SPRAWNOŚĆ CIEPLNA PRZEPONOWYCH I BEZPRZEPONOWYCH

Transkrypt

1 InŜynieria Rolnicza 3/63 Tadeusz Lis*, Samoń Zbigniew** Helena Lis* *Wydział InŜynierii Produkcji Akademia Rolnicza w Lublinie **IUNG w Puławach SPRAWNOŚĆ CIEPLNA PRZEPONOWYCH I BEZPRZEPONOWYCH PODGRZEWACZY POWIETRZA W SUSZARKACH CHMIELU Streszczenie Zastosowanie oalanych gazem ziemnym odgrzewaczy bezrzeonowych włynęło na zmniejszenie zuŝycia aliwa o około 30% - w stosunku do odgrzewaczy rzeonowych. Srawność cielna zasilanych gazem ziemnym odgrzewaczy bezrzeonowych jest znacznie wyŝsza, niŝ rzeonowych. Statystycznie nieistotne są róŝnice omiędzy srawnością cielną odgrzewacza rzeonowego zasilanego gazem ziemnym lub węglem. Nie było teŝ istotnych róŝnic omiędzy srawnością odgrzewaczy zamontowanych w suszarce chmielu bez recyrkulacji oraz z częściową recyrkulacją. Słowa kluczowe: Wykaz oznaczeń c g =1,0077,c w =1,87 cieło wł. owietrza suchego oraz ary wodnej w owietrzu, kj/(kg K), i (1+x)1, i (1+x) entalia owietrza odowiednio-otoczenia, oraz naływającego do suszarki, kj/(1 kg +x), (I I 1 ) rzyrost entalii owietrza w odgrzewaczu suszarki, kw, x zawartość wody w owietrzu (stoień zwilŝenia), kg H O/kg.s., ciśnienie atmosferyczne [Pa], w, g ciśnienie składnikowe odowiednio ary wodnej i owietrza suchego [Pa] ( w ) t1, ( w ) t ciśnienie nasycenia ary wodnej w tem. t 1, t, Pa, [Raźnjević K.1966], R g = 87 J/(kg K)- stała gazowa suchego owietrza, R w =- 461,5 J/(kg K)- stała gazowa ary wodnej, r o = 501 kj/kg cieło arowania w unkcie otrójnym wody, S od - całkowite straty w odgrzewaczu owietrza, [%], S k - strata kominowa, [%], S CO - strata niezuełnego salania, [%], S n - strata niecałkowitego salania, [%], S r - straty cieła rzez romieniowanie i konwekcję, [%], S gŝ - strata w gorącym ŜuŜlu, [%], t 1, t temeratura owietrza odowiednio- rzy wlocie i wylocie nagrzewnicy, [ C], W d - wartość oałowa aliwa, [kj/kg lub kj/nm 3 ], η - srawność cielna odgrzewacza owietrza w suszarce, ρ 1+x gęstość owietrza wilgotnego, kg/m³, τ czas suszenia, s, godz., 97

