Тепловые насосы в пищевой промышленности: основные функции

  Использование тепловых насосов на предприятиях пищевой промышленности обусловлено их ролью в реализации технологических процессов. Они обеспечивают подачу горячей воды, применяемой для отопления помещений, очистки и других технических нужд.

Таким образом, имеются все условия для выгодного применения тепловых насосов. Однако нам известны лишь немногие случаи их использования в этой области.

Примером может служить возможность применения тепловых насосов при одновременном использовании теплоты и холода при пастеризации жидкостей с последующим их охлаждением.

1. испаритель
2. ледяная вода
3. изолированный резервуар для хранения необработанного молока
4. резервуар для необработанного молока
5. молоко
6. 4-х секционный пластинчатый теплообменник
7. емкостной водонагреватель
8. нагрев электронагревателями
9. конденсатор
10. водопроводная вода
11. горячая вода 45-50 гр.С, 0.5 м/ч
12. горячая вода 85 гр.C
13. компрессор
14. теплообменник внутреннего контура
15. дроссельный вентиль

С помощью теплового насоса в водонагревателе осуществляется приготовление перегретой воды с температурой 85°С за счёт использования теплоты, выделяемой парами холодильного агента после сжатия в компрессоре; теплота, выделяющаяся при конденсации пара в конденсаторе, используется для приготовления горячей воды с температурой 45—50 °С, а за счет испарения в испарителе жидкого холодильного агента, прошедшего через дроссельный вентиль, можно получить ледяную воду (воду, охлажденную до нулевой температуры). Перегретая вода направляется для пастеризации молока в секциях 1—4 секционного пластинчатого теплообменника. Необходимый дополнительный нагрев в водонагревателе при приготовлении перегретой воды осуществляется электричеством.

Поступающее из резервуара необработанное молоко с определенной начальной температурой попадает сначала в секцию 2 пластинчатого теплообменника, где оно предварительно нагревается с помощью горячего молока, выходящего из секции пастеризации. После этого молоко поступает в секцию пастеризации, где оно нагревается перегретой водой до температуры примерно 75 °С, после чего проходит снова через секцию 2, где охлаждается свежим молоком, и поступает в секцию 3. В секции 3 происходит дальнейшее охлаждение молока водопроводной водой, и, наконец, проходя через секцию 4, молоко охлаждается ледяной водой до требуемой температуры 6 С, после чего оно поступает в теплоизолированный резервуар.

Водопроводная вода, предварительно нагретая в секции 3 пластинчатого-теплообменника, поступает в емкостный водонагреватель, где установлен конденсатор холодильного агента. Здесь она нагревается за счет выделяемой при конденсации теплоты до температуры 45—50 гр.С, после чего ее можно использовать для технологических целей.

С помощью этой установки можно обрабатывать 1 м3 молока в час при исходной его температуре 32,5 °С или 0,87 м3 молока в час при исходной температуре-10°С. Для пастеризации 1 т молока с исходной температурой 32,5 гр.С расходуется 28 кВт.ч электроэнергии, из них примерно 15 кВт.ч падает на дополнительный электрический нагрев. При исходной температуре молока 10 °С удельный: расход электроэнергии увеличивается до 2 кВт.ч/т. Поэтому с энергетической точки зрения целесообразно подвергать обработке молоко сразу после доения (парное молоко), т. е. монтировать установки прямо на крупных молочных фермах. Кроме того, тепловой насос обеспечивает приготовление горячей воды для хозяйственных нужд с температурой 45—50 °С при расходе 0,5 м3/ч.

Если же парное молоко не подвергается пастеризации, а только охлаждается, то схему установки можно упростить. По сравнению с предыдущей схемой в этом случае не нужны пластинчатые-теплообменники 1 и 2 водонагреватель для приготовления перегретой воды. Такие установки вполне пригодны для молочных ферм. Экономичность установки при технически правильном ее использовании обеспечена, особенно если соблюдаются изложенные ниже соображения относительно расположения конденсатора.

Схема применения теплового насоса для охлаждения молока и приготовления горячей воды
1 — ледяная вода;
2 — молоко 4 гр.С;
3 — молоко 32 °С;
4 — литьевая вода:
5 — горячая вода

В более крупных установках при приготовлении горячей воды целесообразно устанавливать конденсатор не внутри емкостного водонагревателя, а снаружи, включая в схему промежуточный циркуляционный насос. Преимущества конденсатора, расположенного внутри водонагревателя, заключающиеся в более высоких средних значениях коэффициента преобразования и простой автоматике, можно объединить с компактным исполнением конденсатора с принудительной циркуляцией потока, расположенного снаружи емкости. Если применить схему, изображенную на рисунке можно получить не только более высокие средние значения коэффициента преобразвания и более простую схему автоматики, но и компактное исполнение конденсатора с принудительной циркуляцией потока.

Принципиальная схема емкостного водонагревателя с компактным конденсатором теплового насоса, расположенным снаружи подогревателя
1 — емкость;
2 — компрессор;
3 — конденсатор

4 — дроссельный вентиль;
5 — испаритель;
6 — насос;
7 — термостат;
8 — патрубок для подачи свежей воды;
9 — распределитель;
10 — температурный разделительный слой

В основу этого решения были положены следующие экспериментальные результаты:

1) в емкостном водонагревателе 1 с расположением нагревательных устройств на дне емкости нагрев всего объема воды ниже температурного разделительного слоя 10 (граница между холодной и теплой водой в емкости) происходит равномерно:

2) температурный разделительный слой стабилен и сохраняется при догреве практически до момента выравнивания температур, если только удается избежать возникновения больших завихрений путем уменьшения скорости воды на входе.

