Методи підвищення енергоефективності розпилювального сушіння та їх реалізація в технологічних лініях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут технічної теплофізики НАН України

На правах рукопису

УДК 66.047

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИ підвищення енергоефективності розпилювального сушіння та їх реалізація в технологічних лініях

Спеціальність 05.14.06 - «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика»

ДУБОВКІНА ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА

Київ 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики НАН України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шморгун Володимир Васильович, Інститут технічної теплофізики НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Драганов Борис Харлампійович, професор кафедри теплоенергетики Національного університету біоресурсів і природокористування МОН України

доктор технічних наук, професор Домарецький Віталій Афанасійович, професор кафедри біотехнології продуктів бродіння Національного університету харчових технологій МОН України.

Захист дисертації відбудеться «_12__»_ квітня__2011 р. о 10.00 год. в ауд. ____ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: МСП - 03680, м. Київ - 57, вул. Желябова - 2а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІТТФ НАНУ за адресою: МСП - 03680, м. Київ - 57, вул. Желябова - 2а.

Автореферат розіслано «__09___»_березня_2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

енергоефективність утилізаційний розпилювальний сушіння

Актуальність теми. Зростання вартості енергетичних ресурсів, що спостерігається в Україні в останні десятиріччя, приводить до суттєвого зростання паливно-енергетичної складової собівартості кінцевої продукції. Це зумовлює увагу до проблем енергозбереження, особливо в найбільш енергомістких галузях виробництва.

Широке розповсюдження сушильних процесів, їх значна енергоємність (на процеси висушування витрачається біля 8% всієї енергії, що споживається) свідчить про важливе їх значення для наукового прогресу.

Розпилювальний метод висушування є одним з найбільш інтенсивних поміж інших методів сушіння завдяки дуже розвинутій поверхні контакту фаз. При розпилювальному сушінні діаметри крапель становлять десятки мікрон, що зумовлює окрім значної поверхні випаровування (1л розчину при діаметрі крапель 40 мкм має поверхню випаровування 150м²) також і високу інтенсивність вологовіддачі завдяки великому перепаду температур (150-200⁰С) між теплоносієм та матеріалом.

В той же час розпилювальний метод є досить енергоємним через використання значних об'ємів теплоносія для реалізації процесу висушування та високою температурою відпрацьованого теплоносія, що викидається в атмосферу. Окрім цього можуть мати місце також і значні наднормативні витрати енергії через недотримання основних теплотехнологічних параметрів технологічного процесу, що часто відбувається на практиці через недосконалість процесу диспергації продукту.

Це зумовлює необхідність пошуку науково - обґрунтованих шляхів інтенсифікації та оптимізації процесів розпилювального висушування з метою мінімізації питомих енергетичних витрат, впровадження нових більш енергоощадних технологій з меншим рівнем енергоспоживання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана згідно плану НДР Інституту технічної теплофізики НАН України, тема «Дослідження та розробка енергозберігаючих теплонасосних систем децентралізованого теплохолодопостачання для житлово-комунального господарства та промисловості з використанням низькопотенційних ВЕР» (0106U005331) та «Дослідження тепломасообмінних процесів одержання рідких та зневоднених дисперсних систем з метою створення енергоефективних технологій» (0107U008604).

В даних наукових дослідженнях автор дисертаційної роботи брав участь у якості виконавця.

Мета роботи - дослідження методів підвищення енергоефективності розпилювального сушіння, включаючи застосування теплонасосних технологій та їх реалізація в технологічних лініях.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно було вирішити наступні задачі:

- обґрунтувати перспективні напрямки підвищення енергоефективності в лініях розпилювального сушіння;

- провести експериментальні і теоретичні дослідження схем утилізації теплоти в процесах розпилювального сушіння;

- розробити методичне та програмне забезпечення інженерного розрахунку утилізаційного обладнання і здійснити його тестування;

- розробити технологічну схему утилізації тепла відпрацьованих димових газів, що відходять від теплогенератора;

- розробити схему утилізації теплоти відпрацьованого теплоносія.

- впровадити результати досліджень у виробництво і визначити їх техніко-економічну ефективність.

Об'єкт дослідження - апаратурно-технологічні схеми розпилювальних сушарок.

Предмет дослідження - теплові параметри в різних схемах утилізації теплоти відпрацьованого теплоносія та димових газів, що відходять від теплогенератора.

Методи дослідження. В роботі використано: методологію системних досліджень; метод планування експерименту; методи теорії цифрової обробки сигналів; метод імітаційного параметричного об'ємного моделювання; інженерні дослідження, спрямовані на створення методичної основи розрахунку і проектування теплообмінних апаратів на основі змієвикового термосифону; методи техніко-економічного, ексергетичного аналізу енергоефективних показників роботи промислових технологічних ліній та пінч-аналізу; програмні середовища SolidWorks і MatLab.

