5. energetska efikasnost tehnoloških procesa · energetska efikasnost tehnoloških procesa energy...

5. Energetska efikasnost tehnoloških procesa Energy efficiency of the technology processes

Technological processes are generally energy intensive. Reducing energy consumption, environmental protection and waste management becomes imperative to every technological process. Increasing energy efficiency, in addition to savings in energy consumption in the broad sense ncludes protection of the environment and very often minimize waste. Rational energy use and recovery of waste heat from the process are the two most important ways of reducing costs. Utilization of waste streams and renewable sources are the following two tools in order to reduce costs and to preserve the environment and reducing waste. To increase energy efficiency extensive knowledge are required. The first step towards reducing the energy consumption analysis. For this reason it is necessary to a good understanding of material and energy balances. The next step will be to adopt a program of savings. As a rule, the first steps are savings that do not require or require very little material resources. The next steps are saving measures that requires greater investment.

The savings can be achieved by each individual device and system as a whole. For this reason, it is necessarz to have knowledge of each unit, as sources of potential losses. Devices that provide energy such as boilers and steam systems are found in almost every technology. Heating, cooling, air conditioning, insulation and lighting systems are also independent of the type of industry. There are also a certain amount of individual operations, specific for each technology.

Finally, it is necessary to know what are the whole proces energy reserves, or what is the maximum energz that can be recovered from existing technology. 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 CO2

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.

u okolinu.

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.

2

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 i 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.

3

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

∫∫•• +=

2

1

2

1

)()(t

tizak

t

tul dttmmdttm (5.2)

U slučaju postojanje samo dotoka (punjenje rezervoara, na primer), gornja jednačina se svodi

ak

t

tul mdttm =∫

•2

1

)( (5.3a)

a u slučaju postojanje samo isticanja (pržnjenje rezervoara, na primer)

ak

t

tiz mdttm −=∫

•2

1

)( (5.3b)

Treba primetiti, da u gornjim jednačinama postoji vremenska zavisnost protoka. U slučaju konstantnog protoka, gornje jednačine se pojednostavljuju, imajući ovo u vidu, dobijamo

12,12,

2

1, )( tmttmdtm izulizul

t

tizul ∆=−= •••

∫ (5.4)

4

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 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

Σmul,i = Σmiz,j

(5.6)

Gde su uzete u obzir sve ulazne i izlazne struje i obično se naziva totalni materijalni bilans.

Σmul,i = mul,1 + mul,2 + ... i = 1, Nul

(5.7a)

Σ miz,j = miz,1 + miz,2 + ... j = 1, Niz

(5.7b)

U gornjim jednačinama, Nul predstavlja broj ulaznih struja a Npr

•• Σ=Σ iiziul mm ,,

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.

(5.8)

5

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

ΣmA,ul,i = ΣmA,izl,j

(5.9a)

ΣmB,ul,i = ΣmB,izl,j

(5.9b)

U gornjim jednačinama, mA,ul,i i mB,ul,i predstavljaju masu komponente A i B u ulaznoj struji i a mB,ul,i = mB,izl,j

predstavljaju masu komponente A i B u izlaznoj struji j. Gornje dve jednačine zgodno je napisati preko sastava ulaznih i izlaznih struja

Σmul,i xA,i = Σmiz,j xA,j

(5.10a)

Σmul,i xB,i = Σmiz,j xB,j

(5.10b)

gde je xA,i udeo komponente A u ulaznoj struji i a xA,j udeo komponente A u izlaznoj struji j, odnosno xB,i udeo komponente B u ulaznoj struji i a xB,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)

m1 (1- x1) + m2 (1-x2) = m3(1 - x3

) (5.12b)

u gornjim jednačinama x1, x2 i x3 predstavljuju udeo komponente A u struji 1, 2 i 3 respektivno a (1- x1), (1-x2) i (1 - x3

) 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

xA,1 + xB,1

= 1

pojednostavljeno

6

xA,1 = x

1

xB,1 = 1 - x1

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 Nx nepoznatih veličina (masa/masenih protoka, sastav) neophodno je postaviti isti broj nezavisnih jednačina Nb

(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

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 - Nxint

(5.15)

Ukupan broj internih – zajedničkih veličina, Nxint

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.

Nxint = Σ Nxint, 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

7

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 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

8

Slika 5.1 Skica procesa razdvajanje etanola i vode (Primer 5.1)

9

bismo rešili zadatak biramo pogodan osnov: 100 kg/s napojne smeše. Imajući ovo u vidu poznati su sledeći podaci:

0•m = 100 kg/s

1,Ey / 2,Ex = 4,2

1•m / 2

•m = 0,33

Imamo četiri nepoznate veličine: 1•m , 2

•m , 1,Ey i 2,Ex . Možemo postaviti 4 nezavisne jednačine

masenog bilansa:

1,Ey / 2,Ex = 4,2 (5.1.1)

1•m / 2

•m = 0,33 (5.1.2)

2,21,10,1 EEE xmymxm ••• += (5.1.3)

2,21,10,0 EEE xmymxm ••• += (5.1.4)

Gde su: 0•m , 1

•m i 2•m , maseni protoci napojne (0), parne (1) i tečne (2) struje. Maseni udeli

etanola u napojnoj, parmoj i tečnoj označeni su respektivno, sa 0,Ex , 1,Ey i 2,Ex . Pomoću

jednačina (5.1.2) i (5.1.3) određujemo maseni protoke struje 1 i 2:

2•m = 1

•m /(1+0,33) = 75,19 kg/s

•• • −= 201 mmm = 24,81 kg/s

Masene udele etanola u izlaznoj parnoj i tečnoj struji određujemo iz jednačina (5.1.1) i (5.1.4)

21

0,02.

2,4 • •

• ⋅

+=

mm

xmx E

E = 0,19

1,Ey = 4,2 2,Ex = 0,80

Mase etanola u napojnoj i izlaznoj tečnoj struji su

0,Em• = 100·0,34 = 34 kg/s

2,Em• = 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).

10

Slika 5.2a Sistem bez recikla

11

Slika 5.2b Sistem sa reciklom

Kod sistema bez recikla za granicu sistema postavljenu između ulaza i izlaza glasi: mul = miz ± mproc

(5.16)

gde, mu i miz predstavljaju masu na ulazu odnosno izlazu iz uređaja. U procesa može postojati

dotok (vlaga iz vlažnog materijala) ili odtok mase (separacija, razdvajanje), mproc

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

.

m0 = mul + mrec

(5.17)

mpr = miz + mrec

(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)

12

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 ( ),,, 0,,0,,0,0 REREERR xxxmmm •••

Zadate promenljive = 2 ( ), 0,0 Exm•

Broj nepoznatih veličina = 4

Broj jednačina = 2 (1 totalni + 1 komponentni mb.)

F1

= 4 – 2 = 2

2. Proces

Ukupno promenljive = 6 ( ),,, 2,1,0,,2,10 EERER xxxmmm •••

Zadate promenljive = 0


Dodatne jednačine = 2 )/( 2,1,,2/1 EE xymm ••

Broj jednačina = 4 (1 totalni + 1 komponentni mb. + 2 dodatne)

F2

= 6 – 4 = 2

3. Tačka razdvajanja

Ukupno promenljive = 6 ( ),,,, 1,,1,1,,1 REREERR xxxmmm •••

13

Zadate promenljive = 0 )/( 2,1,,2/1 EE xymm ••


Dodatne jednačine = 2 )/( 2,1,,2/1 EE xymm ••

Broj jednačina = 4 (1 totalni + 1 komponentni mb. + 2 dodatne j-ne)

F3

Zajedničke promenljive = 6 (

= 6 – 4 = 2

),,, 1,0,,1,0, ERERERR yxxmmm •••

Stepen slobode celog sistema F = F1 + F2 + F3

– 6 = 0.

