5.
Energetska efikasnost tehnoloških procesa
Energy efficiency of the technology processes
5.1.
Uvod
Introduction
Tehnološki procesi su po pravilu energetski intenzivni. Smanjivanje potrošnje energije,
zaštita okoline i upravljanje otpadom postaje imperative svakom tehnološkom procesu.
Povećanje energetske efikasnosti, pored uštede u potrošnji energije, u širem smislu
uključuje I zaštitu okoline i vrlo često i minimizaciju otpada. Racionalna potrošnja
energije i rekuperacija otpadnih toplota iz procesa su dva najvažnija načina smanjivanja
troškova. Iskorišćavanja otpadnih tokova i obnovljivih izvora su sledeča dva oruđa kako za
smanjivanje troškova tako i za očuvanje okoline i smanjivanje otpada. Ne treba zaboraviti,
da smanjivanje pritiska na energetske izvore smanjuje se i emisija CO 2 u okolinu.
Za povećanje energetske efikasnosti potrebna su široka znanja. Prvi korak ka
smanjivanju potrošnje energije je energetska analiza. Iz tog razloga neophodno je dobro
razumevanja materijalnih i energetskih bilansa. Nakon energgetske analize, sledeći korak
će biti donošenje programa uštede. Po pravilu, kreće se od ušteda koji ne zahtevaju ili
zahtevaju vrlo mala materijalna sredstva. Zatim se planski i sistematski prilazi procesu
merama ušteda koji zahtevaju veća ulaganja. Neophodno je stana analiza rezultata
postignutih ušteda.
Uštede se mogu postići kod svakog pojedinačnog uređaja kao I sistema u celini. Iz
tog razloga, neophodno je poznavanja svakog pojedinog uređaja, izvori mogućih gubitaka
kao I odgovarajući bilansi. Uređaji se mogu podeliti na one koje su sreću u svakom
tehnološkom procesu I one koje su specifične za datu tehnologiju. Uređaji koji obezbeđuju
energiju kao što su kotao i parni sistemi, sreću se takoreći u svakoj tehnologiji. Isto tako
zagrevanje, hlađenje, klimatizacija, izolacija i sistemi za osvetljavanje su nezavisne od
tipa industrije. Zastupljenost pojedinačnih operacije, međutim karakteristične su za
pojedine tehnologije.
Konačno neophodno je znati kolike su energetske rezerve procese, odnosno koliko
maksimalno energije se može rekuperisati iz date tehnologije. Određena, minimalna
znanja iz ekonomije, takođe su neophodna. Na kraju da bi sistem funkcionisao i da bi ušli
u proces stalnog poboljšanja, smanjivanja potrošnji energije, neophodno je izgraditi
sistem upravljanja energijom.
5.2.
Energetski i materijalni bilans
Energy and material balance
Materijalni i energetski bilansi su veoma važni u svakom procesu pa tako i u
tehnološkim procesima kao što procesi u prehrambenoj, farmaceutskoj i hemijskoj
industriji.
Materijalni bilans predstavljaju osnov pri projektovanju uređaja a kod postojećih služe
za procenu njihovih performansi. Na bazi ulaznih podataka (napoj) i poznavanju
procesa u datoj jedinici, na osnovu materijalnog bilansa, u stanju smo da predvidimo
izlaz (ulaz u sledeći uređaj ili proizvod).
Materijalni bilansi su osnov za projektovanje novog procesa, simulaciju i/ili
poboljšanje postojećeg. One su, takođe osnov za vođenje i kontrolu procesa. Svaka
promena u procesu reflektuje se na promenu materijalnog bilansa. Materijalni bilansi
nam pomažu da postavimo minimalan broj mernih instrumenata. Postavljenjem
minimalnog broja mernih instrumenata na optimalnim mernim mestima i uz
odgovarajuće materijalne bilanse u stanju smo da izračunamo sve neophodne
paramatre za kontrolu i vođenje procesa.
Prilikom uvođenja novog procesa, prvi materijalni bilans definiše se u
eksperimentalnoj fazi. U sledećoj, poluindustrijskoj fazi, proces se proverava i
poboljšava. Postojeći materijalni bilans se poboljšava i dorađuje. Konalno, u
industrijskoj fazi, proces je u potpunosti testiran i definisan. Materijalni bilans takođe.
Bilo kakva promena u procesu, zahteva ponovno određivanje materijalnog bilansa. Iz
ovog je jasno, da svaka eventualna promena u procesu, ima za posledicu odstupanje od
definisanog materijalnog bilansa.
Energetski bilans. Povećanje cene energenata nameće pomenutim industrijama
potrebu da izvide mogućnosti za smanjivanjem potrošnje energije. Energetski bilans se
može primenuti na razne stadijume procesa kao i za ceo proces pa šire.
Materijalni i energetski bilansi mogu biti veoma jednostavni ali i veoma
komplikovani. Osnovni pristup u osnovi je, međutim uvek isti.
Iskustvo u radu sa jednostavnim sistemima omogućava nam uspešnu ekstenziju
na komplikovanije sisteme.
5.2.1. Materiajalni bilans
Material balance
Prema zakonu o održanju masa, u bilo kom procesu masa se ne može stvoriti niti
uništiti. U datom vremenskom intervalu, masa koja ulazi u sistem jednaka je masi koja
izlazi iz sistema plus akumulisana masa u sistemu. Matematički
Masa na ulazu = masa na izlazu + masa akumulisana u procesu
(5.1)
Gornji izraz ima opšte važenje i odnosi se na sve procese, kako na fizičke tako i
na hemijske. Izraz se takodje odnosi kako na totalni tako i na komponentni materijalni
bilans. U gornjem izrazu, masa se generalno, ne može zamenuti sa protokom. Protok
se, naime može da se menja u posmatranom vremenskom intervalu. Izuzetak su
stacionarni procesi, gde se protoci konstantni, odnosno nema promene protoka sa
vremenom. Bilans se, takođe ne odnosi na zapreminu niti na molove. To znači da se
masa, u gornjem izrazu, ne može zamenuti niti sa zapreminom niti sa brojem molova.
2
Tipovi procesa
Types of process
Podela procesa može se izvršiti na više načina. Ukoliko je osnov za klasifikaciju
promene parametara procesa u odnosu na vreme, tada imamo stacionaran i
nestacionaran proces.
Nestacionarni procesi. Kod ovih procesa postoji promena bar jednog parametra sa
vremenom. Sa stanovišta masenog bilansa, to može biti masa na ulazu ili masa na izlau
i kao posledicai postojanje člana akumulacije. Primer je isticianje mase iz rezervoara
ili punjenje rezervoara. Primer je takođe i pokretanje procesa ili zaustavljanje
procesa. Kod ovih procesa umesto algebarske jednačine bilans se daje diferencijalnom
jednačinom.
Posmatrajmo opšti slučaj, u kome je u određenemo vremenskom intervalu
posmatranja brzina doticanja mase u sistem nejednaka brzini odticanja mase iz
sistema. Kao posledica u datom vremenskom intervalu dolazi do akumulacije mase.
Važi
t2
t2
•
•
∫ mul (t )dt = mak + ∫ miz (t )dt
t1
(5.2)
t1
U slučaju postojanje samo dotoka (punjenje rezervoara, na primer), gornja jednačina
se svodi
t2
•
∫ mul (t )dt = mak
(5.3a)
t1
a u slučaju postojanje samo isticanja (pržnjenje rezervoara, na primer)
t2
•
∫ miz (t )dt = −mak
(5.3b)
t1
Treba primetiti, da u gornjim jednačinama postoji vremenska zavisnost protoka. U
slučaju konstantnog protoka, gornje jednačine se pojednostavljuju, imajući ovo u vidu,
dobijamo
t2
•
•
•
∫ mul ,iz dt = m ul ,iz (t2 − t1 ) = m ul ,iz ∆t12
(5.4)
t1
Stacionarni procesi. Po definiciji, stacionarni procesi su procesi gde nema promene
parametara sa vremenom. To znači, da se parametri procesa mogu razlikovati od
tačke do tačke ali u datoj tački nema promene ni jednog parametra sa vremenom.
Ovakvi procesi nazivaju se i ustaljeni procesi. Većina procesa u industriji su upravo
ovakvi. Sa stanovišta masenog bilansa, kod stacionarnih procesa ne postoji akumulacija
3
mase, jer nema promene mase u sistemu sa vremenom. Masa na ulazu jednaka je masi
na izlazu, odnosno maseni protok na ulazu jednak je masenom protoku na izlazu.
Maseni protok na ulazu = maseni protok na izlazu
(5.5)
Drugi uobičajeni način podele je u odnosu na na način odvijanja procesa. U
ovom smislu proces može biti kontinualan, šaržni ili mešovit.
Kontinualni procesi su procesi gde tokom trajanja procesa postoji ulazna i izlana
struja. Većina procesa u industriji su kontinualni.
Šaržni procesi. Kod ovih procesa uređaj se puni napojom (šaržom) nakon čega se šarža
podvrgava jednom ili nizu procesa. Nakon završetka procesa produkt se uklanja iz
uređaja, odnosno nema razmene mase između sistema (uređaja) i okoline. Tokom
trajanja procesa masa se ne unosi u uređaj niti se iz nje uklanja, što znači da je masa
sistema tokom trajanja procesa konstantna. Primeri ovakvih procesa su fermentacija,
pečenje ili proizvodnja specifičnih hemikalija u farmaceutskoj industriji.
Mešani polukontinualni procesi. Neki procesi imaju karakteristike i kontinualnog i
šaržnog procesa. U jednom periodu procesa rade kontinualnu dok u drugom rade
šaržno.
Totalni i komponenti materijalni bilans
Total and component material balance
Na osnovu opšteg izraza za maseni bilans (5.1), imajući u vidu da napoj i izlaz
(produkt) mogu imati više struja, najbolje je napisati bilans u obliku
Σm ul,i = Σm iz,j
(5.6)
Gde su uzete u obzir sve ulazne i izlazne struje i obično se naziva totalni materijalni
bilans.
Σm ul,i = m ul,1 + m ul,2 + ... i = 1, N ul
(5.7a)
Σ m iz,j = m iz,1 + m iz,2 + ... j = 1, N iz
(5.7b)
U gornjim jednačinama, N ul predstavlja broj ulaznih struja a N pr broj izlaznih struja,
odnosno produkata. Gornje jednačine mogu se primenuti kako na kontinualne tako i na
šaržne procese. U slučaju šaržmih procesa koristićemo mase a u slučaju kontiunualnih
stacionarnih procesa koristićemo masene protoke.
•
•
Σ mul ,i = Σ miz ,i
(5.8)
Jasno je da se svaka ulazna struja i izlazna struja može sastojati od više komponenti.
Za svaku komponentu u sistemu može se napisati odgovarajući maseni bilans tkz.
Komponentni maseni bilans. Tako, na primer ako su u sistemu prisutne 2 komponente
(A i B) možemo napisati sledeća dva komponentna masena bilansa
Σm A,ul,i = Σm A,izl,j
(5.9a)
Σm B,ul,i = Σm B,izl,j
(5.9b)
4
U gornjim jednačinama, m A,ul,i i m B,ul,i predstavljaju masu komponente A i B u ulaznoj
struji i a m B,ul,i = m B,izl,j predstavljaju masu komponente A i B u izlaznoj struji j. Gornje
dve jednačine zgodno je napisati preko sastava ulaznih i izlaznih struja
Σm ul,i x A,i = Σm iz,j x A,j
(5.10a)
Σm ul,i x B,i = Σm iz,j x B,j
(5.10b)
gde je x A,i udeo komponente A u ulaznoj struji i a x A,j udeo komponente A u izlaznoj
struji j, odnosno x B,i udeo komponente B u ulaznoj struji i a x B,j udeo komponente B u
izlaznoj struji j.
Broj nezavisnih bilansa i stepen slobode
Number of independent balances and degree of freedom
Pri izračunavanju nepoznate mase treba imati u vidu da sve jednačine masenog bilansa
koje možemo postaviti nisu međusobno nezavisne. Tako na primer ako imamo ukupno 3
jednačine a bilo koja od njih se može dobiti lineranom kombinacijom preostale 2, tada
je broj nezavisnih jednačina samo 2. Uzmimo primer gde u dati jedinični uređaj ulaze
dve struje a izlazi jedna. Svaka od struja sastoji se od dve komponente.
Totalni maseni bilans za ovaj slučaj je
m1 + m2 = m3
(5.11)
a komponentni
m1 x1 + m2 x2 = m3 x3
(5.12a)
m 1 (1- x 1 ) + m 2 (1-x 2 ) = m 3 (1 - x 3 )
(5.12b)
u gornjim jednačinama x 1, x 2 i x 3 predstavljuju udeo komponente A u struji 1, 2 i 3
respektivno a (1- x 1 ), (1-x 2 ) i (1 - x 3 ) udeo komponente B u struji 1, 2 i 3 respektivno. S
obzirom da se radi samo o dve komponente koristili smo činjenicu da je zbir masenih
udela u svakoj struji jednak 1, odnosno
x A,1 + x B,1 = 1
pojednostavljeno
x A,1 = x 1
x B,1 = 1 - x 1
Analizirajmo jednačine (5.8), (5.9a) i (5.9b). Sabiranjem poslednje 2 (5.9a i 5.9b)
dobijamo jednačinu (5.8). Što znači da su samo dve jednačine nezavisne.
Za rešavanje N x nepoznatih veličina (masa/masenih protoka, sastav)
neophodno je postaviti isti broj nezavisnih jednačina N b (bilansa). Može se desiti i
situacija da se broj bilansa i jednačina ne poklapa. Razlika između broja nepoznatih i
broja nezavisnih jednačina naziva se stepen slobode, F. U slučaju masenih bilansa
5
F = Nx - Nb
(5.13)
Moguća su tri slučaja:
F = 0. Stepen slobode je jednak nuli, odnosno broj nepoznatih veličina jednak je
broju nezavisnih bilansa. Sistem je definisan, sve nepoznate veličine se mogu
izračunati i postoji jedno rešenje.
F > 0. Stepen slobode je pozitivan. Broj nepoznatih veličina je veći od broja jednačina.
Sistem se ne može rešiti. Ili smo neki bilans prevideli ili neku nepoznatu veličinu
možemo predvideti ili zanemariti. Kada je F = 1 imamo jednu nepoznatu veličinu
više od broja nezavisnih bilansa. Problem se može ponekad prevazići zanemarivanjem
jedne promenljive ili biranjem pogodne osnove za računanje.
F < 0. Stepen slobode je negativan. Broj nepoznatih masa je manji od broja nezavisnih
jednačina. Za ovakav sistem kaže da je prespecificiran. Neophodna je ponovna analiza
i eventualno odbacivanje nebitne jednačine.
Kada imamo višestepene procese tada možemo za svaki proces posmatrati
posebno i odrediti stepen slobode za svaki pojednačan proces. Ukupan stepen slobode
bio bi zbir pojedinačnih stepena slobode. Kada, međutim procesi teku jedni za drgim,
tada je izlaz iz jednog uređaja (procesa) ulaz u drugi uređaj (proces). Radi se o istoj
struji, istih osobina i očigledno nepoznate veličine (masa i udeli) ne mogu biti dvaput
uzeti u obzir. Iz tog razloga od ukupnog stepena slobode treba oduzeti ovaj broj
nepoznatih veličina.
F = ΣF i - N xint
(5.15)
Ukupan broj internih – zajedničkih veličina, N xint dobijamo u sistemima sa više od dva
procesa koji slede jedan iza drugog ili su na drugi način povezani, tada što sabiramo
sabiramo sve veličine koje predstavljaju izlaz iz jednog ulaz u drugi uređaj.
N xint = Σ N xint, j
(5.15)
gde je j broj zajedničkih struja.
Osnov i jedinice
Vrlo često je korisno izabrati osnov za računanje mase ili protoka jedne od struje u
procesu. Kod šaržnih sistema to može biti određena masa date sirovine koja ulazi u
proces ili određena masa proizvoda. Ista situacija je i kod kontinualnih sistema, gde
ćemo umesto mase koristiti protoke. Tako npr. u pekarskoj industriji sve se može
posmatrati u odnosu na 100kg brašna dok u šećeranama se sve špsmatra u oddnosu na
100 kg repe. To takođe može biti i neki nepromenljivi konstituent. Kod sagorevanja sa
vazduhom pogodno je sve povezati sa azotom koji je inertan. Ponekad je osnov za
računanje potpuno nebitan, to znači kg ili kg/h.
Vrednosti odgovarajućih veličina moraju biti date u istim jedinicama. Ako su
veličine u različitim jedinicama moramo izvršiti usaglašavanje, odnosno odgovarajuće
konverzije. Veličine za računanje mogu biti mase ili koncentracije.
Dijagrami
Vrlo je važno dati šematski prikaz procesa. Za pravilno postavljanje bilansa bitna je
pravilna i kompletna vizualizacija procesa. Bilans, sem u najtrivialnijim slučajevima, se
ne može uspešno uraditi bez dijagrama. Dijagram ima dve funkcije: prva je da prikaže
sve jedinice na koje bilans treba da se odnosi – dijagrami toka. Sledeće vrlo važna stvar
je postavljanje granice sistema na koji se analiza odnosi. Granica sistema obično se
označava isprekidanom linijom. Svali tok koji se nalazi unutar označenog sistema mora
6
biti uzet u obzir u materijalnom bilansu. Što je proces komplikovaniji značaj dijagrama
je veći.
Treba nacrtati dobar dijagram, sa oznakom svih jedinica i svih struja gde
strelice označavaju smer. Standardno, proces se prikazuje s leva u desno. Svi uređaji i
sve struje treba da su označene. Uz sve struje napisati poznate podatke kao i veličine
koje treba izračunati. Za sve veličine koristiti isti zajednički osnov.
Procedura
Prvi korak u rešavanju materijalnog bilansa je definisanje svih ulaznih i izlaznih struja.
U sledećem koraku odlučujemo se da li su neophodni totalni materijalni bilansi ili su
potrebni komponentni maseni bilansi. Generalno, koraci su:
1. Definisati osnov i jedinice.
2. Nacrtati dijagram. Treba tačno označiti granice sistema u cilju određivanja svih
traženih ulaznih i izlaznih struja.
3. Odrediti stepen slobode. Sistem se može rešiti ako je stepen slpbode, F = 0. U
izvesnim slučajevima jednačine se mogu rešiti i ako je stepen slobode 1.
4. Napisati nezavisne jednačine masenog bilansa.
Inertne komponente
Pri rešavanju materijalnog bilansa, od koristi mogu biti inertne komponente. Činjenica
da je inertna komponenta neporomenljiva tokom procesa daje korisnu vezu između
ulaznih i izlaznih veličina. Ona se pojavljuje kao poznata veličina i na ulazu i na izlazu.
Primer je sušnica gde je masa suve materija konstanta (menja se masa vode). Inertne
supstance su od najveće koristi kada se pojavljuju samo u dve struje.
Primer 5.1
U destilacionu kolonu ulazi smeša vode i etanola sa masenim udelom etanola 0.34. U
destilacionoj koloni deo tečne faze prelazi u parnu. Može se predpostaviti da se u
destilacionoj koloni uspostavlja ravnoteža između parne i tečne faze.
Ako se zna da je ravnotežni odnos masenog udela etanola u tečnoj i parnoj fazi 5,2 a
odnos između mase parne i tečne faze 0,33, odrediti sastav tečne i parne faze kao i
masu parne i tečne faze koja izlazi iz kolone kao i masu etanola u tečnoj fazi.
Skica procesa sa označenim poznatim i nepoznatim veličinama data je na Sl.5.1 Da
Slika 5.1 Skica procesa razdvajanje etanola i vode (Primer 5.1)
7
bismo rešili zadatak biramo pogodan osnov: 100 kg/s napojne smeše. Imajući ovo u
vidu poznati su sledeći podaci:
•
m 0 = 100 kg/s
y E ,1 / x E , 2 = 4,2
•
•
m 1 / m 2 = 0,33
Imamo četiri nepoznate veličine:
•
•
m 1 , m 2 , y E ,1 i x E , 2 . Možemo postaviti 4 nezavisne
jednačine masenog bilansa:
y E ,1 / x E , 2 = 4,2
•
(5.1.1)
•
m 1 / m 2 = 0,33
(5.1.2)
•
•
•
•
•
•
m1 x E ,0 = m1 y E ,1 + m 2 x E , 2
m 0 x E ,0 = m1 y E ,1 + m 2 x E , 2
Gde su:
•
•
(5.1.3)
(5.1.4)
•
m 0 , m1 i m 2 , maseni protoci napojne (0), parne (1) i tečne (2) struje. Maseni
udeli etanola u napojnoj, parmoj i tečnoj označeni su respektivno, sa
xE ,0 , y E ,1 i
x E , 2 . Pomoću jednačina (5.1.2) i (5.1.3) određujemo maseni protoke struje 1 i 2:
•
•
•
•
m 2 = m 1 /(1+0,33) = 75,19 kg/s
•
m1 = m 0 − m2
= 24,81 kg/s
Masene udele etanola u izlaznoj parnoj i tečnoj struji određujemo iz jednačina (5.1.1) i
(5.1.4)
⋅
•
xE .2 =
m0 xE ,0
•
•
4,2 m1 + m 2
= 0,19
y E ,1 = 4,2 xE , 2 = 0,80
Mase etanola u napojnoj i izlaznoj tečnoj struji su
•
m E ,0 = 100·0,34 = 34 kg/s
•
m E , 2 = 14,24 kg/s
Procesi sa reciklom
Recikl je slučaj kada se deo jedne struje se vraća nazad u procesa. Recikl ima smisla
kako sa ekonomskog tako i sa stanovišta životne sredine. U odnosu na sisteme bez
recikla, kod recikla postoje dve dodatne tačke: tačke razdvajanje i tačke spajanje
struja. Isto tako treba primetiti da kod sistema sa reciklom osobine struje se razlikuje
pre i nakon ovih tačaka. Posmatrajmo dva jednostavna sistema, jedan bez a drugi sa
reciklom (Sl. 5,1a i 5.1b).
8
Slika 5.2a Sistem bez recikla
Slika 5.2b Sistem sa reciklom
9
glasi:
Kod sistema bez recikla za granicu sistema postavljenu između ulaza i izlaza
m ul = m iz ± m proc
(5.16)
gde, m u i m iz predstavljaju masu na ulazu odnosno izlazu iz uređaja. U procesa može
postojati dotok (vlaga iz vlažnog materijala) ili odtok mase (separacija, razdvajanje),
m proc .
Kod sistema sa reciklom postoje dodatne tačke, tačka spajanja struja (pre ulaza
u uređaj) i tačka razdvajanja (nakon izlaza iz uređaja) kao i dodatna struja između
mesta razdvajanja i mesta spajanja. Primetimo da u proces ulazi zbirno napoj i recikl a
iz sistema dalje ide deo izlazne struje. Iz tog razloga razmatramo dva sistema, sistem
koji obuhvata tačku spajanja (1) i sistem koji obuhvata koji obuhvata tačku
razdvajanja (2). Odgovarajući maseni bilansi su
m 0 = m ul + m rec
(5.17)
m pr = m iz + m rec
(5.18)
Za sistem koji obhvata ulaz u proces i izlaz iz procesa važi jednačina (5.10),
Treba primetiti, da se u tački razdvajanja dobijamo dve struje istih osobina
(sastav na primer). Vrlo često, dodatna informacija je odnos u kome se dve struje
razdvajaju. Tačka spajanja, međutim nije definisana jer recikirana i sveža struja su
obično različitih osobina.
Određivanje stepena slobode kod sistema sa reciklom
Određivanje stepena slobode je analogna određivanju stepena slobode kod sistema bez
recikla. Pri tome treba imati u vidu specifičnosti. Mesto spajanja i razdvajanja mora
biti uzeta u obzir. Korisno je uzeti u obzir (označiti) sve sastave (veličine) čak i one
koje znamo da su iste (kod razdvojenih struja). Pojednostavljenja radimo kasnije.
Primer ćemo uraditi na sistemu prikazanom na Slici 5.1b.
1. Tačka spajanja
Broj promenljivih = 6 (3 sastav i 3 masena protoka)
Broj bilansa = 2 (2 masena bilansa: 1 totalni i jedan komponenti)
F1 = 6 – 2 = 4
2. Proces
Broj promenljivih = 4 (2 sastav i 2 masena protoka)
Broj bilansa = 2 (2 masena bilansa: 1 totalni i jedan komponenti)
F2 = 4 – 2 = 2
3. Tačka razdvajanja
Broj promenljivih = 6 (3 sasatav i 3 masena protoka) – 2 (poznat sastav i odnos
razdvojenih struja) = 4
Broj bilansa = 2 (2 masena bilansa: 1 totalni i 1 komponenti)
F3 = 4 – 2 = 2
Broj nepoznatih veličina internih – zajedničkih struja je:
1. Zajednička struja: izlaz iz tačke razdvajanje ulaz u tačku spajanja (reciklirana
struja)
2 veličine (masa i maseni udeo)
2. Zajednička struja: rekombinovana struja – ulaz u proces
2 veličine (masa i maseni udeo)
3. Zajednička struja: izlaz iz procesa – ulaz u tačku razdvajanja
2 veličine (masa i maseni udeo)
10
Ukupno 6 (2+2+2) zajedničkih veličina.
Konačno, prema izrazu (5.14) stepen slobode za ceo sistem je
F = (4 + 2 + 2) – (2 + 2 + 2) = 2
Primer 5.2
U cilju boljeg razdvajanja etanola i vode datog u primeru 5.1, deo parne struje se
vraća nazad, kombinuje sa napojnom strujom i uvodi u destilacionu kolonu. Izračunati
udelo etanola i mase etanola u parnoj i izlaznoj tečnoj struji, ako se recilkira 50%
izlazne parne struje. Predpostaviti da odnos mase struje 1 i 2 kao i odnos udela etanola
u struji 1 i 2 ostaje isti kao u prethodnom slučaju
Osnov računanja, kao u prethodnom slučaju 100 kg/s napojne smeše.
Slika 5.3 Razdvajanje etanola i vode sa reciklom (Primer 5.2)
Određivanje stepena slobode.
1. Tačka rekombinacije
•
•
•
Ukupno promenljive = 6 ( m 0 , m R , m 0 R ,
xE ,0 , xE ,R , xE ,0 R )
•
Zadate promenljive = 2 ( m 0 , x E , 0 )
Broj nepoznatih veličina = 4
Broj jednačina = 2 (1 totalni + 1 komponentni mb.)
F1 = 4 – 2 = 2
2. Proces
•
•
•
Ukupno promenljive = 6 ( m 0 R , m1, m 2 ,
x E ,0 R , x E ,1 , x E , 2 )
Zadate promenljive = 0
Broj nepoznatih veličina = 6
Dodatne jednačine = 2
•
•
( m1/ m 2 , y E ,1 / x E , 2 )
Broj jednačina = 4 (1 totalni + 1 komponentni mb. + 2 dodatne)
F2 = 6 – 4 = 2
3. Tačka razdvajanja
•
•
•
•
•
Ukupno promenljive = 6 ( m1, m R , m1R , x E ,1 , x E , R , , x E ,1R )
Zadate promenljive = 0
( m1/ m 2 , y E ,1 / x E , 2 )
11
Broj nepoznatih veličina = 6
Dodatne jednačine = 2
•
•
( m1/ m 2 , y E ,1 / x E , 2 )
Broj jednačina = 4 (1 totalni + 1 komponentni mb. + 2 dodatne j-ne)
F3 = 6 – 4 = 2
•
•
•
Zajedničke promenljive = 6 ( m R , m 0 R , m1 , x E , R , x E , 0 R , y E ,1 )
Stepen slobode celog sistema
F = F 1 + F 2 + F 3 – 6 = 0.
Što znači da je sistem rešiv. Imamo ukupno 10 jednačina i 10 nepoznatih veličina.
Poznate veličine:
•
m 0 = 100 kg/s ; x E ,0 = 0.34 kg/s
Nepoznate veličine:
•
m0 R ; x E ,0 R
•
mR ; x E , R
•
m1 ; x1
•
m2 ; x2
•
m1R ; x1R
Nezavisne jednačine:
•
•
•
•
•
•
m0 R = m0 + mR
(5.2.1)
m0 R = m1 + m2
•
•
(5.2.2)
•
m1 = mR + m1R
•
(5.2.3)
•
mR = 0,5m1
•
(5.2.4)
•
m1 / m2 = 0,33
•
•
•
•
(5.2.5)
•
m0 R x E , 0 R = m0 x E , 0 + mR x E , R
•
(5.2.6)
m0 R x E , 0 R = m1 x E ,1 + m2 x E , 2
(5.2.7)
xE ,R = xE ,1
(5.2.8)
xE ,1R = xE ,1
(5.2.9)
xE ,1/ xE , 2 = 4,2
(5.2.10)
12
Kombinacijom (5.2.1), (5.2.2) i (5.2.4) dobijamo:
•
•
•
•
m1 + m2 / 0,33 = m0 + 0,5m1
odakle izračunavamo maseni protok parne struje
•
0,33 m
m1 =
= 28,326 kg/s
1,165
•
Koristeći (5.2.4) i (5.2.1) dobijamo:
•
mR = 14,163 kg/s
•
m0 R = 85,836 kg/s
Kombinacijom (5.2.6), (5.2.7), (5.2.8) i (5.2.10) dolazimo do sledećeg izraza:
x E ,1
•
•
= m0 x E , 0 + mR x E ,1
4, 2
•
•
m1 x E ,1 + m2
x E,1
odakle možemo izračunati
•
x E ,1 =
4,2m0 x E , 0
•
•
•
4,2 m1 + m2 + 4,2 m 0
= 0,976
Iz jednačina (5.2.10) i (5.2.6)
xE ,2 =
x E ,1
= 0,232
4, 2
•
xE ,0 R =
•
m0 x E , 0 + m R x E , R
•
= 0,419
m0 R
Mase etanola u pojedinim strujama su:
•
•
•
•
•
•
mE ,1 = m1 x E ,1 = 27,646
kg/s
mE , R = mR x E , R = 13,823
kg/s
mE , 2 = m2 x E , 2 = 19,91 kg/s
•
•
mE , 0 R = m0 R x E , 0 R = 47,83 kg/s
13
Tipovi problema
Generalno postoje dva tipa problema gde je primena materijalnog bilansa korisna. U
prvom slučaju poznati su sastavi svih struja kao i masa jedne. U ovom slučaju za
rešavanje N nepoznatih struja treba postaviti N nezavisnih jednačina materijalnog
bilansa. Rešenje se dobija istovreminim rešavanjem N jednačina.
Kod drugog tipa problema, napoj je po pravilu definisan u potpunosti, kako
sastav tako i masa/maseni protok. U izlazu poznata je masa/maseni protok ili sastav.
Generalno, simultano rešavanje jednačina nije potrebno. Nepoznate mase i sastavi
mogu se rešiti u koracima sledeći odgovarajući redosled računanja.
5.2.2. Energetski bilans
Energy balance
U procesima u prehrambenoj, farmaceutskoj i hemijskoj industriji sistemi razmenjuju
energiju sa okolinom. Veoma je bitno odrediti energetske potrebe datog procesa pa i
celog tehnološkog postupka. Energetska analiza vezana je uvek za dati sistem.
Osnov za energetski bilans je I Zakon termodinamike. Za otvoren sistem
prikazan
W
Sistem
E ul
Eizl
∆Eak
Q
Q gub
Slika 5.4 Primer otvorenog sistema
na Slici 5.4 može se napisati
E ul + Q = E iz + ∆E ak + W + Q gub
(5.19)
gde su:
E ul
energija koja se sa masom unosi u sistem
E iz
energija koja se sa masom iznosi iz sistema
∆E ak promena energije sistema, akumulisana energija tokom procesa
Q
energija koja se prenosi u sistem u vidu toplote
W
energija koju sistem predaje okolini u vidu rada
Q gub
gubitak toplote u okolinu
Akumulisana energija
Svaki sistem ima svoju akumulisanu energiju. Apsolutni iznos ove energije često je
nepoznat. Međuitim, relativan iznos, u odnosu na datu referentnu vrednost ili promene
ove energije tokom nekog procesa moguće je odrediti.
Svaki sistem može imati sledeće oblike energije:
1. Potencijalnu energiju;
2. Kinetičku energiju i
3. Unutrašnju energiju
14
• Energija molekula
• Hemijska energija
• Energija atoma
Sve ove vidove energije može, pored razmatranog sistema posedovati i masa koja ulazi
u sistem i masa koja izlazi iz sistema,
Energije u prelazu
Postoje dva oblika energije koj su vezana isključivo za proces i samim tim sistem ove
oblike energije nema. Akumulisana energija se može prenosti iz sistema u okolinu i
obrnuto i to na dva načina: toplotom i radom. Pri čemu se prelaz toplote iz okoline u
sistem uzima pozitivan, a slučaj kada sistem vrši rad se uzima negativan.
Protočni sistemi (otvoreni)
Kod ovih sistema, masa koja utiče odnosno ističe ima još jedan oblik energije (pored
kinetičke, potencijalne i unutrašnje energije), tkz. energiju strujanja: Pv.