Наукова новизна:

- вперше теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено, що доля теплоти, яка може бути повернена в технологічний цикл, при температурі відпрацьованого повітря 70-95⁰С становить 15-40% в залежності від параметрів атмосферного повітря;

- розроблена методика для практичних розрахунків при проектуванні технологічних ліній розпилювального сушіння з утилізаторами теплоти;

- встановлено, що в теплообмінниках із змієвиковою термосифонною трубою за рахунок масо- і теплопереносу між сусідніми трубками, відбувається вирівнювання температурних полів повітряного потоку, що нагрівається по поперечному перетину;

- на базі проведених експериментальних та аналітичних досліджень запропоновано та обґрунтовано оригінальні технічні рішення щодо конструювання теплообмінних апаратів типу газ-газ, що забезпечує ефективну утилізацію теплоти від низькопотенційних джерел;

- отримано експериментальне підтвердження принципової можливості забезпечення ефективної і сталої роботи теплообмінних апаратів типу газ-газ при використанні змієвикових термосифонів для утилізації теплоти відхідних газів та теплоносія відпрацьованого в сушильному процесі.

Практична значимість результатів:

- розроблений комплекс програм для автоматизації інженерних розрахунків сушильного устаткування з використанням теплообмінного обладнання;

- обґрунтована доцільність переходу від термосифонів традиційної геометрії до термосифонів на основі змієвикової конструкції, що дозволяє зменшити собівартість їх виготовлення.

- розраховані техніко-економічні показники технологічних ліній розпилювального сушіння продуктивністю 20-500 кг/год. по випареній волозі з утилізаторами теплоти;

- експериментальні дані і методика розрахунку може бути використана при аналізі, модернізації, а також розробці і проектуванні теплотехнологічного обладнання;

Результати проведеного комплексу наукових досліджень та розроблена методика розрахунку були використані під час проектування рекуператора у технологічній лінії сушіння Державної акціонерної холдингової компанії «Артем».

Особистий внесок. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень одержані в Інституті технічної теплофізики НАН України. Особистий внесок полягає в обґрунтуванні вибору об'єктів досліджень. У співавторстві створені експериментальні установки і макетні зразки, зібрано оброблено і проаналізовано експериментальну інформацію. У співавторстві проведена серія експериментальних досліджень характеристик теплообмінного апарата типу газ-газ на основі змієвикового термосифону.

Апробація роботи. Основні висновки і положення дисертації доповідались на міжнародних і Всеукраїнських наукових і науково-практичних конференціях та семінарах, а саме: І Міжнародному конгресі «Захист навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування» (м. Львів, 2009р.); XIІ та XIІІ Міжнародних науково-практичних конференціях студентів, аспірантів і молодих учених Екологія. Людина. Суспільство (м. Київ, 2009р., 2010р.); І Міжнародній конференції молодих вчених «Енергетика та системи керування (EPECS-2009)» (м. Львів 2009р.); XII та XIII Міжнародних наукових конференціях «Удосконалювання процесів і обладнання харчових та хімічних виробництв» (м. Одеса, 2009р., 2010р.); Всеукраїнській міжвузівській науково-технічній конференції «Сучасні технології в промисловому виробництві» (м. Суми, 2010р.); Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов»(г. Воронеж, Россия, 2010г.); Х Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів і аспірантів «Еколого-енергетичні проблеми ХХІ століття» (м. Одеса, 2010р.); IIІ Міжнародній науковій конференції «Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу» (м. Дніпропетровськ, 2010р.); Международной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность» (г. Курган, Россия, 2010г.); VI Международной научно-практической конференции «Наука : теория и практика - 2010» ( м. Перемишль, Польща, 2010р.); ХІ Міжнародній науковій конференції «Відновлювальна енергетика XXI століття»( смт. Миколаївка, АР Крим, 2010р.). VII Всеукраїнській науково практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів» (м. Київ, 2010р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 16 роботах в фахових журналах, збірках праць, матеріалах конференцій і конгресів, в тому числі 5 статей в журналах, що входять в перелік ВАК та отримано позитивне рішення на видачу деклараційного патенту України на корисну модель «Розпилювальна сушарка з тепловим насосом» заявка № U201012599 від 25.10.2010 р..

Структура и об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку посилань і додатків. Загальний об'єм роботи - 182 сторінки, включаючи 62 рисунка, 23 таблиці, перелік літературних джерел із 162 найменувань і додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано коротку характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначені об'єкт і предмет дослідження, сформульовані ціль і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична значимість роботи.

В першому розділі дисертації наведено огляд літературних джерел і патентних матеріалів, на підставі яких визначено конкретні завдання даної роботи, рішення яких необхідне для досягнення мети, проаналізовано сучасний стан питання підвищення енергоефективності в процесах розпилювального сушіння. Проведено аналіз існуючих методів підвищення енергоефективності в технологічних лініях розпилювального сушіння. Проведено експериментально-теоретичні дослідження існуючих схем утилізації тепла в процесах розпилювального сушіння.

