Тепловые насосы

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Изготовление и упаковка пищевых продуктов включают много различных процессов, среди которых большую долю занимают на­грев и охлаждение. В большинстве случаев изготовление непосред­ственно связано с упаковкой, поэтому они здесь рассматриваются совместно.

Количественные данные по энергопотреблению пищевой про­мышленности получить трудно из-за многообразия процессов и пре­небрежения к энергетическим затратам, существовавшего до по­следнего времени. В США полное потребление энергии в пищевой промышленности оценивается в 0,9-1018 Дж в 1971 г. [16] Более тща­тельный анализ проведен в Голландии, где пищевая промышлен­ность находится на четвертом месте в списке основных потребите­лей энергии с потреблением в 1972 г. 69-1015 Дж, что составляет 9% энергии. Статистика в Англии включает пищевую промышлен­ность в раздел классификации «пища, напитки и табак» с потреб­лением в 1972 г. около 265-1015 Дж, т. е. вчетверо больше, чем в Голландии.

В пищевой промышленности особое значение имеет производст­во консервов и молочных продуктов. При консервировании произ­водятся нагрев и стерилизация при повышенной температуре. В молочной промышленности значительная энергия расходуется на обработку как молока, так и емкостей для его приема. Здесь широко применяются горячая вода и водяной пар и имеется боль­шое количество стоков с различной степенью загрязнения. В пище­вой промышленности, а особенно в производстве пива, безалко­гольных напитков и молочных продуктов, важно сохранять воду, так как ее стоимость растет и она становится столь же дефицитной, как и энергия. В стоимость воды включаются также и затраты на очистку стоков.

Количество жидких стоков в любой установке моЖНо миними­зировать. Обычным мероприятием является переход к оборотному водоснабжению с циркуляцией воды, использованной для нагрева, охлаждения или мытья, для чего вода проходит дополнительную подготовку и очистку.

Консервирование пищи. Энергопотребляющие процессы при консервировании фруктов и овощей указаны на рис. 7.22 [25]. При большом числе тепловых процессов существенно регулирование температуры для предотвращения перегрева и перерасхода топлива. Более рациональными являются процессы непрерывного нагрева в поточной линии, а не нагрев в отдельных камерах. Конечно, име­ется много способов улучшения использования энергии и без ка­питаловложений, связанных с теп­лонасосной технологией. Следует отметить применение обычных жидкостных теплообменников, что очень эффективно, особенно при высокой степени рекуперации. Ниже приведены четыре рекомен­дации:

1. Использование минималь­ной добавки воды в процессе. Вода должна быть испарена на последующих стадиях процессов, и это увеличивает тепловую на­грузку.

2. Следует проверить энерге­тическую эффективность способа нагрева. Теоретически нагрев и приготовление пищи при повы­шенном давлении более эффек­тивны, чем при атмосферном или пониженном.

3. Непрерывные процессы представляют больше возможностей для восстановления тепла. Охлаждение продукта в ряде случаев позволяет использовать тепло охлаждения в другом процессе. Если продукт не требуется охлаждать быстро, применяется естествен­ная конвекция, и это тепло используется для отопления.

4. Если неизбежны камерные процессы, то следует использо­вать разные сосуды для нагрева и охлаждения.

В производстве консервов часто пренебрегают поддержанием температурного режима, отчего затраты тепла на процесс увеличи­ваются. При стерилизации избыточный нагрев применяют при от­сутствии информации о характеристиках теплообмена и содержи­мое перегревают для гарантирования качества продукции.

Необходимый нагрев определяется тепловой историей продук­та, поскольку уничтожение бактерий — функция как температуры, так и времени. Так, например, выдержка при 120 °С в течение 1 мин дает примерно тот же эффект, как 100 мин при 100 °С. По­скольку этот эффект резко нелинейный, точность измерения темпе­ратуры становится все более важной по мере ее роста.

В этих процессах используется водяной пар для нагрева и сте­рилизации с последующим охлаждением продукта. Поэтому тепло-

' - Л '____________________

Потеро механиче­ской мощности —^ 0,91

Висстаниіленнае сбросное тепло

—. ПоВано "мекатошя 0 "втреііатот мощность 0,1В

Рис. 7.23. Потоки энергии в тепловом насосе с электроприводом (а) и с приводом от двигателя внутреннего сгорания (б). Цифры указывают долю первичной энергии.

