Analiza egzergetycza suszenia próżniowego

Transkrypt

1 Joanna Skoneczna-Łuczków *, Włodzimierz Ciesielczyk Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki ergy analysis of vacuum drying Analiza egzergetycza suszenia próżniowego DOI: / Hazel wood chips (sample mass g) were dried in air under lab. conditions at C and vacuum MPa for 400 min to det. the exergy efficiency of the process. The efficiency increased with increasing the sample mass, temp., and vacuum. The air exchange during drzing resulted also in increasing the exergy efficiency. Zaprezentowano wyniki teoretyczno-doświadczalnej analizy suszenia zrębek leszczyny pospolitej w suszarce próżniowej pod kątem minimalizacji nakładów energetycznych. Zastosowano bilansowanie egzergetyczne, które pozwoliło wykazać, jak parametry procesowe wpływają na efektywność suszenia. Wyższe sprawności uzyskano przy wymianie powietrza, dla wyższych wartości podciśnienia w komorze, przy większej masie próbki i dla wyższych nastaw temperatur. Obowiązujące obecnie wytyczne Unii Europejskiej zobowiązują Polskę do zmniejszenia zużycia energii o 20% do 2020 r. Zalecenie to wymaga podjęcia kompleksowych działań ukierunkowanych na właściwe zagospodarowanie surowców energetycznych i zwiększenie efektywności procesów o największej energochłonności. Suszenie jest jednym z najbardziej energochłonnych procesów przemysłowych. Ocenia się, że zużycie energii w procesie suszenia to 10 12% całkowitego zużycia energii w przemyśle 1, 2). Niskie sprawności cieplne eksploatowanych jeszcze suszarek (40 60%) są powodem znacznej energochłonności suszenia 2). Metodą służącą do poprawy wydajności procesu suszenia może być analiza egzergetyczna. Egzergia definiowana jest jako maksy- malna praca, jaką układ termodynamicznie otwarty może wykonać w danym układzie przechodząc do stanu równowagi z otoczeniem 3). Definicja ta oparta na I i II zasadach termodynamiki, łączy bilans energii i entropii oraz ukazuje straty egzergii spowodowane nieodwracalnością rzeczywistych procesów i pozwala wskazać te etapy, w których energia jest degradowana podczas procesu 3 7). Głównym składnikiem kosztów procesowych jest energia zużyta do suszenia. Informacje uzyskane na podstawie analizy egzergetycznej dają możliwość zwiększenia efektywności procesu, a w związku z tym zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych. Biorąc pod uwagę ceny paliw, ich dostępność oraz wpływ na środowisko, egzergia w procesie suszenia staje się bardzo użytecznym narzędziem. Suszenie próżniowe jest procesem usuwania wilgoci z materiału w układzie pod zmniejszonym ciśnieniem, a więc przy niższej temperaturze wrzenia usuwanej wilgoci 1). Zaletą suszarek próżniowych w porównaniu z suszarkami atmosferycznymi jest intensywne suszenie w niskich temperaturach, co jest ważne dla materiałów termolabilnych. Dodatkowo występuje mniejsze uszkodzenie produktów, możliwość suszenia toksycznych materiałów oraz odzysk odparowanej wilgoci. Jednak koszt inwestycyjny suszarki próżniowej jest stosunkowo wysoki 5). Porównawcze badania egzergo-ekonomiczne są potrzebne aby ocenić ogólną egzergetyczną wydajność różnych systemów suszenia i zastosować najkorzystniejszą strategię oszczędzania egzergii i środowiska naturalnego. Ostatnio coraz więcej uwagi poświęca się tematyce zastosowania analizy egzergetycznej w procesie suszenia 4, 7 12). Analiza egzergetyczna prowadzi do lepszego zrozumienia wpływu zjawisk termodynamicznych na sprawność procesu, porównania znaczenia różnych czynników