К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике
У статті розглянута концепція застосування теплових насосів у технологічному процесі конвективного сушіння подрібненого вугілля у замкнутому циркуляційному контурі. Наведено результати аналітичних розрахунків, що показують ефективність подібних систем на будь-яких промислових підприємствах, що...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32850 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике / Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-32850 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-328502025-02-23T17:44:15Z К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике To the question of theoretical basis of inculcating heat pumps in drying techniques Клюев, Э.С. У статті розглянута концепція застосування теплових насосів у технологічному процесі конвективного сушіння подрібненого вугілля у замкнутому циркуляційному контурі. Наведено результати аналітичних розрахунків, що показують ефективність подібних систем на будь-яких промислових підприємствах, що володіють значними вторинними енергетичними ресурсами. The concept of heat pumps applying in technological process of convective drying crushed coal in a closed circulation loop is reviewed in this article. The results of analytical calculations, showing the efficiency of such investigated systems in any industrial enterprises, which one have considerable secondary power resources, are reduced. 2009 Article К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике / Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32850 662.210.587:621.572 ru Геотехническая механика application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
У статті розглянута концепція застосування теплових насосів у технологічному
процесі конвективного сушіння подрібненого вугілля у замкнутому циркуляційному
контурі. Наведено результати аналітичних розрахунків, що показують ефективність
подібних систем на будь-яких промислових підприємствах, що володіють значними вторинними енергетичними ресурсами. |
| format |
Article |
| author |
Клюев, Э.С. |
| spellingShingle |
Клюев, Э.С. К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике Геотехническая механика |
| author_facet |
Клюев, Э.С. |
| author_sort |
Клюев, Э.С. |
| title |
К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике |
| title_short |
К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике |
| title_full |
К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике |
| title_fullStr |
К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике |
| title_full_unstemmed |
К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике |
| title_sort |
к вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2009 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32850 |
| citation_txt |
К вопросу о теоретическом обосновании внедрения тепловых насосов в сушильной технике / Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT klûevés kvoprosuoteoretičeskomobosnovaniivnedreniâteplovyhnasosovvsušilʹnojtehnike AT klûevés tothequestionoftheoreticalbasisofinculcatingheatpumpsindryingtechniques |
| first_indexed |
2025-11-24T05:25:30Z |
| last_indexed |
2025-11-24T05:25:30Z |
| _version_ |
1849648145116430336 |
| fulltext |
Геотехническая механика"
УДК 662.210.587:621.572
Э.С. Клюев, инж. 2 кат.
(ИГТМ НАН Украины)
К ВОПРОСУ О ТЕОРЕТИЧЕСКОМ ОБОСНОВАНИИ ВНЕДРЕНИЯ
ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СУШИЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
У статті розглянута концепція застосування теплових насосів у технологічному
процесі конвективного сушіння подрібненого вугілля у замкнутому циркуляційному
контурі. Наведено результати аналітичних розрахунків, що показують ефективність
подібних систем на будь-яких промислових підприємствах, що володіють значними вто-
ринними енергетичними ресурсами.
TO THE QUESTION OF THEORETICAL BASIS OF INCULCATING
HEAT PUMPS IN DRYING TECHNIQUES
The concept of heat pumps applying in technological process of convective drying crushed
coal in a closed circulation loop is reviewed in this article. The results of analytical calculations,
showing the efficiency of such investigated systems in any industrial enterprises, which one have
considerable secondary power resources, are reduced.
На современном этапе развития промышленности весьма актуально по-
ставлен вопрос об энергопотреблении и, соответственно, эффективности ис-
пользования энергетических ресурсов, утилизации и рекуперации тепла в
технологических процессах. Возрастание цены на газ для промышленных по-
требителей, повышение требований к охране окружающей среды требуют но-
вого подхода к энергообеспечению промышленных объектов путѐм внедре-
ния энергосберегающих технологий.
