Використання теплових насосів у процесах сушіння
Представлены результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов обезвоживания термолабильных материалов в замкнутом циркуляционном контуре с принудительным осушением сушильного агента и с применением парокомпрессионного теплонасосного оборудования. Наведено результати аналітичних та...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61397 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Використання теплових насосів у процесах сушіння / Ю.Ф. Снєжкін, Д.М. Чалаєв, В.С. Шаврін, Р.О. Шапар, О.О. Хавін, Н.О. Дабіжа // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 2. — С. 106-110. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859669774673379328 |
|---|---|
| author | Снєжкін, Ю.Ф. Чалаєв, Д.М. Шаврін, В.С. Шапар, Р.О. Хавін, О.О. Дабіжа, Н.О. |
| author_facet | Снєжкін, Ю.Ф. Чалаєв, Д.М. Шаврін, В.С. Шапар, Р.О. Хавін, О.О. Дабіжа, Н.О. |
| citation_txt | Використання теплових насосів у процесах сушіння / Ю.Ф. Снєжкін, Д.М. Чалаєв, В.С. Шаврін, Р.О. Шапар, О.О. Хавін, Н.О. Дабіжа // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 2. — С. 106-110. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Представлены результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов обезвоживания термолабильных материалов в замкнутом циркуляционном контуре с принудительным осушением сушильного агента и с применением парокомпрессионного теплонасосного оборудования.
Наведено результати аналітичних та експериментальних досліджень процесів зневоднення термолабільних матеріалів у замкнутому циркуляційному контурі з примусовим осушуванням сушильного агента та застосуванням парокомпресійного теплонасосного обладнання.
We describe the results of analytical and experimental investigations into the process of dehydration of thermosensitive materials in a closed circulation loop with forced dehumidification of the drying agent and using vapor-compression heat-pump systems.
|
| first_indexed | 2025-11-30T13:24:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Низькотемпературне зневоднення термо;
лабільних матеріалів – довготривалий енер;
гоємний технологічний процес, який широко за;
стосовується у хімічній, мікробіологічній та
харчовій галузях промисловості. Тому питання
інтенсифікації процесів тепломасообміну та зни;
ження енергоспоживання у процесах сушіння
становить значний науково;технічний інтерес. В
переважній більшості з метою низькотемпера;
турного зневоднення сировини використовують
сублімаційне або вакуумне сушіння, проте це по;
требує значних капіталовкладень, витрат дефі;
цитної електроенергії та залучення кваліфікова;
ного персоналу для обслуговування складного
енергонасиченого обладнання. В той же час для
ефективного низькотемпературного зневоднен;
ня термолабільних матеріалів можливо застосу;
вати теплонасосні конвекційні сушарки з замк;
нутим циркуляційним контуром і примусовим
зневодненням сушильного агента. Цей напрям є
найбільш перспективним на шляху інтен;
сифікації процесів тепломасообміну та енергозбе;
реження при сушінні термолабільних матеріалів,
оскількі він забезпечує збільшення рушійної сили
процесу за рахунок зниження вологовмісту су;
шильного агента, значно, в 2...2,5 рази, знижує
витрати первинної енергії на кілограм вилученої
вологи та створює добре контрольовані умови
зневоднення незалежно від стану навколишнього
середовища, в першу чергу вологовмісту повітря.
Враховуючи актуальність енергозбереження і
сталу необхідність покращення якості кінцевої про;
дукції, чимало дослідників вказують на виняткові
можливості застосування теплових насосів в проце;
сах зневоднення термолабільних матеріалів при ви;
робництві харчових продуктів та фармацевтичних
засобів, в тому числі і харчових порошків [1, 2].
Звичайна конструкція компресійного тепло;
вого насосу включає чотири головні компоненти:
компресор, конденсатор, випарник та дросель;
ний вентиль. Ці елементи утворюють схему замк;
нутого циклу для технологічної рідини, напри;
клад, фреону, який випаровується у випарнику,
потім стискається в компресорі та конденсується
у конденсаторі. Таким чином, підводячи теплоту
до випарника на низькому температурному рівні
та витрачаючи зовнішню енергію у компресорі,
ми одержуємо в конденсаторі теплоту на більш
високому температурному рівні, ніж мали у ви;
парнику, та в кількості, яка дорівнює сумарним
витратам енергії електродвигуна і джерела низь;
котемпературної енергії.