Imajući sve ovo u vidu možemo napisati:
E ul = m ul [u + Pv +
E iz = m iz [u + Pv +
∆E ak = m sis [u +
Q
W
Q gub
] ul
] iz
] sis
energija koja se unosi u sistem sa masom
energija koja se iznosi iz sistema sa masom
promena akumulisane energije sistema
prelaz energiju u sistem u vidu toplote
energija koja se troši na rad sistema nad okolinom
gubitak energije u okolinu
Entalpija
Po definiciji
H = U + PV
(5.20)
Imajući u vidu definiciju za entalpiju i ako se zanemari potencijalna i kinetička
energija, dobijamo za slučaj više ulaza i izlaza:
ΣH ul + Q = ΣH iz + ∆E ak + W + Q gub
(5.21)
Nestacionarno strujanje
Posmatrajmo, kao kod masenog bilansa, protočni sistem u kome u određenom
vremenskom intervalu brzina doticanja mase u sistem nije jednaka brzini odticanje
mase iz sistema. Za ovaj sluča jednačina (5.20), pod pretpostavkom jednog ulaza i
izlaza, postaje
t2
∫m
•
ul
t1
t2
(t )hul dt + Q12 = ∫ mizl (t )hizl dt + mak ∆hsist + W12 + Qgub
•
(5.22a)
t1
U slučaju konstantnih protoka (vremensko nezavisnih) važi jedn. (5.4), čime se gornja
jednačina svodi na sledeći oblik
•
•
m ul hul ∆t12 + Qmul 12 = m izl hizl ∆t12 + mak ∆hsist + W12 + Qgub
(5.22b)
Stacionarno strujanje
Kod strujanje nema promene parametara procesa sa vremenom, te nema promene
akumulisane energije u sistemu. Odnosno nema promene u energiji sistema kao
posledice datog procesa.
15
ΣH ul + Q = ΣH iz + W + Q gub
(5.23)
Vrlo često imamo sisteme bez rada
ΣH ul + Q = ΣH iz + Q gub
(5.24)
Zatvoren sistem
Za zatvoren nepokretan sistem, ostaje unutrašnja energija kao jedini oblik energije
sistema i toplota i rad kao dva obilka prenosa energije iz sistema u okolinu ili obrnuto.
Q = ∆U + W
(5.25)
Ako je zapreminski rad
W = P∆V
(5.26)
jedini oblik rada, lako se dokazuje
Q = ∆H
(5.27)
ako sistem ne vrši rad, tada je
Q = ∆U
(5.28)
Osnov računa
Bilans energije može da se računa na bazi:
• Potrebne energije po kg proizvoda
• Potrebne energije po kg sirovine
• Potrebne energije po kg suve materije
• Potrebna energija po kg ključne komponente
Primer 5.3
Napisati energetski bilans za Primer 5.1 I 5.2.
U Primeru 5.1 imamo slučaj protočnog stacionarnog sistema sa jednim ulazom I dva
izlaza. Sistem sa okolinom razmenuje toplotu, jer je neophodno dovesti toplotnu
energiju da bi se smeša etanola i vode prevela u parno stanje. Odgovarajući bilans, na
osnovu jednačine (5.23) je
•
•
•
•
•
m 0 h0 + Q = m1 h1 + m 2 x ,2 + Q gub
(5.3.1)
odavde je potrebna količina toplote
•
•
•
•
•
Q = m1 h1 + m 2 x, 2 − m 0 h0 + Q gub
(5.3.2)
U slučaju recikla, Primer 5.2, postavljamo energetski, toplotni bilans za process i u
tečki rekombinacije
•
•
•
•
•
m 0 R h0 R = m 0 h0 + m R x R
•
•
(5.3.3)
•
m 0 R h0 R + QR = m1 h1 + m 2 x, 2 + Q gub
(5.3.4)
16
Kombinacijom ove dve jednačine, dobijamo:
•
•
•
•
 •
 •
QR = m1 h1 + m 2 x2  − m 0 h0 + m R x R  + Q gub

 

(5.3.5)
Odnosno, imajuću u vidi jedn. (5.3.2) dobijamo
•
•
•
•
QR = Q − m R x R + Q gub
(5.3.6)
17
5.3.
Termička izolacija
Thermal insulation
5.3.1. Uvod
Introduction
Materijali ili kombinacija materijala koji značajno smanjuju prenos toplote iz sistema u
okolinu ili obrnuto, nazivaju se termičkim izolatorima. Ovi materijali imaju šupljine
ispunjene vazduhom, ili nekim drugim gasom. Ovakav materijal ima znatnu manju
sposobnost provođenja toplote. Generalno, ovi materijali se mogu prilagoditi veličini
obliku površine koja se izoluje. U cilju zaštite izlacionih materijala od mehaničkih
uticaja i uticaja okoline, spoljna strana izolacija se mora zaštiti Zaštita vrlo često ima
i estetsku funkciju.
U širem smislu svi materijalu predstavljaju odgovarajuću termičku izolaciju, u
užem smislu samo materijali koji značajno smanjuju smanjuju prenos toplote.
Masivni (kabasti) termički izolacioni materijali su materijali koji izoluju
komponente mehaničkih sistema kod zgrada i industrijskih procesa. Za razliku od
masivnih, postoje i reflektivni izolacioni materijali, koji smanjivanje prenosa toplote
postižu refleksijom toplonog zračenja a malom konduktivnošću svoje mase.
Kod zgrada (tržni centri, škole, hoteli itd.) masivni (kabasti) izolacije se
postavlja u cilju smanjivanja troškova potrebnih za grejanje ili hlađenje. Kod
industrijskih sistema, masivna (kabasta) izolacija ima funkciju bolje kontrole procesa i
povećanja energetske efikasnosti sistema. Generalno, uloga termičke izolacije je:
1.
Očuvanje nivoa akumulisane energije sistema smanjivanjem toplotnih gubitaka
ili toplotnog dotoka iz okoline
Kod prostorija kao što su tržni centri, stanovi, kancelarije itd., cilj očuvanja
nivoa akumulisane energije je održavanje komfornih uslova. Zimi smanjivanje
toplotnih gubitaka, leti smanjivanje dotoka toplotne energije iz okoline.
Kod industrijskih sistema, nepotrebni gubitak energije smanjivanjem toplotnih
gubitaka toplih struja/sistema ili nepotrebno povećanje energije hladnih
struja/sistema smanjivanjem dotoka toplotne energije.
2.
Zaštita osoblja
Zaštita osoblja od opekotina koji rezultuju od kontakta sa uređajaem ili vrelog
voda. Za uređaje/vrelovode koji rade iznad 580C dovoljan je konakt kože od 5
sec da bi se dobile opektine drugog ili trećeg stepena. Postavljenjem izolacije
smanjuje se temperatura cevi ili uređaja na siguran nivo zahtevan od OSHA.
3.
Olakšavanje kontrole temperature procesa
Smanjivanjem toplotnih gubitaka iz sistema ili toplotnog dotoka u sistem,
izolacijom olakšavamo održavanje zahtevane procesne temperature na datom
nivou ili u datom opsegu.
4.
Sprečavanje ili smanjivanje pojave kondenzata na površinama
Pored očuvanja energije sistema, izolacija treba da omoguči sprečavanje ili
pojavu kondenzata.
5.
Smanjivanje emisije gasova staklene bašte
Glavna karakteristika materijala termičku izolaciju je njena niska
konduktivnost. Ostale osobine takođe mogu biti važne što zavisi od namene: krutost,
čvrstina, gustina, kompresibilnost, specifična toplotni kapacitet, otpornost na visoke ili
niske temperature. Krajnji izbor materijala za izolaciju za datu svrhu obično je
kompromis između željenih osobina. Na primer, cigla za izolaciu mora imati
odgovarajuću krutost kao i otpornost na visoke temperature. Željena osobina niske
koduktivosti i lakoće se mora žrtvovati do neke granice.
Opseg temperatura u kojima se koriste pojam “termička izolacija” kreću se
od -740C do 8200C. Primene ispod -740C obično se koristi izraz “izolacija kriogenih
procesa” a u slučaju iznad 8200C govorimo o “izolaciji sa vatrostalnim materijalima”.
18
Opseg temperature u kojima se koristi izolacioni materijala može se podeliti u tri
grupe:
1.
Izolacija na niskim temperaturama
•
160C do 00C
Primer: hladna voda
•
-0,60C do -740C
Primer: hlađenje
•
-740C do -2670C
Kriogeni procesi
2.
Izolacija na srednjim temperaturama
•
160C do 99,40C
Primer: topla voda i kodenzat vodene pare
•
100,00C do 3160C
Primer: para, voda visoke temperature
3.
Izolacija na visokim temperaturama
•
3160C do 8150C
Primer: turbine, inseneratori, kotlovi
5.3.2. Tipovi izolacionih materijala
Types of insulation materials
Termički izolacioni materijali se proizvode od raznih materijala ili kombinacije
materijala u različitim oblicima, veličinama i debljinama. Izolacioni materijali mogu se
svrstati u sledeće tri grupe:
1.
Vlaknasti izolacioni materijali
Sastoji se od vlakana malih prečnika izmešu kojih se nalazi vazduh. Primer
staklena, mineralna vuna ili vatrostalna keramička vlakna.
2.
Celularna izolacija
Sastoji se od malih, međusobno razdvojenih individualnih celula. Celularni
materijal može biti staklo, pena ili polistiren, poliuretan, poliizocijanat i
elastomeri.
3.
Granularna izolacija
Sastoji se od vazduha ili nekog drugog gasa koji se nalazi u prazninama između
malih granula. Izvedba u obliku blokova, ploča ili šupljih cilindra.Primeri:
kalcijum silikat, perlit, diatomit i ekspandovani polistiren.
Tabela 5.1 Konduktivnost nekih industrijski izolacionih materijala
Izolacioni materijal
Konduktivnost [W/mK] opseg 240C do 2600C
Kalcijum silikatni blok
0.0534–0.0764
Stakleno vlakno rolna
0.0346–0.1053
Stakleno vlakno ploča
0.0317–0.0880
Stakleno vlakno omotač cevi
0.0332–0.0894
Mineralno vlakno blok
0.0332–0.1183
Celularno staklo blok
0.0548–0.1038
Ekspandiran perlit blok
Uretan pena blok
0.0231
Izocijanat pena blok
0.0216
Fenolna pena
0.0317
Elastomerni
0.0361
Zatvorene cellule ploča
Keramička vlakna rolna
0.0779
Najvažnija osobina kod izolacionih materijala je termička konduktivnost. Što manja
konduktivnost veći je otpor prenosu toplote, bolja termička izolaciona sposobnost.
19
Kod reflektivnih izolacionih materijala konduktivnost je nebitna, najvažnija
osobina kod ovih materijala je niska emisivnost. Površine sa niskom emisivnošću imaju
visoku reflektivnost. Reflektivni izolacioni materijali imaju emisivnost u granicama 0.04
do 0.1.
5.3.3. Karakteristike izolacionih materijala
Charcteristics of insulation materials
Opseg temperatura
Opseg temperatura (gornja i donja temperatura) u kojima izolacioni materijal zadržava
sve svoje osobine.
Toplotna provodljivost (konduktivnost)
Razlikujemo dve vrste konduktivnosti: koduktivnost za datu (aktuelnu) debljinu
izolacionig materijala kao i koduktivnost za 25 mm izolacionog materijala.
Emisivnost
Osobina intersantna kod smanjivanja toplotnih gubitaka zračenjem. Ova vrednost treba
da je što niža da bi se termalno zračenje u što većoj meri reflektovale o ove površine.
Ostale osobine
Pored najvažnijih termičkih osobina, termički izolacioni materijali, moraju imati i čitav
niz drugih osobina: izgled, hemijska otpornost, koeficijent ekspanzije i kotrakcije,
sagorivost, dimenziona stabilnost, higroskopnost, otpornost na UV zračenje, otpornost
na rast fungi i bakterija, sposobnost apsorpcije zvuka, toksičnost.
Na Slici 5.5 dat je izolacioni materijal, debljine δ, konduktivnosti λ i razlike
temperature sa jedne i druge strane izolacije Δt.
Slika 5.5 Provođenje toplote kroz ravan zid
Količina toplote koje se provede u jedinici vremena kroz jediničnu površinu W/m2,
toplotni fluks, dat je sledećim izrazom
q=λ
∆t
δ
što možemo napisati i u sledećem obliku
q=
∆t
∆t
=
δ /λ R
gde Δt predstavlja pogonsku silu a R otpor prenosu toplote odnosno termićki otpor. Iz
ovog proizilazi da je termički otpor upravno proporcionalan debljini zida,δ a obrnuto
20
proporcionalan koeficijentu provođenja (konduktivnosti)
materijala.
U slučaju cilindrične geometrije, Slika 5.6
λ
datog
izolacionog
Slika 5.6 Provođenje toplote kroz cilindričnu geometriju
Izraz za količinu toplote koja se prenese u jedinici vremena po jedinici dužine, W/m
dat je izrazom
q = 2πλ
∆t
ln( d sp / d un )
=
∆t
ln( d sp / d un )
=
∆t
R
2πλ
U slučaju višeslojnog zida (ravnog ili cilindričnog) važi
q=
∆t
Ruk
=
∆t
ΣR
Najčešće korišćeni izolacioni materijali:
1.
Kacijum silikat
Kalcijum silikat je granularna izolacija sačinjena od krečnjaka i silikata,
ojašanih organskim i neorganskim vlaknima proizvedenim u čvrstim formama.
Upotreba od 38 do 6500C. Kalcijum silikat absorbuje vodu ali se može osušiti
bez oštećenja. Materijal je nesagoriv. Prvenstveno se koristi za izolaciju vrelih
cevi i površina.
2.
Staklo
Vlaknasta izvedba. Dostupno u vidu fleksibilnih pokrivača, čvrstih ploča, kao i
oblikovanih za izolaciju cevi kao i ostalih preoblikovanih formi. Opseg primeni
od -400C do 380C. Materijal je nesagoriv i dobrih zvučnih apsorpcionih
mogućnosti.
Celularna izvedba. Pravi se u formi ploča, blokova, formi za izolaciju cevi kao i
specijalnih formi. Opseg temperature primene: -2680C do 4820C. Materijal je
nesagoriv i otporan na mnoge hemikalije.
3.
Mineralna vlakna
Mineralna vlakna ili vuna proizvode su u obliku pokrivača, izolacija za cevi kao
i drugih oblika. Gornja temperature primene ide do 10400C. Nesagoriv i dobrih
zvučnih izolacionih osobina.
4.
Ekspandovana silikat (perlit)
Perlit se pravi od inertnih alumosilikatni materijal vulkanskog porekla.
Vulkanska stena se ekspanduje grejanjem, dodata voda isparava i dovodi do
povećanje zapremine stene. Ovim se dobija celularna struktura. Dodati vezni
21
material sprečava prodor vlage a neorganska vlakna ojačajavuju strukturu.
Perlit je nesagoriv i može se primenuti na srednjim i visokim temperaturama.
Proizvod je dostupan u čvrstim, preoblikovanim formama i blokovima.
Elastomeri
Pena smole kombinovana sa elastomerima daje fleksibilan celularni materijal.
Dostupni u preoblikovanim formama. Slaba propustljivost pare i vode. Gornja
granica primene je 1050C.
Penasti materijali
Tečnost koja ekspanduje i očvršćava. Pogodna za izolaciju nepravilnih površina
i praznina.
Vatrostalna vlakna
Mineralna ili keramička vlakna. Otpornost na temperetaurni udar je izuzetno
velik. Gornja granica temperature 16500C. Materijal je nesagoriv.
Izolacioni cement
Izolacioni cement ili cement namenjen za finiširanje predstavlja smešu raznih
izolacionih vlakana i veziva pomešanih sa vodom i cementom. Namenjen je za
pokrivanje nepravilnih površina. Može se primenuti za površine visokih
temperatura.
Cement za finiširanje služi za finiširanje drugih izolacionih materijala.
Izolacioni materijali prirodnog organskog porekla
Ovde spaduju: drvo, trska, piljevina i vuna.
Termički reflektivni materijali
Aluminijski nikl, nerđajući čelik.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Primer 5.4
Kroz cevovod unutrašnjeg prečnika 5 cm i debljine 5 mm, prolazi para. Temperaturne
spoljne strane cevi je 1140C a temperatura okolnog vazduha 200C. Odrediti toplotne
gubitke u oklinu, temperaturu unutrašnje strane cevi kao i otpor zida cevi i vazduha.
Osnov za račun: 1 m cevi.
Podaci:
t 2 = 1140C
t 0 = 200C
λ z = 42 W/mK
α v = 10 W/m2K
Toplotne gubitke možemo izračunati iz izraza za tolpotu koja se konvekcijom prenese
sa spoljneg zida cevi na okolni vazduh.
Qgub = α v A∆tv
Odnosno
Qgub =
∆tv
Rv
Otpor sloja vazduha prenosu toplote, R v je
Rv =
1
1
=
= 0,1327 0Cm/W
α v A 10 • 2 • π • 0,06
Toplotni gubici su
22
Qgub =
114 − 20
= 708,38 W/m
0,1327
Smatrajući proces stacionarnim, isti tolpotni fluks prolazi i kroz zid cevi
Qgub = 2πλ
∆t z
ln( d 2 / d1 )
Odnosno, izraženo preko otpora zida cevi, R z
Qgub =
gde je
Rv =
∆t z
Rz
Rv
ln( d 2 / d1 ) ln( 0,06 / 0,05 )
=
= 6,92 • 10 − 4 0Cm/W
2πλ
2 • π • 42
Temperatura razlika,
Δt z je
∆t z = Qgub Rz = 708,38 • 6,92 • 10 −4 = 0,49 0 C
a temperatura untrašnje strane zida
t1 = t2 + ∆t z = 114 + 0,49 = 114 ,49 0 C
Primer 5.5
Temperatura u hladnjaku treba da se održava na 20C. Koliko toplotu treba odvoditi iz
hladnjaka ako je spoljna temperatura 300C, debljina zida je 20 cm a konduktivnost 0,1
W/m2 0C. Koliko treba da bude debljina izolacije konduktivnosti 0,03 W/m2 0C da bi se
toplotni fluks iz okoline smanjio za 80%?
Osnov za računanje: 1 m2.
Podaci:
t o = 30 0C
δ z = 20 cm
λ z = 0,1 W/m2 0C
λ iz = 0,03 W/m2 0C
α1 = α 2 = 10 W/m2K
Da bi se održavala temperatura hladnjaka, odvedeni toplotni fluks treba da je jednaka
tolpotnom fluksu iz okolnog vazduha u hladnjak
Q=
t0 − t h
R1 + R2 + R3
gde su R 1 , R 2 i R 3 , otpori prenosu toplote sa vazduha na zid, kroz zid i sa zida na
vazduh u hladnjaku respektivno.
23
1
1
= 0,1 0Cm2/W
α1 10
δ 0,2 0 2
R1 = z =
= 1 Cm /W
λz 0,2
1
1
R1 =
= = 0,1 0Cm2/W
α 2 10
R1 =
=
a toplotni fluks koji treba odvesti iz sistema
Q=
30 − 2
= 15
0,1 + 1 + 0,1
W/m2
U slučaju izolacije, imamo dodatni otpor R iz . Izraz za fluks je
Qiz = 0,2Q =
t0 − t h
R1 + R2 + Riz + R3
Odakle je R iz
t0 − t h
− ( R1 + R2 + R3 )
Qiz
30 − 2
Riz =
− ( 0,1 + 1 + 0,1 ) = 4 ,8 0Cm2/W
0,2 • 15
Riz =
odavde možemo da izračunamo debljinu zida izolacije, δ iz
δ iz = Riz λiz = 4 ,8 • 0,03 = 0,144 m
Usvajamo izolaciju od 15 cm.
Ekonomična debljina izolacije
Prilikom određivanje debljine izolacija treba imati u vidu dve vrste troškova:
• Troškovi gubitaka energije sa izolacijom date debljine, i
• Troškovi same izolacije
Iz ovog sledi da ukupni za troškovi predstavljaju zbir gore pomenuta dva. Sa porastom
debljine izolacije rastu troškovi izolacije, dok sa druge strane se smanjuju gubici
energije. Optimalna debljina izolacije biće izolacija sa minimalnim ukupnim
troškovima. Određivanje ekonimčne debljine izolacije prikazano je na donjoj slici.
Proračun ekonomične debljine izolacije
Da bi odredili ekonomične debljinu izolacije, potrebne su nam sledeći informacije.
1.
Troškovi izolacije.
Cena izolacije se deli sa planiranom vekom projekta. Ova cena koriguje se
kamatom za dati period. Godišnji troškovi se konačno definišu dodavanjem
• Godišnji investicioni troškovi izolacije, i
24
2.
• Godišnji troškovi održavanja izolacije (5% do 10% od godišnjih troškova
izolacije, za slučaj eventualnih oštećenja).
Troškovi gubitka energije.
Da bi ove troškove dobili za prvu godinu, treba pomnožiti
• Vrednost energije
• Broj časova rada po godini
• Gubici toplotne energije po času kroz izolaciju date debljine
TROŠKOVI
UKUPNI
MIN. TROŠKOVI
TROŠKO
VI
TROŠKOVI
IZOLACIJE
DEBLJINA IZOLACIJE
Slika 5.7 Određivanje ekonomične debljine izolacije
25
5.4.
Merenje energetske efikasnosti
Measuring Energy efficiency
Bilans energije je osnov za analizu procesa. Bilans nam ukazuje na mesta procesa gde
je moguće poboljšanje i predstavlja osnov za optimizaciju. Na osnovu energetskog
bilansa jasno je da energija sadržana u svim ulaznim strujama koji ulaze u proces mora
biti sadržana u izlaznim strujama i/ili akumulisana u sistemu. Pod izlaznim strujama
podrazumevamo i gubitke u odnosu na energiju svih ulaznih struja
Energetska efikasnost
Energetska efikasnost predstavlja odnos između energija koja je potrebna za
funkcionisanje sistema (rad, toplotna energija koju treba uneti u sistem - zagrevanje,
toplotnu energiju koju treba izvući iz sistema - hlađenje) i energije koja se unosi u
sistem (koja se mora "platiti"),
η=
E kor
Eun
(5.29)
gde E kor i E un predstavljaju korisnu i unetu energiju, respektivno. Treba razlikovati
"energetsku efikasnost" od "očuvanje energije". Očuvanje (konzervacija) energije je
ograničeno na smanjenje potrošnje energije. Primer je smanjene potrošnje energije
na zagrevanje prostorija koje se ostvaruje podešavanjem termostata na niži
temperaturni nivo. Drugi primer je smanjivanje potrošnje goriva ograničavanjem
brzine vozila.
Koeficijent korisnog dejstva ciklusa
Toplotne mašine predstavljaju uređaje u kojima se toplotna energije konvertuje u
mehanički rad. Šematski prikaz tokova energije dat je na donjoj slici
Slika 5.8 Tokovi energije kod toplotnih mašina
Kod ovih ciklusa, koeficijent korisnog dejstva predstavlja odnos između dobijenog,
korisnog rada i uložene toplotne energije
η=
Wkor
Qdov
(5.30)
gde važi
26
Wkor = Qdov − Q odv
Između dva temperaturna nivoa termodinamički ciklus koji ima najveći stepen korisnog
dejstva je Carnotov ciklus
ηC =
TT − TH
T
=1− H
TT
TT
(5.31)
Koeficijent korisnosti
COP – coefficient of performance
Uređaji u kojima se toplotna prenosi iz sistema sa nižom temperaturom u sistem sa
višom temperaturom, uz uložen rad, nazivaju se toplotne pumpe. Kod ovih uređaja,
sistemi iz kojih se izvlači toplotna energija se hlade a sistem u koji se prenosi toplotna
energija se zagreva. Iz tog razloga razlikujemo dve vrste koeficijenta korisnosti:
koeficijent hlađenja i koeficijent zagrevanja. Šematski prikaz tokova energije dat je na
donjoj slici
Sl. 5.9 Tokovi energije kod toplotnih pumpi
Koeficijent hlađenja predstavlja odnos između toplote koja se odvodi iz sistema i
uloženog rada
ε hl =
QH
QH
1
=
=
W
QT − Q H QT / Q H − 1
(5.32)
Iz gornjeg izraza se vidi, da koeficijent hlađenja raste sa smanjivanjem razlike Q H –
Q T . Ovo znači, da kod uređaja za hlađenja treba raditi u što manjem temperaturnom
intervalu.
Koeficijent grejanja predstavlja odnos između toplote koja se dovodi u sistem i
uloženog rada
ε gr =
QT
QT
1
=
=
W QT − Q H 1 − Q H / QT
(5.33)
27
U gornjim izrazima važi
W = QT − Q H
Imajući u vidu
QT > Q H možemo zaključiti sledeće
ε gr > ε hl
ε gr > 1
ε gr − ε hl = 1
ε hl > 0
28
5.4.
Kotlovi
Boilers
Kotao predstavlja jednu zatvorenu posudu u kojoj se voda pod pritiskom pretvara u
paru dovođenjem toplotne energije. U ložištu kotla hemijska energija goriva pretvara
se u toplotnu energiju koja se prenosi na vodu/paru.
Većina kotlova ima ložište, gde sagorva gorivo, i snop cevi gde se vrši prenos
toplote sa vrelih dimnih gasova na vodu. Kotao se može smatrati kao toplotni
razmenjivać koji ima svoj sopstveni izvor toplotne energije.
Kotoa mora biti projektovan tako da primi maksimalnu moguću energiju koja se
oslobađa sagorevanjem goriva, istovremeno kotao mora biti pouzdan a cena
proizvodnje što niža. Toplota se na vodu u kotlu prenosi zračenjem, provođenjem i
konvekcijom. Relativni udeo svakog od ova tri mehanizma zavisi od tipa kotla,
projektovane površine za razmenu kao i od vrste goriva.
Kod nekih kotlova izvor toplote može biti i električna energije.
Primena pare
Para proizvedena u kotlu može se koristiti za:
1.
potrebe procesa
• U vidu neposrednog kontakta (npr. sterilizacija)
• U vidu indirektnog kontakta (za održavanje temperature);
2.
za potrebe procesa zajedno sa generisanjem električne energije
3.
samo za generisanje električne energije i
4.
Potrebe grejanja i klimatizacije
U donjoj tabeli date osnovne karakteristike kotlova, od malog predviđenog za
grejanje do velikih za potrebe industrije
Tabela 5.2 Osnovne karakteristike kotlova
Uloga kotla
Kapacitet [kg/h]
Grejanje
27.000
Mali industrijski
45.000
Srednji industrijski
115.000
Veliki industrijski
270.000
Velike elektrane
1.700.000
5.4.1
P izlaz [MPa]
1,0
4,6
4,6
10,4
18,2
T pare [K]
Zasićena
673
673
745
811
Tipovi kotla
Boiler types
Moderni kotlovi su cevni, kompaktni i efikasni. Tehnologija sagorevanja karakteriše
velika efikašnost i minimalna emisija (Steam engineer tutorial). Gorivo za kotao može
biti različito, uključujući sagorljiv otpad.
Postoje dva osnovna tipa kotla:
1.
Bubanjski kotlovi (firetube boilers, shell boilers)
Kotlovi gde produkti sagorevanja prolaze kroz cev a voda oko cevi;
2.
Strmocevni kotlovi (watertube boilers)
Kod ovih kotlova produkti sagorevanja prolaze oko cevi u kojoj se nalazi voda.
29
5.4.1.1.
Bubanjski kotlovi
Shell boilers
U maloj i srednjoj izvedbi ovo su najraspostranjeniji tipovi kotla. U ovim veličinima,
zbog jednostavnosti izvedbe, su najisplativiji. Kod ovih kotlova kroz cevi struji vreli
dimni gasovi a oko cevi se nalazi voda. Sa vrelih cevi toplota se prenosi na okolnu vodu.
Postoje različita rešenja za raspored cevi u kotlu. U cilju boljeg iskorišćenja toplotne
energije dimnih gasova kotlovi se prave sa više prolaza.
Takoreći svi moderni kotlovi ovog tipa spoljni omotač je cilindričan. Razlog, je
jednostavna proizvodnja i maksimalnu čvrstoću u odnosu na težinu.
U cilju povećanja površinu za razmenu a time njegove efikasnosti, kotlovi se
prave sa više prolaza. Svaki prolaz predstavlja snop cevi kroz koji gas prolazi. Na kraju
prolaza, gas se vraća u sledeći prolaz. Najefikasniji kotlovi su sa tri ili četiri prolaza.
Povećanje efikasnosti kotla ima svoje ograničenja. Paralelno sa povećanjem efikasnosti,
dolazi do smanjivanje temperature izlaznih dimnih gasova koji mogu biti ispod tačke
rose kiselina, koji su uzročnici korozija dimnjaka pa čak i samog kotla. Iz tog razloga,
kotlovi sa četiri prolaza su retki.
Moderni bubanjski kotlovi su kompaktni i isporučuju se zajedno sa gorionikom,
napojnom pumpom kao i svim neophodnim fitinzima i postoljima. Nakon isporuke
jedino što je potrebno je povezivanje sa napojnom vodom, parnim sistem i sistemom
za ispiranje kao i sa izvorom električne energije. Na donjoj slici dat je prikaz jednog
kompaktnog kotla a u Tabeli 4.dati su osnovni parametri jednog takvog uređaja.
Ovi kotlovi mogu da generišu vrelu vodu ili paru. U slučaju generacije vrele
vode, bubanj kotla je ispunjen snopom cevi. Kod generacije pare, postoji parni prostor
na vrhu bez snopa cevi. U ovom prostoru, se po pravilu instalira, separator pare. Parni
kotao takođe ima spoljni uređaj, čija uloga je održavanja nivoa vode.
Slika 5.10 Izgled savremenog kompaktnog kotla
30
Tabela 5.3 Karakteristike kompaktnog kotla
Gorivo
nafta
gas
Dužina
[m2]
Prečnik
[m]
Efikasnost
[%]
Generacija
toplote
po jedinici
zapremine
[kW/m3]
3,9
3,9
2,5
2,5
82
80
2330
2600
Brzina generacije
pare sa jedinice
površine vode
[kg/m2s]
0,20
0,20
Generacija toplote po jedinici zapremine
Ovaj parametar se dobija deljenjem količine unete toplotne energije i zapremine vode
u kotlu. Ovim se praktično povezuje proizvedena para pri maksimalnom opterećenju i
količina vode u kotlu. Što manji je ovaj broj, veća je količina zadržane energije u kotlu.
Brzina generacije pare
Brzina generacije pare predstavlja količinu proizvedene pare u jedinici vremena po
jedinici površine vode. Što je niži ovaj parametar, veća je mogućnost razdvajanja
vodenih čestica od pare i dobijanje suve pare.
Pri ubrzanim opterećenjima kotla, u kotlu će dolaziti do smanjivanja pritiska,
i do proizvodnje veće količine pare, i do povećane količine vlažne pare.
Prednosti bubanjskih kotlova
•
Ceo uređaj se može kupiti kao kompletan paket, čime se instalacionii troškovi
svode na minimum.
•
Prednost kompaktnosti je i jednostavnost premeštanja na drugu lokaciju.
•
Bubanjski kotlovi sadrže značajnu količinu vode na temperaturi zasićenja i
shodno tome značajnu količinu akumulisane energije u kotlu, što je i prednost
i mana.
Prednost je u tome što postoji raspoloživa akumulisana energija i može se
odmah isporučiti za potrebe procesa. Mana je u velikoj inerciji. Nakon
isporučivanja akumulisane energije treba znatno vreme za ponovnu dostizanje
prethodne akumulacije.
•
Obzirom da ovi sistemi često imaju jedno ložište i gorionik, kontrolni sistem je
veoma jednostavan.
•
Iako se ovi sistemi mogu projektovati do pritiska od 27 bar, većina radi na
pritisku od 17 bar i manje. Relativno niski pritisci znače da se pomoćna
oprema može nabaviti po pristupačnoj ceni.
Mane bubanjskih kotlova
•
Maksimalni kapacitet ovih kotlova iznosi 27000 kg/h. U slučaju potrebe za
većom količinom pare jedino rešenje je više povezanioh kotlova.
•
Veliki prečnik cilindra kod ovih kotlova su ograničenje za pritisak u kotlu.
Naime, debljina posude proprcionalna je prečniku posude i pritiska. U slučaju
velikih pritisaka, debljina posude morala bi biti velika, što bi imalo za
posledicu kotao jako velike težine. Već smo rekli da maksimalni pritisak
kreće se oko 27 bar. U slučaju potrebe za višim pritiscima neophodno je
koristiti strmnocevne (watertube) kotlove.
31
5.4.1.2. Strmocevni kotlovi
Watertube boilers
Kod ovih kotlova voda struji u cevi dok dimni gasovi struje oko cevi. S obzirom da je
prečnik cevi, u kome se nalazi voda, znatno manji značajno veći pritisak se može dobiti
pri istom naponu materijala.
Izvedbe su različite. Većina ima snop cevi koje se proteže od gornje komore
do donje jedne ili više komora. U donjoj komori, ili ako ih ima više u najnižoj, se
skuplja prljavština (mulj).
Ovi kotlovi se mogu projektovati za generisanje bilo vode bilo pare. Jedino ovi
kotlovi mogu proizvesti pregrejanu paru. Ovi tipovi kotla koristi se u sistemi gde je
potrebna velika produkcija pare (do 500 kg/s), veliki pritisci (do 160 bar) kao i
pregrejana para visoke temperature (do 5500C). Imajući u vidu relativno mali prečnik
cevi, ovi tipovi kotla proces zagreavanja teče mnogo brže nego kod bubanjski kotlovi.
Kapacite ovih kotlova određen je brojem i dužinom cevi.
Treba dodati, da se strmocevni kotlovi mogu proizvoditi u veličinama kojima
mogu da se kombinuju sa bubanjskim cevima. Mali strmocevni kotlovi mogu se praviti
kompaktnim, kao bubanjske. Veće jedinice proizvode se u delovima koji spajaju na licu
mesta.
Mnogi ovakvi kotlovi rade na principu prirodne cirkulacije.
