Совершенствование процесса использования теплоты отработанного воздуха на примере сушильных установок молочной промышленности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Самсонов, Владимир Николаевич

• Самсонов, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Самсонов, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НА РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СУШИЛКАХ.

1.1. Современные установки для производства сухих молочных продуктов и режимы их эффективной эксплуатации.

1.2. Анализ современных процессов и оборудования, применяемых для очистки воздуха от тонкодисперсных пылей.

1.3. Рекуперация теплоты из отработанных теплоносителей и конструкции рекуператоров.

1.4. Разработка перспективных направлений для ресурсо-энергоэкономного производства сухих молочных продуктов.

Выводы.

II. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСТНОГО СОСТАВА СУХОГО МОЛОКА

2.1. Основные методы анализа дисперсности частиц сухого молока.

2.2. Результаты измерения дисперсного состава сухого обезжиренного молока до и после циклонной очистки.

Выводы.

Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА В УСТАНОВКЕ МОКРОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ.

3.1. Лабораторная установка для тонкой очистки воздуха методом мокрого пылеулавливания.

3.2. Исследование основных параметров мокрого пылеулавливания.

3.3. Сравнительная оценка экспериментальных и расчетных параметров испарительной способности мокрого скруббера.

Выводы

IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ИЗ ОТРАБОТАННОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ.

4.1. Применение термосифонов для повышения эффективности процесса теплообмена в системе «отработанный теплоноситель - атмосферный воздух».

4.2. Методика расчета теплообменника-рекуператора на термосифонах.

4.3. Исследование процесса теплопереноса термосифоном между отработанным и исходным теплоносителем.

4.3.1. Зависимость эффективности теплосъема от взаимного движения отработанного и исходного теплоносителей.

4.4. Пример конструктивного расчета теплообменника-рекуператора на термосифонах.

Выводы.

V. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СУХОГО МОЛОКА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса использования теплоты отработанного воздуха на примере сушильных установок молочной промышленности»

Развитие индустриальной базы СССР, в т.ч. и Российской Федерации, к началу 90х г. г. 20 в. вывело нашу страну на самые передовые рубежи цивилизации практически во всех отраслях промышленности, в т.ч. в сельском хозяйстве и перерабатывающих отраслях АПК. Например, в 1987-89г.г. объем заготовок молока в СССР достиг 106-109 мил. т. в год, что на 40-45% превышало ежегодное производство молока в США.

Для максимально полной переработки сельскохозяйственного сырья усиленно осуществлялась реализация программы оснащения перерабатывающих предприятий отечественным оборудованием, в т.ч. для сушки молока. Выпуск отечественных сушилок типа А1-ОР24-01 в 1991-92 г.г. достиг 40-42 игг/год, за счет внедрения которых намечалось увеличить производство сухих молочных продуктов с 798 т.т./год (1989 г.) до 1200 т.т./год в 1995-97г.г.

Недостатком всех типов сушилок, как отечественных, так и импортных, эксплуатируемых в молочной промышленности, было их высокое энергопотребление - 3,2-3,5 т. пара на 1т. сухого молока, что компенсировалось низкой стоимостью первичных энергоносителей - мазута (60 руб/т.), газа (20 рубЛООО м ), эл. энергии (0,02 руб/квт), которая просуществовала вплоть до 90х. г.г. 20 в.

В настоящее время, а в дальнейшем тем более, добыча первичных источников энергии-нефти, природного газа, угля требует все больших затрат, как капитальных, так и трудовых. Следствием этого стало систематическое повышение стоимости энергоносителей, что не могло не повлиять на стоимость всех видов готовой продукции (таблица 1).

С начала 90х г.г. система функционирования добывающей промышленности и коньюктуры внешнего и внутреннего рынка сбыта горючих ископаемых (в первую очередь нефти и газа) организована таким образом, что на первое место поставлена задача получения сверхприбылей иностранными инвесторами. Опережающие повышение цен на энергоносители для потребителей РФ является неизбежным следствием привлечения иностранных инвесторов и одним из основных условий инвестиционной политики западных "партнеров" /77/.

Для повышения конкурентноспособности отечественных сухих молочных продуктов за счет уменьшения доли стоимости энергоресурсов в себестоимости продукции необходимы дополнительные мероприятия по экономному использованию энергии, в т.ч. за счет уменьшения ее потребления и потерь, что может быть достигнуто за счет максимально полной утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР) / 32,37,56/.

Таблица 1.

Изменение стоимости энергоносителей за период 1995-2000 г.г. по отдельным регионам РФ г.Сафоново Смоленская обл.

