Глава 8. Энергосберегающие

технологии

8.1. Особенности энергосбережения в высокотемпературных

теплотехнологиях

Высокотемпературное тепло применяется при плавке и обработке металлов. Для определения возможных путей сбережения энергии рассмотрим кратко соответствующие технологии.

Наибольший расход высокотемпературной теплоты имеет место при выплавке металлов. Для получения металлов можно плавить руду или металлолом. Доказано, что при получении, например, стали из металлолома расход теплоты на плавку можно сократить на 30 – 40%. Однако это не всегда возможно. Так сталь обычно выплавляется в конверторных печах с кислородным дутьем /8/. Такие печи могут быть загружены металлической рудой на 100%, а металлоломом только на 30%. Естественно, при такой недогрузке получить теоретически возможную экономию топлива нельзя. Наряду с этим, электродуговые печи могут работать при загрузке металлоломом на 100%. В связи с этим, видимо, эффективно использовать электродуговые печи для получения стали из металлолома, а конверторные – для получения стали из железной руды.

Здесь же следует отметить некоторые недостатки получения стали из металлолома, которые снижают эффективность его использования.

Во-первых, сталь, получаемая из металлолома обычно более низкого качества.

Во-вторых, при получении стали из металлолома его необходимо тщательно сортировать. Сортировка, обычно проводится на основе различия магнитных характеристик металла с использованием электромагнитных полей. Естественно это потребует дополнительных затрат энергии.

Аналогичная ситуация имеет место и при выплавке других металлов.

Таким образом, направлением энергосбережения при выплавке металлов является расширение применения электродуговых печей, и расширение использования в качестве исходных материалов металлолома. Но при этом необходимо учитывать требования к качеству выпускаемых металлов и дополнительные затраты на сортировку металлолома.

К высокотемпературным технологиям относится также нагрев и закалка металлических изделий. Эти технологические процессы гораздо больше распространены в сельском хозяйстве и на них следует обратить более пристальное внимание.

Нагрев основан на подведении тепла к нагреваемому изделию с целью, его последующей деформации или закалки. Если нагрев проводится с целью последующей деформации, то он может протекать медленно. Закалка металлических изделий основана на быстром их нагреве и последующем быстром охлаждении. Причем и нагрев, и охлаждение должны быть равномерными. В этой связи особенно удобно применять электронагрев, в основе которого лежит закон Джоуля – Ленца. В соответствии с этим законом, при прохождении по металлу тока в нем выделяется теплота, определяемая по формуле:

Q = I²Rτ (8.1)

где Q – выделяемая теплота, Дж.;

I – протекающий ток, А;

R – активное сопротивление участка, по которому протекает ток, Ом;

τ – время протекания тока, сек.

Активное сопротивление связано с материалом и размерами нагреваемого участка следующей зависимостью:

(8.2)

где ρ – удельное сопротивление металла, Ом.м;

l – длина нагреваемого участка, м;

S – поперечное сечение нагреваемого участка, м².

Расчет усложняется тем, что все величины, определяющие сопротивление металла, изменяются при изменении температуры. Однако если принять, что увеличение длины пропорционально увеличению сечения, то сопротивление нагреваемого металла будет зависеть только от его удельного сопротивления. Установлено, что удельное сопротивление металлов зависит от температуры следующим образом:

ρ_t = ρ₂₀[1 + α(t + 20)] (8.3)

где ρ_t – удельное сопротивление металла при температуре t, Ом.м;

ρ₂₀ – удельное сопротивление металла при температуре 20^оС, Ом.м;

α – температурный коэффициент изменения сопротивления, ^оС^{– 1};

t – температура нагрева, ^оС.

В таблице 8.1 приведены необходимые для расчета данные для некоторых металлов.

