Проблемы энергосбережения при утилизации теплоты вентиляционных выбросов в рекуперативном теплообменнике

Вентиляционные выбросы, исходящие из вытяжной вентиляции плодоовощехранилищ содержит заметное количество избыточной по отношению к окружающей среды тепловой энергии. Однако, из–за недостаточного температурного напора вопросы утилизации этой энергии практически не рассматривались. Тепловые выбросы вытяжных вентиляционных систем плодоовощехранилищ характеризуются высокой влажностью и значительным тепловым потенциалом по отношению к атмосферному воздуху. Для холодильной камеры строительным объемом 180 м³ при хранении яблок зимних сортов тепловой потенциал вентиляционных выбросов оценивается значением 1,7·10⁴ МВт·ч/год. Эта энергия безвозвратно теряется при выбросы вентиляционного воздуха в атмосферу.В связи с растущим дефицитом энергоресурсов и обострением проблемы охраны окружающей среды в настоящее время вопрос об использования низкопотенциальной сбросной телоты вентиляционных потоков в плодоовощехранилищах является актуальной проблемой.

В холодильных камерах главной задачей холодильной установки является охлаждение внутреннего воздуха. При охлаждении холодильной камеры теплота вентиляционных выбросов, которых состоит от трансмиссионных теплопритоков и теплоты «дыхания» продуктов удаляется из камеры холодильном агентом. Однако, в любом холодильном цикле теплота конденсации холодильного агента в конденсаторе сбрасывается при температуре выше окружающей среды. Обычно это тепло сбрасывается в специально сооружаемых градирнях при вынужденном охлаждении и безвозвратно теряется в атмосфере. Эту теплоту можно использовать для отопления, предварительного нагрева воды, сушку продуктов перед хранением и т.п [1].

В плодоовощехранилищах комбинированное охлаждение и нагревание с использованием теплонасосной установки (ТНУ) дает заметный экономический эффект, так как сбрасываемой тепло в конденсаторе полезно используется для получения горячей воды с температурой 50 – 60 ^оС. Нами разработана система теплохладоснабжения овощехранилище с ТНУ [2]. В модифицированной установке конденсатор – рекуперативный теплообменник обеспечивает нагрев воды с использованием тепловых выбросов в холодильном цикле. В предложенной системе теплохладоснабжения овощехранилище ТНУ одновременно охлаждает камеры и подогревает воды в конденсаторном узле. Конденсатор 4 установки расположен внутри теплоизолированного водяного бака 6, что обеспечивает нагрев воды для технологических и бытовых нужд овощехранилище (рис. 1).

Рис. 1. Схема использования теплоты вентиляционных выбросов и отходного тепла конденсатора ТНУ с одновременным охлаждением холодильной камеры. 1–вентиляционные выбросы; 2–испаритель ТНУ; 3–компрессор; 4–конденсатор ТНУ; 5–регулирующий вентиль; 6–теплоизолированный водяной бак; 7 – холодильная камера.

Предложенная система теплохладоснабжения отличается наличием возможностью охлаждения камеры и одновременного нагрева воды для технологических нужд, увлажнение приточного воздуха, а также утилизации теплоты вентиляционных выбросов и теплоты «дыхания» продуктов в баке - аккумуляторе.

В режиме охлаждение камеры емкостью 24 т яблок зимних сортов в природно–климатических условиях г. Карши тепловая нагрузка на испаритель ТНУ составляет 25 кВт, одновременно 31,9 кВт тепла от конденсатора используется для нагрева воды от 18 до 60 ^оС в баке – аккумуляторе.

В режиме охлаждения камеры количество подогретой воды в конденсаторе ТНУ при ∆t=42 ^оС можно определить по формуле:

(1)

где Q_к – тепловой поток от конденсатора, Вт; С_рв – теплоемкость воды, Дж/(кг·К); t_в1 – температура холодной воды, ^оС; t_в2 – температура горячей воды, ^оС.

Использование Q_к =31,9 кВт сбрасываемого тепло для подогрева воды в конденсаторе позволяет сэкономить за час условного топлива. Количества подогретой воды за сутки составит – 15,6 м³, а экономия условного топлива 96 кг. Таким образом, в период хранения за счет одновременного нагрева воды в баке – аккумуляторе с утилизацией теплоты вентиляционных выбросов можно сэкономить 17,28 т условного топлива, или 14068 м³ природного газа. В существующих плодоовощехранилищах горячая вода для бытовых и технологических нужд получают обычными электронагревателями сопротивления. При коэффициенте преобразования тепла ТНУ φ=3,0 три раза снизит расход электроэнергии на нагревании воды по сравнение с обычными электронагревателями сопротивления. Для определения экономии электроэнергии за счет нагрева воды конденсатором ТНУ находим потребную электрическую мощность электронагревателя при заданной тепловой нагрузки [3].

(2)

где η=0,95 – коэффициент, учитывающий потери энергии [4].

Таким образом, экономия электроэнергии за счет нагрева воды конденсатором ТНУ с использованием тепловых выбросов составляет W=33,6 кВт/ч.

Полученная горячая вода используется для бытовых и технологических нужд овощехранилищ. По нормативным требованиям для опытного овощехранилища ХК – 180 расход горячей воды с температурой не ниже 55 ^оС на бытовые нужды составляет 180 – 200 л/сут [5]. Подогретая вода также используется на технологические нужды овощехранилище и доувлажнения воздуха для поддержания оптимального влажностного режима холодильной камеры.

