CC BY
24технологические процессы, машины и оборудование
УДК 66.665.2
Эффективное внедрение парокомпрессионного теплового насоса в линию комплексной переработки семян масличных культур
A. А. ШЕВЦОВ, д-р техн. наук, профессор; Е. С. БУНИН, канд. техн. наук Воронежский государственный университет инженерных технологий
B. В. ТКАЧ, канд. техн. наук; Н. А. СЕРДЮКОВА, Д. И. ФОФОНОВ
Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина, г Воронеж
Одной из важнейших предпосылок развития производства масличных культур является устойчивый рост спроса на растительные масла, являющиеся одновременно и продуктом питания, и сырьем для различных отраслей промышленности. Дополнительное стимулирующее наращивание объемов производства растительных масел, а соответственно, и масличных культур связано с их использованием в качестве сырья для производства экологически чистого биодизельного топлива [1].
Современные тенденции в развитии теории тепловых процессов при обработке растительного сырья подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергосберегающих и экологически безопасных технологий комплексной переработки масличных семян с использованием тепловых насосов (ТН) [2—4]. Эффективное замещение в системах теплоснабжения ископаемых видов топлива в процессах пищевой теплотехнологии на теплоту возобновляемых и вторичных источников посредством ТН является одним из важнейших принципов энергосбережения и охраны окружающей среды.
В России установленная мощность теплонасосных установок (ТНУ) всех типов не превышает 65 МВт, тогда как тепловая мощность действующего в мире парка ТН составляет более 250 ГВт, что делает их внедрение актуальным в условиях экономического курса страны, направленного на энергоэффективность и экологическую безопасность, скорейшее устранение имеющегося отставания в этой сфере [2].
В этой связи сформулирована цель работы — разработка энергетически эффективной линии комплексной переработки семян масличных культур за счет максимальной рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов в замкнутых термодинамических циклах по материальным и тепловым потокам с использованием парокомпрессионного теплового насоса.
Сформированный ранее методологический подход к созданию энергосберегающих технологических систем [2], позволяющих осуществлять процессы с минимальными затратами при ограничениях на производительность и показатели качества готовой продукции, заложен в создание предлагаемой технологии. При этом наиболее важной концептуальной задачей явля-
лось использование современного оборудования с непосредственным вовлечением в тепломассообмен-ные процессы теплонасосных технологий при подготовке энергоносителей разных температурных потенциалов.
Линия комплексной переработки масличных культур (рисунок) содержит: барабанные сушилки 1, 8; циклоны — 2, 9; шнековый маслопресс — 3; гравитационный охладитель — 4; валковую мельницу — 5; смеситель — 6; вибросито — 7; парокомпрессионный тепловой насос, включающий компрессор, — 10; секции двухсекционного конденсатора, установленные параллельно, — 11 и 12; терморегулирующий вентиль — 13; резервную и рабочую секции испарителя — 14 и 15; сборник конденсата — 16; ресивер — 17; вентиляторы — 18, 19, 20, 21, 22; насос — 23; распределитель потока — 24; переключатели потока — 25, 26; потоки: 1.0 — подачи исходных семян в барабанную сушилку; 1.1 — отвода высушенных семян в шнековый маслопресс; 1.2 — подачи выжимки из маслопресса в охладитель; 1.3 — отвода растительного масла из маслопресса; 1.4 — подачи охлажденной выжимки на измельчение; 1.5 — подачи измельченной выжимки на смешивание с теплой водой; 1.6 — подачи суспензии масличной культуры из смесителя на вибросито; 1.7 — отвода растворимой фракции суспензии; 1.8 — отвода нерастворимой фракции суспензии на сушку; 1.9 — вывода высушенной нерастворимой фракции; 1.10 — отвода взвешенных твердых частиц из циклонов; 2.0 — подачи сушильного агента из ресивера в барабанные сушилки и теплого воздуха на размораживание секции испарителя, работающей в режиме регенерации; 2.1 — подачи объединенного потока отработанного сушильного агента и воздуха в секцию испарителя, работающую в режиме конденсации; 2.2 — подачи кондиционированного (охлажденного) воздуха в секцию конденсатора 11 и гравитационный смеситель; 3.0 — подачи конденсата (воды) в секцию конденсатора для нагрева воды; 3.1 — подачи теплой воды в смеситель; 6.0 — рециркуляции хладагента в замкнутом контуре теплового насоса.
