особенности использования тепловых насосов в процессах сушки

Институт технической теплофизики
НАН Украины г. Киев
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ
НАСОСОВ В ПРОЦЕССАХ СУШКИ
член--кор
член
корр
респондент НАН Украины Ю. Ф. Снежкин,
Д.М. Чалаев, Р.А. Шапарь, Дабижа Н.А.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ
НАУЧНО
ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ “ТЕПЛОНАСОСНЫЕ
ТЕПЛОНАСОСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УКРАИНЕ.
УКРАИНЕ
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ”, г. Киев, 23 - 25 мая 2012 г.
8…10 % всей энергии в мире
расходуется на процессы сушки
В процессе сушки испаряется
б
более
25 млн. т. влаги.
По потреблению энергии
процессы сушки в различных отраслях
промышленности
р
Великобритании
р
составляют в среднем 15 %
от общих
щ энергетических
р
затрат
р
в промышленности.
21%
%
Лесоп
пильная
10%
%
Ке
ерамика
250
33%
%
300
Бу
умажная
Текст
тильная
8%
Хими
ическая
6%
Пищевая/сел
льск.хоз
12,5%
%
(х 10 МДж/год
д)
9
Общий рас
О
сход энер
ргии/год
Расход энергии по отраслям
промышленности Великобритании
В
б
450
400
350
Другие процессы
Сушка
200
150
100
50
0
В процессах сушки определяющими
являются процессы
тепло- и массообмена.
От их интенсивности зависит
эффективность сушки
и экономичность использования
материальных и энергетических ресурсов.
ресурсов
Влияние температуры на константы скорости
химической
й реакции ((а),
) коэффициента
фф
диффузии
фф
(б)
температуропроводности (в)
б)
а)
в)
Энергоэффективность процесса сушки
Потери:
с теплоносителем
Нагрев
влаги
В окружающую среду
5
%
20%
25%
10%
40 %
Испарение влаги
Нагрев
матери
ала
Способы повышения
энергетической эффективности
сушильных установок
Спосіб підвищення
енергоефективності
Підготовка матеріалу
до сушіння
Зниження початкової вологості
матеріалу перед сушінням
шляхом
механічного зневоднення
Збільшення
поверхні випаровування
матеріалу
Термічна, гігротермічна
або
б паротермічна
і
обробка
б б
матеріалу
перед сушінням
Процес зневоднення
матеріалу
Інтенсифікація
процесу
сушіння
Утилізація теплоти
відпрацьованого сушильного
агента и теплоти, яке зберігається
в висушеному матеріалі
Використання
нетрадиційних
джерел енергії
Високотемпературний високовологий
метод сушіння
Тепловий
насос
Геотермальна
Зонний
(багатостадійний)
метод сушіння
Теплоутилізатор
Сонячна
Конденсаційний
метод сушіння
Рециркуляція
Теплогенератор
на біомасі
Парокомпрессионный тепловой насос
Отработанный
теплоноситель
Электрическая
энергия
Тепловая
энергия
в сушилку
Процесс теплонасосной сушки в J-d диаграмме
J
a
1 – конденсатор
2 – компрессор
b
3 – испаритель
4 – сборник конденсата
5 – дроссель
c
d
d
Влияние параметров теплоносителя
на интенсивность процесса сушки
J /J 1,2
max
1
t a =60 oC
55 oC
08
0,8
50 oC
0,6
45 oC
0,4
40 oC
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60   
70
Зависимость
З
ависимость теплозатрат на конденсацию влаги
от параметров осушенного воздуха
q,
45
МДж/кг
t a = 60 oC
40
35
30
55
25
50
20
45
15
40 oC
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60

Коэффициен
нт преобр
разования теплового насоса, 
Зависимость эффективности теплового насоса
от температуры догрева
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
20
30
40
50
60
70
80
90
Повышение температуры теплоносителя Т = Тг-Тх, С
Коэффициент использования первичной энергии
Электронагрев
0,27 - 0,34
Сжигание топлива
0,75 - 0,85
Парокомпрессионный тепловой насос
с электроприводом
0,6 - 1,35
Парокомпрессионный тепловой насос
с тепловым двигателем
1,25 - 1,95
Абсорбционный термотрансформатор
1,6 - 2,5
Схема теплонасосной установки с приводом
от теплового двигателя и распределение потоков
произведенной энергии
QТ = QО.Д.+ E·QВ.Г. + QКД = 0,41+ 0,7· 0,29 + (2,1…4,5) · 0,3 = (1,25…1,95)QП
де
Qт – количество произведенной теплоты;
Q кд = Nкм·µ;
Е – эффективность рекуператора уходящих газов,
µ – коэфффициент преобразования теплового насоса.
