Leonardo da Vinci Project Udržitelný rozvoj v průmyslových prádelnách Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 1
Obsah Základy recyklace tepla v pracím procesu čtyři základní zákony termodynamiky Optimalizace výměny tepla (typy proudění, teplotní rozdíly, atd.) Různé konstrukce výměníků tepla Příklad: Výměník tepla se zvlněnými trubkami - Kannegiesser Výčet výhod Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 2
Učební cíle Po prostudování kapitoly budete mít základní znalosti o výměnících tepla v procesech praní znát čtyři základní termodynamické zákony rozumět vlivu typu proudění (souproud/protiproud, laminární/turbulentní) na efektivnost tepelných výměníků schopni na teoretickém základě vyvodit praktická doporučení pro optimalizaci tepelných výměníků. znát různé konstrukce tepelných výměníků a jejich vhodnost pro použití s odpadní vodou v prádelnách znát výhody požití teplých výměníků v pracích procesech Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 3
Německý časopis "Wirtschaftswoche" z 26. srpna 2004: Zemní plyn Ropa Černé uhlí Náklady na energii se od roku 1999 zvýšily o více než 100 %! Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 4
Co znamená regenerace tepla? Energie, která se v procesu normálně ztrácí, se regeneruje ve výměníku tepla k opakovanému použití v procesu Výchozí princip výpočtů: Qin= Qout Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 5
Jak pracuje regenerace tepla u tunelových praček? Velmi jednoduše! Horká lázeň před vypuštěním do kanalizace prochází přes výměník tepla, aby se ochladila a tím zase ohřívá v protiproudu čistou vodu Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 6
Jak mnoho energie pro praní je možné regenerovat? Teoreticky > 50 % Obecně se regeneruje pouze 40 až 45 % tepla z prací lázně, jinak by teplota předpírání překročila 40 C. Přijatelné teploty při předpírání přes 40 C umož ňují recyklování větších objemů prací lázně Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 7
Jak se počítá regenerace tepla? Rozdíl teplot na každé straně, násobený objemovým průtokem a koeficientem tepelné kapacity = výstup v kwh. T1in: T1out: T2in: T2out: vstup odpadní vody výstup odpadní vody vstup čisté vody výstup čisté vody Úspory = Q & kwh ΛT = T in T out Q & = ΛT c m& Q & = & FW Q waste water Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 8
Základní zákony termodynamiky Zerothův" zákon termodynamiky Je-li systém A v tepelné rovnováze se systémem B a systém B je v tepelné rovnováze se systémem C, pak systém A je v tepelné rovnováze se systémem C. První zákon termodynamiky Energie se nemůže vytvořit ani zničit, může pouze změnit své formy Druhý zákon termodynamiky Dvě tělesa, která mají různé teploty, si vyměňují teplo takovým způsobem, že teplo přirozeně proudí z teplejšího do studenějšího tělesa Třetí zákon termodynamiky Teplota absolutní nuly (0 K) není dosažitelná. Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 9
Druhý zákon termodynamiky Teplo může proudit pouze z kapaliny o vyšší teplotě do kapaliny o nižší teplotě: Souproudý tok Zdroj: www.cheresources.com Protiproudý tok Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 10
Souproudý a protiproudý tok ve výměnících tepla Temperature T1in T2in T1out T2out Temperature T1out T2in T1in T2out (s T1in = 100% a T2in = 0%) Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 11
Laminární a turbulentní tok ve výměnících tepla Laminární tok Turbulentní tok Kvůli zvýšené rychlosti Turbulentní tok Kvůli formě povrchu Charakteristiky toku záleží na rychlosti toku, na délce toku a na viskozitě kapaliny ( Reynoldsovo číslo") Laminární tok vede ke špatné výměně tepla Avšak: Ve výměnících tepla je rychlost a délka toku limitovaná kvůli tlakovým ztrátám Proto se turbulance zvyšují konstrukcí výměníků tepla Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 12