Kondenzacioni kotlovi
Ovi su noviji tipovi kotla. Imaju veću efikasnost od konvencionalnih. Naime, dodatno se
dobija toplotna energija kondenzacijom vodene pare u dimnim gasovima. Ovakvi
kotlovi moraju imati veliku površinu od nerđajućeg čelika. Ovakvi kotlovi i peći
ograničeni su na čista goriva kao što je gas. Trenutno se izrađuju manjih dimenzija.
Električni kotlovi
Posmatrajući ove kotlove zasebno, imaju izuzetno veliku efikasnost. Međutim, ako se
uzme u obzir i efikasnost proizvodnje električne energije u termoelektrani, zajednička
efikasnost elektrane i kotla može biti izuzetno velika.
Prednost su: nema ložišta, nema izlaznih dimnih gasova i minimalni potrebe
za održavanjem.
Prednosti strmocevnih kotlova
•
Mali sadržaj vode. Shodno tome malo je i vreme odziva na promenu
opterećenja i toplotnog ulaza.
•
Mali prečnik cevi omogućava mnogo veći pritisak (do 160 bar)
•
Izvedba ovih kotlova omogućava ukjlučivanje više gorionika na bilo kom mestu
zida, moguće su i horizontalne i vertikalne opcije. Takođe su moguće kontrole
temperature u različitim delovima kotla.
Mane
•
Izvedbe ovih kotlova nisu jednostavne kao kod kompaktnih bubanjskih kotlovi
•
Mogućnost korišćenja više gorionika može biti i mana. Korišćenje više od 30
gorionika podrazumeva i komlpeksan sistem kontrole.
Kombinovana proizvodnja toplote i energije (CHP)
Mali strmocevni kotlovi koji koriste otpadnu toplotu povezani sa gasnim turbinama.
Ovakvi uređaju daju toplotnu energiju i proizvode električnu energiju. Koeficijent
efikasnosti ovih uređaja ide do 90%. Izlazni gasovi iz turbine (oko 5000C) prolaze kroz
kotao, gde se generiše para koja se koristi za potrebe procesa.
Kod sistema (postrojenja) gde je potreba za električnom energijom i parom u
odnosu koji opravdava korišćenje ovakvih sistema.
32
5.4.2
Goriva
Fuels
Goriva koja se najčešće koriste su: ugalj, nafta i gas. U pojedinim kotlova moguće je
korišćenje i industrijskog ili komercijalnig otpada kao i električne struje.
Ugalj
Obično se koristi ugalj visoke toplotne moći kao što je mrki ugalj ili antracit.
Sagorevanjem uglja ostaje pepeo koji može biti problem za uklanjanje. Kao produkt
sagorevanje, pored ostalih nastaju SO 2 i H 2 O. Reakcija izmešu ova dva jedinjenja
nastaje H 2 SO 4 , koja kada se kondenzuje u dimnim gasovima pravi problem sa korozijom.
Iz tog razloga neophodno je kontrolisati temperaturu dimnih gasova tako da ne padne
ispod temperature rose sumporne kiseline. Ukoliko se pusti u atmosferu, vraćaju se u
okolinu preko kiša i nastaju ekološki problemie.
Ugalj se, međutim, se još uvek koristi kao gorivo kod velikih kotlova u
elektranama. Moderni kotlovi na ugalj se prave tako da su ekološko prihvatljivi.
Može se uzeti da 1 kg uglja može da proizvede 8 kg pare.
Nafta
Vreme odziva između zahteva i isporuke tražene pare je kraće nego kod kotlova koji
koriste ugalj. Ovo znači da je potrebna manja akumulisana energija u kotlovskoj vodi.
Kotao može biti manji, sa manjim gubicima u okolinu i veće efikasnosti.
Jedan litar nafte daje približno 14 kg pare, odnosno 1 kg nafte 15 kg pare.
Gas
Gas je gorivo koji zahteva mali višak vazduha. Koristi se prirodan (zemni gas) koji
sadrži uglavnom metan ili tečni naftni gas (TNG) koji sadrži uglavnom propan i butan. U
odnosu na naftu i ugalj prednost je u tome što nema problema sa skladištenjem.
Otpad
Pod ovim podrazumevamo sagorivi otpad i otpadnu toplotu.
Izbor goriva
Izbor goriva je vrlo važan. Prilkom izbora treba uzeti u obzir:
•
Cenu goriva
•
Cenu opreme za sagorevanje
•
Pozdanost snabdevanja
•
Skladištenje
5.4.3
Osnovne komponente kotla
Bolier’s basic components
Ložište kotla
Ovde se vrši sagorevanje goriva i generisanje toplotne energije. Izvedba ložišta zavisi
od vrste goriva koji se koristi. Različita goriva daju različitu temperaturu plamena i
imaju različite karakteristike sagorevanja.
Razmenjivači toplote
Energija vrelih dimnih gasova se prenosi na vodu u cilju generisanja pare. Prvo se
zagreva voda, zatim se generiše zasićena para. Po potrebi treba dodatno dovesti
toplotu u cilju dobijanja pregrejane pare. Cilj je što efikasniji prenos toplote, u
protivnom značajan deo energije može izaći sa dimnim gasovima iz sistema.
33
Ekonomajzer
Dimni gasovi koji napuštaju kotao još uvek raspolažu sa znatnom količinom energije.
Energija ovih gasova može se iskoristiti za zagrevanje vode koja ulazi u kotao u uređaju
koji se zove ekonomajzer.
Ekonomajzer je toplotni izmenjivač kroz koji prolazi napojna voda.
Predgrevana dimnim gasovima, napojna voda ulazi u kotao na višoj temperaturi u
odnosu na slučaj bez primene ekonomajzera. Na ovaj način sistemu je potrebna manja
energija. Alternativno, potrebna energija ostaje ista ali se proizvodi veća količina pare.
Generalno, svako povećanje temperature napojne vode za 100C rezultuje u povećanju
efikasnosti kotla za 2%.
Slika. 5.11 Bubanjski kotao sa ekonomajzerom
Pregrejač pare
Kod bubanjskih kotlova para se genereiše iznad površine vode i uvek je zasićena. U
slučaju da je potrebno proizvesti pregrejanu vodenu paru, treba dodatno dovesti
toplotnu energiju.
Kod strmocevnih kotlova, pregrejač može biti dodatak smešten u zonu ložišta
gde će vreli dimni gasovi obezbediti odgovarajući stepen pregrevanja pare (Sl.4.8).
U drugim slučajevima, kao što je CHP gde su izlazni gasovi iz turbinr relativno
niske temperature, posebno grejan pregrejač se mora dodati.
34
Slika 5.12 Predgrevanje pare kod strmocevnih kotlova
Predgrejanje vazduha za sagorevanje
Kod industrijskih procesa za zagrevanje, gde se kao energent koristi gorivo, jedan od
najmoćnijih načina za poboljšanje efikasnosti je predgrevanje vazduha potreban za
sagorevanje goriva u ložištu. Izvor toplote je izlazna struja gasa, koja napušta proces na
povišenoj temperature.
Mnogi procesi daju prljave ili korozivne izlazne gasove koje obrazuju naslagu
ili su agresivni za toplotne izmenjivače. Pre kupovine razmenjivača treba uzeti u obzir
čistoću izlaznih gasova i otpornost ponuđenih izmenjivača. Treba biti siguran da smo
sve uzeli sve u obzir.
Postoje dva tipa predgrejača: rekuperatori i regeneratori. Rekuperatori su
toplotni izmenjivači gas-gas smešteni u dimnjaku peći. Toplota se sa dimnih gasova
prenosi vazduh koji ulazi u peć preko cevi ili ploča bez međusobnog kontakta (mešanja).
Regeneratori obuhvataju dva ili više posebnih sekcija za akumulaciju toplote. Dimni
gasovi I vazduh za sagorevanje naizmenično prolaze kroz regenerator, alternativni
zagrevajući I hladeći mediujum za akumulaciju. U cilju kontiunualnog rada, neophodna
su dva regeneratora, jedan se greje dimnim gasom a drugi hladi vazduhom za
sagorevanje, naizmenično.
Uređaji neophodni za kontrolu i vođenja procesa u kotlu
Sigurnosni ventili
Automatski se otvara u slučaju dostizanja određenog pritiska u kotlu. Uloga ovih ventila
je zaštita bubnja (komore) kotla od velikog pritiska koji može da izaove eksploziju
komore kotla. Kotao mora da ima bar jedan sigurnosni ventil.
Zaustavni ventili (Boiler stop valves)
Kotlovi moraju imati i ovaj ventil. Uloga ovih ventila je izolacija kotla i pritiska u kotlu
od procesa u postrojenju.
Regulator nivoa napojne vode
Uloga regulatora je u održavanju nivoa vode u okviru granica koje daju bezbedan rad
kotla tokom konstantnog i promenljivog opterećenja kotla. Ovaj regulacioni ventil se
postavlja između između napojne pumpe i kotla i sprečava plavljenje kotla iz napojnog
rezervora vode. Ventil je nepovratnog tipa čime se sprečava vraćanje vode iz kotla u
periodima kada pumpa ne radi.
35
Kontrola nivoa vode
Održavanje odgovarajućeg nivoa vode u kotlu je od suštinske važnosti za siguran i
efikasan rad kotla.
Spoljna kontrola nivoa. Ure]aji za kontrolu instalisani su na spoljnu stranu kotla.
Interna kontrola nivoa. Sistemu za kontrolu nivoa koji su postavljeni unutar kotla. Ovi
daju veći stepen sigurnosti od onih instalisanih spolja.
Ventil za ispiranje dna
Ventili povezani sa samim dna kotla služe za odvođenje vode sa nagomilanom
prljavštinom pod punim radnim pritiskom kotla. Ventili u nivou vode služe za
odvođenje pene.
Kontrola kvaliteta vode
Za siguran i efikasan rad kotla neophodna je kontrola kvaliteta vode. TDS (Total
Dissolved Solids) kontrola je kontrola količine ukupno rastvorenih čvrstih čestica. Kada
je ovaj parametar veći of propisanog, neophodno je ispuštanja dela vode iz kotla i
zamenom sveže, napojne vode. Ovim se razređuje voda u kotlu i shodno tome snižava
TDS vrednost. Ispiranje kotla vrši se manuelno ili automatski.
Indikator pritiska
Svi kotlovi moraju imati bar jedan uređaj za merenje pritiska.
Količina vode u generisanoj pari
Kod dobro projektovanog kotla, stepen suvoće generisane pare je u granicama 96% do
99%. Promena u opterećenju koji je brži od vremena odziva kotla, rezultuje u pari
manjeg stepena suvoće.
5.4.4
Tretman kotlovske vode
Boiler’s water treatmen
Za siguran i pouzdan rad modernih cevnih kotlova neophodno je obezbediti
odgovarajući kvalitet vode. ASME (Američko društvo mašinskih inženjera), na bazi 50-to
godišnjeg iskustva dalo je preporuke za kvalitet vode u cilju obezbeđivanja pouzdanog i
efikasnog rada modernih cevnih industrijskih kotlova. Postizanje parametara
definisanih u ovoj preporuci postižu se odgovarajućim spoljnim i unutrašnjim
tretmanom vode.
Spoljni tretman vode. Priprema napojne vode, voda koja ulazi u kotao, hemijskim i
mehaničkim tretmanom. Cilj je da se poboljša kvalitet napojne vode pre ulaska u
kotao.
Priprema napojne vode za kotao se optimizuje uklanjanjem nepoželjnih soli
i/iIi ostalih konstituenata vode. Čestice koje dolaze sa napojnom vodom koncentrišu se
u kotlu i kao rezultat dolazi do stvaranja kamenca i to naročito tamo gde je intenzivan
prenos toplote. Naslage deluju kao termički izolator i dovode do pregrevanja.
Kroz cevi grejane cevi cirkuliše voda ili para ili mešavina obe. Cilj cirkulacije
je da se omogući prenos toplotne energije sa metalne cevi na vodu brzinom koja
obezbeđuje neophodno hlađenje cevi da ne bi došlo do pregrevanja. Odgovarajuća
cirkulacija sprečava preterano zagrevanje metala ili velike razlike temperatura koje bi
dovele do oštećenja prouzrokovane, pregrevanjem i/ili prenaprezanjem.
Pored toga neophodno je uklanjanje kiseonika i ostalih nekondenzujućih gasova
radi sprečavanje korozije. Uspostavljanje konzistentnog kvaliteta napojne vode je
izuzetno važno za kreiranje internog tretmana vode.
36
Unutrašnji tretman. Čak i posle primene najodgovarajućeg tretmana izvora vode,
napojna voda (uključujući povratni kondenzat) još uvek sadrži nečistoće koje mogu
ugroziti rad kotla. Neophodno je preduzeti unutrašnji tretman u cilju minimizacije
problema kao i da se izbegnu eventualne katastrofalne posledice.
Ispiranje kotla (blowdown)
Glavna uloga ispiranja kotla je održavanje sadržaja čvrstih čestica u kotlovskoj vodi u
propisanim granicama.
Ispiranje na dnu. Uloga ispiranje dna je uklanjanje mulja sa dna. Učestalost operacije
ispiranja dna je stvar iskustva kao i rada samog uređaja.
Kontinualno ispiranje. Kontinualno ispiranje koncentrovane vode iz kotla često se
koristi zajedno sa manuelnim ispiranjem. Mesto ispiranja određeno je projektom kotla i
generalno predstavlja mesto gde se najveća količina pare izlazi iz sistema. Kontinualno
ispiranje kotla omogućava savršeniju kontrolu sadržaja čvrstih čestica u vodi.
Pravilno ispiranje kotla zajedno sa pravilnim internim tretmanom vode
omogućava postizanje željenog rezultata za kvalitet kotlovske vode. Mnogi moderni
uređaji imaju automatizovano ispiranje kotla.
5.4.5
Efikasnost kotlova
Boliers efficiency
Toplotna energija, koja se dobija sagorevanjem goriva odlazi na generisanje pare i
toplotne gubitke
4
Q g = Q p + ∑ Qgub ,i
(5.34)
1
Gde
Qp
predstavlja toplotu koja ode na generisanje pare a Q gub,i toplotne gubitke.
Q p = Qv + Qvp + Q pp
(5.35)
Deo energije odlazi na zagrevanje vode, Q nv deo na isparavanje, Q vp a deo na
pregrevanje (ukoliko je potrebno), Q pp
Qnv = mc p ,nv ( t zp − tnv )
Qvp = m∆hvp
Q pp = mc p , pp ( t pp − t zp )
(5.35a)
(5.35b)
(5.35c)
gde su:
m
t v , t zp, t pp
Δh vp
masa generisane pare
temperatura napojne vode, zasićene pare i pregrejane pare
latentna toplota isparavanja
Generalno, gubici u kotlu mogu se svrstati u sledeće grupe:
• Gubici energije sa dimnim gasovima, Q gub,1
37
•
•
•
Q gub,2
Gubici energije sa vodom za ispiranje, Q gub,3
Gubici energije kroz zidove kotla,
Ostali gubici, nesagorelo gorivo, gubici infiltracijom, curenjem itd.,
Q gub,4
Efikasnost kotla predstavlja meru iskorišćenosti energije goriva i zavisi od mnogih
faktora. Na efikasnost kotla naročito utiče kvalitet procesa sagorevanja goriva i stepen
iskorišćenja energije produkata sagorevanja.
Mera efikasnosti kotla je ukupan stepen korisnog dejstva kotla. Po definiciji
predstavlja odnos između iskorišćene i unete toplotne energije.
η = Qp
(5.36)
Qg
ηgde su:ukupan stepen korisnog dejstva kotla
Qg
Qp
5.4.6
raspoloživa energija radnog goriva
toplota koja se preda prijemniku
Merenje efikasnosti kotla
Measuring boiler’s efficiency
Merenje efikasnosti kotla je prvi korak u održavanju njegovog efikasnog rada. Treba
imati u vidu da se performanse kotla kontinualno menjaju kao i da su kotlovi veliki
potrošači energije i da mali procenat uštede rezultuje u velikim energetskim uštedama.
Ovo nameće kontinualnu kontrolu efiksnosti kotla.
Generalno trebalo bi meriti ukupnu efikasnosti kotla koja predstavlja odnos
između isporučene energije i energije unete u sistem. Merenje količine energije
isporučene pare i/ili vode kao i ukupnu energiju unete u sistem. Ovakva sveobuhvatna
merenja su nepraktična. U cilju dobijanja tačnih vrednosti neophodni su odgovarajući
laboratorijski uslovi. Vrlo često ovo nije izvodljivo.
Sledeća, jednostavnija mogućnost je merenje efikasnosti procesa sagorevanja.
Ovaj test proverava potpunost sagorevanja kao i efektivnost prenosa toplote sa dimnih
gasova na vodu ili paru. Imajući u vidu da pri normalnom radu bojlera, ovo čine većinu
gubitaka, ovakav alternativni test ima opravdanje.
Efikasnost ostalih delova kotla, kao što su pumpa, motori itd., su uglavnom
konstantni.
Test efikasnosti sagorevanja može dati tačnost reda veličine od 1%. Trebamo
imati u vidu, međutim, da nam ovakav test ne daje odgovor na:
• Gubitke tokom rada kotla u pripravnom (minimalnom) režimu rada,
• Toplotne gubitke sa površine zida kotla u okolinu,
• Gubitke ispiranjem kao i
• Potrošnja energije od strane pomoćne opreme
Test efikasnosti procesa sagorevanja vrši se merenjem sadržajem kiseonika ili
ugljendioksida u dimnim gasovima. Test sa kiseonikom, u opsegu optimalnog rada kotla,
daje generalno tačnije rezultate. Testiranje efikasnosti kiseonikom podrazumeva tri
merenja:
• Merenje procenta kiseonika u dimnim gasovima
• Merenje temperature dimnih gasova
• Merenje temperature vazduha koji ulazi u kotao
38
Merenje sadržaja kiseonika vrš se posebnim instrumentom a temperature
možemo odrediti pomoću termometra. Na osnovu izmerenih vrednosti, efikasnost
procesa sagorevanja se može odrediti pomoću posebnog kompjuterskog programa ili
pomoću dijagrama sačinjenog za dato gorivo. Primer jednog takvog dijagrama dato je
na Slika 5.13.
Primer 5.6
Izmereni sadržaj kiseonika je 7%, ulazna temperatura vazduha 280C a temperatura
dimnih gasova iznosi 2480C. Odrediti efikasnost sagorevanja.
Imajući u vidu da je temperaturna razlika ulaz-izlaz 2200C, sa dijagrama oćitavamo
efikasnost sagorevanja od 75%.
Smatra se da je proces sagorevanja goriva u kotlu efikasan ako:
• Gorivo sagoreva potpuno
• Se koristi mali višak vazduha
• Se iz dimnih gasova prenese maksimalna količina toplotne energije
Sl.5.13 Dijagram za određivanje efikasnosti sagorevanja (59-131)
Dovođenje vazduha, više od potrebnog smanjuje efikasnost kotla. Na ovaj način deo
energije odlazi na zagrevanje nepotrebnog viška vazduha, čime se smanjuje količina
toplotne energija koju treba predati sistemu kao i temperatura izlaznog dimnog gasa.
Imajući u vidu da gorivo i vazduh ne mogu biti idealno pomešani, nemoguće je
kompletno sagorevanje bez viška vazduha.
Sa druge strane u slučaju dovođenja nedovoljne količine vazduha, dolazi do
nepotpunog sagorevanja. Nesagorelo gorivo predstavlja značajan gubitak energije ali i
ekološki problem. Jedan od indikatora nepotpunog sagorevanja je prisustvo
ugljenmonoksida u dimnim gasovima. Treba napomenuti da do formiranja
ugljenmonoksida dolazi i pri velikim viškovima vazduha. U slučaju odgovarajućeg
odnosa vazduh-gorivo sadržaj ugljenmonoksida u dimnim gasovima svodi se na
odgovarajući nivo, pod uslovom da nema drugih problema u radu kotla.
39
5.4.7
Mogućnosti za uštedu energije
Energy reduction opportunities
1.
Minimizacija rada kotla
Osnovni princip očuvanja energije je isključivanje uređaja kada njegov rad nije
potreban. Ovaj princip treba primenuti kako na kotao tako i njegovu pomoćnu opremu.
Nepotreban rad kotla i pomoćne opreme dovodi do sledećih nepotrebnih gubitaka:
•
Gubici kod postrojenja i sistema za distribuciju. Dok sistem radi postoje i
odgovarajući gubici (kondukcijom i curenjem)
•
Nepotrebno snabdevanje energijom pomoćne opreme kotla. U slučaju da
smo sveli rad kotla na minimum trebamo biti sigurni da uređaji vezani za
kotao ne rade. Primer: pumpa za distribuciju tople vode.
•
Nepotreban rad uređaja-korisnika koji se posebno ne kontroliše. Na
radijatorima ne postoji termostataski ventil, pa vrela voda prolazi kroz njih
kada za to nema potrebe.
2.
Odnos vazduh-gorivo
Pri podešavanju rada kotla, najvažniji parametar je odnos vazduh-gorivo. Ovaj odnos
ima najveći uticaj na efikasnost kotla. Neodgovarajući podešeni odnos vazduh-gorivo
takođe dovodi do ozbiljnih ekoloških problema.
Idealan kotao bi zahtevao tačno toliko vazduha koliko je potrebno za
sagorevanje, višak kiseonika u tom slučaju ne bi postojao u dimnim gasovima. Kod
realnih kotlova, potreban je višak vazduha koji treba da omogući potpuno sagorevanje
goriva. Minimum viška vazduha tavisi od vrste goriva i tipa gorionika. Moderni, viosoko
efikasni gorionici, zahtevaju minimalnu količinu vazduha.
Podešavanje osdgovarajućeg odnosa vazduh-gorivo, može u ekstremnim
slučajevima, dovesti do uštede od 10%.
3.
Gorionik i ventilatori
Gorionik priprema gorivo za sagorevanje i pravi efikasnu smešu sa vazduhom.
Ventilator omogućava cirkulaciju vazduha i goriva i sastavni je deo sistema. Redovno
održavanje kao i pravilno podešavanje odnosa vazduh-gorivo omogućava optimalan rad
gorionika. Pravilan rad gorionika omogućava uštedu od 0,5 do 10%.
4.
Kontrola promaje
Promaja u kotlu je neophodna za pravilno mešanje vazduha i goriva, za obezbeđivanja
protoka dimnih gasova kroz kotao i za odvod dimnih gasova iz sistema u oklinu. U
slučaju režima rada u pripravnom stanju promaja se prekida. Promaja može biti
prirodna i prinudna. U oba slučaja mora se kontrolisati.
Pravilnim podešavanjem promaje moguće su uštede od 0,5% do 5%.
5.
Površine za razmenu
Površine za razmenu treba održavati čistim. Naslage na zidovima cevi smanjuju prenos
toplote. Ovo ima za posledicu odlazak veće količine toplotne energije kroz dimnjak u
okolinu. Sa strane vatre najčešći depozit je čađ. Čađ je dobar termički izolator jer
formira poroznu strukturu. Stvara se kod svih vrsta goriva koja imaju ugljenik. Pri
nepotpunom sagorevanju vrlo brzo dolazi do njegovog formiranja.
Najbolji način za minimizaranje stavaranja naslaga čađi je u podešavanju
odgovarajućeg odnosa vazduh-gorivo. Čak i veoma kratak period rada sa nedovoljnim
vazduhom dovodi do stvaranje značajne količine čađi.
Mogućnosti za uštedu 0,5% do 10% u odnosu na cenu goriva, što uglavnom zavisi
od tipa goriva i podešenog odnosa vazduh-gorivo.
Naslage sa strane vode imaju isti efekat kao naslage sa strane plamena. U
ekstremnim slučajevima, naslage sa strane vode mogu smanjiti efikasnost kotla za 10%.
40
Održavanje čistih cevi je važno i zbog zaštite kotla. Temperatura u kotlu je dovoljno
visoka da može fovesti do oštećenje kotla. Pri radu sa čistim cevima voda se ne
pregreva i hladi čelične cevi održavajući je na sigurnoj temperaturi. U slučaju naslaga,
cev preuzima veću količinu toplote i dolazi do njegovog pregrevanja.
Mogućnosti za uštedu 5% do 10% u odnosu na cenu goriva.
6.
Prenos toplote sa dimnih gasova i rekuperacija toplote
Kada je rad kotla pravilan, najveći izvori gubitaka je nemogućnost prenosa celokupne
energije sagorevanja na paru ili toplu vodu.
Kod modernih kotlova temperatura izlaznih dimnih gasova kreće se u opsegu od
1500C do 3150C. Kod manje efikasnih kotlova izlazna temperature može biti mnogo
viša. Gas ovako visoke temperature sadrži znatnu količinu energije. Postavljanjem
razmenjivača toplote omogućava se iskorišćenje značajnog dela ove energije.
U cilju uspešne rekuperacije toplote dimnih gasova korisno je znati uzroke
pojave visokih temperature dimnih gasova. Glavni faktori koji utiču na temperature
dimnih gasova su:
• Kapacitet kotla za prenos toplote. Uzrok visokih temperatura dimnih gasova,
pogotovu kod starih tipova kotlova, je mala površina za razmenu i loša
rešenja za prenos toplote.
• Kapacitet gorionika. Proizvodnje toplote energije veće od potrebne,
instalisanjem predizimenisanog gorionika je takođe uzročnik visoke
temperature dimnih gasova.
• Temperature vode u kotlu. Gasovi sagorevanja moraju biti na višoj
temperaturi od temperature vode u kotlu da bi došlo do prenosa toplote.
Praktično, temperatura dimnih gasova treba bude za 100C do 200C viša od
temperature vode.
• Temperatura pregrejane pare. Kod kotlova koji proizvode pregrejanu paru,
limitirajuća temperatura je temperatura vode a ne temperatura pregrejane
pare. Generalno, kotlovi su projektovani tako da dimni gasovi struje prvo
preko cevi za generaciju pregrejane pare a nakon toga preko cevi sa vodom.
• Sprečavanje kondenzacije kiselina. Temperatura dimnih gasova mora se
držati na temperaturi koja je iznad temperature kondenzacije kiselina u
dimnim gasovima. Da bi se osigurali od pojave kondenzacije, temperatura
dimnih gasova treba da je za oko 200C viša od temperature kondenzacije
kiselna (tipično između 600C i 1200C). Mora se napomenuti da postoje
načini hvatanja ovih kiselina.
Tabela 5.4 Temperature rose kiselina u zavisnosti od goriva
gorivo
Tačka rose kiseline [0C]
prirodni gas
60
nafta
80 - 120
Ugalj
120
•
Latentna toplota vodene pare. Goriva koja sadrže vodonik u dimnim
gasovima daju vodu. U dimnim gasovima voda je u obliku vodene pare.
Izlaskom vodene pare iz sistema odlaze i značajna količina energije.
Rekuperacija toplotne energije dimnih gasova može se postići prolaskom
dimnih gasova kroz toplotni razmenjivač. Treba imati u vidu da se radi o relativno
niskim temperaturama i da treba naći primenu za energiju ovako niske temperature.
Obično se se ova energija koristi za zagrevanje napojne vode i ulaznog vazduha
potrebnog za sagorevanje.
Nije svrsishodno kupovati skupu efikasnu opremu za rekuperaciju toplote za
kotao loših performansi. Umesto toga, nedostatak odgovarajuće površine, može se
nadomestiti intenziviranjem prenosa toplote promotorima turbulencije (uređajima za
41
intenziviranje turbulencije). U slučaju intenzivnijeg rada gorionika od potrebnog, mora
se smanjiti njegov intenzitet.
Ugradnja ekonomajzera
Primena ekonomjzera na zagrevanje napojne vode daje uštedu od oko 5%. Uštede
preko ove vrednosti su retke. Uštede koje značajno ispod ove vrednosti obično nisu
isplative.
Mogućnosti uštede od 2% do 10% od cene goriva.
Ugradnja kondenzacionog ekonomjazera
Kod ovog ekonomajzera koristi se latentna toplota kondenzacije vode pare koja se
nalazi u dimnim gasovima. Ovakav ekonomajzer mora biti izgrađen od nerđajućeg
čelika i sa velikom površinom za razmenu.
Mogućnosti za uštedu: od 5% do 15% od cene goriva.
7.
Rekuperacije predgrevanjem vazduha za sagorevanje
Predgrevači vazduha za sagorevanje su kabasti i skupi, jer se radi o prenosu toplote sa
gasa na gas na relativno niskoj temperaturi. Noviji, efikasniji predgrevači su manji i
jeftiniji.
Predgrevači se obično koristi zajedno sa ekonomajzerom. Ekonomajzerom se
prvo iskoristi gornji nivo energije za zagrevanje vode a zatim donji nivo energije
dimmih gasova za predgrevanje vazduha. Kod kotlova bez ekonomajzera, više energije
dimnih gasova stoji na raspolaganju za predgrevanje vazduha.
Mogućnosti za uštedu: 1% do 4% od cene goriva u slučaju ugrađenog
ekonomajzera. Ako kotao nema ekonomajzer, ušteda može ići do 10%.
Korišćenje kondenzata
Kondenzati nastaju u procesu, nakon kondenzacije pare i vraćaju se u sistem
napojne vode.
8.
9.
Tretman vode
Ispiranjem se iz kotla ispuštaju nagomilani kontaminenti. Neki čvrsti kontaminenti su
teži od vode i stvaraju naslagu na dnu. Ove naslage uklanjaju se na dnu. Uklanjanje
ovakvih naslaga, mulja, radi se sa vremena na vremena, nakon njihovog nagomilavanja.
Ima, međutim kontaminenata koji su lakši od vode i one plivaju po površini.
Rastvoreni kontaminenti, isparavanjem vode takođe dolaze na površinu. Ovakvi
kontaminenti se uklanjaju neposredno ispod površine vodom (površinsko ispiranje).
Količina energije koja se odvodi ispiranjem proporcionalna je temperaturi vode
kotla kao i brzini ispiranja.
U cilju smanjivanje toplotnih gubitaka ispiranje treba svesti naminimum. Treba
biti oprezan sa primenom rekuperacije toplote ispiranja.
Mogućnosti za uštedu (pre svega minimzacijom ispiranja): 0,1% do 2% od cene
goriva.
Rekuperacija toplote vode za ispiranje
Voda za ispiranje sadrži značajnu količinu toplotne energije. Ekonomičnost
rekuperacije uglavnom je kod velikih kotlova koji zahtevaju veliku količinu tretirane
vode.
Mogućnosti za uštedu: 0,1% do 2% od cene goriva. Procenat uštede zavisi
prvenstveno od udela ispiranja.
10.
Povrat kondenzata
Uvek kada je to isplativo treba raditi rekuperaciju kondenzata. Razlozi su
sledeći:
11.
42
• Rekuperacija toplotne energije kondenzata
• Smanjivanje troškova koji odlaze na tretman vode
• Smanjivanje potrebe za svežom vodom
• Ekološki razlozi (ispuštanje tople vode u okolinu).
Tipično kondenzat se vraća u kotao sa temperaturom od 800C, dok je tretirana voda
temperature 150C. Iz ovoga se vidi značajan potencijal za rekuperaciju. (175)
Curenje pare i vode
Curenje može biti glavni izvor gubitaka kao i dodatnih troškova održavanja,
naročito kod postrojenja sa velikim razvodnim sistemom. U cilju sprečavanja i
otklanjanja ovih gubitaka, neophodan je monitoring gubitaka vode kod kotla. Praćenje
gubitka vode nam ukazuje na količinu energije koja se gubi. Pored toga treba imati u
vidu da se curenjem povećavaju troškovi vode kao i troškovi vezanih za tretman vode.
Mogućnosti za uštedu: do 20% od cene goriva, plus smanjeni troškovi za tretman
vode kao i smanjena potrošnja vode.
12.
13.
Korišćenje najefikasnijeg trapa
Parni trapovi su sastavni deo parnih sistema. U slučaju da je njihov rad neodgovarajući,
mogu biti glavni izvor gubitaka energije i vode. Korićenje pogrešnog tipa trapa može
biti uzrok neodgovarajućeg rada opreme koja koristi paru, ošteti cevni sistem i razoriti
sam trap. Gubitak pare kroz trap je takoreći nevidljiv, jer se para gubi odlaskom u
kondenzacioni sistem.
Trap mora odgovarati veličinom i tipom svojoj nameni. Trap pare je uređaj koji
blokira prolaz pare istovremeno omogućava prolaz kondenzata. Dve osnovne primene
trapa su:
• Na izlazu uređaja koji koristi paru, zadržava paru u sistemu dok se ne obavi
proces prenosa odgovarajuće količine toplote. U suprotnom, noglo bi se
desiti da para samo prođe kroz sistem a da se na sistem prenese minimalna
količina toplotne energije.
• Na liniji pare, trap uklanja kondenzat koji se formira u cevi. Kondenzat se
formira usled gubitaka toplote energije pare u cevi. Ako bi se dozvolilo
akumulisanje kondenzata u cevi, usled pritiska nagomilane pare, moglo bi
doći do oštećenja ventila, cevovoda pa i samih uređaja.
• Kod nekih sistema, trapovi se koriste za uklanjanje vazduha ili drugih
nekondenzibilnih gasova. Nagomilavanje ovih gasova može dovesti do
smanjanja protoka pare kao i do korozije cevi i uređaja.
• Mogućnosti za uštedu: Različito. Za trapove koji se koriste kod uređaja
uštede idu od 1% do 30% od pare koja prolazi kroz sistem.
14.
Gubici kondukcijom i zračenjem
Toplotni gubici kondukcijom i zračenjem sa kotla i pomoćne opreme u okolni vazduh
tipično iznose oko 2%.
