Возможности использования тепловых насосов в процессе сушки

Е. В. Романова, А. Ю. Орлов

Кафедра «Химическая инженерия», ГОУ ВПО «ТГТУ» представлена членом редколлегии профессором Н. Ц. Гатаповой

В современных условиях при быстром удорожании энергоносителей, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственнохозяйственной деятельности предприятий. Одним из самых энергоемких процессов является тепловая сушка. Особенное значение данный технологический процесс приобретает в условиях, когда необходимо сохранение определенных свойств высушиваемого материала (красители, фарми биопрепараты и др.). Но даже при высоких издержках рассматриваемого процесса не удается избежать низкого качества высушиваемого материала, поскольку на предприятиях зачастую работают морально и физически устаревшие конструкции сушильных установок, в то время как в рыночных условиях предприятие должно особое внимание уделять качеству конечного продукта.

Одним из способов, позволяющих существенно снизить эксплуатационные затраты процесса сушки и получить высококачественный продукт, является технология сушки с тепловым насосом (ТН).

Тепловой насос представляет собой устройство, реализующее процесс переноса низкотемпературной теплоты, не пригодной для прямого использования, на более высокотемпературный уровень. Иными словами, тепловые насосы являются трансформаторами теплоты, в которых рабочие тела совершают обратный термодинамический цикл, перенося теплоту с низкого температурного уровня на высокий. Таким образом из низкопотенциальной теплоты различного происхождения (природной возобновляемой теплоты грунтовых и поверхностных вод, теплоты грунта, атмосферного воздуха, а также сбросной техногенной теплоты технологических процессов промышленных производств, сточных вод биологических и других очистных сооружений) с температурой 0…50 °С вырабатывается тепло [1]. При этом количество получаемой полезной тепловой энергии среднего потенциала, за исключением потерь, равно сумме тепловых энергий низкого и высокого потенциалов, что обуславливает энергетическую и, как следствие, экономическую и экологическую эффективность тепловых насосов.

Существуют следующие типы тепловых насосов:

• парокомпрессионные;

• абсорбционные;

• адсорбционные

• гидридные;

• химические;

• термоэлектрические.

Массовое распространение пока получили парокомпрессионные тепловые насосы с электроприводом компрессора. Постоянно совершенствуются тепловые насосы абсорбционного типа, расширяется область их внедрения. В последние годы активизировались исследования адсорбционных тепловых насосов на твердых сорбентах.

Принцип работы компрессионных тепловых насосов (воздушно-компрессионных и парокомпрессионных) основан на последовательном осуществлении расширения и сжатия рабочего тела.

На рис. 1 показана принципиальная схема компрессионного теплового насоса для использования низкопотенциальной тепловой энергии удаляемого из сушильной установки (СУ) воздуха. Пары рабочего тела (хладагента) засасываются из испарителя 1 компрессором 4, подвергаются сжатию и подаются в конденсатор 3. При сжатии возрастают температура и давление паров. В конденсаторе 3 при конденсации паров выделяется теплота, которая отводится. Из конденсатора сжиженное рабочее тело через регулирующий вентиль – дроссель 2 при снижении давления поступает в испаритель 1, где испаряется. Низкопотенциальная теплота подводится в испарителе, например, от воздуха или воды.

Схема применения теплового насоса в СУ показана на рис. 2. Отработавший воздух из СУ проходит через испаритель теплового насоса, где он охлаждается, отдавая теплоту рабочему телу. Содержащаяся в воздухе влага конденсируется и выводится из системы. Для нагревания воздуха используется теплота, эквивалентная теплоте, приобретенной в испарителе, и работе сжатия в компрессоре.

В сорбционных (абсорбционных и адсорбционных) тепловых насосах осуществляются последовательные термохимические процессы поглощения (сорбции) рабочего тела сорбентом, что сопровождается выделением теплоты, а затем выделения (десорбции) рабочего тела из сорбента с поглощением теплоты.

В абсорбционных тепловых насосах используется явление абсорбции паров низкотемпературных жидкостей пленками высокотемпературных жидкостей. На практике наибольшее распространение получили пары Н2О/LiBr, используемые в системах кондиционирования, и NH3/H2O, используемые в холодильной технике.

На рис. 3 принципиальная схема абсорбционного цикла сопоставлена с компрессионной.

Абсорбционный тепловой насос содержит испаритель и конденсатор, которые работают так же, как в парокомпрессионном цикле. Теплота подводится к испарителю, вызывая кипение хладагента при низком давлении. Полезное тепло отводится от конденсатора, внутри которого происходит конденсация при высоком давлении. Однако в абсорбционном цикле используется дополнительный контур, в котором течет жидкий абсорбент (растворитель). Испарившийся хладагент поглощается жидкостью при низком давлении. Затем жидкость специальным насосом перекачивается в область высокого давления, где происходит подвод тепла, и, несмотря на высокое давление, пары хладагента выделяются из жидкости. Поскольку смесь жидкого абсорбента и хладагента практически несжимаема, затраты мощности на насос пренебрежимо малы, и источником первичной энергии является только теплота, подводимая к генератору пара, который всегда имеет максимальную температуру цикла [3].

