Целью данного исследования является подчеркнуть потенциал энергосбережения процесса стерилизации в автоклаве периодического действия, работающего паром, и разработать концепции повышения его энергоэффективности. Используя методический подход «луковой диаграммы» и рекуперацию источников низкопотенциального тепла, были разработаны четыре комплексные концепции повышения энергоэффективности.
Две концепции повышают начальную температуру продукта, что приводит к снижению переходного расхода пара и снижению энергопотребления. Два других варианта преобразуют отходящее тепло и энергию для охлаждения продукта в тепловые потоки для снабжения близлежащих радиаторов или других процессов на предприятии. Результаты показывают, что общее потребление энергии может быть снижено более чем на 23 %, а 42 % энергии, впрыскиваемой в систему, может быть восстановлено. Объем исследования был сосредоточен на одной независимой реплике, обеспечивающей переносимость концепций.
Это исследование также показывает на практическом примере важность всестороннего понимания и анализа процесса перед применением Пинч-анализа, который необходим для обеспечения того, чтобы были определены правильные температуры потока отходящего тепла, оценены необходимые ограничения обработки и все возможные учитываются теплоотводы в процессе.
Введение
В 2010 году мировой промышленный сектор потреблял около 58 ПВтч. Это потребление энергии будет неуклонно увеличиваться до 88 ПВтч в 2040 году, что составляет около 37 % мирового потребления энергии (EIA, 2013). В условиях изменения климата и роста затрат на энергию необходимо повышать энергоэффективность на всех этапах энергетической цепочки — от производства до конечного потребления. В то же время преимущества мер по повышению энергоэффективности должны перевешивать инвестиционные затраты.
Для пищевой промышленности Германии затраты на электроэнергию уже занимают третье место по величине в общих производственных затратах (Федерация немецкой пищевой промышленности и напитков, 2015). Твердая приверженность сокращению выбросов в эквиваленте углекислого газа в промышленности необходима для обеспечения достижения цели в два градуса и предотвращения опасного изменения климата. Одним из практических примеров такого обязательства является амбициозная цель компании Mars Petcare, которая стремится к 2040 году стать углеродно-нейтральной компанией.
На предприятиях пищевой промышленности с процессами термической обработки процесс стерилизации является одним из основных потребителей энергии. Таким образом, целью этой работы является повышение энергоэффективности процесса стерилизации в автоклаве. Это достигается путем разработки концепций энергоэффективности. Все концепции применяются к репрезентативному промышленному исследованию. Соответствующая экономия энергии способствует достижению энергетических и экологических целей отрасли.
Пакетная стерилизация в пищевой промышленности
При производстве консервов, автоклавных пакетов, алюминиевых лотков и мисок термическая обработка является одним из основных методов консервирования пищевых продуктов. Обеспечение долговременной сохранности и коммерческой стерильности за счет инактивации патогенных и портящих продукты микроорганизмов является основной функцией процесса стерилизации в автоклаве периодического действия. Для достижения коммерческой стерильности температура тепловой обработки значительно превышает 100 °C и используются паровые автоклавы под давлением, так называемые автоклавы (Simpson et al., 2006). На многих предприятиях пищевой промышленности батарея отдельных автоклавов периодического действия работает с паром, чтобы уничтожить все формы микроорганизмов, включая споры (Berk, 2013). Этапы процесса нагрева (время выхода или резки), выдержки, предварительного охлаждения (PC) и охлаждения определяют потребность в энергии для цикла стерилизации в автоклаве. Наибольшая потребность в нагреве возникает во время процесса резки.
Изделие и все компоненты необходимо нагреть от температуры окружающей среды до расчетной температуры стерилизации. Чтобы удовлетворить потребность в высокой энергии, впрыскивается пар. Поддержание температуры стерилизации во время процесса выдержки требует значительно меньше энергии по сравнению с предыдущим этапом. Необходимо лишь компенсировать потери тепла в окружающую среду. Для этапов ПК и охлаждения требуется охлаждение. Энергия для охлаждения необходима для снижения температуры продукта от температуры стерилизации до менее 40 °C. На рисунке 1 показано качественное распределение температуры и энергии, необходимое для нагрева и охлаждения на различных этапах обработки.
