A 2015. LVII-es energetikai törvényben meghatározott auditori vizsga felkészítő anyaga II. Szakmai alap- és szakismeretek, gyakorlati alkalmazásuk 6. Hőtermelés, szállítás, tárolás 8. Ipari gőz-, és kondenz-rendszerek 9. Sűrített levegő rendszerek dr. Zsebik Albin 2017.
Bevezetés: Az energia értéke
Az érték legáltalánosabb megfogalmazásban valami-nek az a tulajdonsága, amely a társadalom és az egyén számára való fontosságát fejezi ki. A pénz értéke annak a viszonynak a kifejezése, hogy a pénz milyen árumennyiséggel fejezhető ki. Az energia értéke a felhasználhatóságát, a tetsző-leges energiaformává való átalakíthatóságát jellemzi.
Exergia és anergia Legyen az energia (W) tetszőleges formává, így munkává is alakítható része az exergia (E) (ex ergon = a munka ami kinyerhető), a nem átalakítható része anergia (A). W = E + A Hővel (hőenergiával) kapcsolatban is megállapítha-tó, hogy két egymástól elkülönített részre bontható és korlátoltan alakítható át.
A hő exergiatartalma a hőnek a Carnot körfolyamat hatásfokával vett szorzata e q = (1 T k T ) q ahol T a hőhordoző (munkaközeg) ún. termodinamikai átlaghőmérséklete, T k a környezet hőmérséklete. A hő anergiája ennek figyelembevételével: a q = ( T k T ) q A hő exergiája ( munkavégző képessége) annál nagyobb, minél magasabb a T és minél alacsonyabb T k, azaz a hő annál értékesebb minél magasabb hőmérsékleten áll rendelkezésre.
A hő értéke A hő értéke (munkavégző képessége (exergiája)) annál nagyobb, minél magasabb hőmérsékleten áll rendelkezésre. A táblázat 100 kj/kg hő értékét mutatja (eq, exergia) különböző rendelkezésre állási hőmérsékleten (t), t k =15 C környezeti hőmérséklet esetén. A rendelkezésre állási A hő értéke Alkalmazási terület hőmérséklet t [ C] eq [kj/kg] 15 0,0 Nem hasznosítható 60 13,5 100 22,8 Egyedi és távfűtés 150 31,9 200 39,1 400 57,2 Hagyományos erőművek 600 67,0 800 73,2 1000 77,3 Gáz/gőz közegű erőművek 1200 80,4
Közvetlen hő- és villamosenergia termelés kazánban és hagyományos kondenzációs erőműben Olaj vagy földgáz 159 % 100 % Kondenzációs erőmű e =36 % 34 % 59 % Fűtőmű 53 % th =90 % 6 64 2 72 % Veszteség
Kapcsolt hő- és villamosenergia termelés fűtőerőműben Olaj vagy földgáz 100 % 100 % Fűtőerőmű e =35 % th =55 % 34 % 53 % 10 3 13 % Veszteség
Energia veszteségek Az energiaveszteségek különböző szempontok szerint csoportosíthatóak: az egyik csoportosítás szerint a veszteségek lehetnek minőségi és mennyiségi veszteségek a másik csoportosítás szerint közvetlen és közvetett veszteségek
A hő- és villamosenergia-termelés és a tüzelőanyag-költségek közötti kapcsolat
A távhőszolgáltatás energiafolyam ábrája a hálózati veszteségekkel
Hőcsere exergia folyamábrája (minőségi veszteség)
6.1. Kazánok veszteségei, csökkentésük lehetőségei, kazánok illesztése a fogyasztói rendszerhez, készenléti veszteség, tüzeléstechnikai hatásfok, kazánhatásfok, kazán éves hatásfok.