Вой насос должен быть рассчитан на подачу пара низкого давления и использование тепла охлаждающих жидкостей. Температура кон­денсации должна существенно превосходить 100 °С, что требует тщательного выбора хладоагента — рабочего тела теплового насо­са, а также оптимизации системы привода компрессора. На прак­тике применяется и электрический, и газомоторный привод: пер­вый имеет более низкую стоимость, а второй обеспечивает более эффективное использование первичной энергии (рис. 7.23).

Рассматривается возможность применения тепловых насосов, сравнительно небольших по мощности, с температурой конденса­ции 120 °С и источником тепла — горячей водой при 70—80 °С. Приводом служит газовый двигатель мощностью 75 кВт. Ниже приводятся результаты исследования, проведенного по поручению Европейской экономической комиссии [26].

Выбор хладоагента. Прошлый опыт не давал основы для выбо­ра хладоагента, поскольку работ, посвященных установкам с таки­ми высокими температурами, было очень мало. Единственное исключение — тепловой насос «Westinghouse Templifier», о кото­ром пойдет речь в п. 7.4.2.

Были рассмотрены все хладоагенты, пригодные для работы при высоких температурах. При заданной температуре конденсации 120 °С первый критерий отбора состоит в том, что критическая тем­пература хладоагента должна быть выше 120 °С*.

Высокая температура конденсации исключает использование обычных хладоагентов R12 и R22. Обязательные критерии выбора, уже обсуждавшиеся в гл. 3, включают высокую термическую ста­бильность, умеренное давление конденсации, высокую скрытую теплоту кипения и низкую вязкость. Окончательный выбор хладо­агентов представляет компромиссное решение. Наряду с темпера­турой конденсации 120 °С задается и температура испарения 60 °С, и по ним вычисляются отношение давлений в компрессоре и давле­ние конденсации (табл. 7.9).

При лучшем хладоагеите давление конденсации получается умеренным. В противном случае требуется повышение прочности компрессора, что вызывает его удорожание. После консультации с изготовителями компрессоров был принят верхний предел давле­ния 2,1 МПа. Этот критерий исключает такие хладоагенты, как аммиак, двуокись серы и метилхлорид, которые широко применя­ются в промышленных холодильных установках, но имеют давле­ние конденсации при рассматриваемых условиях выше 5 МПа.

Остальные хладоагенты — органические соединения, получае­мые из углеводородов. Среди них вода представляет весьма инте­ресное исключение. Ни один из них не имеет широкого применения

Рис. 7.24. Зависимость давления от температуры хладоагентов, пригод­ных для высокотемпературных теп­ловых насосов: пунктир — темпера­тура всасывания.

В таком масштабе, как R12, R22 или аммиак, поэтому данные об их свойствах как хладоагентов ограничены, а в ряде случаев их просто не существует, особенно для 120 °С.

Важным критерием для выбора из оставшихся хладоагентов является взрывобезопасность. В некоторых случаях промышлен­ного применения важность этого критерия снижается, например когда на промышленном предприятии присутствуют огнеопасные жидкости и газы и утечка хладоагента не повышает риска пожара. Утечки хладоагента в атмосферу, а следовательно, и вероятность взрыва уменьшают путем улучшения уплотнений, хотя это и вызы­вает затраты. Этилхлорид, производные метила и дихлорэтилен из - за взрывоопасности из рассмотрения исключаются.

Для дальнейшего рассмотрения остаются только галогениро - ванные углеводороды и вода. В связи с отсутствием информации для многих соединений ниже подробно рассматриваются только Rll, R21, R113, R114 и вода.

Зависимость давления от температуры для упомянутых четырех хладоагентов показана на рис. 7.24. К каждому из хладоагентов можно дать следующий комментарий.

Хладоагент RI1. Основной недостаток — высокая темпера­тура после компрессора (141 °С), что может вызвать термическое или химическое разрушение соединения. Значение КОП (3,9) до­вольно высоко, а объемный расход допускает применение как пор­шневых, так и центробежных компрессоров. Степень сжатия и дав­ление конденсации не представляют проблем.

Хладоагент R21. Имеет даже более высокую температуру после компрессора (154 °С), и поэтому его стабильность представ­ляет большую проблему, чем у R11. Расходные характеристики
хорошие, поэтому требуются сравнительно небольшие компрес­соры, КОП — один из лучших, степень сжатия не представляет проблем.

Хладоагент R113. Объемный расход велик (0,216 м3/с), что втрое выше, чем у R21 и R114. Поэтому его использование в пор­шневых компрессорах вызывает трудности. Возможно применение в центробежных компрессорах большой мощности. Его преимуще­ством является высокое значение КОП, низкие давление и темпе­ратура после компрессора, что снижает опасность разложения хладоагента.