2 Tadeusz Lis, Samoń Zbigniew, Helena Lis ϕ 1 = w / w wilgotność względna owietrza zasilającego suszarkę, v śr średnia rędkość rzeływu owietrza rzy wlocie, m/s, V & natęŝenie rzeływu owietrza rzez suszarkę, m³/ilość, Q - ilość cieła uzyskanego w wyniku salania aliwa, [kw], Wrowadzenie i cel racy Owocostany chmielu (Humulus luulus L.), zwane szyszkami, uŝywane są w rzemyśle iwowarskim, jak równieŝ w niewielkiej ilości w rzemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, i soŝywczym. Szyszki chmielu zawierają w swoim składzie cenne dla rzemysłu iwowarskiego składniki chemiczne - Ŝywice chmielowe, olejki aromatyczne oraz garbniki. Chmiel w 000 r. urawiany był na świecie na owierzchni wynoszącej rawie 56 tys. ha, a średni lon wynosił 1,66 t/ha. Pod względem owierzchni urawy kraj nasz zajmował szóste miejsce w świecie, o takich krajach, jak: RFN, USA, Czechy, Chiny i Wielka Brytania. W Polsce lon chmielu w ostatnim ięcioleciu wahał się od 1,16 do 1,8 t/ha [Raorty IHGC ]. Mimo, Ŝe soŝycie iwa w naszym kraju systematycznie rośnie (o 10% rocznie), to w drugiej ołowie lat 90-tych owierzchnia urawy chmielu zmniejszyła się od 480 ha do 080 ha. Było to związane ze znacznym sadkiem cen, sowodowanym imortem dotowanego surowca [Dwornikiewicz 1999a]. W rzeliczeniu na alfa-kwasy Polska więcej chmielu imortuje niŝ eksortuje [Stasiak i Zaorski 000]. Główne rejony urawy chmielu w naszym kraju w latach 90-tych znajdowały się w województwach: lubelskim ha (8% owierzchni urawy tej rośliny), wielkoolskim- 178,5 ha (8,3%) i oolskim 85,3 ha (4%) [Dwornikiewicz 1999b]. Proces suszenia ochłania 5-35% całkowitych nakładów energii skumulowanej, zuŝywanej odczas rodukcji chmielu [Cetina i Kohlmann 1980]. Rozwój gazyfikacji rzewodowej na wsi [Rocznik stat. 000] tworzy warunki wykorzystania gazu ziemnego do ogrzewania suszarek chmielu. Na odstawie rzeglądu literatury moŝna stwierdzić, Ŝe do momentu rozoczęcia badań nie odejmowano rac badawczych nad ogrzewaniem suszarek chmielu rzy omocy mieszanki owietrza i salin owstałych w wyniku salania gazu ziemnego. UŜycie w suszarkach chmielu odgrzewaczy oalanych gazem ziemnym jest bardziej korzystne dla środowiska naturalnego, niŝ oalanych węglem, ze względu na mniejszą emisję szkodliwych zanieczyszczeń [Badyda K., 000; 7-8]. Celem racy było zbadanie i orównanie srawności cielnej odgrzewacza rzeonowego oalanego węglem i gazem - z bezrzeonowym, który miał zastosowanie jedynie rzy oalaniu suszarki chmielu gazem ziemnym. Zbadano teŝ srawność odgrzewacza w suszarce bez recyrkulacji- oraz z częściową recyrkulacją owietrza. Warunki, metodyka i rzebieg badań Do badań wybrano 4 odgrzewacze owietrza w suszarkach chmielu (obiekty w skali technicznej): obiekt 1 - rzeonowy wymiennik cieła na gaz ziemny, obiekt - rzeonowy wymiennik cieła na węgiel, obiekt 3 - bezrzeonowy wymiennik cieła na gaz ziemny (rys. 1), obiekt 4 -bezrzeonowy wymiennik cieła na gaz ziemny - z zastosowaniem częściowej recyrkulacji czynnika suszącego w suszarce. Srawność cielną odgrzewaczy owietrza określono ze wzoru o ostaci: 98