A füstgáz összetevők és a kazánhatásfok kapcsolata K=0,9 fűtőértékre vonatkoztatva, földgáz esetén η = Q hasznos Q be = 1 Q veszt. Q be Q hasznos - hasznos hő Q be - bevitt hő Q veszt. - veszteség Veszteség: Füstgázveszteség Gáznemű elégetlen Szilárd elégetlen Sugárzási + konvektív hőveszteség Salakhő Segédberendézesek önfogyasztása
Adott egy földgáztüzelésű kazán. Mérési eredmények alapján az alábbi adatok állnak rendelkezésre. Mekkora a légfelesleg? Füstgáz hőmérséklet: 250 C Oxigén-tartalom: 5,5 % Éves földgázfelhasználás: 750.000 m 3 /év Földgáz ár: 32,50 Ft/m 3 1. Ábráról leolvasva a kazánhatásfoka: 79,2 %. 2. Korrekció elvégzése: 79,2 % = 88% 0,9 3. Légfelesleg: λ = 21 = 1,35 %, földgáz-tüzelésnél ez magas. Cél λ 21 O 2 legyen 1,1.
Füstgázveszteség, % 12 11 10 9 8 7 6 5 4 1 1,2 1,4 1,6 Légfeleslegtényező Füstgázhőmérséklet, C 140 160 180 200
Betonalap egy 3. kazán telepítésére
Fűtőközeg hőmérséklete, C 100 90 80 tse, C 70 tsv, C 60 50 60% terhelés 40 30 20 Referencia hatásfok, 96% 10 0 teljes terhelés -15-10 -5 0 5 10 15 20 Külső levegő hőmérséklete, C t kazán be
Fűtőközeg hőmérséklete, C A 90/70 C névleges hőmérsékletű fűtési rendszerben az előremenő és visszatérő fűtőközeg hőmérsékletének feltételezett változása Hőmérséklet alapjel beállítás Javasolt alapjel 100 90 tse, C 80 tsv, C 70 60 50 40 30 20 10 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 Külső levegő hőmérséklete, C
6.2. Hulladékhő hasznosítása
Gázmotor füstgáz hőjének hasznosítása 170 C-os füstgáz a környezetbe távozik
Hőmérséklet, (t), C 180 160 Füstgáz lehülés, 6,5 kg/s 380 kw, névleges hűtőteljesítményű melegvizes abszorpciós hűtőgép. 140 120 100 80 80 / 60 -as fűtési rendszer 4,2 kg/s tömegáram. 50 / 12 -es HMV rendszer 0,42 kg/s tömegáram. 80 60 40 20 0 Q _absz Q _fűtés Q _HMV 0 200 400 600 800 1000 1200 Hőteljesítmény, (Q), kw 60 50 12 A teljes hasznosítható hőteljesítmény 952 kw.
6.3. Hőszállítás/távhőszolgáltatás esetén a fűtőközeg kiválasztása, a hőhordozó közeg mennyiségének meghatározása, a vezetékek átmérőjének meghatározása, az elosztóhálózat topológiája, a nyomásviszonyok változása a vezetékekben, nyomásábrák, szolgáltatói és fogyasztói hőközpontok, a szivattyúzás és hőveszteség költségének számítása.
Fűtőközeg kiválasztása Melegvíz max 110 C Forróvíz 120-130 C (180-200 C) Vízgőz Fogyasztói igény Az egész rendszerre kiterjedő gazdasági elemzés
Forróvíz előnyei a gőzzel szemben Nagyobb fajlagos villamosenergiatermelés A kondenzátum a hőforrásban marad Egyszerűbb hőközpont szabályozás Nincs kondenzátumveszteség Nagyobb a hőtárolás lehetősége
Forróvíz hátrányai a gőzzel szemben Nagyobb szivattyúzási munka a kondenzátum visszaszállításához képest A megtermelt villamos energia ezt pótolja Több víz szükséges a hő szállításához Kisebb meghibásodások esetén a gőzrendszer üzemben tartható
Víz és gőz áramlása a vezetékben Adott hőáram szállításához szükséges hőhordozó közeg mennyisége Q m h mc t m Q h Q c t hasznosítható fajlagos entalpia hasznosítható hőmérsékletkülönbség h t
