проблемы электротехнических наук», «Эффективность электротехнологических установок и систем», «Применение СВЧ энергии в электротермических процессах» для обучающихся в магистратуре по направлению 140600.68 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2004г.), XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Саратов, 2008г.), XIV Международной зимней школе-семинаре по электронике и радиофизике сверхвысоких частот (Саратов, 2009г.), на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ (2004 — 2009 гг.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 121 наименование, 3 приложений. Работа изложена на 215 страницах, содержит 49 рисунков, 21 таблицу.
1. Рынок технологического оборудования для термической обработки диэлектрических сред и материалов
Технологические процессы и режимы работы, реализуемые в установках диэлектрического нагрева
Как в нашей стране, так и за рубежом, сферы использования ВЧ и СВЧ термообработки материалов продолжают расширяться. Установки диэлектрического нагрева используются главным образом для нагрева, сушки (в том числе сублимационной), сварки, дефростаций, отверждения, вулканизации, склеивания, стерилизации, пастеризации.
ВЧ нагрев широко используется для сушки дорогостоящих особо чистых порошков (лекарственных препаратов, люминофоров), для нагрева таблеток перед прессованием медицинских и электротехнических изделий, для сушки и вспенивания теплоизоляционных материалов, для сушки древесины, при сварке изделий из термопластичных материалов, главным образом, из поливинил-хлоридного пластиката и полиамидов, а также для очистки и выращивания особо ценных кристаллов. Широко используются установки ВЧ нагрева различных изделий перед прессованием и в процессе прессования или перед штамповкой [5,П].
СВЧ установки малой мощности (до 1-2 кВт) применяются обычно на предприятиях общественного питания и в быту, они перспективны в больницах, на транспорте, в торговых автоматах и т.п. [12]. Часто в них осуществляют технологические процессы или научные исследования по СВЧ термообработке и непищевых материалов. В печах малой мощности обычно используются камеры со стоячей волной.
Вся СВЧ энергия, поступающая в камеру, поглощается продуктом, стенки камеры и посуда (обязательно диэлектрическая) почти не нагреваются. Блюда можно приготовить в этой печи в 5 - 10 раз быстрее, чем в любом из традиционных нагревательных приборов. На продуктах не образуется горелой корочки, так что можно жарить без добавления жиров. Благодаря быстрой тепловой обработке продукты хорошо сохраняют естественный вид, экстрактивные вещества и витамины.
Установки средней (до десятка кВт) и большой (до сотен кВт) мощности используются, как правило, в методических режимах для обработки большого количества продукции. В них встречаются разнообразные конструкции камер: со стоячей волной с одним или несколькими расположенными последовательно вдоль ленты конвейера резонаторами, в том числе открытыми, камеры лучевого типа с ограниченным объемом с одним или несколькими излучателями, с бегущей волной. В этих конструкциях могут использоваться как отдельные мощные генераторы, так и набор сравнительно маломощных СВЧ модулей. Для создания условий для интенсивного массообмена (особенно при сушке) камеру продувают или из нее откачивают воздух.
В электротехнологических установках широко применяются комбинированные электрофизические методы обработки [13]. Например, диэлектрический нагрев в сочетании с конвективным нагревом позволяет осуществить технологический процесс сушки за меньшее время, а дефростация с помощью СВЧ электромагнитного поля с одновременным охлаждением поверхности обрабатываемого объекта - равномерное размораживание.
Области применения установок диэлектрического нагрева в различных отраслях представлены в табл. 1.2, а по режимам работы, реализуемым в установках диэлектрического нагрева и технологическому назначению, их можно классифицировать, так, как показано на рис. 1.2.
СВЧ энергия используется в сельскохозяйственном производстве для интенсификации многих процессов. Академик И.Ф. Бородин предложил классификацию таких процессов, выделив шесть основных процессов: разогревание, стимулирование, сушка, угнетение, экстрагирование, разрушение [12].
Применение СВЧ энергии в химических технологиях можно разделить на два основных направления. Одно из них - тепловое действие СВЧ энергии на обрабатываемую среду, в частности для дистилляции растворов, очистки сырых масел, разделения разнообразных органических растворителей, удаления растворителей из химических продуктов и др.
