Теплонасос

СУШКА И ОБЕЗВОЖИВАНИЕ

Применение тепловых насосов в процессе сушки заметно воз­растает, на рынке появляются многочисленные установки, предна­значенные для этих целей. Одна из лучших работ по применению тепловых насосов в сушильных процессах проведена Электротех­ническим исследовательским центром в Англии. Она продолжается и в настоящее время. В работе,[14] проанализировано состояние сушильной технологии и подсчитано количество воды, удаляемой в промышленных процессах на предприятиях Англии. Эти значения приведены в табл. 7.5, они не включают воду, удаляемую в химиче­ской, фармацевтической и пищевой промышленности. Годовое ко­личество испаряемой воды в Англии составляет 20—30 млн. т. Для испарения 30 млн. т требуется энергия 74-Ю6 ГДж. С учетом общего КПД процесса сушки 50% полное потребление энергии на эти процессы составит 148-106 ГДж.

Для этих процессов аммиак имеет слишком высокое давление, что не позволяет использовать его в тепловых насосах. Но давле­ние— не единственный критерий для выбора рабочего тела. Ко­личество тепла, передаваемого хладоагентом, сильно зависит от его скрытой теплоты, значения которой приведены в табл. 7.6.

Удельный объем определяет размеры компрессора. Критическое давление и температура определяют предельные условия, вне ко­торых рабочее тело уже не может быть использовано. Кроме того, важным фактором является растворимость хладоагента в смазоч­ном масле.

Наряду с упомянутыми свойствами следует принимать во вни­мание также и стоимость, хотя выбор хладоагентов на рынке доста­точно велик и конкуренция удерживает цены в разумных преде­лах. Кроме того, потери хладоагента должны быть минимальными, хотя для больших систем они не составляют значительной доли капитальных или текущих затрат.

КПД обычной конвективной сушилки (рис. 7.6) зависит от сте­пени рециркуляции воздуха и описывается формулой

Т,= (Г2-Г3) / [(Г2 — 7*з) + (1 — W) (7*а — Г,)Д.

Где 7*1 — температура окружающего воздуха; Т2 — температура воздуха на входе в сушильную камеру; Т3 — температура сбросно­го воздуха; W—отношение расхода рециркуляционного воздуха к полному расходу.

Типичная зависимость КПД сушилки от W показана на рис.7.7. В обычной сушилке невозможна 100%-ная рециркуляция, так как повышение влажности воздуха быстро ликвидирует его сушиль­ную способность. Однако тепловой насос может быть эффективно

Рис. 7.6. Обычная сушилка, ис­пользующая частичную рецир­куляцию.

Применен в сушилках как средство удаления влаги из выбрасываеемого воздуха, так что он может направляться на рециркуляцию в значительно больших количествах. Это было показано также в гл. 5 при описании домашних сушилок.

6

Рис. 7.8. Теплонасосная сушилка.

/ — влажный воздух; 2 — сухой воздух; 3 — конденсатор; 4 — вентилятор; 5 — компрессор; 6 — дроссель; 7 — испари­тель; >S — конденсат.

Гк, Гкси — температуры конденсации и испарения; d— абсолютная влажность, кг/кг; ф — относительная влажность.

Процесс обезвоживания с помощью теплового насоса (рис. 7.8) можно изобразить на психрометрической диаграмме рис. 7.9. Уходящий воздух, который нужно осушить, проходит че­рез испаритель теплового насоса и охлаждается (процесс 1, 2 на рис. 7.9). В результате охлаждения часть влаги конденсируется и вытекает через дренаж. Рециркулирующий воздух поступает затем

В конденсатор и нагревается за счет использования явной и скры­той теплоты, воспринятой испарителем, и тепла, эквивалентного работе сжатия.

КПД системы подчиняется обычным законам тепловых насосов, КОП зависит от разности температур испарения и конденсации. Снижение разности температур обычно достигается в сушилках с камерой смешения, где при условиях, соответствующих точке 3 рис. 7.9, охлажденный воздух с насыщенным паром смешивается с неохлажденным перед входом в конденсатор.