Из рисунка видно, что кроме термостата, предназначенного для включения и выключения насоса 6 и компрессора 2, в контуре горячей воды не предусмотрены никакие дорогостоящие регулирующие контуры с регулирующими клапанами.

Циркуляционный насос забирает хозяйственную воду из емкости через патрубок 8, иногда с добавлением свежей воды и прокачивает ее через конденсатор 3 без какого-либо регулирования. Нагретая Б конденсаторе вода через распределительное устройство 9 направляется снова в нижнюю часть емкостного водонагревателя таким образом, чтобы не возникало завихрений потока, а также «короткого замыкания> между струями воды, выходящими из соседних отверстий распределителя. Распределительное устройство выполнено, как правило, в виде горизонтальной трубы с маленькими отверстиями или прорезями для выхода воды. Вода, нагретая в конденсаторе всего на несколько градусов, смешивается с более холодной водой той части емкости, которая находится ниже температурного разделительного слоя.

Более холодная вода, забираемая из емкости, прокачивается через конденсатор до тех пор, пока не достигается температура, установленная на термостате, после чего последний выключает компрессор и циркуляционный насос.

Преимущества этой схемы очевидны:

1) температура конденсации устанавливается автоматически с учетом температуры потока воды, превышая последнюю лишь на несколько градусов;

2) достигается оптимальные значения коэффициента преобразования, а тем самым и потребления электроэнергии;

3) время нагрева при такой схеме меньше, чем при работе с такими установками с тепловыми насосами, в которых свежая вода сразу нагревается до рабочей температуры путем соответствующего регулирования, поскольку производительность теплового насоса при более низких температурах конденсации возрастает;

4) тепловой насос может быть выполнен как компактный агрегат. За счет принудительной циркуляции достигается более высокий коэффициент теплопередачи, что позволяет уменьшить поверхность теплообменника;

5) регулирование осуществляется с помощью термостата, что упрощает схему. Отпадает необходимость в установке водяного регулирующего вентиля и регулятора.

В практических условиях при эксплуатации установки с тепловым насосом на молочной ферме, рассчитанной на 1200 животных, получены следующие параметры (проект разработан Сельхозпроект в Потсдаме):

Охлаждение молока (14 м3/сут), гр.С - 32 до 4

Приготовление горячей воды (14—17 куб.м/сут), гр.С - с 50 до 55

Характеристики теплового насоса:

максимальная мощность привода, кВт - 12

дневное потребление энергии, кВт.ч/сут - 216

дневная теплопроизводительность (нагрев 15,5 м3 воды с 28 до 50°С), кВт.ч/сут - 397

дневная холодопроизводительность (охлаж-дение 14 м3 молока с 10 до 4°С), кВт.ч/сут - 163

суммарная дневная теплопроизводительность нагрев 15,5 м3 воды с 10 до 50°С), кВт.ч/сут - 720

В настоящее время установка обеспечивает ежегодную экономию бурого угля в брикетах в размере 137 т. Капитальные затраты примерно на 20% ниже, чем при раздельном исполнении холодильной и отопительной установки.

В данном проекте еще не были учтены упомянутые выше соображения о размещении конденсатора в самом емкостном водонагревателе, вследствие чего можно ожидать дальнейшего повышения экономичности установки как и отношении капитальных затрат, так и потребляемой электроэнергии.

Схема теплового насоса, применяемого в колбасном производстве для процессов созревания колбасы
1 — воздухонагреватель;
2 — воздухоохладитель; 3 — паронагреватель;
4 — сборный резервуар;
5 — подача свежей воды через поплавкорый клапан;
6 — конденсатор;
7 — испаритель,
8 — компрессор;
9 — резервуар для холодной воды;
10 — насос (включается примерно при t2= 31 гр.С;
11 — кондиционеры для помещений, где происходит созревание колбасы

Применение тепловых насосов для комбинированной выработки холода и теплоты в пищевой промышленности обеспечивается и при реализации процессов созревания, например сыров или колбас. Поясним принципиальное устройство такой установки на примере процесса созревания колбасы.

Оптимальная температура для созревания колбасы находится в диапазоне от 10 до 15°С. Относительная влажность воздуха в помещении, где происходит созревание колбасы, устанавливается ежедневно в зависимости от степени высыхания колбасы. В качестве ориентировочных значений можно руководствоваться следующими:

с 1 по 4 сут. ....... от 90 до 85%

с 5 по 10 сут. . . . . . . . 85%

с И по 20 сут. ...... 80%

с 21 и до конца ...... от 75 до 70%

Поскольку в процессе созревания колбасы выделяется большое количество воды, необходимо осушать воздух в помещении, чтобы поддерживать заданные влажностные режимы.

Установка работает с принудительной циркуляцией воздуха. Воздух забирается из помещений, где происходит созревание продукта, и осушается за счет охлаждения при низких температурах. После этого приточный воздух необходимо снова нагреть примерно до температуры воздуха в помещении. На рис. показана принципиальная схема теплового насоса, предназначенного для работы на 72 камеры для созревания колбасы с суммарной производительностью примерно 425 т исходной (необработанной) колбасы за один цикл созревания. При эксплуатации этой установки получены хорошие технологические и энергоэкономические показатели.

Михаил Морозов