Što znači da je sistem rešiv. Imamo ukupno 10 jednačina i 10 nepoznatih veličina. Poznate veličine:

0•m = 100 kg/s ; 0,Ex = 0.34 kg/s

Nepoznate veličine:

RER xm 0,0 ;•

RER xm ,;•

11; xm•

22; xm•

RR xm 11 ;•

Nezavisne jednačine:

••• += RR mmm 00 (5.2.1)

••• += 210 mmm R (5.2.2)

••• += RR mmm 11 (5.2.3)

•• = 15,0 mmR (5.2.4)

33021 ,/ =•• mm (5.2.5)

••• += RERERER xmxmxm ,,, 0000 (5.2.6)

••• += 221100 ,,, EERER xmxmxm (5.2.7)

1,, ERE xx = (5.2.8)

14

1,1, ERE xx = (5.2.9)

2,4/ 2,1, =EE xx (5.2.10)

Kombinacijom (5.2.1), (5.2.2) i (5.2.4) dobijamo:

•••• +=+ 1021 50330 mmmm ,,/

odakle izračunavamo maseni protok parne struje

==•

•

1651330

1 ,, mm 28,326 kg/s

Koristeći (5.2.4) i (5.2.1) dobijamo:

=•Rm 14,163 kg/s

=•Rm0 85,836 kg/s

Kombinacijom (5.2.6), (5.2.7), (5.2.8) i (5.2.10) dolazimo do sledećeg izraza:

odakle možemo izračunati x

Iz jednačina (5.2.10) i (5.2.6)

E,1

232024

12 ,

,,

, == EE

xx

41900

000 ,,,

, =+

=•

••

R

RERERE

m

xmxmx

Mase etanola u pojedinim strujama su:

64627111 ,,, == ••EE xmm kg/s

82313,,, == ••RERRE xmm kg/s

•••• +=+ 1001

211 24 ,,,

, , EREE

E xmxmx

mxm

97602424

24

021

001 ,

,,

, ,, =

++=

•

• •• mmm

xmx E

E

15

Sistem

∆Eak

9119222 ,,, == ••EE xmm kg/s

8347000 ,,, == ••RERRE xmm kg/s

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

E

ul

Q Q

gub

Slika 5.4 Primer otvorenog sistema na osnovu Slike 5.4 može se napisati Eul + Q = Eiz + ∆Eak + W + Qgub

(5.19)

gde su: Eul

E energija koja se sa masom unosi u sistem

iz

∆E energija koja se sa masom iznosi iz sistema ak

Q energija koja se prenosi u sistem u vidu toplote promena energije sistema, akumulisana energija tokom procesa

W energija koju sistem predaje okolini u vidu rada Qgub

gubitak toplote u okolinu

Eizl

16

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 • 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:

Eul = mul[u + Pv + ]ul

E energija koja se unosi u sistem sa masom

iz = miz[u + Pv + ] iz

∆Eenergija koja se iznosi iz sistema sa masom

ak= msis[u + ]sis

Q prelaz energiju u sistem u vidu toplote promena akumulisane energije sistema

W energija koja se troši na rad sistema nad okolinom Qgub

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: ΣHul + Q = ΣHiz + ∆Eak + W + Qgub

(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

gubsistak

t

tizlizl

t

tulul QWhmdthtmQdthtm ++∆+=+ ∫∫ ••

1212

2

1

2

1

)()( (5.22a)

17

U slučaju konstantnih protoka (vremensko nezavisnih) važi jedn. (5.4), čime se gornja jednačina svodi na sledeći oblik

gubsistakizlizlululul QWhmthmQmthm ++∆+∆=+∆ ••12121212 (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. ΣHul + Q = ΣHiz + W + Qgub

(5.23)

Vrlo često imamo sisteme bez rada ΣHul + Q = ΣHiz + Qgub

(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

gub, QxmhmQhm••••• ++=+ 221100 (5.3.1)

odavde je potrebna količina toplote

18

gubQhmxmhmQ•••••

+−+= 002211 , (5.3.2) U slučaju recikla, Primer 5.2, postavljamo energetski, toplotni bilans za process i u tečki rekombinacije

RRRR xmhmhm ••• += 0000 (5.3.3)

gubRRR QxmhmQhm••••• ++=+ 221100 , (5.3.4)

Kombinacijom ove dve jednačine, dobijamo:

gubRRR QxmhmxmhmQ••••••

+

+−

+= 002211 (5.3.5)

Odnosno, imajuću u vidi jedn. (5.3.2) dobijamo

gubRRR QxmQQ••••

+−= (5.3.6)

Pitanje

1. Uloga materijalnog bilansa kod novih i postojećih uređaja? Odgovor

Kod potpuno novog uređaja, materijalni bilans je osnov za projektovanje datog uređaja a kod postojećeg osnov za simulaciju odnosno proveru njegovih performansi.

Pitanja 2. Uloga materijalnih bilansa kod procesa (novog i postojećeg)? 3. Uloga energetskog bilansa?

Pitanje 4. Osnovni izraz za sve tipove materijalnih bilansa?

Odgovor Za sve tipove materijalnih bilansa može se primenuti sledeći izraz Masa na ulazu = masa na izlazu + masa akumulisana u procesu

Pitanja 5. Dali se gornji izraz za maseni bilans može zamenuti sa

Br. molava na ulazu = br. molova na izlazu + molovi akumulisani u procesu 6. Koja je razlika između nestacionarnog i stacionarnog procesa? 7. Koja je razlika između kontinualnih i šaržnih procesa? 8. Protočni stacionarni sistem bez hemijskih reakcija ima jedan ulaz i jedan izlaz. Ako se

ulazna struja sastoji se od 3 komponente, napiši totalni I komponentni materijalni bilans. 9. Kod masenih bilansa šta predstavlja stepen slobode? 10. Uloga inertnih komponenti pri rešavanju materijalnih bilansa? 11. Razlika između sistema sa i bez recikla? 12. Izračunavanje stepen slobode kod sistema sa reciklom? 13. Izračunavanje stepen slobode kod povezanih procesa? 14. Opšti izraz za I zakon termodinamike? 15. Koja je razlika između akumulisane i energije u prelazu?

19

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

20

iznad 8200

1. Izolacija na niskim temperaturama

C govorimo o “izolaciji sa vatrostalnim materijalima”. Opseg temperature u kojima se koristi izolacioni materijala može se podeliti u tri grupe:

• 160C do 00

Primer: hladna voda C

• -0,60C do -740

Primer: hlađenje C

• -740C do -2670

Kriogeni procesi C

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 2600

Kalcijum silikatni blok C

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 Zatvorene cellule ploča

0.0361

Keramička vlakna rolna 0.0779

21

Najvažnija osobina kod izolacionih materijala je termička konduktivnost. Što manja konduktivnost veći je otpor prenosu toplote, bolja termička izolaciona sposobnost.

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

δ∆λ tq =

što možemo napisati i u sledećem obliku

Rt

/tq ∆λδ

∆==

22

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 proporcionalan koeficijentu provođenja (konduktivnosti) λ datog izolacionog materijala.

