The possibility of using heat recovery from the exhaust air from the cereal dryer

Wstęp

Zboża zbierane w czasie żniw składowane mogą być w silosach, gdy ich wilgotność względna jest na poziomie zapewniającym bezpieczne przechowywanie. Jednocześnie w silosach kształtowana jest temperatura powietrza zapewniająca odpowiednie ich warunki przechowywania. Zboże zbierane z pól, zwłaszcza kukurydza, rzadko ma wilgotność względną nadającą się do bezpośredniego składowania i często ziarna należy osuszać do wilgotności odpowiedniej do składowania. Zwykle do osuszania ziarna wykorzystuje się podgrzane powietrze o niskiej wilgotności względnej, które omywając ziarna powoduje usuwanie z nich wilgoci. Stosowane są różne technologie przygotowania powietrza suszącego, zwłaszcza sposobu jego podgrzewania. Pozyskiwanie energii do podgrzewania powietrza suszącego często związane jest z możliwością wykorzystania źródeł naturalnych np. energii słonecznej [3].

Obecnie w Polsce do przemysłowego suszenia zboża zbieranego podczas żniw stosowane są głównie suszarnie pracujące w układzie otwartym, które wykorzystują do suszenia ziarna podgrzewane (np. przez palniki gazowe) powietrze zewnętrzne. W suszarniach tych wilgotne powietrze, po zasymilowaniu wilgoci ze zboża, usuwane jest na zewnątrz. Do podgrzewania powietrza zewnętrznego stosowane mogą być źródła energii, zarówno zewnętrzne (centralne dostarczające energię do różnych odbiorców) jak i indywidualne dostarczające ciepło tylko na potrzeby suszarni. Jako paliwa stosowane są paliwa stałe, ciekłe i gazowe [1]. Obecnie do podgrzewania powietrza suszącego najczęściej wykorzystywany jest gaz spalany bezpośrednio w strumieniu powietrza suszącego [5].

Taki rodzaj podgrzewania powietrza suszącego pozwala na uzyskanie wysokiej sprawności pozyskiwania energii ze spalanego gazu. Wynika to z faktu, niewielkich strat energii na drodze przekazywania ciepła od spalanego gazu do podgrzewanego powietrza. Temperatura podgrzanego powietrza suszącego wpływa bezpośrednio na efektywność suszenia a jej maksymalna wartość zależy od rodzaju zboża i jego przeznaczenia. Typowe temperatury powietrza suszącego w rozpatrywanych suszarniach z krzyżowym przepływem powietrza wynoszą od 80–110°C [5]. Po przepłynięciu gorącego powietrza suszącego przez ziarna zboża jego temperatura obniża się do 45÷60°C, zaś zawartość wilgoci wzrasta do 30÷40 g/ kgps. Wilgotne i ciepłe powietrze wykorzystane w procesie suszenia usuwane jest zwykle bezpośrednio na zewnątrz suszarni. W Polsce żniwa podstawowych zbóż prowadzone są w miesiącach lipiec – sierpień. Natomiast zbiór kukurydzy prowadzi się w październiku, listopadzie, a często i w grudniu. Zazwyczaj największą wilgotność względną ma zbierane jesienią ziarno kukurydzy. Jednocześnie w tym czasie temperatura powietrza zewnętrznego jest już niska. Suszenie ziaren kukurydzy w takich warunkach wymaga największego strumienia ciepła do osuszenia jednostkowej masy zboża. Ponadto suszenie ziaren kukurydzy, o wilgotności względnej nawet powyżej 40%, bardzo często musi przebiegać dwuetapowo. Powietrze wilgotne, usuwane z suszarni, posiada duży potencjał cieplny i wysoką entalpię właściwą, w porównaniu do potencjału cieplnego powietrza zewnętrznego. Podjęcie próby odzyskania ciepła z powietrza wywiewanego i dostarczenie go do powietrza podgrzewanego wydaje się być racjonalnym i ekonomicznie uzasadnionym założeniem. Odnosi się to zwłaszcza do okresu jesiennego, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niska a wilgotność względna zboża bardzo wysoka. W takim układzie warunków termodynamicznych powietrza i ziaren do podgrzewania powietrza zewnętrznego może być również wykorzystane ciepło kondensacji, które powstaje w wyniku skroplenia wilgoci zawartej w wilgotnym i bardzo ciepłym powietrzu wywiewanym. Może to być szczególnie efektywne z uwagi na fakt, że ciepło skraplania wody jest wielokrotnie wyższe od ciepła właściwego powietrza. Spadek temperatury ciepłego i wilgotnego powietrza wywiewanego, z którego następuje wykraplanie wilgoci, jest minimalny w stosunku do przyrostu temperatury podgrzewanego powietrza zewnętrznego.

