Тепловой насос на диоксиде углерода в сверхкритическом цикле для пастеризационно-охладительной установки молочных продуктов

Типовая схема пастеризационно-охладительной установки приведена на рис.1. Здесь: 1 - секция пастеризации, 2,3 - секции рекуперации, 4 - секции охлаждения. На схеме условно показана одна секция; часто в установках используют две последовательные секции - одна охлаждается водой при температуре 8^оС, а вторая ледяной водой (или рассолом) при температуре 1-2 ^оС. Производительность установки - 10000 л/час. Кратность расхода воды с температурой 8 ^оС, охлаждающей молоко от 22 ^оС до 10 ^оС, k_V = 4 , а кратность расхода ледяной воды с температурой 1 ^оС, охлаждающей молоко от 10 ^оС до 4^оС, k_LV = 3

Рис. 1. Принципиальная схема установки для пастеризации и охлаждения молока

В существующих установках в секции пастеризации молоко нагревается от 63 ^оС до 74-86 ^оС при выработке питьевого молока (или до 86-88 ^оС при пастеризации кефира). Охлаждение молока производится от 22 ^оС до 4 ^оС в секциях охлаждения. Молоко насосом подается в секции регенерации, где нагревается за счет теплообмена с горячим молоком, идущим от секции пастеризации до температуры 61- 63°C а оттуда в секцию пастеризации, где за счет теплообмена с горячей водой нагревается до температуры 78°C. В выдерживателе молоко находится в течение 25-300 с и далее пастеризованное молоко проходит секции регенерации, для отдачи тепла встречному потоку молока, поступающему в аппарат, и его температура снижается до 20...25 °C. Далее это молоко проходит последовательно секции охлаждения от холодильной установки. Холодное молоко поступает для хранения в танки. Выдерживатель в установке служит для усиления пастеризационного эффекта.

Установка c двумя испарителями (рис.2) состоит из компрессора 1, газоохладителя 2, рекуперативного теплообменника рабочего тела 3, теплообменника дополнительного подогрева рабочего тела 4, регулирующих клапанов 5, 6, 7 испарителей 8 и 9, эжектора 10, рекуперативного теплообменника на линии подачи холодного молока 11 и теплообменника подогрева воды для технологических нужд 12. Регулирующий клапан 13 служит для температурного регулирования режима работы теплообменника поз.4. Выдерживатель молока после пастеризации на схеме явно не показан и размещен между аппаратами 2 и 11. «Точечные» линии на рис. 1 обозначают трубопроводы горячей воды для технологических или санитарных нужд. Штрих - пунктирными линиями показаны трубопроводы подачи молока, линии черного цвета - трубопроводы хладагента. Числа черного цвета в кружках обозначают температуры сред, числа с подчерком - нумерация аппаратов в соответствии со схемой, числа черного цвета - точки соответствия схемы ТНУ и схемы термодинамического цикла.

Схема работает следующим образом. Молоко поступает через рекуперативный теплообменник 11 на газоохладитель 2, где нагревается до 78^оС. Далее молоко после теплообменника 11 поступает на теплообменник 4, где охлаждается рабочим телом, подогревая его, и поступает далее на теплообменник 12 и испарители 8 и 9, где охлаждается до 4 ^оС.

Рис. 2. Принципиальная схема пастеризационно-охладительной установки с двумя испарителями в контуре теплового насоса

После теплообменника 11 можно получить (при расходе молока 2,78 л/с) до 360 кВт тепловой мощности для нагрева водопроводной воды. Теплообменник 12 должен быть выполнен с переменной поверхностью теплообмена. Регулирование расходов и давлений на испарителях показано в виде одного регулирующего вентиля (конструктивно узел регулирования расходов должны быть выполнен в виде двух регуляторов - одного регулятора расхода и второго - регулятора давления [10]).

