Применение солнечного коллектора для сушки хлопка-сырца



В современных условиях для развития техники и технологии первичной переработки хлопка первостепенное значение приобретают вопросы, связанные со снижением производственных затрат на выработку продукции, повышением ее качества и конкурентоспособности на мировом рынке. Для достижения нормативных показателей на волокно на хлопкозаводах необходимо совершенствовать технологию подготовки хлопка-сырца к джинированию, с учетом специфических свойств селекционных разновидностей хлопка.

В последние годы в хлопкоочистительной промышленности из-за нарушений технологии переработки хлопка-сырца на хлопкозаводах, неисправного состояния сушильных и топочных агрегатов, очистителей хлопка и другого основного и вспомогательного оборудования вырабатывается волокно невысокого качества. Наблюдается переход волокна в низшие классы, и оно реализуется по сниженным классам и соответственно по низким ценам.

В настоящее время влияние сушки и очистки на кинетику засоренности, на структуру хлопка-сырца, на механизм порокообразования волокна по технологическим процессам и кинетику изменения цвета волокна мало изучены. Необходима гибкая технология подготовки хлопка-сырца к джинированию, пригодная для перерабатываемых различных селекционных сортов хлопка [2].

Разработка и внедрение инновационных технологий в различные отрасли производства открывает большие перспективы росту экономики. Необходимо подчеркнуть, что при переработке сельхозпродуктов до настоящего времени используется энергоемкие и дорогостоящие технологии, которые приводят к повышению себестоимости, а зачастую и снижения качества целевых продуктов.

Например, при сушке хлопка-сырца традиционно используется конвективная сушка, в котором применяется способ нагревания воздуха с помощью сжигания жидких видов топлива. Существенными недостатками данной технологии является, во-первых, сжигание дорогостоящего топлива, во-вторых, нарушение экологии, в-третьих, низкий коэффициент полезного действия процесса. Кроме того, для транспортировки сырья в процессе сушки необходимо использовать также в относительно больших объемах электроэнергию. По традиционной технологии обычно транспортировка хлопка-сырца осуществляется в трубе, где в качестве активного элемента используется шнек. Это не только создает высокое трение между хлопком-сырцом и соприкасающимися деталями и стенками трубы, но и приводит к резкому увеличению потребления электрической энергии для преодоления сопротивления, а также снижает качество целевого продукта, так как при этом наблюдается смятие, разрыв волокон, повреждение семян и др. Кроме того, трудно достичь низкой влажности конечного продукта, что приводит к развитию бактерий вызывающих резкое снижение качества хлопка-сырца при хранении, а также опасность его возгорания за счет саморазогрева.

Технология сушки влажных материалов, в частности термообработки хлопка-сырца, требует создания эффективных ресурсосберегающих и энергосберегающих, экологически безопасных устройств. Для этого необходимо разработать новые теплообразователи, имеющие ряд преимуществ перед ранее известными. Они должны обладать возможностью регулирования температуры сушильного агента с комплексом устройств, работающих с экологически чистым теплоносителем. Решение данной проблемы, является актуальной задачей.

Ежегодно во всем мире изготавливается около 20 млн тонн хлопка-сырца. В результате получают примерно 6,5–7 % млн тонн хлопкового волокна. Для переработки требуется 8–10 месяцев в году. Поэтому качественное хранение и переработка хлопка-сырца являются основными факторами. При переработке хлопка-сырца для получения более эффективного и качественного волокна их влажность должна быть в пределах 8–9 % [1]. Обычно, первый сорт хлопка-сырца имеет 9–11 % влажности. Поэтому перед джинированием необходимо влажность хлопка-сырца уменьшить до 8–9 %. В настоящее время на применяемых на хлопкоперерабатывающих заводах сушильных барабанах типа 2СБ-10, СБТ, СБО при сушке волокна высшего качества снижаются характеристики некоторых величин. В результате в последующих технологических процессах сортность волокна на 25 % снижается из-за механического воздействия, растрачивается много энергии, теряется цвет волокна, а также происходит скручивание волокна, ухудшается микроструктура волокна.

Основными недостатками барабанных сушилок типа 2СБ-10 и СБО, СБТ являются: низкий влагоотбор, жесткий температурный режим сушки (до 280 ⁰С), появление зажгученности хлопка, повреждения волокон и семян, неравномерное распределение хлопка-сырца по объему камеры барабана, малая удельная площадь тепловоспринимающей поверхности хлопка-сырца при его падении с лопастей и др.