При нагреве переменным током зависимость сопротивления от температуры сохраняется, то есть, остаются справедливыми (8.2) и (8.3). Но ток распределяется по сечению неравномерно. Например, если металлическая деталь будет иметь форму цилиндра, то плотность переменного тока повышается по направлению от центра сечения к поверхности. При неравномерной плотности тока по сечению нельзя принимать, что при нагреве отношение длины детали к ее сечению остается постоянным. Это связано с различием молекулярного взаимодействия между участками с разной температурой и с одинаковой температурой. Если температура по сечению цилиндра распределена неравномерно, причем перепад температур между поверхностью и центральной частью велик, то температурное удлинение затруднено. Это обусловлено тем, что при удлинении должны смещаться слои горячих и холодных участков, чему препятствуют межмолекулярные силы. Температурное увеличение сечения происходит без видимого сопротивления со стороны межмолекулярных сил, так как при этом увеличиваются расстояния между одинаково нагретыми молекулами.

Таблица 8.1

Характеристики сопротивления постоянному току некоторых металлов

Металл	Удельное сопротивление, Ом.м	Температурный коэффициент, оС
Сталь: 1% углерода 0,5% углерода 0,4% углерода Алюминий Железо Медь: чистая мягкая твердая	0,15*10–6 0,125*10–6 0,10*10–6 0,031*10–6 0,14*10–6 0,0162*10–6 0,0172*10–6 0,0175*10–6	6,25*10–3 6,20*10–3 6,18*10–3 3,7*10–3 4,8*10–3 4,0*10–3 4,0*10–3 4,0*10–3

Таким образом, сопротивление металла при нагреве зависит от его размеров. Этот эффект проявляется даже при промышленной частоте тока 50 Гц. На рисунке 8.1 приведены зависимости тока частотой 50 Гц от времени его протекания для металлических прутков различного диаметра, но одинаковой длины. Принято, что напряжение во всех случаях равно и поддерживается на номинальном уровне, а нагрев проводиться до одной и той же температуры.

Рисунок 8.1. Зависимость тока частотой 50 Гц от времени протекания

по металлическому пруту

1 – диаметр 25 мм, 2 – диаметр 45 мм, 3 – диаметр 60 мм.

Как видно из приведенного рисунка, при увеличении сечения нагреваемой детали температурное увеличение длины замедляется и отстает от температурного увеличения сечения. Так при диаметре 60 мм увеличение длины затормаживается холодной центральной частью, а сечение продолжает увеличиваться за счет нагретых периферийных слоев. Это приводит к уменьшению сопротивления переменному току и к увеличению тока почти до исходного (холодного) состояния. Восстановление значения тока приводит к восстановлению мощности, идущей на нагрев.

Этот эффект проявляется еще больше при увеличении частоты тока.

Принимая во внимание, что для нагрева металлов используются значительные токи, направлением энергосбережения также будет являться стремление к уменьшению сопротивления всех электрических контактов.

Для закалки металлических деталей боле эффективно применять индукционный электронагрев. Эффективность заключается в том, что при таком способе нагрева можно нагревать только тонкий поверхностный слой, чего бывает достаточно для упрочнения детали.

Физическая сущность электромагнитной индукции заключается в том, что в металлах, помещенных в переменное магнитное поле, возникает электродвижущая сила (э.д.с.). Под действием э.д.с. индукции протекает ток индукции, который и нагревает металл.

Электродвижущая сила индукции зависит от числа параметров индуктора (катушки), который создает переменное магнитное поле, и определяется по формуле:

E = 4,44 f ω Ф (8.4)

где E – э.д.с. индукции, В;

f – частота тока, протекающего по обмотке индуктора, Гц;

ω – количество витков обмотки индуктора;

Ф – магнитный поток, создаваемый индуктором, Вб.

Под действием э.д.с. индукции в металле протекает ток

(8.5)

где Z – полное сопротивление металлического проводника переменному току, Ом.

Ток индукции протекает по поверхности металла, причем, чем выше частота индуцируемого тока, тем меньше глубина его проникновения в толщу металлического проводника. Толщина проникновения, или глубина нагреваемого слоя определяется по формуле:

(8.6)

Здесь δ – толщина наружного нагреваемого слоя, мм;

μ – магнитная проницаемость.

На рисунке 8.2 показан график глубины проникновения тока индукции в стальной пруток в зависимости от частоты тока при нагреве до 1000 ^оС. Как видим, с увеличением частоты тока глубина нагрева уменьшается. при уменьшении глубины потребуется меньшая мощность, а, следовательно, возможна экономия энергии.