Узагальнюючи методи та засоби інтенсифікації та оптимізації тепломасообмінних процесів у лініях розпилювального висушування, до найбільш ефективних слід віднести ті, які сприяють підвищенню температурного рівня процесів переносу, досягненню максимальної поверхні контакту фаз, більш монодисперсного факела розпилення, пришвидшенню внутрішніх процесів переносу, більш повному використанню теплоти теплоносія та мінімізації втрат продукту з відпрацьованим в сушарці теплоносієм.

На підвищення температурного рівня процесів тепло-масообміну та ефективності сушіння загалом спрямовані розробки по створенню сушарок з досушуванням порошку вібро-конвективним способом. У цих сушарках температура теплоносія на вході в камеру є більш високою в порівнянні з традиційними сушарками. Випарно-сушильні агрегати також дозволяють застосовувати максимально високі значення вхідних температур теплоносія через перебування продукту в першій випарній камері агрегату в рідинному стані з температурою, близькою до температури адіабатного випаровування.

Підвищенню температурного рівня процесу сприяють також розробки по створенню автономних нагрівників повітря -- вогневих калориферів, з допомогою яких незалежно від роботи котельних установок можна отримувати теплоносій з більш високими та незмінними в часі параметрами. Проблема оснащення сушарок автономними високопродуктивними теплогенераторами набуває особливої актуальності в сьогоднішніх непростих умовах функціонування багатьох виробництв при непостійних та в більшості випадках істотно занижених параметрах пари, що надходить з котельної установки. Розроблені автономні вогневі калорифери дозволяють забезпечити децентралізоване теплозабезпечення сушарок та більш високу температуру теплоносія на вході в сушильну установку на 30--70 °С.

Досягненню максимальної поверхні контакту фаз сприяють розроблені в ІТТФ НАН України випарно-сушильні агрегати з рециркуляцією, в яких реалізовано процес істотного зростання площі контакту фаз за рахунок багаторазового розпилення рідинного продукту у випарній камері агрегату. Повернення у випарну камеру відпрацьованого в сушильній камері теплоносія дозволило підвищити коефіцієнт використання теплоти в агрегаті до 80--85% та коефіцієнт уловлювання продукту до 99--99,5% проти 40 і 95% відповідно в традиційних розпилювальних сушарках.

З метою отримання більш монодисперсного факела розпилення проведені роботи по модифікації розпилювальних пристроїв, заміні парового приводу розпилення на електричний, оснащенню соплових каналів відцентрових розпилювачів різного роду турбулізаторами та виготовленню соплових каналів з плоскими стінками. Ці заходи забезпечують інтенсифікацію тепломасообміну, підвищення величини зняття вологи з 1 м³ об'єму сушильної камери, більш повне використання теплоти сушильного агента, більш однорідне значення вологості та дисперсності кінцевого порошкового продукту.

Зниження енергоспоживання сушарок може бути досягнуто за рахунок рекуперації теплоти відпрацьованого в сушарці теплоносія і повторного його використання в технологічному циклі.

В другому розділі дисертації описано експериментальну установку рис.1, вимірювальні схеми, контрольно-вимірювальні прилади і методики вимірювань.

Верхня частина теплообмінника є конденсаційною зоною термосифонної теплової труби, а нижня частина - випарною зоною.

Стенд для випробування експериментальних зразків рекуператорів (рис. 1) включає вентилятор 1 для подачі повітря в рекуператор, канальний повітронагрівач 6 і повітроводи 5, підключені до патрубків

Рис. 1 Схема експериментальної установки та системи вимірювання:

1 - вентилятор відцентровий; 2 - регулятор швидкості обертання двигуна вентилятора; 3 - термопара; 4 - корпус рекуператора; 5 - повітровід; 6 - повітронагрівач канальний; 7 - теплообмінник; 8 - термоанемометр; 9 - регулятор потужності; 10 - робочий агент; 11 - дільниця стабілізаційна повітроводу; 12 - перетворювач аналого-цифровий; 13 - комп'ютер персональний; 14 - вольтметр; 15 - амперметр.

Рис. 2 Загальний вигляд рекуператора досліджуваного рекуператора.

Рекуператор складається з металевого корпусу 4 із знімною лицьовою панеллю і містить чотири повітряні патрубки на бічних сторонах. У корпусі рекуператора розміщена секція оребреного трубчастого теплообмінника 7, вхід і вихід якого герметично запаяні, а внутрішній об'єм частково заповнений холодоагентом R-22 10.

У середній частині корпусу рекуператора 4 розташована перегородка, яка розділяє секцію теплообмінника на дві порожнини.