Gubici toplote sa površina su konvekcijom i zračenjem. Kod izolovanih površina
temperaturna razlika se smanjuje, samim tim i gubici ali se mora imati u vidu da se
površina za razmenu povećava.
Kod neizolovanih površina koji su na visokim temperaturama dominantni gubici
su zračenjem. Ovakvi slučajevi su retki. Kod izolovanih površina dominanti gubici su
konvekcijom sa površine u okolinu. Ako su površine dobro izolovane temperaturne
razlike su male. U ovakvim slučajevima, površine igraju veliku ulogu.
43
5.5.
Parni sistemi
Steam systems
5.6.1
Osnove
Basics
Para je veoma pogodan nosilac toplotne energije
• Para se generiše se iz vode koja je dostupna u velikim količinama i nije
skupa. Nije opasna po zdravlje i ekološki je prihvatljiva.
• Para može da akumulira relativno veliku količinu energije pri prihvatljivim
temperaturama, pet ili šest puta veću količinu energije u odnosu na vodu
iste temperature. Količina akumulisane energije raste sa pritiskom i
temperaturom.
U donjoj tabeli dat su podaci za zasićenu paru na nekoliko pritisaka i
temperatura. Iz Tabele 4.6 se vidi, na osnovu entalpija vode i zasićene pare, razlika u
akumulacionoj sposobnosti suvozasićene pare i vode.
Tabela 5.5 Osobine vodena pare i vode na nekoliko pritisaku zasićenja
Entalpija [KJ/kg]
P sat [bar]
T sat [0C]
vode
pare
isparavanja
1
100
419
2676
2257
2
120
506
2707
2201
3
134
562
2725
2163
4
144
605
2738
2133
5
152
641
2749
2108
6
159
671
2757
2086
7
165
697
2763
2066
8
170
721
2769
2048
•
Para se lako i ekonomično distribuira do potrošača. Moguć je prenos toplotne
energije na velike udaljenosti bez upotrebe skupih cirkulacionih pumpi.
• Zahvaljujući visokom sadržaju toplote, relativno mala cevna mreža je potrebna
za distribuciju pare visokog pritiska.
Zbirno, za generaciju pare potrebni su niži kapitalni i operativni troškovi. Njena
jednostavna distribucija i sistemi za povrat kondenzata daju joj prednost u odnosu na
druge medije za prenos toplote (vreli gas, topla voda, električna energija i sistemi sa
toplim uljem).
Zasićenu paru lako je kontrolisati. Zbog direktne veze između pritiska i
temperature kod zasićene pare. Količina energije koja se unosi u sistem kontroliše se
pomoću pritiska zasićene pare.
• Efikasan način prenosa toplote. Toplotna energija se efikasno prenosi na sistem
kodenzacijom pare.
• Para može da obuhvati ili se injektira u produkt koji se greje. Može da ispuni
bilo koji prostor na uniformnoj temperaturi i vrši prenos toplote kondenzacijom
pri kostantnoj temperaturi. Ovo nije slučaj kod drugih sistema kao što je
zagrevanje pomoću toplog ulja ili vode.
• S obzirom na veliki toplotni fluks, dovoljna je relativno mala površina za
razmenu što omogućava korišćenje kompaktnih uređaja. (moderan pločasti
parni uređaj od 1200 kW zahteva 0,7 m2, razmenjivači tipa cev u cev zauzimaju
2 ili 3 puta više prostora.
Odgovarajućim održavanjem parni uređaj radiće dugi niz godina. U poređenju sa
drugim sistemima, monitoring i upravljanje parnim trapovima je jednostavan. U
odnosu na ovo oprema mnogo je komplikovaniji monitoring curenja gasa ili vremensko
zahtevni manuelni monitoring sistema sa vodom ili uljem.
44
•
•
Fleskibilnost. Para je sterilna i kao takva može da se koristi u prehrambenoj
i farmaceutskoj industriji.
Koristi se i za proces i za zagrevanje prostorija.
Sigurnost. Nema opasnosti od požara.
Ostali sistemi za prenos energije
Alternativni sistemi su voda i termalni sistemi kao što su vrela ulja.
U poređenju sa parom, voda ima manju sposobnost akumulaciju energije pa
samim tim i manju količinu toplotu može preneti sistemu. Voda se koristi se za
zagrevanje prostorija i niskotemperaturne procese (do 1200C).
Termalni fluidi, kao što su mineralna ulja, mogu se koristiti tamo gde su
potrebne visoke temperature (do 4000C) a gde se ne može koristiti para. Termalni
fluidi su skupi, i zahtevaju izmenu svake pete godine.
Osobine različitih mediji za prenos toplote dati su u donjoj tabeli. Krajnja
odluka je kompromis između tehničkih, praktičnih i finansijskih faktora, koji se
razlikuju od slučaja do slučaja.
Generalno, za komercijalno grejanje, ventilaciju i industrijske sisteme, para
ostaje najpraktičnija i najekonomičnija rešenje.
Tabela 5.6 Uporedna analiza vodene pare, vrele vode i visokotemperaturnog ulja
para
vrela voda
Visokotemperaturno ulje
Visoki energetski sadržaj
Umereni energetski sadržaj
Mali energetski sadržaj
Nije skup
Nije skup
Skup
Dobar koefeficijent
Umereni koeficijent
Relativno slab koeficijent
Prenosa toplote
prenosa toplote
prenos toplote
Za postizanje visokih
Za postizanje visokih
Za postizanje visokih
temperatura potrebni
temperatura potrebni
temperatura dovoljni niski
visoki pritisci
visoki pritisci
pritisci
Nema potrebe za
Potrebna cirkulaciona
Potrebna cirkulaciona
cirkulacionim pupama
pumpa
pumpa
Potrebne male cevi
Potrebne velike cevi
Potrebne još veće cevi
Potreban parni trap
Nije potreban parni trap
Nije potreban parni trap
Kondenzat
Nema kondenzata
Nema kondenzata
Flaš para
Nema fleš pare
Nema fleš pare
Potrebno ispiranje kotla
Nema ispiranja
Nema ispiranja
Mogućnost korozije
Manje korozije
Zanemarljiva korozija
Nema opasnosti od požara
Nema opasnosti od požara
Opasnost od požara
Veoma fleksibilan sistem
Manje fleksibilan sistem
Nefleksibilan sistem
5.6.2
Osobine pare
Steam properties
Entalpija zasićene pare
Entalpija zasićene pare predstavlja zbir entalpije vode i latentne entalpije isparavanja
vode i predstavlja ukupnu raspoloživu energiju zasićenu pare.
e p = h p =h v + ∆hvp
(5.37)
Prilikom kondenzacije 1 kg pare ukupna količina toplote koja zasićena para može da
preda iznosi
45
q p = ∆hisp =h p −hv
(5.38)
Ista količina toplote može se predati sistemu pomoću vrele vode
Qv = q p =m v c v ∆t
(5.39)
Odavde se može odrediti potrebna količina vode
mv =
qp
cv ∆t
=
∆h isp
cv ∆t
(5.40)
U slućaju korišćenja pregrejane pare za prenos toplote može se napisati
m pp =
qp
c pp ∆t
=
∆h isp
c pp ∆t
(5.41)
Vlažna para
Vrlo često, u sistemu dolazi do kondenzacije dela zasićene pare. U tom slučaju imamo
smešu proključale vode i zasićene pare. Podsetimo se da temperatura i pritisak ostaju
isti. U ovom slučaju entalpija vlažne pare je
hvp = xh pp + ( 1 − x )hv
(5.42)
U gornjem izrazu x je stepen suvoće i predstavlja odnos mase suvozasićene pare i
ukupne mase (masa suvozasićene pare i proključale tečnosti)
x=
m pp
m pp + m pv
(5.43)
Generisanje potpuno suve pregrejane pare (x = 1) u industrijskim kotlovima je retko.
Sistem obično sadrži izvesnu količinu kapljica vode, tako da se dobija smeša pregrejane
pare i proključale tečnosti – vlažna para.
Fleš para
Fleš para predstavlja paru koja se formira iz kondenzata usled pada pritiska. Kada
može da se formira fleš para? Da bi dobili paru iz kondenzata datog pritiska i
temperature, neophodno je da temperatura kondenzata bude viša od temperature
ključanja vode na pritisku na koji spuštamo kondenzat. Tako pri prolasku kondenzata
kroz trap, ako je dolazna struja kondenzata na dovoljno visokoj temperaturi, usled
pada pritiska dolazi do formiranja fleš pare.
Primer 4.5 Kondenzat pritiska 5 bar i temperature 1400C nakon prolaska kroz izlazi iz
sistema u okolinu pri čemu mu opada pritisak na 1 bar. Da li dolazi do pojave fleš pare
i koliko?
Na pritisku od 1 bar temperatura ključanja (zasićenja) je 1000C, što znači da će doćo
do stvaranja fleš pare. Koliko? Odgovor na ovo dobijamo iz energetskog bilansa.
Energija pre i posle procesa je ista
46
hv ,1 = xh p ,2 + ( 1 − x )hv ,2
Gde su
(5.44)
hv ,1 , h p ,2 , hv ,2 entalpija vode u stanju 1 (viši pritisak), entalpija pare i vode u
2 (niži pritisak) respektivno, dok je x količina nastale fleš pare a ( 1 − x )
stanju
količina preostalog kondenzata. Odavde se lako može izračunati količina nastale fleš
pare
x=
hv ,1 − hv ,2 hv ,1 − hv ,2
=
h p ,2 − hv ,2
hvp
gde je
(5.45)
hvp latentna toplota isparavanja.
Pregrejana para
Prenos toplote moguć je i pomoću pregrejane pare. Količina prenete toplote jednaka
je
Q = m pp c pp ∆t
(5.46)
Specifični toplotni kapacitet pregrejane pare, zavisi od P i T i manji je od specifičnog
toplotnog kapaciteta vode. Pregrejana para može se upotrebiti u procesu u
razmenjivačima toplote. U odnosu na zasićenu paru, znatno manja količina toplote se
može predati sistemu, temperatura joj nije konstantna i zahteva veću površinu za
razmenu. Iz ovih razloga, uvek kada se može pregrejana para se hladi do zasićenja i
kao takva koristi za prenos toplote.
5.6.3
Komponente parnog sistema
Steam system components
Para proizvedena u kotlovima prenosi se kroz cevi do mesta gde postoji potreba za
toplotnom energijom. Generalno, iz kotla polazi jedan ili više glavnih vodova. Manji
cevni ogranci dovode paru do pojedinačnih uređaja. Na donjoj slici prikazan je tipičan
parni krug.
47
PARA
KONDENZAT
PARA
PRIPREMLJENA
VODA
KONDENZAT
PARA
REZERVOAR SA
NAPOJNOM VODOM
PUMPA
KOTAO
Slika 5.14 Tipičan parni sistem
Sistem cevi i okolni vazduh su hladniji nego para, iz tog razloga toplota će se
prenosti sa pare na cev i okolni vazduh. Kao posledica gubitka energije pare dolazi do
njene kondenzacije. Kondenzat pada na dno cevi i nošen strujom pare do najniže tačke
u glavnom vodu. Do dodatne kondenzacije pare dolazi i prilikom otvaranja ventila,
zbog kontakta sa okolnim vazduhom.
Pojava kondenzata u vodovima nije poželjan. Kondenzat je loš provodnik
toplote i predstavlja prepreku za prenos toplote sa pare na proces, čime se smanjuje
željeni efekat. Pored toga nastala voda može delovati kao čep, što može biti uzrok
ozbiljnih problema u postrojenju.
Kondenzat nastao u parnim vodovima kao i kondenzat nastao u procesnim
uređajima mora biti uklonjen. Uboičajeni način za ovo je postavljanje parnih trapova.
Zbog gubitaka, sva para iz kotla se ne može iskoristiti. Uzroci gubitaka su razni:
• gubici u cevovodima
• gubici zbog vršenja rada
• gubici zračenjem
• gubici kao posledica “flashnig-a” pare
48
5.6.4 Faktori koji utiču na potrošnju energije u parnom sistemu
Factors affecting energy consumption in the steam system
1.
2.
3.
4.
5.
Efikasnost kotla. Neodgovarajuće projektovan kotao radiće sa smanjenom
efikasnošću. Ovako projektovan kotao nije u mogućnosti da da kvalitetnu paru
sa odgovarajućim pritisku i u datom trenutku.
Raspodela. Jedina uloga raspodele pare je da snabdeva parom dat uređaj kada
je to potrebno, datog kvaliteta. Neophodan je dobar start, brzo uklanjanje
kondenzata i pravilna upotreba izolacije.
Upotreba. Pravilna upotreba pare zahteva da se obezbedi da je uređaj za
generaciju pare zatvoren kada nema potrebe za parom, i da je odgovarajući
opterećen kada ima potrebe za parom. Uzima se i održava para odgovarajuća
temperatura, obezbeđuje se odgovarajući odvod kondenzata, odgovarajuće
provetravanje. Odstupanje od ovih zahteva vodi ka povećanim gubicima.
Povrat kondenzata. Velike količine kondenzata na visokom pritisku
predstavljaju korisnu energiju. Kondenzat se može podvrgnuti “flashnig”
procesu, odnosno smanjivanjem pritiska dobija se para koja se može upotrebiti
bilo gde u procesu.
Kondenzat niskog pritiska je topla destilovana voda i idealna je za korišćenje
kao napojne vode za kotao. Ovim se štedi gorivo, tretman vode i smanjuje
potrebu za ispiranjem.
Održavanje. Treba sprovoditi program planiranog održavanje da bi bili sigurni
da će ceo sistem dugo i bezbedno raditi.
5.6.5 Mogućnosti za uštedu
Energy reduction possibilities
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Prisustvo kondenzata visokog pritiska. Ovaj kondenzat se može podvrgnuti
“flashnig” procesu čime se dobija para koja se može koristiti u procesu.
Loša izolacija linije pare i kondenzata. Cilj izolacije je smanjivanje gubitaka
toplote u okolinu i sprečavanje kondenzovanja pare. Loša izolacija povećava
toplotne gubitke, kao rezultat dobijamo paru sa manjom entalpijom.
Curenje linija i ventila. Povećanje gubitaka. Kao posledica curenja mora se
proizvesti više pare da bi se nadoknadili gubici.
Linija pare je bučna. Pojava buke u liniji indicira prisustvo kondenzata. S
obzirom da je voda prepreka prenosu toplote sa pare na proces, neophodno je
ukloniti kondenzat u cilju boljeg prenosa toplote kao i da se spreče oštećenja
zaptivaka (fitinga) od udara kondenzata.
Kondenzat pare se baca. Po pravilu, temperatura kondenzata je ista kao i
temperatura pare. Kondenzat se može vratiti nazad u kotao na ponovno
isparavanje. S obzirom na njegovu temperaturu, potrebno je manje energije za
njegovo isparavanje, što znači uštedu u gorivu.
Trap za paru su neodgovarajuće veličine. Uloga trapa je da ispusti kondenzat ne
dozvolivši pri tome da linija pare iščezne. Trap čije su dimenzije manje od
neophodnog neće ukloniti sav kondenzat i na taj način neće biti efikasan u
uklanjanju kondenzata.
49
5.6.
Uređaji za hlađenje
Cooling systems
5.7.1
Sistemi sa kompresijom pare
Vapour compresion systems
Većina uređaja za hlađenje radi na principu kompresionog hlađenja. Principi rada svih
savremenig sistema za hlađenja prostorija ili procesa zasniva se na činjenici da je
prilikom isparavanja tečnosti neophodna toplotna energija. Neophodnu energiju
uzimamo iz sistema, što za posledicu ima snižavanje energije sistema, odnosno njegovo
hlađenje. Tečnost koja se koristi za isparavanje naziva se rashladna tečnost ili rerigent.
Na Sl 5.15 dat je šematski je prikaz ciklusa kompresionog hlađenja. Cikus se
sasroji od četiri glavna procesa:
•
isparavanja
•
kompresije
•
kondenzacije i
•
ekspanzije
Isparavanje
Toplota sistema, prenosi se na tečnost za hlađenje koja isparava. Pritisak mora biti
dovljno nizak da bi se obezbedilo isparavanje rashladne tečnosti na niskoj temperaturi.
Temperaturi nižoj od temperature na koju želimo da ohladimo sistem. Dobijena para je
zasićena.
Kompresija
Kompresorom se povećava pritisak pare. Povećanjem pritiska povećamo i temperaturu
ključanja odnosno kodenzacije rashladne tečnosti. Pritisak povećavamo toliko da
temperatura kodenzacije bude iznad temperature okoline.
Kondenzacija
Pri dostizanju odgovarajućeg pritiska, temperatura okline biće niža od temperature
okoline. Odnosno, okolina će tada predstavljati toplotni ponor. Toplota, sa srdstva za
hlađenje prelazi u okolinu i dolazi do njegove kondenzacije. U nekim slučajevima,
hlađenje se može vršiti ispod temperature kondenzacije. Pothlađivanje sredstva za
hlađenje se vrši prvenstveno zbog smanjivanja mogućnosti “flashinga” sredstva za
hlađenje u ekspanzionom ventilu. Ovim se obezbeđuje ulaz manje količine pare u
isparivač i čini sistem efikasnijim (Dincer, 1997, str. 176, 148).
Ekspanzija
Nakon ekspanzije tečna sredstvo za hlađenje se vraća u isparivač i počinje novi ciklus.
Nakon ekspanizje pritisak rashladne tečnosti treba da opadne na nivo gde je
temperatura ključanja tečnosti niža od temperature prostorije koja se hladi. Prostorija
u ovom slučaju predstavlja toplotni izvor.
Na Sl.5.15 dat je prikaz osnovnog sistema sa kompresijom pare.
Proces 1-1
Reverzibilna adijabatska kompresija.
Proces 2-3
Reverzibilna prelaz toplote u okolinu pri kostantnom pritisku
50
Proces 3-4
Ireverzibilna ekspanzija pri kostantnoj entalpiji
Slika 5.15 Idealni ciklus sa kompresijom pare
Proces 4-1
Reverzibilan prelaz toplote iz sistema koji hladi na sredstvo za hlađenje pri kostantnom
pritisku.
Osnovne komponente sistema su:
Isparivač. Razmenjivač toplote pomoću kojeg se vrši isparavanje tečnosti za hlađenje.
Usisna linija. Cev između isparivača i kompresora. Služi za transport isparenog sredstva
za hlađenje od isparivača u kompresor.
Kompresor. Uređaj razdvaja deo sistema sa niskim pritiskom od dela sistema sa visokim
pritiskom. Zadatak kompresora je da izvlači paru iz isparivača u cilju održavanja niske
temperature ključanja i da komprimuje rashladno sredstvo na malu zapreminu, visoki
pritisak i visoku temperaturu.
Linija tople pare. Ova cev povezuje kompresor sa kondenzatorom.
Kondenzator. U ovom uređaju razmenjuje se toplota između tople rashladne pare i
okoline. Okolina koja je na nižoj temperaturi odvodi toplotu iz kondenzatora, kao
posledica rashladna para se kondenzuje.
Tečna linija. Ova linija povezuje kondenzator sa kontrolnim uređajem. U ovo je
uključen i ekspanzioni ventil. U ovoj liniji može biti samo rashladna tečnost u tečnom
obliku. Linija je topla, jer je rashladna tečnost još uvek na visokom pritisku.
Kontrola sredstva za hlađenje. Uređaj vrši kontrolu tečnog sredstva za hlađenje koji
ulazi u isparivač. Cilj provere je da se u isisnu liniju pusti sredstvo za hlađenje samo
nakon samo nakon što je celokupna tečnost proključala u isparivaču.
Akumulator ili prijemnik
Ovde se drži tečno sredstvo za hlađenje. Mnogi sistemi za hlađenje nemaju poseban
akumulator. Umesto toga tu ulogu može da preuzme kondenzator, isparivač i/ili tečno
sredstvo za hlađenje.
Uređaj za razdvajanje kondenzatora (deo sistema sa visokim pritiskom) od isparivača
(deo sistema sa sa niskim pritiskom). Ovaj uređaj sprečava toplo sredstvo za hlađenje
da se rasprši kroz kondenzator čime se sprečava pad pritiska odnosno održavanje
izlaznog pritiska neophodnog za kondenzaciju refregenta. Kod većine čilera ovu se
rešava pomoću jednostavnog otvora ili ventila.
51
Energetska analiza ciklusa sa kompresijom pare
Ciklus predstvlja protočni sistem, koji se satoji od više pojedničnih protočnih procesa.
Na svaki pojedinu komponentu sistema može da se primeni Prvi zakon termodinamike
za otvoren sistem.
Za kompresor važi
•
∗
mh
1 + W = m h2
(5.46)
•
W = m(h2 − h1 )
(5.47)
Gde su: h 1 i h 2 entalpija rashladnog sredstva na ulazu i izlazu iz kompresora,
respektivno dok je W snaga kompresora.
Za kodenzator se može napisati:
•
•
∗
mh
2 = m h3 + Q H
Odakle je toplotni fkus koji se odvodi iz kondenzatora,
•
(5.48)
•
QH
•
Q H = m( h2 − h3 )
(5.49)
Za ekspanzioni venzil važi
•
∗
mh
3 = m h4
(5.50)
Odnosno
h3 = h4
Za isparivač se može napisati
•
•
•
m h4 + Q H = mh1
(5.51)
(5.52)
Odakle je toplotni fluks koji se iz sistema prenese na sredstvo za hlađenje
•
•
QH = m(h1 − h4 )
(5.53)
Za ceo sistem važi
•
•
W + Q C = QH
(5.54)
Koeficijent korisnosti (COP), ε h
52
•
Q
εh = C
W
(5.55)
Stvarni ciklus sa kompresijom pare
Stvarni kompresioni ciklus se razlikuje od teorijskog. Prvensteno zbog pada pritiska i
temperature rashladnog sredstva pruzrokovano gubicima pri proticanju rashladnog
sredstva kao i razmenom tolpote sa okolinom. Po pravilu, para rashladnog sredstva koja
ulazi u kompresor je pregrejana. Tokom proesa kompresije, kao posledica
ireverzibilnosti kao i razmene toplote dolazi do porasta (ireverzibilnost i prenos toplote
sa okoline na rashladno sredstvo) ili može doći opadanje entropje (ireverzibilnost i
prenos toplote sa rashladnog sredtva na okolinu). Pritisak tečnosti (rashladno sredstvo)
koja izlazi iz kondenzatora je manja u odnosu na pritisak pare koja ulazi u kondenzator,
dok je temperatura rashladnog sredtva u kondenzatoru nesšto viša od temperature
okoline.
Slika 5.16 Stvarni ciklus sa kompresijom pare
Slika 5.17 Tipične komponente komercijalno sistema za hlađenje
53
Pregrevanje i pothlađivanje
Koeficijent hlađenja može se značajno povećati pregrevanjem u isparivaču ili
pothlađivanjem u kondenzatoru sredstva za hlađenje.
Pothlađivanjem sredstva za hlađenje u isparivaču odvodimo dodatnu količinu
toplote iz sistema koji se hladi, čime se direktno povećava koeficijent hlađenja (jedn.
5.55). Mora se dodati da se para rashladnog sredstva može pregrejati i na putu od
isparivača do kondenzatora (zbog okolne više temperature). Ovo, međutim ne dovodi
do povećanja koeficijenta hlađenja, jer se količina toplote koja se izvlači is sistema
koji se hladi ostaje ista. Pregrevanje se može desiti i u kompresoru, što takođe ne
dovodi do povećanja efikasnosti procesa hlađenja.
Povećanje efiksnosti hlađenja pregrevanjem u isparivaču često rezultuje u
smanjenoj efikasnosti u kompresoru. Naime, pregrvanjem ffdobijamo paru veće
zapremine. Imajući u vidu da je zapreminski protok kompresora konstantan, ovo vodi
ka smanjenom kapacitetu. Iskustveni podatak je da je gubitak u kapacitetu iznosi 1% na
svakih 2,50C pregrevanja u usisnoj liniji. Izolacija usisne linije smanjiće ovaj efekat.
Drugo, mnogo efikasnije rešenje bilo bi odvođenje viška toplotne energije u usisnom
delu. U praksi, međutim nije mnogo primenljivo zbog malih temperaturnih razlika i
male raspoložive energije.
Pothlađivanjem sredstva za hlađenje ispod temperature kondenzacije
obezbeđujemo da u ekspanzioni ventil ulazi rashladno sredtsvo 100% u tečnom stanju.
Ovim se sprečava nastajanja mehurove pare koji bi predstavljali dodatni otpor protok
rashladnog sredtsva kroz ekspanzinoi ventil. Pothlađivanje se može vršiti i u samom
kondenzatoru. Ovo, međutim vodi ka dodatnom dužem trajanju procesa. Mnogo je
efikasnije ako se proces pothlađivanja vrši nakon kondenzacije uz pomoć spoljneg
medijuma, izvan sistema za hlađenje. Pothlađivanjem se obetbeđuje veći kapacitet
hlađenje, manja potrošnja električne energije, uniforminija temperatura hlađenja kao
i smanjeni početni troškovi.
Slika 5.18 Sistem a kompresijom pare sa izmenjivačem za pregrevanje i pothlađivanje
5.7.2
Apsorpciono sistemi za hlađenje
Absorption cooling system
Kod ovih sistema umesto kompresije pare vrši se kompresija tečnosti, što je sa
energetskog stanovišta mnogo povoljnije. Koriste se dva fluida kao i dodtna toplotna
energija. U ovim uređajima apsorbent (sekundarni fluid) služi za cirkulaciju primarnog
fluida (rashladnog sredtstva) koji isparava u isparivaču. U cilju uspešnog rada
apsorpcionog procesa važan je izbor odgovarajuće kombinacije rashladnog sredstva i
apsorbenta. Jedna od najpoznatijih kombinacija su amonijak-voda i litijum bromid –
voda. Poslednja kombinacija je primenljiva za hlađenje preko 40C (zbog kristalizacije
54
vode). Sistem amonijak-voda može se koristiti za niskotemperaturno hlađenje (ispod
00C).
Apsorpcioni sistemi, kao i kompresioni imaju isparivač odvlačenje toplote na
niskom pritisku i kodenzator za odbacivanje toplote na visokom pritisku. Takođe imaju
ekspanzioni ventil između kodenzatora i isparivaća.
Umesto kompresora ovi sistemi imaju sledeće elemente: apsorber, pumpu,
generator i dodatni ekspanzioni ventil. U ovom delu dolazi do apsorbcije rashladnog
sredstva, sabijanje rastvora na viši pritisak i oslobađanje pare. Nakon oslobađanja pare
rastvor se vraća u apsorber preko ekspanzionog ventila.
Apsorber. U ovom uređaju se vrši apsorpcija rashladnog sredstva od strane
apsorbenta. Para koja izlazi iz isparivača apsorbuje se od tečnog apsorbenta i dobijamo
tečnu smešu bogatu rashladnim sredstvom.
Na Sl. 5.19 date su osnovne komponente apsorpcionog sistema.
Slika 5.19 Osnovne komponente apsorpcionog sistema
Pumpa
Dobijena tečna smeša se sa pumpom prebacuje na viši pritisak koji vlada u
kondenzatoru.
Generator
U generatoru dolazi do isparavanja rashladne tečnosti pomoću dodatne toplote. Ovo
može biti otpadna toplota ili toplotna energija sunca.
Ekspanzioni ventil
Smeša siromašna sredstvom za hlađenje se nakon prolaska kroz ekspanzioni ventil vraća
u absprber. Sve kreće iz početka.
Ostalo je isto kao kod kompresionih sistema.
U praksi se obično koriste toplotni izmenjivači, jedan ili dva. Na Sl. 4.16 dat je
prikaz tipičnog apsorpcionog sistema za hlađenje sa amonijakom kao rashladnim
sredstvom. Pored dva toplotna razmenivača sistem karakteriše i postajanje analizatora
i ispravljač (korigator). Svrha ovih uređaja je uklanjanje vodene pare koja može da
nastane u generatoru. Cilj je da u kondenzator dospe isključivo para amonijaka.
Sistem se zasniva na sposobnosti vode da apsorbuje i oslobodi amonijak, koji
predstavlja sredstvo za hlađenje. U apsorberu, voda apsorbuje amonijak na
temperaturi kondenzacije. Nastaje tkz. jak rastvor (oko 38% su amonijaka). Jak rastvor
odlazi u pumpu gde se podiže pritisak rastvora, nakon čega rastvor odlazi u generator.
Pre ulaska u regenerator jak rastvor se predgreva u toplotnom izmenjivaču. U
generatoru se podiže temperatura jakog rastvora pomoću spoljneg toplotnog izvora,
amijak isparava i odlazi u kondenzator a siromašan rastvor (oko 24% amonijaka)
55
apsorbuje nešto vodene pare iz analizatora/korektora i odvodi se do preko toplotnog
razmenjivača u ekspanzioni ventil. Nakon izlaska iz ekspanzionog ventila odlazi u
apsoreber i sve kreće iz početka.
Topla para amonijaka iz generatora odlazi do korektora radi odvajanja
eventualno zaostale pare vode. Nakon toga topla para amonijaka odlazi u kodenzator
gde se u potpunosti kodenzuje. Tečni amonijak odlazi prolazi kroz drugi toplotni
izmenjivač u cilju dodatnog hlađenja. Nakon prolaska kroz ekspanzioni ventil, pritidsak
amonijaka bitno opada pre ulaska u isparivač. U isparivaču tečni amonijak isparav,
nakon čega ulazi u apsorber i sve kreće ispočetka. Apsorpcijom amonijaka u apsorberu
dovodi do smanjivanja pritiska i izvlači paru amonijaka iz isparivača. Prelaskom pare u
tečni rastvor dolazi do oslobođanje toplote, delom latentnom toplotom kondenzacije a
delom toplotnim efektom rastvaranja. Ovako oslobođena energija kontinualno se
odvodi u okolinu posredstvom vode za hlađenje ili vazduhom.
Akumulisana toplota koja se dovodi preko isparivača i generatora dovodi u
sistem potrebno je odvesti iz sistema u okolinu. Jedan deo akumulisane toplote odvodi
se u kondenzatoru a drugi deo odvodi se apsorpcijom aminijaka u apsorberu. Rastvor
amonijaka i vode može ostati u tečnom stanju pod određenom temperaturom. Iz tog
razloga neophodna je odvođenje neophodno je hlađenje apsorbera vodom ili vazduhom.
Nakon izlaska iz generatora, para amonijaka prolazi kroz destilacionu kolonu, gde se
vrši koncentrovanje amonijaka u skoro čist amonijak, pre ulaska u kondenzator.
Slika 5.20 Stvarni apsorpcioni sistem za hlađenje amonijak-voda
Energetska analiza apsorpcionig sistema za hlađenje
Kao i kod sistema sa kompresijom pare i ovde se energetski bilans vrši na bazi Prvog
zakona termodinamike za otvorene sistema. Bilans se radi na svaku komponentu
sistema, uz predpostav da se radi o stacionarnim protočnim sistemima.
Treba uočiti da kod kompresionih sistemamaseni protok rashladnog sredstva bio
je kostantan i isti kroz sve komponente sistema. U ovom apsoršcionom sistemu, postoje
dva fluida: rashladno sredstvo i apsorbent, koji zajedno čine obrazuju rastvor čiji
56
sastav je različit u različitim delovima procesa. Jedan u apsorberu i jedan u generatoru.
Iz tog razloga, pored bilansa energije biće neophodan i maseni bilans. Prikazani bilansa
baziraju se na ciklusu prikazanog na Slici 5.20.
Apsorber
Bilans energije
•
•
m 6 h6 + m• 12 h12 = m• 1 h1 + Q aps
(5.56)
Bilans mase
•
m 6 x6 + m• RS = m• 1 x1
(5.57)
gde su:
•
m 6 = m• SR
•
m1 = m• JR
•
maseni protok slabog rastvora
maseni protok jakog rastvora
maseni protok
m12
•
maseni protok rashladnog sredtstva
m RS
•
Q aps
Toplotni fluks koja se odvodi od apsorbera
x6 , x1
koncentracija slabog i kakog rastvora, respektivno
Pumpa
•
•
m1 h1 + W P = m• 2 h2
(5.58)
Kompresija u pumpi je praktično izotermska.
Prvi toplotni razmenjivač
•
•
m 2 h2 + m• 4 h4 = m• 3 h3 + m 5 h5
(5.59)
Generator
Bilans energije
•
•
•
m 3 h3 + Q GEN = m• 4 h4 + m 7 h7
(5.60)
Bilans mase
•
m SR x JR + m• RS = m• JR x JR
(5.61)
Pri čemu važi
•
m SR = m• 4
•
m JR = m• 3
57
Dok
•
Q GEN predstavlja toplotni fluks koji dovodi u generator.
Kondenzator
Bilans energije
•
•
•
m 7 h7 = m8 h8 + Q T
(5.62)
Drugi toplotni razmenjivač
•
•
m8 h8 + m• 11 h8 = m• 9 h9 + m12 h12
(5.63)
Ekspanzioni ventili
•
m5 h5 = m• 6 h6
(5.64)
•
m 9 h9 = m• 10 h10
(5.65)
odnosno
h5 = h6
(5.66)
h9 = h10
(5.67)
U ekspanzionim ventilima, proces redukcije pritisaka je izentalpski.
Isparivač
•
•
•
m10 h10 + Q H = m11 h11
Gde je
(5.68)
•
Q H , toplota koja se odvodi iz sistema koji se hladi.
Bilans energije za ceo sistem
•
•
•
•
•
W + Q H + Q GEN = Q APS + Q T
(5.69)
Koeficijent korisnosti hlađenja
•
εh =
•
QH
•
WP + Q GEN
(5.70)
58
•
U gornjem izrazu WP predstavlja potrebnu snagu pumpe. Snaga je mala i obično se
zanemaruje u računanju efikasnosti hlađenja.