Рисунок 8.2. зависимость глубины нагрева стали от частоты индуцируемого тока

Кроме описанного явления для повышения эффективности электроиндукционного нагрева можно использовать эффект близости. Эффект близости проявляется следующим образом:

• если по двум близко расположенным проводникам протекает ток одинаковой частоты и одного направления, то мощность концентрируется на внешней части этих проводников;

• если по двум близко расположенным проводникам протекает ток одинаковой частоты, но разного направления, то мощность концентрируется на внутренней части этих проводников;

• если ток протекает по спирали, то мощность концентрируется на внутренних поверхностях витков.

Описанные эффекты близости поясняются рисунком 8.3.

Рисунок 8.3. К пояснению эффектов близости

а – при протекании токов в разных направлениях, б – при протекании токов в одном направлении, в – при протекании тока по спирали

При различных сочетаниях взаимного расположения проводников эффекты складываются. В частности, при нагреве внешней части полой цилиндрической детали эффект близости усиливается, в результате внешняя поверхность цилиндра легко нагревается. Если же требуется закалить внутреннюю поверхность полого цилиндра, то эффекты близости компенсируются, что потребует значительного увеличения мощности индуктора.

Для получения более высоких температур используются электроплазменные горелки (рисунок 8.4).

Рисунок 8.4. Электроплазменная горелка

Газоэлектрическая плазма представляет собой ионизированный газ, разогретый в переменном магнитном поле индуктора до температуры 1*10⁴ – 2*10⁴ К. Если через эту плазму продувать воздух, то он нагревается до еще большей температуры. Электроплазменные горелки в отличие от ацетиленовых горелок позволяют получать более высокие температуры и экономить карбид кальция. Однако индукционные установки имеют очень низкий коэффициент использования мощности, что должно учитываться при их применении.

8.2. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции

и горячего водоснабжения

Системы отопления можно разделить на два вида: централизованные системы отопления и автономные системы отопления.

Достоинством централизованной системы отопления является горение топлива при более высоких температурах, а, следовательно, можно получить более высокий к.п.д. котельной установки. Кроме того, более высокая температура горения топлива позволяет использовать перегретый пар, то есть, более эффективный теплоноситель, чем вода.

К недостаткам централизованной системы отопления следует отнести неизбежные потери тепла в тепловых сетях.

По данным /11/ в России в тепловых сетях общего пользования ежегодно теряется в окружающую среду около 25 млн. т.у.т. В распределительных сетях теряется в окружающую среду 55 – 60 млн. т.у.т. Приблизительно 30% всех потерь теплоты в теплотрассах приходится на сети малого диаметра (до 80 мм).

Таким образом, потери в тепловых сетях приводят к увеличению расхода топлива (около 100 млн. т.у.т.). Кроме очевидного экономического ущерба, перерасход котельного топлива отрицательно влияет и на экологию. Так при сжигании 1 т.у.т. в атмосферу выбрасывается 4,5 кг азотных соединений и 20 кг серных соединений и твердых золовых частиц /11/.

Потери в теплотрассе пропорциональны температурному напору между теплоносителем и окружающей средой. В этом плане подземные теплотрассы находятся в лучших условиях, чем воздушные, так как температура воздуха обычно ниже, чем температура грунта на глубине более 1 метра²⁰.

Теплотрассы от централизованных источников тепла обычно имеют две линии²¹: прямую, по которой теплота поставляется потребителям, и обратную, по которой возвращается обратная вода или конденсат после отдачи теплоты в зону ее использования. Для снижения температурного напора поддерживается минимально возможная температура обратной воды, которая вместе с потребителем определяет температуру теплоносителя в прямой линии. Учитывая кольцевое движение теплоносителя, следует придавать большое значение теплоизоляции не только прямой линии, но и обратной, так как сохранение температуры обратной воды снижает потребности в ее последующем подогреве. Кроме того, не предусмотренные потери тепла в обратной линии могут стать причиной ошибочного повышения температуры теплоносителя в прямой линии.

