Компенсация теплоэнергетических потерь в производстве варено-сушеных круп с использованием теплового насоса

Основными технологическими стадиями производства пищевых концентратов являются сушка и влаготепловая обработка пищевого растительного сырья, в которых все чаще в качестве теплоносителя используется перегретый пар [1, 2, 4]. Он обладает существенными преимуществами перед другими теплоносителями, к основным из которых относятся: высокий энергетический КПД тепловых процессов с возможностью максимального использования вторичного тепла; отсутствие в перегретом паре кислорода позволяет значительно повысить температуру тепловой обработки без ущерба качеству готового продукта.

В последнее время при проведении тепломассообменных процессов все более широкое применение находят тепловые насосы. Они позволяют добиться высокого энергетического совершенства оборудования за счет рекуперации, использования и утилизации теплоты отработанных теплоносителей [3].

В тепловом насосе механическая энергия компрессора трансформируется в высокопотенциальную теплоту отработанного теплоносителя в конденсаторе за счет теплоты конденсации хладагента в конденсаторе. Это позволяет существенно уменьшить затраты энергии (до 30 %), а осуществление рациональных режимов тепловой обработки перегретым паром и охлаждения готовой продукции воздухом, охлажденным в испарителе теплового насоса, дают возможность получить продукцию высокого качества.

Также известно, что автоматизация технологических процессов создает значительные возможности экономии энергоресурсов. Однако этот вопрос не в полной мере реализован при управлении теплотехнологическими процессами в перерабатывающих отраслях АПК.

Используя научно-практический опыт [7-9] и анализ инновационной активности по модернизации пищеконцентратного производства, сложившейся в последние годы [1-4], предложен новый вариант энергоэффективной переработки крупяных культур с использованием перегретого пара и непосредственным вовлечении в варочносушильный процесс вторичных энергоресурсов с применением парокомпрессионного теплового насоса. При этом реализация предлагаемого способа достигается за счет микропроцессорного управления технологическими параметрами на всех стадиях производства крупяных концентратов (рисунок 1).

Исходная крупа сначала по линии 1.0 подается на мойку в моечную камеру 1 и выводится из неё по линии 1.1 в камеру варки 2; сваренная крупа по линии 1.2 направляется в камеру сушки 3; высушенная крупа по линии 1.3 направляется в камеру охлаждения 4; охлажденная крупа выводится по линии 1.4 в качестве готовой продукции. Информация о ходе процессов мойки, варки, сушки и охлаждения крупы, о подготовке перегретого пара и охлаждающего воздуха с помощью датчиков передается в микропроцессор 18, который регулирует технологические параметры по программно-логическому алгоритму посредством исполнительных механизмов с учетом ограничений, обусловленных получением варено-сушеной крупы высокого качества и экономической целесообразностью.

Фактическое количество моющей воды в замкнутом цикле микропроцессор определяет по уровню воды в теплообменнике-утилизаторе 7 с помощью датчика уровня, при уменьшении уровня воды микропроцессор обеспечивает подачу свежей воды по линии 2.6 в теплообменник-утилизатор 7, создавая необходимый объем моющей воды в замкнутом контуре.

Очистка отработанной из камеры мойки воды осуществляется в двух параллельно установленных и попеременно работающих фильтрах в режиме разделения с отводом фильтрата по линии 2.3 в теплообменник-утилизатор и выводом осадка по линии 5.0 в режиме противоточной регенерации водой, поступающей по линии 2.4 из теплообменника-утилизатора 7. Фильтр, работающий в режиме регенерации, отключается из контура рециркуляции воды, а для восстановления пропускной способности фильтрующих перегородок в него под давлением насосом 16 из теплообменника-утилизатора по линии 2.4 подается вода. Очищенная от взвешенных частиц вода после фильтра, работающего в режиме разделения, по линии 2.3 подается в теплообменник-утилизатор 7. За счет теплоты отработанного насыщенного пара в теплообменнике-утилизаторе 7 вода для мойки крупы в камере 1 нагревается. Заданная температура моющей воды, измеряемой датчиком в линии 2.1 , поддерживается путем изменения ее расхода с помощью насоса 15. Сушка крупы осуществляется перегретым паром, подготовленным в конденсаторе 9 парокомпрессионного теплового насоса, установленного в линии рециркуляции перегретого пара 3.0 . При этом в качестве пароперегревателя используется конденсатор 9 теплового насоса, в котором посредством рекуперативного теплообмена теплота конденсации хладагента используется для нагрева перегретого пара.

