ЕКОЛОГІЧНО БЕЗПЕЧНІ СХЕМИ І АПАРАТИ З ТЕРМОСИФОНАМИ ДЛЯ ТЕРМООБРОБКИ ЗЕРНА

Спеціальність 05.18. 12 - процеси і обладнання харчових мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Одеса - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній академії харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Бурдо Олег Григорович, Одеська національна академія харчових технологій, завідувач кафедри процесів та апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Погожих Микола Іванович, Харківський державний університет харчування та торгівлі завідувач кафедри фізики і енергетики.

кандидат технічних наук, доцент, Титар Сергій Семенович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій.

Провідна установа: Національний університет харчових технологій, кафедра процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування, Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 18 грудня 2003 р. о 10-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 в Одеській національній академії харчових технологій за адресою: 65039, м. Одеса-39, вул. Канатна, 112.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії харчових технологій за адресою: 65039, м. Одеса-39, вул. Канатна, 112.

Автореферат розісланий 17.11.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор техничних наук, професор Гапонюк О. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

термосифон теплоутилізація сушильний зерновий

Актуальність теми. Для сучасного зерносушіння характерні дві проблеми: енергетика і екологія. Витрати енергії на зерносушіння вищі, ніж енерговитрати при виробництві зерна. Тому потрібно шукати резерви зниження енергетичних витрат в зерносушінні. В Україні як сушильний агент використовують суміш топкових газів і повітря. Безпосередній контакт продуктів згоряння із зерном погіршує його якість в зв'язку з можливим проникненням в продукт канцерогенних компонентів. Задачами вдосконалення сушильних технологій є: зниження енергетичних витрат на видалення вологи, забезпечення екологічної безпеки продукту, що висушується, розробка високоефективної зерносушильної техніки. Процеси сушіння безперервно удосконалюються. Однак, можливості зниження витрат палива на сушіння не вичерпані і тут є резерви. Основний резерв зниження енергоспоживання при сушінні зерна в цей час міститься в раціональному способі рециркуляції теплоносія. Досвід застосування в світовій практиці теплових труб і термосифонів (ТС) дозволяє розраховувати на можливість створення на їх базі енергоефективних і екологічно безпечних апаратів для термообробки зерна. Тому, розвиток наукових уявлень про механізми тепло-масообміну в апаратах з ТС і створення на їх основі методик розрахунку і оптимізації сушарок і систем зберігання зерна є актуальним.

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

Дисертаційна робота виконана згідно з госбюджетною тематикою науково-дослідних робіт (Виробництво, переробка і збереження сільськогосподарської продукції ( № 0100U4572).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення енергоефективних і екологічно безпечних схем установок для термообробки зерна і методів їх розрахунку.

Виходячи з мети, формулюються такі задачі досліджень:

- запропонувати та обґрунтувати нові принципи термообробки (нагріву та сушіння) зерна;

- розробити математичну модель комбінованої зерносушильної установки;

- розробити методики експериментальних досліджень механіки руху зернового шару і теплообміну в шарових термосифонних апаратах;

- провести експериментальні дослідження механіки обтікання зерном труб і їх пучків, а також локальної і середньої тепловіддачі від труб до рухомого шару зерна;

- провести узагальнення експериментальних даних і розробити інженерну методику та комп'ютерну програму розрахунку і оптимізації зерносушарки;

- створити схему блокової зерносушарки і обґрунтувати її техніко-економічні показники.

Об'єктом дослідження є апарати з ТС для термообробки зерна.

Предметом дослідження є енергетична ефективність і процеси тепломасообміну в сушильній установці.

Методи досліджень. При експериментальному моделюванні термосифонного підігрівача зерна застосовувався метод міченого шару, відеозйомка, калориметрування. Результати оброблялися методами теорії подібності. Аналітична модель сушильної шахти послідовно розвинуто з моделі тонкого шару в моделі щільного шару і всієї шахти. Енергетична ефективність визначено на основі системного аналізу установки. Оптимізація режимних і конструктивних параметрів установки проведена варіаційним методом.