3 Srawność cielna rzeonowych η =. ( I I1) / Q Przyrost entalii w odgrzewaczu owietrza określano ze wzoru o ostaci. () ( I I1) = [ V ρ 1+ x ( i(1 + x) i(1 + x) 1 )].1/(1 + x) Objętość owietrza wyliczano na odstawie omiaru rędkości jego rzeływu, wykonywanego za omocą anemometru skrzydełkowego AR- i owierzchni rzekroju suszarki. Zakres omiarowy rzyrządu wynosił 0, - 19,9 m/s, a dokładność 0,01 m/s. Gęstość wilgotnego owietrza obliczono ze wzoru o ostaci: ρ = / R / R 1 (3) {( ) ( )} T 1 + x s s + w / Ciśnienie składnikowe ary wodnej wynosiło a owietrza suchego w = ϕ/ w (1) [Pa] (4) g = {ϕ/ w } [Pa] (5) Entalię owietrza wilgotnego nienasyconego obliczano w odniesieniu do 1 kg owietrza suchego ze wzoru o ostaci: ρ = t. c + x c t r (6) 1 + x g ( w + uwzględniając zawartość wody w owietrzu naływającym do odgrzewacza, którą wyznaczono według znanego równania o ostaci: " " {( ϕ. ) /[ ϕ. )} x = 0,6 (7) w a w Względną wilgotność owietrza otoczenia była mierzona, a czynnika suszącego obliczana ze wzoru: " " ϕ = ϕ1. 0,6.[. t1 /. t ] (8) Cieło uzyskane z oału wynosiło Q d = md. W (9) u Straty w odgrzewaczu owietrza określa wzór o ostaci [Praca zbiorowa 1974] S = S + S + S + S + S (10) od k CO n Strata kominowa, dotycząca tylko rzeonowych wymienników cieła, została wyznaczona z emirycznego wzoru Siegerta o ostaci ts t (11) o S k = α CO gdzie:α - bezwymiarowy wsółczynnik [Praca zbiorowa 1974], t s - temeratura salin rzy wyjściu z odgrzewacza, [ C], t o - temeratura otoczenia, [ C], CO - zawartość dwutlenku węgla w salinach [%]. PoniewaŜ nie stwierdzono tlenku węgla zarówno w salinach odgrzewacza oalanego aliwem stałym, jak i w salinach odgrzewaczy gazowych, stratę niezuełnego salania rzyjęto za równą 0. Na stratę niecałkowitego salania (wystęującą zwykle w wymiennikach oalanych aliwem stałym) składają się straty części alnych w ŜuŜlu, w rzesyie oraz w lotnym koksiku i sadzy. Strata w gorącym ŜuŜlu wystęuje tylko w odgrzewaczach, w których ŜuŜel wystęuje w ostaci ciekłej. Straty rzez romieniowanie i konwekcję są trudne do wyznaczenia. Określa się je zwykle jako uzuełnienie bilansu kotła do 100%. Ze względu na brak moŝliwości wykonania większości omiarów otrzebnych do wyznaczenia oszczególnych składników wzoru (10), w badaniach ograniczono się jedynie do określenia strat kominowych. Całkowite straty w odgrzewaczu owietrza są róŝnicą cieła uzyskanego ze salania aliwa i cieła wykorzystanego na ogrzanie owietrza. r 0 gz 99

4 Tadeusz Lis, Samoń Zbigniew, Helena Lis Podczas omiarów określono nastęujące cechy owietrza wilgotnego: temeraturę suchego i mokrego termometru, ciśnienie atmosferyczne oraz wilgotność względną owietrza. ZuŜycie węgla określono orzez waŝenie na wadze szalkowej z dokładnością do 0,1 kg. Wartość oałowa węgla została wyznaczona w laboratorium LPEC w Lublinie. ZuŜycie gazu określano orzez codzienny odczyt wskazań gazomierza. Wartość oałową gazu ziemnego rzyjęto na odstawie wyników analiz na stacji rozdzielczej w Rozwadowie. Do omiaru temeratury owietrza według termometru suchego i mokrego w suszarkach uŝyto wielokanałowego miernika temeratury TA-100, którego dokładność wynosiła 0,1ºC. Pomiaru dokonywano w czterech miejscach od sitem dolnym, rozmieszczonych na rzekątnych komory suszenia, w odległości 0,75 m od naroŝników. Temeraturę średnią z czterech unktów uznano jako temeraturę owietrza wlotowego. W taki sam sosób mierzono temeraturę nad sitem górnym, rzy czym miejsca omiaru znajdowały się na wysokości 0, m nad owierzchnią suszonego chmielu. Dla kontroli wskazań miernika obok jego czujników zostały uŝyte termometry rtęciowe o zakresie 0-10ºC i dokładności 0,5ºC. Temeraturę salin odlotowych mierzono termometrem zegarowym o zakresie ºC i klasie dokładności 1,6. Wilgotność względną owietrza atmosferycznego wyznaczano dodatkowo sychrometrem Assmana. Dokładność wskazań termometru suchego i mokrego wynosiła 0,5ºC. Badania rzerowadzono w 3 owtórzeniach. Dla orównania wartości średnich dla badanych obiektów wykonano analizę wariancji. Najmniejsze istotne róŝnice obliczono według testu t-tukeya na oziomie istotności α = 0, 05. Nomogramy w racy odnoszą się do wartości średnich. Wyniki badań i dyskusja Mieszanka owietrzno-salinowa z gazowego, bezrzeonowego odgrzewacza owietrza, uŝyta do suszenia chmielu zawierała 78% objętościowych azotu, 1,1% tlenu, 3,16% dwutlenku węgla, 5,96% ary wodnej i znikomą ilość resztek gazu ziemnego (0,005%), co świadczy o rawidłowym jego salaniu. Srawność cielna oalanego gazem odgrzewacza bezrzeonowego (rys. 1) wynosi 97-98%, a rzeonowego 68%. ZróŜnicowanie było sowodowane wyeliminowaniem strat kominowych. Srawność wynoszącą η = 68% naleŝy uznać za zbyt niską wobec obecnie stawianych wymagań. RóŜnice między srawnością cielną odgrzewacza rzeonowego zasilanego gazem ziemnym lub węglem były statystycznie nieistotne odobnie, jak dwu odgrzewaczy bezrzeonowych (zasilanych gazem) zamontowanych w suszarce bez recyrkulacji oraz z częściową recyrkulacją owietrza (rys. ). 300

