Молочная промышленность

Экономия тепла в линии по производству сухого молока

После обсуждения основных факторов, влияющих на экономию тепла в отдельных машинах и аппаратах, мы можем рассмотреть всю производственную линию, которая сбрасывает в окружающую среду значительное количество тепла в форме теплого конденсата из выпарного аппарата и теплого воздуха из распылительной сушилки. Есть несколько способов утилизации этой энергии:

  • Подогрев
  • Рекуперация теплоты
  • Другие средства экономии энергии

Подогрев

Подогрев сушильного воздуха конденсатом Из выпарного аппарата с механической компрессией выгружается значительное количество конденсата с температурой от 50 до 70°С, в зависимости от того, на какой стадии выпаривания он образуется.

Простой способ утилизации этой энергии заключается в подогреве сушильного воздуха.

Конденсат из первого корпуса выпарного аппарата с температурой около 70 °С обычно возвращают в паровой котел в качестве питательной воды. Преимущества такой воды в том, что она теплая и мягкая. Но конденсат из последних корпусов также можно использовать. Его обычная температура 56°С, см. рисунок 1.

Рисунок 1 - Подогрев конденсатом
Рисунок 1 — Подогрев конденсатом

Четырехкорпусной выпарной аппарат, работающий в комплексе с двухступенчатой распылительной сушилкой с температурой сушки 230°С,  производит около 12000 кг/ч конденсата с температурой 56 °С.

Подогрев сушильного воздуха до 47°С снижает расход мазута до 170кг/ч, однако потребуется установить более мощные насос конденсата и приточный вентилятор для преодоления возросшего гидравлического сопротивления системы. Общая экономия энергии иллюстрируется следующими данными:

окружающий воздух подогревается от 10 до 47°С;

конденсат охлаждается от 56 до 32°С

Без подогревателя

  • Расход топлива: 205 кг/ч
  • Расход пара: 167 кг/ч
  • Расход электроэнергии: 152 кВт
  • соответствует 1280 ккал/кг порошка

С подогревателем

  • Расход топлива: 170 кг/ч
  • Расход пара: 167 кг/ч
  • Расход электроэнергии: 159 кВт
  • соответствует 1090 ккал/кг порошка
  • т.е. фактическая экономия составляет 15 %

Другое преимущество состоит в том, что конденсат охлаждается до 32 °С и его можно направлять непосредственно на станцию очистки сточных вод, где слишком высокая температура недопустима.

По сравнению с одноступенчатой сушилкой экономия энергии составляет 32 %.

В выпарных аппаратах с термокомпрессией, где молоко в результате подогрева и тепловой обработки нагревается от 5 до 72°С, мощность компрессора обеспечивает только выпаривание, и выходная температура концентрата 50°C, а конденсата 10°C. Только в том случае, если тепловая обработка ведется при температуре выше 72 °С (за счет дополнительного расхода пара), температура конденсата будет достаточно высока для подогрева сушильного воздуха.

Подогрев сушильного воздуха вторичным паром из выпарного аппарата

Вторичный пар из последнего корпуса выпарного аппарата (с температурой 45-50 °С) обычно проходит через теплообменник “труба в трубе”, где охлаждается, нагревая поступающий холодный продукт, затем подается в конденсатор, где конденсируется холодной водой из градирни или из природного источника.

Напрашивается мысль использовать для этой цели вместо холодной воды сушильный воздух, т.е. одновременно конденсировать вторичный пар и подогревать сушильный воздух.

Четырехкорпусной выпарной аппарат, работающий в комплексе с двухступенчатой распылительной сушилкой с температурой сушки 230 °С,  производит приблизительно 800 кг/ч вторичного пара с температурой около 47 °С. Однако воздух с температурой 10 °С при расходе 31 500 кг/ч позволяет конденсировать только 400 кг/ч. Поэтому потребуется дополнительный водяной конденсатор. Другое неудобство этой системы в том, что такой дополнительный конденсатор должен иметь достаточную производительность, чтобы справляться с возросшей нагрузкой при увеличении температуры окружающего воздуха. Кроме того, при пуске выпарного аппарата должны работать, по крайней мере, вентиляторы сушилки, чтобы обеспечить стабильные условия в выпарном аппарате.