Наиболее вероятным местом потерь тепла по теплотрассе является водозапорное оборудование (вентили) и места разветвлений. Во-первых, в этих местах наиболее сложно уложить теплоизоляцию, во-вторых, подвижные соединения наиболее подвержены разрушению при замерзании теплотрассы. Замерзание теплотрассы может происходить в результате аварий в системе теплоснабжения. В России, из-за высокой изношенности тепловых сетей и отсутствия ответственности ремонтно-эксплуатационного персонала, размерзание вентилей происходит достаточно часто. Причем течь в вентилях обнаруживается не сразу, и теплота теряется в окружающую среду вместе с вытекающим теплоносителем.

Для устранения этих потерь необходимо периодически осматривать водозапорное оборудование с полной его разборкой и проведением профилактики. Кроме периодических профилактик следует проводить аварийные осмотры и аварийные ремонты после каждой остановки централизованной котельной.

Сокращению расхода топлива способствует принудительная прокачка теплоносителя через потребители тепла (батареи отопления). Принудительная прокачка обязательна в централизованных системах теплоснабжения, а в системах автономного теплоснабжения может обеспечить снижение температуры теплоносителя до 30%. Однако сами прокачивающие насосы являются потребителями электрической энергии.

Таким образом, экономичность насосов в системе теплоснабжения определяется расходом электроэнергии. При плотности воды 1000 кг/м³ удельный расход энергии определяется следующей формулой /11/:

(8.7)

где ω – удельный расход электроэнергии, кВт.ч/м³;

Н_Н – номинальный напор насоса, м;

η_Н – к.п.д. насоса, о.е.;

η_ЭД – к.п.д. электродвигателя, о.е.;

η_ЭС – к.п.д. электросети, о.е.;

Q_H – номинальная производительность насоса, м³/час;

Q_Ф – фактическая производительность насоса, м³/час.

В формуле (8.7) расчетный коэффициент 0,0072 имеет размерность кВт.ч/м⁴.

Значительной экономии электроэнергии можно достичь путем согласования напора насоса и сопротивления трубопровода. В этой связи необходимо стремиться, чтобы точка пересечения индивидуальной характеристики насоса и характеристики трубопровода находилась в зоне номинального к.п.д. (рисунок 8.5).

Добиться такого согласования можно либо путем изменения насоса (удалением колес или подрезкой лопастей), либо путем изменения параметров трубопровода (уменьшением или увеличением длины, увеличением или уменьшением диаметра труб), либо сочетанием этих путей. Напор насоса после подрезки лопастей можно определить из соотношения /11/:

(8.8)

где Н_ИЗМ – напор насоса после изменений (подрезки) лопастей, м;

D_Н – исходный (заводской) диаметр лопастей, м²;

D_ИЗМ – диаметр лопастей после изменения (подрезки), м.

Рисунок 8.5. К выбору насоса

1, 2 – характеристика насоса до и после изменений (Q_H = f(H), 3, 4 – характеристика трубопровода до и после изменений (Q_ТР= f(H), 5 – к.п.д. насоса

Для обеспечения комфортного микроклимата внутри помещений применяются системы вентиляции, которые подают (приточные системы вентиляции) или откачивают (вытяжные системы вентиляции) воздух. Приточные системы вентиляции могут подавать холодный или подогретый наружный воздух.

Расчет вентиляции основан на решении дифференциального уравнения:

Lz₁dt + zdt – Lz₂dt = Vdz₂ (8.9)

где L – расход воздуха на удаление вредностей из помещения, м³/час.

z₁ – содержание единиц вредностей в наружном воздухе, ед./м³;

t - время удаления, час;

z – вредности, выделяемые в помещении за единицу времени, ед/час;

z₂ – содержание единиц вредностей в удаляемом воздухе, ед/м³.

V – объем вентилируемого помещения, м³.

Принимая t = ∞, после интегрирования получаем:

(8.10)

В соответствии с (8.10) расчетные формулы для удаления конкретных вредностей имеют вид:

• на удаление избыточной влаги

(8.11)

где = d₁φ_H, = d₂φ_ВН;

d₁ – содержание влаги в наружном воздухе в насыщенном состоянии при заданной температуре, г/м³;

d₂ – содержание влаги внутри помещения в насыщенном состоянии при заданной температуре, г/м³;

φ_Н – относительная влажность наружного воздуха, о.е.;

φ_ВН – относительная влажность воздуха внутри помещения, о.е.;

W – выделение влаги внутри помещения, г/час.

