Гелиовоздухонагревательная установка с солнечно-термической регенерацией адсорбентов

В статье проанализирована энергоемкость систем регенерации адсорбентов в плодоовощехранилищах и приведены результаты исследований температурных характеристик опытной гелиовоздухонагревательной установки для систем термической регенерации адсорбентов.

Ключевые слова: энергоемкость, энергия, гелиовоздухонагреватель, плодоовощехранилище, холодильная камера, адсорбционная установка, солнечная энергия, термическая регенерация

Длительное хранение плодоовощных продуктов (ПОП) и снижение их потери в современных плодоовощехранилищах с наименьшими затратами энергии (тепла, холода и электроэнергии) является актуальной научно-технической проблемой. Снижение энергоемкости технологических процессов хранения ПОП и повышение энергоэффективности плодоовощехранилищ с применением возобновляемых источников энергии являются один из способов энергосбережения в этой области. Согласно постановлением Президента Республики Узбекистан от 5 мая 2015 года № ПП-2343 «О программе сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015–2019 годы» поставлены задачи, по определению приоритетных направлений дальнейшего сокращения энергоемкости, внедрения энергосберегающих технологий и систем в отраслях экономики и социальной сфере, снижение энергоемкости выпускаемой продукции путем дальнейшей модернизации и внедрение апробированных технологий использования солнечной энергии [1].

Плодоовощехранилище является специализированным зданием для сохранения в свежем виде яблок, картофеля, моркови, капусты, свеклы и других ПОП. Как правило, эти сооружения представляют собой прямоугольные одноэтажные комплексы, снабженные системами отопления, охлаждения, увлажнения, регулирования газовой среды, регенерация адсорбентов и активной вентиляцией.

В плодоовощехранилищах одним из энергоемким технологическим процессом является термическая регенерация адсорбентов. Процессы термической регенерации адсорбентов и регулирование газовой среды в холодильных камерах осуществляется с применением адсорбционных установок. Регулирование газовой среды предусматривает несколько режимов работы адсорбционной установки (очистка газовой среды холодильных камер от углекислого газа-адсорбция, термическая регенерация насыщенного адсорбента, его нагревание и охлаждение), чередующихся в определенной последовательности. Термодинамический цикл адсорбционной установки содержит, процессы адсорбции (очистки газовой смеси или снижение концентрации углекислого газа в воздухе), десорбции (термическая регенерация адсорбента) и нестационарного теплообмена. Процессы адсорбции и десорбции являются массообменными процессами, протекающими с теплообменом между газовой и твердой фазами (между воздухом и твердым адсорбентом).

Анализ режим работы адсорбционных установок с термической регенерацией адсорбентов и продувкой атмосферным воздухом показывают, что для активного угля температура регенерации составляет около 50–70 ⁰С. При этом в холодильных камерах емкостью 10 тонн яблок для термической регенерации активного угля требуется 6,5–7,0 кВт электроэнергии и до 70 м³/ч воздуха. В эксплуатируемых плодоовощных холодильных камерах для термической регенерации адсорбентов применяются электронагреватели, которые при отсутствии и сбоя электроэнергии нарушают технологический режим работы камеры [2,3.4].

С целью устранения вышеперечисленных недостаток и снижения энергоемкости процесса термической регенерации адсорбентов нами предложена адсорбционная установка с солнечно-термической регенерацией и продувкой атмосферным воздухом. На основе выполнения прикладного проекта А-4–14- «Разработка эффективной системы использования солнечной энергии в процессах регенерации адсорбентов и активной вентиляции в плодоовощехранилищах» нами разработана и исследована гелиоадсорбционная установка с солнечно-термической регенерацией и продувкой атмосферным воздухом (Рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема гелиоадсорбционной установки с солнечно-термической регенерацией и продувкой атмосферным воздухом. 1-воздушный фильтр; 2 — ГВН; 3 — ТЭН; 4,5 и 6 — трехходовые клапаны; 7 -8 — воздуховоды камеры; 9 — воздушный вентилятор; 10 — адсорбер.