A nyomás és a túlhevítés hatása a gőz szállítóképességére 3050 280 C 3000 2950 260 C 240 C A telített gőz entalpiája foj-tással csak kis mértékben változik 2900 2850 2800 2750 220 C 200 C 180 C 160 C 140 C Telített gõz nyomásváltoztatás hőmérsékletváltoztatás 4-5% 1-2% A túlhevítés hatására kis mértékben nő az etalpia, de nőnek a veszteségek is A kondenzvíz hőmérsékle-tének csökkentése akár 20-30 % -al növelheti az ental-piakülönbséget 2700 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 p bar
Túlhevített gőz szállítása Nő a hasznosítható hőtartalom, de csökken a gőzáram A hőveszteség a hőmérsékletkülönbség változásával arányos 1,4 q t t 0,,,, q t t 0 q,, q 1,3 1,2 1,1 1 Q h g,,,, Q h g v v,, Q,, Q 0,9925 0,985 0,9775 0,97 0 10 20 30 40 50 60 t g t,,
8.1. Fogyasztói hőközpontok
Soros kapcsolású hőközpont ágáramai és a kialakuló hőmérsékletek
Párhuzamosan kapcsolt hőközpont ágáramai és a kialakuló hőmérsékletek
Párhuzamosan kapcsolt hőközpont ágáramai és a kialakuló hőmérsékletek 29 C
8.3. Gőzrendszer veszteségek csökkentésének lehetőségei
Energiamegtakarítási lehetőségek: 1. Vizsgáljuk meg, hogy van-e a hálózaton szivárgás. Egy 3 mm-es szivárgási pont, mely egy 7 bar nyomású gőzt szállító csővezetéken helyezkedik el 33000 liter olajnak megfelelő hőveszteséget jelenthet évente. 2. A kondenzátum újrahasznosítása. 1 baron a kondenzátum a gőz teljes energiatartalmának 18%-át, míg 14 baron a 30%-át jelenti. 3. Vezetékek, szerelvények és a berendezések megfelelő szigetelése. Egy leszigeteletlen karimás kötés hővesztesége megfelel 0,6 méter hosszú cső hőveszteségének. Gőzrendszerek megfelelő szigetelésével 80-90 W/m 2 -re lehet csökkenteni a veszteséget. (pl.: Δt = 50 C esetén szigeteletlen esetben 581 W/m 2.
4. A sarjú gőz hasznosítása. A sarjú gőzt fel lehet használni direkt módon is különféle technológiai folyamatokhoz, ezzel is csökkentve a fő gőzfelhasználást. 5. A gőzrendszer veszteségeit a felhasználás módjának megváltoztatásával is lehet csökkenteni. Mindig annyi gőzt használjunk fel, ami ténylegesen szükséges és soha ne többet. Meg kell vizsgálni, hogy a felhasználási technológia milyen állapotban van, kell-e karbantartani, korszerűsíteni.
Energiafolyam-ábra Mennyi lesz a földgáz költség megtakarítás, ha az alábbi energiafolyam ábra szerinti gőzrendszeren a veszteséget 22 %-al csökkentik, de az egyéb tételek változatlanul maradnak, ill. elhanyagoljuk 12 % 5 % 78 % Jelenleg gőzre 780 gnm 3 Jövőben 780-(780 22%) = 608 gnm 3 Megtakarítás: 5 % 1000-608-50-120-50 172gnm 3 K=172 32,5 24 134eFt/nap
9.1. A sűrített levegő szolgáltatással szemben támasztott követelmények
A fogyasztói igények biztonságos kielégítése az elsődleges feladat! IGÉNY = MINŐSÉG + MENNYISÉG + NYOMÁS MINŐSÉG: A szennyezett levegő növeli a működési költséget. Károsodnak a tömítések, eltömődés. KARBANTARTÁS! Megnőhet a selejt termékek aránya. MENNYISÉG: Nagy a kompresszor teljesítménye: sokat üzemel üresjáratban. Kevés a kompresszor teljesítménye: nem biztosítja az igényelt nyomást, és ez a fogyasztók teljesítményének csökkenését eredményezheti. NYOMÁS: Magas nyomásszint = magas szivárgási veszteség és sűrítési energiaigény Befolyásolja a fogyasztók teljesítményét és levegőfogyasztását, a kompresszorok energiafogyasztását. A SZÜKSÉGESNÉL NAGYOBB NYOMÁSRA NE TÖRTÉNJEN KOMPRIMÁLÁS!