U slučaju cilindrične geometrije, Slika 5.6 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

U slučaju višeslojnog zida (ravnog ili cilindričnog) važi

Rt

Rtq

uk Σ∆∆

==

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 6500

2. Staklo

C. Kalcijum silikat absorbuje vodu ali se može osušiti bez oštećenja. Materijal je nesagoriv. Prvenstveno se koristi za izolaciju vrelih cevi i površina.

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)

Rt

)d/dln(t

)d/dln(tq

unspunsp

∆

πλ

∆∆πλ ===

2

2

23

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 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.

5. Elastomeri Pena smole kombinovana sa elastomerima daje fleksibilan celularni materijal. Dostupni u preoblikovanim formama. Slaba propustljivost pare i vode. Gornja granica primene je 1050C.

6. Penasti materijali Tečnost koja ekspanduje i očvršćava. Pogodna za izolaciju nepravilnih površina i praznina.

7. Vatrostalna vlakna Mineralna ili keramička vlakna. Otpornost na temperetaurni udar je izuzetno velik. Gornja granica temperature 16500C. Materijal je nesagoriv.

8. 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.

9. Izolacioni materijali prirodnog organskog porekla Ovde spaduju: drvo, trska, piljevina i vuna.

10. Termički reflektivni materijali Aluminijski nikl, nerđajući čelik.

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 200

Osnov za račun: 1 m cevi.

C. Odrediti toplotne gubitke u oklinu, temperaturu unutrašnje strane cevi kao i otpor zida cevi i vazduha.

Podaci: t2 = 1140

tC

0 = 200

λC

z

α = 42 W/mK

v = 10 W/m2

Toplotne gubitke možemo izračunati iz izraza za tolpotu koja se konvekcijom prenese sa spoljneg zida cevi na okolni vazduh.

K

vvgub tAQ ∆α=

Odnosno

v

vgub R

tQ ∆=

Otpor sloja vazduha prenosu toplote, Rv

je

13270060210

11 ,,A

Rv

v =•••

==πα

0

Cm/W

24

Toplotni gubici su

3870813270

20114 ,,

Qgub =−

= W/m

Smatrajući proces stacionarnim, isti tolpotni fluks prolazi i kroz zid cevi

)d/dln(tQ z

gub12

2 ∆πλ=

Odnosno, izraženo preko otpora zida cevi, R

z

z

zgub R

tQ ∆=

gde je R

v

412 10926

422050060

2−•=

••== ,),/,ln()d/dln(Rv ππλ

0

Cm/W

Temperatura razlika, Δtz

je

C,,,RQt zgubz04 4901092638708 =••== −∆

a temperatura untrašnje strane zida

C,,ttt z0

21 49114490114 =+=+= ∆

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 0

Osnov za računanje: 1 m

C da bi se toplotni fluks iz okoline smanjio za 80%?

2

Podaci: .

to = 30 0

δC

z

λ = 20 cm

z = 0,1 W/m2 0

λC

iz = 0,03 W/m2 0

1021 ==ααC

W/m2

Da bi se održavala temperatura hladnjaka, odvedeni toplotni fluks treba da je jednaka tolpotnom fluksu iz okolnog vazduha u hladnjak

K

321

0

RRRttQ h

++−

=

25

gde su R1, R2 i R3

, otpori prenosu toplote sa vazduha na zid, kroz zid i sa zida na vazduh u hladnjaku respektivno.

101011

11 ,R ===

α0Cm2

12020

1 ===,,R

z

z

λδ

/W

0Cm2

101011

21 ,R ===

α

/W

0Cm2

/W

a toplotni fluks koji treba odvesti iz sistema

1510110

230=

++−

=,,

Q W/m

2

U slučaju izolacije, imamo dodatni otpor Riz

. Izraz za fluks je

321

020RRRR

ttQ,Qiz

hiz +++

−==

Odakle je Riz

)RRR(Q

ttRiz

hiz 321

0 ++−−

=

84101101520230 ,),,(

,Riz =++−

•−

= 0Cm2

/W

odavde možemo da izračunamo debljinu zida izolacije, δ iz

144003084 ,,,R iziziz =•== λδ 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.

26

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 • Godišnji troškovi održavanja izolacije (5% do 10% od godišnjih troškova izolacije, za

slučaj eventualnih oštećenja). 2. 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

TRO

ŠKO

VI

Slika 5.7 Određivanje ekonomične debljine izolacije Pitanje

1. Koji materijal se može smatrati izolacionim? Odgovor

Materijali koji koji značajno smanjuju prenos toplote iz sistema u okolinu ili obrnuto. Pitanja

2. Uloga termičke izolacije? 3. Osnovni tipovi izolacionih materijala? 4. Osnovne karakteristike izolacionih materijala? 5. Prevedi sledeći izraz

DEBLJINA IZOLACIJE

UKUPNI

TROŠKOVI IZOLACIJE

TROŠKOVI

MIN. TROŠKOVI

27

δ∆λ tq =

u oblik izražen preko termičkog otpora. 6. Napiši izraz za toplotne gubitke za slučaj višeslojnog zida! 7. Koje troškove treba uzeti u obzir pri izračunavanju ekonomične debljine izolacije? 8. Šta predstavlja ekonomična debljina izolacije?

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").

un

kor

EE

=η (5.29)

gde Ekor i Eun

Koeficijent korisnog dejstva ciklusa

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.

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

28

dov

kor

QW

=η

(5.30)

gde važi

odvdovkor QQW −=

Između dva temperaturna nivoa termodinamički ciklus koji ima najveći stepen korisnog dejstva je Carnotov ciklus

T

H

T

HTC T

TT

TT−=

−= 1η

(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

11

−=

−==

HTHT

HHhl Q/QQQ

QWQε

(5.32)

29

Iz gornjeg izraza se vidi, da koeficijent hlađenja raste sa smanjivanjem razlike QH – QT

Koeficijent grejanja predstavlja odnos između toplote koja se dovodi u sistem i uloženog rada

. Ovo znači, da kod uređaja za hlađenja treba raditi u što manjem temperaturnom intervalu.

THHT

TTgr Q/QQQ

QWQ

−=

−==

11ε

(5.33)

U gornjim izrazima važi

HT QQW −=

Imajući u vidu HT QQ > možemo zaključiti sledeće

hlgr εε >

1>grε

1=− hlgr εε

0>hlε

Pitanje

1. Šta je energetska efikasnost? Odgovor

Energetska efikasnost predstavlja odnos između energija koja je potrebna za funkcionisanje sistema i energije koja se unosi u sistem (koja se mora "platiti").

Pitanja 2. Koja je razlika između "energetske efikasnosti" i "očuvanja energije"? 3. Koja je razlika između toplotnih mašina i toplotnih pumpi? 4. Napiši izraz za koeficijent korisnog dejstva ciklusa! 5. Između dva temperaturna nivoa koji termodinamički ciklus ima najveći stepen korisnog

dejstva? 6. Izrazi za koeficijent grejanja i hlađenja? 7. Poređaj po veličini: koeficijent korisnog dejstva ciklusa, koeficcijent grejanja I hlađenja!

30

5.5. 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] Pizlaz T [MPa] pare [K] Grejanje 27.000 1,0 Zasićena Mali industrijski 45.000 4,6 673 Srednji industrijski 115.000 4,6 673 Veliki industrijski 270.000 10,4 745 Velike elektrane 1.700.000 18,2 811

5.5.1 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.

