Повышение энергоэффективности осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Монография

Левая часть уравнения (1.5) характеризует изменение массы пара в парогазовой фазе в единице свободного объема аппарата; первое слагаемое правой части – подвод массы пара в парогазовую фазу, а второе слагаемое – отвод в вакуумную линию. Соотношение (1.6) отличается от (1.5) отсутствием слагаемого, характеризующего подвод массы воздуха в единицу свободного объема вследствие герметичности аппарата. Левая часть уравнения переноса энергии (1.7) представляет собой изменение теплосодержания парогазовой фазы; первый член правой части уравнения описывает подвод или отвод тепловой энергии вследствие теплообмена с поверхностью влажного материала; второй член – отвод тепловой энергии с парогазовой смеси, удаляемой в вакуумную линию; третий – приток тепловой энергии с парами влаги, удаляемыми из материала.

, (1.9)

. (1.10)

Там же [59] представлены результаты проведенных экспериментальных исследований, которые указали на то, что глубина вакуума при удалении связанной влаги должна регулироваться. Это обосновывается тем, что связанная влага не может кипеть, в связи с чем отсутствует процесс молярного переноса влаги. Поэтому значительное вакуумирование на этой стадии, по мнению автора, приводит к интенсивному влагоиспарению с поверхностных слоев, что в конечном счете при сушке пиломатериалов, имеющих большую толщину, вызывает существенный перепад влажности по толщине и, как следствие, развитие внутренних напряжений выше предела допустимых значений. В процессе экспериментов значение оптимального давления, не вызывающего больших внутренних напряжений, выявлялось автором по дифференциальной усадке, максимально возможной для данной породы и толщины пиломатериала (рис. 1.2).

(береза)

В исследовании процесса сушки постепенным понижением давления [47] описывается влагоудаление, происходящее без термомеханического выдавливания, а только за счет испарения, при этом коэффициент Флейснера стремится к нулю:

Основной целью обратного цикла Карно (рис. 1.3), по

передаваемой тепловой энергии во много раз больше затрачиваемой работы.

Одним из первых, кто создал тепловой насос, был Петер

Риттингер (Peter Ritter von Rittinger, 1855), однако на практике их начали применять лишь с 30–40-х годов ХХ в., благодаря много­численным трудам многих ученых и инженеров в ряде стран: Холдэйн (J.G.H Haldane, 1930), Роберт Вебер (Robert C. Webber, 1940), Карл Нильсен (Carl Nielsen, 1948) и др. Известность и массовое применение тепловые насосы получили благодаря возможности отопления помещений за счет низкопотенциальной тепловой энергии грунта, водоемов или воздуха. Современные теплонасосные системы способны как к отоплению зимой, так и к охлаждению летом [176,

186].

Так, одной из первых тепловой насос в процессах сушки и

обезвоживания материалов применила фирма «Зульцер» по обезвоживанию и осушке подземных полостей в Германии в 1943 г. [94]. В то же время применение тепловых насосов в процессах и аппаратах в различных отраслях промышленности пока не получило столь широкого распространения. Кроме того, часть работ с применением тепловых насосов в основном связана с сублимационной сушкой [1, 12, 15, 123], которую сложно назвать ярким примером передачи тепла от более холодного к более горячему телу, поскольку сублимация и десублимация проходят при примерно равных температурах. Промышленное применение тепловых насосов в конвективных сушилках на данный момент носит более единичный характер, нежели традиционный. При этом следует отметить, что наибольшее распространение тепловые насосы получили при конвективной сушке пиломатериалов в камерах с замкнутой циркуляцией воздуха и конденсационным влагоудалением. Тепловые насосы используются в сушилках для сушки агропромышленных, пищевых, фармацевтических продуктов, биопрепаратов и других малотоннажных, ценных и термолабильных материалов [94, 97, 117, 147, 167, 181], что объясняется невысокими температурами сушки, создаваемыми этими насосами.

Проанализируем конструктивные схемы существующих сушильных систем с тепловыми насосами.

На рис. 1.4 представлена конденсационная сушильная камера с использованием теплового насоса для сушки пиломатериалов из мягких и твердых пород древесины. Процесс сушки за счет теплового насоса происходит без воздухообмена с внешней средой. Влажный агент сушки, проходя через испаритель теплового насоса, осушается за счет конденсации части влаги, а тепловая энергия испаренной влаги снова используется для обогрева пиломатериалов. Процесс сушки проходит при температурах не более 55 °С, обеспечивая тем самым щадящий режим и способствуя благоприятным условиям для сушки пиломатериалов без возникновения внутренних напряжений.

используется спиральный компрессор, обеспечивающий повышенную надежность эксплуатации по сравнению с недорогими поршневыми компрессорами [71].

Данная камера работает с двумя различными циклами: первый цикл использует хладагент R124 с получением температуры сушильного агента до 80 °C, второй цикл работает с хладагентом R134А, увеличивая его температуру до 120 °С [173].

Имеются разработки, использующие теплонасосное оборудование в сушильных установках туннельного типа. Рабочее пространство установки разделено на четыре зоны, для каждой из которых установлен свой тепловой насос, который поддерживает необходимые термовлажностные показатели агента сушки своей зоны. Данная лесосушилка используется для сушки древесины до транспортной влажности.

Для сушки древесных опилок разработана конвейерная сушилка с абсорбционным тепловым насосом (рис. 1.7). С целью обеспечения интенсивной сушки измельченной древесины в камере поддерживаются следующие условия: температура агента сушки – до 100 °C; относительная влажность 60 %. Данный технологический режим, по словам авторов, обеспечивает расход материала до 400 кг/ч при сушке опилок с начальным влагосодержанием 70 % до конечного влагосодержания 10 % [207].

(хладагент – аммиак) – см. рис. 1.8. Технологический процесс сушки протеина в представленной установке состоит из двух стадий: сублимационной и тепловой. Для обеспечения энергоэффективности установки с сохранением качественных характеристик высушиваемого материала продолжительность сублимационной сушки составляет 3 ч, а тепловой – 2,5 ч [24, 127].