Исходные семена масличных культур подаются в барабанную сушилку 1. Реализация осциллирующих режимов сушки [5] в секционной барабанной сушилке [3] позволит повысить энергетическую эффективность процесса в области допустимых технологических свойств высушиваемых семян.
23 :
©
--
Ч<6-2224
I
2.0
11
-\W\ri*—«—
>т
ть
$ /
.М1
Линия комплексной переработки масличных культур
2
Высушенные семена направляются в шнековый маслопресс 3, конструктивные параметры которого выбираются из условия:
D 2 - d 2 = б/[0,013 ? п р (1 - кв) п], (1)
где D — диаметр шнека, м; d — диаметр вала шнека; G — производительность маслопресса по высушенным семенам, кг/с; I — шаг витка шнека; п — частота вращения шнека, мин-1; р — средняя объемная масса прессуемого материала; кг/м3; кв — коэффициент, учитывающий обратное движение прессуемого материала вдоль винтового канала и через радиальный зазор между шнеком и перфорированным цилиндром (зеером); п — коэффициент полезного действия пресса.
Выдавленное масло отводится в качестве целевого продукта, а полученные выжимки направляются в гравитационный охладитель 4, а затем в валковую мельницу 5. При размоле охлажденных выжимок происходит разрушение клеточных оболочек и самосогревание массы за счет сил трения.
Производительность валковой мельницы, степень измельчения и расход энергии взаимосвязаны и определяются отношением окружных скоростей, диаметром и геометрической формой вальцов, профилем и характеристикой рифлей [6].
После размола полученная масса разбавляется теплой водой и перемешивается в смесителе 6 до достижения однородности по всему объему получаемой суспен-
зии. Равномерное распределение твердых частиц в жидкости при перемешивании определяется из ограничения:
[^п = к - * кр * [Лтах = к + <бR2Л4g)], (2)
где Амин — минимальная высота жидкости в аппарате, м; к — уровень жидкости в спокойном состоянии, м; юра6 — угловая скорость вращения лопасти, с-1; R — радиус аппарата, м; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Для каждой масличной культуры оптимальное значение юраб с точки зрения ограничения (2) определяется экспериментально.
Полученная суспензия разделяется на фракции: растворимую и нерастворимую. Чем больше продолжительность перемешивания и чем больше (относительно) будет воды в мешалке и выше температура суспензии, тем больше белка перейдет в растворимую фракцию. Чем меньше воды, меньше продолжительность перемешивания, меньше температура суспензии, тем меньше белка перейдет в растворимую фракцию.
Изменяя соотношение компонентов (измельченной выжимки и воды), температуру воды и время перемешивания, можно управлять процессом перехода белка и жира из нерастворимой фракции в растворимую, тем самым либо увеличивая количество белка в растворе, либо оставляя его в нерастворимой фракции (окаре).
Растворимая фракция суспензии в качестве промежуточного продукта отводится проходом через вибро-
сито 7 и в дальнейшем используется в кормопроизводстве при составлении рационов кормления сельскохозяйственных животных. Нерастворимая фракция суспензии подается в барабанную сушилку 8 и высушивается до конечной влажности 7—10%, с которой подается на хранение с последующим использованием в кондитерской промышленности.
Для подготовки сушильных агентов для сушки исходных семян и нерастворимой фракции суспензии, теплой воды на смешивание с измельченной выжимкой, холодного воздуха на охлаждение выжимки используют парокомпрессионный тепловой насос.