Наукова новизна отриманих результатів.

Доведене наукове положення роботи - “Комбінування кондуктивного підігрівання зерна (за допомогою випарно-конденсаційних систем енергопідводу) і конвективної сушки при глибокій рециркуляції теплоносія дає можливість створити енергоефективну сушарку, яка гарантує екологічну чистоту зерна. Мінімізація питомих витрат сушарки досягається шляхом системної оптимізації і визначення вдалого поєднання: конструктивно-компоновочних параметрів модулів; температури і витрат теплоносія; температури, витрат і кратності рециркуляції сушильного агента”. При цьому:

- встановлена специфіка обтікання шаром зерна поверхні труб і отримано рівняння для обчислення коефіцієнта теплопередачі від поверхні ТС до щільного зернового шару;

- доведено, що використання сучасних засобів організації теплопередачі (ТС) дає можливість розробляти принципово нове обладнання для термообробки зерна;

- дано розвиток модельним уявленням про кінетику сушіння та складена система математичних моделей, що дозволяє дати кількісну оцінку кінетиці сушки, технічним і економічним показникам сушильних установок;

- розроблена концепція побудови алгоритму розрахунку і оптимізації блокових зерносушарок з ТС.

Практичне значення отриманих результатів.

Алгоритми розрахунку і пакети прикладних програм на ЕОМ, що реалізовують розроблені алгоритми, можуть застосовуватися для проектування блокових зерносушарок з термосифонними модулями. Запропонована програма дозволяє визначати техніко-економічні характеристики блокової зерносушарки в залежності від режимних і конструктивних параметрів. Окремі модулі програми можуть бути використані для оптимізації діючих конвективних сушильних установок різного призначення для рішення задач підвищення енергоефективності і розрахунку полів температур і вологовмісту зернового потоку. Пріоритет нового способу захищен автором матеріалами заявки на винахід “Блочна зерносушарка” (МПК 7F26B 17/10, №200112834 від 20.11.01)

Проект блокової зерносушильної установки, продуктивністю 6 т/г, передано для виробництва дослідного зразка на Київському експериментальному механічному заводі тепломасообмінних апаратів (акт впровадження від 10 грудня 2002 р).

Особистий внесок претендента полягає в формулюванні і доказі наукових положень дисертації, розробці комплексної моделі блокової зерносушильної установки з шаровим підігрівачем, постановці та проведенні комплексних експериментальних досліджень і комп'ютерного моделювання, проведенні заходів щодо впровадження результатів наукових досліджень в практику, формулюванні висновків і підготовці до публікації результатів досліджень. На окремих етапах роботи в ній брали долю співробітники, аспіранти і докторанти ОДАХТ.

Положення опублікованих в співавторстві з колегами і використаних в дисертації статей належать автору на основі рівноправного партнерства.

Випробування результатів дисертації. Головні результати теоретичних і експериментальних досліджень включалися в програми, докладалися і дістали позитивну оцінку на: Науково-практичній конференції “Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажностная обработка)” (Москва 2002); другій Міжнародній конференції “Industrial heat engineering" (ИТТФ, Київ 2001); Науково-практичній конференції “Регіональні проблеми енергозбереження в децентралізованій енергетиці” (Київ 2000 р.); шостій Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемі та перспективи створення та впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості" (Київ УГУПТ 2000); XVII Міжнародній науковій конференції “Inzyneria procesowa w ochoronie srodowiska" (Opole Otmuchow 1999); Міжнародному форумі “Тепломассообмен ММФ-2000” (Мінськ АНК “Інститут тепло- і массообмена ім. А. В. Ликова" НАНБ); Х Міжнародній конференції “Вдоськоналення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв" (ІССЕ-99-Львів); Міжнародній науково практичній конференції “Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві і споживанні енергії” (Київ 1999); Науково-практичній конференції “Енергоеффективность - 2002” (Київ 2002); 4- му Мінському міжнародному семінарі “Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators" (Minsk, Belarus, 2000); III Міжнародній науково практичній конференції “Хлібопродукти 2000" (Одеса 2000); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОГАПТ (1998..2003).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 16 наукових працях, в тому числі в збірниках наукових робіт - 5, в матеріалах конференцій - 7 і в тезах конференцій 4.