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ
СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
БЕЗ РЕЦИРКУЛЯЦИИ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Схемное решение
конденсационной сушилки
Конденсационная сушилка
с улучшенным теплообменом
1 – тепловой насос,, 2 – теплообменник,,
3 – дополнительный нагреватель, 4 – сушилка.
Конденсационная зерносушилка
1. Температура сушки
40-55 °С
2 Количество удаляемой влаги до 8 л/час
2.
3. Количество высушиваемого продукта:
– пшеница
до 120 кг/час
– кукуруза
до 100 кг/час
– мак
до 70 кг/час
4. Установленная мощность 4,5 кВт
5 Удельный расход эл.энергии
5.
эл энергии на
выпаривание влаги
0,4…0,8 кВт ·час/литр
6. Габариты агрегата 900х650х1300 мм
7. Масса агрегата
90 кг
8. Габариты сушильной камеры
800х800х1700мм
1 – компрессор; 2 – воздушный
конденсатор; 3 – рекуператор;
4 – испаритель
Сушилка с двумя тепловыми насосами
1 – тепловой насос,
насос 2 – сушилка.
сушилка
Конденсационная сушилка
с использованием отработанной теплоты двигателя
1 – тепловой насос,
насос 2 – компрессор,
компрессор 3 – двигатель,
двигатель 4 – система
охлаждения двигателя, 5 – утилизатор выхлопных газов, 6 – сушилка.
Сушилкка
Система подготовки теплоносителя
на базе теплового насоса с тепловым двигателем
Отработанный
теплоноситель
В Институте впервые в Украине разработан
сушильно-энергетический комплекс
для производства
д
р
д
электрической
р
и тепловой энергий
р
на базе двигателя-генератора ДвГА-630.
Предложенный комплекс обеспечивает
круглогодичную потребность
б
сельскохозяйственных
й
предприятий электрической и тепловой энергией,
а также сезонную потребность в энергоносителях для
тепловлажностной обработки растительного сырья,
в первую
р у очередь,
р
, зерна.
р
Комплекс обеспечивает снижение энергозатрат
на удаление 1 кг влаги в 1,6 раза.
У
Удельные
капитальные затраты на 1 кВт
В
установленной мощности находятся в пределах
300 400 дол.
300...400
дол США при сроке окупаемости 2
2...4
4 года.
года
Принципиальная схема конденсационной
зерносушилки на базе двигателя ДвГАДвГА-630
1 – газовый двигатель
двигатель-генератор;
генератор; 2 – теплообменник утилизационный; 3 – компрессор
теплового насоса; 4 – воздушные калориферы; 5 – конвективная 3-ех зонная
зерносушилка; 6 – циркуляционный вентилятор; 7 – конденсатор теплового насоса;
8 – испаритель теплового насоса.
Технические характеристики
р
р
сушильной установки
1. Производительность по высушенному зерну
(при снижении влажности от 20 до 14 %)
37 5 т/час
37,5
2. Производительность по испаренной влаги
2630 кг/час
3 Температура
3.
Т
процесса
55 °С
4. Удельные затраты газа
5,2÷ 5,9 нм3/т
5. Энергозатраты на удаление1 кг влаги
594÷650 ккал/кг
6. Суммарная теплопродуктивность агрегата
3150 кВт
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ
СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Схемное решение
конденсационной сушилки
Тепловой насос для обезвоживания
воздуха циркулирующего в сушилке
воздуха,
1 – тепловой насос, 2 – улавливатель влаги, 3 – сушилка
Конденсационная сушильная установка
и процесс сушки в I-d диаграмме
вода
1 – сушильная камера; 2 – тележка; 3 – холодильный компрессор;
4 – испаритель;
р
;5–р
рекуперативный
у р
теплообменник;; 6 – д
двухсеку
ционный воздушный конденсатор.
П
Процесс
обезвоживания
б
воздуха в испарителе
теплового насоса в II-d диаграмме.
Конденсационная сушильная установка
з замкнутой рециркуляцией воздуха
Технические
характеристики
•
•
•
•
•
Температура сушки
40-55 °С
Количество высушиваемого
продукта
– лекарственные и др. травы
до 200 кг/сутки
– фрукты,
фрукты грибы,
грибы овощи и
т.п.
