re pre 4 zrak - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/raba_energije/re-predavanje-04.pdf ·...
TRANSCRIPT
1
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Poraba energije za proizvodnjo stisnjenega zraka (pogon kompresorjev in puhal) predstavlja izredno velik delež v industrijski porabi električne energije. Stisnjen zrak se uporablja praktično pri vsaki proizvodnji – kovanje, vijačenje, aeracija, transport, krmiljenje, razprševanje, čiščenje, napihovanje plastenk in tudi kot reagent v kemični in farmacevtski industriji. Za velik del industrije predstavlja stisnjen zrak osnovni energent, kot npr. zemeljski plin.
Stisnjen zrak je draga oblike energije (“drag energent”). Tipični sistemi za komprimiranzrak obratujejo do 8000 ur letno s specifičnimi parametri: proizvodnja ~150 l/min pri tlaku ~7 bar (nadtlak) in spec. električni moči 1 kW. Če seštejemo amortizacijske in obratovalne stroške, ugotovimo, da je stisnjen zrak 4 do 5 krat dražji od električne energije.
Z varčevalnimi ukrepi lahko prihranimo od 10 do 50 % električne energije in to v treh področjih:
a) kompresor in njegov način obratovanja
b) mreža oz. distribucijski sistem
c) končna uporaba/neuporaba stisnjenega zraka
Stisnjen zrak
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Delovna področja različnih vrst kompresorjev: A-batni kompresorji, B-rotacijski kompresorji,C-batne in rotacijske vakuumske črpalke,Č-turbinski kompresorji, D-turbinske vakuumske črpalke
Stisnjen zrak
2
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – kompresorska postaja
odvod komprimiranegazraka
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – razvod
dovod komprimiranegazraka
3
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – razvod
zgornji odjem!
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – dodatne naprave
Sušilnik
problemi zaradi kondenza v sistemu stisnjenega zraka:
1. izpiranje maziva
2. povečana obraba in vzdrževanje
3. motnje v delovanju regulacijskih ventilov in cilindrov
4. težave v kontrolnih napravah
5. onesnaženje/kvarjenje proizvodov
6. korozija
7. zamrzovanje v zunanjih vodih
8. zmanjšan izkoristek in težave v pnevmatskih orodjih
4
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – energijski izkoristek pretvorbe
določimo idealni energijski izkoristek pretvorbe: a) izentropna kompresija, b) izobarno ohlajanje na začetno temperaturo, c) izentropna ekspanzija. Tlačno razmerje p2/p1 = = 8, t1 = 20 °C (293 K), p1 = 1 bar
temperatura po kompresiji
tehnično delo izentrope
sledi izobarno ohlajanje na začetno temperaturo in nato izentropnaekspanzija do začetnega tlaka 1 bar
)( 12
2
1
TTcdpvw pt
k
kkk
p
p
T
T 1/)1(
1
2
1
2
→ T2 = 531 K (258 °C)
→ wkomp = 239 kJ/kg
temp. po ekspanziji → T4 = 161,6 K (-111,5 °C)
pridobljeno delo → weksp = 132 kJ/kg
v idealnem primeru lahko torej
pričakujemo izkoristek%55
239
132100100
komp
eksp w
w
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – dodatne naprave
Sušilnik
glavnina kondenza se izloči v naknadnem hladilniku ali v tlačni posodi, ko se stisnjen zrak ohladi. Včasih pa je zrak potrebno še dodatno osušiti. Zato imamo na voljo tri vrste sušilnikov:
- z dodatnim hlajenjem na nižjo temperaturo, znižamo temperaturo rosišča do 2 °C
- kemično, z raznimi absorberji vlage, ki se kasneje regenerirajo (soli, silikagel, alkohol,...), temperaturo rosišča znižamo do -70 °C
- adsorbcijo v poroznem materialu, sušilu, ki ga regeneriramo s prepihavanjem vročega zraka, temperaturo rosišča znižamo do -40 °C
5
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – dodatne naprave
Filtri
nameščeni na sesalni strani kompresorja, suhi, mokri, oljna kopel
Tlačne posode
večji volumen, deluje kot tlačni akumulator in dušilnik pulzacij, ki izvirajo iz kompresorja
Hladilniki
nameščeni takoj za kompresorjem, namenjeni izločanju kondenza za razbremenitev sušilnika. Obstajajo suhi zračno hlajeni in vodno hlajeni hladilniki.
