оценка ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ применения абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса в конденсационной сушилке

 

THE Assessment OF energy EFFICIENCY OF THE APPLICATION OF THE ABSORBtion Litium-bromide heat PUMP IN THE condenser kiln

 

Онучин Е.М., Анисимов П.Н., Медяков А.А. (МарГТУ, г.Йошкар-Ола, РФ)

Onuchin E.M., Anisimov P.N., Medyakov A.A. (Mari State Technical University)

 

Рассмотрены вопросы по применению абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса в качестве кондиционирующего устройства для конденсационной сушки древесины.

The questions of applying absorbtion litium-bromid heat pump in the capacity of conditioning unit for the condensing drying of wood are regarded there.

 

Ключевые слова: энергосбережение, ресурсосбережение, экология, сушка.

Keywords: Energi saving, cost-effective use of resources, ecology, drying.

 

Одним из важнейших и наиболее энергоёмких этапов технологической обработки древесины является сушка. В настоящее время 90-95% всех эксплуатируемых промышленностью и предлагаемых на рынке сушильных камер – конвективные с различными системами приточно-вытяжной вентиляции и видами теплоносителя. Такая высокая доля конвективных сушилок объясняется их преимуществами: малые капитальные затраты, простота процесса, удобство технического обслуживания, большие объёмы загрузки, высокая производительность

Разновидностью конвективной сушильной камеры, является конденсационная. Конденсационная сушильная камера отличается от обычной конвективной тем, что сушильный агент – горячая паровоздушная смесь не удаляется из атмосферы через приточно-вытяжную вентиляцию, а циркулирует в замкнутом пространстве, проходя последовательно через осушители, нагреватели (калориферы) и пиломатериал. На рисунке 1. представлена схема такой сушилки, где в качестве кондиционирующего агрегата используется абсорбционный бромисто-литиевый тепловой (АБТН) насос с газо-водяными рекуперативными теплообменниками. В данном случае используется АБТН с огневым обогревом. Генератор АБТН состоит из топки в которой сжигаются сухие древесные отходы и газотрубного теплообменника. Выпаривание теплоносителя из слабого раствора LiBr+H₂O происходит при лучистом и конвективном теплообмене в топке и газоходе генератора.

Для осушки и нагрева сушильного агента в конденсационных сушильных камерах используется тепловой насос, поэтому от его энергетической эффективности зависит энергопотребление сушилки. Энергетический эффект от применения теплового насоса, выражается в экономии невозобновляемых источников энергии, по сравнению с другим оборудованием, например, котлом на органическом топливе, электронагревателем и т.д.

Рисунок 1 – Схема работы конвективной сушильной камеры с абсорбционным утилизатором

 

Термодинамическая эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования (КП):

                    (1)

где  - полезное тепло, отданное тепловому потребителю,  - низкопотенциальное (утилизируемое) тепло, подведённое к испарителю  - затраченная энергия высокого потенциала (техническая работа) [1].

В абсорбционном тепловом насосе (АТН) полезное тепло отбирается в абсорбере -  и в конденсаторе - , низкопотенциальное тепло подводится в испарителе -  и тепло высокого потенциала подводится в генераторе - . Коэффициент преобразования для него:

                       (2)

В компрессионном тепловом насосе (КТН) полезное тепло отводится в конденсаторе -, низкопотенциальное тепло подводится в испарителе - и затрачивается работа на привод компрессора - .

Тогда коэффициент преобразования для него:

                           (3)

Таким образом, КП не учитывает, с какой эффективностью был преобразован источник первичной энергии в работу компрессора или в теплоту греющего источника. КП показывает, сколько единиц тепловой энергии среднего потенциала можно получить с помощью теплового насоса из единицы высокопотенциальной энергии. Однако в абсорбционном тепловом насосе затрачивается единица тепловой энергии, а в компрессионном единица механической энергии. Поэтому сравнение компрессионных ТН с абсорбционными по коэффициенту преобразования не всегда целесообразно.

Для сравнения энергетической эффективности абсорбционного теплового насоса и компрессионного более подходит коэффициент первичной энергии (КПЭ). Он учитывает не только коэффициент преобразования работы или высокой теплоты в полезную тепловую энергию, но и КПД преобразования первичной энергии (нефть, газ, уголь, органическое топливо, энергия атома, гидроэнергия, солнечное тепло и т.д.) в работу привода компрессора или высокопотенциальную теплоту.