Do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego i zastosowaniu go do podgrzewania zewnętrznego powietrza suszącego możliwe są dwa zasadnicze rozwiązania techniczne [6]. Różnią się one sposobem przekazywania ciepła z powietrza wywiewanego do powietrza zewnętrznego i wzajemnym prowadzeniem obu strumieni powietrza. Pierwszy sposób oparty jest na zastosowaniu płaszczyznowego wymiennika ciepła, w którym powietrze wywiewane przepływając po jednej stronie wymiennika przekazuje ciepło przez przegrody do powietrza zewnętrznego przepływającego po ich drugiej stronie. Strumienie powietrza wywiewanego i zewnętrznego przepływają przez ten sam wymiennik czyli muszą być doprowadzone do tej samej strefy suszarni.

Drugi sposób oparty jest na zastosowaniu dwóch wymienników ciepła typu powietrze- ciecz połączonych przez instalację rurową z krążącym płynem (np. wodnym roztworem glikolu). W wymienniku, zainstalowanym w strumieniu powietrza wywiewanego, ciepło jest pozyskiwane i przekazywane do płynu krążącego w instalacji. Z podgrzanego płynu, w drugim wymienniku, ciepło przekazywane jest do strumienia powietrza zewnętrznego. W takim rozwiązaniu wymienniki ciepła zarówno po stronie powietrza zewnętrznego jak i wywiewanego, mogą być od siebie oddalone.

W obu przypadkach powierzchnie wymienników ciepła po stronie powietrza wywiewanego są narażone na osadzanie się zanieczyszczeń. By ograniczyć niekorzystny wpływ osadzania się zanieczyszczeń na efektywność zarówno osuszania zboża jak i układu podgrzewania powietrza suszącego (zmniejszenie przepływu powietrza suszącego, zmniejszenie sprawności odzysku ciepła z powietrza wywiewanego) należy powietrze wywiewane przed wymiennikiem oczyszczać lub okresowo oczyszczać zanieczyszczone powierzchnie wymienników.

Materiały i metoda

Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy układu wykorzystania ciepła pozyskanego z wilgotnego powietrza wywiewanego z suszarni do wstępnego podgrzewania powietrza suszącego (zewnętrznego) w przeponowym wymienniku płaszczyznowym. W celu zapewnienia racjonalnej sprawności odzysku ciepła z powietrza wywiewanego zastosowano dwa wymienniki płaszczyznowe, przez które zaplanowano szeregowy przepływ strumieni powietrza wymieniających ciepło. Zastosowany układ wymienników do odzysku ciepła zapewnia przeciwprądowokrzyżowy przepływ strumieni powietrza wywiewanego i zewnętrznego.

Przy założeniu, że strumienie masowe powietrza wywiewanego i zewnętrznego są podobne sprawność temperaturową odzysku energii można zdefiniować wzorem:

w którym:

tz – temperatura powietrza zewnętrznego na wlocie do wymiennika, °C,

t’z – temperatura powietrza zewnętrznego podgrzanego w wymienniku płaszczyznowym, °C,

t”z – temperatura podgrzanego powietrza suszącego, oC,

tu – temperatura powietrza usuwanego z suszarni na wlocie do wymiennika płaszczyznowego, °C.

Oznaczenia na rysunku 1:

Vz – strumień powietrza zewnętrznego na wlocie do wymiennika, m3/s,

V’z – strumień powietrza zewnętrznego podgrzanego w wymienniku płaszczyznowym, m3/s,

Vu – strumień powietrza usuwany z wymiennika do odzysku ciepła, m3/s.

Na rysunku 2 przedstawiono schematycznie wykres zmiany temperatury podgrzewanego powietrza zewnętrznego oraz ochładzanego powietrza wywiewanego na długości wymiennika dla układu odzysku ciepła przedstawionego na rysunku 1.