5.5.1.1 Bubanjski kotlovi Shell boilers

31

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

32

Tabela 5.3 Karakteristike kompaktnog kotla

Gorivo Dužina

[m2Prečnik

] [m] Efikasnost

[%]

Generacija toplote

po jedinici zapremine [kW/m3

Brzina generacije pare sa jedinice površine vode

]

[kg/m2

nafta

s]

3,9 2,5 82 2330 0,20 gas 3,9 2,5 80 2600 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.

33

5.5.1.1 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

34

uređaja ide do 90%. Izlazni gasovi iz turbine (oko 5000

Kod sistema (postrojenja) gde je potreba za električnom energijom i parom u odnosu koji opravdava korišćenje ovakvih sistema.

C) prolaze kroz kotao, gde se generiše para koja se koristi za potrebe procesa.

35

5.5.2 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 SO2 i H2O. Reakcija izmešu ova dva jedinjenja nastaje H2SO4

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.

, 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.

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

5.5.3 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

36

pregrejane pare. Cilj je što efikasniji prenos toplote, u protivnom značajan deo energije može izaći sa dimnim gasovima iz sistema. 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 100

C 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.

37

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.

38

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. 5.5.4 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.

39

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. 5.5.5 Efikasnost kotlova

Boliers efficiency

Toplotna energija, koja se dobija sagorevanjem goriva odlazi na generisanje pare i toplotne gubitke

∑+=4

1i,gubpg QQQ

(5.34)

Gde Qp predstavlja toplotu koja ode na generisanje pare a Qgub,i

toplotne gubitke.

ppvpvp QQQQ ++=

(5.35)

Deo energije odlazi na zagrevanje vode, Qnv deo na isparavanje, Qvp a deo na pregrevanje (ukoliko je potrebno), Q

pp

)tt(mcQ nvzpnv,pnv −=

(5.35a)

vpvp hmQ ∆=

(5.35b)

)tt(mcQ zppppp,ppp −=

(5.35c)

gde su:

m masa generisane pare

tv, tzp,tpp

Δhtemperatura napojne vode, zasićene pare i pregrejane pare

vp

latentna toplota isparavanja

Generalno, gubici u kotlu mogu se svrstati u sledeće grupe:

40

• Gubici energije sa dimnim gasovima, Q• Gubici energije kroz zidove kotla, Q

gub,1

• Gubici energije sa vodom za ispiranje, Qgub,2

• Ostali gubici, nesagorelo gorivo, gubici infiltracijom, curenjem itd., Qgub,3

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.

g

p

QQη=

(5.36)

gde su: η ukupan stepen korisnog dejstva kotla

gQ raspoloživa energija radnog goriva

pQ toplota koja se preda prijemniku

5.5.6 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

41

• Merenje temperature dimnih gasova • Merenje temperature vazduha koji ulazi u kotao 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.

42

5.5.7 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.

43

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%. 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 [0

prirodni gas C]

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

44

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 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%.

8. Korišćenje kondenzata

Kondenzati nastaju u procesu, nakon kondenzacije pare i vraćaju se u sistem napojne vode.

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.

10. 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.

45

11. Povrat kondenzata

Uvek kada je to isplativo treba raditi rekuperaciju kondenzata. Razlozi su sledeći: • 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 150

C. Iz ovoga se vidi značajan potencijal za rekuperaciju. (175)

12. 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.

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.

46

Pitanje 1. Šta je osnovna uloga kotla?

Odgovor Proizvodnja pare iz vode dovođenjem toplotne energije.

Pitanja 2. Koja je osnovna razlika između bubanjskih i strmocevnih kotlova? 3. Prednosti i mane bubanjskih kotlova? 4. Prednosti i mane strmocevnih kotlova? 5. Šta su kondenzacioni kotlovi? 6. Koje su osnovne komponente kotla? 7. Uloga ekonomajzera? 8. Čime se može vršiti predgrevanje vazduha za sagorevanje? 9. Koja je razlika između spoljneg i unutrašnjeg tretmana vode? 10. Napiši izraz za toplotnu energiju koja odlazi na zagrevanje vode, isparavanje I

pregrevanje vode! 11. Osnovne grupe gubitaka u kotlu? 12. Šta je ukupan stepen korisnog dejstva kotla? 13. Šta se proverava merenjem efikasnosti procesa sagorevanja? 14. Glavne mogućnosti za uštedu energiju?

47

5.6. 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

Psat T [bar] sat [0 Entalpija [KJ/kg] C]

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

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.

, razmenjivači tipa cev u cev zauzimaju 2 ili 3 puta više prostora.

48

• 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 1200o

Termalni fluidi, kao što su mineralna ulja, mogu se koristiti tamo gde su potrebne visoke temperature (do 4000

C).

o

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.

C) a gde se ne može koristiti para. Termalni fluidi su skupi, i zahtevaju izmenu svake pete godine.

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 Prenosa

toplote Umereni koeficijent prenosa

toplote Relativno slab koeficijent

prenos toplote Za postizanje visokih

temperatura potrebni visoki pritisci

Za postizanje visokih temperatura potrebni visoki

pritisci

Za postizanje visokih temperatura dovoljni niski

pritisci Nema potrebe za

cirkulacionim pupama Potrebna cirkulaciona pumpa Potrebna cirkulaciona 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.

vpvpp hhhe ∆+==

(5.37)

Prilikom kondenzacije 1 kg pare ukupna količina toplote koja zasićena para može da preda iznosi

49

vpispp hhhq −== ∆

(5.38)

Ista količina toplote može se predati sistemu pomoću vrele vode

tcmqQ vvpv ∆==

(5.39)

Odavde se može odrediti potrebna količina vode

tch

tcq

mv

isp

v

pv ∆

∆∆

==

(5.40)

U slućaju korišćenja pregrejane pare za prenos toplote može se napisati

tch

tcq

mpp

isp

pp

ppp ∆

∆∆

==

(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

vppvp h)x(xhh −+= 1

(5.42)

U gornjem izrazu x je stepen suvoće i predstavlja odnos mase suvozasićene pare i ukupne mase (masa suvozasićene pare i proključale tečnosti)

pvpp

pp

mmm

x+

= (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 pri tiska 5 bar i temperature 1400

Na pritisku od 1 bar temperatura ključanja (zasićenja) je 100

C 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?

0

C, što znači da će doćo do stvaranja fleš pare. Koliko? Odgovor na ovo dobijamo iz energetskog bilansa. Energija pre i posle procesa je ista

50

221 1 ,v,p,v h)x(xhh −+=

(5.44)

Gde su 1,vh , 2,ph , 2,vh entalpija vode u stanju 1 (viši pritisak), entalpija pare i vode u stanju 2

(niži pritisak) respektivno, dok je x količina nastale fleš pare a )x( −1 količina preostalog kondenzata. Odavde se lako može izračunati količina nastale fleš pare

vp

,v,v

,v,p

,v,v

hhh

hhhh

x 21

22

21 −=

−−

=

(5.45)

gde je vph latentna toplota isparavanja.

Pregrejana para Prenos toplote moguć je i pomoću pregrejane pare. Količina prenete toplote jednaka je

tcmQ pppp ∆=

(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.

51

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

52

5.6.4 Faktori koji utiču na potrošnju energije u parnom sistemu

Factors affecting energy consumption in the steam system

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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. Prisustvo kondenzata visokog pritiska. Ovaj kondenzat se može podvrgnuti “flashnig” procesu čime se dobija para koja se može koristiti u procesu.