Определение КПЭ таково:

 Полезное тепло от теплового насоса [1].

Затраты первичной энергии

Рассмотрим два основных варианта привода компрессора КТН.

1) Электродвигатель: 68% электроэнергии в России вырабатывается на ТЭС, с учётом потерь в электросетях КПД выработки эл. энергии - η_ЭЭ = 32%:

                           (4)

В таком случае при среднем КП_КТН = 3,75; КПЭ_КТН = 1,2.

2) Двигатель внутреннего сгорания:

                            (5)

где  - эффективный КПД ДВС, находится в пределах 0,26... 0,37.

В этом случае КПЭ_КТН = 0,98…1,39. Кроме того, использование ДВС в качестве непосредственного привода компрессора приводит к дополнительным затратам на транспортировку топлива.

Вычисление  зависит от вида греющего источника высокопотенциальной теплоты, если это огневой обогрев, тогда:

,                        (6)

где – теплота выделяющаяся при сгорании топлива в генераторе АТН.

КПЭ существующих АБТН с одноступенчатой регенерацией раствора и огневым обогревом находится в пределах от 1,25 до 1,7. То есть с помощью АБТН можно получить 1,7 единиц тепловой энергии, затратив 1 единицу тепловой энергии от сгорания топлива. Затратами электроэнергии в АБТН можно пренебречь, т.к. они составляют менее 1% от тепловой мощности. Для сравнения, в современном конденсационном котле из 1 единицы энергии сгорания топлива можно получить максимум 0,98 единиц тепловой энергии.

Удельные затраты энергии в сушильной камере на 1 кг испаренной влаги существенно зависят от продолжительности процесса сушки, чем она меньше, тем ниже энергозатраты. Скорость сушки зависит от равновесной влажности в сушильной камере. Равновесная влажность определяется температурой и влагосодержанием сушильного агента. Таким образом, понижая или повышая влагосодержание воздуха, циркулирующего в сушилке, мы увеличиваем или уменьшаем скорость сушки. В сочетании с температурным режимом близким к нормальному (60 - 70 ⁰С) можно добиться высокой скорости сушки при использовании АБТН в конвективной камере конденсационного типа.

Энергопотребление конденсационной сушилки ниже обычной конвективной за счёт того, что горячий влажный воздух остаётся в цикле, а не удаляется из сушильной камеры в атмосферу и не замещается атмосферным воздухом. Удельная экономия энергии при этом находится, как разность теплосодержания воздуха в сушилке h_суш и атмосферного воздуха h_атм по формуле:

                          (7)

Эта экономия будет зависеть от этапа сушки и времени года. Энтальпия сушильного агента находится по h-d диаграмме влажного воздуха по относительной влажности, при средней температуре 60 ⁰С. Относительная влажность сушильного агента находится в зависимости от влажности пиломатериала и величины градиента сушки. Энтальпия атмосферного воздуха находится по среднегодовой температуре и влажности в средней полосе России. На рис 2. представлена зависимость удельной экономии энергии кДж на 1 кг удаляемого в атмосферу воздуха в конденсационной сушилке ∆q_к по сравнению с конвективной, в зависимости от влажности сушильного агента.

Рисунок 2 – График зависимости удельной экономии энергии в конденсационной сушилке по сравнению с конвективной за счет замкнутой циркуляции сушильного агента, в зависимости от его влажности.

 

При высыхании соснового пиломатериала объёмом в 100 м³ от начальной влажности 80% до конечной влажности 8% выпаривается 30000 кг воды. Продолжительность сушки в конвективной камере составит 200 часов, в среднем скорость испарения в камере 0,042 кг/с. Испарившаяся влага повысит влажность 0,88 м³ воздуха температурой 60 ⁰С с 3% до 36%. Это значит, что каждую секунду нужно удалять из камеры 0,88 м³ влажного тёплого воздуха и заменять его холодным сухим. При этом, потеря тепла из конвективной сушилки в атмосферу составит 158 кВт. Тепловая мощность сушилки 220 кВт.

Вывод: применение абсорбционного теплового насоса в конденсационных сушилках позволит снизить на 50-70% энергозатраты на сушку древесины.

 

Список использованных источников

1. Рэй, Д. Тепловые насосы [Текст]: пер. с англ./Д. Рэй, Д. Макмайкл.–М.: Энергоиздат, 1982. –224 с.