При роботі рекуператора (рис. 2) потоки повітря, що нагріваються і охолоджуються, рухаються в протитечії і проходять, відповідно, через конденсаційну і випарну зони теплообмінника.

Робота дослідного стенду відбувається таким чином. Вентилятор 1 нагнітає холодне повітря в конденсаційну зону теплообмінника 7. У теплообміннику холодне повітря сприймає теплоту від фреону, що конденсується в трубках, і нагрівається. Після проходження конденсаційної зони підігріте повітря по повітроводу 5 поступає в канальний повітронагрівач 6 і догрівається в ньому до заданої температури. Гаряче повітря через вихідний патрубок канального повітронагрівача подається у випарну зону рекуператора і охолоджується, віддаючи теплоту киплячому в трубках фреону.

Після проходження через випарну зону теплообмінника відпрацьоване повітря викидається. З метою забезпечення постійної в часі температури свіжого повітря, що поступає в рекуператор, відведення відпрацьованого теплого повітря винесено за межі приміщення і проводиться через гнучкий теплоізольований повітровід.

Багатоканальна комп'ютеризована вимірювальна система дає можливість автоматизувати вимірювання та накопичувати вимірювальну інформацію для подальшого оброблення.

Для вирішення таких завдань було розроблено універсальний приладовий комплекс.

Основними складовими комплексу є вимірювальний блок, загальний вигляд якого подано на рис. 3 та персональний комп'ютер (ноутбук) з відповідним програмним забезпеченням.

Програмне забезпечення вимірювальної системи дає змогу створювати індивідуальні конфігураційні файли для кожного об'єкта, тобто визначати послідовність опитування каналів, проміжок часу між опитуванням каналів, швидкість обміну та номер порту комп'ютера.

Рис. 3 Загальний вигляд вимірювального блоку АЦП комплексу для вимірювання температури

При роботі здійснюється вимірювання сигналів за заданою програмою, їх первинне оброблення, виведення у вікно на екрані комп'ютера як у числовому вигляді у таблиці, так і у вигляді графіка зміни у часі рис. 4. Одночасно дані запам'ятовуються в комп'ютері у текстовому файлі, що дає можливість їх подальшого оброблення програмним пакетом Microsoft Office Excel або іншім.

Рис. 4 Робоче вікно програми для обробки даних

В третьому розділі дисертації приведені результати досліджень і обробка отриманих даних.

На рис. 5 а, б, в, показано характер розкиду температур повітря по перетину повітроводу до і після рекуперативного теплообміннику при різних швидкостях руху повітря.

Верхні лінії відповідають температурам на вході в теплообмінник, а нижні - температурам на виході з теплообмінника.

Як видно з графіків, при всіх режимах руху температура повітря на вході в теплообмінник має велику розбіжність по перетину.

Після проходження теплообмінника температури потоків практично зрівнюються. Це підтверджує висловлене раніше припущення, що в теплообміннику із змієвиковою тепловою трубою повинне відбуватися вирівнювання температури повітряного потоку, що нагрівається, по поперечному перетину за рахунок масо- і теплопереносу між сусідніми трубками.

а)

б)

в)

Рис. 5 Розподіл температур повітря по перетину повітроводу до і після рекуперативного теплообміннику. Швидкість руху повітря: а) V=3,5 м/с; б) V=1,7 м/с; в) V=0,6 м/с

Інтегральні робочі характеристики натурних зразків рекуператорів побудовані на основі узагальнення результатів їх випробувань при різних режимах роботи.

За результатами дослідів зібраний масив даних, що охоплює весь діапазон можливих режимів роботи рекуператорів.

Рис. 6 Залежність ефективності дворядного рекуператора від швидкості руху теплоносія

Відповідно до методики результати режимних випробувань фіксувалися тільки після встановлення теплової рівноваги в рекуператорі. Досліди були проведені при швидкостях теплоносія від 0,4 до 3,6 м/с і температурах до 90°С. При мінімальних швидкостях повітря ефективність рекуператорів наближається до величини теоретичного максимуму (рис. 6, 7).

Рис. 7 Залежність ефективності однорядного рекуператора від швидкості руху теплоносія

На рис. 8 в діаграмі стану вологого повітря (H-d діаграмі) представлені процеси розпилювального сушіння проведені за традиційною технологією та із застосуванням рекуперації теплоти.

