Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad OPTIMALIZACE VÝPARNÍKU Z VINUTÝCH OCELOVÝCH TRUBEK Petr Mydlil, Jakub Maščuch Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Vinuté výměníky se většinou využívají pro přenos tepla mezi dvěma kapalinami, což klade poměrně malé nároky na přesnost jejich výroby. Velikost tlakových ztrát v tomto případě většinou není podstatným parametrem. Aplikace, kterou se zabývá tento příspěvek, předpokládá přenos tepla z plynu (spalin) do kapalné fáze, která se navíc odpařuje. Pro dosažení požadovaných součinitelů přestupu tepla je nutné výměník vyrábět výrazně přesněji než v případě přenosu tepla z kapaliny. Pro aplikaci je navíc velmi důležitá nízká úroveň tlakových ztrát, zejména na straně spalin. Tyto požadavky vedou k nutnosti provedení optimalizace vnitřního uspořádání výměníku jak z pohledu dosažení technických parametrů (prostup tepla, tlakové ztráty), tak z hlediska parametrů ekonomických (teplosměnná plocha, resp. výrobní a provozní náklady). Optimalizace popisovaná v tomto článku, byla provedena s ohledem na primární určení tohoto výměníku, kterým je využití odpadního tepla v ORC cyklech. SUMMARY Coil (wound) heat exchangers are mostly used for heat transfer between two liquids, which requires relatively low precision in manufacturing process. The pressure drop is not an important parameter in most cases. This paper thesis is focused on the application of coilwound exchanger for heat transfer between flue gases and liquid which evaporates. To achieve required heat transfer coefficients it is necessary to fabricate the heat exchanger with significantly higher level of precision. Low level of pressure drop in the flue gases is a very important parameter, too. These requirements lead to necessity in optimization of the internal configuration of the heat exchanger from the technical (heat transfer, pressure drop) and economical (production and maintenance costs) parameter point of view. The optimization, which is described in this paper, has been performed with respect to primary purpose of this heat exchanger, which is waste heat recovery by the ORC cycle. ÚVOD V současné době je patrný zvýšený zájem průmyslových podniků o problematiku využití odpadního tepla. Je to pravděpodobně způsobeno růstem cen elektřiny a paliv. Na straně druhé výrazně klesají výrobní náklady na technologie a technologické celky, které by bylo možné na využití odpadního tepla aplikovat. Cena za instalovanou kwe roste s klesajícím celkovým instalovaným výkonem mnohem pomaleji, než tomu bylo v minulosti [1]. Jednou z možností využití odpadního tepla je výroba elektřiny v zařízení využívajícím principu organického Rankinova cyklu (ORC). V případě, který popisuje tento příspěvek, byl zvolen modelový příklad spojení mikroturbíny a ORC jednotky, která využívá odpadního tepla spalin. Byla vybrána mikroturbína o elektrickém výkonu 28 kw. Výkon v odpadním teple, který lze využít pro výrobu v ORC jednotce, se pohybuje okolo 50 kw. Mikroturbína samotná dosahuje elektrické účinnosti 25 %, což je oproti např. spalovacím motorům výrazně méně. Zvýšení 197