Второе направление связано с так называемым нетепловым действием СВЧ излучения, которое еще недостаточно изучено. Получены перспективные результаты по нетепловому воздействию СВЧ энергии на полимерные материалы, например, на СОЖ, различные смазки, синтетические волокна и ткани на их основе, что дает возможность говорить о разработке нового класса СВЧ технологических установок нетеплового воздействия [14, 15].
Перспективно использование СВЧ установок для вулканизации различных резиновых изделий, например, профилей конвейерных лент, шин, поскольку такие установки имеют много преимуществ по сравнению с традиционными установками [16].
Применение СВЧ энергии в химических технологиях можно разделить на два основных направления. Одно из них - тепловое действие СВЧ энергии на обрабатываемую среду, в частности для дистилляции растворов, очистки сырых масел, разделения разнообразных органических растворителей, удаления растворителей из химических продуктов и др.
Второе направление связано с гак называемым нетепловым действием СВЧ излучения, которое еще недостаточно изучено. Получены перспективные результаты по нетепловому воздействию СВЧ энергии на полимерные материалы, например, на СОЖ, различные смазки, синтетические волокна и ткани на их основе, что дает возможность говорить о разработке нового класса СВЧ технологических установок нетеплового воздействия [14, 15].
Перспективно использование СВЧ установок для вулканизации различных резиновых изделий, например, профилей конвейерных лент, шин, поскольку такие установки имеют много преимуществ по сравнению с традиционными установками [16].
Использование целевой функции для технико-экономического сравнения различных типов установок термообработки и создание единого алгоритма проектирования СВЧ электротермических установок
Затраты на освещение производственного помещения можно определить в соответствии с действующими тарифами на электроэнергию: где Рсв - мощность одного светильника, кВт; Nce - количество светильников в помещении. Тип, мощность и количество светильников определяются в соответствии с действующими нормами освещения [45] по методике, изложенной, например, в [46]. Так как объем производственного помещения зависит от габаритов установки, а габариты установки в свою очередь зависят от ее мощности, то можно утверждать, ЧТО Сосв =J[PyCm, Тсв) Затраты на отопление производственного помещения, а также всех вспомогательных и служебных помещений данного участка производства также определяются в соответствии с тарифами на отопление в течение отопительного сезона: где Цот - тариф на отопление, устанавливаемый предприятиями ЖКХ (если производство отапливается ЖКХ), либо руководством предприятия (если предприятие имеет свою котельную), руб/сут; Тот - длительность отопительного сезона, сут. Затраты на отопление тоже зависят от объема помещения, а значит, и от мощности установки: Затраты на заработную плату персонала, обслуживающего технологическое оборудование, равны где Ч, - количество работников г -й категории, обслуживающих одну установку; Ф, - годовой фонд заработной платы одного работника г -й категории; к - число категорий работников; уЕСц — единый социальный налог - обязательный платеж, зачисляемый в государственные внебюджетные фонды: Пенсионный фонд РФ, фонд социального страхования РФ и фонды обязательного медицинского страхования РФ, предназначен для мобилизации средств по реализации прав граждан на государственное пенсионное и социальное обеспечение и медицинскую помощь согласно ч. II ст. 241 п. 1 Налогового кодекса РФ [47]. Потери от брака в процессе производства при периодическом режиме работы электротехнологической установки можно положить СбР = 0, а при методическом режиме где V- объем обрабатываемого объекта в рабочей камере, м ; п = nj+ щ\ п\ число включений и выключений одной установки в ходе технологического процесса в течение года; п2 — число включений и выключений одной установки, необходимых для замены отработавших в течение года свой срок магнетронов; 3 - цена единицы объема обрабатываемого объекта.
В прочие денежные расходы Сф включаются расходы на арендную плату, общепроизводственные и общехозяйственные расходы, расходы на подготовку и освоение производства затраты на содержание и текущий ремонт зданий, сооружений, инвентаря общественного назначения, на рационализацию и изобретательство, охрану труда и т.д. Каждое предприятие самостоятельно определяет перечень расходов по этой калькуляционной статье [48].