Рисунок 1. Способ производства варёно-сушеных круп со средствами контроля и управления:

1 – камера мойки; 2 - камера варки; 3 - камера сушки; 4 - камера охлаждения; 5, 6 - фильтры; 7 - теплообменник-утилизатор; 8 - компрессор; 9 - конденсатор; 10 - испаритель; 11 - терморегулирующий вентиль; 12 - циклон; 13, 14 - вентиляторы; 15, 16, 17 - насосы; 18 - микропроцессор;

датчики: ТЕ – температуры, FE – расхода, МЕ – влажности; CE – концентрации; И – исполнительные механизмы

Парокомпрессионный тепловой насос, включающий компрессор 8, конденсатор 9, терморегулирующий вентиль 11 и испаритель 10, работает по следующему термодинамическому циклу.

Хладагент компрессором 8 сжимается до давления конденсации и по линии 4.0 направляется в конденсатор 9 и теплоту конденсации отдает отработанному после сушки перегретому пару, который, нагреваясь, вен- тилятором 14 подается в камеру сушки 3. Затем хладагент дросселируется в терморегулирующем вентиле 11 до заданного давления, с которым поступает в испаритель 10, где испаряется с выделением холода. Пары хладагента вновь направляются в компрессор 8 и термодинамический цикл повторяется.

Охлаждение крупы в камере охлаждения 4 осуществляется воздухом, охлажденным в испарителе 10 теплового насоса, посредством рекупе- ративного теплообмена между кипящим хладагентом и воздухом с последующей очисткой воздуха в циклоне 12 и возвратом его по линии рециркуляции 3.2 в испаритель 10.

Температура крупы на выходе из камеры охлаждения 4 в линии 1.4 стабилизируется воздействием на расход воздуха, подаваемого из испарителя теплового насоса в камеру охлаждения вентилятором 13.

По текущей влажности вымытой крупы микропроцессор 18 устанавливает расход исходной крупы в камеру мойки.

По текущим значениям влажности сваренной и высушенной крупы, микропроцессор 18 определяет количество испарившейся из продукта влаги и отводит ее из контура рециркуляции 3.0. По соотношению расходов излишней части перегретого пара и крупы, подаваемой в камеру варки 2, микропроцессор 18 устанавливает расход распыливаемой жидкости в камере 2, подаваемой из теплообменника-рекуператора 7.

При отклонении влажности крупы на выходе из камеры варки 2 от заданного значения, микропроцессор 18 корректирует расход распы-ливаемой воды в камере варки 2, поддерживая влажность крупы перед сушкой с минимальным отклонением от заданного значения.

В установившихся технологических режимах процессов мойки и варки процесс сушки крупы в камере сушки 3 протекает при постоянных параметрах теплового потока перегретого пара. При этом микропроцессор 18 устанавливает заданные значения температуры и расхода, перегретого пара на входе в камеру сушки 3 необходимым выбором мощности компрессора 8 теплового насоса и мощности регулируемого привода вентилятора 14.

При отклонении текущей влажности крупы в линии 1.3 микропроцессор 18 корректирует тепловой поток перегретого пара воздействием на расход и температуру перегретого пара в контуре рециркуляции 3.0 путем изменения мощности приводов компрессора 8 и вентилятора 14.