Тепловой насос, включающий компрессор 10, две секции конденсатора 11 и 12, установленные параллельно, одна из которых предназначена для нагревания воздуха, а другая для нагревания воды, терморе-гулирующий вентиль 13, рабочую 14 и резервную 15 секции испарителя, работает по следующему термодинамическому циклу.
Хладагент (рабочее тело) всасывается компрессором 10, сжимается до давления конденсации и по замкнутому контуру 6 направляется в секции конденсатора 11 и 12. За счет компрессионного сжатия в компрессоре 10 хладагент доводят до температуры конденсации 90...95 °С и за счет рекуперативного теплообмена в секции конденсатора 11 он отдает теплоту воздуху, отводимому в ресивер 17 с температурой 80.85 °С. В секции конденсатора 12 осуществляется подготовка теплой воды за счет теплоты конденсации хладагента. Затем хладагент направляется в терморегулирующий вентиль 13, где дросселируется до заданного давления. С этим давлением хладагент поступает в рабочую секцию 12 испарителя и кипит при температуре —7.—10 °С. Пары хладагента по замкнутому контуру 6.0 направляются в компрессор 10, сжимаются до давления конденсации, и термодинамический цикл повторяется.
Отработанные сушильные агенты после сушки исходных семян и нерастворимой фракции суспензии из барабанных сушилок 1 и 8 сначала направляются соответственно в циклоны 2 и 9 для очистки от содержащихся в них взвешенных твердых частиц. Затем потоки отработанных сушильных агентов объединяются с отработанным воздухом после охлаждения выжимки в гравитационном охладителе 4, и полученная паровоздушная смесь вентилятором 20 через переключатель потока 25 в режиме замкнутого цикла подается на осушение и охлаждение в секцию испарителя 14 теплового насоса, работающую в режиме конденсации. Процесс конденсации влаги из паровоздушной смеси сопровождается образованием снеговой шубы на охлаждающей поверхности испарителя.
В установившемся режиме ТН обеспечивает конденсацию влаги из паровоздушной смеси в снеговую шубу на охлаждающей поверхности испарителя в количестве:
душной смеси на входе и выходе из испарителя, кг/кг; р — среднее значение плотности паровоздушной смеси, кг/м3; V — расход паровоздушной смеси, м3/ч.
Необходимое значение хвых в (3) достигается в процессе теплопередачи от хладагента к паровоздушной смеси через охлаждающую поверхность испарителя [7, 8]. Причем коэффициент теплопередачи испарителя устанавливается в зависимости от холодопроиз-водительности компрессора k = f
k = Q/(F дд,
(4)
и = (х - X ) р V,
вых вх
(3)
где Q = Vр с (t1 — — холодопроизводительность компрессора, кВт [5]; с — среднее значение теплоемкости паровоздушной смеси, кДж/(кг-°С); F — площадь охлаждающей поверхности испарителя, м2; Дtср = (— ?2)/1п[(?1 — t3)/ (?2 — ?3)] — среднелогарифми-ческий температурный напор, °С; t1, ^ — температура паровоздушной смеси соответственно на входе и выходе из рабочей секции испарителя, °С; ^ — температура кипения хладагента в испарителе, °С.
Осушенный и охлажденный (кондиционированный) воздух из секции испарителя 14, работающей в режиме конденсации, вентилятором 21 подается в распределитель 24. Часть кондиционированного воздуха подается в секцию конденсатора 11 для нагревания воздуха, после чего скапливается в ресивере 17, а другая часть вентилятором 22 направляется на охлаждение выжимки до температуры в гравитационный охладитель 4.
Нагретый воздух из ресивера разделяется на два потока, которые в качестве сушильного агента вентиляторами 19, 18 подаются на сушку семян и нерастворимой фракции суспензии соответственно в барабанные сушилки 1 и 8.