Основное отличие предложенной установки от аналогов заключается в том, что в технологических схемах предусмотрен гелиовоздухонагреватель, включаемый для подогрева регенерирующего воздуха в режиме регенерации адсорбента. В качестве дублер нагревателя используется электронагреватель. Гелиоадсорбционная установка включает адсорбер 10 с активированным углем, вентилятор 9, гелиовоздухонагреватель 2, электронагреватель 3 и три трехходовых клапана 4,5,6. При показанном схеме положении клапанов установка находится в режиме очистки, газовая среда поступает из холодильной камеры по трубопроводу 7, возвращается в камеру обратно по трубопроводу 8. По истечении времени после полного насыщения адсорбента установка переводится переключением клапанов (показано пунктиром) в режим регенерации: атмосферный воздух нагревается в гелиовоздухонагревателе 2, подается вентилятором 9 в адсорбер 10, где происходит термическая регенерация адсорбента (десорбция) и затем десорбировавшейся двуокисью углерода выбрасывается в атмосферу.

Предложенная гелиовоздухонагревательная установка (ГВН) также работает для систем активного вентилирования плодоовощного штабеля холодильных камер. В этом случае в режиме очистки через задвижки 4 подогретый воздух в гелиовоздухонагревателе поступает в систему активной вентиляции холодильной камеры. Таким образом, предложенная установка обеспечит эффективного использования солнечной энергии и в системах термической регенерации адсорбентов и системах активной вентиляции плодоовощехранилищ. Общий вид экспериментальной установки приведен на рис.2.

Рис. 2. Общий вид экспериментальной ГВН

Нами были проведены предварительные испытания геливоздухонагревательной установки и исследованы тепловые режимы работы в природно-климатических условиях г.Карши. Экспериментальные исследования проводились по общеизвестным методикам согласно [5,6]. Результаты испытаний и исследования температурного режима установки приведены в таблице 1.

Для проведения эксперимента приняты следующие условия и параметры ГВН:

‒ теплоноситель — воздух;

‒ площадь гелиоколлектора — 2,25 м²;

‒ светопрозрачное покрытие — стекло 4 мм;

‒ стыковка — через фланцы и резиновые прокладки;

‒ интенсивность солнечного излучения — 700–1000 Вт/м²;

‒ расход воздуха — 50 м³/час;

‒ средняя температура окружающей среды — 30 ⁰С;

‒ широта местности — 39⁰ (г.Карши);

‒ габаритные размеры — 1000х2250х200 мм.

Таблица 1

Результаты испытаний воздухонагревательной установки

Эксперименты проводились в 7 сентября 2016 года в условиях широта местности 39⁰ в природно-климатических условиях города Карши. Скорость воздуха в каналах ГВН регулировали в пределах 2–10 м/с. Анализ полученных опытных данных показывают, что максимальная температура нагреваемого воздуха достигает до 66–70 ⁰С при падающей солнечной радиации 700 Вт/м². Результаты проведенных экспериментов в опытной установки показывают, что температурный режим и температура воздуха вполне отвечает технологическим требованиям термической регенерации активного угля для плодоовощных камер емкостью до 10 тонн. Таким образом, полученные данные позволить разработать оптимальных гелионагревательных систем и создать на этой основе энергосберегающих технологий в плодоовощных камерах.

1. Постановление Президента Республики Узбекистан от 5 мая 2015 года № ПП-2343 «О программе сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015–2019 годы».
2. Хужакулов С. М., Узаков Г. Н., Вардияшвили А. Б. Эффективность применения гелионагревательных систем для регенерации адсорбентов в углубленных плодоовощехранилищах. //Гелиотехника. Фан, № 4. 2013. 74–77 с.
3. Узаков Г. Н., Хужакулов С. М. № FAP 2014 0158 «Устройство для регенерация адсорбентов».
4. Хужакулов С. М., Узаков Г. Н. Теплоэнергетические основы энерго- и ресурсосбережения при длительном хранении продуктов в углубленных плодоовощехранилищах. — Ташкент: Фан, 2015.- 120 с.
5. Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы и горячего водоснабжения. Ташкент: Фан, 1988.- 288 с.
6. Харитонов В. П. Адсорбция в кондиционировании на холодильниках для плодов и овощей. М.: Пищевя промышленность, 1978.-191с.