Результат интеллектуальной деятельности: Комбинированная установка охлаждения атмосферного воздуха для установок прессового производства сельского хозяйства

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к переработке подсолнечника и сои.

В условиях глобальных изменений климата на планете и, в частности, роста летних температур, производственные предприятия, использующие тепловые процессы как основную технологию в производстве сельскохозяйственной продукции, должны охлаждать ее до кондиционных температур.

Такая работа требует значительных энергетических затрат и крупных капиталовложений, которые при росте цен на энергоносители все более тяжким бременем ложатся на стоимость конечной продукции.

С такой проблемой столкнулось предприятие по переработке сои, расположенное в Краснодарском крае и выпускающее соевый белок.

Летние температуры в регионе могут достигать 40°С и выше в течение длительного времени.

Существующая на предприятии воздушная система охлаждения работает под разрежением, создаваемым вентилятором. Воздух на охлаждение забирается вентилятором из производственного помещения, что приводит к снижению его охлаждающего потенциала из-за повышенной температуры в зоне забора воздуха относительно температуры наружного воздуха на 5…10°С.

Кроме того, из-за запыленности воздуха, непосредственно охлаждающего продукт прессования (например, жмых сои), во избежание снижения его потребительских свойств, предусматривается установка воздушного фильтра, имеющего достаточно высокое гидравлическое сопротивление, приводящее к снижению производительности вентилятора.

Продукция производства, работающего в режиме 7/24, в конце технологического цикла имеет температуру +150°С. Существующая на предприятии система воздушного охлаждения при температуре атмосферного воздуха +40°С и выше не может обеспечить величину допустимой температуры конечной продукции в связи с низкой интенсивностью процессов охлаждения атмосферным воздухом, связанной с низким коэффициентом теплоотдачи и малой теплоемкостью воздуха и прежде всего с высокой температурой самого охлаждающего воздуха. Необходимо провести мероприятия по доработке системы воздушного охлаждения.

Из уровня техники известно, что во многих отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства применяются установки воздушно-испарительного охлаждения с целью создания условий, обеспечивающих необходимые температурные режимы. Применение таких установок, во многом сохраняющих простоту и экономичность воздушной системы охлаждения, в значительной степени повышают эффективность охлаждающих свойств охлажденного воздуха для поддержания температурных режимов тепловых процессов прессового производства и кондиционирования рабочих мест обслуживающего персонала, см. например RU 2435447, RU 2404838, RU 2619278, RU 2473017, RU 2563753, SU 1689725, RU 2435447, RU 2640366.

Воздушно-испарительное охлаждение представляет собой охлаждение увлажненным воздухом. Увлажнение и охлаждение воздуха обычно производится в форсуночной оросительной камере, куда вентилятором подается атмосферный воздух, а холодоноситель (вода) с низкой температурой распыляется в объеме камеры форсунками.

Капли воды при контакте с воздухом приобретают температуру, равную температуре мокрого термометра. При контакте воздуха с водой, имеющей такую температуру, происходит процесс адиабатного (изоэнтальпийного) увлажнения и охлаждения воздуха. Предельному состоянию воздуха в этом процессе соответствует его насыщение влагой до 100%. Вода, непрерывно находясь в контакте с воздухом, также имеет температуру, близкую к температуре мокрого термометра, и в небольшой части испаряется и увлажняет проходящий через оросительную камеру воздух. В нашем случае: воздух, имеющий начальную температуру +45°С, охлаждается до температуры мокрого термометра (+37,5°С) за счет испарения орошаемой воды (около 3,5 г/кг сухого воздуха).

На процесс охлаждения и увлажнения воздуха в оросительной камере влияет степень (ρ) и плотность орошения (μ), а также скорость движения воздуха в камере W м/с, где ρ=G_воды/ G_{воздуха} кг/кг; μ=G_воды/F кг/м²; F - сечение камеры.

Форсуночная оросительная камера при расходе охлаждающего воздуха 3,5…4 м³/с и при скорости обрабатываемого воздуха 2…3 м/с будет иметь поперечное сечение от 1,5 до 2 м² при плотности размещения форсунок 20 шт на 1 м² с трехрядным исполнением.

Эффективность форсуночной камеры зависит от количества форсунок и диаметра сопла распыляющих форсунок, и является следствием влияния распыла воды, т.е. преобладающего количества капель той или иной дисперсности, определяющего величину активной поверхности тепломассообмена.