Кривая на рисунке представляет собой расчетную температуру процесса. Область в левой части рисунка отображает потребность в отоплении, тогда как серая область справа показывает потребность в энергии охлаждения для ПК и охлаждения. Эта цифра подчеркивает тот факт, что большая часть потребления пара происходит во время резки, а на этапе выдержки требуется лишь незначительное использование пара.
Таким образом, основное внимание в мерах по повышению энергоэффективности уделяется снижению потребления пара во время CUT. Потребность в энергии для охлаждения представляет собой высокий потенциал для рекуперации энергии. Эта энергия передается охлаждающей воде во время процесса ПК и охлаждения. Побочным продуктом двух процессов охлаждения является теплая вода (~80 °C), которая может быть источником тепла для других радиаторов. Из-за такого потенциала рекуперации энергии процесс охлаждения является вторым направлением данного анализа.
Метод и концепции.
Поскольку существует множество вариантов и действий по преобразованию потенциала энергоэффективности в эффективную экономию энергии, методический подход является ключом к разработке оптимального энергоэффективного решения. Для разработки концепции оптимизации энергопотребления для существующего периодического процесса необходим строго иерархический подход. Эту иерархию хорошо иллюстрирует луковичная диаграмма, и разработанные концепции энергоэффективности следуют этому методу. Рекуперация отработанного тепла для нагрева близлежащего технологического потока часто является наиболее экономичным решением после снижения энергопотребления процесса.
Утилизация отработанного тепла для поглотителей в других процессах, которые находятся на некотором расстоянии и/или могут работать по другим графикам, или в качестве источника тепла для тепловых насосов, абсорбционного охлаждения или производства электроэнергии с использованием органического цикла Ренкина, значительно увеличивает финансовые вложения в эти варианты. (Закон и др., 2013). Поэтому разработанные концепции сосредоточены на отводах тепла в тех же или соседних процессах.
Концепция 1 – Поддержание пакетов в горячем состоянии
Прежде чем продукт будет загружен в автоклав, необходимо выполнить два других этапа процесса – наполнение и укладку. В процессе наполнения кусочки мяса и подливка вместе помещаются в упаковку (например, банки, лотки и пакеты). В данной работе анализируются только автоклавируемые пакеты. Однако качественные результаты можно перенести и на другие формы упаковки. Можно предположить, что после наполнения продукт (куски мяса и подливка в пакете) имеет однородную температуру, поскольку теплоемкость кусков мяса очень мала по сравнению с теплоемкостью подливки. Первоначальный анализ показал, что добавление кусков мяса снижает общую температуру примерно на 2 °C. Никаких дальнейших исследований по изменению температуры не проводилось. Из-за меньшей удельной теплоемкости в данной работе не учитывается эффект охлаждения подливки кусками мяса.
Температура подливки может варьироваться от 25 °C до 60 °C в зависимости от рецепта. Когда процесс наполнения завершен, пакеты транспортируются по конвейерной ленте к так называемому укладчику. На укладчике пакеты укладываются на алюминиевые лотки. Несколько лотков складываются друг в друга до тех пор, пока не будет достигнуто заранее определенное количество слоев. Затем стопку транспортируют в точку хранения, где она ждет, пока определенное количество стопок не будет готово к загрузке в автоклав. В течение всего времени между наполнением и загрузкой введенная тепловая энергия передается в окружающую среду. Результатом этого простоя является температура продукта, близкая к температуре окружающей среды. Этих потерь можно избежать, установив изоляционный кожух вокруг конвейерной ленты и штабелеукладчика. Эти тепловые потери оказывают существенное влияние на переходное и общее потребление пара (Simpson et al., 2006). Согласно работе Симпсона и др. (2006), повышение начальной температуры продукта на один градус Цельсия снижает общий расход пара примерно на 0,78%. Кроме того, наполнение пакета соусом с температурой выше 30 °C называется горячим наполнением.
