* - *
84 b B c E I p Q r R t T u U X Oznaczenia egzergia właściwa [kj/kg] egzergia [kj] ciepło właściwe [kj/(kg K)] energia [kj] natężenie prądu elektrycznego [A] asa [kg] ciśnienie [Pa] ciepło [kj] ciepło parowania [kj/kg] stała gazowa [kj/(kol K)] czas [s] teperatura [ C] prędkość [/s] napięcie prądu elektrycznego [V] zawartość wilgoci w ateriale [kg wilgoci/kg suchego ateriału] Sybole greckie δ sybol straty [ ] sybol przyrostu [ ] η sprawność [%] μ wskaźnik jednostkowego zużycia egzergii [kj/kg wilgoci] φ wilgotność względna [%] Indeksy dolne B dotyczy egzergii cal całkowity el elektryczny H 2 O dotyczy pary wodnej dotyczy ateriału p dotyczy ciśnienia pow dotyczy powietrza suchego pow wilg dotyczy powietrza wilgotnego s dotyczy suszenia str dotyczy straty such dotyczy suchego ateriału T tericzny u użyteczny w wewnętrzny z zewnętrzny 0 dotyczy stanu odniesienia (stanu otoczenia) 1 dotyczy wielkości doprowadzonej 2 dotyczy wielkości wyprowadzonej
1. Wstęp 85 Aktualne kłopoty z tradycyjnyi surowcai energetycznyi i obowiązujące przepisy Unii Europejskiej, dotyczące odnawialnych źródeł energii, zuszają do podjęcia działań w zakresie kopleksowego zagospodarowania bioasy [1 3]. Jest to zagadnienie ważne zarówno z uwagi na zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego, ochronę środowiska, jak i zapewnienie zrównoważonego rozwoju [1, 2, 4]. Bioasa oże okazać się klucze do rozwiązania probleu: jak pogodzić rosnące zapotrzebowanie na energię z potrzebą zniejszenia eisji gazów cieplarnianych. Jest to ty bardziej prawdopodobne, że bioasa występuje w wystarczającej ilości na terenie kraju [3, 5] i staje się pożądany surowce energetyczny, przeżywając swoisty renesans. Bioasa pozyskiwana z lasów, zakładów pielęgnacji zieleni iejskiej, czy plantacji roślin energetycznych oże charakteryzować się wysoką wilgotnością do 60% [1, 3]. Zawartość wilgoci jest kluczowa dla oceny potencjału energetycznego bioasy drzewnej. Dlatego też istotny etape przy produkcji i przetwarzaniu bioasy (np. peletyzacja, brykietowanie) dla celów energetycznych jest suszenie pozyskiwanego produktu przy inializacji kosztów tego procesu [1 3]. Ważny cele współczesnego suszarnictwa jest inializacja zużycia energii przy usuwaniu wilgoci do oczekiwanej wartości [1 3]. Bilans egzergetyczny oże być skuteczny narzędzie obrazujący zużycie energii przy praktycznej realizacji procesu suszenia bioasy [2, 3, 6, 7]. Egzergia będąca iarą użyteczności energii [2, 3, 6, 8, 9] w sposób efektywny pozwala określić źródła strat energii i po ich eliinacji zredukować cenę wyrobu [2, 3, 8 10]. Literatura na teat egzergii jest bardzo szeroka. W pracy [2] dotyczącej bilansowania egzergetycznego zawarto 135 pozycji literaturowych. W niniejszy opracowaniu przedstawiono wyniki analizy egzergetycznej w odniesieniu do suszenia fluidalnego i ikrofalowego wybranych rodzajów bioasy. 2. Bilans egzergetyczny instalacji suszarniczej Analiza egzergetyczna pozwala na ocenę sprawności poszczególnych części instalacji suszarniczej: wentylatora, podgrzewacza i suszarki (rys. 1). Rys. 1. Scheat układu suszarniczego: 1 wentylator, 2 podgrzewacz, 3 suszarka Fig. 5. Scheatic of a drying syste: 1 air blower, 2 electric heater, 3 dryer