Для сравнения предлагаемого способа производства варено-сушеных круп в качестве базового способа рассматривается способ производства варено-сушеных круп на Грязинском пищекомбинате.

При производительности линии производства варено-сушеных круп по исходной овсяной крупе 800 кг/ч потребность в моющей воде составляет 1600 кг/ч.

В замкнутом цикле по моющей воде возможны ее потери: одна часть воды поглощается овсяной крупой, а другая отводится с загрязнениями из камеры мойки, при этом часть воды теряется при регенерации фильтрующих элементов. Общее количество моющей воды в контуре ее рециркуляции регулируется по уровню в теплообменнике-рекуператоре 7.

Информация о фактическом количестве моющей воды поступает в микропроцессор 18, который вырабатывает сигнал отклонения текущего уровня моющей воды от заданного. При этом расход моющей воды, например, 1600 кг/ч, в камеру мойки по линии 2.1 устанавливается в соответствии с технологическим регламентом воздействием на мощность регулируемого привода насоса 15.

За счет утилизации теплоты отработанного насыщенного пара, подаваемой из камеры варки 2 в теплообменник-утилизатор 7 по линии 3.3 , моющая вода нагревается до температуры 25-32 °С. Стабилизация температуры моющей воды достигается путем коррекции ее расхода в замкнутом цикле воздействием на мощность регулируемого привода насоса 15.

По информации датчиков о фактическом расходе и температуре моющей воды в линии 2.1 микропроцессор 18 по заложенному в него алгоритму непрерывно определяет тепловой и массовый потоки моющей воды в камеру мойки 1 и из балансовых соотношений в зависимости от количества массы и теплоты моющей воды устанавливает режим подачи исходной овсяной крупы в камеру мойки 1. Начальная влажность овсяной крупы изменяется в пределах 13-14 %.

При отклонении текущей влажности вымытой овсяной крупы от заданного значения 21-25 % микропроцессор 18 регулирует подачу исходной овсяной крупы в камеру мойки 1, что позволяет выполнить условие, при котором текущая влажность овсяной крупы на входе в камеру варки 2 не будет соответствовать заданному значению влажности.

По текущим значениям влажности овсяной крупы после камеры варки 2, например, 43-47 % и после камеры сушки 3, например 10 %, микропроцессор 18 определяет количество излишней части перегретого пара U отвод , образовавшегося за счет испарившейся из овсяной крупы влаги в процессе сушки по формуле:

G eap   '

пр ^С п

с пр t м

—

^U отвод

где w в ,  w с

–

100 — w_e - ^в

100 — w_c ^пр с

⁺ GM^i ^— i ) ^— Q nom

"

г

влажность крупы на выходе

из камеры варки и влажность крупы на выходе из камеры сушки, %; вар – расход пр крупы на выходе из камеры варки, кг/ч; с' , с"  – теплоемкость крупы на выходе из камеры варки и теплоемкость крупы на выходе из камеры сушки, кДж/(кг·К); tм, tс – соответственно температура вымытой и высушенной крупы, К; суш – расход пере-пар гретого пара на входе в камеру сушки, кг/ч; i’,i” – теплосодержание перегретого пара на входе и выходе из камеры сушки, кДж/кг; Qпот – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч, и отводит ее из контура рециркуляции 3.0 по линии 3.1.

По соотношению расходов излишней части перегретого пара, отводимого из контура рециркуляции в камеру варки 2 по линии 3.1 , и расхода овсяной крупы, подаваемой из камеры мойки в камеру варки по линии 1.1 , микропроцессор 18 устанавливает расход распыливаемой жидкости, например 0,1 л/кг, подаваемой по линии 2.5 с помощью регулируемого привода насоса 17.

При отклонении текущего значения влажности овсяной крупы на выходе из камеры варки 2 от заданного, микропроцессор 18 корректирует расход распыливаемой жидкости, стабилизируя влажность овсяной крупы на выходе из камеры варки 2 с минимальным отклонением от заданного значения.