Хладоагент R114. Наименьшая температура после компрес­сора и, следовательно, наименьшая опасность разложения. Такой же объемный расход, как у R21, и, следовательно, такие же про­блемы с размерами компрессора. Наибольшее давление на входе в компрессор (0,57 МПа), что вызывает повышенную нагрузку на упорный подшипник вала компрессора. Давление после компрес­сора (2,05 МПа) также наиболее высокое, приближающееся к пре­делу для большинства компрессоров, а в некоторых случаях и превосходящее этот предел. Степень сжатия самая низкая и са­мый низкий КОП (3,19).

Вода (R18). Имеет наибольший КОП (4,1) благодаря боль­шой скрытой теплоте. Другое значительное преимущество — высо­кая термическая стабильность в сравнении с галогеноводородами. Однако температура после компрессора (412 °С) довольно велика, что вызывает проблемы выбора материалов компрессора. Объем­ный расход очень велик, в 4 раза выше, чем у R113, что требует применения больших центробежных компрессоров, а высокое от­ношение давлений (10) — многоступенчатых компрессоров. Низкое давление во всасывающей трубе вызывает опасность притоков из атмосферы.

Основной результат анализа циклов состоит в том, что ни один из пяти рассмотренных хладоагентов не является идеально подхо­дящим для поставленной задачи. Каждый хладоагент создает про­блемы. Вода представляет интерес для применения в очень мощ­ных тепловых насосах с большими центробежными компрессорами. Изучение проблем, вызванных высокой температурой сжатия и большим отношением давлений, потребовало бы больше времени, чем было отведено на проект, поэтому вода была исключена из рассмотрения.

Для выбора из оставшихся веществ был применен дополнитель­ный критерий — термическая и химическая стабильность при вы­сокой температуре. При температуре конденсации 120 °С разложе­ние какой-то доли вещества неизбежно, и его продукты могут вы­звать коррозию или уменьшить эффективность цикла. Кроме того, возникают проблемы из-за повышения растворимости хладоаген­та в масле и повышения скорости гидролиза, что особенно сущест­венно при высокой температуре сжатия.

Растворимость хладоагента в компрессорном масле зависит от температуры. Чем больше растворено хладоагента, тем сильнее

7 Зак. 1007
изменяются свойства масла, в особенности существенно падение вязкости. Если вязкость снижается до Ю-2 Па-с и ниже, затрудня­ется смазка подшипников. Для снижения количества растворенно­го хладоагента зачастую внутри корпуса компрессора устанавли­ваются специальные нагреватели. При высоких температурах хла­доагент взаимодействует с маслом с образованием углеродсодер- жащих загрязнений, а в некоторых случаях и кислот. Загрязнения ухудшают смазывающую способность, а кислоты вызывают кор­розию.

Относительно содержания воды следует отметить, что вода в принципе не должна присутствовать в системе, однако небольшое ее количество неизбежно присутствует и при высоких температурах вступает в реакцию гидролиза с хладоагентом с образованием кор- розионно-активных кислот. Эта проблема свойственна всем хла - доагентам, что не дает оснований для выбора. Решение проблемы состоит в установке осушающих устройств в жидком хладоагенте, устраняющих воду и кислоты. Для этого используются активиро­ванные окислы алюминия и силикагель.

Согласно полученным данным, галогеноводородные хладоаген­ты вызывают существенное разрушение пластиков и эластомеров, поэтому для каждой конкретной жидкости необходимо подбирать свои конструкционные материалы.

Хладоагент также реагирует и с металлами, но при малых тем­пературах скорость реакции пренебрежимо мала. Однако конден­сация при 120 °С приводит к повышению скорости реакции и воз­никновению проблем, связанных с эрозией. Применение цинка, магния и алюминия, содержащего более 2% магния, в контакте с галогеносодержащими хладоагентами не рекомендуется при лю­бых температурах.

Термическая стабильность — наиболее важный фактор в окон­чательном выборе хладоагента. Как сами хладоагенты, так и по­следствия их разложения весьма дороги. Эта проблема много - планова, поскольку хладоагенты разрушаются не только под воз­действием высокой температуры и из-за реакции с различными металлами и маслом. Скорость реакций с различными металлами различна, и поэтому в сравнениях учитывается некоторая усред­ненная скорость реакции. Из-за ограниченности высокотемператур­ных применений данных о разложении Rll, R21, R113 и R114 при высоких температурах немного. Тем не менее заключение об отно­сительной стабильности хладоагентов сделать можно. Фирма Du Porit рекомендует рабочие температуры, указанные в табл. 7.10.