Структура та обсяг роботи: Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Викладена на 179 стор., містить 66 рисунків на 58 стор., 12 таблиць на 10 стор., список використаних джерел з 146 найменувань на 14 стор., 5 додатків на 17 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.

В першому розділі проаналізовано стан та напрями удосконалення техніки термообробки зерна, враховано світовий досвід розвитку енерготехнологій. Позначені основні проблеми в процесах термообробки зерна. Систематизовано роботи по енергозбереженню, обгрунтовано дві групи методів підвищення ефективності використання енергетичних ресурсів в сушильній техніці: - теплотехнологічні (що стосуються сушильної установки загалом) і кінетичні. Розглянуто методи розрахунку процесів тепломасопереносу в зернових технологіях.

Аналіз шляхів комплексного вирішення проблем енергетики та екології виявив, що ТС є ефективними, перспективними теплопередаючими елементами. Можна очікувати позитивний ефект від впровадження ТС в схеми утилізації теплоти відпрацьованих газів зерносушильних установок. Запропоновано нові, оригінальні технічні рішення використання двофазних теплопередаючих елементів для інтенсифікації процесу, спрощення конструкції, поліпшення екології і умов експлуатації. На основі цих рішень розроблено схему екологічно безпечної енергоефективної блочної зерносушарки (рис. 1.), яка складається з шарового підігрівача 2, сушильної шахти 3, термосифонного калорифера 4. Суміш енергоносія з топковими газами поступає в газохід 1, в якому розташовані випарники (5) ТС. Конденсаційні дільниці (6) ТС розташовані в шаровому підігрівачі зерна. Частина енергії суміші через ТС передається зерну, що рухається щільним гравітаційним шаром крізь шаровий підігрівач в зону сушіння. Потім теплоносій поступає в термосифонний повітропідігрівник, де здійснюється нагрів повітря до температури сушіння. Нагріте повітря поступає в сушильну шахту, де здійснюється сушіння зерна. Шахта є традиційною конвективною зоною з шаром зерна, що продувається. Відпрацьований теплоносій розділяється на два потоки. Більша частина йде на рециркуляцію, а менша частина викидається в довкілля.

Методи розрахунку таких конструкцій відсутні. Необхідно провести дослідження для розробки методів розрахунку і оптимізації таких апаратів.

У другому розділі проведено аналіз зерна та зернової маси як об'єктів досліджень. Розроблена математична модель блокової зерносушарки що зв'язує послідовно модель розрахунку температури і вологовмісту в зернівці, модель щільного шару, модель сушильної шахти. Модель тонкого шару являє собою модель сушіння “середньої” зернівки (рис. 2) що складається з трьох зон. Передбачається, що кожна зона характеризується однаковою температурою і вологовмістом. Випаровування вологи відбувається з 3-ї (зовнішньої) зони.

Тепломасообмін між зернівкою і сушильним агентом визначений як:

(1)

(2)

а внутрішній масоперенос в зернівці:

(3)

де W- вологовміст зерна у відповідній зоні , Bкоефіцієнт дифузії, n- відносний об'єм відповідної зони, з-густина зернівки , pп- парціальний тиск водяної пари в повітрі, pпз- парціальний тиск водяної пари над поверхнею зернівки, r - питома теплота пароутворення, cpз- теплоємність зерна, q- потік теплоти, qm- потік маси, Sуд- питома поверхня зернівки, X- вологовміст сушильного агента, Tз-температура зерна Tса-температура сушильного агента, -коефіцієнт тепловіддачі, -коефіцієнт масовіддачі, -час.