Wykres zmiany temperatury podgrzewanego wstępnie powietrza zewnętrznego i ochładzanego powietrza wywiewanego na długości (powierzchni) wymiennika do odzysku ciepła w suszarni zboża, przy równych masowych strumieniach powietrza i kondensacji pary wodnej z powietrza wywiewanego pokazano na rys.2.

Na rysunku 3 przedstawiono zmiany temperatury powietrza podgrzewanego i wywiewanego na długości wymiennika dla rzeczywistych obliczeniowych warunków pracy suszarni. Sprawność temperaturowa wymienników do odzysku ciepła przy wymianie ciepła jawnego wynosi ht = 0,6. Przedstawione wykresy różnią się parametrami powietrza usuwanego z suszarni i napływającego do wymiennika do odzysku ciepła. Przyjęto następujące parametry obliczeniowe czynników: 

  • powietrza zewnętrznego tz = 5oC, Xz = 5 g/kgps; 
  • podgrzanego powietrza suszącego ts = 100oC, Xs = 5 g/kgps ;
  • powietrza wywiewanego z suszarni a) tu = 50oC, Xu= 40 g/kgps; 
  • powietrza wywiewanego z suszarni b) tu = 60oC, Xu = 30 g/kgps.

Z przedstawionych na rysunku 3 wykresów wynika, że kondensacja pary wodnej z powietrza wywiewanego z suszarni może istotnie zwiększyć sprawność układu odzysku ciepła, zatem zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewania powietrza zewnętrznego. Wzrost zawartości wilgoci w powietrzu wywiewanym, przy jednoczesnym obniżeniu jego temperatury, pozwala na znaczące wykorzystanie ciepła skraplania do podgrzewania powietrza zewnętrznego. Kondensacja pary wodnej na powierzchni wymiany ciepła powoduje wzrost sprawności temperaturowej wymiennika. Z przykładowych wykresów przedstawionych na rysunku 3 wynika, że sprawność ta wzrasta z 60% odpowiednio do 68% (rysunek 3a) i 62% (rysunek 3b). Oznacza to zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania powietrza suszącego. Do podgrzewania jednostkowego strumienia powietrza zewnętrznego (1 kg/s) od temperatury 5°C do 100°C niezbędna jest moc cieplna 95,5 kW i taka moc cieplna jest dostarczana przez palnik do powietrza suszącego przy otwartym jego przepływie przez suszarnię. Zastosowanie odzysku ciepła z powietrza wywiewanego, dla podanych warunków, pozwala na zmniejszenie ilości ciepła do podgrzewania jednostkowego strumienia powietrza zewnętrznego, odpowiednio o 32,2% według rysunku 3a i 35,9% według rysunku 3b.

Na wykresach zamieszczonych na rysunku 3 liniami przerywanymi zaznaczono zmiany temperatury powietrza przy braku kondensacji pary wodnej z powietrza wywiewanego, zaś liniami ciągłymi przy kondensacji pary wodnej z powietrza wywiewanego. Linie ciągłe przedstawiają zmiany temperatury powietrza zewnętrznego i wywiewanego z suszarni przy założonych powyżej parametrach na wlocie do wymiennika. Wzrost zawartości wilgoci w powietrzu wywiewanym i jej kondensacja zwiększa sprawność odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Można to uzyskać przez zwiększenie intensywności i efektywności osuszania zboża (wyrównanie przepływu powietrza przez zboże, ograniczenie lokalnych stref martwych). Efektem tego jest zmniejszenie strumieni powietrza suszącego w odniesieniu do asymilowanego strumienia wilgoci.