• на удаление избыточной углекислоты

(8.12)

где – количество углекислоты, выделяемой в помещении, г/час;

С₁ – содержание углекислоты в наружном воздухе, г/м³;

С₂ – допустимое содержание углекислоты в помещении, г/м³;

• на удаление избыточного тепла

(8.13)

где Q_И – поток избыточной теплоты внутри помещения, Дж/час;

t_ВН – внутренняя температура воздуха, ^оС;

t_Н – температура наружного воздуха, ^оС;

с – объемная теплоемкость воздуха, Дж/кг*град

Системы вентиляции имеют электропривод, в связи с чем, энергосбережение сводится к экономии электроэнергии. Наиболее экономичное потребление электроэнергии будет иметь место в случае равенства момента сопротивления и номинального момента электродвигателя вентилятора. Здесь следует отметить, что в любых помещениях, а в сельскохозяйственных помещениях особенно, требуемая производительность вентилятора зависит от сезона года. Это в свою очередь требует соответствующего изменения момента электродвигателя. Таким образом, значительной экономии электроэнергии на вентилирование можно достичь, применяя для привода вентилятора многоскоростные или иные регулируемые электродвигатели.

Направлением энергосбережения при горячем водоснабжении, кроме подбора насоса, может быть аккумулирование горячей воды. Применение аккумуляторов горячей воды позволяет разгружать нагревательные установки в период пика нагрузки. Особенно эффективно аккумулирование горячей воды при автономной системе горячего водоснабжения, основанной на электронагреве.

Аккумулированная теплота определяется следующим образом:

Q_A = cm(t_Г – t₀) (8.14)

где с – теплоемкость аккумулирующего вещества, Дж/кг.град.;

m – Мааса аккумулирующего вещества, кг;

t_Г – температура нагрева аккумулирующей массы, град.;

t₀ – температура окружающей среды, град.

Если теплота аккумулируется непосредственно в нагреваемой воде, то вместо t₀ следует принимать требуемую температуру горячей воды.

Для увеличения времени сохранения аккумулированной теплоты можно использовать фазовые превращения вещества или повышать давление внутри аккумулятора. В этом случае уравнение расхода теплоты имеет вид:

Q_A = cm(t_Г – t₀) + λm (8.15)

Здесь λ – коэффициент фазового перехода, например, плавления, Дж/кг.

Как следует из (8.15), при достижении температуры фазового перехода теплота расходуется на изменение агрегатного состояния аккумулирующего вещества и его температура не повышается. После прекращения подачи теплоты, аккумулирующее вещество начинает обратное фазовое превращение, и до его полного завершения температура также будет оставаться постоянной. Такой аккумулятор, во-первых, увеличивает время аккумулирования теплоты, а во-вторых, позволяет использовать тепловую энергию или электроэнергию для зарядки аккумулятора в наиболее удобное время. На рисунке 8.6 показаны сравнительные графики работы тепловых аккумуляторов с обычным и фазопревращаемым материалом.

Рисунок 8.6. Изменение температуры в аккумуляторах тепла

1 – с обычным аккумулирующим материалом, 2 – с фазопревращаемым аккумулирующим материалом

8.3. Энергосбережение в сушильных, выпарных

ректификационных установках

Сушка, или процесс удаления влаги из различных материалов, весьма распространен во всех отраслях производства. Особое место сушка занимает в сельском хозяйстве.

В сельском хозяйстве применяется сушка получаемой продукции (зерна, корнеплодов и т.п.) и сушка для получения продукции (скошенной травы для получения сена, фруктов для получения сухофруктов и т.п.). В процессе сушки удаляют часть влаги из продукта, что сдерживает развитие гнилостных бактерий и увеличивает время хранения продукта. Обычно процессы сушки экономически оправданы и затраты на их проведение окупаются за короткий период времени. Вместе с тем рациональная сушка позволяет еще более снизить затраты энергии, что обеспечит получение дополнительного эффекта. Для уяснения путей энергосбережения кратко рассмотрим процессы удаления влаги из продукта.