106 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Наведено результати аналітичних та
експериментальних досліджень про�
цесів зневоднення термолабільних ма�
теріалів у замкнутому циркуляційному
контурі з примусовим осушуванням су�
шильного агента та застосуванням паро�
компресійного теплонасосного облад�
нання.
Представлены результаты аналитиче�
ских и экспериментальных исследований
процессов обезвоживания термолабиль�
ных материалов в замкнутом циркуляци�
онном контуре с принудительным осуше�
нием сушильного агента и с применением
парокомпрессионного теплонасосного
оборудования.
We describe the results of analytical and
experimental investigations into the
process of dehydration of thermosensitive
materials in a closed circulation loop with
forced dehumidification of the drying agent
and using vapor�compression heat�pump
systems.
УДК 664.8.72
СНЄЖКІН Ю.Ф., ЧАЛАЄВ Д.М., ШАВРІН В.С.,
ШАПАР Р.О., ХАВІН О.О., ДАБІЖА Н.О.
Інститут технічної теплофізики НАН України
ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ
У ПРОЦЕСАХ СУШІННЯ
J – інтенсивність сушіння;
W – вологість матеріалу;
ϕ – відносна вологість повітря;
τ – час.
Ефективність теплонасосного циклу звичайно
характеризується коефіцієнтом перетворення і
залежить від різниці температур між вхідними та
вихідними потоками теплоносія. В зневоднюю;
чих теплових насосах або теплонасосних сушар;
ках коефіцієнт перетворення вже не може бути
показником ефективності процесу, оскільки
можливі режими роботи, при яких тепловий на;
сос матиме високий коефіцієнт перетворення без
вилучення водяної пари, що є неприпустимим в
процесах зневоднення. Тому енергетична ефек;
тивність зневоднюючого теплового насоса по;
винна характеризуватися кількістю вилученої во;
логи в кілограмах на кіловат;годину споживаної
енергії. В процесі сушіння величина поточних
енерговитрат значною мірою залежить від воло;
говмісту сушильного агента і температурного ре;
жиму його зневоднювання. Чим вищий воло;
говміст сушильного агента, тим менші питомі
енерговитрати на вилучення вологи. Крім того,
для кожного заданого тепловологісного стану
повітря існує оптимальна температура охолоджен;
ня, при якій питомі енерговитрати мінімальні [3].
Істотно впливає на тривалість процесу зневод;
нення температура сушильного агента. Підвищен;
ням температури досягається інтенсифікація
сушіння, час теплового впливу зводиться до мініму;
му, що забезпечує економічність процесу. Однак,
можливості інтенсифікації конвективного сушіння
термолабільних матеріалів за рахунок підвищення
температурного рівня процесу лімітовані, оскільки
це суттєво впливає на якість кінцевого продукту.
Другим чинником, здатним впливати на інтен;
сивність процесу тепломасопереносу, є вологовміст
сушильного агента. Найбільш помітно виявляється
вплив вологовмісту на інтенсивність процесу при
низькотемпературному зневодненні. Встановлено
(рис. 1), що при зниженні вологовмісту сушильно;
го агента з 15 до 10 г/кг сухого повітря при темпера;
турі матеріалу 45 оС інтенсивність процесу сушіння
збільшується на 25 %, а подальше зниження воло;
говмісту до 8 г/кг сухого повітря забезпечує зрос;
тання інтенсивності на 35 % [4].
Технологія зневоднення більшості термо;
лабільних матеріалів потребує жорстких обмежень
не тільки температурного рівня процесу, а й збалан;
сування швидкості відведення вологи з зовнішньої
поверхні матеріалу із швидкістю дифузії вологи в
товщі матеріалу, оскільки нерівномірна вологість
внутрішніх шарів призводить до руйнування при;
родної структури, жолоблення та втрати
зовнішнього вигляду. Факторами, якими найбільш
доцільно впливати на технологічний процес зне;
воднення в таких випадках, є швидкість руху су;
шильного агента та його вологовміст, тобто в про;
цесі зневоднення на різних етапах процесу
доцільно підтримувати різні індивідуальні для кож;
ного матеріалу параметри сушильного агента.
