logo
ФВТ (КХТП) / ДИПЛОМ / Дипломная работа - 2002 / Мой_Диплом_1

Глава 1 литературный обзор

В современных условиях возрастающего потребления энергии, с одной стороны, и дефицита энергетических ресурсов, с другой, все более остро ставятся вопросы рационального использования энергии [1]. Процесс сушки является одним из самых энергоемких процессов. На стадию сушки расходуется от 8 до 12% всего индустриального энергопотребления. Затраты на энергию в непрерывно работающих установках часто составляют более половины эксплуатационных расходов. Поэтому существует необходимость в экономии энергии и разработке методов по снижению энергозатрат.

В [2,3,4] сформулированы основные принципы энергосберегающей технологии сушки:

В монографии [4] Шевцова А.А. предложены рекомендации по выбору способа энергосбережения в сушильных установках в зависимости от способа сушки и свойств высушиваемого материала. Здесь прослежено развитие научных основ энергосбережения в процессах сушки пищевого сырья. Так например, известно, что применительно к конвективной сушке дисперсных материалов наиболее реально рекуперацию тепла можно осуществить тремя способами:

- утилизацией физического тепла высушенного продукта при прямом теплообмене с ним исходного сушильного агента.

Сушку с рециркуляцией сушильного агента можно осуществлять по схемам с частично или полностью замкнутым циклом (рис.1).

Рис.1. Схема с рециркуляцией сушильного агента: 1 – газоподогреватель; 2 – сушилка.

Рециркуляцию сушильного агента [4,5,6], когда часть отработанного теплоносителя смешивается со свежим воздухом (частично замкнутый цикл), применяют для повышения степени использования его потенциала и при недопустимости интенсивного удаления влаги из продукта. Схему рекуперации тепла [4,5,6,7,8] с использованием промежуточного жидкого теплоносителя (рис.2) целесообразно применять при сушке высоковлажных материалов и при высокой температуре отработанного сушильного агента (например, в распылительных сушилках).

Рис.2. Схема рекуперации тепла с использованием промежуточного жидкого теплоносителя:

1 – газоподогреватель; 2 – сушилка; 3,4 – теплообменники поверхностного типа; 5 – насос.

Схему рекуперации тепла с использованием физического тепла высушенного продукта (рис.3) целесообразно применять при сушке низковлажных материалов, когда большая часть подводимого тепла расходуется на нагрев высушиваемого материала.

Рис.3. Схема с использованием теплообмена сушильного агента с высушенным продуктом:

1 – газоподогреватель; 2 – сушилка; 6 – теплообменник «газ-твердое тело».

Большими возможностями рекуперации тепла обладают установки сушки с полностью замкнутым циклом теплоносителя (рис.4). Тепло отработанного сушильного агента трансформируется в тепло воды и конденсата, отводимых в смеси или по отдельности в зависимости от типа применяемого конденсатора (смешения, поверхностного типа).

Рис.4. Схема с замкнутым циклом сушильного агента: 1 – газоподогреватель; 2 – сушилка; 7 – конденсатор.

Схема сушки с рекуперацией тепла при использовании тепловых труб (рис.5) работает аналогично схеме с промежуточным жидким теплоносителем, но более экономична, компактна и может применяться в более широком интервале температур сушильного агента [4,5,7].

Рис.5. Схема теплообмена с использованием тепловых труб: 1 – газоподогреватель; 2 – сушилка; 8 – теплообменник с тепловыми трубами.

Максимальные возможности рекуперации тепла достигаются при использовании (рис.6) в качестве сушильного агента перегретого пара [4,5,10,11,12]. Он дает возможность существенно интенсифицировать процесс сушки и повысить эксергетический КПД процесса.

Рис.6. Схема с использованием перегретого пара в качестве сушильного агента:

1 – газоподогреватель; 2 – сушилка; 3,4 – теплообменники поверхностного типа; 5 – насос;

6 – теплообменник «газ-твердое тело»; 7 – конденсатор; 8 – теплообменник с тепловыми

трубами.

