Штокман Е.А. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 23.1. Схема пластинчатого перекрестно-точного рекуперативного теплообменника.
Рис. 23.2. Горизонтальный пластинчатый противоточный теплообменник (а), схема движения потоков (б).
зационных устройств, а с ее увеличением увеличивается расход энергии на перемещение воздуха. Циркуляционный насос должен перемещать
теплоноситель таким образом, чтобы поток двигался по обратной линии от воздухоохладительной установки к воздухонагревательной.
Предпочтительным является противоточное движение потоков воздуха. Регулирование теплоотдачи теплообменников можно
производить перепуском
части теплоносителя по обводному трубопроводу, соединяющему подающую и обратную линии.
Рис. 23.3. Схема утилизационного устройства:
1 — теплообменники; 2 — автоматический трехходовой клапан; 3 — насос с электродвигателем; у. в., н. в. — соответственно удаляемый и наружный
воздух.
В качестве теплоносителей могут применяться водные растворы солей натрия, магния, кальция, эти-ленгликоля, пропилен-гликоля или вода. Антифриз
используют при нагреве наружного воздуха с начальной отрицательной температурой, воду — при втором подогреве в теплообменниках, которые
защищены от возможного замерзания при отрицательных температурах нагревателем первого подогрева или первой рециркуляцией.
Соединительные трубопроводы теплообменных установок
, учитывая, что они могут иметь значительную протяженность, должны быть
теплоизолированы.
Преимуществом теплоутилизационного устройства с промежуточным теплоносителем является возможность разместить оба теплообменника как на
близком, так и на значительном расстоянии друг от друга, что часто упрощает конфигурацию и расположение каналов удаляемого и приточного
воздуха. Недостаток устройства — дополнительные затраты энергии на перемещение
теплоносителя.
Регенеративные теплообменники, используемые для утилизации теплоты и холода удаляемого воздуха, бывают двух видов — стационарные
переключаемые и вращающиеся. Стационарные теплообменники изготавливаются в виде насадок из металлической стружки, гравия, щебня, которые
попеременно переключают с режима поглощения теплоты на режим ее отдачи. Недостатками таких устройств являются большие габариты и трудность
обеспечения необходимой герметичности
переключаемых воздушных клапанов. Вследствие этого стационарные теплообменники широкого
распространения не получили.
Значительно чаще применяются вращающиеся регенеративные теплообменники (рис. 23.4). Они выполняются в виде плоского цилиндра-
насадки, разделенного на секторы. Секторы заполняются
Рис. 23.4. Внешний вид (а) и принципиальная схема (б) вращающегося регенератора: 1 — шлюз; 2 — ротор; 3 — разделительная перегородка с
уплотнением; 4 — корпус; 5 — привод ротора; 6 — вытяжной вентилятор; 7 — приточный вентилятор.
гладкими или гофрированными металлическими или пластмассовыми листами, сетками, металлической ватой или стружкой. Роторы изготавливаются из
тонколистового асбеста, картона, бумаги, целлюлозы, обработанных в растворе хлористого лития. Корпус теплообменника
разделен на три части:
через первую проходит теплый воздух, через вторую — холодный нагреваемый воздух, а третья небольшая часть представляет собой продувочный
шлюз для удаления загрязненного воздуха, увлекаемого массой насадки.
Вращающиеся регенеративные теплообменники являются энталь-пийными. Они передают как явную, так и скрытую теплоту.
Движение теплообменивающихся потоков организуют так, чтобы теплообмен происходил на противотоке. Частота вращения ротора — 5-20 мин
-1
.
Теплопередающая масса, проходя через поток удаляемого воздуха, воспринимает теплоту или холод, а затем отдает их, проходя через поток наружного
воздуха.
Специальные уплотнения в корпусе разделяют воздушные потоки с различной температурой.