termodynamicznych i hydrodynamicznych oraz określenia efektywnego sposobu usprawnienia badanego procesu 11, 13). Mimo dużej liczby prac 4 13, 14) dotyczących analizy egzergetycznej procesów suszenia, niewiele prac dotyczy analizy egzergii procesu suszenia próżniowego. Mgr inż. Joanna SKONECZNA-ŁUCZKÓW w roku 2007 ukończyła studia w zakresie fizyki technicznej na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. W 2010 r. ukończyła studia w zakresie technologii chemicznej na Wydziale Energetyki i Paliw AGH w Krakowie. Od 2011 r. jest asystentem na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej w Katedrze Inżynierii Chemicznej i Procesowej. W 2012 r. ukończyła studia doktoranckie z zakresu inżynierii chemicznej na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej. Specjalność inżynieria chemiczna. * Autor do korespondencji: Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej C-3, Politechnika Krakowska, ul. Warszawska 24, Kraków, tel.: (12) , fax: (12) skoneczna@chemia.pk.edu.pl Dr hab. inż. Włodzimierz CIESIELCZYK w roku 1973 ukończył studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Krakowskiej. Jest profesorem nadzwyczajnym Politechniki Krakowskiej w Katedrze Inżynierii Chemicznej i Procesowej na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej tej uczelni. Jest członkiem Sekcji Suszarnictwa Komitetu Inżynierii Chemicznej i Procesowej oraz Sekcji Przepływów Wielofazowych PAN. Specjalność zagadnienia wymiany masy ze szczególnym uwzględnieniem suszenia w układach fluidalnych, bilansowanie egzergetyczne i szeroko pojęta ekologia /3(2015)

2 Celem pracy była teoretyczno-doświadczalna analiza suszenia próżniowego rozdrobnionej biomasy drzewnej (zrębki leszczyny pospolitej) pod kątem minimalizacji nakładów energetycznych. Analiza egzergetyczna Analizę egzergetyczną przeprowadzono dla układu złożonego z komory suszenia, z uwzględnieniem nagrzewnicy i y próżniowej. Postać równania bilansu egzergii uwzględniająca egzergię zużytą do ogrzewania i egzergię zużytą do napędzania y próżniowej ma postać (1): p1 + m 1+ + nag = p2 + m2 + w którym p1 i p2 oznaczają egzergię powietrza na początku i końcu procesu, kj, m1 i m2 egzergię materiału suszonego na początku i końcu procesu, kj, i nag egzergię zużytą przez ę i nagrzewnicę, kj, par straty egzergii na parowanie wody z materiału, kj, str straty egzergii do otoczenia, kj, a δ pozostałe straty egzergii powstałe z generacji entropii, kj. Bazując na bilansie egzergetycznym można obliczyć sprawność rozpatrywanego procesu nazywaną najczęściej sprawnością egzergetyczną 15). Ogólna zasada liczenia sprawności egzergetycznej jest taka sama, jak sprawności termicznej (energetycznej). Tworzy się ułamek, którego licznik stanowią składniki bilansu określające użyteczny efekt procesu, a mianownik tworzą składniki bilansu określające nakłady wykorzystane do podtrzymania przebiegu procesu. Rozpatrując proces suszenia można stwierdzić, że użytecznym efektem suszenia jest egzergia odparowania, a nakładami egzergia zużyta do ogrzewania komory i egzergia zużyta przez ę próżniową. Stąd wyrażenie na sprawność egzergetyczną procesu suszenia próżniowego ma postać równania (2): Ciepło do odparowania wody dostarczane jest z powietrza. W związku z tym egzergię na odparowanie można obliczyć ze wzoru (3) 15). T (3) par m r T = 0 1 w p w którym T p i T 0 oznaczają temperatury powietrza w komorze i otoczeniu, K, m w masę odparowanej wody, kg, a r ciepło parowania wody w średniej temperaturze materiału wilgotnego