Optimalizace regenerace tepla T1in: vstup odpadní vody T2in: vstup čisté vody T1out: výstup odpadní vody T2out: výstup čisté vody T1: T1in - T1out T2: T2out - T2in Ideální regenerace tepla: T2out = T1in To je možné jen v teoretické situaci s protiproudým tokem, s nulovými ztrátami do okolí a v nekonečném čase Za této ideální situace, pokud se všechna energie přenese z odpadní vody do čisté vody, pak T1out se musí rovnat T2in! Předpoklad pro optimalizaci výměníku tepla : T1 = T2 Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 13
Co to znamená v praxi? Q = T x c x m Q čisté vody = Q odpadní vody (první zákon termodynamiky) T čisté vody = T odpadní vody (jak je uvedeno výše) c čisté vody = c odpadní vody (tepelná kapacita vody = 4.186 kj/kg x K) Proto: m čisté vody = m odpadní vody Stejné teplotní rozdíly pro obě kapaliny jsou dosaženy při stejných hmotnostních průtocích v obou směrech Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 14
Výměník tepla Kannegiesser se zvlněnými trubkami Příklad Měření v prádelně: Vstupující lázeň: 54.1 C Vystupující lázeň: 36 C Vystupující čistá voda: 38.5 C Vstupující čistá voda: 21.4 C Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 15
Shrnutí základních informací Pro optimalizaci výměníku tepla je třeba se přesvědčit, že Směry toku jsou připojeny v protisměru V kapalinách je turbulentní tok Ve výměníku tepla je pro výměnu tepla k dispozici velký povrch Hmotnostní průtok a teplotní rozdíly jsou v obou směrech stejné Je k dispozici co nejdelší doba pro výměnu tepla (tj. pro tunelovou pračku škrtit průtok pro máchání téměř po celou dobu cyklu) Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 16
Typy výměníků tepla Výměník tepla typu plášť a trubky Deskový výměník tepla Výměník tepla se zvlněnými trubkami Panelový výměník tepla Výměník tepla s rotačními disky Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 17
Výměník tepla typu plášť a trubky Studené medium protéká přes prostor pláště (usměrňovací desky). Horké medium protéká tru;bkami (jednoduché nebo násobné smyčky). Prověřená technologie Uspokojivá účinnost Uspokojivý poměr cena-výkon Není citlivý na prudké nárazy vody Není vhodný pro zašpiněné medium Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 18
Deskový výměník tepla Soustava profilovaných desek s průchozími otvory. Průtokové kanály, které jsou výsledkem stupňovitě uspořádaných desek otočených o 180. Optimální účinnost přestupu tepla na malé ploše Dobrý poměr cena-výkon Dobrá účinnost Velmi flexibilní a rozšiřitelný Není vhodný pro zašpiněné medium Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 19
Panelový výměník tepla Přestup tepla pomocí tepelných sendvičových desek. Sendvič znamená dvě desky stejné tloušťky vzájemně bodově svařené Flexibilní tvarování Kompaktní konstrukce Velmi vysoká účinnost Snadná údržba Aplikace v prádelnách Samostatně stojící jednotka pro chlazení odpadní vody a pro ohřívání čisté vody Umístěný vedle pračky Žádné spojení na regulaci pračky Také: Vyhřívací pás pro žehlicí zařízení Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 20
Výměník tepla s rotujícím diskem Čistá voda se protlačuje přes vnitřní trubku a rotací se tlačí na obklopující disky. Špinavá voda teče protiproudem k diskům. Velký povrch pro výměnu tepla Samočisticí rotor Vysoká účinnost Kompaktní konstrukce Vhodný pro zašpiněnou vodu Aplikace v prádelnách Je nabízen dodavateli chemických zařízení (OEM) Samostatně stojící jednotka pro chlazení odpadních vod a pro ohřívání čisté vody Žádné spojení na regulaci pračky Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 21
Výměník tepla se zvlněnými trubkami Systém trubka v trubce speciálně přizpůsobený pro aplikace v prádelnách. Špinavá voda teče centrální zvlněnou trubkou. Čistá voda teče protiproudně vnější obdobně zvlněnou trubkou. Jednoduché komponenty Bez údržby, odolný proti opotřebení Vysoká účinnost Nejde o směs materiálů Není citlivý k prudkým nárazům vody Vhodný pro zašpiněnou vodu Horizontální i vertikální aplikace Spojený s regulací pračky Zvlnění v obou trubkách má dva hlavní důvody: 1. Zvětšení povrchu zvýšení účinnosti 2. Vytváření turbulencí zvýšení účinnosti, stále čisté trubky Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 22