Заливки с более низкой температурой подливки – это так называемые холодные заливки. Идея более высокой начальной температуры в концепции 1 поднимает вопрос, следует ли отдать предпочтение горячему или холодному розливу для дальнейших рецептов. На этот вопрос нет тривиального ответа, поскольку это зависит от того, как нагревается подливка. В случае нагрева подливной воды паром из котла рекомендуется использовать холодные заливки. Тепло, переданное от пара воде подливки, теряется во время простоя, и этот эффект можно предотвратить только до определенной степени. Также существуют затраты на изоляцию корпуса или другие решения для минимизации тепловых потерь. Кроме того, коэффициент теплопередачи пара в автоклаве очень высок и оптимизирован встроенным вентилятором в автоклаве.
Другой случай – отопление потоками отходящего тепла. Если на установке нет других подходящих теплоотводов, кроме подливной воды, разумно выполнить горячее заполнение этой энергией. Отходящее тепло рекуперируется, а тепловые потери на конвейерной ленте могут быть приняты благодаря снижению потребности в отоплении в автоклаве и тому факту, что для нагрева подливной воды не требуется никаких дополнительных устройств. В дополнение к этим статьям проведенный анализ кривой охлаждения также показывает, что при кратковременных простоях потери тепла незначительны. Еще одним аргументом в пользу горячего заполнения с использованием рекуперированного тепла является то, что помимо общего потребления пара также снижается переходное потребление пара. Поскольку высокие пики пара во время резки являются общим ограничивающим фактором для одновременного запуска более чем одного процесса стерилизации, хорошей идеей является использование отходящего тепла для горячего заполнения и получение большей гибкости в отношении времени запуска процесса для каждого автоклава.
Концепция 2 – Закрытые автоклавы
В конце технологического этапа «Охлаждение» пакеты достигают целевой выходной температуры, которая обычно выше температуры окружающей среды. Поскольку автоклав представляет собой закрытую систему, внутренняя оболочка автоклава и воздух в автоклаве имеют ту же температуру, что и пакеты. При разгрузке стопок дверца автоклавы открывается и остается открытой до тех пор, пока стопки не будут загружены для следующего процесса стерилизации. За это время горячий воздух из автоклава выходит через открытую дверцу автоклава. В результате внутренняя оболочка автоклава и воздух в автоклаве охлаждаются до температуры окружающей среды за счет естественной конвекции. Данных потерь энергии можно избежать путем внесения изменений в рабочие процедуры. Возможным решением, позволяющим избежать утечки некоторого количества горячего воздуха, является закрытие дверцы между двумя циклами стерилизации. Это означает, что изменение управления приводит к закрытию двери сразу после завершения процесса разгрузки. В дальнейшем дверь не открывается повторно до тех пор, пока погрузчик не будет готов начать процесс загрузки. Такая стратегия управления сокращает время открытия двери до минимума. Результатом являются меньшие потери тепла через дверь. Впоследствии начальная температура корпуса автоклава и воздуха в автоклаве становится выше по сравнению с процессом статус-кво. Влияние более высокой начальной температуры также применимо к алюминиевым лоткам и несущей раме. Следующий баланс тепловой энергии в стационарном автоклаве подчеркивает эту концепцию (Barreiro et al., 1984).