Характеристики тепловых насосов в сушилках зачастую изо­бражают в их зависимости от степени удаления влаги, имеющей

Размерность кг/(кВт-ч). На рис. 7.10 показано влияние повышения темпе­ратуры и влажности на степень уда­ления влаги. Она возрастает по мере повышения температуры и влажности. Ниже даны примеры, где степень уда­ления влаги составляет 2,5 кг/(кВт-ч). Также должны вскоре появиться уста­новки при 3 кг/(кВт-ч).

При сопоставлении различных су­шилок со степенью удаления влаги 3 кг/(кВт-ч) оказалось, что для полу­чения равного с теплонасосными су­шилками потребления энергии в слу­чае парового нагревания КПД должен быть 58%, а в случае огневого нагре­ва— 75%. Фактические значения КПД этих сушилок ниже, так что тепловой насос может дать экономию топлива.

Как упоминалось в § 7.3, в сушилках можно применять и обыч­ные системы восстановления тепла. Они могут играть и роль обез­воживающих устройств. Определение оптимальной доли теплона- сосных и обычных систем восстановления тепла можно рекомендо­вать в качестве полезного упражнения.

Одним из первых применений теплового насоса для обезвожи­вания была - работа фирмы: Sulzer [7] — обезвоживание подзем­ных полостей в Германии в 1943 г. Теплота конденсации водяного пара из воздуха использовалась для подогрева входящего свежего воздуха. Другой пример — зерновая сушилка, разработанная в США в 1950 г. [15]. Применение теплового насоса позволило уп­равлять относительной влажностью и температурой воздуха, что важно для многих сушильных устройств. Экспериментальная зер­новая сушилка была изготовлена (рис. 7.11) и испытана в различ­ных условиях, что позволило проверить теоретические исследова­ния, проведенные в 1949 г. [16]. Площадь пола зернового бункера Составляла около 1,3 to2. Тепловой насос с электроприводом мощ - костью 570 Вт содержал хладоагент R12. Циркуляция воздуха обеспечивалась центробежным вентилятором мощностью 380 Вт. Водяной охлаждающий контур служил для регулирования темпе^
ратуры сушкй. В исследованиях переменными былг температура воздуха (43—54 °С) и его расход (550—2000 м3/ч). Испытания прекращались при достижении влажности зерна 12%. Оказалось, что потребление энергии (кВт-ч/кг) влаги очень хорошо согласо­валось с теоретическими значениями, полученными в исследованиях 1949 г. Минимум затрат соответствовал расходу 800—1000 м3/ч. Затраты энергии 0,28 кВт-ч/кг при 54°С. Эти значения свидетель­ствуют о высоком значении КОП теплового насоса по сравнению с современными установками. В работе отмечалось, что главный недостаток системы — дополнительные, капиталовложения. Позд­нее было показано, что эти добавоч­ные капиталовложения, окупаются за несколько месяцев.

Одним из первых применений теп­лового насоса для сушильных целей в коммерческом масштабе "с тонким ре­гулированием температуры и влажно­сти является сушка древесины. Пио­нером здесь была фирма Westair, вы­пускавшая оборудование в течение 10 лет. Около тысячи ее установок ра­ботают во всем мире. Типичная уста­новка показана на рис. 7.12. Она ра­ботает так, как это было описано ра­нее, с тем отличием, что воздух обду­вает электрооборудование, что улуч­шает использование тепла и обеспечивает охлаждение мотора вен­тилятора. Перед возвращением в сушильную камеру воздух нагре­вается в теплообменнике. На рис. 7.13 показаны общий вид уста­новки и ее основные компоненты.

Установка содержит датчики влажности и' температуры, кото­рые управляют включением холодильника и Нагревателя в зависимости от свойств высушиваемого материала. Периодическая налад­ка управления в процессе сушки определяется содержанием влаги. В ряде случаев эта наладка оказывается излишней во всем процес­се сушки.

Параметры сушки проверяются вращающимся Гигрометром или записываются на термогигрографе. Содержание влаги в древесине

Контролируется в течение всего процесса на специально заложен­ном образце. При достижении необходимых значений в течение некоторого времени перед выемкой древесины из камеры ее выдер­живает, в условиях равновесия.