2. 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.

3. Curenje linija i ventila. Povećanje gubitaka. Kao posledica curenja mora se proizvesti više pare da bi se nadoknadili gubici.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

53

Pitanje 1. Šta je osnovna prednost pare kao nosioca toplotne energije?

Odgovor Para se generiše iz dostupnog izvora vode, ekološki je prihvatljiva i može da akumulira relativnu veliku količinu toplotne energije.

Pitanja 2. U kojim slučajevima je opravdano koristiti termalne fluide? 3. Šta je fleš para? 4. Kako se može izračunati količina nastale fleš pare? 5. Koji je najpogodniji medijum prenosa toplote: vrela voda, zasićena ili pregrejana para i

zašto?

54

5.7. 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 refrigent. 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

55

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.

56

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

21 hmWmh •∗ =+ (5.46)

• −= )( 12 hhmW (5.47)

Gde su: h1i h2

entalpija rashladnog sredstva na ulazu i izlazu iz kompresora, respektivno dok je W snaga kompresora.

Za kodenzator se može napisati:

HQhmmh••∗ += 32

(5.48)

Odakle je toplotni fkus koji se odvodi iz kondenzatora, HQ•

)( 32 hhmQH −= ••

(5.49)

Za ekspanzioni venzil važi

43 hmmh •∗ = (5.50)

Odnosno

43 hh = (5.51) Za isparivač se može napisati

••• =+ 14 mhQhm H (5.52)

Odakle je toplotni fluks koji se iz sistema prenese na sredstvo za hlađenje

)( 41 hhmQH −=• •

(5.53)

Za ceo sistem važi

••=+ HC QQW

(5.54)

57

Koeficijent korisnosti (COP), ε

h

WQC

h

•

=ε

(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

58

Slika 5.17 Tipične komponente komercijalno sistema za hlađenje 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 2,50

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.

C 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.

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

59

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 vode). Sistem amonijak-voda može se koristiti za niskotemperaturno hlađenje (ispod 00

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.

C).

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

60

pomoću spoljneg toplotnog izvora, amijak isparava i odlazi u kondenzator a siromašan rastvor (oko 24% amonijaka) 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.

61

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 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

apsQhmhmhm•••• +=+ 11121266

(5.56)

Bilans mase

1166 xmmxm RS••• =+ (5.57)

gde su:

SRmm •• =6 maseni protok slabog rastvora

JRmm •• =1 maseni protok jakog rastvora

12•m maseni protok

RSm• maseni protok rashladnog sredtstva

apsQ•

Toplotni fluks koja se odvodi od apsorbera

16 x,x koncentracija slabog i kakog rastvora, respektivno

Pumpa

2211 hmWhm P••• =+ (5.58)

Kompresija u pumpi je praktično izotermska. Prvi toplotni razmenjivač

55334422 hmhmhmhm •••• +=+ (5.59) Generator Bilans energije

774433 hmhmQhm GEN•••• +=+ (5.60)

Bilans mase

JRJRRSJRSR xmmxm ••• =+ (5.61) Pri čemu važi

62

4•• = mmSR

3•• = mmJR

Dok GENQ•

predstavlja toplotni fluks koji dovodi u generator.

Kondenzator Bilans energije

TQhmhm••• += 8877 (5.62)

Drugi toplotni razmenjivač

12129981188 hmhmhmhm •••• +=+ (5.63) Ekspanzioni ventili

6655 hmhm •• = (5.64)

101099 hmhm •• = (5.65) odnosno

65 hh = (5.66)

109 hh = (5.67) U ekspanzionim ventilima, proces redukcije pritisaka je izentalpski. Isparivač

11111010 hmQhm H••• =+ (5.68)

Gde je HQ•

, toplota koja se odvodi iz sistema koji se hladi.

Bilans energije za ceo sistem

TAPSGENH QQQQW•••••

+=++ (5.69) Koeficijent korisnosti hlađenja

63

• •

•

+=

GENP

Hh

QW

Qε

(5.70)

U gornjem izrazu •

PW predstavlja potrebnu snagu pumpe. Snaga je mala i obično se zanemaruje

u računanju efikasnosti hlađenja. Pitanje

1. Kod sistema sa hlađenje sa kompresijom pare gde je smeštena komponenta za isparavanje a gde komponenta za kondenzaciju?

Odgovor Imajući u vidu da je neophodno odvoditi energiju iz sistema koji se hladi, isparivač je smešten u sistemu (prostoriji) koji se hladi. Toplota koja se akumulirala u pari predaje se okolini kodenzacijom, što znači da je kondenzator smešten u okolinu

Pitanja 2. Uloga osnovnih komponenti kod uređaja za hlađenje na bazi kompresije pare? 3. Napiši energetski bilans za kompresor ? 4. Napiši energetski bilans za ceo sistem za hlađenje sa kompresijom pare? 5. Napiši energetski bilans za podsistem koji čine zajedno isparivač, kompresor I

kondenzator! 6. Kod sistema za hlađenje sa kompresijom pare šta se postiže pregrevanjem I

pothlađivanjem? 7. Koja je osnovna razlika između sistema sa hlađenjem na bazi kompresije pare i

apsorpcionog sistema za hlađenje 8. Daj uporedno osnovne elemente kompresionog I apsorpcionog sistema za hlađenje! 9. Napiši energetski bilans apsorbera! 10. Napiši energetski bilans celog apsorpcionog sistema za hlađenje! 11. Napiši bilans podsistema koji čine apsorber i pumpa! 12. U izrazu za koeficijent hlađenje apsorpcionog sistema koji energetski trošak se može

zanemariti?

64

5.8. 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

65

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)

66

Slika 5.23 Sistem sa promenljivim protokom vazduha 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.

67

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 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.

68

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. U ovom slučaju potencijali za uštedu su jako široki. Efekat vetra može . višestruko povećati infiltraciju spoljneg vazduha

69

• 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. Glavne mogućnosti za uštedu energije kod sistema za kondicioniranje jedne prostorije je mnimizacija grejanje i hlađenja, koja je funkcija ispunjenosti 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%. 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%. Konvektori i radijatori moraju biti slobodni.

70

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.

Pitanje

1. Iz prostorije koja se kodicionira kako se može odvoditi toplotna energija? Odgovor

Toplotna energija iz prostorije koja se kondicionira može se odvoditi pomoću vazduha, vode ili sredtva za hlađenje.

Pitanja 2. Šta je karakteristično za kondicioniranje kod sistema sa jednom zonom? 3. Kako funkcionišu sistemi za kondicioniranje sa više zona? 4. U čemu je razlika između sistema konstantnim I promenljivim protokom vazduha? 5. Koji su glavni gubici kod centralizovanih sistema za kondicioniranje? 6. Razlika između centralizovanog sistema i sistema za kondicioniranje jedne prostorije?

71

5.9. 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 900

• Produkcije pare

C, pre svega radi pranja, sanitacije i higijene.

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 3000

• Sušenje i odvlaživanje C.

Može se koristiti u industriji za sušenje i odvlaživanje na niskim i umerenim temperaturama (maksimalno 1000

• Isparavanje, destilacije i proces koncentracije.

C). Generalno, koeficijent toplotnih pumpi za sušenje je prilično visok između 5 i 7.

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. Tehničke i ekonomske performanse toplotne pumpe je u strogoj vezi sa toplotnim izvorom.