Амортизация основного капитала — это стоимостная оценка износа основного капитала за определенный период времени. На основе этой оценки происходит ежегодное списание части стоимости основных фондов, так называемые амортизационные отчисления. Они поступают в амортизационный фонд, который служит для возмещения износа основного капитала. Владельцы основных фондов осуществляют амортизационные отчисления согласно утверждаемым для всей страны нормам амортизационных отчислений по балансовой стоимости основных фондов: где К— стоимость установки; ул - норма амортизационных отчислений [48]. Рассмотрим остальные составляющие, входящие в (2.10). Если инвестирование осуществляется за счет собственных средств предприятия, то С%= 0, но обычный источник инвестиций в условиях рыночных отношений - банковский кредит. Кредитование юридических лиц осуществляется в соответствии с [49]. В современной рыночной экономике кредитование малого бизнеса сопряжено с определенными трудностями. Серьезным препятствием для кредитования малого бизнеса являются высокие риски [50], поэтому, как правило, кредиты, предоставляемые на развитие и модернизацию производства, являются краткосрочными (1-2 года) и предполагают высокую процентную ставку. Центробанк рассматривает кредиты малым предприятиям в большинстве случаев как довольно таки проблемные ссуды, под которые кредитные организации должны создавать резервы в размере половины либо полной суммы кредита. Соответственно, банки должны изыскивать дополнительные средства для создания резервов, и, как следствие, это приводит к увеличению издержек банка и повышению ставки. Полная стоимость кредита учитывает все платежи, связанные с заключением и исполнением кредитного договора. Сюда входят платежи по погашению основной суммы долга по кредиту, платежи по уплате процентов по кредиту, а также другие платежи, если они предусматриваются договором кредитования [51,52].
Допустим, банк дает кредит в размере Бк на время tKp под процент ікр. Расчет процентов за кредит может производиться тремя методами [52]: ежемесячный возврат части кредита с уплатой процентов, аннуитетный платеж либо единовременный возврат кредита с периодической уплатой процентов. Выбор метода платежа согласуется с кредитополучателем и фиксируется в договоре.
Технико-экономическое сравнение установок периодической сушки пиломатериалов с разными способами энергоподвода
Скорость нагрева до требуемой температуры с ограничением на максимально допустимую разность температур в объеме диэлектрика или максимально допустимые температурные напряжения; скорость сушки до требуемой влажности диэлектрика с ограничением на максимально допустимую температуру и допустимую разность влагосодер-жания в объеме тела.
В случае если расчетные параметры удовлетворяют исходным требованиям, то полученное проектное решение по структуре установки принимается и формулируется техническое задание на проектирование элементов СВЧ ЭТУ данного уровня. В противном случае выбираются следующие пути улучшения проекта установки:
Изменяются числовые значения исходных параметров. Поскольку изменения параметров направлены на поиск наилучшего значения заданного показателя установки или процесса, эта процедура является процедурой оптимизации.
Если с помощью оптимизационных процедур не удается добиться выполнения исходных технологических требований, то используют другой путь, связанный с изменениебм структуры СВЧ установки. Так, например, если при СВЧ термообработке диэлектрика не удается добиться выполнения исходных технологических требований, то используют другой путь, связанный с изменением структуры СВЧ установки. Для нового варианта структуры вновь выбирается математическая модель и проводится численное исследование.
Если и для нового варианта структуры СВЧ установки необходимые технологические требования не выполняются, то необходимо корректировать исходные данные на проектирование установки.
После того как будет готово предварительное техническое задание на СВЧ ЭТУ, определяют технико-экономические параметры установки - ее цену, установленную мощность, габариты, количество обслуживающего персонала и т.д. На этом же этапе принимается решение об оптимальном резервировании установки. Затем выбирается альтернативная ей установка с иным способом энергоподвода с такой же производительностью. После этого установка сравнивается с альтернативной с помощью целевой функции технико-экономического сравнения.