Данилов О.Л. подробно описывает преимущества перегретого пара перед воздухом [5]. А польскими ученными, проводившими анализ использования энергии при сушке бумаги с использованием воздуха и перегретого пара, приведены экспериментальные данные по расходам тепловой и электрической энергии [33], доказывающие целесообразность применения перегретого пара. В статье отмечено, что уже при температуре выше 2400С можно добиться значительной энергетической, экономической и экологической выгоды.

При сушке некоторых трудносохнущих материалов (с высокой энергией связи влаги), когда исчерпаны все возможности повышения начальной температуры сушильного агента, необходимо увеличивать длину сушильного тракта или число зон, либо применять рециркуляцию материала. Однако этот принцип энергосбережения [4] не лишен существенных недостатков, поскольку по ряду причин происходит уменьшение производительности сушилки.

В последние годы в технике сушки все более широкое применение находят тепловые насосные устройства (ТНСУ), позволяющие довести сушильные установки до высокого энергетического совершенства в отношении использования и рекуперации тепла [4,5,6,7,9,13,14,15]. Использование рециркуляционной или рекуперативной систем возможно для обеспечения режимов низкотемпературной сушки. Однако такие системы не способны обеспечить проведение "мягких" режимов сушки с регулированием температуры и относительной влажности воздуха в сушильной камере в течение всего расчетного времени сушки. Такие режимы могут быть обеспечены только при использовании тепловых насосов (рис.7). В тепловом насосе теплота внешней среды, которой может быть наружный воздух или отработанный сушильный агент, в результате затраты механической энергии в компрессоре переходит от низкого температурного потенциала на более высокий температурный уровень рабочего сушильного агента. Тепловые насосы используются в периодических сушильных камерах при сушке продуктов, требующих точного контроля гигрометрических условий в течение всего процесса. Известно, что при сушке зерна, одежды, древесины использование теплоты отработанного сушильного агента при помощи теплового насоса позволяет снизить расход потребляемой энергии на 50-80% [5].

Рис.7. Схема с использованием теплового насоса: 1 – камера, 2 – компрессор, 3 – конденсатор, 4 – дроссель, 5 – испаритель.

Шевцовым А.А. были впервые разработаны научно-теоретические основы развития процессов энергосбережения по утилизации и рекуперации вторичных ресурсов при конвективной сушке пищевого сырья в неподвижном и подвижном перемешивающемся слое, сушки в кипящем слое в среде перегретого пара, методом сброса давления и сублимацией. Им было создано информационное обеспечение для реализации новых способов управления, обеспечивающих наименьшие потери тепла и электроэнергии. Использованы методы моделирования процессов сушки в решении оптимизационных задач энергосбережения.

Вполне очевидно предположить, что определять выбор теплоносителя, способ теплоподвода, состояние слоя обрабатываемого продукта и т.п., т.е все то, что определяет способ сушки будут структура и физико-химические свойства продукта. Исходя из этого было предложено обоснование выбора способа сушки, изображенное на рис.8.

В результате системного анализа Шевцовым А.А. были сформулированы основные принципы энергосбережения, детализация которых приведена на рис.9.

Тепло- и массоперенос оказывает определяющее влияние на скорость сушки, на качество продукта и расход энергии [5]. Для понимания связи между интенсификацией сушки и экономией энергии следует иметь ввиду следующие общие приближенные представления. В общем случае возникает задача ускорения переноса вещества (обычно влаги) из объема сушимого материала к его поверхности (внутренний перенос) и от поверхности в окружающую среду (внешний массообмен). Экономия энергии в результате интенсификации осуществляется прежде всего за счет:

- сокращения общей длительности процесса и соответственно уменьшения потерь энергии;

- локализации подвода энергии и снижения при этом нерационального ее расхода;

- снижение расхода сушильного агента и соответственно энергии на его перемещение.

К реализуемым на практике приемам, осуществляемым для интенсификации тепло- и массопереноса, можно отнести такие, например, как перемешивание материала при сушке, периодическое изменение направления движения сушильного агента относительно материала,

применение высокотемпературных и осциллирующих (переменных) режимов и др. [24,25,26,28].