Сама камера изготовлена из обычных строительных материа­лов— древесины, кирпича или бетона. Чтобы она была возможно лучше изолирована и уплотнена для предотвраще­ния утечек воздуха. Пол и другие внутренние поверхности должны быть водостойкими во избежание накопления влаги. Это легко до­стигается битумными покрытиями, а для стен и потолка — доска­ми с пластмассовым покрытием.

В дополнение к вентилятору, входящему в установку «Westair», необходимо установить вентилятор для циркуляции воздуха внутри камеры.

Производительность сушильной установки определяется схемой и конструкцией камеры. Потребитель сообщает следующие дан­ные: 1) сорт высушиваемой древесины; 2) начальную и конечную влажность; 3) количество высушиваемой древесины за неделю или месяц; 4) размеры досок.

Основываясь на этой информации, фирма-производитель сове­тует, как сконструировать камеру, и рекомендует подходящую мо­дель из своих установок.

Конечно оценить затраты без детальной проработки трудно, так как они зависят от многих факторов. Для комплектной установки выпуска 1974 г. средние капиталовложения, распределенные на первые 5 лет, оценены около 7 ф. ст./м3 высушенной древесины. Текущие затраты также зависят от многих изменяющихся факто­ров. При средней стоимости электроэнергии за упомянутый 5-лет­ний период они составили 2,5 ф. ст./м3.

Можно ожидать существенно большего ресурса установок «Westair». Дольше всего работающая установка в Норвегии давно преодолела 10-летний рубеж без капитального ремонта при обыч­ном обслуживании.

Другим применением, реализованным в более позднее время, является сушка керамики. В качестве типичного примера можно привести установку на фабрике Portacel в Кенте, выпускающую керамические фильтры для очистки воды. Здесь требуется тщатель­ный контроль за технологическим процессом, и теплонаеосная си­стема позволила повысить качество продукции и производитель­ность.

Керамические элементы нарезаются из сплошной цилиндриче­ской трубы, получаемой экструзией, при длине отрезков 125 и 250 мм. Эти элементы подсушивают перед обжигом в строго опре­деленных условиях. После полной сборки и испытания в воде тре­буется повторная сушка. Установку «Westair» применяют для суш­ки фильтров перед обжигом и после испытаний.

Раньше сушка перед обжигом проводилась в камере длиной 15, шириной 6 и высотой 2,5 м. Горячий воздух поступал от газового нагревателя тепловой мощностью 545 МДж/ч. Сушка дневной продукции — 2000 деталей обычно занимала 72 ч и представляла узкое место в производстве. Новая сушильная камера имеет раз­меры 9X4X2,5 м. У нее бетонный пол и стены из легких блоков. Изнутри стены покрыты теплоизоляцией из стекловолокна толщи­ной 75 мм. Ограждение, стойкое к воздействию пара, выполнено из судовой фанеры, крашенной алюминиевой краской. В камере под­держивается температура 49 °С, и дневной выпуск — 2000 деталей проходит сушку за 24 ч. При сушке более длинных фильтров (250 мм) за сушильный цикл удаляется около 900 кг воды. Испы­тания показали, что при необходимости время сушки можно сни­зить до 15 ч.

Размеры камеры несколько превышают необходимые, часть ее отделена щитом. Она оборудована двумя установками «Westair» с мощностью компрессора 8,5 кВт и электронагревателем на 9 кВт для повышения температуры сразу после включения. Кроме упомя­нутых потребителей энергии имеется только электромотор потолоч­ного вентилятора, обеспечивающего рециркуляцию воздуха.

Для выпуска 3000 деталей в день фирма планирует удалить временный щит в камере и смонтировать третью установку. По­мимо снижения втрое — с 72 до 24 ч времени сушки новая схема дает более равномерное содержание влаги. При старой системе тем­пература существенно изменялась, от чего влага распределялась неравномерно и часть деталей при обжиге разрушалась. Новая си­стема исключила вариации температуры и снизила потери от брака.

После испытания в воде керамические детали сушат при более низкой температуре — 32 °С, чтобы не нарушать адгезию покрытия. Раньше этот процесс проводился в камере, нагреваемой газовым подогревателем на 29 кВт плюс третья часть мощности нефтяного подогревателя на 73 кВт, который включали при повышении вы­пуска продукции. Теперь сушку производят в новой камере, обору­дованной такой же установкой «Westair».