В случае если спроектированная установка окажется выгоднее альтернативной, формируется окончательное техническое задание на изготовление установки. В противном случае ищется способ улучшения технико-экономических параметров, например, за счет снижения энергозатрат или оптимизации цены установки. На этом же этапе проводится процедура оптимизации организации режима работы СВЧ установки. Затем заново проводится вся процедура численных расчетов технологического процесса и заново проводится процедура технико-экономического сравнения установки с альтернативной.
Если же и после процедур по увеличению конкурентоспособности СВЧ установка проигрывает альтернативной, возможно принятие решения об отказе разработки данной установки.
На сегодняшний день можно с уверенностью сказать, что накоплен большой опыт применения энергии СВЧ электромагнитных колебаний в различных отраслях промышленности, в том числе для термообработки.
Нагрев диэлектрических материалов с помощью СВЧ энергии принципиально отличается от конвективного или радиационного. При конвективном или радиационном энергоподводе прогрев объекта происходит от его поверхности внутрь, т.е. градиент температуры направлен к поверхности материала. Особенностями обработки в поле СВЧ являются прогрев материала в объеме и создание градиента температуры, направленного к наружным слоям объекта, т.к. температура поверхностных слоев материала ниже температуры центральных слоев материала из-за потерь теплоты в окружающую среду. При этом термодиффузия (из-за температурного градиента), как и диффузия (из-за градиента влагосодержания), вызывают массоперенос к поверхности в отличие от конвективной и радиационной обработки, при которых термодиффузия, направленная в глубь материала, уменьшает поток влаги к поверхности обрабатываемого объекта.
СВЧ установки проектируются обычно для обработки определенных объектов. Установки многоцелевого назначения встречаются редко, так как изменение режима работы чаще всего попросту невозможно. По этой причине будем говорить в дальнейшем только об установках первого типа.
В этих установках, в свою очередь, могут обрабатываться объекты заданной формы, определяющим размером которой могут быть объем, площадь, длина, или обрабатываемому объекту можно придать какую-либо предпочтительную форму.
В первом случае типичным примером таких установок являются сушилки пиломатериалов, а во втором случае - сушилки зерна и пищевых продуктов. Рассмотрим особенности проектирования электротехнологических сушилок с СВЧ энергоподводом к обрабатываемому объекту и теплотехнологических сушилок с традиционным конвективным энергоподводом.
Технико-экономическая оптимизация структуры и параметров СВЧ электротермического оборудования
Это объясняется тем, что СВЧ энергоподвод к обрабатываемому объекту в технологических целях стал возможен с освоением СВЧ диапазона электромагнитных колебаний, в первую очередь, для целей радиолокации. Накопленный к этому времени опыт традиционных способов сушки до сих пор обеспечивает определенное лидерство тепловых сушилок в различных отраслях хозяйства.
Различие обрабатываемых объектов по физико-химическим и структурно-механическим свойствам, по форме, размеру, количеству и т.д. способствует применению в промышленности разнообразных конструкций тепловых сушилок.
Наибольшее распространение среди теплотехнологических сушилок древесины получили: конвективные, кондуктивные, радиационные, комбинированные (конвективно-радиационные) сушилки. По функционированию во времени такие сушилки, как и СВЧ сушилки, подразделяются на сушилки периодического и методического (непрерывного) действия. Наконец, по конструкции различают камерные, шахтные, ленточные, туннельные, барабанные, сублимационные теплотехнологические сушилки. Конструкции теплотехнологических сушилок рассмотрены, например, в [18, 69]. Наибольшее распространение в промышленности получили конвективные сушилки. Они, в свою очередь, подразделяются на: воздушные, на дымовых (топочных) газах, на неконденсирующихся газах (азот, гелий, перегретый водяной пар). По схеме движения сушильного агента конвективные теплотехнологические сушилки подразделяются на однозонные и многозонные; давлению в сушильной камере - на атмосферные и вакуумные; направлению движения сушильного агента - на прямоточные, противоточные, перекрестно-точные (поперечные).
Выбор сушильного агента производится на основе комплексного исследования технико-экономических показателей сушилки. В дальнейшем ограничимся рассмотрением наиболее распространенных камерных тепловых сушилок периодического действия, используемых при сушке пиломатериалов.