i pod ciśnieniem atmosferycznym, kj/kg. Zgodnie z propozycją Szarguta 3) do oceny wydajności egzergetycznej można posłużyć się także współczynnikiem jednostkowego zużycia egzergii, który definiuje się równaniem (4) jako ilość egzergii potrzebnej do usunięcia 1 kg wody: Część doświadczalna Badania testowe zostały przeprowadzone w Katedrze Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Krakowskiej z wykorzystaniem stanowiska badawczego, którego schemat przedstawiono na rys. 1. Wyposażenie stanowiska w odpowiednią aparaturę kontrolno-pomiarową umożliwiło uzyskanie danych niezbędnych do sporządzenia charakterystyk procesowych i wykonania bilansu egzegetycznego. Badania testowe realizowano stosując zrębki leszczyny pospolitej (rys. 2) uzyskane z przycinki pielęgnacyjnej. Testowany materiał rozdzielono na równej długości kawałki oraz doprowadzano do żądanej zawartości wilgoci. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe właściwości fizykochemiczne badanych materiałów. Średnicę zastępczą mate- 94/3(2015) par ηex = + μ = + m w nag nag par + str + δ (1) (2) (4) Fig. 1. Test stand equipped with a vacuum dryer DZ - 2BC Chem Land: 1 locking handle, 2 Rocker 410 vacuum pump, 3 vacuum valve, 4 programmer, 5 outlet valve, 6 vacuum gauge, 7 heating speed control chamber, 8 power switch, 9 electronic scales, 10 alcohol thermometer, 11 shelf, 12 TESTO 452 hygrometer (company Testoterm GmbH Hamburg, Germany) Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego wyposażonego w suszarkę próżniową DZ - 2BC firmy Chem Land: 1 uchwyt zamykający, 2 a próżniowa Rocker 410, 3 zawór próżni, 4 programator, 5 zawór wylotowy, 6 próżniomierz, 7 regulator szybkości nagrzewania komory, 8 włącznik, 9 waga elektroniczna, 10 termometr alkoholowy, 11 półka, 12 wilgotnościomierz TESTO 452 (firmy Testoterm GmbH & Co. Hamburg, Niemcy) Fig. 2. Dried material (common hazel wood chips) Rys. 2. Materiał suszony (zrębki leszczyny pospolitej) Table. 1. Properties of the dried material Tabela. 1. Właściwości suszonego materiału Średnia średnica, d m 20, m Gęstość materiału, ρ m 560 kg/m 3 Porowatość złoża, ε 0 0,57 Sferyczność, Φ 0,79 Krytyczna zawartość wilgoci, X kr 0,23 kg/kg Równowagowa zawartość wilgoci, X r 0,10 kg/kg riału wyznaczano z definicji średnicy objętościowej jako średnicę kuli o objętości badanej cząstki. Porowatość złoża w stanie stacjonarnym określano z gęstości ciała stałego i gęstości usypowej 16). Sferyczność określono z definicji stosunku powierzchni kuli o średnicy zastępczej do powierzchni cząstki. Krytyczną i równowagową zawartość wilgoci określono z krzywych suszenia wyznaczonych za pomocą termowagi MAC 50/1/NH firmy Radwag. Zawartość wilgoci X m w materiale wyznaczano metodą bezpośrednią, susząc próbki do stałej masy w suszarce laboratoryjnej. W tabeli 2 zebrano parametry doświadczenia badania wpływu wymiany powietrza. W kolejnym etapie eksperymentu sprawdzono, jak wpływa wartość ciśnienia w komorze na wydajność procesu. W tym celu przeprowadzono doświadczenia dla trzech różnych wartości podciśnień 0,05, 0,06 i. Pozostałe parametry doświadczenia zebrano w tabeli 3. Następnie sprawdzono, jak wpływa wielkość próbki poddawanej suszeniu. W tym celu przeprowadzono doświadczenie dla mas i 325 g (sucha masa). Pozostałe parametry doświadczenia zebrano w tabeli

3 Table. 2. periment setup I Tabela. 2. y doświadczenia I ok. 20 C Table. 3. periment setup II Tabela. 3. y doświadczenia II ok. 20 C Fig. 3. The drying curves without and with air exchange after Rys. 3. Krzywe suszenia bez i przy wymianie powietrza po Table. 4. periment setup III Tabela. 4. y doświadczenia III 20 C Fig. 4. Momentary exergy efficiency of the drying without and with the exchange of air after Rys. 4. Chwilowa sprawność egzergetyczna procesu suszenia bez wymiany i przy wymianie powietrza po Table. 5. periment setup IV Tabela. 5. y doświadczenia IV 0,3 kg/kg ok. 0,3 ok. 22 C C W celu określenia wpływu temperatury w komorze suszenia na sprawność egzergetyczną przeprowadzono doświadczenie dla temp. 40 i 60 C. Pozostałe parametry doświadczenia zebrano w tabeli 5. Wyniki Wpływ wymiany powietrza W ramach badań wstępnych ustalono, że po pewnym czasie dochodziło do znacznego nasycenia powietrza w komorze, co powodowało spadek intensywności usuwania wilgoci z materiału suszonego. W związku z tym zdecydowano się na wymianę powietrza po. Każdy cykl pomiarowy powtarzano 3-krotnie. Wyniki zaprezentowano graficznie, sporządzając krzywe suszenia (rys. 3) oraz wykresy zależności chwilowej (rys. 4) i całkowitej sprawności (rys. 5) egzergetycznej od czasu trwania procesu. Na rys. 4, Fig. 5. ergy efficiency of the drying without and with the exchange of air after Rys. 5. Sprawność egzergetyczna procesu suszenia bez wymiany i przy wymianie powietrza po przedstawiającym chwilowe wartości sprawności, dla suszenia próbki z wymianą powietrza zauważyć można okresowy spadek sprawności związany ze zużyciem energii przez sprężarkę oraz towarzyszący mu wzrost sprawności związany z wymianą powietrza w komorze. Na podstawie analizy wyników (rys. 5) można było stwierdzić, że wymiana powietrza korzystnie wpływała na wartości egzergetycznej sprawności procesu suszenia. Wpływ ciśnienia w komorze suszenia Na rys. 6 przedstawiono krzywe suszenia dla różnych wartości podciśnienia w komorze suszenia. Dla wartości zaobserwowano /3(2015)

4 Wpływ masy próbki Krzywe suszenia dla różnych mas materiału przedstawiono na rys. 9. Lżejsza próbka suszyła się szybciej. Na rys. 10 przedstawiającym sprawność chwilową dla tego eksperymentu zaobserwowano charakterystyczne piki związane z wymianą powietrza po. Z wykresów na rys. 10 i 11 wynika, że sprawność egzergetyczna była większa dla próbki o większej masie. Fig. 6. Drying curves at varying vacuum in the chamber Rys. 6. Krzywe suszenia dla procesu suszenia przy różnych wartościach podciśnienia w komorze najintensywniejsze zmniejszenie zawartości wilgoci. Związane było to z większym obniżeniem temperatury wrzenia wody, jak również ze zwiększeniem różnicy ciśnienia pomiędzy wodą i parą wilgoci obecną w strukturze drewna a otoczeniem. Chwilowe wartości sprawności egzergetycznej zobrazowano na rys. 7 a na rys. 8 przedstawiono całkowite wartości sprawności egzergetycznej procesu suszenia dla różnych wartości podciśnienia w komorze suszenia. Analiza wyników pozwoliła stwierdzić, że ze wzrostem podciśnienia rosła także sprawność egzergetyczna. Fig. 9. The drying curves for various sample sizes Rys. 9. Krzywe suszenia dla różnych wielkości próbek Fig. 7. The momentary exergy efficiency of the drying at varying vacuum in the chamber Rys. 7. Chwilowa sprawność egzergetyczna procesu suszenia przy różnych wartościach podciśnienia w komorze Fig. 10. Momentary exergy efficiency of the drying for various sample sizes Rys. 10. Chwilowe sprawności egzergetyczne procesu suszenia dla różnych wielkości próbek Fig. 8. ergy efficiency of the drying at varying vacuum in the chamber Rys. 8. Sprawność egzergetyczna procesu suszenia przy różnych wartościach podciśnienia w komorze 94/3(2015) Fig. 11. The total exergy efficiency of the drying for various sample sizes Rys. 11. Całkowita sprawność egzergetyczna procesu suszenia dla różnych wielkości próbek 403