Для тщательного перемешивания распыленных в форсунках капель воды с воздухом форсунки должны иметь малый диаметр сопел (∅2…∅3 мм) при их большом количестве, что усложняет эксплуатацию и снижает надежность их работы. Кроме того, наличие пыли в обрабатываемом воздухе приводит к загрязнению сопел форсунок с соответствующим ухудшением дисперсности капель, приводящим к общему снижению охлаждающего потенциала воздушно-испарительной установки.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание комбинированной установки воздушно-испарительного охлаждения атмосферного воздуха, используемого в качестве хладоагента в тепловых процессах прессового производства при и обеспечивающего охлаждение жмыха сои и подсолнечника при температуре атмосферного воздуха до и выше +40°С и для кондиционирования рабочих мест обслуживающего персонала.

Указанный технический результат достигается тем, что установка подготовки атмосферного воздуха для прессового производства для охлаждения жмыха сои или подсолнечника содержит охладитель жмыха, связанный воздуховодами с вентилятором с атмосферным воздухом и средство охлаждения атмосферного воздуха, при этом средство охлаждения атмосферного воздуха выполнено в виде центробежно-барботажного аппарата (ЦБА) с одной или двумя барботажными ступенями, при этом ЦБА имеет патрубок, через который воздух поступает в ЦБА за счет разрежения, создаваемого вентилятором и по меньшей мере патрубок для охлаждающей воды, соединенный с баком охлаждающей воды, выход ЦБА воздухопроводом соединен с охладителем жмыха, причем бак с охлаждающей водой своим выходным патрубком соединен с патрубком для охлаждающей воды ЦБА через теплообменник, а теплообменник для его охлаждения дополнительно соединен с холодильной машиной, выполненной в виде чиллера.

Интенсивность охлаждения воздуха существенно зависит от начальных параметров воздуха (температура и относительная влажность) и температуры распыляемой воды, при том, что ее снижение увеличивает эффективность охлаждения. Поэтому желательно применять охлажденную воду с использованием холодильной машины (в нашем случае: чиллер с использованием в качестве хладоагента фреона R22 с холодопроизводительностью 40×10³ ккал/час и температурой охлажденной воды +15°С).

Комбинированная установка охлаждения атмосферного воздуха может работать в двух режимах, при температуре наружного воздуха от -20 до +30°С установка работает без принудительного охлаждения хладоагента (атмосферного воздуха, подаваемого на охлаждение технологической продукции), и наоборот, для поддержания заданной температуры в диапазоне -20 до +30°С в воздух, подаваемый вентилятором, и имеющий отрицательную температуру, подмешивается воздух из производственного помещения, где при прессовании жмыха температура окружающего воздуха может достигать +30…40°С. Вместо форсуночной оросительной камеры для охлаждения атмосферного воздуха используется центробежно-барботажный аппарат (ЦБА). Применение ЦБА, как основной составляющей установки воздушно-испарительного охлаждения воздуха, обеспечивает высокие параметры тепломассообмена и соответственно компактное ее исполнение по сравнению с установками с форсуночной оросительной камерой, имеющей значительные габариты, с большим количеством сложных в изготовлении и эксплуатации жидкостных форсунок.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:

Фиг. 1 - общая схема подготовки атмосферного воздуха для охлаждения жмыха сои и кондиционирования рабочих мест обслуживающего персонала при температуре наружного воздуха от -30 до +45°С с Таблицей 1 основных режимов работы оборудования;

фиг. 2 - фрагмент I-d диаграммы влажного воздуха при охлаждении его по схеме, представленной на фиг. 1;

фиг. 3 - аппарат ЦБА в разрезе;

фиг. 4 - вид сверху на завихритель барботажной ступени.

Из диаграммы фиг. 2 видно, что при начальной температуре воздуха +45°С и относительной влажности 60% энтальпия влажного воздуха равна 35 ккал/кг, а абсолютная влажность 39 г/кг сухого воздуха. При обработке происходит адиабатное охлаждение воздуха до величины относительной влажности ϕ=100%, при этом температура влажного воздуха достигает температуры мокрого термометра (+37,5°С), а абсолютная влажность достигает 42,5 г/кг сухого воздуха; дальнейшее охлаждение воздуха до температуры охлаждающей воды, равной t_м=+27°С происходит при относительной влажности ϕ=100%, при этом конечная абсолютная влажность достигает 23 г/кг сухого воздуха.