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Výměník tepla se zvlněnými trubkami Vnitřní trubka až do Ø 114 mm (4 ) Vnější trubka až do Ø 154 mm (6 ) Objemový průtok až 40 m³/h Provozní tlak 6 až 40 bar Kompaktní konstrukce Žádné problémy s usazeninami nebo s kolísáním tlaku! Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 23
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Výměník tepla se zvlněnými trubkami Standardní výměník tepla Výměník tepla s řízenou teplotou průtoku Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 24
Standardní výměník tepla Fresh water rinse Press 60 Pump syncronized with water flow 18 C Fresh water Heat exchanger Waste water to drain Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 25
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Výměník tepla se zvlněnými trubkami Odpadní voda do odpadu 60 Pumpa synchronizovaná s průběhem máchání 18 C Čistá voda Výměník tepla Máchání Vypouštění odpadní vody do samostatného zásobníku. Frekvenčně řízené čerpání přesně stejných množství odpadní vody přes výměník tepla, které je rovno množství čisté vody tekoucí protiproudně do zóny máchání pračky. Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 26
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Výměník tepla se zvlněnými trubkami Vstupující lázeň Vystupující čistá voda Vystupující lázeň Vstupující čistá voda Time Vysoká účinnost v důsledku protiproudu Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 27
Řízený výměník tepla Fresh water rinse Press Pumpa synchronizovaná s průběhem máchání Čistá voda Výměník tepla Odpadní voda do kanalizace Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 28
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Výměník tepla s řízenou teplotou průtoku při máchání Výběr definovaných teplot průtoku při máchání pro každý prací program. Založeno na výstupní teplotě výměníku tepla. Ovládání směšovacího ventilu vypočítává požadované množství čisté vody k dosažení programované teploty průtoku na máchání. Pumpa synchronizovaná s průběhem máchání Výměník tepla Čistá voda Odpadní voda do kanalizace 39 Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 29
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Příklad Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 30
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Technologie s nízkou spotřebou FAVORIT 2700 Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 31
Souprava výměníku tepla Kannegiesser Technologie s nízkou spotřebou FAVORIT 2700 Kapacita 300 kg/h Systém regenerace vody využívající energie z odpadní vody Snižování teplot a hodnot ph odpadní vody podle německého předpisu ATV- A 115 Snížení spotřeby čisté vody až o 80 % (4,0-8,0 l/kg) Snížení spotřeby páry s integrovaným výměníkem tepla až o 60 % Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 32
Souhrn Souprava výměníku tepla Kannegiesser PŘEDNOSTI: Systémy s regenerací tepla obecně Nižší teploty odpadní vody, vyhovění veřejným předpisům Vyšší teplota při máchání vede k vyšším efektům při máchání v důsledku nabobtnání vláken Lepší odvodňování, nižší obsah vlhkosti, kratší doby sušení Úspory v důsledku nižší spotřeby energie v procesu konečné úpravy Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 33
Souhrn Souprava výměníku tepla Kannegiesser PŘEDNOSTI: Výměník tepla Kannegiesser se zvlněnými trubkami Vysoká účinnost Jednoduché komponenty, žádné směsi materiálů Bez údržby, odolné proti opotřebení Necitlivé k prudkým nárazům vody a k tvorbě usazenin Horizontální i vertikální aplikace Napojení na regulaci pračky Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 34
Souhrn Souprava výměníku tepla Kannegiesser VÝHODY: Regulace teploty kapaliny na máchání Individuální nastavení teploty máchání pro každý program praní Žádné riziko nadměrných teplot při odvodňování (směsová vlákna) Regulace teploty zásobníku odvodňovací jednotky Žádná spotřeba čisté vody v oddělení 1 způsobená nadměrnou teplotou při předpírání Modul 5 Energie v prádelnách Kapitola 4 Technologie výměníků tepla 35