Процесс сушки материалов состоит из нарушения связи влаги с материалом и последующего ее удаления в окружающую среду. В соответствии с классификацией академика П.А.Ребиндера /10/ различают химическую, физико-химическую и физико-механическую связь влаги с материалом.

Химическая связь влаги с материалом образуется за счет внутримолекулярных сил, и в этом случае влага (вода) может быть удалена только в ходе химических реакций или горения.

Физико-химическая связь влаги с материалом образуется за счет межмолекулярных сил, и подразделяется на абсорбционную и осмотическую связь. Абсорбционно связанная влага удерживается на поверхности частиц тела по всему его объему за счет межмолекулярных сил. При подведении к границе "тело-влага" теплоты связь разрушается, и влага испаряется с поверхности частиц тела. Осмотически связанная влага проникает внутрь тела через проницаемые перегородки и удерживается силами осмотического давления. Под действием градиента влажности осмотически связанная влага может диффундировать по всему объему тела.

Физико-механическая связь влаги с телом обусловлена физическими силами поверхностного смачивания и капиллярного всасывания. Эта связь наименее сильная, и влага может быть удалена при небольших затратах энергии.

Независимо от формы связи различают также внешнюю и гигроскопическую влагу. Гигроскопическая влага в процессе сушки полностью не удаляется.

Любому значению относительной влажности воздуха (окружающей среды) соответствует определенная влажность материала, при которой масса влаги, испаряемая в воздух, равна массе конденсируемой влаги, проникающей в материал. При этом парциальное давление пара на поверхности тела (р_П) равно парциальному давлению пара в воздухе (р_В), то есть р_П = р_В. Равновесное состояние может быть достигнуто либо поглощением пара из воздуха (сорбция влаги), либо испарением влаги в воздух (десорбция влаги). Равновесная влажность тела при относительной влажности воздуха φ_В = 100% называется гигроскопической влажностью ω_Г. Таким образом сорбция влаги возможна только до тех пор, пока не будет достигнута гигроскопическая влажность.

Можно построить зависимость между относительной влажностью воздуха и влажностью тела для определенной температуры. Такая зависимость называется изотермой сорбции или десорбции.

На рисунке 8.7 приведена изотерма десорбции капиллярно-пористых тел.

Влага, которую можно удалить из материала в процессе десорбции, определяется следующим образом:

ω_УД = ω – ω_Р (8.16)

где ω_УД – удаляемая при сушке влага, о.ед;

ω – влажность материала, о.ед;

ω_Р – равновесная влажность при определенной относительной влажности воздуха, о.ед.

при нагреве тела влага перемещается в результате двух явлений: процесса диффузии и процесса термодиффузии. Движителем процесса диффузии является градиент влагосодержания , а процесса термодиффузии градиент температур . Здесь u – влагосодержание, кг/м³, Т – температура, К, х - координата, м.

Рисунок 8.7. Изотерма десорбции

Очевидно, в процессе нагрева тела возникают оба градиента, которые вызывают встречные потоки движения влаги (рисунок 8.8). Сушка будет происходить в том случае, если результирующий поток будет направлен из глубины тела к его поверхности.

Отсюда становится ясным первый принцип интенсификации процесса сушки – чем выше градиент температур, тем быстрее протекает процесс сушки. Однако при сушке сельскохозяйственной продукции увеличение градиента температур ограничено.

Рисунок 8.8. К движению влаги в нагреваемом материале

при сушке

Также ясно, что температурный градиент при нагреве следует направлять изнутри материала к его поверхности. При внешнем подводе тепла это достаточно проблематично. Однако при применении электронагрева это не вызывает особых трудностей, так как источник тепла может быть размещен внутри высушиваемого объема, например внутри бурта корнеплодов.

Так как процесс удаления влаги зависит от равновесного влагосодержания, то ускорить процесс сушки (а значит и уменьшить потребляемую тепловую энергию) можно путем понижения равновесного влагосодержания ω_Р. Этого можно достичь путем удаления влаги из окружающего воздуха. Влага из воздуха удаляется путем вентилирования (см. п.8.2), то есть удаления влажного воздуха, окружающего высушиваемый продукт.