Основним недоліком традиційних теплонасос;
них сушарок для зневоднення рослинної сировини є
те, що в процесі сушіння тепловологісні характерис;
тики матеріалу змінюються, в той час, коли темпера;
тура охолодження сушильного агента і, відповідно,
ступінь його зневоднення підтримуються незмінни;
ми. При такому режимі сушіння не забезпечується
оптимальна швидкість процесу та мінімальні енер;
говитрати впродовж усього періоду сушіння, тому
що спочатку, коли матеріал має найбільшу вологість
і з нього легко вилучається вільна волога, не
потрібно підтримувати високий ступінь осушення
агента. В кінці ж процесу, коли в матеріалі зали;
шається лише зв`язана волога, необхідно проводити
більш глибоке осушення агента, оскільки при неве;
ликому ступені зневоднення агента тривалість ос;
таннього періоду сушіння значно збільшується. Це
призводить до зайвих енерговитрат.
Для визначення оптимальних температурних
режимів роботи теплового насоса, що забезпечу;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 107
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рис. 1. Вплив параметрів теплоносія на
інтенсивність сушки.
ють мінімальні енерговитрати протягом усього
періоду сушіння, необхідно мати ізотерми де;
сорбції матеріалу, що висушується. На основі ізо;
терм десорбції може бути визначений необхідний
масообмінний напір та задані тепловологісні па;
раметри сушильного агента [4].
Пошук оптимальних параметрів технологічно;
го процесу для деяких матеріалів було проведенно
на експериментальному теплонасосному сушиль;
ному стенді (рис. 2). Основними критеріями при
визначенні оптимальних параметрів були якість
кінцевого продукту, тривалість процесу і його пи;
томе енергоспоживання. В результаті численних
експериментів із зневоднення рослинної сирови;
ни було встановлено:
– тепловологісна обробка сушильного агента
з метою зниження його вологовмісту збільшує
рушійну силу процесу тепломасопереносу, що дає
змогу реалізувати низькотемпературний процес
зневоднення в конвекційних сушарках при темпе;
ратурах теплоносія, що не перевищують 35...60 оС;
– зниження вологовмісту сушильного агента з
15 г/кг до 5 г/кг при сталій температурі процесу дозво;
ляє інтенсифікувати процес зневоднення на 25...35%;
– низькотемпературний рівень процесу зне;
воднення в діапазоні 35...60 oС забезпечує надійну
роботу парокомпресійного теплонасосного об;
ладнання, а утилізація прихованої теплоти кон;
денсації вилученої вологи дозволяє знизити
зовнішні енерговитрати до 0,4...0,7 кВт;год/кг;
– замкнутий контур циркуляції сушильного
агента та відвід вилучених продуктів зневоднення
у скрапленому вигляді поширюють галузь засто;
сування конвекційних сушарок на переробку
екологічно небезпечних матеріалів та ефіромас;
ляної сировини;
– енерговитрати на вилучення вологи в
значній мірі залежать від тепловологістного стану
теплоносія, існує оптимальний режим сушіння,
який забезпечує максимальну ефективність ро;
боти парокомпресійного теплового насосу;
– теплонасосний цикл найбільш ефектив;
ний для видалення 70...80 % початкової вологи,
видалення залишкової зв’язаної вологи вимагає
набагато більших енерговитрат і викликає зни;
ження загальної ефективності у розрахунку на
повний період сушіння;
– аналіз кривих сушіння різних матеріалів
(соєво;морквяний концентрат, яблука, гарбузи,
буряк, гриби та ін.) показує, що для мінімізації
енерговитрат на сушіння для кожного продукту
необхідно проводити індивідуальний підбір ре;
108 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рис. 2. Конденсаційна теплонасосна конвективна сушильна установка (а) і процес сушіння в I�d
діаграмі (б): 1 – сушильна камера; 2 – візок; 3 – холодильний компресор; 4 – випарник;
5 – рекуперативний теплообмінник; 6 – двосекційний повітряний конденсатор; a�b – насичення
вологою; b�c – попереднє охолодження в рекуператорі; c�c'�d – охолодження у випарнику;
d�e – нагрівання в рекуператорі; e�f і b�f – змішування; f�a – нагрівання в конденсаторі.
a б
жимів роботи теплонасосного обладнання з ура;
хуванням початкової вологості, частки вільної
теплоти десорбції зв’язаної вологи.
