Reducing the energy consumption of the aerodynamic heating dryer

Full Text

Введение Принцип работы печей аэродинамического подогрева или печей аэродинамических потерь заключается в том, что изолированный ротор (т.е. ротора без корпуса) центробежного вентилятора работает в режиме роторного нагрева. При этом подавляющая часть подводимой к ротору электрической энергии расходуется на преодоление аэродинамических потерь в проточной части рабочего колеса, в рабочей камере, преобразуясь при этом в тепловую энергию [1]. Установки аэродинамического нагрева имеют широкую область применения в процессах термообработки легких и цветных металлов и сплавов, полимеров, сушки пищевых продуктов, пиломатериалов и т.п. Одним из перспективных направлений использования сушилок аэродинамического нагрева является сушка плодово-ягодного сырья. Сельхозпроизводителями Брянской области реализуется ряд крупных проектов по развитию плодоводства и яговодства [2, 3]. В Брянском ГАУ были проведены исследования по повышению эффективности работы установки аэродинамического нагрева для сушки плодово-ягодного сырья [4, 5, 6, 7]. Для снижения энергозатрат сушилка была оборудована комбинированным теплообменником [8, 9, 10]. Он совмещает в себе пластинчатый теплообменник и воздушный солнечный коллектор, учитывая перспективность использования гелиоколлекторов в условиях Брянской области [11, 12]. Были проведены испытания сушилки, оборудованной комбинированным теплообменником, на сушке яблок. Цель исследований Анализ эффективности использования комбинированного теплообменника для снижения энергоемкости сушилки аэродинамического нагрева при сушке яблок. Исследовалась работа сушильной установки при использовании комбинированного теплообменника и без его использования. Материалы и методы Принцип работы сушилки с комбинированным теплообменником следующий (рис. 1). На рис. 1 обозначено: 1 - сушильная камера; 2 - дверь; 3 - патрубки для подсоса сушильного агента; 4 - патрубок для выброса сушильного агента (жалюзи в форме ромашки); 5 - нагревательный ротор центробежного вентилятора; 6 - приводной электродвигатель; 7 - комбинированный теплообменник; 8 - теплообменные поверхности; 9 - воздушный солнечный коллектор; 10 - светопрозрачное покрытие; 11 - патрубок для входа отработанного сушильного агента в верхнюю камеру; 12 - патрубок для выхода отработанного сушильного агента из верхней камеры; 13 - входной патрубок средней камеры; 14 - выходной патрубок средней камеры; 15 - перегородки; 16 - каналы для прохода подогреваемого атмосферного воздуха; 17 - патрубок для входа отработанного сушильного агента в нижнюю камеру; 18 - патрубок для выхода отработанного сушильного агента из нижней камеры; 19 - заслонка; 20 - жалюзи. Сырье загружают в сушильную камеру 1 через дверь 2. В начале сушки на этапе разогрева сушилки заслонка 19 находится в положении, перекрывающем подачу отработанного сушильного агента в камеры комбинированного теплообменника 7. Атмосферный воздух через входной патрубок 13 поступает в среднюю камеру пластинчатого теплообменника. Двигаясь по каналам 16, атмосферный воздух подогревается за счет теплообмена с теплообменной поверхностью солнечного коллектора 9 и через выходной патрубок 14 средней камеры и входной патрубок 3 теплоизолированной камеры 1 поступает к нагревательному ротору 5, который обеспечивает дальнейший нагрев и циркуляцию сушильного агента по замкнутому контуру сушильной камеры 1. Контактируя с высушиваемым сырьём, сушильный агент насыщается удаляемой влагой и через выходной патрубок 4 частично сбрасывается в атмосферу. При этом подогрев атмосферного воздуха (сушильного агента) в пластинчатом теплообменном аппарате 7 осуществляется за счет энергии солнечного излучения. Рис. 1. Схема сушилки с комбинированным теплообменником Fig. 1. Scheme of the dryer with combined heat exchanger При достижении температуры сбрасываемого из сушильной камеры отработанного сушильного агента температуры подогретого сушильного агента, поступающего из комбинированного теплообменника 7, заслонку 19 ставят в положение, обеспечивающее подачу отработанного сушильного агента через входные патрубки 