При снижении интенсивности конденсации влаги из воздуха в снеговую шубу на теплообменной поверхности рабочей секции испарителя 14 она отключается из контура рециркуляции хладагента теплового насоса на режим регенерации с подключением резервной секции 15 на режим конденсации. При этом с помощью переключателя 25 поток отработанной паровоздушной смеси направляется в секцию испарителя
15, которая с режима регенерации переключается на режим конденсации.
Образовавшийся при размораживании секции испарителя 15 конденсат отводится в сборник конденсата
16. Конденсат из сборника 16 насосом 23 подается в секцию конденсатора 12 для нагрева воды, которая распределяется по двум потокам, один из которых направляется на смешивание с выжимкой, а другой через переключатель 25 направляется на размораживание секции испарителя 15, работающей в режиме регенерации.
Теплонасосная технология была внедрена в линию комплексной переработки семян масличных культур производительностью 5—7 т/ч.
Рациональные режимы технологических операций в области допустимых свойств перерабатываемых
семян (см. табл.) осуществлялись с помощью комп-рессорно-конденсаторного агрегата, работающего в режиме теплового насоса, со следующими характе-
ристиками:
компрессор одноступенчатый
двухцилиндровый.........................................ФВ-4/4,5;
хладагент (фреон-12).............................................R12;
холодопроизводительность, кВт.......................15-20;
диапазон температур кипения, °С...................-25...0;
конденсатор воздушный, ребристый, м2.................15;
площадь охлаждающей поверхности
испарителя, м2..........................................................20;
допустимые пределы изменения
коэффициента теплопередачи, Вт/м2-К.........3,8-5,0;
температура хладагента
на входе в испаритель, К................................263-273.
Парокомпрессионный тепловой насос обеспечивал необходимую производительность трубчатого конденсатора с высокой рабочей температурой воздуха для последующего его использования для сушки семян, а также для нагрева воды, смешиваемой с измельченной выжимкой. Теплонасосная технология позволила снизить затраты энергии на единицу массы перерабатываемых семян на 15-20%.
Таким образом, внедрение ТН создает реальные условия для реализации энергетически эффективной
Рациональные параметры и показатели качества
Показатель Соя Рапс Лен
Масличность семян, % 22 42 46
Температура сушильного агента, °С 80 83 87
Температура высушенных семян, °С 35 38 37
Начальная влажность семян, % 23 24 22
Конечная влажность семян, % 8 8 10
Количество растительного
масла после шнекового маслопресса, % 10 35 33
Количество выжимки, % 90 65 67
Содержание масла в выжимке, % 10 11 11
Температура охлажденной выжимки 11 14 13
Дисперсность частиц выжимки после
валкового измельчителя, мкм 45 52 49
Температура смешивания измельченной выжимки с водой 60 64 62
Количество растворимой фракции суспензии, % 24 20 18
Количество нерастворимой фракции суспензии, % 76 80 82
Влажность нерастворимой фракции, % 7 9 8
и экологически безопасной технологии комплексной переработки семян масличных культур в непрерывном режиме эксплуатации основного и вспомогательного оборудования.
Литература
1. Савченко, Т. В. Управление производством масличных культур на основе кластерного подхода / Т. В. Савченко, А. В. Улезько, Н. Н. Кравченко. — Воронеж: ВГАУ, 2013. — 160 с.
2. Бритиков, Д. А. Энергосбережение в процессах сушки зерновых культур с использованием теплонасосных технологий [Текст]: монография / Д. А. Бритиков, А. А. Шевцов — М.: ДеЛи плюс, 2012. — 328 с.
3. Шевцов, А. А. Резервы энергоэффективности конвективной сушки дисперсных материалов при переменных режимах [Текст] / А. А. Шевцов [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. — 2017. — № 2. — С. 91-99.
4. Фролова, Л. Н. Линия производства растительного масла / Л. Н. Фролова [и др.]. — Патент на изобретение RUS 2619278; заяв. 06.11.2015; опубл. 15.05.2017.