В промышленности используются в настоящее время свыше 60 % всего
добываемого топлива и около 70 % всей вырабатываемой электроэнергии.
Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах
остается все еще невысоким и составляет лишь 35-40 %. Следует отметить,
что большинство предприятий химической, нефтехимической и других от-
раслей промышленности характеризуются наличием достаточно большого
количества вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в виде пара, горячей
воды, шлака, горючих газов и т.п., поддающиеся полезному использованию.
В период до 1991 года ситуация с утилизацией ВЭР в промышленности
улучшилась. Однако достигнутая фактическая экономия топлива за счет теп-
лоты ВЭР составляет 30-32 %, в том числе в нефтеперерабатывающей и неф-
техимической промышленности – 40 %, в черной металлургии – 40 %, в хи-
мической – 25 % [1].
Поэтому стратегическими общегосударственными целями развития про-
мышленности страны, в том числе и горно-металлургического комплекса, яв-
ляется снижение энергоемкости основных еѐ отраслей. Это предполагается
совершить за счѐт структурного преобразования промышленности, усовер-
шенствования технологических процессов и приобщения к энергетическому
обороту ВЭР.
Предлагаемая концептуальная схема как раз и заключается в утилизации
Выпуск № 81
ВЭР с помощью термотрансформаторов или компрессионных тепловых насо-
сов. В общем случае энергетические и экологические преимущества тепловых
насосных систем (ТНС) обуславливают целесообразность замены некоторой
части котельных для нагрева воды, которые производят около половины теп-
ловой энергии в стране, и потребляют при этом сотни миллионов тонн топли-
ва ежегодно. Поэтому тепловые насосы уже получили широкое распростра-
нение и в некоторых развитых странах они уже являются конкурентами тра-
диционной теплоэнергетики, основанной на сжигании органического топлива
[2-3]. Особенно выгодно применение тепловых насосов при одновременной
выработке тепла и холода, что может быть реализовано в некоторых про-
мышленных или сельскохозяйственных производствах, а также в системах
кондиционирования воздуха.
Анализ последних публикаций показал существенное преобладание тем,
освещающих применение ТНС в жилищно-коммунальном хозяйстве в целях
отопления и горячего водоснабжения [4-7]. Тем самым вопросу об использо-
вании ТНС в промышленных масштабах уделяется меньше внимания. Однако
подобные научные исследования проводились ещѐ во времена СССР, а по-
пытки внедрения продолжаются до настоящего времени, и это находит под-
тверждение в экспериментальных и научных работах [10-12].
Таким образом, накопленный богатый опыт нашими предшественниками в
создании и внедрении систем на основе тепловых насосов, позволил вплот-
ную подойти к формулировке и теоретическому обоснованиию функциони-
рования ТНС. Эта система по своей сути направлена на утилизацию отрабо-
танных тепловых потоков от промышленных производств, которые обладают
значительными ВЭР, с помощью теплового насоса. Для этого за основу была
принята технология сушки дроблѐнного угля в потоке горячего сушильного
газа [10].
Процесс конвективной сушки неизбежно сопровождается неполным ис-
пользованием энергии теплоносителя, что связано с условиями гигротермиче-
ского равновесия между высушиваемым материалом и газовым теплоносите-
лем. Однако утилизация и повторное использование тепла отработанного су-
шильного агента к этому времени остаются проблематичными, поскольку
возникают трудности, связанные со сравнительно невысоким потенциалом
газового теплоносителя на выходе из сушилки. По этому поводу значитель-
ный интерес представляют собой способы утилизации и рекуперации тепла,
содержащегося в отработанном газовом потоке или в высушенном продукте,
для нужд самого процесса сушки [11]. Конечно же, кроме нагрева воздуха,
необходимого для проведения процесса сушки, подведенная энергия исполь-
зуется на компенсацию потерь теплоты через ограждающие конструкции и
утечку горячего воздуха через неплотности. Энергия подводится также и на
привод вентиляторов. Таким образом, потери энергии могут достигать до
23 кДж на 1 кг влаги.