Рис. 8 Процеси розпилювального сушіння в H-d діаграмі

На Н-d діаграмі точка а відповідає стану атмосферного повітря перед нагрівачем, його температура буде дорівнювати t_a, ентальпія Н_а й вологовміст d_a. При підігріві повітря в нагрівачі збільшується його температура та ентальпія, а вологовміст залишається незмінним. Цей процес на Н-d діаграмі описаний лінією ав. У точці в температура повітря дорівнює t_в, ентальпія Н_в і вологовміст d_a. Процес сушіння, що відбувається в сушильній камері, описується лінією вс. Точка с відповідає параметрам відпрацьованого теплоносія на виході із сушильної камери, відповідно температура, ентальпія й вологовміст будуть рівні t_c, Н_с, d_с. Із цими параметрами відпрацьований теплоносій за традиційною технологією викидається в атмосферу і при цьому має ще високий тепловий потенціал. Застосування рекуператора в технологічній схемі для попереднього підігріву повітря, що подається в сушильну камеру, за рахунок утилізації теплоти відпрацьованого теплоносія змінить процес. Стану атмосферного повітря перед нагрівачем буде відповідати точка a', у якій температура, ентальпія та вологовміст будуть t_a', Н_а', d_a'. Лінії сс' відповідає охолодження відпрацьованого теплоносія в рекуператорі. Попередній підігрів атмосферного повітря за рахунок утилізації тепла відпрацьованого теплоносія описується лінією аа', при цьому скорочується кількість тепла, що витрачається на нагрівання, на величину , що відповідає різниці ентальпій у точках a' і а.

Кількість теплоти необхідна на нагрівання атмосферного повітря для проведення процесу сушіння за традиційною технологією в розпилювальній камері можна розрахувати за формулою:

При проведенні процесу сушіння з утилізацією теплоти відпрацьованого теплоносія кількість теплоти необхідна для нагрівання повітря дорівнює:

Відповідно, зменшення енерговитрат складатиме:

Температура попередньо підігрітого повітря, за рахунок утилізації теплоти відпрацьованого теплоносія розраховується в такий спосіб:

де ефективність рекуператора виражається формулою

Ентальпія повітря в точці a' буде дорівнювати:

Кількість утилізованої теплоти в основному залежить від ефективності рекуператора, температури атмосферного повітря та в меншому ступені, від його вологості. Залежність ступеня зменшення енерговитрат при різній ефективності рекуператора і температури атмосферного повітря показана на рис. 9.

Рис. 9 Залежність зниження енерговитрат від температури атмосферного повітря для різної ефективності рекуператорів (при t_в=160єС, t_с=70єС)

При розрахунках прийнято, що температура повітря, що подається в сушильну камеру дорівнює t_в=160єС, а температура повітря, що викидається, tс=70єС.

При однакових масових витратах теплоносія на припливі та витяжці рекуператора кількість утилізованого тепла не досягає максимально можливої величини.

В четвертому розділі дисертації проведено огляд найбільш поширених комплексних інженерних методів аналізу ефективності ліній розпилювального сушіння: теплотехнологічного обстеження, ексергетичного аналізу, пінч-аналізу.

У зв'язку зі складністю процесів гідродинаміки та тепломасообміну в камерах розпилювальних сушильних агрегатів, недотриманням основних теплотехнологічних параметрів роботи окремих вузлів та агрегатів лінії, відсутністю відповідних контролюючих приладів можуть мати місце наднормативні витрати енергії, що погіршують теплотехнологічні показники роботи процесу сушіння та підвищують собівартість кінцевого продукту. З огляду на це постає необхідність в періодичному обстеженні роботи основних ланок технологічної лінії для контролю реальних показників їх роботи, недопущення наднормативних втрат енергетичних ресурсів, виведення роботи лінії на оптимальні теплотехнологічні режими.

Роботи по енергетичному обстеженню технологічних ліній та окремих виробництв з визначенням ступеня ефективності використання енергоресурсів, розробленням комплексу заходів для підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів на сьогодні широко практикуються як науковими установами, так і спеціалізованими організаціями в різних галузях виробництв.

Обстеження підприємств, де функціонують розпилювальні сушарки різних типів та продуктивностей, дозволили отримати фактичні дані, які можуть характеризувати як енергетичну ефективність роботи сушарок, так і втрати порошкового продукту з відпрацьованим у сушарках теплоносієм.

Для визначення основних енерговитратних та тепло технологічних показників роботи розпилювальних сушарок фахівцями головної в Україні установи в галузі розпилювального сушіння -- ІТТФ НАН України розроблена методика проведення комплексного обстеження технологічних ліній розпилювального сушіння.

Фахівцями ІТТФ НАН України в останні роки проводились цілеспрямовані обстеження роботи різнотипних сушарок з аналізом енерговитратних показників, отриманих протягом тривалого часу їх використання (місяці, рік) для перевірки ефективності реалізованих на практиці схем модернізації конструкцій сушарок та доцільності переведення їх на власне енергозабезпечення (від автономних вогневих калориферів).

Дані, отримані в результаті комплексного обстеження сушарок, дозволяють провести повний аналіз роботи технологічної лінії, виявити можливості та шляхи підвищення її продуктивності, визначити на основі співставлення даних ті процеси, що стримують інтенсифікацію тепломасообміну при реалізації методу розпилювального сушіння.