Отримані матеріали дозволили внести корек;
тиви в технологічний процес низькотемператур;
ного зневоднення і розбити його на п’ять етапів:
1. Стартовий прогрів матеріалу сушильним
агентом до досягнення максимально допустимої
температури.
2. Інтенсивне вилучення вільної вологи з ма;
теріалу з використанням теплонасосного агрега;
ту при максимально допустимих температурах і
вологості сушильного агента.
3. Режим зневоднення матеріалу при поступо;
вому, керованому зниженні вологовмісту су;
шильного агента.
4. Досушка матеріалу при мінімально досяж;
ному вологовмісті сушильного агента.
5. Витримка зневодненого матеріалу при його
обдуві повітрям з заданим вологовмістом і темпе;
ратурою.
Для кожного з п’яти станів експериментально
визначено оптимальні швидкість руху тепло;
носія, температура та вологовміст сушильного
агента, а також тривалість сушіння.
Для більшості зразків продукції, що зневод;
нюється (буряк, морква, яблука, соєво;морквя;
ний концентрат, лікарські рослини), діапазон оп;
тимальних параметрів процесу зневоднення на;
ведено у таблиці.
На рис. 3 представлені криві сушіння шма;
точків яблук в режимі зі сталими температурою та
швидкістю сушильного агента і регульованим во;
логовмістом (t = 50 оС, v = 1 м/с) з запропонова;
ним режимом зневоднення, етапи якого вказані в
таблиці. При практично однаковій тривалості
зневоднення якість кінцевого продукту за органо;
лептичними показниками була значно вищою в
теплонасосній сушарці в порівнянні з високотем;
пературною конвективною сушаркою з теплоге;
нератором. Крім того, енерговитрати на процес
зневоднення скоротилися на 15 %. Слід також
відзначити, що тривалість зневоднення, (див.
табл. характеризує конкретну сушарку з співвідно;
шенням встановленої холодопродуктивності теп;
лового насосу та стартового електронагрівача до
початкової маси продукту 1 кВт на 25 кг маси.
За результатами науково;дослідних робіт в ІТТФ
НАН України створено кілька зразків теплонасос;
них сушарок, які пройшли успішні випробування та
підтвердили анонсовані техніко;економічні показ;
ники. На рис. 4 і 5 представлено теплонасосну су;
шильну шафу з продуктивністю 4 кг/год по вилу;
ченій волозі та зерносушарку для насіннєвого зерна.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 109
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Та б л и ц я . Оптимальні параметри процесу низькотемпературного зневоднення рослинної сировини
Результати теоретичних та експериментальних
досліджень процесів теплонасосного сушіння
використані при створенні системи осушення
повітря в конвективній сушильній установці,
розрахованій на експлуатацію в кліматичних
умовах півдня В’єтнаму, де середньорічна темпе;
ратура повітря становить 32 оС при вологості
95 %. Установка призначена для сушіння 450 кг
за годину тропічних фруктів до вологості 6 % з
метою одержання з висушеного матеріалу харчо;
вих порошків. Сушарка тунельного типу має чо;
тири робочі зони, в кожній зоні підтримуються
свої тепловологісні параметри сушильного аген;
та. Перші три зони працюють за традиційною
схемою з викидом вологого повітря та піджив;
ленням свіжого з атмосфери. Четверта зона має
замкнутий контур циркуляції з теплонасосною
системою осушування повітря. В зоні підтри;
мується температура близько 60 оС і вологовміст
сушильного агента 20 г/кг сухого повітря, що на
10 г/кг нижче, ніж в навколишньому середовищі.
ЛІТЕРАТУРА
1. T. Kudra, Arun S. Mujumdar. Advanced
Drying Technologies. – 2001. – 472 p.