86 Bilans egzergetyczny analizowanej instalacji (rys. 1) ożna zapisać [11] w postaci B + B + B + B = B + B + δb pow wilg0 1 went podgrz pow wilg 2 2 (1) Egzergia B pow wilg0 powietrza doprowadzonego wynosi 0, gdyż jego paraetry są równe paraetro otoczenia. Egzergię B pow wilg2 obliczyć ożna z zależności B = b pow wilg 2 pow pow 2 Egzergia właściwa b pow2 [kj/kg powietrza suchego], która jest zależna od paraetrów powietrza wilgotnego, oże być wyznaczona z wykorzystanie noograu Besa [12]. Egzergię fizyczną ateriału suszonego [8, 13, 14] ożna obliczyć w oparciu o wzór (3) (2) T B = c T T T ln 0 0 T0 Ciepło właściwe badanego ateriału [6, 15] określa wzór (4) c X = 1398, 3 + 4090, 2 1 + X Wilgotność ateriału X to stosunek asy usuniętej wody do suchej asy próbki X = probki wilg probki such probki such (3) (4) (5) Do wentylatora doprowadzana jest egzergia B went [11, 16] w postaci energii elektrycznej B went p pow wilg = E = 1 el went ρ η pow wilg1 pow went went (6) Energia ta wykorzystywana jest na zwiększenie ciśnienia powietrza suszącego. W terodynaice zazwyczaj bierze się pod uwagę jedynie energię przenoszoną w forie ciepła i dlatego przyjuje się, że egzergia powietrza za wentylatore jest równa 0 [11]. Egzergia B podgrz, doprowadzona do podgrzewacza w postaci energii elektrycznej, oże być wyznaczona [11] z wyrażenia (7) B = E = U I t 10 3 podgrz el podgrz (7) Bilans egzergetyczny wyiennika ciepła [16] ożna przedstawić w forie B = B + δb + δb + δb 1 wt wp z podgrz pow wilg podgrz Straty egzergii δbw T [kj] w wyniku nieodwracalności transportu ciepła Q z przy skończonej różnicy teperatur w podgrzewaczu [16] określane są z zależności (8) δb wt = T pow sr T T grzalki T T pow grzalki pow Qz (9)
87 Wzór na wewnętrzne straty egzergii δb wp [11,16], wynikające z oporów hydraulicznych przepływu powietrza, jest następujący δb = TR + ppow wilgpodgrz ln wp 1 pow wilg 0 pow wilg (10) p1 Zewnętrzną stratę egzergii δb z podgrz [6, 15, 16], będącą skutkie transportu ciepła iędzy powierzchnią wyiennika o teperaturze T podgrz, a otoczenie, podaje zależność T 0 δb = Q (11) z podgrz 1 str podgrz T podgrz Do bilansu wyiennika ciepła [16] należy włączyć przychód egzergii wynikający z doprowadzenia energii elektrycznej do wentylatora B went B + B = B + δb + δb + δb 1 wt wp z podgrz went pow wilg podgrz (12) W raach przeprowadzonych badań eksperyentalnych przyjęto [6, 15], że analizowana będzie jedynie przestrzeń bilansowa stanowiąca koory suszarek. Bilans egzergii koory suszarniczej [2, 3, 6, 7, 15, 17] ożna zapisać w postaci B + B + B = B + B + δb + δb 1 pow wilg1 2 pow wilg2 s z w (13) Egzergia niezbędna do usunięcia wilgoci z