Преимуществами вращающихся регенеративных теплообменников по сравнению с рекуперативными являются: компактность, меньшая металлоемкость,
меньшее аэродинамическое сопротивление, отсутствие необходимости непрерывного удаления конденсата.
Основные недостатки этих теплообменников: перетекание загрязненного воздуха через уплотнения при вращении ротора (до 2%), возможный перенос
с перетекающим воздухом бактерий и их размножение в аккумулирующей массе насадки.
Теплопередающие трубы (тепловые трубы) являются разновидностью регенеративных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Они
представляют собой замкнутые полости, в которые под вакуумом заливается некоторое количество легкокипящей
жидкости. Наружная поверхность
труб имеет оребрение. Применяется пластинчатое или спирально-навивное оребрение.
Теплообменники представляют собой трубы, собранные в пучки. Один конец теплообменника вводится в поток теплого воздуха, другой — в поток
холодного воздуха. Скорость потока воздуха рекомендуется принимать в пределах 1,5-4,0 м/с [68]. Воспринимая явную и скрытую теплоту испарения
от теплого воздуха,
теплоноситель внутри трубы испаряется, образующийся пар движется в сторону холодных концов труб, где конденсируется,
отдавая воспринятую теплоту.
Часть теплообменника, располагаемая в потоке теплого воздуха, называется испарительной зоной, а часть, располагаемая в потоке холодного воздуха,
— конденсаторной зоной. Между этими зонами может находиться адиабатная зона, которая обычно должна быть теплоизолирована.
Конструкции теплопередающих
труб и теплообменника приведены на рис. 23.5.
В некотором отношении тепловая труба аналогична термосифону. В термосифоне конденсат возвращается в испарительную зону под
Рис. 23.5. Теплопередающая труба с фитилем (а), термосифон (б) и теплообменник из теплопе-редающих труб (в); А — фитиль; Б — пар; В —
жидкость.
действием гравитационных сил. Поэтому в этом случае зона конденсации должна всегда располагаться выше зоны испарения.
В тепловой трубе на внутренней стенке укреплен капиллярно-пористый фитиль или устроены продольные канавки.
В такой трубе на расположение
испарителя не накладывается никаких ограничений, и она может работать при любой ориентации. Конечно, если испаритель тепловой трубы
оказывается в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными.
Трубы с фитилями сложны в изготовлении и поэтому стоят дороже. В системах вентиляции и кондиционирования воздуха
вполне можно обходиться
двухфазными гравитационными сифонами.
В каждой теплопередающей трубе в одном корпусе сочетаются испаритель и конденсатор. В результате того, что при фазовом превращении
теплоносителя передается явная и скрытая теплота, теплопередающие трубы обладают большой приведенной теплопроводностью, по сравнению с
которой теплопроводность материала корпуса ничтожно мала.
Гравитационные термосифоны можно располагать вертикально
и под некоторым углом к горизонту (5-7°). В первом случае для превращения
конденсаторной зоны в испарительную и наоборот необходимо переключать воздушные потоки или поворачивать теплообменник на 180°, что не очень
удобно. Во втором случае для этой цели достаточно несколько повернуть теплообменник, что значительно проще.
Преимущества теплообменников из тепловых труб:
— отсутствие подвижных элементов, отсутствие внешнего источника энергии для перекачки промежуточного теплоносителя; каждая тепловая труба
является автономным теплопередающим элементом;
— большая площадь теплообменной поверхности на единицу объема;
— разгерметизация нескольких тепловых труб не приводит к прямому контакту обменивающихся сред;
— возможность рекуперации теплоты при малых разностях температур;
—
возможность работы в потоках с высокой влажностью; при охлаждении потока влажного газа ниже температуры точки росы конденсат стекает в
расположенные внизу дренажные каналы;
— реверсивность; в системах кондиционирования воздуха теплообменники могут как охлаждать, так и нагревать приточный воздух в зависимости от
времени года;
— простота обслуживания, легкий доступ к теплообменным поверхностям, упрощающий
процесс очистки теплообменника;
— неограниченный срок службы.