В схеме установки по рис. 2 производится дополнительный подогрев хладагента перед компрессором (с целью повышения СОР). Для рассматриваемого варианта исходных данных СОР=4,65. Нами рассматривался вариант схемы с двухступенчатым компрессором и охлаждением промежуточного теплообменника (между двумя ступенями компрессора) водой, с последующим подогревом этой воды в дополнительном теплообменнике, связанном с рекуперативным теплообменником молока 12. В этом случае можно получить значение СОР=5,24, но так как нам пока не известны двухступенчатые компрессоры на диоксиде углерода, выпускаемые промышленностью, то этот вариант подробно не рассматривается. Схема установки с двумя испарителями позволяет работать в более широком диапазоне температур воды, чем схема с одним испарителем, хотя и является более сложной. Как отмечается в [18] среднегодовой расход воды на 1т выработанного молока составляет 4,5…5,5 тонн. При работе установки по рис.2 на 1 т. молока вырабатывается около 0,6 т. горячей воды. Эту воду можно использовать после ее подогрева до 80^оС для мойки оборудования, емкостей, ванн, молочных цистерн и фляг, уборки производственных помещений, стирки производственной одежды. Термодинамический цикл работы установки в соответствии со схемой на рис.2 в H, p - диаграмме представлен на рис.3, а параметры узловых точек этого термодинамического цикла сведены в табл. 1.

Рис. 3. Термодинамический цикл работы установки по схеме на рис.2

Таблица 1. Параметры узловых точек термодинамического цикла, на рис.3.

Рассмотрим вариант схемы ТНУ с одним испарителем и эжектором, включенным между газоохладителем и испарителем, см. например, [10], который может быть применен в пастеризационно-охладительных установках (рис.4). В такой установке двухфазный поток поступает в эжектор в состоянии 7 и расширяется до состояния 8. Потоки с состояниями 7 и 14 смешиваются при постоянном давлении до состояния 9. Смесь выходит из диффузора эжектора в состоянии 1. Процесс перехода из состояния 9 в состояние 10 (перед диффузором) считается изоэнтропическим с КПД .

Рис. 4. Принципиальная схема установки для пастеризации - охлаждения молока с тепловым насосом, использующим эжектор

Поток после эжектора поступает в отделитель жидкости, где он разделяется на насыщенную жидкость и насыщенный пар (состояния 12 и 14). Насыщенная жидкость поступает на регулирующий клапан 6 и расширяется до состояния 13. Насыщенный пар хладагента поступает в рекуперативный теплообменник. Схема эжектора представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема эжектора (числа соответствуют номерам точек цикла установки на рис.4).

Схема на рис.4 может быть применена при условии, что температура водопроводной воды находится в диапазоне 4...24^оС при необходимости охлаждения молока до 15...32^оС. Это связано с допустимой разностью температур молока на входе в испаритель и температурой хладагента в испарителе. Значение СОР этой схемы определяется температурой газа на входе в компрессор, изоэнтропическим КПД компрессора и давлением в газоохладителе. Часть теплоты молока передается в теплообменнике 9, в котором молоко охлаждается от 60^оС до 12^оС, а вода подогревается для технологических целей. При этом дополнительно экономится тепловая энергия по сравнению с вариантом установки без теплового насоса. Термодинамический цикл работы установки в соответствии со схемой на рис.4 в H, p - диаграмме представлен на рис.6,

Рис. 6. Термодинамический цикл работы установки по схеме на рис.4

Хладагент после компрессора 1 поступает в газоохладитель 2, далее на рекуперативный теплообменник 3, регулирующий клапан 4 и эжектор 5. Двухфазная смесь после эжектора 5 поступает на отделитель жидкости 8, а на нагрузочный вход эжектора 5 поступает газ от испарителя 7, режим которого определяется регулирующим клапаном 6. Молоко поступает через рекуперативный теплообменник 8 на газоохладитель 2, и далее на теплообменник 9 для подогрева воды для технологических целей и далее на испаритель. Теплообменник 9 играет роль стабилизатора температуры молока, поступающего на испаритель, и компенсирует возмущения по температуре водопроводной воды, расходу молока, температуре молока после газоохладителя.

В таблице 2 приведены параметры, характеризующие термодинамический цикл ТНУ, схема которого представлена на рис.4.