Поэтому в технологии сушения все более широко применяют ТНС, позво-
ляющие довести сушильные установки до высокой энергетической совер-
Геотехническая механика"
шенности по отношению к рекуперации тепла. Как указывают авторы работы
[12], это направление является наиболее перспективным на пути интенсифи-
кации процессов тепломассообмена и энергосбережения при сушке материа-
лов, поскольку оно обеспечивает увеличение движимой силы процесса за счет
снижения влагосодержания сушильного агента, значительно снижает потери
первичной энергии на килограмм извлеченной влаги и создает хорошо кон-
тролируемые условия обезвоживания независимо от состояния окружающей
среды, в первую очередь влагосодержания воздуха.
Конечно же, вопрос о возможности утилизации теплоты является ком-
плексным, он тесно связан с работой сушильной камеры. В частности, для
решения вопроса о целесообразности применения теплового насоса принима-
лось во внимание следующее [13]:
- совпадение по времени выхода сбросных тепловых потоков и потребле-
ния теплоты (для нужд сушки этот аспект выполняется полностью, посколь-
ку время работы сушильной камеры и теплового насоса совпадают);
- место выхода сбросных тепловых потоков и место потребления теп-
лоты (компактно спроектированная сушильная установка учитывает и этот
аспект);
- фазу носителя сбросной теплоты (твердая, жидкая, газообразная)
(предложенная технология сушки целиком и полностью отвечает этому ас-
пекту потому, что тепловой насос позволит сконденсировать ту часть влаги,
которая испарится в сушильной камере, а обезвоженный газ направить для
нужд сушки);
- расход сбросных потоков и потребность в теплоте (это условие цели-
ком удовлетворяет необходимые потребности в теплоте для процесса сушки);
- потенциал сбросной и потребной теплоты (отработанный сушильный
газ имеет достаточный энергетический потенциал для продолжения процесса
сушения, особенно с рециркуляцией воздуха).
ТНС работает аналогично холодильной компрессионной установке по
термодинамическому циклу, обратному тепловому двигателю. В тепловом
насосе теплота внешней среды, которой может быть отработанный сушиль-
ный газ, в результате затраты механической энергии в компрессоре переходит
от низкого температурного потенциала на более высокий температурный
уровень.
Отличие теплового насоса от обычных теплообменников состоит в том,
что теплообменник позволяет передавать теплоту только от более нагретого к
менее нагретому потоку, т.е. в сторону уменьшения градиента температуры.
Исходя из рис.1, горячий сушильный газ, проходя через сушильную каме-
ру, нагревает дробленый уголь, имеющий начальную температуру t1. При
достижении определенной температуры t2 влага, находящаяся в пылеуголь-
ных частицах, переходит в газообразное состояние, покидает их и уносится
потоком сушильного газа из сушильной камеры. Если сразу после выхода из
сушильной камеры охладить сушильный газ, который несѐт в себе пары уда-
лѐнной из частиц влаги, до исходной температуры сыпучих веществ t1 в испа-
Выпуск № 81
рителе теплового насоса, то вода сконденсируется.
Рис. 1 – Принципиальная блок-схема сушки влажных материалов с помощью ТНС
Обезвоженный таким образом сушильный газ с помощью компрессора
подаѐтся на конденсатор. Поток энергии, отобранный у сушильного газа, с
помощью теплового насоса концентрируется и передаѐтся теплоносителем в
конденсатор, стоящий у самого входа в сушильную камеру. Таким образом,
холодный сушильный газ, проходя через этот теплообменник, нагревается
той же энергией, которой он был нагрет первоначально при пуске сушилки.
Другими словами, в конденсаторе происходит процесс трансформации тепло-
ты с низкого температурного на более высокий уровень рабочего сушильного
агента. Горячий и сухой газ опять поступает в камеру, где продолжает про-
цесс сушки. Вышеописанный процесс получается энергетически замкнутым.