Недостатком рассматриваемой конструкции теплообменников является сравнительно малая длина (не более 5 м), отсюда ограниченная возможность
рассредоточения воздухоохладителя и воздухонагревателя.
Теплопередающие трубы имеют различные конструктивные исполнения. Например, их встраивают в кондиционеры, приточно-вытяж-ные агрегаты,
воздуховоды и т. п. Заслуживает внимания конструкция тепловой трубы, выполненная в
виде лопаток рабочего колеса радиального приточно-
вытяжного вентилятора двухстороннего всасывания. Считается, что при вращении увеличивается теплосъем с внешней поверхности. По зарубежным
данным, коэффициент эффективности теплообмена достигает 0,75.
При расположении конденсатора выше испарителя обычная холодильная машина с бездействующим компрессором может также работать как
двухфазный гравитационный термосифон, и этот принцип «свободного охлаждения» можно
применять в переходное время года для экономии
электроэнергии на обработку воздуха [68].
23.1.3. Теплонасосные установки
Одним из мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов с вовлечением альтернативных источников энергии является разработка и
внедрение теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплохолодоснабжения предприятий. Под термином ТНУ подразумевают установку, при
помощи которой осуществляется перенос теплоты от источника с низкой температурой к объекту с более высокой температурой. Такое повышение
потенциала теплоты
связано с затратой какого-либо вида энергии (механической, электрической, тепловой, потока газа или пара и др.). По
конструктивным и термодинамическим особенностям тепловые насосы аналогичны холодильным установкам. Назначение холодильных установок —
охлаждение объекта с низким тепловым потенциалом и перенос отнятой теплоты к источнику с более высоким потенциалом. При этом полезно
используемым является процесс охлаждения.
Назначением теплонасосной установки является полезное использование отнятой теплоты от источника низкого потенциала, т. е. осуществление
процесса
нагрева. По экономическим соображениям весьма выгодно осуществлять от одной установки одновременное полезное использование
процессов получения холода и теплоты.
В состав систем кондиционирования воздуха (СКВ) входят холодильные установки. При круглогодичной работе СКВ эти установки могут быть
применены для получения холода в теплый период года, для одновременного получения холода и теплоты в
переходный период, получения теплоты в
холодное время года.
Применение тепловых насосов в системах кондиционирования воздуха получило широкое развитие в последние годы. Например, в США ежегодно
продается более 1 млн тепловых насосов.
Тепловые насосы (ТН) различаются по принципу действия. В настоящее время более всего распространены компрессорные, абсорбционные и
термоэлектрические ТН.
В системах кондиционирования
воздуха чаще всего используются первые два типа тепловых насосов. Тепловые насосы подразделяются на следующие
основные типы: воздух—воздух, воздух—вода, вода— воздух, вода—вода.
Компрессионные тепловые насосы
В паровых компрессионных тепловых насосах используется принцип повышения температуры паров рабочего вещества при сжатии в компрессоре и
понижения температуры паров при их расширении.
Привод тепловых насосов осуществляется от электродвигателя или двигателя, работающего на
природном газе.
Работа компрессионных тепловых насосов основана на принципе последовательного осуществления процессов механического сжатия и расширения
рабочего вещества.
На рис. 23.6 представлена принципиальная схема парокомпресси-онного теплового насоса. Замкнутая герметичная система ТН заполнена
8' 9
Рис. 23.6. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса: 1 — компрессор; 2 — нагнетательный клапан; 3 — трубопроводы горячего
газа; 4 — конденсатор; 5 — ресивер; 6 — трубопровод жидкого хладона; 7 — переохладительный теплообменник; 8 — терморегулирующий вентиль;
9 — испаритель; 10 — трубопровод холодного газа; 11 — всасывающий клапан.