Период Газ л руб.за м1 Эл. эн. руб/квт-ч Вода руб.за м3 Сброс в канал .руб.за м1

1995 0,2613 0,1611 2,1 1,5

1996 0,2896 0,2358 3,92 2,38

1997 0,2777 0,3236 5,29 3,16

1998 0,3085 0,37 5,50 2,8

1999 0,3119 0,4534 5,50 2,8

2000 0,3951 0,5795 8,61 4,54

2001 0,5596 0,781 12,13 6,0

2002 0,7582 1,038 12,2 6,5

ГУЛ ПЭЗ г. Москва

Год Газ руб. за м3 Эл. энергия руб/квт-ч Пар руб, за 1т, Вода руб.за м3 Сброс Руб.за м3

1995 0,08 0,14 50 2,24 2,60

1996 0,26 0,33 88 4,90 4,90

1997 0,29 0,34 88 4,90 4,90

1998 0,30 0,35 88 4,90 4,90

1999 0,31 0,37 90 4,90 4,90

2000 0,39 0,56 170 8,70 8,70

2001 0,641 0,86 200 10,5 8,70

2002 0,75 1,05 210 12,1 8,70 г.Шахунья Нижегородская обл.

Период Мазут руб. за 1т. Эл. эн. руб/квт-ч Вода руб. за м1 Сброс в канал, руб. за м3

1996 560 0,362 1,56 1,2

1997 609 0,393 1,65 1,55

1998 638 0,40 1,76 1,84

1999 1661 0,516 2,76 2,84

2000 3350 1,01 3,52 3,26 .

2001 3400 1,1 4,57 4,61

2002 3500 1,1 5,32 6,1 г.Темников р.Мордовия

Период Эл.эн. Газ руб/квт-ч руб. за 1 м

1995 0,08 0.092

1996 0,29 0,257

1997 0,41 0.289

1998 0,37 0,295

1999 0,55 0,360

2000 0,69 0,420

2001 0,71 0,525

2002 0,97 0,710 г. Дзержинск (Нижегородская обл.)

Период Газ руб.за м3 Эл. эн. руб/квт-ч Вода руб.за м Сброс в ка-нал.руб.за м

1996 0,276 0,228 5,4 3,18

1997 0,297 0,248 5,4 3,87

1998 0,277 0,2788 5,4 4,0

1999 0,299 0,309 . 5,4 3,18

2000 0,316 0,567 8,82 3,46

2001 0,403 0,63166 12,60 4,05

2002 0,7 1,032 12,60 6,15 г. Ставрополь (ОАО МК «Ставропольский»)

Период Газ Эл. эн. Вода руб.за м руб/квт-ч руб.за м3

1996 0,288 0,442 4,544

1997 0,306 0,456 5.76

1998 0,313 0,808 5,77

1999 0,323 0,808 5,77

2000 0,450 0,637 6,75

2001 0,511 1Д 10,39

2002 0,7 1,1 11,50

Примерное изменение себестоимости сухого обезжиренного молока (%) за 1999-2002 г.г.

Статьи затрат 1999 г. 2000 г. 2001 г. 2002 г.

Сырье 70 62,4 57 53,5

Вспомогательные материалы 1,8 5,2 5,74 3,9

Заработная плата основных рабочих 1,1 3,5 4,65 6,04

Топливо и энергия всех видов 7,2 7,6 8,8 9,4

Общезаводские расходы 10,2 3,6 3,52 4,08

Прочие расходы 7,3 12,6 13,7 12,93

Амортизация 0,3 1,7 3,39 3,48

Отчисления 0,3 1,2 1,9 2,13

Транспортно-заготовительные расходы 2,1 2,2 1,3 2,1

Распылительная сушка, несмотря на значительные энергозатраты, является самым надежным и распространенным способом консервирования молока, исключающим необходимость применения консервантов, обеспечивающей исключительно эффективное сохранение ценнейшего пищевого сырья, за счет чего в осенне-зимний период более 70% населения РФ снабжаются полноценными молочными продуктами. На ближайшую перспективу распылительная сушка альтернатив не имеет /7,8,9/.

Сегодня на молочных предприятиях РФ установлено около 400 распылительных сушилок, отличающихся конструкцией сушильной камеры, типом и расположением распыливающего устройства, системой очистки отработанного воздуха (циклоны, фильтры) наличием специального оборудования (виброконвективных сушилок) для досушки и охлаждения сухого молока.

Большая энергоемкость процесса производства сухого молока заставляет усиленно заниматься поисками возможностей ее уменьшения. Одновременно с рационализацией путей энергопотребления необходимо изыскать эффективные методы использования теплоты отработанных теплоносителей.

В связи с ростом стоимости энергии в последние годы представляет большой интерес использование теплоты воздуха, отработанного в сушильных установках, для нагревания направляемого в сушилку атмосферного воздуха. Для этого многие фирмы применяют специальные теплообменники-рекуператоры, отличающиеся конструкцией и принципом теплообмена /7,46,48/.

Однако процесс сушки молочных продуктов сопровождается выбросом с отработанным теплоносителем большого количества сухого молока (2-10 кг/ч и более). Причина этого связана с тем, что применяемые для очистки воздуха циклоны не обеспечивают необходимый уровень улавливания сухого молока, содержание которого в отработанном воздухе составляет 120-250 мг/м3 , а по не-которым технологиям достигают 350-400 мг/м (например, сушка сыворотки /18,48,49/).