72

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 100

Podzemna voda na dubinama 80 m i niže obično je temperature u granicama 5 -18

C. 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.

0

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 0

C. Problem sa ovim izvorima je što voda često sadrži visoke rastvorene čvrste čestice.

0

Otpadna voda može biti dobar izvor toplote jer ima relativno stabilnu tempertazru tokom godine.

C.

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 εKonvencionalni radijatori (60/50

h 0 2,5 C)

Podno grejanje (35/300 6,0 C) Savremeni radijatori (45/350 3,5 C)

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. 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:

73

• 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 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

74

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 •m . Energetski bilansi

za odgovarajuće jedinici su: Kompresor

)hh(mW 12 −= ••

(5.71) Kondenzator

)hh(mQT 32 −= ••

(5.72) Ekspanzioni ventil

43 hh = (5.73) Isparivač

)hh(mQH 41 −= ••

(5.74) Energetski bilans za ceo sistem

TH QQW•••

=+ (5.75) Odgovarajući koeficijent grejanja je

•

•

=W

QTgrε

(5.76)

Maksimalni koeficijenti grejanja dobili bi se u u slučaju idealnog Carnovog ciklusa. Za ovaj ciklus može se napisati

STQ HH ∆=•

STQ TT ∆=•

odakle sledi

HT

Tgr TT

T−

=ε

(5.76)

75

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 Carnot-ovog ciklusa

Pitanje 1. Koja je razlika između toplotnih pumpi i rashladnih sistema?

Odgovor Osnovni princip oba uređaja je isti, prenos toplote sa rezervora sa nižom temperature na rezervoar sa višom temperaturom. Kada je cilj hlađenje sistema, govorimo o rashladnom sistemu a kada je cilj zagrevanje prostorija sistem se zove toplotna pumpa.

Pitanja 2. Zašto su toplotne pumpe efikasnije od klasičnih grejalica? 3. Dali se toplotne pumpe mogu koristiti u industriji? 4. Prednosti i mane glavnih toplotnih izvora? 5. Razlika između bivalentnog I monovalentnog sistema rada toplotnih pumpi? 6. Napisati energetski bilans za glavne komponente toplotne pumpe! 7. Napisati energetski bilans za ceo sistem!

tH [0 tC] T [

0

0 C]

10 20 30 40 50 70 100 120 -40 6,8 5,7 4,9 4,3 3,9 3,6 3.1 2.7 2.5 -30 9,0 7,0 5,8 5,0 4,5 4,0 3.4 2.9 2.7 -20 13,6 9,4 7,3 6,1 5,2 4,6 3.8 3.1 2.9 -10 27,3 14,1 9,8 7,6 6,3 5,4 4.2 3.4 3.2 0 - 28,3 14,6 10,1 7,8 6,5 4.9 3.7 3.5

10 - - 29,3 15,1 10,4 8,1 5.7 4.1 3.8 20 - - - 30,3 15,6 10,8 6.9 4.7 4.2 30 - - - - 31,3 16,1 8.6 5.3 4.8 40 - - - - - 33,3 11.4 6.2 5.5 50 - - - - - - 17.1 7.5 6.4 60 - - - - - - 34.3 9.3 7.7 70 - - - - - - - 12.4 9.6

100 - - - - - - - - 38.3

78

5.10. 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

79

Centrifugalni kompresori obično imaju veliki kapacitet, od 30 do 850 m3

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.

/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.

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

−××××=

21

100100ηη

NCLPS

(5.77)

gde su: P snaga motora, kW L procenat opterećenosti C cena elejtrične energije, RSD/kWh N očekivani vek rada, h η1, η2 efikasnost postojećeg i visokoefikasnog motora, respektivno

80

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 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

2

1

2

1

2

=

RPMRPM

PP

(5.78)

2

1

2

1

2

=

RPMRPM

WW

(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)

1

2

1

2

TT

WW

= (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. Pitanje

1. Šta treba imati na umu kada želimo da koristimo komprimovani vazduh? Odgovor

81

Treba imati na umu da su ukupni operativni troškovi komprimovanog vazduha četiri do pet puta veći od električne energije potrebne za proizvodnju komprimovanog vazduha. Komprimovani vazduh treba koristiti samo tamo gde nema drugog rešenja.

Pitanja 2. Koje su glavne komponente sistema za komprimovani vazduh? 3. Koja je uloga rezervoara kod sistema za komprimovani vazduh? 4. Gde se koriste volumetrijski a gde dinamički kompresori? 5. Koji su glavni izvori gubitaka kod sistema za komprimovani vazduh? 6. Kako smanjivanje temperature ulaznog vazduha doprinosi uštedi energije? 7. Dali je moguća rekuperacija toplotne energije?

82

5.11. 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.

83

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 volfram. Volfram 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 volframa 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 volframa i halogena. Kada ovako formirano jedinjenje dođe u kontakt sa vrelim filamentnom dolazi do njegove razgradnje i volfram se vraća u filament. Regeneracija filamenta omogućava rad na višoj temperaturi i duži radni vek.

84

Halogeni gas se takođe jedini sa volframom 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

85

nivoa a oko 10% ulazne energije odlazi 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

Treba još dodati da se kod fluoroscentnih sijalica jedino para žive koristi kao izvor svetlosti.

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.

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 300

C. Temperatura površine iznad i ispod znatno smanjuju efikasnost sijalice.

Efekat oblika lampe na efikasnost

86

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.

Svetiljke sa metal halogenom

87

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 2600

C. 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

88

Ovo predstavlja nepotreban, dodatan trošak. Nepotrebne sijalice treba isključiti, pri dovoljnom dnevnom osvetljenju ne trebe ih koristiti. Ako je potrebno sijalice 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.

Pitanje

1. Šta je to „lumen efikasnost“? Odgovor

Udeo električne energije koja se konvertuje u svetlost naziva se „lumen efikasnost“. Jedinica ovako definisane efikasnosti je lumen/wat.

Pitanja 2. Dali postoji sijalica koja idealno reprodukuje proirodnu sunčevu svetlost? 3. Glavne mogućnosti za uštedu kod industrijskih sistema za osvetljenje? 4. Gde se koriste volumetrijski a gde dinamički kompresori?

89

5.11. Toplotni razmenjivači

Heat exchangers

5.11.1 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

tAQ ∆α= (5.81) gde su: Q toplotni fluks, W/m2

sa grejnog fluida na zid ili sa zida na grejani fluid,

α koeficijent prelaza toplote, W/m20

A površina zida, mC

Δt temperaturna razlika,

2 0

fluid - zid (u slučaju prelaza toplote sa grejnog fluida na zid) C

zid – fluid (u slučaju prelaza toplote sa zida na grejani fluid) U Tabeli 5.20 dati su primeri nekih vrednosti koeficijenata prelaza.

90

Tabela 5.20 Primeri koeficijenata prelaza toplote Fluid Koeficijent prelaza toplote, α [W/m20

Prirodna konvekcija vazduha C]

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

−−

−−−=

11

22

1122

ht

ht

hthtLMTD

TTTTln

)TT()TT(T∆

(5.82)

gde su Tt1

T temperatura toplog fluida na kraju 1 toplotnog izmenjivača

t2

Ttemperatura toplog fluida na kraju 2 toplotnog izmenjivača

h1

Ttemperatura hladnog fluida na kraju 1 toplotnog izmenjivača

h2

temperatura hladnog fluida na kraju 1 toplotnog izmenjivača

5.11.2 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

)TT(cmQ t,t,t,pt 21 −= •

(5.83)

Jednaka je toplotnom fluks koju prima hladni-grejani fluid

)TT(cmQ h,h,h,ph 12 −= •

(5.84)

Odnosno toplotnom fluksu koja se prolazi kroz zid sa toplog na hladni fluid

LMTDTKAQ ∆= (5.85)

91

5.11.3 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.