účinnosti pomocí ORC jednotky by proto mohlo významně zlepšit možnost uplatnění mikroturbín na trhu. Dá se předpokládat nárůst účinnosti spojení mikroturbíny a ORC jednotky až o 7 procentních bodů. Příspěvek se zaměřuje na optimalizaci spalinového výměníku, který slouží v ORC okruhu jako ekonomizér i výparník organické pracovní látky, konkrétně hexamethyldisiloxanu. Optimalizováno je vnitřní uspořádání výměníku i parametry oběhu. Cílem je získat optimální parametry výměníku a oběhu z hlediska co nejvyšší ekonomické výhodnosti zařízení. OPTIMALIZACE VNITŘNÍCH ROZMĚRŮ VÝMĚNÍKU Byl vybrán tzv. vinutý výměník (wound heat exchanger), který se běžně používá např. v kryogenní technice. Definování vnitřních rozměrů ukazuje Obr. 1. Obr. 1 Vnitřní uspořádání výměníku Byla sestavena sada průběhů závislostí důležitých parametrů výměníku (tlakové ztráty v trubkách i vně trubek a výška výměníku) na vnitřních rozměrech (x1 vzdálenost trubek v příčném směru proudění spalin, x2 vzdálenost trubek v podélném směru proudění spalin, Dtr vnější průměr trubek, d0 průměr vnitřního válce a počet šroubovic na Obr. 1 je varianta se třemi šroubovicemi). Výsledkem této optimalizace je Tab. 1, která udává rozsah jednotlivých vnitřních rozměrů, ve kterých je výhodné se pohybovat v dalším průběhu optimalizačního procesu. Tabulka zároveň udává vliv změny daného vnitřního rozměru výměníku na nárůst/pokles výšky výměníku ( Lvym), hmotnosti výměníku ( m), tlakové ztráty na straně spalin ( ( psv)) a tlakové ztráty na straně pracovní látky ( ( ptr)). Tabulka byla sestavena pomocí aproximace daných průběhů přímkou. Vzhledem k relativně úzkým intervalům mezi minimální a maximální doporučenou hodnotou rozměrových parametrů lze výsledky považovat za dostatečně přesné. Jedná se o hodnoty přibližné, díky kterým lze rozhodnout, jaký z parametrů je nejvhodnější volit pro požadovaný efekt. Tab. 1 Vliv jednotlivých rozměrových parametrů doporučené hodnoty přírůstek změna L vym m ( p sv) ( p tr) mm mm m kg Pa Pa x 1 3 až 7 1 0,141 32,5-745 140 x 2 3 až 7 1 0,067 4,7 12 11 d 0 200 až 300 20-0,070 5,6-304 -2 D tr 25 až 35 5 0,245 67,0-215 -1 659 198
prostá návratnost [let] prostá návratnost [let] TECHNICKO EKONOMICKÁ OPTIMALIZACE Optimalizace vnitřních rozměrů výměníku byla provedena pro konstantní parametry tepelného oběhu. Parametry oběhu (konkrétně pinch point, výstupní teplota spalin ze spalinového výměníku, kondenzační teplota, rozdíl výstupních teplot v rekuperačním výměníku) významně ovlivňují jak roční zisk z prodeje elektřiny, tak investiční náklady na jednotku. Proto byl zvolen postup, při kterém budou parametry oběhu optimalizovány z pohledu co nejnižší doby návratnosti investice. Byla předpokládána pouze výroba elektřiny bez využití odpadního tepla pro vytápění. Odhad investičních nákladů jednotky se skládá z položek, které budou dány pevně (expanzní stroj, čerpadlo, měření a regulace, armatury, pracovní médium, zařízení na odvod tepla z kondenzace, tepelné izolace) a ceny výměníků, která bude stanovena v závislosti na parametrech oběhu. Celková cena zařízení je stanovena v materiálových nákladech. Ačkoli článek pojednává o optimalizaci spalinového výměníku, je nutné z hlediska technickoekonomického brát v potaz celé zařízení. Kondenzační teplota a rozdíl výstupních teplot v rekuperačním výměníku sice nepatří k parametrům spalinového výměníku, ale jejich změna bude mít vliv na jeho rozměry (např. zvýšení hodnoty rozdílu výstupních teplot z rekuperace bude mít za následek zmenšení rekuperačního výměníku, ale i zvětšení výměníku spalinového při konstantním elektrickém výkonu jednotky). Při stanovení ročního množství vyrobené elektrické energie byla uvažována i