Эти данные были получены из серии испытаний с образцами в герметичных трубках. Подобные исследования проведены Парме - ли. В них хладоагент испытывался при разных температурах в при­сутствии нефтяного масла, алюминия, меди и железа.

Опубликованные данные о стабильности хладоагентов дают разные значения для скорости разложения в зависимости от мето­да испытаний, присутствующих материалов и времени наблюдений.

Однако качественные заключения об относительной стабильности они все же позволяют сделать. Наиболее стойким представляется R114, что, вероятно, объясняется большой долей фтора в молекуле - Поскольку фтор — электроотрицательный элемент, в молекуле образуются сильные полярные связи, что делает ее более ста­бильной.

Следующим по стабильности считается R113, за нпм —R11, и наименее стабильный из них R21. Связь между стабильностью мо­лекулы и содержанием фтора показана ниже: -

Хладоагенты в порядке стабильности.... 114(4) 113(3) Количество атомов фтора в молекуле И (1) 21 (1)

Все расчеты показали, что температура сжатия для различных хладоагентов выше максимальных температур, рекомендованных для непрерывной работы. Фактически температура сжатия хотя и является максимальной в цикле, действует в течение малой доли времени работы всей системы. Тем не менее, поскольку разложение хладоагента является главной проблемой теплонасосной установ­ки, рекомендуется выбирать хладоагенты, наиболее стабильные при данных условиях работы. В табл. 7.11 указана разность между расчетной температурой сжатия и максимальной рекомендованной температурой.

R114 работает при температуре на 4 °С выше рекомендованной, тогда как другие хладоагенты — не менее чем на 26 °С. С точки зрения стабильности хладоагента очевидны преимущества R114, однако у него наихудшие термодинамические свойства и он требует высоких давлений. Следующее по стабильности вещество R113 — одно из лучших в термодинамическом отношении, требует низких давлений и хорошо согласуется с применением центробежных ком­прессоров в тепловых насосах большой мощности.

Окончательный выбор хладоагента проводится между R113 и R114. Первый будет применяться в центробежных компрессорах, а второй — в поршневом компрессоре с газомоторным приводом на

_ юг, —

75 кВт. Относительные преимущества и недостатки хладоагентов суммированы в табл. 7.12.

Выбор компрессора. В гл. 3 уже рассматривались типы ком­прессоров и их характеристики. Для конкретного технического при­менения окончательным критерием выбора служит стоимость. В рассматриваемом проекте для мощности 75 кВт, естественно, вы­бран поршневой компрессор с влажным режимом работы. Центро­бежный компрессор при такой мощности чрезмерно дорог, он ста­новится конкурентоспособным при больших мощностях.

Технические проблемы, связанные с влажным режимом работы компрессора, решаются обычными техническими способами. Про­блема выхлопных клапанов, работающих при максимальной темпе­ратуре цикла 125 °С, не более сложна, чем при использовании обыч­ных хладоагентов с температурой конденсации 60—70 °С, но при­мерно такой же максимальной температурой цикла.

Предлагается применять высоковязкое масло, поддерживаемое при температуре 90—100 °С, во избежание чрезмерного разжи­жения.

Газовый двигатель. Выбор двигателя обсуждался в гл. 3. Эко­номичность газомоторного привода полностью определяется использованием сбросного тепла двигателя. Если значительную часть этого тепла не использовать, то К. ПЭ будет слишком низким.

Первым и наиболее важным показателем конструкции являет­ся термический КПД двигателя. Он различен для разных двигате­лей (газовых турбин, дизелей, газовых поршневых), а также зави­сит от скорости и нагрузки.

В рассматриваемом случае выбран четырехтактный поршневой двигатель без наддува с ожидаемым термическим КПД 31%.

При частичной нагрузке КПД изменяется в зависимости от воз­можности регулирования скорости. Если оно невозможно, то мощ­ность снижается путем дросселирования при постоянной скорости. При постоянной скорости удельный расход топлива возрастает при снижения нагрузки. Если же скорость снижается, то и удельный расход может несколько уменьшиться. Для рассматриваемой уста­новки принят термический КПД = 31% при всех режимах.

Оставшиеся 69% затраченной энергии сбрасываются в виде теп­ла выхлопных газов, охлаждающей воды, охлаждения масла и излучения, составляющих следующие процентные доли 28, 30, 3 и 8% соответственно.