Наиболее термодинамически совершенными являются парокомпрессионные машины, особенно с приводом от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Это связано с тем, что подвод низкопотенциального тепла, определяющий эффективность работы теплового насоса, у парокомпрессионного теплового насоса осуществляется при фазовом переходе (испарении) рабочего тела, а в абсорбционном тепловом насосе подвод низкопотенциального тепла лимитируется изменением концентрации рабочего тела в абсорбере [4].

Однако тепловые насосы с приводом от ДВС более сложны в изготовлении и, соответственно, более дороги. Кроме того, ресурс работы их меньше. Этот недостаток присущ всем типам парокомпрессионных тепловых насосов.

Абсорбционные тепловые насосы, представляющие собой по сути теплообменник, не имеют вращающихся и высоконапряженных деталей, поэтому их ресурс работы, определяемый исключительно коррозионной стойкостью конструкционных материалов, выше, чем парокомпрессионных тепловых насосов. Абсорбционные тепловые насосы позволяют получать более высокотемпературное тепло, например, воду с температурой выше 100 °С или пар, что трудноосуществимо в парокомпрессионных тепловых насосах.

Недостатком абсорбционных тепловых насосов является их чувствительность к влиянию силы тяжести, необходимость применения электрических насосов для перекачки жидкости, явление кристаллизации раствора LiBr в воде при повышенных температурах.

Из литературных источников известно о применении абсорбционных ТН в процессе сушки. Так, в работе [5] рассматривается сушка древесных опилок с абсорбционным ТН. Авторы пришли к выводу, что одноступенчатый абсорбционный ТН может быть реализован только при температуре сушильного агента ниже 60 °С. Для более высоких температур необходимо использовать двухступенчатую схему, но ее применение значительно усложняет установку и ухудшает энергетические показатели.

Металлоемкость установки наряду с энергетическими показателями является одной из важнейших характеристик, так как от нее зависит стоимость оборудования и, следовательно, технико-экономическая целесообразность того или иного варианта. Как показывают расчеты [6], даже одноступенчатые абсорбционные установки оказываются более металлоемкими, чем компрессионные.

Принцип работы адсорбционных ТН основан на явлении адсорбции паров жидкости твердыми телами (сорбентами). Схема адсорбционного теплового насоса, состоящего из двух адсорберов с системой терморегулирования и утилизацией теплоты (тепловые трубы), показана на рис. 4 [7].

Наиболее широкое применение в качестве сорбентов получили активированные угли, цеолиты и силикагели. В последние годы рассматриваются возможности использования силикагелей совместно с солями металлов. Большой интерес при создании тепловых насосов представляют активированный уголь и аммиак, а также активированное углеволокно и аммиак, цеолит и вода [7].

Простейший тепловой насос содержит один адсорбер, испаритель, конденсатор и вентили. Эффективность его работы (СОР) зависит от особенностей конструкции и выбранной пары сорбат (жидкость)/сорбент (твердое тело).

Преимуществом адсорбционных тепловых насосов по сравнению с абсорбционными является возможность их использования в широком диапазоне температуры, нечувствительность к силе тяжести (что особенно важно при использовании тепловых насосов на транспорте).

Недостатком адсорбционных тепловых насосов является периодичность их работы (требуется периодический процесс нагрева/охлаждения сорбента), приводящий к затратам дополнительной энергии на нагрев/охлаждение не только сорбента, но и корпуса адсорбера. Низкая теплопроводность пористого материала замедляет процесс нестационарного нагрева/охлаждения, увеличивает время цикла, уменьшает СОР теплового насоса. Применение способа конвективного нагрева/охлаждения сорбента ускоряет цикл в тепловом насосе и решает эту проблему.

Большой комплекс работ по разработке сорбционных машин выполнен с 1991 г. в лаборатории пористых сред Института теплои массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси. Особенностями выполненных работ являются применение новых сорбентов на основе активированного волокнистого угольного материала «Бусофит» и использование для нагрева и охлаждения адсорберов тепловых труб.

Тепловые трубы были выбраны как теплопередающие устройства, способные транспортировать большие тепловые потоки при малых температурных перепадах и обеспечить быстрый нагрев сорбента в адсорбере при нестационарных режимах благодаря высокой интенсивности теплообмена внутри тепловой трубы (103…105 Вт/(м·К)). Они легко монтируются внутри сорбента и имеют малую массу.

Разработки ТН ведутся также Институтом катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН, создан лабораторный прототип адсорбционного теплового насоса, разрабатываются новые высокоэффективные сорбенты.