2. Alves#Filho, O., Strommen, I. The Application
of Heat Pump in Drying of Biomaterials. – Drying
Technology. – 1996. – 14 (9) – pp. 2061–2090.
3. Чалаев Д.М., Дабижа Н.А., Шаврин В.С.,
Хавин А.А. Оптимизация режимов работы тепло;
насосной конденсационной сушильной установ;
ки // Труды 1;й Междунар. научн.;практ. конф.
“Современные энергосберегающие тепловые тех;
нологии (сушка и термовлажностная обработка
материалов) – СЭТТ”. – Т. 4. – М.: МГАУ, 2002. –
С. 234–236.
4. Снежкин Ю.Ф., Чалаев Д.М., Дабижа Н.А.
Обезвоживание коллоидных капиллярно;порис;
тых материалов в условиях высоковлажной окру;
жающей среды // Труды V Минского междуна;
родного форума по тепломассообмену. – Минск:
ГНУ “ИТМО им. Лыкова” НАНБ, 2004. – 11 c.
Получено 16.03.2006 г.
110 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рис. 3. Крива зневоднення яблук.
Рис. 4. Теплонасосна сушильна шафа з
продуктивністю 4 кг/год по вилученій волозі.
Рис. 5. Зерносушарка для насіннєвого зерна.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61397 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-30T13:24:21Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Снєжкін, Ю.Ф. Чалаєв, Д.М. Шаврін, В.С. Шапар, Р.О. Хавін, О.О. Дабіжа, Н.О. 2014-05-04T21:11:23Z 2014-05-04T21:11:23Z 2006 Використання теплових насосів у процесах сушіння / Ю.Ф. Снєжкін, Д.М. Чалаєв, В.С. Шаврін, Р.О. Шапар, О.О. Хавін, Н.О. Дабіжа // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 2. — С. 106-110. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61397 664.8.72 Представлены результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов обезвоживания термолабильных материалов в замкнутом циркуляционном контуре с принудительным осушением сушильного агента и с применением парокомпрессионного теплонасосного оборудования. Наведено результати аналітичних та експериментальних досліджень процесів зневоднення термолабільних матеріалів у замкнутому циркуляційному контурі з примусовим осушуванням сушильного агента та застосуванням парокомпресійного теплонасосного обладнання. We describe the results of analytical and experimental investigations into the process of dehydration of thermosensitive materials in a closed circulation loop with forced dehumidification of the drying agent and using vapor-compression heat-pump systems. uk Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Энергосбережение Використання теплових насосів у процесах сушіння Application of heat pumps in drying processes Article published earlier |
| spellingShingle | Використання теплових насосів у процесах сушіння Снєжкін, Ю.Ф. Чалаєв, Д.М. Шаврін, В.С. Шапар, Р.О. Хавін, О.О. Дабіжа, Н.О. Энергосбережение |
| title | Використання теплових насосів у процесах сушіння |
| title_alt | Application of heat pumps in drying processes |
| title_full | Використання теплових насосів у процесах сушіння |
| title_fullStr | Використання теплових насосів у процесах сушіння |
| title_full_unstemmed | Використання теплових насосів у процесах сушіння |
| title_short | Використання теплових насосів у процесах сушіння |
| title_sort | використання теплових насосів у процесах сушіння |
| topic | Энергосбережение |
| topic_facet | Энергосбережение |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61397 |
| work_keys_str_mv | AT snêžkínûf vikoristannâteplovihnasosívuprocesahsušínnâ AT čalaêvdm vikoristannâteplovihnasosívuprocesahsušínnâ AT šavrínvs vikoristannâteplovihnasosívuprocesahsušínnâ AT šaparro vikoristannâteplovihnasosívuprocesahsušínnâ AT havínoo vikoristannâteplovihnasosívuprocesahsušínnâ AT dabížano vikoristannâteplovihnasosívuprocesahsušínnâ AT snêžkínûf applicationofheatpumpsindryingprocesses AT čalaêvdm applicationofheatpumpsindryingprocesses AT šavrínvs applicationofheatpumpsindryingprocesses AT šaparro applicationofheatpumpsindryingprocesses AT havínoo applicationofheatpumpsindryingprocesses AT dabížano applicationofheatpumpsindryingprocesses |