Визначено техніко-економічну ефективність застосування утилізації теплоти в процесах розпилювального сушіння та розраховані показники ефективності інвестицій в технологічні лінії розпилювального сушіння.

П'ятий розділ дисертації присвячений розробці та впровадженню схем утилізації теплоти відхідних димових газів від автономних теплогенераторів та схем утилізації теплоти відпрацьованого в сушильному процесі теплоносія в технологічні лінії розпилювального сушіння. Розроблено методику розрахунку рекуператорів в лініях розпилювального сушіння.

Для обґрунтованого вибору і застосування тої, чи іншої схеми енергозбереження необхідна їх порівняльна оцінка.

В таблиці 1 приведені результати розрахунку економії і терміну окупності проведення процесу при різноманітних методах енергозбереження. Економія тепла приведена у відсотках від загальної кількості тепла, необхідного на розігрів сушильного теплоносія (повітря ) від 20 до 170 ^оС.

Результати розрахунків потрібно приймати як досягнення при виключенні тепловтрат, оптимальному підборі обладнання і призначенні правильних режимів роботи. Дійсна економія теплоти буде дещо нижчою вказаної і залежить від конструктивного оформлення представлених схем.

Таблиця 1. Економія тепла в різних схемах

Тип схеми:	Економія теплоти, %	Термін окупності, років
Утилізація теплоти вихідного теплоносія	20-25	0,6-0,8
Глибока утилізація теплоти відпрацьованого теплоносія	30-36	1-1,5
Глибока утилізація теплоти відпрацьованого теплоносія з підігрівом вихідного розчину	40	1-2
Розпилювальна сушарка з тепловим насосом	45-50	4-6

Таким чином, є достатня кількість технічних рішень для здійснення енергозбереження в технологічних лініях розпилювального сушіння. Застосування того чи іншого технічного рішення, а також апаратурне оформлення повинне вирішуватись для кожної конкретної сушарки індивідуально.

Застосування того чи іншого технічного рішення, а також апаратурне оформлення повинне вирішуватись для кожної конкретної сушарки індивідуально.

За результатами розрахунків були побудовані гістограми, представлені на рис. 10, що переконливо показують ефективність запропонованої технології з використанням рекуператорів.

а) б)

Рис. 10 Питомі тепловитрати: а) на 1 кг випареної вологи; б) витрати на 1 кг готового продукту.

Питомі тепловитрати на 1 кг випареної вологи в літній період знижуються на 20%, а в зимовий - на 26% у порівнянні з традиційною технологією, питомі тепловитрати на 1 кг готового продукту в свою чергу в літній період знижуються на 25%, в зимовий - на 29% відповідно.

Енергозбереження в існуючих технологічних лініях розпилювального сушіння відбувається таким чином, що навіть незначні капітальні вкладення можуть забезпечити суттєвий ефект.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Дослідження процесів рекуперації теплоти відпрацьованого в технології розпилювального сушіння теплоносія показали, що застосування рекуператорів може суттєво знизити енергоспоживання сушильної установки. При температурі відпрацьованого повітря 70-95°С доля теплоти, повернена в технологічний цикл, в залежності від параметрів атмосферного повітря становить 15-40%.

2. За результатами експериментальних досліджень побудовані робочі характеристики рекуперативних теплообмінників із змієвиковою термосифонною тепловою трубою і показано, що за ефективністю вони не поступаються традиційним рекуператорам на теплових трубах.

3. Встановлено, що в теплообмінниках із змієвиковою тепловою трубою за рахунок масо- і теплопереносу між сусідніми трубками, відбувається вирівнювання температури повітряного потоку по поперечному перетину, що забезпечує рівномірність фронту температури повітряного потоку, що нагрівається.

4. Вивчено вплив тепловологістних параметрів теплоносія і ефективності рекуператора на ступінь зниження енерговитрат на сушіння.

5. Визначено енергетичну ефективність застосування утилізації теплоти відпрацьованого теплоносія при різних схемах підключення рекуператора в технологічну лінію.

6. Визначено техніко-економічну ефективність застосування утилізації в процесах розпилювального сушіння.

7. Визначено енергетичну ефективність застосування глибокої утилізації теплоти з застосуванням теплового насосу, що може досягати 45-50%.