ciała stałego B s [6, 15] oże być określona z równania (14) T 0 B = Q s 1 s T (14) Ciepło na usunięcie wilgoci [6, 15] określa wzór (15) Q = r s HO 2 Zewnętrzne straty egzergii δb z [6,15] koory suszarniczej ożna obliczyć z wzoru analogicznego do zależności (11), a wewnętrzne straty δb w z równania (13). Sprawność egzergetyczną procesu suszenia [6, 7, 15] określa wyrażenie (16) η B = Bpow wilg1 Zgodnie z propozycją Szarguta [8], oceny doskonałości procesu suszenia ożna dokonać również za poocą jednostkowego zużycia egzergii Bs (15) (16) B µ s = pow wilg1 HOcal 2 (17) Ilość usuniętej wilgoci obliczana jest jako iloczyn suchej asy 2 i różnicy chwilowej X i końcowej X 2 wilgotności ateriału = ( X X ) HOcal 2 2 2 (18)
88 Dokonano także obliczeń sprawności tericznej [6, 18] z wyrażenia (19) η T Q = Q u cal (19) Przyjęto [6, 15, 16], że ciepło użyteczne to ciepło zużywane na usunięcie wilgoc Q = r( X X ) u such 1 2 (20) Całkowite ciepło wykorzystywane na prowadzenie procesu suszenia [2, 6, 17] wyznaczano z równania Q = c ( T T ) cal pow wilg H 1 0 (21) 3. Badania testowe Jedny z celów kopleksowych badań suszenia ciał stałych, realizowanych w Instytucie Inżynierii Cheicznej i Procesowej Politechniki Krakowskiej, jest opracowanie energooszczędnej etody suszenia rozdrobnionej bioasy. Badania eksperyentalne realizowano na instalacjach wyposażonych w suszarkę fluidyzacyjną (rys. 2) i ikrofalową (rys. 3). Rys. 2. Instalacja do badania suszenia fluidalnego 1 suszarka fluidyzacyjna, 2 nagrzewnica elektryczna, 3 zestaw rotaetrów, 4 wentylator, 5 cyklon, 6, 6 przyrządy: TESTO 452 i TESTO 610 (firy Testo GbH & Co.) Fig. 2. Experiental setup for fluidized bed drying 1 fluidized bed dryer, 2 electric heater, 3 set of rotaeters, 4 air blower, 5 cyclone, 6, 6 appliances: TESTO 452 and TESTO 610 (ade by Testo GbH & Co.)
89 Rys. 3. Instalacja do badania suszenia ikrofalowego 1 waga elektroniczna, 2 agnetron, 3 szalka wagi, 4 watoierz, 5 zasilacz, 6 rotaetr, 7 teropary, 8 teroetr, 9 koora suszarki, 10 zawór, 11 wężownica Fig. 3. Experiental setup for icrovawe drying 1 digital scales, 2 agnetron, 3 scale pan, 4 watteter, 5 power pack, 6 rotaeter, 7 therocouples, 8 theroeter, 9 drying chaber, 10 valve, 11 coil pipe Oprzyrządowanie stanowisk badawczych zapewniało otrzyanie wszystkich paraetrów niezbędnych do określenia charakterystyk kinetycznych realizowanych procesów oraz wyznaczenie danych do sporządzenia bilansów egzergetycznych. Badano trzy rodzaje rozdrobnionej bioasy: ak, proso i zrębki drzewne. Właściwości fizykocheiczne tych bioproduktów zestawiono w tabeli 1. Właściwości fizykocheiczne badanych ateriałów Tabela 1 Mak Proso Zrębki Początkowa zawartość wilgoci X [kg/kg] 0,8 0,4 0,5 Wartość opałowa suchego ateriału [MJ/kg] 17 15 16,5 Gęstość usypowa [kg/ 3 ] 558,3 726,1 200 Zawartość popiołu [%] 6,3 5 5 W trakcie testów zieniano paraetry procesowe w następujących zakresach: suszarka fluidyzacyjna: teperatura powietrza wlotowego T 1 : 50 C, 70 C; prędkość powietrza u: 0,78 /s, 0,94 /s; asa wprowadzanego ateriału 1 : 95 g, 125 g; suszarka ikrofalowa: oc proieniowania: 1 Low, 2 War, 3 Defrost. Wyniki badań przedstawiono w tabelach 2 i 3. Wyniki suszenia fluidalnego aku Tabela 2 Nr testu Ziana paraetrów ateriału suszonego Ziana paraetrów powietrza wylotowego Wielkości zieniane Czas [in] T 1 [ C] 1 [g] u [/s] X [kg/kg] T [ C] φ 2 [%] T 2 [ C] 1 72 125 0,94 0 25 0,767 0,078 42 68 25 1,4 56 72 2 71 95 0,94 0 23 0,781 0,079 44 72 22 2,3 64 71 3 70 95 0,78 0 25 0,854 0,081 45 76 21 2,2 56 73 4 52 125 0,94 0 50 0,702 0,078 32 47 35 5,1 42 48
90 Wyniki suszenia ikrofalowego Tabela 3 Nastawa Czas [in] Ziana paraetrów ateriału suszonego Paraetry powietrza otoczenia X [kg/kg] T [ C] φ śr [%] T śr [ C] Mak 1 0 21 0,226 0,050 17 38 35 16 2 0 9 0,215 0,050 28 44 34 22 3 0 11 0,281 0,050 32 56 35 18 Proso 1 0 17 0,402 0,050 19 47 36 19 2 0 22 0,314 0,050 19 45 39 16 3 0 18 0,444 0,050 35 53 34 23 Zrębki 1 0 9,5 0,526 0,050 28 38 37 21 2 0 11,5 0,775 0,050 37 50 31 23 3 0 8 0,777 0,050 25 41 37 14 4. Dyskusja wyników Dla przetestowania prawidłowości stosowanej etodyki badań i obliczeń [2] sporządzono wykres zależności µ z = f (T ) (rys. 4). Podstawą do konstrukcji rysunku 4 były wyniki badań suszenia fluidalnego aku (eksperyent 4 tabela 2) i wzór (17). Jednostkowe zużycie energii [kj/kg] T 1 = 52 C, 1 =125 g, u = 0,94 /s y = 6,909x 2 + 30,32x + 16283, R 2 = 0,972 Czas [in] Rys. 4. Zależność jednostkowego zużycia egzergii od czasu suszenia dla aku Fig. 4. Relation between unit exergy consuption and drying tie for poppy seed Cele porównania wyników otrzyywanych na podstawie analizy energetycznej i egzergetycznej sporządzono wykres zależności sprawności suszenia ikrofalowego od wilgotności ateriału (rys. 5). Sprawność energetyczna jest wyższa od egzergetycznej, gdyż nie uwzględnia strat wynikających z nieodwracalności procesu [2, 3, 8, 9, 19].
91 Sprawność [%] Sprawność egzergetyczna y = 73,297x 2 + 67,357x + 0,199, R 2 = 0,9966 Sprawność energetyczna y = 7489,7x 2 144,38x + 28,913, R 2 = 0,9712 Zawartość wilgoci w ateriale [kg/kg] Rys. 5. Zależność sprawności od wilgotności ateriału suszonego dla zrębków drzewnych Fig. 5. Dependence between drying efficiency and huidity for wood chips Aby zobrazować wpływ ocy proieniowania ikrofalowego na sprawność suszenia, sporządzono wykres zależności sprawności od czasu dla trzech nastaw suszarki (rys. 6). Z analizy wykresu wynika, że w przypadku stosowania nastawy 1 straty energetyczne do otoczenia są najniejsze [3]. Sprawność egzergetyczna [%] nastawa 1 y = 0,0001x 2 0,2097x + 98,881, R 2 = 0,9849 nastawa 2 y = 0,0006x 2 0,4051x + 86,465, R 2 = 0,992 nastawa 3 y = 0,0015x 2 0,6508x + 82,509, R 2 = 0,992 Czas [s] Rys. 6. Zależność sprawności energetycznej od czasu dla aku Fig. 6. Relation between exergy efficiency and drying tie for poppy seed Przediote testów było również ustalenie wpływu paraetrów procesowych (tabela 2 oraz tabela 4) na sprawność suszenia fluidalnego. Do zwiększenia sprawności przyczynia się wzrost teperatury powietrza (rys. 7), obniżenie jego prędkości (rys. 8) oraz zwiększenie zapełnienia suszarki (rys. 9). Możliwości ziany tych paraetrów są ograniczone. Nadierny wzrost teperatury oże spowodować zniszczenie ateriału [2, 6, 15]. Prędkość powietrza