11 и 17 обратно в комбинированный теплообменник 7. Это обеспечивает дополнительный подогрев атмосферного воздуха (сушильного агента) за счет передачи теплоты отработанного сушильного агента через теплообменные поверхности 8. В сушильной камере перед нагревательным ротором 5 установлены жалюзи 20 для регулировки его производительности. С помощью жалюзи в форме ромашки на патрубке 4 также можно регулировать расход отработанного сушильного агента, направляемого в теплообменник. Отработанный сушильный агент удаляется из комбинированного теплообменника 7 через выходные патрубки 12 и 18. При этом обеспечивается повышение коэффициента регенерации теплоты и использование энергии солнечного излучения для подогрева сушильного агента в начальный период работы сушилки до её выхода на рабочую температуру в сушильной камере. Общий вид сушилки с комбинированным теплообменником представлен на рис. 2. Сушилка имеет следующие технические характеристики: мощность электродвигателя привода нагревательного ротора - 17,5 кВт, частота вращения ротора - 1500 мин-1, наружный диаметр ротора - 700 мм; внутренний диаметр ротора - 550 мм; ширина ротора - 150 мм; число лопаток - 20; рабочий объем сушильной камеры - 3,72 м3. Крыша сушильной камеры является стенкой нижней камеры комбинированного теплообменника, расположенного сверху сушилки в пределах ее габаритных размеров. Средняя камера теплообменника имеет 8 каналов сечением 220×50 мм (рис. 3). а б Рис. 2. Общий вид сушилки с комбинированным теплообменником: а - со стороны верхнего подсоса; б - со стороны нижнего подсоса Fig. 2. General view of the dryer with a combined heat exchanger: a - from the side of the upper suction; b - from the side of the lower suction а б Рис. 3. Вид средней камеры комбинированного теплообменника (а) и жалюзи в форме ромашки (б) Fig. 3. View of the middle chamber of the combined heat exchanger (a) and daisy-shaped screen (b) Масса одной загрузки яблок в сушилку составляет 280 кг, размещенных на 54 лотках в 3 яруса (рис. 4). а б в Рис. 4. Вид сушильной камеры (а), жалюзи ротора-нагревателя (б) , рукоятки изменения величины открытия жалюзи (в) Fig. 4. View of the drying chamber (a), screen of the rotor-heater (b), knobs for changing the magnitude of opening the screen (c) Для фиксирования параметров сушильного агента, окружающей среды, расхода электроэнергии использовали восьмиканальный измеритель-терморегулятор ТРМ-138 с датчиками термосопротивления и 3-х фазный счетчик электрической энергии с трасформаторами тока. Периодичность фиксирования показаний измерителя-регулятора составляла 20 мин. При построении графиков для удобства представления информации использовались данные с периодичностью 40 мин. Результаты и обсуждение На рис. 5 представлены результаты изменения температуры сушильного агента при работе сушилки с комбинированным теплообменником. Рис. 5. Изменение температуры сушильного агента при использовании комбинированного теплообменника Fig. 5. Changing the temperature of the drying agent when using a combined heat exchanger На рис. 5 линия «ромашка» соответствует температуре отработанного сушильного агента, подаваемого из сушильной камеры в верхнюю и нижнюю камеры комбинированного теплообменника. Линии «верхний подсос» и «нижний подсос» показывают температуру подогретого в комбинированном теплообменнике сушильного агента, подаваемого в сушильную камеру с двух ее сторон и на разной высоте относительно уровня пола сушильной камеры. Линия «воздушный гелиоколлектор» соответствует температуре воздуха под светопрозрачным покрытием над его тепловоспринимающей поверхностью. Линия «стенка между средней и нижней камерами» показывает температуру поверхности, разделяющей среднюю и нижнюю камеры теплообменника, со стороны нижней камеры. Линия «отработанный сушильный агент» соответствует температуре отработанного сушильного агента, выходящего из теплообменника в атмосферу. На рис. 6 представлены результаты изменения температуры сушильного агента при работе сушилки без использования теплообменника. Рис. 6. Изменение температуры сушильного агента без использования комбинированного теплообменника Fig. 6. Changing