Термодинамический анализ процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в аппарате с виброкипящим слоем

Эксергетический анализ конвективных сушилок выполнен по методике [1], в соответствии с которой они рассматривались в виде теплотехнологических систем сушки ферментированного пшеничного сырья (рисунок 1), условно отделенных от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью. Внутри систем с учетом протекающих теплообменных процессов выделен ряд контрольных поверхностей (таблица 1).

Рисунок 1 - Схема технологического процесса в предлагаемой сушилке:

– границы контрольных поверхностей;

-ч> – поток воздуха;      – потоки продукта

Таблица 1

Контрольные поверхности

№	Предлагаемая сушилка
I	Рабочая камера
II	Нагрев воздуха
III	Осушение воздуха

Схемы обмена рассматриваемых теплотехнологических систем сушки корма материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями представлена на рисунке 2.

Эксергия в каждой контрольной поверхности изучаемой технологической системы сушки, состоящей из классических необратимых процессов, уменьшается с течением времени, что связано с диссипацией энергии [2].

Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков: исходного сырья и атмосферного воздуха, находящихся в терм оди-намическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.

В процессе нагрева сырья в технологическом оборудовании его химическая экс ергия постоянна, так как его состав в процессе переработки не претерпевает измен ений. Поэтому учитывается только его удельная термическая эксергия, определяемая на основании уравнения Гюи-Стодолы:

еэ.к. = е - е0 = h - h0 - T0(S - S0) (1) , где е, е0, h , h0, S, S0 - удельная термическая эксергия, кДж/кг; удельная энтальпия, кДж/кг и энтропия, кДж/(кг^К) продукта при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой.

После сушки влажный воздух направлялся сначала в осушитель, где от него отделялась влага, адсборбированная из продукта в процессе сушки, затем - в нагреватель. Транспортирование воздуха в сушилке осуществлялось в режиме рециркуляции, что позволило сократить энергозатраты на его нагрев перед поступлением в рабочую камеру сушилки.

Приращение полезной эксергии высушенного ферментированного пшеничного сырья в исследуемой сушилке достигается за счет его нагрева горячим воздухом.

Рисунок 2 - Схема обмена потоками между контрольными поверхностями теплотехнологической системы сушки кормов для предлагаемой сушилки: потоки: — ^ - продукта;     ^ - воздуха;

----- границы контрольных поверхностей;

/* - электроэнергия.

В работе рассмотрено влияние на систему внутренних и внешних эксергетических потерь.

В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входят потери от конеч ной разности температур в результате теплообмена между высушиваемым сырьем и нагретым воздухом, электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурномеханических свойств продукта, и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема воздуха при его поступлении в рабочую камеру сушилки.

Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле:

D то = q то , т е , (2)

где Q^то - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; т е - среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.

Эксергетические потери вследствие падения давления воздуха при его подаче в контрольную поверхность определяли по формуле:

Dг = g -А Нг • Ткп ⁽³⁾ Твх

, где Твх - температура теплоносителя на входе в контрольную поверхность, K; АНг - гидравлические потери, м.

По формуле Дарси-Вейсбаха найдены гидравлические потери при входе теплоносителя в контрольную поверхность:

АН = ^- v^, (4) г 2 g где vBX - средняя скорость прохождения воздуха по сечению подводящего трубопровода, м/с; § - коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению входного отверстия.

Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов оборудова-ния (питатель, колебатель, вентилятор), используемого в процессе сушки [3].

Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции были найдены по формуле:

D e = Q u3 ■ Те , ⁽⁵⁾

где Q _U3 - суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; т е - фактор Карно.

В контрольной поверхности II предлагаемой сушилки в сумму внешних потерь также вошла эксергия воды, десорбируемой из отработанного воздуха.

Эксергетические потери высушенного корма на выходе из сушилки при достижении ими термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле:

Т

D np = h np - h np - Т 0 ■ с • In Т ПР-      (6)

пр где И , Т — энтальпия, кДж/кг, и темпера-пр пр тура, К, высушенного корма; с — средняя удельная теплоемкость высушенного сырья между его текущим состоянием в момент выгрузки и в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, кДж/(кыК).

Оценку термодинамического совершенства теплотехнологических систем сушки проводили по эксергетическому КПД, исходя из значения эксергии высушенного продукта:

Таблица 2

Обозначения потоков на диаграмме Грассмана-Шаргута

№ потока	Наименование потока
1	Исходное сырье
2	Электроэнергия привода питателя
3	Электроэнергия вибропривода
4	Нагретый воздух
5	Готовый продукт
6	Отработанный воздух
7	Осушенный воздух
8	Электроэнергия нагревателя
9	Электроэнергия вентилятора

Полученный по формуле (7) эксергетический КПД равен 8,4 %, что выше, чем при использовании сушилки-прототипа (учитывая подогрев воздуха перед сушкой) на 8 %. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании контура рециркуляции по теплоносителю, осушающему воздуху, а также более эффективному теплообмену воздуха с высушиваемым продуктом при использовании вибропривода.

l

Z e i  Z e i " Z D j

Пэк. = k=— = '=1  „   =    ,(7)

Z eiZ i=1

где ^l

Z e i k = 1

суммарная удельная эксергия полез ных потоков (готовой продукции), кДж/кг;

nes - суммарная затраченная удельная эксер- i = 1

гия (подведенная в систему извне), кДж/кг;

m

.Z D j

суммарные эксергетические поте- ри, кДж/кг.

Эксергия материальных и энергетиче ских потоков, а также внутренние и внешние эксергетические потери, рассчитанные по формулам (2-6), составили эксергетический баланс теплотехнологических систем сушки продукта. При построении эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута (рисунок 3) в качестве абсолютного эксергетического параметра выбрана удельная эксергия e, кДж/кг. Обозначение потоков на рисунке 3 представлено в таблице 2.

Рисунок 3 - Диаграмма Грассмана-Шаргута для предлагаемой конвективной сушилки. I-III - номера контрольных поверхностей.

ВестникВГУИТ, №4, 2013