Рис. 7.25. Теплообменник для использования сбросного тепла в тепловом насосе с газомоторным приводом.

Выхлопные газы с расходом 0,1 кг/с имеют температуру 650 °С. Полезное тепло (около 47 кВт) можно использовать при их охлаж­дении до 180 °С. Это значение температуры выбрано по двум сооб­ражениям: для исключения конденсации и уменьшения размеров теплообменника. Конденсация выхлопных газов определенно про­исходит при 100 °С, а может быть и выше в зависимости от влаж­ности газов.

Форма теплообменника зависит от его назначения: нагрев воды или генерация пара. В случае высокотемпературного теплового на­соса требуется производство пара низкого давления и, следова­тельно, теплообменник конструируется как котел. Наиболее рас­пространенной конструкцией является кожухотрубная с увеличе­нием поверхности труб со стороны выхода газов. Как и в конден­саторе, необходимо регулировать уровень воды и давление пара. Питательной водой служит возвращаемый конденсат (рис. 7.25).

Около 80 кВт тепла получают в водяной рубашке охлаждения двигателя и при охлаждении смазочного масла. Это тепло должно быть отведено во избежание перегрева двигателя. Если отвод теп­ла происходит при температуре 110—120 °С, то его можно доба­вить к теплу от конденсатора. Но если двигатель, как это чаще бывает, охлаждается водой до 80—90 °С, то это тепло значительно менее ценно. Температура определяется по согласованию с изго­товителями двигателя.

Итоговое распределение энергии в установке следующее: по­лезная работа — 31, полезное используемое сбросное тепло — 49 и неиспользуемое тепло — 20% • Большое количество полезного тепла можно получить при испарительном охлаждении, необходимом для экономичности установки. Но испарительное охлаждение требует - более дорогих двигателей, чем обычное.

Рекомендуемая схема установки. Термодинамический расчет для хладоагента R114 при температуре кипения 60 и конденсации 120 °С дает следующие потоки тепла: на выходе из конденсатора — 239, на входе в испаритель — 164, промежуточный теплообмен­ник — 31, мощность компрессора — 75 кВт, КОП=-3,19.

Конденсатор выдает пар при 110, а испаритель нагревается сбросным потоком с температурой воды 80 °С. Фактическая темпе­ратура производимого пара зави­сит от КПД теплообменников. Если будет найдено возможным передать 239 кВт при разности температур 5 °С, то температура пара повысится до 115 °С. Но если

Разность температур будет 15 °С, то температура пара — только 105 °С. В любом случае хладоагент конденсируется при 120 °С, что в настоящее время считается верхним пределом, ограничиваемым максимальным давлением компрессора.

Схема рекомендуемого насоса показана на рис. 7.26. Темпера­тура испарения регулируется расширительным клапаном и зави­сит от КПД промежуточного теплообменника. Эта зависимость обусловлена тем, что температура на входе в компрессор составля­ет около 73 °С, т. е. 60 °С в испарителе плюс 13°С — перегрев в промежуточном теплообменнике. Если эффективность этого тепло­обменника более высока, то испарение можно производить, напри­мер, при 55 °С и давлении 0,5 МПа с перегревом на 18 °С.

Промежуточный теплообменник (называемый также перегрева­телем) применяют в теплонасосной цикле для обеспечения необ­ходимого перегрева на 13 °С за счет охлаждения сконденсировав­шегося при высоком давлении хладоагента. Таким путем облегча­ется работа испарителя и уменьшаются его размеры. Перегрев пара в самом испарителе привел бы к его существенному увеличе­нию. Но промежуточный теплообменник не является необходимой частью схемы. Если окажется, что испаритель работает лучше, чем ожидалось, или что потери чрезмерно велики, то перегреватель можно удалить.

Ниже приведен энергетический баланс этой системы (отсчет

Энергии нагрева ведется от 60 °С — наинизшей температуры цикла):

„ Мощность, МОЩНОСТЬ!

TOC o "1-3" h z Вход кВт Выход кВт

Газовое топливо............................. 242 Пар:

Охлаждающая вода 0,5 кг/с 0,163 кг/с при 110 °С. . 370

Или стоки при 80 °С от ох - 20 г/с от котла на выхлоп-

Лаждения масла.... 42 ных газах................................ 45

Сбросное тепло потока воды 33 г/с от охлаждения дви-

1,99 кг/с при 80 °С. . . .167 гателя...................................... 76

Поток конденсата 0,163 кг/с 110 г/с от конденсатора. . 249

При 80 °С.................................... 14 Неиспользуемое сбросное тепло 24

Потери на излучение .... 18 Сбросной поток 2490 г/с при 65 °С 52

КПЭ в этом случае при испарительном охлаждении составляет 356/242=1,47.