рабочим веществом, в качестве которого наибольшее распространение получили хладоны различных марок. Цикл работы теплового насоса
осуществляется в следующей последовательности. От низкотемпературного
источника подводится теплота, которая обеспечивает кипение рабочего
вещества в трубках испарителя при определенном давлении (р
0
) и температуре (Tq). Из испарителя пар поступает в охлаждающий теплообменник и по
трубопроводу засасывается через всасывающий клапан в компрессор. В компрессоре пары рабочего вещества сжимаются от давления р
0
до давления
р
к
при соответствующем повышении температуры от Т
0
до Т
н
. Затем пары через нагнетательный клапан по трубопроводу поступают в конденсатор, где
конденсируются при давлении р
к
и температуре Т
к
. Таким образом, в конденсаторе происходит понижение температуры паров от Т
н
до температуры
конденсации Т
к
и выделение теплоты конденсации паров рабочего вещества. Конденсатор отдает теплоту потребителю, который имеет более высокую
температуру по сравнению с источником, от которого отбирается теплота в испарителе.
Жидкое рабочее вещество собирается в ресивере и по трубопроводу поступает в охладитель. Охладитель выполняется из двух самостоятельных ходов:
для жидкого рабочего вещества и для
его всасывающих паров. Теплота от жидкости к всасывающим парам подается через разделительные стенки
каналов ходов. В результате этого снижается температура жидкости при постоянном давлении, а пары рабочего вещества подогреваются. Рабочее
вещество в жидком состоянии с давлением р
к
поступает к терморегулирующему вентилю (дроссельное устройство). С помощью дросселирования
давление рабочего вещества снижается до давления в испарителе р
0
. Соответственно давлению снижается и температура кипения рабочего вещества
до Tq.
В герметичной системе парокомпрессорного теплового насоса происходит непрерывная циркуляция рабочего вещества.
Количество теплоты, передаваемой тепловым насосом источнику с более высокой температурой, складывается из двух частей: количества теплоты,
подведенной к ТН от источника с низкой температурой, кВт (Q
H
), и количества механической работы, совершаемой в компрессоре в тепловых
единицах, кВт (А
а
).
Qk = Qh + V
Эффективность работы теплового насоса определяется коэффициентом преобразования, т. е. отношением переданного количества теплоты к среде с
высокой температурой к количеству энергии в тепловых единицах, затраченной на работу компрессора:
Коэффициент преобразования зависит от температурных уровней низкотемпературного источника, определяющего температуру кипения Tq, и
потребителя теплоты высокого потенциала, определяющего температуру конденсации Т
к
. В диапазонах температур, характерных для применения
тепловых насосов в системах кондиционирования воздуха, значения коэффициентов преобразования находятся в пределах от 1,5 до 5. Энергия,
затраченная на работу теплового насоса, создает возможность перехода в несколько раз большего количества бесполезной для практических целей
тепловой энергии с низким потенциалом в энергию с более высоким потенциалом, которую
можно использовать. Тепловые насосы служат как для
отопления, так и для охлаждения помещений.
Тепловой насос целесообразно использовать для нагрева воды до температуры 50-60 °С.
Абсорбционные тепловые насосы
Абсорбционные тепловые насосы используют для своей работы теплоту низкого потенциала. В качестве рабочего вещества в абсорбционных тепловых
насосах применяется раствор двух веществ (бинарная смесь), которые
различаются температурой кипения при одинаковом давлении. Одно вещество
поглощает и растворяет второе вещество, являющееся рабочим агентом.
Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса показана на рис. 23.7. Через стенки теплообменника в испарителе к бинарному раствору
подводится теплота низкого потенциала при температуре Т
0
. За счет подведенной теплоты происходит испарение из бинарной смеси рабочего агента
при давлении р
0
. Пары рабочего агента из испарителя по трубопроводу поступают в абсорбер, где поглощаются растворителем (абсорбентом). При этом
происходит выделение теплоты абсорбции Q
a
. Образовавшийся в абсорбере крепкий жидкий раствор насосом подается в генератор. К генератору
подводится теплота Q
r
, которая затрачивается на выпаривание рабочего агента при высоком давлении р
к
и, соответственно, высокой температуре Т
к
. В
результате выпаривания над поверхностью раствора образуются пары рабочего агента, а раствор становится слабым. Слабый раствор по трубопроводу
направляется в абсорбер, понижая давление во вспомогательном терморегулирующем вентиле. Давление понижается до давления в испарителе ро-
Рис. 23.7. Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса: 1 — насос; 2 — абсорбер; 3 — испаритель; 4 — основной терморе гулирующий
вентиль; 5 — конденсатор; 6 — генератор; 7 — вспомогательный терморегулирующий вентиль.
Образовавшиеся в генераторе пары рабочего агента поступают в конденсатор, где через разделительную стенку отдают теплоту конденсации Q
K
при
высокой температуре Т
к
.
В конденсаторе происходит конденсация рабочего агента. Далее рабочий агент в термо-регулирующем вентиле понижает давление с р
к
до р
0
, с
которым поступает в испаритель. Затем процесс повторяется.
Работа идеального абсорбционного теплового насоса характеризуется следующим уравнением теплового баланса:
Qи + Qг + Qнас = Qk + Qa.
где Qи— количество теплоты низкого потенциала, подведенного в испаритель;
Qг — количество подведенной теплоты высокого потенциала в генераторе;
Qнас — теплота, эквивалентная работе насоса; Qк — количество отведенной теплоты высокого потенциала
в конденсаторе;
Qа — количество отведенной теплоты низкого потенциала в абсорбере.
Термоэлектрические тепловые насосы
Термоэлектрический метод получения теплоты и холода основан на появлении температурного перепада на спаях при пропускании постоянного тока
через цепь из двух полупроводников.
Обычно термоэлектрические батареи выполняются из ряда соединенных в электрическую цепь единичных термоэлементов, каждый из которых
включает два полупроводника, образующих горячий или холодный спай. Процесс состоит в поглощении теплоты от охлажденной среды на холодном
спае и выделения теплоты на горячем спае с затратой на этот перенос теплоты электрической энергии. Для интенсификации внешнего теплообмена
термоэлементы снабжаются оребрением, конструктивное исполнение которого зависит от того, для каких целей используется получаемая теплота или
холод. В случае применения термобатарей для целей отопления к холодным слоям
необходимо постепенно подводить низкопотенциальную теплоту от
окружающей среды (вода или воздух).
Теоретические исследования, выполненные в нашей стране, показали, что коэффициент полезного действия термобатареи является функцией
перепадов температур на спаях термоэлементов и характеристикой полупроводниковых материалов.
В настоящее время имеются полупроводниковые сплавы с достаточно высокими термоэлектрическими свойствами. Это дает возможность практически
внедрить полупроводниковые
тепловые насосы.
Для оценки тепловой эффективности полупроводникового теплового насоса используется показатель коэффициента трансформации, который
представляет собой отношение получаемого теплового потока Qпт к подводимой электрической мощности W.
В системах кондиционирования воздуха перепады температур для нагрева воздуха обычно колеблются в пределах 20-40 °С, при этом могут быть
достигнуты коэффициенты трансформации теплоты в 2,5-1,6.
23.2. Использование вторичных энергоресурсов (ВЭР)
23.2.1. Виды и источники БЭР
Предприятия пищевой промышленности являются крупными потребителями топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Поэтому проблема экономии
тепловой и электрической энергии в пищевой промышленности стоит очень остро. Наиболее энергоемкими являются производства: сахарное,
масложировое, спиртовое, овощесушильное и др.
Вторичные энергоресурсы представляют собой потенциал определенного вида энергии (тепловой, химической, механической, электрической),
содержащейся
в отходах, промежуточных или готовых продуктах производства.
Вторичные энергетические ресурсы предприятий пищевой промышленности можно разделить на четыре группы [72]: