JOANNA SKONECZNA-ŁUCZKÓW, WŁODZIMIERZ CIESIELCZYK * ANALIZA EGZERGETYCZNA SUSZENIA FLUIDALNEGO EXERGY ANALYSIS OF FLUIDIZED BED DRYING PROCESS Streszczenie Abstract Przedstawiono podstawy bilansowania egzergetycznego w odniesieniu do procesu suszenia fluidalnego. Zaprezentowano wyniki analizy teoretyczno-doświadczalnej suszenia ziaren maku w układzie fluidalnym pod kątem minimalizacji nakładów energetycznych. Słowa kluczowe: suszenie, fluidyzacja, egzergia The work presents basics of exergy balance for fluidized bed drying process. The results of theoretical-experimental analysis of drying of poppy seeds in fluidized bed system have been shown. Results of the analysis concern minimization of energy expenditure. Keywords: drying, fluidized bed, exergy * Mgr inż. Joanna Skoneczna-Łuczków, dr hab. inż. Włodzimierz Ciesielczyk, Instytut Inżynierii Chemicznej i Procesowej, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska.
262 Oznaczenia c ciepło właściwe, kj/(kg K) ex egzergia właściwa, kj/kg Ex egzergia, kj m masa, kg N liczba fluidyzacji, P ciśnienie, Pa R stała gazowa indywidualna, kj/(kg K) T temperatura, C t czas, min X zawartość wilgoci w materiale suszonym, kg wilgoci/kg suchego materiału Y wilgotność bezwzględna powietrza, kg wilgoci/kg suchego powietrza μ wskaźnik jednostkowego zużycia egzergii, kj/kg wilgoci Indeksy dolne p dotyczy powietrza v dotyczy pary w dotyczy wilgoci 0 dotyczy stanu odniesienia (stanu otoczenia) 1 dotyczy wielkości doprowadzonej 2 dotyczy wielkości wyprowadzonej 1. Wstęp Proces suszenia występuje w większości branż produkcji przemysłowej i ma decydujący wpływ na jakość otrzymywanych produktów. Suszenie w układach fluidalnych zajmuje ważną pozycję wśród nowoczesnych metod suszarniczych. Jest to metoda łatwa w realizacji, cechująca się korzystnymi wskaźnikami techniczno-ekonomicznymi [1 3]. Suszenie wymaga wysokich nakładów energetycznych, co przy stosunkowo niskiej sprawności cieplnej suszarek stosowanych w praktyce przemysłowej [4] wymusza działania innowacyjne w kierunku zwiększenia tego wskaźnika. Analiza egzergetyczna jest istotnym narzędziem wspomagającym udoskonalanie procesu suszenia. Energia używana do suszenia materiałów jest istotną składową kosztów procesowych. Na podstawie analizy egzergetycznej można uzyskać informacje o możliwościach zwiększenia efektywności procesu suszenia i w rezultacie zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych. Problematyka dotycząca zastosowania analizy egzegetycznej w procesie suszenia jest przedmiotem wielu publikacji. Dincer i Sahin [5] prezentują nowy model analizy egzergii w procesach suszenia. Analizę zmiany egzergii w procesie suszenia pomidora przedstawiają Kavak-Akpinar, Midilli, Bicer [6]. Ceylan [7] zajmuje się suszeniem owoców kiwi, avocado i banana z użyciem pompy ciepła pod kątem bilansowania egzergii. Aghbashlo, Kianmehr, Arabhosseini [8] przedstawiają analizę suszenia cienkich plastrów pomidora w pół-przemysłowej suszarce taśmowej. Syahrul, Hamdullahpur i Dincer [4 9] przeprowadzili analizę egzegetyczną dotyczącą suszenia zboża w złożu fluidalnym, zaś Nazghelichi, Kianmehr, Aghbashlo [10] przedstawili wyniki analizy egzegetycznej w oparciu o suszenie kostek marchwi w złożu fluidalnym.