59
5.7.
Klimatizacija
Air conditioning
Većina velikih objekata imaju centralizovani sistem za ventilaciju i kondicioniranje.
Uloga sistem mogu biti:
• Hlađenje i/ili grejanje vazduha u datom prostoru
• Ventilacija
• vlaženje ili
• sušenje.
Ovi sistemi, ako izuzmemo sam proces, mogu biti najveći potrošači energije.
Sisteni za klimatizaciju sastoje se iz dve jedinice: jedinice za pripremu vazduha i
jedinicu za raspodelu vazduha. U jedinici za pripremu vazduha, vazduh se menja
temperatura, sadržaj vlage i čistoća u zavisnosti od zahteva prostorije/zone. Ova
jedinica predstavlja deo koji prenosi toplotnu energiju između prostora koji se
kondicionira i jedinice za pripremu vazduha. Toplotna energija se može odvoditi
pomoću vazduha, vode ili sredstva za hlađenje. Kondicioniranje vazduha uvek
uključuje mogućnost snižavanje temperature kao i nivo vlažnosti. Mnogi sistemi nude
mogućnosti grejanja kao i toplotne pumpe projektovane prvenstveno za grejanje.
Toplota se iz sistema, ispunjenim ljudstvom ili uređajima, prenosi na vazduh u
prostoriji a sa vazduha na sredstvo za hlađenje ili ohlađenu vodu. Varijacija u
toplotnom opterećenju, koja zavisi od broja osoba u prostoriji ili rada uređaja, mora
biti uzeta u obzir i rešava se automatskom kontrolom temperature i vlažnosti.
Unos spoljneg vazduha može biti u različitim udelima, sve do 100%. Kada su
spoljne temperature odgovarajuće, potrebe za hlađenjem je nepotrebno.
5.8.1
Sistemi sa jednom zonom
Singlezone system
Kod ovih sistema vazduh se kondicionira u jednom centralnom delu a zatim kroz kanal
odvodi u jednu ili više prostorija. Ukoliko se radi o više prostorija, sve prostorije
dobijaju vazduh istog stanja (Sl.4.18)
Slika 5.21 Sistem sa jednom zonom
60
5.8.2
Sistemi sa više zona
Multizone systems
Nedostatak sistema sa jednom zonom je što sve prostorije dobijaju vazduh istog stanja.
To ima smisla kada sve prostorije imaju približno isto opterećenje. Vrlo često to nije
slučaj. U tom slučaju može se koristiti sistem sa više zona. Ovo omogućava da svaka
zona dobije vazduh odgovarajućeg stanja.
Sistemi sa konstantnim protokom vazduha
Kod ovih sistema u centralnom delu priprema se vazduh prema najnepovoljnijoj
prostoriji (prostorija sa najniže zahtevanom temperaturom). Kod prostorije koje
zahtevaju manje hlađenje, vrši se zagrevanje preko zonskih dogrejača. Ovo, naravno
dovodi do povećanje potrošnje energije.
Moguće je i drugo rešenje, odnosno da se zone, pojedinačno opreme dodatnim
hlađenjem. Isto takođe, moguće je predvideti i decentralizovano ovlaživanje vazduha.
Ovakva rešenja, međutim, zahtevaju velika investiciona ulaganja.
Slika 5.22 Sistem sa konstantnim protokom vazduha
Sistemi sa promenljivim protokom vazduha
Kod ovih sistema protok dovodnog vazduha je promenljiv, a temperatura konstantna.
Različita rashladna opterećenja pojedinih zona reguliše se promenom protoka. Dovodni
vazduh se uduvavava konstantne temperature a promena rashladnog opterećenja, rast
ili smanjenje, reguliše se protokom vazduha preko termostata (Sl.4.20)
Slika 5.23 Sistem sa promenljivim protokom vazduha
61
Prednost ovakivih sistema je u tome što se potrebna energija za kondicioniranje
vazduha smanjuje sa smanjivanjem količine unetog vazduha. Dobrom regulacijom
smanjuje se značajno i energija potrebna za rad ventilatora.
Ovi sistemi su posebno opravdani kod malih rashladnih opterećenja, gde se
veliki deo opterećenja pokriva sa malom količinom spoljneg vazduha. U ovom slučaju
nije isplativo ulagati u dodatni rashladni sistem.
Centralizovani sistemi za klimatizaciju omogućili su izgradnju zgrada sa
prozorima koji se ne otvaraju. Pored prednosti, ovo je i mana jer je ventilacija ovakvih
zgrada u potpunosti zavisna od sistema za klimatizaciju. Kod velikih sistema javljaju se
gubici koji se ne javljaju kod sistema koji služe za kondicioniranje jedne prostorije.
Glavni uzroci gubitaka kod ovih sistema su sledeći:
• Dogrevanje
Dogrevanje je neophodno, prvenstveno radi održavanja temperature
pojedinačnih prostorija u sistema gde šrostorije zahtevaju različito
opterećenje (loads). Dofrevanjem se takođe može regukisati vlažnost.
• Povećano opterećenje ventilatora
Centralnizovani klimatizacioni sistemi zahtevaju velike kanalne sisteme. Ovo
zahteva ventilator veće snage.
• Neodgovarajuća kontrola unosa spoljnog vazduha.
Kondicioniranje spoljneg vazduha je izuzetno skupo. Ovo nameće veoma
preciznu kontrolu unosa spoljneg vazduha. Često ovo nije slučaj.
• Nejednaka raspodela ventilacionog vazduha.
Centralni klimatizacioni sistem koji vrši ventilaciju zajedno sa zagrevanjem i
hlađenjem ne može distriburati spoljni vazduh u odgovarajućoj meri svakoj
pojedinoj prostoriji. Ako želimo obezbeđivanje odgovarajuće ventilacije za
svaku prostoriju, rezultat će biti prekomerna ventilacija u većini ostalih
prostorija.
• Nemogućnost isključivanja grejanja, hlađenja i ventilacije u pojedinačnim
prostorijama
Problem se može rešiti ugrađivanjem dampera za prekid rada u svakoj
pojedinačnoj prostoriji. Zasad, ovakva rešenja su retka.
Gubici energije dogrevanjem mogu biti ogromni, ostali gubici energije su takođe
značajni. Sistemi sa promenljivom zapreminom trebalo bi otklone prva dva uzročnika
gubitaka. Kod ovakvih sistema do ozbiljnih problema komfora, čije rešavanje opet
zahteva velike gubitke energije.
Rešenje sa promenljivom zapreminom, izuzev malih sistema, postao je
dominantan. Problem komfora i efikasnosti je, mešutim, još uvek prisutan. Uzrok
problema efikasnosti i komfora kod centralizovanog sistema je pokušaj projektanta da
se zadovolje mnogi zahtevi samo sa jednim tipom uređaja.
5.8.3
Mogućnosti za uštedu
Energy reduction possibilities
1.
Minimizacija rada sistema
Uštedu je najbolje početi ovom merom. Mera obično donosi velike uštede uz
relativno mala ulaganja.
Uređaj treba isključiti kada nema potrebe za njegovim radom. Treba
imati u vidu da je automatska kontrola mnogo efikasnija od manuelne. Ugraditi
odgovarajući uređaj za kontrolu procesa.
Kod sistema koji rade po ustaljenoj šemi vrlo je efikasno ugraditi
vremenske kontrolu procesa. Vremenka regulacija može da efikasno
kombinovati sa kotrolom koja reaguje na ostale inpute, kao što je
62
temperatura, pounjenost prostorije itd. U slučaju neregularnog korišćenja
prostorije treba tražiti druga rešenja.
Primenom ovih mogu dovesti do sledećih ušteda:
•
Izostavljanje nepotrebnog kondicioniranja u vreme kada prostorije u
funkciji. U tom periodu temperatura i vlažnost mogu se održavati u
širem granicama. Kada su prostorije prazne, obično nema potrebe za
spoljnim vazduhom.
•
Eliminacija gubitaka energije dogrevanja. Mnogi sistemi zahtevaju
dogrevanje u cilju kontrole temperature.
•
Izostavljanje nepotrebnog snabdevanja uređaja sistema. Ventilatori
obično predstavljaju značajan doprinos u energetskom zahtevu za rad
sistema. Ventilator se može isključiti. U sistemima gde postoji pumpa za
transport vode, rad pumpe se može minimizovati.
2.
Unos spoljneg vazduha
Spoljni vazduh unosi se u velikoj količini, prvenstveno u cilju održanja kvaliteta
vazduha. Kodicioniranje spoljneg vazduha obično zahteva veliki udeo energije
koja odlazi na rad sistema.
Unos spoljneg vazduha treba biti minimalan. Treba imati u vidu da
kondicioniranje spoljneg vazduha obično zahteva više energije od energije
potrebne za kondicioniranje recirkulisanog vazduha iz same zgrade. Ovo
nameće minimalan unos spoljneg vazduha, izuzetak je slučaj kada se spoljni
vazduh može koristiti za hlađenje.
Rekuperacija izlaznog vazduha je glavni način za smanjivanje energije
potrebne za kondicioniranje spoljneg vaduha.
Značajne energije se mogu uštedeti prečišćavanjem recirkulisanog
unutrašnjeg vazduha. Postoje različite metode za prečišćavanje vazduha,
kojima se skoro u potpunosti mogu otkloniti većina untrašnjih polutanata.
Najčešći način je filtracija. Treba, međutim, reći da mnogi sistemi za
prečišćavanje predstavljaju značajan otpor za protok vazduha, što ima za
posledicu potrebu za ventilatorom veće snage. Dodatna potreba za energijom
smanjuje potencijal uštede što u nekim slučajevima može ovakav sistem činiti
neekonomičnim. U principu, svaka vrsta polutanata se može ukloniti. Pitanje je
samo dali je to više isplativo od unosa spoljneg vazduha.
Glavne metode za prečišćavanje vazduha:
• HEPA filtri
Ovi filtri su pasivnog tipa i ne dozvoljavaju prolaz praktično ni jednoj
čestici. (HEPA – High Efficiency Particulate Air). Koriste se u slučajevima gde je
potrebno uklanjanje iz vazduha svih bioloških i neorganskih materija iz
vazduha. Efikasnost HEPA filtra ostaje konstantan tokom njegovog veka
korišćenja. Mogu se uspešno koristiti više godina pod uslovom da su izolvani od
većih čestica odgovarajućim prefiltrom. HEPA filtri ne mogu ukloniti čestice u
gasovitom stanju.
Otpor HEPA filtera iznosi 10 cm i više vodenog stuba. Ovo treba uzeti u
obzir kada želi smanjiti potrošnja energije koja se postiže smanjivanjem unosa
svežeg vazduha.
HEPA filtri ne zahtevaju česte promene ali prefiltri da.
• Adsorbenti
Adsorpcijom se zadržavaju atomi, molekuli, ili čestice na površini. Osnovni
mehanizam je elektrostatičko privlačenje. Iz tof razloga adsorbenti zahtevaju
veliku površinu, odnosno prazne površine na molekulskom nivou. Ovo se dobija
korišćenjem materijala ekstremne poroznosti. Takav je na primer aktivan
ugljenik procesiran (aktiviran) tako da ima veliku poroznost.
63
Imajuću u vidu da su adsorbovani polutanti na površini labavo vezani, ove
filtre treba češće menjati. Ovi fitri, takođe imaju velikiotpor na protok
vazduha. Otpr je reda veličine 10 cm vodenog stuba.
Zbog svoje porozne strukture, adsorbcioni filtri zadržavaju mehanički veće
čestice. Iz tog razloga, neophodni su prefiltri.
• Hemijski tretman
Hemijskim tretmanom se polutanti konvertuju u bezopasne supstance ili se
konvertuju u formu koja se može trajno zarobiti. Prednost je u tome što su ovi
procesi ireverzibilni. Nedostatak se ogleda u tome što se mogu primenuti samo
na određen broj polutanata.
U principu svaki hemijski aktivan polutant može se učiniti bezopasnim
odgovarajućom hemijskom reakcijom.
• Elektrostatički filtri
Elektroistatički filtri jonizuju polutante a zatim koristeći elektrostatičko
privlačenje izvlače ih iz vazdušne struje. Principijelno sve čestice se mogu
ukloniti na ovaj način, praktično neki tipovi veličine čestica se uklanjaju
efeikasnije od drugih.
Nedostatak elektrostatičkih filtera je što generišu ozon. Ako rade pravilno i
ako su savršeno čisti ova količina je mala.
Ovo filtri zahtevaju redovno održavanje jer im prljavština smanjuje
efikasnost. Brzina kretanja kod ovih filtra mora biti mala. Treba takođe uzeti u
obzir energiju koju zahtevaju ovi filtri.
• UV zračenje
Ovom metodom se uništavaju mikroorganizmi. U slučaju kada je vazduh
kontanimiran potrebna je velika količina spoljneg vazduha. Eliminacijom rasta
bioloških mikroorganizama, ovaj sistem može da smanji potrebu za spoljnim
vazduhom.
3.
Rekuperacija toplote izlaznog vazduha
Izlazni vazduh sadrži značajnu količinu energije. Ova energija može se koristiti
za kondicioniranje ulaznog vazduha. Postoji više tipova izmenjivača koji se
koriste za rekuperaciju toplote izlaznog vazduha. Svi su ovi razmenivači su
skupi, što treba uzeti u obzir prilkom analize potencijala za uštedu ovim
načinom. Imajući ovo u vidu treba razmotriti mogućnost rekuperacije toplote
svih izlaznih vazdušnih struja (ne samo glavne). Što veća količina izlaznog
vazduha, to je veći izgled za ekonomičnost ovog rešenja.
Potencijal uštede zavisi uglavnom od razlike temparature između izlazne
i ulazne struje. U našem klimatskom području mnogo više energije se može
rekuperisati u sistemima koji se greju od sistema koji se hlade. Tipična
temperaturna razlika zimi je 300C, dok je let ova razlika oko 150C. Efikasnost
rekuperacije razmenjivača u sistemima koji se greju kreće se između 50% do
70%. Ako se radi o sistemima koje treba hladiti, zbog manje temperaturne
razike, efikasnost je nešto manja.
Prilikom računanja uštede rekuperacijom, treba uzeti u obzir i povećanu
potrošnju energije na rad ventilatora, koji sad treba da pokreće i izlazni i
ulazni vazduh kroz razmenjivač toplote. Kod izmenjivača koji koriste tečnost
potrebna je pumpa.
Najveći efekat uštede rekuperacijom toplote izlaznih gasova je kod sistema
sa jednom zonom. Isto tako efekat uštede raste sa ventilacionim protokom.
Sistemi sa velikim protokom vazduha imaće veće uštede.
• Minimizacija infiltracije vazduha
Otvori u objektu dovode do infiltracije spoljneg vazduha i izlaska untrašnjeg
vazduha.
64
U ovom slučaju potencijali za uštedu su jako široki. Efekat vetra može .
višestruko povećati infiltraciju spoljneg vazduha
• Minimizacije rada ventilatora. Rad ventilatora treože se eliminisatiiba
uskladiti sa opterećenjem. Kod sistema sa konstantnom zapreminom, snaga
ventilatora je proporcionalna trećem stepenu zapreminskom protoku
ventilatoru.
• Minimizacije dogrevanja kod sistema sa više zona. Eliminacija potrebe
dogrevanja kod sistema sa kostantnom zapreminom može se izbeći
prelaskom na sistem sa promenjljivom zapreminom. Podsetimo se da kod
sistema sa promenljivom zapreminom temperatura pojedinačnih prostorija
reguliše se promenom protoka. Osim eliminacije dogrevanja rad ventilatora
je uvek minimalan.
5.8.4
Uređaji za kondicioniranje jedne prostorije
Units for single space conditioning
Ovde spadaju široka klasa uređaja kako za zagrevanje tako i za hlađenje. Zajednička
osobina im je da svaki uređaj obslužuje jednu prostoriju, odnosno jednu zonu koja se
termostatičku zonu. Svaka jedinica ima jedan termostat, jedan distribucioni ventilator
i minimalni razvod. Sistemi su jednostavniji u odnosu na prethodne u pogledu kontrole i
distribucije vazduha. Sistemi su kompaktni i relativno jeftini. U slučaju potrebe
najsvrsisjodnije je sistem zamenuti u celini, mada se u nekim slučajevima može biti
opravdana modifikovacija ili nadgradadnja. Mere za uštedu uglavnom se poklapaju sa
merama uštede kod velikih sistema.
I ovde važi opšti princip uštede - minimizacija rada uređaja. Za prostorije koje
se ne koriste podesiti uslove kodicioniranje u širim opsegu (ofdržavanje temperature i
vlažnosti). U periodu praznog prostora, unos spoljneg vazduha se može isključiti. Isto
tako u ovom periodu se i rad ventilatora može isključiti. Iako za rad ventilatora nije
potrebno mnogo energije, ukupna potrošena energija na rad ventilatora Ove mere
obično rezltuju u velikim uštedama a zahtevi za ulaganja su relativno mala. Ono što je
važno, što zahtevaju pažljivo planiranje.
U slučaju koriđšćenja prostorije (ispunjenosti) treba mnimizovati grejanje i
hlađenja prostorija. Gubici toplote kondukcijom kao i troškovi grejanja spoljneg
vazduha direktno su proporcionalni razlici temperatura između spoljneg i unutrašnjeg
vazduha. Smanjivanje temperature prostorije koja se greje smanjuje ovu temperaturnu
razliku kao i troškove grejanja. Isto tako držanje temperature kod hlađenja na
najvišem mogućem nivou je najveća moguća ušteda.
Ukupne uštede u energiji zavise od dužine rada sistema. U slučaju manjeg
opterećenja sistem će manje raditi što nesumnjivo vodi ka manjoj potrošnji energije.
U prostorijama koja se klimatizuju obavezno zatvoriti prozore i vrata.
Automatska kontrola i u ovom slučaju ima prednost nad manuelnom. U slučaju
ustaljenog, unapred poznate šeme rada, preporučljivo je ugradnja vremensko
programirane kontrole. U prostorijama se neregularnim kodinicionarinjem treba
ugraditi vremenskog isključivanja u cilju mogućnosti kontrole korisnika. Kod ovih
sistema druga mogućnost je ugrađivanje senzora popunjenosti u cilju kontrole uređaja
za kondicioniranje.
Ponekad se uređaj za kontrolu može povezati sa nivoom intenziteta osvetljenja.
Kontrola mođe da se uradi tako da se uređaji automatski isključuju u slučaju
kada su prozori ili vrata otvoreni. Ovo možre da uštedi 5% do 50% energeje potrebne za
kodicioniranje što zavisi od načina korišćenja prostorija.
Potencijal za uštedu: Isključivanjem uređaja u periodima kada prostorije nisu u
funkciji mogu doneti uštede od 10% do 50%. Pravilno podešavanje termostata mogu
doneti uštede od 1% do 10%.
65
Ugradnja termostatskih ventila. Manualno podešavanje ventila je vrlo često
neodgovarajuće. Rešenje otvaranjaem prozora, u cilju regulacije dovodi do velikih
gubitika. U ovim slučsajevima termostatski ventili mogu doneti uštedu od 20% do 80%.
Kovektori i radijatori moraju biti slobodni.
Korisno je obezbediti posebnu kontrolu temperature u svakoj pojediinačnoj
prostoriji u skaldu sa potrebama prostorijama.
Kod individualnih zidnih klima I toplotnih pumpi obavezno treba čistiti, podesiti,
podmazati i servisirati u odgovarajućim intervalima. Mada su moderni klime pozdani i
zahtevaju minimalno održavanje, predviđeno održavanje je neophodno. Posebno treba
obratiti pažnju na:
• Očistiti filtere. Ovo treba raditi relativno često, obično svakih nekoliko
meseci. Jako zaprljanih filtera značajno smanjuju kapacitet kodicioniranja.
Prilkom izmene obratiti pažnju da novi filter instalisan odgovarajuće. U
protivnom kroz prolaze će ulaze nečistoće.
• Proveriti unutrašnji i spoljašnji spiralni razmenjivač. (inside and outside
coli). Očistiti ih.
• Proveriti otvore za ventilator. Držati ih čistim u cilju efikasnog protokoa
vazduha.
• Damperi. U slučaju postojanja dampera za spoljni vazduh, izvršiti njihovu
proveru.
• Provera sredtstva za hlađenja. Neodgovarajuće punjenje može dovesti do
ozbiljnih problema. Ovo je retka pojava. Punjenje prepusti kvalifikovanoj
osobi.
Potencijal za uštedu. Od 5% do 20% od energetskog inputa.
66
5.8.
Toplotne pumpe
Heat pumps
Toplotne pumpe su uređaji koji služe za prenos toplote sa rezervoara sa nižom
temperaturom na rezervoar sa višom temperaturom. Očigkedno da se jedan sistem
hladi (iz koga se crpi energija) a drugi zagreva (u koji se prenosi toplotna energija).
Kada je cilj hlađenja uređaj se zove rashladni sistem, ako je cilj zagrevanje onda se
uređaj zove toplotna pumpa. Osnovni cilj i jednog i drugog uređaju isti, prenos toplote
sa nižeg na viši viši temperaturni nivo.
Većina toplotnih pumpi su tipa kompresije pare. Komponente toplotne pumpe
sa kompresijom pare su potpuno iste kao sistema za hlađenje sa kompresijom pare.
Razlika između ova dva sistema je u tome što uređaji za hlađenje prenose toplotnu
energiju iz sistema sa niskom temperaturom u okolinu, dok kod toplotne pumpe iz
okoline u sistem sa visokom temperaturom.
Imajući u vidu da toplotne pumpe mogu da koriste energiju okoline (vazduh,
voda, zemlja) kao i otpadne toplote, potencijali za uštedu energije su ogromni. Jedini
način za podizanja temperaturnog nivoa otpadne toplote je pomoću toplotne pumpe.
Skoro sve toplotne pumpe rade na principu kompresiju pare ili kao apsorpcioni
ciklus.
Bivalentan način rada. Kod velikih sistema toplotna pumpa radi zajedno sa
pećom u kojem sagoreva gorivo. Peć služi za obezbeđivanje dodatne toplote i/ili
obezbeđivanje toplote u piku.
Monovalentan rad. Isključivo toplotna pumpa.
Primena toplotne pumpe u industriji
Toplotne pumpe se mogu primenuti u mnogim indurijskim procesima. Primena
obuhvata:
•
Zagrevanje prostorija
Toplotnim pumpama mogu se zagrevati staklenici, stambeni objekti ili industrijske
zgrade. Kao tolotni izvor mogu se koristiti konvencionalni izvori ili industrijska
otpadna toplota,
•
Zagrevanje ili hlađenje procesne vode
U većini industrija, temperature topla procesne vode kreće se između 40 i 900C, pre
svega radi pranja, sanitacije i higijene.
•
Produkcije pare
Temperatura industrijske otpadne pare, niskog srednjeg ili visokog pritiska, kreće
se između 100 i 2000C. Na tržištu postoje visokotemperaturne toplotne pumpe koje
mogu proizvesti paru do 3000C.
•
Sušenje i odvlaživanje
Može se koristiti u industriji za sušenje i odvlaživanje na niskim i umerenim
temperaturama (maksimalno 1000C). Generalno, koeficijent toplotnih pumpi za
sušenje je prilično visok između 5 i 7.
•
Isparavanje, destilacije i proces koncentracije.
U mnogim industrijskim sistemima toplotne pumpe našle su primenu u procesima
destilacije, uparavanja i koncentracije. Male temperaturne u ovim procesima
rezultuju u visokim koeficijentu grejanja kod ovih toplotnih pumpi, između 6 i 30.
5.9.1
Toplotni izvori
Heat sources
Primarni izvori toplote su vazduh, voda i zemlja. U praksi najčešći izvor je vazduh. Kod
malih sistema vazduh, podzemna voda i tlo (zemlja) su odgovarajući toplotni izvori.
Kod velikih sistema površinska voda, voda mora i geotermalni sistemi su mnogo
povoljniji.
67
Tehničke i ekonomske performanse toplotne pumpe je u strogoj vezi sa
toplotnim izvorom.
Vazduh
Spoljni vazduh je dostupan ali ima čitav niz problema. Kada je potreba za energijom
najveća temperatura spoljneg vazduha je najniža, kao i koeficijent grejanja. Ako je
period jaki niskih temperatura mali ovo nije posebno važno.
Izlazni ventilacioni vazduh takođe može biti toplotni izvor. Neki uređaji mogu
koristiti kako spoljni tako i ventilacioni vazduh.
Voda
Ovaj izvor toplote ima mnogo stabilniju temperaturu od vazduha. Podzemna voda je
dostupna sa stabilnom temperaturom, po pravilu između 4 i 100C. Voda se iz jednof
izvora koristi kao izvor toplote a nakon prolaska kroz toplotnu pumpu, ohlađena vraća u
poseban izvor. Većina podzemnih izvora vode su na dubini ispod 10m i mogu obezbediti
temperaturu u toku cele godine od 100C. Ovim se obezbeđuje relativno visok
koeficijent grejanja u toku cele godine (3 i više). Treba dodati da energija koja odlazi
na transport vode smanjuje koeficijent grejanja (10% po 20m dubine). Voda nakon
prolaska kroz isparivač mora se vratiti nazad u zemlju u cilu održavanja nivoa vode u
zemlji.
Podzemna voda na dubinama 80 m i niže obično je temperature u granicama 5 180C. Problem sa ovim izvorima je što voda često sadrži visoke rastvorene čvrste
čestice.
Površinske vode kao što su reke i jezera su po pravilu dobri izvori toplotne
energije. Osnovni nedostatak je što šimi zamrzavaju ili su im temperature bliske 00C.
Otpadna voda može biti dobar izvor toplote jer ima relativno stabilnu
tempertazru tokom godine.
Zemlja (tlo)
Tlo ima slične prednosti kao voda, relativno visoka i konstantna temperatura tokom
godine.
Imajući u vidu toplotni izvor i ponor, toplotne pumpe se mogu klasifikovati u
sledeće 6 osnovne grupe:
1. Voda na vodu
2. Voda na vazduh
3. Vazduh na vazduh
4. Vazduh na vodu
5. Tlo na vodu i
6. Tlo na vazduh
U Tabeli 5.7 dat je primer koeficijenta grejanja toplotne pumpe za neke sisteme
grejanja
Tabela 5.7 Koeficijent grejanja kod sistema voda na vodu kod raznih režima grejanja
ulazna/izlazna temperatura
Toplotni distribucioni sistem
εh
Konvencionalni radijatori (60/500C)
2,5
Podno grejanje (35/300C)
6,0
Savremeni radijatori (45/350C)
3,5
Solarne toplotne pumpe
Glavna prednost ovih tolotnih pumpi je što toplotni izvor na višoj temperaturi od
drugih toplotnih izvora. Ovo znači da će i koeficijent grejanja biti veći.
68
Kod direktne primene solarne energije rashladno sredstvo prolazi kroz solarni
kolektor, koji služi kao isparavač. Obično se koristi ravan solarni kolektor. Kod
indirektnog sistema, u kolektoru se zagreva voda ili vazduh, koje predstavljaju toplotni
izvor.
Na sl. 5.24 data je šema jednostepene toplotne pumpe sa kompresijom pare.
Bitno je uočiti tri različita kruga fluida:
• Krug izvora iz kojeg se toplota odvodi
• Krug toplotnog ponora u koji se toplota prenosi i
• Krug rashladnog sredstva u kojem se vrši prenos toplotne energije
Imajući u vidu pokrivanju pika toplotnih gubitaka i kapaciteta toplotne pumpe, postoje
dva sistema
Monovalentni sistem
Kod ovih sistema, toplotna pumpa ptojektovana je tako da može pokriti toplotne
gubitke pri vršnom opterećenju. Ovako projektovane toplotne pumpe imaju
preprojektovani kapacitet, jer u većini periodu rada pumpe, nema potrebe za tako
veliki kapacitet. Ovo nesumnjivo vodi ka manjem prosečnom koeficjentu grejanja
ovakvij toplotnih pumpi. Monovalenti sistemi se primenjuju samo kada su toplotni
izvori podzemna voda, tlo ili slično, odnosno izvori koji mogu obezbediti odgovarajući
kapacitet tokom celog perioda grejanja. Sezonski koeficijenti grejanja su obično viši od
sistema sa vazduhom kao toplotnim izvorom.
Bivalentni sistemi
Ovi sistemi se upotrebljavaju u slučajevima kada toplotna pumpa ne može da pokrije
vršna toplotne gubitke, zbog niskih temperatura toplotnog izvora. Ovo je slučaj kod
toplotnih pumpi sa vazduhom kao toplotnim izvorom. Ove toplotne pumpe su manjeg
kapaciteta i pokrivaju toplotne gubitke do određene tempertature vazduha-toplotnog
izvora. U slučaju nižih temperatura mora postajati dodatni izvor zagrevanja.
Mnoge toplotne pumpe mogu leti raditi u režimu hlađenja. U režimu hlađenja spoljni
krug postaje kondenzator (kondenzacija pare) a untrašnji krug preuzima ulogu
isparivača (isparavanje sredstva rashladnog sredstva). Kod ovih toplotnih pumpi postoji
tkz. "reversni ventil" koji usmerava tok sredstva za hlađenje u zavisnosti od režima
rada ili temperature prostorije.
Slika 5.24 Jednostepena toplotna pumpa sa kompresijom pare
69
5.9.2
Energetska analiza ciklusa toplotne pumpe sa kompresijom pare
Energy analysis of vapour compresion heat pump cycle
Na Slici 5.24 prikazana je toplotna pumpa sa kompresijom pare, osnovne jedinice i
odgovarajući Ts dijagram. Energetska analiza analogna je analizi kod sistema za
hlađenje. Predpostavlja se da su procesi stacionarni i da su promene kinetičke i
potencijalne energije u svakom pojedinačnom procesu zanemarljive.
Kroz sve pojedinačne uređaje protiče rashladno sresdtvo, masenog protoka
Energetski bilansi za odgovarajuće jedinici su:
•
m
.
Kompresor
•
•
W = m( h2 − h1 )
(5.71)
Kondenzator
•
•
QT = m( h2 − h3 )
(5.72)
Ekspanzioni ventil
h3 = h4
(5.73)
Isparivač
•
•
QH = m( h1 − h4 )
(5.74)
Energetski bilans za ceo sistem
•
•
•
W + Q H = QT
(5.75)
Odgovarajući koeficijent grejanja je
•
ε gr =
QT
•
(5.76)
W
Maksimalni koeficijenti grejanja dobili bi se u u slučaju idealnog Carnovog ciklusa. Za
ovaj ciklus može se napisati
•
Q H = TH ∆S
•
Q T = TT ∆S
odakle sledi
70
ε gr =
TT
TT −T H
(5.76)
Imajući gornju jednačinu u vidu, lako se može izračuniti koeficijnti grejanja idealne
toplotne pumpe za različite temperature izvora i ponora (Tabela 5. 8).
Tabela 5.8 Koeficijent grejanja kod idealnog
t T [0C]
t H [0C]
0
10
20
30
40
-40
6,8
5,7
4,9
4,3
3,9
-30
9,0
7,0
5,8
5,0
4,5
-20
13,6
9,4
7,3
6,1
5,2
-10
27,3 14,1
9,8
7,6
6,3
0
28,3 14,6 10,1
7,8
10
29,3 15,1 10,4
20
30,3 15,6
30
31,3
40
50
60
70
100
-
Carnot-ovog ciklusa
50
3,6
4,0
4,6
5,4
6,5
8,1
10,8
16,1
33,3
-
70
3.1
3.4
3.8
4.2
4.9
5.7
6.9
8.6
11.4
17.1
34.3
-
100
2.7
2.9
3.1
3.4
3.7
4.1
4.7
5.3
6.2
7.5
9.3
12.4
-
120
2.5
2.7
2.9
3.2
3.5
3.8
4.2
4.8
5.5
6.4
7.7
9.6
38.3
71
5.9.
Komprimovani vazduh
Compressed air
5.10.1 Osnove
Basics
Komprimovani vazduh se koristi u različitim operacijama kao što su aeracija, transport,
pneumatska kontrola.
Ukupni operativni troškovi komprimovanog vazduha su četiri do pet puta veći od
troškova električne energije potrebne za proizvodnju komprimovanog vazduha.
Mogućnosti uštede kod kompresora kao i sistema za kompresiju vazduha mogu biti 20
do 50% od energije koju sistem troši (Mull, 2011, 142).
Glavne komponente sistema za komprimovani vazduh su:
• Kompresor
• Liniju za distribuciju vazduha
• Rezervoar za skladištenje vazduha
• Jedinica za sušenje i prečišćavanje vazduha.
Sistem može da sadrži više kompresora. Da bi se obezbedile promenljive potrebe
za vazduhom deo sistema je obično i rezervoar vazduha. Ako to proces zahteva (kao što
je prehrambena industrija) dodatno se dodaju filtri i jedinice za odvlaživanje vazduha.
Postoje dva tipa vazdušna kompresora:
• Volumetrijski kompresori
Princip rada ovih kompresora sastoji se u tome da se povećanje pritiska vazduha
postiže smanjivanjem zapremine, pomoću raznih konstrukcionih rešenja. Na
ovom primcipu rade klipni i rotacioni kompresori.
• Dinamički kompresori
Kod ovih kompresora vazduh se komprimuje konvertovanjem dinamičke energije
u statički pritisak. Primer su turbokompresori i ejektori.
Šema tipičnog sistema za kompresiju vazduha data je na Slici 5.25.
Slika 5.25 Šema tipičnog sistema za kompresiju vazduha
Centrifugalni kompresori obično imaju veliki kapacitet, od 30 do 850 m3/min pri
opsegu pritiska od 690 do 860 kPa (142). Rezervoari za skladištenje komprimovanog
vazduha su velike zapremine i služe za snabdevanje komprimovanog vazduha potrošača
kada to izlazni kapacitet kompresora ne omogućava.
72
Karakteristika komprimovanog vazduh je kvalitet vazduha, količina i nivo pritiska.
Kvalitet vazduha određuje zahtevani stepen suvoće i kontaminarinosti krajnjeg
korisnika. Očekivani pikovi zahteva regulišu se rezervoarom za komprimovani vazduh.
Rešenje predimenzionisanog kompresora je krajnje nefeikasno. Naime, delimično
opterećeni kompresori koriste više energije po jedinici zapremine.
5.10.2 Izvori gubitaka
Sources of losses
Kod sistema za kompresiju vazduha mogući izvori gubitaka su:
• Delimično opterećenost kompresora
• Curenja vazduha
• Neodgovarajući pritisak i pad pritiska.
Delimična opterećenost kompresora bitno smanjuje energetsku efikasnost
kompresora. Mogućnosti za uštedu energije mogu poticati:
• Od samog kompresora
• Sistema za distribuciju komprimovanog vazduha i
• Jedinica koje koriste komprimovani vazduh.
Ušteda energije, generalono može se postići
• Instalisanjem visokoefikasnih kompresora
• Smanjivanjem ulazne temperature vazduha u kompresor korišćenjem spoljneg
vazduha
• Otklanjanjem curenja vazduha u distribucionom sistemu
• Smanjivanjem pritiska komprimovanog vazduha
5.10.3 Mogućnosti uštede
Energy reduction possibilities
Ugradnja visokoefikasnih motora
Većinu kompresora rade na struju. Treba imati u vidu da se kod električnih motora
korišćena električna energija ne može kompletno konvertovati u mehanički rad. Odnos
između proizvedene mehaničke snage i potrošene električne snage predstavlja
efikasnost motora. Efikasnost motora kreće se izmedju 70% i 90%. Moguće uštede, pri
zameni postojećeg motora sa efikasnijim, može se izračunati iz sledećeg izraza
100 100 
S = P × L×C × N × 
−
η
η2 
 1
gde su:
P
L
C
N
η1, η2
(5.77)
snaga motora, kW
procenat opterećenosti
cena elejtrične energije, RSD/kWh
očekivani vek rada, h
efikasnost postojećeg i visokoefikasnog motora, respektivno
Otklanjanje curenja vazduha
Ovi gubici su najveći pojedinačni gubici kod sistema sa kompresijom vazduha. Gubici se
obično iznose 25% od outputa industrijskog sistema za kompresiju pare (Terrell, 1999,
142). Potpuno uklanjanje curenja je nepraktično. Iznos curenja do 10% je prihvatljiv u
73
praksi (Cerci et al., 1995). Treba napomenuti da cena curenja komprimovanog vazduha
raste eksponencijalno sa porastom prečnikom otvora curenja.
Smanjivanje pritiska komprimovanog vazduha
Veza između brzine rada motora i pritiska data jednačinom
P2  RPM 2 
=
P1  RPM 1 
2
W2  RPM 2 
=
W1  RPM 1 
(5.78)
2
(5.79)
U gornjim jednačinam P, RPM i W predstavljaju pritisak, broj obrtaja i električnu snagu,
respektivno. Iz jednačine (4.
) se vidi da male promene broja obrtaja motora
rezultuju u velikoj promeni pritiska i velikoj promeni u potrošnji energije.
Smanjivanje ulazne temperature vazduha
Tokom svog rada u kompresoru se generiše toplotna energija što dovodi do povišenja
temperature vazduha. Viša temperatura ulaznog vazduha rezultuje u višoj izlaznoj
temperaturi. Ovo nameće potrebu korišćenje što niže temperature. Korišćenje spoljnog
vazduha može smanjiti potrošnju energije. Snaga kompresora proprcionalna je
apsolutnoj temperaturi izlaznog vazduha (Mull, 2001, 142)
W2 T2
=
W1 T1
(5.80)
Kod višestepenih kompresora može se vršiti hlađenje vazduha između stepena
kompresora što dovodi do povećanje gustine vazduha i smanjivanja potrebne snage.
Rekuperacija otpadne toplote
Pri kompresiji vazduha dolazi do generisanja značajne količine toplotne energije. Oko
80% energije, utrošene na kompresiju vazduha biva akumulisana u vidu toplotne
energije u krajnjem komprimovanom vazduhu.
74
5.10.
Sistemi za osvetljenje
Light systems
Uloga industrijskih sistema za osvetljenje je obezbeđivanje odgovorajućeg nivoa
osvetljenja kao i obezbeđivanja pozitivnog osećaja u prostorijama za rad.
Energija potrebna za osvetljenje troši sijalica. Iz tog razloga limitirajaći faktor u
efikasnosti sistema za osvetljavanje predstavljaja upravo sijalica. Po pravilu, pri
poboljšanju efikasnosti sistema za osvetljavanje prvo na šta treba obratiti pažnju su
sijalice. Kompletan izvor osvetljenja predstavlja armatura, iluminator i difuzer ili
sočivo. Uloga difuzera ili sočiva je prventsveno u kontroli i raspodeli svetla iz sijalice.
5.10.1 Efikasnost
Efficiency
Udeo električne energije koja se konvertuje u svetlost naziva se „lumen efikasnost“ ili
kraće „efikasnost“. Jedinica ovako definisane efikasnosti je lumen/wat. U odnosu na
standardu definiciju efikasnosti, jedina razlika je u jedinicama. U zavisnosti od tipa
sijalice, efikasnost se znatno razlikuju. Teoretski maksimum je 220 lumena/wat.
Savremeni izvori osvetljenja približavaju se ovoj granici. Treba napomenuti da za sve
tipove sijalica postoji jaka korelacija između efikasnosti i veličine. Više vrednosti za
efikasnost imaju veće sijalice i obrnuto.
5.10.2 Usijani svetlosni izvori
Incandescent Lighting
Svu svetlost koje vidimo predstavlja zračenje u vidljivom delu spektra. Prelaskom sa
višeg na niži energetski nivo elektroni oslobađaju energiju zračenjem. Deo ovog
zračenja je u vidljivom delu spektra i predstavlja svetlost. Prema tome, u cilju
dobijanja svetlosnog izvora neophodno je povećati energiju elektrona. Na ovome se
zasniva princip rada svih svetlosnih izvora: sijalice sa usijanom izvorom, fluoroscenta
sijalica i LED sijalica.
Postoje mnogi načini da se poveća energija elektrona. Kod tri glavna svetlostna
izvora (sijalice sa usijanim izvorom, fluoroscentni i LED svetlosni izvori) elektroni se
ekscitiraju kolizijom.
U cilju dobijanja što efikasnijeg svetlostnog izvora, zračenje koje daje svetlosni
izvor treba da je što više u vidljivom delu spektra. Postoje svetlosni izvori kod kojih je
većina zračenja u vidljivom delu spektra, kao i svetlosni izvori gde je samo meli deo
zračenja u vidljivom delu spektra.
Kod sijalica sa usijanom izvorom kao posledice prenete toplotne energije povišava
se temperatura žice/ispune (filament), koje ujedno predstvlja i merilo nivoa
akumulisane energije u sistema (sijalica). Viša akumulisana energija rezultuje u višoj
temperature odnosno u intenzivnijem kretanju molekula/atoma. Dovoljna visoka
temperature dovodi do potrebnog nivoa kolizije koja omogućava prelazak elektrona na
viši energetski nivo. Pri vraćanju na niži energetski, razlika u energiji između višeg i
nižeg nivoa emituje se u okolinu u vidu zračenja. Prenos toplotne energije na
žicu/ispunu, kod skoro svih ovih sijalica, vrši se pomoću električne energije. Element
koji emituje svetlost je tungsram žica, ili filament, koje se ponašaju kao otpornik. Pri
prolasku električne struje kroz žicu/ispunu dolazi do njihovog zagrevanja, dovoljnog da
bude dobar svetlosni izvor.
Temperatura filamenta kod obične sijalice sa ovih sijalica kreće se između 2100 i
28000C. Sa Slike 5.26 vidi se da samo deo spektra zračenja ovakvih sijalica se nalazi u
vidljivom delu.
75
Važna osobina svetlosnog izvora, je da reprodukuje boje objekta kojeg osvetljava.
Da bi se ovo postiglo, svetlosni izvor treba da emituje talasne dužine svih boja. Sijalice
sa usijanim svetlosnim izvorom daju široki kontinualni spektar koji obezbeđuje dobar
prikaz boja.
Usijani izvori osvetljenja nisu efikasna. Ovo se dobro vidi sa Sl. 4.19. Najveći deo
spektra zračenja ovih svetlosnih izvora pada u oblast nevidljivo za ljudsko oko. Sunce
možemo smatrati najefikasnijim izvorom svetlosti ovog tipa jer se pik njegovog spektra
blizu centra vidljivog dela zračenja. I u ovom, idealnom slučaju, samo 35% dela
zračenja se nalazi u vidljivom delu.
Slika 5.26 Spektar sijalica sa užarenom žicom (1352, 131)
Emisione karakteristike sijalica sa usijanim izvorom zavise od temperature
filamenta. Poželjna je što viša temperatura. Skoro svi savremeni usijani izvori
osvetljenja kao izvor svetlosti koriste električno zagrevan tungsten. Tungsten ima
visoku temperaturu topljenja i shodno tome malu brzinu isparavanja na visokim
temperaturama. Treba, međutim dodati da je volfram izuzetno krt.
I pored relativno visoke temperature, temperatura tungstena je još uvek daleka od
temperature koja bi dala spektar blizak idealnom. Jasno je da ne postoji čvrst
materijal, koji može ostati u čvrstom stanju na temperaturi koja bi obezbedila
maksimalnu efikasnost
Temperatura topljenja volframa je oko 3370C. U sijalici, volfram se zagreva nešto
ispod temperature topljenja, koja obezbeđuje efikasnost od 50 lumena/watu. Na ovoj
temperaturi, međutim dolazi do isparavanja tungstena. Isparavanje se intenzivira
približavanjem temperature tungstema temperaturi topljenja. Gubici metala
isparavanjem, istanjuje filament i skraćuje njegov životni vek. Iz tog razloga,
temperatura filamenta mora biti kompromis između efikasnosti i veka korišćenja.
Ograničena temperatura filamenta ima kao rezultat pomeranje spektra njegovog
zračenja ka infracrvenom delu. Ovo ima i dobar efekat, a to je nedovoljno emitovana
ultravioletnog zračenja da bi izazvala probleme.
Povišenje temperature filamenta vodi ka povećanju efikasnosti. Da bi se izbeglo
ubrzano isparavanje koje ide sa povišenjem temperature, sijalica se može ispuniti
inertnim gasom. Ovo rezultuje u manjoj količini isparenog tungstena. Količina inertne
ispune je ograničena, jer inertni gas provodi toplotu i odvodi deo toplotne energije
filamenta. Kod običnih sijalica, optimalni pritisak je blizu atmosferskog.
Volfram halogen sijalica
Kada je filament okružen toplim halogenim gasom (fluor, hlor, brom ili jod) dolazi do
reakcije itmeđu isparenog tungstena i halogena. Kada ovako formirano jedinjenje
dođe u kontakt sa vrelim filamentnom dolazi do njegove razgradnje i tungsten se vraća
u filament. Regeneracija filamenta omogućava rad na višoj temperaturi i duži radni
vek.
76
Halogeni gas se takođe jedini sa tungstenom deponovanom na omotu sijalice,
održavajući ga čistim. U cilju održavanja gasa na visokoj temperaturi. Filament se
okružuje malom transparentnom kapsulom, sačinjenog od materijala otpornog na
visoke temperature. Obično je kapsula sačinjena od kvarca. Materijal kapsule mora biti
čvrst da bi izdržao pritisak od nekoliko bara.
Visoka temperatura i pritisak unutar kapsule zahteva dodatnu spoljnu zaštitu kao
što je dodatni omotač od stakla.
Kao i kod drugih sijalice i ovde se pravi kompromis između efikasnosti i radnog
veka. Ukoliko je cilj isključivo efikasnost, može se postići poboljšanje od 30%. Ako je
cijl radni vek, radni vek se može produžiti za faktor tri do pet.
Infracrveni reflektivni omotač
Unutrašnjost omotača sijalice može prevući filmom koji selektivno reflektuje
infracrveno zračenje. Zračenje se reflektuje ka filamentu, čime se smanjuje potreba
za električnom energijom koja služi za zagrevanje filamenta. Treba napomenuti, da je
ovo jedino poboljšanje kod usijanih svetlosnih izvora koje se ne zasniva na povišenju
temperature filamenta.
Niskonaponski filamenti
Za datu snagu, niskonaponske sijalice imaju tanji filament. Ovo omogućava postizanje
više temperature. Ekstremni primer su sijalice od 12 V-ne sijalice od 25W sa radnim
vekom od 100 sati. Ove sijalice su 70% efikasnije od odgovarajuće 240 V-ne sijalice.
Efikasnost, međutim opada sa porastom snage sijalice. Glavni nedostatak ovih sijalica
je potreba za pretvračem, što ih čine skupljim.
5.10.3 Fluoroscentni izvori osvetljenja
Fluorescent Lighting
Fluoroscenta sijalica se sastoji od staklene cevi sa elektrodama na svakom kraju.
Unutrašnja površina cevi prevučena je jednim ili više tipova fosfora. Untrašnjost cevi
ispunjena je parom žive na jako niskom pritisku, zajedno sa sa jednim ili više “pufer”
gasa.
Generacija svetlosti kod ovih sijalica dolayi u dva koraka. U prvom koraku dolazi do
pražnjenja luka. Uloga pare žive je da formira luk. Luk može biti gas ili para koja
provodi električnu struju. Slobodni elektroni koji putuju kroz prostor ubrzavaju se
pomoću električnog polja. Elektroni udaraju o atome pare žive, oslobađajući dodatne
elektrone koji doprinose električnoj struji. Teški jonizovani atomi žive, takođe putuju
u električnom polju, ali mnogo sporije. Imajući u vidu da su joni pozitivni a elektroni
negativni, njihovo kretanje je u suprotnom smeru.
Pri ekstremno niskim pritiscima pare žive, svaki atom žive izolovan je od uticaja
drugog atoma. Shodno tome, nivo energije njihovih elektrona je strogo definisan.
Elektroni se eksituju na viši nivo kolizijom sa elektronima koji se slobodno kreću u
prostoru između atoma.
U cilju postizanja visoke efikasnosti, sijalice se prave tako da se atomi žive
ekscituju na prvi nivo i da se ekscitovanje atoma na ostale nivoe minimizuje. Ovo
rezultuje u koncentrovanju emitovane svetlosne energije na određenu talasnu dužinu.
Imajući jednu dominantnu talasnu dužinu omogućava kreiranje fosfora za efikasnu
konverziju u svetlost i odgovarajuću kontrolu boje.
Pri relaksaciji atoma žive sa prvog ekscitovanog nivoa dobija se niskotalasno
zračenje izvan spektra vidljivog dela. Uloga fosfora je da ovo ultraviolentno zračenje
konvertuje u široli spektar vidljivog zračenja. Nije moguća konverzija celokupnog
ultravioletnog zračenja u vidljivo. Kod tipučne fluoroscentne lampe, oko 50% ulazne
energije odlazi na dobijanje zračenja sa prvog nivoa a oko 10% ulazne energije odlazi
77
na dobijanje zračenja sa sledećeg energetskog nivoa, koje daje zračenje u još daljem
ultravioletnom delu.
Elektroni prvo emituju elektrode sa obe strane cevi. Imajući u vidu da
fluoroscentene sijalice rade na naizmeničnu struju, polovinu vremena elektroni putuju
u jedno smeru a drugu polovinu u frugom smeru. Većina ovih elektrona gube se na
zidovima cevi pre nego stignu do drugog kraja cevi. U cilju održanja protoka struje,
originalni elektroni moraju biti zamenjeni elektronima iz pare žive.
Proces udaranja elektrona i njihovog oslobađanja naziva se jonizacija. Samo deo
emergije koja odlazi na jonizaciju, konvertuje se u svetlost.
Fluoroscentno sijalice su limitirane u pogledu intenziteta. Tipično oko 30 wat/m2
po jednoj cevi. Razlog ovome je što struja u cevi mora biti limitirana. U slučaju jako
visokih strujanja elektrona, postoji povećana verovatnoća u daljoj ekstaciji već
ekscitovanog atoma žive. Ovo vodi ka dobijanju emisiji zračenja različitih talasnih
dužina, od kojih većina je neupotrebljivih.
Treba još dodati da se kod fluoroscentnih sijalica jedino para žive koristi kao izvor
svetlosti.
Fosfor konvertuje ultravioletno zračenje u vidljivu svetlost. Fosfor je kristal koji
ima osobinu da kada bude ekscitovan emituje zračenje. Kada se fosfor ekscituje
ultravioletnim zračenjem od strane pare žive, fosfor emituje zračenje u širokom
spektru pomerenog ka višim talasnim dužinama. Fosfor je izabran jer spektar zračenja
najviše pada u vidljivi deo. Jasno je da celokupno ulazno zračenje ne može da se
konvertuje u svetlost. Konverzija se kreće između 35% i 50%.
Savremeni sistemi fosfora, u odnosu na ranije koje su imale efikasnost od 75
lumen/wat, imaju efikasnost do oko 90 lumena/watu. Indeks reprodukcije boja je
takođe poboljšan, od 60 do sadašnjih 90. Što se tiče gubitka performansi tokom radnog
veka, ona je smanjena sa 20% na 7%. Nedostatak savremenih fosfornih sistema je veća
cena.
Povećanje efikasnosti pomoću pufer gasa. Fluoroscentne lampe sa puferom
sadrže, pored pare žive jedan ili više "pufer gasa". Ovakve sijalice ustvari sadrže više
pufer gasa nego pare žive. Argon je uvek primaran pufer gas. Pufer gasovi imaju više
uloga. Glavna uloga ovih gasova je otpor daljem ekscitovanju. Jedna od najvažnijih
uloga je smanjivanje gubitka elektrona koji treba da eksituju atom žive.
Gustina pare žive u cevi je jako mala. U slučaju ispunjenosti cevi isključivo parama
žive udaljenost između atoma para žive je velika. Pri ovakoj razdaljini između atoma,
verovatniji su sudari elektrona sa zidovima cevi ili pozitivnom elektrodom mego sa
atomima žive. U cilju postizanja veće jonizacije jedan način je primena visokih
napona, što bi dovelo do povećane jonizacije. Ovo bi, međutim učinilo ovakve sijalice
skupim i opasnim.
Drugo, pravo rešenje je dodavanje drugog gasa (pufer gasa), u količini koja
smanjuje razdaljinu između atoma žive i omogućava sudare sa elektronima. Pored toga
pufer gasovi štite elektrode i kristale fosfora. Brzina teških jona žive, nakon uzastopnih
sudara sa pufer gasovima drži se na dovoljnom niskom nivou. U suprotnom teški atomi
žive velike brzine doveli bi do ubrzanog oštećenja elektroda i fosfora.
Uticaj temperature na efikasnost i produkciju svetlosti
iTemperatura okoline ima uticaj na efikasnost kao i na količinu dobijene svetlost.
Razlog ovome je što temperatura površine sijalice utiče na pritisak pare žive u cevi.
Optimalna gustina žive je oko 400C. Imajući u vidu efekat izolacije ispune cevi i
fosfora, optimalna temperature površine sijalice je oko 300C. Temperatura površine
iznad i ispod znatno smanjuju efikasnost sijalice.
78
Efekat oblika lampe na efikasnost
Dužina cevi utiče na efikasnost ovih lampi. Elektrode troše energiju bez produkcije
svetlosti. Ovi gubici su relativno kostantni, što znači da kraće cevi imaju relativno
veće gubitke. Ovo znači da su duže cevi efikasnije. Zakrivljenost doprinosi nefekisnosti.
Normlni radni vek konvencionalne sijalice je oko 20.000 sati. Aktuelni radni vek
sijalice je u strogoj vezi sa brojem startovanja tokom radnog veka.
Degradacija lumena
Degradacija lumena varira između 10% i 40% u zavisnosti od tipa lampi. Glavni uzrok
degradacije kod fluoroscentnih lampi je raspad fosfora i tamnjenje sijalice od
materijala koje gube elektrode, Degradacija fosfora je mnogo veća kod sijalica sa višim
naponom.
5.10.4 HID i LPS osvetljenja
H.I.D. and L.P.S. Lighting
Ovde spadaju sijalice sa velikom produkcijom svetlosti. U ovu kategoriju spadaju tri
različita tipa sijalica:
• Para žive
• Metal halid
• Sodium visokog pritiska.
Između ova tri različita tipa osvetljenjenja postoji velika razlika u pogledu
efikasnosti, sposobnosti reprodukciji boja kao i drugih važnih karakteristika.
HID sijalice
U osnovi, fizički proces je sličan onome kod fluoroscentnih sijalica. Kao i kod
fluoroscentnih sijalica, HID sijalice koriste paru metala kao glavni izvor osvetljenja.
Kod HID izvora osvetljenja pritisak pare je sto puta veći od pritiska kod fluoroscentnih
svetiljki. Para žive i metalne halid lampe rade pri pritisku od nekoliko bara. Sijalica sa
sodijumom visokog pritiska rade pri pritisku od desetak bara.
Visoki pritisak pare metala dobija se radom sijalice na visokoj temperaturi. Para
metala i inertni gasovi se greju pomoću relativno jake struje unutar cevi male
zapremine u cilju postizanja visoke temperature sa malom uloženom električnom
strujom.
Produkcija svetlosti HID svetiljki je prilično velika u odnosu na veličinu sijalice.
Intenzivna eksitacija gasa rezultuje u spektru dobijene svetlosti koja je većinom u
vidljivom delu. Ovo je glavna razlika u odnosu na fluoroscentne svetiljke. I pored toga
HID svetiljke koriste fosfor. Prvenstveno u cilju proširenja spektra boja kao i konverta
neželjnog ultravioletnog zračenja u vidljivu svetlost.
Inertni gasovi kod HID svetiljke ne igraju ulogu pufer gasa kao kod fluorocentnih
lampi. Gustina pare metala je dovoljna visoka tako da nema potrebe za pufer gasom.
HID svetiljke ima mali untrašnji cevni luk koji sadrži jedan ili više pae metala.
Pored toga tu su i inertni gasovi. Cevni luk je uglavnom cilindar i ima elektrode na oba
kraja. Cevni luk je sačinjen od kvarca ili aluminijuma koji izdržavaju visoke radne
temperature kao i hemijske aktivnosti para metala.
Svetiljke sa parom žive
Kod ovih svetiljki, skoro sva svetlost se emituje od strane eksitovanog atoma žive. U
odnosu na fluoroscentne svetiljke, većina zračenja je u vidljivom delu spektra. Ove
svetiljke su najmanje efikasne HID lampe. Bitno su manje efikasne od konvencionalnih
fluoroscentnih svetiljki.
79
Svetiljke sa metal halogenom
Ove svetiljke predstavljaju poboljšanje u odnosu na svetiljke sa parom žive. Glavno
poboljšanje sastoji se u tome što se koriste pare više metala. Neki od izabranih metala
daju svetlo efikasnije od žive, koji vodi povećanju ukupne efikasnosti.
Svetiljke sa metalom halogena mogu koristiti fosfor u cilju uniformnijeg spektra
boja. U pogledu poboljšanja efikasnosti ovaj doprinos je mali.
Svetiljka sa natrijumom visokog pritiska
Ovde je glavni element izvora svetlosti natrijum. Kod ovih svetiljki prvo ekscitovano
stanje natrijuma daje zračenje koje je takoreći u sredini fidljivog spektra. Degradacija
lumena je manja nego kod prethodna dva tipa. Tipično. Produkcija svetlosti pada za
20% ili manje pri kraju radnog veka.
Ove svetiljke koriste mnogo manje žive nego prethodna dva tipa svetiljki. Rezultat
je zraćenje praktično bez ultravioletne emisije.
Svetiljka sa natrijumom niskog pritiska
Pri jako niskom pritisku, ekscitovane pare natrijuma emituju veliki deo svoje energije
pri jednoj talasnoj dužini koja se nalazi u centru vidljivog dela spektra. Ove svetiljke
imaju veoma visoku efikasnost.
Neke komecijalne svetiljke dostižu efikasnost od 180 lumen/wat (teoretski maksimum
220 lumen/wat).
Radna temperatura svetiljke je kritična u pogledu efikasnosti jer određuje pritisak
pare natrijuma. Optimalna temperatura je oko 2600C. Da bi se ova temperatura
održala, svetiljka ima spoljnu opnu i interni toplotni refleksioni film.
Efikasnost HID svetiljki
U donjoj tabeli date su efikasnosti HID lampi uporedo sa efikasnosšću klasične
fluoroscentne lampe.
Tabela 5.19 Efikasnost visokoproduktivnih lampi
Tip svetiljke
Efikasnost [lumen/wat]
Para žive
35 - 65
Metal halogeni
70 - 130
Visoko pritisni natrijum
50 - 150
Nisko pritisni natrijum
100 - 190
Fluoroscenta
30 - 95
Treba napomenuti da gubici kod ovih lampi nisu uzeti u obzir. Oni mogu biti značajne i
razlikuju se u zavisnosti od vrste HID svetilj
5.10.5 Mogućnodti za uštedu
Energy reduction opportunities
1. Nekorišćeni prostori su osvetljeni
Osvetljenje treba da se koristi samo gde i kada je to potrebno. Treba koristiti
upozorenja da se svetla gase tamo gde više za to nema potrebe. Isto tako proces
rada treba organizovati tako da se nepotrebno osvetljenje ne koristi; krug
osvetljenja ako treba prepovezati tako da jedan prekidač ne kontroliše veliku
površinu. Koristiti timer ili foto-električnu kontrolu da se osvetljenje ne koristi
2. Nivo osvetljenosti prelazi predviđeni standard
Ovo predstavlja nepotreban, dodatan trošak. Nepotrebne sijalice treba isključiti,
pri dovoljnom dnevnom osvetljenju ne trebe ih koristiti. Ako je potrebno sijalice
80
treba promenuti sa slabijima.
Ovom merom moguće su uštede od 30 do 70% kod prostorija gde je izvršena
redukcija nivoa osvetljenosti.
3. Efikasnost sijalice
Pri projektovanju novih sistema za osvetljenje ili modifikaciiji postojećih, prednost
treba dati najefikasnijim izvorima svetlosti koji omogućuju datu iluminaciju. U
mnogim slučajevima zamena starih neefikasnih sijalica sa novim efikasnijim
rezultuje u boljem osvetljenju i nižim troškovima.
4. Ugradnja reflektora u postojeću armaturu
5. Dizajn sistema za osvetljavanje
Projektovati sistem osvetljenje tako da je u skladu sa datim aktivnostima u svakoj
pojedinoj prostoriji.
6. Izvori osvetljenja su prljavi
Zaprljanost sijalica ili luminatora značajno može da smanji nivo osvetljenja. Treba
proveriti i po potrebi očistiti svetla i armaturu u cilju odgovarajuće osvetljenosti
prostorija.
7. Zidovi i okolne površine. Prljavi i tamni zidovi i okolne površine ne reflektuju
svetlost što znatno smanjuje nivo osvetljenosti prostorija.
81
5.11.
Toplotni razmenjivači
Heat exchangers
5.12.1 Osnovi
Basics
Kod toplotnih izmenjivača postoje dve struje: grejna i grejana. Grejna se nalazi na
višoj temperaturi i predaje toplotu grejanoj koja je na nižoj temperaturi. Struje su
obično razdvojene zidom kroz koju se vrši prenos toplote.
Toplotni razmenjivač cev u cevi
Razmenjival se sastoji od dve cevi, jedna od njih smeštena je u drugoj. Jedan fluid
struji kroz unutrašnju cev a drugi kroz anularni prostor spoljne cevi.
Toplotni razmenjivač sa snopom cevi
Ovaj toplotni razmenjivač sastoji se od snopa cevi.
Pločasti razmenjivač toplote
Ovaj toplotni razmenjivač sastoji se od niza paralelnih, blisko postavljenih smeštenih u
okvir. Kapacitet pločastih razmenjivača se može podešavati dodavanjem ili
oduzimanjem ploča u okvir. Tok grejne i grejane struje može biti paralelan ili
protivstrujni. Pločasti razmenjivači mogu se koristiti za grejanje i hlađenje u
prehrambenoj, hemijskoj i farmaceutskoj industriji zbog veliki termičke efikasnosti,
fleksibilnosti i lakog čišćenja.
Orebreni toplotni izmenjivači
Orebreni toplotni razmenjivač prikazan na Slici 5.27. Glavna prednost rebrastog
toplotnog razmenjivača je prevencija zaprljanja površina razmenjivača.
Koeficijenat prelaza toplote
U toplotnom razmenjivaču, toplota sa grejnog fluida prelazi na zid konvekcijom, kroz
zid toplota prolazi kodukcijom i konačno sa zida na grejani fluid konvekcijom. Toplotni
fluks konvekcijom dat je donjim izrazom
Q = αA∆t
gde su:
Q
α
A
Δt
(5.81)
toplotni fluks, W/m2
sa grejnog fluida na zid ili sa zida na grejani fluid,
koeficijent prelaza toplote, W/m20C
površina zida, m2
temperaturna razlika, 0C
fluid - zid (u slučaju prelaza toplote sa grejnog fluida na zid)
zid – fluid (u slučaju prelaza toplote sa zida na grejani fluid)
U Tabeli 5.20 dati su primeri nekih vrednosti koeficijenata prelaza.
82
Tabela 4.20 Primeri koeficijenata prelaza toplote
Fluid
Koeficijent prelaza toplote, α [W/m20C]
Prirodna konvekcija vazduha
5 – 25
Prinudna konvekcija vazduha
10 – 200
Prirodna konvekcija vode
20 – 100
Prinudna konvekcija vode
50 – 10.000
Ključanje vode
3.000 – 100.000
Kondenzacija vodene pare
5.000 – 100.000
Temperaturna razlika
Količina toplote koja se prenosi između fluida koji prolazi kroz toplotni razmenjivač je
funkcija temperaturne razlike između grejnog i grejanog fluida. Ova temperaturna
razlika se menja u toplotnom izmenjivaču. Efektivna temperaturna razlika je srednja
logaritamska razlika, ΔT LMTD
∆TLMTD =
gde su
T t1
T t2
T h1
T h2
( Tt 2 −T h 2) − ( Tt1 − Th1 )
 T −T h 2 
ln  t 2

 Tt1 − Th1 
(5.82)
temperatura toplog fluida na kraju 1 toplotnog izmenjivača
temperatura toplog fluida na kraju 2 toplotnog izmenjivača
temperatura hladnog fluida na kraju 1 toplotnog izmenjivača
temperatura hladnog fluida na kraju 1 toplotnog izmenjivača
5.12.2 Toplotni bilans u toplotnom razmenjivaču
Heat balance of heat exchangers
Toplota koju predaje topli-grejni fluid prima hladni-grejani fluid. Toplotni fluks koju
predaje topli-grejni fluid
•
Q = m t c p ,t ( T1,t − T2 ,t )
(5.83)
Jednaka je toplotnom fluks koju prima hladni-grejani fluid
•
Q = m h c p ,h ( T2 ,h − T1,h )
(5.84)
Odnosno toplotnom fluksu koja se prolazi kroz zid sa toplog na hladni fluid
Q = KA∆TLMTD
(5.85)
83
5.12.3 Efekisnost toplotnih izmenjivača
Heat exchanger efficiency
Efikasnost toplotnih izmenjivača predstavlja odnos između količine prenete toplote i
maksimalno moguće prenete toplote u slučaju toplotnog razmenjivsača sa
beskonačnom površinom za razmenu.
ε=
•
mc
( Tul − Tizl )

 topliilihladnifluid
•
( mc )min ( Tt ,ul − Th ,ul )
(5.86)
U slučaju beskonačne površine za razmenu, izlaznom temperatura hladnog fluida bi se
približila ulaznoj temperaturi toplog fluida, dok bi izlazna temperatura toplog fluida
približila ulaznoj temperaturi hladnog fluida. Toplotni razmenjivači tečnost-tečnost
obično rade sa efikasnošću od 75%.
Znajući efikasnost toplotnog izmenjivača, izlazna temeratura toplog ili hladnog
toka može se predvideti. Stvarno toplotno opterećenje može se izračunati pomoću
izraza
•
Q = ε ( m c )min ( Tt ,ul − Th ,ul )
(5.87)
Temperature toplog i hladnog fluida mogu se odrediti iz donjih izraza
Tt ,iyl = Tt ,ul −
Th ,izl = Th ,ul
Q
•
( m c )t
Q
+
•
( m c )h
(5.88)
(5.89)
5.12.4 Mogućnosti za uštedu
Energy reduction opportunities
1. Intenziviranje razmene toplote
Ratmena toplote kod toplotnih razmenjivača mogu se intenzivirati pasivnim ili
aktivnim metodama. Pasivne tehnike mogu biti grube površine a aktivnie tehnikama
mogu biti mehanička agitacija, vibracija površina ili vibracija fluida.
2. Otklanjanje dominantnog otpora prenosu toplote
Limitirajući prenos toplote može biti prenos toplote konvekcijom sa toplog fluida
na zid ili sa zida na hladni fluid. Dominantni otpor može biti i prenos toplote
kondukcijom kroz zid. Otklanjanje dominantnog otpora mogu se poboljšati
efikasnost toplotnih razmenjivača.