Как показал опыт эксплуатации рекуператоров, в т.ч. на сушильных установках фирмы «Ниро Атомайзер» (Дания), их использование неэффективно, если воздух после циклонов не прошел тонкую очистку в фильтрах или мокрых скрубберах, т.к. молочная пыль, оседая на теплообменной поверхности рекуператора, практически прекращает процесс теплообмена /8,10/. Кроме того пыль, загрязняя окружающую среду, одновременно вызывает преждевременный фи: зический износ технологического оборудования и потерю значительной части сырья и готовой продукции. Большинство пьшей пищевых производств способны образовывать с воздухом взрывоопасные смеси, а ее отложения представляют большую пожарную и микробиологическую опасность. Поэтому оснащение сушильных установок высокоэффективными системами пылеулавливания является одной из главных задач, так как эффективная очистка воздуха в пищевой промышленности имеет не только санитарно-гигиеническое, экологическое, но и экономическое значение /50/.

Целью диссертационной работы является обоснование рациональных параметров и разработка конструкций оборудования для снижения энергопотребления и пылевых выбросов применительно к действующему сушильному оборудованию. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ различных методов использования теплоты воздуха, отработанного в сушильной установке, и выбор наиболее рационального из них;

- разработка и создание экспериментального стенда для исследования выбранного метода рекуперации и определение рациональных параметров работы рекуператора при режимах работы промышленного сушильного оборудования;

- разработка инженерной методики расчетов, необходимых для создания промышленных рекуператоров;

- анализ современных систем очистки воздуха и выбор способа пылеот-деления, при котором достигается остаточная концентрация пыли, соответствующая экологическим нормам и возможности использования очищенного воздуха в процессе рекуперации;

- проведение дисперстного анализа пыли сухого молока в отработанном воздухе, необходимого для подбора пылеулавливающего устройства и определения эффективности пылеулавливания;

- разработка и создание экспериментальной установки для исследования выбранного способа пылеотделения и определения эффективности пылеулавливания, гидравлического сопротивления системы и изучения процесса дополнительного испарения влаги.

С учетом полученных результатов, а также перспективных интересов отечественной промышленности поставлена задача разработать эффективные методы использования теплоты воздуха, отработанного в сушильной установке, и определить рациональные режимы мокрого пылеуловителя обладающего малыми размерами и гидравлическим сопротивлением, обеспечивающий при этом высокую степень очистки.

Обоснование актуальности проблемы ресурсо-энергосбережения на существующих сушильных установках ч 4

1 г

Аналитический обзор литературы по проблеме исследования

Формирование цели и задачи исследования

- Выбор и разработка методик и стендов исследования

-► Исследование дисперсного состава сухого обезжиренного молока^ до и после циклонной очистки

Разработка установки мокрого пылеулавливания

Экспериментальные и теоретические исследования эффективности пылеулавливания в разработанной установке

Экспериментальные и теоретические исследования испарительной способности разработанной установки

Экспериментальные и теоретические исследования ^ гидравлического сопротивления разработанной установки ^

-► Теоретическое исследование влияния конструктивных парамет-^\ ров термосифона на эффективность теплопереноса при его использовании в системе рекуперации теплоты низкотемпературного теплоносителя

Теоретические и экспериментальные исследования зависимости теплосъема от температуры теплоносителя для различных типов термосифонов

Разработка методики расчета необходимой площади теплооб-менной поверхности и гидравлического сопротивления теплообменника-рекуператора на термосифонах

Исследование эффективности работы теплообменника-рекуператора на термосифонах при различных вариантах взаим- ного движения нагреваемого воздуха и теплоносителя ^ У г

V Обобщение и анализ эффективности их промышленного внедрения результате исследований, оценка экономической \ * J

Схема проведения исследования

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДНЯ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НА РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СУШИЛКАХ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ИХ ОСНАЩЕНИЕ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Анализ действующих предприятий по производству сухого молока показал, что за последние 10 лет оснащенность сушильным оборудованием практически не изменилась /3/.

Сушка молока и молочных продуктов осуществляются в основном на распылительных сушилках типа: Нема, ЦТ (Германия), А1-ОРЧ (и ее модификации, Украина), РСМ-500, РС-1000, ВРА-4 (Словакия) /53,63/.

До 40 % сушильного оборудования в Российской Федерации не эксплуатируется из-за отсутствия сырья. Наряду с этим в отдельных регионах, где сохранено поголовье молочного стада, предприятия-перерабтчики оснастили свои производства сушильным оборудованием, в подавляющем большинстве сушилками средней мощности типа А1-ОР2Ч (г.Дзержинск, Нижегородской области, г.Оренбург, г.Курганинск Краснодарского края, г.Коломна Московской области, г.Рудня Смоленской области и др.).