К тепловым насосам на твердых сорбентах также относятся водородные тепловые насосы, в которых в качестве сорбентов применяются гидриды металлов LaNi₄ Al_0.52 Мn_0.37 – Ti_0.99 Zr_0.01 V_0.43 Fe_0.09 Cr_0.05 Mn_1.5 и др.

Рабочим телом гидридных ТН является обратимо циркулирующий водород.

При сорбции водорода выделяется теплота, при его десорбции поглощается теплота из окружающей среды (генерируется холод). Диапазон температур таких ТН находится в пределах –50…200 °С.

Наибольших успехов в настоящее время в этом направлении добились японские ученые, причем основным направлением опытно-конструкторских работ является создание холода. В работе [8] приведены математические модели четырех вариантов устройств ТН: три из них предназначены для получения холода и одно – для получения тепла.

Водородные тепловые насосы обладают высокой термодинамической эффективностью, обеспечивают широкий диапазон изменения температуры, однако они требуют обеспечения высокого уровня надежности эксплуатации и относительно дороги.

Практическое применение ТН на твердых сорбентах:

• отопление;

• транспорт;

• системы охлаждения электроники.

Рассматривается возможность применения адсорбционного ТН для сушки. Одной из альтернатив парокомпрессионных ТН является химический ТН.

Химический ТН может хранить тепловую энергию в виде химической энергии, выделяющейся при экзотермической реакции. Химические ТН используют только тепловую энергию и не дают загрязняющих выбросов, что существенно отличает их от механических ТН. В работе [9] из многочисленных химических реакций

была выбрана реакция гидратации/дегидратации CaO/Ca(OH)₂ как наиболее приемлемая для экспериментов и моделирования химического ТН. Исходя из полученных результатов была предложена концепция сушилки с химическим ТН. Энергетическая эффективность сушилки с химическим ТН оказалась намного выше по сравнению с конвективной сушилкой. Особенности сушки с химическим ТН зависят от выбранной химической реакции, а также от режима работы. Необходимы дальнейшие детальные теоретические и экспериментальные исследования для изучения потенциала сушки с химическим ТН, так как полученные результаты базируются на упрощенном анализе [9].

Принцип действия термоэлектрических тепловых насосов основан на эффекте Пельтье, то есть на выделении и поглощении теплоты в спаях термопарных цепей при прохождении через них электрического тока. В Воронежской государственной технологической академии была разработана сублимационная сушилка с термоэлектрическими элементами, проведен теоретический анализ эффективности применения термоэлектрических модулей в установках сублимационной сушки и выбраны оптимальные режимы их работы, получен патент на вакуумсублимационную сушилку с термоэлектрическими модулями [10].

Эффективность и целесообразность применения каждого вида теплонасосного оборудования (абсорбционного, парокомпрессионного и др.) зависит от конкретных условий и требует технико-экономического анализа с учетом различных принципов работы оборудования, обуславливающих разные энергозатраты и разную себестоимость единицы получаемого тепла. В каждом отдельном случае следует рассчитывать конкретную экономическую и энергетическую выгоду и эксплуатационные затраты.

Список литературы

1. Горшков, В.Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор / В.Г Горшков // Справ. пром. оборудования. – 2004. – № 2. – С. 47–80.

2. Данилов, О.Л. Экономия энергии при тепловой сушке / О.Л. Данилов, Б.И. Леончик. – М. : Энергоатомиздат, 1986. – 136 с.

3. Рей, Д. Тепловые насосы / Д. Рей, Д.М. Макмайкл. – М. : Энергоатомиздат, 1982. – 224 с.

4. Петин, Ю.М. Тепловые насосы / Ю.М. Петин, В.Е. Накоряков // Рос. хим. журн. – 1997. – № 6. – С. 107–111.

5. Wood chip drying with an absorption heat pump / B. Le Lostec [et al.] // Energy. – 2008. – V. 33. – P. 500–512.

6. Мартыновский, В.С. Тепловые насосы / В.С. Мартыновский. – М. : Госэнергоиздат, 1955. – 191 с.

7. Васильев, Л.Л. Перспективы применения тепловых насосов в республике Беларусь / Л.Л. Васильев // Электрон. журн. энергосервисн. компании «Экологические системы». – 2005. – № 7. – : http://esco-ecosys.narod.ru/index.htm.

8. Ижванов, Л.А. Разработка гидридных тепловых насосов / Л.А. Ижванов, А.И. Соловей // Рос. хим. журн. – 2001. – T. XLV, № 5–6. – С. 112–118.

9. Kudra, T. Heat-Pump Drying / T. Kudra // Advanced Drying Technologies / T. Kudra, A.S. Mujumdar. – 2nd ed. – New York, 2008.

10. Пат. 2183307 Российская Федерация, МКИ7F 26 В 5/06. Вакуум-сублимационная сушилка [Электронный ресурс ] / Санин В.Н., Антипов С.Т., Пойманов В.В. ; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технолог. акад. – № 2000118947/06 ; заявл. 17.07.2000 ; опубл. 10.06.02. – : http://www.fips.ru.