3. Otklanjanje zaprljanosti razmenjivača toplote
Svaka zaprljanost površina za razmenu predstavlja dodatni otpor prenosu toplote.
Otklanjanje zaprljanosti vraća prvobitnu efikasnost razmenjivača
4. Optimalni dizajn toplotnog razmenjivača
Poboljšanje efikasnosti toplotnom integracijom toplotnih razmenjivača.
84
5. Integracijom struja toplotnih razmenjivča u sistemu dovodi do do dodatne
uštede.
85
5.12.
Destilacija
Dstillation
5.13.1 Uvod
Introduction
Visoki zahtevi za kvalitet proizvoda naterali su industruju da poboljšaju proces
separacije. Destilacija je naujobičajeniji separacioni proces u industriji. Oko 95% od
svih separcionih procesa fluida vrši se destilacijom, pri tome treba imati u vidu da je
destilacija visokointezivni energetski proces gde se koristi oko 3% energije od ukupne
svetske potrošnje (Engelien HK, Skogestad S. 2004). Ukupni termodinamička efikasnost
konvencionalnih destilacija je istovremeno veoma niska i kreće se između 5 i 20% (De
Koeijer G, Kjelstrup S., 2000). Visoki zahtevi za potrošnju energije u direktnoj su vezi
sa emisijom CO 2 . Naime, energija potrebna za proces destilacije se uglavnom dobija
sagorevanjem fosilnih goriva.
Ovo nameće zaključak da smanjivanje potrošnje energije u ovoj oblasti dovodi
do velike uštede.
5.13.2 Fleš destilacija
Flash distillation
Fleš destilacija je raširena način za separaciju tečnih smeša ili rastvora. Da bi se smeša
razdvojila na konsitutivne komponente neophodno je uložiti odgovarajuću energiju.
Jedna od najednostavnijih operacija destilacije je fleš destilacija. U ovom procesu,
deo napojne struje isparava u jednoj jedinici. Nastaje višekomponenta ravnoteža paratečnost. Mada je para je bogatija lakšim isparljivim komponentama, popuna separacija
se ne postiže. Tipični komponente sistema za fleš destilaciju prikazani na Sl. 4.20.
Slika 5.28 Šematski prikaz sistema za fleš destilaciju
Napojna tečne smeše, temperature T 0 i pritiska P 0 i datog sastava [z] ulazi u sistem.
Smeši se podiže pritisak na P F i temperatura na T F , pomoću pumpe i razmenjivača
toplote, za šta je naravno potrebna energija. Višekomponenta smeša pritiska P F i
temperature T F , nakon prolaska kroz ventil, gde dolazi do smanjivanje pritisak a
obično i temperature smeše, ulazi u posudu. Smeša se u fleš posudi razdvaja na parnu
86
fazu sastava [y] i tečnu fazu sastav [x]. Parna faza je bogatija a tečna faza siromašnija
lakšom isparljivijom komponentom.
5.13.3 Višestepena destilacija i refluks
Multistage distillation and reflux
Višestepena destilacija odigrava se u koloni. Destilaciona kolona sastoji se od više
koponenti. Svaka od komponenti ima svoju ulogu, prenos toplote ili inteziviranje
prenosa mase. Tipična destilaciona kolona se sastoji od:
1. Vertikalne cilibdrične kolone
kroz ovu kolonu protiče parna i tečna faza i tu se odigrava proces razdvajanja
2. Unztašnjost kolone
u unutrašnjosti koloni se nalaze podovi i/ili ispune čiji je cilj intezifikacija
procesa razdvajanja komponenti
3. Rebojlera
U rebojleru se pomoću dovedene toplotne energije odigrava isparavanje
neophodno za proces destilacije
4. Kondenzatora
Uloga kondenzatora je kondenzacije pare na vrhu kolone.
5. Posuda za refluks
Ovde se skladišti kondenzat, kondenzovana para sa vrha kolone, koja se može
reciklovati nazad u kolonu.
Napoj se obično unosi negde blizu središnjeg dela vertikalne destilacione kolone na
napojni pod. Sekcija iznad napojnog poda se obično naziva rektifikciona (obogaćena),
dok se sekcija ispod napoja naziva striping sekcija. Napoj odlazi dole u rebojler. U
rebojleru se dovodi toplota neophodna za isparavanje napoja. Izvor toplotne energije
je para ali može biti bilo koja odgovarajuća topla struja iz procesa. Para generisana u
rebojleru se uvodi u dnu kolone. Tečnost iz rebojlera, dno, se odvodi iz sistema
Para iz rebojlera ulazi na dno kolone i kreće se prema vrhu i izlazi na vrhu kolone.
Kondenzuje se u kondenzatoriu i skladišti se u posudi za refluks. Deo tečnost koji se
vraća u nazad preko vrha kolone naziva se refluks. Drugi deo kondenzata odvodi se iz
sistema i naziva se destilat.
Slika 5.29 Šematski prikaz višestepene destilacione kolone
87
Brojanje podova, po pravilu počinje od vrha i završava se na dnu. Šematski prikaz
sistema sa višestepenom destilacionom kolonom da je na Slika 5.29.
Kroz destilacionu kolonu protiču dve struje: struja pare (koja se kreće na gore) i struja
tečnosti (koja se kreće na dole). Na svakom podu dolazi jedna tečna struja odgore i
jedna parna od dole, pod napušta jedna parna struja (na gore) i jedna telna struja (na
dole). Dolazeće struje nisu u ravnoteži a u idealnom slučaju odlazeče struje su u
ravnoteži. Slika 5.30 prikazana je jedan pod. Para V j+1 i tečnost L j-1 dolaze na pod. Ova
dva toka, koja nisu u ravnoteži, dolaze u kontakt i pod napuštaju para V j i tečnost L j ,
koje su, kod idealnog poda u ravnoteži.
Slika 5.30 Šematski prikaz poda destilacione kolone
Što znači da bi postigli isto razdvajanje, realna destilaciona kolona mora imati više
podova u odnosu na idealnu. Efikasnost destilacione kolone može se definisati kao
odnos između idealnog i stvarnog broja podova.
η DK =
N IDK
N STK
(5.90)
Gde su N IDK i N STK predstavljaju broj podova kod idealne i stvarne kolone, respektivno.
Refluks predstavlja odnos između tečnosti koja se vraća u destilacionu kolonu i
destilata koji se odvodi iz sistema
r=
L0
D
(5.91)
imajući u vidu
D = V1 − L0
(5.92)
dobijamo
L0
r
=
V1 r + 1
(5.93)
Maseni bilans destilacione kolone
Na osnovu Sike 5.29 možemo formulisati maseni bilans za sistem. Ulaz je na napoj, F a
izlaz destilat, D i ostatak na dnu, B. Jedinice psu obično mol/s, madaponeka mogu biti
korišćeni i maseni protoci, kg/s.
Radi se o protočnom stacionarnom sistemu, sa jednim ulazom i dva izlaza, uz
zamnemarivanje promene potencijalne i kinetičke energije i rada.
88
Totalni i komponentni maseni bilansa za ceo sistem je
F = D+B
(5.94)
FxF ,u = DxD ,i + BxB ,i
(5.95)
gde su
x F ,u , x D ,i i x B ,i
molski udeli komponente i u napoju, destilatu i ostatku,
respektivno.
Totalni i komponentni bilansa za rebojler
LN = VN +1 + B
(5.96)
LN x N ,i =V N +1y N +1,i + BxB ,i
(5.97)
Totalni i komponentni bilansa za kondenzator
V1 = L0 + D
(5.98)
V1 y1,i = L0 ,i x0 ,i + DxD ,i
(5.99)
U gornjim izrazima sa
x N ,i , x0 ,i , y N +1,i , y1,i
označeni su odgovarajući molski udeli
tečnih i parnih struja u skladu sa Slikom 5.29.
Energetski bilans destilacione kolone
Na osnovu iste slike (Slike 5.29) i uz iste pretpostvke i Prvog zakona termodinamike
termodinamike za protočne, otvorene sisteme pišemo odgovarajuće bilanse energije.
Za ceo sistem važi
•
•
•
•
•
•
H F + QR = Q C + H D + H B + Q gub
(5.100)
gde su
•
H F = Σ Fi hi
(5.101a)
F
•
H D = Σ Di hi
(5.101b)
D
•
H B = Σ Bi hi
(5.101c)
B
Neto potrebna toplota koju treba dovesti je
•
•
•
•
•
•
•
Qneto = QR − ( Q C + Q gub )
(5.102)
Odnosno
•
Qneto = H D + H B − H F
(5.103)
89
Energetski bilans za rebojler je
•
•
•
•
•
H LN + QR = H VN +1 + H B + Q R ,gub
(5.104)
Odgovarajući bilans energije za kondezator
•
•
•
•
HVN = QC + H L0 + Q C ,gub
(5.105)
5.13.4 Mogućnosti za uštedu
Energy reduction opportunities
1. Poboljšanje kontrole procesa. Primena savremenih metode kontrole omogućava rad
u užim radnim opsezima
2. Pregrevanje napoja korišćenjem otpadne toplote
3. Primena toplotne pumpe. Toplotna energija pare služi kao toplotni izvor. Toplotna
energija, koja se dobija pomoću toplotne pumpe, koristi se u rebojleru. Smanjuje
se i potreba za odvođenje toplote u kondenzatoru, jer nakon izlaska iz toplotne
pumpe, temperature pare se snižava.
Slika 5.30 Šematski prikaz toplotne pumpe sa destilacionom kolonom
4. Kod višestepenih kolona, topli destilat može se koristiti za zagrevanje sledeće
kolone.
5. Smanjivanje pritiska u koloni korišćenjem ispuna umesto podova, ukoliko je moguće
6. Primena toplotne Integracija. Povezivanje toplih i hladnih struja u cilju
minimizacije potrebne energije za grejanje i hlađenje.
90
5.13.
Sušenje
Drying
5.14.1 Osnovne definicije
Basic definitions
Pod sušenjem se obično podrazumeva uklanjanje tečnosti iz vlažnog materijala - čvrste
faze pomoću isparavanja. Pri tome mehaničko uklanjanje tečnosti iz čvrste faze se ne
smatra sušenjem. Treba istaći da mehaničko uklanjanje tečnosti je ekonomičnije jer je
potrošnja energije daleko manja nego korišćenjem toplotne energije.
Vlažan materijal može da miruje, može se kretati ili biti fluidizovana. Kod vlažnog
materijala koji miruje nema relativnog kretanja čvrstih čestica, Moguće je relativno
kretanja čvrstih čestica koje se suše, kretanje jedne preko druge. Obično je ovo
kretanje na dole usled dejstva sile gravitacije ali može biti kretanje i na gore. U
fluidizovanom sloju čvrste čestice se nalaze u gasovitoj fazi koja se kreće na gore.
Brzina gasa u fluidizovanom sloju nije dovoljna da se čvrsta faza kontinualno
transportuje kroz uređaj. Čestice se kontinualno kreću na gore i vraćaju na dole. Ovo
omogućava pomešanost gasovite i čvrste faze i veliku površinu za razmenu. Čvrsta faza
može biti i potpuno dispergovana u gasovitu. Ovo su uslovi kada su čvrste čestice toliko
razdvojene da nemaju uticaj jedne na drugu.
U odnosu na čvrstu fazu tok gasa može biti paralelan, normalan ili strujanje kroz
čvrstu fazu. Kod paralelnog toka pravac strujanja gasa je paralelna u odnosu na
površinu čvrste faze. Kod normalnog toka pravac strujanja gasa normalan je u odnosu
na površinu čvrste faze, dok je kod strujanja jroz čvrstu fazu slučaj kada gas struji kroz
međuprostor čvrste faze, prolazeći slobodno oko individualnih čestica. Pri ovakvom
načinu strujanja, čvrsta faza može da miruje, da se kreće ili se radi o fluidizovanom ili
je čvrsta faza potpuno dispergovana u gasovitu.
U odnosu na tok kretanja gasovite i čvrste faze razlikujemo: Istostrujni,
protivstrujni i unakrsni tok.
Sušenje se obično vrši vazduhom. Međutim sušenje se može vršiti i drugim gasom,
kao što je pregrejana para. Iz tog razloga u najširem smislu kod sušenja govorimo o
vlažnom materijalu i gasu.
Osobine vazduha za sušenja. Kada je gas vazduh, osobine važne za sušenje su
temperatura i vlažnost. Pomoću vazduha se obično vrši prenos toplote na vlažan
materijal, u cilju isparavanja vlage, i pomoću vazduha se uklanja isparena vlaga. U bilo
komprocesu sušenja, pri dovođenju odgovarajuće količine toplote, brzina pri kojem
dolazi do isparavanja zavisiće od temperature koncentracije pare u okolnoj atmosferi.
Apsolutna vlažnost vazduha. Ovo predstavlja količine koju sadrži kubni metar
vlažnog vazduha. Najčešća jedinica g vlage /m3 vlažnog vazduha .
Sadržaj vlage vazduha. Predstavlja masu vlage po masi suvog vazduha.
H=
kg vlage
kg suvog vazduha
(5.106)
Maksimalna vlažnost vazduha. Sadržaj vlage koje vazduh može da primi pri datoj
temperaturi. Sva vlaga preko toga se kondenzuje.
Relativna vlažnost vazduha. Predstavlja odnos između date i maksimalne vlažnosti
vazduha na datoj temperaturi. Izraženo preko sadržaja vlage vazduha:
ϕ=
H
sadrzaj vlage vazduha
=
H S sadrzaj vlage zasicenog vazduha
(5.107)
91
Kod potpuno suvog vazduha relativno vlažnost jednaka je nuli, dok je zasićenog
vazduha (maksimalna vlažnost) relativna vlažnost jednaka jedinici.
5.14.2 Vlaga u vlažnom materijalu
Moisture in wet material
Vlaga u vlažnom materijalu može biti vezana i slobodna. Pod vezanom vodom
smatramo vodu koja koja ima napon pare manji od napona pare čiste voda na datoj
temperaturi. Voda može biti, zadržana u malim kapilarima, prisutna kao rastvor u
ćelijama ili zidovima vlakana, homogen rastvor u čvrstoj fazi, vezana hemijskom i
fizičkom adsorpcijom na površini čvrste faze.
Slobodna vlaga je vlaga koja se može ukloniti iz vlažnog materijala pri datoj
temperaturi i vlažnosti vazduha.
Treba imati u vidu da postoje dva osnovna tipa materijala: higroskopni i
nehigroskopni. Higroskopni materijala su materijali koji mogu da sardže vezanu vodu.
Nevezana vlaga kod higropskopnih materijala predstavlja vlagu preko ravnotežne vlage.
Kod nehigropskopnih materijala sva voda je nevezana.
Sadržaj vlage vlažnog materijala. Sadržaj vlage vlažnog materijala predstavlja
odnosu između mase vlage i mase suvog materijalakg vlage. Odnosno kg vlage /kg suvog
materijala . Pri ovome treba imati u vidu da se posmatra prosečni sadržaj vlage u vlažnom
materijalu.
H vm =
kg vlage
kg suvog materijala
(5.108)
Ravnotežni sadržaj vlage. Pri datim uslovima temperature i vlažnosti okolnog
vazduha dati vlažan materijal ima svoj graničan sadržaj vlage do kojeg se vlažni
materijal može osušiti. pod datim uslovima temperature i vlažnosti vazduha. Ovo treba
imati na umu kada se vrši sušenje. Sušenjem se može vlažan materijal osušiti do niže
vrednosti sadržaja vlage od ravnotežne, ali će se nakon završetka sušenja vremenom
ponovo uspostaviti ravnotežni sadržaj vlage.
Tačka zasićenosti vlakana. Sadržaj vlage celularnih materijala (npr. drvo) pri
kojem su zidovi ćelija kompletno zasićeni pri čemu praznine nisu ispunjene vlagom.
Pri proocesu sušenja istovremena se odvijaju dva procesa:
1. Prenosa toplote na vlažan material potrebne za isparavanja vode i
2. Prenosa mase tečnosti ili pare kroz vlažan materijal i pare sa površine.
Faktori koji utiču na brzinu ovih procesa određuju i brzinu sušenja. Kod industrijskih
sušnica toplota se može prenositi kovekcijom, kondukcijom, zračenjem ili njihovom
kombinacijom. Bez obzira na način prenosa, toplota se prvo prenosi na spoljnu površinu
a zatim u unutrašnjost vlažnog materijala. Izuzetak su dielektrično i mikrotalasno
sušenje.
Prenos masem vode ili pare, vrši se kroz vlažan material, a zatim kao para prenosi
se sa površine vlažnog materijala. Kretanje kroz vlažan material posledica je
postojanja gradijenta koncentracije, koji zavisi od prirode materijala koji se suši. Kao
što je već rečeno, material koji se suši može biti porozan ili neporozan (higropskopan
ili nehigroskopan). Realno, postoji čitav niz materijala koji se nalaze između ova dva.
Ipaj u praksi je pogodno smatrati vlažan materijal kao porozan ili neporozan.
92
Proučavanje sušenja vlažnog materijala može biti bazirano na internom mehanizmu
prenosa tečnosti u vlažnom materijalu ili na bazi spoljnih uslova. Pručavanje sušenje
vlažnog materijala na bazi spoljnih uslova je jednostavniji i češće prisutno u praksi.
Interni mehanizam toka tečnosti određen je strukturom čvrtsog materijala koji se
suši. Postoje više mehanizma toka tečnosti u čvrstom vlažnom materijalu. Generalno u
datom trentutku, tokom perioda sušenja, jedan mehanizam je dominantan.
Glavni spoljni uslovi u bilo kom procesu sušenja su: temperature, vlažnosti, tok
vazduha, površina za razmenu vlažnog materijala, itd.
5.14.3 Periodi sušenja
Drying periods
Period rasta brzine sušenja. Proces sušenja započinje grejanjem vlažnog materijala.
Potrebno je vreme dok se celokupan vlažan materijal zagreje i da se uspostavi
ravnoteža između toka vlage na površinu i odvođenju pare u okolni vazduh. Do
uspostavljanja ravnoteže brzina sušenja raste.
Period konstantne brzine sušenja. Period sušenja tokom kojeg je uklanjanje vode po
jedinici površine površine za sušenje konstantna. U ovom periodu sušenja postoji
ravnoteža između uklonjene isparene vlage i transport vlage iz vlažnog materijala.
Period opadajuće brzine sušenja. Period sušenja gde brzina sušenja kontinualno
opada. Količina vlage koja se doprema iz vlažnog materijala je manja od moguće
brzine uklanjanja pare u okolni vazduh. Rezultat sve manja brzina sušenja. Celokupna
površina se ne može više održavati zasićenom kretanjem vlage iz vlsažnog materijala.
Brzina sušenja opada srazmerno nezasićenosti površine vlagom Tačka u kojoj se period
konstantne brzine sušenja završava se naziva tačka sa kritičnim sadržajem vlage. Nakon
ove tačke celokupna površina izložena supenju je nezasićena vlagom. Brzina sušenja
opada jer je kretannje vlage kroz vlažan materijal određuje brzinu sušenja. Periodi
sušenja prikazani su na Slikci 5.31.
Slika 5.31 Brzina sušenja u funkciji vremena
Kritičan sadržaj vlage. Prosečan sadržaj vlage kada se period konstantne brzine
sušenja završava. Ovaj podatak je veoma važan. Da bi mogli da predvidimo vreme
sušenja neophodno je znati vrednost kritičnog sadržaja vlage. Najpouzdaniji način
93
dobijanja ove vrednosti je eksperiment. U slučaju kada eksperiment nije izvodljiv vrši
se procena vrednosti kritičnog sadržaja vlage. U literaturi se mogu naći odgovarajući
podaci. Treba imati u vidu da su ove vrednosti aproksimativne i da ove podatke
moramo koristiti sa oprezom. Uvek moramo imati na umu da kritičan sadržaj zavisi od
istorije sušenja tj. od konkretne situacije. Kritičan adržaj vlage predstavlja prosečnu
vlažnost u celom vlažnom materijalu. Njegova vrednost zavisi od brzine sušenja,
debljine materijala, i faktora koji utiču na kretanje vlage kroz čvrst vlažan materijal.
Može se zaključiti da kritičan sadržaj vlage raste sa rastom brzine sušenja i debljinom
vlažnog materijala koji se suši.
Ravnotežni sadržaj vlage
Pri sušenju čvrstog vlažnog materijala treba praviti razliku između higroskonih i
nehigroskopnih materijala. Kod sušenja higroskopnih materijala vazduhom konstantne
temperature i vlažnosti posle određenog vremena vlažan materijal dostiže ravnotežni
sadržaj vlage za date uslove. Ravnotežna vlaga može biti apsorbovana kao površinski
film ili kondenzovana u finim kapilarima čvrstog materijala. Pri nižim temperaturama,
15 to 50°C, ravnotežni sadržaj vlage je praktično nezavisan od temperature. Pri nultoj
vlažnost ravnotežni sadržaj vlage svih materijala jednak je nuli. Ravnotežni sadržaj
vlage u velikoj meri zavisi od prirode materijala. Za neporozne, nehigroskopne
materijale, ravnotežni sadržaj vlage pri svim temperaturama jednak je nuli.
Određivanje ravnotežnog sardžaja vlage je veoma bitno jer sušenje matrijala ispod
ovog nivoa je nepotrebno trošenje energije.
Ukupno vreme sušenja
Ukupno vreme sušenja predstavlja zbir konstantnog perioda sušenja I sušenja sa
opadajućom brzinom sušenja.
5.14.4 Testiranje uređaja za sušenje
Dryers testing
Svrha ovih testova je dobijanje projektnih podataka za dati materijal koji se suši,
izabir sušnice ili provera potencijala kapaciteta date sušnice. Na osnovu dobijenih
rezultata pravi se odgovarajući maseni I energetski bilansi.
U cilju određivanja performansi sušnice, minimalni podaci koji su potrebni:
1. Uzazni I izlazni sadržaj vlage
2. Ulazna I izlazna temperature
3. Ulazna I izlazna temperature vlažnog materijala
4. Maseni protok napoja
5. Maseni protok vazduha
6. Ulazna I izlazna vlažnost
7. Vreme zadržavanja vlažnog materijala u sušnici
8. Potrošnja goriva
Uvek kada je to moguće, od koristi je merenje sadržaja vlage I temperature u
različitim tačkama sušnice. Isto tako, aki želimo dobiti kvalitetnu analizu performansi
sušnice, neophodna su najmanje dva seta podataka, za dva različita radna uslova.
5.14.5 Klasifikacija sušnica
Dryers classification
Uređaji za sušenje mogu se klasifikovati na više načina. Najkorisnija je podela na bazi
načinu prenosa toplote na vlažan materijal i na bazi načina rukovanja i fizičkih
karakteristika vlažnog materijala.
94
Kllasifikacija sušnica na bazi načina prenosa toplote data je Tabeli 5.21
Sušnice sa direktnim kontaktom
Osnovne karakteristike ovih sušnica su:
1. Postoji direktni kontakt između gasa vlažmog materijala tokom grejanja i
uklanjanja vlage
2. Temperatura sušenja može biti izuzetno visoka do 1000 K. Pri višim
temperaturama, prenos toplote zračenjem postaje dominantno.
3. Pri temperaturama ispod temperature ključanja, sadržaj vlage gasa kontroliše
brzinu sušenja kao i finalni sadržaj vlage vlažnog materijala. Pri temperature gasa
iznad tačke ključanja, sadržaj vlage gasa ima mali uticaj na brzinu sušenja i finalni
Tabela 5.21 Klasifikacija sušnica
95
4. sadržaj vlage vlažnog materijala. Iz ovog prozilazi da se za sušenje može koristiti i
pregrejana para.
5. Pri niskotemperaturnom sušenju, odvlaživanje vazduha za sušenje je neophodno u
slučaju visoke vlažnosti atmosferskog vazduha.
6. Kod ovih sušnica, veća potrošnja toplotne energije po kg isparene vode rezultuje u
manjem krajnjem sadržaju vlage u vlažnom materijalu.
7. Efikasnost ovih sušnica raste sa porastom ulazne temperature pri datoj konstantnoj
izlaznoj temperaturi.
8. Da bi se obezbedila odgovarajuća količina toplote za sušenje neophodna je velika
količina gasa. U slučaju sušenja veoma malih čestica uređaj za prečišćavanje gasa
može biti jako skup.
Sušnice sa posrednim kontakotom
Ove sušnice se od direktnih razlikuju u pogledu prenosa toplote i načinu uklanjanja
pare:
1. Toplota se na vlažan material prenosi kodukcijom preko čvrstog zida koji je obično
metal
2. Temperature površine kreće se između, temperature ispod tačke mržnjenja (u
slučaju sušenja zamrzavanjem) do oko 800 K kod indirektnih sušnica koji se greju
produktima sagorevanja.
3. Indirektne sušnice predviđene su da mogu da rade pod smanjenim pritiskom i u
inertnoj atmosferi. Razlozi mogu biti rekuperacija rastvarača ili sprečavanje
oksidacije lako razgradivih materijala.
4. Indirektne sušnice mogu koristiti kondenzacione fluide kao izvor toplote.
5. Rekuperacija sitnih čestica je mnogo jednostavnije nego kodd direktnih sušnica.
Ostale sušnice
Infracrvena sušnica. Prenos toplote se vrši pomoću imfracrvenog zračenjs. Ovaj vid
sušenja nije rasprostranjen u hemijskoj industriji. Koristi u pekarstvu ili pri sušenju
filma farbe kao i kod sušenja tankog sloja materijala.
Dielektrične sušnice. Ovaj način sušenja nije raspostranjen. Energetski troškovi mogu
ići do 10 puta u odnosu na troškove sušenja sa gorivom konvencionalnom metodom.
5.14.6 Izbor opreme za sušnenje
Drying equipment selection
Preporučeni koraci u postupku odabira opreme za sušenje su:
1. Inicijalni izbor sušnice.
Biramo sušnice koje nam se čini najpogodnijim za sušenje našeg vlažnog materijala,
uklapaju se u process i kojei će dati proizvod zahtevanih fizičkih karakteristika.
Preliminiran izbor može se uraditi u skladu sa Tabelom 4.
2. Incijalno poređenje sušnica.
Izabrane sušnice upoređuju se na bazi cena i performansi. Sušnice koje koje su
neekonomične ili neodgovarajuće se odbacuju i ne razmatraju se u daljoj procedure.
3. Test sušenja.
Na uži krug izabranih sušnica sprovodi se test. Sprovedeni testovi treba da odrede
optimalne radne uslove kao i karakteristike produkta.
4. Konačni izbor sušnice.
Na osnovu rezultata testova, utvrđuju se veličina i operativne karakteristike sušnice.
Od proizvođaća se dodatno traže podaci i uslovi garancije. Pri donošenju konačne
odluke uzima se u obzir, početni troškovi, troškovi instalacije, operativni troškovi,
kvalitet proizvoda i fleksibilnost sušnice.
96
5.14.7 Bilans mase
Mass balance
Pri prolasku toplog vazduha kroz vlažan materijal para iz vlažnog materijala prelazi u
okolni topli vazduh i povećava im se sadržaj vlage.
•
•
•
•
m SV ( 1 + HV ,1 ) + mVM ,1 = m SV ( 1 + HV ,2 ) + mV ,2
(5.109)
gde su:
•
maseni protok suvog vazduha
m SV
•
•
mVM ,1 , mVM ,2
maseni protok vlažnog materijala na ulazu i izlazu iz sušnice,
respektivno
H v ,1 , H v ,2
sadržaj vlage vlažnog vazduha na ulazu i izlazu iz sušnice, respektivno
Masa uklonjene vlage jednaka je
•
•
•
mW = mVM ,1 − mV ,2
Dok je potrebnog količina suvog vazduha
•
m SV
•
mW
=
HV ,2 − HV ,1
(5.110)
Odnosno vlažnog ulaznog vazduha
•
•
mVV ,1 = m SV ( 1+ HV ,1 )
(5.111)
5.14.8 Bilans energije
Energy balance
Na osnovu Prvog zakona termodinamike za protočni stacionarni sistem možemo napisati
•
•
•
•
•
m V hV ,1 + mVM ,1 hVM ,1 = mV hV ,2 + mVM ,2 hVM ,2 + Q gub
(5.112)
gde je h V,1 entalpija vazduha za sušenje na ulazu a h V,2 entalpija vazduha za sušenje na
izlazu računate po kg suvog vazduha dok su h VM,1 i h VM,2 entalpija vlažnog materijala na
ulazu i izlazu iz sušnice. Potrebna količina toplote koju treba dovesti
•
•
Q dov = mV ( hV ,1 −hV ,2 )
(5.113)
Odnosno
97
•
•
•
•
Q dov = mVN ,2 hVM ,2 − mVM ,1 hV ,1+ Q gub
(5.114)
Odnosno
•
•
•
Q dov =Q dov ,id + Q gub
(5.115)
5.14.9 Mere efikasnosti procesa sušenja
Efficiency of the drying process
1.
Jedna od mera efikasnosti sušenja je količnik između ninimalne potrebne količine
toplotne energije i stvarne potrebne količine toplotne energije.
η1 =
2.
(5.116)
Drugi korisni pokazatelj kod sušenja vazduhom, kao što je npr. sprej sušnica,
dobija se preko toplotnog bilansa. Ovde se vrši upoređivanje adijabatske i stvarne
sušnice. Pod adijabatskom sušnicom podrazumeva se sušnica gde nema razmene
toplote između sušnice i okoline tako da se upoređuje minimalna i stvarno
razmenjena toplota.
η1 =
gde
T1
T2
To
Qdov ,id
Qdov
Qstv T1 − T2
=
Qad T1 − T0
(5.117)
su:
ulazna (niža) temperature
izlazna (viša) temperature
temperature okoline
5.14.10 Mogućnosti za uštedu energije
Energy reduction opprtunities
1. Izbor efikasnije opreme za sušenje
2. Prilikom energetske analize izvršiti kompletan bilans a ne samo sušnice
3. Izvideti mogućnost rekuperacije toplotne energije odnosno iskorišćenje
otpadne toplote.
98
5.14.
Uparavanje
Evaporation
Uparavanje je najčešćinačin uklanjanja vode iz vodenog rastvora. Osnovni faktori koji
utiču na brzinu isparavanja su:
• Brzina prenosa toplote na rastvor
• Količina toplote potrebna za uparavanje za 1 kg vode
• Maksimalna dozvoljena temperatura rastvora
• Pritisak uparavanja
• Moguće promene/degradacija rastvorene supstance tokom uparavanja
Uparivač se može smatrati toplotnim razmenjivačem uz dodatnu funkciju odvođenja
isparene vode.
U procesu uparavanja treba imati u vidu
• da se viskozitet rastvora tokom procesa uparavanja stalno povećava
• u cilju sprečavanja lokalnog pregrevanja treba obezbediti dobru cirkulaciju preko
površine za toplotnu razmenu
• maksimalna dozvoljena temperatura mora biti značajno ispod 1000C
• u nekim slučajevima može doći do pojave pene, što otežava proces razdvajanja
parne i tečne faze.
5.14.1
Single stage evaporator
Jedostepeni uparivač
Slika 5.32 Konvencionalni jednostepeni uparivač
Tipični uparivač sastoji se od tri osnovne komponente:
1. toplotni razmenjivač
99
2. jedinica za uparavanje i
ovde tečnost ključa i isparava i
3. separatora
ovde para napušta sistem, odlazi u kondenzator ili drugi uređaj.
Kod mnogih uparivača ove tri funcije objedinjene su u jednoj velikoj cilindričnoj posudi.
Izgled jednog ovakvog, konvencionalnog uparivač data je na Slika 5.31.
U toplotnom izmenjivaču uparivača, para se kondenzuje, toplota se prenosi na
tečni rastvor koji ključa i isparava. Isparavanjem rastvor postaje sve gušći što rezultuje
u povišenju tačke ključanja. Povišenje tačke ključanja smanjuje temperaturnu razliku
između pare i rastvora, što rezultje u padu tolotnog fluksa. Sa povećanjem gustine
raste i viskozitet, što smanjuje intenzitet cirkulacije i dodatno smanjuje količinu
prenete toplote.
Vakum uparivači
Kod sistema koji su osteljivi na visoke temperature, odnosno gde temperature moraju
biti daleko ispod 1000C, prihvatljivo rešenje je rad pod vakumom, gde će temperatura
ključanja biti niža.
Prenos toplote u uparivačima
Kao najpogodniji izvor toplote je para koja kondenzuje. Ovim se obezbeđuje velika
količina toplotne energije pri kostantnoj temperaturi. Para se obezbeđuje direktno iz
kotla ili može poticati iz prethodne uparivačke jedinice. Direktno zagrevanje,
sagorevanjem goriva se izbegava zbog opasnosti lokalnog pregrevanja. U pojednim
slučajevima umesto pare, ako je temperatura šare visoka, može se koristiti vrela voda.
Kondenzatori
U kondenzatorima se kondenzuje isparena para. Kada se radi pod smanjenim pritiskom
nakon kondenzatora stavlja se vakuum pumpa.
Prenos toplote
Toplotni fluks koji se prenosi pare, temperature T P kroz zid razmenjivača na rastvor
temperature, T R dat je sledećim izrazom
Q 1 = KA(T p – T R )
(5.118)
Ovaj toplotni fluks dobijen je kondenzacijom pare
Q 2 = m p ΔH kond
(5.119)
Preneta toplota rastvoru odlazi na isparavanje vode
Q 3 = m R ΔH isp
(5.120)
U idealnom slučaju, bez toplotnih gubitaka ove tri toplote su jednake
Q1 = Q2 = Q3
(5.121)
U realnom slučaju dolazi do stalnog povišenja temperature ključanja zbog sve gušćeg
rastvora. Temperatura pare tokom procesa uparavanja ostaje kostantna a temperatura
rastvora raste.