В процессе сушки микропроцессор 18 непрерывно устанавливает заданные значения температуры перегретого пара, например, 140 °С, и расхода перегретого пара, например, 9000 м3/ч, необходимым выбором мощности привода компрессора 8 и мощности регулируемого привода вентилятора 14.

По величине рассогласования текущей влажности овсяной крупы на выходе из камеры сушки 3 с заданным значением 9 % микропроцессор 18 воздействует на расход и температуру перегретого пара в контуре рециркуляции 3.0 , выводя их на верхнюю или нижнюю границы ограничений, обеспечивая условие равенства текущего значения влажности овсяной крупы с заданным.

Охлаждение крупы в камере охлаждения 4 до температуры 20 ± 0,5 °С осуществляется охлажденным в испарителе 10 теплового насоса посредством рекуперативного теплообмена между кипящим хладагентом и воздухом с последующей очисткой воздуха в циклоне 12 и возвратом по линии рециркуляции 3.2 в испаритель 10.

Для реализации способа управления процессом производства варено-сушеных круп необходимо использовать холодильно-компрессорный агрегат, работающий в режиме теплового насоса, со следующими параметрами:

Одноступенчатый двухцилиндровый агрегат

Хладагент

Температура кипения в испарителе

Температура конденсации

Холодопроизводительность Q 0 , кВт

Компрессор

Конденсатор воздушный, ребристый м2

Хладон 12В1 CF 2 ClBr - 4 ^оС, 153,7 ^оС;

1,28

2ФВ- 4/4,5

4,95

Количество теплоты, затрачиваемое на перегрев пара в пароперегревателе в линии производства варено-сушеных круп на Гря-зинском пищекомбинате:

кн перегрев         воды воды    воды

+ Gr + G (i     — i пер.пара    нас.пара

9000 Г 4,19 • (100 — 20) +

, (2)

= 0,1

•

3600 L+2194 + (2740 — 2679)_ = 647,55 кВт где β – коэффициент, учитывающий потери пара (тепловые потери, потери на необрати- мость процесса и т. п. β = 10 % = 0,1);

G – расход пара, м³/ч; с воды – теплоемкость воды, Вт/(м²·K); t _в ^к _оды , t _в ^н _оды – конечная и начальная температура воды, ºС; r – теплота парообразования пара, кДж/кг; i _{пер . пара} , i _{нас . пара} – энтальпия перегретого и насыщенного пара, кДж/кг.

Количество теплоты, затрачиваемое на перегрев пара в конденсаторе теплового насоса в предлагаемом способе, составит:

Q тепл . насос конд         парср^рар ⁽ t K t H )

. (3)

= Г⁰⁰⁰ • 4,1 - (140 — 123) = 174,25 кВт

3600   ,                    ,

Горизонтальный кожухотрубный конденсатор 250 КТГ (с поверхностью теплообмена 250 м²), в котором тепловая нагрузка составляет Q конд = 1237,5 кВт, полностью обеспечит перегрев пара до заданной температуры 140 °С.

Количество теплоты, затрачиваемое на охлаждение воздуха в испарителе теплового насоса, составит:

QT± насос = Р G_e с ( t_K - 1 „) = испар в в в к н

. (4)

= 1,23 • 9450 - 1,01 - (45 - 20) = 81,53 кВт

Панельный испаритель ИП-180 (с поверхностью теплообмена 180 м²), в котором тепловая нагрузка составляет Q испар = 123,75 кВт, обеспечит охлаждение воздуха до заданной температуры (20 ± 0,5 °С).

Установленная мощность электродвигателя компрессора Q элдв = 120 кВт, а суммарные затраты энергии составят:

Q = ^{тепл . насос} + ^{тепл . насос} + Q = конд Q испар ^элдв

= 174,25 + 81,53 + 120 = 375,78 кВт. (5)

Использование теплового насоса в предлагаемом способе производства варёно-сушеных круп вместо электрического