5 Wpływ temperatury powietrza w komorze suszenia Dla wyższej temperatury powietrza uzyskano intensywniejszy ubytek wilgoci (rys. 12) i wyższą sprawność egzergetyczną (rys. 13 i 14). Współczynniki jednostkowego zużycia egzergii obliczone ze wzoru (4) przedstawiono dla doświadczeń I III na rys. 15. Dla doświadczenia IV wpływ temperatury przedstawiono na rys. 16. Fig. 15. Unit exergy consumption in drying (experiments I III) Rys. 15. Jednostkowe zużycie egzergii procesu suszenia (doświadczenia I III) Fig. 12. Drying curves at varying drying air temperatures in the drying chamber Rys. 12. Krzywe suszenia dla różnych temperatur powietrza w komorze suszenia Fig. 16. Unit exergy consumption of drying at varying air temperatures (experiment IV) Rys. 16. Jednostkowe zużycie egzergii procesu suszenia dla różnych temperatur powietrza (doświadczenie IV) Podsumowanie Fig. 13. Momentary exergy efficiency of the drying at varying air temperatures Rys. 13. Chwilowe sprawności egzergetyczne procesu suszenia dla różnych temperatur powietrza Fig. 14. The exergy efficiency of the drying at varying air temperatures Rys. 14. Sprawność egzergetyczna procesu suszenia dla różnych temperatur powietrza Przeprowadzono analizę egzergetyczną procesu suszenia próżniowego w celu określenia wpływu wymiany powietrza, ciśnienia w komorze, wielkości badanej próbki, jak również wartości temperatury powietrza suszącego na sprawność egzergetyczną. Wyższą sprawność egzergetyczną uzyskano dla procesu, w którym następowała wymiana powietrza w komorze. Dla wszystkich badanych przypadków całkowita sprawność egzergetyczna rośnie w początkowym okresie do momentu uzyskania maksymalnej wartości po czym maleje z czasem trwania procesu. Sprawność egzergetyczna rośnie wraz ze wzrostem podciśnienia w komorze, ze wzrostem masy materiału suszonego oraz ze wzrostem temperatury w komorze suszenia. Uzyskane wyniki świadczą, że zastosowanie analizy egzergetycznej analizowanego procesu pozwala określić najkorzystniejsze parametry procesu. Badania są kontynuowane zarówno w odniesieniu do innych materiałów, jak i zmian zakresu parametrów procesowych. Otrzymano: LITERATURA 1. C. Strumiłło, Podstawy teorii i techniki suszenia, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa D. Witrowa-Rajchert, Nowe trendy w suszeniu żywności, Ekspertyza Agengpol, 2009, dostęp 10 lipca 2012 r. 3. J. Szargut, R. Petela, Egzergia, WNT, Warszawa I. Dincer, A.Z. Sahin, Int. J. Heat Mass Transfer 2004, 47, M. Aghbashlo, H. Mobli, S. Rafiee, A. Madadlou, Renewable Sustainable Energy Rev. 2013, 22, M.A. Rosen, I. Dincer, Energy Conversion Manage. 2003, 44, S. Syahrul, F. Hamdullahpur, I. Dincer, Appl. Thermal Eng. 2002, 22, E.K. Akpinar, A. Midilli, Y. Bicer, Energy Conversion Manage. 2005, 46, I. Ceylan, Engineering 2009, nr 1, M. Aghbashlo, M.H. Kianmehr, A. Arabhosseini, Drying Technol. 2008, 26, S. Syahrul, F. Hamdullahpur, I. Dincer, ergy Int. J. 2002, 2, S. Syahrul, I. Dincer, F. Hamdullahpur, Int. J. Thermal Sci. 2003, 42, T. Nazghelichi, M.H. Kianmehr, M. Aghbashlo, Energy 2010, 35, M. Fortes, W.R. Ferreira, Proc. 14th Int. Drying Symp., Drying 2004, São Paulo (Brazylia), sierpnia 2004 r., t. A, T. Bes, Energetyka Przem. 1962, 10, A.S. Mujumdar, Handbook of industrial drying, Marcel Dekker, New York /3(2015)