Сейчас рекламируется большое количество тепловых сушилок (сушильных камер) указанного типа. В качестве вариантов при сопоставлении тепловых сушилок с СВЧ сушилками выберем сушильные камеры ПО КАМИ-Станкоагрегат [70]. ПО КАМИ-Станкоагрегат является известным в России изготовителем и поставщиком деревообрабатывающего оборудования и сушильных установок древесины.
Среди поставляемых ПО КАМИ-Станкоагрегат на рынок технологического оборудования тепловых сушилок в первую очередь обращают на себя внимание сушильные комплексы СКВ, предназначенные для сушки пиломатериалов различных пород. В качестве топлива в них используются древесные отходы (опилки, стружка, гранулированная щепа, кусковые отходы). Комплексы состоят из одной или двух камер и комплектуются одной или двумя энергетическими установками.
Штабель пиломатериалов загружается на тележки и перемещается в камеру по рельсовому пути. Возможна фронтальная загрузка камеры автопогрузчиком. Компоновочная схема установки показана на рис. 3.12. Энергетическая установка состоит из загрузочного бункера, подающего шнека, камеры предварительного сжигания (газогенератора), водяного котла и циркуляционного насоса. Принципиальная схема энергетической установки показана на рис. 3.13. Опилки (стружка), засыпаются в бункер, затем с помощью ворошителя и шнекового транспортера они подаются в узел предварительного сжигания топлива, где идет предварительное сжигание топлива и происходит процесс газификации, т.е. процесс практически полного превращения топлива в горючие газы. Факел горящего газа направляется в камеру сгорания котла, в котором осуществляется нагрев воды. Горячая вода по трубам системы отопления подается к калориферам, которые обдуваются воздухом с помощью вентиляторов. Воздух нагревается и циркулирует через штабель пиломатериалов, нагревая его до нужной температуры и унося испаренную влагу. Циркуляция воды в системе отопления обеспечивается насосом. Преимущества энергетической установки сушильного комплекса СКВ в сравнении с тепловыми установками, в которых реализуется слоевой или шахтный способ сжигания древесных отходов, следующий: - превращение опилок (стружки) в горючий газ - газификация топлива -обеспечивает практически полное сгорание топлива, в результате чего достигается высокий КПД установки (80 - 85%); - автоматическая шнековая подача опилок (стружки) обеспечивает равномерное горение и поддерживает необходимую температуру воды (± 1С) в калориферах сушильной камеры и, как следствие, высокое качество высушиваемого пиломатериала; - бездымное сжигание отходов; - автоматический режим дозированной подачи топлива не требует присутствия обслуживающего персонала. теплотехнологических сушилок пиломатериалов, а потому используем их в качестве типовых при сопоставлении подобного рода сушилок с СВЧ сушилками. Используя функцию расчета чистого дисконтированного дохода (2.37) и сравнительного экономического эффекта (2.5), можно произвести сравнение рассматриваемых типов сушилок. Расчеты для выбранных типов сушилок представлены в Приложении 1. Обязательным условием сравнения является одинаковая производительность обеих сушилок. Расчет проводился на интервале 6 лет (срок службы обеих установок). Принято, что высушиваемый материал — сосновая доска размерами 0,04 х 0,18 х 6 м. Начальная влажность - 80% (свежеспиленная древесина), конечная влажность - 8% (товарная влажность, при которой доска реализуется на товарном рынке). При расчетах принято, что начальные запасы сырья составляют 60 м3, (на 10 дней работы сушилок). Прогнозируемый рост цен на древесину - 25% в год [71]. Прогноз по тарифам на электроэнергию и тепловую энергию - 12%» в год [72], прогноз по инфляции - 8,5% в год [73]. В расчетах учтены затраты на холодную воду для обоих типов установок, на отопление и освещение помещения, на аренду площади. СВЧ сушилка располагается в отапливаемом помещении, камера тепловой сушилки располагается открыто из-за больших габаритов, силовая установка располагается в помещении. В расчетах учтено, что установки обслуживает 1 человек с зарплатой 12 тыс.руб. в месяц.