 

Rys.1.
Schemat ideowy suszarni z odzyskiem ciepła z powietrza wywiewanego w wymienniku płaszczyznowym
Rys. 2.
Wykres zmiany temperatury podgrzewanego wstępnie powietrza zewnętrznego i ochładzanego powietrza wywiewanego na długości (powierzchni) wymiennika do odzysku ciepła w suszarni zboża, przy równych masowych strumieniach powietrza i kondensacji pary wodnej z powietrza wywiewanego
Rys. 3.
Wykresy zmian temperatury powietrza zewnętrznego i wywiewanego na długości (powierzchni) wymiennika do odzysku ciepła w suszarni zboża, przy wymianie ciepła jawnego (linia przerywana) oraz z uwzględnieniem kondensacji pary wodnej z powietrza wywiewanego (linia ciągła
Rys. 4.
Wpływ sprawności temperaturowej odzysku energii w wymienniku płaszczyznowym na ograniczenie udziału energii pierwotnej dostarczanej do procesu suszenia zboża; oznaczenia – linia ciągła dla okresu jesiennego, linia przerywana dla okresu letniego
Rys. 5.
Wpływ sprawności odzysku ciepła na opory przepływu powietrza przez wymiennik
Rys. 6.
Moc cieplna i elektryczna do uzdatniania i transportu 1m3/s powietrza suszącego w suszarni z zastosowanym wymiennikiem płytowym do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego

 

Do asymilacji jednostkowego strumienia wilgoci (w=1kg/s), dla określonych wcześniej parametrów powietrza, niezbędne są odpowiednio strumienie powietrza 28,6 kg/s według rysunku 3a i 40,0 kg/s przy parametrach 3b. Moc cieplna niezbędna do podgrzania tych strumieni powietrza, od 5°C do 100°C, wynosi odpowiednio a) 2730 kW i b) 3820 kW. Po zastosowaniu odzysku ciepła z powietrza wywiewanego moc ta może zostać ograniczona odpowiednio do 1851 kW i 2448 kW.

Podgrzewanie wstępne powietrza suszącego w wymienniku do odzysku ciepła pozwala znacząco ograniczyć zapotrzebowanie na energię pierwotną dostarczaną z zewnątrz. Udział energii odnawialnej (odzyskiwanej w wymienniku do odzysku) w całkowitym zapotrzebowaniu na energię do podgrzewania powietrza suszącego można wyznaczyć z zależności:

gdzie:

Uo c – udział energii odnawialnej odzyskiwanej w wymienniku płaszczyznowym w energii całkowitej dostarczanej do podgrzewania powietrza suszącego, %,

tz, – temperatura powietrza zewnętrznego, °C,

t’z – temperatura powietrza zewnętrznego podgrzanego w wymienniku do odzysku ciepła, °C,

t”z – temperatura powietrza podgrzanego, suszącego zboże w suszarni, °C.

Zastosowanie wymiennika do odzysku ciepła powoduje wzrost zapotrzebowania na energię do transportu powietrza suszącego. Wzrost zapotrzebowania na moc elektryczną do napędu wentylatorów, związaną z dodatkowymi oporami przepływu powietrza przez wymiennik można obliczyć z zależności:

w której:

ΔN – zwiększenie zapotrzebowania na moc elektryczną potrzebną do napędu wentylatorów (wynikającą ze zwiększonych oporów przepływu powietrza ze względu na dodatkowe wymienniki ciepła), kW,

V – strumień powietrza zewnętrznego i wywiewanego, m3/s,

ΔPw – suma oporów przepływu powietrza zewnętrznego i wywiewanego przez wymiennik do odzysku ciepła, Pa,

hw hs hp – sprawność odpowiednio wentylatorów, silników i układów zmiany prędkości obrotowej.

Wyniki przeprowadzonej analizy

Do analizy efektywności zastosowania odzysku ciepła w suszarniach zboża przyjęto:

–– temperaturę powietrza suszącego zboże t”z = 100oC,

–– średnią temperaturę powietrza wilgotnego usuwanego z suszarni tu = 55oC,

–– średnie parametry powietrza zewnętrznego w okresie letnim tz = 25oC; φz = 50%,

–– średnie parametry powietrza zewnętrznego w okresie jesiennym tz = 5oC; φz =80%.

Dla wyżej przedstawionych temperatur powietrza udział energii odnawialnej odzyskiwanej w wymienniku płaszczyznowym w energii całkowitej dostarczanej do podgrzewania powietrza suszącego, w zależności od sprawności temperaturowej wymiennika do odzysku ciepła, przedstawiono na wykresie zamieszczonym na rysunku 4.

Zastosowanie wymiennika do odzysku ciepła powoduje wzrost oporów przepływu powietrza przez suszarnię. Na wykresie zamieszczonym na rysunku 5 podano przybliżoną zależność pomiędzy oporami przepływu powietrza przez wymiennik a jego temperaturową sprawnością.