И если бы не потери энергии (к которым необходимо присовокупить и энер-
гию, затрачиваемую на перемещение масс сушильного газа, и носителя по
замкнутому контуру), то процесс можно было бы продолжать бесконечно
долго, высушивая одной и той же энергией бесконечно большое количество
влажных пылеугольных частиц.
Обосновывая суть работы ТНС в технологическом процессе сушки, при-
няты к рассмотрению следующие потоки энергии:
Энергию, которая обеспечивает функционирование некоего технологиче-
ского процесса, назовем технологической энергией Ет;
Энергию, которую после выполнения некоей работы в технологическом
процессе не удаѐтся утилизировать и опять направить в технологический
процесс, назовѐм энергией потерь Еп;
Энергию, которая подаѐтся в технологический процесс для компенсации
энергетических потерь, назовѐм компенсационной энергией Ек.
Из определений, которые даны выше, видно, что для стабильной работы
некоего технологического процесса необходимо, чтобы
кп ЕЕ (1).
Геотехническая механика"
Общая энергия (обозначим ее Ео), находящаяся в технологическом про-
цессе, равна:
пТо ЕЕЕ (2).
Тогда в соответствии с термодинамическим анализом термический коэф-
фициент полезного действия (КПД) технологии можно представить равен-
ством:
о
Т
Е
Е
(3).
Коэффициент потерь технологии (обозначим его как 1 ) равен:
1
о
к
о
п
Е
Е
Е
E
(4).
Преобразовав выражение (3) и (4), получим:
к
Т
по
оT
Е
Е
EE
EE
1
Иными словами
1к
Т
Е
Е
(5).
Выражение (5) является теоретической основой для создания систем на
основе тепловых насосов. При анализе поведения функции, как видно из рис.
2, при достаточно высоких значениях КПД, первоначально наполнив некий
технологический процесс необходимым количеством энергии ЕТ, можно, до-
бавляя в этот технологический процесс минимальное количество Ек, совер-
шать достаточно большую работу. Кроме того, из выражения (5) при ŋ→1 и
при Ек = const следует, что ЕТ → ∞, т.е. количество энергии, необходимой для
обеспечения протекания процесса, стремится к бесконечности.
Выпуск № 81
Рис. 2 – Графичесікая зависимость КПД технологии и отношения технологической энер-
гии к компенсационной Ет/Ек
В обычной сушилке невозможен 100 %-ный возврат отработанного су-
шильного агента, так как повышение его влажности быстро ликвидирует су-
шильную способность газа. Однако предлагаемая схема может эффективно
применяться в сушильных установках как средство удаления влаги из уходя-
щего сушильного газа, так что он может направляться на рециркуляцию в
больших количествах. Таким образом, принцип рециркуляции сушильного
газа делает сушку не зависящей от погоды и позволяет осуществлять равно-
мерный процесс сушения.
Как показывают расчеты и большой опыт эксплуатации за рубежом, теп-
ловые насосы по сравнению с котельными установками экономят 30 – 70 кг
топлива на отпущенный 1 МВт·ч тепла. Это в 1,2 – 1,5 раза выгоднее самой
эффективной газовой котельной и в 6 – 7 раз – электрических котлов. Экс-
плуатационные расходы на отопление жилого дома площадью 180 м
2
(1700
часов в год) с помощью электрического котла составляет приблизительно
2500 грн., а с помощью теплового насоса – 400 грн.
Таким образом, рентабельность работы системы теплоснабжения с ТНС
обуславливается издержками на еѐ создание и непосредственным образом
связана с соотношениями тарифов на электроэнергию и цены на генериро-
ванную теплоту. Напрямую от стоимости сэкономленного топлива зависит и
общий экономический эффект.
Одновременно вместе с использованием тепловых насосов возникают но-
вые экономико-структурные перемены в системах теплоснабжения, сокраща-
ется материалоѐмкость систем и эксплуатационные расходы, вместе с тем
увеличивается наукоѐмкость, что соответствует современным тенденциям в
теплоснабжении.