5. Шевцов, А. А. Математическое описание процесса сушки семян рапса в осциллирующих режимах [Текст] / А. А. Шевцов [и др]. // Хранение и переработка сельхоз-сырья. — 2011. — № 10. — С. 73-75.
6. Процессы и аппараты пищевых производств: Учеб. для вузов: в 2 кн. [Текст] / А. Н. Остриков [и др.]; под ред. А. Н. Остри-кова. — Кн. II. — СПб.: ГИОРД, 2007. — 608 с.
7. Машины и аппараты пищевых производств: В 2 кн. [Текст] / С. Т Антипов [и др.]; Под ред. В. А. Панфилова. — Москва: Высшая школа, 2001. — 680 с.
8. Цветков, О. Б. Теоретические основы тепло- и хладотех-ники. Основы термодинамики и тепломассопереноса [Текст] / О. Б. Цветков, Ю. А. Лаптев. — СПб.: Университет ИТМО: ИХиБТ, 2015. — 56 с.
References
1. Savchenko, T. V. Upravlenie proizvodstvom maslichnyh kul'tur na osnove klasternogo podhoda / T V Savchenko, A. V Ulez'ko, N. N. Kravchenko. — Voronezh: VGAU, 2013. — 160 s.
2. Britikov, D. A. Jenergosberezhenie v processah sushki zernovyh kul'tur s ispol'zovaniem teplonasosnyh tehnologij [Tekst]: monografija / D. A. Britikov, A. A. Shevcov — M.: DeLi pljus, 2012. — 328 s.
3. Shevcov, A. A. Rezervy jenergojeffektivnosti konvektivnoj sushki dispersnyh materialov pri peremennyh rezhimah [Tekst] / A. A. Shevcov [i dr.] // Vestnik Voronezhskogo gosudarstven-nogo universiteta inzhenernyh tehnologij. — 2017. — № 2. — S. 91-99.
4. Frolova, L. N. Linija proizvodstva rastitel'nogo masla / L. N. Fro-lova [i dr.]. — Patent na izobretenie RUS 2619278; zajav. 06.11.2015; opubl. 15.05.2017.
5. Shevcov, A. A. Matematicheskoe opisanie processa sushki semjan rapsa v oscillirujushhih rezhimah [Tekst] / A. A. Shevcov [i dr]. // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. — 2011. — № 10. — S. 73-75.
6. Processy i apparaty pishhevyh proizvodstv: Ucheb. Dlja vuzov: v 2 kn. [Tekst] / A. N. Ostrikov [i dr.]; pod red. A. N. Ostriko-va. — Kn. II. — SPb.: GIORD, 2007. — 608 s.
7. Mashiny i apparaty pishhevyh proizvodstv: V 2 kn. [Tekst] / S. T Antipov [i dr.]; Pod red. V. A. Panfilova. — Moskva: Vys-shaja shkola, 2001. — 680 s.
8. Cvetkov, O. B. Teoreticheskie osnovy teplo- i hladotehniki. Osnovy termodinamiki i teplomassoperenosa [Tekst] / O. B. Cvetkov, Ju. A. Laptev. — CPb.: Universitet ITMO: IHiBT 2015. — 56 s.
Эффективное внедрение парокомпрессионного теплового насоса в линию комплексной переработки семян масличных культур
Ключевые слова
белок; выжимки; растительное масло; семена; способ производства; тепловой насос; технологическая линия; фракции.