Опубліковано в наступних друкованих роботах автора

1. И.А. Дубовкина, Д.М. Чалаев, / Методы повышения энергетической эффективности сушильных установок распылительного типа // Наукові праці ОНАХТ. - 2010. Вип. 37. - С. 262-267. (Особистий внесок - розробка методики проведення експерименту, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

2. И.А. Дубовкина, Д.М. Чалаев, В.С. Шаврин, Н.А. Дабижа / Исследование рекуператора со змеевиковой тепловой трубой // Наукові праці ОНАХТ. - 2009. Вип. 35. - С. 264-269. (Особистий внесок - участь у розробці методики проведення досліджень, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

3. Дубовкіна І.О., Чалаєв Д.М., Дабіжа Н.О., Шморгун В.В./ Дослідження експериментального зразка рекуперативного апарата // Вісник Національного університету «Львівська політехніка» № 659 Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. / - відпов. редактор Є.П. Пістун - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009. - 187 с. (Особистий внесок - участь у проведенні експериментальних досліджень, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

4. Шморгун В.В., Дубовкина И.А. / Распылительная сушка, ее реализация в сушилах различных конструкций и испарительно-сушильных агрегатах // Керамика: наука и жизнь. - Киев. - 2009. № 1. - 56 с. (Особистий внесок - огляд літературних джерел, збір, аналіз даних та підготовка матеріалів до публікації).

5. Шморгун В.В., Дубовкина И.А. / Повышение энергоэффективности технологических линий распылительной сушки с применением рекуператоров теплоты // Пром. теплотехника. - 2009. - Т. 31, №7. - С. 113-114. (Особистий внесок - участь у проведенні експериментальних досліджень, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

6. І.О. Дубовкіна, Д.М. Чалаєв, Н.О. Дабіжа / Дослідження експериментального зразка рекуперативного апарата та одержання його робочих характеристик. - Збірка тез доповідей XIІ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (13-17 травня, м. Київ) / Укладач Д.Е. Бенатов.- Київ.: НТУУ «КПІ», 2009.-260 с. (Особистий внесок - участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці даних та підготовці матеріалів до публікації).

7. Ірина Дубовкіна, Джамалутдін Чалаєв, Людмила Осадча / Дослідження експериментального рекуперативного апарата на термосифонних теплових трубах. - Матеріали І Міжнародної конференції молодих вчених «Енергетика та системи керування EPECS-2009». - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009. - 84 с. (Особистий внесок - проведення експериментальних досліджень, обробка даних та підготовка матеріалів до публікації).

8. І.О. Дубовкіна Д.М. Чалаєв, Н.О. Дабіжа, В.В. Шморгун / Дослідження експериментального зразка рекуперативного апарату // Зб. Матеріалів І Міжнародного конгресу «Захист навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування». - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009. - 158 с. (Особистий внесок - участь у розробці методики проведення експериментальних досліджень, підготовка матеріалів до публікації).

9. Чалаєв Д.М., Дубовкіна І.О. / Підвищення енергоефективності розпилювальних сушильних установок // Збірник тез доповідей VII всеукраїнської науково-практичної конференції чтудентів, аспірантів і мододих вчених «Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів»(19-21 листопада, Київ) / Київ.: НТУУ «КПІ», 2010. - Ч. І. - 125 с. (Особистий внесок - проведення експериментальних досліджень, аналіз даних та підготовка матеріалів до публікації).

10. Дубовкіна І.О. / Ефективність використання вторинних енергоресурсів в процессах розпилювального сушіння. - Матеріали Всеукраїнської міжвузівської науково-технічної конференції «Сучасні технології в промисловому виробництві» у трьох частинах, - м. Суми, 19-23 квітня 2010 р. / - редкол.: О.Г. Гусак, В.Г. Євтухов - Суми: Вид-во СумДУ, 2010. - Ч. ІІІ. - 185 с.

11. І.О.Дубовкіна/ Підвищення енергоефективності ліній розпилювального сушіння. - Збірка тез доповідей XIІІ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (19-23 травня, м. Київ) / Укладач Д.Е. Бенатов.- Київ.: НТУУ «КПІ», 2010. - 340 с.

12. И.А. Дубовкина / Использование вторичных энергоресурсов в технологических линиях распылительной сушки // Международный научно-технический семинар «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов»: материалы семинара; Фед. Агенство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2010. - 579с.

13. Дубовкіна І.О. / Використання вторинних енергоресурсів в процесах розпилювального сушіння // IIІ Міжнародна наукова конференція «Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу»: матеріали міжнародної наукової конференції . - Дніпропетровськ, ДНУ, 2010, 179 с.

14. Dubovkina I. / The ways of increasing of power efficiency in the technological lines of spray drying // ХІ Міжнародна наукова конференція «Відновлювальна енергетика XXI століття»: матеріали XXI міжнародної науково-практичної конференції. - Крим, смт. Миколаївка, 2010, 325-328 с.

15. Dubovkina I. / The increasing of power efficiency in the technological lines of spray drying // Збірник наукових праць Х Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів і аспірантів «Еколого-енергетичні проблеми початку ХХІ століття». - Одеса, Видавництво ОДАХ, - 2010 р. - 124 с.

16. Dubovkina I. / How to increase the power efficiency in the technological lines of spray drying // Materialy VI Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka: teoria i praktyka - 2010»; Volume 7. Techniczne nauki. Matematyka. Nowoczesne informacyjne technologie. Fizyka. Budownictwo i architektura.: Przemysl. Nauka i studia, 2010 - 104str.