Также, в единичных экземплярах, введены в эксплуатацию сушилки принципиального нового типа - со встроенным кипящим слоем: "Ангидро - 1200 на Лианозовском МК (г.Москва) и "Ниро-Атомайзер" на Тимашевском МК (Краснодарский край) /11,12,47,51,74,81,89/.

По конструктивному исполнению и энергопотреблению находящиеся в эксплуатации сушилки могут быть разделены на четыре группы.

К первой отнесем созданную в 20-30 годы в Германии сушильную установку "Краузе" модернизированную в дальнейшем в установку ЦТ-500 в которой фильтры были заменены на циклоны и другие однотипные с ними сушилки («Нема, ЦАН).

Второй распространенный тип конструкции сушилок - РСМ-500, РС-1000, ВРА-4.

Отличие их заключается только в производительности, количестве циклонов и размерах: РСМ-500- 500 кг/ч, диаметр сушилки 5 м, РС-1000 и ВРА-4 - 1000 кг/ч, диаметр сушилки 7 м.

В отличие от немецких сушилок "Краузе" и их аналогов во всех других сушилках (за редким исключением) распыление сгущенного молока производится при помощи центробежных распылителей с электроприводом, а сами распылители устанавливаются в верхней части сушильной камеры.

К третьему типу сушилок, получивших массовое распространение в отечественной молочной промышленности, следует отнести отечественные сушильные установки типа А1-ОРЧ и ее модификации (Al-APC, А1-ОРЗ, А1-ОР2Ч, А1-ОР2Ч-01).

За период 1976-92 г.г. на предприятия молочной промышленности было поставлено около 420 сушилок А1-ОРЧ и ее модификаций.

В этих сушилках распыление молока осуществляется центробежным распылителем, оснащенным двухскоростным электродвигателем (1400/2800 мин"1). Сушка происходит при температуре 170-180°С, после чего отработанный теплоноситель (на высоте примерно 1/4 высоты сушильной камеры) выводится из сушилки. В базовой модели основная масса полученного продукта удаляется из сушилки аналогично сушильным установкам «Краузе», ЦТ, Нема, при помощи скребкового механизма.

По-другому осуществляется удаление продукта и воздуха из сушилок типа А1-ОР2Ч.

В этой конструкции по днищу сушилки, вместо скребков, движутся два воздухосборника, через которые воздух и сухое молоко отводится в рукавные фильтры. Встряхивание фильтров производится сжатым воздухом. Сухое молоко из фильтров шлюзовыми питателями выгружается в пневмотрассу, где охлаждается воздухом.

Более подробно следует остановиться на модификации сушилки А1-ОР2Ч-01 (рисЛ), где фильтры заменены на обычные циклоны (4 шт.), а также установлен скруббер и рекуператор теплоты отработанного воздуха.

Принцип действия установки.

Сконцентрированные молочные продукты поступают в одну из двух емкостей системы подачи продукта, где могут перемешиваться, охлаждаться или подогреваться. Затем насосом-дозатором винтового типа жидкий продукт подается по трубопроводу на распылитель, установленный в сушильной камере и распыляется в ее объеме на жидкие частицы диаметром 10-100 мкм. Воздух из помещения очищается в фильтре, нагревается в паровом калорифере и подается нагнетательным вентилятором в воздухораспределительное

Рис. 1 Принципиальная схема сушилки А1-ОР2-Ч-01:

I - емкость исходного продукта; 2 - насос - дозатор; 3 - распылитель; 4 - сушильная камера; 5 -устройство пневмоочистки; 6, 10 - фильтр воздушный; 7 - нагнетательный вентилятор; 8 - теплообменник системы рекуперации; 9 - паровой калорифер;

II - газодувка; 12 - теплообменник; 13 - циклоны; 14 - вентилятор вытяжной; 15 - затвор шлюзовой; 16 - кондиционер воздуха; 17 -циклон - разгрузитель; 18 - вентилятор пневмотранспорт; 19 - просеиватель; 20 - бункер; 21 - агрегат дозировочно - упаковочный; 22 - труба выхлопная; 23 - насос циркуляционный; 24 - насос подачи продукта в скруббер; 25, 27 - фильтр продукта; 26 - скруббер; 28 - насос подачи продукта на вакуум-выпарной аппарат. устройство сушильной камеры. В результате взаимодействия организованных потоков нагретого воздуха и распыленного жидкого продукта последний обезвоживается с образованием твердых сухих частиц. Высушенный продукт вместе с отработанным воздухом по воздуховоду поступает в батарею из четырех циклонов, где происходит разделение порошка и воздуха. Воздух из циклонов вытяжным вентилятором подается на тонкую очистку (до остаточного содержания пылевых частиц менее 15 мг/м3) в установку мокрого пылеулавливания Я9-ОМП-1 и затем очищенным и охлажденным выводится в атмосферу через выхлопную трубу с установленным в ней рекуператором.

В этой модификации были совместно применены скруббер и рекуператор теплоты отработанного воздуха, что повысило эффективность процесса сушки за счет снижения концентрации частиц сухого молока в отработанном воздухе до 10-15 мг/м3 и позволило уменьшить температуру отработанного теплоносителя на 10-15 °С.