Третьим вариантом схемы является схема с подогревом воды с помощью вихревой трубы (рис.7) и генерацией дополнительной электрической энергии с помощью детандера или турбины на органическом цикле Ренкина (ORC). Этот вариант, хотя и является более сложным и дорогостоящим, обладает рядом существенных преимуществ. Здесь поз.9 - трехпоточная вихревая труба, поз.10,11, - теплообменники для подогрева воды для санитарных и других нужд предприятия. Установка работает следующим образом. Компрессор 1 подает газ на газоохладитель 3. Газоохладитель 3 связан с первичным контуром рекуперативного теплообменника 2, который через регулирующий клапан 4 и вторичную цепь теплообменника 5 связан с детандером 6, который нагружен через теплообменник охлаждения газа (он одновременно выполняет функцию нагрева воды для технологических целей) на вихревую трубу 9.

Таблица 2. Параметры узловых точек термодинамического цикла на рис.6

Вихревая труба 9 через регулирующий клапан 14 связана с испарителем 10. Горячий поток из вихревой трубы поступает в теплообменник 11, который служит для нагрева воды для технологических нужд завода. С выхода холодного потока вихревой трубы поступает приблизительно 70% общего расхода хладагента. Теплообменник 12 служит для подогрева газа, поступающего на вход компрессора с использованием теплоты молока, выходящего из рекуперативного теплообменника 2.

Если предположить, что путем конструктивных решений удастся охладить газожидкостную смесь на выходе из вихревой трубы на 9,6^оС (с 22,6^оС до 12^оС), и на выходе горячего газа из вихревой трубы можно получить температуру до 60^оС, то в рассматриваемом случае станет возможным (при том, что на испаритель будет подано 35% от массового расхода компрессора) получить до 100 кВт дополнительной тепловой мощности для получения воды для технологических целей.

Таблица 3. Параметры узловых точек термодинамического цикла установки с детандером и вихревой трубой

Следует отметить, что применение данной схемы при пастеризации при температуре 90-95^оС позволит получить еще больше электрической и тепловой энергии и использовать вместо детандера турбину на органическом цикле Ренкина (ORC). При использовании в схеме турбины, работающей в ORC, схема включения вихревой трубы 9 и теплообменника 8 принципиально не изменится. Изменятся только режим их работы. Также значительно увеличится стоимость установки.

Рис. 7. Принципиальная схема установки для пастеризации - охлаждения молока с тепловым насосом с детандером и вихревой трубой

Из анализа данных таблицы 3 можно рассчитать СОР установки: COP=4,39. Объем электрической энергии, генерируемой генератором детандера, составляет около 20% от энергии, потребляемой компрессором.

Рис. 8. Термодинамический цикл работы установки по рис.7

Особенности системы автоматического управления установкой

Рассмотрим систему автоматического управления (САУ) газоохладителем (ГО) с регулируемым параметром - температурой продукта на выходе из ГО (рис.2). Регулирующими воздействиями являются: температура газа на входе в компрессор 1, изменяемая уровнями давления в испарителях 8 и 9, расход хладагента. Режим работы испарителя установки регулируется путем изменения расхода воды через рекуперативный теплообменник, 12, и регулирующим клапаном 7. Режим работы компрессора 1 регулируется регулятором давления 5, установленным после газоохладителя 2. Для компенсации возмущений по расходу молока, регулируют скорость вращения электропривода компрессора, с целью поддержания постоянного соотношения расходов газа и продукта. Давление газоохладителя и испарителей регулируется по схемам, предложенным в [10].