)TT()mc(

)TT(mc

ul,hul,tmin

adnifluidtopliilihlizlul

−

−

=•

•

ε

(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

)TT()cm(Q ul,hul,tmin −= •ε

(5.87)

Temperature toplog i hladnog fluida mogu se odrediti iz donjih izraza

t

ul,tiyl,t

)cm(

QTT•

−= (5.88)

h

ul,hizl,h

)cm(

QTT•

+=

(5.89)



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.

92

5. Integracijom struja toplotnih razmenjivča u sistemu dovodi do do dodatne uštede. Pitanje

1. Napiši izraz za toplotu koja se preda hladnom fluidu! 2. Napiši izraz za toplotu koja prelazi sa toplog na gladni fluid! 3. Šta predstavlja efikasnost toplotnih izmenjivača? 4. Koje su mogućnosti za uštedu kod toplotnih izmenjivača

93

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 CO2

Ovo nameće zaključak da smanjivanje potrošnje energije u ovoj oblasti dovodi do velike uštede.

. Naime, energija potrebna za proces destilacije se uglavnom dobija sagorevanjem fosilnih goriva.

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 para-tečnost. 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 T0 i pritiska P0 i datog sastava [z] ulazi u sistem. Smeši se podiže pritisak na PF i temperatura na TF, pomoću pumpe i razmenjivača toplote, za šta je naravno potrebna energija. Višekomponenta smeša pritiska PF i temperature TF, nakon prolaska kroz ventil, gde dolazi do smanjivanje pritisak a obično i temperature smeše, ulazi u posudu.

94

Smeša se u fleš posudi razdvaja na parnu 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.

95

Slika 5.29 Šematski prikaz višestepene destilacione kolone 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 Vj+1 i tečnost Lj-1 dolaze na pod. Ova dva toka, koja nisu u ravnoteži, dolaze u kontakt i pod napuštaju para Vj i tečnost Lj

, 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.

STK

IDKDK N

N=η

(5.90)

Gde su NIDK i NSTK

Refluks predstavlja odnos između tečnosti koja se vraća u destilacionu kolonu i destilata koji se odvodi iz sistema

predstavljaju broj podova kod idealne i stvarne kolone, respektivno.

DLr 0= (5.91)

imajući u vidu

01 LVD −= (5.92)

dobijamo

11

0

+=

rr

VL

(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.

96

Radi se o protočnom stacionarnom sistemu, sa jednim ulazom i dva izlaza, uz zamnemarivanje promene potencijalne i kinetičke energije i rada. Totalni i komponentni maseni bilansa za ceo sistem je

BDF += (5.94)

i,Bi,Du,F BxDxFx +=

(5.95)

gde su u,Fx , i,Dx i i,Bx molski udeli komponente i u napoju, destilatu i ostatku, respektivno.

Totalni i komponentni bilansa za rebojler

BVL NN += +1 (5.96)

i,Bi,NNi,NN BxyVxL += ++ 11 (5.97)

Totalni i komponentni bilansa za kondenzator

DLV += 01 (5.98)

i,Di,i,i, DxxLyV += 0011 (5.99)

U gornjim izrazima sa i,Nx , i,x0 , i,Ny 1+ , i,y1 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

gubBDCRF QHHQQH••••••

+++=+

(5.100)

gde su

iiFF hFH Σ=•

(5.101a)

iiDD hDH Σ=•

(5.101b)

iiBB hBH Σ=•

(5.101c)

Neto potrebna toplota koju treba dovesti je

)QQ(QQ gubCRneto

••••+−=

(5.102)

Odnosno

97

FBDneto HHHQ••••

−+= (5.103)

Energetski bilans za rebojler je

gub,RBNVRNL QHHQH••

+

•••++=+ 1

(5.104)

Odgovarajući bilans energije za kondezator

gub,CLCNV QHQH•• ••

++=0

(5.105)



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. Pitanje

1. Koja je razlika između fleš i višestepene destilacije?

98

2. Šta je refluks? 3. Na datom podu, u idealnom slučaju, koje struje su u ravnoteži? 4. Napiši totalni I komponentni maseni bilans za ceo destilacioni system! 5. Napiši totalni ikomponentni materijalni bilans rebojler I kondenzator! 6. Napiši energetski bilans za celu destilacionu kolonu! 7. Koje su glavne mogućnosti za uštedu kod destilacionih kolona?

99

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 gvlage/m3

vlažnog vazduha

Sadržaj vlage vazduha. Predstavlja masu vlage po masi suvog vazduha. .

vazduhasuvog

vlage

kgkg

H =

(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:

vazduhazasicenogvlagesadrzajvazduhavlagesadrzaj

HH

S

==ϕ

(5.107)

100

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 kgvlage/kgsuvog materijala

. Pri ovome treba imati u vidu da se posmatra prosečni sadržaj vlage u vlažnom materijalu.

materijalasuvog

vlagevm kg

kgH =

(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.

101

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 dobijanja ove vrednosti je eksperiment. U

102

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

103

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.

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

104

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.

105

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.

2211 11 ,V,VSV,VM,VSV m)H(mm)H(m •••• ++=++

(5.109)

gde su:

SVm• maseni protok suvog vazduha

1,VMm• , 2,VMm• maseni protok vlažnog materijala na ulazu i izlazu iz sušnice, respektivno

1,vH , 2,vH sadržaj vlage vlažnog vazduha na ulazu i izlazu iz sušnice, respektivno

Masa uklonjene vlage jednaka je

21 ,V,VMW mmm ••• −=

Dok je potrebnog količina suvog vazduha

12 ,V,V

WSV

HHmm−

=•

•

(5.110)

Odnosno vlažnog ulaznog vazduha

)H(mm ,VSV,VV 11 1+= ••

(5.111)

5.14.8 Bilans energije Energy balance

Na osnovu Prvog zakona termodinamike za protočni stacionarni sistem možemo napisati

gub,VM,VM,VV,VM,VM,VV Qhmhmhmhm••••• ++=+ 222111 (5.112)

gde je hV,1 entalpija vazduha za sušenje na ulazu a hV,2 entalpija vazduha za sušenje na izlazu računate po kg suvog vazduha dok su hVM,1 i hVM,2

)hh(mQ ,V,VVdov 21 −= ••

entalpija vlažnog materijala na ulazu i izlazu iz sušnice. Potrebna količina toplote koju treba dovesti

(5.113)

Odnosno

106

gub,V,VM,VM,VNdov QhmhmQ••••

+−= 1122

(5.114)

Odnosno

gubid,dovdov QQQ•••

+=

(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.

dov

id,dov

QQ

=1η

(5.116)

2. 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.

01

211 TT

TTQQ

ad

stv

−−

==η

(5.117)

gde su: T1

T ulazna (niža) temperature

2

T izlazna (viša) temperature

o

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.

107

Pitanje 1. Šta je sadržaj vlage vlažnog vazduha? 2. Šta je relativna vlažnost vazduha? 3. Šta je sadržaj vlage vlažnog materijala? 4. Šta je ravnotežni sadržaj vlage vlažnog materijala? 5. Koje periode sušenja znaš? 6. Šta je to kritičan sadržaj vlage? 7. Napiši maseni bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material! 8. Napiši energetski bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material!