Повышение энергетической эффективности сушильных установок связано с реализацией на практике оптимальной кривой сушки [8]. Это может быть достигнуто путем выбора оптимальных режимных параметров проведения процесса - температуры воздуха в зонах камеры термообработки. Реализация этого требования предполагает подвод к материалу строго рассчитанного, в соответствии с кинетикой процесса, количества энергии и достижения на выходе из установки значения влагосодержания, близкого к равновесному. В [8] Шкляром В.Я. предложен оптимальный энергоподвод в сушильных установках конвективного типа с распределенным по длине вводом энергии, и разработана математическая модель кинетики процесса сушки тонких материалов, с помощью которой для любого момента времени можно определить влагосодержание и температуру материала, скорость протекания процесса, а также количество энергии, необходимое для его реализации.

О еще одном опыте экономии энергии при сушке текстильных материалов сообщается в [16]. Доказана целесообразность создания специального оборудования для совмещения процессов механического обезвоживания и тепловой сушки.

Алтухов И.В. сделал попытку на основании терморадиационных и теплофизических характеристик плодов лекарственных растений разработать и испытать энергосберегающие электротехнические средства, а именно - разрабатывал метод управления инфракрасным облучением [17].

Китайскими учеными, занимавшимися изучением сушки древесины с использованием солнечной энергии, на основании экспериментальных данных были предложены оптимальные процедуры этой операции [34].

Возможности использования технологии дискретных пульсаций и оборудования для преварительной подготовки сырья освещены в работе Долинского А.А. [35]. В свете тенденции к повышению эффективности использования энергии разработан новый подход к проектированию энергоэкономящих технологий. Процесс производства многих пищевых продуктов или продуктов биотехнологии предполагает предварительную механическую обработку сырья до его обезвоживания. Эффективность этих операций определяет качество готового продукта, а также продолжительность сушки. Исходя из этого, был предложен метод пульсационной подачи энергии - DPIE-метод (Discrete and Pulse Input of Energy), который позволяет снизить потери энергии на стадии, предшествующей сушке. Поскольку, в применении к жидким смесям, энергия дополнительно расходуется на преодоление сил вязкости и трения, выгодно подать энергию в виде мощного, но очень короткого пульса.

Рис.10. Схематическое изображение потерь энергии при увеличение энергии от W1 до W2 за счет увеличения подаваемой энергии (слева) или за счет увеличения продолжительности преобразования энергии (справа).

Снижения энергопотребления можно добиться также путем оптимального управления системой восстановления части скрытой теплоты пара, испаряющегося из высушиваемого материала [36]. Предложенная в [36] система может быть применена для любого типа сушилки. Цель работы этой системы - определить оптимальные параметры настройки в зависимости от специфики высушиваемого материала и условий сушки для максимального восстановления тепла. Потенциал восстановления был исследован как функция температуры и относительной влажности насыщенного воздуха. На основе экспериментальных данных было выявлено, что при температуре входящего в сушилку воздуха 140 0С можно добиться 18-45% энергосбережения, что главным образом зависит от температуры воздуха, выходящего из сушилки.

В книге Мужумдара [1] рассмотрено несколько методов по сокращению энергопотребления при сушке. Сделан широкий обзор литературы, касающейся энергосбережения и оптимизации в процессах сушки, за последние 20 лет и выявлены все возможные способы снижения энергозатрат при сушке различных материалов. Приведены удельные энергозатраты для различных типов сушилок. Обозначены возможности применения того или иного метода энергосбережения в зависимости от типа высушиваемого материала, типа сушилки и условий протекания процесса. Следует отметить, что некоторые из методов применимы к существующим сушильным установкам, другие - предложены для новых сушильных установок.

Амин С.А. на основе анализа энерготехнологических параметров зонной сушильной установки предложил метод дифференцированного анализа энергетических показателей по этапам сушки, позволяющий разработать энергосберегающий режим работы сушильной установки при производстве сухофруктов [18]. Разработаны методы оценки энергетических показателей зонной сушильной установки как для установившегося режима, так и для начального и конечного этапа процесса сушки, на базе которых выявлены энергетически наивыгоднейшие режимы, способствующие снижению энергозатрат при производстве сушеных фруктов. В качестве объекта исследования при решении поставленной задачи принята наиболее распространенная зонная сушильная установка, принцип работы которой идентичен с сушилками тоннельного типа.