263 Analiza egzergetyczna oparta na I i II zasadzie termodynamiki pozwala wskazać te etapy, gdzie energia jest degradowana podczas przebiegu procesu, co umożliwia jego usprawnienie i identyfikację przyczyn oraz obliczenia strat energii. Wykorzystanie tej metody pozwala na stosunkowo dokładne określenie tych węzłów instalacji suszarniczej, w których istnieje możliwość poprawy wskaźników techniczno-ekonomicznych. Zastosowanie egzergii do analizy procesu suszenia fluidalnego jest przedmiotem niniejszego opracowania. Zaproponowana tematyka pracy wpisuje się na listę priorytetowych zadań suszarnictwa przedstawianą na specjalistycznych konferencjach naukowych i rekomendowanych do rozwiązania przez Komitety: Inżynierii Chemicznej i Procesowej oraz Termodynamiki i Spalania Polskiej Akademii Nauk oraz ściśle koreluje z obowiązującymi dyrektywami Unii Europejskiej. 2. Podstawy analizy egzegetycznej Tworząc bilans energetyczny nie uwzględnia się niejednakowej jakości różnych postaci i różnych sposobów przekazywania energii. Dlatego oparta na tym bilansie sprawność termiczna pozwala jedynie na porównanie procesów tego samego typu, nie może być natomiast uważana za miarę stopnia doskonałości danego procesu. Inaczej jest w przypadku sprawności egzergetycznej. Przy jej obliczaniu bierze się pod uwagę fakt, że różne postacie i sposoby przekazywania energii mają niejednakową jakość. Sprawność egzergetyczna określa stopień oddalenia procesu rzeczywistego od procesu idealnego przebiegającego odwracalnie. Bilans egzergetyczny pozwala wykryć i przeanalizować wszystkie straty energetyczne występujące w całej instalacji, w tym również straty wynikające z nieodwracalności procesów, czego nie można zrealizować, stosując klasyczny bilans energetyczny. W tabeli 1 porównano właściwości egzergii i energii. Straty egzergii wynikające z nieodwracalności procesów zachodzących wewnątrz układu nazywamy wewnętrznymi. Natomiast o zewnętrznych stratach egzergii można mówić wtedy, gdy z układu do otoczenia odpływa czynnik odpadowy (np. spaliny) o parametrach stanu różniących się od parametrów składników otoczenia. Do najważniejszych przyczyn powodujących straty egzergii należą: nieodwracalny przepływ ciepła, nieodwracalna dyfuzja składników roztworu ciekłego lub gazowego, spadek ciśnienia płynu podczas przepływu, spowodowany lepkością (dławienie), tarcie mechaniczne, mieszanie substancji o różnym składzie chemicznym.
264 Tabela 1 Porównanie właściwości energii i egzergii [9] Energia Podlega prawu zachowania Funkcja stanu rozpatrywanej materii Może być obliczona od umownego stanu odniesienia Wzrasta wraz z podwyższeniem temperatury W przypadku gazów doskonałych nie zależy od ciśnienia, a w przypadku gazów rzeczywistych w niewielkim stopniu zależy od ciśnienia Nie zależy od względnego stężenia danej substancji w otoczeniu Jest taka sama lub prawie taka sama dla jednorodnych substancji, jak i ich mieszanin Egzergia Nie podlega prawu zachowania Funkcja stanu rozpatrywanej materii oraz funkcja stanu materii w otoczeniu Stan odniesienia jest narzucony przez parametry otoczenia Dla temperatury wyższej od temperatury otoczenia wzrasta ze wzrostem temperatury, dla temperatury niższej od temperatury otoczenia maleje ze wzrostem temperatury. Osiąga minimum dla temperatury równej temperaturze otoczenia Silnie zależy od ciśnienia. Wzrasta ze wzrostem ciśnienia powyżej ciśnienia otoczenia oraz z obniżeniem ciśnienia poniżej ciśnienia otoczenia. Osiąga minimum przy ciśnieniu równym ciśnieniu otoczenia Zależy od względnego stężenia danej substancji w otoczeniu Jest zawsze mniejsza w przypadku mieszanin 2.1. Egzergia powietrza w procesie suszenia Egzergia powietrza wilgotnego jest funkcją 6 