Рассмотрим процесс стабилизации режима работы установки при изменении температуры газа после компрессора. Например, пусть по каким-то причинам изоэнтропический КПД компрессора увеличился. При этом температура на выходе компрессора уменьшилась. Предполагаем, что расход хладагента и молока постоянны. Рассмотрим объект управления с двумя выходами: температурой молока на выходе теплообменника подогрева воды и температуры на выходе компрессора. Количество управлений также может быть равно трем: это расход молока на теплообменник 4 и расход воды на теплообменник подогрева воды 12 и изменение поверхности теплообмена теплообменника. Критерием качества работы системы стабилизации является требование нахождения в допуске температуры молока на выходе из газоохладителя. Система управления температурой газа перед газоохладителем является внутренним контуром каскадной системы управления стабилизации температуры молока после газоохладителя. Структурная схема рассматриваемой системы, с учетом сказанного выше, имеет вид:

Рис. 9. Структурная схема системы регулирования температуры пастеризации и стабилизации температурного режима испарителя поз.8 ТНУ

Обозначения, принятые на рис.9, приведены в табл.4.

Таблица 4. Обозначения на рис.9

Вид передаточных функций теплообменных аппаратов описан в работе [17] . Для стабилизации режима системы добавлена обратная связь по температуре перегрева хладагента после первого испарителя. Детальное исследование систем управления для разработанных схем будет являться предметом дальнейших работ.

Экономический эффект от применения теплового насоса в пастеризационно-охладительной установке

Для оценки ожидаемого экономического эффекта от применения ТНУ рассмотрим сначала схему одной из существующих пастеризационно-охладительных установок для пастеризации молока при производстве питьевого молока и кисломолочных напитков производительностью 10000 л/час (см. http://www.realpack.by/catalog-48-48-191.html?page=1). Оценим тепловую мощность, расходуемую котельной для пастеризации молока и холодильную мощность, требующуюся для охлаждения молока.

Количество теплоты, выработанной котельной, необходимое для нагрева молока от температуры Т3 до температуры Т4 рассчитаем по формуле:

,

где - КПД системы транспорта теплоты, - КПД пароводяного теплообменника котла, - удельная теплоемкость молока, плотность молока, , расход молока, л/с (http://conductivity.at.ua/publ/teploprovodnosti_pishhevykh_produktov/teplofizicheskie_svojstva_molochnykh_produktov/5-1-0-104). Количество газа (м³/с), необходимое для выработки количества теплоты вычисляем по формуле:

В формуле (6.2) , КПД котла, , удельная теплота сгорания природного газа. Оценим холодильную мощность установки, вырабатывающей 40000 л/час воды при температуре 8^оС и 30000 л/час ледяной воды при температуре 1 ^оС.

Из уравнения теплового баланса:

можно определить конечную температуру воды (ледяной воды) и холодильную мощность испарителей холодильной установки с учетом - КПД испарителей. Можно показать, что при приведенных исходных данных холодильная мощность каждого из испарителей составит около 100 кВт. Холодильный коэффициент машины (http://www.frigodesign.ru/manufact/chillers/bitzer_piston/index.php). Следовательно, мощность электропривода компрессора составит приблизительно 67 кВт (200/3,3). Мощность электроприводов насосов, расходуемую на подачу горячей воды, на секцию холодной и ледяной воды, на секцию охлаждения установки принимаем равной 5% от мощности компрессора холодильной установки. Мощность насоса для подачи горячей воды на пастеризатор принимаем равной 5 кВт. Общую электрическую мощность, расходуемую на охлаждение воды в пастеризационно-охладительной установке, принимаем равной 73 кВт.

Рис.10. Зависимость срока окупаемости ТНУ с двумя испарителями от времени эксплуатации установки в год

Мощность электропривода теплового насоса при СОР=4,65 составляет около 130 кВт.

Тариф на электрическую энергию принимаем равным 0,14 $/кВт. Зависимость дисконтированного срока окупаемости при цене природного газа, равной 500$ за 1000 м³ при различном времени работы установки в год, и СОР ТНУ приведена на рис. 3. При применении теплового насоса отпадает необходимость в подогреве молока до 78^оС с помощью газового котла, производится до 360 кВт тепловой мощности для подогрева водопроводной воды, но одновременно увеличивается на 130-73=57 кВт мощность потребляемой электрической энергии. Кроме того, вырабатывается дополнительная теплота для нагрева воды для технологических или санитарных нужд предприятия. В стоимость 1 кВт тепловой мощности ТНУ было учтено увеличение эксплуатационных расходов на пастеризационно-охладительную установку с ТНУ по сравнению с установкой без ТНУ.