the temperature of the drying agent without using a combined heat exchanger Анализ рис. 5 и 6 показывает, что продолжительность этапа прогрева сушильной камеры с продуктом в обоих случаях примерно одинакова и составила 1 ч 20 мин. На этапе постоянной скорости сушки наблюдается непрерывный небольшой рост температуры в обоих случаях. Однако температуры в 50 ºС сушилка с теплообменником достигла на 2 часа быстрее, за 8 ч 40 мин. При этом разница температур подсасываемого сушильного агента составила в среднем 20 ºС. Температура нижней теплообменной поверхности средней камеры оставалась постоянной, в пределах 40 ºС, несмотря на рост температуры подаваемого под нее отработанного сушильного агента. Это объясняется понижением температуры атмосферного воздуха, проходившего по каналам средней камеры над этой поверхностью. Почти такая же температура была и в верхней камере, в воздушном солнечном коллекторе, но несколько ниже. Это объясняется тем, что нижняя камера располагается на крыше сушильной камеры, а светопрозрачное покрытие верхней камеры контактирует с атмосферным воздухом. Разница температур верхнего и нижнего подсоса составила примерно 8 ºС. Температура верхнего подсоса в среднем на 15…18 ºС выше температуры атмосферного воздуха и примерно на 12…15 ºС ниже температуры теплообменной поверхности средней камеры. Разница температур верхнего и нижнего подсоса объясняется разным положением их датчиков температуры: датчик верхнего подсоса расположен дальше от выходного патрубка из средней камеры и сушильный агент в большей степени охлаждается в процессе движения к датчику по воздуховоду. Поэтому важно конструктивно обеспечить теплоизоляцию и наименьшую протяженность воздуховодов от выходного патрубка средней камеры до входных патрубков верхнего и нижнего подсоса в сушильную камеру. Температура полностью отработанного сушильного агента на выходе из комбинированного теплообменника практически совпадает с температурой нижнего подсоса, и остается также постоянной в течение всего этапа постоянной скорости сушки. Далее начинается этап убывающей скорости сушки и соответственно роста температуры в сушильной камере. При использовании комбинированного теплообменника термостат сушилки произвел отключение приводного двигателя нагревательного ротора при температуре в сушильной камере 69,2 ºС через 12 ч 40 мин от начала процесса сушки (в 01 ч 10 мин) и готовый продукт был выгружен из сушилки. Расход электроэнергии на сушку составил 223 кВт∙ч. Без использования комбинированного теплообменника термостат сушилки произвел отключение приводного двигателя нагревательного ротора при температуре в сушильной камере 66 ºС через 15 ч 00 мин от начала процесса сушки (в 02 ч 30 мин). Далее процесс сушки продолжался за счет естественной конвекции сушильного агента и через 40 мин в 03 ч 10 мин готовый продукт был выгружен из сушилки. Общая продолжительность сушки составила 15 час. 40 мин. Расход электроэнергии на сушку составил 307 кВт∙ч. Экономия электроэнергии за счет использования комбинированного теплообменника составила 27,4 %. Выводы Результаты исследования показали, что использование комбинированного теплообменника позволило повысить температуру поступающего в сушильную камеру сушильного агента в среднем на 20 ºС относительно температуры атмосферного воздуха. При обеспечении теплоизоляции и минимальной протяженности подсасывающих воздуховодов эта разница потенциально могла составить порядка 25 ºС. Более интенсивный рост температуры сушильного агента при использовании комбинированного теплообменника позволил сократить продолжительность сушки на 3 ч. Расход электроэнергии при этом уменьшился на 27,4 %. Таким образом, использование комбинированного теплообменника является эффективным способом снижения энергоёмкости процесса сушки в сушилках аэродинамического нагрева.

About the authors

A. I Kupreyenko

Bryansk State Agrarian University

Email: kupreenkoai@mail.ru
Dsc in Engineering Bryansk, Russia

KH. M Isayev

Bryansk State Agrarian University

PhD in Economics Bryansk, Russia

S. KH Isayev

Bryansk State Agrarian University

Bryansk, Russia

References

Supplementary files