Концепция 3 – Повторное использование конденсата
На этапах резки и выдержки впрыскиваемый пар передает свое скрытое тепло изделию. Температура продукта повышается, а выделение скрытого тепла приводит к конденсации пара. Температура конденсата со временем становится насыщенной при давлении в системе. В процессе нагрева продукта также вероятно, что продукту, ящикам и материалу автоклава передается не только скрытое тепло. Это приводит к переохлаждению конденсата. Температура переохлажденного конденсата очень важна для любого расчета рекуперации тепла, поскольку энтальпия переохлажденного конденсата может быть значительно ниже, чем энтальпия насыщенной воды. Более низкая энтальпия приводит к меньшему количеству выпарного пара и определяет техническую и экономическую целесообразность использования выпарного пара. В настоящее время конденсат собирается на дне автоклава и смешивается с охлаждающей водой, чтобы максимизировать степень рециркуляции воды. Для достижения проектной температуры охлаждающей воды вода охлаждается градирнями. Утилизация горячего конденсата оказывает большое влияние на экономию энергии, объем химической обработки котла и использование подпиточной воды. В следующем списке приведены некоторые примеры повторного использования конденсата. • В качестве подогретой питательной воды для парового котла • Для предварительного нагрева любой подходящей системы отопления • В качестве пара, путем повторного использования выпарного пара • Для очистки оборудования или других операций по очистке
Концепция 4 – Передача энергии воды предварительного охлаждения
В процессе «предварительного охлаждения» свежая вода с температурой 20–30 °C распыляется на горячие трубы, достигшие целевой температуры процесса. Предварительное охлаждение продолжают до тех пор, пока температура продукта не достигнет примерно 80 °C. Во время этого процесса горячие материалы штабеля передают свое тепло путем принудительной конвекции воде предварительного охлаждения (PCW). В результате получается как охлажденная дымовая труба, так и, как побочный продукт, нагретая пресная вода. Можно предположить, что общая масса PCW имеет ту же температуру, что и система в конце процесса предварительного охлаждения, поскольку масса остается в закрытой системе. Как поясняется, в существующем процессе этот нагретый PCW смешивается с конденсатом и дополнительной пресной водой. Эта водная смесь рециркулируется и охлаждается в градирне, чтобы повторно использовать воду для процесса «Охлаждение».
Результатом течения через градирню является поток охлажденной массы воды и значительные потери тепла в окружающую среду. Потери энергии, вызванной градирней, можно избежать, внедрив дополнительный водный цикл для рекуперации тепла. Целью этого дополнительного цикла является нагрев пресной воды через теплообменник горячим PCW. На рисунке 3b показано, что PCW собирается в резервуаре для хранения во время всего процесса предварительного охлаждения. Далее ПКВ прокачивается через теплообменник и передает свое тепло массовому потоку холодной пресной воды. В результате получается охлажденный массовый поток ПКВ, который можно использовать для дальнейшего охлаждения технологических процессов, а также нагретая пресная вода, которую можно использовать для других радиаторов.
Применение концепций к типичному варианту использования
Для демонстрации применения концепций энергоэффективности был выбран корм для домашних животных, упакованный в пакеты по 100 г, термически обработанный в стандартном стерилизационном автоклаве периодического действия с внутренним вентилятором, работающим на пару. Для сравнения базовыми условиями тематического исследования являются потребность в пару 320 кг на партию и температура холодного потока 40 °C. Кроме того, определяется удельный расход энергии (на тонну произведенной продукции) SEC, который является ключевым показателем энергоэффективности продукции. Для определения SEC в расчет принимается общая масса продукта 1114 кг на партию. Нагревательная среда, материалы, время процесса и температура в этом примере уже оптимизированы в максимальной степени или ограничены внешними факторами, такими как вопросы безопасности, стандарты качества продукции или рецептуры продукции. Такой высокий технический уровень процесса стерилизации конкретного случая подчеркивает его репрезентативность и позволяет применять его к современному процессу.
Результаты
Наибольшей экономии энергии можно достичь за счет реализации концепций 3 и 4. Это подчеркнуто каскадной диаграммой. Процент энергосбережения отдельных концепций показан без учета эффектов обратной связи. Диаграмма показывает, что с помощью концепции 4 можно восстановить более одной трети энергии, что приводит к эквивалентному снижению SEC. Благодаря реализации всех четырех концепций статус-кво процесса пакетной стерилизации снижается на 65 %. Рекуперация тепла обеспечивает 42 % снижения SEC, а оптимизация процесса обеспечивает оставшиеся 23 %. Подводя итоги сравнения, наиболее приоритетной является реализация концепции 4. Рекомендуется выполнить необходимые действия в соответствии с реализацией концепции 3, чтобы предотвратить смешение горячего конденсата и ПКВ.