zmiennych niezależnych [11]: temperatury, wilgotności, i ciśnienia powietrza rozpatrywanego oraz: temperatury, wilgotności i ciśnienia powietrza w otoczeniu. Egzergia właściwa powietrza wilgotnego dana jest zależnością [12 14]: T P ex p = ( cp + Ycv) T T0 T0ln + ( 1+ 1, 6078Y) RpT0 ln + T0 P0 1+ 1, 6078Y0 Y RT p 0 ( 1+ 1, 6078Y )ln + 1, 6078Y ln 1+ 1, 6078Y Y0 (1) Jeżeli powietrze służące do suszenia wpływające do kolumny suszarniczej różni się od powietrza w otoczeniu tylko temperaturą, wzór na egzergie właściwą powietrza wlotowego (1) redukuje się do egzergii termicznej, czyli do postaci [7]: ex T1 = ( c + Yc ) T T T ln (2) T0 p1 p 1 v 1 0 0
265 Wzór (1) na egzergię powierza wylotowego mającego to samo ciśnienie, co powietrze otoczenia, ale inną już wilgotność składa się z egzergii termicznej i chemicznej, przyjmując postać [7]: T2 1+ 1, 6078Y ex p2 = ( cp + Y2cv) T2 T0 T0ln + RT p 0 ( 1+ 1, 6078Y2)ln T0 1+ 1, 6078Y 0 2 Y2 + 1, 6078Y ln Y0 Zgodnie z propozycją Szarguta [17, 18], do oceny doskonałości procesu suszenia, może posłużyć wskaźnik jednostkowego zużycia egzergii, który definiuje się jako ilość egzergii potrzebnej do usunięcia 1 kg wody: (3) Ex = m p1 µ s w (4) W efekcie otrzymuje się wyrażenie, gdzie w liczniku jest egzergia właściwa powietrza suszącego, a w mianowniku różnica wilgotności bezwzględnej powietrza na wlocie i wylocie do suszarki. 3. Badania testowe Badania testowe prowadzi się na instalacji doświadczalnej, której schemat przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat stanowiska do badania suszenia fluidalnego: 1 suszarka fluidyzacyjna, 2 nagrzewnica elektryczna, 3 zestaw rotametrów, 4 wentylator, 5 cyklon, 6, 6 przyrządy: TESTO 452 i TESTO 112 (firmy Testo GmbH & Co.) Fig. 1. Schema of lab bench to fluidized bed drying 1 fluidal dryer, 2 electric heater, 3 a set of rotameters, 4 air cooler, 5 cyclonic separation, 6 TESTO 452 and TESTO 112 devices (Made by Teston GmbH & Co.)
266 Oprzyrządowanie stanowiska badawczego zapewnia otrzymanie danych niezbędnych do charakterystyki warunków procesowych suszenia. Badania prowadzono z ziarnami maku o średnicy cząstek 0,7. 10 3 m. Rysunek 2 przedstawia współczynnik jednostkowego zużycia egzergii suszenia maku dla różnych liczb fluidyzacji. Można zauważyć, że w I okresie procesu suszenia współczynnik ten przyjmuje zbliżoną wartość dla wszystkich liczb fluidyzacji. Natomiast w II okresie procesu występuje zauważalna różnica pomiędzy wartościami analizowanego współczynnika dla suszenia w warstwie stacjonarnej i fluidalnej, przy czym dla warstwy stacjonarnej są one niższe. Spostrzeżenie to zachęca do zastosowania różnych metod realizacji procesu w I i II okresie suszenia. W okresie o stałej szybkości suszenia można zastosować intensywne warunki procesu stosując maksymalnie dopuszczalną dla danego materiału wartość liczby fluidyzacji. Drugi okres suszenia należy realizować w złożu stacjonarnym. Straty egzergii w procesie suszenia wynikają głównie z nieodwracalnego przepływu ciepła w grzejniku i komorze suszenia oraz z dodatniej wartości egzergii czynnika odpływającego z komory suszenia do otoczenia. Zużycie egzergii czynnika grzejnego można wyraźnie zmniejszyć przez zastosowanie procesu z recyrkulacją, co oczywiście związane jest z niższymi kosztami eksploatacyjnymi. Dla wyjaśnienia tego problemu w oparciu o analizę egzergetyczną postanowiono zbadać zachowanie się strumienia egzergii powietrza wylotowego w trakcie trwania procesu suszenia (rys. 3). Należy zauważyć, że egzergia powietrza wylotowego składa się z egzergii termicznej i chemicznej [6, 10]. W początkowym etapie suszenia powietrze wylotowe ma dużą egzergię chemiczną (rys. 3). W tym czasie powietrze, którego znaczącą