Стоимость энергии, потребляемой обоими сушильными процес­сами при газовом и нефтяном подогреве, около 6500 ф. ст./ год. Эти затраты снижаются примерно до 3000 ф. ст./год при применении новой электрической теплонасосной сушки. При стоимости установ­ки около 10 000 ф. ст./ год, годовая экономия 3500 ф. ст. обеспечи­вает срок окупаемости менее 3 лет. Для фирмы не менее важны улучшение технологического ритма и простота увеличения мощно­сти сушилки при планируемом увеличении выпуска продукции. Снижение времени сушки устранило узкое место в производстве. Повышение равномерности распределения влаги повысило качест­во продукции и снизило брак. Кроме того, такой метод обезвожи­вания автоматически снабжает дистиллированной водой другие технологические процессы производства, что дает фирме экономию 100—500 ф. ст./год.

Решение фирмы применить описанную электрическую сушку привело к повышению эффективности использования производст­венных помещений, рабочей силы, энергии и материалов, иначе говоря, всех ресурсов, используемых в технологии.

Выше приведены только два примера применения тепловых на­сосов для обезвоживания и сушки. Число примеров можно продол­жить: сюда относятся пищевая и фармацевтическая промышлен­ность, а также производство керамики и кирпича. Тепловые насосы
с целью осушения начали применять и на электростанциях. Для поддержания обмотки генераторов в сухом состоянии, когда гене­ратор не работает, ранее применялась циркуляция окружающего воздуха, нагретого в электрокалорифере. Теперь для этой цели используют небольшой тепловой насос с существенной экономией энергии. Применение теплового насоса для сушки бумажной ленты на установке стоимостью 1500 ф. ст./год дает около 4500 ф. ст. го­довой экономии. Исследуется возможность одновременного исполь­зования воздушных компрессоров и для охлаждения, и для сушки. Разрабатываются методы повышения температуры конденсации

Выше 100 °С, что расширяет сферу прило­жения тепловых насосов.

Для сушки помимо обычных хладоаген­тов, характерных для холодильных устано­вок, применяют и необычные; недавно во Франции [17] предложен парокомпрессион - ный цикл на воде, его схема показана на рис. 7.14. Водяной пар при атмосферном давлении отсасывается над влажным про­дуктом и сжимается в компрессоре. Он кон­денсируется при 0,5 МПа (150 °С) в тепло­обменнике, подогревающем воздух, подава­емый в сушилку. Если пар недостаточно чист, рекомендуется применять замкнутый контур на водяном паре с дополнительным теплообменником. Утверждается, что эффективность процесса со­ставляет 1000 кДж/кг испаряемой влаги [3,6 кг/(кВт-ч)]. В другой схеме (рис. 7.15) контур с перегретым паром дополняется обычным тепловым насосом на фреоне, при этом эффективность достигает 750 кДж/кг [4,8 кг/(кВт-ч)]. Эта схема применена для непрерыв­ного процесса в туннельной сушилке, тогда как другие описанные выше схемы относятся к камерным сушилкам.

Недавно в Новой Зеландии проведена работа, направленная на снижение капиталовложений в описанные выше сушилки большой мощности с учетом ограничения температуры, налагаемого приме­нением существующих хладоагентов [18]. В качестве решения про­блемы рекомендована рекомпрессия пара. Здесь следует отметить, что максимальная температура хладоагента в расчетах новозе­ландских авторов — около 50 °С. Однако при использовании таких хладоагентов, как R144, допустима температура конденсации око­ло 120 °С (§ 7.4). Ограничением служит снижение КОП теплового насоса при нагреве окружающего воздуха до высоких температур, приводящее к неэкономичности установки. Сушка некоторых сор­тов леса требует температур, превышающих возможности сущест­вующих сушилок, и здесь можно применить рекомпрессию пара — сжатие паров, удаляемых из высушиваемого материала, и их ис­пользование для подогрева.

Высокотемпературная сушка при атмосферном давлении дает пары с температурой конденсации 100 °С, но если требует програм­
ма, температура пара может быть и выше. При сжатии этого пара повышается и температура сушки. При достаточно большой степе­ни сжатия температура конденсации превышает температуру сухо­го термометра, и тогда устанавливается необходимая для тепло­обмена и подачи тепла в сушилку разность температур.

