Суслов
А.Э., Фатыхов Ю.А., Бестужев А.С.
«Калининградский государственный технический университет»
г. Калининград, Россия
Использование каскадных
теплонасосных установок в технологических процессах
рыбопереработки
Пищевая промышленность
является крупным потребителем низкотемпературной тепловой энергии, которая
расходуется на проведение технологических процессов, в основном тепломассообменных
процессов таких, как пастеризация, стерилизация, сушка, варка, копчение и др.
Естественно, что ее экономия позволит снизить себестоимость готовой продукции и
повысить рентабельность производства.
Теплонасосная
установка (ТНУ) может использовать низкопотенциальную теплоту технологических
процессов, теплоту конденсации холодильных машин, вентиляционных выбросов;
системы охлаждения оборотного водоснабжения; сточных вод и т.д. и возвращать ее
в технологический процесс с более высоким температурным потенциалом, при этом,
с учетом затраченной на работу компрессора электроэнергии, получать больше тепловой
энергии .
При использовании ТНУ
необходимо учитывать не только экономию первичной энергии (органического
топлива), но и другие составляющие, так
при использовании теплонасосных установок для целей отопления пропадает
статься затрат на транспортирование топлива и вывоз продуктов сгорания,
отсутствие складов для хранения топлива, что в некоторых случаях может являться
решающим фактором для их использования. Немаловажным является и экологический
аспект проблемы – при использовании тепловых насосов вредные выбросы в
атмосферу отсутствуют, что делает отопление производственных, общественных и
жилых зданий экологически чистым [1]. Также необходимо учесть, что базовые
тарифы на энергоносители (газ, электроэнергию) устанавливаются Правительством
России, цены на мазут, уголь определяются сложившимися рыночными ценами и
зависят от мировых цен на нефть, а также географического расположения региона.
В свою очередь тарифы на теплоснабжение дотируются из бюджетов субъектов РФ и
не отражают их реальной стоимости. Анализ перспектив изменения тарифов на
энергоносители и результат расчета экономической эффективности применения
различных систем теплоснабжения показывает, что к 2011 году приведенные затраты
для ТНУ, угольной и газовой котельной будут примерно однаковы и значительно
меньше, чем для мазутной котельной [2] .
На сегодня
в мире эксплуатируется более 130 млн. теплонасосных установок. Годовой объём
продаж выпускаемого в странах дальнего зарубежья теплонасосного оборудования
составляет около $ 125 млрд. Согласно данных Международного Энергетического
Агентства (IEA) к 2020 году в развитых странах мира доля отопления и горячего
водоснабжения с помощью тепловых насосов должна составить около 75 %.
Если о
применении непосредственно тепловых насосов имеется достаточно много
информации, то о теплонасосных системах, способных комплексно решать тепло и
холодоснабжение технологических процессов пищевых производств, информации
практически нет.
Технологическое
и инженерное оборудование пищевых производств включает в себя достаточно
большое количество отдельных систем:
- системы
холодоснабжения холодильных камер и технологического оборудования;
- системы
технологического кондиционирования воздуха в процессах сушки или холодного копчения;
- системы
нагревания воды или воздуха для дефростации пищевых продуктов и др.
Часто в
одном технологическом процессе на разных стадиях необходимо охлаждать или
нагревать продукт для чего используются различные системы.
Если все
стадии технологического процесса, в которых потребляется и отбирается тепловая
энергия, будут объединены каждый в единую систему, энергетическая эффективность
работы системы возрастет многократно. Эту задачу можно решить, если систему
тепло и холодоснабжения технологического процесса производства пищевой
продукции, в которой все потребители теплоты и холода объединены между собой
двухконтурной сетью, по которой
циркулирует теплоноситель, а тепло и холодоснабжение технологического процесса
будет выполняться от каскадного теплового насоса. В ТНУ нижний каскад работает
как источник холодоснабжения, а верхний как источник теплоснабжения.
Таким
образом, все стадии технологического процесса, где требуется либо подача
тепловой энергии на нужды нагрева, либо имеются излишки тепла, которые
необходимо отвести от продукта, будут энергетически связаны между собой. Эта
сеть будет служить как аккумулятором тепловой энергии от теплоизбыточных стадий
технологического процесса, так и источником низкопотенциальной тепловой энергии
для стадий технологического процесса, требующих в данный момент подвода
тепловой энергии.
Перенос
теплоты в каждом контуре системы осуществляется теплоносителем. Когда теплоты
самого технологического процесса не хватает для покрытия дефицита тепла, в
работу включается дополнительный источник теплоты – нагреватель. В любом случае
для этого не потребуется сравнительно мощного устройства, и система в целом
немного проиграет в экономичности. В состав каждого контура сети входит
бак-аккумулятор, который, увеличивая объём теплоносителя, способствует большему
накоплению теплоты (холода), а также стабилизирует температуру теплоносителя на
входе в контур.
Интегрированные
системы могут эффективно работать:
- в
технологических процессах приготовления сушеной, вяленой и копченой пищевой
продукции;
- при
производстве молочной продукции (пастеризованное молоко, кисломолочная
продукция, сыр);
- в
пивоварении и других технологических процессах, где используются одновременно
процессы нагревания и охлаждения.
На рисунке приведена
комплексная система тепло и холодоснабжения предприятия по производству
копченой и вяленой рыбной продукции. В которой потребителями холода являются:
воздухоохладители коптильной установки, камеры хранения готовой продукции и
системы вентиляции, батарея посольной ванны и теплообменник охлаждения тузлука,
камера хранения мороженых грузов. Потребителями тепловой энергии:
воздухонагреватели коптильной камеры и вентиляции, дефростер, водонагреватели
бытовой воды. Верхний каскад ТНУ работает на хладагенте R134а или смеси хладагентов, разработанных для ТНУ.
Нижний каскад ТНУ может работать на хладоне R404А. В качестве компрессоров верхнего и нижнего
каскада ТНУ используются винтовые компрессоры. В работе [1] показано, что при
Рис. Схема
системы тепло и холодоснабжения цеха по производству копченой и вяленой
рыбопродукции с использованием каскадной ТНУ
1. Верхний каскад ТНУ
2. Нижний каскад ТНУ 3. Испаритель-конденсатор 4. Испаритель 5. Конденсатор 6,
7 Циркуляционный насос 8, 9 Бак-аккумулятор 10. Батарея холодильной камеры 11.
Дополнительный нагреватель.
современном состоянии энергетики, ТНУ
становится энергетически выгодной, если
коэффициент преобразования энергии будет больше или равен 2,18. Расчет
холодильного коэффициента нижнего каскада ТНУ, работающего при температуре
кипения -300С и конденсации +300С показал, что он равен
3,0, а отопительный коэффициент (коэффициент преобразования энергии) верхнего
каскада при расчетной температуре теплоносителя +800С – 4,0. При
этом степень сжатия в нижнем каскаде
равна 7,5, а вернем каскаде 3,3.
Рентабельность
применения такой системы зависит от разности температур на различных стадиях
технологического процесса, однако очевидно, что использование таких систем
экономически обосновано и оправдано.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Эрлихман В.Н. Энергосбережение в технологических процессах агропромышленного
комплекса с использованием теплонасосных установок. Монография / В.Н. Эрлихман,
Ю.А.Фатыхов, А.Э. Суслов. – Калининград, Издательство ФГОУ КГТУ, 2007. - 234 с.
2. СусловА.Э. О
целесообразности применения теплонасосных установок в системах теплоснабжения.
/А.Э.Суслов, Ю.А.Фатыхов, В.Н. Эрлихман //- Холодильная техника №12, 2008.
с.12-14.