Поэтому такой способ экономии энергии в распылительной сушилке на практике не используется, но описан здесь, поскольку он запатентован.

Рекуперация тепла

Скруббер

Тепло отработанного воздуха можно утилизировать различными способами. Если скруббер  использует молоко или сыворотку в качестве абсорбента, одновременно с промывкой происходит испарение. Конечно, основное назначение скруббера – удалить порошок из отработанного воздуха во избежание загрязнения атмосферы. Однако отработанный воздух охлаждается в скруббере до температуры смоченного термометра, т.е. 45°С, таким образом, его тепло используется для предварительного выпаривания молока перед подачей в выпарной аппарат. Скруббер вносит существенный вклад в экономию тепла при производстве сухого молока, эта экономия вместе с возвратом продукта оправдывает эксплуатационные расходы и увеличивает окупаемость капиталовложений.

Процесс выпаривания иллюстрируется I-X диаграммой. (рисунок 2).

Рисунок 2 - Диаграмма энтальпия-влагосодержание для системы воздух-вода (набор адиабат для температуры воды 45°С)
Рисунок 2 — Диаграмма энтальпия-влагосодержание для системы воздух-вода (набор адиабат для температуры воды 45°С)

Начальная точка процесса отражает состояние воздуха на входе в скруббер. Этот воздух содержит влагу, отчасти поступившую с наружным воздухом (его обычное влагосодержание – 7 г/кг сухого воздуха), отчасти – в результате испарения при сушке (42 г/кг сухого воздуха для рассмотренного на странице 141 примера с двухступенчатой распылительной сушилкой, работающей при 230 °С). Суммарное влагосодержание – 50 г/кг сухого воздуха (точка А).

Если температура на выходе сушилки – входе скруббера равна 80 °С, а на выходе из скруббера – 50 °С, влагосодержание воздуха на выходе скруббера составит 65 г/кг сухого воздуха (точка В), поскольку процесс идет по адиабате. Следовательно, испарение составит 65 – 50= 15 г влаги / кг сухого воздуха.

Поскольку расход воздуха, включая воздух из аппарата Vibro-Fluidizer, составляет 42000кг/ч, испарение в скруббере равно 630 кг/ч, т.е. 3,5 % от общего испарения.

Однако экономия тепла достигается только при условии, что абсорбентом служит продукт – обезжиренное молоко или сыворотка. При производстве сухого цельного молока абсорбентом служит вода.

Температура в скруббере создает благоприятные условия для роста бактерий. Поэтому скруббер можно использовать лишь при условии, что это не помешает производству первосортного молока. Если установка эксплуатируется согласно инструкции, которая предусматривает промежуточную чистку через 10 часов работы, бактериальное обсеменение будет минимальным, т.к. это время значительно меньше времени развития бактерий.

Как и подогрев воздуха конденсатом, использование скруббера дает комплекс преимуществ, поскольку скруббер не только утилизирует тепло, но и очищает воздух и обладает существенной производительностью по испарению. Однако часть этих преимуществ теряется, поскольку каждые 10 часов требуется выполнять чистку. Поэтому скрубберы с продуктом в качестве абсорбента не часто применяются в молочной промышленности.

Все вышеупомянутые системы энегросбережения, кроме двухступенчатой сушки, требуют совместной работы выпарного аппарата и распылительной сушилки. Однако бывают ситуации, когда работает только распылительная сушилка. Поэтому были разработаны рекуператоры тепла, работающие только с распылительной сушилкой.

Рекуператоры тепла

Рекуператор позволяет использовать тепло отработанного воздуха распылительной сушилки, имеющего температуру 80-95 °С, например, для подогрева сушильного воздуха.

Но ее можно применять и для нагрева моющей жидкости или для обогрева помещений.

Ниже обсуждается только вариант подогрева сушильного воздуха.

В принципе существует две системы рекуперации тепла:

  • воздух-воздух
  • воздух-жидкость-воздух

Обе системы устанавливаются после сепаратора мелочи. Для повышения эффективности теплообмена можно установить также рукавный фильтр, поскольку даже при оптимальном подборе скорости воздуха сепаратор не позволяет полностью исключить отложения на теплообменной поверхности. Рекуператор можно эксплуатировать несколько дней без чистки, но если чистка необходима, для этой цели в аппарат встраивается система безразборной мойки.