При использовании этого метода для снижения потребления энергии в сушилках для леса необходимы некоторые изменения по сравнению с сушкой керамики. Присутствие воздуха в паре при па­ровом подогреве снижает эффективность теплообмена и повышает затраты энергии на сжатие. Поэтому важно, чтобы атмосфера

Внутри сушилки содержала только пар, т. е. чтобы сушилка рабо­тала на перегретом паре. Для поддержания пара перегретым при атмосферном давлении компрессор должен засасывать только па­ры, удаляемые из высушиваемого леса, и подавать их в паровой нагреватель. Управление компрессором строится с учетом пара­метров пара на выходе из сушилки и давлении внутри нее с регу­лированием потока испаряемой влаги через компрессор. Не нуж­но сбрасывать избыточную влагу в атмосферу, так как вся испа­рившаяся влага удаляется компрессором и конденсируется в паро­вом нагревателе. Побочным продуктом процесса рекомпрессии пара является большое количество горячей воды при температуре до 100 °С, которую можно использовать, в частности, как питатель­ную воду для котла.

Общая схема сушилки для леса с рекомпрессией пара приве­дена на рис. 7.16; она состоит только из уплотненной камеры с вентилятором для циркуляции газов и парового подогревателя. Важность уплотнения камеры трудно переоценить. При сушке перегретым паром имеется тенденция к некоторому повышению давления пара внутри камеры, что способствует утечке пара в атмосферу. Любая потеря пара снижает энергию, восстанавливае­мую при рекомпрессии, поэтому устранению таких утечек следует уделять особое внимание. Следует устранять также и любую кон­денсацию внутри сушилки, так как и она уменьшает количество
пара, поступающего на рекомпрессню. Сушилка должна иметь до­статочную теплоизоляцию, так как температура внутренней стенки превышает 100 °С.

Отсос пара компрессором производится из нижней части каме­ры, что позволяет сжимать менее перегретый пар и понижает рас­ход энергии на сжатие. Дополнительным преимуществом такого размещения является также снижение расхода воздуха через ком­прессор. Воздух накапливается в верхней части камеры и выбра­сывается через специальные каналы. Давление сжатого пара при­ближается к давлению обычных пароснабжающих установок.

Для рекомпрессии нужно тщательно подобрать компрессор. В отличие от большинства других случаев охлаждение компрессо­ра здесь не требуется. На выхо­де из компрессора достигается вы­сокая температура (до 415 °С), что предъявляет к конструкции компрессора особые требования. Следует предусмотреть регулиро-

Рис. 7.16. Схема рекомпрессии пара в су­шилке для дерева.

1—трубки с паровым подогревом; 2 —воздух; 3 — улавливатель; 4— водяной пар; 5 — вентиля - тор; в — предохранительный клапан; 7— компрес­сор; 8 — вход в компрессор; 9 — конденсат.

Вание компрессора, чтобы при снижении нагрузки уменьшался и расход пара, но давление на выходе поддерживалось постоянным. Для лесосушильных установок оказались подходящими компрес­соры, созданные для выпарных аппаратов химической технологии, где рекомпрессия практически используется для теплоснабжения непрерывно работающих аппаратов. Иногда для сжатия пара ис­пользуют струйные эжекторы на паре высокого давления. Преиму­ществом такой рекомпрессии пара является снижение эксплуата­ционных затрат и исключение использования дорогой электроэнер­гии. Недостаток такой системы в низком механическом КПД паро­вого эжектора и трудности регулирования системы при изменении режима работы [14].

Имеются примеры успешного применения перегретого пара для сушки леса при температуре 130 °С, так что при рекомпрессии сле­дует предусмотреть получение перегретого пара.

Новозеландское исследование показало, что экономия энергии при сушке леса доходит до 65% расходуемой в обычной сушилке. Это относится к установке с компрессором около 500 кВт, значи­тельно более мощным, чем современные компрессоры сушильных
тепловых насосов замкнутого цикла на фреонах. ЯредйолаГаётся, что экономию энергии можно еще повысить в таких сушильных процессах, где степень осушки не очень велика.

Аналогичные преимущества имеет паровая компрессия при про­изводстве бумаги.