Товстий шар представляємо послідовністю елементарних шарів симетричних відносно напряму рушення сушильного агента. Параметри сушильного агента визначаються по рівняннях:

(4)

де z-лінійна координата уздовж напряму руху сушильного агента, wса-швидкість руху сушильного агента, -пористість шару зерна.

Зерносушарка в цілому представляється як послідовність товстих шарів із прямоточним і протиточним рухом сушильного агента .

Для шарового підігрівача з ТС розроблено двокомпонентну модель тепло переносу в основі якої принципи, запропоновані В.О. Календерьян:

- на конденсаційних дільницях ТС:

для зерна

 (5)

для повітря

(6)

- на випарній дільниці ТС для газу

де - RГИ = г -1 + R1 + R2 + и-1- загальний термічний опір ТС, Gв - витрати повітря Gз - витрати зерна , Gг - витрати газу , Fк - поверхня конденсатора , Fи - поверхня випарника , Fяг - поверхня дільниці , NT- кількість ТС , Vя - об'єм дільниці з зерновим шаром, Vяг - об'єм дільниці з газовим потоком.

На основі методу аналізу розмірності отримано критеріальне рівняння для визначення коефіцієнту тепловіддачі від поверхні ТС до зернового шару.

(7)

де =Nu, - число Нусельта =Pe - число Пєкле, ,, - безрозмірні симплекси.

Для визначення невідомих коефіцієнтів критериального рівняння (8) проведено комплекс експериментальних досліджень. Інтенсивність тепловіддачі при руху шару у поверхні ТС в значній мірі визначається механізмом обтікання. Тому дослідження цього механізму дозволить встановити діапазони параметрів, що варіюють, при експериментальному вивченні тепловіддачі, визначити раціональні для постановки дослідів параметри пучків ТС. Для проведення експериментальних досліджень були розроблені методики експериментів і експериментальні установки, проведена оцінка погрішностей.

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень механіки руху та локального і середнього теплообміну поверхні ТС. з зерновим шаром.

Були взяті чотири найбільш характерні профілі труби: круглий, плоский, трикутний і еліптичний. По характеру викривлення міченого шару і розміру і розташуванню повітряного мішка якісно оцінювався характер обтікання.

Аналіз картин (рис.3) показав, що найкраща тепловіддача до зернового шару повинна спостерігатися від труб овального перетину. Але, враховуючи технологічність виготовлення, подальші дослідження і узагальнення результатів проводилося для труб круглого перетину, які виготовляються серійно. Внаслідок обробок картин (як на рис.3) отримані значення локальних швидкостей (рис 4), щільності і міри гальмування зернового шару.

На основі досліджень пучка ТС, що обтікаються шаром зерна встановлено, що значення локальних характеристик швидкості рушення шару, міри гальмування і його приведеній щільності не співпадають по кутовій координаті, що не дозволяє однозначно визначити навіть якісний характер локальної тепловіддачі від циліндричної поверхні.

На основі дослідження середньої тепловіддачі від поверхні ТС встановлено, що залежність від швидкості рушення зернового шару w має максимум при діаметрі (D) ТС рівному

За результатами досліджень середньої тепловіддачі від поверхні ТС до зернового шара визначені коефіцієнти критериального рівняння. При

 (8)

(9)

У четвертому розділі наведені інженерні методики розрахунку апаратів з ТС для термообробки зерна і блочної зерносушарки в цілому.

Модель блокової зерносушарки представлено як сукупність окремих модулів з відповідними зв'язками між ними. Проведена декомпозиція загальної задачі моделювання установки на ряд приватних задач моделювання окремих модулів. Диференційні рівняння, що описують математичні моделі, перетворені в різницеві для реалізації на ЕОМ.