Фактическая выходная мощность (356) —это разность теплоты пара (370) и возвращаемого конденсата (14 кВт).

Экономика. В приведенных ниже расчетах предполагалось, что газовый двигатель имеет испарительное охлаждение, что необхо­димо для получения в тепловом насосе высокой температуры и снижения срока окупаемости.

Сначала определим экономию энергии. Поскольку тепловой на­сос производит пар, его уместно сравнивать с паровым котлом, имеющим КПД 75%. Потребление топлива на привод теплового насоса — 242, полученная тепловая мощность в паре — 356, потреб­ление топлива в сопоставляемом паровом котле — 475 кВт, следо­вательно, экономия составляет 475—242=233 кВт.

Полагая, что тепловой насос работает в непрерывном процессе 8000 ч в год, получаем годовую экономию

£■ = 233-8000 кВт-ч = 6,71-1012 Дж.

Обозначим стоимость топлива через А (ф. ст./Дж). Опубли­кованные данные по промышленным тарифам на газ в Англии таковы:

А (1975 г.) = 1,39-10"9; А (1977 г.) = 1,61 • 10"9.

Необходимые капиталовложения / определяются ценами на ос­новное оборудование, которые существенно меняются в зависимо­сти от качества. Для Англии в 1977 г. цены следующие: газовые двигатели — 3000—10 000, компрессоры— 3000—4000, теплообмен­ники — 5000—10 000 ф. ст.

Полные капиталовложения в ценах 1977 г. оцениваются в 25 000 ф. ст. Для сравнения укажем, что в ценах 1975 г. они были бы 18 000 ф. ст.

Срок окупаемости В (год) определяется простым уравнением

В=1/ЕА.

В ценах 1977 г. £ = 2,31; 1975 г. — 5=1,93.

Здесь следует отметить, что в упомянутые годы в Англии про­изошло неблагоприятное повышение цен на оборудование по срав­нению с ценами на топливо. В длительной перспективе ожидается обратная тенденция (цены на топливо будут расти быстрее, чем на оборудование).

Применение в большом масштабе схем, подобных приведенному примеру, с выработкой пара низкого давления при температуре рабочего тела до 150 °С имеет хорошие перспективы, особенно в пищевой промышленности.

Молочная промышленность. То что рекомендуется в этом раз­деле, может найти применение также в производстве пива и без­алкогольных напитков. Среди широкого ассортимента продуктов

Молочной промышленности наиболее важен выпуск молока в бу­тылках. С точки зрения экономии энергии следует сосредоточить внимание на процессе мытья бутылок в моечных машинах. Подоб­ные машины применяют и в других отраслях.

В этом процессе важную роль одновременно играет и сохране­ние энергии, и сохранение воды, что представляет большой инте­рес и ниже описывается подробно.

Работа моечной машниы. Моечная машина обрабатывает несколь­ко десятков тысяч бутылок в час, транспортируя бутылки через ряд установок (рис. 7.27), где бутылки омываются водой или растворами моющих веществ с удалением наклеек. В молочной промышленности в основном бутылки моются в струйных установках, в которых внутренняя и внешняя части бутылок омыва­ются струями воды под давлением. Тепло подводится к воде н растворам мою­щих веществ с помощью паропроводов, погруженных в баки.

Для устранения видимых и бактериологических загрязнений бутылки на­греваются до 70—80 °С. На вход в машину бутылки поступают прн окружающей температуре, на заполнеине сразу после мойки они поступают холодными, по­этому в машине происходят н нагрев и охлаждение. Вначале бутылки пропо­ласкивают теплой водой, а затем обрабатывают струями моющего раствора. Температура струй постепенно увеличивается до максимальной, а затем постепен­но понижается, и на выходе бутылки прополаскивают чистой водой прн темпера­туре около 10°С. Бутылка проходит машину за 3—4 мии, заполнеине молочных бутылок проводится в течеине 8 ч в день, а производство пива и безалкогольных напитков обычно продолжается 20 ч в день.

На нагрев воды и растворов затрачивается примерно 500 кг/ч пара. Теплая вода для предварительного прополаскивания обычно сбрасывается. Ее расход — до 10 000 д/ч н температура 20—30 °С. Перенос тепла внутри машины очень сложен. Много тепла переносится от одной секции к другой непосредственно бутылками н транспортирующими механизмами. Это тепло отводится в охлаж­дающих секциях н при окончательном прополаскивании.