Обычно для сравнения экономичности различных сушильных установок [5,18] пользуются сравнительными удельными расходами тепла (q) и электроэнергии (e), которые определяются следующими выражениями:

, ккал/кг, кВт*ч/кг

где: Q- расход тепла на сушку с учетом всех потерь, ккал за час (год, цикл); П -производительность сушилки за соответствующий промежуток времени, кг;W- расход электроэнергии на процесс за соответствующий период, кВт*ч.

На основе анализа работ по данной проблеме Амином С.А. было выявлено, что наиболее эффективно поставленная задача может быть решена с помощью декомпозиции системы задач по снижению электропотребления с разделением ее на ряд подсистем (рис.11).

Рис.11. Декомпозиция задач по снижению удельного электропотребления при сушке.

Для каждой сушильной установки в зависимости от режима ее работы и технических характеристик может быть разработана соответствующая декомпозиция задач и исследований по разработке рационального режима использования энергоресурсов, позволяющих снизить удельные энергозатраты на выпускаемую продукцию.

Им был предложен метод дифференцированного анализа и расчета энергетических показателей, который предусматривает разделение всего расхода электроэнергии, состоящего из расхода на Wу - установившийся режим и соответственно Wн, Wк - на начальный и конечный этап, на цикл (час) процесса сушки:

Wоб = Wн + Wу + Wк , кВт*ч

на отдельные блоки, характеризующие долю расхода элетроэнергии в общем объеме энергопотребления. Таким образом, выявлено, что для рационального использования электроэнергии и выбора оптимального режима, необходима оценка расхода электрической энергии по каждой зоне для каждого этапа процесса сушки. Оценка энергетических параметров процесса сушки в каждой зоне осуществлялась с помощью Jd - диаграммы (диаграмма Рамзина).

В работах [5,12] Данилова О.Л. рассматриваются общие принципы экономии энергии при сушке. Приведена методика оценки энергетического совершенства сушильных установок, использующая энергетические балансы. Энергетический баланс позволяет количественно оценить долю полезно израсходованной энергии и ее потери, коэффициент полезного действия и другие показатели экономичности СУ [5]. Таким образом, конкретный поиск энергосберегающих решений основан на использовании энергетического баланса изучаемой СУ.

В качестве энергетических критериев широко применяют различного рода КПД, которые в общем случае определяются как

отношение полезно использованной энергии Е1 к затраченной Е2:

.

При определении на основе аналитического баланса в общем случае Е2 = Еподв + Евнутр (Еподв - суммарная подведенная энергия; Евнутр - энергия, выделяемая внутри аппарата).

Показатель энергетического совершенства СУ при конвективном подводе теплоты имеет особую специфику. Сушка относится к числу тепломассообменных процессов, поэтому температура сушильного агента, соприкасающегося с влажным материалом, теоретически не может быть ниже предела охлаждения - температуры мокрого термометра . Последнее означает, что для непрерывно действующей сушилки, в которой сумма удельных теплопотерь (на нагрев материала, транспортных устройств, в окружающую среду и др.) равна сумме удельных теплопритоков(с физической теплотой материала, входящего в сушилку, за счет дополнительных тепловыделений в сушилке и т.д.), наибольшая используемая разность температур сушильного агента может равняться, где - температура сушильного агента на входе в сушилку. Для конвективной сушки энергетический КПД равен: , где- температура сушильного агента на выходе из сушилки и окружающей среды. Анализ данного выражения показывает, чтодля конвективной сушилки может изменяться от 0 до. При, а при. Так как, то разностьвсегда больше нуля. Сказанное позволяет сделать вывод, что существует максимальный КПД конвективной сушилки, определяемый зависимостью:, где- температура мокрого термометра, соответствующая конечным параметрам сушильного агента.

Наглядной характеристикой энергетической эффективности СУ является удельный расход теплоты . Анализ зависимостей дляприменительно к действительной сушилке [19], в которой имеют место потери теплоты на нагрев материала, в окружающую среду и другие, и возможность дополнительного подвода теплоты, показывает, что на удельный расход теплоты, как и на максимальный КПД, влияют начальная и конечная температуры сушильного агента, параметры окружающей среды, внутренний тепловой баланс камеры сушки, коэффициенты рециркуляции в различных зонах многозонной сушилки, число зон промежуточного подогрева сушильного агента и т.д.