Методика розрахунку зерносушарки передбачає розрахунок шарового підігрівача, розрахунок калорифера, розрахунок сушильної шахти, розрахунок витрати повітря і палива в теплогенераторі і розрахунок техніко-економічних показників. Розрахунок калорифера засновувався на процедурі порядного розрахунку аеродинаміки і теплопередачі в апараті. Метою розрахунку є визначення взаємозв'язку режимних і конструктивних параметрів. Структура розрахунку конвективної сушильної шахти передбачає розрахунок властивостей і швидкостей зерна і сушильного агента, розрахунок дискретизації за часом і висотою шару, розрахунок полів температур і вологовмістів в сушильній установці. Величина кроку дискретизації за часом, що забезпечує прийнятну точність обчислень і швидкість розрахунків лежить в діапазоні 0.1… 1с. Розроблені схеми і програми їх розрахунку дозволяють провести проектні і перевірочні розрахунки блокової зерносушарки, провести розрахунок систем теплоутилізації діючих зерносушарок і проводити оптимізацію зерносушарок. Порівняння результатів розрахунку за розробленою програмою з даними випробувань термосифонного калориферу у виробничих умовах та з літературними джерелами на сушарці ДСП-32ОТ показало, що в першому випадку різниця не перевищувала 10%, а в другому 5%.

П'ятому розділі наведені загальні задачі оптимізації блокової сушарки і розроблена поетапна програма її комплексної оптимізації. На першому етапі досліджуються конструкції і режими роботи шарового підігрівача, на другому термосифонного калорифера. На третьому етапі досліджуються режими роботи теплогенератора і рециркуляція сушильного агента. Варіаційні розрахунки по цих етапах дозволяють мінімізувати енерговитрати і оцінити техніко-економічні показники різного компонування і режимів роботи блокової зерносушильної установки.

Внаслідок досліджень шарового підігрівача раціональне співвідношення між випарниками і конденсаторами становить 1/7. Збільшення подовжнього і поперечного кроку між ТС негативно позначається на техніко-економічних характеристиках установки. Вплив числа ТС і їх компонування на економічні показники неоднозначно залежить від температури і витрати теплоносія. Однак за результатами досліджень можна визначити діапазони параметрів до яких проводити оптимізацію установки загалом. Найбільш економічними для розробленої установки є калорифери з довжиною ТС Н=2м. Розраховані поля температур і вологовмісту в сушильній шахті. Рециркуляція сушильного агенту впливає значний чином на техніко-економічні показники роботи сушарки, але ступінь рециркуляції визначається витратами сушильного агента (рис 9). Так, при збільшенні витрат сушильного агента з 2,5 м3/с до 8,3 м3/с ККД збільшується на 8%, при цьому ступінь рециркуляції збільшується майже вдвічі (з 45% до 92%).

Використовуючи розроблену структуру, проведена варіаційна оптимізація режимів роботи і конструктивних параметрів блокової зерносушильної установки. Аналіз різних варіантів приведений на рис. 10.

У результаті отримані конструктивні і режимні параметри, що забезпечують мінімальний термін окупності установки при її ККД = 60% (варіант 3). Подальше підвищення ККД можливе при значному збільшенні капітальних витрат (варіант 4).

Таблиця Результати варіаційної оптимізації зерносушарки з рециркуляцією сушильного агента

У результаті отримані конструктивні і режимні параметри, що забезпечують мінімальний термін окупність установки при її ККД = 70% (варіант 7). Подальше підвищення ККД можливе при значному збільшенні капітальних витрат (варіант 8).

ВИСНОВКИ

1. Сучасними проблемами термообробки зерна є енергетика і екологія. Екологічні проблеми пов'язані з традиційним в Україні використанням в якості сушильного агента суміші топкових газів з повітрям. Підвищена витрата палива (в 2..4 разу більш фізично необхідного) пояснюється як історичними передумовами так і відсутністю методів системної оптимізації енерготехнологій зерносушіння, інженерні методи розрахунку установок засновуються, як правило, на результатах експериментального дослідження і мають приватний характер.