реферат
Современные тенденции в развитии теории тепловых процессов при обработке растительного сырья подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергосберегающих и экологически безопасных технологий комплексной переработки масличных семян с использованием тепловых насосов. Эффективное замещение в системах теплоснабжения ископаемых видов топлива в процессах пищевой теплотехнологии на теплоту возобновляемых и вторичных источников посредством тепловых насосов является одним из важнейших принципов энергосбережения и охраны окружающей среды. В этой связи сформулирована цель работы — разработка энергетически эффективного и экологически безопасного способа комплексной переработки семян масличных культур за счет максимальной рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов в замкнутых термодинамических циклах по материальным и тепловым потокам. Важной концептуальной задачей являлось использование современного оборудования с непосредственным вовлечением в технологический поток парокомпрессионного теплового насоса при подготовке энергоносителей. Изложен технологический цикл комплексной переработки масличных семян с получением растительного масла, растворимой и нерастворимой фракции из смеси измельченной выжимки с нагретой водой; белка из растворимой фракции, высушенной нерастворимой фракции. Определены границы эксплуатации основного и вспомогательного оборудования, обеспечивающие непрерывность технологического потока. Приведены характеристики компрессорно-конденсаторного агрегата, работающего в режиме теплового насоса, обеспечивающего рациональные технологические режимы комплексной переработки сои, рапса и льна в области допустимых свойств получаемых целевых и промежуточных продуктов. Внедрение теплового насоса создает реальные условия для повышения экологической безопасной технологии комплексной переработки семян масличных культур и позволяет снизить затраты энергии на единицу массы перерабатываемых семян на 15-20%.
Авторы
Шевцов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, профессор;
Бунин Евгений Сергеевич, канд. техн. наук
Воронежский государственный университет
инженерных технологий,
394036, г. Воронеж, пр-т Революции, д. 19,
[email protected], [email protected]
Ткач Владимир Владимирович, канд. техн. наук;
Сердюкова Наталья Алексеевна;
Фофонов Дмитрий Игоревич
Военно-воздушная академия
им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина,
394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 А,
[email protected], [email protected], [email protected]
Effective introduction of a Steam compression Heat pump into a Line for complex processing of oilseed Seeds
Key words
protein; spew; vegetable oil; seeds; production method; heat pump; processing line; fractions.
Abstract
The current trends in development of the theory of thermal processes when processing vegetable raw materials prepared conditions for scientific approach to creation of new energy saving and ecologically safe technologies of complex processing of oilseeds with use of heat pumps. Efficient replacement in the systems of heat supply of fossil types of fuel in processes of food heat technology on warmth of renewable and secondary sources by means of heat pumps is one of the most important principles of energy saving and environmental protection. In this regard the work purpose — development of energetic and ecologically safe way of complex processing of seeds of oil-bearing crops at the expense of the maximal recuperation and utilization of secondary energy resources in closed thermodynamic cycles on the material and heat fluxes is formulated. Important conceptual task was use of the modern inventory with immediate involvement in a production line of a vapor-compression heat pump when training power supplies. The production cycle of complex processing of oilseeds with receiving vegetable oil, soluble and insoluble fraction from mix of the crushed spew with heated water is explained; a protein from soluble fraction, the dried-up insoluble fraction. The borders of operation of the capital and accessory equipment providing the continuity of a production line are defined. Characteristics of the compressor and condenser unit working in the mode of the heat pump providing the rational technological modes of complex processing of soy, colza and flax in the field of admissible properties of the received main and intermediate products are provided. Introduction of a heat pump creates actual conditions for increase in ecological safe technology of complex processing of seeds of oil-bearing crops and will allow to reduce energy consumptions per unit mass of the processed seeds on 15-20%.
Authors
Shevcov Aleksandr Anatolevich,
Doctor of Technical Sciences, Professor;
Bunin Evgenij Sergeevich, Candidate of Technical Sciences
Voronezh State University of Engineering Technology,
19 Prospect Revolution, Voronezh, 394036, Russia,
[email protected], [email protected]
Tkach Vladimir Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences;
Serdjukova Natafja Alekseevna;
Fofonov Dmitrij Igorevich
The Air Force Academy named after
the professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin
54 A Starykh Bolshevikov St., Voronezh, 394064, Russia,
