Введение к работе
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
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.
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.
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 -33С до +28,9С; производительность сушильной установки от 300 до 440 кг/ч по исходному продукту; температура сушильного агента 45С) экономия первичного условного топлива составляет до 50-54%.
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 экономии 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
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.
Предложенный метод расчета цикла парокомпрессионного теплового насоса позволяет отказаться от использования таблиц и диаграмм термодинамических и тепло физических свойств за счет применения полиномиальных и рациональных функций и производить многовариантные расчеты, а также импортировать их результаты в другие программные модули.
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 16 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.