5 Srawność cielna rzeonowych Rys. 1. Gazowy, bezrzeonowy odgrzewacz owietrza; 1- mieszalnik owietrza, alnik gazowy, 3- wlot owietrza z wentylatora, 4- kanał dorowadzający owietrze do komory wyrównawczej Fig. 1. Gas non-membrane air-heater; 1 air mixer, gas burner, 3 air intake from the fan, 4 channel sulying air to the surge chamber ,05 97,03 90 srawność odgrzewaczy h [%] ,75 0 suszarnia 1 suszarnia suszarnia 3 suszarnia 4 Rys.. Srawność cielna odgrzewaczy owietrza; obiekt 1 - rzeonowy wymiennik cieła- gaz ziemny, obiekt - rzeonowy wymiennik cieła- węgiel, obiekt 3 - bezrzeonowy wymiennik cieła- gaz ziemny, obiekt 4-bezrzeonowy wymiennik cieła z zastosowaniem częściowej recyrkulacji owietrza w suszarce chmielu gaz ziemny 301

6 Tadeusz Lis, Samoń Zbigniew, Helena Lis Fig.. Thermal efficiency of air-heaters; object 1 membrane heat exchanger natural gas, object membrane heat exchanger coal, object 3 non-membrane heat exchanger natural gas, object 4 non-membrane heat exchanger with the use of artial air recirculation in the ho drier natural gas W odgrzewaczach rzeonowych rzy stosowaniu gazu wystąiły nieco większe straty kominowe, niŝ rzy oalaniu węglem, co było sowodowane wyŝszym nadmiarem owietrza rzy salaniu gazu. JednakŜe, w odgrzewaczu zasilanym gazem nie wystęowały straty oielnikowe, odgrywające ewną rolę w odgrzewaczu węglowym. Największe straty cieła wystęowały w odgrzewaczach rzeonowych oalanym gazem ziemnym oraz węglem (odowiednio 3% oraz 31% cieła dostarczonego wraz z oałem w obiektach 1 i ), a najniŝsze w bezrzeonowych zasilanych gazem, gdzie wynosiły zaledwie -3% (rys. 3). 35 nieokreślone straty w odgrzewaczu straty kominowe 30 Straty w odgrzewaczu S od [%] obiekt 1 obiekt obiekt 3 obiekt 4 Rys. 3. Straty cieła w odgrzewaczach owietrza; obiekt 1 - rzeonowy wymiennik cieła- gaz ziemny, obiekt - rzeonowy wymiennik cieła- węgiel, obiekt 3 - bezrzeonowy wymiennik cieła- gaz ziemny, obiekt 4-bezrzeonowy wymiennik cieła z zastosowaniem częściowej recyrkulacji owietrza w suszarce gaz ziemny Fig. 3. Heat losses in air-heaters; object 1 membrane heat exchanger natural gas, object membrane heat exchanger coal, object 3 non-membrane heat exchanger natural gas, object 4 non-membrane heat exchanger with the use of artial air recirculation in the ho drier natural gas 30