Если рекуператор охлаждает отработанный воздух ниже температуры конденсации (которая зависит от влагосодержания воздуха), то энтальпия конденсации тоже используется для подогрева. В этом случае рукавный фильтр перед рекуператором необходим для предотвращения отложений на границе влажной зоны. Такой рекуператор обеспечивает еще большую экономию по сравнению с рассмотренным ниже случаем, в котором конденсация не предусмотрена.

Рекуператор воздух-воздух

В рекуператорах воздух-воздух, см. рисунок 3, сушильный воздух подогревается отработанным воздухом, движущимся через теплообменник в противотоке. Теплообменник представляет собой пучок труб, внутри которых течет отработанный теплый воздух, а снаружи – приточный холодный воздух.

Рисунок 3 - Рекуператор воздух-воздух
Рисунок 3 — Рекуператор воздух-воздух

Встраивание такого оборудования в уже действующую установку может оказаться трудным и дорогим делом, если для этого потребуются длинные воздуховоды большого диаметра, которые без теплоизоляции будут терять сбереженное тепло.

Новые установки легче оснастить такими рекуператорами, так как их проектируют с учетом минимизации длины воздуховодов. (рисунок 4).

Рисунок 4 - Одноступенчатая распылительная сушилка с рекуператором воздух-воздух.
Рисунок 4 — Одноступенчатая распылительная сушилка с рекуператором воздух-воздух.

Температура, до которой можно подогреть воздух, зависит от температуры выходящего воздуха. Поэтому такой тип рекуператора больше всего подходит для одноступенчатой распылительной сушилки, где выходящий воздух имеет высокую температуру. Ниже даются расчеты для одноступенчатой сушки:

Окружающий воздух подогревается от 10 до 52 °С

Выходящий воздух охлаждается от 93 до 51 °С

Без рекуператора

  • Расход топлива: 175 кг/ч
  • Расход электроэнергии: 120 кВт
  • соответствует 1595 ккал/кг порошка

С рекуператором

  • Расход топлива: 140 кг/ч
  • Расход электроэнергии: 135 кВт
  • соответствует 1305 ккал/кг порошка
  • т.е. фактическая экономия составляет 18%.

Рекуператор воздух-жидкость-воздух

Другая система, более удобная для монтажа, это рекуператор типа воздух-жидкостьвоздух, см. рисунок 5.

Рисунок 5 - Рекуператор воздух-жидкость-воздух
Рисунок 5 — Рекуператор воздух-жидкость-воздух

Данная система представлена двумя теплообменниками, между которыми циркулирует промежуточный теплоноситель, например, вода. (рисунок 6). В условиях холодных зим, когда температура теплоносителя может опускаться ниже нуля градусов, в воду добавляют антифриз. Поскольку коэффициент теплообмена для пары сред воздух-вода выше, чем для пары воздух-воздух, такая система эффективнее, чем рекуператор типа воздух-воздух, несмотря на наличие двух теплообменников.

Рисунок 6 - Одноступенчатая распылительная сушилка с рекуператором воздух-жидкость-воздух
Рисунок 6 — Одноступенчатая распылительная сушилка с рекуператором воздух-жидкость-воздух

Теплообменник для выходящего воздуха представляет собой пучок труб, внутри которых движется запыленный воздух. По межтрубному пространству в противотоке движется вода. Приточный воздух нагревается в обычном теплообменнике из оребренных труб. Для циркуляции воды используется центробежный насос.

Ниже приведен расчет экономии энергии при установке такого рекуператора на одноступенчатой сушилке:

Окружающий воздух подогревается от 10 до 60 °С

Выходящий воздух охлаждается от 93 до 44 °С

Без рекуператора

  • Расход топлива: 175 кг/ч
  • Расход электроэнергии: 120 кВт
  • соответствует 1595 ккал/кг порошка

С рекуператором

  • Расход топлива: 130 кг/ч
  • Расход электроэнергии: 142 кВт
  • соответствует 1225 ккал/кг порошка
  • т.е. фактическая экономия составляет 23%.

Если воздух нагревается мазутной или газовой горелкой, жидкий теплоноситель, после того как он отберет теплоту у отработанного воздуха, можно направлять в теплообменник, расположенный в канале продуктов горения, это дополнительно увеличивает экономию энергии.