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
Obstaja malo sistemov, kjer pravilno vzdrževanje tako močno vpliva na porabo energije. Letni vzdrževalni stroški dosegajo do 5 % začetne investicije, obratovalni pa do 20 % investicije.
Osnovni ukrepi so:
- ugotavljanje učinkovitosti/zmogljivosti kompresorja,
- testiranje tesnosti celotnega sistema (npr. med vikendom, ko ni koristne porabe se vsa poraba porabi za netesnosti)
- tlačni padci na vstopnih filtrih
- meritve tlakov na raznih mestih mreže med obratovanjem (prenizek tlak na oddaljenih lokacijah pomeni višji osnovni tlak in večjo porabo energije)
6
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
- meritve tlakov na raznih mestih mreže med obratovanjem (prenizek tlak na oddaljenih lokacijah pomeni višji osnovni tlak in večjo porabo energije),
- diagram velja za enostopenjske kompresorje
zniževanje tlaka v sistemu
9,2
9,2
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
- netesnosti sistema lahko povzročajo 30 do 50 % izgube. Netesnost se lahko pojavi kjerkoli. Večina sistemov ima ~ 20 % netesnost
- vretena ventilov
- filtri
- spoji, prirobnice, vijačni spoji
- protipovratni ventili
- odvajalniki kondenza
- hitri bajonetni spoji
- aktuatorji na regulacijskih ventilih
- ventili za praznjenje, varnostni ventili
tesnost sistema
7
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
ocena izgub pri tlaku zraka 6 bar
odprtina pretok moč
mm m3/min kW
1 0,06 0,3
3 0,6 2,1
5 1,6 8,3
10 6,3 33
tesnost sistema
ultrazvočni detektor puščanja
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
zmanjšana raba stisnjenega zraka – nadomestitev s cenejšim energentom, hidravliko, električnim pogonom,...
avtomatski nadzor in vodenje – samodejno prilagajanje tlaka komprimiranjaglede na trenutne potrebe sistema
uporaba pogonskih elektro motorjev z visokim izkoristkom – kompresorski sistemi obratujejo povprečno po 4000 letno in zato je smiselno uporabljati visoko učinkovite elektro motorje za pogon
moč, kW stand. izkoristek % vis. izkoristek %
5 82,5 89,5
50 89,5 94,1
200 91,7 96,2
ukrepi za racionalno rabo energije 1
8
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
uvedba regeneracije toplote – toplota je soproizvod kompresije. Pri ohlajanju na temperaturo okolice, stisnjen zrak odda 60-90 % vložene energije v obliki toplote.
Tipična uporaba odpadne toplote za:
- segrevanje zraka ki izstopa iz sušilnika (hladilnika)
- regeneracija sušilnih sredstev iz sušilnikov
- segrevanje prostorov, priprava tople vode
- procesna toplota, segrevanje zgorevalnega zraka
ukrepi za racionalno rabo energije 2
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
relokacija zajema zraka za kompresor – kompresor obratuje bolj učinkovito če je zrak na vstopu čim gostejši. Gostejši zrak pomeni večji masni tok in relativno manjšo porabo energije za komprimiranje pri enakih tlačnih razmerah in volumenskem toku kompresorja.
prihranki energije glede na razmere pri 20 °C
temperatura, °C poraba energije, %
0 -7,5
10 -3,8
20 0
30 +3,8
40 +7,5
ukrepi za racionalno rabo energije 3
zmanjšanje
povečanje
9
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
modifikacija razvoda – po nekaj letni uporabi sistema se pojavijo nove potrebe, ki se pokrivajo z enostavnimi dograditvami in razvejanjem sistema, kar pa lahko povzroči bistveno poslabšanje karakteristik razvodne mreže.
Po nekaj letni uporabi in izvedenih modifikacijah na razvodu, je potrebno ponovno analizirati razvodno mrežo in po potrebi modificirati glavni razvod.
Za glavni vod je smiselno, da je predimenzioniran, ne samo zaradi zmanjševanja tlačnih padcev, ampak tudi zaradi akumulacije stisnjenega zraka. Če je le mogoče je najboljša izvedba glavnega voda v obliki zaključene zanke.
ukrepi za racionalno rabo energije 4
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
ukrepi za racionalno rabo energije 5
10
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
dodatne tlačne posode – so sistemi, kjer se pojavljajo kratkotrajne velike konične porabe stisnjenega zraka in to npr. na oddaljenem koncu mreže. Običajna napaka je vgradnja dodatnega kompresorja za pokrivanje konic.