7 Srawność cielna rzeonowych Dobre salanie aliwa gazowego w alniku z nadmuchem owietrza, izolacja cielna kanału dorowadzającego czynnik suszący do suszarki oraz odowiednia konstrukcja mieszalnika włynęła na duŝą srawność cielną odgrzewacza bezrzeonowego. Nieco niŝsza wartość srawności cielnej w obiekcie 4 niŝ w 3 była rawdoodobnie sowodowana gorszymi warunkami atmosferycznymi. W odgrzewaczu rzeonowym oalanym gazem ziemnym wystęowały wyŝsze straty kominowe, niŝ w oalanym aliwem stałym (odowiednio onad 4% i ok. %), co było sowodowane wyŝszym nadmiarem owietrza rzy salaniu gazu. Z kolei w odgrzewaczu tym nie wystęowały straty oielnikowe. Na straty w odgrzewaczach bezrzeonowych składały się straty rzenikania cieła rzez ścianki i izolację kanału dorowadzającego czynnik suszący do komory wyrównawczej suszarki, straty nieszczelności ołączeń kanału z odgrzewaczem i budynkiem suszarki oraz straty romieniowania cieła rzez alnik i owierzchnię odgrzewacza bezośrednio sąsiadującą z alnikiem. Ze względu na znikome wartości oszczególnych składników strat w odgrzewaczach bezrzeonowych oraz trudności w dokładnym ich określeniu, wyznaczono je jako róŝnicę między ciełem uzyskanym z aliwa a ciełem wykorzystanym na ogrzanie czynnika suszącego. Oalanie suszarek chmielu gazem ziemnym będzie bardziej rzyjazne środowisku, niŝ oalanie węglem. JeŜeli rodukcja szyszek chmielu w gosodarstwie wynosi co najmniej 5500 kg, to koszty suszenia rzy uŝyciu gazowego odgrzewacza bezrzeonowego nie rzekraczają kosztów suszenia odgrzewaczem oalanym węglem. Wnioski 1.Zastosowanie oalanych gazem ziemnym odgrzewaczy bezrzeonowych włynęło na zmniejszenie zuŝycia aliwa o ok. 30% w stosunku do odgrzewaczy rzeonowych..srawność cielna badanych odgrzewaczy bezrzeonowych (rzy oalaniu gazem) wynosiła 97-98%- w suszarce bez recyrkulacji, jak i z recyrkulacją. 3.Srawność cielna odgrzewaczy rzeonowych rzy oalaniu węglem i gazem była zbliŝona (wnosiła 68-69%). 4. W odgrzewaczu rzeonowym oalanym gazem ziemnym wystęowały nieco wyŝsze straty kominowe (4%), niŝ w oalanym węglem (%), co było sowodowane wyŝszym nadmiarem owietrza rzy salaniu gazu. Bibliografia Badyda K., 000. Ograniczenie emisji do atmosfery w energetyce - nowelizacja w rzeisach o ochronie owietrza. Gosodarka aliwami i energią. ; -8. Cetina A., Kohlmann H Energieaufwand im Hofehbau. Hofen Rundschau : ] Dwornikiewicz J. 1999a. Stan i moŝliwości krajowej bazy chmielarskiej. Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny ; Dwornikiewicz J. 1999b. Informacja o stanie sektora chmielarskiego. Ministerstwo Rolnictwa, maszynois. Praca zbiorowa Poradnik Termoenergetyka. WNT, Warszawa. 303

8 Tadeusz Lis, Samoń Zbigniew, Helena Lis Raorty International Ho Growers' Convention: Hofen Rundschau International - green ages. Stasiak M., Zaorski T., 000. Prognozy rodukcji chmielu w latach Przemysł Fermentacyjny i Owocowo Warzywny. 10: 18. THERMAL EFFICIENCY OF MEMBRANE AND NON-MEMBRANE HOP-DRIER AIR-HEATERS Summary The use of natural gas-fired non-membrane air heaters had an effect on the reduction of fuel consumtion by about 30%, in relation to membrane air-heaters. The thermal efficiency of natural, gas-fired non-membrane air-heaters is significantly higher than that of membrane ones. The differences between thermal efficiency of natural gas or coal-fired membrane air-heaters are statistically insignificant. There were also no significant differences between the thermal efficiency of air-heaters installed in a hodrier with artial recirculation and without recirculation. Key words: ho, gas non-membrane air-heater, membrane air-heater, efficiency 304