Сушилка А1-ОР2Ч-01 производилась в 1991-92 г.г., с 1993 г. производство этих сушилок было прекращено.

Как самостоятельное оборудование скруббер Я9-ОМП-1 и рекуператор широкого распространения не получил. Это обусловлено двумя основными причинами:

1) применяемый на установке скруббер Я9-ОМП-1 слишком металлоемкий и имеет значительные габаритные размеры, на фотографии рис.2 видно, что скруббер по своим размерам соизмерим с сушильной башней;

2) примененный рекуператор (с промежуточным теплоносителем) крайне неэффективен и не может обеспечить достаточный нагрев воздуха.

Четвертый тип сушилок - это конструкции, в которых реализуется так называемый принцип двухстадийной сушки.

Количество таких сушилок в молочной промышленности РФ ограничено. Впервые такие сушилки были поставлены фирмой "Ниро-Атомайзер" в 1970-72г.г. на заводы в г.г.Гагарин (Смоленская обл.), Истра (Московская обл.), Волковысск (Гродненская обл.), Хорол (Полтавская обл.).

По замыслу разработчиков продукт в этих сушилках не досушивается до требуемой влажности на 1,5-3%, а досушка при меньшем расходе воздуха и более низкой температуре осуществляется в виброконвективных сушилках (инстантайзерах), в последней части которого продукт охлаждают.

Разновидностью двухстадийного метода сушки являются сушилки с так называемым "встроенным кипящим строем" (рис.3). Таких сушилок на молочных предприятиях РФ две: на Лианозовском МК (г. Москва) фирмы "Ангидро" и в АПК «Кубань» (г.Тимашевск, Краснодарский край) фирмы "Ниро-Атомайзер".

Создание этих сушилок было обосновано, якобы тем, что, встроив в сушилку кипящий слой, можно будет сократить общую высоту сушильной камеры, что должно было уменьшить цену сушилки за счет сокращения металлоемкости, снизить расходы на строительство (уменьшение высоты здания), улучшить технологический процесс сушки, в том числе за счет снижения энергозатрат.

Как показала практика эксплуатации этих сушилок, все перечисленные достоинства оказались недостижимыми по целому ряду причин.

Создание стабильного кипящего слоя мелкодисперсных (пылевидных) продуктов, к которым относится и сухое молоко, является крайне сложной технической задачей. При малейшей склонности к слипанию (за счет адгезии частиц) слой перестает "'кипеть" и перемешиваться, в нем образуются каналы, через которые свободно проходит воздух.

Такое происходит, если обрабатывается сухое молоко с повышенной влажностью (более 5%) или сухое цельное молоко (на поверхности частиц сухого цельного молока находится жир, который и делает как отдельные частицы так, и всю массу продукта склонной к слипанию).

По этой причине продукт в распылительной сушилке досушивается до стандартной влажности (менее 4%), а температура отработанного воздуха составляет около 90°С и более, т.е. экономии энергии за счет более полного насыщения сушильного агента испаряемой из продукта в сушильной камере влагой и уменьшение его температуры не происходит.

В виброконвективной сушилке сухой кондиционный продукт (содержание влаги в СОМ по ГОСТу не должно превышать 5%) в течение нескольких минут обрабатывается теплым (40-70°С) воздухом в первой части виброконвективной сушилки. Вторая часть виброконвективной сушилки используется как охладитель, для чего воздух сначала охлаждают ледяной водой до температуры 7°С, затем нагревают до 12°С (это делается для того, чтобы не допустить увеличение влажности сухого молока).

Рис.3 Принципиальная схема сушилки со «встроенным кипящем слоем» фирмы «Ангидро»:

I - устройство с кипящем слоем; 2,7,8,12,17 - теплообменники; 3,6,9,13,16,21 - центробежные вентиляторы; 4,5,10,14,22,24 - фильтры;

II - промежуточная емкость для сгущенного молока; 15 - теплообменник-охладитель; 18 - калорифер; 19 - сушильная башня; 20 - циклон; 23 - насос.

Технические данные сушилок наиболее распространенных типов приведены в таблице 1.1 /46, 48, 50, 53, 70/.

Как видно из таблицы температура воздуха на входе в сушилку для всех типов сушилок составляет 170-185°С, а температура отработанного воздуха для более энергоемких сушилок первых двух типов (ЦТ, РСМ- 500, РС-1000, ВРА-4) составляет 84-97°С, для менее энергоемких сушилок вторых двух типов (А1-ОРЧ, Н-А2000) составляет 74-78°С. Их термический КПД составляет:

- для более энергоемких сушилок, кпд Г

I вх ^ вых t -t окр у

100% =

180-90^ 180-20

100% = 56%

- для менее энергоемких сушилок / \ кпд= г -t вх вых > t -t окр у

100% = | 180 1*100% = 66% 180-20 ]

Как видно термический КПД сушилок находится в интервале 56-66%, из чего следует, что сушильные установки являются крайне неэкономными.