92 nie oże być niższa od inialnej prędkości fluidyzacji [2,17]. Wysokość złoża ograniczona jest zjawiskie sklejania ziaren oraz występowanie intensywnego pylenia i klasycznych zakłóceń fluidyzacji, takich jak np. tłokowanie [2, 6]. Warunki testowania wpływu paraetrów procesowych na sprawność suszenia fluidalnego Tabela 4 Paraetr Nuer testu (warunki wg tabeli 2) Teperatura powietrza wlotowego 1 4 Prędkość powietrza 2 3 Zapełnienie suszarki 1 2 Sprawność egzergetyczna [%] T = 72 C, y = 49,472x 4,5522, R 2 = 0,9973 T = 52 C, y = 19,662x 1,1025, R 2 = 0,9861 Znoralizowana zawartość wilgoci (X /X 1 ) Rys. 7. Wpływ teperatury powietrza wlotowego na sprawność egzergetyczną suszenia fluidalnego Fig. 7. Effect of inlet air teperature on exergy efficiency of fluidized bed drying Sprawność egzergetyczna [%] u = 0,94 /s, y = 39,301x 3,7661, R 2 = 0,9995 u = 0,78 /s, y = 46,746x 2,6834, R 2 = 0,9894 Znoralizowana zawartość wilgoci (X /X 1 ) Rys. 8. Wpływ prędkości powietrza na sprawność egzergetyczną suszenia fluidalnego Fig. 8. Effect of air velocity on exergy efficiency of fluidized bed drying
93 Energia powietrza [kj] Sprawność egzergetyczna [%] Znoralizowana zawartość wilgoci (X /X 1 ) = 125 g, y = 49,472x 4,5522, R 2 = 0,9973 = 95 g, y = 39,301x 3,7661, R 2 = 0,9995 Rys. 9. Wpływ zapełnienia suszarki na sprawność egzergetyczną suszenia fluidalnego Fig. 9. Effect of the bed hold up on exergy efficiency of fluidized bed drying Poprawę gospodarki cieplnej w węźle suszenia ożna uzyskać nie tylko poprzez odpowiedni dobór paraetrów procesowych, ale również dzięki recyrkulacji czynnika suszącego [2, 17]. Pozwala ona na odzyskanie ciepła odpadowego, którego znaczne ilości zawarte są w struieniu powietrza wylotowego (rys. 10: eksperyent 1 tabela 2). T 1 = 72 C, 1 =125 g, Powietrze wlotowe y = 0,0231x 2 0,238x + 28,549, R 2 = 0,799 Powietrze wylotowe y = 0,0373x 2 1,7301x + 4,1354, R 2 = 0,9696 Rys. 10. Zależność egzergii powietrza wprowadzanego i wyprowadzanego z koory suszarniczej od czasu suszenia fluidalnego Fig. 10. Teporal variation of exergy of air entering and exiting the fluidized bed dryer 5. Podsuowanie Wobec panującego kryzysu energetycznego oraz postępującej degradacji środowiska naturalnego, dąży się do ograniczenia zużycia energii i zastąpienia paliw konwencjonalnych zasobai energii odnawialnej, w ty bioasą. Jedny z etapów przeróbki bioasy jest suszenie, charakteryzujące się wysoką energochłonnością i przez to przyczyniające do pogłębienia współczesnych probleów energetycznych.