108

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 1000

• u nekim slučajevima može doći do pojave pene, što otežava proces razdvajanja parne i tečne faze.

C

5.14.1 Single stage evaporator

Jedostepeni uparivač

Slika 5.32 Konvencionalni jednostepeni uparivač

109

Tipični uparivač sastoji se od tri osnovne komponente: 1. toplotni razmenjivač 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 TP kroz zid razmenjivača na rastvor temperature, TR

dat je sledećim izrazom

Q1 = KA(Tp – TR

) (5.118)

Ovaj toplotni fluks dobijen je kondenzacijom pare

Q 2 = mp ΔHkond

(5.119)

Preneta toplota rastvoru odlazi na isparavanje vode

Q3 = mR ΔH isp

(5.120)

U idealnom slučaju, bez toplotnih gubitaka ove tri toplote su jednake

Q1 = Q2 = Q3

(5.121)

110

U realnom slučaju dolazi do stalnog povišenja temperature ključanja zbog sve gušćeg rastvora. Temperatura pare tokom procesa uparavanja ostaje kostantna a temperatura rastvora raste.

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

Q1 = K1 A1 ΔT1

(5.122)

za drugi

Q2 = K2 A2 ΔT2

(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

111

Q1 = Q2

(5.124)

Odakle se dobija K2/K1 = T1/T2

(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 Pitanje

1. Zašto je potrebno obezbediti dobru cirkulaciju u procesu uparavanja? 2. Zašto kod većine procesa uparavanja maksimalno dozvoljena temperature mora biti

značajno ispod 100o

3. Dali je moguća temperature uparivanja iznad 100C?

o

4. Koja je razlika između jednostepenog i višestepenog uparivača? C?

5. Šta je ravnotežni sadržaj vlage vlažnog materijala? 6. Koje periode sušenja znaš? 7. Šta je to kritičan sadržaj vlage? 8. Napiši maseni bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material! 9. Napiši energetski bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material!

Pitanje

1. Šta je sadržaj vlage vlažnog vazduha? 2. Šta je relativna vlažnost vazduha? 3. Šta je sadržaj vlage vlažnog materijala? 4. Šta je ravnotežni sadržaj vlage vlažnog materijala? 5. Koje periode sušenja znaš? 6. Šta je to kritičan sadržaj vlage? 7. Napiši maseni bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material! 8. Napiši energetski bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material!

112

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

QH =∆ (5.126)

U slučaju promene temperature struje (sistema), važi

TcmH P∆∆ •= (5.127) a u slučaju faznih transformacije, koji teku uz razmenu toplote bez promene temperature

LThmH ∆∆ •= (5.128)

U gornjim jednačina, •m , Pc , LTh∆ su maseni protok struje, molarni kapacitet struje i latentna

toplota procesa, respektivno. Gornja dva izraza mogu se prikazati jednom jednačinom

TCPH ∆∆ = (5.129) gde važi

PcmCP •= razmena toplote praćena promenom temperature

LThmCP ∆•= KT 1=∆ razmena toplote bez promene temperature

Izraz (5.129 ) se može napisati

HCP

T ∆∆ 1=

(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 dijagramu, možemo slobodno pomerati levo ili desno u datom opsegu temperatura (Slika 5.34).

113

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 1100

C. 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

111111 TCPTcmHQ ,Pdov ∆∆∆ === •

Istovremeno treba za hlađenje struje (struja 2) odvesti toplotu

222222 TCPTcmHQ ,P,odv ∆∆∆ === •

Ukupnu energiju koju treba obezbediti za proces (dovođenje + odvođenje toplote) je

114

odvdovext QQQ +=

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, ΔHrek

se može rekuperisati, što smanjuje potrebu za dovođenjem odnosno odvođenjem eksterne toplotne energije

rekdovrek,dov HQQ ∆−=

rekodvrek,odv HQQ ∆−=

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 = ΔH1+ ΔH2

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:

(Sl. 4.29).

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

3. Levi deo tople kompozitne krive, nepokriven hladnom kompozitnom krivom dov

Za nepokriveni deo treba obezbediti odvođenje toplote, Q

odv

115

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, ΔTmin. 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 ΔTmin = 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, ΔHmax,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 ΔHmax,rek

je, međutim važan, jer nam daje termodinamičku granicu energetske rezerve datog tehnološkog procesa.

116

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

117

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 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

118

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

hmHEn •== (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. 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

STIr ∆0= (5.132)

Gde su: 0I , 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

izlulrdeg ExExExIr −==

(5.132)

de su ulEx , izlEx 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 CO2. 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):

119

• 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 • 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).

nAQK = (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:

)ni(PFn += 1 (5.134)

nn )i(PF += 1 (5.135)

gde su: Fn

P trenutni vrednost novca vrednost novca nakon isteka n-te godine

I kamata n broj godina između P i Fn

.

Složeni interes je češće u upotrebi.

120

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. 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

121

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 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 Nmin

:

∑=

=+−minN

nnnn I)d(

)CB(1

01

(5.136)

gde su: Bn

C benefit u periodu n

n

Itroškovi u periodu n

n

d diskontna stopa (discount rate) troškovi početne investicije

Nmin

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

nn

nn

)d(C/SSCR

0 1 (5.137)

gde su SCR odnos uštede/troškovi Sn

Cuštede tokom n godina

n

d diskontna stopa (discount rate) troškovi tokom n godina

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)

122

∑= +

−=

N

nnnn

)d()CB(NB

0 1 (5.138)

gde su NB neto benefit Bn

Cuštede tokom n godina

n

d diskontna stopa (discount rate) troškovi tokom n godina

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. 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)

nnnnnn SRMEILCC −+++= (5.139)

gde su: LCCn

I troškovi životnog veka alternative n

n

I trenutna vrednost troškova investicije alternative n

n

E trenutna vrednost troškova investicije alternative n n

M trenutna vrednost troškova energije alternative n n

R trenutna vrednost operativnih troškova i troškova održavanja alternative n

n

S trenutna vrednost popravki i zamena povezanih sa alternativom n

n trenutna prodajna ili otpisana vrednost (resale or salvage value) povezane sa alternativom n

123

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 (cost-effctively) 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 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.

Pitanje

1. Zašto je potrebno obezbediti dobru cirkulaciju u procesu uparavanja? 2. Zašto kod većine procesa uparavanja maksimalno dozvoljena temperature mora biti

značajno ispod 100o

3. Dali je moguća temperature uparivanja iznad 100C?

o

4. Koja je razlika između jednostepenog i višestepenog uparivača? C?

5. Šta je ravnotežni sadržaj vlage vlažnog materijala?

124

6. Koje periode sušenja znaš? 7. Šta je to kritičan sadržaj vlage? 8. Napiši maseni bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material! 9. Napiši energetski bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material!

Odgovor



125

Pitanje 1. Šta je sadržaj vlage vlažnog vazduha? 2. Šta je relativna vlažnost vazduha? 3. Šta je sadržaj vlage vlažnog materijala? 4. Šta je ravnotežni sadržaj vlage vlažnog materijala? 5. Koje periode sušenja znaš? 6. Šta je to kritičan sadržaj vlage? 7. Napiši maseni bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material! 8. Napiši energetski bilans za slučaj prolaska toplog vazduha kroz vlažan material!

Odgovor



127

5.17. 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.

5. energetska efikasnost tehnoloških procesa · energetska efikasnost tehnoloških procesa energy...

Documents