Создания оптимального влажностного режима в холодильных камерах является сложным процессом, который требуется увлажнения воздуха водой или паром. Доувлажнение воздуха паром требуют большие энергетические затраты, кроме этого при обработке воздуха паром повышается его температура, что нежелательно особенно в режиме охлаждение камеры. Искусственное увлажнение воздуха водой в период охлаждения целесообразно, особенно в южных районах. В разработанной системе теплохладоснабжения с ТНУ в режиме охлаждения камеры теплота конденсации холодильного агента и теплота утилизации вентиляционных выбросов используется в баке – аккумуляторе для подогрева воды в системе увлажнение воздуха. Использование низкопотенциальной теплоты вентиляционных выбросов и теплоты дыхания продуктов позволяет сэкономить первичную энергию по сравнению с паровым увлажнением воздуха.

Проведенные исследование показывают что вода, подогретая до 40 – 50 ^оС в процессе разбрызгивание полностью, без остатка поглощается воздухом, что позволяет экономии воды на увлажнении. В существующих системах доувлажнение воздуха в основном применяются электрические нагревательные установки. Определяем расход воды необходимую подавать в камеру для поддержания требуемой влажности воздуха и произведем расчет оборудований увлажнения воздуха по следующей методике [6].

Площадь поверхности хранящихся в камере яблок можно найти по формуле

(3)

где – емкость камеры хранения; ρ – плотность яблок, кг/м³ (ρ=960 кг/м³); d – диаметр яблок, м (d=0,06 м).

Тогда .

Теплопередающую площадь поверхности воздухоохладителя при расчете по укрупненным показателям можно найти из зависимости

(4)

где α_п – оснащенность камеры хранения воздухоохладителями, м²/м² [для камер хранения фруктовых холодильников при малом температурном перепаде между воздухом в камере и температурой кипения (∆t=4÷6 ^oC) α_п=2,0 м²/м²].

Тогда

Принимаем к установке один воздухоохладитель ВОП – 150.

Равновесную относительную влажность воздуха φ_к′, устанавливающуюся в камере при влагопритоке, который поступает только с площади поверхности продуктов, можно определить по формуле [6]:

(5)

где - постоянная величина (для камер хранения =1,246).

Соотношение , определяемое зависимостью, имеет вид

(6)

Здесь β_и, β₀ – коэффициенты соответственно испарения с площади поверхности продуктов [для упакованных в тару яблок β_и=0,416·10^-9 кг/(м²·с·Па)] и конденсации влаги на площади поверхности охлаждающих приборов [для воздухоохладителей из оребренных труб β₀=26·10^-9 кг/(м²·с·Па)], кг/(м²·с·Па).

Находим численное значение

Минимальную относительную влажность воздуха в камере при отсутствии в ней влагопритоков определяют по формуле

(7)

где - давление насыщенного водяного пара у площади поверхности охлаждающих приборов, Па [при средней температуре площади поверхности охлаждающих приборов (воздухоохладителя) = –5 ^оС =421,2 Па]; - давление насыщенного водяного пара в воздухе, Па (при = 0 ^оС =610,5 Па).

Находим , или 69%.

Тогда равновесная относительная влажность воздуха , или 83 %.

Равновесная относительная влажность (φ′_к=83 %) меньше, необходимая относительная влажность (φ_к=92 %), что требует искусственного увлажнения воздуха.

Массу воды, которую необходимо подавать в камеру для поддержания влажности, можно найти из выражения [7]

(8)

Необходимое число увлажнителя воздуха

где g_у – расход воды на одну форсунку, g_у = 2 кг/ч.

Принимаем к установке один пневмоводораспылительную форсунку.

При активном вентилировании необходимо также доувлажнение приточного воздуха. Расход воды на доувлажнение W′(кг/ч) определяется по формуле:

(9)

где G – требуемый расход воздуха, кг/ч; d_п – влагосодержание воздуха после поглощения избытков тепла, г/кг; d_д – влагосодержание воздуха после доувлажнения, г/кг.

При активном вентилирование 24 т яблок удельный расход воздуха G=70–100 м³/(т·ч), ∆d = 2,2 г/кг, расходы воды на доувлажнение составляет W′=6,8 кг/ч. С учетом активной вентиляции необходимое количества увлажнителей (6,8+0,91=7,71 кг/ч) составляет 4 шт.

По результатам исследований и расчетов можно сделать вывод, что теплонасосная утилизация теплоты вентиляционных выбросов позволяет полностью обеспечивать потребности горячей воды для бытовых и технологических нужд овощехранилище. При этом расход воды на увлажнение воздуха уменьшается 1,3 – 1,5 раза.

Литература:

1. Рей. Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.

2. Узаков Г.Н. Энергосберегающая система увлажнения воздуха в малом овощехранилище. //Вестник ТашГТУ, 2010. –№ 3. –с. 32 – 36.

3. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. – М.: Энергоиздат, 1981. – 336 с.

4. Елистратов П. С. Электрооборудование овощехранилищ. Справочник. – М.: Агропромиздат, 1989. – 201 с.

5. Апарцев М.М. Накладка водяных систем централизованного теплоснабжения: Справочно-методическое пособие. –М.: Энергоатомиздат, 1983. – 204 с.

6. Голянд М.М. Сборник примеров расчетов и лабораторных работ по курсу «Холодильное технологическое оборудование». – М.: Легкая и пищевая промыщленность, 1981. – 168 с.