94 Użyteczny narzędzie projektowania procesu suszenia jest analiza egzergetyczna, uwzględniająca wszystkie straty wynikające z nieodwracalności procesów. Ograniczenie tych strat pozwala zwiększyć doskonałości procesu i efektywność wykorzystania zasobów energetycznych, a w rezultacie zniejszyć zużycie energii. Wyniki analizy egzergetycznej suszenia fluidalnego bioasy wskazują, iż aksyalną sprawność uzyskuje się stosując jak największe zapełnienie suszarki, jak najniejszą prędkość powietrza suszącego i jak najwyższą jego teperaturę. Zalecana jest także recyrkulacja czynnika suszącego, uożliwiająca wykorzystanie ciepła odpadowego. W oparciu o wyniki analizy egzergetycznej suszenia ikrofalowego ożna stwierdzić, że należy stosować najniejszą oc proieniowania, a co za ty idzie najniższą teperaturę suszenia. Uzyskane wyniki zachęcają do kontynuowania pracy w kierunku opracowania wytycznych budowy instalacji suszarniczej bioasy, zapewniającej zinializowanie zużycia energii na realizację procesu suszenia rozdrobnionej bioasy. Literatura [1] N i e d z i ó ł k a I., Z u c h n i a r z A., Analiza energetyczna wybranych rodzajów bioasy pochodzenia roślinnego, MOTROL, 2006, Vol. 8A, 232-237. [2] G w a d e r a M., Aspekty energetyczne suszenia wybranych rodzajów bioasy, praca agisterska, Instytut Inżynierii Cheicznej i Procesowej, Politechnika Krakowska, Kraków 2009. [3] B u r y M., Bilansowanie energetyczne suszenia ciał stałych analiza egzergii, praca agisterska, Instytut Inżynierii Cheicznej i Procesowej, Politechnika Krakowska, Kraków 2009. [4] G r z y b e k A., Przygotowanie i ożliwości przetwórstwa bioasy na cele energetyczne, Polskie Towarzystwo Bioasy, Warszawa 2008. [5] D ł u g a A., Spalanie różnych rodzajów bioasy, praca agisterska, Instytut Inżynierii Cheicznej i Procesowej, Politechnika Krakowska, Kraków 2009. [6] S y a h r u l S., Hadullahpur F., Dincer I., Exergy analysis of fluidized bed drying of oist particles, Exergy, an International Journal, 2002, Vol. 2, 87-98. [7] D i n c e r I., S a h i n A.Z., A new odel of therodynaic analysis of a drying process, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, Vol. 47, 645-652. [8] S z a r g u t J., P e t e l a R., Egzergia, WNT, Warszawa 1965. [9] S z a r g u t J., Egzergia: Poradnik obliczania i stosowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007. [10] T a l e n s L., V i l l a l b a G., G a b a r r e l l X., Exergy analysis applied to biodiesel production, Resources, Conservation and Recycling, 2007, Vol. 51, 397-407. [11] S a z i n B.S., Osnowy techniki suszki, Cheija, Moskwa 1984. [12] B e s T., Egzergia w procesach ogrzewania, kliatyzacji i suszenia, Energetyka przeysłowa, 1962, Vol. 10, 388-392. [13] S z a r g u t J., Terodynaika, PWN, Warszawa 1985. [14] K a v a k A k p i n a r E., M i d i l l i A., B i c e r Y., The first and second law analyses of therodynaic of pupkin drying process, Journal of Food Engineering, 2006, Vol. 72, 320-331.
[15] S y a h r u l S., D i n c e r I., H a d u l l a h p u r F., Therodynaic odeling of fluidized bed drying of oist particles, International Journal of Theral Sciences, 2003, Vol. 42, 691-701. [16] Z a w ł o c k i I., Analiza egzergetyczna instalacji suszarniczych, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, Seria: Inżynieria Cheiczna, 1987, Vol. 14, 170-176. [17] C o l a k N., H e p b a s l i A., Perforance analysis of drying of green olive in a tray dryer, Journal of Food Engineering, 2007, Vol. 80, 1188-1193. [18] S t r u i ł ł o C., Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa 1983. [19] Wa l l G., G o n g M., On exergy and sustainable developent Part 1: Conditions and Concepts, Exergy, an International Journal, 2001, Vol. 1, 128-145. 95