Практика работы барабанных хлопковых сушилок показывает, что при существующих конструкциях внутренних устройств и в случае переработки влажных и, особенно, низких сортов хлопка-сырца возможно образование огромных жгутов из волокна, иногда похожих на веревки и канаты.

Сушка влажных материалов не только тепловой-технический процесс, но и является технологическим процессом, в котором изменяются свойства сырца, в частности улучшаются его природные свойства. Процесс сушки является взаимосвязанным и одновременно происходящими комплексным процессом, который вмещает в себя теплопередачу материалу от сушильного агента и передачу влажности обратно сушильному агенту, т. е. влага материалов в результате теплообмена перемещается в направлении, противоположном потоку влажного тепла.

В настоящее время сушка хлопка-сырца осуществляется природным газом, керосином и углеводородным топливом с участием атмосферного воздуха.

В этой связи возникла существенная необходимость подробно изучить работу барабанных сушилок с целью установления влияния факторов на происходящий в них процесс и на основе этого определить дальнейшие пути повышения эффективности сушки.

Д.т.н. Х. И. Иброгимовым в 2009 году в Костромском государственном технологическом университете выполнены исследования по совершенствованию сушильных процессов хлопка. Иброгимов считает, что они должны сопровождаться:

– разделением объемов падающих с лопастей комков хлопка;

– увеличением удельных площадей их тепловоспринимающих поверхностей;

– эффективным использованием камеры барабана и теплоносителя.

Выбор метода сушки определяется масштабом производства, климатическими особенностями местности, видом высушиваемого материала и стоимостью дополнительной энергии. Подвод теплоты к материалу от сушильного агента может осуществляться конвективным путем или путем излучения, соответственно различают конвективные и радиационные сушилки. Во-первых, продукт контактирует с воздухом, нагретым солнечной энергией, во-вторых, продукт непосредственно облучается Солнцем, температура в сушилках этого типа достигает 90...95°С. Могут также применяться комбинированные сушилки, в которых участвуют оба вида теплообмена, но преобладает конвекция, а установка состоит из воздухонагревателя и сушильной камеры с прозрачными стенками. Применение солнечных установок повышает эффективность сушки и уменьшает потери продукта. Существенно сокращается время сушки и улучшается качество продукта.

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Различают два типа солнечных коллекторов — плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации.

Для сушки хлопка-сырца в барабанной сушилке предлагается использоват плоский коллектор солнечной энергии. Для того чтобы изготовить плоский коллектор солнечной энергии, необходима прежде всего лучепоглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с рядом сушильного барабана для движения нагреваемого теплоносителя. Плоской лучепоглощающей поверхности сушильного барабана для теплоносителя образует единый конструктивный элемент — абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера окрашивается в черный цвет и имееть специальное поглощающее покрытие. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе, не превышает 100 °С. Преимущества плоского коллектор солнечной энергии по сравнению с коллекторами других типов — это его способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого — возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем. Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии изготавливается из металла с высокой теплопроводимостью.

У предлагаемой конструкции корпус теплового коллектора и его внутреннее пространство постоянно нагреты до температуры 90–95 ºС от прямого и отраженного от концентратора солнечного излучения.

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень. Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре — январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально, для обеспечения теплопотребления необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а избыток накапливать в аккумуляторе теплоты.

Поток воздуха, поступающий в коллектор, соприкасается с нагретой поверхностью коллектора и воспринимает тепло от неё. При этом происходит конвективный процесс теплообмена. Упрощенная методика, расчета изменения температуры потока воздуха

где и температура коллектора и воздуха °С; площадь поверхности теплообмена м²; коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности коллектора воздуха, Вт/(м² °С); время передачи теплоты от поверхности коллектора к воздуху, ч.

Количество теплоты, отдаваемой в течение часа на участке длиной,

где периметр коллектора на участке длиной.

При этом температура воздуха изменяется на . Количество теплоты, воспринимаемой воздухом,

где масса воздуха, кг; теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг °С).

Таким образом, применение солнечного коллектора в устройствах сушки хлопка позволяет снизить расход электроэнергии более, чем в 2‑3 раза; исключить сжигание жидкого топлива; значительно упростить технологию; повысить надежность оборудования и значительно снизить его материалоемкость.

Литература:

1. Шайхов Э. Т., Нормухамедов Н. и др. Хлопководство. Ташкент: Мехнат, 1990. 284 с.
2. Иброгимов Х. И. Совершенствование конструкции барабанной сушилки для хлопка-сырца / Х. И. Иброгимов // материалы Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «ДНИ НАУКИ — 2009»: СПбГУТиД. — СПб. 2009.