Na wykresie słupkowym, zamieszczonym na rysunku 6, przedstawiono zapotrzebowanie na moc cieplną do podgrzewania 1m3/s (1,2 kg/s) powietrza suszącego zboże w okresie letnim i jesiennym, moc cieplną pozyskiwaną w wymienniku do odzysku ciepła w zależności od sprawności temperaturowej odzysku ciepła oraz wymaganą dodatkową energię elektryczną do napędu wentylatorów kompensującą dodatkowe opory przepływu powietrza przez wymiennik.

Wnioski

Obecnie na świecie panuje tendencja do ograniczania zużywania energii pierwotnej [3]. Zastosowanie odzysku ciepła z powietrza wywiewanego z suszarni zboża i wykorzystanie go do podgrzewania powietrza suszącego znakomicie wpisuje się w tę tendencję. Jest to działanie zmierzające do ograniczenia wykorzystania energii pierwotnej niezbędnej do procesów technologicznych z jednoczesnym efektywnym wykorzystaniem energii wytwarzanej w czasie ich zachodzenia. Z zastosowaniem odzysku ciepła z powietrza wywiewanego z suszarni zboża i efektywnego jego wykorzystania do wstępnego podgrzewania powietrza suszącego związane jest:

  • Ograniczenie mocy cieplnej zastosowanych urządzeń grzewczych od 15 do 35 %, zatem również w takim zakresie można zmniejszyć zapotrzebowanie na energię dostarczaną do suszarni. 
  • Zwiększenie oporów przepływu powietrza suszącego przez suszarnię, zatem i wzrost mocy silników do napędu wentylatorów. 
  • Konieczność oczyszczania powietrza wywiewanego przed wymiennikiem do odzysku ciepła lub oczyszczania powierzchni wymiennika po stronie powietrza wywiewanego. Z wykresów przedstawionych w artykule wynika, że: 
  • Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego z suszarni jest zawsze, w realnych warunkach jej pracy, korzystny energetycznie. 
  • Wraz ze wzrostem sprawności odzysku ciepła z powietrza wywiewanego wzrasta wykorzystanie ciepła odzyskiwanego do podgrzewania powietrza suszącego. 
  • Wzrost mocy elektrycznej do napędu wentylatorów, wraz ze wzrostem sprawności wymiennika, jest wielokrotnie niższy od pozyskiwanej mocy cieplnej. Przykładowo w przypadku suszarni o wydajności suszenia 10 ton/h możliwe jest ograniczenie zapotrzebowania na moc energii pierwotnej o ok. 1180 kW przy zapotrzebowaniu na moc cieplną do podgrzania powietrza na poziomie 4560 kW.

L I T E R AT U R A

[1] Acasio, U. A., Maxon, R. C. & Khan, S. H. (1992) Handling, Management and Marketing of Cereal Grains. Food and Feed Grains Institute Manhattan, Kansas 66506-2202, USA.

[2] Chua, K. J., Chou, J. C. Ho & Hawlader, M. N. A. (2002) Heat Pump Drying: Recent Developments and Future Trends, Drying Technology, 20(8), 1579-1610

[3] Johansson, T. B., Patwardhan, A. P., Nakićenović, N., & Gomez-Echeverri, L. (Eds.). (2012). Global energy assessment: toward a sustainable future. Cambridge University Press.

[4] Khatchatourian, O. A., Vielmo, H. A., & Bortolaia, L. A. (2013). Modelling and simulation of cross flow grain dryers. Biosystems engineering, 116(4), 335-345.

[5] Maier, D. E., & Bakker-Arkema, F. W. (2002). Grain drying systems. In Proceedings of the 2002 Facility Design Conference of the Grain Elevator & Processing Society, St. Charles, Illinois, USA.

[6] Przydróżny, E. & Przydróżna, A. (2017). Reduction in energy demand for grain drying through heat recovery from humid air extracted from crossflow dryers. In Proceedings of the VIII International Scientific Agriculture Symposium, Agrosym 2017, Jahorina, Bosnia and Herzegovina

[7] Website: http://www.feerum.pl/pl.suszarniedo- zboza.html