до 100 кг/сутки
Установленная мощность
1 6 кВт
1,6
Удельные затраты
эл.энергии на испарение
влаги
0,3…0,7 кВт ·ч/литр
Габариты теплонасосного
агрегата
600х700х600(h) мм
Масса 50 кг
Политерма десорбции паров воды
паренхимными тканями ананаса
0,7
0 6-0
0,6
0,77
0,5-0,6
0,6
0,4-0,5
0,3-0,4
0,5
0,2-0,3
0-0,1
0,4
0,3
0
0
0,1
0,2
0,05
0,3
p/ps
0,4
0,1
,
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,2
20 oC
40 oC
60 oC
t, oC
u, кг/кг с.м.
u
0,1-0,2
Совмещенная I-d диаграмма
влажный воздух
у –р
равновесное влагосодержание
р
материала u = const и процесс сушки (АВС)
1 – ананас;
2 – яблоко;
3 – СМК.
Схемы зонных туннельных
сушильных установок с тепловым насосом
Однозонная
Трехзонная
Пятизонная
Технологическая линия
по переработке
р р
тропических
р
культур во Вье
Вьетнаме
тнаме
Сушилка с использованием
теплового насоса
загрузочный
транспортер
Технические характеристики
р
р
линии
Производительность, т/ч
по сырью
0,55…0,6
по сухому продукту
0,092…0,1
по пищевому порошку
0,064…0,07
Установленная мощность, кВт
80…85
Потребление топлива, т/ч
0,11…0,12
Производственные площади, м2
360
Энергозатраты при сушке
конденсационным методом
dW/d,, %/год
д
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
8,00
9,00
W, % 180
160
140
2650 кДж/кг
120
2050
100
2240
80
3250
60
3430
40
3630
20
4355
0
0,00
4780
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
, год
Начальная температура теплоносителя – 50 °С
Скорость теплоносителя – 1,3 м/сек
Потенциал энергосбережения при сушке
в некоторых отраслях промышленности Украины
Вид сырья
Объемы
производства
Количество
высушиваемого сырья,
%
2002 - 2011 гг.
Затраты энергии
на сушку,
млн. т у.т.
Потенциал
энергосбережения
млн. т. у.т./год
2002 – 2011 гг.
2002 - 2011 гг.
Техн.достиг.
общий
Уголь, млн. т
60 - 62
50
1,3 -1,5
0,3-0,4
0,6 -0,7
р
и ф
фар-мац.
р
ц
Хим. материалы
преп., млн. т
0,6
, - 0,8
,
100
0,13
, -0,16
,
0,03,
0,04
,
0,05
, – 0,06
,
Торф, млн. т
0,7- 0,8
70
0,15 -0,17
0,05 – 0,08
0,15 -0,17
Зерно, млн. т
30,0-40,0
100
0,7 – 0,85
0,3 – 0,4
0,65 -0,8
Фруктовые
выжимки,
свекловичный жом, млн. т
1,7 – 2,0
80
0,33 -0,35
0,1 – 0,12
0,2 – 0,25
Фрукты, овощи, млн. т
7,9 – 8,5
10
0,12 - 0,16
0,037 –
0 052
0,052
0,06 – 0,08
Кирпич,
стеновые
материалы, млрд. шт. цел.
кирпича
5,5 - 5,7
100
2,0 -2,0
0,5 – 0,6
0,7 -0,8
П
Пиломатериалы,млн.
м3
2 0 – 2,2
2,0
22
80
0 8 – 0,9
0,8
09
0 2 – 0,3
0,2
03
0 4 – 0,5
0,4
05
Др.
материалы
(ткань,
бумага, макароны, сухое
молоко и др.), млн. т
1,3 - 1,5
100
0,20,21
0,05 -0,06
0,1 – 0,15
5,7 - 6,5
1,6 – 2,1
2,9 – 3,5
Всего:
Структура
ру ур потенциала
ц
энергосбережения при сушке
3,5%
2,5%
3,0% 2,6%
6 0%
6,0%
30 2%
30,2%
13,7%
18,8%
19,2%
Кирпич и др. мат.
у голь
Зерно
Пиломатеиалы
Фруктовые выжимки
Торф
Другие мат.(ткань, бумага и т.д.)
Фрукты и овощ и
Хім. мат. и фарм.преп.
Затраты энергии на процессы
сушки составляют 4 %
общих
б
затрат котельно-печного
топлива в Украине,
технически достигнутый
й
потенциал энергосбережения от
разработок Института
составляет 1,3 %,
при возможном 2,0
20%
%,
40 % из которых
за счет использования
тепловых насосов.
БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ !
тел. +38 044 424 15 26, факс: +38 044 424 31 77
e-mail:
e
mail: ntps@ bk.
bk ru