Процесс сушки в общем случае состоит из периода подогрева, 1 и 2 периодов сушки, интенсивность удаления влаги в которых зависит от различных факторов. В первом периоде интенсивность сушки определяется скоростью подвода теплоты к сушимому материалу и отвода массы с его поверхности в окружающую среду (внешняя задача сушки), во втором периоде - скоростью передачи теплоты вглубь материала и подвода массы из внутренних слоев материала в зону испарения (внутренняя задача сушки).

Таким образом, интенсивность сушки в общем случае лимитируется:

.

Рассмотренные выше показатели эффективности (КПД, удельные затраты тепла) неполно характеризуют процесс, поэтому Сажиным Б.С. был предложен эксергетический метод анализа эффективности [9,20]. При анализе, основанном на уравнениях теплового и материального балансов, все виды вещества и энергии обычно рассматриваются вне зависимости от их качества. Например, теплота греющего пара и энергия, теряемая в окружающую среду, в уравнении теплового баланса не различаются, однако возможность практического использования их явно неодинакова. Вместе с тем качество теплоты или энергии в другой форме характеризуется коэффициентом работоспособности, позволяющим оценить, в какой степени она может быть использована или превращена в другие виды. В частности, важно знать разность температур источника теплоты и окружающей среды. Меру ресурсов превратимой энергии системы называют эксергией системы [21]. При разработке новых перспективных технологий необходимо использовать резервы экономии, имеющиеся в применяемых технологиях.

Согласно [27] для этого целесообразны составление и анализ эксергетических балансов, позволяющих оценить теоретически необходимый и действительно реализованный в данной системе уровень использования всех видов энергетических ресурсов. По разности значения эксергии, вводимой и выводимой из системы, количественно оценивают суммарные потери от необратимости в этой системе, т.е. .

Степень приближения данного технологического процесса к идеальному и соответственно его совершенство характеризуют эксергетическим КПД: .

При комплексной оценке энергетического совершенства и экономической эффективности используется термоэкономический анализ [21], предполагающий комбинирование эксергетического анализа и экономической оптимизации. Наиболее общая форма записи термоэкономического критерия имеет вид:

где С - стоимость единицы эксергии продукции; еi - эксергия потребляемого сырья и энергии; Сei - стоимость единицы эксергии сырья и энергии; еpk - эксергия производимой продукции; Кn - капитальные и другие сопряженные затраты для n-ой подсистемы; {U}- совокупность значений оптимизируемых параметров, в которой ищется оптимум.

Поскольку обобщений результатов исследований сушильной техники пока недостаточно [5], то, очевидно, что наиболее эффективно задачи совершенствования этой техники, в том числе связанные с проблемой экономии энергии, могут и должны решаться с применением методов математического моделирования и компьютерных программ.

Основным методом расчета сложных процессов химической технологии на современном уровне стал метод математического моделирования, реализующий расчеты на ЭВМ и позволяющий отыскивать оптимальные режимы проведения процессов и условия управления ими.

В настоящее время в решении задач моделирования и оптимизации процесса сушки все шире используется один из мощных методических приемов системного анализа – энтропийные методы неравновесной термодинамики [22,23].

Большой вклад в развитие этих методов внес Майков В.П. Предложенный им подход к моделированию технологических процессов, объединяет в себе приемы и основные принципы теоретического описания в форме статистического вывода [22]. В основе такого описания лежит информационный принцип максимального правдоподобия. Этот принцип позволяет рассчитывать неравновесные состояния как наиболее вероятные. В качестве критерия правдоподобия используется информационная энтропия – максимуму энтропии отвечает наиболее правдоподобный (достоверный) ответ на поставленную задачу. Результаты, получаемые на основе информационного подхода, следует рассматривать лишь как наиболее беспристрастные выводы, которые можно сделать на основе имеющейся достоверной, но неполной информации. Выход в неравновесную область в этом подходе в отличие от линейной неравновесной термодинамики, осуществляется на основе вариационного принципа максимума энтропии с формированием специальных ограничений, препятствующих переходу системы в равновесное состояние. В этом подходе используется принцип локального равновесия термодинамики неравновесных процессов, согласно которому считается, что малые части в целом неравновесной макроскопической системы находятся в состоянии локального равновесия. Физическим обоснованием этого принципа служит экспериментально установленный факт уменьшения времени достижения равновесия макроскопической системы (время релаксации) по мере уменьшения размеров системы. Этот подход позволяет вскрыть количественное влияние различных параметров (в частности, поверхностного натяжения и структурно-энергетических характеристик раздела фаз) на тепло- и массопередачу в процессах сушки и найти пути активного воздействия на ускорение сушки.