17. Заявка на патент України на корисну модель № U201012599 від 25.10.2010 р. «Розпилювальна сушарка з тепловим насосом» .

АНОТАЦІЯ

Дубовкіна І.О. Методи підвищення енергоефективності розпилювального сушіння та їх реалізація в технологічних лініях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Національна академія наук України, Київ, 2011.

Дисертація присвячена комплексним дослідженням, спрямованим на розробку технологічних схем та обладнання для утилізації тепла відпрацьованих димових газів, що відходять від теплогенератора та утилізації теплоти відпрацьованого в сушильному процесі теплоносія. Виконано експериментальні дослідження і визначено основні робочі характеристики рекуперативних теплообмінників із змієвиковою термосифонною тепловою трубою і показано, що за ефективністю вони не поступаються традиційним рекуператорам на теплових трубах.

Дослідження процесів рекуперації теплоти відпрацьованого в технології розпилювального сушіння теплоносія показали, що застосування рекуператорів може суттєво знизити енергоспоживання сушильної установки.

Одержані результати експериментальних і розрахункових досліджень, конструкторських і технологічних розробок, дані промислових і експлуатаційних випробувань і скорегована методика розрахунку можуть бути використані при аналізі, модернізації, а також розробці, проектуванні впровадженні та експлуатації тепло технологічного обладнання в лінії розпилювального сушіння.

Ключові слова: розпилювальне сушіння, технологія утилізації теплоти, теплоутилізатори, термосифон, термосифонна змієвикова труба.

АННОТАЦИЯ

Дубовкина И.А. Методы повышения энергоэффективности распылительной сушки и их реализация в технологических линиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт технической теплофизики НАН Украины, Национальная академия наук Украины, Киев, 2011.

Диссертация посвящена комплексным исследованиям, направленным на разработку технологических схем и оборудования для утилизации теплоты отработанных дымовых газов, отходящих от теплогенератора и утилизации теплоты отработанного в сушильном процессе теплоносителя.

Выполнены экспериментальные исследования и определены основные рабочие характеристики рекуперативных теплообменников со змеевиковой термосифонной тепловой трубой и показано, что по эффективности они не уступают традиционным рекуператорам на тепловых трубах.

На базе проведенных исследований сформулированы и обоснованы соответствующие решения, которые являются основой для разработки комплекса программ для автоматизации инженерных расчетов сушильного оборудования с использованием теплообменных аппаратов.

В результате проведенных экспериментальных и числовых исследований предложены и обоснованы оригинальные технические решения для конструирования теплообменных аппаратов типа газ-газ.

Проведено исследование эффективности разработанного оборудования в стендовых и эксплуатационных условиях.

Исследование процессов рекуперации теплоты отработанного в технологии распылительной сушки теплоносителя показали, что использование рекуператоров может существенно снизить энергопотребление сушильной установки.

При температуре отработанного воздуха 70-95⁰С доля теплоты, возвращенная в технологический цикл, в зависимости от параметров атмосферного воздуха может достигать 15-40%.

Полученные результаты экспериментальных и расчетных исследований, конструкторских и технологических разработок, данные промышленных эксплуатационных испытаний и скорректированная методика расчета могут быть использованы при анализе, модернизации, а также разработке, проектировании, внедрении и эксплуатации теплотехнологического оборудования в технологических линиях распылительной сушки.

Ключевые слова: распылительная сушка, технология утилизации теплоты, теплоутилизаторы, термосифон, термосифонная змеевиковая труба.

THE SUMMARY

Dubovkina I.O. The methods of increasing the power efficiency in spray drying and its realization in the technological lines.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.14.06 - engineering thermophysics and industrial heat-and-power engineering. - The Institute of Engineering Thermophysics of NAS of Ukraine, National academy of science of Ukraine, Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to complex investigations directing on development of technological schemes and equipment for utilization of heat of exhaust gases from autonomous heat-generator and utilizations of heat of exhaust in a drying process heat-transfer agent. The experimental investigation were carried out and the fundamental regularities of working characteristics of the coil thermo siphon heat pipe recuperative apparatus was carried out, it is shown that by efficiency they don't concede to traditional recuperators on heat pipes. The investigations of the processes of utilizations of heat of exhaust in a drying process heat-transfer agent have shown that use of recuperators can essentially lower power consumption of drying installations.

The obtained results of experimental and calculated investigations, design and technological developments and data of industrial and operating tests and The corrected design procedure can be utilized at the analysis, at modernization, at designing, manufacture, implementation and usage of heat of the process equipment in technological lines of spray drying.

Key words: spray drying, the technology of utilization of heat, heat exchangers, thermosiphon, the coil thermo siphon heat pipe.

Размещено на Allbest.ru