В этих машинах уже принимают меры для сохранения тепла и воды. Так, например, холодная вода после окончательного прополаскивания частично на­гревается в контакте с бутылками н затем используется для предварительного прополаскивания, после чего проходит через теплообменник, размещенный в од­ном нз баков для моющнх растворов, подаваемых в машину, н только после этого выбрасывается.

Очевидно, что значительное количество тепла, поступающего в машину, теря­ется за счет радиация н конвекция, но, несмотря на это, мероприятия по сохране­нию тепла и воды экономически оправданы при стоимости пара 2,5—3 ф. ст. за тонну я стоимости воды 13 пенсов за тонну. Кроме того, стоимость воды повыша­ется за счет дополнительных расходов на обработку н обезвреживание стоков, что для моечных машин оценивается в 7 пейсов за тонну.

Теплонасосная установка с электроприводом «Mil - pro N—V».

Современные моечные машнны представляют собой удобный объект для применения тепловых иасосов, поскольку здесь имеется целый ряд близко рас­положенных потребителей тепла и источников иизкопотенциального тепла. Тепло­насосная установка «Міірго» [27] включает систему обработки воды и удовлетво­ряет все потребности моечной машины в тепле. Упрощенная схема установки показана на рис. 7.28, а характерные температуры соответствуют указанным для рис. 7.27.

Тепло последнего бака с моющим раствором используется для подогрева воды предварительного прополаскивания с помощью простого теплообменника. Струи предварительного прополаскивания питаются водой из бака окончатель­ного прополаскивания (30°С), а также добавкой из последнего бака с моющнм раствором (45° С). Вода для предварительного прополаскивания поддерживает­ся в состоянии относительной чистоты с помощью специальной системы фильт­рации. Часть тепла отводится водой, проходящей через последний бак с раство­ром для нагрева воды предварительного прополаскивания, а затем проходит через испаритель теплового насоса, выполняя роль источника низкопотеицналь- иого тепла с температурой около 30°С. Часть воды проходит через фильтр и ох­лаждается до 12—15 °С в другом испарителе. Эта чистая вода затем использует­ся для окончательного прополаскивания.

Поступившее в испаритель тепло обеспечивает испарение хладоагента, кото­рый затем сжимается с повышением его температуры. Полученное тепло при повышенной температуре отдается в конденсаторе потоку воды из первого бака с моющим раствором (с ростом ее температуры от 55 до 65 °С). Во втором кон­денсаторе вода нагревается от 65 до 85 °С.

При обычной схеме моющая машина на 30 000 бутылок в час потребляет 13 600 л воды в час и мощность 600 кВт. Фирма Milpro утверждает, что тепло­насосная установка с фильтрацией воды снижает потребление до 70 кВт и 2600 л в час. Срок окупаемости установки от 2 до 3 лет, первичная энергия — природный газ пли электричество.

Применение теплового насоса в посудомоечных ма­шина х. Рабочий цикл обычных крупных посудомоечных машин подобен циклу при мытье бутылок, поэтому здесь также возможно применение теплового насо­са. Вода для прополаскивания нагревается до 90 °С, т. е. несколько выше, чем при мытье бутылок. Тепло сбрасывается частично в виде пара, охлаждение кото­рого улучшает комфортные условия вблизи машины и сохраняет энергию при использовании в качестве источника тепла для теплового насоса.

Тепловой насос, работающий при КОГ1=4, нагревает воду до 60 °С и влия­ет на энергетический баланс машины следующим образом:

Обычная схема

TOC o "1-3" h z Мощность, ВХОД кВт

Моторы............................................. 5,5

Калорифер........................................... 67

Нагрев бака......................................... 54

Итого................................ 126

Мощность, Выход кВт

Потери тепла...................................... 5,5

Сбросная вода.................................. 26,5

Посуда.............................................. 41,5

Пар................................................... 53,0

Теплонасосная схема

_ Мощность,

TOC o "1-3" h z ВХОД кВт

Моторы.................................. 5,5

Окончательное прополаскива­ние..... 25

Компрессор теплового насоса 24 Итого 54,5

„ Мощность,

Выход кВт

Потери тепла....................................... 5,5

Сбросная вода................................... 26,5

Посуда....................................... .22,5

Восстановленное тепло... 96

Срок окупаемости установки 31 мес, выпускается фирмой Stierlen в ФРГ.