Развитые в последнее время Кольцовой Э.М. и Дороховым И.Н. [23] энтропийный и вариационный методы неравновесной термодинамики в задачах химической технологии являются прекрасным инструментом для разработки новых перспективных математических моделей сушильных аппаратов с активной гидродинамикой.

Как отмечается в [29] - актуальной проблемой ХП является создание нового поколения энергосберегающих технологий, базирующихся на управляемых процессах и аппаратах, выпускающих оперативную перенастройку структуры и режимов в связи с требуемым изменением нагрузки сырья и ассортимента выпускаемой продукции. Для решения этой проблемы авторами разработана принципиально новая методология использования методов математического и имитационного моделирования, оптимизации, теории принятия гарантированных решений в условиях неопределенности исходной информации. Предложена новая постановка задачи, где одновременно с определением оптимальных конструктивных параметров установки выбираем оптимальный режим ее функционирования, что обеспечивает минимальный уровень энергопотребления.

Использование компьютеров для математического моделирования процессов химической технологии приводит к разработке программных средств, которые помогают обрабатывать информацию в процессе анализа, математического моделирования этих процессов. В статье [37] представлены и проанализированы математические модели наиболее распространенных сушилок конвективного типа. Кратко обсуждены вид транспортировки и термофизические свойства высушиваемых материалов и воздуха, включенные в разработанные математические модели. Представлены теоретические основы моделирования процессов конвективной сушки, а также конструкции сушилок. Введены упрощенные методы проектирования, которые, используя базу данных относительно диапазонов применения сушилок, позволяют получить сведения об оптимальных конструктивных параметрах и эксплуатационных условиях необходимой сушилки.

В статье Криса Ф.Хансманна [38] представлены результаты использования компьютерной программы, вычисляющей требуемое для сушки плодов в туннельной сушилке количество энергии. Программа была разработана для получения сопоставимых данных относительно количества требуемой энергии при различных условиях процесса сушки.

Еще в начале 90-х годов технологии для интенсификации экономии энергии (Усиленные Технологии Экономии Энергии - IESTs) были в центре Европейского исследования в секторе перерабатывающей промышленности [39], поскольку конкурентоспособность Европейской перерабатывающей промышленности зависит от ее способности достигнуть требуемого производства (качество, количество, чистота и т.д.) при минимальных затратах, ключевым фактором которых является количество затраченной энергии. Главное преимущество IESTs состоит в том, что после надлежащей установки размеров, они могут быть объединены на существующих заводах, обещая высокое энергосбережение (оцененное в 10-17% для полного процесса) и в то же время заканчиваясь более компактным процессом. Результаты выполненного на IESTs - многообещающие, и потенциал применения IESTs на новом или существующем заводах непрерывно доказывается.

Основным недостатком IESTs является надлежащая установка их размеров и оптимальная вставка в существующих процессах [40]. Целью нового Европейского проекта EXSYS II и является попытка развития инструментальных средств и методологии для вычисления оптимальной вставки IESTs в индустриальных процессах, то есть - развития доступной через сеть методологии, с помощью которой можно идентифицировать для данной конфигурации процесса IESTs, которые в свою очередь минимизируют энергопотребление. Ключевые элементы проекта: (1) - развитие моделей технологии; (2) - IEST баз данных; (3) - объединение трех различных оптимизационных кодов, связанных с оптимальной вставкой этих технологий в индустриальных структурах производства; (4) - экспертная система, руководящая пользователем пошагово.

Целью исследования в статье [41] было нахождение потребления пара, льда и электроэнергии на мультипродуктовом периодическом заводе и развитие моделей энергопотребления. На основе этих моделей энергозатраты могут быть распределены по стадиям процесса как для отдельных продуктов, так и для смеси продуктов. То есть возможно точное прогнозирование требуемого энергопотребления.