Tak ukrep povzroča dodatne izgube energije zaradi: - obratovanje dodatnega kompresorja viša konično porabo el. energije - sušilnik ne zmore ustrezno osušiti konične porabe
Bolj učinkovito je za kratkotrajne konice prigraditi dodatne tlačne posode –akumulatorje v bližini konične porabe. Ta rešitev je primerna za konične porabe, ki trajajo od 10 s do 20 s.
ukrepi za racionalno rabo energije 6
21
0
pp
pCtV
t – čas konice
C – poraba
p0,1,2 – tlak okolice, začetni, končni
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
vgradnja frekvenčnih regulatorjev na pogonskih motorjih – zmogljivost kompresorskega sistema navadno reguliramo z: a)start-stop, b)prostim tekom.
Obe metodi imata pomanjkljivosti: a) stalni zagoni velikih elektromotorjev povzročajo konično porabo el. energije in poleg tega tlak v sistemu stalno niha. b) Obratovanje razbremenjenega elektromotorja prav tako povzroča dodatno porabo energije in viša porabo jalove energije
Vgradnja frekvenčnih regulatorjev omogoča zvezno prilagajanje potrebam –TODA mora biti odobrena/predvidena s strani proizvajalca!
ukrepi za racionalno rabo energije 7
3
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2 ,,
n
n
P
P
n
n
p
p
n
n
V
V
enačbe veljajo za turbo kompresorje
V – pretok
P – moč
p – tlak
n – vrtljaji
11
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
segrevanje zraka po izstopu iz sušilnika – zrak iz hladilniškega sušilnika ima temperaturo ~0 °C in relativno vlažnost ~100 %, zato se kondenz lahko še kje izloča in povzroča težave. Temu se ognemo s segrevanjem – npr. regeneracijo toplote kompresije, toplote mazalnega olja kompresorja,..
Zvišanje temperature zraka pomeni tudi večanje volumna in zmanjševanje porabe.
ukrepi za racionalno rabo energije 8
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
profil porabe – pri zamenjavi/načrtovanju sistema stisnjenega zraka je smiselno izdelati dnevni profil porabe stisnjenega zraka. Vsak kompresor ima najboljši izkoristek blizu polne obremenitve.
Če samo seštejemo vse možne porabe stisnjenega zraka določimo prevelik kompresor, ki bo deloval zunaj optimuma. Zato si za dimenzioniranje mreže, velikosti tlačnih posod,…, pomagamo s profilom dnevne porabe.
ukrepi za racionalno rabo energije 9
12
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
tip kompresorja – poraba energije je odvisna tudi od tipa/vrste kompresorja
ukrepi za racionalno rabo energije 10
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
večstopenjska kompresija z vmesnim hlajenjem – skupno tehnično delo je najmanjše, če so tlačna razmerja v vseh stopnjah enaka
ukrepi za racionalno rabo energije 11
13
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
večstopenjska kopresija – pri večstopenjski kompresiji z vmesnim hlajenjem dobimo občutne prihranke energije/dela za kompresijo. Razlog je v približevanju izotermni kompresiji.
ukrepi za racionalno rabo energije 11a
vloženo delo, ki se v primeru enostopenjske izentropnekompresije pretvori v toploto
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak
osnovni elementi - Filter
14
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak
osnovni elementi – Regulator tlaka (reducirni ventil) 1
karakteristika regulatorja tlaka pri vstopnem tlaku stisnjenega zraka 10 bar
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak
osnovni elementi – Regulator tlaka (opis) 2
15
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak
osnovni elementi – Oljni pršilnik 1
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak
osnovni elementi – Oljni pršilnik 2
16
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Katedra za energetsko strojništvo
Raba energije
Stisnjen zrak – učinkovito obratovanje
1. obremenitev kompresorja naj bo čim bližje polni zmogljivosti
2. instaliraj več kompresorjev, če se uporabljajo različni tlaki (izogibaj se dušenju večjih količin stisnjenega zraka)
3. izkoristi odpadno toploto kompresije
4. razvodna napeljava zraka naj bo čim večjega premera, da so tlačni padci čim manjši
5. minimiziraj puščanje – netesnosti sistema
najpomembnejša splošna načela