За счет тепла конденсации влаги воздуха от 42,5 г/кг сухого воздуха до 23 г/кг сухого воздуха воздух охлаждается:

Q_конд=G_вΔd⋅r, где G_в - весовой расход воздуха,Δd - количество сконденсированной влаги, r - теплота конденсации.

Q_конд=3,5⋅1,14⋅3600 (42,5-23) ⋅ 10^-3⋅600=168058,8 ккал/час

Общее количество холода, необходимого для охлаждения воздуха от +45°С до +27°С ΣQ=G_в⋅ΔI, где ΔI - разность энтальпий между начальной и конечной температурой

∑Q=3,5 1,14 3600(35-20,5)=208278 ккал/час

Дефицит холода при охлаждении за счет конденсации

ΔQ=∑Q - Q_конд

ΔQ=208278 - 168058=40220 ккал/час

Этот дефицит покрывается за счет холодопроизводительности чиллера, равной 40000 ккал/час.

На фиг. 3 изображен ЦБА в разрезе. Аппарат может комплектоваться одной или двумя барботажными ступенями. Аппарат работает следующим образом: воздух через патрубок 1 поступает в ЦБА за счет разрежения, создаваемого вентилятором. Охлаждающая вода подается в аппарат через патрубок 2. Далее воздух с водой поступают в барботажную ступень 3 (завихритель). Вид сверху на завихритель барботажной ступени показан на рис. 4. Воздух с водой поступают внутрь барботажной ступени через тангенциальные щели 4, равномерно расположенные по периметру боковой поверхности завихрителя. Внутри завихрителя воздух начинает вращаться (вращение достигается за счет его ввода в барботажную ступень по касательной траектории через равномерно расположенные по боковой поверхности завихрителя тангенциальные щели 4). Вместе с воздухом начинает вращаться поступающая в барботажную ступень вода, раскручиваемая кинетической энергией воздуха.

Под действием центробежных сил вращающаяся вода прижимается к боковой поверхности завихрителя, где, постоянно раскручиваемая воздухом, вдуваемым в барботажную ступень, образует вращающееся пенное кольцо 5, заполняющее все внутреннее пространство до центрального отверстия.

Воздух с водой двигаются через вращающийся барботажный слой по спиральной траектории от периферии к центральному отверстию 6. Поскольку скорость воздуха в десятки раз превышает скорость воды, то при его прохождении через вращающийся слой, воздух с водой дробятся в поле центробежных сил на очень мелкие пузырьки с развитой быстрообновляемой поверхностью контакта фаз (размеры пузырьков обратно пропорциональны центробежным ускорениям).

После выхода из барботажной ступени газожидкостная смесь попадает в сепарационную зону, где происходит отделение жидкой фазы от воздуха (фиг. 3). После выхода из сепарационной зоны вода по стенкам стекает в нижнюю часть аппарата - поддон, откуда через патрубок 7 сливается из ЦБА. Охлажденный и увлажненный воздух через патрубок 8 поступает в охладитель жмыха и частично на кондиционирование рабочих мест обслуживающего персонала.

Аппараты ЦБА обладают следующими преимуществами:

1. Высокие коэффициенты тепломассообмена (высокая эффективность):

высокая скорость газа (на порядок выше, чем в других аппаратах), в десятки раз увеличивающая удельную поверхность контакта фаз газ - жидкость.

2. Малые габариты. При сопоставимой производительности аппараты ЦБА обладают значительно меньшими габаритами по сравнению с оросительными камерами или скрубберами.

3. Простота и надежность конструкции: отсутствие каких-либо вращающихся узлов; отсутствие форсунок.

4. Центробежно-барботажные аппараты одновременно с процессом охлаждения воздуха могут использоваться для мокрой очистки воздуха от различной крупно-, средне- и мелкодисперсной пыли. Эффективность улавливания пыли аппаратом ЦБА для частиц диаметром 1 мкм составляет >90%.

По воздушному охлаждающему тракту обеспечивается прокачка под разрежением охлажденного воздуха вентилятором типа ВДП-RV710.

Температура охлажденной воды, подаваемой в ЦБА насосом через теплообменник, может регулироваться за счет изменения расхода воды в контуре чиллера задвижкой.