Проанализируем процесс сушки при помощи Н-с1 диаграммы (рис.4), где отрезки:

А-В - нагрев атмосферного воздуха в калорифере;

В-Г - процесс сушки непосредственно в сушильной башне.

Параметры воздуха для обозначенных точек представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 х°с ф% ё, г/кг сух. возд. 1, кДж/кг сух.возд.

А 20 60-80 9-11 47-50

В 180 ~0 9-11 205-215

Г 80 12 38-42 195-200

Из таблицы следует, что непосредственно в процессе сушки (на диаграмме отрезок ВГ) энтальпия воздуха остается практически неизменным (уменьшение энтальпии с 215-205 кДж/кг до 205-195 кДж/кг т.е. на 10%, происходит за счет теплопотерь в окружающую среду и нагрева продукта), а

Таблица 1

Техническая характеристика распылительных сушильных установок

Показатели Марка сушилки

ЦТ РСМ- 500 РС-1000 ВРА-4 А1-ОРЧ А1- ОР2Ч Н-А2000

Тип сушилки (Германия) (Чехия) (Чехия) (Чехия) (Россия) (Россия) (Дания)

1 2 3 4 5 6 7 11

Производительность по испаренной влаге, кг/ч:

Паспортная

Фактическая 500 500 1000 1200 500 580- 2000

600- 450- 900- 1000 400 630 2000

700 500 950 600

Производитенльность по готовому продукту кг/ч 450-400 420-380 820-740 820-740 420-380 420-380 1900-1820

Температура на входе в 170-180 175-185 175-185 175-185 170-180 175-185 сушилку, °С

Температура на выходе из 84-94 84-94 87-97 87-97 74-78 73-77 сушилки, °С

Расход пара, кг/ч 1600 1500 2900 2624 1450 2500 4900

Удельный расход на 1кг испаренной влаги: 3,2 3,0 2,9 2,06 4,1 3,0 2,45

Пара, кг 0,13 0,16 0,17 0,19 0,37 0,17 0,16

Электроэнергии, кВт

Габаритные размеры, м:

Длина

Ширина 14 12 18 18 12 12 24

Высота 12 12 9 9 13 13 24

7 6,5 18 18 7,5 7,5 18 влагосоёержаиае & г m к* сухого боздуха i—d- диаграмма

Рис.4 уменьшение его температуры со 180°С до 80°С происходит за счет фазового перехода воды в парообразное состояние и повышения влагосодержания с 9-11 г/кг до 38-42 г/кг.

Наиболее целесообразно использовать данный тепловой потенциал отработанного теплоносителя для подогрева воздуха перед калорифером и сокращения за счет этого расхода пара. Однако решить эту проблему достаточно сложно, во-первых, из-за наличия в отработанном воздухе сухого молока (его содержание составляет 110-200 мг в 1 кг отработанного воздуха), во-вторых, коэффициент теплоотдачи от сухого воздуха составляет не более 70 Вт/(м2*К), т.е. поверхность теплообмена должна составлять десятки и сотни квадратных метров и изготавливаться из самых теплопроводящих материалов, например алюминия.

Попытка использования кожухотрубных теплообменников для подогрева воздуха перед калорифером за счет теплоты отработанного воздуха, например, на сушилках РС-1000 (Чехия) г.Тверь, сушилка "Ниро-Атомайзер-1200" (Дания) г.Волковысск, Гродненская область, дали отрицательные результаты: в течение 2-3 часов работы теппообменные поверхности рекуператоров покрылись сухим молоком и процесс теплообмена практически прекратился. Дальнейшая подача отработанного воздуха в рекуператор превращает его в сборник сухого молока. По этой причине ни одна из сушилок как в РФ, так и в странах СНГ, не оснащены рекуператорами для эффективной утилизации теплоты отработанного воздуха.

Однако постоянное повышение стоимости топлива заставляет искать пути уменьшения его потребления. Фирма "Ангидро" (Дания) создала установки (рис.5), на которых дополнительно был установлен рукавный фильтр, снизивший содержание пыли сухого молока в отработанном воздухе до кон-центрации менее 20 мг/м , что позволяет применить рекуператор. Однако данная кострукция не нашла широкого применения. Использованная система очистки отработанного воздуха оказалась очень сложной, дорогой в эксплуатации и имела значительное гидравлическое сопротивление. Примененный рекуператор с промежуточным теплоносителем (вода) оказался крайне неэффективным. Аналогично пытается решить проблему использования теплоты отработанного воздуха фирма "Ниро-Атомайзер" (Дания). Недостатки примененного в данной сушилке оборудования для очистки воздуха и рекуперации теплоты будут рассмотрены в последующих разделах.