2. Світова практика використання автономних теплопередаючих модулів (теплових труб і термосифонів) показує їх перспективність для організації ефективного енергопідводу. У роботі доведена можливість вдосконалення теплотехнологій в зернопереробці на основі двофазних ТС. Запропоновані принципово нові схеми кондуктивного шарового термосифонного підігрівача зерна, регенератора теплоти зернових потоків.

3. Комбінування кондуктивного підігрівання зерна і конвективного сушіння його повітрям, використання двофазних ТС в шаровому підігрівачі, калорифері і утилізаторі дозволило забезпечити безпечне сушіння зерна при зниженні споживання палива.

Ефект досягається за рахунок глибокої рециркуляції теплоносія (продуктів згоряння), рециркуляції сушильного агента, теплоутилізації.

4. Використання в зерносушінні принципово нового елемента шарового підігрівача зажадало комплексних аналітичних і експериментальних досліджень механіки обтікання гравітаційним щільним шаром пучків ТС, локальної і середньої тепловіддачі до зерна.

5. Механіка обтікання щільним гравітаційним шаром зерна поверхні ТС специфічна, відрізняється від картин обтікання труб рідиною, визначається швидкістю потоку, діаметром і компонуванням ТС. Швидкість потоку надає менше значення на картини обтікання, ніж діаметр ТС. Граничні значення локальних швидкостей потоку, міри гальмування шару і його приведеної щільності не співпадають по кутовій координаті.

6. Значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі від ТС до зерна лежать в межах 10.. 110 Вт/м2К. Найбільші значення ? досягаються при кутовій координаті ?=450, а найменші при г =1800 Значення отримані в діапазоні швидкостей шару від 4 до 70 мм/с

7. Середні значення коефіцієнта тепловіддачі ростуть з підвищенням швидкості шара ? =65 Вт/м2К при w= 2мм/с, і ? =105 Вт/м2К при w= 45мм/с. Вплив діаметра досить специфічний: спочатку із зростанням D спостерігається підвищення ?, а потім спостерігається зниження інтенсивності тепловіддачі. Причому, максимум ? із зростанням w зміщається у бік більших значень D. Специфіка середньої тепловіддачі враховується моделлю (8, 9)

8. Синтез моделі конвективної сушильної установки на основі моделі сушки “середнього” зерна, що послідовно розвивається в модель щільного шару і модель установки загалом дозволяє скласти процедуру варіаційної оптимізації параметрів зерносушарки.

9. Установка термосифонних утилізаторів на шахтних зерносушарках дає економію палива від 7,5 до 20% в залежності від типу установки. Термін окупності робіт в межах року.

10. Проведена варіаційна оптимізація блокової зерносушильної установки і знайдені конструктивні і режимні параметри, що забезпечують ККД установки 70% і витрату дизельного палива 4,8 кг/т.

Істотним резервом підвищення енергоефективності є рециркуляція сушильного агента. Представлені компоновочні варіанти, що забезпечують підвищення ККД до 80%.

8. Розроблена програма підвищення енергоефективності може бути використана для широкого впровадження на діючих зерносушарках, як при переведенні їх на комбінований кондуктивно-конвективний спосіб сушіння, так і оптимізації систем теплоутилізації, зокрема схем рециркуляції відпрацьованого сушильного агента. Програма визначає поля температур і вологовмістів в сушильній шахті, технічні і економічні параметри установки.

12. Розроблена блокова зерносушарка, продуктивністю 6 т/г, з термосифонними шаровим підігрівачем зерна і теплогенератором забезпечує екологічно безпечну технологію сушіння при витратах 5,2 кг дизельного палива на 1т зерна. Термін окупності витрат, пов'язаних з установкою ТС, складає 0,9 року. Зерносушарка впроваджується на Київському експериментальному механічному заводі тепломасобмінних апаратів (акт впровадження від 10.12. 2002 р).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бурдо О.Г., Гайда C., Зыков А.В., Саламаха В.И., Этапы энергосбережения на предприятиях южного региона. // Перспективные направления развития экологии экономики энергетики - ОЦНТИ Одесса 1999 с.319-324