100
5.14.2
Višestepeni uparivači
Multiple effect evaporation
Treba imati u vidu da je uparivač, pored funkcije ugušćivanja odnosno uklanjanja
tečnosti ujedno i generator pare koja se dalje može koristiti u procesu. Proces
uparavanja može se raspodeliti u više uparivača. Nakon delimičnog uparavanja u prvom
uparivaču, upareni rastvor odlzi u drugi, sledeći uparivač gde bi se uparavanje vršilo
pomoću pare koja se generisala u prvom uparivaču.
U drugom uparvač, da bi došlo do klučanja rastvora, pritisak mora biti manji
nego u prvom. Inače temperatura pare, nastala uparavanjem ne bi mogla da obezbedi
prenos toplote. Para koja ulazi u toplotni razmenjivač drugog uparivača kondenzuje se.
Oslobođena toplota se prenosi na rastvor koji ključa i isparava jer je na nižem pritisku.
Na Sl. 5.33 prikazan je izgled dvostepenog uparivača.
Slika 5.33 Dvostepeni uparivač
Ako pretpostavimo da
1. oba uparivača imaju iste površine za razmenu toplote
2. ne dolazi do povišenja tačke ključanja
3. nema toplotnih gubitaka
tada možemo napisati za prvi otparivač
Q 1 = K 1 A 1 ΔT 1
(5.122)
za drugi
Q 2 = K 2 A 2 ΔT 2
(5.123)
Ako uparivače rade u stacionarnom režimu, tada sva para nastala u prvom uparivaču se
kondenzuje i ovaka nastala toplotna energija odlazi na isparavanje rastvora u drugom
uparivaču. Odnosno važi
Q1 = Q2
(5.124)
Odakle se dobija
101
K 2 /K 1 = ∆T 1 /∆T 2
(5.125)
Prednost višestepenog uparavanja
Kod višestepenog uparavanja, dobijena toplota energije pare se ponovo koristi. Tako
da je jedina dovedena toplotna energija ona koja se preko pare dovodi u prvi uparivač.
Višestepeni uparivači zahtevaju manju količinu količinu toplote, otprilike 1/n puta
manju gde je n broj uparivača. Površina za razmenu, međutim mora biti n puta veća,
što poveećava investicione troškove. Sumarno, višestepeno uparavanje je
ekonomičnije.
Rekompresija pare
Pored mogućnosti korišćenja pare jednog uparivača za uparavanje u sledećem
uparivaču, postoji još jedan vid uštede, rekompresija pare i vraćanje u uparival odakle
je isparila. Kompresija se može vršiti pomoću sveže pare, u ejektorskoj pumpi, ili
pomoću mehaničke kompresije. Dodatni troškovi su mehanička energija koja ode na
kompresiju ali krajnji efekat je ušteda.
Kod velikih uparivača vreme zadržavanja rastvora može biti veliko. Ovo može biti
problem kod materijala osetljivih na toplotu.
Korišćenje savremenih uparivača sa visokim protokom mogu rešiti ovaj problem. Primer
su dugi cevni uparivači ili pločasti uparivači sa padjućim filmom
102
5.15.
Energetske rezerve procesa
Energy reserves of the process
U tehnološkim procesima vrlo često postoji potreba za dovođenjem toplotne energije
kao i potrebe za odvođenjem toplote na nivou celog tehnološkog procesa. Istovremene
postoji čitav niz jedinica gde tehnologijsa zahteva zagrevanje odnosno hlađenja
određenih struja. Postavlja se pitanje dali postoji bolji raspored (konfiguracija) struja
unutar tehnološkog procesa da bi se potreba za dovođenjem odnosno odvođenjem
minimizirala kao i koji su krajnji dometi (energetske rezerve) energetske uštede.
Pinch tehnologija, koja se bazira na termodinamičkim principima, daje odgovor na
ova pitanja.
Većina tehnoloških procesa su stacionarno protočnog tipa. Kod ovakvih sistema u
jediničnim uređajima tehnološkog procesa vrlo često teku uz razmenu toplote,
dovođenje ili odvođenje, što ima za posledicu promenu entalpije, odnosno
∆H = Q
(5.126)
U slučaju promene temperature struje (sistema), važi
•
∆H = m cP ∆T
(5.127)
a u slučaju faznih transformacije, koji teku uz razmenu toplote bez promene
temperature
•
∆H = m ∆hLT
(5.128)
•
U gornjim jednačina, m , cP , ∆hLT su maseni protok struje, molarni kapacitet struje i
latentna toplota procesa, respektivno. Gornja dva izraza mogu se prikazati jednom
jednačinom
∆H = CP∆T
(5.129)
gde važi
•
CP = m cP
•
CP = m ∆hLT ∆T = 1K
razmena toplote praćena promenom temperature
razmena toplote bez promene temperature
Izraz (5.129 ) se može napisati
∆T =
1
∆H
CP
(5.130)
Gornja jednačina može se prikazati u T-H dijagramu, gde je za datu promenu
temperature ΔT data odgovarajuća promena entalpije, ΔH. Pri čemu je nagib prave
1/CP. Imajući u vidu da nam je za analizu važna samo promena entalpije, pravu u T-H
103
dijagramu, možemo slobodno pomerati levo ili desno u datom opsegu temperatura
(Slika 5.34).
Slika 5.34 Promena entalpije procesa u T-H dijagram
Uzmimo jednostavan primer. Posmatrajmo jedan segment celog tehnološkog procesa.
U toplotni izmenjivač uvodi se grejni fluid temperature 2500C, koji nakon predaje
toplote grejanom medijumu, izlazi iz izmenjivača temperature 1100C. Šema procesa
data je na Sl. 4.27.
Slika 5.35 Primer procesa sa jednom hladnom i jednom toplom strujom
U ovom procesu za zagrevanje tople struje (struja 1) treba dovesti toplotu
•
Qdov = ∆H1 = m1 cP ,1∆T1 = CP1∆T1
Istovremeno treba za hlađenje struje (struja 2) odvesti toplotu
•
Qodv = ∆H 2 = m 2 c,P ,2 ∆T2 = CP2 ∆T2
104
Ukupnu energiju koju treba obezbediti za proces (dovođenje + odvođenje toplote) je
Qext = Qdov + Qodv
Prikazani proces se, međutim može preurediti tako da se iskoriste i energetski
potencijali samog procesa (Sl. 4.28)
Slika 5.36 Šema procesa sa iskorošćenjem unutrašnjog potencijala energije
Sa Slike 5.36 se vidi da deo energije procesa, ΔH rek se može rekuperisati, što smanjuje
potrebu za dovođenjem odnosno odvođenjem eksterne toplotne energije
Qdov ,rek = Qdov − ∆H rek
Qodv ,rek = Qodv − ∆H rek
Poređenjem dva procesa, vidi se minimalna temperaturna razlika u procesu smanjila.
5.15.1
Kompozitna kriva
Composite curve
Ukoliko postoje dve ili više struje u procesu, koje se nalaze u istom temperaturnom
opsegu, može se napraviti jedna prava koja ima isti temperaturni opseg, ΔT, dok je
entalpije rezultujuće prave, zbir pojedinačnih entalpija, ΔH = ΔH 1 + ΔH 2 (Sl. 4.29).
Formirana prava se zove kompozitna kriva. Posmatrajuće sve tople struje u datom
tehnološkom procesu, može se formirati odgovarajuća topla kompozitna kriva. Na
analogan način formira se i hladna kompozitna kriva (Sl. 4.30). Na Sl. 4.30 razlikujemo
tri oblasti:
1. Oblast gde se kompozitna topla i hladna struja preklapaju
U ovoj oblasti nema potrebe za dovođenjem niti odvođenjem toplote izvan procesa
(spoljne toplote). Svaka topla struja predaje toplotu hladnoj struji preko nekog
uređaja u procesu
2. Desni deo hladne kompozitne krive, nepokriven toplom kompozitnom krivom
Za nepokriveni deo treba dovesti toplotu iz nekog spoljneg izvora, Q dov
3. Levi deo tople kompozitne krive, nepokriven hladnom kompozitnom krivom
Za nepokriveni deo treba obezbediti odvođenje toplote, Q odv
105
Slika 5.37 Formiranje kompozitne krive
Postavlja se pitanje da li je moguće smanjiti potrebu za dovođenjem i odvođenjem
toplote u datom tehnološkom procesu i koliki su granice energetske uštede. Prvo treba
naći tačku u procesu koji daje minimalnu temperaturnu razliku u celom tehnološkom
proccesu, ΔT min . Ovu temperaturnu razliku možemo smanjivati, pri čemu treba da
imamo u vidu da je prelaz toplote moguć samo sa više na nižu temperaturu. Teoretski
minimalna temperaturna razlika je ΔT min = 0. Pomeranjem hladne kompozitne krive
ulevo možemo vršiti do tačke dodira (pinch) sa toplom kompozitnom krivom. Za ovakvu
modifikovanu konfiguraciju uređaja datog tehnološkog procesa, dobijamo maksimalnu
moguću rekuperisanu toplotu, odnosno entalpiju, ΔH max,rek . Odgovarajuće minimalne
potrebne dovedene i odvedene toplote se dobijaju u skladu sa jednačinama (4. ),
respektivno. U praksi, naravno minimalna temperaturna razlika će biti veća od nule.
Podatak za ΔH max,rek je, međutim važan, jer nam daje termodinamičku granicu
energetske rezerve datog tehnološkog procesa.
106
Slika 5.38 Topla i hladna kompozitna kriva za dati tehnološki proces
Slika 5.39 Teorijski minimalna temperaturna razlika i minimalna količina dovedene i
odvedene toplote
5.15.2
Poboljšanje energetske efikasnosti
Improving energy efficiency
Poboljšanje energetske efikasnosti zasniva se na boljem upravljanju kao i nadgradnji
uređaja u tehnološkom sistemu. Bilo koji energetski projekat započinje energetskom
analizom. Ova analiza obično zahteva podatke dobijene nadzorom (auditom).
Neophofna su nam znanja mogućnosti novih uređaja i tehmologija koja mogu zamenuti
postojeća u cilju uštede energije.
Takođe je neophodno je uključiti i ekonomsku analizu. Predviđeni energetski
projekat obično zahteva i kapitalna ulaganja.
Energetski nadzor (Energy audit)
Iskustva pokazuju da se bez, ili sa vrlo malu ulaganja ulaganja mogu postići uštede u
potrošnji energije od 10 do 20%. Dalje uštede od 20 do 30% mogu se postići ulaganjima
sa periodom otplate od dve godine, ili manje (Capehart, 2006).
Pri ispitivanju mogućnosti uštede, prvi korak je energy audit (energetska analiza,
pergled potrošnje energije ili ocena potrošnje energije). Energetskim auditom
dobijamo uvid
1. Mestima gde se i kako konvertuje energija
2. Identifikacija mogućnosti za uštedu energije
3. Ocean ekonomske i tehničke opravdanosti predloženih mera uštede
4. Formulisanje prioriteta primene poboljšanja u cilju uštede energije
Svaki energetski audit uspostavlja baza podataka vezanu za potrošnju energije koji
predstavlja osnov za određivanje stepena napretka. Podaci treba da obuhvate
• Troškovi potrošene energije
• Šema celog procesa
• Podatak o uređaja sa značajnom potrošnjom energije
• Vreme rada svakog uređaja
Poželjno je imati podatke za potrošenu električnu energiju najmanje godinu dana
unazad pre početka samog audita. Pored troškova koji se odnose na sam tehnološki
proces u obzir treba uzeti i troškove vezane za zagrevanja odnosno kondicioniranja
zgrade.
U okviru datog postrojenja, postoje devet glavnih sistema koje treba
ispitati(Capehart, 2005):
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Omotač zgrade
Sistem za grejanje, ventilaciju i klimatizaciju
Sistem za snabdevanje energije
Sistem za osvetljavanje
Motori
Kotao i system za raspodelu pare
Sistem za raspodelu tople vode
Sistem za raspodelu komprimovanog vazduha
Proizvodni system
107
U slučaju nemogućnosti dobijanja kompletnih podataka, treba naći indirektne
izvore kao što su priručnici i literature. Svaka mogućnost uštede energije se mora
preispitati. Ako je tehnički izvodljiva treba odrediti nivo uštede za datu operaciju. Ovo
podrazumeva postavljanje odgovarajuće masenog i energetskog bilansa. U sledećem
koraku izračunavaju se troškovi vezanu za razmatranu izmenu u procesu, nakon čega
sledi ekonomska analiza.
Pri proceni predloženih mera korisno je pridržavati se sledećeg postupka:
• Energetske uštede prikazati odvojeno od ekonomskih ušteda. Nekada je
poželjnije energetske uštede razmatrati zasebno.
• Razmatrati troškove goriva u toku životnog veka projekta a ne samo na
postojećem nivou.
• Koristiti različite mogućnosti finansijskih i ekonomskih mera.
Energy audit report. Nakon prikupljanja podataka i izvršenoj analizi o potrošnji
energij, neophodno je sačiniti plan za uštedu energije. Treba uspostaviti sistem za
upravljanje energijom da bi se predloženi plan realizovao.
Tipičan energy audit report treba da sadrži sledeće elemente (Capehart,2006;
Witte et, 1988)
• Rezime
• Uvod
• Procedura
• Distribucija energije razmatranog postrojenja
• Predlog za akcioni plan u cilju realizacije energetskog projekta
Energetska analiza
Neophodno je izvršiti maseni i energetski bilans tehnološkog procesa. Moguća su dva
pristupa: top-down i bottom-up. Primenom top-down pristupsa, ukupna energetska
potrošnja se pridodaje različitim korisnicima u datom procesu u cilju identifikacije
glavnog energetskog korisnika. U okviru ove analize može se koristiti višestruka
linearna regresija da bi se utvrdila veza između zavisnih promenljivih, kao što je
potrošnja energije, i nezavisnih promenljivih kao što su obim proizvodnje i
temperatura ambijenta (Vogt, 2004, CRC, 58). Druga metoda, bottom-up, daje model
potrošnje energije različitih operacija u procesu u cilju rekalkulacije ukupne potrošnje
energije, sabiranjem potrošnje energije pojedinačnih jediničnih operacija (Marechal et
al., 1997; Hostrup et al., 2001, CRC, 58).
Izvori energije i njihov kvalitet
Elektricitiet, para, komprimovan vazduh i goriva su uobičajeni nosioci eergije u
tehnološkim procesima. Nosioci energije karakterišu se akumulisanom energijom i
kvalitetom. Tako na primer, 1 kWh električne energije odgovara 3,6 MJ pare i goriva.
Za toplotni energetski izvor, akumulisana energije se može definisati kao
•
En = H = m h
(5.131)
Obezbeđivanje energije za potrebe procesa vrši se prenosom energije, sa nosioca
energije na sistem kome treba obezbedi energiju. Hemijska energija goriva konvertuje
se u toplotnu energiju, koja se u kotlu prenosi na vodu da bi se dobila para. Para se
dalje koristi kao izvor toplotne energije za proces, sa pare se toplota prenosi u
pojedniačnim jedinicama. Drugi primer je konverzija mehaniče energije u električnu u
parnim turbinama. Treba primetiti da prilikom svakog prenosa energije, deo energije
se gubi.
108
Eksergija predstavlja maksimalnu količinu rada koju dati sistem može dati, pri
tome se predpostavlja da sistem u reverzibilnom procesu prelazi iz datog stanja u
stanje okoline. Prenos toplote sa višu na nižu temperaturom i praćeno je degradacijom
energije. Mera degradacije je ireverzibilnosti procesa
Ir = T0 ∆S
(5.132)
Gde su: I 0 , ∆S temperatura okoline i ukupna promena entropije (sistema koji predaje
i sistem koji prima energiju). Ovo, generalno važi i za prenos bilo kojeg vida energije.
Mehanička/mehanička, toplotna/mehanička ili mehanička. Ireverzibilnost predstavlja
gubitak korisne energije. Tako da nakon prelaska energije, sistem kome se energija
predala ima za toliko manju potencijal korisnog rada. Generalno, možemo napisati
Ir = Exdeg r = Exul − Exizl
de su
Exul , Exizl
(5.132)
uneta, nova izlazna eksergija respektivno.
Rad predstavlja uređen oblik prenosa energije i praćen je malim gubicima energije.
Ovde spada i električna energija gde je prenos praćen malim gubicima. Nasuprot tome,
prenos toplote je neuređen oblik prenosa, Ovaj oblik prenosa energije, sa višu na nižu
praćen je mnogo većom degradacijom energije. Sa eksergetsko stanovišta konverzija
električne u toplotnu energije nije opravdana ni održivo. Najkvalitetniji izvor energije,
predstavlja električna, mehanička energija, zatim hemijska energija goriva. Iza toga
slede visokotemperaturna i niskotemperaturna toplotna energija.
Energetska efikasnost i održivost
Smanjivanje potrošnje energije imaju koristi, ne samo neposredni korisnici nego i
društvo u celini. Osim doprinosu smanjivanju potrošnji energije značajno je i
smanjivanje emisije CO 2 . Smanjivanje potrošnje postiže se kako racionalnom
potrošnjom – štednjom tako i povećanjem energetske efikasnosti procesa. Povećanje
energetske efikasnosti ne vodi uvek ka smanjenju potrošnji energije. Ovo može
proizvesti veću proizvodnju i veći pritisak na izvore energije, što je u suprotnosti sa
održivim razvojem. Sledeći faktori mogu biti ograničavajući pri donošenju projekata
očuvanja energije (Dincer and Rosen, 1999):
• Nedostatak dostupnosti, pouzdanosti i znanja o energetsko efikasnim
tehnologijama
• Nedostatak ekspertiza odgovarajućih tehničkih inputa, finansijske podrške i
odgovarajućeg projektnog programa i monitoringa
• Nedostatak eksplicitnog finansijskog mehanizma
• Neodgovarajuće iskustvo u upravljanju energijom i neobučenost kadrova
• Neodgovarajuće cene energenata
• Nedostatak odgovarajućih informacija
5.16.
Ekonomska analiza
Economic Analysis
Ulaganja se, u širem smislu mogu svrstati u kapitalne i operativne. Kapitalna ulaganja
generalno imaju dugoročne efekte. Glavne karakteristike kapitalnog ulaganja su:
• Veliki početni troškovi
• Dug period povrata za uloženu investiciju
109
• Ireverzibilna procedura
• Značajan uticaj na porez u zavisnosti od izabranog finansijskog metoda
Sredstva potrebna za kapitalna ulaganja su obična velika. Vrlo često sredstva
kompanije nisu dovoljna. Eksponencijalna funkcija (4. ) pogodna je u proceni
konstrukcionih troškova postrojenja, K. Ovi troškovi su uglavnom proporcionalni
kapacitetu postrojenja, Q (Henderson and Quandt, 1980).
K = AQ n
(5.133)
Eksponencijalni izraz se obično naziva "Faktor 0,6 pravilo". Ovo znači da da proširenje
kapaciteta za 1% vodi ka povećanju kapitalnih troškova za nešto manje od 0,6 (Ladd,
1998). U hemijskoj procesnoj industriji, ovaj factor je između 0,4 i 0,9 (Peters and
Timmerhaus, 1991).
Promena vrednosti novca sa vremenom
Kamata i inflacija su dva primarna faktora koja utiča na promenu vrednosti noca sa
vremenom. Postoje dve vrste kamate: prosta kamata i složena. Kod jednostavne
kamate, zarađuje se jedino na prvobitno pozajmljenom iznosu. Kod složenog interesa,
zarađuje se na prvobitnom interesu kao i na iznosu akumulisanom iz prethodnog
periodu.
Pomoću jednačine (5.134) i (5.135) mogu se izračunati buduća vrednost u
odnosu na sadašnju kod jednostavne i složene kamate, respektivno:
Fn = P( 1 + ni )
(5.134)
Fn = P( 1 + i )n
(5.135)
gde su:
Fn
vrednost novca nakon isteka n-te godine
P
trenutni vrednost novca
I
kamata
n
broj godina između P i F n .
Složeni interes je češće u upotrebi.
Dijagram protoka novca (Cash flow dijagram)
Da bi se izvršila kvantitavna analiza, investiran projekat se obično razdvaja na nekoliko
elemenata koje ukjlučuju:
• Početnu investiciju
• Povrat investicije
• Ekonomski životni vek
• Otpisana vrednost (salvage value)
Početna investicija uključuje cenu opreme i materijala kao i troškove transporta,
instalacije i troškove licenci. Povrat se postiže tokom trajanja projekta. Porezi,
operativni troškovi i troškovi održavanja se moraju oduzeti od ukupnih prihoda projekta.
Imajući u vidu da oprema koja se koristi za uštedu energije ima svoj životni vek
ekonomočna vrednost povrata investicija mora biti definisana. Takođe je neophodno
odrediti očekivani ekonomski vek projekta. Ekonomski vek investiranog projekta obično
je najbolja procena perioda u kome se oprema može koristi ekonomično. Može se
koristiti i fizički vek opreme kao ekonomski vek opreme.
110
Uobičajeni način prikazivanja prihoda (ušteda) i troškova povezanih sa datom
investicijom pomoću dijagrama protoka novca (cash flow dijagrama). Na ovom
dijagramu (Slika 5.40) se daju svi dotoci i odtoci novca uzduž horizontalne vremenske
linije. Poželjno je prvo odrediti vremenski okvir u toku kojeg se protok novca odvija.
Ceo period investicije se deli na periode, po pravilu period se poklapa sa godinom.
Svaki pojedinačni prihodi i troškovi označeni su vertikalnim linijama, lociranih uzduž
vremenske skale. Linije orijentisane nagore predstavljaju prihode (uštede) dok linije
nadole predstavljaju odtok novca ili troškove. Relativna veličina dotoka ili odtoka
novca dati su visinom vertikalnih linija.
Slika 5.40 Cash flow dijagram
Metode ekonomske procene
Postoje brojne metode za određivanje ekonomskih performansi. Obično se koriste više
metoda da bi se obezbedilo bolje razumevanje vrednosti investicija. U poslovnom svetu
obično se koristi jednostavan period otplate. Sa stanovišta održanja energije primarni
kriterijum je minimizacija troškova životnog ciklusa.
Jednostavni period otplate. Ovo predstavlja potreban broj godina da bi se početne
investicije preko projekta povratile. Glavna prednost ove analize je njena
jednostavnost. Analiza, međutim, ne uzima u obzir promenu vrednosti novca sa
vremenom, kao ni troškove ili benefite investicije nakon perioda otplate. Metoda
pretpostavlja da je životni vek projekta duži od jednostavnog perioda otplate.
Diskontni period otplate
Ova metoda uzima u obzir proteklo vreme između tačke početne investicije i tačke gde
su akumulisane uštede kao i neto drugi akumulisanu troškovi dovoljni da kompenzuju
početna ulaganja. Kraće vreme povratka investicija znači povoljniju investicija. Mora
se, međutim reći da kraće vreme otplate ne znači uvek i ekonomskp efikasniju
investiciju. U slučaju kada je životni vek projekta problematičan ova metoda se često
111
koristi kao dodatni indikator, koja nam pomaže da identifikujemo fizibilne projekte. Za
određivanje perioda otplate sa popustom koristi se donja jednačina (5.136) gde treba
odrediti N min :
N min
∑
n =1
( Bn − Cn )
= I0
( 1 + d )n
(5.136)
gde su:
Bn
benefit u periodu n
Cn
troškovi u periodu n
In
troškovi početne investicije
d
diskontna stopa (discount rate)
N min
period otplate sa popustom
Metod odnos benefit-troškovi
Kod ove metode benefiti se deli sa troškovima čime se dobija broj koji predstavlja
relativnu meru benefita. Veći broj daje veći povrat po jedinici uloženog novca. Metod
se može koristiti za dobijanja odgovora na pitanje: da li prihvatiti ili odbaciti
predloženu investiciju sa ekonomskog stanovišta? Odnos ušteda/troškovi, SCR može se
izračunati iz donjeg izraza (5.137)
N
S n / Cn
n
n =0 ( 1 + d )
SCR = ∑
gde su
SCR
Sn
Cn
d
(5.137)
odnos uštede/troškovi
uštede tokom n godina
troškovi tokom n godina
diskontna stopa (discount rate)
Metoda neto benefita ili ušteda
Ova metoda koristi se za određivanje iznos benefita ili ušteda preko troškova. U obzir
se uzimaju vrednosti svih iznosa tokom vremena. Ova metoda posebno je pogodna za
odluke zasnovane na dugoročnom profitu. Iznos neto uštede može se odrediti pomoću
izraza (5.138)
( Bn − Cn )
n
n =0 ( 1 + d )
N
NB = ∑
(5.138)
gde su
NB
neto benefit
Bn
uštede tokom n godina
Cn
troškovi tokom n godina
d
diskontna stopa (discount rate)
Interna stopa ili metod povrata
Ovom metodom dobija se stopa pri koje su uštede jednake troškovima tokom
relevantnog perioda. Stopa dobijena ovom metodom obezbeđuje neto nulu uštedu.
Nedostatak metode što su moguće višestruka rešenja pa čak i nemogućnost dobijanja
rešenja.
112
Stopa otplate dobija se u iterativnom postupku metodom probe i greške. Pri
proračunu koriste se različite složene kamatne stope dok se nađe prava (kojom se
dobije neto nula vrednost investicija). Pri određivanju interne stope povrata, u izraz za
NB (5.138) se umesto diskontne stope, d, uvrštava pretpostavljene vrednosti interne
stope. Račun se vrši dok dobijanja vrednosti za NB približno nuli. Dobijanje pozitivne
vrednosti za NB znači da je rata povratka manja od pretpostavljene dok dobijena
negativna vrednost za NB znači veću vrednost rate povratka u odnosu na
pretpostavljenu.
Metoda troškova životnog veka
Analiza troškova životnog veka predstavlja kvantifikaciju troškova tokom čitavog
životnog veka investticije projekta. Ovom metodom sabiraju se troškovi akvizicije,
održavanja, popravki, zamene, energije i drugi troškovi koji utiču na donošenje odluke
za investiciju. Promena vrednosti novca sa vremenom mora se uzeti u obzir tokom
celog relevantnog perioda. Dva važna parametra sa stanovišta analize troškova
životnog veka su životni vek opreme i kamatna stopa (interest rate). Bez obzira što
različita oprema ima različiti životni vek, treba uzeti jedan zajednički životni vek.
Ukoliko se uzme minimalni životni vek, vrednost otpisane opreme (salvage value) mora
se odrediti za duži vek. Ako se, međutim koristi duži životni vek, alternativa kraćeg
veka se pretpostavlja ponovljivom (Capehart, 2006).
Ova metoda posebno je korisna pri donošenju odluke da li je dati program
investicije uštede energije ili primena obnovljive energije isplativ. Odgovor nije
jednoznačan, dobijaju se više alternativa. Alternativa sa najnižim troškovima životnog
veka koja pri tome zadovoljava investitorove ciljeve i ograničenja je najbolja
investicija. Alternative zasnovane na troškovima životnog veka se izračunavaju pomoću
izraza (5.139)
LCCn = I n + En + M n + Rn − S n
(5.139)
gde su:
LCC n troškovi životnog veka alternative n
In
trenutna vrednost troškova investicije alternative n
In
trenutna vrednost troškova investicije alternative n
En
trenutna vrednost troškova energije alternative n
Mn
trenutna vrednost operativnih troškova i troškova održavanja alternative n
Rn
trenutna vrednost popravki i zamena povezanih sa alternativom n
Sn
trenutna prodajna ili otpisana vrednost (resale or salvage value) povezane sa
alternativom n
Izgradnja sistem za upravljanja energijom
Brojna istraživanja (142, CRC) ukazuju da se uštede od 20% do 3'0% mogu postići bez
kapitalnih ulaganja. Pomenute uštede se postižu pridržavanjem procedura i
domaćinskim ponašanjem. Potrošnja energija u industriji se može isplativo (costeffctively) smanjiti za 10% do 20% primenom dobro strukturianog programa upravljanja
energijom koja predstavlja kombinaciju tehnologije, dobre prakse održavanja i sistema
za upravljanje energijom.
Za dobar program upravljanja energijom neophodna je podrška i učešće vrha
kompanije. Najbolji način za dobijanja podrške lidera kompanije su činjenica i
statistika. Važan korak u upravljanju energijom je definisanje izvora potrošača
energije. Na osnovu skupljenih podataka mogu se izraditi energetski standardi.
Različiti indeksi, kao što su indeks energetske produktivnosti, indeks energetskih
troškova, standardi produktivnosti se mogu uvesti u cilju ocenjivanja efektivnog
113
korišćenja kupljene energije. Nakon uspostavljanja standarda, može se prići
upoređivanju datih indeksa sa predviđenim standardom. Imajući u vidu složenost
problema neophodno je formiranje kompetetnog tima.
Sastavni deo pragrama je i trening odnosno obuka celokupnog osoblja kompanije.
Prenošenje Informacija i povećanje nivoa znanja zaposlenih je preduslov za
sprovođenje uspešnog programa upravljanja energijom. Svaki zaposleni mora biti
upoznat sa energetskom politikom, trenutnom primenom i trendom, osnovnom
terminologijom kao i energetskim merama. Specifične teme, radiće se sa manjim
grupama. Utvrđuje se kalendar treninga. Ciljevi obuke se ocenjuju. Povratne
informacije se koriste za promene u sledećim kursevima.
Potencijalni energetski projekat ima dva važna faktora:
1. Očekivani pozitivni finansijski efekti i
2. Investicije neophodne za primenu projekta,
Neophodne je definisati ciljeve, ostvarivost, merljivost i specifičnost. Dobar
energetski program trebalo bi da počne sa projektom male investicije koji ima
umereni ili veliki potencijal uštede. Primer:
• Otkloniti curenja
• Izolacija linije pare, vrele vode i drugih toplih linija
• Ugradnja visokoefikasnih motora.
Deo ostvarenih ušteda ovim projektom mogu se plasirati u sledeće energetske
projekte. Neophodne korake, potrebne za postizanja poboljšanja treba pažljivo
planirati. Minimalni koraci trebalo bi da uključe (Capehart, 2006)Č
• Jasne ishode i merljiv uspeh
• Lista resursa koja su potrebna a nedostupna
• Sekvencijalna lista potrebnih koraka
• Lista ključnih prekretnica (milestones) ili intermedijarnih indikatora uspeha
• Očikekivani datum ispunjenja (završetka) projekta
• Jasno objašnjenje zahteve izveštaja (učestalost i svrha)
• Nagrade u slučaju uspeha (ako je izvodljivo)
Treba oceniti uspeh implementacije u odnosu na uspostavljenu. Ocena treba da
ukaže na probleme i odgovarajuća podešavanja u postojećem akcionom planu.
114
5.17.
Sažetak (nedostaje)
Abstract
5.18.
Pitanja (nedostaje)
Questions
5.19.
Literatura
References
Engelien HK, Skogestad S. Selecting appropriate control variables for a heatintegrated
distillation system with prefractionator. Comput Chem Eng, 2004;28:683–91.
De Koeijer G, Kjelstrup S. Minimizing entropy production rate in binary tray distillation.
Int J Appl Thermodyn 2000;3:105–10.
Capehart, B.L., M.B. Spiller, and S. Frazier. 2006. Energy auditing, Chapter 3, In Energy
Management Handbook (6th ed.), Turner, W.C. and S. Doty, (Eds.), pp. 23–39.
Lilburn,GA: The Fairmont Press Inc
Capehart, B.L., W.C. Turner, and W.J. Kennedy. 2005. Guide to Energy Management
(5th ed.), Lilburn, GA: The Fairmont Press.
Dincer, I. and M.A. Rosen. 1999. Energy, environment and sustainable development.
Applied Energy 64: 427–440
Henderson, J.M. and R.E. Quandt. 1980. Microeconomic Theory: A Mathematical
Approach. New York: McGraw-Hill.
Ladd, G. 1998. Grain transport and industry structure. In Structural Change and
Performance of the US Grain Marketing System Larson D. et al., (Ed.), pp. 51–53.
Urbana, IL: Sherer Co.
Peters, M.S. and K.D. Timmerhaus. 1991. Plant Design and Economics for Chemical
Engineers. New York: McGraw-Hill.
Marechal, F., G. Heyen, and B. Kalitventzeff. 1997. Energy savings in methanol
synthesis: Use of heat integration techniques and simulation tools. Computers and
Chemical Engineering 21: S511–S516.
Hostrup, M., R. Gani, Z. Kravanja, A. Sorsak, and I. Grossmann, I. 2001. Integration of
thermodynamic insights and MINLP optimization for the synthesis, design and analysis
of process fl owsheets. Computers and Chemical Engineering 25: 73–83
Vogt, Y. 2004. Top-down energy modeling. Strategic Planning for Energy and the
Environment 24: 66–80.
Dincer, I. and M.A. Rosen. 1999. Energy, environment and sustainable development.
Applied Energy 64: 427–440.
Henderson, J.M. and R.E. Quandt. 1980. Microeconomic Theory: A Mathematical
Approach. New York: McGraw-Hill.
Ladd, G. 1998. Grain transport and industry structure. In Structural Change and
Performance of the US Grain Marketing System Larson D. et al., (Ed.), pp. 51–53.
Urbana, IL:
Peters, M.S. and K.D. Timmerhaus. 1991. Plant Design and Economics for Chemical
Engineers. New York: McGraw-Hill.
115
Download

Energetska efikasnost teh.procesa-158989