vlastní spotřeba chladícího okruhu pro odvod tepla z kondenzace. Teplo z kondenzace bude odváděno do atmosféry přes vložený vodní okruh. Vlastní spotřeba zahrnuje příkon ventilátorů a oběhového čerpadla vodního okruhu. Množství vyrobené elektřiny je značně závislé na kondenzační teplotě, která se mění s teplotou okolního vzduchu. Množství vyrobené elektřiny bylo proto vypočteno pro každý měsíc zvlášť se zohledněním průměrné teploty vzduchu (pro Středočeský kraj, ČR). Předpokládá se roční doba provozu 8 000 h a prodejní cena elektřiny 3 Kč/kWh. 5.2 5.1 5.0 4.9 tsp out=130 C tsp out=140 C tsp out=150 C tsp out=160 C 5.2 5.1 5.0 4.9 tsp out=130 C tsp out=140 C tsp out=150 C 4.8 4.8 4.7 4.7 4.6 16 20 24 28 32 pinch point[ C] 4.6 10 20 30 40 50 rozdíl výstupních teplot z rekuperace[ C] Obr. 2 Vliv pinch pointu na návratnost Obr. 3 Vliv rozdílu výstupních teplot z rekuperace na návratnost 199
Pro pevně zvolené parametry oběhu (pinch point 18 C, výstupní teplota spalin 140 C, kondenzační teplota 40 C, rozdíl výstupních teplot z rekuperace 20 C) byla čistá výroba elektřiny 53 MWh/rok při investičních nákladech 770 tisíc Kč. To odpovídá prosté době návratnosti 4,8 roku. Následující grafy ukazují, jak se mění doba návratnosti v závislosti na měnících se parametrech oběhu. Z Obr. 2 lze odhadnout, že nejvýhodnějších parametrů je dosaženo při pinch pointu okolo 24 C a výstupní teplotě spalin (tsp out) 130 C. Podle Obr. 3 při výstupní teplotě spalin 130 C návratnost klesá rychle do hodnoty rozdílu výstupních teplot 20 C, pak je již závislost relativně pozvolná. Výsledné parametry jednotky po provedení všech optimalizací uvádí následující tabulka. Tab. 2 Finální parametry jednotky Pinch point 24 C Výstupní teplota spalin 130 C Rozdíl teplot na výstupu z rekuperace 20 C Kondenzační teplota 40 C Elektrický výkon Celková hmotnost Náklady na jednotku Návratnost 7,4 kw 350 kg 743 000 Kč 4,6 roku ZÁVĚR Je zřejmé, že na optimalizaci vnitřních rozměrů spalinového výměníku a parametrů tepelného ORC cyklu je třeba pohlížet velmi komplexně. Výsledky technické optimalizace parametrů jako jsou např. tlakové ztráty, rozměry a hmotnost výměníku nemusí zákonitě odpovídat optimálním parametrům z hlediska ekonomického. Stejně tak není nezbytné ani hospodárné navrhovat jednotku na co nejvyšší stupeň využití odpadního tepla. Vzhledem k tomu, že při využití odpadního tepla jsou uvažovány nulové náklady na palivo, je jakékoli množství využitelné energie, kterou by bylo možno získat instalací ORC jednotky, zvýšením využití paliva nehledě na účinnost dané transformace. Rozhodujícím parametrem z pohledu potenciálního zákazníka bude v tomto případě množství vyrobené elektřiny, resp. její tržní hodnota ve srovnání s investičními náklady na zařízení. 200
LITERATURA [1] MAŠČUCH, J., HRDLIČKA, J. Perspektivy mikrokogenerace z biomasy v podmínkách ČR. In: Technika ochrany prostredia 2009. Častá - Papiernička, Slovenská Republika, 2009, s. 337-342. [2] DLOUHÝ, T.. Výpočty kotlů a spalinových výměníků. Vyd. 3. V Praze: Nakladatelství ČVUT, 2007, 212 s. ISBN 978-80-01-03757-7. [3] MYDLIL, P. Návrh ORC jednotky pro využití odpadního tepla z mikroturbíny. Praha, 2012. Diplomová práce. České vysoké učení technické, Strojní fakulta. [4] Capstone: Turbine Corporation [online]. 2012 [cit. 2012-10-20]. Dostupné z: http://www.capstoneturbine.com/ PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 201