Понизить влагосодержание окружающей среды можно также и выведением высушиваемого продукта из окружающего влажного воздуха в более сухой. Например, в сельскохозяйственном производстве осуществляют перебрасывание буртов зерна зернометателями из одного места в другое. При этом происходят следующие эффекты:

• перемещение зерна в более сухое окружающее пространство;

• перемешивание сухих и влажных слоев зерна;

• увеличение отношения испаряемой поверхности к занимаемому объему;

• проветривание зерна во время его полета.

Данный способ весьма эффективен для сушки только что убранного зерна на механизированном току, так как достаточный нагрев происходит за счет солнечного излучения и не требуется дополнительного подвода теплоты. В последующем зерно подсушивается перемещением в элеваторах, однако при этом может потребоваться продувка норий горячим воздухом.

Следует отметить, что не все сельскохозяйственные продукты можно сушить путем перебрасывания. Так, мягкие корнеплоды, фрукты, капуста и т.п. при перебрасывании будут получать механические повреждения. В этой связи предварительная сушка этих продуктов производится путем продувания воздуха сквозь бурты, насыпанные на короб из реек (рисунок 8.9). Воздух, проходящий через короб, при этом может подогреваться.

Рисунок 8.9. Сушка корнеплодов путем продувки теплого воздуха

через короб в бурте

Таким образом, направлениями энергосбережения при сушке продуктов могут быть увеличение поверхности испарения по отношению к занимаемому объему, создание максимально возможного температурного градиента и направление его изнутри продукта к поверхности, удаление влаги из окружающего воздуха путем вентилирования, периодическое перемещение высушиваемого продукта в пространстве.

Процессы выпаривания и ректификации аналогичны процессам сушки.

Выпаривание применяется в перерабатывающих отраслях сельского хозяйства для получения масел животного и растительного происхождения, например, "топленного" сливочного масла. В отличие от обычной сушки при выпаривании необходимо более глубокое осушение продукта, с удалением абсорбционно связанной влаги. Это повышает энергоемкость процесса. Вместе с тем при выпаривании допускаются бóльшие градиенты температуры, что способствует энергосбережению. Для уменьшения расхода теплоты может быть перспективным понижение давления в емкости с продуктом, который подвергается выпариванию.

Ректификацией называется способ тщательной очистки жидкостей. Например, ректификация применяется для выделения спиртов повышенной чистоты. В основе процесса ректификации лежат различные температуры кипения различных жидкостей. Сущность ректификации состоит в следующем.

Жидкость²² испаряется при любой температуре. Однако наиболее интенсивное испарение происходит при кипении жидкости. Если имеется смесь нескольких жидкостей (обычно это водные растворы) с разной температурой кипения, то в парах будет подавляющее число молекул той жидкости, температура кипения которой ниже температуры раствора. Так, если в растворе имеются вода (температура кипения 100^оС), тяжелые спирты (температура кипения 85 – 87^оС), этиловый спирт (температура кипения 79^оС), ацетон (температура кипения 30^оС), и температура раствора 80^оС, то в паре будут преобладать молекулы ацетона и этилового спирта. Если этот пар впоследствии подвергнуть охлаждению (конденсации), то получим спиртовой раствор ацетона. Поместив этот раствор в среду с температурой 35 – 40^оС, получим чистый этиловый спирт, так как ацетон при такой температуре испарится в окружающую среду. Фактически для получения чистого этилового спирта приходится повторить ректификацию несколько раз, однако на выбор мероприятий по энергосбережению это уточнение не влияет.

При ректификации невозможно использовать увеличение градиента температур для энергосбережения, так как в водных растворах температурный градиент стремится к нулю. Невозможно так же повышать температуру, так как она находится в рамках жестких технологических требований. Наиболее эффективным направлением энергосбережения будет использование конденсаторного тепла. Теплота, выделяемая при обязательном кондиционировании паров этилового спирта, может использоваться в других низкотемпературных процессах. Для этого конденсатор следует использовать, как теплообменник, что соответствует современным устройствам ректификационных установок. Отводимое от конденсатора тепло можно использовать для подогрева биомассы в установках по производству газообразного биотоплива, или в кондинционерах воздуха. В последнем случае конденсатор ректификационной установки является испарителем холодильника кондиционера.

Энергосбережению способствует и повышение давления в конденсаторе ректификационной установки.