Рис.5 Принципиальная схема «энергоэкономной» сушилки фирмы «Ангидро»:

I - устройство с кипящем слоем; 2,7,8,12,17 - теплообменники; 3,6,9,13,16,21,25 - центробежные вентиляторы; 4,5,10,14,26 - фильтры;

II - промежуточная емкость для сгущенного молока; 15,23 - рекуператор, геплоотдающая и тепловоспринимающая секции, соответственно; 18 - калорифер; 19 - сушильная башня; 20,24 - циклон; 22 - рукавный фильтр; 26 - насос; 28 - теплообменник-охладитель.

Поэтому решение проблемы ресурсо-энергоэкономной эксплуатации сушильных установок может быть обеспечено только за счет комплекса мероприятий, направленных на:

- максимально полную очистку отработанного воздуха от сухого молока,

- увеличение влажности воздуха (за счет его влагонасыщения) до 60% и более для достижения величины коэффициента теплоотдачи не менее 200 вт/м2 • °К,

- применение рекуператора, обеспечивающего теплообмен также за счет конденсации водяного пара из отработанного теплоносителя.

Эти процессы на I-D диаграмме соответствуют точкам: Г-Д - дополнительное насыщение воздуха влагой в скруббере (до 48-50 мг/кг);

Д-Е - охлаждение воздуха в рекуператоре;

Е-Ж - конденсация водяного пара на теплопередающей поверхности рекуператора, с одновременным сокращением влагосодержания до 40-45 мг/кг).

Экономическая целесообразность этих мер может быть показана на следующем примере процесса сушки (для самой распространенной сушильной установки производительностью 500 кг испар.влаги/ч):

- подача воздуха на сушилку 25000 кг/ч;

- выход отработанного воздуха после сушки 30000 кг/ч (в т.ч. 5000 кг/ч от пневмотрассы); температура воздуха:

- атмосферного -20 °С;

- после калорифера -180 °С;

- отработанного после сушки -83 °С;

- после очистки сухого молока (в мокром пылеуловителе) -55 °С;

- атмосферного, после рекуператора (перед калорифером) - 40 °С,

- отработанного, после рекуператора(выброс в атмосферу) -37 °С (в том числе от 40 °С до 37 °С за счет конденсации водяного пара)

- расход пара на подогрев воздуха от 20 °С до 180 °С (по -1650 кг/ч, средним показателям отрасли для данного типа сушилки);

- среднее содержание сухого молока в отработанном тепло- - 120 мг/кг (поносителе тери 3,6 кг/ч).

Для наглядности построим процесс сушки в ьс! диаграмме.

А-Б - нагрев атмосферного воздуха в рекуператоре;

Б-В - нагрев атмосферного воздха в калорифере;

В-Г - процесс сушки непосредственно в сушильной башне (потери в окружающую среду и на нагрев продукта « 10%);

Г-Д - охлаждение отработанного воздуха в процессе очистки в скруббере;

Д-Е - конвективный отбор теплоты от отработанного теплоносителя в рекуператоре;

Е-Ж - отбор теплоты конденсаций водяного пара на теплоотдающей поверхности рекуператора.

Параметры воздуха для обозначеных точек представлены в таблице 1.2

Таблица 1.2 г°с ф% (1, г/кг .1, кДж/кг

А 20 60-80 9-11 47-50

Б 40 30 9-11 65-70

В 180 ~0 9-11 205-210

Г 80 12 38-42 190 д 55 60 48-52 185

Е 40 100 48-52 168

Ж 35-37 100 36-38 132

В этом случае термический КПД будет равен:

80 — 55 ^

КПД = вх выл -/ вх окр J 100%

180-40 100%-89,3%

1. Количество теплоты, затраченное теплоносителем на испарение влаги из молока:

1.1. В процессе сушки:

От - - 30000 • 1,009 • (180-83) = 2936190 кдж/ч, где, в-массовый расход воздуха кг

Ср-удельная теплоемкость воздуха кДж кг • К

I] и Ь ~ соответственно, температуры воздуха на входе и выходе из сушильной башни [V] где, г - теплота парообразования

1.2 В процессе очистки воздуха в установке мокрого пылеулавливания: q2 = G#Cp4t2-t3) - 30000 •1,009® (83-55) - 847560 кДж/ч. где, t3 - температуры воздуха на выходе из скруббера [°с\

2. Дополнительно выпаренное количество воды из молока в мокром п ыл еуловител е:

W;i0II = Q2/r - 847560/2255 = 376 кг/ч, кДж кг

3. Количество теплоты, переданное в процессе рекуперации:

3.1 Отданное отработанным теплоносителем:

Q3 = G#Cp#(t3-t4) - 30000 • 1,009 • (55-40) - 454050 кДж /ч, где, и - температуры воздуха на выходе из теплообменника [°С j

По I-d диаграмме определяем, что при дальнейшем понижении температуры от 40 °С до 37 °С в процессе конденсации из 1 кг воздуха конденсируется 6 г водяного пара.