A kompresszor teljesítményigénye, % Légszerszám teljesítmény, % A kompresszor, és a légszerszám teljesítménye a túlnyomás függvényében 120 A légszerszám névleges teljesítménye és teljesítményének változása 120 100 7-9 % csökkenés 100 80 8-10 % csökkenés 20 % csökkenés. 80 60 A kompresszor teljesítményigényének változása A légszerszám teljesítménye 80%. 60 40 40 20 20 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 Túlnyomás, bar 0
9.2. A sűrített levegő rendszer általános felépítése, a rendszer elemei
Alrendszerek Előállítás Kompresszorok, hűtve szárítók, hővisszanyerők Elosztás Csövek, armatúrák, puffertartályok Fogyasztás Technológiai berendezések
9.4. Jellemző problémák sűrített levegős rendszereknél. A hálózaton fellépő mennyiségi veszteségek okai, a szivárgások megkeresésének módja, mennyiségi veszteségek meghatározása
Elfogadható/megfelelő az az elosztó rendszer, ahol: a mennyiségi veszteség max. 5%, a nyomásesés a kompresszortelep és legtávolabbi teljes hálózaton max. 1,0 bar, a minőségben nincs változás. Leggyakoribb okok: Nyitva maradt armatúrák. Csatlakozások, armatúrák tömítetlensége. Berendezések szükségtelenül bekapcsolva maradnak. Az elkerülhető szivárgások sokfélék és változatosak: szerelési hibák, mechanikai sérülések, Általános helytelen kezelés, kémiai behatások.
A mennyiségi veszteségeket többféle módon lehet meghatározni tartály kiürülése alapján, kompresszor terhelés alatti üzemidejéből, szivárgási helyek meghatározásával. Kompresszor terhelés alatti üzemidejéből: Teljes elvételi szünet esetén a kompresszor által a hálózati nyomás tartására megtermelt sűrített levegő a hálózati mennyiségi veszteségek pótlásához szükséges. Szivárgási helyek meghatározásával: A hálózati nyomást a maximumra emeljük, és sűrített levegő vezetékek mellett bejárjuk az üzemet. Az erős sziszegő hang tömítetlenséget jelez. Ökölszabály: a meglévő rendszerekben felfedezhető szivárgások 20 %- a okozza az elkerülhető költségek 80 %-át.
A telephelyen található sűrített levegő rendszer veszteségfeltárása során Ön 1 darab 6 mm nagyságú szivárgást észlelt. A telephelyen működő rendszer 6 bar-os. Az alábbi hibák elhárításával mekkora lehet az évenkénti megtakarítás, ha a villamosenergia ára 28 Ft/kWh (p vill ),a kompresszorok kihasználtsága(ξ) 80%? 1. A kompresszorok üzem ideje: t üzem = ξ 8760h/év = 7008 h/év 2. Diagramról leolvasva: 6 mm => 10 kw többlet teljesítmény-igény 3. Energiaigény (E): t üzem P többlet = 7008h 10 kw = 70080 kwh 4. Költség: p vill E = 28 Ft kwh 70 080 kwh 1, 96 MFt/év
Levegőveszteség, és többlet teljesítmény-igény a lyuk méret függvényében Többlet teljesítmény-igény, kw
9.5. Hulladékhő hasznosítás a sűrített levegő rendszerekben
Hűtőlevegő csatorna a környezet felé Megépítendő csatorna Bevezetés lehetősége Nyomdacsarnok Meglevő csatorna Kompresszor helyiség
Adott egy 30 kw-os és egy 18 kw-os léghűtésű kompresszor. A veszteségfeltárás során megállapították, hogy a kompresszorok hulladékhőjét a közeli csarnok fűtésére lehetne alkalmazni. A kompresszorokba bevezetett villamosenergia 72%-a hőként hasznosítható. A kisebbik kompresszor 25 %-os teljesítményen működik. Fűtési szezonban a kompresszorok 1944 órát üzemeltek. Mekkora az elérhető tüzelőanyag megtakarítás, és ennek a költsége? A földgáz fűtőértéke 34 MJ/Nm 3, ára 3250 Ft/GJ. 1. 30kW + 0,25 18 kw 2. 25 kw 1944 h = 48 600 kwh év 3.175 GJ év 3250 Ft GJ 0,72 25 kw 570 000 Ft/év GJ 175 év 5100 Nm3 év
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!