Геотехническая механика"
При этом достаточно не эффективно с экономической точки зрения проек-
тировать систему на максимально расчѐтную мощность объекта, поскольку
получим в этом случае слишком высокие капитальные вложения. Поэтому,
как правило, используется суммарная мощность теплового насоса и компен-
сационного аппарата, работающего на традиционном топливе или исполь-
зующего электроэнергию. Это позволит оптимизировать и получить доста-
точно хорошие экономические показатели всей системы в целом [14, 15].
В результате вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- предложено для внедрения в технологический процесс сушки пыле-
угольных частиц схему, которая основана на тепловых насосах;
- на основе аналитических расчетов обоснована энергетическая эффек-
тивность предложенной схемы;
- указаны некоторые экономические аспекты использования системы на
тепловых насосах.
Оценка технологии и техники сушки в химической промышленности и
других отраслях промышленности показывает, что реализация известных
способов энергосбережения позволит получить экономию до 30% энергии и
50% металла.
Для уяснения последующих аспектов применения тепловых насосов в
процессе сушки дроблѐных пылеугольных частиц требуется проведение
дальнейших конструкторских расчетов и осуществление экспериментов на
опытных образцах.
Предлагаемую схему можно внедрять не только в сушильной технике, но
и в других отраслях промышленности, обладающие значительными вторич-
ными энергетическими ресурсами, которые поддаются полезному использо-
ванию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кошкин Н. Н. и др. Холодильные машины; под общей редакцией И. А. Сакуна. – Л.: Машинострое-
ние, Ленингр. отд-ние, 1985. – 510 с.; ил.
2. Калнинь И., Пустовалов С., Савицкий А. Создание теплового насоса нового поколения на диоксиде
углерода (R744) // В мире науки. – 2006. – № 10.
3. Бутузов В. А. Перспективы применения тепловых насосов // Промышленная энергетика. – 2005. – № 10.
4. Васильев Г. П. Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве
Москвы // Энергосбережение. – 2007. – № 8. – с. 63 – 65.
5. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплона-
сосных системах / // АВОК. – 2003. – №2.
6. Фролов В. П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгинский А.Я. Эффективность использования тепло-
вых насосов в централизованных системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. – 2004 – №7.
7. Шилкин Н. В. Использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения зданий // Сан-
техника. – 2003. – № 3. – с. 65 – 67.
8. Хоштария А. Г., Везиришвили О. Ш. Применение теплового насосоа в производстве зелѐного чая //
Холодильная техника. – 1970. – № 7. – с. 21, 22.
9. Гомелаури В. И., Везиришвили О. Ш., Хоштария А. Г. Тепловой насос на фреоне-142 для сушки чая //
Холодильная техника. – 1977. – № 6. – с. 11 – 13.
10. Святун А.А., Клюев Э.С. Концепция энергетического рециклинга в технологическом процессе кон-
вективной сушки измельченных материалов с рециркуляцией воздуха на мусороперерабатывающем заводе //
Матеріали міжнародної наукової конференції “Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасоперено-
су”. – Дніпропетровськ, ДНУ, 2008, 179 с.
11. Муштаев В. И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. М.: Химия, 1988. – 568 с.
12. Снєжкін Ю.Ф., Чалаєв Д.М., Шаврін В.С., Хавін О.О., Дабіжа Н.О.. Використання теплових насосів у
процесах сушіння // Пром. теплотехника. – 2006. – Т.28. – № 2. – с. 106 – 109.
Выпуск № 81
13. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1989. – 128 c.:
ил.
14. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 224 с., ил.
15. Чумак І. Г.,Чепурненко В. П., Лар’янівський С. Ю. та ін. Холодильні установки. – К.: Либідь, 1995. –
224 с.
Рекомендовано до публікації д.т.н. С.І. Скіпочкою 10.08.09
|