Рис.11. Зависимость срока окупаемости ТНУ с детандером и вихревой трубой и двухступенчатым компрессором от времени эксплуатации установки в год

Выводы

тепловой насос пастеризационный охладительный

[1] Смурыгин В.С., Краснов С.А., Кряклина И.В., Шешунова Е.В. Получение тепла и холода для животноводческого комплекса с использованием высокоэффективной энергосберегающей технологии // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №1; URL: www.science-education.ru/101-5462 (дата посещения сайта: 28.07.2012).

[2] Becker H., Vuillrmoz A., Marechal F, Heat pump integration in a cheese factory. Applied Thermal Engineering, 2012, v43, October 2012, p.118-127.

[3] Becker H., Marechal F., Vuillrmoz A., Process Integration and Opportunities for Heat Pumps in Industrial Processes. International Journal of Thermodynamics, Vol. 14 (No.2), pp.59-70, 2011. doi: 10.5541/ijot.260.

[4] Sцylemez M.S., Operational cost minimization of heat pump for milk pasteurization in dairy. Journal of Dairy Research, 2005, v72., p.482-485.

[5] Sцylemez M.S., Optimum heat pump in milk pasteurizing in dairy. Journal of Food Engineering, V.74, 2006, p. 546-551.

[6] http://telemiks.by/geo/food.html

[7] Bilir N., Kersad H.E. Performance improvement of the vapour compression refrigeration cycle by a two-phase constant area ejector. International Journal of Energy Research, 2009, v33., p. 469-480.

[8] Ozyurt O., Comakli O., Yilmaz and Karsh S Heat pump use in milk pasteurization: an exergy analysis. International Journal of Energy Research. V28, Iss.9, p.833-846, July, 2004.

[9] Везиришвили О.Ш., Хвития М.Т. Каскадная теплонасосная установка для охлаждения и пастеризации молока. Холодильная техника, № 7, 1990 г., с.4-6.

[10] Шит М.Л., Балануцэ А.П., Шит Б.М. Теплонасосная установка на диоксиде углерода с испарителями, работающими на разных температурных уровнях и при переменной тепловой нагрузке. Problemele Energeticii Regionale 2(10) 2010, c. 47-58.

[11] Jian-qiang Deng, Pei-xue Jiang, Tao Lu, Wei Lu, Particular characteristics of transcritical refrigeration cycle with an ejector. Applied Thermal Engineering 27(2007), p. 381-388.

[12] Chen Guangming, Xu Xiaoxiao, Liu Shuang, liang Lixia, Tang Liming, An experimental and theoretical study of CO₂ ejector. Applied Thermal Engineering 33(2010), p. 915-921.

[13] Yari M. performance analysis and optimization of a new two-stage ejector-expansion transcritical CO₂ refrigeration cycle. Applied Thermal Engineering 32(2009), p. 1997-2005.

[14] Manjili F.E., Yavari M.A. Performance of a new two-stage multi-intercooling transcritical CO₂ ejector refrigeration cycle. Applied Thermal Engineering 40(2012), p. 202-209.

[15] Tekeuchi H. Ejector with throttle controllable nozzle and ejector cycle using the same. Patent US 6,966,199 B2, Nov.22, 2005.

[16] Sarkar J. Cycle parameter optimization of vortex tube expansion transcritical CO₂ system. . Applied Thermal Engineering 48(2009), p. 1823-1828.

[17] Шит М.Л., Журавлев А.А., Шит Б.М. Управление газоохладителем теплового насоса на диоксиде углерода при работе в непрерывном режиме. Труды Одесской национальной Академии Пищевых технологий, вып.35, т.2., 2009 г. с. 241-246.

[18] http://molokoportal.ru/11-2-puti-povysheniya-kachestva-i-stojkosti-produktov-konservirovaniya-moloka/

Размещено на Allbest.ru