część egzergii stanowi egzergia chemiczna nie powinno być zawracane do procesu, ponieważ pomimo znacznej egzergii nie posiada zbyt dużego potencjału niezbędnego do realizacji procesu suszenia. Dopiero po pewnym czasie trwania procesu udział egzergii termicznej przewyższa udział egzergii chemicznej, co jest pokazane na rys. 3 dla liczby fluidyzacji 1,2. Powietrze, którego egzergia termiczna znacznie przewyższa egzergię chemiczną może być użyte ponownie do procesu suszenia. Rys. 2. Jednostkowe zużycie egzergii suszenia maku w funkcji wilgotności (& N = 0,48; * N = 0,77; / N = 0,97; > N = 1,1; A N = 1,2;, N = 1,4; N = 1,5) Fig. 2. Specific exergy consumption of poppy drying as a function of humidity (& N = 0,48; * N = 0,77; / N = 0,97; > N = 1,1; A N = 1,2;, N = 1,4; N = 1,5)
267 Rys. 3. Strumień egzergii termicznej i chemicznej powietrza wylotowego dla liczby fluidyzacji 1, 2 (/ egzergia termiczna, + egzergia chemiczna) Fig. 3. Flow of thermal and chemical exergy of outlet air for fluidization numbers 1, 2 (/ thermal exergy, + chemical exergy) 4. Podsumowanie 1. Celem współczesnego suszarnictwa jest zminimalizowanie zużycia energii przy maksymalnym usunięciu wilgoci do oczekiwanej wartości. Egzergia może być skutecznym narzędziem obrazującym zużycie energii przy praktycznej realizacji procesu fluidalnego suszenia. Wielkość ta będąca miarą użyteczności energii w sposób efektywny pozwala określić źródła strat energii i po ich eliminacji zredukować cenę wyrobu. 2. Analiza zmian wartości współczynnika jednostkowego zużycia egzergii sugeruje, że zastosowanie w I okresie procesu suszenia fluidyzacyjnego jak najwyższej możliwej prędkości jest ekonomicznie uzasadnione, zaś przy potrzebie suszenia poniżej wilgotności krytycznej (II okres suszenia) wskazane jest tradycyjne suszenie konwekcyjne ze złożem stacjonarnym. 3. Przez rozdzielenie egzergii powietrza wylotowego na egzergię chemiczną i termiczną można określić warunki stosowania recyrkulacji. Praca jest finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach 2010 2013 jako projekt badawczy nr N N209 105739.
268 Literatura [1] Nazghelichi T., Kianmehr M.H., Aghbashlo M., Energy, 35, 2010, 4679. [2] Srinivasakannan C., Balasubramanian N., Brazilian Journal of Chemical Engineering, 19, 2002, 293. [3] N g W.K., Tan R.B.H., The Canadian Journal of Chemical Engineering, 84, 2006, 656. [4] Witrowa-Rajchert D. (http://www.agengpol.pl/linkclick.aspx?fileticket=wq81 Lx050Uc%3D&tabid=144, dostęp z dnia 10.07.2012). [5] Strumiłło C., Drying Technology, 24, 2006, 1959. [6] Qureshi B.A., Zubair S.M., International Journal of Energy Research, 27, 2003, 1079. [7] R e n C.Q., Tang G.F., Li N.P., Zhang G.F., Yang J., International Journal on Architectural Science, 2, 2001, 113. [8] C a y A., Tarakcıoglu I., Hepbasli A., International Journal of Energy Research, 31, 2007, 1251. [9] Szargut J., Petela R., Egzergia, WNT, Warszawa 1965. [10] C e y l a n I., Engineering, 1, 2009, 188. [11] B e s T., Energetyka Przemysłowa, 10, 1962, 388. [12] D i n c e r I., Sahin A.Z., International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, 2004, 645. [13] Ozgener L., Ozgener O., International Journal of Energy Research, 30, 2006, 1323. [14] C o s k u n C., Bayraktar M., Oktay Z., Dincer I., International Journal of Low-Carbon Technologies, 4, 2009, 224. [15] E r b a y Z., Icier F., Drying Technology, 27, 2009, 4. [16] D. Scott, International Journal of Hydrogen Energy 28, 2003, 368. [17] Gwadera M., Ciesielczyk W., Czasopismo Techniczne, 107, 2010, 83. [18] S k o n e c z n a J., C i e s i e l c z y k W., Mat. IV Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej Nauka i Przemysł, Kraków, 27 listopada 2009, 168.