Еще одним преимуществом одновременной реализации обоих является то, что для обоих может потребоваться анализ сжатия и проектирование сети теплообменника. Кроме того, горячее розлив по концепции 1 следует реализовать на практике с использованием некоторых восстанавливаемых тепловых нагрузок из концепций 3 и 4 в качестве источника тепла для подливной воды. Следующая диаграмма Сэнки на рисунке 5 показывает потоки энтальпии процесса стерилизации после реализации концепции 1, 3 и 4. Передача отработанного тепла PCW к холодной подливной воде осуществляется через теплообменник. Как видно из рисунка 5, тепло PCW может передаваться холодной воде для подливки только в ограниченной степени. Однако такое сочетание концепций снижает начальную потребность процесса в энергии, передает отходящее тепло ближайшему радиатору и обеспечивает рекуперируемое тепло для других радиаторов. Помимо концепции 4, все концепции могут быть реализованы на практике самостоятельно.
Следовательно, все четыре концепции следует учитывать в любом случае изменения процесса, установки новых автоклавов или создания новых рецептов. Межведомственная работа является ключом к успешной реализации описанных концепций. Следующим шагом по оптимизации энергоэффективности периодической стерилизации в автоклаве является проведение комплексных полевых испытаний пилотного автоклава с целью проверки результатов моделирования энергосбережения концепций. Положительные результаты полевых испытаний открывают возможность технологического внедрения концепции в более широком масштабе. Еще одним техническим вопросом в области энергоэффективности и паровой стерилизации является технический проект системы предварительного нагрева корпуса автоклава.
Заключение
Анализ процесса стерилизации автоклавной партии показывает, что настоящий процесс оптимизирован почти до максимума с точки зрения температуры стерилизации, времени стерилизации, свойств материала, нагревательной среды и коэффициента теплопередачи. Но все эти действия по оптимизации игнорируют потенциал энергосбережения за счет более высоких начальных температур всех компонентов, включенных в процесс. Кроме того, меры по оптимизации процесса охлаждения были сосредоточены на рекуперации воды. Горячий конденсат и горячая вода предварительного охлаждения охлаждаются в градирне, а энергия горячих пакетов теряется в окружающую среду. Эти две забытые области являются отправной точкой для четырех концепций. Используя методический подход «луковой диаграммы» и рекуперацию источников низкопотенциального тепла, были разработаны четыре комплексных мероприятия по повышению энергоэффективности. В общей сложности около 65 % энергии, впрыскиваемой в систему паром, можно уменьшить или восстановить. Потребность в энергии может быть снижена более чем на 23 %, а 42 % энергии может быть восстановлено соответственно. Детальный анализ процесса является ключом к определению правильной температуры и массы потока отходящего тепла, которые могут измениться в результате действий по оптимизации процесса. Например, в процессе стерилизации отсутствие разделения воды предварительного охлаждения и охлаждающей воды значительно снижает температуру потока отходящего тепла. Внедрение системы рекуперации тепла требует комплексного анализа поглотителей и источников тепла во всех процессах. Пинч-анализ гарантирует, что будут рассмотрены все варианты системы рекуперации тепла. Возможными радиаторами являются резервуар питательной воды и резервуар для подливки. Еще одним подходящим радиатором является корпус автоклава. Воду предварительного охлаждения можно использовать для повышения начальной температуры корпуса автоклава, чтобы снизить потребность в ее обогреве. На данный момент не существует осуществимой концепции нагрева корпуса автоклава потоками отходящего тепла. Детальная оценка возможных решений необходима из-за правил безопасности и материальных ограничений. Корпус автоклава в том же процессе является теплоотводом, и более высокая начальная температура корпуса снижает потребление энергии.