7.4.2. ТЕПЛОВОЙ НАСОС «TEMPLIFIER» ФИРМЫ WESTINGHOUSE

Название «ТешрШіег» образовано из двух слов: «temperature amplifier» [18]. Тепловой насос разработан на основе опыта создания больших холодильных установок. Под упомянутым названием вы­пускается ряд машин различной мощности (до 3 МВт) с центро­бежными компрессорами, дающими полезное тепло при температуре до 110 °С (на фреоне R114) при температуре источника тепла от 27 до 77 °С и температуре подаваемой жидкости от 60 до 120 °С соответственно. При малых мощностях используют поршневые компрессоры.

Основным элементом насоса «Templifier» большой мощности служит компрессор с герметичным электроприводом (рис. 7.29), одноступенчатый, с гидравлически управляемой системой регули­
рования. Герметизированный асинхронный электродвигатель охла­ждается дозированным впрыском жидкости со специальной защи­той от превышения температуры. Регулирование компрессора при изменении нагрузки производится с помощью лопаточного регули­рующего аппарата на входе с гидравлическим управлением, что

Обеспечивает устойчивую работу на различных режимах. Положе­ние лопаток определяется изменением температуры воды, уходя­щей из конденсатора. Имеется встроенная система автоматического отключения и быстрого реагирования на избыточное давление с перекрытием входа лопатками. Общий вид установки показан на рис. 7.30. Она включает станцию управления с датчиками давле­ния, системами защиты и выключателями. Система смазки пита­ется независимым герметичным маслонасосом. Конденсатор и ис-

Рис. 7.30. Общий вид насоса «ТетрШіег» и размещение теплообменников.

Паритель—кожухотрубного типа (см. гл. 3). В конденсаторе стальной кожух и медные трубки. В испарителе хладоагент нахо­дится между трубками из меди с оребрением.

На рис. 7.31 показана типичная схема для насоса «Templifier», предназначенного для подачи горячей воды при 65 °С с использо­ванием источника тепла — воды при 35 °С. Схема идентична всем парокомпрессионным тепловым насосам и не требует дополнитель­ных пояснений. На рис. 7.32 показано изменение КОП в зависимо­сти от температур на входе и выходе. Для примера, указанного на рис. 7.31, получается КОП = 4,4, т. е. на каждый 1 МВт полезной

Рнс. 7.31. Схема и характерные тем­пературы для насоса «Templifier». 1 — дроссель; 2 — конденсатор; 3 — ком­прессор; 4 — испаритель.

Рис. 7.33. Применение насоса «Temp­lifier» с поршневым компрессором и использованием сбросного тепла сва­рочной машины.

1—3— процессы; 4 — градирня; 5 —испа­ритель; 6 — конденсатор.

В серии тепловых насосов «Teifiplifier» для небольших мощно­стей применяют и поршневые компрессоры. В них используется тепло при 15—55 °С и подается при 45—105 °С, что несколько отли­чает от центробежных установок. Типичное применение показано на рис. 7.33. Указанные на схеме три процесса — это электродуго­вые сварочные машины, работающие 10,5 ч днем непрерывно, а иногда и ночью. До применения насосов «Templifier» теплота про­цессов сбрасывалась через градирни в атмосферу, что приводило к потере 90 кВт тепла.

При нормальной работе сварочной машины в «Templifier» по­ступает 3 л/мин воды при 38 °С, она охлаждается до 30 °С и воз­вращается снова в сварочную машину с такой же температурой, как при применении градирни. Полученное тепло нагревает в кон-

Денсаторе 2,6 л/мин поступающей в систему отопления воды от 70 до 82 °С.

Теплопроизводительность установки согласуется с потребностя­ми в тепле на отопление путем регулирования компрессора в зави­симости от температуры обратной воды. В связи с необходимостью охлаждения воды при отсутствии тепловой нагрузки градирня в этой схеме сохраняется.

Серия таких агрегатов с поршневыми компрессорами состоит из шести типоразмеров мощностью от 75 до 300 кВт и стоимостью от 700 до 12 000 ф. ст. [28]. Срок окупаемости 3 —5 лет. Чаще всего их применяют для нагрева воды в технологических процес­сах с использованием сбросного тепла. Однако они могут работать и с солнечным, и даже с обычным воздушным источником тепла.

Расширение промышленного применения установки ожидается по мере повышения температуры конденсации. Выпускаемые про­мышленные насосы с поршневыми компрессорами мощностью от 130 до 800 кВт на фреонах R22 и R12 работают при температуре конденсации 85 °С, температуре подаваемой воды 75 °С и имеют КОП = 4-М,4.