В расчете на общий расход отработанного воздуха количество конденсата составит:

Wk= G#m - 30000 • 0,006 = 180 кг/ч, где, m - кол-во водяного пара сконденсировавшегося из 1 кг воздуха [кг]

Теплота, выделяющаяся при конденсации этого количества водяного пара:

Q4 - Wk • г = 180 • 2255 - 405900 кДж/ч. Таким образом количество теплоты, отдаваемое в процессе рекуперации составит:

Qo6щ = Q3 + Q4 = 454050- + 405900 - 859950 кДж/ч

3.2 Количество теплоты, принятое атмосферным воздухом в процессе рекуперации (при его нагреве от 20 °С до 40 °С);

Qe = G,®Cp4t5-t6) = 25000 • 1,009® (40-20) - 504500 кдж/ч, кг где, Gi - массовый расход нагреваемого (атмосферного) воздуха —

Lч t5 и — соответственно, температуры нагреваемого воздуха на входе и выходе из рекуператора

4. Количество теплоты, затрачиваемое на нагрев воздуха в калорифере: 4.1 Без рекуператора:

Q7 - G1#C>(t,-t6) - 25000 • 1,009# (180-20) = 4036000 кДж/ч

4.2 С рекуператором:

3* = О^СрЧ^з) - 25000 • 1,009® (180-40) - 3519600 кДж/ч 4.3 Экономия теплоты:

ДО = О? - О* = 4036000 - 3519600 = 516400 кДж/ч или 12,5 %.

5. Снижение расхода пара пропорционально составит:

АСпара = внара «12,5 1650 • 0,125 = 206,25 кг/ч, где, Опара - расход пара на нагрев воздуха от 20°С до 180°С (по средним показателям отрасли для данного типа сушилки)

При нормативном режиме работы сушилок 5000 ч/год общая экономия пара: спара общ = Авпара • 5000 - 206,25 • 5000 = 1031,25 т/год

6. Количество сухого молока, уловленное из отработанного воздуха (по средним показателям отрасли для данного типа сушилки, в отработанном воздухе прошедшем циклонную очистку остаточная концентрация сухого молока составляет «120 мг/м3):

Мсж = О • 0,00012 = 30000 • 0,00012 - 3,6 кг/ч

Потери сухого молока на сушилках типа ВРА-4 (РС-1000), предусмотренные техническим паспортом, составляют 3-4 %, т.е. при производительности по сухому молоку 800 кг/ч, потери могут достигать 32 кг/ч).

При 5000 часах работы в год общее количество дополнительно получаемого сухого молока можно принять от 18 до 30 т/год.

7. Экономию от дополнительно выпаренной воды (см. п. 2) следует принимать по энергозатратам выпарной установки (0,3 кг пара на 1 кг испаренной влаги):

7.1 Общее количество дополнительно выпаренной воды: Wдoп/roд=Wдoп • 5000 - 376 • 5000 - 1880000 кг/год

7.2 Экономия расхода пара:

Эк пара - ^Удоп/год • 0,3 = 1880000 • 0,3 - 564000 кг пара/год,

8. Общий эффект, достигнутый применением ресурсо-, энергосберегающей технологии сушки составит:

- экономия пара, бпара - впара общ + Эк |юра = 1031,25 + 564 - 1595,25 т/г;

- дополнительно полученное сухое молоко,

М= 18-30 т/г.

В данном случае расчет выполнен применительно к самой массовой сушилке отрасли - производительностью 500 кг/ч.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Самсонов, Владимир Николаевич, 2003 год

1. Сушильная камера предназначена для сушки молока: -производительность по испаренной влаге, кг/час 150-1000; -расход воздуха, м3/час - до 33000 (в зависимости от производительности);-температура воздуха, °С:- на входе 160-220,- на выходе 73-76.

2. Теплообменник-рекуператор.Предназначен для нагрева приточного воздуха на 15-25°С за счет теплоты отработанного воздуха.В конструкции рекуператора используются термосифоны (ТС) с продольным и поперечным оребрением.

3. Детали и сборочные единицы, поверхности которых контактируют с продуктами, должны изготавливаться из материалов,и 9разрешенных Минздравом РФ для контакта с пищевыми продуктами.

4. Установка должна поставляться в разобранном виде укрупненными составными частями.511 .Конструкция комплекта оборудования для сушки молока должна удовлетворять общим требованиям техники безопасности и охраны труда.

5. Установка должна быть герметичной, вытекание жидкости в процессе работы и мойки не допускается.

6. Конструкция должна исключать возможность образования застойных зон.

7. Установка должна быть оснащена пневматическими клапанами, для чего предусмотреть компрессорную станцию для получения сжатого воздуха (если воздух на заводе-потребителе отсутствует).

8. Предусмотреть возможность очистки фильтров на линии подачи и отвода жидкости без остановки насоса.

9. Вид и состав запасных частей, инструмента и принадлежностей на установку, предназначенных для самостоятельной поставки потребителю, определяется рабочей комиссией приемочных испытаний опытного образца.

10. Требования к патентной чистоте.Должна быть обеспечена патентная чистота в отношении стран: РФ, СНГ, Германия, Дания, Чехия, Словакия, Швеция, США.